JP2007163901A - 三次元立体像の表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で実現でき、小型化も可能であり、設置場所の制約も受けにくく、コストも抑えることができる三次元立体像の表示装置を提供すること。
【解決手段】二次元画像をフラットディスプレイ装置２上に表示する。この装置２からの画像光の光路上に６枚の透明パネルからなる立体拡散パネル１を配置し、奥行き方向に周期的に移動させる。６枚の透明パネルの反射面に装置２からの画像光によって三次元立体像の断面像が描写され、その反射光を見る者は、残像効果によって、三次元立体像を見ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元の立体像を三次元空間上に表示させる三次元立体像の表示装置に関するものである。

立体画像の表示は、その表示性能とコストが合えば次のような分野において多く使われることが予想される。医療分野では、ＣＴスキャンなどの立体的なデータを空間に表示させることで、手術前に病巣部を確認することができ、非常に有効である。建築関係では、ＣＡＤデータを立体視することで、空間的な部位の確認ができ、こちらも有効である。設備設計やロボット設計などでも、空間的な部品配置が実際に見えるため、無駄の無い設計が可能となる。また、都市開発や、地域開発においても、三次元の立体画像で検討を行うことで、より実際に近い検討が可能となる。航空管制においても、飛行機の位置と高度が瞬時に確認できるため、ニアミスなどの危険を減らすことが可能となる。自衛分野においても、立体的な地形情報・空間情報を瞬時に把握できるため、活用される機会が多い。娯楽関係でもゲームなどの画像を操作して楽しむ分野においても、立体的な画像を複数の人が色々な角度から同時に見たり操作したりする新しい方式による、エンターテイメントが期待できる。

三次元の立体像を三次元空間上に表示させる場合、左右の目の視角差を利用して、人間が見たときに立体に見えるようにする方法と、実際に三次元空間上に表示させ、３６０度全方向から見えるようにする方法とがある。実際に三次元空間上に表示させる方法としては、特許文献２などにあるように、空間上にレーザーで実際の立体画像を表示させる方法などがある。

特開２０００−１１５８１２号公報 特開２０００−３３８９００号公報

しかしながら、左右の目の視角差を利用する場合は、たとえば特許文献１などにあるように、ある方向から見ると、立体として見えるが、別の場所からは見ることができなかったり、立体として見えないという問題がある。また、レーザーなどを使った場合は、装置が大掛かりになり、大きさ、重量などの制約により設置場所が限られたり、コストも高くなるという問題がある。

そこで、本発明の目的は以上のような問題を解消した三次元立体像の表示装置を提供することにある。

本発明は、二次元画像を表示する表示装置と、前記表示装置の表示面からの光の光路上において当該光を反射する面を有し、奥行き方向に移動可能である、透明または半透明な反射物体と、前記反射物体を奥行き方向に周期的に移動するように駆動する駆動手段と、前記表示装置上に表示された二次元画像からの光によって前記反射物体の前記面に三次元立体像の断面像が描写され、且つ、前記反射物体の移動に同期して、当該反射物体の前記面に前記移動に応答した位置の前記三次元立体像の断面像が描写されるように、前記表示装置によって表示する二次元画像のデータを生成する画像データ生成手段とを具えたことを特徴とする。

このような構成を有する本発明では、二次元画像を表示する表示装置の表示面からの光の光路上において当該光を反射物体の反射面が反射し、この反射物体が移動する。この移動に応答して表示装置は次々と別の画像（立体像の断面）を表示する。これを見る人間は、残像を記憶するので、反射物体が早く移動することによって、あたかも空間に立体像があるかのように見ることができる。また、簡単な構造で実現でき、小型化も可能であり、設置場所の制約も受けにくく、コストも抑えることができるようになる。

ここで、本発明においては、前記反射物体は、複数の反射面を有することとすることができる。

これによって、各反射面は立体像の一部を表示すればよいので、立体像の表示エリアを１つの反射面が移動しなくても済むことになり、駆動手段、反射物体の設計の自由度が増え、駆動部分の劣化を有効に防止でき、さらに、動きの速い立体像の表示が可能となる。

さらに、前記移動周期は５Ｈｚ以上とすることができる。

これによって、動きのある立体像であっても、残像効果によって動いて見えることが可能となる。

さらに、前記駆動手段は、前記表示装置の表示面からの光の光路中において、前記反射物体を周期的に平行移動するように駆動することを特徴とする三次元立体像の表示装置。

さらに、前記駆動手段は、前記表示装置の表示面からの光の光路中において、前記反射物体を周期的に回転するように駆動することができる。

さらに、前記反射物体の形状を、極座標表示で、
Ｘ＝ｒ＊ｃｏｓΘ
Ｙ＝ｒ＊ｓｉｎΘ
Ｚ＝ａ＊Θ
（Ｘ，Ｙ，Ｚ：三次元直交座標系の座標軸
ｒ：半径
Θ：角度
ａ：定数）
で表される曲面の一部を含むこととすることができる。

これによって、曲面上に表示される断面を計算する場合、高さ方向（Ｚ）が、角度（Θ）に比例するため、反射物体の回転による断面計算が簡単な足し算で計算可能となり、計算速度が速く回路やアルゴリズムも単純になる。

さらに、前記反射物体を、前記面上にガラスビーズを付着させたものとすることができる。

これによって、高輝度の三次元の立体像を表示させることが可能となる。

さらに、前記反射物体を、前記面上に蛍光塗料を付着させたものとすることができる。

これによって、高輝度の三次元の立体像を表示させることが可能となる。

さらに、前記表示装置を、液晶パネル、ＥＬディスプレイ、ＣＲＴディスプレイなどのフラットディスプレイ装置とすることができる。

これによって、一般に普及している二次元のディスプレイ装置を使用することができる。

さらに、前記表示装置を、液晶プロジェクタ、ＤＬＰプロジェクタなどの投影型ディスプレイ装置とすることができる。

これによって、高輝度の光源を使えるため、高輝度の三次元の立体像を表示させることが可能となる。

さらに、前記反射物体と前記表示装置との間に、前記表示装置の表示面からの光の進行方向および結像位置の少なくとも１つを変化させる光学系を設けることができる。

これによって、三次元の立体像が拡散せずに届かせることができ、高輝度の三次元の立体像を表示させることが可能となる。

さらに、前記光学系を前記反射物体と同期して移動させることができる。

さらに、画像データ生成手段は、前記駆動手段からの前記反射物体の駆動に関連する信号に同期させて前記二次元画像データを生成することができる。

これによって、ぶれを効果的に抑制して、安定した三次元の立体像を表示させることが可能となる。

さらに、前記表示装置によって単色光の二次元画像を表示し、前記反射物体を複数の反射面を有するものとし、前記反射物体の前記複数の反射面に各々別個の色を変換して反射する材料を使用することによってカラーの立体像を合成することができる。

これによって、表示装置は単色光として輝度と密度を上げることができるので、高輝度、高密度の三次元の立体像を表示させることが可能となる。

さらに、複数の三次元立体像の表示装置を並置することによって前記複数の反射物体の各々に三次元立体像を分割表示させることができる。

これによって、大きな空間に三次元の立体像を表示させることが可能となる。

本発明によれば、簡単な構造で実現でき、小型化も可能であり、設置場所の制約も受けにくく、コストも抑えることができる三次元立体像の表示装置を提供することができる。

以下、本発明を適用するのに好適である実施例について説明を行う。
（実施例１）
図１は実施例１に係る三次元立体像の表示装置の全体を示す図である。２は二次元画像を表示する表示装置としてのフラットディスプレイ装置であり、このフラットディスプレイ装置２は、出力ケーブル７を介してコンピュータシステム５から供給された二次元画像データに応答して二次元画像を表示面上に表示する。１は等間隔に並べた６枚のフィルムを有する反射物体としての立体拡散パネルであって、フラットディスプレイ装置２の表示面の直上（すなわち、表示面上の画像光の光路上）に位置するように駆動装置４（動作は後述する）に支持されている。

立体拡散パネル１のフィルムは平面からなる透明なメッシュのフィルムにガラスビーズを吹き付けたものである（半透明なフィルムであってもよい）。このような構造のフィルムによれば、ガラスビーズによって白板よりも高い反射効率で光を反射（拡散）し、且つ、光を透過することもできる。また、各フィルムは、その平面に直角方向の位置にいる者８の側に対して、垂直から上端側が前に傾斜しており、且つその下端にはレンズ３が取り付けられている。このレンズ３は、フラットディスプレイ装置２の表示面に接近しており、この表示面上の画像光を傾斜したフィルムの面に照射するように拡散する。駆動装置４は、立体拡散パネル１を水平方向に（これを見る者８側からは奥行き方向に）往復移動するように駆動する。駆動装置４は、立体拡散パネル１が往復移動の原点位置にあるときに位置情報信号線６を介してコンピュータシステム５に正のパルスを出力する。

フラットディスプレイ装置２の表示面に画像を表示すると、表示画像からの光が立体拡散パネル１の各フィルム面で反射するので、立体拡散パネル１を見る者８は、そこに画像を見ることができる。以下、この反射部を立体拡散パネル１の画像表示部と称する。したがって、この画像表示部に立体画像が表示されるとすると、各フィルムの面はその立体画像の断面を表示することになる。

立体拡散パネル１の画像表示部には、次のような手順で立体画像の表示を行うことができる。まず、コンピュータシステム５で作成した三次元の立体画像を図２のようなＸ，Ｙ，Ｚ（Ｘ：画面の横方向，Ｙ：画面の奥行き方向，Ｚ：画面の高さ方向）バッファに展開した。このバッファから立体拡散パネル１が、三次元空間の中にいる位置での断面部分の情報を取り出し、表示する。実際の表示方法を以下の図で説明する。

図３は、表示させたい立体図形である。図４の（ａ）は原点位置での立体拡散パネル１の位置とその時に、立体図形を切断する断面位置を計算して示したものである。図４の（ｂ）はこれにより計算された、二次元のフラットディスプレイ装置２に表示される画像である。図５，図６，図７はそれぞれ、立体拡散パネル１が奥行き方向に移動した時点での断面の切り取り部分とこれにより計算された、フラットディスプレイ装置２に表示される画像である。立体拡散パネル１の形状はある程度固定であるため、一度断面形状を作成しておきさえすれば、前述した画像を作成したＸ，Ｙ，Ｚバッファからの画像の切り出しは、ポインターの足し算だけで容易に行うことができる。立体拡散パネル１の移動に応答して、これに同期したかたちで、フラットディスプレイ装置２にそれぞれの画像を出力することによって、三次元の立体像を空間に表示させることができる。図８に、ある時間間隔に表示される、三次元の立体像と二次元のフラットディスプレイ装置２に映し出される画像を重ね合わせた像を示す。十分に短い時間の間にこれらを表示することで、人間の目には、残像として残るため、あたかも、三次元の立体が空間に描写されているかのように見える。

具体的には、立体拡散パネル１を７．５ＨｚのＳｉｎ波で振動させた。立体拡散パネル１が原点位置にきたときに、出力される正のパルス信号に応答して、コンピュータシステム５から、二次元の画像信号をＲＧＢ出力の標準である６０Ｈｚのノンインターレース信号としてフラットディスプレイ装置２に出力した。二次元の画像信号は、５画面分準備し、１６．６ｍｓｅｃ毎に次の信号になるように更新した。立体拡散パネル１は、往復移動するため、立体拡散パネル１の往復移動位置に対応させた５画面分の画像を作成した。各画像をＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅとし、原点位置に対応する画像をＣとし、Ｃの画像から表示開始し、且つ立体拡散パネル１を原点位置から移動開始させると、画像の表示順序はＣ→ＤＥ→Ｄ→Ｃ→Ｂ→Ａ→Ｂ→Ｃの繰り返し画像を出力することになる。

本実施例では、この処理をコンピュータシステム５のソフトウエアで全て実行したが、専用のディスプレイアダプタなどのハードウエアで、処理させた方が効率が高く、コンピュータシステム５に負荷をかけない表示が行える。

三次元の立体像を表示させている途中で、Ｘ，Ｙ，Ｚバッファの内容を書き換えることによって、表示される立体像を動かすことができる。また、以上のような構成の複数の三次元立体像の表示装置を並置することによって複数の立体拡散パネル１の各々に三次元立体像を分割表示させることができ、より大きな空間により大きな立体像を表示することもできる。

（実施例２）
図９に実施例２の全体を示す。図９に示すように、本実施例は、立体拡散パネルの構造が実施例１と異なり、その駆動の仕方も実施例１と異なり、フラットディスプレイ装置２に供給する画像データも実施例１と異なる。

駆動装置４は、適当なアーム（不図示）を介して、フラットディスプレイ装置２の直上に同装置の表示面と垂直に回転軸９を配置し、この回転軸９に立体拡散パネルを構成する４枚のパネル（曲板）１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄを固定し、これらの曲板を回転軸９を中心に回転させる。４枚のパネル１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは９０度毎に回転軸９に固定され、各パネルの下端および上端は直線状であり、且つ、上端は下端から見て回転方向側に９０度進んだ位置に位置するようにその間がわん曲しており、４枚のパネル１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの上下端の間の外縁は１つの円柱に全て接する形状をしている。４枚のパネル１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは、各々、透明なプラスチック板からなり、その面上に蛍光体を塗布した。

フラットディスプレイ装置２としては、一般的な液晶ディスプレイ装置を使用した。液晶ディスプレイは、光の直進性が高く、レンズなどを使用しなくても、その表示面上の画像光の光路上に位置する立体拡散パネルを構成するパネル１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに像（断面像）を表示させることができる。立体拡散パネルの回転数は９００ｒｐｍ（１５Ｈｚ）とした。

本実施例では、立体拡散パネルは、４枚のパネル１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄから構成されているため、１つのポイントにつき、１秒間に６０回の画像を更新することが可能となる。４分割の（４枚の）パネルをそれぞれ第１パネル、第２パネル、第３パネル、第４パネルと称すると、立体拡散パネルを回転させ、フラットディスプレイ装置２の表示面上の画像光による第１パネルの表示以後、同じ場所に第２パネルが来たときに、フラットディスプレイ装置２による表示画像を更新し、以降、同様にすることによって、立体拡散パネルを見る者８は、そこに表示される立体画像があたかも動いたかのように見える。

立体拡散パネルの回転とフラットディスプレイ装置２による表示画像との同期は、立体拡散パネルの回転軸９に回転エンコーダを付け、その回転検出パルスを位置情報信号線６を介してコンピュータシステム５に供給する。コンピュータシステム５は、回転検出パルス信号に応答して、フラットディスプレイ装置２に出力する信号を更新する。

立体拡散パネル１によって表示する立体画像は、コンピュータシステム５で作成した（実施例１と同様）。この立体画像を断面に分解するときに、つぎのような処理を行った。立体像は、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標で指定されているため、この空間全体に対して、その座標をｒ，Θ，ｚ（ｒ：半径，Θ：角度）の曲座標表示に変換した。このとき、各ｒ，Θのポイントに対して、Ｚ方向に対してリングバッファの構造とした。次に、立体拡散パネル１により切り取られる断面形状について、各ｒ，Θに対してＺ位置を示すポインターを設定し、ポインターで示したデータを集めることによって、一枚の断面画像を作成した。立体拡散パネル１が回転すると、その断面の高さは、
Ｚ＝ａ＊Θ
で表されるため、角度の変化は高さの変化に比例する。そのため、角度が進むごとに、Ｚ方向のポインターを１つ変化させることによって、立体拡散パネル１が立体像を切断する断面画像をすばやく表示させることが可能となる。この立体拡散パネル１に表示される立体像と、フラットディスプレイ装置２の表示面に表示される画像を図１０〜図１３に示す。実施例１と同様に三次元の立体像を空間に表示させることが可能となる。

以上の処理はコンピュータシステム５のソフトウエアで全て実行したが、単純な計算であるため、ＬＳＩなどのハードウエアで、処理させた方がなお高速処理が可能となる。また、立体拡散パネル１は、回転と奥行き方向への往復移動とを組み合わせて駆動することもできる。

（実施例３）
図１４に全体を示す本実施例は、実施例２の構成と同様であるが、表示装置として、液晶プロジェクタ１０を使用した。液晶プロジェクタ１０は、拡大表示させるための光学系を使用しているので、ミラー１１を設置して、この液晶プロジェクタ１０からの投射光を平行光に変換し、立体拡散パネル１に投射した。この光学系以外は実施例２と同様に処理することができる。なお、液晶プロジェクタ１０およびミラー１１は本発明に専用の構成となるように設計することもでき、こうすることによって、無駄を省くことができる。

（実施例４）
表示装置として、ＥＬディスプレイ装置１２を使用し、立体拡散パネル１３として、３枚のパネル１３ａ，１３ｂ，１３ｃを１２０度毎に回転軸９に固定した。
ＥＬディスプレイ装置１２は、単色光からなる画像を表示する。

各パネルの下端および上端は直線状であり、且つ、上端は下端から見て回転方向側に１２０度進んだ位置に位置するようにその間がわん曲しており、３枚のパネル１３ａ，１３ｂ，１３ｃの上下端の間の外縁は１つの円柱に全て接する形状をしている。３枚のパネル１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、各々、青色、赤色、緑色の色変換材料を埋め込んだ曲板からなり、ＥＬディスプレイ装置１２からの単色光の画像を照射されると、各々青色、赤色、緑色の光（光の３原色）を反射する。

画像処理は実施例２と同様にして行うことができ、本実施例では、単色光を発光させ、青色、赤色、緑色の光（光の３原色）を反射することによって、残像効果によって、空間的に目的のカラー画像が合成されて見ることができる。

実施例１に係る三次元立体像の表示装置の全体を示す図である。 二次元の表示装置に供給する画像の表示バッファの記憶内容の一例を示す図である。 表示させたい立体図形を示す図である。 ａ）は原点位置での立体拡散パネル１の位置とその時に、立体図形を切断する断面位置を計算して示した図であり、ｂ）はこれにより計算された、二次元のフラットディスプレイ装置２に表示される画像を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、立体拡散パネル１が奥行き方向に移動した時点での断面の切り取り部分を示す図、およびこれにより計算された、フラットディスプレイ装置２に表示される画像を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、立体拡散パネル１が奥行き方向に移動した時点での断面の切り取り部分を示す図、およびこれにより計算された、フラットディスプレイ装置２に表示される画像を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、立体拡散パネル１が奥行き方向に移動した時点での断面の切り取り部分を示す図、およびこれにより計算された、フラットディスプレイ装置２に表示される画像を示す図である。 ある時間間隔に表示される、三次元の立体像と二次元のフラットディスプレイ装置２に映し出される画像を重ね合わせた像を示す図である。 実施例２の全体を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、ある時間での立体拡散パネル１に表示される立体像を示す図、およびフラットディスプレイ装置２の表示面に表示される画像を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、別のある時間での立体拡散パネル１に表示される立体像を示す図、およびフラットディスプレイ装置２の表示面に表示される画像を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、さらに別のある時間での立体拡散パネル１に表示される立体像を示す図、およびフラットディスプレイ装置２の表示面に表示される画像を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、さらに別のある時間での立体拡散パネル１に表示される立体像を示す図、およびフラットディスプレイ装置２の表示面に表示される画像を示す図である。 実施例３の全体を示す図である。 実施例４の全体を示す図である。

符号の説明

１ 立体拡散パネル
２ フラットディスプレイ装置
３ レンズ
４ 駆動装置
５ コンピュータシステム
６ 位置情報信号線
７ 出力ケーブル

Claims (15)

1. 二次元画像を表示する表示装置と、
   前記表示装置の表示面からの光の光路上において当該光を反射する面を有し、奥行き方向に移動可能である、透明または半透明な反射物体と、
   前記反射物体を奥行き方向に周期的に移動するように駆動する駆動手段と、
   前記表示装置上に表示された二次元画像からの光によって前記反射物体の前記面に三次元立体像の断面像が描写され、且つ、前記反射物体の移動に同期して、当該反射物体の前記面に前記移動に応答した位置の前記三次元立体像の断面像が描写されるように、前記表示装置によって表示する二次元画像のデータを生成する画像データ生成手段とを具えたことを特徴とする三次元立体像の表示装置。
2. 請求項１において、
   前記反射物体は、複数の反射面を有することを特徴とする三次元立体像の表示装置。
3. 請求項１において、
   前記移動周期は５Ｈｚ以上であることを特徴とする三次元立体像の表示装置。
4. 請求項１において、
   前記駆動手段は、前記表示装置の表示面からの光の光路中において、前記反射物体を周期的に平行移動するように駆動することを特徴とする三次元立体像の表示装置。
5. 請求項１において、
   前記駆動手段は、前記表示装置の表示面からの光の光路中において、前記反射物体を周期的に回転するように駆動することを特徴とする三次元立体像の表示装置。
6. 請求項５において、
   前記反射物体の形状が、極座標表示で、
   Ｘ＝ｒ＊ｃｏｓΘ
   Ｙ＝ｒ＊ｓｉｎΘ
   Ｚ＝ａ＊Θ
   （Ｘ，Ｙ，Ｚ：三次元直交座標系の座標軸
   ｒ：半径
   Θ：角度
   ａ：定数）
   で表される曲面の一部を含むことを特徴とする三次元立体像の表示装置。
7. 請求項１において、
   前記反射物体は、前記面上にガラスビーズを付着させたことを特徴とする三次元立体像の表示装置。
8. 請求項１において、
   前記反射物体は、前記面上に蛍光塗料を付着させたことを特徴とする三次元立体像の表示装置。
9. 請求項１において、
   前記表示装置は、フラットディスプレイ装置であることを特徴とする三次元立体像の表示装置。
10. 請求項１において、
    前記表示装置は、投影型ディスプレイ装置であることを特徴とする三次元立体像の表示装置。
11. 請求項１において、
    前記反射物体と前記表示装置との間に、前記表示装置の表示面からの光の進行方向および結像位置の少なくとも１つを変化させる光学系を設けたことを特徴とする三次元立体像の表示装置。
12. 請求項１１において、
    前記光学系は前記反射物体と同期して移動することを特徴とする三次元立体像の表示装置。
13. 請求項１において、
    画像データ生成手段は、前記駆動手段からの前記反射物体の駆動に関連する信号に同期させて前記二次元画像データを生成することを特徴とする三次元立体像の表示装置。
14. 請求項１において、
    前記表示装置は単色光の二次元画像を表示し、前記反射物体は複数の反射面を有し、前記反射物体の前記複数の反射面に各々別個の色を変換して反射する材料を使用することによってカラーの立体像を合成することを特徴とする三次元立体像の表示装置。
15. 複数の請求項１の三次元立体像の表示装置を並置することによって前記複数の反射物体の各々に三次元立体像を分割表示させることを特徴とする三次元立体像の表示装置。
    

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