(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偽像を抑制した広視角３次元画像表示システムにおいて、
白色点光源アレイとカラーフィルタの間の全部あるいはその一部に屈折率が１より大きい透明媒体を挿入することにより、屈折により前記透明媒体の外では光線がより広がることを利用して、３次元画像の観測域を広げるとともに、この３次元画像表示のために光線再生法を用いて当該白色点光源からの光線を選択、色づけする働きをもつ前記カラーフィルタの当該セクションに隣接の白色点光源から混入し、有害な偽像のもとになる寝た角度の光線に対しては全反射させて外に出ないよう構成し、広い視角で３次元像が観測可能で、かつ偽像を完全に抑制することを特徴とする偽像を抑制した広視角３次元画像表示システム。
【請求項２】
請求項１記載の偽像を抑制した広視角３次元画像表示システムにおいて、前記カラーフィルタと観測者の間、あるいは前記白色点光源アレイと前記カラーフィルタの間の一方あるいは双方にレンズを挿入し、見え方やフィルタ設計に自由度を持たせることを特徴とする偽像を抑制した広視角３次元画像表示システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の偽像を抑制した広視角３次元画像表示システムにおいて、前記白色点光源アレイとして白色光源と散乱板及びピンホールアレイの組み合わせで代用することを特徴とする偽像を抑制した広視角３次元画像表示システム。
【請求項４】
請求項１、２又は３記載の偽像を抑制した広視角３次元画像表示システムにおいて、前記カラーフィルタを液晶パネルなどの動的制御が可能な空間変調パネルとして、再生３次元画像を動画化することを特徴とする偽像を抑制した広視角３次元画像表示システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偽像を抑制した広視角３次元画像表示システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の立体像記録再生技術としては光のコヒーレンスを用いたホログラフィとコヒーレンスを用いず複数の画像を用いる方法がある。後者には右眼用、左眼用の平面像を記録し、再生時に、右眼用は右目に、左眼用は左目で見えるように工夫した２眼式ステレオスコープタイプと多視点からの画像を用いた多眼方式に大別できる。
【０００３】
２眼式の代表例には偏光眼鏡を用いる立体映画やレンチギュラーを用いた立体テレビなどがあるが、これらは立体的に見えるが３次元像を再現していないので、見る位置を変えても映像は変わらず、裏側が見えてくると言うわけにはいかないので擬似的立体像再生と言える。
【０００４】
多眼式のものは、ステレオスコープを単に多眼化した多眼パララックス方式と多眼で撮影した多眼像を撮影の逆過程で再投影して見るインテグラルホトグラフィが従来のものの代表例である。さらに、最近、本願発明者は、カラーフィルタに描かれた多視点像群を白色点光源アレイで投影することにより物体からの散乱光に相当する光線群を人為的に生成し、３次元像を創生する「光線再生法」を提案している（特開平１０−２３９７８５号参照）。この方法によって既に簡単な物体ではほぼ満足できる３次元像生成に成功している。
【０００５】
また、本願発明者は、その方法の問題点である表示システム近傍での像の生成が困難であるという点を改良したものとして、この近傍の画像情報に対しては３次元像の再生をあきらめ、さらに視差もなくして、すべて点光源アレイの面に集めて背景（あるいは前景）として再生する「背景付き立体像再生装置」を提案している（特願２０００−４３７４２号）。さらに、表示部近傍では光線再生ではなくパララックスを用いた立体画像として表現できるようにした「光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した３次元画像表示システム」を提案している。上記３つの光線再生を基本とする３次元画像表示システムは従来の多眼パララックス方式やインテグラルホトグラフィに比し、簡便でありかつ立体像再生可能域の深さや観測可能域の広さなどに優れた優秀な方式であるが、それでも、カラーフィルタの１セクションには対応する１つの白色点光源からの光線以外に隣接白色点光源からの光線の混入が生じやすく、これによる偽像が生じると言う問題点をもっている。白色点光源と対応するカラーフィルタの１セクション毎に、それぞれの仕切をつければ、偽像の発生は防げるが、これはかなり面倒で高価になり、また、３次元像の観測領域がこれで広がるわけでもない。
【０００６】
広い視角にわたり偽像の出現無しに３次元立体像を観測できる簡便で経済的な方法の開発が待たれていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、従来の技術と関連させて、発明が解決しようとする課題について以下詳細に説明する。
【０００８】
光線再生を基本とする立体画像表示全般に共通の問題であるので、ここでは、その代表として白色点光源アレイとその前面（観測者側）に配置したカラーフィルタにより、物体からの散乱光線に相当する光線を再現し、あたかもそこに３次元物体が存在するかのように、３次元像を再生する光線再生型３次元画像表示を代表例にとって説明する。
【０００９】
図９に立体視の原理を示す。観測者１０１が立体像を見るとき、両眼に物体からの散乱光線が届くことが必要であるが、ホログラフィで用いている波面情報などはとくに必要ではない。
【００１０】
図９では方位、距離の異なる２点Ｐ，Ｑを観測物体としている。観測者１０１へ向かってくる光線の方向で物体の方位がわかり、点物体を見通す両眼の視差角で距離が察知される。ここでは有限の線で表しているが、実際には光線は無数ある。このような光線が再生できれば、実際の２点Ｐ，Ｑがなくても、観測者１０１には２点が立体的に見えることになる。
【００１１】
さて、このような光線を人為的に生成し、立体像を観測できるようにしたのが、光線再生法である。
【００１２】
図１０に光線再生法の基本構成を示す。無数の光線を再現することは不可能であるので、面状に分布した白色点光源アレイ１０２を通る光線だけを再現する方法をとっている。白色点光源アレイ１０２とこれに対向して置かれたカラー像フィルタ（以下、カラーフィルタという）１０３上で点光源一つ一つに対応して空間の１点のみ透過可能な点型カラーフィルタを配置すれば、この２点（点光源と透過点）を結ぶ直線方向に進むカラーのついた光線が再生できる。
【００１３】
これらの光線が１点Ｐ′で集まり、また広がって進めば、あたかも点Ｐ′からの光線が来ているように観測者１０４には観測され、点Ｐ′が３次元的に見えるのである。
【００１４】
図１０に示したように、観測像は表示部（白色点光源アレイと空間カラーフィルタ）の前部（観測者側）にも後部（観測者と反対側）Ｑ′にも形成できる。
【００１５】
３次元物体は点の集合であり、像フィルタに点ではなく適当な多視角からの透過像が記録されておれば、この構成で３次元物体が再現される。これが光線再生方式の３次元画像表示の原理である。
【００１６】
図１１は偽像発生を説明する図であり、この図において、１１０は表示部、１１１は白色点光源アレイ、１１２は白色点光源、１１３はカラーフィルタ、１１４はカラーフィルタの１セクション、１１５は観測者、１１６は偽像が見えない３次元画像観測可能域を示している。ここでは、光線再生方式で正しい点像Ｑを再生している場合について考えている。ある白色点光源１１２からの光がその白色点光源１１２に対応するカラーフィルタ１１３のセクション１１４でなく隣接する別の点光源に対応するセクション１１４の透過点を通過して光線を生成することもある。この図では、これにより、偽像Ｑ′，Ｑ″等ができている状況を示している。この結果、観測者１１５が正面から少し横に回れば、この偽像が眼に入ってしまう。カラーフィルタ１１３の隣接セクション１１４に混入する光線が見えず、正しい３次元像のみが観測できる領域はかなり限定されていることが分かる。カラーフィルタ１１３と白色点光源アレイ１１１の間隔が離れている場合は同時に正しい像と偽像が同時に見えることもある。
【００１７】
図１２は各白色点光源ごとにそれに対応するカラーフィルタのセクション以外には光が行かないように遮蔽仕切りを用いた例である。この図において、１２０は表示部、１２１は白色点光源アレイ、１２２は白色点光源、１２３はカラーフィルタ、１２４はカラーフィルタの各セクション、１２５は仕切り、１２６は観測者、１２７は３次元画像が観測可能な領域、Ｐは正しい点像を示している。
【００１８】
図１２によれば、観測可能域は広がらないが偽像は発生しない。他にも指向性をもつ白色点光源を用いる方法もあるが、いずれも白色点光源数が多いことなどから面倒で経済性にも問題が生じる。
【００１９】
また、白色点光源部とカラーフィルタを接近させる方法は簡便ではあるが、カラーフィルタの指向性や工作上の問題など難点も多い。
【００２０】
本発明は、上記状況に鑑みて、広い視角で３次元像が観測可能で、かつ偽像を完全に抑制する偽像を抑制した広視角３次元画像表示システムを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕偽像を抑制した広視角３次元画像表示システムにおいて、白色点光源アレイとカラーフィルタの間の全部あるいはその一部に屈折率が１より大きい透明媒体を挿入することにより、屈折により透明媒体の外では光線がより広がることを利用して、３次元画像の観測域を広げるとともに、この３次元画像表示のために光線再生法を用いて当該白色点光源からの光線を選択、色づけする働きをもつ前記カラーフィルタの当該セクションに隣接の白色点光源から混入し、有害な偽像のもとになる寝た角度の光線に対しては全反射させて外に出ないようし、偽像再生を抑制できるようにした、広い視角で３次元像が観測可能でかつ偽像を完全に抑制したことを特徴とする。
【００２２】
〔２〕上記〔１〕記載の偽像を抑制した広視角３次元画像表示システムにおいて、前記カラーフィルタと観測者の間、あるいは前記白色点光源アレイと前記カラーフィルタの間の一方あるいは双方にレンズを挿入し、見え方やフィルタ設計に自由度を持たせることを特徴とする。
【００２３】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の偽像を抑制した広視角３次元画像表示システムにおいて、前記白色点光源アレイとして白色光源と散乱板及びピンホールアレイの組み合わせで代用することを特徴とする。
【００２４】
〔４〕上記〔１〕、〔２〕又は〔３〕記載の偽像を抑制した広視角３次元画像表示システムにおいて、前記カラーフィルタを液晶パネルなどの動的制御が可能な空間変調パネルとして、再生３次元画像を動画化することを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２６】
図１は本発明の偽像を抑制した広視角３次元画像表示システムの基本構成を示す図である。
【００２７】
この図において、１は表示部、２は白色点光源アレイ、３は屈折率が１より大きい透明媒体、４はカラーフィルタ（液晶でもよい）、５は観測者、６は再生３次元像、７は白色点光源アレイより放射している白色光、８は光線の屈接を示している。
【００２８】
この図１に示すように、白色点光源アレイ２より出た光線７はカラーフィルタ４によりその一部は適当な強度と色づけをされ、３次元像を形成する光線に変換される。
【００２９】
「光線再生型３次元画像表示装置」、「背景付き立体像再生装置」または「光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した３次元画像表示システム」などの方式により、表示部１近傍の像再生に関しては、カラーフィルタの機能は若干異なるが、いずれも基本的には光線再生法を使っていることに変わりはない。白色点光源アレイ２とカラーフィルタ４の間には屈折率が１より大きい透明媒体（透明板）３が挿入されている。カラーフィルタ４は非常に薄いのでここでの光路変化は無視すると、白色光源とカラーフィルタ４で生成された光線はカラーフィルタ４を通ると屈折され（正確には透明媒体３を出ると屈折され）、より寝た角度、つまり広角で外に出てくる。従って、当然、カラーフィルタ４のフィルタの空間パターンはこの屈折効果を考慮して描いている。光線が寝ることにより、後述するように３次元像の観測可能域は広がる。
【００３０】
図２は本発明の偽像を抑制した広視角３次元画像表示システムの透明体が白色光源アレイとカラーフィルタの間隙の全部を埋めず一部を占める場合の構成例を示す図である。この図において、１１は白色点光源アレイ、１２は屈折率が１より大きい透明媒体、１３はカラーフィルタ、１４は観測者、１５は再生３次元像である。
【００３１】
図３は本発明の偽像を抑制した広視角３次元画像表示システムの白色点光源アレイを白色光源と散乱板およびピンホールアレイを用いて代用した構成例を示す図である。この図において、２１は白色光源、２２は散乱体、２３は白色光源と散乱体からなるバックライト、２４はピンホールアレイ、２５は白色点光源アレイに相当する部分、２６は屈折率が１より大きい透明媒体、２７はカラーフィルタ、２８は観測者、２９は再生３次元像である。
【００３２】
また、図４はレンズを用いた構成例であり、この図において、３１は白色点光源アレイ、３２は屈折率が１より大きい透明媒体、３３はカラーフィルタ、３４はレンズ、３５は観測者、３６は再生３次元像である。
【００３３】
これにより、再生３次元像３６の奥行きや大きさ、広がり角などを調整でき立体像の生成に多様性を与えることができる。
【００３４】
さらに、図５は本発明を従来の多眼パララックスに適用した構成例を示す図である。この図において、４０は多視角像表示部、４１はバックライト、４２は屈折率が１より大きい透明媒体、４３はマイクロレンズアレイあるいはピンホールアレイあるいはスリットアレイ、４４は観測者、４５は再生３次元像である。
【００３５】
（実施例の具体的作用と実施例に基づく特有の効果）
屈折率ｎ（＞１）の透明媒体（板）が間隙を全部埋めている場合を例に図６に従って説明する。この図６において、５１は白色点光源アレイ、５２は白色点光源、５３は透明媒体（屈折率ｎ，厚さｄ）、５４はカラーフィルタ、５５はカラーフィルタの各セクション、５６は隣接のカラーフィルタセクション５５に混入しない光線の範囲（ｎ＞１の透明媒体無しの場合）、５７は隣接のカラーフィルタセクションに混入しない光線の範囲（ｎ＞１の透明媒体ありの場合）を示している。
【００３６】
そこで、白色点光源５２のピッチをＷ、カラーフィルタ５４と白色点光源アレイ５１の間隔をｄとする。ある白色点光源５２から対応するカラーフィルタセクション５５と隣接のカラーフィルタセクション５５の境界の方向に進む光線を考える。隣接のセクションを通るときは偽像をつくるので、これが偽像を作らない限界まで傾いた光線になっている。この光線の角度θi は図より、
θi ＝Ｔａｎ-1（Ｗ／２ｄ）                                   …（１)
この光線が空中に出てθ0 の角度に屈折して進むとすると、スネルの法則から
ｓｉｎθ0 ＝ｎｓｉｎθi                                      …（２）
ｎ＞１であるのでθ0 ＞θi となって、光線は透明媒体５３を挿入したことにより、より傾いて寝ることになる。このことは隣接のカラーフィルタを通ることなくより広角に光線を生成できることを意味する。さらに、
θi 〔＝Ｔａｎ-1（Ｗ／２ｄ）〕≧Ｓｉｎ-1（１／ｎ）           …（３）
に設定すれば、隣接のカラーフィルタセクションに進入した光線は全反射して外に出られず、偽像は完全に抑制できる。この場合、隣接のカラーフィルタを通ることなく、θ0 ≒９０°程度までの広角の光線の生成が可能となる。
【００３７】
図７は広角の光線再生が可能になれば、広い範囲で立体像が観測できる、つまり広視角化できることを説明する図である。この図において、６１は白色点光源アレイ、６２は白色点光源、６３は透明媒体（屈折率ｎ，厚さｄ）、６４はカラーフィルタ、６５はカラーフィルタの各セクション、６６は観測者、６７は透明媒体の屈折率が１のときあるいは空気のときの立体視できる範囲、６８は透明媒体の屈折率が１より大きいときの広がった立体視できる範囲、Ｐは再生点像である。
【００３８】
再生像は簡単のため点像Ｐとしている。屈折率が１より大きい透明媒体６３を挿入しないときは、Ｐが立体視できるのは２本の２点鎖線の内側だけ、つまり立体視できる範囲６７である。一方、屈折率が１より大きい透明媒体を挿入したときは、より側面からでも立体視できているのが分かる。カラーフィルタ６４等がもっと大きければ、図７よりさらに立体視可能域は広がり、ほぼ水平線近くからも立体視が可能になると予想される。
【００３９】
次に、図８を用いて偽像抑制の仕組みを説明する。図８において、７１は白色点光源アレイ、７２は白色点光源、７３は透明媒体、７４はカラーフィルタ、７５はカラーフィルタの各セクション、７６は観測者Ａ、７７は観測者Ｂ、Ｐは再生点像、Ｐ′は透明媒体がｎ＝１（あるいは透明媒体なし）のときの偽像、実線は透明媒体（ｎ＞１）有りの場合の光線、二点鎖線は透明媒体（ｎ＞１）なしの場合の光線、光線７８は境界面で全反射し、外にでないので偽像は生じない（光線７９の生成は望ましくない）。
【００４０】
ここでは、点像Ｐを再生している場合を想定している。ｎ＞１の透明媒体がない場合は再生用光線（２点鎖線）はほぼ正面方向に向くものだけである。また、白色点光源から隣接のカラーフィルタセクションに混入し、Ｐ点を再生する部分を通過した光線により、偽像Ｐ′が生成されている。さらに、右端の光源からＰを結ぶと、隣接のカラーフィルタセクションを通過するので、正常な使い方ではこのような光線は使えない。つまり、偽像がなく、正常に立体像が観測できのは正面方向付近（図では観測者Ａの位置付近）のみで、正面から少し外れた側面方向（図では例えば観測者Ｂの位置）から観測すると、正しい再生像が見えずに偽像が見えてしまうことになる。
【００４１】
一方、ｎ＞１の透明媒体を挿入した場合は、この図では、Ｐ点は全ての白色光源から正常に生成された光線（実線）によって再現されており、広い視角がとれる。また、光線７８あるいは光線７９のように、隣接のカラーフィルタセクションに混入した光は上記（３）式を満足する場合は全て全反射し、光線としては全く外に出ないため、偽像が再生されることはない。たとえ上記（３）式が満足されていない場合でも、偽像が現れるのは正面から９０°近くに振ったほぼ側面から見る場合に限られ、実用上問題がなくなる。
【００４２】
本発明は、映像技術、放送技術、芸術産業、マルチメディア産業、広告、写真の分野に適用することができる。
【００４３】
製品としては、３次元ディスプレイ、立体看板、立体劇場システムなどが挙げられ、特に、広告媒体や学童用ディスプレイに活用できる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、広い視角で３次元像が観測可能であり、かつ偽像を完全に抑制することができる。
【００４６】
より具体的には、白色点光源アレイとカラーフィルタの間に屈折率が１より大なる透明媒体を挿入することにより、３次元画像標示のために点光源からの光線を選択し色付けする働きをもつカラーフィルタに隣接する他の点光源から混入し、有害な偽像を発生させる光線に対しては、全反射を利用して光線が外に出ないようにする。また、屈折により透明媒体から出る光線がより広がることを利用して、フィルタ近傍でのパララックスを利用した画像再生に利用光線を増大させる効果がある。広い視野角を持ち、かつ完全に偽像を抑制した光線再生型３次元再生装置を得ることができた。
【００４７】
また、０．５ｍｍから５ｍｍの厚さの透明媒体としてのガラスやプラスチック板を光源アレイとフィルタの間に入れることにより、１８０度に近い視野角を達成している。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の偽像を抑制した広視角３次元画像表示システムの基本構成を示す図である。
【図２】  本発明の構成例２を示す図である。
【図３】  本発明の構成例３を示す図である。
【図４】  本発明の構成例４を示す図である。
【図５】  本発明を従来の多眼パララックスに適用した構成例を示す図である。
【図６】  本発明にかかる屈折率が１より大きい透明媒体の挿入による生成光線の広角化の説明図である。
【図７】  本発明にかかる観測域の広視角化の説明図である。
【図８】  本発明にかかる全反射による偽像の抑制を説明した図である。
【図９】  立体視の原理図である。
【図１０】  光線再生３次元画像表示の基本構成と動作原理（点像再生の場合）を示す図である。
【図１１】  光線再生法における偽像発生と３次元画像観測域を示す図である。
【図１２】  仕切りを用いて偽像発生を抑えた光線再生方式３次元画像表示の説明図である。
【符号の説明】
１    表示部
２，１１，３１，５１，６１，７１    白色点光源アレイ
３，１２，２６，３２，４２，７３    屈折率が１より大きい透明媒体
４，１３，２７，３３，５４，６４，７４    カラーフィルタ
５，１４，２８，３５，４４，６６    観測者
６，１５，２９，３６，４５    再生３次元像
７    白色点光源アレイより放射している白色光
８    光線の屈接
２１    白色光源
２２    散乱体
２３    白色光源と散乱体からなるバックライト
２４    ピンホールアレイ
２５    白色点光源アレイに相当する部分
３４    レンズ
４０    多視角像表示部
４１    バックライト
４３    マイクロレンズアレイあるいはピンホールアレイあるいはスリットアレイ
５２，６２，７２    白色点光源
５３，６３    透明媒体
５５，６５，７５    カラーフィルタの各セクション
５６    隣接のカラーフィルタセクションに混入しない光線の範囲（ｎ＞１の透明媒体無しの場合）
５７    隣接のカラーフィルタセクションに混入しない光線の範囲（ｎ＞１の透明媒体ありの場合）
６７    透明媒体の屈折率が１のときあるいは空気のときの立体視できる範囲
６８    透明媒体の屈折率が１より大きいときの広がった立体視できる範囲
７６    観測者Ａ
７７    観測者Ｂ
【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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