JP3300333B2 - 三次元表示システム - Google Patents

三次元表示システム

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】発明の属する技術分野 本発明は、景色又は物体の空間深度に対してオフセット
される異なる複数の像面から得られる複数の平面の層状
の像に基づいて、景色又は物体を三次元表示するための
装置に関する。
【０００２】従来技術 従来技術のなかで知られている物体の空間的表示のため
の方法および装置は、おおむね３つのグループに分類さ
れる。第１のグループにおいては、異なる視覚角度から
記録された２つのイメージのうちの１つが、片方の目に
配分される。適切な手段を通して、各目には自身へ配分
されたイメージが見えるが、もう一方のイメージは見る
ことができない。赤緑メガネや偏光メガネを初めとする
このような手段により、各目が自身へ配分されたイメー
ジだけを見ることが確実となる。
【０００３】またそれは、適切に配置されたレンズ形ス
クリーン、又は各目に配分され与えられたイメージのみ
を分割する分割イメージディスプレイのようなプリズム
スクリーンによっても、確実となる。
【０００４】しかしながら、視覚位置および視覚距離は
一般に最初から固定されており、目の調節が起こり得な
いという不都合がある。このような理由から、この方法
で得られる空間的表示を見ることは疲労につながる。さ
らに、見るために必要とされる手段はときに非常に精巧
なもので、コストを上昇させる。
【０００５】従来技術から既知の第２のグループの装置
においては、空間的表示をなすためのイメージ又はイメ
ージの投影に容量を取る。この場合に実質的に不都合な
のは、例えば陰極球内の回転ディスク、回転する発光ダ
イオード表面、または回転らせん体を初めとする、異な
る空間深度でイメージを投影するための機械的に動く構
造組立体が必要とされることである。このような可動構
造組立体は、その動作が正確になされなければならず、
それらは精密に製造されなければならない一方で、他方
でこの種の構成は摩耗にさらされるため、維持のための
費用もかかり、結果的に物質的にも時間的にも非常に高
い要求がなされ、望ましくないコスト増につながる。
【０００６】このグループはまた、日本国公開特許公報
第６２−７７７９４号によれば、画像表示装置、調整可
能な焦点距離をもつ多くの微細凸レンズ、およびこれら
のレンズに対向して配置される別の凸レンズから成る三
次元表示装置を含む。例えば、前記微細凸レンズは、焦
点距離が調整可能な液晶レンズであり、像の深度情報に
基づく制御信号がこれらのレンズに与えられる。この装
置が動作されると、様々な二次元像、つまり垂直および
水平方向に広がる像が画像表示装置上に表示され、対応
する液晶レンズ制御又はイメージに関する焦点距離の調
整を経て追加の凸レンズを通して見ることにより、三次
元状態に知覚される像を形成可能である。
【０００７】しかしながら、比較的精巧な光学機械的お
よび光学電気的構成や、結果としてかなり大きなもので
ある９０cmの構造深度は不都合である。しかも、長距離
に対する目の調節により、微細凸レンズのラスタ又はこ
れらレンズ間の中間空間のラスタの方を見るのに有利と
なり、実際望ましい乱されていない三次元表示を受け取
らないという、望ましくない効果が起こると予期され
る。さらに、（小型化のために）ＴＦＴディスプレイを
意図的に使用すれば、例えば、微細凸レンズおよび追加
の凸レンズを有する光学システムによって線形拡大を実
現することは難しいため、問題に遭遇し得る。
【０００８】日本国公開特許公報第０７−６４０２０号
には三次元ディスプレイおよびこのディスプレイによる
表示方法が開示されている。この文献によると、三次元
的に動くイメージが迅速且つ簡単に表示され、それを広
い空間の中でメガネを使用せずに見ることができる。
【０００９】このため、短焦点距離を有する凸レンズ、
光源、およびレンズと光源との間に位置する伸張機構を
揃える複数の表示要素が用意され、表示面上に配設され
る。三次元イメージは、凸レンズと光源との間の距離を
前記伸張機構を作動させることにより変化させ、凸レン
ズにより形成される光源の像の位置を表示するなかで、
発生する。三次元イメージは、光源の虚像及び実像のイ
メージの位置を特に変化させることにより形成される。
【００１０】この場合もまた、むしろ複雑ともいえる構
成であることに加えて、凸レンズの絞り収差自体が補正
されず、イメージが低質となり、イメージ深度差が小さ
くなるという不都合がある。
【００１１】第３のグループにおいては、イメージが量
でイメージされる。例えば、これは、音響光学変調器を
使うか又は赤外線励起による水銀蒸気蛍光を利用する、
音波変調凹面鏡又はコンピュータ発振ホログラムにより
達成される。これらの方法および装置は比較的複雑であ
り、したがってコストがかかる。
【００１２】発明の説明 このような背景に対し本発明は、像形成が投影面および
可動構成アセンブリを利用せずに達成され、観察者にと
って追加の補助手段を必要としない、景色又は物体を三
次元表示に再生するための装置を提供することを目的と
する。
【００１３】本発明によれば、複数のイメージ素子を互
いに隣接させて観察者の視覚方向に対して垂直に設ける
とともに、行および列から成る平面ラスタ中に互いに配
列することにより目的が達成される。この関係におい
て、ラスタの行と列において互いに隣接する少なくとも
２つのイメージ素子は互いに異なる焦点距離を有し、異
なる焦点距離の数は、空間深度に関してオフセットされ
た像面の数に対応する。さらに、同様の焦点距離をもつ
イメージ素子は、常に同様の像面と対応する。層状の像
の一部は各イメージ素子の光軸中に配置され、同様の層
状の像の部分は、常に同様の焦点距離のイメージ素子の
光路中に設けられる。
【００１４】したがって、異なる像面から複数の層状の
像が記録された景色および物体が、簡単な手段により空
間的に再生されるという、有利な形態で達成される。こ
れは、各個の層状の像が、像面に対応する焦点面中の各
対応するイメージ素子により映像化されることによりな
される。
【００１５】本発明の特定の装置においては、イメージ
素子と関連する層状の像の部分を、イメージ素子の像面
中に配置させる。それゆえ、観察者の目の調節が促進さ
れる。各層状の像は良好な鮮鋭度で受け取られ、ゆえ
に、表される物体の現実的な三次元印象を伝える。
【００１６】十分な数のイメージ素子がラスタ上に配列
されると、良好な解像度が達成される。同一の焦点距離
をもつイメージ素子を、互いに同距離だけ離間させて位
置させると好ましい。観察者のために、層状の像は一方
に他方が重ね合わせられ、各層状の像は配分された像面
において示される。したがって、同時知覚に利用できる
ように形成された層状の像は、表示される物体又は景色
の良好な空間的印象を伝える。
【００１７】この装置の本質的な利点は、可動光学素子
を必要としないことである。さらに、従来技術とは対照
的に、片方の目のみで知覚する際にも空間的印象が形成
される、つまり、本発明の装置により、片方の目のみで
空間的表示の印象を達成することもできることである。
【００１８】本発明の好ましい実施態様においては、平
凸レンズがイメージ素子として設けられる。平凸レンズ
を有するラスタ装置は、例えば平面透明体の表面上で押
圧することによりレンズの凸面又は曲率を形成すること
で、経済的に製造される。
【００１９】もちろん、ラスタ装置において、両凸レン
ズ、フレネルレンズ、例えば凸レンズと凹レンズによる
レンズの組合せ等を設けることも可能である。同様に、
イメージ特性を向上するためにイメージ素子の光路中に
ダイアフラムを配置したり、観察者にとって各個の層状
の像が異なるものとして感じられるようにカラーフィル
タを設けることも考えられる。
【００２０】本発明の特に好ましい実施態様において
は、ラスタ内で、平凸レンズに４つの異なる焦点距離を
設ける。そのような互いに異なる焦点距離を有する４つ
の平凸レンズは、幾何学的に結合され、四角又は蜂の巣
形に配置されるラスタ行を形成する。この種の複数のラ
スタ行は行および列中に互いに隣接して配置され、ラス
タ全体を充填する。これに関し、同一焦点距離の平凸レ
ンズの焦点面に配置される４つの層状の像のなかに、常
時同様のものの部分が存在する。
【００２１】このようにして、本発明によれば、４つの
像面で非常に良好な空間的印象を与えることができるた
め、比較的簡単で容易に製造可能な形態で、空間的表示
を達成することができる。もちろん、本発明のさらなる
実施態様において、多数の像面を互いに重ね合わせて表
示可能とするために、多数の光学的イメージ素子をその
数に対応する異なる焦点距離をもたせて互いに隣接させ
て配置させ、それらをラスタ行中に結合させることが可
能である。
【００２２】本発明のさらに好適な実施態様において
は、各々が１００ｍｍ、８５ｍｍ、７０ｍｍ、および５
０ｍｍの焦点距離の１つを有する４つの平凸レンズが各
ラスタ行に設けられる。これにより、一方で互いに等距
離離れての深度に関してオフセットされ、もう一方で十
分に良好な空間的印象を伝える層状の像を表示すること
ができる。
【００２３】本発明の実施態様において、深度および像
面の数に関してオフセットすることは、三次元の方法で
知覚される物体の種類によってなされるべきである。空
間深度が非常に小さい粗い表面を表示する際には、オフ
セットする深度の距離もまた比較的小さく維持すること
ができる。一方、より大きい空間深度を有する物体にお
いては、より多数の像面、およびこの程度でまたより多
数の異なる焦点距離をもつイメージ素子を用いることが
推奨される。
【００２４】さらに本発明においては、各平凸レンズが
１ｍｍの直径を有し、各行中に４つの平凸レンズを持つ
１００のラスタ行と各列中に４つの平凸レンズを持つ１
００のラスタ行とを有するように配置することができ
る。これにより、層状の像の三次元表示において、非常
に良好な解像度が達成される。
【００２５】層状の像は、例えば、ドイツ国特許出願公
開（ＯＳ）第２９１１３７５号に示されるような従来技
術で知られている方法により得られる。該特許出願で
は、各層状の像が、その発明による装置により表示され
る像面の１つと対応するという条件を満たすことが必要
とされる。各層状の像は、同一の焦点距離のイメージ素
子の数に対応する数の部分に分割される。これらの部分
の各々はイメージ素子の１つに配分され、そのイメージ
素子の焦点面に配置される。
【００２６】本明細書に示す本発明の実施態様の形や変
形に加え、各イメージ素子又はレンズを互いに異なる直
径を持つように構成することも可能である。また、異な
る倍率のバランスがとれるように、各個の層状の像を異
なる割合で表示することも可能である。
【００２７】さらに、無限の焦点距離を持つ共通像面又
は層状の像に配分されるイメージ素子を形成することも
本発明の範疇に入るものである。この場合、対応する層
状の像の部分は１対１の割合で観察者に受け取られる。
【００２８】以下に、実施態様を参照しながら本発明に
ついてさらに詳しく述べる。 図面の詳細な説明 図１に示すように、複数のイメージ素子１、２、３、４
は、平面状ラスタ５内の行および列中に互いに隣り合っ
て位置している。イメージ素子１〜４は、例えば平凸レ
ンズである。１で示される全てのイメージ素子は同様の
焦点距離を有し、各２、３、および４で示される全ての
イメージ素子もまた各々同様の焦点距離を有する。しか
しながら、１で示されるイメージ素子の焦点距離は、２
で示されるイメージ素子の焦点距離とは異なる。同様
に、３および４で示されるイメージ素子の焦点距離は互
いに異なり、その他も同様に異なるものである。
【００２９】例えば、イメージ素子１は７０ｍｍの焦点
距離を有し、イメージ素子３は１００ｍｍ、イメージ素
子２は５０ｍｍ、そしてイメージ素子４は８５ｍｍの焦
点距離を有する。
【００３０】さらに図１に示されるように、各１個のイ
メージ素子１、２、３、４は１つのラスタ行５．ｍｎ中
に集められている。ラスタ行５．１１、５．１２、…
５．１ｎは１つの行中に配置されており、また、ラスタ
行５．１１、５．２１、…５．ｍ１は１つの列中に配置
されている。
【００３１】さらに、各イメージ素子１、２、３、４の
各ラスタ行５．１１〜５．ｍｎ中の互いに対する位置は
同一であることがわかるであろう。つまり、イメージ素
子１および２が第１の行において互いに隣りに位置し、
またイメージ素子３および４が次の行において互いに隣
りに位置することを意味する。最初の列において、イメ
ージ素子１および３は互いに隣りに位置し、次の列で、
イメージ素子２および４は互いに隣りに位置する。
【００３２】図２は、概して図１の線Ａ−Ａについての
断面図である。イメージ素子１および２の異なる焦点距
離はそれらの表面の異なる曲率によって示される。さら
に図２により、層状の像の異なる部分６が、異なる焦点
距離を有するイメージ素子と対応していることがわか
る。したがって、例えば層状の像６．１の部分はイメー
ジ素子１と対応し、層状の像６．２の部分はイメージ素
子２と対応する。
【００３３】類似の図が図３であり、そこでは、層状の
像６．３の部分はイメージ素子３と対応し、層状の像
６．４の部分はイメージ素子４と対応することがわか
る。図２および図３において、例えば各イメージ素子１
〜４の各々対応する各焦点面中に、部分的なイメージ
６．１〜６．４が配置されている。他方、図４および図
５は、部分的なイメージ６．１〜６．４が、イメージ素
子１〜４の焦点面ではなく、共通の平面上に配置されて
いる本発明の配列を示す。この結果、物理的媒質上に部
分的像をプリントするための必要条件が技術的に有利な
ものとなる。
【００３４】これらの図は、同様の層状の像の部分が同
様の焦点距離を有するイメージ素子下に常に配置される
ことを明確に示している。したがって、別個の像面にお
いて、各イメージ素子１、２、３、４は、それに対して
配分された層状の像の部分を結像することになる。
【００３５】同時に見られるイメージ素子１〜４を有す
るラスタが知覚される時、全ての像面が観察者に受け取
られる。しかしながら、異なる焦点面により、目は異な
る像面に焦点を当てる。したがって、各部分又は各層状
の像がそれに対応した空間深度において表示される。こ
の場合、物体は三次元的に示され、深度解像度は像面の
数による。 ［図面の簡単な説明］
【図１】本発明による光学的イメージ素子の配列を有す
るイメージフィールドの基本を示す図である。
【図２】焦点面内の部分像の配列を示す図１の線Ａ−Ａ
についての断面図である。
【図３】焦点面内の部分像の配列を示す図１の線Ｂ−Ｂ
についての断面図である。
【図４】焦点面外側の部分像の配列を示す図１の線Ａ−
Ａについての断面図である。
【図５】焦点面外側の部分像の配列を示す図１の線Ｂ−
Ｂについての断面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−42998（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−103352（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−64020（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−268796（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−77794（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04N 13/04 G02B 3/00 G02B 27/22

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】景色又は物体の異なる複数の像面を再生す
    る複数の平面層状の像に基づいて、景色又は物体を三次
    元表示する装置であって、像面は空間深度に関してオフ
    セットされ、固定された焦点距離を有する複数のイメー
    ジ素子（１、２、３、４）が、１つの平面状ラスタの行
    および列中に互いに隣接するように、観察者又はカメラ
    の視覚方向に対して垂直に設けられ、前記層状の像はイ
    メージ素子（１、２、３、４）により観察又は記録さ
    れ、前記ラスタの行又は列中で互いに隣接するイメージ
    素子（１、２、３、４）のうちの少なくとも２つは互い
    に異なる焦点距離を有し、異なる焦点距離を有するイメ
    ージ素子（１、２、３、４）の数は空間深度に対してオ
    フセットされる像面の数に対応し、同様な焦点距離を有
    するイメージ素子（１、２、３、４）は常に同様の像面
    に対応し、層状の像の一部は各イメージ素子（１、２、
    ３、４）の光軸中に配置され、同様の層状の像の部分
    （６．１、６．２、６．３、６．４）は常に同一の焦点
    距離を持つイメージ素子（１、２、３、４）に配分され
    る、三次元表示装置。
  2. 【請求項２】イメージ素子に対応する層状の像の部分
    （６．１、６．２、６．３、６．４）は、イメージ素子
    の像面に配置される請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】球面又は非球面の光学的に活性な表面を持
    つレンズ、好ましくは平凸レンズを設けた請求項１又は
    ２に記載の装置。
  4. 【請求項４】４つの異なる焦点距離を持つ平凸レンズが
    イメージ素子（１、２、３、４）として設けられ、異な
    る焦点距離を持つ４つの各平凸レンズは、蜂の巣形ラス
    タ行内で組み合わされ、この種の複数のラスタ行がラス
    タ全体を充填するように互いに隣接して配置され、層状
    の像の数が４つであり、層状の像の部分（６．１、６．
    ２、６．３、６．４）は、対応する平凸レンズの焦点面
    中に配置される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載
    の装置。
  5. 【請求項５】１００ｍｍ、８５ｍｍ、７０ｍｍ、および
    ５０ｍｍの焦点距離を持つ円形の平凸レンズの各々が各
    ラスタ行に設けられる、請求項４に記載の装置。
  6. 【請求項６】平凸レンズが共通シート上に配置され、凸
    レンズの各々が１ｍｍの直径を有し、一方で各々が４つ
    の平凸レンズを有する１００ラスタ行が各行に配置さ
    れ、他方で各々が４つの平凸レンズを有する１００ラス
    タ行が各列に配置される請求項５に記載の装置。
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