(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元立体像を奥行き標本化した個々の２次元像を表示する複数の２次元表示装置と、
同一光軸上に並べられ、前記２次元表示装置に表示される像を前面に反射し、後面の像はそのまま透過させる複数の反射装置と、
前記各２次元表示装置に表示される表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段とを具備し、
前記焦点可変手段の焦点位置の変化に同期して、所定の２次元像を順次２次元表示装置に表示するステップを、人間の眼の残像時間以内に高速に繰り返すことにより３次元立体像を表示する立体表示方法であって、
前記ステップは、最前面の２次元像以外の２次元像を表示する前記各２次元表示装置で表示すべき２次元像より観察者から見て手前にある各２次元像中の物体像で、当該各２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分をマスク像として生成するステップ１と、
前記ステップ１で生成されたマスク像を、観察者の視点位置の移動に応じて移動・変形させるステップ２と、
前記ステップ２で生成されたマスク像と、前記各２次元表示装置で表示すべき２次元像とを画像処理し、当該各２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分の表示情報を、削除、所望の輝度、あるいは所望の色調に変化させるステップ３とを有し、
前記最前面の２次元像以外の２次元像を表示する各２次元表示装置は、前記ステップ３で生成された２次元像を表示することを特徴とする立体表示方法。
【請求項２】
３次元立体像を奥行き標本化した個々の２次元像を表示する複数の透過型２次元表示装置と、
前記各透過型２次元表示装置の背面に設置され、前方や側方からの光源の光を観察者の方向へ反射させ、また背面からの光を透過させる複数の反射装置と、
前記複数の透過型２次元表示装置と同一光軸上に配置され、前記各透過型２次元表示装置に表示される表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段とを具備し、
前記焦点可変手段の焦点位置の変化に同期して、所定の２次元像を順次２次元表示装置に表示するステップを、人間の眼の残像時間以内に高速に繰り返すことにより３次元立体像を表示する立体表示方法であって、
前記ステップは、最前面の２次元像以外の２次元像を表示する前記各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像より観察者から見て手前にある各２次元像中の物体像で、当該各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分をマスク像として生成するステップ１と、
前記ステップ１で生成されたマスク像を、観察者の視点位置の移動に応じて移動・変形させるステップ２と、
前記ステップ２で生成されたマスク像と、当該各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像とを画像処理し、当該各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分の表示情報を、削除、所望の輝度あるいは所望の色調に変化させるステップ３とを有し、
前記最前面の２次元像以外の２次元像を表示する各透過型２次元表示装置は、前記ステップ３で生成された２次元像を表示することを特徴とする立体表示方法。
【請求項３】
前記反射装置は、ホログラフィック・オプティカル・エレメントからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の立体表示方法。
【請求項４】
前記ステップ２は、観察者の移動を検出するステップを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の立体表示方法。
【請求項５】
前記焦点可変手段は、可変焦点レンズであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の立体表示方法。
【請求項６】
３次元立体像を奥行き標本化した個々の２次元像を表示する複数の２次元表示装置と、
同一光軸上に並べられ、前記２次元表示装置に表示される像を前面に反射し、後面の像はそのまま透過させる複数の反射装置と、
前記各２次元表示装置に表示される表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段と、
前記焦点可変手段の焦点位置の変化に同期して前記複数の２次元表示装置の表示像の中の該当する表示像を選択するシャッター装置とを具備する立体表示装置であって、
前記最前面の２次元像以外の２次元像を表示する各２次元表示装置は、当該各２次元表示装置で表示すべき２次元像より観察者から見て手前にある各２次元像中の物体像で、当該各２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分をマスク像として生成する前記表示すべき２次元像より手前にある２次元像と同数のマスク像生成装置と、
前記各マスク像生成装置で生成されたマスク像を、観察者の視点位置の移動に応じて移動・変形させる前記マスク像生成装置と同数の移動装置と、
前記各移動装置で生成されたマスク像と、当該各２次元表示装置で表示すべき２次元像とを画像処理し、当該各２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分の表示情報を、削除、所望の輝度、あるいは所望の色調に変化させる合成装置とを具備し、
前記最前面の２次元像以外の２次元像を表示する各２次元表示装置は、前記合成装置から出力される２次元像を表示することを特徴とする立体表示装置。
【請求項７】
３次元立体像を奥行き標本化した個々の２次元像を表示する複数の透過型２次元表示装置と、
前記各透過型２次元表示装置の背面に設置され、前方や側方からの光源の光を観察者の方向へ反射させ、また背面からの光を透過させる複数の反射装置と、
前記複数の透過型２次元表示装置と同一光軸上に配置され、前記各透過型２次元表示装置に表示される表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段とを具備する立体表示装置であって、
前記最前面の２次元像以外の２次元像を表示する各透過型２次元表示装置は、当該各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像より観察者から見て手前にある各２次元像中の物体像で、当該各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分をマスク像として生成する前記表示すべき２次元像より手前にある２次元像と同数のマスク像生成装置と、
前記各マスク像生成装置で生成されたマスク像を、観察者の視点位置の移動に応じて移動・変形させる前記マスク像生成装置と同数の移動装置と、
前記各移動装置で生成されたマスク像と、当該各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像とを画像処理し、当該各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分の表示情報を、削除、所望の輝度あるいは所望の色調に変化させる合成装置とを具備し、
前記最前面の２次元像以外の２次元像を表示する各透過型２次元表示装置は、前記合成装置から出力される２次元像を表示することを特徴とする立体表示装置。
【請求項８】
前記反射装置は、ホログラフィック・オプティカル・エレメントからなることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の立体表示装置。
【請求項９】
観察者の移動を検出して前記移動装置に検出した移動量の情報を送る手段を、さらに有することを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の立体表示装置。
【請求項１０】
前記焦点可変手段は、可変焦点レンズであることを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の立体表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体表示方法および装置に係わり、特に、可変焦点型立体表示装置を含む、奥行き標本化型立体表示装置において、観察者から見て隠れるべき画像部分を覆い隠すことによって、立体視における実際の像と奥行き標本化型立体表示装置による画像との矛盾を解決することが可能な立体表示方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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は、可変焦点型立体表示装置（特願平８−１８２２２２号）、あるいは奥行き標本化型立体表示装置（「三次元映像」稲田修一編著、（株）昭晃堂、１９９１．７．５，ｐ１３−２４）が良く知られている。
図９は、前記可変焦点型立体表示装置の一例として、可変焦点レンズ型装置の表示動作原理を説明するための図である。
ここで、可変焦点レンズ８０２は、フレネルレンズ液晶の層を透明電極によって挾み、それに電界をかけることによって液晶の屈折率が変化するという機能により、焦点距離が変化するレンズである。
この可変焦点レンズ型装置においては、まず、図１１に示すように、３次元物体１００６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１００７に分解する。
次に、図９に示すように、駆動装置８１１により、この奥行き標本化像１００７を時分割で、２次元表示装置８０１に表示し、また、同期装置８１０により、この表示に同期させて可変焦点レンズ８０２の焦点距離を変化させる。
これにより、レンズの原理から、可変焦点レンズ８０２の焦点距離に対応して、２次元表示装置８０１に表示された奥行き標本化像１００７の像位置が奥行き方向に変化する。
したがって、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、図９に示す３次元画像８０３が観察できる。
なお、図９（ａ）は、３次元像８０３が虚像の場合（２次元表示装置８０１を可変焦点レンズ８０２の焦点距離以内に配置）を、図９（ｂ）は、３次元像８０３が実像の場合（２次元表示装置８０１を可変焦点レンズ８０２の焦点距離より外に配置）を示す。
【０００３】
図１０は、奥行き標本化型立体表示装置の一例として、振動スクリーン型装置の表示動作原理を説明するための図である。
この振動スクリーン型装置においても、まず、図１１に示すように、３次元物体１００６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１００７に分解する。
次に、図１０に示すように、この奥行き標本化像１００７を時分割で２次元表示装置９０１に表示し、この表示に同期させて、２次元表示装置９０１を駆動装置９０２により奥行き方向に高速で移動させる。
これを人の眼の残像時間以内に高速に行えば、残像効果により図１０に示す３次元像９０３が観察できる。
【０００４】
前記した従来の立体表示装置では、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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来の立体表示装置においては、奥行き方向を時分割で表示し、残像現象により３次元像に統合するため、本来ならば観察者（例えば、図９に示す８０４、あるいは図１０に示す９０４）の位置からでは見えることのない（または、隠されている）、物体の裏側や内部の点（例えば、図９に示す８０５、あるいは、図１０に示す９０５など）、あるいは後方の物体などが透けて見えるファントム現象を回避することが困難であるという欠点を有していた。これは、自然な像を再現する上で大きな障害となり、前記した従来の立体表示装置が実質的にワイヤーフレームの像の再現にしか使えない大きな原因となっていた。
【０００６】
一方、立体視の生理的要因をほとんど満たし、かつファントム現象を回避できる立体表示方式として、ホログラフィがよく知られている。
しかし、ホログラフィは、撮像にコヒーレント光が必要である他、必要な情報量が膨大であるため、電気的な書き換えが困難であり、動的表示に適さないなどの欠点を有している。
このように、従来の立体表示装置では、立体視の生理的要因をほぼ満足し、かつ、ファントム現象を回避して自然な３次元像を動画再生することは困難であるという問題点があった。
【０００７】
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、立体表示方法及び装置において、観察者から見て前後の表示画像が互いに重なり合って見えるというファントム現象を回避し、より自然に近い立体視を得ることが可能となる技術を提供することにある。
【０００８】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００１０】
即ち、本発明は、３次元立体像を奥行き標本化した個々の２次元像を表示する複数の２次元表示装置と、同一光軸上に並べられ、前記２次元表示装置に表示される像を前面に反射し、後面の像はそのまま透過させる複数の反射装置と、前記各２次元表示装置に表示される表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段とを具備し、前記焦点可変手段の焦点位置の変化に同期して、所定の２次元像を順次２次元表示装置に表示するステップを、人間の眼の残像時間以内に高速に繰り返すことにより３次元立体像を表示する立体表示方法であって、前記ステップは、最前面の２次元像以外の２次元像を表示する前記各２次元表示装置で表示すべき２次元像より観察者から見て手前にある各２次元像中の物体像で、当該各２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分をマスク像として生成するステップ１と、前記ステップ１で生成されたマスク像を、観察者の視点位置の移動に応じて移動・変形させるステップ２と、前記ステップ２で生成されたマスク像と、前記各２次元表示装置で表示すべき２次元像とを画像処理し、当該各２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分の表示情報を、削除、所望の輝度、あるいは所望の色調に変化させるステップ３とを有し、前記最前面の２次元像以外の２次元像を表示する各２次元表示装置は、前記ステップ３で生成された２次元像を表示することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、３次元立体像を奥行き標本化した個々の２次元像を表示する複数の透過型２次元表示装置と、前記各透過型２次元表示装置の背面に設置され、前方や側方からの光源の光を観察者の方向へ反射させ、また背面からの光を透過させる複数の反射装置と、前記複数の透過型２次元表示装置と同一光軸上に配置され、前記各透過型２次元表示装置に表示される表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段とを具備し、前記焦点可変手段の焦点位置の変化に同期して、所定の２次元像を順次２次元表示装置に表示するステップを、人間の眼の残像時間以内に高速に繰り返すことにより３次元立体像を表示する立体表示方法であって、前記ステップは、最前面の２次元像以外の２次元像を表示する前記各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像より観察者から見て手前にある各２次元像中の物体像で、当該各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分をマスク像として生成するステップ１と、前記ステップ１で生成されたマスク像を、観察者の視点位置の移動に応じて移動・変形させるステップ２と、前記ステップ２で生成されたマスク像と、当該各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像とを画像処理し、当該各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分の表示情報を、削除、所望の輝度あるいは所望の色調に変化させるステップ３とを有し、前記最前面の２次元像以外の２次元像を表示する各透過型２次元表示装置は、前記ステップ３で生成された２次元像を表示することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、３次元立体像を奥行き標本化した個々の２次元像を表示する複数の２次元表示装置と、同一光軸上に並べられ、前記２次元表示装置に表示される像を前面に反射し、後面の像はそのまま透過させる複数の反射装置と、前記各２次元表示装置に表示される表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段と、前記焦点可変手段の焦点位置の変化に同期して前記複数の２次元表示装置の表示像の中の該当する表示像を選択するシャッター装置とを具備する立体表示装置であって、前記最前面の２次元像以外の２次元像を表示する各２次元表示装置は、当該各２次元表示装置で表示すべき２次元像より観察者から見て手前にある各２次元像中の物体像で、当該各２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分をマスク像として生成する前記表示すべき２次元像より手前にある２次元像と同数のマスク像生成装置と、前記各マスク像生成装置で生成されたマスク像を、観察者の視点位置の移動に応じて移動・変形させる前記マスク像生成装置と同数の移動装置と、前記各移動装置で生成されたマスク像と、当該各２次元表示装置で表示すべき２次元像とを画像処理し、当該各２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分の表示情報を、削除、所望の輝度、あるいは所望の色調に変化させる合成装置とを具備し、前記最前面の２次元像以外の２次元像を表示する各２次元表示装置は、前記合成装置から出力される２次元像を表示することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、３次元立体像を奥行き標本化した個々の２次元像を表示する複数の透過型２次元表示装置と、前記各透過型２次元表示装置の背面に設置され、前方や側方からの光源の光を観察者の方向へ反射させ、また背面からの光を透過させる複数の反射装置と、前記複数の透過型２次元表示装置と同一光軸上に配置され、前記各透過型２次元表示装置に表示される表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段とを具備する立体表示装置であって、前記最前面の２次元像以外の２次元像を表示する各透過型２次元表示装置は、当該各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像より観察者から見て手前にある各２次元像中の物体像で、当該各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分をマスク像として生成する前記表示すべき２次元像より手前にある２次元像と同数のマスク像生成装置と、前記各マスク像生成装置で生成されたマスク像を、観察者の視点位置の移動に応じて移動・変形させる前記マスク像生成装置と同数の移動装置と、前記各移動装置で生成されたマスク像と、当該各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像とを画像処理し、当該各透過型２次元表示装置で表示すべき２次元像の隠される部分の表示情報を、削除、所望の輝度あるいは所望の色調に変化させる合成装置とを具備し、前記最前面の２次元像以外の２次元像を表示する各透過型２次元表示装置は、前記合成装置から出力される２次元像を表示することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記反射装置が、ホログラフィック・オプティカル・エレメントからなることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、観察者の移動を検出して前記移動装置に検出した移動量の情報を送る手段をさらに有することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、前記焦点可変手段が、可変焦点レンズであることを特徴とする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２７】
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２８】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１の立体表示装置の概略システム構成を示す図である。
本実施の形態の立体表示装置は、２次元表示装置（１０１〜１０４）、投影用スクリーン１０５、可変焦点レンズ１０６、シャッター装置（１０７〜１１０）、投影光学系（１１１〜１１４）、マスク像生成装置（１２０〜１２２，１３３〜１３５）、移動装置（１２３〜１２５，１３６〜１３８）、および合成装置（１２６，１３１，１３２）から構成される。
この２次元表示装置（１０１〜１０４）としては、ＣＲＴ、プロジェクター、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＥＬディスプレイ等を用いることができる。
【００２９】
シャッター装置（１０７〜１１０）は、可変焦点レンズ１０６の焦点位置（即ち、像（１１５〜１１８）の結像位置）の変化と同期して奥行き画像を順番に時分割で投影用スクリーン１０５に表示させるための装置であり、機械的なメカニカルシャッターや液晶を用いたシャッターを用いることができる。
また、２次元表示装置が透過型あるいは反射型の場合には、このシャッター装置（１０７〜１１０）の代わりに、光源自体を画像に同期し点滅させてもよく、さらに、光源の光を透過／遮断させるシャッター装置を光源の前面に配置し、当該シャッター装置を時分割で制御するようにしてもよい。
可変焦点レンズ１０６は、焦点位置（即ち、像（１１５〜１１８）の結像位置）を周期的に変化させるものであり、高周波と低周波の切り替えにて駆動する二周波液晶を用いているので、この周波数は毎秒６０Ｈｚ以上と高速である。
【００３０】
本実施の形態では、２次元表示装置（１０１〜１０４）に、それぞれ所望の標本化２次元像を表示させておき、シャッター装置（１０７〜１１０）は初めは閉じておく。
可変焦点レンズ１０６の焦点位置を周期的に変化させたとき、標本化２次元像の結像位置が１１５の位置になるタイミングと同期してシャッター装置１０７を開け、２次元表示装置１０１より投影用スクリーン１０５に像を投射して像１１５を表示し、直ちにシャッター装置１０７を閉じる。
次に、標本化２次元像の結像位置が１１６の位置になるタイミングと同期してシャッター装置１０８を開け、２次元表示装置１０２より投影用スクリーン１０５に像を投射して像１１６を表示し、直ちにシャッター装置１０８を閉じる。
この手順を、可変焦点レンズ１０６の周期的な焦点位置の変化に同期して、２次元表示装置（１０３，１０４）においても同様に行う。
このとき可変焦点レンズの１周期の速度は６０Ｈｚ以上であるので、人間の眼の残像時間以内であり、観察者には結像位置の異なる像（１１５〜１１８）がほぼ同時に観察され、空間上にある立体として認識される。
【００３１】
しかし、このままでは観察者から像１１５の陰になって見えるはずのない像（１１６，１１７，１１８）の一部分が透けて見えてしまう。
そこで、前面の像に隠れて見えないはずの部分を覆い隠すためのマスク像を生成するマスク像生成装置（１２０〜１２２，１３３〜１３５）と合成装置（１２６，１３１，１３２）とを配置し、例えば、合成装置１２６において、マスク像生成装置（１２０〜１２２）により生成されたマスク像を、２次元表示装置１０３に表示される２次元画像１１９に重ね合わせ、２次元表示装置（１０１，１０２，１０３）から表示される像（１１５，１１６，１１７）に隠されていなければないない部分を、マスク像により消去あるいは透過率を変化させる。
【００３２】
これにより、２次元表示装置１０３より像を投影して投影用スクリーン１０５に表示される像（後ろの像）１１８のうち、像（１１５，１１６，１１７）に隠れていなければならない部分が透けて見えることがなくなる。
この場合に、表示する物体がガラス製品のように半透明なものの場合、マスク像の透過率を高く変化させたものを合成装置１２６で重ね合わせることにより、半透明な物質を再現することができる。
また、合成装置１２６において、マスク像生成装置（１２０〜１２２）により生成されたマスク像の色調を変化させるようにしてもよい。
ここで、マスク像生成装置（１２０〜１２２，１３３〜１３５）で生成されるマスク像は、より前面に表示される像の画像信号を単純に２値化あるいは階調表現に変換されたものである。
このマスク像生成装置（１２０〜１２２，１３３〜１３５）、移動装置（１２３〜１２５，１３６〜１３８）、および合成装置（１２６，１３１，１３２）は、専用の電子回路あるいはコンピュータ上の処理で実現することができる。
【００３３】
なお、図１では、像１１７に対応するマスク像生成装置１２０により生成されたマスク像、像１１６に対応するマスク像生成装置１２１により生成されたマスク像、像１１５に対応するマスク像生成装置１２２により生成されたマスク像を、観察者の位置を検出するセンサ１２７からの観察者の視点の移動に応じて、移動装置（１２３，１２４，１２５）によって移動させ、それを合成装置１２６によって２次元表示装置１０３に表示する２次元画像１１９に重ね合わせ、重なった部分の画像を消去あるいは透過率を変化させ、２次元表示装置１０３によって投影される。
また、合成装置（１２６，１３１，１３２）として、例えば、元になる２次元画像１１９に、他の画像（マスク像生成装置（１２０，１２１，１２２）で生成される画像）が重なる画素だけを消去する装置、コンピュータによる画像処理によって他の画像が重なった画素だけを消去する装置などを用いている。
【００３４】
なお、本実施の形態において、２次元画像より前面にある標本化２次元画像数と同数の移動装置とマスク像生成装置が必要であり、また、合成装置は、（全標本化２次元画像数−１）（図１の場合では３個）必要となる。
例えば、図１の２次元画像１１９の場合には、３組のマスク像生成装置（１２０〜１２２）と移動装置（１２３〜１２５）とが、また、２次元画像１３０の場合には、２組のマスク像生成装置（１３４，１３５）と移動装置（１３７，１３８）とが必要となる。
【００３５】
ここで、図１に示すように、投影用スクリーン１０５に対して直角でない角度で投影すると投影像に台形ひずみができることが予想されるが、これが問題にならないくらい２次元表示装置（１０１〜１０４）と投影用スクリーン１０５との距離を大きくとり、投影する角度は小さいものとする、または２次元表示装置（１０１〜１０４）の表示画像を台形歪みを考慮し変形したものを表示する、あるいはレンズ系によって変形させるなどの方法により、この台形ひずみの問題を解決することができる。
【００３６】
前記マスク像生成装置（１２０〜１２２，１３３〜１３５）により生成されるマスク像の概念を、図６を用いて説明する。
図６（ａ）に示すように、例えば、表示画像５０１は最前面に表示されるので、前面に画像がないためマスク像なしでそのまま投影像５１０として投影される。
また、図６（ｂ）に示すように、次の表示画像５０２は、その前面にある表示画像５０１に隠れる部分を隠すためにマスク像５０７を重ねることにより、マスク像５０７に隠されない部分のみの投影像５１１が投影される。
同様に、図６（ｃ）に示すように、次の表示画像５０３は、すぐ前面の表示画像を隠すマスク像５０８を重ね、また最前面の表示画像を覆い隠すマスク像５０７を重ねることにより、投影像５１２が投影される。
同様に、図６（ｄ）に示すように、次の表示画像５０４は、すぐ前面の表示画面を隠すマスク像５０９を重ね、またもう１つの前面の表示画像を覆い隠すマスク像５０８を重ね、さらに、最前面の表示画像を覆い隠すマスク像５０７を重ねることにより、投影像５１３が投影される。
従来の立体表示装置で４枚の奥行きをもった立体表示画像を表示したものは、図６に示す表示画像５０５のように後ろが透けて見えるが、本実施の形態により表示されたものは、図６に示す投影像５１４のように、各標本化２次元画像が重なる（または、後ろが透けて見える）ことなく表示することが可能となる。
【００３７】
そして観察者が移動した時には、その動きに追従してマスク像を移動装置（１２３〜１２５，１３６〜１３８）によって移動させることによって、観察者からは前面の画像によって隠されていなければならない後方の画像の一部分は観察者の位置に応じて隠される。
この移動装置（１２３〜１２５，１３６〜１３８）の概念を、図７を用いて説明する。
図７は、正面の像６０５から各方向へ動かしたときの像（像６０１から像６０９）を示すものである。
例えば、左右方向の場合、観察者が立体表示装置に向かって正面から右に移動したときには、マスク像６１０を正面の像６０５から右の像６０６のように左方向へ移動することにより、２次元画像６１１の観察者の位置から見える必要のある部分は見ることができ、隠れていなければないない部分は、マスク像６１０によって隠されている。
上下方向の場合は正面の像６０５から上の像６０２へ、あるいは下の像６０８へ移動させる。
さらに、上下左右方向を同時に動かすことにより、右上の像６０３や右下の像６０９などにも移動することができる。
【００３８】
移動量は観察者の上下左右の移動量に比例した量を移動し、前後方向に対しても、観察者の前後位置の移動量に比例して、表示するマスク像の大きさを拡大、縮小する。
観察者の移動による位置の検出方法として、センサ類によって移動位置を検出する方法を図８に示す。
本実施の形態においては、図８（ａ）に示すような、複数の赤外線センサ７０２をある角度毎に観察者７１０を検出できるように並べ、観察者７１０の前方あるいは後方からどのセンサの範囲に観察者７１０がいるのかを検知する赤外線センサ方式、
図８（ｂ）に示すような、観察者７１０の側方あるいは前方、あるいは後方、あるいはその両方に距離センサ（超音波距離センサまたはレーザ距離センサ）７０３を配置し、距離センサ７０３から観察者７１０までの距離を計測し観察者７１０の位置を検出する距離計測方式、
図８（ｃ）に示すような、床面、あるいは観察者７１０の前後、左右に光センサ７０４を配置し、観察者７１０によって光が遮られた場所を検知する光センサ方式、
図８（ｄ）に示すような、固定されたカメラ７０５の画像から画像処理により観察者７１０の位置を計算する、あるいはマーカーを付けた観察者７１０のマーカーの位置を画像から検出するカメラ方式のいずれかを採用することができる。なお、本実施の形態は、従来の立体表示装置にマスク像生成装置（１２０〜１２２，１３３〜１３５）、移動装置（１２３〜１２５，１３６〜１３８）、および合成装置（１２６，１３１，１３２）を追加するのみであり、かつ、画像の複雑な加工が必要ないという利点を有している。
このため、本実施の形態は、動画のような表示の高速性を要求するものに対しても適用が可能であるという利点を有する。
【００３９】
［実施の形態２］
図２は、本発明の実施の形態２の立体表示装置の概略システム構成を示す図である。
本実施の形態の立体表示装置は、投影用スクリーン２０５に対して前面から投影するようにした点で、前記実施の形態１と相違する。
なお、本実施の形態においても、マスク像生成装置、移動装置、合成装置は、前記実施の形態１と同じものを使用するが、図２では省略している。
即ち、各像（２１５〜２１８）より前に結像される像によって隠される部分を覆い隠すために、各２次元表示装置（２０１〜２０４）に観察者から見てその像より前面に表示される画像と重なる部分を隠すためのマスク像を生成するマスク像生成装置と、そのマスク像を移動させるための移動装置とを、その表示画像より前面にある画像の数だけ各々配し、各２次元表示装置（２０１〜２０４）の画像に、各マスク像生成装置で生成されたマスク像を重ね合わせることにより、複数枚の奥行きがある場合でも透けて見えるという問題を解決する。
【００４０】
本実施の形態において、例えば、２次元表示装置２０１から投影用スクリーン２０５に投影された画像は、可変焦点レンズ２０６によって像２１５として結像される。
次の２次元表示装置２０２からの像は、２次元表示装置２０１からの像２１５によって隠される部分を覆い隠すためのマスク像を重ね合わせた後、像２１６として結像される。
次の２次元表示装置２０３からの像は、２次元表示装置（２０１，２０２）からの像（２１５，２１６）によって隠される部分を覆い隠すためのマスク像を重ね合わせた後、像２１７として結像される。
このように、本実施の形態も、前記実施の形態と同様、表示したい２次元表示装置（２０１〜２０４）に、観察者から見て前面に表示される画像によって隠される部分を覆い隠すマスク像を必要な数だけ重ね合わせる構成である。
【００４１】
２次元表示装置（２０１〜２０４）が透過型あるいは反射型（例えば、液晶ディスプレイなどでバックライトを必要とするものや反射を利用したもの）の場合に限り、バックライトなどの照明（ＥＬ，ＬＥＤ，蛍光管，放電管，電球を含む）の前面にシャッター装置を配し、バックライトの光源からの光を透過／遮断する、あるいはシャッター装置の変わりにバックライトの光源を直接点滅させることによって時分割を行うことができる。
【００４２】
［実施の形態３］
図３は、本発明の実施の形態３の立体表示装置の概略システム構成を示す図である。
前記各実施の形態において、２次元表示装置を複数台用いた理由は、立体の動画表示には、毎秒の表示枚数が「フレーム数×奥行標本化数」を満たすだけの高速な表示の切り換えが必要で、現実の２次元表示装置では難しいためである。
しかし、表示／消去の速度が非常に高速にできるものを用いる場合には、この複数台の２次元表示装置に代えて、１台の２次元表示装置を使用し、当該１台の２次元表示装置に時分割で各２次元画像を表示することにより、複数台の２次元表示装置の役割を１台の２次元表示装置で行うことが可能である。
本実施の形態は、前記した１台の２次元表示装置を使用する立体表示装置である。
なお、図３に示すマスク像生成装置（１２０〜１２２，１３３〜１３５）、移動装置（１２３〜１２５，１３６〜１３８）、および合成装置（１２６，１３１，１３２）は、図１と同じである。
【００４３】
また、可変焦点レンズ１１０５は、焦点位置（即ち、結像位置）を周期的に変化させるものであり、高周波と低周波の切り替えにて駆動する二周波液晶を用いているので、この周波数は毎秒６０Ｈｚ以上と高速である。
【００４４】
本実施の形態では、切り替え装置１１１０により所望の標本化２次元像、例えば、１１０６の像を表示するための表示信号を選択し、２次元表示装置１１０１に１１０６の像を表示させておき、シャッター装置１１０２は初めは閉じておく。
可変焦点レンズ１１０５の焦点位置を周期的に変化させたとき、結像位置が１１０６の位置になるタイミングと同期してシャッター装置１１０２を開け、２次元表示装置１１０１より投影用スクリーン１１０４に像を投射して像１１０６を表示し、直ちにシャッター装置１１０２を閉じる。
次に、切り替え装置１１１０により所望の標本化２次元像、例えば、１１０７の像を表示するための表示信号を選択し、２次元表示装置１１０１に１１０７の像を表示させておき、シャッター装置１１０２は閉じておく。
結像位置が１１０７の位置になるタイミングと同期してシャッター装置１１０２を開け、２次元表示装置１１０１より投影用スクリーン１１０４に像を投射して像１１０７を表示、直ちにシャッター装置１１０２を閉じる。
可変焦点レンズ１１０５の周期的な焦点位置の変化に同期して、像１１０８，１１０９に対しても、これと同様の手順を行う。
このとき可変焦点レンズ１１０５の１周期の速度は６０Ｈｚ以上であるので、人間の眼の残像時間以内であり、観察者には結像位置の異なる像（１１０６，１１０７，１１０８，１１０９）がほぼ同時に観察され、空間上にある立体として認識される。
なお、２次元表示装置１１０１に表示する像へのマスク像の合成などの処理は実施の形態１と同様である。
【００４５】
［実施の形態４］
図４は、本発明の実施の形態４の立体表示装置の概略システム構成を示す図である。
本実施の形態の立体表示装置は、投影あるいは透過する全ての画像の光束の中心を同じにするように構成したものである。
なお、本実施の形態においても、マスク像生成装置、移動装置、合成装置は、前記実施の形態１と同じものを使用するが、図４では省略している。
図４に示す可変焦点レンズ３０６は、焦点位置（即ち、結像位置）を周期的に変化させるものであり、高周波と低周波の切り替えにて駆動する二周波液晶を用いているので、この周波数は毎秒６０Ｈｚ以上と高速である。
【００４６】
本実施の形態の立体表示装置において、２次元表示装置（３０１，３０２，３０３，３０４）には、それぞれ所望の標本化２次元像を表示させておき、シャッター装置（３０７，３０８，３０９，３１０）は初めは閉じておく。
可変焦点レンズ３０６の焦点位置を周期的に変化させたとき、結像位置が３１８の位置になるタイミングと同期してシャッター装置３０７を開け、２次元表示装置３０１から反射装置３１５により、投影用スクリーン３０５に像を投射して像３１８を表示し、直ちにシャッター装置３０７を閉じる。
次に、結像位置が３１９の位置になるタイミングと同期してシャッター装置３０８を開け、２次元表示装置３０２から反射装置３１６により、投影用スクリーン３０５に像を投射して像３１９を表示し、直ちにシャッター装置３０８を閉じる。
可変焦点レンズ３０６の周期的な焦点位置の変化に同期して、２次元表示装置（３０３，３０４）に対しても、前記した手順を同様に行う。
このとき可変焦点レンズ３０６の１周期の速度は６０Ｈｚ以上であるので、人間の眼の残像時間以内であり、観察者には結像位置の異なる像（３１８，３１９，３２０，３２１）がほぼ同時に観察され、空間上にある立体として認識される。
そして例えば、２次元表示装置３０３に表示する像は、像（３１８，３１９）と重なる部分を隠すためのマスク像を重ね合わせたものを表示し、像３２０として結像される。
このように観察者から見て後方の像は、その像よりも前面の像を隠すマスク像生成装置からのマスク像を重ね合わせることにより再現される。
【００４７】
本実施の形態の構成方法としては、図４（ａ）に示すように、２次元画像を投影用スクリーン３０５に投影し、その投影像を可変焦点レンズ３０６によって結像する方式と、図４（ｂ）に示すように、直接、２次元表示装置からの画像を可変焦点レンズ３０６によって結像する方式とがある。
例えば、２次元表示装置３０１に表示された画像はシャッター装置３０７と投影光学系３１１を通過し、反射装置３１５によって投影用スクリーン３０５に投射される。その投射された像を可変焦点レンズ３０６によって像３１８として結像させる。
マスク像生成装置によってマスクされ、２次元表示装置３０２に表示される画像は、シャッター装置３０８と投影光学系３１２を通過し、反射装置３１６によって投影用スクリーン３０５に投射される。その投射された像を可変焦点レンズ３０６によって像３１９として結像される。
同様に、マスク像生成装置によってマスクされ、２次元表示装置３０３に表示される画像は像３２０として、また、マスク像生成装置によってマスクされ、２次元表示装置３０４に表示される画像は像３２１として結像される。
【００４８】
ここで、各２次元表示装置（３０１〜３０４）からの像の光軸を一致させるために、背面からの光は透過し前面から光を反射する反射装置（３１５，３１６，３１７）として、ハーフミラー、ＨＯＥ（ホログラフィック・オプティカル・エレメント：ある一方向からの光だけを反射させ、それ以外の方向の光は透過させるもの）等が使用可能である。
なお、反射装置（３１５，３１６，３１７）として、ＨＰＤＬＣ（ホログラフィック高分子分散型液晶：高速で反射／透過あるいは遮断／透過の動作を駆動できる液晶）を利用することにより、反射装置とシャッター装置の機能を１つの反射装置で共用化することが可能である。
【００４９】
［実施の形態５］
図５は、本発明の実施の形態５の立体表示装置の概略システム構成を示す図である。
本実施の形態の立体表示装置は、２次元表示装置（４０１〜４０４）として、透過性のある装置（例えば、液晶ディスプレイ等）を用いて、複数の２次元表示装置を積層させたものである。
なお、本実施の形態においても、マスク像生成装置、移動装置、合成装置は、前記実施の形態１と同じものを使用するが、図５では省略している。
本実施の形態の構成方法としては、図５（ａ）に示すように、反射装置（４０５〜４０８）を使用する方式と、図５（ｂ）に示すように、反射装置を使用しない方式とがある。
図５（ａ）に示す方式は、ＨＯＥ等で構成される反射装置（４０５〜４０８）を配置し、この反射装置（４０５〜４０８）で前方や側方からの光源４１０の光を観察者の方向へ反射させ、また、背面からの光を透過させるようにしている。図５（ｂ）に示す方式は、各２次元表示装置（４０１〜４０４）の後ろに光源４１０を配置するようにしたものである。
ここで、各２次元表示装置（４０１〜４０４）は、像を表示しないときは透過性を有し、可変焦点レンズ４０９に同期して各２次元表示装置（４０１〜４０４）に像を表示させる。
また、各２次元表示装置（４０１〜４０４）に表示される画像は、前面の２次元表示装置の画像と重なる部分を覆い隠すマスク像生成装置からのマスク像を後面の２次元表示装置に重ね合わせることにより、前面の２次元表示装置の画像に隠れていなければならない、後側になる２次元表示装置の画像の一部分が隠されたものである。
【００５０】
本実施の形態の可変焦点レンズ４０９は、焦点位置すなわち結像位置を周期的に変化させるものであり、高周波と低周波の切り替えにて駆動する二周波液晶を用いているので、この周波数は毎秒６０Ｈｚ以上と高速である。
【００５１】
本実施の形態では、可変焦点レンズ４０９の焦点位置を周期的に変化させたとき、結像位置が４１４の位置になるタイミングと同期して２次元表示装置４０１を表示し、直ちに２次元表示装置４０１を消去する。
次に、結像位置が４１３の位置になるタイミングと同期して２次元表示装置４０２を表示し、直ちに２次元表示装置４０２を消去する。
可変焦点レンズ４０９の周期的な焦点位置の変化に同期して、２次元表示装置（４０３，４０４）に対しても、前記と同様の手順を行う。
このとき可変焦点レンズ４０９の１周期の速度は６０Ｈｚ以上であるので、人間の眼の残像時間以内であり、観察者には結像位置の異なる像（４１１，４１２，４１３，４１４）がほぼ同時に観察され、空間上にある立体として認識される。
例えば、２次元表示装置４０１から投影された画像は、可変焦点レンズ４０９によって像４１４として結像する。
次の２次元表示装置４０２からの画像は、２次元表示装置４０１からの像４１４を覆い隠すためのマスク像を重ね合わせた後、像４１３として結像する。
この次の２次元表示装置４０３からの像４１２は、２次元表示装置（４０１，４０２）からの像（４１３，４１４）を覆い隠すためのマスク像を重ね合わせた後、像４１２として結像する。
【００５２】
このように、本実施の形態においても、表示したい２次元表示装置に、観察者から見て前面に表示される画像を隠すマスク像を必要な数だけ重ね合わせるようにしたものである。
【００５３】
なお、前記各実施の形態では、２次元表示装置として、可変焦点型立体表示装置を使用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、本発明は、奥行き標本化型立体表示装置にも適用可能であることはいうまでもない。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００５４】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００５５】
本発明によれば、マスク像を生成するマスク像装置と、２次元画像と複数枚のマスク像を重ね合わせる合成装置とを設け、観察者から見て本来隠されていなければならない部分を隠し、かつ、移動装置を設け、観察者の移動にともなってマスク像を移動させるようにしたので、観察者の位置を特定せず、自然な３次元像、あるいは３次元動画像を表示することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の立体表示装置の概略システム構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２の立体表示装置の概略システム構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態３の立体表示装置の概略システム構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態４の立体表示装置の概略システム構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態５の立体表示装置の概略システム構成を示す図である。
【図６】本発明の各実施の形態のマスク像生成装置で生成されるマスク像の概念を説明するための図である。
【図７】本発明の各実施の形態の移動装置の概念を説明するための図である。
【図８】本発明の各実施の形態における、視点移動検出方法を説明するための図である。
【図９】従来の可変焦点レンズを用いた立体表示装置の表示動作原理を説明するための図である。
【図１０】従来の奥行き標本化型立体表示装置の表示動作原理を説明するための図である。
【図１１】２次元像である奥行き標本化像を説明するための図である。
【符号の説明】
１０１〜１０４，２０１〜２０４，３０１〜３０４，４０１〜４０４，８０１，９０１，１１０１…２次元表示装置、１０５，２０５，３０５，１１０４…投影用スクリーン、１０６，２０６，３０６，４０９，８０２，１１０５…可変焦点レンズ、１０７〜１１０，２０７〜２１０，３０７〜３１０，１１０２…シャッター装置、１１１〜１１４，２１１〜２１４，３１１〜３１４，１１０３…投影光学系、１２０〜１２２，１３３〜１３５…マスク像生成装置、１２３〜１２５，１３６〜１３８…移動装置、１２６，１３１，１３２…合成装置、１２７…センサ、３１５〜３１７，４０５〜４０８…反射装置、４１０…光源、７０１…立体表示装置、７０２…赤外線センサ、７０３…距離センサ、７０４…光センサ、７０５…カメラ、７１０，８０４，９０４…観察者、８１０…同期装置、８１１，９０２…駆動装置、１１１０…切り替え装置。
【図１】
0003583613.tif 000002
【図２】
0003583613.tif 000003
【図３】
0003583613.tif 000004
【図４】
0003583613.tif 000005
【図５】
0003583613.tif 000006
【図６】
0003583613.tif 000007
【図７】
0003583613.tif 000008
【図８】
0003583613.tif 000009
【図９】
0003583613.tif 000010
【図１０】
0003583613.tif 000011
【図１１】
0003583613.tif 000012