JPH0954281A - ３次元立体表示装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】表示する物体を用いず、かつ露光設備、現像設
備、再生時の光源も必要とせずに、観察領域が広く、複
数人が同時観察でき、さらに観察者の動きに応じて観察
される立体像が変化する３次元立体表示を実現する。 【解決手段】複数の表示画素が２次元配列された表示パ
ネルと、複数の偏向素子が２次元配列され、これら偏向
素子を介して前記表示パネルの点灯された画素からの光
を偏向することにより空間上に点像の３次元列を形成す
る偏向素子アレイと、表示すべき３次元立体物の表面を
複数の微小な面素に分割し、これら分割した複数の面素
の３次元座標を入力設定する３次元座標入力設定手段
と、この入力設定された３次元座標を前記表示パネル及
び偏向素子アレイで表示可能な座標のうちの最も近い座
標に量子化変換する量子化手段と、この量子化された座
標データを、該量子化された３次元座標位置に点像を表
示するために点灯させるべき前記表示パネルの座標デー
タに変換し、該変換された座標データに従って前記表示
パネルの表示画素を点灯制御する表示パネル駆動制御手
段とを具える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、３次元立体表示
物を眼鏡等の補助具なしに自然な像として立体表示可能
な３次元立体表示装置および方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】３次元立体表示方式には、以下のような
各種方式がある。

【０００３】(1)眼鏡方式 ・アナグリフ方式 ・偏光方式 ・時分割方式 (2)表示面方式 ・ホログラフィックステレオグラム方式 ・レンティキュラ方式 ・インテグラルフォトグラフィ方式 ・パララックス方式 (3)奥行標本化方式 ・回転円筒方式 ・バリフォーカスミラー方式 ・積層パネル方式 (4)空間時分割方式 しかしながら、眼鏡方式および表示面方式は、目の合焦
点位置と輻輳角が実在する物体の場合と異なる、視点が
固定される、不自然な立体感がある等の面で疲労感がつ
よく、また多人数の同時観察ができない、運動立体視が
できない等の問題がある。

【０００４】また、奥行標本方式および空間時分割方式
は、大がかりな表示装置が必要で、膨大な計算が必要で
あるなどの問題がある。

【０００５】特に、上記した方式のうちインテグラルフ
ォトグラフィ方式が本発明に近いものであるが、このイ
ンテグラルフォトグラフィ方式では、乾板の前に複眼レ
ンズ（昆虫の複眼レンズのような極めて小さいレンズの
集合体）を配置し、被写体を撮像する。この結果、１つ
の被写体が微細なレンズを介して、その裏面の乾板上
に、複数の倒立像として結像する。したがって、この撮
像済みの乾板を現像の後、再度複眼レンズの裏面に配置
し、乾板の裏面から照明を当てると、立体像が元の位置
に実像として再生される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
式においては、以下のような問題点を有する (1)３次元表示のためには表示する物体そのものを用意
する必要であり、またこれに伴い反射率の低い物体は撮
影が困難となる (2)レーザなどの露光設備が必要となる (3)感光材料の現像処理が必要となる (4)物体と光学系の位置合わせ、露光、撮像などにより
作業時間が長くなる (5)再生時に光源が必要となる (6)綺麗なカラー化が困難である などの問題がある。

【０００７】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、表示する物体を用いず、かつ露光設備、現像
設備、再生時の光源も必要とせずに、観察領域が広く、
複数人が同時観察でき、さらに観察者の動きに応じて観
察される立体像が変化する３次元立体表示を実現する３
次元立体表示装置および方法を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明では、複数の表
示画素が２次元配列された表示パネルと、複数の偏向素
子が２次元配列され、これら偏向素子を介して前記表示
パネルの点灯された画素からの光を偏向することにより
空間上に点像の３次元列を形成する偏向素子アレイと、
表示すべき３次元立体物の表面を複数の微小な面素に分
割し、これら分割した複数の面素の３次元座標を入力設
定する３次元座標入力設定手段と、この入力設定された
３次元座標を前記表示パネル及び偏向素子アレイで表示
可能な座標のうちの最も近い座標に量子化変換する量子
化手段と、この量子化された座標データを、該量子化さ
れた３次元座標位置に点像を表示するために点灯させる
べき前記表示パネルの座標データに変換し、該変換され
た座標データに従って前記表示パネルの表示画素を点灯
制御する表示パネル駆動制御手段とを具えるようにして
いる。

【０００９】かかる発明によれば、表示すべき３次元立
体物の表面を複数の微小な面素に分割し、これら分割し
た複数の面素の３次元座標を前記表示パネル及び偏向素
子アレイで表示可能な座標のうちの最も近い座標に量子
化変換する。

【００１０】次に、これら量子化された座標を、量子化
された３次元座標位置に点像を表示するために点灯させ
るべき前記表示パネルの表示画素の座標に変換し、該変
換結果にしたがって表示画素を点灯制御する。

【００１１】点灯された表示画素からの光は偏向素子ア
レイの各偏向素子を介することにより偏向され、前記量
子化された座標位置に点像を形成する。

【００１２】この結果、前記点像群により構成される３
次元立体像が形成される。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施例を添付図面
に従って詳細に説明する。

【００１４】図１はこの発明の実施例を示すもので、こ
の実施例装置の表示部は、２次元マトリックス状に表示
画素が配列された表示パネル１と、この表示パネル１の
各表示画素から発生した光線の方向を偏向する偏向素子
が２次元マトリックス状に配列された偏向素子アレイ２
とを具えている。また、この実施例装置において、表示
パネル１の各表示画素を点灯制御するための構成とし
て、表示すべき３次元像の座標データが入力記憶される
３次元座標データ記憶装置３と、この３次元座標データ
を３次元立体像形成のためのデータに変換するデータ変
換器４と、このデータ変換器４からのデータに基づいて
表示パネル１を駆動制御する３次元表示制御装置５とを
具えている。かかる構成により、３次元立体像６が３次
元空間上に表示される。

【００１５】図２は、この発明の３次元像の表示原理を
示すものである。

【００１６】表示対象とする３次元物体Ａの物体表面Ｓ
を微小な面素ｄｓに分割したとする。ある面素ｄｓで反
射される光束群もしくは面素ｄｓで発光される光束群が
立体角ｗを有する場合、これらの光束群を単位立体角ｄ
ｗ毎の光線ベクトルＩi(i=1,2,…n)に分割する。

【００１７】ここで、物体表面Ｓと異なる別の面に表示
面Ｐを考える。面素ｄｓを通り光線ベクトルＩiの方向
に定義される直線群Ｌi(i=1,2,…n)が表示面Ｐと交差す
る点をｑi(i=1,2,…n)とする。

【００１８】次に、表示面Ｐ上の点ｑiから光線ベクト
ルＩiに相当する光Ｓｒi(i=1,2,…n)を出す場合を考え
る。このとき、表示面Ｐより出射される光束は微小な広
がり角を持つ光束若しくは面素ｄｓの位置に収束するよ
うな光束若しくはほぼ平行光に近い光束であるとする。
このような系においては、表示面Ｐより出る光は面素ｄ
ｓから出射する光と全く等価になるため、面素ｄｓが実
在する場合と全く同様に、面素ｄｓの像を観察すること
ができる。本発明では、先の第１図に示した構成によっ
て、前記微小面素ｄｓの像を表示すべき３次元像に対応
して離散的に複数形成することによって３次元像を得
る。

【００１９】まず、図３に表示パネル１及び偏向素子ア
レイ２の具体例を示す。

【００２０】図３においては、表示パネル１として、液
晶ディスプレイ１０を用い、偏向素子アレイ２としてマ
イクロレンズアレイ１１を用いるようにしている。この
場合、液晶ディスプレイ１０は、拡散光を発生する拡散
光源１２上に多数の液晶シャッタ１３を等間隔ピッチで
２次元配列して構成される。また、マイクロレンズアレ
イ１１は、同一光学特性を有するマイクロレンズ１１1
〜１１mが２次元的に密に配設されたもので、複眼レン
ズ、蝿の目レンズともいう。

【００２１】ここで、マイクロレンズアレイ１１の各マ
イクロレンズの焦点位置は液晶ディスプレイ１０上に位
置するように設定する。また、液晶ディスプレイ１０の
各液晶シャッタ１３の大きさは、マイクロレンズの直径
に比べ充分に小さくする。こうすることにより、液晶シ
ャッタ１３によって選択点灯された液晶ディスプレイ１
０の画素ｔ1〜ｔnを点光源とみなすことができる。

【００２２】かかる構成によれば、マイクロレンズの焦
点位置が液晶ディスプレイ１０上にあるために、液晶デ
ィスプレイ１０からは、選択点灯された画素ｔiとこれ
ら画素ｔiの真上にあるマイクロレンズの主点位置ｑiを
結ぶ線分の方向に光線が出射される。そして、これらの
光線は微小面素ｄｓの位置で交差するので、微小面素ｄ
ｓを観察することができる。なお、液晶ディスプレイ１
０から出射される光線Ｓｒ1〜Ｓｒnが、先の第２図に示
した表示面Ｐ上の点ｑiからでた光Ｓｒi(i=1,2,…n)に
相当し、図３の主点位置ｑiが図２の表示面Ｐ上の点ｑi
に相当する。

【００２３】次に、表示パネル１及び偏向素子アレイ２
による構成によって３次元表示像を得るための手法につ
いて説明する。

【００２４】まず、本発明においては、表示しようとす
る３次元物体の表面を微小な多数の面素に分割し、該分
割した多数の面素に対応する多数の点像を表示パネル１
及び偏向素子アレイ２による構成によって３次元空間に
形成することによって、３次元立体表示を実現する。

【００２５】図１の３次元座標データ記憶装置３におい
ては、これら表示しようとする３次元立体物に対応する
微小な多数の面素の３次元座標データ群が入力記憶され
ている。

【００２６】ここで、表示パネル１及び偏向素子アレイ
２による構成によって、３次元空間上に点灯可能な点像
の座標は有限であり、これら点像の座標は表示パネル１
の表示素子の間隔（ピッチ）ｄ、偏向素子アレイ２を構
成する各偏向素子の焦点距離ｆ、各偏向素子間の距離ｐ
によって特定される。

【００２７】そこで、表示しようとする３次元物体の表
面の多数の微小面素の座標Ａ（Ｘsi，Ｙsi，Ｚsi）を、
前記表示パネル１及び偏向素子アレイ２による構成によ
って表示可能な点座標の内の最も近い点座標Ｂ（Ｘqi，
Ｙqi，Ｚqi）にそれぞれ量子化変換する（i=1〜m）。こ
の量子化変換処理は、図１のデータ変換器４で行われ
る。

【００２８】以下、量子化変換方式の一例を図４、図５
を参照して説明する。

【００２９】ここでは、３次元物体の表面の１つの微小
面素の座標Ａ（Ｘs，Ｙs，Ｚs）を表示可能な点座標の
内の最も近い点座標Ｂ（Ｘq，Ｙq，Ｚq）に量子化変換
する場合について説明する。

【００３０】まず、図４を用いてＺ方向（高さ方向）の
量子化について説明する。

【００３１】表示パネル１及び偏向素子アレイ２による
構成によって表示可能な最大高さＺ0（偏向素子アレイ
２からの最大距離）は、 Ｚ0＝ｐ・ｆ／ｄ …（１） ｐ：偏向素子アレイを構成する偏向素子間の距離 ｄ：個々の点光源間隔 ｆ：偏向素子アレイを構成する偏向素子焦点距離 となる。

【００３２】したがって、偏向素子アレイ２の主点位置
上に座標原点（Ｚ＝０）があるとした場合、Ｚ方向につ
いて表示し得る複数のＺ座標位置のうちで最も座標原点
から遠い距離に位置するＺ座標位置Ｚ1は、 Ｚ1＝Ｚ0 …（２） となる。

【００３３】また、表示パネル１及び偏向素子アレイ２
による構成によって表示可能なＺ座標位置Ｚk（Ｚ1，Ｚ
2，……）は Ｚk＝Ｚ0／ｋ …（３） ｋは１からTrunc(ｐ／２ｄ)迄の範囲の整数値 Trunc()は少数点以下を切り捨てる関数 となる。

【００３４】すなわち、ｋはＺ方向の最大高さ位置から
下方向に何番目の高さをとるかを示し、最大高さＺ0の
ときｋ＝１である。

【００３５】したがって、３次元物体の表面の微小面素
のＺ座標Ｚsをこれに最も近い表示可能な点像のＺ座標
Ｚq）に量子化変換するためには、下記（４）式を満足
するｋの値を選択し、該選択したｋに対応するＺkを量
子化変換後のＺ座標とする。

【００３６】 ｋ：min(｜Ｚs−Ｚk｜) …（４） すなわち、上記（４）式では、Ｚk＝Ｚ0／ｋとした場
合、ＺsとＺkの差の絶対値が最も小さくなるようなｋの
値を選出する。

【００３７】そして、このようにして得られたＺk＝Ｚq
で当該微小画素のＺ座標Ｚsを量子化変換する。すなわ
ち、 Ｚs＝Ｚq …（５） とする。

【００３８】次に、Ｘ−Ｙ方向の量子化について説明す
る。

【００３９】表示パネル１及び偏向素子アレイ２による
構成によって表示可能なＸ−Ｙ方向の座標は、前述の値
ｋによって特定される。

【００４０】すなわち、Ｘ方向についての最小表示単位
（最小表示間隔）ｄｘは、 ｄｘ＝ｐ／ｋ …（６） となり、Ｙ方向についての最小表示単位（最小表示間
隔）ｄｙは、 ｄｙ＝ｐ／ｋ …（７） となる。

【００４１】したがって、下式（８）（９）のように、
Ｘs，ＹsをＸＹ座標それぞれの最小単位ｄｘ、ｄｙで量
子化すれば、Ｘq、Ｙqを得ることができる。

【００４２】 Ｘq＝ｉｎｔ（Ｘs／ｄｘ）・ｄｘ …（８） Ｙq＝ｉｎｔ（Ｙs／ｄｙ）・ｄｙ …（９） ｉｎｔ（）は整数値を表す関数 図５(a)においては、Ｘ方向の最小表示単位ｄｘをｋの
値（ｋ＝１、２、３、４）に応じて示している。

【００４３】次に、上記のようにして得られた量子化座
標Ｂ（Ｘq，Ｙq，Ｚq）に点像を表示するために点灯さ
せるべき表示パネル１の複数の画素の座標列（Ｘp，Ｙ
p）を決定する手法について説明する。

【００４４】まず、前記量子化した表示しようとする３
次元像の点像のＸＹ座標（Ｘq，Ｙq）を偏向素子２との
位置関係によって以下に示すように表す。

【００４５】 Ｘq＝ｓ・ｐ＋ｄｘ・ｉ …（１０） Ｙq＝ｔ・ｐ＋ｄｙ・ｉ …（１１） ここで、ｓは当該Ｘ座標Ｘqが属する偏向素子が予め設
定した所定の偏向素子（原点偏向素子）から何番目に位
置するかを示す値（整数）であり、 ｓ＝Ｔｒｕｎｃ（Ｘq／ｐ） …（１２） を用いて求める。

【００４６】ただし、この実施例では、図５(a)に示す
ように、偏向素子の中心位置に座標原点（０，０）を設
定しているので、ｓ番目の偏向素子に属しているとする
領域は、図５(a)(b)に示すように、ｓ番目の偏向素子の
右半分に対応する領域と、ｓ＋１番目の偏向素子の左半
分に対応する領域とで構成させるようにしている。

【００４７】また、ｉは当該Ｘ座標Ｘqが、当該Ｘ座標
が属する偏向素子の中心位置からＸ方向最小単位ｄｘを
ピッチとして何番目に位置するかを示す値（整数）であ
り、 ｉ＝（Ｘq−ｓ・ｐ）／ｄｘ …（１３） を用いて求める。

【００４８】従って、図５(b)の場合、量子化されたＸ
座標Ｘqのｓ＝ｓで、またｉ＝２となる。なお、量子化
されたＺ座標がｋ番目の位置にあるとき、偏向素子ｓに
属するＸ座標で、表示可能な点の個数はｋ個であり、そ
の表示点の間隔はｐ／ｋとなる。

【００４９】また、Ｙ座標に関してもＸ座標と同様であ
り、ｔは当該Ｙ座標Ｙqが属する偏向素子が予め設定し
た所定の偏向素子（原点偏向素子）から何番目に位置す
るかを示す値（整数）であり、 ｔ＝Ｔｒｕｎｃ（Ｙq／ｐ） …（１４） を用いて求める。

【００５０】また、ｊは当該Ｙ座標Ｙqが、当該Ｙ座標
が属する偏向素子の中心位置からＹ方向最小単位ｄｙを
ピッチとして何番目に位置するかを示す値（整数）であ
り、 ｊ＝（Ｙq−ｔ・ｐ）／ｄｙ …（１５） を用いて求める。

【００５１】このようにして、ｓ，ｉ，ｔ，ｊが求めら
れると、次に、これらの値を用いて表示パネル１の点灯
させる複数の画素の座標列（Ｘp，Ｙp）を下式に従って
求める。

【００５２】 Ｘp＝（ｓ＋ｕ）ｐ＋（ｕ・ｋ−ｉ）ｄ …（１６） Ｙp＝（ｔ＋ｖ）ｐ＋（ｖ・ｋ−ｊ）ｄ …（１７） ｕ，ｖ：整数値 ただし、上記の式で得られる表示素子の座標列（Ｘp，
Ｙp）には、座標（Ｘq，Ｙq）を点灯させるのに有効で
ないものも含まれているので、ｕ，ｖを下式に従って制
限することによって、座標（Ｘq，Ｙq）を点灯させるの
に有効な表示画素を抽出する。

【００５３】すなわち、表示パネル１の１偏向素子当た
りの画素数をｎ（奇数）とすると、下式を満足する
（ｕ,ｖ）の全ての組み合せにより決まる座標列（Ｘp，
Ｙp）が発光させる画素となる。

【００５４】 ｕ＝Ｔｒｕｎｃ（ｍ−ｉ）／ｋ，…，Ｔｒｕｎｃ（ｍ＋ｉ）／ｋ …（１８） ｖ＝Ｔｒｕｎｃ（ｍ−ｊ）／ｋ，…，Ｔｒｕｎｃ（ｍ＋ｊ）／ｋ …（１９） ただし、ｍ＝（ｎ−１）／２ すなわち、ｕは-Trunc((m-i)/k)〜Trunc((m+i)/k)の範
囲の整数値であり、ｖは-Trunc((m-j)/k)〜Trunc((m+j)
/k)の範囲の整数値である。

【００５５】図６においては、ｓ番目の偏向素子に属し
かつｉ＝２であるＸ位置（黒丸で示した）に点像を形成
するようにしており、それぞれの偏向素子の中心に位置
する表示素子を０番目の表示素子とする。まず、黒丸で
示した位置に点像を形成するためには、ｓ番目の偏向素
子に属する表示素子に関しては−ｉ（ｉ＝２）番目の表
示素子（塗りつぶしで示した）を点灯する必要がある。
また、ｓ−１番目の偏向素子に属する表示素子に関して
は、偏向素子ｓ−１の中心に位置する表示素子から（−
ｉ−ｋ）番目の表示素子（図示せず）を点灯する。−方
向に関しては、以下同様に、（−ｉ−２ｋ）番目、（−
ｉ−３ｋ）番目、…の表示素子を点灯する。

【００５６】＋方向に関しては、（−ｉ＋ｋ）番目、
（−ｉ＋２ｋ）番目、…の表示素子を点灯する。例え
ば、ｓ＋１番目の偏向素子に属する表示素子に関しては
−ｉ＋ｋ（ｉ＝１）番目の表示素子（塗りつぶしで示し
た）を点灯する。

【００５７】すなわち、上記（１６）式においては、
（ｓ＋ｕ）ｐが点灯すべき表示素子が属する偏向素子の
位置を示し、（ｕ・ｋ−ｉ）ｄが選ばれた偏向素子での
表示画素の位置を表している。上記（１７）式における
Ｙ座標の場合も同様である。

【００５８】次に、図７を参照して具体例について説明
する。

【００５９】この場合、３次元物体の表面の１つの微小
面素の座標Ａ（Ｘs，Ｙs，Ｚs）を量子化して、点座標
Ｂ（Ｘq，Ｙq，Ｚq）が得られたとする。なお、以下の
説明では、Ｙ座標に関しては省略する。

【００６０】量子化して得られたＸ，Ｘ座標が次の通り
であるとする。

【００６１】Ｘq＝３．５ｐ Ｚq＝Ｚo／２ このとき前記式（３）および式（６）により ｋ＝２ ｄｘ＝ｐ／２ が得られ、更に前記式（１２）及び式（１３）により ｓ＝Ｔｒａｎｃ（３．５ｐ／ｐ）＝３ ｉ＝（３．５ｐ−３ｐ）／ｄｘ ＝１ となる。

【００６２】したがって、Ｘｑを式（１０）のように表
すと、 Ｘq＝３ｐ＋ｄｘ が得られる。

【００６３】次に、この場合の１偏向素子当たりの画素
数ｎ＝９であるため、前記式（１８）を用いて、 ｍ＝４ ｕ＝−１，０，１，２， が得られる。

【００６４】このようにして求めたｕの値を前記（１
６）に代入すると、 Ｘp＝２ｐ−３ｄ，３ｐ−ｄ，４ｐ＋ｄ，５ｐ＋３ｄ となり、これら４つのＸ座標値が点灯すべき表示画素の
座標となる。

【００６５】図７においては、これら点灯すべき表示画
素を白抜きで示し、他の点灯しない表示画素はハッチン
グで示した。

【００６６】以上が、表示しようとする３次元物体の座
標を表示パネル１の点灯すべき表示画素の座標に変換す
るまでの一連の計算手順である。

【００６７】図１のデータ変換器４では、３次元座標デ
ータ記憶装置３から取り込んだ表示しようとする３次元
物体の座標を用いて、前述した一連の演算処理を行うこ
とにより表示しようと３次元物体の座標に対応する表示
パネル１の点灯すべき表示画素の座標データを算出す
る。

【００６８】図８は、データ変換器４で行われるべき処
理を主に示すフローチャートであり、以下このフローチ
ャートを参照してデータ変換器４の処理を説明する。

【００６９】まず、データ変換器４は、３次元座標デー
タ記憶装置３から表示すべき３次元物体の表面を微小な
面素に分割した座標データＡ（Ｘsi，Ｙsi，Ｚsi）を取
り込み（ステップ１００）、まずこれら座標データＡ
（Ｘsi，Ｙsi，Ｚsi）を、前述したようにして、表示パ
ネル１及び偏向素子アレイ２による構成によって表示可
能な点座標の内の最も近い点座標Ｂ（Ｘqi，Ｙqi，Ｚq
i）にそれぞれ量子化変換する（ステップ１１０）。

【００７０】次に、データ変換器４においては、前記量
子化変換した点座標Ｂ（Ｘqi，Ｙqi，Ｚqi）に点像をそ
れぞれ形成するために点灯すべき表示パネル１の表示画
素の座標群（Ｘp，Ｙp）を前述した手法によって求める
（ステップ１２０）。

【００７１】次に、データ変換器４では、陰面処理を実
行する（ステップ１３０）。すなわち、図９(a)に示し
た３次元立体像はワイヤフレーム表示を示すもので、図
９(b)に示した３次元立体像が陰面処理表示を示すもの
であり、この実施例では図９(b)に示すように、陰にな
っている部分は見えないようにする陰面処理表示がなさ
れるようにする。

【００７２】すなわち、図１０に示すように、３次元像
Ｔを所定の平面で切断した２次元断面で３次元像Ｔを簡
単化し、３次元像Ｔの表面上の点Ｐ（面素）に着目した
とする。

【００７３】この場合、点Ｐで反射される光が立体角ｗ
1の範囲より大きい立体角ｗ0の範囲にわたり光が広がっ
ていくとすると、表示される３次元像は奥にあるものが
透けて見えるワイヤフレーム像となる。すなわち、点Ｐ
で反射される光が立体角ｗ0を持つ場合、例えば、点Ｐ
より右側方向に出る光は矩形３次元像Ｅを突き抜けるた
めに、３次元像Ｅの右方向から観察したときに実際には
見えない点Ｐが見えてしまう。

【００７４】したがって、本実施例では、実際に３次元
物体が見える場合と同じように、陰になって見えるべき
でない部分は見えないようにするべく、点Ｐから出射す
る光を立体角ｗ１の範囲に制限するようにしている。こ
のために、表示パネル１の点灯する表示画素を選択する
際に、図５に示すように光線出射領域を立体角ｗ1に対
応して制限するようにしている。すなわち、点灯用に選
択される表示画素は、制限した光線出射領域内の表示画
素に限るようにしている。

【００７５】このような光線出射領域の制限を、表示す
る３次元物体の各画素について行うことにより陰面表示
を実現する。

【００７６】次に、データ変換器４では、光出射方向に
応じて光強度補正を実行する（ステップ１４０）。すな
わち、図１１に示すように、表示しようとする３次元物
体表面上の点Ｐ（面素）で反射若しくは発光される光
（Ｉ1，Ｉ2，…，Ｉn）が、方向に応じて異なる光強度
を持つ場合、３次元表示装置（表示パネル１及び偏向素
子アレイ２）から出射される光（Ｓｒ1，Ｓｒ2，…Ｓｒ
n）が、それぞれ対応する光（Ｉ1，Ｉ2，…，Ｉn）と等
しい強度を持つようにする。このため、表示パネル１の
各表示素子を点灯させる際の光強度を、出射方向に応じ
て可変制御するようにしている。なお、色情報も再現す
る際には、光（Ｉ1，Ｉ2，…，Ｉn）それぞれを、Ｒ
（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の成分の比率に分解し、これと
同等の比率を持つように３次元表示装置（表示パネル１
及び偏向素子アレイ２）から出射される光（Ｓｒ1，Ｓ
ｒ2，…Ｓｒn）を発生させるようにする。

【００７７】データ変換器４では、以上のような演算処
理により得られたき表示パネル１の表示画素の座標デー
タ群（Ｘp，Ｙp）等を３次元表示制御装置５に転送する
（ステップ１５０）。

【００７８】３次元表示制御装置５は、入力された表示
パネル１の表示画素の座標データ群（Ｘp，Ｙp）等に基
づいて表示パネル１を駆動制御する（ステップ１６
０）。これにより、表示パネル１の点灯された表示画素
からの光が偏向素子アレイ２を介して偏向された後結像
され、この結果３次元座標データ記憶装置３からの３次
元座標データに対応する３次元立体像が形成される（ス
テップ１７０）。

【００７９】以上の実施例では、データ変換器４におい
て、表示すべき３次元立体像の座標データＡ（Ｘs，Ｙ
s，Ｚs）を表示パネル１の各表示画素の座標データ（Ｘ
p、Ｙp）に変換し、この座標データ（Ｘp、Ｙp）を３次
元表示制御装置５に与えることによって３次元立体表示
を行うようにしたが、以下の実施例では、量子化座標Ｂ
（Ｘq，Ｙq，Ｚq）から表示パネル１の各表示画素の座
標データ（Ｘp、Ｙp）への変換を、該変換演算に対応す
る論理がハードウェアによって組まれた３次元表示制御
装置５によってハードウェア的に実現するようにしてい
る。従って、以下の実施例では、図１のデータ変換器４
は、３次元座標データ記憶装置３から入力された３次元
立体像の座標データＡ（Ｘs，Ｙs，Ｚs）を量子化する
処理しか行わず、量子化された座標データを表示パネル
１の各表示画素の座標データ（Ｘp、Ｙp）に変換する処
理は、３次元表示制御装置５によってハードウェア的に
実行される。

【００８０】図１２は、量子化された３次元座標と、表
示パネル１の座標との対応関係を示すもので、この場合
はＹ座標がｙ＝ｙ2であるｘ−ｚ平面上での位置関係を
示している。また、この場合は、説明の簡単化のため
に、表示可能な点像の３次元列（ｘ1，ｙ1，ｚ1）〜
（ｘn，ｙn，ｚn）のｘ−ｙ座標は、図示のように、全
て偏向レンズの主点位置ｍｌ（ｘ1，ｙ1）〜ｍｌ（ｘ
n，ｙn）の真上のみに制限している。

【００８１】図１３は、かかる３次元座標位置（ｘ1，
ｙ1，ｚ1）〜（ｘn，ｙn，ｚn）に、点像を形成するた
めの３次元表示制御装置５のハードウェア構成例を示す
もので、かかる３次元表示制御装置５によれば、データ
変換器４から前記３次元座標列（ｘ1，ｙ1，ｚ1）〜
（ｘn，ｙn，ｚn）のうちの表示しようとする所望の座
標位置を入力するだけで、該入力された所望の座標位置
に点像を形成するに必要な表示パネル１の表示画素を選
択点灯させるための表示用ｘ−ｙアドレスｍｘ1〜ｍｘ
m，ｍｙ1〜ｍｙmを表示パネル１に出力することができ
る。

【００８２】この３次元表示制御装置５は、表示パネル
１のｘ−アドレスを選択するための構成として、３次元
像のＺ座標ｚ1，ｚ2，…がセレクト信号Z(x)1，Z(x)2，
…として入力され、指定されたＺ座標ｚ1，ｚ2，…に対
応する表示パネル１のｘ−アドレスｍｘ1〜ｍｘmを選択
するためのＺ（ｘ）セレクト部１０と、３次元像のＸ座
標ｘ1，ｘ2，…がセレクト信号ｘ1，ｘ2，…として入力
され、指定されたＸ座標ｘ1，ｘ2，…に対応する表示パ
ネル１のｘ−アドレスｍｘ1〜ｍｘmを選択するためのＸ
セレクト部２０とを備えている。そして、これらＺ
（ｘ）セレクト部１０およびＸセレクト部２０は、トラ
ンジスタなどのスイッチ（白四角点）を介して結合さ
れ、各Ｘ−Ｚ座標値（ｚ1ｘ1、ｚ1ｘ2、…）毎に信号線
が設けられており、これらＸ−Ｚ信号線（ｚ1ｘ1、ｚ1
ｘ2、…）と、表示パネル１へ出力するｘ−アドレス信
号線ｍｘ1〜ｍｘmとの各交点のうちの選択すべきｘ−ア
ドレス信号線ｍｘ1〜ｍｘmとの交点にダイオード（白丸
点で示した）を設けることにより、指定されたＸ−Ｚ座
標値によって点灯すべき表示パネル１の表示画素のｘ−
アドレスを選択するようにしている。

【００８３】また、この３次元表示制御装置５において
は、表示パネル１のｙ−アドレスを選択するための構成
として、３次元像のＺ座標ｚ1，ｚ2，…がセレクト信号
Z(y)1，Z(y)2，…として入力され、指定されたＺ座標ｚ
1，ｚ2，…に対応する表示パネル１のｙ−アドレスｍｙ
1〜ｍｙmを選択するためのＺ（ｙ）セレクト部３０と、
３次元像のＹ座標ｙ1，ｙ2，…がセレクト信号ｙ1，ｙ
2，…として入力され、指定されたＹ座標ｙ1，ｙ2，…
に対応する表示パネル１のｙ−アドレスｍｙ1〜ｍｙmを
選択するためのＹセレクト部４０とを備えている。これ
らＺ（ｙ）セレクト部３０およびＹセレクト部４０は、
トランジスタなどのスイッチ（白四角点）を介して結合
され、各Ｙ−Ｚ座標値（ｚ1ｙ1、ｚ1ｙ2、…）毎に信号
線が設けられており、これらＹ−Ｚ信号線（ｚ1ｙ1、ｚ
1ｙ2、…）と、表示パネル１へ出力するｙ−アドレス信
号線ｍｙ1〜ｍｙmとの各交点のうちの選択すべきｙ−ア
ドレス信号線ｍｙ1〜ｍｙmとの交点にダイオード（白丸
点で示した）を設けることにより、指定されたＹ−Ｚ座
標値によって点灯すべき表示パネル１の表示画素のｙ−
アドレスを選択するようにしている。

【００８４】図１４は図１３に示した配線構成の一部詳
細を示すもので、この図１４においてはＸ座標ｘ3、Ｙ
座標ｙ2、およびＺ座標ｚ1、ｚ3によって選択される表
示パネル１のｘ−ｙアドレスの一部が示されている。

【００８５】係る３次元表示制御装置５によって、図１
２で黒点で示した座標位置（ｘ3，ｙ2，ｚ1）、（ｘ2，
ｙ2，ｚ1）、（ｘ3，ｙ2，ｚ3）に順次点像を形成する
場合の動作について説明する。図１５は、その際に関係
する各セレクト信号の状態を示すタイムチャートであ
り、座標位置（ｘ3，ｙ2，ｚ1）、（ｘ2，ｙ2，ｚ1）、
（ｘ3，ｙ2，ｚ3）が順次選択されるよう各セレクト信
号が出力されている。

【００８６】まず、座標位置（ｘ3，ｙ2，ｚ1）に点像
が形成される際の動作について説明する。

【００８７】図１３において、指定されたＺ座標ｚ1お
よびＸ座標ｘ3に対応する配線ｚ1ｘ3に信号電圧が印加
され、さらにこの配線ｚ1ｘ3上にあるダイオード（白丸
点）を介して表示パネル１のｘ−アドレス信号線ｍｘ
3，ｍｘ12，ｍｘ21，ｍｘ30，ｍｘ39に信号電圧が印加
される。これと並行して、指定されたＺ座標ｚ1および
Ｙ座標ｙ2に対応する配線ｚ1ｙ2に信号電圧が印加さ
れ、さらにこの配線ｚ1ｘ3上にあるダイオード（白丸
点）を介して表示パネル１のｙ−アドレス信号線ｍｙ
3，ｍｙ12，ｍｙ21，ｍｙ30，ｍｙ39に信号電圧が印加
される。この結果、表示パネル１においては、ｘ−アド
レス信号線ｍｘ3，ｍｘ12，ｍｘ21，ｍｘ30，ｍｘ39と
ｙ−アドレス信号線ｍｙ3，ｍｙ12，ｍｙ21，ｍｙ30，
ｍｙ39の交点にある２５個の画素に信号電圧が印加さ
れ、これら２５個の画素が点灯する。

【００８８】図１２に、これら２５個の点灯画素のうち
のｙアドレスがｍｙ12である５個の点灯画素（ｍｘ3，
ｍｙ12）、（ｍｘ12，ｍｙ12）、（ｍｘ21，ｍｙ12）、
（ｍｘ30，ｍｙ12）、（ｍｘ39，ｍｙ12）と、３次元空
間上に形成される点像（ｘ3，ｙ2，ｚ1）の位置関係を
示す。各点灯画素（ｍｘ3，ｍｙ12）、（ｍｘ12，ｍｙ1
2）、（ｍｘ21，ｍｙ12）、（ｍｘ30，ｍｙ12）、（ｍ
ｘ39，ｍｙ12）を出射した光は、偏向素子の主点ｍｌ
（ｘ1，ｙ2）、ｍｌ（ｘ2，ｙ2）、ｍｌ（ｘ3，ｙ2）、
ｍｌ（ｘ4，ｙ2）、ｍｌ（ｘ5，ｙ2）をそれぞれ通り、
３次元表示空間の点（ｘ3，ｙ2，ｚ1）で交差し、３次
元像の微小面素を形成する。残りの２０個の点灯画素に
付いても同様であり、各点灯画素を出射した光は各偏向
レンズの主点を通過した後、３次元表示空間の点（ｘ
3，ｙ2，ｚ1）で交差する。

【００８９】座標位置（ｘ2，ｙ2，ｚ1）に点像を形成
する際も前記と同様であり、指定されたＺ座標ｚ1およ
びＸ座標ｘ2に対応する配線ｚ1ｘ2に信号電圧が印加さ
れ、さらにこの配線ｚ1ｘ2上にあるダイオード（白丸
点）を介して表示パネル１のｘ−アドレス信号線ｍｘ
4，ｍｘ13，ｍｘ22，ｍｘ31，ｍｘ39に信号電圧が印加
される。これと並行して、指定されたＺ座標ｚ1および
Ｙ座標ｙ2に対応する配線ｚ1ｙ2に信号電圧が印加さ
れ、さらにこの配線ｚ1ｘ3上にあるダイオード（白丸
点）を介して表示パネル１のｙ−アドレス信号線ｍｙ
3，ｍｙ12，ｍｙ21，ｍｙ30，ｍｙ39に信号電圧が印加
される。この結果、表示パネル１においては、ｘ−アド
レス信号線ｍｘ4，ｍｘ13，ｍｘ22，ｍｘ31，ｍｘ39と
ｙ−アドレス信号線ｍｙ3，ｍｙ12，ｍｙ21，ｍｙ30，
ｍｙ39の交点にある２５個の画素に信号電圧が印加さ
れ、これら２５個の画素が点灯する。この結果、３次元
表示空間上の点（ｘ2，ｙ2，ｚ1）に微小画素の像が形
成される。

【００９０】座標位置（ｘ3，ｙ2，ｚ3）に点像を形成
する際も前記と同様であり、３次元座標（ｘ3，ｙ2，ｚ
3）が指定されることにより、ｘ−アドレス信号線ｍｘ1
0，ｍｘ21，ｍｘ32とｙ−アドレス信号線ｍｙ1，ｍｙ1
2，ｍｙ23が選択され、これらアドレス線の交点にある
９個の画素に信号電圧が印加され、これら９個の画素が
点灯する。この結果、３次元表示空間上の点（ｘ3，ｙ
2，ｚ3）に微小面素の像が形成される。

【００９１】このようにこの実施例によれば、量子化座
標から表示パネルの座標への変換をハードウェアによっ
て実現するようにしたので、図１のデータ変換器４及び
３次元座標データ記憶装置３としてコンピュータを用い
た場合、コンピュータと３次元表示制御装置５との情報
通信量を少なくすることができるとともに、コンピュー
タでのソフトウェア処理および通信処理などを原因とし
たコンピュータの処理速度の低下を抑えることができ、
これにより膨大な計算を必要とする３次元動画表示など
への好適な適用が可能である。また、この３次元表示制
御装置５を表示パネル１と一体的に構成した場合、３次
元表示制御装置５とコンピュータ間の信号配線は、３次
元座標データに関する配線のみの少ない配線本数で済む
ようになり、生産性が向上する。

【００９２】次に、図１６〜図２０に、表示パネル１お
よび偏向素子アレイ２の他の実施例を示す。

【００９３】図１６は、液晶ディスプレイ１０の光源と
して拡散光源ではなく平行光を発する平行光源１４を用
いるようにした構成を示すものであり、この場合は光源
が平行光であるため、光源と液晶シャッタとの間、若し
くは液晶シャッタとマイクロレンズアレイとの間にガラ
スなどのスペーサを配置するようにしても良い。

【００９４】図１７は、偏向素子アレイ２の各偏向素子
の配設ピッチを液晶シャッタ１３の配設ピッチと同じに
した構成を示すもので、この場合は１つの偏向素子に１
つの液晶シャッタが対応している。すなわちこの場合
は、各偏向素子毎に（各液晶シャッタ毎に）各種の偏向
方向を予め設定している。

【００９５】図１８においては、先の図３に示した構成
の各マイクロレンズ（偏向レンズ）の主点位置にマイク
ロレンズの径より小さい径を有するピンホールが２次元
配列されるピンホールアレイ１５を配置している。この
ようなピンホールアレイが配置されることにより、マイ
クロレンズの主点位置付近を通過する光のみを通過さ
せ、これにより液晶シャッタのパターンが背景として観
測される背景雑音を削減し、より鮮明な３次元像を観測
できるようにしている。

【００９６】図１９においては、先の図１６に示した構
成の各マイクロレンズの焦点位置に前記同様のピンホー
ルアレイ１５を配置するようにして、先の図１８に示し
た構成と同様の効果を狙っている。

【００９７】図２０においては、表示パネル１として、
光アドレス方式を利用した光導電膜１６および発光素子
アレイ１７から成る構成を用いる様にしている。偏向素
子アレイ１としては、マイクロレンズアレイ１１を用い
ている。

【００９８】すなわち、この表示パネルにおいては、発
光素子１７と光導電膜１６間に発光素子が発光しない程
度の電圧をかけておき、光導電膜上で発光を所望する位
置にレーザ光を照射する。すると、光導電膜１６上のレ
ーザ光が照射された箇所の抵抗率が下がり、この箇所に
対応する位置の発光素子が発光することになる。そし
て、この光はマイクロレンズアレイ１１によって偏向さ
れる。なお、この場合はレーザ発振器１８から発射され
たレーザ光をポリゴンミラー１９の走査によって、所望
の位置に投光するようにしている。

【００９９】尚、上記実施例では、表示パネル１として
液晶ディスプレイを採用したが、他に、ＥＬディスプレ
イ、プラズマディスプレイ、ＶＦＤ（蛍光表示管）、フ
ラットＣＲＴ、他のフラットディスプレイを用いるよう
にしてもよい。また、上記実施例では、偏向素子アレイ
としてマイクロレンズアレイを採用したが、他に、ホロ
グラム、、回折格子、フレネルレンズアレイを用いるよ
うにしてもよい。

【０１００】また、量子化の方法としては、上記の手法
以外にも、３次元物体の面素の座標（Ｘs，Ｙs，Ｚs）
と３次元像の面素の座標（Ｘq，Ｙq，Ｚq）の距離が最
小となるような座標（Ｘq，Ｙq，Ｚq）を選択する手法
もある。

【０１０１】さらに実施例では、量子化された座標位置
の微小面素より出射される光線を複数の光束で近似し、
それぞれの光束と同等な方向、明るさ成分を持つ光束を
表示パネルおよび偏向素子アレイから成る特定平面から
発生させるようにしたが、これら表示パネル１及び偏向
素子アレイ２を曲面で構成するようにしてもよい。

【０１０２】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
表示すべき３次元立体物の表面を複数の微小な面素に分
割し、これら分割した複数の面素の３次元座標を前記表
示パネル及び偏向素子アレイで表示可能な座標に量子化
変換し、これら量子化された座標を、量子化された３次
元座標位置に点像を表示するために点灯させるべき前記
表示パネルの表示画素の座標に変換し、該変換結果にし
たがって表示画素を点灯制御することにより、前記量子
化された各座標位置に点像を形成するようにしたので、
表示する物体を用いず、かつ露光設備、現像設備、再生
時の光源も必要とせずに、観察領域が広い３次元立体表
示を可能にするとともに、さらに複数人が同時観察で
き、また観察者の動きに応じて観察される立体像が変化
する３次元立体表示が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例構成を示すブロック図。

【図２】この発明の３次元立体表示の原理を説明する
図。

【図３】表示パネル及び偏向素子アレイの具体例を示す
図。

【図４】Ｚ方向についての量子化処理の説明図。

【図５】Ｘ方向についての量子化処理の説明図。

【図６】量子化された座標位置に点像を形成するために
点灯すべき表示画素を示す図。

【図７】量子化された座標位置に点像を形成するために
点灯すべき表示画素を選択する際の具体例を示す図。

【図８】データ変換器で行われる処理を示すフローチャ
ート。

【図９】ワイヤフレーム表示と陰面処理表示による３次
元立体像を示す図。

【図１０】ワイヤフレーム表示と陰面処理表示による表
示素子からの光線出射領域を示す図。

【図１１】輝度、色再現のための手法の説明図。

【図１２】３次元表示制御装置による量子化座標から表
示パネルの座標への変換手法の説明図。

【図１３】量子化座標から表示パネルの座標への変換を
実現する３次元表示制御装置のハードウェア配線図。

【図１４】図１３のハードウェア配線図の一部詳細図。

【図１５】３次元表示制御装置に入力される３次元座標
信号のタイムチャート図。

【図１６】表示パネルおよび偏向素子アレイの他の実施
例を示す図。

【図１７】表示パネルおよび偏向素子アレイの他の実施
例を示す図。

【図１８】表示パネルおよび偏向素子アレイの他の実施
例を示す図。

【図１９】表示パネルおよび偏向素子アレイの他の実施
例を示す図。

【図２０】表示パネルおよび偏向素子アレイの他の実施
例を示す図。

【符号の説明】

１…表示パネル ２…偏向素子アレイ ３…３次元座標データ記憶装置 ４…データ変換器 ５…３次元表示制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 学 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の表示画素が２次元配列された表示パ
   ネルと、 複数の偏向素子が２次元配列され、これら偏向素子を介
   して前記表示パネルの点灯された画素からの光を偏向す
   ることにより空間上に点像の３次元列を形成する偏向素
   子アレイと、 表示すべき３次元立体物の表面を複数の微小な面素に分
   割し、これら分割した複数の面素の３次元座標を入力設
   定する３次元座標入力設定手段と、 この入力設定された３次元座標を前記表示パネル及び偏
   向素子アレイで表示可能な座標のうちの最も近い座標に
   量子化変換する量子化手段と、 この量子化された座標データを、該量子化された３次元
   座標位置に点像を表示するために点灯させるべき前記表
   示パネルの座標データに変換し、該変換された座標デー
   タに従って前記表示パネルの表示画素を点灯制御する表
   示パネル駆動制御手段と、 を具える３次元立体表示装置。
2. 【請求項２】前記表示パネル駆動制御手段は、陰面処理
   表示がなされる立体角が前記空間上の点像から得られる
   よう選択する表示パネルの表示素子を制限することを特
   徴とする請求項１記載の３次元立体表示装置。
3. 【請求項３】前記表示パネル駆動制御手段は、前記空間
   上の点像から出射される光が方向に応じて異なる光強度
   を持つ場合、これに対応して当該点像に対応して選択し
   た表示画素から出射される各光の強度を変化させること
   を特徴とする請求項１記載の３次元立体表示装置。
4. 【請求項４】前記偏向素子アレイの各偏向素子下に複数
   の表示画素が配列されている請求項１記載の３次元立体
   表示装置。
5. 【請求項５】前記偏向素子アレイの各偏向素子下に１つ
   の表示画素がそれぞれ配列され、１つの偏向素子に対応
   して１つの偏向方向が設定されている請求項１記載の３
   次元立体表示装置。
6. 【請求項６】前記偏向素子アレイ上に、各偏向素子の径
   より小さい径を有するピンホールが２次元配列されたピ
   ンホールアレイを配設することを特徴とする請求項１記
   載の３次元立体表示装置。
7. 【請求項７】表示すべき３次元立体物の表面を複数の微
   小な面素に分割し、これら分割した複数の面素の３次元
   座標を入力設定し、この入力設定された３次元座標をあ
   る一定の手続により定義された離散的な３次元座標値列
   に量子化変換する第１のステップと、 量子化された座標位置の微小面素より出射される光線を
   複数の光束に近似し、それぞれの光束と同等な方向、明
   るさ成分を持つ光束を特定の平面もしくは曲面より発生
   させる第２のステップと、 を有することを特徴とする３次元立体表示方法。
8. 【請求項８】複数の表示画素が配列された表示パネル
   と、 複数の偏向素子が配列され、これら偏向素子を介して前
   記表示パネルの点灯された画素からの光を偏向すること
   により空間上に点像の３次元列を形成する偏向素子アレ
   イと、 表示すべき３次元立体物の表面を複数の微小な面素に分
   割し、これら分割した複数の面素の３次元座標を入力設
   定する３次元座標入力設定手段と、 この入力設定された３次元座標をある一定の手続により
   定義された離散的な３次元座標値列に量子化変換する量
   子化手段と、 前記量子化された座標位置の微小面素より出射される光
   線を複数の光束に近似し、それぞれの光束と同等な方
   向、明るさ成分を持つ光束が前記表示パネルから発生さ
   れるよう表示パネルを駆動制御する表示パネル駆動制御
   手段と、 を具える３次元立体表示装置。
9. 【請求項９】複数の表示画素が２次元配列された表示パ
   ネルと、 複数の偏向素子が２次元配列され、これら偏向素子を介
   して前記表示パネルの点灯された画素からの光を偏向す
   ることにより空間上に点像の３次元列を形成する偏向素
   子アレイと、 表示すべき３次元立体物の表面を複数の微小な面素に分
   割し、これら分割した複数の面素の３次元座標を入力設
   定する３次元座標入力設定手段と、 この入力設定された３次元座標をある一定の手続により
   定義された離散的な３次元座標値列に量子化変換する量
   子化手段と、 この量子化された３次元座標データが入力されると、こ
   れら３次元座標位置にに点像を表示するために点灯させ
   るべき前記表示パネルの表示画素が点灯制御されるよう
   に配線された表示パネル駆動制御手段と、 を具える３次元立体表示装置。