(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示目的の３次元画像表示空間を奥行き方向に関して、該３次元画像表示空間の一部或いは全域において視距離の２乗に比例する間隔をもって複数の２次元画像に分割標本化し、
該各２次元画像を順次表示し、該表示２次元画像を光学系を介して該光学系による虚像として肉眼によって観察するようにし、
上記光学系と上記表示２次元画像との光学的距離を肉眼の残像時間内で変化させて上記虚像の位置を光軸方向に移動させ、
該各移動位置に対応する上記３次元画像表示空間の奥行き方向に分割された２次元画像が各移動位置の時点で表示されるようにして、該２次元画像の各虚像の重ね合わせ観察によって３次元画像を肉眼によって観察するようにした
ことを特徴とする３次元画像表示方法。
【請求項２】
高速表示可能な画像表示パネルと、
上記画像表示パネルによる表示２次元画像を、その虚像によって肉眼で観察させる光学系と、
上記画像表示パネルと上記光学系との間の光学的距離を電気的制御によって変化させる位置制御装置とを有する表示機構部を具備し、
表示目的の３次元画像表示空間を奥行き方向に関して、該３次元画像表示空間の一部あるいは全域において視距離の２乗に比例する間隔をもって複数の２次元画像に分割標本化し、
上記画像表示パネルと上記光学系との間の光学的距離を、上記位置制御装置によって肉眼の残像時間内で変化させるとともに、上記画像表示パネルに上記各２次元画像を順次表示して該表示２次元画像の上記虚像の位置を光軸方向に移動させ、
上記３次元画像表示空間の奥行き方向に分割された上記各移動位置に対応する２次元画像を、各移動位置の時点で順次表示し、該２次元画像の各虚像の重ね合わせ観察によって３次元画像を肉眼によって観察するようにした
ことを特徴とする３次元画像表示装置。
【請求項３】
上記表示機構部を、観察者の両眼にそれぞれ対応して設け、各表示機構部における上記表示２次元画像を、上記両眼間の視差を考慮した画像としたことを特徴とする請求項２に記載の３次元画像表示装置。
【請求項４】
上記表示機構部の上記位置制御装置による上記光学的距離を階段的に変化させるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の３次元画像表示装置。
【請求項５】
上記表示機構部に、上記標本化した２次元画像を同時一括表示可能な高速画像表示パネルが設けられ、上記位置制御装置による上記光学的距離を、階段的に変化させ、所定の移動位置において、該移動位置に対応する像を各移動位置の時点で短時間だけ表示されるようにして、該２次元画像の各虚像の重ね合わせ観察によって３次元画像を肉眼によって観察するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の３次元画像表示装置。
【請求項６】
上記光学系が固定され、該光学系の焦点位置を肉眼による観察位置としたことを特徴とする請求項２に記載の３次元画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いわゆる立体映像の観察を行うことのできる３次元画像表示方法とその表示装置に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
従来の立体映像の観察を行う両眼式立体画像表示方法の一例は、図１０にその概略構成図を示すように、スクリーンＳｃ上に投影した左右肉眼の視差を考慮した偏光方向を異にする左右投影像ＩＬおよびＩＲを左右に関して偏光方向を異にする偏光めがねＧを通じて左右肉眼ＥＬおよびＥＲで観察することによって左右投影像ＩＬおよびＩＲを、観察者において重ね合わせて立体像として観察するものが広く知られている。
【０００３】
この場合、図１０の例では観察者は、スクリーンＳｃ上に投影された光学像ＩＬおよびＩＲに眼の焦点を合わせてその観察を行うものの、その２つの映像ＩＬおよびＩＲの輻輳位置は、スクリーンＳｃの位置Ｐｓより、かなり手前の位置Ｐｏであることから観察者の観察時の疲労が大きくまた違和感を伴うという問題点がある。
【０００４】
このような疲労の問題の解決をはかるべく、またよりすぐれた立体像ないしは３次元像として観察できるようにした装置として種々の方式によるものの提案がなされている。例えば奥行き方向に移動するスクリーンを設け、一方、３次元像をその奥行き方向に分割標本化し、この映像の分割奥行き位置に応じてスクリーンを移動させることによって観察者がスクリーン上の映像を３次元像として観察することができるようにするものである。しかしながら、このようにスクリーンを移動させることは、３次元像の広画面化をはかる場合特に装置の大型化が免れず、またその３次元像もさほど奥行きの深い臨場感にあふれた３次元像として観察することができないなど、いずれの装置においても多くの問題が残されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、疲労や違和感を改善し、さらに近距離から無限遠に渡る深い奥行きに渡ってすぐれた臨場感をもって立体表示の観察を行うことができるようにした簡便な構成による３次元画像表示方法とその表示装置を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による３次元画像表示方法は、表示目的の３次元画像表示空間を奥行き方向に関して、この３次元画像表示空間の一部或いは全域において視距離の２乗に比例する間隔をもって複数の２次元画像に分割標本化し、これら各２次元画像を順次表示し、これら表示２次元画像を光学系を介してこの光学系による虚像として肉眼によって観察するようにし、上記光学系と上記表示２次元画像との光学的距離を肉眼の残像時間内で変化させてその虚像の位置を光軸方向に移動させ、その各移動位置に対応する上記３次元画像表示空間の奥行き方向に分割された２次元画像が各移動位置の時点で表示されるようにして、これら２次元画像の各虚像の重ね合わせ観察によって３次元画像を肉眼によって観察するようにする。
【０００７】
また、本発明による３次元画像表示装置は、高速表示可能な画像表示パネルと、画像表示パネルによる表示２次元画像を、その虚像によって肉眼で観察させる光学系と、画像表示パネルと光学系との間の光学的距離を電気的制御によって変化させる位置制御装置とを有する表示機構部を具備する。そして、その表示目的の３次元画像表示空間を奥行き方向に関して、この３次元画像表示空間の一部或いは全域において視距離の２乗に比例する間隔をもって複数の２次元画像に分割標本化し、画像表示パネルと光学系との間の光学的距離を、位置制御装置によって肉眼の残像時間内で変化させるとともに、画像表示パネルに上記各２次元画像を順次表示してこれら表示２次元画像の虚像の位置を光軸方向に移動させ、３次元画像表示空間の奥行き方向に分割された各移動位置に対応する２次元画像を、各移動位置の時点で順次表示し、これら２次元画像の各虚像の重ね合わせ観察によって３次元画像を肉眼によって観察するようにする。
【０００８】
上述の本発明による３次元画像表示方法とその表示装置によれば、その像の観察は、光学系による像（虚像）の観察によるものであってスクリーン上の画像の観察によらないことからスクリーンを設けることによる装置の大型化を回避できる。
また、観察者による立体像の観察は、光学系による像すなわち虚像の移動であることから光学的距離のわずかな移動で奥行きの深いしたがって臨場感のある立体像の観察がなされる。また本発明において、両眼での立体画像観察を行う場合、各２次元画像表示面、すなわち再生立体像に輻輳および調節が一致するため、疲労感、違和感の減少を効果的にはかることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明による３次元画像表示方法とその表示装置について説明する。
図１は、本発明方法に基く本発明表示装置の基本的構成図を示し、図２はその立体的光学図を示すもので、これら図１および図２を参照して本発明を説明する。
本発明装置は、高速表示可能な画像表示パネル１１例えば液晶表示パネルと、この画像表示パネル１１による表示２次元画像ＩＤを、その虚像によって肉眼Ｅで観察させる光学系１２例えば凸レンズによるいわゆる接眼レンズあるいは凹面鏡と、画像表示パネル１１と光学系１２との間の光学的距離（すなわち両者の空間的距離とこの空間における屈折率との積）Ｌを電気的制御によって変化させる位置制御装置１３を有する表示機構部１４を具備してなる。
【００１０】
光学距離Ｌを電気信号で制御して変化させる制御装置１３は、例えば電磁アクチュエータによって構成することができる。例えば図１に示すように、高速表示が可能な例えば液晶表示パネル１１に例えば磁石もしくは電磁コイルいわゆるボイスコイル１３Ｃが配置され、その外周の固定部に磁石もしくは電磁石１３Ｍが配置されてなる。そして、例えばボイスコイルもしくは固定側の電磁コイルに所要の制御電流を通電することによってパネル１１が、光軸方向に移動するように構成される。
【００１１】
図示の例では、光学系１２が凸レンズ構成とした場合で、画像表示パネル１１上の表示光学像をレンズ１２による虚像Ｉｖとして観察するように、凸レンズ１２と肉眼Ｅの間隔を、凸レンズの一方の焦点距離に選定する。つまり、肉眼Ｅが凸レンズ１２の一方の焦点Ｆの位置にあるようになされる。
【００１２】
一方、表示目的の３次元画像表示空間を、一定視野角θ内で、奥行き方向に関して肉眼Ｅの近点位置例えば明視の距離から、無限遠距離の範囲に渡って複数の２次元画像に例えばコンピュータによって分割標本化し、この２次元画像を、画像表示パネル１１によって順次表示する。この分割標本化する際の間隔は、奥行方向の一部の領域あるいは全域に渡って視距離の２乗に比例する間隔とする。そして、このときの視野角θは、通常、人間の一括確認できる視野角が、水平方向で３０°と言われていることから、水平方向に関しては例えば３０°程度に選定し、垂直方向に関しては、例えば垂直方向の辺の長さ／水平方向の辺の長さが、３／４の比となるように選定される。
【００１３】
そして、このとき、光学系１２と画像表示パネル１１との距離Ｌを変化させる。図示の例では、位置制御装置１３の駆動、すなわち上述のアクチュエータの駆動によって画像表示パネル１１を光軸Ｏ−Ｏ’方向に往復移動させて距離Ｌを変化させる。
【００１４】
この光学的距離Ｌの移動は、人間の残像時間内に例えば一方向移動、もしくは一往復、あるいは複数の往復移動を行い、画像表示パネル１１において、この移動に伴い、各移動位置に対応する分割標本化された２次元画像を、各移動時点で画像表示パネル１１で表示する。すなわち、光学的距離Ｌの変化に応じて２次元画像の虚像Ｉｖの位置を光軸Ｏ−Ｏ’方向に移動させ、各移動位置に対応する上述の表示目的の奥行き方向に分割標本化した２次元画像を表示パネル１１に映出し、その虚像Ｉｖ（Ｉｖ1 ，Ｉｖ2 ，Ｉｖ3 ，・・・）を、Ｉ1 ，Ｉ2 ，Ｉ3 ・・・の各位置で得る。
【００１５】
この移動は、上述したように残像時間内に選定されていることから、この残像時間内で、複数に奥行き方向に分割された２次元画像の虚像、図２においては４つに分割された２次元画像の虚像Ｉｖ1 ，Ｉｖ2 ，Ｉｖ3 ，Ｉｖ4 が重ね合わされて観察されることによってこれらの合成によって、奥行きのある恰も３次元画像として観察することができる。
【００１６】
次に、この光学的距離Ｌの変化と、虚像の移動量との関係を、図３の本発明構成の２次元的光学図を参照して説明する。
この場合、視距離（肉眼Ｅすなわち光学系１１の凸レンズの一方の焦点Ｆから虚像Ｉｖまでの距離）をＺ’とすると、Ｚ’は下記（数１）で与えられる。
【００１７】
【数１】
Ｚ’＝−ｆ’2 ／Ｚ          （１）
【００１８】
すなわち、光学系１２が薄肉凸レンズであり、近軸光を扱うものとし、レンズの両焦点ＦおよびＦ’までの距離すなわち両焦点距離をｆおよびｆ’とし、焦点Ｆから物点までの距離をＺとし、焦点Ｆ’から像点までの距離（以下これを視距離という）をＺ’とするとき、下記（数２）が与えられる（ニュートンの式）。
【００１９】
【数２】
ＺＺ’＝ｆｆ’＝ｆ’2               （２）
（但し、ｆ’＝−ｆ）
となり、上記（数１）となる。
【００２０】
そして、本発明構成において、上述したように、肉眼Ｅがレンズ１２の焦点Ｆ’の位置にあるとし、その物点すなわち図１および図２における表示パネル１１上の画像が位置Ｒ1 にあるとし、この状態から、画像（物点）の位置がＲ2 に微小移動させた場合をみると、このときの肉眼Ｅで観察される虚像は像点Ｉ1 からＩ2 に移動する。いま、物点がΔＺ移動したときの像点の移動量ΔＺ’をみると、上記（数１）の微分から下記（数３）で与えられる。
【００２１】
【数３】
ΔＺ’＝（ｆ’2 ／Ｚ2 ）・ΔＺ          （３）
【００２２】
また、表示パネル１１の移動速度をｖとし、肉眼の残像時間をΔｔとすると、（数４）の関係となる。
【００２３】
【数４】
ΔＺ’＝（ｆ’2 ／Ｚ2 ）・ΔＺ＝（Ｚ’2 ／ｆ’2 ）・ｖΔｔ    （４）
【００２４】
すなわち、上述の構成において表示パネル１１を一定の速度ｖで移動するときの虚像の移動量ΔＺ’は、視距離Ｚ’の２乗に比例することになる。
【００２５】
ところで、人間の視覚における奥行き知覚感度は、図４（テレビジョン学会雑誌「テレビジョン」１９７７，ＶＯＬ．３１，ＮＯ．８，６５２頁、図４参照）に示すように、調節または輻輳による場合曲線４１となり、両眼視差による場合曲線４２となる。ここで視距離をＤ〔ｍ〕とし、奥行き弁別閾量ΔＤ〔ｍ〕は、曲線４１がΔＤ≒Ｄ2 ／４００〔ｍ〕であり、曲線４１が、ΔＤ≒Ｄ2 ／２０〔ｍ〕となる。すなわち奥行き知覚感度は、視距離Ｄの増加に伴い視距離Ｄの２乗に反比例して急激に低下する。
【００２６】
すなわち、上述したように、虚像の移動量ΔＺ’は視距離の２乗に比例して変化するが、同時に知覚感度も視距離の２乗に比例して低下することから、光学距離Ｌの変化すなわち例えば表示パネル１１の移動を等速直線運動をもって移動することで上述した複数の２次元画像による３次元画像の観察は不自然性を感ずることなく行われる。
したがって、アクチュエータの運動制御における設計も簡易となる。
【００２７】
また、上述したように、人間の肉眼による観察は、遠距離になるほど感度が低下することから、３次元光学像において、ある距離より遠い位置に関しては、２次元画像への標本化は、充分大なる間隔によって例えば無限遠の２次元画像のみで事足りることになる。
【００２８】
そして、表示パネルにおける上述した２次元画像の表示は、線順次、もしくは面順次等によって表示する構成とすることができる。
【００２９】
そして、この光学距離Ｌの変化、すなわちこの構成においての表示パネル１１の移動は、図５に示すように位置Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 ・・・のように階段的（間欠的）に移動する態様とし、各位置Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 ・・・に固定された区間ΔｔD においてのみ表示パネル１１によって各分割標本化された２次元光学像を表示し、各位置Ｒ1 ，Ｒ2 ，Ｒ3 ・・・間のアクチュエータによる表示パネル１１の移動区間ΔｔM を各表示画像のブランキング期間とすることができる。
【００３０】
あるいは、図６に示すように、表示パネルの位置が連続的に変化するようにすることもできるが、この場合、その移動中に２次元画像を順次的に例えば線順次によって表示すると画像に歪みが生じるおそれがある。このような不都合を回避するために表示画像を例えば１フレーム一括表示可能な高速画像表示パネルに同時的に短時間のみ表示する構成とすることが望まれる。
【００３１】
奥行きの標本化数、すなわち表示する２次元画像の数をＮとし、画像表示パネルの全移動量をＰとするとき、図３に示される表示パネルの各位置Ｒｎは（数５）となる。
【００３２】
【数５】
Ｒｎ＝Ｐ（Ｎ−ｎ）／Ｎ              （５）
（但しｎ＝１，２，３‥‥，Ｎ−１，Ｎ）
【００３３】
ここで、座標原点Ｒｎ＝０は、図３において焦点Ｆとした。したがって、前記（数１）を用いて、表示される虚像面の位置Ｚｎ’は、（数６）で与えられる。
【００３４】
【数６】
Ｚｎ’＝ｆ2 ／Ｒｎ                  （６）
【００３５】
例えば光学系１２の焦点距離ｆを、ｆ＝３８．７ｍｍとし、Ｐ＝３ｍｍ，Ｎ＝２０とすると、Ｚｎ’は表１のようになり、再生域の標本化は、図７に示すようになる。
【００３６】
【表１】
0003758265.tif 000002
【００３７】
ｎ＝１からｎ＝１９の再生域は、０．５３ｍから１０ｍに及び、虚像面の位置の間隔、すなわち標本化の間隔は視距離の２乗に比例している。上記以外の再生域は、ｎ＝２０の２次元画像で無限遠まで代表する。
【００３８】
また、図４の曲線４１および４２を比較して明らかなように、両眼視差による奥行きの知覚感度が約２０倍程度高いことから、本発明装置においても、両眼での立体画像観察が望まれる。したがって、本発明装置においても、図８に示すように、左右各肉眼ＥＲおよびＥＬに関して、図１および図２で説明した表示機構部をそれぞれ対応して設けることができる。図８における両眼の表示機構部の図１および図２の各部に対応する部分には、図１および図２における各部の符号にそれぞれＲおよびＬの添字を付して示して重複説明を省略する。この構成によれば、より高い奥行き知覚感度を利用した、したがってすぐれた３次元画像を観察することができる。
【００３９】
また、上述した例では、表示パネル１１を電磁アクチュエータによって移動させて光学的距離Ｌを変化させるようにした場合であるが、この光学的距離の変化は上述の構成に限られるものではなく、例えば図９に示すように、光学系１２と表示パネル１１との間に例えば対の所要の屈折率を有するプリズムＰＲ1 およびＰＲ2 を重ね合せて配置し、例えば一方のプリズムＰＲ2 にアクチュエータを設けてこれを移動させることによって実質的にプリズムの厚さを変化させて光学的距離を変化させる構造とすることもできるなど種々の構成を採ることができる。
【００４０】
上述したように、本発明方法および装置によれば、観察者による立体像の観察を、光学系による像すなわち虚像の移動によって行うことから光学的距離のわずかな移動で奥行きの深いしたがって臨場感のある立体像の観察がなされ、また本発明において、両眼での立体画像観察を行う場合、各２次元画像表示面、すなわち再生立体像に輻輳および調節が一致するため、疲労感、違和感の減少を効果的にはかることができる。
【００４１】
【発明の効果】
上述したように、本発明による３次元画像表示方法とその表示装置によれば、その像の観察は、光学系による像（虚像）の観察によるものであってスクリーン上の画像の観察によらないことからスクリーンを設けることによる装置の大型化を回避できる。
また、観察者による立体像の観察は、光学系による像すなわち虚像の移動であることから光学的距離のわずかな移動で奥行きの深いしたがって臨場感のある立体像の観察がなされる。また本発明において、両眼での立体画像観察を行う場合、各２次元画像表示面、すなわち再生立体像に輻輳および調節が一致するため、疲労感、違和感の減少を効果的にはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による３次元画像表示装置の一例の構成図である。
【図２】本発明による３次元画像表示装置の立体的光学図である。
【図３】本発明の原理の説明に供する光路図である。
【図４】本発明の説明に供する視距離と視覚の奥行き知覚感度との関係を示す図である。
【図５】表示パネルの移動態様の一例を示す図である。
【図６】表示パネルの移動態様の他の例を示す図である。
【図７】本発明装置の奥行き標本化の例の説明図である。
【図８】本発明装置の光学的距離の変更手段の一例の構成図である。
【図９】本発明装置の光学的距離の変更手段の他の一例の構成図である。
【図１０】従来の立体観察装置の一例の概略構成図である。
【符号の説明】
１１  高速表示パネル、１２  光学系、１３  位置制御装置、１４  表示機構、Ｅ，ＥL ，ＥR   肉眼、Ｉｖ，Ｉｖ1 ，Ｉｖ2 ，Ｉｖ3 ，Ｉｖ4   ２次元画像
【図１】
0003758265.tif 000003
【図２】
0003758265.tif 000004
【図３】
0003758265.tif 000005
【図４】
0003758265.tif 000006
【図５】
0003758265.tif 000007
【図６】
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【図７】
0003758265.tif 000009
【図８】
0003758265.tif 000010
【図９】
0003758265.tif 000011
【図１０】
0003758265.tif 000012