(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示されるべき三次元立体像に応じて視差画像群に相当する複数のパターンを平面的に表示させる表示手段と、
この表示手段の背面或いは前面に設けられ、この表示手段から観察方向に向けられる光線を制限してこの表示手段の背面の空間に第１の三次元立体像としての三次元虚像を形成させ、また、その前方の空間に第１の三次元立体像としての三次元実像を形成させる制限手段と、
前記三次元虚像及び三次元実像を観察方向に向けて伝達して第２の三次元立体像としての２つの三次元実像を観察方向の空間に結像する光学手段と、
を具備することを特徴とする立体像表示装置。
【請求項２】
前記光学手段は、前記第１の三次元立体像を縮小した前記第２の三次元立体像に変換することを特徴とする請求項１の立体像表示装置。
【請求項３】
前記光学手段は、前記第１の三次元立体像を伝達する光学系として凹面鏡を含むことを特徴とする請求項１の立体像表示装置。
【請求項４】
表示されるべき三次元立体像に応じて視差画像群に相当する複数のパターンを平面的に表示させる表示手段と、
この表示手段の背面或いは前面に設けられ、この表示手段から観察方向に向けられる光線を制限してこの表示手段の背面の空間に第1の三次元立体像としての三次元虚像を形成させ、また、その前方の空間に第１の三次元立体像としての三次元実像を形成させる制限手段と、
この制限手段と観察者との間に配置され、前記三次元虚像及び三次元実像を観察方向に向けて伝達して第２の三次元立体像としての２つの三次元実像を観察方向の空間に結像するアフォーカル光学系と、
を具備することを特徴とする立体像表示装置。
【請求項５】
前記光学手段は、前記第１の三次元立体像を縮小した前記第２の三次元立体像に変換することを特徴とする請求項４の立体像表示装置。
【請求項６】
前記アフォーカル光学系は、第１及び第２レンズから構成され、第１レンズが前記制限手段に焦点を有するように配置され、前記第２レンズが前記第１レンズ及び第２レンズの焦点の和に相当する距離だけ前記第１レンズから離れて配置されることを特徴とする請求項４の立体像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、立体像表示装置に係り、特に、アミューズメント、インターネットショッピング、携帯端末、医療、バーチャルリアリティ、広告看板などで使われる立体表示を可能にする立体像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から各種の立体像表示装置が知られている。例えば、その１つとして体積表示型と呼ばれる方式がある。この体積表示方式では、三次元空間内に複数の断層情報を文字通り体積表示するもので自然な立体視が可能である。ただし、この方式では、断層情報が表示された表示面を機械的に高速で動かす必要があり、その実現が困難である問題がある。
【０００３】
他の方法として、複数の視差画像を表示してそれらを再構成することにより立体感を得る方式もある。この方式中で最も簡単な例である２眼式では、右目用の情報と左眼用の情報を観察者に提示することにより立体感を与えるものである。しかし、この２眼方式では、焦点位置は、ディスプレイ面にあり、この焦点位置と注視物体のある輻輳位置とには、空間的ずれが生ずるため、いわゆる焦点調節と輻輳距離の不一致が生じ、観察者にとって再現される空間に違和感があり、観察者に疲労を与えやすい問題がある。
【０００４】
これらの問題を解決する立体表示方法として、非常に多くの視差画像を用いるインテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）法或いは光線再生法が知られている。ここで、インテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）法及び光線再生法は、立体表示方法としてその用語の意味が正確には確立されていないがほぼ同一の原理に基づくものである点を明記しておく。以下の説明においては、光線再生法を含む概念としてインテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）法と称し、このインテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）法について説明する。このインテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）法では、図５に示すように液晶ディスプレイ５０１とピンホールアレイ板５０２からなる簡単な光学系で自然な三次元像が再生される。液晶ディスプレイ５０１上には、視差画像群に相当する多数のパターンが表示され、二次元配列されたピンホールアレイを介してこれらのパターンを観察する場合に三次元虚像５０３が液晶ディスプレイ５０１の背後に形成され、ピンホールアレイ板５０２の前面に三次元実像５０４が形成される。即ち、観察者からピンホールアレイ板５０２を介して液晶ディスプレイ５０１上のパターンに向かう視差画像光線群によって三次元虚像５０３が形成され、液晶ディスプレイ５０１上のパターンからピンホールアレイ板５０２を介して観察者に向かう視差画像光線群によって三次元実像５０４が形成される。ここで、観察者には、三次元虚像が背景としてその前面に実像が形成されるように、或いは、実像或いは虚像のみが観察されるようにすることができる。インテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）法は、このように簡単な構成で自然な立体像を形成することができるものであるとされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、インテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）法は、ヒューマンインターフェースの観点から問題点があり、また、「額縁効果」と称せられる問題等があると指摘されている。これらの問題点に関して図６を参照して説明する。
【０００６】
図６は、インテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）法における三次元再生像の解像度と表示デバイスである液晶ディスプレイ面からの距離との関係が示されている。三次元再生像の解像度は、距離の関数として計算によって求められ、両者は、密接な関係を有している。即ち、液晶ディスプレイ５０１及びピンホールアレイ板５０２を含む表示デバイス近傍では、三次元再生像の解像度は、画像のサンプリング間隔によって定まり、その解像度を比較的高くすることができる。しかしながら、三次元再生像（三次元実像）が手前に（観察者側に）飛び出せば飛び出す程、光の回折効果により解像度は、急激に劣化してしまう。また、表示デバイスの奥に（観察者とは反対側の空間に）三次元像（三次元虚像）が再生される場合には、奥行きが深いければ深いほど、解像度が劣化してしまう。従って、その三次元再生像（三次元実像及び虚像）は、表示デバイス近傍に形成してその近傍に表示せざるを得ない問題がある。
【０００７】
本来、このように表示デバイスの奥に形成される３次虚像は、単に観察するだけの場合は特に問題はないが、ヒューマンインターフェースの観点からその虚像に触れるような動作を可能とするような場合には、表示デバイスが障害となってこのような動作ができない問題がある。即ち、ヒューマンインターフェースの観点から空間中に立体像を浮き上がらせ、手を伸ばしてあたかも三次元像を触れるかのような動作を可能にする立体像表示装置が特に要望されているが、インテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）法を採用した装置では、手を伸ばそうとすると表示デバイスに手が触れ、その虚像には手を伸ばすことが出来ない問題がある。
【０００８】
また、ディスプレイ近傍で手前に飛び出した立体実像に関しては、立体実像とともに表示デバイスのふちが同時に観察者の目に入るため三次元立体像がディスプレイ面に押し戻されて見える現象である「額縁効果」が生じる問題がある。
【０００９】
また、一般にピンホール数とそれに対応する視差画像数を多くしたいが、ピンホールの密度を上げすぎると要素画像が小さくなり、要素画像あたりの画像情報が少なくなってしまうという問題もある。従って、解像度を上げることが困難であり、また、三次元画像の観察できる範囲である視野角も大きくすることが困難である問題もある。
【００１０】
上述したように従来、ヒューマンインターフェースの観点から空間中に立体像を浮き上がらせ触ることの出来る立体像表示装置が要望されているにもかかわらず、インテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）や光線再生法などの立体像表示装置では立体像の解像度が表示デバイス付近から離れると急激に低下される。従って、立体像は、表示デバイス近傍にしか再生せざるを得ず、しかも、その大部分は表示デバイス面の奥に虚像として再現される。このため手を伸ばしてあたかも三次元像を触れるかのような動作をすることが出来ない問題がある。また、「額縁効果」と呼ばれる立体像が表示デバイス面に押し戻されて見える現象があり、立体感を損ねる問題もある。さらに、再生像の解像度を上げることが困難であり、三次元画像の観察できる範囲である視野角もなかなか広くすることが出来ない問題もある。
【００１１】
この発明は、上述した事情に鑑みなされたものであって、簡単な構成でヒューマンインターフェース特性に優れた立体像表示装置を堤供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、
表示されるべき三次元立体像に応じて視差画像群に相当する複数のパターンを平面的に表示させる表示手段と、
この表示手段の背面或いは前面に設けられ、この表示手段から観察方向に向けられる光線を制限してこの表示手段の背面の空間に第１の三次元立体像としての三次元虚像を形成させ、また、その前方の空間に第１の三次元立体像としての三次元実像を形成させる制限手段と、
前記三次元虚像及び三次元実像を観察方向に向けて伝達して第２の三次元立体像としての２つの三次元実像を観察方向の空間に結像する光学手段と、
を具備することを特徴とする立体像表示装置が提供される。
【００１３】
また、この発明によれば、上記立体像表示装置において、
前記光学手段は、前記第１の三次元立体像を縮小した前記第２の三次元立体像に変換することを特徴とする立体像表示装置が提供される。
【００１４】
更に、この発明によれば、
表示されるべき三次元立体像に応じて視差画像群に相当する複数のパターンを平面的に表示させる表示手段と、
この表示手段の背面或いは前面に設けられ、この表示手段から観察方向に向けられる光線を制限してこの表示手段の背面の空間に第1の三次元立体像としての三次元虚像を形成させ、また、その前方の空間に第１の三次元立体像としての三次元実像を形成させる制限手段と、
この制限手段と観察者との間に配置され、前記三次元虚像及び三次元実像を観察方向に向けて伝達して第２の三次元立体像としての２つの三次元実像を観察方向の空間に結像するアフォーカル光学系と、
を具備することを特徴とする立体像表示装置が提供される。
【００１５】
この発明の立体像表示装置にいては、インテグラルフォトグラフィー（ＩＰ）や光線再生法に基づいて視差画像情報の載った光線群により空間中に第１の三次元立体像が再現される。この第１の三次元立体像中の虚像は、第２の三次元立体像として実像に変換される。このような簡単な構成により、観察者側の空間中には、第２の三次元立体像として解像度の高い三次元立体像が再現され、自然な立体視が可能となる。
【００１６】
また、変換された三次元実像の大きさを変換前の三次元虚像の大きさより縮小することもできる。例えば、焦点距離の異なる２枚のフレネルレンズを用いることで立体像の縮小が可能となる。このような縮小では、再生される第２の三次元像は、小さくなるもののドットピッチが細かくなるためより解像度の高い三次元像として再生できる。しかも、このとき、光線の広がり角は大きくなるため、視野角をも向上できる。
【００１７】
このような簡便かつ低コストの手法で１．空間中に高解像度の立体像を再現できるため、ヒューマンインターフェースを改善し、観察者へのインパクトを増大でき、２．「額縁効果」（立体像が表示デバイス面に押し戻されて見える現象）を解消でき、３．アフォーカル光学系の調整により再生像の解像度を上げることができ、４．アフォーカル光学系の調整により視野角を広くできる。視野角については、表示デバイスとして液晶ディスプレイを使用した場合特に有効であり、もともとの液晶ディスプレイの持つ視野角よりも広い範囲から立体像を観測することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照してこの発明の立体像表示装置の実施形態について説明する。
【００１９】
図１は、この発明の立体像表示装置の一実施形態を示している。この図１に示される立体像表示装置は、表示されるべき立体像に対応した複数のパターンが表示される液晶ディスプレイ１０１及びこの液晶ディスプレイ１０１の観察者１０５側に配置され、多数のピンホールがアレイ状に形成されたピンホールアレイ板１０２から構成されている。このピンホールアレイは、一定ピッチで正方格子状に所定の直径のピンホールが形成される。液晶ディスプレイ上に視差画像もまた、ある所定ピッチで表示される。
【００２０】
図１に示されるように、立体像表示装置には、フレネルレンズ１０３、１０４を２枚組み合わせてなるアフォーカル光学系が付加されている。このアフォーカル光学系は、ピンホールアレイから概略焦点距離Ｆ１だけ離れた位置に１番目のフレネルレンズ１０３が配置され、また、１番目のフレネルレンズ１０３の焦点距離Ｆ１及び２番目のフレネルレンズ１０４の焦点距離Ｆ２の和（Ｆ１＋Ｆ２）だけ１番目のフレネルレンズ１０３から離れた位置に２番目のフレネルレンズ１０４が配置されている。図１では、ピンホールアレイ１０２を基準として１番目及び２番目のフレネルレンズ１０３、１０４が配置されているが、実像１０７を基準として、あるいは虚像１０６を基準としてこれらのフレネルレンズ１０３、１０４が配置されても良い。
【００２１】
この図１に示される立体像表示装置においては、インテグラルフォトグラフィー法の原理により、液晶ディスプレイ１０１の近傍に立体像が再生される。即ち、観察者１０５側からピンホールアレイ板１０２を介して液晶ディスプレイ１０１上のパターンに向かう光線群によって液晶ディスプレイ１０１の背面（観察者とは反対の空間）に三次元虚像１０６が形成、即ち、再生され、また、液晶ディスプレイ１０１上のパターンからピンホールアレイ板１０２を介して観察者１０５側に向かう光線群によってピンホールアレイ板１０２の前方（観察者側）に三次元実像１０７が形成、即ち、再生される。ここで、液晶ディスプレイ１０１上に適切なパターンを表示させることによって、三次元実像のみ、三次元虚像のみ、或いは、三次元実像１０７と三次元虚像１０６とを同時に表示再生することができる。例えば、三次元実像１０７として人体像を表示再生させ、三次元虚像１０６として風景等の背景を表示させることができる。また、ここでは説明を容易にするため２つの物体の像しか図示していないが、再生する三次元像は、液晶ディスプレイの奥から手前まで連続的に複数の物体の像を再現することができる。これらの像は、ディスプレイ近傍であれば解像度の劣化が少なく、高品位で三次元像として表示再生することができる。
【００２２】
これらの三次元虚像１０６及び三次元実像１０７は、フレネルレンズ１０３、１０４から構成されるアフォーカル光学系によって伝達され、アフォーカル光学系と観察者１０５との間の空間に実像１０８，１０９として形成される。即ち、フレネルレンズ１０４の概略焦点距離Ｆ２の位置にディスプレイの奥に見えていた三次元虚像が三次元実像１０８として再構成される。また、液晶ディスプレイの手前近傍に再生されていた三次元実像もフレネルレンズ１０４と観察者１０５との空間に再構成される。両実像１０８，１０９は、比較的大きな空間中に実際に光が集まって結像されているため、観察者１０５が手を伸ばしてあたかも触れるような動作が可能となる。
【００２３】
図１に示された立体表示視装置の具体例について下記に説明する。この具体例では、ピンホールアレイが２．５ｍｍピッチで正方格子状に配置され、各ピンホールの直径が１００μｍで形成され、液晶ディスプレイ上に視差画像がピンホールアレイピッチと同様のピッチで表示される。また、フレネルレンズの焦点距離は、どちらも２５ｃｍであり、フレネルレンズ１０３は、液晶ディスプレイから２５ｃｍの距離に、フレネルレンズ１０４は、フレネルレンズ１０３から５０ｃｍの距離に配置されている。このような具体例では、実験的に三次元虚像１０６及び三次元実像１０７が観測され、さらに、フレネルレンズ１０３とフレネルレンズ１０４によって、虚像から変換された三次元実像１０８と三次元実像１０９がフレネルレンズ１０４から概略２５ｃｍ離れた空間中に浮かんで観測された。このような三次元実像１０８と三次元実像１０９は、手を伸ばして掴もうとする動作も可能であった。また、空間中に実像が実際に結像しているため、目の焦点調節も容易に行われ自然で良質な立体視が可能であった。また、「額縁効果」も観測されなかった。
【００２４】
次に、図２から図４を参照してこの発明の立体像表示装置の変形例に係る実施形態を説明する。
【００２５】
図２は、この発明の変形実施形態に係わる立体視装置の構造を示している。第１の実施例とは、フレネルレンズ１０４の代わりに短焦点フレネルレンズ２０４が用いられることが相違している。この変形実施例では、具体的な短焦点フレネルレンズ２０４としては、焦点距離１５ｃｍを有する短焦点フレネルレンズ２０４が採用されている。このような短焦点フレネルレンズ２０４を有するアフォーカル光学系では、虚像から変換された三次元実像２０８は、縮小されて再現される。また、表示デバイス近傍前面の三次元実像１０７も同様に縮小変換された三次元実像２０９として再現される。
【００２６】
このような構成を有する立体像表示装置においては、三次元像を構成するドットピッチが細かくなるために解像度が向上され、さらに視野角も広がり９０度以上が得られることが判明している。従って、よりリアルで自然な立体像が広い範囲で観測される。
【００２７】
図３は、この発明の他の変形実施形態に係わる立体表示視装置を示している。図中、３０１は、凹面鏡であり、遮蔽板３０２が凹面鏡の光軸方向に沿って延在され、この遮蔽板３０２によって上部空間及び下部空間に分離されている。しかも、下部空間に配置される液晶ディスプレイ３０３及びピンホールアレイ板３０４等の装置群は、観察者１０５の眼からは見えないように配置されている。
【００２８】
遮蔽板の下部空間では、液晶ディスプレイ３０３とピンホールアレイ板３０４により三次元実像３０５及び三次元虚像３０６が表示再生される。これらの再生された三次元像は、凹面鏡３０１により装置上部空間に伝達され、凹面鏡３０１によって三次元実像３０７及び三次元実像３０８が再構成されている。このような立体像表示装置においても、ごく自然な立体視が可能であり、再生像まで手を伸ばすことが出来る。
【００２９】
図４は、この発明の更に他の変形実施形態に係わる立体表示視装置を示している。この図４中、４０１は、液晶ディスプレイとピンホールアレイ板からなる表示装置であり、三次元虚像４０４と三次元実像４０５がこの表示装置４０１によって再生される。表示装置４０１は、蓋状の凹面鏡４０２の内部に配置され、この蓋状の凹面鏡４０２の開口が同様に蓋状の凹面鏡４０３の開口部で塞がれている。従って、凹面鏡４０２及び４０３でその内面が反射鏡に形成されている楕円空間を有する囲繞体が形成されている。凹面鏡４０３の中央部分は、くり抜いて開口が形成され、この開口を介して囲繞体内の表示装置４０１によって形成される三次元虚像４０４及び三次元実像４０５が観察される。即ち、三次元虚像４０４及び三次元実像４０５は、凹面鏡４０３で反射されて凹面鏡４０２に向けられ、この凹面鏡４０２で反射されて凹面鏡４０３の開口を介して囲繞体外に伝達され、囲繞体外の開口部上に三次元実像４０６及び三次元実像４０７が再構成される。観察者１０５は、この三次元実像４０６及び三次元実像４０７を開口外の全周囲からごく自然な立体視として観察することができる。また、囲繞体外に三次元実像４０６及び三次元実像４０７が再構成されていることから、観察者は、当然に手をこの再構成された三次元実像４０６及び三次元実像４０７にまで手を伸ばすことができる。
【００３０】
なお、この発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、ピンホールアレイ板の代わりにレンズアレイを用いられても良く、表示デバイスとして液晶ディスプレイの代わりにＣＲＴ、プラズマディスプレイ、ＥＬディスプレイなどが用いられても良い。さらに、三次元像に触れたことを感知する検出器が装置に設けられ、感知した情報をフィードバックして手に抵抗感を与えることも出来る。その他、その詳細は、仕様に応じて適宜変更することもできる。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したようにこの発明では、視差画像情報の載った光線群により空間中に三次元像を形成するインテグラルフォトグラフィー法（ＩＰ方）或いは光線再生法において、再生された三次元虚像の少なくとも一部分を実像に変換する光学系が設けられている。
【００３２】
このような簡便かつ低コストの手法で１．空間中に高解像度の立体像を再現できるため、ヒューマンインターフェースを改善し、観察者へのインパクトを増大でき、２．「額縁効果」（立体像が表示デバイス面に押し戻されて見える現象）を解消でき、３．アフォーカル光学系の調整により再生像の解像度を上げることができ、４．アフォーカル光学系の調整により視野角を広くできる。視野角については、表示デバイスとして液晶ディスプレイを使用した場合特に有効であり、もともとの液晶ディスプレイの持つ視野角よりも広い範囲から立体像が観測可能となる。
【００３３】
このため従来得られなかった高性能の立体視装置を実現することができる。その結果、自然な立体視が可能な装置を低コストで得られる。その信頼性も高く、本発明の有用性は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態に係わる立体像表示装置の光学系を概略的に示す説明図である。
【図２】図１に示した実施形態の変形実施形態に係わる立体像表示装置の光学系を概略的に示す説明図である。
【図３】図１に示した実施形態の他の変形実施形態に係わる立体像表示装置の光学系を概略的に示す説明図である。
【図４】図１に示した実施形態の更に他の変形実施形態に係わる立体像表示装置の光学系を概略的に示す説明図である。
【図５】従来のインテグラルフォトグラフィー法を採用した立体像表示装置の光学系を概略的に示す説明図である。
【図６】図５に示した従来の立体像表示装置における表示デバイス位置からの距離に依存して再現される三次元像の解像度の変化を説明する為のグラフである。
【符号の説明】
１０１・・・液晶ディスプレイ
１０２・・・ピンホールアレイ板
１０３・・・フレネルレンズ
１０４・・・フレネルレンズ
１０５・・・観察眼
１０６・・・三次元虚像
１０７・・・三次元実像
１０８・・・虚像から変換された三次元実像
１０９・・・三次元実像
２０４・・・短焦点フレネルレンズ
２０８・・・虚像から縮小変換された三次元実像
２０９・・・縮小変換された三次元実像
３０１・・・凹面鏡
３０２・・・遮蔽板
３０３・・・液晶ディスプレイ
３０４・・・ピンホールアレイ板
３０５・・・三次元実像
３０６・・・三次元虚像
３０７・・・三次元実像
３０８・・・三次元実像
４０１・・・液晶ディスプレイとピンホールアレイ板からなる表示装置
４０２・・・凹面鏡
４０３・・・凹面鏡
４０４・・・三次元虚像
４０５・・・三次元実像
４０６・・・三次元実像
４０７・・・三次元実像
５０１・・・液晶ディスプレイ
５０２・・・ピンホールアレイ板
５０３・・・液晶ディスプレイの奥に再生された三次元虚像
５０４・・・液晶ディスプレイの手前に再生された三次元実像
【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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