(57)【要約】【課題】空間上に３次元像を結像して表示することができる３次元表示装置を提供する。【解決手段】観察者から異なった奥行き位置にある複数の表示面にそれぞれ表示した物体を奥行き方向に離散的に標本化した２次元像を重ね合わせて表示することにより３次元像を表示する３次元表示装置であって、観察者と複数の表示面との間に、面対称で該観察者側の空間に表示面の実像を結像させる結像光学系を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察者から異なった奥行き位置にある複数の表示面にそれぞれ表示した物体を奥行き方向に離散的に標本化した２次元像を重ね合わせて表示することにより３次元像を表示する３次元表示装置であって、
観察者と複数の前記表示面との間に、面対称で該観察者側の空間に前記表示面の実像を結像させる結像光学系を具備することを特徴とする３次元表示装置。
【請求項２】
複数の前記表示面に表示する前記２次元像の並び順は、表示すべき前記物体の奥行き方向に反転していることを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
【請求項３】
複数の前記表示面は、輝度あるいは透過度をそれぞれ独立に変化させることにより前記３次元像を表示することを特徴とする請求項１または２に記載の３次元表示装置。
【請求項４】
前記輝度あるいは透過度は、前記物体の奥行き位置に応じて比率が変化することを特徴とする請求項３に記載の３次元表示装置。
【請求項５】
前記輝度あるいは透過度は、前記物体の奥行き位置に応じて絶対値が変化することを特徴とする請求項３に記載の３次元表示装置。
【請求項６】
前記結像光学系は直交する鏡が平面上に複数並んでいることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の３次元表示装置。
【請求項７】
観察者から異なった奥行き位置にある複数の表示面にそれぞれ表示した物体を奥行き方向に離散的に標本化した２次元像を重ね合わせて表示することにより３次元像を表示する３次元表示装置が行う３次元表示方法であって、
観察者と複数の前記表示面との間に設けた結像光学系によって、面対称で前記観察者側の空間に前記表示面の実像を結像させることによって３次元像を表示することを特徴とする３次元表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３次元像を空間に提示する３次元表示装置及び３次元表示方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、２次元画像表示装置の２次元像を奥行き方向に展開して３次元像を再現する立体表示装置として、奥行き標本化方式の立体表示装置（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）が知られている。また、この奥行き標本化方式の２次元像の数を大幅に削減し、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制でき、かつ、簡便に、立体メガネを用いないで３次元表示が可能な、ＤＦＤ（Ｄｅｐｔｈ−Ｆｕｓｅｄ３−Ｄ）方式の３次元表示装置も知られている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００３】
これらの３次元表示装置は、複数の表示面に２次元像を表示し、この複数の表示面に表示される２次元像の輝度あるいは透過度を各表示面毎に変化させて３次元立体像を表示するものである。
【０００４】
また、空間に像を結像する光学系として、直角に合わせた微細な鏡を無数に配列させて、ある位置の点光源から発せられた光線を反射させ、面対称に像を結像する結像光学系が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３３０３２７５号公報
【特許文献２】特許第３０２２５５８号公報
【特許文献３】特許第３４６０６７１号公報
【特許文献４】特許第４９００６１８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「３次元映像の基礎」泉武博監修，（株）オーム社，平成７年６月５日，ｐｐ．１６０−１６４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前述の奥行き標本化方式の３次元表示装置やＤＦＤ方式の３次元表示装置では、表示できる３次元像の表示エリアが、最前面と最後面の表示面の間に限られており、かつ、最前面と最後面の表示面は物理的な表示面であることから、最前面に配置された表示面に阻まれ、観察者が３次元表示された像に対して手をかざしたりすることができないという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、空間上に３次元像を結像して表示することができる３次元表示装置及び３次元表示方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、観察者から異なった奥行き位置にある複数の表示面にそれぞれ表示した物体を奥行き方向に離散的に標本化した２次元像を重ね合わせて表示することにより３次元像を表示する３次元表示装置であって、観察者と複数の前記表示面との間に、面対称で該観察者側の空間に前記表示面の実像を結像させる結像光学系を具備することを特徴とする。
【００１０】
本発明は、複数の前記表示面に表示する前記２次元像の並び順は、表示すべき前記物体の奥行き方向に反転していることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、複数の前記表示面は、輝度あるいは透過度をそれぞれ独立に変化させることにより前記３次元像を表示することを特徴とする。
【００１２】
本発明は、前記輝度あるいは透過度は、前記物体の奥行き位置に応じて比率が変化することを特徴とする。
【００１３】
本発明は、前記輝度あるいは透過度は、前記物体の奥行き位置に応じて絶対値が変化することを特徴とする。
【００１４】
本発明は、前記結像光学系は直交する鏡が平面上に複数並んでいることを特徴とする。
【００１５】
本発明は、観察者から異なった奥行き位置にある複数の表示面にそれぞれ表示した物体を奥行き方向に離散的に標本化した２次元像を重ね合わせて表示することにより３次元像を表示する３次元表示装置が行う３次元表示方法であって、観察者と複数の前記表示面との間に設けた結像光学系によって、面対称で前記観察者側の空間に前記表示面の実像を結像させることによって３次元像を表示することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、観察者と複数の表示面との間に、面対称で観察者側の空間に表示面の実像を結像させる結像光学系を設け、空間上に３次元像を結像して表示するようにしたため、観察者が３次元表示された像に対して手をかざしたりすることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態の構成を示す模式図である。
【図２】２面の鏡を直角に配置したものを多数並べた結像光学系の構成を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の構成を示す模式図である。
【図４】奥行き標本化型立体表示装置の一例として時分割表示を行うものを示す図である
【図５】３次元物体を奥行き標本化して、２次元像である奥行き標本化像の集合に分解する例を示す図である。
【図６】ＤＦＤ型の３次元表示装置の一例を説明するための図である。
【図７】２Ｄ化像の各々の輝度の変え方を示す図である。
【図８】２Ｄ化像の各々の輝度の変え方を示す図である。
【図９】２Ｄ化像の各々の輝度の変え方を示す図である。
【図１０】２Ｄ化像の各々の輝度の変え方を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態による３次元表示装置を説明する。始めに、奥行き標本化型立体表示装置について説明する。奥行き標本化とは物体を奥行き方向に平行な面でかき割に分割したものを空間上に配置したものである。奥行き方向に物理的な表示面を多数重ねて並べることでこのかき割り像を表現することが可能であることは明らかだが、透過率などの問題もあることから、時分割にてかき割り像を表示する方法もある。
【００１９】
図４は、奥行き標本化型立体表示装置の一例として時分割表示を行うものを示す図（特開平１１−２７２２０２号公報より引用）である。図５は、３次元物体を奥行き標本化して、２次元像である奥行き標本化像の集合に分解する例を示す図（特開平１１−２７２２０２号公報より引用）である。まず、図５に示すように、３次元物体１２０６を奥行き標本化して、２次元像である奥行き標本化像の集合１２０７に分解する。
【００２０】
次に、図４に示すように、この奥行き標本化像１２０７を時分割で画像の位置に応じて同期させて２次元表示装置１１０１に表示し、この表示に同期させて２次元表示装置１１０１を駆動装置１１０２で奥行き方向の標本化位置に応じた位置に高速に移動させる。これを人の眼の残像時間以内に高速に行えば、残像効果により３次元像（立体像）１１０３として観察できる。この奥行き標本化型立体表示装置では、実際に表示像が奥行き方向に変化して表示されるため、人の立体視の生理的要因（両眼視差、輻輳、ピント調節、動的視差など）をほぼ満足できる利点を有している。
【００２１】
次に、ＤＦＤ型の３次元表示装置について説明する。ＤＦＤ型の３次元表示方式は、前述の奥行き標本化型の標本化数を極端に少なくした構成であり、その標本化の間を埋める方法として、所望の奥行き位置の前後２面に同一の像を表示し、その輝度を変化させて、奥行き標本化方式の３次元像を観察できるようにするものである。図６は、ＤＦＤ型の３次元表示装置の一例を説明するための図（特開２００６-３０１０８８号公報から引用）である。図６に示す３次元表示装置は、観察者１００の前面に複数の面、例えば、表示面１０１、表示面１０２（表示面１０１が表示面１０２より観察者１００に近い）を設定し、これらの表示面１０１、表示面１０２に複数の２次元像（２Ｄ化像１０５、１０６）を表示するために、２次元表示装置と種々の光学素子を用いて光学系１０３を構築する。
【００２２】
２次元表示装置としては、例えば、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＥＬディスプレイ、ＦＥＤディスプレイ、ＤＭＤ、プロジェクション方式ディスプレイ、オシロスコープのような線描画型ディスプレイなどを用い、光学素子としては、例えば、レンズ、全反射鏡、部分反射鏡、曲鏡、プリズム、偏光素子、波長板などを用いる。
【００２３】
図６に示すように、２Ｄ化像１０５、１０６それぞれを、各々表示面１０１と表示面１０２の双方に、観察者１００の右眼と左眼とを結ぶ線上の一点から見て重なるように表示する。これは、例えば、２Ｄ化像１０５、１０６の各々の中心位置や重心位置の配置と、各々の像の拡大・縮小を制御することで可能となる。かかる構成を有する装置上で、２Ｄ化像１０５、１０６の各々の輝度を、観察者１００から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、３次元物体の奥行き位置に対応して変えることで、３次元物体の３次元立体像を表示する。
【００２４】
この２Ｄ化像１０５、１０６の各々の輝度の変え方の一例について説明する。なお、ここでは、白黒図面であるため、分かりやすいように、以下の図面では、輝度の高い方を濃く示してある。図７、図８、図９、図１０は、２Ｄ化像１０５、１０６の各々の輝度の変え方を示す図（特開２００６-３０１０８８号公報から引用）である。例えば、３次元物体が表示面１０１上にある場合には、図７に示すように、この上の２Ｄ化像１０５の輝度を３次元物体の輝度に等しくし、表示面１０２上の２Ｄ化像１０６の輝度はゼロとする。
【００２５】
次に、３次元物体が観察者１００より少し遠ざかって表示面１０１より表示面１０２側に少し寄った位置にある場合には、図８に示すように、２Ｄ化像１０５の輝度を少し下げ、２Ｄ化像１０６の輝度を少し上げる。次に、例えば、３次元物体が観察者１００よりさらに遠ざかって表示面１０１より表示面１０２側にさらに寄った位置にある場合には、図９に示すように、２Ｄ化像１０５の輝度をさらに下げ、２Ｄ化像１０６の輝度をさらに上げる。さらに、３次元物体が表示面１０２上にある場合には、図１０に示すように、この上の２Ｄ化像１０６の輝度を３次元物体の輝度に等しくし、表示面１０１上の２Ｄ化像１０５の輝度はゼロとする。
【００２６】
このように表示することにより、観察者（人）１００の生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示しているのが２Ｄ化像１０５、１０６であっても、観察者１００にはあたかも表示面１０１、１０２の中間に３次元物体が位置しているように感じられる。例えば、表示面１０１、１０２にほぼ等輝度の２Ｄ化像１０５、１０６を表示した場合には、表示面１０１、１０２の奥行き位置の中間付近に３次元物体があるように感じられる。この場合に、この３次元物体は、観察者１００には立体感を伴って知覚される。
【００２７】
なお、前述した説明においては、３次元物体全体の奥行き位置を、表示面１０１、１０２に表示した２次元像を用いて表現する方法について説明したが、図６に示す３次元表示装置は、３次元物体自体が有する奥行きを表現する方法としても使用できることは明らかである。
【００２８】
３次元物体自体が有する奥行きを表現する場合における重要な要点は、図６に示す構成を有する装置上で、２Ｄ化像１０５、１０６の各々の部位の輝度を、観察者１００から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、３次元物体の各部位が有する奥行き位置に対応して変えることである。
【００２９】
＜第１の実施形態＞
次に、本発明の第１の実施形態による３次元表示装置を説明する。図１は、第１の実施形態の構成を示す模式図である。この図において、符号１、２、３、４は、奥行き標本化型３次元表示方式による書き割りにした複数の２次元像を表示する表示面である。通常の奥行き標本化型３次元表示方式による複数の２次元像とは異なり、観察者が観察する側（観察者に近い側）に配置される手前側の像を、表示面１に表示し、観察者が観察する側から遠い奥側の像は表示面４に表示する。通常の奥行き標本化方式との違いは、奥行きが反転した順番となることである。
【００３０】
符号５は、鏡を用いた結像光学系である。結像光学系５は、２枚の鏡を直角に配置したものを多数並べたものを利用する。一般的には、コーナーミラー、コーナーリフレクタ、あるいはコーナーキューブと言われる光学系が多数並んだコーナーミラーアレイ、コーナーリフリクタアレイ、あるいはコーナーキューブアレイと言われるものである。図２は、２面の鏡を直角に配置したものを多数並べた結像光学系５の構成を示す図である。
【００３１】
２面のコーナーミラーの特性として、各鏡の垂線で作る平面内においては光を再帰的に反射するという特性がある。この特性を持つ２面のコーナーミラーを同一平面内にアレイ構造で配置させると、ある位置の点光源から発せられた光線は、その平面内の全ての２面コーナーミラーで反射されるため、その位置の面対称位置を必ず通ることとなり、像が結像することとなる。鏡と正対する方向の斜め上から観察者１００が観察すると、結像光学系の観察者１００とは反対側にある物体（表示面１、２、３、４）が、観察者１００側の空中に結像し、結像した表示面１’、２’、３’、４’が浮かんで見える。これにより、各表示面１、２、３、４に表示した２次元像が３次元物体としてが空中に浮かんで見えることになる。ただし、物体の像の奥行きは逆転することとなる。
【００３２】
なお、図１に示す構成では、表示面の数を４としているが、表示面の数は２以上であればよい。
【００３３】
このように、観察者１００と結像光学系５の間に、奥行き標本化型３次元表示による３次元像が正しい奥行きで物理的な装置の無い空間上に結像されることで、観察者１００は物理的な表示面に阻まれることなく、空間に浮いている３次元像に直接に手をかざしたり、触れたりすることができるようになる。
【００３４】
また、通常、３次元物体の奥行きを反転させるためにはあらかじめ奥行きを反転させた特殊な映像を生成する処理が必要となるが、奥行き標本化型３次元表示方式の場合では、映像を入力する物理的な表示面を入れ替える、あるいは入力する映像信号の接続の順番を入れ替えるだけでよく、特別な画像処理をすることなく、簡便な構成で正しい奥行きを実現できる。
【００３５】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態による３次元表示装置を説明する。図３は、第２の実施形態の構成を示す模式図である。図３に示す鏡を用いた結像光学系５は、第１の実施形態のもの（図１に示す結像光学系５）と同様である。図３に示す表示面６、７は、ＤＦＤ型３次元表示方式による前後２面の表示面である。観察者１００が観察する側（観察者１００に近い側）に配置される手前側の像を、表示面６に表示し、観察者１００が観察する側から遠い奥側の像は表示面７に表示する。これによって、表示面６、７が、観察者１００側の空中に結像し、結像した表示面６’、７’が浮かんで見えることになる。
【００３６】
ＤＦＤ型３次元表示方式では、前後２面に表示される像の形状や柄は同一であり、その表示される映像の部分あるいは画素の輝度のみが異なっている。結像光学系５を用いるため、通常のＤＦＤ型３次元表示方式による前後２面の映像との違いは、映像自体は同一であるが、前後２面の輝度による表現のみが入れ替わることである。
【００３７】
例えば、本来のＤＦＤ型３次元表示方式であれば、前後２面に同一の像が表示され、その一部分の輝度が、前面３０％、後面７０％での輝度表現である場合、第２の実施形態では、その輝度を、前面７０％、後面３０％というように、輝度の情報のみを前後で入れ替えることになる。ここでは前後の輝度を比率で表したが、絶対的な輝度（明るさの強度）の情報を入れ替えても同様である。
【００３８】
また、図３では、例として表示面を２面としているが、ＤＦＤ型３次元表示方式の前後２面の組を奥行き方向に多数組積層した構成であっても同様に、全ての表示面の輝度表現が奥行き方向に入れ替えればよい。
【００３９】
これより、観察者１００と結像光学系５の間に、奥行き標本化型３次元表示による３次元像が正しい奥行きで物理的な装置の無い空間上に結像されることで、観察者１００は物理的な表示面に阻まれることなく、空間に浮いている３次元像に直接に手をかざしたり、触れたりすることができるようになる。
【００４０】
また、通常、３次元物体の奥行きを反転させるためにはあらかじめ奥行きを反転させた特殊な物体の映像を生成する処理が必要となるが、ＤＦＤ型３次元表示方式の場合では、物理的な前後面に表示する像は同一であり表示輝度の情報のみを入れ替えて制御するだけでよく、簡便な構成で正しい奥行きを実現できる。また、輝度の情報だけを入れ替える方法としては、一般的なアナログのビデオ信号として使われている「輝度信号」「色度信号」「同期信号」を送る伝送方式においては、この中の「輝度信号」のみを入れ替えるだけでよく、より簡便な構成が可能である。
【００４１】
以上説明したように、観察者から見て異なった奥行き位置にある複数の表示面に２次元像をそれぞれ表示する３次元表示方法において、その複数の２次元像の奥行き方向の順番を反転させ、かつ鏡を用いた結像光学系により反射させることで物理的な表示面と異なった空間位置に所望の像を結像させることができる。
【００４２】
これにより、奥行き標本化方式による３次元表示装置において、鏡を用いた結像光学系を用いることで、物理的な表示面に阻まれることなく観察者が３次元像に触れたり、手をかざしたりすることができる３次元表示空間を作り出すことができる。また、鏡を用いた結像光学系を用いることで、複数の像の奥行き方向の順番が入れ替わり、像の奥行きが反転するが、奥行き標本化方式では物理的な表示面に表示する順番を入れ替えるだけで簡単に正しい３次元像を表示することができる。また、特にＤＦＤ表示方式を用いる場合には、物理的な前後面に表示する像は同一であり表示輝度のみを制御していることから、前後面の表示輝度のみを反転させるたけで簡単に正しい３次元像を表示することができる。
【００４３】
以上、図面を参照して本発明の実施の形態を説明してきたが、上記実施の形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記実施の形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行っても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示装置を備える３次元表示装置において、３次元映像を空間に提示することが不可欠な用途に適用できる。
【符号の説明】
【００４５】
１、２、３、４、６、７・・・表示面、５・・・結像光学系
【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】
2014106330.tif 000011
【図１０】
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