(57)【要約】      （修正有）【課題】両眼視差を与える特殊な眼鏡等を用いずに、表示像がスクリーン等のない空中に投影され、水平・垂直方向ともに視差を与えることができ、周囲３６０度から観察可能で、動画表示を行うことができる３次元画像表示装置を提供する。【解決手段】３次元画像を表示する３次元画像表示手段と、ディスプレイからの入射光を屈曲させて入射角度に対する出射角度を変えるものであって、素子面が光の入射方向に対して傾斜した状態で回転可能な走査素子と、上記走査素子から入射された光を結像させる凹面鏡とを備える３次元映像表示装置。【選択図】図１
2012008298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元画像を表示する３次元画像表示手段と、
上記３次元画像表示手段からの入射光を屈曲させて入射角度に対する出射角度を変える、回転可能な走査素子と、
上記走査素子から入射された光を結像させる凹面鏡と、
を備える３次元映像表示装置。
【請求項２】
上記３次元画像表示手段が、
２次元画像を表示する２次元ディスプレイと、
上記２次元ディスプレイから発せられる光線の方向を制御する光路制御手段と、
を備える請求項１記載の３次元映像表示装置。
【請求項３】
上記走査素子が、上記３次元画像表示手段からの入射光を上記凹面鏡に反射させる、素子面が入射光の入射方向に対して傾斜した状態で回転可能なミラースキャナである
請求項１又は２記載の３次元映像表示装置。
【請求項４】
上記走査素子が、上記３次元画像表示手段からの入射光を屈折させる、素子面が入射光の入射方向に対して直交又は傾斜した状態で回転可能なプリズムである
請求項１又は２記載の３次元映像表示装置。
【請求項５】
さらに、上記３次元画像表示手段からの光を結像させる結像手段を備え、
上記走査素子が、上記結像手段からの入射光を屈曲させる
請求項１から４の何れかに記載の３次元映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクリーンや表示パネルが存在しない空中に３次元像を形成し、眼鏡等の装着物を必要とせず、周囲３６０度から多人数で観察可能な立体表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、３次元画像表示方法は数多く存在するが、特殊なメガネを用いずに自然な裸眼立体表示ができる手法として、インテグラルフォトグラフィ方式、体積走査法、ホログラフィ等がある。
【０００３】
インテグラルフォトグラフィ方式とは、被写体から出る光線を取得・再生することにより立体映像をディスプレイ上で映し出す光線再生型立体ディスプレイで、同時に複数の観察者に立体画像を提示することができたり、観察者が顔を横に向けても立体視ができたりする。
【０００４】
体積走査法とは、物体の各位置における２次元切断面の画像を結像系の移動に同期させて高速で切り換えて表示し、目の残像効果を利用し空間に像を再生する方法である。この方法では立体視の要因を全て満たした３次元画像が再現できる。
【０００５】
ホログラフィは、光波の干渉現象を巧みに利用してある面で光波面をホログラムとして記録し、ホログラムに再生光を照射することで回折により記録した波面を再生する技術である。十分な解像度を持つホログラムを作成することができると、実物からの波面を忠実に再現することができる特徴を持つ。
【０００６】
また、下記特許文献１には、凹面鏡の反射像により、ディスプレイによる等映像を、空間に映し出されて宙に浮いた映像として見ることのできる映像装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実用新案登録３０６３００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしどの方式においても、何もない自由空間に立体像を表示し、あたかも物体が存在するかのように360度全周にわたっての観察ができるディスプレイは未だ存在しない。３６０度の視野角をもつ表示手法がいくつか開発されているが、その像は回転するスクリーン上やホログラフィの円柱形の記録乾板の内側にできる。また、空間上に表示できる手法も開発されているが、表示像を観察可能な視野が限られる。空間表示と360度の視野といった２つの要素を同時に満たすものに空中プラズマ方式があるが、オクルージョンの表現、カラー化、安全性等に問題がある。なお、特許文献１の映像装置は、２次元画像を空間に宙に浮いた映像として映し出すものであって、立体像を何もない自由空間に表示するものではない。
【０００９】
そこで本方式では、インテグラルフォトグラフィ方式等によるフルパララクス３次元画像、凹面鏡による結像、ミラースキャナ等の走査素子の回転機構を利用することで、空間に３６０度の視野角をもつ３次元像を表示するディスプレイの一方式を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の３次元映像表示装置は、３次元画像を表示する３次元画像表示手段と、上記ディスプレイからの入射光を屈曲させて入射角度に対する出射角度を変えるものであって、素子面が光の入射方向に対して傾斜した状態で回転可能な走査素子と、上記走査素子から入射された光を結像させる凹面鏡とを備える。この走査素子は、凹面鏡の中心付近に配置される。
【００１１】
上記３次元画像表示手段として、２次元画像を表示する２次元ディスプレイと、上記２次元ディスプレイから発せられる光線の方向を制御する光路制御手段とを用いてもよい。上記光路制御手段には、例えばフライアイレンズやピンホール等を用いることができる。また、上記走査素子には、上記ディスプレイからの入射光を上記凹面鏡に反射させるミラースキャナや、上記ディスプレイからの入射光を屈折させるプリズム等を用いることができる。さらに、本発明の３次元映像表示装置は、上記３次元画像表示手段からの光を結像させる結像手段を備え、上記走査素子が、上記結像手段からの入射光を屈曲させるようにしても良い。
【００１２】
以上の構成により、３次元画像表示手段から発せられる光線は走査素子付近で結像し、この結像した像が凹面鏡で反射することによって再び凹面鏡の中心付近に実像を作り出し、観察者からは3次元空間上に像が浮かび上がっているかのように見ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の３次元画像表示装置によれば、両眼視差を与える特殊な眼鏡等を用いずに、表示像がスクリーン等のない空中に投影され、水平・垂直方向ともに視差を与えることができ、周囲３６０度から観察可能で、動画表示を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る３次元画像表示装置の概略構成図
【図２】インテグラルフォトグラフィ方式の撮影と表示についての説明図
【図３】インテグラルフォトグラフィの原理について説明するための図
【図４】第１の実施形態における凸レンズの配置を説明する図
【図５】第２の実施形態に係る３次元画像表示装置の概略構成図
【図６】第２の実施形態におけるプリズムシートの概略構成図
【図７】第３の実施形態に係る３次元画像表示装置の概略構成図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の第１の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る３次元画像表示装置の概略構成図である。３次元画像表示装置１は、インテグラルイメージング光学系Ａ、リレー光学系Ｂ、全周囲走査光学系Ｃに分類される。
【００１６】
まず、インテグラルイメージング光学系Ａについて説明する。インテグラルイメージング光学系Ａは、３次元画像を表示する３次元画像表示手段であり、本実施形態では、２次元画像を表示する２次元ディスプレイと、上記２次元ディスプレイから発せられる光線の方向を制御する光路制御機構を有するインテグラルフォトグラフィ方式による３次元画像を用いている。なお、３次元画像表示手段は、３次元画像を表示することができれば特に限定されない。
【００１７】
ここで、インテグラルフォトグラフィ方式（Ｉｎｔｅｇｒａｌ
Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ方式、以下ＩＰ方式という）の基本原理について説明する。図２は、ＩＰ方式の撮影と表示についての説明図である。
【００１８】
本実施形態で用いるＩＰ方式は、フライアイレンズ等のレンズアレイの焦点面に写真乾板を置き、この乾板に種々の異なる方向から眺めた無数の微小等立像（要素画像）を撮影、記録する。この乾板と同寸法に焼き付けた陽画を元の乾板の位置に正確に置き複眼レンズ板を通してみると撮影時と同じ位置に実像が再現されるというものである（図２参照）。
【００１９】
この像は奥行きが反転して見えるという欠点を持つが、これを克服するため撮影した画像をもう一度複眼レンズで撮影する。レンチキュラ方式とは違い水平・垂直ともに視差をもった像を表示することができる。両眼視線の交点（輻輳点）と画像ピント調節点（表示面）が、ほぼ一致するため疲労感も少ない。
【００２０】
表示デバイスに要求される解像度や計算処理量は比較的少ない点、撮影は行わずに光線追跡とコンピュータグラフィックスにより表示画像を作成することも可能である点等の理由から、本実施形態ではＩＰ方式を採用しているが、ＩＰ方式以外にも、例えば体積走査法、ホログラフィ等の公知の３次元画像表示技術を用いてもよい。
【００２１】
体積走査法は、物体の各位置における２次元切断面の画像を結像系の移動に同期させて高速で切り換えて表示し、目の残像効果を利用し空間に像を再生する方法である。この方法では立体視の要因を全て満たした３次元画像が再現できる。
【００２２】
ホログラフィは、光波の干渉現象を巧みに利用してある面で光波面をホログラムとして記録し、ホログラムに再生光を照射することで回折により記録した波面を再生する技術である。十分な解像度を持つホログラムを作成することができると、実物からの波面を忠実に再現することができる。
【００２３】
本実施形態では、ＩＰ方式を採用しているため、２次元ディスプレイ２とレンズアレイ３で構成されており、２次元ディスプレイ２からの光をレンズアレイ３に通過させて、観察方向により異なる画像を提示する。
【００２４】
ここで、２次元ディスプレイ２とは、画面に映像を表示する一般的な意味でのディスプレイ装置だけでなく、プロジェクタ等で投射された映像を映すスクリーン等の映像を表示可能なもの全般を含み、表示面は平面だけでなく曲面であってもよい。液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等種々のものを用いることができる。
【００２５】
本実施形態の２次元ディスプレイ２は、光源から光を照射してその反射光を利用することで、表示させる物体の切断面画像を作成する。すでに実用化されているディスプレイを用いればよく、例えば高速に画像を切り替えることが可能なTexas  Instruments社製の「DMD  Discover1100  ControllerBoard」を使用することができる。
【００２６】
レンズアレイ３は、複数の凸レンズ３ａが同一面上に配置されたフライアイレンズからなり、各凸レンズ３ａを通過する光を結像させる。図３を用いてインテグラルフォトグラフィの原理について説明する。観察者が実際の物体を観察できるのは、物体に光が当たりその反射光が観察者の眼に届くためである。ＩＰ方式では、この反射光と同じ光線を再現する。
【００２７】
凸レンズ３ａの焦点面の１点（点光源）から出る光は、点光源とレンズ３ａの中心を通る直線方向にレンズと同等の径で平行光として進む（図３（ａ））。この原理を利用し３次元空間上のある１点にいくつかの平行光線を集めれば、平行光線の進む方向から光を観察すると、観察者にとってはその１点から光が発せられているかのように見える（図３（ｂ））。この点をいくつも並べることで面を作成し、空間上に３次元画像を投影することができる。
【００２８】
投影された３次元画像Ｏが画面からどれくらい飛び出して表示されるか、どの程度の視野角で観察できるかは、観察者の眼に入る光線の数と実現できる光線の角度に依存する。この光線の数と角度は、レンズアレイ３の１つの凸レンズ３ａの裏にある画素数、レンズ径、焦点距離によって決定される。
【００２９】
なお、上記２次元ディスプレイから発せられる光線の方向を制御する光路制御手段として、上記フライアイレンズに代えてピンホールアレイやその他回折素子を用いることもできる。
【００３０】
次に、リレー光学系Ｂについて説明する。リレー光学系Ｂは２枚の平凸レンズ４ａ、４ｂで構成されており、インテグラルイメージング光学系からの光を全周囲走査光学系に導くための結像光学系である。
【００３１】
インテグラルフォトグラフィの原理に基づき表示された３次元像の各光線は、２枚の平凸レンズ４ａ、４ｂを通る。ここで２枚の平凸レンズ４ａ、４ｂを組み込んだ理由を説明する。
【００３２】
図４は、本実施形態における凸レンズの配置を説明する図である。インテグラルフォトグラフィ方式による３次元像の解像度とサイズを大きくするためには、３次元像の形成位置をインテグラルイメージング光学系に近くするほうが有利である。すると３次元像と後述する回転ミラー５との距離が長くなる。
【００３３】
２次元ディスプレイ２とフライアイレンズ３自体を回転ミラー５近傍に設置することは、最終的に３次元像が再生される位置にかぶさるためできない。結像位置を伸ばすだけなら凸レンズ１枚でも可能であるが、像からの光線はフライアイレンズから出る光線を正確に再現することができない。この様子を図４（ａ）に示す。像から発せされる光線は外向きに広がる光線となるため、像の両端を同時に観察することができなくなる。
【００３４】
また、図４（ｂ）に示されるように、2枚の平凸レンズを焦点距離の2倍離して挿入するだけでは光線を再現できない。図４（ｃ）のようにデルタｆを調整することで正確な光線の向きを再現できる。
【００３５】
以上のようにして、２次元ディスプレイ２の各画素から発せられる光線は、フライアイレンズ３と２枚の平凸レンズ４ａ、４ｂを通過する。
【００３６】
次に、全周囲走査光学系Ｃについて説明する。全周囲走査光学系Ｃは、回転ミラー５と凹面鏡６により構成され、ミラー５を回転させて凹面鏡６への光の入射位置を変えることにより，異なる方向から観察できる立体映像を形成する。
【００３７】
回転ミラー５は、上記平凸レンズ４ａ、４ｂを通過した光を反射するもので、サイズ、材質等については特に限定されない。回転ミラー５は、平凸レンズ４ａ、４ｂから入射した光の軸方向に対して傾斜した状態で設けられており、その光軸を中心に回転可能となっている。
【００３８】
回転ミラー５を高速に回転させ、その角度に応じて見える画像を表示することで全周囲立体映像を形成することができる。すなわち、回転ミラー５を水平方向に人の眼の残像閾値である１８Ｈｚ以上の速さで回転させ、２次元ディスプレイ２に回転ミラー５の向きに同期した画像を表示することで、空間上に３６０度の視野角と滑らかな視差を持つ３次元像Ｏを再現することができる。
【００３９】
以上のように、２枚の平凸レンズ４ａ、４ｂにより回転ミラー５近傍に結像した３次元像は、凹面鏡６により再び凹面鏡６の中心付近の空間に結像し、これを３次元画像Ｏとして観察することができる。
【００４０】
次に、第２の実施形態に係る３次元映像表示装置５１について説明する。第１の実施形態と共通する点は説明を省略し、主として異なる点について説明する。図５は、本実施形態に係る３次元画像表示装置５１の概略構成図である。本実施形態と第１の実施形態が異なる点は走査素子としてプリズムシート５５が用いられている点であり、２次元ディスプレイ５２、フライアイレンズ５３、凸レンズ５４ａ、５４ｂ、凹面鏡５６は第１の実施形態と同様の構成となっている。図５のプリズムシート５５は、素子面が入射光の入射方向に対して直交した状態であるが、傾斜した状態であっても構わない。
【００４１】
図６は、本実施形態におけるプリズムシート５５を斜め上から見た概念図である。プリズムシート５５は、スリット状の細長いプリズム５５Ａを断面鋸刃状に並べたものであり、素子面から入射した光を別方向に屈折させて出射させる。従って、素子面に垂直な軸を中心に面内方向で回転させることにより、入射光に対するプリズム角度が変化していき、光線走査ができる。
【００４２】
図６中の下側の平らな部分に光を入射させ、上側の鋸刃状の部分から出射させる。このように、走査部分にプリズムシート５５を用いることで反射光学系よりも光学系の構成が簡易になり、システムを小型化することができる。なお、本実施形態のプリズムシート５５は、図６のように、プリズムシートの片方の面（すなわち、入射光が入射する面と反対側の面）のみに対して、断面が鋸刃状になるように形成されているが、光線の集束状態の向上などを目的として、その反対側の面（すなわち、入射光が入射する面）も断面が鋸刃状になるように形成してもよい。
【００４３】
次に、第３の実施形態に係る３次元映像表示装置について説明する。第１の実施形態と共通する点は説明を省略し、主として異なる点について説明する。図７は、本実施形態に係る３次元画像表示装置７１の概略構成図である。本実施形態の３次元映像表示装置７１は、第１の実施形態と同様、２次元ディスプレイ７２と、レンズアレイ７３と、凸レンズ７４Ａ、７４Ｂと、回転ミラー７５と、凹面鏡７６とで構成されている。
【００４４】
本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、構成要素の配置である。すなわち、第１の実施形態のインテグラルイメージング光学系（２次元ディスプレイ２、レンズアレイ３）は、凹面鏡６の正面側（すなわち、凹面鏡が結像する焦点側）に配設しているが、本実施形態のインテグラルイメージング光学系（２次元ディスプレイ７２、レンズアレイ７３）は、凹面鏡７６の焦点側の反対側である背面側に配設している。
【００４５】
これにより、インテグラルイメージング光学系からの光は凹面鏡７６の背面側から回転ミラー７５へと入射し、凹面鏡７６の正面側に３次元画像Ｏが結像される。こうすることで、インテグラルイメージング光学系（２次元ディスプレイ７２、レンズアレイ７３）が、最終的に３次元像Ｏが再生される位置にかぶさることはない。また、凹面鏡７６の焦点側から見る観察者が、インテグラルイメージング光学系からの光路（２次元ディスプレイ７２から回転ミラー７５への光路）を遮断してしまうということもない。
【符号の説明】
【００４６】
１  ３次元画像表示装置
２  ２次元ディスプレイ
３  レンズアレイ
４ａ、４ｂ  平凸レンズ
５  回転ミラー
６  凹面鏡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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