JPWO2020122053A1 - 立体像表示装置及び立体像表示方法 - Google Patents

Abstract

本発明の立体表示装置は、分割された各区画に複数の微小画像（１４）を有する小画像（１２ａ〜１２ｄ）が表示されるディスプレイ（１１）と、微小画像（１４）単位で並べて配置され、微小画像（１４）単位でオンオフして、各区画を小画像（１２ａ〜１２ｄ）毎に時分割する第１のメカニカルシャッター（１７）を有し、ディスプレイ（１１）の前面に配置されるシャッターパネル（１６）と、第１のメカニカルシャッター（１７）がオン時に通過する各小画像（１２ａ〜１２ｄ）からの光を結像させる結像手段（２４）が並べて配置された結像パネル（２３）とを有し、各小画像（１２ａ〜１２ｄ）は表示する立体像の一部を形成し、小画像（１２ａ〜１２ｄ）毎に結像手段（２４）を有し、各小画像（１２ａ〜１２ｄ）は分散配置された複数の微小画像（１４）からなり、各結像手段（２４）は対応する小画像（１２ａ〜１２ｄ）の中心領域を通る軸上にある。

Description

本発明は、特殊な眼鏡を用いず、日常生活と同様の感覚で高精細な立体像（二次元像も含む）を見ることが可能な立体像表示装置及び立体像表示方法に関する。

従来、各種の立体像表示方法の中で、対象物の光学的な空間像を記録したデータ（画像）を用いて空間に立体像を結像させる空間像再生方式は、理想的な立体像の表示方法とされている。
ここで、空間像再生方式の原理について説明する。図１０に示すように、三次元物体（対象物）５０の前方に所定の間隔を空けて遮光パネル５１を配置する。この遮光パネル５１には複数（ここでは３個）のピンホール５２ａ〜５２ｃが形成されている。また、遮光パネル５１のさらに前方には遮光パネル５１と平行に例えば感光フィルム５３を配置する。三次元物体５０の表面上には光を射出（反射）する無数の物点が存在するが、ここでは、３つの物点５４〜５６に着目する。各物点５４〜５６から様々な方向に射出される無数の光線のうち、ピンホール５２ａを通過する各１本の光線５４ａ、５５ａ、５６ａにより、感光フィルム５３上に微小画像５７ａ、５８ａ、５９ａからなる小画像６０ａが形成される。同様に、各物点５４〜５６から様々な方向に射出される無数の光線のうち、ピンホール５２ｂを通過する各１本の光線５４ｂ、５５ｂ、５６ｂにより、感光フィルム５３上に微小画像５７ｂ、５８ｂ、５９ｂからなる小画像６０ｂが形成され、ピンホール５２ｃを通過する各１本の光線５４ｃ、５５ｃ、５６ｃにより、感光フィルム５３上に微小画像５７ｃ、５８ｃ、５９ｃからなる小画像６０ｃが形成される。そして、感光フィルム５３をディスプレイ（画像表示パネル）に置き換え、小画像６０ａ〜６０ｃを形成した時と逆に、各小画像６０ａ〜６０ｃからの光をピンホール５２ａ〜５２ｃに通して結像させることにより、三次元物体５０が存在していた位置に、立体像を形成（再生）することができる。このとき、観察者が図１０中の矢印ａの向きから立体像を観察すると、三次元物体５０とは凹凸が逆転するので、ディスプレイに各小画像を表示する際に、立体像の凹凸が正しく表現されるように、画像処理を行う必要がある。また、ピンホールのピッチが粗ければ、小画像がまばらになり、再生される立体像の解像度及び明るさも低下する。したがって、高精細で鮮明な立体像を形成するためには、多数のピンホールを縦横に配置し、各ピンホールに対応する小画像を高密度で均一に配置する必要がある。しかし、ピンホールのピッチが狭くなり過ぎると、隣り合う小画像の表示領域が重なり合うため、小画像を表示する際に工夫が必要となる。

この空間像再生方式を採用して広い視野角で鮮明な立体像を表示する方法として、例えば、特許文献１には、多数の微小透光部を有する表示制御パネルを設けてその背後に、それぞれの微小透光部の位置から見た対象物の多数の小画像を表示する複数の画像表示パネルを有する画像表示パネル群を配置し、微小透光部を高速度で逐次選択的に透光可能にして、それと同時に透光可能となった微小透光部に対応した画像表示パネル上の位置に小画像を表示する立体画像表示方法が提案されている。また、例えば、特許文献２には、各々は、立体像の基となる多数の小画像が非重複状態で並べて同時表示されていると共に、実質的に少しずつ異なる位置から対象物を見た複数の群画像をそれぞれ表示する複数の画像再生パネルと、複数の画像再生パネルにそれぞれ表示された群画像を、時分割で順次表示する画像表示パネルと、画像表示パネルの前側に配置され、時分割で画像表示パネルに表示された群画像の各小画像に同期して開閉する複数の群微小透光部を備えた表示制御パネルとを有し、群微小透光部はピンホール状又はスリット状の多数の微小透光部を有する三次元立体画像表示装置が提案されている。

しかしながら、特許文献１に記載された立体画像表示方法では、高精細な立体像を形成するために、多数の小画像を眼の残像保持時間内に表示する必要がある。つまり、画像表示パネルに表示される小画像を短時間で切替えなければならないが、画像表示パネルの画像表示切替速度に制約が存在する。このため、表示制御パネルの背後に複数の画像表示パネルを有する画像表示パネル群を配置して、予め小画像をそれぞれ表示している画像表示パネルの中から表示制御パネルの微小透光部に対応する小画像を表示している画像表示パネルを選択するようにしている。また、特許文献２に記載された三次元立体画像表示装置においては、群画像をそれぞれ表示する複数の画像再生パネルを画像表示パネルの背面側の同一平面上に配置し、その前後に拡大レンズとストロボ放電部を設置して、選択された画像再生パネルの群画像を順次、画像表示パネルに投影している。
このため、特許文献１に記載された立体画像表示装置では構造が複雑で、表示制御パネルの背面側が大型化し、特許文献２に記載された三次元立体画像表示装置では画像表示パネルの背面側が大型化すると共に、画像再生パネルの配置総面積（複数の画像再生パネルの縦横の合計寸法）が増大するという問題が生じる。従って、装置の使用（利用）に関して、場所的及び時間的な制約が生じるという問題がある。

これに対して、特許文献３には、それぞれ三次元表示データを備えた複数の小画像を並べて表示して、各小画像から三次元表示データを光線に変換して出力するディスプレイと、ディスプレイに表示される小画像の位置に対応させてディスプレイの前方に配置され、光線を、小画像に設定された複数の部分領域からそれぞれ出力される部分光線として時分割で取り出し前方に透過させる第１のメカニカルシャッターと、ディスプレイに表示される小画像の位置に対応させて第１のメカニカルシャッターの前方に配置され、小画像毎に時分割で取り出された部分光線を前方に透過させ光線として再構成させながら、再構成された各光線を前方で集光させて三次元像を形成する第２のメカニカルシャッターとを有する立体像表示装置が提案されている。
この特許文献３では、小画像から出力される光線を第１のメカニカルシャッターにより、複数の部分領域からそれぞれ出力される部分光線として時分割して高速で取り出すことができるので、小画像を高速で切替える必要がなくなる。従って、ディスプレイの表示応答速度（切替え速度）に律束されることなく、観察者の眼の残像保持時間内に小画像を切替えることができる。また、特許文献１及び２に比べ、立体像表示装置の奥行き方向の寸法を大幅に低減することができる。

特開平９−３３８５８号公報 特開２００３−５０３７５公報 国際公開第２０１８／００３５５５号

しかしながら、特許文献３では同公報の図２、図３(以下、「従来図２、３」という)に示されたように、ディスプレイ上に複数の小画像が離間して表示されているので、ディスプレイを有効利用することができず、小画像の数が増えると無駄な領域が拡大してディスプレイの面積が増大するという課題があった。また、小画像同士が離間していることにより、光線密度が低下してしまうという課題があった。
さらに、従来図２、３に示されたように、小画像に設定された複数の部分領域は第１のメカニカルシャッターにより時分割で選択され、小画像毎に時分割で取り出された部分光線を前方に透過させる第２のメカニカルシャッターは、各小画像の中央部を通る光軸上に一つ配置されているのみである。つまり、各小画像の中で選択される部分領域の位置が変化しても、第２のメカニカルシャッターの位置は固定されている。よって、例えば、従来図２に示されたように、各小画像が４個の部分領域からなる場合でも、各小画像を形成する部分領域の数が、例えば、従来図３に示されたように１６個に増加した場合でも、各小画像の中央位置を通る光軸上に第２のメカニカルシャッターを配置している。従って、各小画像を形成する部分領域の数が増えるにつれ、小画像の周縁部（外周の部分領域）をディスプレイに対してより斜めから見ることになり、形成される像が歪んだり、ぼやけたりする。
また、各小画像に対して開閉する第２のメカニカルシャッターは中央部に一つあるだけなので、形成される像は多少暗く、この場合、ディスプレイの輝度を上げる必要があるが、ディスプレイの輝度には限界があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、高解像度で鮮明な立体像を、特殊な眼鏡を用いず、日常生活と同様の感覚で見ることが可能な立体像表示装置及び立体像表示方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る立体像表示装置は、複数の区画に分割され、該各区画には予め設定された複数の微小画像を有する小画像が複数表示されるディスプレイと、
前記微小画像単位で並べて配置され、前記微小画像単位でオンオフして、前記各区画を前記小画像毎に時分割する第１のメカニカルシャッターを有し、前記ディスプレイの前面に配置されるシャッターパネルと、
前記第１のメカニカルシャッターがオン時に通過する前記各小画像からの光を結像させる結像手段が並べて配置された結像パネルとを有する立体像表示装置において、
前記各小画像は表示する立体像の一部を形成し、前記小画像毎に前記結像手段を有し、しかも前記各小画像は分散配置された複数の前記微小画像からなり、前記各結像手段は対応する前記小画像の中心領域を通る軸上にある。

第１の発明に係る立体像表示装置において、前記各微小画像は、前記ディスプレイの１画素からなることができる。

第１の発明に係る立体像表示装置において、前記各微小画像は、前記ディスプレイの画素の集合からなってもよい。

第１の発明に係る立体像表示装置において、前記区画同士で対応する前記第１のメカニカルシャッターのオンオフは同期していることが好ましい。

第１の発明に係る立体像表示装置において、前記結像手段は微小開口部をオンオフする第２のメカニカルシャッターであることが好ましい。

前記目的に沿う第２の発明に係る立体像表示方法は、ディスプレイを複数の区画に分割して、該各区画には予め設定された複数の微小画像を有する小画像を複数表示し、前記ディスプレイの前面に配置されたシャッターパネルに前記微小画像単位で配置された第1のメカニカルシャッターを前記微小画像単位でオンオフして、前記各区画を前記小画像毎に時分割し、結像パネルに並べて配置された結像手段により、前記第１のメカニカルシャッターがオン時に通過する前記各小画像からの光を結像させる立体像表示方法において、
前記各小画像は表示する立体像の一部を形成し、前記小画像毎に前記結像手段を有し、しかも前記各小画像は分散配置された複数の前記微小画像からなり、前記各結像手段は対応する前記小画像の中心領域を通る軸上にある。

第２の発明に係る立体像表示方法において、前記各微小画像は、前記ディスプレイの１画素からなることができる。

第２の発明に係る立体像表示方法において、前記各微小画像は、前記ディスプレイの画素の集合からなってもよい。

第２の発明に係る立体像表示方法において、前記区画同士で対応する前記第１のメカニカルシャッターのオンオフは同期していることが好ましい。

第２の発明に係る立体像表示方法において、前記結像手段は微小開口部をオンオフする第２のメカニカルシャッターであることが好ましい。

第１の発明に係る立体像表示装置及び第２の発明に係る立体像表示方法においては、１つのディスプレイの画面が複数の区画に分割され、各区画に複数の小画像が表示されており、しかも、各小画像が、分散配置された複数の微小画像で構成されるので、立体像表示装置のコンパクト化(表示面積の縮小)が図られると共に、小画像を高密度に配置して三次元像（二次元像も含む）を形成する光線密度を高め、高解像度で鮮明な三次元像を表示させることができる。また、第１のメカニカルシャッターを微小画像単位でオンオフ（開閉）して、各区画を小画像毎に時分割することにより、ディスプレイの表示応答速度（切替え速度）に律束されることなく、各区画に予め設定（表示）されている複数の小画像の中から１つの小画像を高速で逐次選択し、複数の小画像からそれぞれ出力される光線を時分割で取り出すことができるため、鮮明な三次元像を得ることができ、動画も滑らかに再生することが可能になる。さらに、各小画像からの光を結像させる結像手段を小画像毎に有し、各結像手段が、対応する小画像の中心領域を通る軸上にあることにより、時分割で選択されて各区画内で表示範囲（位置）が変化する各小画像からの光をそれぞれの小画像の中心領域から取り出すことができ、歪みの少ない明るい三次元像が得られる。

第１の発明に係る立体像表示装置及び第２の発明に係る立体像表示方法において、各微小画像が、ディスプレイの１画素からなる場合、複数の小画像を高密度に配置することができ、明るく、歪みのない高精細な三次元像が得られる。

第１の発明に係る立体像表示装置及び第２の発明に係る立体像表示方法において、各微小画像が、ディスプレイの画素の集合からなる場合、微小画像単位でオンオフする第１のメカニカルシャッターは、各微小画像（画素の集合）に対して１つずつ設ければよいので、第１のメカニカルシャッターのピッチを画素のピッチより粗くすることができる。これにより、三次元像の解像度は低下するが、第１のメカニカルシャッターの製造は容易になり、量産性が向上する。

第１の発明に係る立体像表示装置及び第２の発明に係る立体像表示方法において、区画同士で対応する第１のメカニカルシャッターのオンオフが同期している場合、各区画の小画像がバラバラに切替わることがなく、小画像の選択（切替え）に要する総時間を短縮し、全ての小画像から出力される光線を観察者の眼の残像保持時間内に確実に取り出して鮮明な三次元像を表示することができる。

第１の発明に係る立体像表示装置及び第２の発明に係る立体像表示方法において、結像手段が微小開口部をオンオフする第２のメカニカルシャッターである場合、微小開口部を高速でオンオフ（開閉）して、各小画像から出力される光線を時分割で取り出し、鮮明な三次元像の実像を得ることができる。

本発明の一実施例に係る立体像表示装置のブロック図である。 同立体像表示装置のディスプレイを示す斜視図である。 同立体像表示装置のディスプレイ、シャッターパネル、及び結像パネルを示す斜視図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は同立体像表示装置の第１のメカニカルシャッターの動作を示す説明図である。 同立体像表示装置の第１、第２のメカニカルシャッターの動作を示す斜視図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は同立体像表示装置の第１、第２のメカニカルシャッターの動作を示す説明図である。 変形例に係る立体像表示装置のディスプレイを示す斜視図である。 同立体像表示装置のディスプレイ、シャッターパネル、及び結像パネルを示す斜視図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は同立体像表示装置の第１、第２のメカニカルシャッターの動作を示す説明図である。 空間像再生方式の原理を示す説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。
図１〜図６に示す本発明の一実施例に係る立体像表示装置１０は、ディスプレイ１１上に表示される複数の小画像１２ａ〜１２ｄから出力される光線を集光させて三次元像（立体像）を形成するものである。
まず、図２に示すように、ディスプレイ１１の表示面は、複数の区画１３に分割されている。本実施例では、縦横４×４画素の領域を１つの区画１３としたが、１つの区画を構成する画素の数は適宜、選択することができる。また、ここでの区画１３はディスプレイ１１での表示上の領域を示すものであり、ディスプレイ１１が物理的に分割されていることを意味するものではない。そして、各区画１３には、図４、図５に示すように、それぞれ予め設定された複数（ここでは４つ）の微小画像１４を有する小画像１２ａ〜１２ｄが表示される。このとき、各小画像１２ａ〜１２ｄに対し、微小画像１４は分散配置されている。つまり、各小画像１２ａ〜１２ｄを構成する４つの微小画像１４同士が重ならないように、かつ、各小画像１２ａ〜１２ｄの表示領域（ここでは縦横３×３画素の領域）は部分的に重なり合っている。ここでは、各微小画像１４はディスプレイ１１の１画素からなっている（図２）。
立体像表示装置１０は、図１、図３、図５に示すように、ディスプレイ１１の前面に配置されたシャッターパネル１６を有している。シャッターパネルはディスプレイに当接させることが好ましいが、ディスプレイと一体化されていてもよいし、ディスプレイと個別に（独立して）形成されていてもよい。このシャッターパネル１６には、図３〜図６に示すように、ディスプレイ１１の画素の配置に合わせて並べられた（即ち、微小画像１４単位で並べて配置された）複数の第１のメカニカルシャッター１７が設けられている。第１のメカニカルシャッター１７は、好ましくはディスプレイ１１の画素と同等のサイズに形成される。また、第１のメカニカルシャッター１７は、好ましくは画素と同等のサイズの微小開口部１７ａを開閉手段（図示せず）によりオンオフ（開閉）するものである。

具体的に説明すると、第１のメカニカルシャッター１７は、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、微小画像１４単位でオンオフして、各区画１３を小画像１２ａ〜１２ｄ毎に（例えば図４の（Ａ）→（Ｂ）→（Ｃ）→（Ｄ）の順で）時分割する。これにより、各小画像１２ａ〜１２ｄが逐次選択され、複数の小画像１２ａ〜１２ｄからそれぞれ出力される光線（ハッチング部）を時分割で取り出し前方に透過させる。なお、図５は、各区画１３において、図４（Ａ）に示した小画像１２ａが、小画像１２ａを構成する４つの微小画像１４に対応する第１のメカニカルシャッター１７のオン（その他の第１のメカニカルシャッター１７はオフ）によって選択された状態を示している。このように、区画１３同士で対応する第１のメカニカルシャッター１７のオンオフが同期していれば、各区画１３の小画像１２ａ〜１２ｄがバラバラに切替わることはない。また、各小画像１２ａ〜１２ｄを逐次選択する第１のメカニカルシャッター１７は、各小画像１２ａ〜１２ｄを構成する微小画像１４単位でオンオフ（開閉）する。よって、図５、図６（Ａ）に示すように、各区画１３の小画像１２ａが選択されている場合には、選択されていない小画像１２ｂ〜１２ｄから出力される光線を遮断し、選択された小画像１２ａから出力される光線のみを確実に取り出すことができる。この結果、第１のメカニカルシャッター１７によって取り出される光線にノイズが含まれることはなく、光線の色調変化が防止される。

また、立体像表示装置１０は、図１、図２、図５に示すように、ディスプレイ１１（シャッターパネル１６）の前方に所定の距離を置いて配置された結像パネル２３を有している。この結像パネル２３は、図３、図５、図６に示すように、各第１のメカニカルシャッター１７がオン時に通過する各小画像１２ａ〜１２ｄからの光を結像させる結像手段として、微小開口部２４ａを開閉手段（図示せず）でオンオフ（開閉）する第２のメカニカルシャッター２４が並べて配置されたものである。そして、図６（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、区画１３毎に１つの小画像１２ａ〜１２ｄを逐次選択する第１のメカニカルシャッター１７のオンタイム時に、第１のメカニカルシャッター１７で逐次選択される小画像１２ａ〜１２ｄに対応する第２のメカニカルシャッター（結像手段）２４（実線のハッチング部）がオンタイムとなり、微小開口部２４ａを開とし、各小画像１２ａ〜１２ｄから出力され区画１３毎に時分割で取り出される光線を前方に透過させ、集光（結像）させて三次元像を形成することができる。このとき、図６（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、各第２のメカニカルシャッター２４は、対応する小画像１２ａ〜１２ｄの中心領域を通る軸上にあることにより、時分割で選択されて各区画１３内で表示範囲（位置）が変化する各小画像１２ａ〜１２ｄからの光をそれぞれの小画像１２ａ〜１２ｄの中心領域から取り出すことができ、明るく、歪みのない高精細な三次元像を得ることができる。したがって、結像パネル２３は、図３、図５、図６に示すように、少なくとも小画像１２ａ〜１２ｄ毎に第２のメカニカルシャッター２４が並べて配置されていればよい。但し、第２のメカニカルシャッターがディスプレイの画素の配置に合わせて並べられた結像パネルを用いれば、各小画像を構成する微小画像の数及び配置の変化並びに小画像の表示位置の変化にも対応することができ、汎用性に優れる。

次に、立体像表示装置１０は、図１に示すように、小画像１２ａ〜１２ｄをディスプレイ１１に表示させる表示画像操作手段２５と、ディスプレイ１１に表示される各小画像１２ａ〜１２ｄを構成するそれぞれの微小画像１４の位置に合わせて第１のメカニカルシャッター１７を選択し、第１のメカニカルシャッター１７のオンオフ操作（微小開口部１７ａの開閉操作）を行う第１のメカニカルシャッター操作手段２６と、ディスプレイ１１に表示される各小画像１２ａ〜１２ｄの中心領域に合わせて、第１のメカニカルシャッター１７のオンタイム時に、第２のメカニカルシャッター２４をオンタイムとする第２のメカニカルシャッター操作手段２７と、各小画像１２ａ〜１２ｄを作成する小画像作成手段２８とを備えた制御部３０を有している。以下、詳細に説明する。

ディスプレイ１１の画素数は、例えば横（水平）方向に４０００画素以上、縦（垂直）方向に２０００画素以上（即ち、４Ｋ以上、更に好ましくは８Ｋ以上の画素数を有するディスプレイ）であることが好ましい。これによって、一つのディスプレイ１１に、高精細な小画像１２ａ〜１２ｄを、数多く並べて表示することができ、解像度の高い三次元像を形成することが可能になる。

第１のメカニカルシャッター１７及び第２のメカニカルシャッター２４としては、機械的な構造で、電気的に駆動可能なＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）シャッター素子が好適に用いられる。これにより、前述のように、ディスプレイ１１の画素と同等のサイズの第１のメカニカルシャッター１７及び第２のメカニカルシャッター２４を、ディスプレイ１１の画素の配置に合わせて並べる（ディスプレイ１１の画素密度と同等密度で配置する）ことができる。その結果、各小画像１２ａ〜１２ｄを構成する微小画像（画素）１４の位置に合わせて、第１のメカニカルシャッター１７を選択し、機能させることができる。また、結像パネル２３では、各小画像１２ａ〜１２ｄの中心領域を通る軸上に合わせて、一つの第２のメカニカルシャッター２４を選択し、機能させることができる。そして、眼の残像保持時間（例えば、１／６０〜１／３０秒）内に区画１３毎に全ての小画像１２ａ〜１２ｄからそれぞれ出力される光線を取り出すことが可能になる。なお、ディスプレイ１１と結像パネル２３との距離は、各小画像１２ａ〜１２ｄから出力される光線が、第２のメカニカルシャッター２４を介して結像パネル２３の前方に一様に透過できるように決定することが好ましい。

なお、本実施例では、各小画像１２ａ〜１２ｄが４つの微小画像（画素）１４（表示領域は９つの画素）で構成され、各区画１３が１６個の画素で構成されて、各小画像１２ａ〜１２ｄの４つの微小画像１４が分散配置される場合について説明したが、各小画像を構成する微小画像の数と配置、各微小画像を構成する画素の数、各区画を構成する画素の数、各区画の形状、及び各区画に表示される小画像の数と配置は、上記実施例に限定されず、適宜、選択することができる。
また、本実施例では、各小画像１２ａ〜１２ｄに一つの第２のメカニカルシャッター２４を対応させたが、各小画像を構成する微小画像の数、大きさ、又は配置によっては、各小画像の（表示領域の）中心領域を通る軸上にある複数の第２のメカニカルシャッターを対応させてもよい。
図３、図５、図６では、第２のメカニカルシャッター２４でオンオフ（開閉）する微小開口部２４ａを平面視して円形状に記載したが、微小開口部の形状は、これに限定されるものではなく、正方形状、長方形状、又は六角形や八角形等の多角形状でもよい。なお、微小開口部は、その形状に関わらず、ディスプレイ１１の画素と同等のサイズの微小なピンホール状であるため、第２のメカニカルシャッター（微小開口部）を通過した光線が結像して、三次元像の実像を鑑賞することができる。但し、微小開口部はスリット状とすることもできる。

制御部３０の表示画像操作手段２５は、三次元表示に必要なデータを読み込み、それらを小画像１２ａ〜１２ｄの表示用信号に変換してディスプレイ１１に表示させる小画像表示機能を備えたプログラムをコンピュータに搭載することにより構成される。なお、プログラムをコンピュータに搭載する代わりに、三次元表示に必要なデータを小画像１２ａ〜１２ｄの表示用信号に変換する専用回路をディスプレイ１１の信号入力側に接続してもよい。専用回路を用いることで、小画像１２ａ〜１２ｄの表示速度を高めることができる。

制御部３０の第１のメカニカルシャッター操作手段２６は、各小画像１２ａ〜１２ｄの表示に使用されている画素の位置情報を表示画像操作手段２５から入手し、各小画像１２ａ〜１２ｄを構成する複数の微小画像１４の位置に対応する複数の第１のメカニカルシャッター１７を時分割でオンする（図４（Ａ）〜（Ｄ）参照）と共に、残りの第１のメカニカルシャッター１７を全てオフとする駆動信号を入力する第１のシャッター操作機能を備えたプログラムをコンピュータに搭載することにより構成される。このとき、区画１３同士で対応する第１のメカニカルシャッター１７のオンオフが同期している。つまり、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示した、第１のメカニカルシャッター１７の時分割駆動は、全ての区画１３において同時に（同期して）行われる。

制御部３０の第２のメカニカルシャッター操作手段２７は、各小画像１２ａ〜１２ｄの表示に使用されている画素の位置情報を表示画像操作手段２５から入手し、結像パネル２３に対して、各小画像１２ａ〜１２ｄの（表示領域の）中心領域を通る軸上にある一つ（又は複数）の第２のメカニカルシャッター２４を、第１のメカニカルシャッター１７のオンタイムに同期させてオンタイムとする第２のシャッター操作機能を備えたプログラムをコンピュータに搭載することにより構成される。

制御部３０の小画像作成手段２８は、例えば、三次元空間内で仮想的なカメラを移動させて三次元物体の画像を作成し、三次元表示に必要な小画像の表示の基となるデータを取得するコンピュータグラフィックス機能をコンピュータに搭載することにより構成することができる。
また、三次元表示しようとする物体を撮像手段（例えば、ステレオカメラ）で撮像して画像データを求め、その画像データを基にステレオカメラの視点から見た物体の表面を構成する多角形を抽出し、抽出した多角形の頂点座標、隣り合う多角形の頂点の接続情報、各多角形の色情報を求めて三次元表示に必要なデータを取得する三次元データ取得機能をコンピュータに搭載することにより構成することもできる。

続いて、本発明の一実施例に係る立体像表示装置１０を適用した立体像表示方法について説明する。
立体像表示方法は、ディスプレイ１１の画面を複数の区画１３に分割して（図２）、各区画１３にはそれぞれ予め設定された複数の微小画像１４を有する小画像１２ａ〜１２ｄを表示する（図４、図６）。そして、ディスプレイ１１と一体化され又はディスプレイ１１と個別に（独立して）形成されて、ディスプレイ１１の前面に当接して配置されたシャッターパネル１６に、微小画像１４単位で配置された第1のメカニカルシャッター１７を微小画像１４単位でオンオフして、微小開口部１７ａを開閉し、各区画１３を小画像１２ａ〜１２ｄ毎に時分割し、結像パネル２３に並べて配置された第２のメカニカルシャッター（結像手段）２４により、各第１のメカニカルシャッター１７がオン時に通過する各小画像１２ａ〜１２ｄからの光を結像させ、立体像を表示する。各小画像１２ａ〜１２ｄは表示する立体像の一部を形成し、小画像１２ａ〜１２ｄ毎に第２のメカニカルシャッター２４を有している。また、各小画像１２ａ〜１２ｄは分散配置された複数の微小画像１４からなり、各第２のメカニカルシャッター２４は、対応する小画像１２ａ〜１２ｄの中心領域を通る軸上にある。
つまり、第１のメカニカルシャッター１７を、区画１３毎に１つの小画像１２ａ〜１２ｄを逐次選択するように時分割でオンオフして、複数の小画像１２ａ〜１２ｄからそれぞれ出力される光線を時分割で取り出し前方に透過させ（図４（Ａ）〜（Ｄ））、ディスプレイ１１（シャッターパネル１６）の前方に所定の距離を置いて配置され、各小画像１２ａ〜１２ｄの中心領域に位置する１（又は複数）の第２のメカニカルシャッター２４を、区画１３毎に１つの小画像１２ａ〜１２ｄを逐次選択する第１のメカニカルシャッター１７のオンタイム時にオンタイムにして（図６（Ａ）〜（Ｄ））、微小開口部２４ａを開にし、各小画像１２ａ〜１２ｄから出力され区画１３毎に時分割で取り出される光線を前方に透過させ、集光させて三次元像の実像を形成する。

第１のメカニカルシャッター１７を、ディスプレイ１１の画素と同等のサイズでディスプレイ１１の画素の配置に合わせて並べ、各小画像１２ａ〜１２ｄを構成する微小画像（画素）１４の位置に対応する複数の第１のメカニカルシャッター１７をオンオフ（開閉）する（微小画像１４単位でオンオフする）ことにより、各小画像１２ａ〜１２ｄを逐次選択する。よって、図５、図６（Ａ）に示すように、各区画１３の小画像１２ａが選択されている場合には、選択されていない小画像１２ｂ〜１２ｄから出力される光線を遮断し、選択された小画像１２ａから出力される光線のみを確実に取り出すことができる。この結果、第１のメカニカルシャッター１７によって取り出された光線にノイズが含まれることはなく、第２のメカニカルシャッター２４を通過した光線の色調変化が防止され、光量減衰が抑制されて、明るく、歪みのない高精細な三次元像が得られる。

各区画１３に配置された複数の小画像１２ａ〜１２ｄからそれぞれ出力される光線を時分割で取り出す場合、各区画１３内の全ての小画像１２ａ〜１２ｄから出力される光線が眼の残像保持時間内に取り出されるように、第１のメカニカルシャッター１７の開閉速度を設定する。このとき、全ての小画像１２ａ〜１２ｄから出力される光線が眼の残像保持時間内に取り出されれば、三次元像を観察することができるので、区画１３同士で対応する位置にある第１のメカニカルシャッター１７のオンオフは必ずしも同期している必要はない。但し、区画１３同士で対応する位置にある第１のメカニカルシャッター１７のオンオフを同期させれば、各区画１３の小画像１２ａ〜１２ｄがバラバラに切替わることがなく、複数の小画像１２ａ〜１２ｄの選択（切替え）に要する総時間を短縮し、全ての小画像１２ａ〜１２ｄから出力される光線を観察者の眼の残像保持時間内に確実に取り出して鮮明な三次元像を表示することができる。また、第２のメカニカルシャッター２４のオンタイムは、第１のメカニカルシャッター１７のオンタイムに同期しているが、さらに、第２のメカニカルシャッター２４のオフタイムを、それぞれの第１のメカニカルシャッター１７の時分割毎のオフタイムに同期させることにより、第１のメカニカルシャッター１７の時分割駆動時（小画像１２ａ〜１２ｄの選択切替え時）に余分な光線が第２のメカニカルシャッター２４を通過することがなく、ノイズのない鮮明な三次元像が得られる。

それぞれの第２のメカニカルシャッター２４を通過した光線は、結像パネル２３の前方で集光した後に拡散するので、拡散する各光線を結像パネル２３の正面側から観察すると、各光線が集光した位置に、そこから各光線を拡散（射出）する仮想物点が認められる。その結果、結像パネル２３の前方に、仮想物点の集合体として三次元像（立体像）が観察できる。なお、仮想物点の集合体から拡散する光線は、各小画像１２ａ〜１２ｄから出力される光線と同品質なので、観察される三次元像は明るく、歪みのない高精細なものとなる。

次に、変形例に係る立体像表示装置及び立体像表示方法について説明する。なお、立体像表示装置１０と同等の構成要素には同じ符号を付して詳しい説明は省略する。
変形例に係る立体像表示装置では、まず、図７に示すように、ディスプレイ１１の表示面は、それぞれが縦横６×６画素の領域を有する複数の区画３１に分割されている。そして、図９に示すように、各区画３１に表示される複数（ここでは４つ）の小画像３２ａ〜３２ｄは、それぞれ分散配置された９つの微小画像１４を有している。つまり、各小画像３２ａ〜３２ｄを構成する９つの微小画像（画素）１４同士が重ならないように、かつ、各小画像３２ａ〜３２ｄの表示領域（ここでは縦横５×５画素の領域）が部分的に重なり合っている。また、結像パネル３３は、図８、図９に示すように、各小画像３２ａ〜３２ｄの（表示領域の）中心領域の軸上に配置された第２のメカニカルシャッター２４を有する。
第１のメカニカルシャッター１７は、図９（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、微小画像１４単位でオンオフ（開閉）して、各区画３１を小画像３２ａ〜３２ｄ毎に（例えば図９の（Ａ）→（Ｂ）→（Ｃ）→（Ｄ）の順で）時分割する。これにより、各小画像３２ａ〜３２ｄが逐次選択され、複数の小画像３２ａ〜３２ｄからそれぞれ出力される光線（ハッチング部）を時分割で取り出し前方に透過させる。

また、結像パネル３３は、図８、図９に示すように、各小画像３２ａ〜３２ｄの（表示領域の）中心領域の軸上にある第２のメカニカルシャッター２４（ここでは一つ）を各小画像３２ａ〜３２ｄに対応させて機能させる。つまり、図９（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、区画３１毎に各小画像３２ａ〜３２ｄを逐次選択する第１のメカニカルシャッター１７のオンタイム時に、第１のメカニカルシャッター１７で逐次選択される小画像３２ａ〜３２ｄに対応する第２のメカニカルシャッター２４（実線のハッチング部）がオンタイムとなり、微小開口部２４ａが開となって、各小画像３２ａ〜３２ｄから出力され区画３１毎に時分割で取り出される光線を前方に透過させ、集光させて三次元像を形成することができる。

このように、各小画像３２ａ〜３２ｄの中心領域の軸上に第２のメカニカルシャッター２４が配置されることにより、逐次選択される各小画像３２ａ〜３２ｄの位置に対応して、オンタイムとなる第２のメカニカルシャッター２４の位置が移動するので、各小画像３２ａ〜３２ｄを構成する複数の微小画像１４から出力される光線を各小画像３２ａ〜３２ｄの中心領域の軸上にある第２のメカニカルシャッター２４から、偏ることなく均等に取り出すことができる。よって、各小画像を構成する微小画像１４の数が増加して、その表示領域が拡大する場合でも、各小画像の中心領域の軸上に第２のメカニカルシャッターを配置し、各小画像に対応させて機能させることにより、鮮明で歪みのない立体像（三次元像）を表示することができる。特に、予め第２のメカニカルシャッターがディスプレイの画素の配置に合わせて並べられた結像パネル（結像パネルの全面に複数の第２のメカニカルシャッターが均等に縦横に配置されたもの）を用意しておけば、立体像表示装置で表示する立体像の種類（必要な解像度等）に応じて、ディスプレイ上の区画の数と大きさ、各区画に表示する小画像の数、大きさ、及び配置、並びに各小画像を構成する微小画像の数、大きさ、及び配置を適宜、変更（選択）することができる。

以上、本発明を、実施例を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施例に記載の構成に限定されるものではなく、請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施例や変形例も含むものである。
シャッターパネルは、ディスプレイの前面に当接させて配置する代わりに、ディスプレイの前面に近接させて（間隔を空けて）配置することもできる。
また、上記実施例においては、例えばＭＥＭＳシャッター素子を第１、第２のメカニカルシャッターとして用いたものについて説明したが、第１、第２のメカニカルシャッターは、開閉手段により微小開口部を直接開閉するものでもよいし、開閉手段では微小開口部よりも大きな開口部を開閉し、その開口部に重ねて配置した微小開口部を間接的に開閉するものでもよい。なお、第１、第２のメカニカルシャッターとして、液晶シャッターを用いることも考えられる（この場合は、「メカニカルシャッター」を「液晶シャッター」と読み替える）。
さらに、上記実施例においては、各微小画像がディスプレイの１画素からなるものについて説明したが、各微小画像がディスプレイの画素の集合（複数の画素）からなる場合もある。その場合、解像度は落ちるが、各微小画像に対応して設けられる第１のメカニカルシャッターのピッチが広がり、製造面で有利になる。
なお、各小画像を構成する画素の数が少なく、その表示領域も狭い（例えば１画素分）場合は、各小画像の（表示領域の）中心領域ではなく、複数の小画像が分散配置される区画（例えば４画素分）の中心領域（中央部）に位置する第２のメカニカルシャッターを各小画像に共通する第２のメカニカルシャッターとして機能させる（つまり、第２のメカニカルシャッターを固定する）ことも可能である。

静止画表示から動画表示まで適用の幅を広げ、立体テレビ及び立体映像提供サービスの実現に貢献することができ、ゲーム機用及び医療用の立体像表示装置並びにゲームセンター、アミューズメントパーク、映画館及び医療現場等における立体像表示方法として利用可能性がある。

１０：立体像表示装置、１１：ディスプレイ、１２ａ〜１２ｄ：小画像、１３：区画、１４：微小画像、１６：シャッターパネル、１７：第１のメカニカルシャッター、１７ａ：微小開口部、２３：結像パネル、２４：第２のメカニカルシャッター（結像手段）、２４ａ：微小開口部、２５：表示画像操作手段、２６：第１のメカニカルシャッター操作手段、２７：第２のメカニカルシャッター操作手段、２８：小画像作成手段、３０：制御部、３１：区画、３２ａ〜３２ｄ：小画像、３３：結像パネル、５０：三次元物体（対象物）、５１：遮光パネル、５２ａ〜５２ｃ：ピンホール、５３：感光フィルム、５４〜５６：物点、５４ａ〜５４ｃ、５５ａ〜５５ｃ、５６ａ〜５６ｃ：光線、５７ａ〜５７ｃ、５８ａ〜５８ｃ、５９ａ〜５９ｃ：微小画像、６０ａ〜６０ｃ：小画像

Claims (10)

1. 複数の区画に分割され、該各区画には予め設定された複数の微小画像を有する小画像が複数表示されるディスプレイと、
   前記微小画像単位で並べて配置され、前記微小画像単位でオンオフして、前記各区画を前記小画像毎に時分割する第１のメカニカルシャッターを有し、前記ディスプレイの前面に配置されるシャッターパネルと、
   前記第１のメカニカルシャッターがオン時に通過する前記各小画像からの光を結像させる結像手段が並べて配置された結像パネルとを有する立体像表示装置において、
   前記各小画像は表示する立体像の一部を形成し、前記小画像毎に前記結像手段を有し、しかも前記各小画像は分散配置された複数の前記微小画像からなり、前記各結像手段は対応する前記小画像の中心領域を通る軸上にあることを特徴とする立体像表示装置。
2. 請求項１記載の立体像表示装置において、前記各微小画像は、前記ディスプレイの１画素からなることを特徴とする立体像表示装置。
3. 請求項１記載の立体像表示装置において、前記各微小画像は、前記ディスプレイの画素の集合からなることを特徴とする立体像表示装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１記載の立体像表示装置において、前記区画同士で対応する前記第１のメカニカルシャッターのオンオフは同期していることを特徴とする立体像表示装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１記載の立体像表示装置において、前記結像手段は微小開口部をオンオフする第２のメカニカルシャッターであることを特徴とする立体像表示装置。
6. ディスプレイを複数の区画に分割して、該各区画には予め設定された複数の微小画像を有する小画像を複数表示し、前記ディスプレイの前面に配置されたシャッターパネルに前記微小画像単位で配置された第1のメカニカルシャッターを前記微小画像単位でオンオフして、前記各区画を前記小画像毎に時分割し、結像パネルに並べて配置された結像手段により、前記第１のメカニカルシャッターがオン時に通過する前記各小画像からの光を結像させる立体像表示方法において、
   前記各小画像は表示する立体像の一部を形成し、前記小画像毎に前記結像手段を有し、しかも前記各小画像は分散配置された複数の前記微小画像からなり、前記各結像手段は対応する前記小画像の中心領域を通る軸上にあることを特徴とする立体像表示方法。
7. 請求項６記載の立体像表示方法において、前記各微小画像は、前記ディスプレイの１画素からなることを特徴とする立体像表示方法。
8. 請求項６記載の立体像表示方法において、前記各微小画像は、前記ディスプレイの画素の集合からなることを特徴とする立体像表示方法。
9. 請求項６〜８のいずれか１記載の立体像表示方法において、前記区画同士で対応する前記第１のメカニカルシャッターのオンオフは同期していることを特徴とする立体像表示方法。
10. 請求項６〜９のいずれか１記載の立体像表示方法において、前記結像手段は微小開口部をオンオフする第２のメカニカルシャッターであることを特徴とする立体像表示方法。

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