(57)【要約】【課題】インテグラルフォトグラフィ方式の投影型三次元画像表示装置において、高解像度と高立体感を両立する三次元画像表示装置を提供する。【解決手段】視差情報を含む複数の視点画像の要素画像を、元の三次元物体が空間に存在し、この三次元物体から視点の画像情報を含む要素画像が発せられるように制御結像させる結像手段を備え、前記結像手段のそれぞれに対応して二次元平面に配置した前記視差情報を含む視点画像の要素画像を配置した三次元画像表示装置であって、前記二次元平面に視点の画像情報の要素画像を配置する手段として、光線を制御結像させる手段の直後に、視点の画像情報を含む要素画像を投影し結像させるための結像スクリーン６を配置し、この結像スクリーン６に視点の画像情報を含む要素画像を投影結像し、投影画像の形状を制御するための投影手段を設けたことを特徴とする三次元画像表示装置である。【選択図】図１
2006133455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
視差情報を含む複数の視点画像の要素画像を、元の三次元物体が空間に存在し、この三次元物体から視点の画像情報を含む要素画像が発せられるように制御結像させる結像手段を備え、前記結像手段のそれぞれに対応して二次元平面に配置した前記視差情報を含む視点画像の要素画像を配置した三次元画像表示装置であって、前記二次元平面に視点の画像情報の要素画像を配置する手段として、光線を制御結像させる手段の直後に、視点の画像情報を含む要素画像を投影し結像させるためのスクリーンを配置し、このスクリーンに視点の画像情報を含む要素画像を投影結像し、投影画像の形状を制御するための投影手段を設けたことを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項２】
前記視点の画像情報を含む要素画像が発せられるように制御結像させる手段としてピンホールアレイを用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項３】
前記視点の画像情報を含む要素画像が発せられるように制御結像させる手段として凸レンズアレイを用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項４】
前記スクリーンとしてエンボス型拡散板を用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項５】
前記スクリーンとしてホログラム拡散板を用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項６】
前記スクリーンとしてホログラムスクリーンを用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項７】
前記スクリーンに投影する視点の画像情報を含む要素画像の分解能を２００ｄｐｉ以上としたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項８】
前記投影手段として透過型液晶を用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項９】
前記投影手段として反射型液晶を用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１０】
前記投影手段としてデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１１】
前記投影手段として有機ＥＬ発光体アレイを用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１２】
前記投影手段として空間光変調器（ＳＬＭ）を用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１３】
前記スクリーンの材料がフォトポリマーであることを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１４】
前記スクリーンの材料がダイクロメーティッドゼラチンであることを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１５】
前記投影手段の光源としてハロゲンランプを用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１６】
前記投影手段の光源としてＬＥＤを用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１７】
前記投影手段の光源として白色ＬＥＤを用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１８】
前記投影手段の光源として有機ＥＬを用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項１９】
前記投影手段の反射型液晶として反射型垂直配向液晶投影素子を用いたことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【請求項２０】
前記スクリーンと前記光線を制御結像させる手段を一体化したことを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像技術分野、アミューズメント分野、エンターテインメント分野、インターネット分野、情報分野、マルチメディア分野、コミュニケーション分野、広告・宣伝分野、医療分野、芸術分野、教育分野、設計支援分野、シミュレーション分野、バーチャルリアリティ、などで使われる三次元表示を可能にする投影型の三次元画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、古くから、三次元画像情報を表示する手段としては、両眼視差を含んだ２枚の絵を右眼で右の画像、左眼で左の画像を見る裸眼実体視平行法や、液晶シャッタ付きのメガネや、右眼と左眼それぞれ違うレンズを用いて見るステレオスコープや、赤と青の色違いの両眼視差絵を赤青メガネを通して見るアナグリフ方式などがある。しかし、これらの方法で三次元画像を見る場合には、特殊なメガネや訓練が必要であった。
【０００３】
近年、液晶技術の発展により、メガネのいらない三次元表示の可能な液晶ディスプレイが次々と発表されている。そのほとんどが、イメージスプリッター方式の眼鏡なし三次元液晶表示素子、所謂、パララックスバリア方式やレンチキュラレンズ方式の水平視差のみを有する三次元画像表示装置である。パララックスバリア方式やレンチキュラレンズ方式の三次元画像表示装置では、右眼位置から右眼画像が、左眼画像から左眼画像が見えるように、空間的に画像光路を分離供給して、立体感を生じさせるものである。従って、空間に周期的に右眼位置と左眼位置とに画像光路が分離供給されており、その位置がずれると立体が破綻する。原理的に水平方向の視差を含んだ画像を供給する為、右眼位置と左眼位置が水平からずれると立体が破綻してしまうという課題がある。従って、長時間、三次元動画像の立体を保ったまま立体視を行なおうとすると、空間の定位置に、右眼位置と左眼位置を固定する必要がある。
【０００４】
水平方向の右眼位置と左眼位置のズレに対しては、観察者の眼の位置や顔の位置をセンサーによって特定して、その位置のズレに合わせて、画像光路を制御修正する方法も考案されている。しかし、この方法では装置が大掛かりとなり、眼の位置や顔の位置をセンシングするために、マーカーを観察者に付けなければならないという煩わしさが生じる。
【０００５】
近年、これらの課題を解決する方法として、Ｍ．Ｇ．Ｌｉｐｐｍａｎｎによって１９０８年に提案されたインテグラルフォトグラフィを発展させ、フィルムの変わりに、液晶などの二次元表示パネルとピンホールやハエの目レンズアレイを使った三次元の表示方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２７５１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
インテグラルフォトグラフィで滑らかな三次元を表示するには、１つのピンホール又はレンズの中に異なる視差画像を配置する必要がある。例えば水平および垂直方向でそれぞれ１０視差の画像を表現するには、１０×１０で１００画像必要となる。従って、二次元表示パネルの解像度は三次元表示をする場合、１００分の１の解像度に低下してしまうという問題点が有る。
【０００７】
このような、解像度の低下を防ぐ為に視差画像の数を少なくする方法はあるが、視差画像の数が少なくなればなるほど、滑らかな視差の移動が無くなり、立体感が低下する。こ
の為、立体感と解像度を保持して、良好な三次元画像を得るためには、高解像度の二次元表示パネルを必要とする。
【０００８】
近来、液晶パネル、プラズマディスプレイパネルの開発が進み、大型で高解像度の表示パネルが開発されている。ここで、三次元画像を表示するための二次元表示パネルを１０．４インチの縦１５８．４ｍｍ、横２１１．２ｍｍの液晶パネルで実現することを考える。例として分解能１ｍｍつまり直径１ｍｍのピンホール又は凸レンズのアレイを用いて、縦１０視差、横１０視差の三次元画像を実現しようとすると、１０．４インチの液晶パネルの画素は縦１５８４、横２１１画素必要となりこのときの液晶パネルの画素ピッチは２５４ｄｐｉ（ドット／インチ）となる。しかし、実用化されている液晶パネルの最高解像度が２００ｄｐｉ程度であることを考えると、液晶パネルやプラズマディスプレイパネルでインテグラルフォトグラフィ方式の高画質三次元画像表示を実現することは非常に困難である。
【０００９】
また、液晶パネルやプラズマディスプレイパネルをインテグラルフォトグラフィ方式の高画質三次元画像表示に使用するためには、直接これらのパネルの画素に凸レンズアレイやピンホールアレイの各レンズ又はピンホールを調整し、それぞれの画素に凸レンズやピンホールを対応させなければならない。従来、投影型の例としては、特開２００３−２７９８９４号公報に示されるマルチプロジェクションタイプの立体映像表示装置があるが、投影画像と凸レンズ又はピンホールアレイのミスマッチングにより十分な立体映像を得るにいたっていない。
【００１０】
本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、高解像度および高画質で、立体感が増した三次元画像を表示することができる三次元画像表示装置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】
【００１１】
以上の課題を解決するために、本発明は、視差情報を含む複数の視点画像の要素画像を、元の三次元物体が空間に存在し、この三次元物体から視点の画像情報を含む要素画像が発せられるように制御結像させる結像手段を備え、前記結像手段のそれぞれに対応して二次元平面に配置した前記視差情報を含む視点画像の要素画像を配置した三次元画像表示装置であって、前記二次元平面に視点の画像情報の要素画像を配置する手段として、光線を制御結像させる手段の直後に、視点の画像情報を含む要素画像を投影し結像させるためのスクリーンを配置し、このスクリーンに視点の画像情報を含む要素画像を投影結像し、投影画像の形状を制御するための投影手段を設けたことを特徴とする三次元画像表示装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、三次元画像表示の解像度が向上し、画質が向上し、立体感が増すため、従来の液晶パネルやプラズマディスプレイでは達成できない高解像度、高画質、高立体感の実現という目的を、簡単な光学系の空間光変調器と結像スクリーンにより、低コストに簡便な構造で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、視差情報を含む複数の視点画像の要素画像を、元の三次元物体が空間に存在し、この三次元物体から視点の画像情報を含む要素画像が発せられるように制御結像させる結像手段を備え、結像手段のそれぞれに対応して二次元平面に配置した視差情報を含む視点画像の要素画像を配置した三次元画像表示装置であって、二次元平面に視点の画像情報の要素画像を配置する手段として、光線を制御結像させる手段の直後に、視点の画像情報を含む要素画像を投影し結像させるためのスクリーンを配置し、このスクリーンに視点
の画像情報を含む要素画像を投影結像し、投影画像の形状を制御するための投影手段を設けたことを特徴とする三次元画像表示装置である。
【００１４】
投影画像の形状を制御するための投影手段を設けたことにより、投影画像の歪みやシフトを補正することができ、三次元画像表示の解像度が向上し、画質が向上し、立体感を増すことが可能な三次元画像表示装置を実現することができる。
【００１５】
本発明において、視点の画像情報を含む要素画像が発せられるように制御結像させる手段としてピンホールアレイ、凸レンズアレイを用いることができる。また、スクリーンとしてエンボス型拡散板、ホログラム拡散板、ホログラムスクリーンを用いることができる。これらのスクリーンに投影する視点の画像情報を含む要素画像の分解能は、自然な三次元立体画像を得るためには、２００ｄｐｉ以上とすることが好ましい。
【００１６】
また、投影手段として透過型液晶、反射型液晶、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、有機ＥＬ発光体アレイ、空間光変調器（ＳＬＭ）を用いることができる。スクリーンの材料として、フォトポリマー、ダイクロメーティッドゼラチンを用いることができる。また、投影手段の光源としてハロゲンランプ、ＬＥＤ、白色ＬＥＤ、有機ＥＬを用いることができる。また、投影手段の反射型液晶として反射型垂直配向液晶投影素子を用いることができる。また、スクリーンと、光線を制御結像させる手段を一体化することもできる。一体化することにより、投影表示部の構造を簡素化することができる。
【００１７】
（実施の形態１）
以下、本発明の三次元画像表示装置について、図１乃至図５を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る三次元画像表示装置を説明する図である。
【００１８】
本発明の実施の形態１に係る三次元画像表示装置は、光源１と偏向ビームスプリッタ３と投影デバイス４と投影レンズ５と結像スクリーン６と凸レンズアレイ７とにより構成されている。
【００１９】
光源１としてはハロゲンランプを用いることができる。その他の光源としては各色の発光ダイオード（ＬＥＤ；Ｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）や有機エレクトロルミネセンス（ＥＬ；Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）を用いることができる。特に白色ＬＥＤはハロゲンランプの代替として最適である。
【００２０】
投影デバイス４としては日本ビクター株式会社製のＤ−ＩＬＡ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｄｒｉｖｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｌｉｇｈｔ  Ａｍｐｌｉｆｅｒ）や、日立製作所製のＬＳＭ１８ＨＤＡ０１Ｂ１パネルなどが使用できる。
【００２１】
結像スクリーン６としてはホログラムスクリーンを採用することができ、これ以外にも、エンボス型拡散板、ホログラム拡散板を用いることができる。
【００２２】
図１において、光源１より発せられた光２は、偏光ビームスプリッタ３に入射後、Ｓ波だけが偏光ビームスプリッタ３の界面で反射して、投影画像の形状を制御させるための投影手段としての投影デバイス４に入射する。投影デバイス４に入射したＳ波は投影デバイス４の内部で投影画像情報により変調され、画像情報を付加される。この時、変調を受けない光はＳ波のまま反射して、入射時と逆の経路を通って光源１に戻るため、光は出射されず黒の状態となる。一方変調を受けたＳ波は変調の度合いに応じてＰ波成分を含んだ光に変換され、偏光ビームスプリッタ３を通過し、投射レンズ５を通して結像スクリーン６に投射され、投影画像が結像される。結像された投影画像はインテグラルフォトグラフィ方式のレイトレイス画像となっているため、凸レンズアレイ７を通して空間に三次元映像
８を結像することが出来る。
【００２３】
ここで、インテグラルフォトグラフィ方式を詳細に説明する。図２にインテグラルフォトグラフィ方式の原理を示す。インテグラルフォトグラフィはＭ．Ｇ．Ｌｉｐｐｍａｎｎによって１９０８年に提案された。Ｍ．Ｇ．Ｌｉｐｐｍａｎｎによるインテグラルフォトグラフィは、ハエの目状の凸レンズアレイ１１を用いて、ハエの目状の凸レンズアレイ１１の焦点位置にフィルムを置きそのフィルムの表面にハエの目状の凸レンズ毎の画像を記録する。そして、再生時には、フィルムに記録させたハエの目状の凸レンズ毎の画像を、撮影時と同じハエの目状の凸レンズアレイ１１を用いることによって立体画像を再生するというものである。図２に示すように再生要素画像９を表示するための表示素子１０にハエの目状の凸レンズアレイ１１の凸レンズ１２毎に対応させて表示すると、再生要素画像９は凸レンズ１２を介して、元の画像表面の画素位置に対応する結像点１３に結像する。よって、実際に結像点１３から光線１４が発生して、観察者の瞳１５に入射するので、立体感の有る三次元再生画像１６が再生される。三次元再生画像１６は実際に空間に結像点１３があるため、角度を変えてみても、眼の位置を動かしてみても、立体感の有る三次元再生画像１６を安定して見る事が出来る。
【００２４】
本発明の実施の形態１においては、凸レンズ１２は直径が１．５ｍｍのものを使用した。結像スクリーン６に投射され、結像された投影画像の解像度は２００ｄｐｉとした。これにより１つのレンズの再生要素画像９は、１０×１０ピクセルの画像で構成され、水平および垂直方向の視差数がそれぞれ１０視野の滑らかな三次元立体画像を再生することが出来る。しかし、結像された投影画像の解像度が２００ｄｐｉ以下になると自然な立体再生画像を得る事が難しくなる。そこで、データ処理時間とのトレードオフになるが出来るだけ自然な三次元立体画像を得るには２００〜７００ｄｐｉの解像度の再生要素画像９を１．５ｍｍ以下のレンズで再生することが有効である。
【００２５】
図３は、本発明の投影画像の形状を変形制御させるための投影手段の説明図である。
【００２６】
図３に示すように、投影画像を投影レンズ５を通してスクリーン６に投影すると通常、歪んだ投影画像１７ａ、１７ｂ、１７ｃとして表示されて凸レンズアレイ７に入力される。このように投影画像が歪むと、凸レンズアレイ７の凸レンズ１２と再生要素画像９とのアライメントが合わないため、三次元再生画像１６の画質が低下する。この歪みを修正する為に、予め、投影デバイス４の画素数より実際の投影範囲を小さく設定して、歪んだ部分を補正しレンズアレイ７の配列とアライメントが一致するように投影して、歪み補正した投影画像１８を得る事により、解像度の高い、高画質の立体画像を再生することが可能となる。
【００２７】
図４のように、歪みは無いが空間的に凸レンズアレイ７の配列と、再生要素画像９の配列がシフトしているために、シフトした投影画像１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄとなっている場合も、予め、投影デバイス４の画素数より実際の投影範囲を小さく設定して、シフトした部分をシフトしている方向とは逆方向に補正し、凸レンズアレイ７の配列とアレイメントが一致するように投影して、シフト補正した投影画像２０を得る事により、解像度の高い、高画質の立体画像を再生することが可能となる。
【００２８】
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２に係る三次元画像表示装置を示す説明図である。図５において、光源１より発せられた光は、コンデンサレンズ２１により集光され、投影画像の形状を制御させるための投影手段としての投影デバイス４に入射する。投影デバイス４としては透過型の液晶が使用できる。投影デバイス４に入射した光は投影デバイス４内部で投影画像情報により変調され、画像情報を付加される。変調された光は、投射レンズ５を通
り、プリズム２２で投影角を変更し、結像スクリーン６に投射され、投影画像が結像される。結像された投影画像はインテグラルフォトグラフィ方式のレイトレイス画像となっているため、凸レンズアレイ７を通して空間に三次元映像８を結像することが出来る。この構成では、プリズム２２を通過する事により、投影面を変更するため、立体再生装置の設計の自由度を大きくとることができる。
【００２９】
光源１としては白色ＬＥＤを使用している。その他の光源としては各色のＬＥＤや有機ＥＬ、ハロゲンランプを用いることができる。スクリーン７としてはホログラム拡散板を採用している。その他のスクリーン７としては、エンボス型拡散板、ホログラムスクリーンを用いることができる。凸レンズ１２は実施例１と同様に直径が１．５ｍｍのものを使用した。結像スクリーン６に投射され、結像された投影画像の解像度は２００ｄｐｉとした。これにより１つのレンズの再生要素画像９は１０×１０ピクセルの画像で構成され、水平及び垂直方向の視差数がそれぞれ１０視野の滑らかな三次元立体画像を再生することが出来る。結像された投影画像の解像度が２００ｄｐｉ以下になると自然な立体再生画像を得る事が難しくなる。データ処理時間とのトレードオフになるが出来るだけ自然な三次元立体画像を得るには２００〜７００ｄｐｉの解像度の再生要素画像９を１．５ｍｍ以下のレンズで再生することが有効である。
【００３０】
この実施の形態においても、投影画像の歪みやシフトの補正は、実施の形態１と同様に行なった。この結果、解像度の高い、高画質の立体画像を再生することが可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の三次元画像表示装置は、映像技術分野、アミューズメント分野、エンターテイメント分野、インターネット分野、情報分野、マルチメディア分野、コミュニケーション分野、広告・宣伝分野、医療分野、芸術分野、教育分野、設計支援分野、シミュレーション分野、バーチャルリアリティ分野、などで使われる三次元表示、立体像再生装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る三次元画像表示装置を説明する図
【図２】インテグラルフォトグラフィ方式の原理を説明する図
【図３】本発明の投影画像の形状を変形制御させるための投影手段の説明図
【図４】本発明の投影画像の形状をシフト制御させるための投影手段の説明図
【図５】本発明の実施の形態２に係る三次元画像表示装置を示す説明図
【符号の説明】
【００３３】
１    光源
２    光源より発せられた光
３    偏光ビームスプリッタ
４    投影デバイス
５    投射レンズ
６    結像スクリーン
７    凸レンズアレイ
８    三次元映像
９    再生要素画像
１０    表示素子
１１    ハエの目状の凸レンズアレイ
１２    凸レンズ
１３    結像点
１４    光線
１５    観察者の瞳
１６    三次元再生画像
１７ａ    歪んだ投影画像
１７ｂ    歪んだ投影画像
１７ｃ    歪んだ投影画像
１８    歪み補正した投影画像
１９ａ    シフトした投影画像
１９ｂ    シフトした投影画像
１９ｃ    シフトした投影画像
１９ｄ    シフトした投影画像
２０    シフト補正した投影画像
２１    コンデンサレンズ
２２    プリズム
【図１】
2006133455.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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