JP3376023B2 - 立体画像表示方法及び画像表示装置 - Google Patents

立体画像表示方法及び画像表示装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は立体画像表示方法及び画
像表示装置に関するもので、特に画像表示素子により表
示された画像情報を虚像として観察者に表示する際、小
型で且つ大画面、高精細な表示が可能で、且つ、いわゆ
る「ついたて効果」の生じない、もしくは軽減される立
体画像表示方法及び画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、液晶等の画像表示素子に表示され
た画像情報を臨場感ある大画面の映像として表示するに
は大型ＣＲＴディスプレイ装置、プロジェクションＴＶ
等が用いられている。
【０００３】しかしながらこれらの装置には大きなスペ
−スを必要とする、あるいは周囲を暗くしなければ良好
な映像が観察しずらいなどの問題があり、使用状況が制
限を受けていた。
【０００４】このため、最近では画像表示素子に表示さ
れた画像からの光束を顔面の極く近くに配置された光学
系により直接目（観察者の瞳）に投光し、等価的に大画
面の画像情報を虚像として観察させるようにした画像表
示装置が提案されている。
【０００５】図１６はこのような装置の一例で、特開平
４−３４５１２号公報に提案されている画像表示装置の
主要部を説明したものである。画像は信号ライン２０６
によって送られてくるデータによって液晶表示器（液晶
パネル）２０１上に表示される。２０１はバックライト
光源２０４によって透過照明される。液晶表示器２０１
に表示された画像情報に基づく光束２０８は凹レンズと
凸レンズとから成る拡大レンズ２０３を通過後、ミラー
２０５で反射し、反射光束２０９となって観察者２１０
の目（観察者の瞳）２０７に入射する。
【０００６】従って、観察者は光束２０９により表示画
像を観察する。このとき、拡大レンズ２０３は液晶表示
器２０１に表示された画像を、ミラー２０５を介して観
察者の瞳２０７から所定の距離、例えば５ｍ前方の虚像
面２０２上に虚像として表示を行う。
【０００７】観察者はこの結果、虚像面２０２上に液晶
表示器２０１に表示された画像情報を観察する。
【０００８】この他、ＶＰＬリサーチ社から製品化され
ている「アイフォン」と呼ばれるへッド・マウント・デ
ィスプレイでは約３インチの液晶ディスプレイを左右両
眼用として２セット用意し、それぞれの表示画像をフレ
ネルレンズを介して観察することで立体感のある画像を
表示させている。
【０００９】これら従来の立体画像表示方法では、左右
両眼それぞれに対応する結像光学系を用意し、視覚差に
応じた画像を表示するなどして立体感を与えることを実
現している。
【００１０】立体感のある画像表示の従来例には、この
ほか特開平４−２４８５８３号公報に示されるような３
次元画像表示装置もある。図１７はそのブロック図であ
る。この方法は、表示物体の各部分をそれぞれ表示位置
を変化させながら選択的に表示するもので、最も自然な
３次元画像の一部となるはずの位置近傍に表示画像が呈
示され、目の残像効果を利用して３次元画像が完成され
る。
【００１１】
【発明が解決しようとしている課題】しかしながら図１
６に示された従来の画像表示装置では画像表示素子自体
が小型であるため、表示される画素数が限定されるとい
う問題が存在する。このため単純な拡大投影で大画面の
画像の表示を行うと、画素が観察者に観察されてしま
い、画像情報を良好に観察するのが困難であるという問
題点があった。
【００１２】例えば、画像表示素子として小型の液晶表
示器を用いた場合、現行の多くのものは約３０万画素程
度である。このためＮＴＳＣ信号をビデオ出力した場合
と同程度の解像力しかなく、更に大画面の表示をした
り、高精細表示をするのは困難である。
【００１３】また「アイフォン」は現状でも重量が約
1.2Kgあり、重いという問題点を抱えている。この状態
で更に大画面の画像を表示しようとすると、装置に使用
するフレネルレンズの直径を更に大きくしなければなら
ない。
【００１４】しかしながら日本人の両眼の間隔は平均で
約 62.5mm であるため、フレネルレンズのこれ以上の大
型化は難しく、たとえできたとしても更に重量を増して
しまうという問題がある。
【００１５】本発明の第１の目的は上記の点を考慮し、
小型・軽量で、大画面表示の可能な画像表示装置を提供
することにある。
【００１６】しかしながら画像表示位置固定の方法に
は、左右の視点の差のみが再現され、像の奥行き位置が
変化しないという問題点がある。このため、日常生活で
経験する左右の目の輻輳角に対し存在すべき像の位置か
ら極端にはずれた奥行き位置に像が表示され、目の疲労
と共に、いわゆる「ついたて効果」が存在するという課
題があった。
【００１７】これに対し、実際に画像の表示位置を変化
させて３次元物体を表示する図１７等の従来例において
は、像を観察する際に左右視覚差に対応して、表示物体
の陰に隠れて見えないはずの部分が表示されてしまい、
日常の画像とは異質の画像が観察されるという問題があ
る。
【００１８】また、表示する像の大きさによる制約があ
り、奥行き位置の変化分だけ表示部を駆動させることも
必要である。特に奥行き差の大きい画像の表示を行う場
合は、各奥行き部分の表示に割り当てられる単位時間あ
たりの割合が減少する。
【００１９】従来例では目の残像効果を利用して像表示
を行うために各奥行き部分ごとの表示輝度を高くする必
要があり、観察者の目の安全性の点で事実上限界があっ
た。
【００２０】本発明の第２の目的は、上記の点を考慮
し、目に優しいついたて効果の生じない良好なる立体画
像の表示が可能な立体画像表示方法の提供にある。
【００２１】
【課題を解決する為の手段】請求項１の発明の画像表示
装置は、観察者の左右眼に各々１以上の画像表示素子を
設け、該画像表示素子からの光束をホログラムを介して
観察者の左右眼に導光して、該画像表示素子の虚像を観
察する画像表示装置において、該ホログラムは観察者の
左右両眼にそれぞれ対応する少なくとも２つの光学的パ
ワーを有し、該ホログラム上で右目用と左目用の有効光
束が重なり合う部分に複数個の干渉縞が重ねて形成され
ており、かつ虚像面上に左右眼用の虚像を輻輳角を有し
て形成することにより観察者の左右眼の焦点位置と前記
虚像面を一致させることが可能となるように構成されて
いることを特徴としている。
【００２２】
【００２３】請求項２の発明の立体画像表示方法は、観
察者の左右眼に各々視差を有する複数の画像表示素子を
設け、該複数の画像を表示する画像表示素子からの光束
を同一領域に互いに異なった結像作用を有するように形
成されたホログラムを介して観察者の左右眼に導光し、
該複数の画像表示素子の表示を時間的に制御して、該複
数の画像表示素子の虚像を観察者に対して奥行き方向に
形成して観察することを特徴としている。
【００２４】
【００２５】
【００２６】図１は参考例１を示す画像表示装置の要部
概略図である。
【００２７】参考例１ではゴ−グル状またはヘルメット
等の部材９に固定された装置を、観察者の頭部に装着し
た状態を示すものである。
【００２８】ハロゲンランプや蛍光灯などのバックライ
ト光源１により射出された光束は、干渉フィルタ等の波
長制限素子１０１で所定の波長の光が選択的に透過さ
れ、ＬＣＤ素子等の画像表示素子２を照明する。照明光
束は画像表示素子２を透過することで変調され画像表示
光束になり、ガラス或はプラスチック等の基板３上に形
成されたホログラムレンズ４に入射する。
【００２９】ホログラムレンズ４は、図２に示すよう
に、左目用のレンズ領域４−１と右目用のレンズ領域４
−２という２つのホログラムレンズ領域より構成され、
２重露光法により作成される。それぞれの領域にはホロ
グラムの干渉縞が記録されており、両者の共通部分であ
る領域４−３に２つの干渉縞が２重露光されている。
【００３０】ホログラムレンズ４の作用を図１に戻って
説明を行う。画像表示素子２上の点Ｂから射出された発
散光束８は右目用のホログラムレンズ４−２で回折さ
れ、光束８より緩い発散光束８′に変換されて、右目６
へ入射する。
【００３１】この結果、観察者は点Ｂから発生した光束
８を、より遠方の点Ｂ′から射出された光束８′として
観察する。同様に点Ａから射出された光束７も、ホログ
ラムレンズ４−１の回折作用で、より緩い発散光束７′
に変換されて左目５へ入射する。画像表示素子２上の画
像は以上の作用で虚像として拡大され、観察者によって
観察される。
【００３２】参考例１のホログラムレンズ４にはアルゴ
ンイオンレーザーを用いた２光束干渉法によって、フォ
トポリマーに記録した体積位相型ホログラムが用いられ
る。このほかにも公知のホログラム作成法が利用でき
る。体積位相型ホログラムは回折光率の入射角依存性を
示す角度選択性が良いという特長がある。
【００３３】図３及び図４は体積位相型ホログラムの機
能・効果を示したものである。図３は図１の２重露光さ
れた領域４−３に形成されている干渉縞を模式的に表わ
した図である。領域４−３は両眼に対する有効部が重な
り合っているところであり、左目へ行く光束と右目へ行
く光束を、所望のとおり個々に分離して結像させる機能
を果たさなければならない。
【００３４】図３は画像表示素子２上の点Ｂと点Ｃから
射出される光束の光路を示している。点Ｂから射出され
た光束８はホログラムレンズ４−２で観察者の右目６へ
入射する光束８′に変換される。
【００３５】一方、点Ｃから射出された光束１０はホロ
グラムレンズ４−１で観察者の左目５へ入射する光束１
０′に変換される。ここでホログラムレンズ４−１には
図中ハッチングで示したＧ１という格子、領域４−２と
しては実線で示した格子Ｇ２が対応し、領域４−３では
両方の格子が共存する構成となっている。点Ｂから射出
される光束８の主光線は入射角θB でホログラムレンズ
に入射する。
【００３６】図４に示したのはホログラムレンズ４−２
の角度選択性である。角度選択性のグラフは入射角θB
を中心にホログラムを回転させ、その回折効率をプロッ
トしたものである。ホログラム製作上の配置から入射角
θB はブラッグ角となっており、θB 付近の入射角を持
つ光線のみが格子Ｇ２を持つホログラムレンズ４−２に
よって回折され、右目に到達することが分かる。
【００３７】図４よりホログラムレンズ４−２はθB ±
10°内の角度にのみ強い回折効率を持っているため、光
束８の光束広がりは最大でも20°に限定される。この入
射角以外の光はホログラムレンズ４−２では回折されな
い。
【００３８】従ってホログラムレンズ４−２は表示素子
上の点Ｃからからの光束１０に対してなんら作用を行わ
ず、単に入射した光を透過させるのみである。
【００３９】点Ｃからの光束には格子Ｇ１を持つホログ
ラムレンズ４−１が対応する。格子Ｇ１は入射角度がθ
C の光線について回折効率がピ−クとなるように設定さ
れている。角度θC で入射する光束１０はホログラムレ
ンズ４−１により左目５の方向へ回折が行われる。表示
素子上の点Ｂからからの光束８に対しては、ホログラム
レンズ４−１は何んら作用を行わず、単に入射した光を
透過させるのみとなる。
【００４０】領域４−３にはホログラムレンズ４−１と
４−２が多重記録されているが、上記のようなホログラ
ムの角度選択性を用いることによって、２つのホログラ
ムレンズは互いにクロスト−クのない、独立したレンズ
機能を発揮することができる。
【００４１】以上図１に示されるように、参考例１では
ホログラムレンズ４−１の物点として範囲２−１、ホロ
グラムレンズ４−２の物点として範囲２−２が対応する
ようになっている。領域２−１と領域２−２は画像表示
素子２上で互いにオ−バ−ラップするため、本実施例は
一つの表示画像を両眼で拡大して観察する事例に相当す
る。
【００４２】図５は画像表示装置の参考例２の要部概略
図である。説明を簡単にするため、頭部へ装着するため
の部材を省略して光学系に関する部分の構成のみが示さ
れており、参考例１と同一の構成要素については同一の
番号が付けられている。参考例における各部の機能は参
考例１と類似しているため、ここでは異なる部分につい
てのみ説明を行う。
【００４３】参考例の特徴は右目用と左目用にＬＣＤ等
の画像表示素子１２−ａ，１２−ｂが独立に設けられて
いることである。画像表示素子１２−ａ，１２−ｂには
２つの画像を別個に呈示することができる。
【００４４】右目用の画像表示素子１２−ａから射出さ
れた光束１７はホログラムレンズ１４で回折されて光束
１８に変換され、右目６に入射する。同様に左目用の画
像表示素子１２−ｂから射出された光束１９はホログラ
ムレンズ１４で回折されて光束２０に変換され、左目５
に入射する。
【００４５】図５には画像表示素子１２−ａ，１２−ｂ
上の各点から射出する光束のうち、いくつかの主光線
（瞳中心を通る光線）を示してある。
【００４６】図６は参考例２の光路図を左目用について
更に詳しく示したもので、全く同様の図を右目用につい
ても作成することができる。
【００４７】左目用の画像表示素子１２−ｂで変調され
た光、例えば点Ｄから射出された光束１９−１はホログ
ラムレンズ１４で回折され、光束２０−１に変換されて
左目５へ入射する。画像表示素子１２−ｂ上の他の点
Ｅ、Ｆから射出された光束も同様にホログラムレンズ１
４で回折され、左目５に入射する。
【００４８】参考例での右目用と左目用の表示素子の分
離は、ホログラムレンズ１４に記録されている２つのホ
ログラムレンズの光学的パワーを参考例１より強くする
ことによって達成される。光学的パワーが強いため光は
参考例１より強い偏向作用を受け、結果的に両眼の物点
の画像表示素子上でオーバーラップをなくすことができ
る。それぞれの画像表示素子上の画像は、独立に、対応
する目で観察が行われる。
【００４９】このため１２−ａ，１２−ｂで呈示する画
像は互いに異なったものも可能である。例えば両眼視差
に応じた視差画像を画像表示素子１２−ａ，１２−ｂに
表示して、それぞれ右目６、左目５へ入射させることに
より、立体感のある画像を観察させることができる。
【００５０】参考例をゲーム等の娯楽用、或は仮想現実
感 (Virtual Reality)用の表示素子へ用いたとすると、
更に大画面の表示が可能である。画角を上下左右に約５
０°程度の広画角のものにすることによって、「誘導視
野」と呼ばれる臨場感のある立体画像を得ることもでき
る。
【００５１】図７は参考例３の模式図である。前参考例
と同一の構成要素については、やはり同一の番号が付け
られている。各素子の配置を分かりやすくするために図
は誇張して表されているが、実際の装置は両目５、６と
ホログラムレンズ３４との間の距離が約４５ｍｍ程度と
非常に小型なものである。
【００５２】参考例の特徴はホログラムレンズ３４を前
記参考例１，２で用いた透過型ホログラムから反射型ホ
ログラムへ変更したことである。３１はバックライト光
源、３２は画像表示素子で、ホログラムレンズ３４のパ
ワーに従って画像表示素子３２上には両目用に同一の画
像が表示されても良いし、また両目用に別個の画像が分
離されて表示されてもよい。
【００５３】参考例でも左目用のホログラムレンズ３４
−１、右目用のホログラムレンズ３４−２は領域３４−
３で２重に記録され、広い表示画像を実現する。
【００５４】参考例に用いられるホログラムを体積位相
型ホログラムとすると、いわゆるリップマンホログラム
の波長選択性（回折効率の波長依存性）の優れた性質を
利用することができる。
【００５５】このため参考例では、外界の光景等の他の
画像に、虚像を重畳して、同時に２つの画像を観察する
こともできる。
【００５６】図８は本発明の実施例１を示す模式図であ
る。前参考例と同一の作用を有する構成要素については
同一の番号が付されている。本実施例は参考例２及び３
の変形で、画像表示素子を右目用と左目用に画像表示素
子３２−ａ，３２−ｂと２つ用い、これらを両耳の横に
配置している。
【００５７】また本実施例では各虚像を両眼の輻輳角θ
ａ を持たせて表示できるように設定したことも特長で
ある。装置各部の機能は参考例２の透過型ホログラムレ
ンズ１４を反射型ホログラムレンズ３４へ変更しただけ
で、後は同一である。但し反射型ホログラムを用いるた
め、画像表示素子が表示する画像は、参考例２と鏡像の
関係となる。
【００５８】本実施例では右目用の画像表示素子３２−
ａで表示された画像情報は虚像ａとして領域４８に観察
者の右目６で観察され、左目用の画像表示素子３２−ｂ
で表示された画像情報は虚像ｂとして領域４９に観察者
の左目５で観察される。このとき虚像面４７上の点Ｇを
注視点として設定する、即ち輻輳角θa をつけること
で、それぞれの目の焦点位置と虚像面４７とを一致させ
ることができる。
【００５９】この結果、従来の頭部搭載型表示装置（Ｈ
ＭＤ）における問題点であった「虚像位置が無限遠でな
いにもかかわらず視線方向が平行にされている」という
目の疲れや生理的な不快感を解消することができる。
【００６０】本実施例では画像表示素子３２−ａ，３２
−ｂが左右双方の目に対応して独立して存在する。この
ため、それぞれの目に対応した視差画像を表示素子に表
示することで、立体感のある画像Ｃを領域５０の部分に
観察することができる。
【００６１】また本実施例でも参考例３と同様のスーパ
ーインポウズ機能を付与することができる。この時は画
像表示素子に呈示する画像をコンピュータグラフィック
ス等の画像として人工的な立体画像を生成し、ホログラ
フィックレンズ３４越に見える外界の自然画像と同時に
観察する仮想現実感を体験させることも可能である。
【００６２】次いで画像表示位置を観察光学系の光軸方
向に複数個設けて３次元画像を表示する方式の実施例に
ついて説明する。
【００６３】図９はそのような複数表示法に関する実施
例１の画像表示装置の片目側のブロック図を示したもの
である。説明では図９を画像表示装置の右目ブロック図
として扱うが、左目についても全く同様である。
【００６４】画像信号発生部は左右表示画像に時間差を
生じないように同期をとりながら、画像の実データ及び
表示画像選択信号を発生する部分である。画像信号発生
部は具体的にはコンピュータや、ビデオ、レーザーディ
スク等で構成される。ビデオ、レーザーディスク等で発
生される信号は通常画像の実データであるが、垂直同期
信号部分に表示画像選択信号を重畳させて２つの信号を
発生させることもできる。
【００６５】本実施例では画像表示部にＰ，Ｑ，Ｒの３
台のディスプレイが用意されている。各ディスプレイに
入力される画像の実データは等しく、表示される画像は
全て等しい。これら３台のディスプレイは結像光学系に
より観察者の眼に表示されるが、同一時間に複数のディ
スプレイの画像が同時に観察者に表示されることは無
い。どのディスプレイの画像を観察者に見せるかの選択
は、表示画像選択信号を受けた表示画像選択部が制御す
る。
【００６６】図１０はディスプレイに表示された画像を
観察者の目に表示する制御の状況を説明したものであ
る。
【００６７】図１０の液晶ディスプレイＰ，Ｑ，Ｒは、
図９の画像表示部Ｐ，Ｑ，Ｒに相当する。各液晶ディス
プレイの後にはそれぞれバックライト光源ＬＰ，ＬＱ，
ＬＲが設けられ、該バックライトからの照明光は各バッ
クライト光源内に設けられた不図示の干渉フィルタなど
の波長選択手段により単色光に変換される。
【００６８】結像作用を行うホログラムは３重露光して
作成され、３台の液晶ディスプレイに表示された画像を
表示面のサイズ、位置にあわせて、虚像面Ｐ，Ｑ，Ｒ面
に適切な横倍率で拡大結像するレンズ作用を行う。
【００６９】本実施例では、ホログラムの３重露光の機
能を用いて結像光学系を実現したが、代わりに３個のレ
ンズ群とハーフミラーを用いて実現することもできる。
【００７０】表示画像選択部は、表示画像選択信号に基
づき、３台の液晶ディスプレイのバックライトの１台を
選択的に点灯させることで、観察者の眼に表示する画像
の奥行き位置を段階的に変化させる役割を行う。バック
ライトの点灯制御の代わりに液晶ディスプレイに供給す
る電力のオンオフや、ディスプレイの前にシャッターを
配置し、開閉しても同様の効果が得られる。
【００７１】図１１に３重露光ホログラム作成法を示
す。図１１の虚像面Ｐ，Ｑ，Ｒ面は図１０の虚像面Ｐ，
Ｑ，Ｒ面と等価で、液晶ディスプレイに表示された画像
の虚像面位置である。
【００７２】図１０の液晶ディスプレイＰ，Ｑ，Ｒの配
置位置は図１１では液晶配置位置Ｐ，Ｑ，Ｒに一致す
る。
【００７３】図１１でｐ，ｑ，ｒは液晶ディスプレイを
配置する位置の中心で、光学的には作成後のホログラム
の主光線と各結像面の交差点に共役な関係となる。ホロ
グラム３重露光に必要な参照光波面はこのｐ，ｑ，ｒ点
を点光源とする波面、もしくはそれをもとに収差補正さ
れた波面で、これを波面Ｒp ，Ｒq ，Ｒr とする。
【００７４】物体光波面はホログラムの主光線と虚像面
Ｐ，Ｑ，Ｒとの交点ＯP ，ＯQ ，ＯR を点光源とする波
面もしくはそれを収差補正した波面で、これを波面Ｏ
P ，ＯQ ，ＯR とする。Ｒp とＯP によるホログラフィ
ック露光、Ｒq とＯQ によるホログラフィック露光、Ｒ
r とＯR によるホログラフィック露光を同一ホログラム
感材に対して順次行うと、所望の３重露光ホログラムが
作成できる。
【００７５】図１２は表示する画像の奥行き位置に関す
る説明図である。図１２のＰ〜Ｒ面は図１０のＰ〜Ｒ面
に等しく、左右それぞれの目の結像の奥行き位置は同一
面Ｐ〜Ｒ上にある。
【００７６】図１２において物体ＸをＱ面とＲ面の間の
図の位置に存在するようにみせる場合を例に取って考え
る。物体Ｘの物像表示位置を物体Ｘと距離の近い、即ち
物体の存在位置が挟まれているＱ面及びＲ面とし、この
２面を交互に表示すれば、日常物体Ｘが図示の位置にあ
る場合と近い表示像が提供され、眼に優しい違和感の小
さい画像を提供することができる。
【００７７】さらに、通常１面（例えばＲ面）上の物像
ＲL （左目用）とＲR （右目用）のみで物体Ｘを表示す
る場合に生じる「ついたて効果」は、複数の虚像面位置
に左目（右目）Ｑ面上の物像ＱL （ＱR ）とＲ面上の物
像ＲL （ＲR ）を表示することで軽減される。また、Ｑ
面とＲ面の表示時間比を適宜選択すると、ついたて効果
を更に軽減することができる。ＱとＲ面に表示する時間
の比率は例えばＸとＱ、Ｒ面との距離に反比例するよう
な線形の関係にすればよい。また表示する画像について
は隠れ線に対する処理が行われているとよりついたて効
果が軽減される。
【００７８】物体Ｘの他に物体ＹがＰ面近くの奥行き位
置に存在する場合、Ｐ面も選択表示位置に選ばれる。こ
の場合、物体ＸのＰ面上での物像ＰL とＰR は表示する
か、あるいはＱ面、Ｒ面での表示が主となるため、一切
何も表示しないかいずれでもよい。
【００７９】本実施例では奥行き位置を３面のみに限定
したが、より多くの表示奥行き位置（例えば１００面）
が存在する場合には各面の表示時間が小さくなる。この
場合には物体Ｘを観察者に認識させるのに必要な残像効
果への依存度を軽減するため、物体近傍以外の結像面上
でも物像表示が必要となることがある。残像効果に必要
な時間が十分に得られる場合は、この限りでは無い。
【００８０】尚、図１２において、左右の表示面は必ず
しも同一時間、同一面上にある必要は無い。また、結像
奥行き位置も左右で同一面Ｐ，Ｑ，Ｒ上にある必要は無
い。
【００８１】図１３は複数個の表示面によって画像を表
示する実施例２で、装置の右目のブロック図である。同
様のブロック図は左目側においても成立する。画像信号
発生部は互いに時間差の生じない画像を提供するため、
左右のタイミングをとりながら、画像の実データ及び表
示位置信号を発生する。画像の実データは画像観察部内
の画像表示部に表示され、結像光学系により観察者に提
供される。光学系制御部は受け取った表示位置信号に基
づいて、画像観察部を制御しながら表示される画像の奥
行き位置を変化させる。
【００８２】図１４は図１３の系を実際に構成した装置
を示す。装置は結像光学系制御部、ディスプレイ位置制
御部、輻輳角制御部より構成される光学系制御部と、結
像光学系と、ディスプレイにより構成される画像観察部
よりなる。ディスプレイは図１３の画像表示部と等し
い。また図１４においても片目側の装置構成のみを示す
が、左右ともに同様に構成される。
【００８３】観察者は図１４の点Ｏの位置に目を置くこ
とで、ディスプレイに表示された画像を結像光学系によ
って結像された奥行き位置に見ることができる。結像光
学系は図示するように１枚以上のレンズ群より成り、結
像光学系制御部がレンズ位置を図の左右方向に動かし、
ディスプレイ位置制御部がディスプレイの左右位置を制
御して、ディスプレイの表示画像をＰ面からＱ面の間に
結像し、３次元画像が表示される。
【００８４】結像光学系全体を位置移動する場合は結像
光学系の焦点距離が変わらないため、レンズ位置の移動
後の結像倍率βは理想的な横倍率α（観察者から結像面
までの距離と像の大きさが比例）とは一致しない。
【００８５】このため画像は大きさをβ／α倍に画像処
理して表示される。表示ディスプレイと結像光学系画角
とで決まる最大表示画像サイズをはみ出す画像成分は削
除する。表示奥行き位置ごとに最大画角が異なる場合
は、最も小さい最大画角に表示領域を統一するように画
像成分を削除すれば、どの奥行き位置を選択表示しても
物像が表示されないことが無く、違和感の無い画像が得
られる。
【００８６】結像光学系が複数のレンズより構成される
場合には、構成レンズ間隔を結像光学系制御部により変
化させる機能を用い、必要に応じてディスプレイ位置制
御部がディスプレイの左右位置を制御して、結像面Ｐ，
Ｑ，Ｒに応じて光学系自体で理想的な固定横倍率αを得
ることが可能である。この場合には光学系の部分で倍率
が一定値に制御されるため、画像処理部の負担が軽減さ
れる。
【００８７】表示奥行き位置ごとに最大画角が異なる場
合は、固定焦点距離のときと同様に最も小さい最大画角
に表示領域を統一するように画像成分を削除すれば、ど
の奥行き位置を選択表示しても物像が表示されないこと
が無く、違和感の無い画像を得ることができる。
【００８８】輻輳角制御部は、画像観察部全体の光軸を
点Ｏを中心としてδ〜εの間で動かして、表示される画
像の奥行き位置と表示される像に対して最適な面内表示
位置を提供する。輻輳角制御は、表示画像の奥行き位置
毎に左右の眼に表示される画像の重なり範囲を変化させ
て、表示画像の鮮鋭度をあげたり、表示画角を広げるこ
とができる等、効果的な画像提供手段となる。
【００８９】以上のように本実施例ではどのような表示
奥行き位置に対しても、自然な画像を楽しむことができ
る。また図１４で、結像光学系制御部によるレンズ位置
移動機能とディスプレイ位置制御部によるディスプレイ
位置移動機能はいずれか一方のみでも本発明の目的を実
現可能である。また輻輳角制御部は付加機能として取り
扱うことができ、無くても従来より自然な奥行き位置に
画像を表示することが可能である。
【００９０】図１５は複数の表示面で３次元画像を表示
する第３の実施例における表示装置の片目側のブロック
図である。映像同期制御部を共通化することで、他方の
目の装置も同様に構成することができる。
【００９１】図１５において、画像信号発生部Ｐ，Ｑ，
Ｒはそれぞれ映像同期制御部の同期信号に基づき、並列
動作を行う。各画像信号発生部の画像の実データは画像
表示部Ｐ〜Ｒにより表示される。画像表示部Ｐ，Ｑ，Ｒ
の表示画像を観察者に提供する画像合成・結像光学系の
様子を再び図１０に基づいて説明する。
【００９２】図１０でホログラムは図１５の画像合成・
結像光学系、液晶ディスプレイＰ，Ｑ，Ｒはそれぞれ画
像表示部Ｐ，Ｑ，Ｒに相当する。ホログラムは３重露光
で作成されており、液晶ディスプレイＰ，Ｑ，Ｒの画像
をそれぞれＰ面，Ｑ面，Ｒ面の像面に結像する。図９で
説明した実施例との違いは２つあり、 １．液晶ディスプレイが同時に画像を表示すること ２．液晶ディスプレイの表示像がそれぞれ異なること である。
【００９３】表示される物体は該表示物***置近傍の結
像面のみに像が表示され、その他の結像面にはその位置
に何も表示されないように液晶ディスプレイが制御され
る。
【００９４】図９で説明した実施例と異なり、各結像面
の画像が同時に表示されるため、目の残像効果を考慮し
て、表示物***置から離れた結像面に物体を表示する必
要は無い。また本実施例では、各画像表示部に表示され
る画像は結像横倍率が視点から像面までの距離に比例す
る限り、同一であっても支障は無い。
【００９５】また図１０に示されるホログラムでは図１
に示されるようなホログラム面における左右両眼の有効
光束の重なりが生じる。その場合には図２に示したよう
に重なり合う部分に多重にホログラムを露光して形成
し、左右両眼に対し選択性のある画像表示を行うことが
可能である。
【００９６】
【発明の効果】以上説明したように本発明では画像情報
の大画面表示を可能とした。
【００９７】
【００９８】また本発明によれば人間が生活する時、通
常経験する範囲内もしくは近傍で立体画像の輻輳角に対
する結像位置を有する立体画像を表示できるため、目に
優しくいわゆる「ついたて効果」の生じない違和感の小
さい、または無い表示像を楽しむことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 参考例１を示す図
【図２】 参考例１で用いるホログラムレンズの模式図
【図３】 参考例１のホログラムレンズの多重記録部の
結像を示す図
【図４】 ホログラムレンズの角度選択性を示す図、
【図５】 参考例２を示す図
【図６】 参考例２のホログラムレンズの結像を示す図
【図７】 参考例３を示す図
【図８】 本発明の実施例１を示す図
【図９】 本発明の複数結像面表示による３次元画像表
示装置の実施例１のブロック図
【図１０】複数結像面表示による３次元画像表示装置の
実施例１の光学系の構成図
【図１１】図１０で用いる３重露光ホログラムの作成法
を示す図
【図１２】複数結像面表示による３次元画像表示装置の
実施例１の結像関係の説明図
【図１３】複数結像面表示による３次元画像表示装置の
実施例２ブロック図
【図１４】複数結像面表示による３次元画像表示装置の
実施例２の光学系の構成図
【図１５】複数結像面表示による３次元画像表示装置の
実施例３ブロック図
【図１６】従来の画像表示装置の概略図
【図１７】従来の複数結像面表示による３次元画像表示
装置のブロック図
【符号の説明】
１、１１，３１ バックライト光源 ２、１２，３２ 画像表示素子 ３、１３，３３ 基板 ４、１４，３４ ホログラムレンズ ５ 左目（瞳） ６ 右目（瞳） ４７ 虚像面 ４８ 右目の観察領域 ４９ 左目の観察領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森島 英樹 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 須藤 敏行 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 ▲吉▼永 曜子 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 小林 辰 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 松村 進 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−318809（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−355747（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−6590（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−85223（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−365087（ＪＰ，Ａ) 「光学」第21巻第９号、1992年９月、 第574−582頁 ３次元ディスプレイの技 術動向（畑田豊彦)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 観察者の左右眼に各々１以上の画像表示
    素子を設け、該画像表示素子からの光束をホログラムを
    介して観察者の左右眼に導光して、該画像表示素子の虚
    像を観察する画像表示装置において、該ホログラムは観
    察者の左右両眼にそれぞれ対応する少なくとも２つの光
    学的パワーを有し、該ホログラム上で右目用と左目用の
    有効光束が重なり合う部分に複数個の干渉縞が重ねて形
    成されており、かつ虚像面上に左右眼用の虚像を輻輳角
    を有して形成することにより観察者の左右眼の焦点位置
    と前記虚像面を一致させることが可能となるように構成
    されていることを特徴とする画像表示装置。
  2. 【請求項２】 観察者の左右眼に各々視差を有する複数
    の画像を表示する画像表示素子を設け、該複数の画像表
    示素子からの光束を同一領域に互いに異なった結像作用
    を有するように形成されたホログラムを介して観察者の
    左右眼に導光し、該複数の画像表示素子の表示を時間的
    に制御して、該複数の画像表示素子の虚像を観察者に対
    して奥行き方向に形成して観察することを特徴とする立
    体画像表示方法。
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