(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示装置と縦方向にのみ光を収束する結像光学系とホログラムスクリーンとを有する光学式表示装置であって、
前記ホログラムスクリーンはその表面が複数の領域に分割され、
各々の領域毎において点光源からの光を反射して前記点光源とは異なるホログラムスクリーンの前後を含む空間位置に実像である点像として、前記それぞれの複数の領域毎に前記ホログラムスクリーンとは異なる奥行き位置に平面的に結像するよう構成され、
前記結像光学系は前記画像表示装置に表示された画像をその縦方向の焦点が前記ホログラムスクリーン上に一致するよう構成されていることを特徴とする光学式３次元動画表示装置。
【請求項２】
２台の画像表示装置と縦方向にのみ光を収束する結像光学系とホログラムスクリーンとを有する光学式表示装置であって、
前記ホログラムスクリーンはその表面が複数の領域に分割され、
各々の領域毎において点光源からの光を反射して前記点光源とは異なるホログラムスクリーンの前後を含む空間位置に実像である点像として、前記それぞれの複数の領域毎に前記ホログラムスクリーンとは異なる奥行き位置に平面的に結像するよう構成され、
前記結像光学系は前記画像表示装置に表示された画像をその縦方向の焦点が前記ホログラムスクリーン上に一致するよう構成され、
画像表示装置は互いに異なった偏光特性を持つ光を出射するように構成されそれぞれの映像は前記複数の領域に対応した空間位置を基準とした２視点からの映像であり、これを観察者が左右眼の偏光特性の異なる偏光眼鏡を装着することによって前記２視点からの映像を立体視して観察することを特徴とする光学式３次元動画表示装置。
【請求項３】
１台の画像表示装置と縦方向にのみ光を収束する結像光学系とホログラムスクリーンとを有する光学式表示装置であって、
前記ホログラムスクリーンはその表面が複数の領域に分割され、
各々の領域毎において点光源からの光を反射して前記点光源とは異なるホログラムスクリーンの前後を含む空間位置に実像である点像として、前記それぞれの複数の領域毎に前記ホログラムスクリーンとは異なる奥行き位置に平面的に結像するよう構成され、
前記結像光学系は前記画像表示装置に表示された画像をその縦方向の焦点が前記ホログラムスクリーン上に一致するよう構成され、
画像表示装置は前記複数の領域に対応した空間位置を基準とした２視点からの映像を時分割で切り替えて表示し、これを観察者が左右眼を交互に観察可能なシャッタ眼鏡を装着して前記２視点からの映像を立体視して観察することを特徴とする光学式３次元動画表示装置。
【請求項４】
１台の画像表示装置と縦方向にのみ光を収束する結像光学系とホログラムスクリーンとを有する光学式表示装置であって、
前記ホログラムスクリーンはその表面が複数の領域に分割され、
各々の領域毎において点光源からの光を反射して前記点光源とは異なるホログラムスクリーンの前後を含む空間位置に実像である点像として、前記それぞれの複数の領域毎に前記ホログラムスクリーンとは異なる奥行き位置に平面的に結像するよう構成され、
前記結像光学系は前記画像表示装置に表示された画像をその縦方向の焦点が前記ホログラムスクリーン上に一致するよう構成され、
画像表示装置は前記複数の領域に対応した空間位置を基準とした２視点からの映像を時分割で出射光の偏光特性を切り替えて表示し、これを観察者が左右眼で異なる偏光特性を有する偏光眼鏡を装着して前記２視点からの映像を立体視して観察することを特徴とする光学式３次元動画表示装置。
【請求項５】
２台の画像表示装置と縦方向にのみ光を収束する結像光学系とホログラムスクリーンとを有する光学式表示装置であって、
前記ホログラムスクリーンはその表面が複数の領域に分割され、
各々の領域毎において点光源からの光を反射して前記点光源とは異なるホログラムスクリーンの前後を含む空間位置に実像である点像として、前記それぞれの複数の領域毎に前記ホログラムスクリーンとは異なる奥行き位置に平面的に結像するよう構成され、
前記結像光学系は前記画像表示装置に表示された画像をその縦方向の焦点が前記ホログラムスクリーン上に一致するよう構成され、
前記ホログラムスクリーンはそれぞれの画像表示装置からの光が観察者の左右眼それぞれ近辺の空間位置に、横方向のみに結像するように構成され、
前記画像表示装置それぞれの映像は前記複数の領域に対応した空間位置を基準とした２視点からの映像であり、これを観察者が眼鏡無しで観察することによって前記２視点からの映像を立体視して観察することを特徴とする光学式３次元動画表示装置。
【請求項６】
前記複数の領域は、横方向の結像位置が異なるように、ホログラムスクリーン上の縦方向に、短冊状に分割した領域とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学式３次元動画表示装置。
【請求項７】
画像表示装置と縦方向にのみ光を収束する結像光学系とホログラムスクリーンとを有する光学式表示装置であって、
前記ホログラムスクリーンはその表面が複数の領域に分割され、
各々の領域毎において点光源からの光を反射して前記点光源とは異なるホログラムスクリーンの前後を含む空間位置に実像である点像として、前記それぞれの複数の領域毎に前記ホログラムスクリーンとは異なる奥行き位置に平面的に結像するよう構成され、
前記結像光学系は前記画像表示装置に表示された画像をその縦方向の焦点が前記ホログラムスクリーン上に一致するよう構成されていることを特徴とする光学式３次元静止画表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば動画像情報の表示を３次元的に行う光学式３次元動画表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ホログラムスクリーンを用いて空間に画像を表示するものとして、種々のものがある。本出願人も平成９年１０月に出願した、例えば特願平９−２７８４０２号に記載のものがある。図１６はこれの構成を示すもので、１０１は光学式表示装置、１０２はホログラムスクリーン、１０３はシリンドリカルレンズ、１０４はＬＥＤ表示装置である。
【０００３】
これは、画像表示装置と結像光学系とホログラムスクリーンとからなり、前記ホログラムスクリーンは点光源からの光（単色光）を反射し前記点光源とは異なる位置（例えば図中αの部分）に実像である点像として結像するよう構成されている。この構成により、光学式表示装置で表示される映像が、βのような空間中の平面に定位し、観察者はあたかも映像がβの位置にあるように鑑賞することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記のような構成では、３次元的な形状を３次元表示することはできない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、画像表示装置と縦方向にのみ光を収束する結像光学系とホログラムスクリーンとを有する光学式表示装置であって、前記ホログラムスクリーンはその表面が複数の領域に分割され、各々の領域毎において点光源からの光を反射して前記点光源とは異なるホログラムスクリーンの前後を含む空間位置に実像である点像として、前記それぞれの複数の領域毎に前記ホログラムスクリーンとは異なる奥行き位置に平面的に結像するよう構成され、前記結像光学系は前記画像表示装置に表示された画像をその縦方向の焦点が前記ホログラムスクリーン上に一致するよう構成されている。
【０００６】
それぞれの領域により表示される映像が２視点の映像を多重化しており、観察者の左右眼に２視点の画像がそれぞれ独立に提示され、３次元的な形状を立体的に観察できるものである。
【０００７】
これによって、３次元的な形状を動画にて観察者は観察でき、ホログラムスクリーンの作用によって、両眼立体視による観察者の輻輳角と眼の調節機能の矛盾を抑圧し、自然で疲れにくい３次元表示を実現することが出来る。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の光学式３次元動画表示装置について、その実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【０００９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における光学式表示装置の構成を示す側面図である。図１において、１は本実施の形態の光学式３次元動画表示装置、２はホログラムスクリーン、３はシリンドリカルレンズ、４は画像表示装置である。
【００１０】
尚、図に示したように、幅方向（図面に垂直）をｘ方向、長手方向をｙ方向、上下方向をｚ方向とする。
【００１１】
図１（ｂ）に示すように、画像表示装置４に表示された画像はシリンドリカルレンズ３によってホログラムスクリーン２上に投影され、このホログラムスクリーン２によって回折反射された画像は、その回折反射領域＃０〜＃３によって＃０〜＃３の各想表示面上に再生結像される。ホログラムスクリーン２の回折反射領域及び、それに対応する仮想表面位置の例を図１（ａ）に示す。
【００１２】
ここで画像表示装置４の画像は、図２に示すように、周期的な４つの簾状の領域に分かれており、４種類の画面からその画素の垂直位置によって間引いた画像を１つの画面に合成したものである。この像がホログラムスクリーン２の各領域に合致するように光学像を調整する。このようにすると、図２にて＃３の画面を背景、＃２、＃１、＃０の画面を順に手前の被写体を撮像したものを用いると、観察者には、図１に示したように奥行き構造が観察できる３次元的な映像（書き割り映像）として観察される。
【００１３】
さて、本実施の形態の光学的表示装置が上記のような機能を有する理由について以下図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１（ｂ）において、画像表示装置４に表示された画像はシリンドリカルレンズ３によってホログラムスクリーン２上に結像される。画像表示装置４に表示される画像は上下左右が反転しており、また、シリンドリカルレンズの母線はｘ方向に平行に置かれている。
【００１５】
このとき、それぞれの構成要素は画像のｚ成分だけがホログラムスクリーン上に合焦されるよう配置されている。言い換えると、シリンドリカルレンズ３の作用によって、前記画像に含まれている、例えば、ｘ方向に延びる線や輪郭がホログラムスクリーン２上で最も鮮明になるように配置される。
【００１６】
その結果、ホログラムスクリーン２の位置に通常の投射用スクリーンを置いて見ると、そこには図３に示すような、ｘ方向に延びる線や輪郭のみが鮮明で、ｚ方向に延びる線や輪郭がぼけた像が写っていることになる。
【００１７】
尚、図３は円と正方形の像をシリンドリカルレンズ３で結像し、ホログラムスクリーン２の位置に通常の投射用スクリーンを置いたときに見える様を模式的に描いたものである。
【００１８】
さて、次にホログラムスクリーン２の機能について図面を用いて説明する。
図４は光学式３次元動画表示装置１からホログラムスクリーン２と画像表示装置４のみを取り出して描いた構成図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は側面図である。このようにシリンドリカルレンズ３がない場合、ホログラムスクリーン２内の１つの領域は、画像表示装置４の点Ａを発した光を仮想表示面１６上の点Ｂに結像する機能を有している。
【００１９】
図１のホログラムスクリーン２の各領域＃０〜＃３は、図４の結像位置Ｂが奥行き方向（ｙ軸方向）に異なった位置、例えばＢ２、Ｂ３、Ｂ４のような位置になるように機能する。
【００２０】
ただし、これは単色光において、これらのＢ、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４に結像する。白色光源の場合、結像位置が波長によって変化するため、結像する映像はぼやけた映像となる。
【００２１】
上記の機能を有するホログラムスクリーン２は、例えば図５に示す露光光学系で作製できる。
【００２２】
まず、空間の任意の位置に像を結像するホログラムスクリーン２の作成方法について説明する。レンズ６によって集光されたレーザビーム７は、点Ａの位置に置かれたピンホール８を通過して発散光となり、後にホログラムスクリーン２となるホログラム乾板５に図中右側から入射する。
【００２３】
一方、点Ｂに向かって収束するレーザビーム９はホログラム乾板５に、図中左側、即ち前記のレーザビーム７とは反対側から入射する。これらの２つのレーザビームの干渉パターンがホログラム乾板５に記録されることで、図１（ｂ）におけるホログラムスクリーン２より右側の点Ｂに像を結像する機能を有するホログラムスクリーン２が構成される。また、図１（ｂ）でホログラムスクリーン２の左側に像を結像させるには、図５（ｂ）に示したように、収束レーザービーム９の代わりに点Ｃから発散されるレーザービーム１０を用いればよい。ここで１１はレンズ、１２はピンホールである。
【００２４】
以上の手法を、図１（ａ）の各領域毎に結像位置が変わるように切り換えながら複数回ホログラム乾板５にレーザ光を露光する。例えば、図６（ａ）に示した＃０マスクをホログラフィ乾板５の両面に配置してレーザ光を図５（ａ）の配置にて露光する。次に、図５（ａ）の配置にて、点Ｂの焦点位置を左にずらしたものを図６（ｂ）の＃１マスクを用いて露光する。次に、図５（ｂ）の配置にて図６（ｃ）の＃２マスクを用いて露光する。最後に、図５（ｂ）で点Ｃを左にずらした配置で図６（ｄ）の＃３マスクを用いて露光する。
【００２５】
このようにすることによって、図１（ｂ）のように、ホログラムスクリーン２上の各領域によって、結像位置が＃０〜＃３と変化するようなホログラムスクリーンを作成することができる。
【００２６】
さて、シリンドリカルレンズ３が光路内に配置され、図３に示したような画像のｚ成分即ちｘ方向に延びる線や輪郭のみが鮮明で、画像のｘ成分即ちｚ方向に延びる線や輪郭がぼけた像が投影された場合、ホログラムスクリーン２は下記のような機能を示す。
【００２７】
図７は光学式表示装置１の各要素を光線がどのように進んでいくかということを示す構成図であり、図７（ａ）はその平面図、図７（ｂ）は側面図である。
【００２８】
まず、画像のｘ成分については図７（ａ）に示すように、シリンドリカルレンズ３の作用を受けていないため、ＬＥＤ表示装置４上に表示された点Ａの像がそのままホログラムスクリーン２に投影されていると考えることができる。
【００２９】
従って、図４において点Ａを発した光が点Ｂに結像されたのと同様に、ホログラムスクリーン２の作用によりｘ成分のみ、即ちｚ方向に延びる線や輪郭が仮想表示面１６上にシャープに結像されることになる。
【００３０】
一方、画像のｚ成分については、上でも述べたようにシリンドリカルレンズ３の作用によってホログラムスクリーン２上で最も鮮明になっている。これを図示すると、図７（ｂ）のように画像表示装置４上に表示された点Ａの像がホログラムスクリーン２上の点Ｃに結像されている。点Ｃには点Ａを発してｚ方向に一旦広がった光がシリンドリカルレンズ３を透過した後、ｚ成分だけがある収束角度をもって収束されているため、ホログラムスクリーン２によって回折反射した後はｚ方向にわずかな発散角度をもつ発散光となって仮想表示面１６上に投影されることになる。
【００３１】
尚、厳密に言うと、この発散光に含まれる各光束はわずかに異なった波長成分を有するものである。つまり、表示装置の発光分布には数十ｎｍの幅があり、ホログラムスクリーン２によって分光され、各波長ごとに異なる角度で回折反射されるのである。
【００３２】
また、映像のｘ方向変化成分は仮想表示面１６にシャープに結像され、ｚ方向変化成分はホログラムスクリーン２上にシャープに結像されるが、観察者の両眼立体視機能は一般的にｘ方向成分の変化成分をもとに仮想平面位置を知覚するので、ｚ方向変化成分はそれにひきづられて、あたかも仮想平面位置に映像があるように知覚する。
【００３３】
以上のようにして、結果的に観察者の目には仮想表示面１６の位置に像が浮かんでいるように見えることになる。これが、図１（ｂ）のように複数の画像を簾状に分解したものが順に空間に定位されるので、観察者は各画面がそれぞれの空間位置にあるかのごとく動画像を観察できる。
【００３４】
また、本実施の形態ではシリンドリカルレンズ３を用いたがこれに限るものではなく、上記したように画像のｚ成分をホログラムスクリーン２上に鮮明に投影結像するものであればよい。縦横で焦点距離の異なるアナモルフィック光学系も使用できる。また、通常の投影レンズとシリンドリカルレンズとの組み合わせでもよい。
【００３５】
また、本実施の形態での画像表示装置４としては、明るい画像を表示できるものであれば何でもよい。
【００３６】
以上説明してきたように、本発明の光学式３次元表動画示装置によれば、動画像表示装置４に空間多重されて表示された複数の画像が異なった奥行きの仮想表示面上に空中像として観察される。
【００３７】
（実施の形態２）
図８は本発明の第２の実施の形態の光学式３次元動画表示装置の構成図である。同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は平面図である。ここで、１は本実施の形態の光学式３次元動画表示装置、２はホログラムスクリーン、３はシリンドリカルレンズ、１８，１９は画像表示装置、２０は左右画像生成部、２１は偏光眼鏡、２２ａ，ｂは互いに直交した直線偏光板である。
【００３８】
以上のように構成された光学式３次元動画表示装置について説明する。
図８（ａ）に示すように、基本的には本発明の第１の実施の形態と同様に、画像表示装置１８，１９に表示された画像はシリンドリカルレンズ３によってホログラムスクリーン２上に投影され、このホログラムスクリーン２によって回折反射された画像は、その回折反射領域によって＃０〜＃３の仮想表示面上に再生結像される。本発明の第１の実施の形態と同様に、ホログラムスクリーンは周期的な４つの簾状の領域に分かれている。この各々の領域に、図２に示したような映像の各々の領域が対応するように画像が投射される。このようにして、図８にて各仮想表示面＃０〜＃３に映像が表示される。これを観察者１７が観察する。以上の動作は、本発明の第１の実施の形態と同じである。
【００３９】
ここで、第１の実施の形態と異なる点は、図８（ｂ）に示したように、２台の映像表示装置１８，１９からの映像が直線偏光板２２ａ，２２ｂによって偏光され、ホログラムスクリーン２に重ねて投射されることである。重ねて投射された光はそれぞれ、前述の通りホログラムスクリーン２の各領域に入射し、それぞれ設定された光学像の位置（仮想表示面＃０〜＃３）に結像し、観察者は左右のレンズ部分に互いに直交する直線偏光板を配した偏光眼鏡２１を通して光学像を観察する。これによって、各画像表示装置１８，１９によって表示された映像Ｒ、Ｌはそれぞれ独立に観察者の右目、左目にのみ観察される。即ちいわゆる立体画像として観察することになる。
【００４０】
各仮想表示面＃０〜＃３とＲ、Ｌ立体画像の両眼視差による映像の奥行き再生位置の関係を図９（ａ）に示す。
【００４１】
まず、ホログラムスクリーン２の作用によって、４種類の映像は＃０、＃１、＃２、＃３のそれぞれの空間位置に結像される。それぞれの映像は＃０〜＃３の位置を基準として前後に両眼視差によって奥行きを表現する。
【００４２】
即ち、両眼視差０の場合は＃０〜＃３の位置に映像が表示され、それ以外の場合は、＃０の仮想表示面での映像はＡ０の範囲、＃１はＡ１、＃２はＡ２、＃３はＡ３の範囲に対応した位置に映像が表示される。ここでは、それぞれの表示奥行き位置はお互いに重ならない場合を説明したが、両眼視差の範囲を大きくすることにより、お互いに重なった部分に画像を表示することもできる。
【００４３】
以上の動作により、仮想表示面を基準として両眼視差によって奥行きを表現するため、立体画像の眼精疲労の原因と言われている観察者の調節（眼のピント）と輻輳（両眼の視線の交差する位置）の矛盾をある程度回避できる。
【００４４】
即ち、ホログラムスクリーン２による仮想表示面＃０、＃１，＃２、＃３の位置は、人間がその位置にピント調節することによって最もピントの合った状態で観察可能であり、そこから微小な奥行きの違いであるＡ０〜Ａ３の範囲の奥行きであれば、人間の調節と輻輳の矛盾の許容範囲に入るからである。
【００４５】
これに対し従来の２眼式立体画像表示においては、基準となる表示面が一つであるため、両眼視差による奥行き表示範囲が広く、人間の調節と輻輳の矛盾が発生しやすい。この欠点を本実施の形態は改善することが出来る。
【００４６】
さて、次に、前述の複数の映像をいかにして生成するかについての一例について説明する。まず、３次元ＣＧや被写体を立体カメラや距離計測用のレンジファインダで撮像することによって得られた３次元映像データは、奥行き階層切り出し部２３に入力される。
【００４７】
奥行き階層切り出し部２３は、被写体の奥行きを図９（ａ）に示したように複数の領域に分け、それぞれの領域に入った被写体の部分のみ切り出し、ある間隔にて水平に配置された２台のカメラによって撮像したときの映像として出力される。この時、領域Ａ０の信号は＃０Ｒ（右）、＃０Ｌ（左）の２種類であり、以下同様に領域Ａ１の信号は＃１Ｒおよび＃１Ｌ、領域Ａ２は＃２Ｒ及び＃２Ｌ、領域Ａ３は＃３Ｒ及び＃３Ｌとなる。切り出し動作は、ＣＧの技法で言えばカメラに撮像する領域を制限するクリッピング面を設定することによって得られる。クリッピング面は奥行き方向にＡ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３（図９（ｃ））の位置に設定される。
【００４８】
また、この切り出し動作の時、Ｚバッファ２４を用いた隠面処理を行うことが出来る。これは、図９（ｃ）に示すように、Ｒ、Ｌのカメラ視点２６、２７から被写体を撮像する場合、被写体２８は領域Ａ０〜Ａ３までで分割される場合、図９（ｄ）のように、手前にある物体の視線上にある後ろ側に物体は表示しないようにする動作である。方法としては、各画素位置の奥行き位置をＺバッファで記憶し、手前の位置のＺバッファの値が来たときのみ、その被写体データを映像データとすることによって実現される。
【００４９】
また、図９（ａ）に示したように、それぞれの仮想表示面は奥行き位置が異なるので、投影面２８，２９はそれぞれの仮想表示面に合わせて、その奥行き位置を変化させて投影像（出力映像）を得る必要がある。即ち、映像を投影変換で生成する場合、仮想表示面＃０〜＃３に対する映像それぞれに対して、図９（ｃ）の投影面０、１、２、３が選ばれて投影変換して映像を生成することになる。
【００５０】
更に、投影面０、１、２、３を選択する代わりに、シリンドリカルレンズ３による幾何光学的な映像の結像倍率（ｚ軸方向の結像による倍率）を、投影面０、１、２、３での被写体の大きさの変化と一致するように、シリンドリカルレンズ３の焦点距離と、シリンドリカルレンズ３とホログラムスクリーン２の距離を調節すれば、投影変換による映像生成時に投影面の位置を切り換える必要がなくなり、投影面は１つの位置で映像を生成することができる。
【００５１】
その後、それぞれの仮想空間での立体映像（２ＣＨ）は、再配置部２５によってＲ、Ｌ画像に統合される。統合の方法は、図２に示した方法と同じであり、＃０Ｒ〜＃３Ｒの映像をＲ信号に、＃０Ｌ〜＃３Ｌの映像をＬ信号として簾状の統合を行う。これによって得られたＲ、Ｌ信号を映像表示装置１８，１９に入力する。
【００５２】
以上のように、＃３、＃２、＃１、＃０の仮想表示面の順に手前の被写体を撮像したものを表示することによって、３次元的に分布する被写体を複数の仮想表示面と両眼視差を用いて表示することができる。この時、観察者は複数の奥行き位置に眼のピント調節位置を有する映像を観察するので、両眼視差による立体映像表示を行っても、一つの表示スクリーン位置を有する立体表示装置と比較して調節（眼のピント）と輻輳の矛盾が小さくなり、自然で疲れにくい３次元映像を表示することが出来る。
【００５３】
また、本実施の形態において、直線偏光板２２、２３を用いたが、互いに回転方向の異なる円偏光板を用い、観察者はそれに対応した円偏光眼鏡を装着して観察しても良い。この場合、観察者の頭部が傾斜してもＲ、Ｌの映像間のクロストークが発生しないと言うメリットがある。
【００５４】
また、本実施の形態において、図８に示したように画像表示装置１８，１９はｘ座標が異なる位置に設置されている。この場合、仮想表示面に表示される２ＣＨ分の映像も、その分ｘ方向にずれて表示される。このため、観察者にとって、左右眼用の映像がずれて表示されるが、観察者の両眼にはそれぞれの眼に対応する映像のみ表示されるため、観察者は輻輳角を変化させてこれを両眼融合することが出来る。また、仮想表示面の観察可能な視野角の大きさが狭いと、右目用の画像は観察できるが左目用の画像は画面全体が観察できない状態（またはその反対）が発生する可能性がある。そこで、画像表示装置１８，１９の間隔をなるべく近づけた設定にし、更に、表示する画像を、仮想表示面での映像のｘ軸方向のずれを補正するように右、左画像を水平方向に平行移動して表示することが好ましい。
【００５５】
（実施の形態３）
図１０は、本発明の第３の実施の形態の光学式３次元動画表示装置の構成図である。同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は平面図である。ここで、１は本実施の形態の光学式３次元動画表示装置、２はホログラムスクリーン、３はシリンドリカルレンズ、４は画像表示装置、３２は左右画像生成部、３０は液晶シャッタ眼鏡である。
【００５６】
以上のように構成された光学式３次元動画表示装置について説明する。
図１０（ａ）に示すように、基本的には第２の実施の形態と同様に、画像表示装置４に表示された画像はシリンドリカルレンズ３によってホログラムスクリーン２上に投影され、このホログラムスクリーン２によって回折反射された画像は、その回折反射領域によって＃０〜＃３の仮想表示面上に再生結像される。
【００５７】
第１の実施の形態と同様に、ホログラムスクリーンは周期的な４つの簾状の領域に分かれている。この各々の領域に、図２に示したような映像の各々の領域が対応するように画像が投射される。このようにして、図１０にて各仮想表示面＃０〜＃３に映像が表示される。これを観察者１７が観察する。以上の動作は、第１の実施の形態と同じである。
【００５８】
ここで、第１の実施の形態と異なる点は、第２の実施の形態と同様に観察者が左右独立映像を観察でき、両眼立体視による奥行き表現を用いた映像を観察することである。第２の実施の形態と異なるのは、偏光による左右画像の分離ではなく、時分割立体画像を用いて両眼にそれぞれ独立に映像を与える点である。
【００５９】
図１０（ｂ）において、映像表示装置４からの映像は時分割で、右・左・右・左・・・という風に交互に表示される。その映像はシリンドリカルレンズを通してホログラムスクリーン２に時間的に交互に投射される。投射された光はそれぞれ、ホログラムスクリーン２の各領域に入射し、それぞれ設定された光学像の位置（仮想表示面＃０〜＃３）に結像し、観察者は時分割映像信号に同期したタイミングで右・左・右・左・・・のように交互の眼だけで映像を観察する。これによって、画像表示装置４によって表示された映像Ｒ、Ｌはそれぞれ独立に観察者の右目、左目にのみ観察される。即ちいわゆる立体画像として観察することになる。
【００６０】
あとの動作は第２の実施の形態と同じである。即ち、図１０（ａ）の各仮想表示面＃０〜＃３とＲ、Ｌ立体画像の両眼視差による映像の奥行き再生位置の関係は図９（ａ）に示される。ホログラムスクリーン２の作用によって定位した４種類の映像は＃０、＃１、＃２、＃３のそれぞれの空間位置に結像される。
【００６１】
それぞれの映像は＃０〜＃３の位置を基準として前後に両眼視差によって奥行きを表現する。即ち、両眼視差０の場合は＃０〜＃３の位置に映像が表示され、それ以外の場合は、＃０の仮想表示面での映像はＡ０の範囲、＃１はＡ１、＃２はＡ２、＃３はＡ３の範囲に対応した位置に映像が表示される。
【００６２】
以上の動作により、本実施の形態においても、仮想表示面を基準として両眼視差によって奥行きを表現するため、立体画像の眼精疲労の原因と言われている観察者の調節（眼のピント）と輻輳（両眼の視線の交差する位置）の矛盾をある程度回避できる。
【００６３】
次に、各領域＃０〜＃３の時分割立体映像信号をいかにして生成するかについての一例について説明する。生成方法は第２の実施の形態とほぼ同じである。
【００６４】
即ち、まず、３次元映像データ２２は、奥行き階層切り出し部２３に入力される。奥行き階層切り出し部２３は、被写体の奥行きを図９（ａ）に示したように複数の領域に分け、それぞれの領域に入った被写体の部分のみ切り出し、ある間隔にて水平に配置された２台のカメラによって撮像したときの映像として出力される。
【００６５】
この時、領域Ａ０の信号は＃０Ｒ（右）、＃０Ｌ（左）の２種類であり、以下同様に領域Ａ１の信号は＃１Ｒおよび＃１Ｌ、領域Ａ２は＃２Ｒ及び＃２Ｌ、領域Ａ３は＃３Ｒ及び＃３Ｌとなる。この切り出し動作の時、Ｚバッファ２４を用いた隠面処理を行い、更に再配置部２５により簾状の空間位置変換を行うことによって、左右眼の映像に対応したＲ、Ｌ信号を得る。この信号を時分割多重部３３によって時間的に切り換え、時分割立体信号を得る。
【００６６】
これを図１０の映像表示装置４に入力する。左右切り換えタイミングは液晶切り換えドライバに伝えられ、それに対応した左右眼の液晶シャッタ眼鏡３０を駆動する。以上の動作によって、観察者１７は、複数の仮想平面上に表示された時分割立体画像を立体視しながら観察することが出来る。
【００６７】
以上の様にすることによって、第２の実施の形態と同様に、観察者は複数の奥行き位置に眼のピント調節位置を有する映像を観察するので、両眼視差による立体映像表示を行っても、調節（眼のピント）と輻輳の矛盾が発生しにくく、自然で疲れにくい３次元映像を表示することが出来る。また、時分割立体画像を用いているので、観察者の首の角度が変化しても、左右画像間のクロストークは発生しないと言う利点もある。
【００６８】
また、本実施の形態において、画像表示装置４の前面に、電気的に偏光方向を切り換えることの出来る光学的フィルタ素子（例えば電圧を印加することによって直線偏光の方向が９０度変化するものや、円偏光の回転方向が反転する光学フィルタ素子）を配置しても同様の効果が得られる。この場合、右画像を表示している期間と左画像を表示している期間で、光学フィルタ素子の偏光特性が異なるように偏光特性切り換えタイミングを設定する。観察者は液晶シャッタ眼鏡３０の代わりに本発明の第２の実施の形態において使われた偏光眼鏡２１を装着して立体視することになる。
【００６９】
また、この場合、画像表示装置としては、例えばＣＲＴ、ＰＤＬＣ、有機ＥＬ等の無偏光ディスプレイを用いることが出来る。
【００７０】
（実施の形態４）
図１２は、本発明の第４の実施の形態の光学式３次元動画表示装置の構成図である。同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は平面図である。ここで、１は本実施の形態の光学式３次元動画表示装置、２はホログラムスクリーン、３はシリンドリカルレンズ、１８，１９は画像表示装置、２０は左右画像生成部である。
【００７１】
以上のように構成された光学式３次元動画表示装置について説明する。
装置構成は第２の実施の形態（図８）と似ているが、偏光フィルタ２２ａ，ｂを用いずに眼鏡無しで観察者１７が立体視出来る点が異なる。画像表示装置１８から出射された左目用の映像の光はシリンドリカルレンズ３でホログラムスクリーン２に結像される。ホログラムスクリーン２によって光は観察者の左目の存在する領域ＥＬ辺りに反射する。
【００７２】
同様に、右目用の映像の光はシリンドリカルレンズ３でホログラムスクリーン２に結像される。ホログラムスクリーン２によって光は観察者の左目の存在する領域ＥＲ辺りに反射する。そして、光が結像する仮想平面は、図１２（ａ）に示したように、ホログラムスクリーン２の空間的位置によって、＃０〜＃３の位置になるように構成されている。これは、図１（ａ）で示したホログラムスクリーン２上の＃０〜＃３の短冊状の位置それぞれにおいて、光が結像する位置を変えるように（図４のＢ、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４のように）ホログラムスクリーンが作成されることによって実現される。
【００７３】
このような機能を有するホログラムスクリーン２の作成方法は、第１の実施の形態と同様であるが、図１３に示したように、平面図において、レーザビーム７Ａ、７Ｂに分けて２回ホログラム乾板５に露光することが異なる。即ち、図１３（ａ）において、レーザビーム７Ａと収束光Ａ（点ＰＡに向かった収束光）を露光する。
【００７４】
次に、レーザビーム７Ｂと収束光Ｂ（点ＰＢに向かった収束光）を露光する。この時、側面図である図１３（ｂ）の配置は、本発明の実施の形態１における配置（図５）と同じになる。このようにすることによって、画像表示装置１８，１９から出射した左右眼用の画像はそれぞれ観察者１７の左右眼ＥＬ，ＥＲの位置でしか見えない状態になり、観察者１７は眼鏡無しで両眼立体視を行うことができる。
【００７５】
実際の露光では、前記２回の露光の配置それぞれにおいて、仮想表示面＃０〜＃３に対応する領域に分ける４種類のマスク（図６）をホログラフィ乾板５の両面に配置して露光する。即ち、レーザビーム７Ａ、収束光Ａを用いて、図６の４種類のマスクをホログラム乾板５にかぶせてそれぞれの仮想表示面の位置をずらしながら（図４（ｂ）のＢ、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４の位置）露光を４回行う。露光は図５に示したように、仮想表示面の位置によって発散光または収束光を用いる。
【００７６】
更に同様にして、レーザビーム７Ｂ、収束光Ｂを用いて、図６の４種類のマスクをホログラム乾板５にかぶせてそれぞれの仮想表示面の位置をずらしながら露光を４回行う。
【００７７】
また、同じ機能を有するホログラムスクリーン２を、別の手法で作成することもできる。作成方法は、図１３とほぼ同じであるが、露光時にＲマスク（図１４（ａ））をホログラフィ乾板５の両面に配置して、図１３の収束光Ａとレーザビーム７Ａを露光し、次に図１４（ｂ）のＬマスクをホログラフィ乾板５の両面に配置して、図１３の収束光Ｂとレーザビーム７Ｂを露光する。
【００７８】
即ち、ホログラムスクリーン２の空間領域を水平方向に交互に２つに分け、それぞれが左右画像のうちのどちらかを観察者の対応する片眼に入射するようにするわけである。
【００７９】
実際の露光では、図１４のＲ、Ｌマスクと同時に、仮想表示面＃０〜＃３に対応する領域に分けるマスクも重ねてホログラフィ乾板５の両面に配置して露光する。即ち、図１３に示すように、Ｒマスクではレーザビーム７Ａ、収束光Ａを用いて、図６の４種類のマスクを更にかぶせてそれぞれの仮想表示面の位置をずらしながら露光を４回行う。更に、Ｌマスクでも同様にして、レーザビーム７Ｂ、収束光Ｂを用いて、図６の４種類のマスクを更にかぶせてそれぞれの仮想表示面の位置をずらしながら露光を４回行う。
【００８０】
このようにして出来上がったホログラムスクリーンは、図１５のように横短冊状に奥行き結像位置が異なり、縦短冊状に水平方向の結像位置が異なるようなモザイク状の機能を有するものとなる。
【００８１】
以上のようにして得られたホログラムスクリーン２は、図１２（ｂ）に示したように、観察者１７の左右眼それぞれに、画像表示装置１８，１９の映像を独立して呈示することができる。この場合の映像の作成方法は図２のように水平方向の短冊上にそれぞれの仮想平面での画像が多重化されて表示されるので本発明の第２の実施の形態と全く同じであり、図９の構成で作成することが出来る。
【００８２】
このようにして、仮想表示面＃０〜＃４それぞれに近い位置の被写体が、それぞれの仮想表示面に分解されて表示されるような光学式３次元動画表示装置を眼鏡無しで構成することが出来る。これによって、観察者は複数の奥行き位置に眼のピント調節位置を有する映像を観察するので、両眼視差による立体映像表示を行っても、調節（眼のピント）と輻輳の矛盾が発生しにくく、自然で疲れにくい３次元映像を表示することが出来る。
【００８３】
なお、本実施の形態において、反射型のホログラムスクリーンを用いたが、透過型のホログラムスクリーンを作成しても同様の効果が得られる。即ち、図１２（ｂ）において、画像表示装置１８、１９とシリンドリカルレンズ３をホログラムスクリーン２に対して線対称（観察者と反対側）に配置する。この時、ホログラムスクリーンの作成において、図１３の右側からのレーザビーム７Ａ、７Ｂはホログラム乾板５の左から照射することとなる。
【００８４】
なお、第１、２、３、４の実施の形態において、ホログラムスクリーン２の領域は４つとしたが、いくつに分割してもその基本的な動作は同じであり、図２に示された構成画像の数が変化するだけである。
【００８５】
また、第２、第３、第４の実施の形態では、仮想表示面に表示する被写体を奥行きによって切り出した映像としたが、被写体を構成する物体毎にそれぞれ仮想表示面を割り振っても良い。この場合は、奥行きによる切り出しは必要がなく、被写体毎の映像を独立に生成する必要がある。
【００８６】
また、各実施の形態では、動画像を例に説明したが、画像表示装置で静止画像を表示して光学式３次元静止画表示装置として用いても良いことは言うまでもない。
【００８７】
【発明の効果】
以上のように本発明は、空間内に仮想的に設けられた複数の面に立体像の表示を行うため、光学的に３次元的な形状を空間に表示できる。
【００８８】
また、複数の仮想面を用いて立体視を行うことにより、観察者の調節と輻輳の矛盾の少ない、自然で疲れにくい３次元画像を観察することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における光学式３次元動画表示装置による複数の仮想平面を示す図
（ｂ）本発明の実施の形態１における光学式３次元動画表示装置の側面図
【図２】本発明における複数の画像から投射する映像を空間多重により得る方法を示す図
【図３】（ａ），（ｂ）ホログラムスクリーン上に投影結像された画像を示す図
【図４】（ａ），（ｂ）ホログラムスクリーンの機能の原理を示す概略図
【図５】（ａ），（ｂ）ホログラムスクリーンの作製光学系を示す図
【図６】（ａ）〜（ｄ）ホログラムスクリーンを作成する際のマスクを示す図
【図７】（ａ），（ｂ）光学式３次元動画表示装置の光線追跡を示す図
【図８】（ａ）本発明の実施の形態２における光学式３次元動画表示装置の側面図
（ｂ）本発明の実施の形態２における光学式３次元動画表示装置の構成図
【図９】（ａ）本発明の実施の形態２における奥行き再生範囲を示す図
（ｂ）本発明の実施の形態２における左右画像生成部の構成図
（ｃ）本発明の実施の形態２における各仮想平面に表示する映像を得るための投影変換図
（ｄ）本発明の実施の形態２における各仮想平面に表示する映像の例を示す図
【図１０】（ａ）本発明の実施の形態３における光学式３次元動画表示装置の側面図
（ｂ）本発明の実施の形態３における光学式３次元動画表示装置の構成図
【図１１】本発明の実施の形態３における左右画像生成部の構成図
【図１２】（ａ）本発明の実施の形態４における光学式３次元動画表示装置の側面図
（ｂ）本発明の実施の形態４における光学式３次元動画表示装置の構成図
【図１３】（ａ）本発明の実施の形態４におけるホログラムスクリーンの作製光学系を示す平面図
（ｂ）同側面図
【図１４】（ａ），（ｂ）本発明の実施の形態４におけるホログラムスクリーンの作製光学系に用いるマスクを示す図
【図１５】本発明の実施の形態４におけるホログラムスクリーンの機能とその空間位置を示した図
【図１６】従来の光学式画像表示装置を示す構成図
【符号の説明】
１  光学式３次元動画表示装置
２  ホログラムスクリーン
３  シリンドリカルレンズ
４，１８，１９  画像表示装置
５  ホログラム乾板
６，１１，１３，１５  レンズ
７  レーザビーム
８，１２，１４  ピンホール
９  レーザビーム（収束光）
１０  レーザビーム（発散光）
１６  仮想表示面
１７  観察者
２０，３２  左右画像生成部
２１  偏光眼鏡
２２ａ，２２ｂ  直線偏光板
２３  奥行き階層切り出し部
２４  Ｚバッファ
２５  再配置部
２６  左カメラ位置
２７  右カメラ位置
２８  被写体
２９  投影面
３０  液晶シャッタ眼鏡
３１  液晶切り換えドライバ
３３  時分割多重部
【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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