(57)【要約】【課題】ＩＰの原理に基づく三次元画像表示において、光線の角度ピッチを保ったまま視域を拡大するには、総画素数としては膨大な数が必要となり、信号処理に必要なハードウェア構成が極めて大規模なものになるという課題がある。【解決手段】スクリーン１上の二次元画像からの光線群３ａ、３ｂは拡散性が小さく、画素毎に指向性をもつ。これらは、空間で交点を形成することにより、三次元画像２ａ、２ｂの表面における１点から発散する光線を形成する。発散光線の広がり角は約３８度（全角）であり、これが三次元画像２ａ、２ｂを回り込んで観察可能な範囲である視域に相当する。これらの光線の角度ピッチ△θは、扇形の光線群３ａ、３ｂの中心付近では密に、周辺部にいくに従って疎になるように、異なる角度刻みで配置されている。これにより、従来に比べて光線数を半分にすることが可能になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実物体又は仮想物体からの広がりをもった連続的な光を所定の角度刻みでサンプリングすることにより得られる離散的な光線群を空間に多数配置することにより、インテグラルフォトグラフィの原理に基づいて当該実物体又は仮想物体の三次元画像を再生する三次元画像表示方法であって、
前記実物体又は仮想物体からの光のサンプリングを非等間隔な角度刻みで行い、当該角度刻みに対応する光線密度で前記光線群を空間に配置することにより、前記三次元画像を観察する観察者の瞳に対して観察方向によって異なる本数の光線を入射させることを特徴とする三次元画像表示方法。
【請求項２】
前記光線密度は、前記三次元画像を観察可能な角度範囲の中心付近で最も高く、該中心付近から当該角度範囲内における端部に向かうに従って段階的に疎とされていることを特徴とする請求項１記載の三次元画像表示方法。
【請求項３】
前記光線密度は、前記三次元画像を観察可能な角度範囲において、一又は二以上の静止する前記観察者の瞳の位置で最も高く、該瞳の位置から前記角度範囲の周辺に向かうに従って段階的に疎とされていることを特徴とする請求項１記載の三次元画像表示方法。
【請求項４】
前記光線密度は、静止する前記観察者の瞳に対して少なくとも二以上の光線を入射させ、前記観察者が回り込んで観察する際には少なくとも前記光線群のいずれか一本の光線を入射させることにより前記三次元画像の側面観察を可能とすることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の三次元画像表示方法。
【請求項５】
実物体又は仮想物体からの広がりをもった連続的な光を所定の角度刻みでサンプリングすることにより得られる離散的な光線群を空間に多数配置することにより、インテグラルフォトグラフィの原理に基づいて当該実物体又は仮想物体の三次元画像を再生する三次元画像表示装置であって、
前記実物体又は仮想物体からの光を非等間隔な角度刻みでサンプリングすることにより得られる光線群を所定の平面上で記録した多数の二次元画像の各々を表示する複数の二次元画像表示装置からなる二次元画像表示装置アレイと、
前記二次元画像表示装置アレイに表示された多数の前記二次元画像からの光線を前記サンプリング角度刻みに対応した光線密度で偏向して拡大投影する複数の偏向光学素子が二次元的に配置された投射レンズユニットと、
前記投射レンズユニットによる投影像の結像面付近の光線をテレセントリック化するレンズ板と、
前記レンズ板を透過した光線の拡散角を垂直方向に拡散するスクリーンと
を有し、前記スクリーンからの光線群の交点を空間に生成して、空間像としての三次元画像を表示することを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項６】
実物体又は仮想物体からの広がりをもった連続的な光を所定の角度刻みでサンプリングすることにより得られる離散的な光線群を空間に多数配置することにより、インテグラルフォトグラフィの原理に基づいて当該実物体又は仮想物体の三次元画像を再生する三次元画像表示装置であって、
前記実物体又は仮想物体からの光を非等間隔な角度刻みでサンプリングすることにより得られる光線群を所定の平面上で記録した多数の二次元画像の各々を画素毎にインターリーブして表示するフラットパネルディスプレイと、
前記フラットパネルディスプレイに表示された前記多数の二次元画像からの光線を前記サンプリング角度刻みに対応した光線密度で偏向してテレセントリック化する偏向光学素子アレイと
を有し、前記偏向光学素子アレイからの光線群の交点を空間に生成して、空間像としての三次元画像を表示することを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項７】
前記光線密度は、前記三次元画像を観察可能な角度範囲の中心付近で最も高く、該中心付近から当該角度範囲内における端部に向かうに従って段階的に疎とされていることを特徴とする請求項５又は６記載の三次元画像表示装置。
【請求項８】
前記光線密度は、前記三次元画像を観察可能な角度範囲において、静止する一又は二以上の前記観察者の瞳の位置で最も高く、該瞳の位置から前記角度範囲の周辺に向かうに従って段階的に疎とされていることを特徴とする請求項５又は６記載の三次元画像表示装置。
【請求項９】
前記光線密度は、静止する前記観察者の瞳に対して少なくとも二以上の光線を入射させ、前記観察者が回り込んで観察する際には少なくとも前記光線群のいずれか一本の光線を入射させることにより前記三次元画像の側面観察を可能とすることを特徴とする請求項５乃至８のうちいずれか一項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】
本発明は三次元画像表示方法及び三次元画像表示装置に係り、特にインテグラルフォトグラフィ（Integral Photography：ＩＰ）の原理に基づいて、三次元の空間像を再生表示する三次元画像表示方法及び三次元画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リップマン（M.G Lippman）が１９０８年に提案したインテグラルフォトグラフィ（ＩＰ）の原理に基づき、実物表面からの光線と同等な光線を空間に再現することにより、自然な三次元画像を再生する三次元ディスプレイの研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
例えば、レンズアレイと写真乾板とを用いて被写体を撮影した後に、現像後の写真をレンズアレイの背後から照明することにより、元の被写体の位置に光線が逆行して集まることから三次元像が再生されることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。また、上記プロセスを電子化し、撮像と表示をリアルタイムに行うインテグラル立体テレビシステムが報告されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００４】
また、現在実用化されている電子デバイスの情報量不足を補うため、垂直方向の立体情報を水平方向に割り振ることにより、水平方向の立体視に特化した三次元ディスプレイの実現方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。更に、この特許文献１に開示された技術を１２８枚の小型液晶表示素子を用いて実現した事例が報告されている（例えば、非特許文献３参照）。
【０００５】
【非特許文献１】M.G Lippmann.“Epreuves reversibles. Photographies integrals.”,Comptes-Rendus Academic des Sciences,146.pp.446-451 (1908)
【非特許文献２】洗井淳、星野春男、岡野文男、湯山一郎，「屈折率分布レンズを用いたインテグラルフォトグラフィ撮像実験」，３次元画像コンファレンス '98,pp.76-81
【非特許文献３】中沼寛、亀井浩之、高木康博,「128指向性画像を高密度表示する自然な三次元ディスプレイの開発」,３次元画像コンファレンス2004講演論文集,pp.13-18 (2004)
【特許文献１】特許第３５７６５２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかるに、特許文献１又は非特許文献３に開示された三次元画像表示装置の構成は、指向性の高い光線を狭い角度ピッチで、異なる方向に表示させるため、必要な表示素子の数が多くなるという課題がある。例えば、非特許文献３によれば、１２８枚の表示素子からの光線を異なる方向に角度ピッチ０.２３度で高密度に表示し、約３０度の水平視域を得たことが報告されている。光線の角度ピッチを保ったまま水平視域を拡大するには、さらに多数の表示素子が必要になる。また、光線の角度ピッチを大きくしたのでは、単眼に入射する光線数が減少することにより、輻輳と調節の不一致による目の疲労が生じるという問題が生じる。
【０００７】
ところで、本出願人は、特許文献１に開示された三次元画像表示装置の構成を本出願人が製造販売する超高解像度液晶パネル（水平方向画素数４０９６、垂直方向画素数２１６０からなる反射型液晶表示素子Ｄ−ＩＬＡ（登録商標））を用いることにより、必要な表示素子の数を削減する技術を報告している（末廣晃也、中村博哉、山田邦男、吉村真,「Ｄ−ＩＬＡデバイスを用いた投射型３次元ディスプレイ」,３次元画像コンファレンス2006講演論文集,p.219-222(2006)）。
【０００８】
しかしながら、当該技術においても、光線の角度ピッチを保ったまま視域を拡大するには、総画素数としては依然として膨大な数が必要となり、信号処理に必要なハードウェア構成が極めて大規模なものになるという課題がある。
【０００９】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、多数の光源を空間に再現することにより自然な三次元画像を表示する三次元画像表示方法およびその装置において、画質の低下を最小限に抑えながら必要な光線数を大幅に削減することのできる三次元画像表示方法及び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】
【００１０】
上記の目的を達成するため、第１の発明は、実物体又は仮想物体からの広がりをもった連続的な光を所定の角度刻みでサンプリングすることにより得られる離散的な光線群を空間に多数配置することにより、インテグラルフォトグラフィの原理に基づいて当該実物体又は仮想物体の三次元画像を再生する三次元画像表示方法であって、
実物体又は仮想物体からの光のサンプリングを非等間隔な角度刻みで行い、当該角度刻みに対応する光線密度で光線群を空間に配置することにより、三次元画像を観察する観察者の瞳に対して観察方向によって異なる本数の光線を入射させることを特徴とする。
【００１１】
また、上記の目的を達成するため、第２の発明は、実物体又は仮想物体からの広がりをもった連続的な光を所定の角度刻みでサンプリングすることにより得られる離散的な光線群を空間に多数配置することにより、インテグラルフォトグラフィの原理に基づいて当該実物体又は仮想物体の三次元画像を再生する三次元画像表示装置であって、
実物体又は仮想物体からの光を非等間隔な角度刻みでサンプリングすることにより得られる光線群を所定の平面上で記録した多数の二次元画像の各々を表示する複数の二次元画像表示装置からなる二次元画像表示装置アレイと、二次元画像表示装置アレイに表示された多数の二次元画像からの光線をサンプリング角度刻みに対応した光線密度で偏向して拡大投影する複数の偏向光学素子が二次元的に配置された投射レンズユニットと、投射レンズユニットによる投影像の結像面付近の光線をテレセントリック化するレンズ板と、レンズ板を透過した光線の拡散角を垂直方向に拡散するスクリーンとを有し、スクリーンからの光線群の交点を空間に生成して、空間像としての三次元画像を表示することを特徴とする。
【００１２】
更に、上記の目的を達成するため、第３の発明は、実物体又は仮想物体からの広がりをもった連続的な光を所定の角度刻みでサンプリングすることにより得られる離散的な光線群を空間に多数配置することにより、インテグラルフォトグラフィの原理に基づいて当該実物体又は仮想物体の三次元画像を再生する三次元画像表示装置であって、
実物体又は仮想物体からの光を非等間隔な角度刻みでサンプリングすることにより得られる光線群を所定の平面上で記録した多数の二次元画像の各々を画素毎にインターリーブして表示するフラットパネルディスプレイと、フラットパネルディスプレイに表示された多数の二次元画像からの光線をサンプリング角度刻みに対応した光線密度で偏向してテレセントリック化する偏向光学素子アレイとを有し、偏向光学素子アレイからの光線群の交点を空間に生成して、空間像としての三次元画像を表示することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、同一の視域を実現するのに必要な光線数を従来の構成に比べて削減できるため、必要な二次元画像表示装置の数または総画素数を削減でき、従って三次元画像表示装置のコストダウンを実現できる。
【００１４】
また、本発明によれば、従来の半分の二次元画像表示装置の数または総画素数であっても、光線密度が最も高い視域の中央付近又は観察者の瞳の位置では目の疲労の少ない立体視が可能であり、同時に光線密度が低い視域の周辺部では運動視差により三次元画像を回り込んで観察できるため、観察者にとって違和感のない自然な三次元画像表示装置の実用化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明になる三次元画像表示方法の一実施例の光線の配置を示す図である。同図に示すように、本実施例は、スクリーン１（二次元画像表示面）、三次元画像（球）２ａ、三次元画像（立方体）２ｂ、三次元画像（球）２ａを構成する光線群３ａ、三次元画像（立方体）２ｂを構成する光線群３ｂから構成されている。
【００１６】
スクリーン１には、三次元画像を構成する多数の光線群３ａ、３ｂとなる二次元画像が図示しない二次元画像表示装置アレイから投影されて表示される。この二次元画像は、非特許文献３においては指向性画像と呼ばれており、より一般的には視差画像と呼ばれる。この二次元画像（視差画像）は、三次元の実物体からの光波を様々な角度から平行投影法より投影することにより得られるもので、透視投影法により撮影した画像は視点画像と呼んで区別されることがある。インテグラルフォトグラフィの場合は、要素画像と呼ばれている。
【００１７】
本実施例は、実物体又は仮想物体（図示せず）からの広がりをもった連続的な光を所定の角度刻みでサンプリングすることにより得られる離散的な光線群３ａ、３ｂを空間に多数配置することによりインテグラルフォトグラフィの原理に基づいて当該実物体又は仮想物体の三次元画像２ａ、２ｂを空間に再生する構成である。
【００１８】
図１におけるスクリーン１上の二次元画像からの光線群３ａ（または３ｂ）は拡散性が小さく、画素毎に指向性をもつ。これらは、空間で交点を形成することにより、図１に示すように、三次元画像（球）２ａ（または三次元画像（立方体）２ｂ）の表面における１点から発散する光線を形成する。図１における発散光線の広がり角は約３８度（全角）であり、これが三次元画像（球）２ａ（または三次元画像（立方体）２ｂ）を回り込んで観察可能な範囲である視域に相当する。図１では、約３８度の視域内に６５本の光線が角度ピッチ△θで存在するように描かれている。これらの光線の角度ピッチ△θは、扇形の光線群３ａ、３ｂの中心付近では密に、周辺部にいくに従って疎になるように、異なる角度刻みで配置されている。
【００１９】
いま、視域（全角）を２θ、スクリーン１に平行な面から測った各光線の角度をθ（ｎ）、光線の最小角度ピッチを△θ０としたとき、これらの間には以下の関係が成立する。
【００２０】
２θ＝θ（ｎｍａｘ）−θ（ｎｍｉｎ）      （１）
【００２１】
【数１】
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ただし、θCは角度刻みが最小な領域の中心角度であり、スクリーン正面から観察する場合には、θC＝９０度である。また、ｆ（ｎ）は角度ピッチの非線形性を特徴付ける関数である。非線形成を特徴付ける関数ｆ（ｎ）の例としては、ａを１ではない定数としてｆ（ｎ）＝ｎaなどの非線形関数を挙げることができる。なお、（２ａ）式は中心に光線がない場合であり、（２ｂ）式は中心に光線がある場合である。従って、光線の角度刻みは（２ａ）式及び（２ｂ）式より次式で表される。
【００２２】
【数２】
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また、光線数Ｎは偶数（ｅｖｅｎ）の場合と奇数（ｏｄｄ）の場合とで、以下の関係がある。
【００２３】
【数３】
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図２は従来の光線再現の構成を示す図である。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付してある。従来は、図２に示す隣接する光線間の角度ピッチ△θが一定（等間隔）であったため、視域（視域角）２θは光線数Ｎを用いて次式で与えられていた。
【００２４】
２θ＝Δθ０×（Ｎ−１）          （４）
【００２５】
【数４】
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図２では視域２θ＝３８.４度、△θ＝０.３度で描画したものであるが、このとき必要な光線数Ｎは１２８または１２９となり、図１で説明した本実施例の構成の約３８度の視域内に存在する６５本の光線に比べて約２倍の光線数が必要になってしまう。
【００２６】
ところで、３次元画像表示装置の用途にもよるが、多くの場合、観察者は静止しており、視域２θの周辺領域から三次元画像２ａまたは２ｂの側面を観察する時間よりも、視域２θの中心付近から三次元画像２ａまたは２ｂの正面を観察する時間の方が長いと考えられる。
【００２７】
一方、観察者の目の疲労はその目に入射する光線の光線密度にほぼ対応し、光線密度が疎である（光線間隔が広い）ほど目が疲れやすい。従って、目の疲労につながる光線密度は最も重要な三次元画像２ａまたは２ｂの正面付近が最も高い（密である）ことが少なくとも必要であり、この条件を満たせば、周辺部の光線数を間引いてその周辺部の光線密度を正面付近の光線密度に比較して多少疎としても、長時間観察しない限り、目の疲労の影響は実質的に殆ど無いことが期待できる。
【００２８】
また、視域の周辺部で光線間隔を中心部付近に比べて広くすることが許されるならば、例えば本実施例のように光線数を半分にすることが可能になる。このことは、すなわち必要な二次元画像表示アレイの総画素数が半分で済むことになる。ホログラフィ型の３次元画像表示装置と異なり、光線を再現する方式の３次元画像表示装置において、装置規模及びコストを左右する要因として最も決定的なのは画素数であるから、本発明は画質の低下を最小限に抑えながら装置規模及びコストを最小にできる可能性がある。
【００２９】
図３は、実物体またはＣＧ（コンピュータグラフィクス）における仮想物体が発する波動としての連続的な光波の一例を表す図である。本発明は実物体又は仮想物体３０ａ、３０ｂが発する連続的な光波からなる光線群３０ａ、３０ｂの光線の角度ピッチ△θを観察者が静止する位置付近では最も高くし、周辺部にいくに従って段階的に低く（疎に）なるように、異なる角度刻みで配置することで、従来の半分の二次元画像表示素子の数であっても、観察者の目の疲労の少ない立体視を可能とし、実質的に図３における連続的な光波を観察しているのと同等な状態を実現することを目指したものである。
【００３０】
図４は本発明における光線の配置の仕方の一例をより具体的に説明するための図である。図４はスクリーン１から射出される非等間隔な角度ピッチの光線３ａが、三次元画像２ａを形成するように空間で交差し、その後観察者の眼球４の瞳４１に入射する様子を示している。図４に示すように、光線３ａは三次元画像２ａの正面付近（視域６の中心軸５付近）の光線密度が密であり、また周辺部の光線密度が正面付近の光線密度に比較して疎になるように配置されている。
【００３１】
超多眼条件として知られているように、瞳４１に複数の光線が入射した場合、図４に示すように、３次元画像２ａ上の光線の交点にピントが合うように、眼球４の水晶体（図示なし）の調節機構が働く。これにより、空間の注視点にピント合わせを行うことが可能になり、疲労が軽減される。図４では視域６の中心軸５付近では光線群３ａの光線密度が密であるため、中心軸５の近傍に観察者の瞳４１がある場合には複数の光線が単眼の瞳４１に入射し超多眼と同様な状態となる。
【００３２】
図５は、観察者が回り込んで３次元画像２ａを観察する様子を示す図である。同図に示すように、視域６の周辺領域では光線密度が疎であるため、三次元画像２ａからの光線のうち眼球４の瞳４１に入射するのは１本のみである．従って、眼球４の水晶体の調節は、スクリーン１にピントが合うように機能する。従って、図示しないもう一方の眼で３次元画像２ａを注視した場合には、注視点は光線群３ａの交点であるが、ピントが合う位置としてはスクリーン１となり、いわゆる輻輳調節矛盾の状態となる。
【００３３】
しかしながら、実際上は回り込んだ状態のままで長時間観察する機会は少ないため、疲労は実際上問題とならないと考えられる。むしろ、視域６の周辺部では、運動視差が不連続にならない程度に積極的に光線数を削減することで、同じ光線数で実現し得る視域６の範囲を拡大することが可能となる。
【００３４】
図６は、観察者の静止位置が、視域６の中心軸５にない場合を示す図である。三次元画像を複数人で観察する場合は、このような状祝は比較的多く起こり得る。そこで、観察者が一人又は複数人存在する場合には、光線群３ａの光線密度が密な領域（最も光線密度が高い領域）は、中心軸５付近ではなく、一人又は複数人の観察者のそれぞれの瞳の位置にずらすことが好ましい。これを行うには、カメラなどのセンサーで観察者の位置を検出するようにしておき、観察者の検出位置に光線が密に投射され、観察者から離れるに従って光線密度が疎になるように、スクリーン１に入射する光学系を調整すればよい。かかる光学系の詳細については後の実施例において後述する。
【００３５】
図７は、本発明になる三次元画像表示方法の一実施例のフローチャートを示す。まず、図３に示した実物体又は仮想物体２０ａ、２０ｂの観察方向中心を決定する（ステップＳ１０１）。これは三次元画像表示装置のスクリーン１の正面（視域の中心軸）であることが多いが、複数人観察を想定すると、センサーで観察者の位置を検出してから決定する必要がある。
【００３６】
次に、図３に示した実物体または仮想物体２０ａ、２０ｂからの光３０ａ、３０ｂを離散的な光線として非等間隔な角度ピッチで標本化して撮像する（ステップＳ１０２）。すなわち、実物体または仮想物体２０ａ、２０ｂからの広がりをもった連続的な光３０ａ、３０ｂを所定の角度刻みでサンプリングすることにより得られる離散的な光線群３ａ、３ｂを空間に多数配置することによりインテグラルフォトグラフィの原理に基づいて当該実物体又は仮想物体２０ａ、２０ｂの三次元画像（図１の２ａ、２ｂ）を再生する三次元画像表示を行うに当たり、まず、実物体または仮想物体２０ａ、２０ｂからの光３０ａ、３０ｂのサンプリングを、（３ａ）又は（３ｂ）式に基づく非等間隔な角度刻みで行う。
【００３７】
もし、十分微小な間隔で撮影できるのであれば等間隔で撮像しておき、後でそれらの一部を抜き出して使用してもよい。静止物に対してカメラを移動させながら撮影するような場合にはそれが可能である。動画を撮影する場合には、カメラ数を削減したいという要請があるため、やはり非等間隔な角度ピッチでカメラアレイまたはレンズアレイを配置する必要がある。ＣＧの場合には、仮想カメラの位置を非等間隔に設定すればよい。
【００３８】
続いて、多数の二次元画像を生成する（ステップＳ１０３）。カメラアレイで撮影した場合には、透視投影画像が撮像されているため、平行投影画像に変換する必要がある。高精細カメラにレンズアレイを装着することにより、画素単位でインターリーブされた画像を撮影した場合にはかかる変換の必要はない。
【００３９】
続いて、多数の二次元画像の１フレームを二次元画像表示素子アレイ上に表示する（ステップＳ１０４）。この二次元画像表示素子アレイについては後述する。続いて、二次元画像表示素子アレイ上の各々の二次元画像からの光を偏向光学素子により偏向する（ステップＳ１０５）。そして、その偏向の角度刻みが撮影時の角度刻みに一致しているかどうか判定し（ステップＳ１０６）、一致していない場合には、上記偏向光学素子の偏向角度を調整する。このようにして、最終的には二次元画像からの光の偏向の角度刻みが、撮影時の角度刻みに一致するように制御が行われる。なお、ステップＳ１０６における具体的な判定方法とその判定結果に基づく制御方法の具体例は後述する。
【００４０】
図８は、光線群３ａの各光線の角度刻み（角度ピッチ）が一定の場合（△θ：等間隔）の光線数対視域角特性Iと、本発明のような光線の角度刻み（角度ピッチ）が光線数Ｎの関数である場合（△θ（ｎ）：非等間隔）の光線数対視域角特性IIとを示す。原点は光線密度が最も密な領域を表しており、この特性図では視域角が０.３度である。約３５度の視域を実現するのに必要な光線数は、特性Iに示すように表示角度刻みが一定の場合には約１２０本の光線が必要であるのに対し、特性IIに示すように表示角度刻みが光線数Ｎの関数である本実施の形態の場合には、半分の約６０本の光線で済むことが分かる。
【実施例１】
【００４１】
次に、本発明になる三次元画像表示装置の具体的な実施例について詳細に説明する。図９は本発明の三次元画像表示装置の実施例１の表示系の構成図を示す。同図において、３原色のＬＥＤ光源（またはレーザー光源）１０、照明光学系１１、液晶表示素子１２及び投射レンズユニット１３はプロジェクタを構成している。プロジェクタは投影光学系を有する二次元画像表示装置であり、全体としては水平方向（図９では紙面に平行な方向）及び垂直方向に二次元的に複数配置されて、二次元画像表示装置アレイを構成している。なお、水平方向とは、例えば観察者の両眼を結ぶ方向に平行な方向である。投射レンズユニット１３は、例えば複数のレンズが二次元的に複数配置されたレンズアレイと、そのレンズアレイを構成する各レンズに対応して形成された開口が二次元的に複数配置された開口アレイとからなる。
【００４２】
また、投射レンズユニット１３の前方には、レンズ板７と垂直方向拡散スクリーン８とがほぼ一体化されて配置されている。レンズ板７と垂直方向拡散スクリーン８とは図１等に示したスクリーン１を構成している。垂直方向拡散スクリーン８は、垂直方向にのみ光線の拡散を行うスクリーンであり、これにより射出瞳が垂直方向にのみ拡大され、二次元的に配置された二次元画像表示装置アレイに共通の垂直表示角度範囲を発生させることができる。
【００４３】
図９の液晶表示素子１２は二次元画像表示装置を構成しており、図示しない再生装置とドライブ回路により被写体２０ａ、２０ｂの平行投影画像を表示させる。図９における液晶表示素子１２へのＬＥＤ光源１１からの光の導入の仕方は、原色光毎に光ファイバー束で分割して導入することで、色ムラのない均一照明を実現することができる。
【００４４】
この液晶表示素子１２は，画素の高密度化がしやすい反射型液晶表示素子であるＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）を使用することが好ましいが、もちろん、ＨＴＰＳ（High Temperature Poly-Silicon：高温ポリシリコンＴＦＴ液晶）に代表される透過型液晶あるいはＤＬＰ（Digital Light Processing：登録商標）などの他のマイクロディスプレイデバイス（Micro Display Device：ＭＤ）を用いることも可能である。
【００４５】
本実施例では、液晶表示素子１２と投射レンズユニット１３との配置位置を、三次元画像２ａ、２ｂが観察可能な角度範囲である視域の中心付近又は観察者の瞳付近の光線密度が最も密であり、当該視域の中心付近又は観察者の瞳付近から視域の端部に向かうに従って光線密度が段階的により疎になるように設定する点に特徴がある。液晶表示素子１２の中心位置と投射レンズユニット１３の中心位置との間の水平方向又は垂直方向の距離が小さいほど上記光線密度を密にすることができる。
【００４６】
次に、本実施例の動作について説明する。ＬＥＤ光源（またはレーザー光源）１０から発光された照明光が、光ファイバー束を介して照明光学系１１に入射し、ここで直線偏光の照明光とされて液晶表示素子１２を照明する。液晶表示素子１２は図示しない再生装置とドライブ回路により被写体２０ａ、２０ｂの平行投影画像である二次元画像を表示する。
【００４７】
この液晶表示素子１２から出射される二次元画像の光線は、図示しない偏光ビームスプリッタをテレセントリックな状態で透過した後、投射レンズユニット１３に入射する。この投射レンズユニット１３は、液晶表示素子１２の拡大像をレンズ板７と垂直方向拡散スクリーン８とからなるスクリーン付近に結像させる。
【００４８】
ここで、二次元配置された多数の液晶表示素子１２のうち、少なくとも水平方向の複数の液晶表示素子の各画素と投射レンズユニット１３の入射中心位置とを設定することにより、実物体又は仮想物体からの光を非等間隔な角度刻みでサンプリングすることにより得られる光線群を所定の平面上で記録した多数の二次元画像の拡大像を得ることができる。この拡大像を構成する光線群の光線密度は、前述したように、視域の中心軸付近又は観察者の瞳の位置において最も高くなり、その周辺ほど低くなるようにされている。
【００４９】
この拡大像の光線はレンズ板７によりテレセントリック化された後、垂直方向拡散スクリーン８により垂直方向にのみ射出瞳が拡大され、複数本の平行光を一組とする複数組の光線からなる光線群３ａ、３ｂの交点が空間に生成され、三次元画像２ａ、２ｂを空間に表示させる。なお、本実施例では、実物体又は仮想物体の発する光線を特定の視点から標本化（サンプリング）した画像（視点画像）として表現するのではなく、実物体又は仮想物体の発する光線を角度単位で標本化（サンプリング）することにより、光線空間を再現するために準平行光線が必要となる。
【００５０】
この準平行光線という意味は、投射レンズユニット１３の開口絞り中心を通る主光線同士が平行（テレセントリック）な状態にあることに加え、主光線の周りの外縁光線についても発散角が小さいということである。このような発散角の小さなテレセントリック光線（準平行光線）を空間に投射させて、これらの光線の交点を空間の異なる奥行き範囲に形成することにより、三次元画像を表示することができる。
【００５１】
このような本実施例によれば、同一の視域を実現するのに必要な光線数を従来の構成に比べて削減できるため、必要な二次元画像表示装置（液晶表示素子１２）の数または総画素数が削減でき、従って三次元画像表示装置のコストダウンが実現される。また、本実施例によれば、従来の半分の二次元画像表示装置の数であっても、光線を密に表示する視域の中央付近では目の疲労の少ない立体視が可能であり、同時に光線を疎に表示する周辺部では運動視差により三次元画像を回り込んで観察できるため、観察者にとって違和感のない自然な三次元画像表示の実用化が可能となる。
【実施例２】
【００５２】
図１０は本発明になる三次元画像表示装置の実施例２の表示系の構成図を示す。同図中、図９と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。図１０に示す実施例は、実物体又は仮想物体からの光を非等間隔な角度刻みでサンプリングすることにより得られる光線群３ａ、３ｂを所定の平面上で記録した多数の二次元画像の各々を画素毎にインターリーブして表示するフラットパネルディスプレイ１５と、フラットパネルディスプレイ１５に表示された二次元画像からの光線をサンプリング角度刻みに対応した角度刻みで偏向してテレセントリック化する偏向光学素子アレイ１６とを有する点に特徴がある。
【００５３】
現時点ではマルチプロジェクション型の構成が最も高画質な３次元画像の表示を実現できる。しかし、将来的にフラットパネルディスプレイ１５の解像度が上がれば、薄型の３次元ディスプレイを実現できる。この場合、偏向光学素子アレイ１６として、屈折率が可変なレンズアレイを使用することが好ましい。屈折率が可変なレンズとしては例えば、バリオプティック（Varioptic）株式会社製の液体レンズが使用可能である。
【実施例３】
【００５４】
図１１は本発明になる三次元画像表示装置の実施例３の構成図を示す。同図中、図９と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。本実施例は、図９の構成の３次元画像表示系３１と、その入力側に設けられた３次元実写画像撮像系２１とからなる構成である。３次元画像表示系３１は、Ｎ個の２次元配置された２次元画像表示素子１２１〜１２Ｎと、偏向光学素子１３１〜１３Ｎと、この偏向光学素子１３１〜１３Ｎを個別に駆動するアクチュエータ１３ａ１〜１３ａＮとから構成されている。
【００５５】
ここで、２次元画像表示素子１２１〜１２Ｎの各々は液晶表示素子１２である。また、偏向光学素子１３１〜１３Ｎの各々は投射レンズユニット１３である。なお、３次元画像表示系３１には図９に示したように、レンズ板７及び垂直方向拡散スクリーン８も設けられているが、図示の便宜上、省略してある。
【００５６】
また、３次元実写画像撮像系２１は、実物体２０ａ、２０ｂからの光波を離散的な光線として非等間隔な角度ピッチで標本化して撮像するＮ台のカメラ２２１〜２２Ｎが設けられている。カメラ２２１〜２２Ｎにより図７のステップＳ１０２の処理が実現される。カメラ２２１〜２２Ｎからの撮像信号は、それぞれ対応して設けられたパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣ）２３１〜２３Ｎに供給され、ここで図７のステップＳ１０３で示した二次元画像が生成される。
【００５７】
ＰＣ２３１〜２３Ｎから出力された二次元画像信号は、補間画像生成ＰＣ２４に供給され、ここでその１フレームを二次元画像表示素子１２１〜１２Ｎに供給して表示させると共に、アクチュエータ１３ａ１〜１３ａＮに標本化角度データを供給して、対応して設けられた偏向光学素子１３１〜１３Ｎを互いに独立して二次元画像表示素子１２１〜１２Ｎに対する相対位置を制御して前述したように、例えば視域の中心軸付近又は観察者の瞳の位置において光線群の光線密度が最も高くなり、その周辺ほど低くなるようにされる。これにより、図７のステップＳ１０４及びＳ１０５が実現される。
【実施例４】
【００５８】
図１２は本発明になる三次元画像表示装置の実施例４の構成図を示す。同図中、図９及び図１１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。本実施例は、図９及び図１１の構成の３次元画像表示系３１と、その入力側に設けられた３次元ＣＧ画像生成系２５とからなる構成である。
【００５９】
３次元ＣＧ画像生成系２５は、ＣＧデータによる仮想物体をＮ台のＰＣ２６１〜２６Ｎにより、仮想物体からの光波を離散的な光線として非等間隔な角度ピッチで標本化して撮像したと同様な撮像信号が生成される。ＰＣ２６１〜２６Ｎにより図７のステップＳ１０２の処理が実現される。続いて、ＰＣサーバ２７が、ＰＣ２６１〜２６Ｎからの信号に基づいて多数の二次元画像を生成した後、ここでその１フレームを二次元画像表示素子１２１〜１２Ｎに供給して表示させると共に、アクチュエータ１３ａ１〜１３ａＮに標本化角度データを供給して、対応して設けられた偏向光学素子１３１〜１３Ｎを互いに独立して二次元画像表示素子１２１〜１２Ｎに対する相対位置を制御して前述したように、例えば視域の中心軸付近又は観察者の瞳の位置において光線群の光線密度が最も高くなり、その周辺ほど低くなるようにされる。これにより、図７のステップＳ１０４及びＳ１０５が実現される。
【実施例５】
【００６０】
図１３は本発明になる三次元画像表示装置の実施例５の構成図を示す。同図中、図９及び図１１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。本実施例は、実施例３に、三次元画像を撮像する角度刻み検出用カメラ３５を追加し、図７のステップＳ１０６の処理を実現する点に特徴がある。前記ステップＳ１０６において、偏向の角度刻みは、表示された三次元画像に基づいて検出する。すなわち、三次元画像２ａ又は２ｂとして三次元格子などの既知のテストパターンを表示しながら、これらを図１３に示す角度刻み検出用カメラ３５でモニタし、正規の表示位置からの位置ずれ量に基づいて偏向の角度刻みのずれ量を検出する。
【００６１】
正規の表示位置は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向に動作する直動ステージにこの角度刻み検出用カメラ３５を装着することで測定することができる。すなわち、正規の表示位置は、三次元画像として表示された格子パターンの交点位置が角度刻み検出用カメラ３５による撮影画像中心にくるときの直動ステージの移動量と正規の表示位置との差（ずれ量）を正確に検出することにより測定することができる。
【００６２】
このずれ量を誤差データとして、ＰＣサーバ２７に帰還し、ここで補正された標本化角度データにより偏向光学素子１３１〜１３Ｎのアクチュエータ１３ａ１〜１３ａＮの駆動量及び駆動方向を制御することにより、図７のステップＳ１０５とＳ１０６の動作を繰り返し、最終的にはステップＳ１０６で偏向の角度刻みが撮像時の角度刻みに一致するようにすることができる。偏向光学素子１３１〜１３Ｎの例としては投射レンズ、アクチュエータ１３ａ１〜１３ａＮとしては、投射レンズの光軸を２次元画像表示素子１２１〜１２Ｎの光軸に対して偏心させるレンズシフト機能を採用することが可能である。
【００６３】
なお、本発明は、以上の実施例に限定されるものではなく、例えば、水平方向視差をもつ場合だけでなく、垂直方向視差をもつインテグラルフォトグラフィでも実施し得ることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の三次元画像表示方法の一実施例の光線の配置を示す図である。
【図２】従来の三次元画像表示方法における離散的な光線群の一例を示す図である。
【図３】実物体または仮想物体からの連続的な光波を示す図である。
【図４】本発明の三次元画像表示方法における光線が眼球に入射する状態を示す図である。
【図５】観察者が回り込んで３次元画像を観察する様子を示す図である。
【図６】観察者の静止位置が、視域の中心軸にない場合を示す図である。
【図７】本発明の三次元画像表示方法の一実施例のフローチャートである。
【図８】光線数Ｎと得られる視域との関係を、従来と本実施例とで対比して示す特性図である。
【図９】本発明の三次元画像表示装置の実施例１の表示系の構成図である。
【図１０】本発明の三次元画像表示装置の実施例２の表示系の構成図である。
【図１１】本発明の三次元画像表示装置の実施例３の構成図である。
【図１２】本発明の三次元画像表示装置の実施例４の構成図である。
【図１３】本発明の三次元画像表示装置の実施例５の構成図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  二次元画像表示面のスクリーン
２ａ、２ｂ  三次元画像
３ａ、３ｂ  三次元画像を構成する光線群
２０ａ、２０ｂ  実物体または仮想物体
３０ａ、３０ｂ  実物体または仮想物体からの光
４  観察者の眼球
４１  瞳
５  光軸（視域の中心軸）
６  視域
７  レンズ板
８  垂直方向拡散スクリーン
１０  ３原色のＬＥＤ光源（またはレーザー光源）
１１  照明光学系
１２  液晶表示素子
１２１〜１２Ｎ  二次元画像表示素子
１３  投射レンズユニット
１３１〜１３Ｎ  偏向光学素子
１３ａ１〜１３ａＮ  アクチュエータ
１５  フラットパネルディスプレイ
１６  偏向光学素子アレイ
２１  ３次元実写画像撮像系
２２１〜２２Ｎ  カメラ
２３１〜２３Ｎ  パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
２４  補間画像生成ＰＣ
２５  ３次元ＣＧ画像生成系
２６１〜２６Ｎ  仮想カメラ（ＰＣ）
２７  ＰＣサーバ
３１  ３次元画像表示系
３５  角度刻み検出用カメラ
【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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１】
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【図２】
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【図９】
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【図１０】
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