(57)【要約】【課題】人が他者とコミュニケーションを取りつつ生活する、０．４５ｍから７ｍの距離空間において、自然な距離感が得られボケのない表示を可能とする３次元画像表示システムを提供する。【解決手段】少なくとも立体カメラと、３次元画像表示ディスプレイとを備え、立体カメラは、被写体となる物体から撮像面に入射する光線の入射方向と強度の情報を獲得する機能を有し、３次元画像表示ディスプレイは、少なくとも演算機能と、表示機能、光制御機能を有し、且つ複数の配列された要素セルを備え、演算機能は、情報を立体カメラから受け取った後、再生すべき光線の方向と強度を複数の要素セル毎に計算する機能を有し、複数の要素セルが、計算された光線の方向と強度を再生することで物体の３次元画像を表示し、複数の要素セルのサイズが複数の要素セルの配列するピッチよりも大きい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも立体カメラと、３次元画像表示ディスプレイとを備える３次元画像表示システムであって、
前記立体カメラは、被写体となる物体から撮像面に入射する光線の入射方向と強度の情報を獲得する機能を有し、
前記３次元画像表示ディスプレイは、少なくとも演算機能と、表示機能、光制御機能を有し、且つ、複数の配列された要素セルを備え、
前記演算機能は、前記情報を前記立体カメラから受け取った後、再生すべき光線の方向と強度を前記複数の要素セル毎に計算する機能を有し、
前記複数の要素セルが、計算された光線の方向と強度を再生することで前記物体の３次元画像を表示し、
前記複数の要素セルのサイズが前記複数の要素セルの配列するピッチよりも大きい、
ことを特徴とする３次元画像表示システム。
【請求項２】
前記演算機能による演算結果を記憶する記憶機能と、
システム外部に対し無線または有線により通信可能な通信機能の、どちらか一方またはその両方をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の３次元画像表示システム。
【請求項３】
前記複数の要素セルから再生される光線の角度の最小分解能が０．０３３度以下である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の３次元画像表示システム。
【請求項４】
前記複数の要素セルの大きさをｄとするとき、ｄが２．１ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチをｐとするとき、ｐが１．２ｍｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の３次元画像表示システム。
【請求項５】
前記３次元画像表示ディスプレイが接眼レンズを含むヘッドマウントディスプレイを構成しており、前記接眼レンズの倍率をｒとするとき、
前記複数の要素セルの大きさｄが２．１／ｒ  ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチｐが１．２／ｒ  ｍｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の３次元画像表示システム。
【請求項６】
前記複数の要素セルの大きさｄが２．１ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチｐが０．５ｍｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の３次元画像表示システム。
【請求項７】
前記３次元画像表示ディスプレイが接眼レンズを含むヘッドマウントディスプレイを構成しており、前記接眼レンズの倍率をｒとするとき、
前記複数の要素セルの大きさｄが２．１／ｒ  ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチｐが０．５／ｒ  ｍｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の３次元画像表示システム。
【請求項８】
前記３次元画像は、前記演算機能において、各前記要素セルの中心を始点とした方向の異なる複数の光線と物体との交点を求め、各前記交点からの波面の複素振幅の和を計算し、前記計算された和のデータに対して、参照光との干渉縞を計算し、前記干渉縞を表示機能に表示し、照明光を照明することで表示される、
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の３次元画像表示システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の３次元画像表示システムの使用方法であって、
前記３次元画像表示ディスプレイの表示面から前記物体の３次元画像の一部までの距離が、０．４５〜７ｍである、
ことを特徴とする３次元画像表示システムの使用方法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の３次元画像表示システムの使用方法であって、
前記３次元画像表示ディスプレイの表示面から前記物体の３次元画像の一部までの距離が、１．２〜７ｍである、
ことを特徴とする３次元画像表示システムの使用方法。
【請求項１１】
再生される光線が記憶機能に記憶され、後刻、前記記憶を前記３次元画像表示ディスプレイを用いて再生することにより観察者が３次元画像を観察することを特徴とする、
請求項９または１０に記載の３次元画像表示システムの使用方法。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれかに記載の３次元画像表示システムの２システム以上を、離隔した２か所以上に設置し、通信機能を介して前記２システム以上をデジタル伝送網で結び、前記３次元画像を伝送することを特徴とする、
請求項９〜１１のいずれか一項に記載の３次元画像表示システムの使用方法。
【請求項１３】
３次元画像表示ディスプレイにおいて、複数の要素セルの集まりからなり、前記複数の要素セルの大きさをｄとするとき、ｄが２．１ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチをｐとするとき、ｐが１．２ｍｍ以下である、
ことを特徴とする３次元画像表示ディスプレイ。
【請求項１４】
前記３次元画像表示ディスプレイが接眼レンズを含むヘッドマウントディスプレイを構成しており、前記接眼レンズの倍率をｒとするとき、
前記複数の要素セルの大きさｄが２．１／ｒ  ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチｐが１．２／ｒ  ｍｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１３に記載の３次元画像表示ディスプレイ。
【請求項１５】
前記複数の要素セルの大きさｄが２．１ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチｐが０．５ｍｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１３、または１４に記載の３次元画像表示ディスプレイ。
【請求項１６】
前記３次元画像表示ディスプレイが接眼レンズを含むヘッドマウントディスプレイを構成しており、前記接眼レンズの倍率をｒとするとき、
前記複数の要素セルの大きさｄが２．１／ｒ  ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチｐが０．５／ｒ  ｍｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１３、または１４に記載の３次元画像表示ディスプレイ。
【請求項１７】
前記３次元画像表示ディスプレイが少なくとも演算機能を有しており、
前記演算機能において、各前記要素セルの中心を始点とした方向の異なる複数の光線と物体との交点を求め、各前記交点からの波面の複素振幅の和を計算し、前記計算された和のデータに対して、参照光との干渉縞を計算し、前記干渉縞を表示機能に表示し、照明光を照明することで前記物体の３次元画像を表示する、
ことを特徴とする請求項１３〜１６のいずれかに記載の３次元画像表示ディスプレイ。
【請求項１８】
請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の３次元画像表示ディスプレイの使用方法であって、３次元画像表示ディスプレイの表示面から物体の３次元画像の一部までの距離が、０．４５〜７ｍである、ことを特徴とする３次元画像表示ディスプレイの使用方法。
【請求項１９】
請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の３次元画像表示ディスプレイの使用方法であって、３次元画像表示ディスプレイの表示面から物体の３次元画像の一部までの距離が、１．２〜７ｍである、ことを特徴とする３次元画像表示ディスプレイの使用方法。
【請求項２０】
物体の３次元画像において、少なくとも一つが人物であることを特徴とする、請求項１８、または１９に記載の３次元画像表示ディスプレイの使用方法。
【請求項２１】
請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の３次元画像表示ディスプレイの使用方法であって、
再生される光線が記憶機能に記憶され、後刻、前記記憶を前記３次元画像表示ディスプレイを用いて再生することにより観察者が３次元画像を観察する、
ことを特徴とする３次元画像表示ディスプレイの使用方法。
【請求項２２】
３次元画像表示ディスプレイに表示するパターンの計算方法であって、各要素セルの中心を始点とした方向の異なる複数の光線と物体との交点を求め、各前記交点からの波面の複素振幅の和を計算し、前記計算された和のデータに対して、参照光との干渉縞を計算することを特徴とする３次元画像表示ディスプレイパターンの計算方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、３次元画像表示システム、３次元画像表示ディスプレイ、それらの使用方法、及びディスプレイパターンの計算方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
家族間、親しい間柄、または、政治やビジネスの世界でもコミュニケーションには、互いの気持ちを知ることが重要である。非言語的な部分では、 会話の間合いや、パーソナルスペースの距離感を違和感なく伝える必要があり、加えてその距離感の中で相手の表情や仕草など非言語的な情報の獲得が大切である。
【０００３】
会話の間合いは、通信技術の進歩で、５Ｇの低遅延技術で実現可能であり、また距離感の正確な計測は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）などの３次元計測技術で実現可能になってきた。但し、距離感を違和感無く表示する技術はなかった。
【０００４】
３次元像を表示する方法として、様々な方法が検討されている。例えば、ヘッドアップディスプレイや偏光めがね方式、液晶シャッターめがね方式のように、頭にめがねなどを装着するもの、あるいはパララックスバリア方式やレンチキュラー方式などめがね無しで、二つの目に異なる視差を観察させ立体像を表示するものがあった。
【０００５】
前記の諸方法は、視差のみで立体感を感じさせるため、輻輳やピント調整など、他の視覚の生理と矛盾が生じ、疲れや酔いを感じさせるものであり、コミュニケーションに必要な距離感の獲得には不十分であった。例えば、秋田大学の西村らの研究では、「３Ｄ ゲーム遂行の前後で、眠気・だるさ及び身体違和感に関する自覚症状数が有意に増加していた」など、視差のみの不自然な立体視による身体への悪影響について言及している。
【０００６】
前記の欠点を克服するため、輻輳とピント調整に矛盾がない方法も考案されている。例えば、超多眼ディスプレイや、マイクロレンズアレイを用いてライトフィールド（デジタルカメラの撮像面に入射する光線の撮像面上での方向情報と強度分布）を記録し、記録したライトフィールドを再現するディスプレイ、及び液晶パネルなどを重ねたスタティックディスプレイ型のライトフィールドディスプレイが提案されている。
【０００７】
図２０にはマイクロレンズアレイを用いるライトフィールドディスプレイの従来の構成を例示する模式断面図、図２１には液晶パネルを重ねたスタティックディスプレイ型のライトフィールドディスプレイの従来の構成を例示する模式断面図を示している（例えば非特許文献１）。
【０００８】
また、特許文献１に記載の立体画像表示装置によれば、視点の数を十分に多くする（超多眼）ことで、人間の立体知覚には、両眼視差、ピント調節、輻輳、運動視差の４つの要因を満足させることができる。
【０００９】
前記の超多眼ディスプレイやライトフィールドディスプレイは、瞳の大きさより小さなサイズで光線を再現することで、自然なピント調整と輻輳を実現するものである。しかし、微小な面積で光線を制御していることから回折の影響で、ディスプレイ面から離れるほどボケが大きくなるため、ディスプレイ近傍の物体しか再現できず、コミュニケーションに必要とされる奥行きのある空間の再現は出来なかった。
【００１０】
奥行きのある空間の再現が可能な３次元ディスプレイ（立体画像表示）としてホログラムがある。ホログラムは、光の波面をそのまま再現するため、レーザー光で再生すると、原理的には奥行きのある空間の再現も可能である。しかしながら、アナログ撮影によるホログラムは、被写体が振動してしまうと撮影できないため、除振台などの振動がない台の上の被写体しか撮影できず、空間そのものを撮影することは困難であった。
【００１１】
また、計算機で計算された干渉縞パターンを作成して再現するデジタルホログラムは、再生する物体をミクロンオーダでサンプリングした上で伝達する波面を計算する必要があり、本願で対象とする奥行きのある広く大きい空間を再現するには、従来、膨大な計算が必要となるため現実的ではなかった。
【００１２】
本願で対象とする空間は、従来の３次元ディスプレイ（立体画像表示装置）のようにディスプレイ近傍に物体があるものではなく、例えば部屋の中とか公園の中とかであり、観察者がその中にいるとか、ディスプレイを窓として、窓から外を観察するようにディスプレイ面から離れた領域を表示するものとする。
【００１３】
アメリカの文化人類学者であるエドワード・ホールは、人と人が相対する対人距離（パーソナルスペース）を、次の４つの距離帯に分類している。
【００１４】
１）密接距離：相手との距離は、０〜０．４５ｍで、相手の体温や匂いが分かる距離である。非常に親密な間柄の相手との距離で、手をつなぐなど肌と肌の触れ合いと匂いによるコミュニケーションが主になる。
２）個体距離：相手との距離は、０．４５〜１．２ｍで、自分の独立性を保つために他者との間にとる距離である。自分や相手が手を伸ばせば、触れることのできる距離で、友人など親しい相手との距離である。
３）社会距離：相手との距離は、１．２〜３．６ｍで、相手に触れることのできない距離であり、職場での同僚同士の会話など、公式な場でのコミュニケーションに適している距離である。
４）公衆距離：相手との距離は、３．６ｍ以上で、二者間のコミュニケーションは不適切な距離で、演説や講演の距離である。
【００１５】
人が主に他人とコミュニケーションを取りつつ生活する空間は、個体距離から社会距離であり、０．４５ｍから３．６ｍの距離である。この距離範囲を、本願では適コミュニケーション距離と呼ぶ。
【００１６】
また、東京女子大学の宮崎らの研究では、視力１．０の場合、７ｍ以上離れると、相手の表情を認知することが難しくなるとしている。この場合、人の表情を読み取りながらコミュニケーションが図れる距離も加えて、前記適コミュニケーション距離を０．４５〜７ｍに置き換えてもよい。
しかるに、３．６ｍの距離で表情を観察するためには、通常視力０．５相当以上の分解能（ボケの無さ）が必要であり、少なくとも視力０．３相当以上の分解能が求められると推測できる（日本心理学会第７１回大会資料（２００７）より）。
【００１７】
しかしながら、上述のような適コミュニケーション距離にある物体をピント調整や輻輳などの視覚的な生理現象と矛盾なく、かつ、ボケなく表示できる技術が、従来存在していなかった。本願の発明は、適コミュニケーション距離範囲（以下、適宜コミュニケーション空間とも呼ぶ）にある、ディスプレイ面から離れた物体であっても、自然な距離感を獲得したうえで、ボケや違和感なく再現できる３次元画像表示システムに関するものである。
【００１８】
一般にピント調整を可能とするディスプレイでは、図１７に示すように、観察者は、ディスプレイ面を通して、その前後の空間を観察しており、再生すべき点物体である再生点から広がる光と同じ方向の光線が観察者の瞳より小さなサイズで再現されると観察者は、あたかも空間に点光源があるかのように観察することができる。
【００１９】
しかしながら、ディスプレイから再生される光線は、図１８に示すように、様々な原因で厳密には広がりをもった光となり、それが再生像のボケとなる。特に、光線の方向を決めるディスプレイの要素セルが小さい場合、要素セルを開口とする回折の影響によって光は開口の外側に回り込んで広がりボケを生じることになる。
【００２０】
開口による回折の広がりは、ディスプレイ面から離れた位置ではフラウンフォーファ回折として近似でき、円形開口の場合、その広がり角はエアリーディスク（回折パターンの中心に生じる明るい領域）の大きさから求めることができる。すなわち円形開口から離れた遠視野にできる最小の暗環と光軸との隔たりを、光軸と平行で円形開口の端面を通る光線の広がり角θで表わすと（図１９参照）、
θ＝１．２２×λ／ｄ    ・・・・（式１）
となる。ここで、λは光の波長、ｄは円形開口の直径である。
【００２１】
上記のような開口は光線の方向を定義するディスプレイ上の面積の単位となるので、以下「要素セル」と呼称する。要素セルは、例えばマイクロレンズアレイを用いるライトフィールドディスプレイ（図２０）では、１つのレンズが要素セルに相当する。また、液晶パネルなどを重ねたスタティックディスプレイ型のライトフィールドディスプレイ（図２１）の場合は、使用するディスプレイの画素が要素セルになる。
【００２２】
ライトフィールドディスプレイでは、要素セル毎に光線の方向を制御するため、ピント調節の機能を持たせるためには、要素セルは観察者の瞳より十分に小さい必要がある。一般に人の瞳のサイズは２〜８ｍｍ程度であるため、要素セルのサイズを０．３ｍｍとし、光の波長を５００ｎｍとすると、（式１）より光線の広がり角は、
θ＝１．２２×５００×１０−６／０．３≒２．０３×１０−３（ｒａｄ）
≒０．１２（度）
となる。つまり０．３ｍｍの要素セルを通過した光線が、図１９でＬ＝３．６ｍ離れた位置では、
３６００×ｔａｎ（０．１２°）×２≒１５（ｍｍ）
となり、約１５ｍｍの長さのボケが広がることになる。
【００２３】
例えば、３．６ｍ離れた位置での人物の顔に対して、１５ｍｍ程度のボケが生じたとすると、人物としての認識はできるが、表情を読み取ることは難しくなる。
また、近年人工知能技術や音声合成技術などの発展によって、バーチャル空間に作られた実在しない人物やキャラクターとコミュニケーションを取る例が増えている。例えば、ソニー・ミュージックコミュニケーションズ社が開発したアニメのキャラクターと会話することができるスマートフォンアプリなどがある。しかしながら、これらはスマホやＰＣなどの画面に表示するしかなく、適コミュニケーション空間でのコミュニケーションを取ることはできない。
【００２４】
デジタルホログラムでは、一般には被写体である物体を点光源の集まりと考え、各点からディスプレイ面に到達した波面と、参照光の波面を重ね、その強度を記録することでホログラムパターンが作成される。ホログラムの再生は光の回折を利用するため、ディスプレイ面のホログラムパターンは１μｍ程度の細かいものが求められ、一般に物体側も同等の細かさでサンプリングされる必要がある（例えば特許文献２参照）。そのため、適コミュニケーション空間内にあるような大きな物体を再現する場合、その光点の数は膨大なものとなる。
【００２５】
例えば、３．６ｍ奥に角度±３０度で広がる空間を再現する場合、空間の半径は
３．６×ｔａｎ（３０°）≒２．０７８ｍとなる。半径２．０７８ｍの円を１μｍでサンプリングした場合、サンプリングの点数は約１４兆ヵ所と膨大なサンプリングが必要となる。これは奥行き３．６ｍの１平面のサンプリング点であり、様々な奥行きに存在する物体ごとに１μｍ間隔でサンプリングし、そこからの波面計算をするとなると天文学的な計算量となるのは容易に想像できる。さらに、物体が全て点光源の集まりとして表現されるので、光沢感のある物体、透明な物体などは表現しにくいなどの欠点も有している。
【００２６】
以上のように、前記適コミュニケーション空間を再現するには、要素毎に光線の方向をきめる従来のライトフィールドディスプレイでは、回折の影響により大きなボケが生じることになり、またデジタルホログラムで再生するには、膨大な計算量が必要で、かつ表示できる表現に限界があり、どちらの方法で実現するとしても非現実的であるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２７】
【特許文献１】特開２００７−１７６３４号公報
【特許文献２】特許第６２１０５４９号公報
【非特許文献】
【００２８】
【非特許文献１】小池崇文、電子ディスプレイの人間工学シンポジウム２０１８  https://home.jeita.or.jp/device/lirec/symposium/fpd/pdf/2018_2a.pdf
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
本発明の実施形態は、上記の問題に鑑みてなされたもので、  人が他者とコミュニケーションを取りつつ生活する、０．４５ｍから７ｍの距離空間において、自然な距離感が得られ、ボケのない表示を可能とする３次元画像表示システム、及びその使用方法を提供できる。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、少なくとも立体カメラと、３次元画像表示ディスプレイとを備える３次元画像表示システムであって、
前記立体カメラは、被写体となる物体から撮像面に入射する光線の入射方向と強度の情報を獲得する機能を有し、
前記３次元画像表示ディスプレイは、少なくとも演算機能と、表示機能、光制御機能を有し、且つ、複数の配列された要素セルを備え、
前記演算機能は、前記情報を前記立体カメラから受け取った後、再生すべき光線の方向と強度を前記複数の要素セル毎に計算する機能を有し、
前記複数の要素セルが、計算された光線の方向と強度を再生することで前記物体の３次元画像を表示し、
前記複数の要素セルのサイズが前記複数の要素セルの配列するピッチよりも大きい、
ことを特徴とする３次元画像表示システムとしたものである。
【００３１】
請求項２に記載の発明は、前記演算機能による演算結果を記憶する記憶機能と、
システム外部に対し無線または有線により通信可能な通信機能の、どちらか一方またはその両方をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の３次元画像表示システムとし
たものである。
【００３２】
請求項３に記載の発明は、前記複数の要素セルから再生される光線の角度の最小分解能が０．０３３度以下である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の３次元画像表示システムとしたものである。
【００３３】
請求項４に記載の発明は、前記複数の要素セルの大きさをｄとするとき、ｄが２．１ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチをｐとするとき、ｐが１．２ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の３次元画像表示システムとしたものである。
【００３４】
請求項５に記載の発明は、前記３次元画像表示ディスプレイが接眼レンズを含むヘッドマウントディスプレイを構成しており、前記接眼レンズの倍率をｒとするとき、
前記複数の要素セルの大きさｄが２．１／ｒ  ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチｐが１．２／ｒ  ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の３次元画像表示システムとしたものである。
【００３５】
請求項６に記載の発明は、前記複数の要素セルの大きさｄが２．１ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチｐが０．５ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の３次元画像表示システムとしたものである。
【００３６】
請求項７に記載の発明は、前記３次元画像表示ディスプレイが接眼レンズを含むヘッドマウントディスプレイを構成しており、前記接眼レンズの倍率をｒとするとき、
前記複数の要素セルの大きさｄが２．１／ｒ  ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチｐが０．５／ｒ  ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の３次元画像表示システムとしたものである。
【００３７】
請求項８に記載の発明は、前記３次元画像は、前記演算機能において、各前記要素セルの中心を始点とした方向の異なる複数の光線と物体との交点を求め、各前記交点からの波面の複素振幅の和を計算し、前記計算された和のデータに対して、参照光との干渉縞を計算し、前記干渉縞を表示機能に表示し、再生光を照明することで表示される、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の３次元画像表示システムとしたものである。
【００３８】
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の３次元画像表示システムの使用方法であって、
前記３次元画像表示ディスプレイの表示面から前記物体の３次元画像の一部までの距離が、０．４５〜７ｍである、ことを特徴とする３次元画像表示システムの使用方法としたものである。
【００３９】
請求項１０に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の３次元画像表示システムの使用方法であって、
前記３次元画像表示ディスプレイの表示面から前記物体の３次元画像の一部までの距離が、１．２〜７ｍである、ことを特徴とする３次元画像表示システムの使用方法としたものである。
【００４０】
請求項１１に記載の発明は、再生される光線が記憶機能に記憶され、後刻、前記記憶を前記３次元画像表示ディスプレイを用いて再生することにより観察者が３次元画像を観察することを特徴とする、請求項９または１０に記載の３次元画像表示システムの使用方法としたものである。
【００４１】
請求項１２に記載の発明は、請求項１〜８のいずれか一項に記載の３次元画像表示システムの２システム以上を、離隔した２か所以上に設置し、通信機能を介して前記２システム以上をデジタル伝送網で結び、前記３次元画像を伝送することを特徴とする、
請求項９〜１１のいずれか一項に記載の３次元画像表示システムの使用方法としたものである。
【００４２】
請求項１３に記載の発明は、３次元画像表示ディスプレイにおいて、複数の要素セルの集まりからなり、前記複数の要素セルの大きさをｄとするとき、ｄが２．１ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチをｐとするとき、ｐが１．２ｍｍ以下である、ことを特徴とする３次元画像表示ディスプレイとしたものである。
【００４３】
請求項１４に記載の発明は、前記３次元画像表示ディスプレイが接眼レンズを含むヘッドマウントディスプレイを構成しており、前記接眼レンズの倍率をｒとするとき、
前記複数の要素セルの大きさｄが２．１／ｒ  ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチｐが１．２／ｒ  ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項１２に記載の３次元画像表示ディスプレイとしたものである。
【００４４】
請求項１５に記載の発明は、前記複数の要素セルの大きさｄが２．１ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチｐが０．５ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項１３、または１４に記載の３次元画像表示ディスプレイとしたものである。
【００４５】
請求項１６に記載の発明は、前記３次元画像表示ディスプレイが接眼レンズを含むヘッドマウントディスプレイを構成しており、前記接眼レンズの倍率をｒとするとき、
前記複数の要素セルの大きさｄが２．１／ｒ  ｍｍ以上であり、前記複数の要素セルの配列するピッチｐが０．５／ｒ  ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項１３、または１４に記載の３次元画像表示ディスプレイとしたものである。
【００４６】
請求項１７に記載の発明は、前記３次元画像表示ディスプレイが少なくとも演算機能を有しており、
前記演算機能において、各前記要素セルの中心を始点とした方向の異なる複数の光線と物体との交点を求め、各前記交点からの波面の複素振幅の和を計算し、前記計算された和のデータに対して、参照光との干渉縞を計算し、前記干渉縞を表示機能に表示し、再生光を照明することで前記物体の３次元画像を表示する、ことを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の３次元画像表示ディスプレイとしたものである。
【００４７】
請求項１８に記載の発明は、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の３次元画像表示ディスプレイの使用方法であって、３次元画像表示ディスプレイの表示面から物体の３次元画像の一部までの距離が、０．４５〜７ｍである、ことを特徴とする３次元画像表示ディスプレイの使用方法としたものである。
【００４８】
請求項１９に記載の発明は、請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の３次元画像表示ディスプレイの使用方法であって、３次元画像表示ディスプレイの表示面から物体の３次元画像の一部までの距離が、１．２〜７ｍである、ことを特徴とする３次元画像表示ディスプレイの使用方法としたものである。
【００４９】
請求項２０に記載の発明は、物体の３次元画像において、少なくとも一つが人物であることを特徴とする、請求項１８、または１９に記載の３次元画像表示ディスプレイの使用方法としたものである。
【００５０】
請求項２１に記載の発明は、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の３次元画像表示ディスプレイの使用方法であって、
再生される光線が記憶機能に記憶され、後刻、前記記憶を前記３次元画像表示ディスプレイを用いて再生することにより観察者が３次元画像を観察する、ことを特徴とする３次元画像表示ディスプレイの使用方法としたものである。
【００５１】
請求項２２に記載の発明は、３次元画像表示ディスプレイに表示するパターンの計算方法であって、各要素セルの中心を始点とした方向の異なる複数の光線と物体との交点を求め、各前記交点からの波面の複素振幅の和を計算し、前記計算された和のデータに対して、参照光との干渉縞を計算することを特徴とする３次元画像表示ディスプレイパターンの計算方法としたものである。
【発明の効果】
【００５２】
本発明の実施形態によれば、人が他者とコミュニケーションを取りつつ生活する、０．４５ｍから３．６ｍの距離空間において、自然な距離感が得られ、ボケのない表示を可能とする３次元画像表示システム、及びその使用方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の３次元画像表示システムの第１実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の３次元画像表示システムの第１実施形態の使用方法を示す概念図であり、平面図である。
【図３】本発明の３次元画像表示システムの第２実施形態の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る、３次元画像表示システムの第２実施形態の使用方法を示す概念図であり、平面図である。
【図５】要素セルのサイズをパラメータとし、ディスプレイからの距離を横軸として、回折によるボケの長さを計算した特性図である。
【図６】要素セルのピッチをパラメータとして、ディスプレイからの距離を横軸として、物体を見たときの網膜上の分解能（錯乱円直径）を計算した特性図である。
【図７】本発明の実施形態に係る、要素セルサイズより要素セルピッチが小さい（ｐ＜ｄ）場合の略図であり、ホログラムに対して正面から見た構成図である。
【図８】本発明の３次元画像表示ディスプレイの実施形態に係る、要素セルサイズより要素セルピッチが小さい（ｐ＜ｄ）場合の略図であり、ホログラムに対して側面からみた場合の説明図である。
【図９】比較のために、従来の要素セルを例示する構成図である。
【図１０】本発明の３次元画像表示ディスプレイの実施形態に係る、要素セルサイズより要素セルピッチが小さい（ｐ＜ｄ）関係を有する要素セルを例示する構成図である。
【図１１】本発明の３次元画像表示ディスプレイの実施形態に係る、要素セルサイズより要素セルピッチが小さい（ｐ＜ｄ）関係を有する要素セルの別の例であり、回折格子からなる要素セルを粗い表示デバイスに使用する場合を例示する構成図である。
【図１２】要素セルのサイズより要素セルのピッチが小さい要素セルをディスプレイ面に配列したホログラフィックステレオグラムによって物点Ａを再生した場合の概念図である。
【図１３】要素セルから再生する光線の明るさを、中心は明るく周辺は暗くする様態を説明するための概念図である。
【図１４】本発明の３次元画像表示システムの実施形態に係る、物点Ａから発散した球面波と参照光との干渉縞を記録した要素セルをディスプレイ面に配列したホログラフィックステレオグラムによって、物点Ａを再生した場合の概念図である。
【図１５】図１４の方法で、複数の物体を再生した場合の様態を説明するための概念図である。
【図１６】光線追跡法を適用してホログラムの再生用データを計算する方法を説明するための概念図である。
【図１７】観察者がディスプレイ面を通して、再生点を観察する様態を示す模式図である。
【図１８】ディスプレイから再生される光線が広がりをもった光となり、再生点のボケとなる様態を示す模式図である。
【図１９】円形開口によるフラウンフォーファ回折の広がり角と、その大きさを説明するための模式図である。
【図２０】従来の、マイクロレンズアレイを用いるライトフィールドディスプレイの構成を例示する模式断面図である。
【図２１】従来の、液晶パネルを重ねたスタティックディスプレイ型のライトフィールドディスプレイの構成を例示する模式断面図である。
【図２２】本発明の３次元画像表示ディスプレイの実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２３】本発明の３次元画像表示ディスプレイの実施形態の使用例を示す概念図であり、平面図である。
【図２４】本発明の３次元画像表示ディスプレイパターンの計算方法の例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
以下、本発明の実施形態に係る３次元画像表示システムについて図面を用いて説明する。３次元画像表示システムは、光学装置と電気回路で実装できる。各図面において、見易さのため構成要素の厚さや比率は誇張されていることがあり、構成要素の数も減らして図示していることがある。また、本発明は以下の実施形態そのままに限定されるものではなく、主旨を逸脱しない限りにおいて、適宜の組み合わせ、変形によって具体化できる。
【００５５】
図１は、本発明の３次元画像表示システムの第１実施形態の３次元画像表示システム１０の構成を示すブロック図である。第１実施形態の３次元画像表示システム１０は、立体カメラによって撮影された被写体となる物体の３次元情報を獲得し演算機能に転送する。３次元情報は、少なくとも物体から撮像面に入射する光線の入射方向と強度を含み、２つ以上の視差画像列や２次元画像と距離画像の組み合わせなどから得られるものであってもよく、表示したい物体の空間的な情報であればよい。
【００５６】
３次元情報を獲得するための立体カメラには様々な方法が考えられる。例えば、２台のカメラで撮影した画像を比較し測定する方法、撮影対象に投影されたパターンを解析する方法、光の飛行時間を計って、距離を計測するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）方式などがある。適コミュニケーション距離の範囲を必要な分解能で測定できれば、どの方法を用いてもよいが、数ｃｍから数ｍという距離で精度よく奥行きの測定が可能なＴＯＦ方式が特に好ましい。
【００５７】
立体カメラによる撮影範囲は、適コミュニケーション空間を認識させるために広いほうが望ましく、３．６ｍ奥に角度±３０度で広がる、画角として６０度以上であるとよく、３５ｍｍフィルム換算で焦点距離２５ｍｍの広角レンズ相当の８０度以上の画角であるとより臨場感のある空間を認知することができる。さらに、角度方向の最小分解能Δαは視力０．５相当の０．０３３度以下であることが望ましい。
【００５８】
立体カメラの解像度がハイビジョン（画素数１０８０×１９２０）の場合、Δαを０．０３３度以下にするためには画角は７３度以下であり、４Ｋ（画素数２１６０×３８４０）の場合は、１４６度以下となる。よって、８０度以上の画角で撮影する場合４Ｋ以上の解像度のカメラで撮影することが望ましいことになる。
【００５９】
図１で、外部の機器と３次元情報をやり取りするために接続するために使用されるデジタル通信網は、３次元情報の動画が転送されることが必要になる。４Ｋ画像＋奥行き情報の動画映像を安定して転送するためには、２５Ｍｂｐｓ以上の通信速度が望ましく、モバイル通信網を使う場合、５Ｇ以上の規格を用いることで遠隔地との情報のやり取りが容易になる。
【００６０】
次に、立体カメラから転送された３次元情報は、演算機能によって再生すべき光線の方向と強度を要素セル毎に計算される。さらに、制御機能によって、ＬＣＤやＯＬＥＤ，ＤＭＤなどの表示機能、レーザーやＬＥＤやＥＬなどの光源機能、レンズＬＣＤや回折光学素子などの光制御機能をコントロールすることで、要素セルごとに光線の方向と強度を再生することで、自然な距離感とボケのない表示が行えるようにする。尚、光源機能や光制御機能が受動的で制御が不要な場合は、制御機能によって制御する必要はない。このように演算機能によって計算された方向と強度に光を制御し３次元像を表示するデバイスを３次元画像表示ディスプレイと呼ぶ。
なお、立体カメラから取得した３次元情報を用いず、通信機能を介して外部から獲得した３次元情報を表示する場合、システム内に立体カメラは不要となる。逆に、立体カメラからの３次元情報のみを用いる場合、通信機能は本システムに不要となる。
【００６１】
表示機能の例としては、ＬＣＤ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、ＤＬＰなどの２次元表示装置が一般的であるが、レーザー光源やＬＥＤ光源などをスキャンする方式であってもよい。ＬＥＤやＯＬＥＤなどの自発光デバイスの場合、光源機能と表示機能を合わせ持つことになり、ホログラムなどの回折パターンによって光の方向を制御するものであれば、表示機能と光制御機能を一つのデバイスで合わせ持つことができる。なお、ディスプレイ面とは、これらの表示装置によってパターンが表示される面のことを示し、複数の表示装置を用いる場合は、最も観察者に近い面を示す。
【００６２】
図２は、本発明の３次元画像表示システムの第１実施形態の使用例を示す概念図であり、平面図である。尚、図でディスプレイと立体カメラは重なっているが、Ｚ方向には異なる位置にあり重なってはいない。立体カメラの位置は、特に画像を見たい任意の位置・方向にあればよく、また立体カメラは１機とは限らず複数機であってもよい。
【００６３】
図２の使用例では、３次元画像表示システムは、３次元情報の記録と再生に時間差を有してコミュニケーションを実現する３次元画像表示コミュニケーターとしている。すなわち、立体カメラで撮影された実体空間の３次元情報は記憶機能にいったん記憶された後、観察者が希望する任意の時間に、このディスプレイにより３次元画像が再生空間に再現される。これにより、撮影時に観察者は不在であっても、注視したい実体空間の３次元情報を知ることができる。
本例では、時間差で記録と再生を行う例を示したが、例えば立体カメラをディスプレイから離れた位置に設置し、遠隔地のとのコミュニケーションを実現する３次元映像コミュニケーターとすることで、観察者は移動することなく遠隔地の空間を体験することが可能になる。
【００６４】
図２２の使用例は、バーチャルなキャラクターなど立体カメラを使うことなく作製された３次元情報や外部のシステムから送られた３次元情報を用いて表示する、３次元画像表示ディスプレイの構成を示すブロック図である。図２２では、外部から制御情報や表示像に関する情報を入力することを目的とした通信機能を記載した例を示したが、記憶機能に保存された３次元情報を用いて、スタンドアロンで動作する場合はその限りでない。
また、図２３は、本発明の３次元画像表示ディスプレイの実施形態の使用例を示す概念図であり、平面図である。図２３では、例えば図２２で示した構成により生成した３次元画
像を再生像としてディスプレイに表示することができる。
このように、本発明の３次元画像表示ディスプレイを用いることで、バーチャルな空間に作られた人物やキャラクターなど実在しない相手や他システムから送られた相手と適コミュニケーション空間で接することで、より自然なコミュニケーションを取ることができる。
【００６５】
図３は、本発明の第２実施形態の３次元画像表示システム２０の構成を示すブロック図である。図３では、図１に示した、本発明の３次元画像表示システムの第１実施形態１０の構成を示すブロック図が２つ以上備えられ、お互いにデジタル伝送網を介して結ばれることで、２つ以上の遠隔地の自然なコミュニケーションを実現する３次元画像表示コミュニケーターを構成している。尚、立体カメラで得られた３次元情報は、必要に応じて演算機能によって圧縮・変換され、また通信機能を介して発信される。
なおこの通信機能を実現する通信手段としては特に制限はないが、３次元情報を扱うため、上記に挙げたデジタル伝送網のように大容量の情報を高速に伝送可能な通信手段を有することが好ましい。
【００６６】
図４は、本発明の第２実施形態の３次元画像表示システムの使用例を示す概念図であり、平面図である。立体カメラの位置、方向、機数は、図２の場合と同様であればよい。この使用例では、本発明の３次元画像表示システムは、デジタル伝送網で結ばれた２つの遠隔地の自然なコミュニケーションを実現する３次元画像表示コミュニケーターとなっている。
【００６７】
すなわち、実体空間Ａに存在するメンバーには、立体カメラＢで撮影された遠隔に存在するメンバー（本例では一人）の実体空間Ｂの３次元情報が、通信機能回路Ｂから通信機能回路Ａへとデジタル伝送網を介して伝送され、ディスプレイＡを介して再生空間Ａに再現される。
同様に実体空間Ｂに存在するメンバー（本例では一人）には、立体カメラＡで撮影された遠隔に存在するメンバーの実体空間Ａの３次元情報が通信機能回路Ａから通信機能回路Ｂへとデジタル伝送網を介して伝送され、ディスプレイＢを介して再生空間Ｂに再現される。
【００６８】
この場合、伝送のために使用されるデジタル伝送網も、３次元情報の動画が送れることが必要になる。４Ｋ画像＋奥行き情報の動画映像を安定して送るためには、２５Ｍｂｐｓ以上の通信速度が望ましく、モバイル通信網を使う場合、５Ｇ以上の規格を用いること、簡便に遠隔地とのコミュニケーションをとることが可能になる。
【００６９】
本発明の３次元画像表示システムおよび３次元画像表示ディスプレイでは、回折の影響が少ない大きなサイズの要素セルを用い、要素セルのピッチを要素セルのサイズよりも小さくして、瞳内に複数の光線を通過させることで、ピント調整が可能な３次元画像表示システムを実現できる。そこで、適コミュニケーション空間を再現するために必要な「要素セルサイズ」と「要素セルピッチ」の条件を説明する。
【００７０】
一般に、視力１．０の人は裸眼で１／６０度の角度の分解能をもつ。これと同等の回折による広がり角θとなる要素セルのサイズは、波長を５００ｎｍとすると、［背景技術］で示した（式１）より、
ｄ＝１．２２×５００×１０−６／ｔａｎ（１／６０°）×２
＝４．２ｍｍとなる。
同様に、自動車免許の条件である視力０．７の人と同等の１／６０／０．７度の角度の分解能をもつ、ボケを生じる要素セルのサイズは２．９ｍｍとなる。
また、既述のように、宮崎らの研究から、３．６ｍの距離で表情を見てコミュニケーショ
ンを取れる視力０．５相当以上の人とみなせる。この視力０．５の分解能と同等のボケを生じる要素セルのサイズは、同様の計算により、２．１ｍｍとなる。
【００７１】
そこで、要素セルのサイズ（図１９でのｄ。前記の４．２、２．９、２．１、・・・・ｍｍ）をパラメータとし、ディスプレイからの距離（図１９でのＬ）を横軸として、回折によるボケの長さを計算すると、図５のようになる。
図５より、ディスプレイからの距離（Ｌ）が同じであれば、要素セルのサイズ（ｄ）が大きいほどボケの長さは小さくなることが分かる。これは（式１）でｄが大きくなれば広がり角θが小さくなることを反映している。
【００７２】
人の瞳の大きさは、一般に２〜８ｍｍであり、この中に複数の光線を通過させて目のピント調整を実現するためには、要素セルの間隔（ピッチ）は、少なくとも瞳内に２つ以上の要素セルが入るようなピッチであることが必要となる。より自然なピント調整を実現するには、瞳内に入射する光線数（要素セルの数）は多いほうが望ましい。つまり要素セルの数を増やすために要素セル間の間隔（ビッチ）を小さくすることが望ましい。
【００７３】
次に必要な要素セルのピッチについて考察する。図６は、要素セルの配列するピッチをパラメータとして、ディスプレイからの距離を横軸として、物体を見たときの網膜上の分解能を計算した特性図である。人の網膜上の視細胞の間隔は約１０μｍ（０．０１ｍｍ）であることから、これより良い分解能（より小さい錯乱円直径）を持つためには、距離０．４５ｍより遠い物体であれば０．２ｍｍ以下、距離１．２ｍより遠い物体であれば、約０．４ｍｍ以下の要素セルのピッチが必要であることが分かる。
【００７４】
また、０．５ｍ離れた距離で２４インチのＸＧＡ（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ａｒｒａｙ：１９９０年にＩＢＭ社が発表した規格）のディスプレイ程度の解像度（網膜上で３０μｍ（０．０３ｍｍ）程度の錯乱円直径）まで許容できる用途であれば、距離０．４５ｍより遠い物体であれば０．５ｍｍ以下、距離１．２ｍより遠い物体であれば１．２ｍｍ以下の要素セルピッチであればよいことが分かる。
【００７５】
以上を総合すると、適コミュニケーション空間（ディスプレイから０．４５〜３．６ｍの距離範囲）を再現するためには、概ね、要素セルサイズは、３．６ｍの距離で視力０．５相当以上の分解能でボケを生じる２．１ｍｍ以上、かつ要素セルのピッチは前記の０．５ｍｍ以下であれば、実用上支障のないコミュニケーションが可能になる。また、要素セルサイズは４．２ｍｍ以上、かつ要素セルのピッチは０．２ｍｍ以下であれば、実物体と同等の解像度で観察することができる。
【００７６】
また、社会距離（ディスプレイから１．２〜３．６ｍの距離範囲）以上のコミュニケーションをとるのであれば、要素セルサイズは２．１ｍｍ以上、かつ要素セルピッチは１．２ｍｍ以下であれば、実用上支障のないコミュニケーションが可能になる。
また、要素セルサイズは４．２ｍｍ以上、かつ要素セルピッチは０．４ｍｍ以下であれば実物体と同等の解像度で観察することができる。このとき、要素セルサイズをｄ、要素セルピッチをｐとすると、ｄ≧２．１ｍｍ、かつ、ｄ／ｐ≧１．７５の関係を満たすことになる。
【００７７】
再生される光線の角度方向の最小分解能Δαは、回折による広がり角θの２倍より小さくしても意味がなくなる（Δα≧２×θ）。Δαの大きさもボケを生じさせるため、視力１．０に相当のボケにするには、Δαは、視力１．０の場合の角度分解能１／６０＝０．０１７度程度となり、視力０．５相当でのΔαは１／６０／０．５＝０．０３３度程度となる。以上のことから、奥行きのある空間を再現するには、Δαは、少なくとも０．０４度以下であることが望ましい。０．０１７度以下であれば、標準的な人の視力の人が実物体を見た場合と同等のボケが得られる。
もちろん、用途によってボケの許容範囲は異なる。例えば、視力０．３から視力１．５の範囲とすると、Δαの範囲は、（１／６０／１．５＝０．０１度）＜Δα＜（１／６０／０．３＝０．０５度）となる。
【００７８】
以上のように、どの組み合わせ（適コミュニケーション空間またはその一部である社会距離空間、及び一般的な視力範囲）においても、本願で目的とする、適コミュニケーション空間内での物体の再現を実現するには、要素セルのサイズより要素セル間のピッチが狭く、要素セルを並べた場合、隣接する要素セル同士が重なり合うことが必要になる。
【００７９】
但し、要素セルの重なりの多重度が大きいと、機構が複雑化、計算時間の増加、作製時間の増加などデメリットが生じるため、必要以上に要素セルを重ねることは望ましくない。
要素セルのサイズをｄ、要素セル間のピッチをｐとすると、ｄ／ｐ＜２５であれば上記多重化によるデメリットを抑制することができ、少なくともｄ／ｐ＜１００であればよい。尚、技術の進歩などにより、要素セルの重なりを大きくした際のデメリットが現実的に支障なくなった場合はこの限りではない。
【００８０】
隣接する要素セルを重ね合わせるためには、様々な方法が考えられる。ホログラフィックステレオグラムは、ホログラムの技術を用いて光線の方向を再現するライトフィールドディスプレイの一種であり、一般には光線の方向のみを再現し物体からの波面は再現しない。以下、ホログラムを用いる要素セルを適宜「要素ホログラム」と称する。
【００８１】
例えば、特開２０１３−１９５８０２号公報や特許第３９４８１９９号公報では、光線の方向を記録した要素ホログラムを順次作成する。特開２０１３−１９５８０２号公報は、感光材料上にレーザー光による干渉縞を露光形成するものであり、要素ホログラムを表面の凹凸によるホログラムとする場合、大量生産が容易で安価に製造が可能になる。特許３９４８１９９号公報では、計算機によって計算された干渉縞パターンを電子線描画装置等によって記録し、音響光学素子や液晶パネルなどで実時間再生する場合を示しており、液晶パネルなどの書き換え可能なディスプレイで要素ホログラムを構成した場合、実時間再生することが可能になる。
【００８２】
しかしながら、これらの例では、要素ホログラムのサイズとピッチは最適化されておらず、再生する物体はホログラム近傍、もしくは視差原画の結像位置（マスターホログラムの再生位置）の近傍に限られ、広い奥行きのある空間の再現をする方法は示されていない。
【００８３】
通常、ホログラフィックステレオグラムの要素ホログラムは光の強度で示される干渉縞からなるため、オーバーラップして記録することが可能であり、要素ホログラムのピッチより要素ホログラムのサイズを大きくすることが可能である。
【００８４】
光の強度をオーバーラップして記録する際、薄いホログラムの場合は、多重度が多いと個々の要素ホログラムの回折効率が低下し、暗くノイズの多い再生像となってしまう場合がある。記録材料として１μｍから数十μｍの厚みのあるデバイスに干渉縞を記録すれば、多重度が多くても明るくノイズの少ない再生像を得ることができる。
【００８５】
図７は、要素セル（要素ホログラム）サイズｄより要素セル（要素ホログラム）ピッチｐが小さい場合の略図であり、ホログラムに対して正面からみた構成図である。この図では、各要素セルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは重なり部をもって敷き詰められている。
【００８６】
図８は、本発明の３次元画像表示ディスプレイの実施形態に係る、要素セルサイズより
要素セルピッチが小さい（ｐ＜ｄ）場合の略図であり、ホログラムに対して側面からみた場合の説明図である。各要素セルの再生光が重なりながらディスプレイ面（ホログラム面）から射出する様態を示している。ディスプレイ面から射出する光線はΔαの角度で分解される。
【００８７】
次に、要素セルを回折格子で形成した場合を例に、要素セルのサイズとピッチとの関係をより具体的に説明する。図９は比較のための従来の要素セルを例示する構成図であり、要素セルのサイズｄとピッチｐとがｐ≧ｄの関係にあり、この場合要素セル同士に重なりがないため、回折格子パターンも重ならずに独立している。
【００８８】
図１０は本発明の３次元画像表示ディスプレイの実施形態に係り、要素セルサイズより要素セルピッチが小さい（ｐ＜ｄ）関係を有する要素セルを例示する構成図である。ｐ＜ｄの場合、要素セルの重なった部分は、それぞれの回折格子パターンの和となる。図１０の例では、要素セルを構成する回折格子に対して、回折格子ピッチの１／１０以下の細かい画素でパターンを構成した例を示している。
【００８９】
回折格子からなる要素セルを粗い表示デバイスに使用する場合、回折格子を表現するためには、最も細かい回折格子のピッチの半分以下の解像度があればよい。
図１１は本発明の３次元画像表示ディスプレイの実施形態に係り、そのような、要素セルサイズより要素セルピッチが小さい（ｐ＜ｄ）関係を有する要素セルの別の例であり、回折格子からなる要素セルを粗い表示デバイスに使用する場合の例である。
【００９０】
上記では、要素セルのサイズより要素セル間のピッチを小さくする方法としてホログラフィックステレオグラムを用いる例を示したが、図２０のマイクロレンズアレイを用いるライトフィールドディスプレイや、図２１のスタティックディスプレイ型のライトフィールドディスプレイでは、高速にディスプレイを振動させ、振動する位置情報に同期して表示画像を変える方法や、ハーフミラーなどを用いて、複数のディスプレイを空間的に重ねる方法などにより、要素セル間のピッチを要素セルのサイズより小さくすることが可能になる。また、電子ホログラムを用いてホログラフィックステレオグラムを再生する場合には、要素ホログラムの位置を微小に変化させながら再生してもよい。いずれにしても、要素セルのサイズと要素セル間のピッチを最適値に設定することで適コミュニケーション空間でボケがなく自然な立体像を観察することが可能になる。
【００９１】
図１２は、要素セルのサイズより要素セルのピッチが小さい要素セルをディスプレイ面に配列したホログラフィックステレオグラムによって、点物体を物点Ａ’として再生した場合の概念図である。各要素セルは、ディスプレイ面において、物点Ａから出た光の方向を再現する。図面の上方の様々な方向から観察すると、観察者はそれぞれの方向からあたかも物点Ａが存在するように見ることができる。
【００９２】
また、要素セルのピッチは瞳の大きさに対して十分に小さく（上記図６の説明参照）、また要素セルのサイズは回折によるボケが少ないサイズ（上記図５の説明参照）としているため、観察者には輻輳、ピント調整、両眼視差などの立体視に必要な条件が矛盾なく再現されるため、自然で疲労感が無く、ディスプレイ面から離れた空間を再現することが可能になる。
【００９３】
図１２に示すように、各要素セルから射出する光線は、要素セルのサイズ（ｄ）＋回折による広がり（図８のΔα）の幅をもつ。そのため、ディスプレイ面から遠い空間を観察する場合は問題ないが、ディスプレイ面から近い物体を観察する場合、物体の解像度が低下することになる。
【００９４】
前記の問題を解決するには、幾つかの方法が考えられる。例えば、要素セルから再生する光線の明るさの分布を、図１３に示すように中心は明るく周辺は暗くする。このようにすることで、再生される物体の解像度を向上させることが可能になる。このような光線の明るさ分布を作ることには、要素セルに記録する干渉縞パターンの透過率が周辺部にいくほど低下するように要素セル内で回折効率の変化をつけることで実現できる。
【００９５】
また、他の方法として次のような方法が考えられる。要素セルとして、ディスプレイ面に物点Ａから発散した球面波と参照光との干渉縞を記録した要素セルを形成する。こうすることによって、図１４に示すように、各要素セルから再生される光線による物点Ａ’’のサイズを、要素セルのサイズの回折限界まで小さくすることが可能になる。
【００９６】
図１４の方法で、複数の物体を再生した場合の様態を図１５により説明する。ディスプレイ面の各要素セルには、物体上の各点から発散した球面波と参照光との干渉縞が記録されている。近くの物体Ｂ’からは近くの光点から発散した球面波、遠くの物体Ｃ’からは遠くの光点から発散した球面波となる。このように物体からの距離によって波面は異なって記録される。
【００９７】
物体上の各点から発散した球面波と参照光との干渉縞を、立体カメラを通してデジタル化することは通常のデジタルホログラムと同様であるが、物体をサンプリングする点を、図１６に示すように、各要素セル位置からΔαの角度で分解されたポイントとすることにより、通常のデジタルホログラムでは、μｍオーダのサンプリングピッチで波面を計算する必要があることに対して、本発明の実施形態の手法では数ｍｍから数ｃｍのピッチでサンプリングすればよく、膨大な計算量となることを避けることができる。また、ディスプレイ面から離れれば離れるほどサンプリングピッチが広がることから、ディスプレイ面から離れた広い空間を再現するに適した方法となる。
【００９８】
ホログラフィックステレオグラムでは、光線の方向を再現するように作られるため、物体を複数の方向から撮影した画像から３次元画像表示用のデータを作成できる。このため、様々な方法で研究されているＣＧ（コンピュータグラフィックス）の手法をつかうことで、光沢のあるもの、透明な物体なども再現でき、実際の物体を撮影することで、実物の物体の再生も可能になる。
【００９９】
例えば、ＣＧ手法の一つである光線追跡法を適用してホログラムのパターンを計算する方法を、図１６を用いて述べる。
まず各要素セルの中心が光線追跡法によって放たれる光線の始点となる。次に各要素セルの中心を始点として光線追跡法を行い、光線と被写体となる物体との交点を求める。これにより要素セルごとに異なる視点位置からの点光源の集合を持つことになり，上下左右の視差を持つ要素セルのパターンを作成することが可能となる。
なお、ここでの物体（被写体）は立体カメラで撮影された情報から得たものであってもよいし、ＣＡＤなどで作られたバーチャルな物体であってもよい。
この計算の際に、光線の方向のみを考慮した場合は、図１２に示すような光線による再生となり、光線の方向と物点までの距離まで考慮した場合は、図１４や図１５に示すような光線による再生となる。
【０１００】
光線の方向と物点までの距離まで考慮した場合のホログラムのパターンの計算のフローチャートの一例を図２４に示す。
まず、表示すべき物体の３次元情報を入力する。次に、演算すべき要素セルの中心の位置を求め、要素セルの中心位置から発散しΔαづつ角度が異なる各線と物体との交点を求める。そして各物体との交点を物点とし、各物点から発散する球面波の要素セル位置での複素振幅の和を求める。なお、求める複素振幅は要素セルの大きさの範囲でよい。
以上の工程を全ての要素セルにおいて行い、その後、全ての要素セルの複素振幅の和を求めることでディスプレイ面での複素振幅を求める。次に、参照光の波面とディスプレイ面での複素振幅との干渉縞のパターンを求めることで、ディスプレイに表現するパターンを求めることが可能になる。
このように要素セル毎の干渉縞パターンの和をとるのではなく、複素振幅の和を求めた上で、参照光との干渉縞パターンを求める演算とすることで、光線の方向と物点までの距離を含めて物体の３次元画像を記録、再生することができる。
【０１０１】
また、上記では要素セルのサイズよりピッチが小さいことで多重化することによる効率（明るさ）の低下を抑制するために、要素セルの複素振幅の和を計算した後に、参照光との干渉パターンを計算したが、要素セル毎に参照光との干渉パターンを求めた後に、各干渉パターンの和をとってもよい。その場合、要素セル毎に計算ができるため、並列演算が容易になり計算時間が早くなる。
【０１０２】
尚、記録する立体像（物体の３次元情報）は水平方向の視差のみのステレオグラムでもよいが、ピント調整の効果をより効果的するためには、上下左右の視差をもったステレオグラムの方が望ましい。また、要素セルとして円形のセルの例を示したが、円形に限定する必要はなく、三角形、四角形、五角形、六角形などの多角形、星型、楕円、長方形などであってもよい。
【０１０３】
作製されたホログラフィックステレオグラムを再生する光源としては、波長による回折角の違いによるボケをなくすため、レーザーやＬＥＤなどの単色の光源、もしくは通常の光源とフィルターを組み合わせた光源を用いることが望ましく、レーザー光源を用いた場合は、スペックルによるノイズを減らすため、コヒーレント性を落とす工夫をすることが望ましい。
【０１０４】
レーザーのコヒーレントを落とすには、光ファイバーを透過させる、光源を振動させる、光路長を変化させる、動きのある拡散要素を光路内に挿入する、複数の光源を組み合わせるなどの方法が考えられる。
【０１０５】
ここまで、適コミュニケーション距離として、０．４５ｍから３．６ｍとしてきたが、全ての再生される物体がこの距離範囲内に存在する必要はなく、主に再生される物体がこの範囲に存在していればよい。また、再生される対象（物体）としては、人に限定されるものではなく、動物やロボットなどであってもよく、空間に再現した２次元画像であってもよい。さらには、コミュニケーション対象の存在を示唆するような、空間に机や椅子、テーブルなどを再現するものであってもよい。さらには、対象がコミュニケーションを直接取るものでなくても、重機、遠隔手術、宇宙空間、軍事など遠隔操作の主な対象が、適コミュニケーション距離に入っている形態であっても構わない。
【０１０６】
さらには、適コミュニケーション距離として、０．４５ｍから３．６ｍとしてきたが、先に示した東京女子大学の宮崎らの研究結果から、表情を読み取れる限界の距離が、視力１．０の場合７ｍであることから、適コミュニケーション距離を０．４５ｍから７．０ｍに置き換えてもよい。
【０１０７】
本発明で規定する要素セルサイズ及び要素セルピッチの条件は、接眼レンズなどの光学系を介してディスプレイを観察する場合は、光学系の倍率を補正する。
例えば、０．４５ｍから３．６ｍの適コミュニケーション距離で、接眼レンズなしのとき要素セルのサイズｄを２．１ｍｍ、要素セルのピッチｐを０．５ｍｍとすると、ヘッドマウントディスプレイなどに本発明の実施形態を応用し、接眼レンズの倍率が２倍であった場合、要素セルのサイズｄを２．１／２＝１．０５ｍｍ、要素セルのピッチｐを０．５／
２＝０．２５ｍｍとする。このとき要素セルの多重度はｄ／ｐ＝４．２で変化しない。
逆に、縮小光学系を用いて光学系の倍率を０．５とする場合は、要素セルのサイズｄは２．１／０．５＝４．２ｍｍ、要素セルのピッチｐは０．５／０．５＝１．０ｍｍとなる。この場合も要素セルの多重度はｄ／ｐ＝４．２で変化しない。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明の３次元画像表示システムの第１実施形態によれば、例えば育児・医療・介護分野において、保護者が止むを得ず不在となる時間の乳幼児・患者・被介護者の様態を、後刻観察すること等に利用できる。
また、第２実施形態によれば、ビジネスまたはプライベートな場面において、他者と、より緊密・親密なコミュニケーションをはかる場合に利用できる。
【符号の説明】
【０１０９】
１０・・・本発明の第１実施形態の３次元画像表示システム
２０・・・本発明の第２実施形態の３次元画像表示システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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