JP3546921B2 - 立体表示方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体表示方法及び装置に関し、特に、可変焦点型立体表示装置を有する奥行き標本化型立体表示装置において、観察者から見て隠れるべき画像部分を覆い隠すことによって、立体視における実際の像と奥行き標本化型立体表示装置による画像との矛盾を解決することが可能な立体表示技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２次元画像表示装置の２次元像を奥行き方向に展開して３次元像を再現する立体表示装置としては、可変焦点型立体表示装置（特開平９−２５８２７１号公報）、あるいは奥行き標本化型立体表示装置（「三次元映像」稲田修一編著、（株）昭晃堂、１９９１．７．５、ｐ１３−２４）が良く知られている。
【０００３】
図１０に前記可変焦点型立体表示装置の一例として、可変焦点レンズ型装置の表示原理を説明するための図を示す。ここで、可変焦点レンズとは、フレネルレンズと液晶の層を透明電極によって挟み、それに電界をかけることによって液晶の屈折率が変化する作用により、焦点距離が変化するレンズである。
【０００４】
まず、図１２に示すように、３次元物体１２０６を観察者からの距離が等価な位置で平行な面で奥行き標本化して、２次元像である奥行き標本化像の集合１２０７に分解する。
【０００５】
次に、図１０に示すように、この奥行き標本化像１２０７を時分割で２次元表示装置１００１に表示し、これを表示するべき位置に同期させて可変焦点レンズ１００２の焦点距離を変化させる。これによりレンズの原理から、可変焦点レンズ１００２の焦点距離に対応して、２次元表示装置１００１に表示した奥行き標本化像１２０７の像位置が奥行き方向に変化する。
【０００６】
したがって、これを人の眼の残像時間以内に高速に行えば、残像効果により３次元画像（立体像）１００３として観察できる。図１０（ａ）に３次元像が虚像の場合（２次元表示装置１００１を可変焦点レンズ１００２の焦点距離以内に配置）を、図１０（ｂ）に３次元像が実像の場合（２次元表示装置１００１を可変焦点レンズ１００２の焦点距離より外に配置）を示す。
【０００７】
図１１に前記奥行き標本化型立体表示装置の一例として、振動スクリーン型装置の表示原理を説明するための図を示す。
【０００８】
奥行き標本化とは物体を奥行き方向に平行な面でかき割に分割したものを空間上に配置したものである。図１２に示すように、３次元物体１２０６を奥行き標本化して、２次元像である奥行き標本化像の集合１２０７に分解する。次に、図１１に示すように、この奥行き標本化像１２０７を時分割で画像の位置に応じて同期させて２次元表示装置１１０１に表示し、この表示に同期させて２次元表示装置１１０１を駆動装置１１０２で奥行き方向の標本化位置に応じた位置に高速に移動させる。これを人の眼の残像時間以内に高速に行えば、残像効果により３次元像（立体像）１１０３として観察できる。
【０００９】
前記した従来の立体表示装置では、実際に表示像が奥行き方向に変化して表示されるため、人の立体視の生理的要因（両眼視差、輻輳、ピント調節、動的視差など）をほぼ満足できる利点を有している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、奥行き方向を時分割で表示し、残像現象により３次元像に統合するため、本来ならば観察者（例えば、図１０の１００４，図１１の１１０４）の位置からでは隠されている、物体の裏側や内部（例えば、図１０の１００５，図１１の１１０５）、あるいは後方の物体などが透けて見えるファントム現象を回避することが困難であるという問題点を有していた。これは、自然な像を再現する上で大きな障害となり、これらの立体表示装置が実質的にワイヤーフレーム状の像の再現にしか使えない大きな原因となっていた。
【００１１】
一方、立体視の生理的要因をほとんど満たし、かつ、ファントム現象を回避できる立体表示方式として、ホログラフィがよく知られている。しかし、ホログラフィは、撮像にコヒーレント光が必要である他、必要な情報量が膨大であるため、電気的な書き換えが困難であり、動的表示に適さないなどの問題点を有している。
【００１２】
このように、従来の立体表示装置では、立体視の生理的要因をほぼ満足し、かつ、ファントム現象を回避して自然な３次元像を動画再生することは困難であった。
【００１３】
本発明の目的は、立体表示方法及び装置において、観察者から見て前後の表示画像のファントム現象を回避し、動画再生が可能で、より自然に近い立体視が可能な技術を提供することにある。
【００１４】
本発明の前記ならびにその他の目的及び新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【００１５】
【発明を解決するための手段】
本願において開示する発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１６】
（１）焦点可変手段を通して２次元表示装置の表示像を観察する際に、前記焦点可変手段により焦点位置を変化させて結像位置を変化させるステップと、３次元立体像を奥行き標本化した２次元像のうち前記結像位置に該当する２次元像を前記２次元表示装置に表示させるステップとを、人間の眼の残像時間以内に高速に繰り返すことにより３次元立体像を表示する立体表示方法において、
前記２次元像をその結像位置に応じて別々の２次元表示装置に表示させ、該表示像の各々が、前記焦点可変手段の後方に同一光軸上に並べられ、かつ、前記複数の２次元表示装置のうち観察者から見て最背面の２次元像を表示する２次元表示装置を除く複数の２次元表示装置の各々と組をなし、当該組をなす２次元表示装置から投射される像を前面に反射し、後面の像はそのまま透過する複数の反射装置により、前記２次元表示装置の各前記焦点可変手段を通して観察できる位置に表示する第一のステップと、当該２次元像が観察者から見て最前面の２次元像でない場合は、観察者から見て当該２次元像より手前にある２次元像中の物体像で当該２次元像が隠される部分を、当該２次元像を表示する２次元表示装置の各前面、もしくは当該２次元表示装置と組をなす前記複数の反射装置の各前面に、それぞれ少なくとも一つ配置したマスク装置により、マスクで覆って当該２次元像の該部分を表示させない第二のステップとを有することを特徴とする。
【００１７】
（２）前記（１）の立体表示方法において、前記第二のステップが、前記２次元表示装置の各前面に配置された、観察者から見て当該２次元表示装置の表示する２次元像より手前にある２次元像の数と同数のマスク装置を用い、各々のマスク装置のマスクのパターンを当該２次元像より手前にある各２次元像の中の物体像がそれぞれ当該２次元像を隠す部分のパターンとし、各々のマスク装置のマスクを重ねることで、観察者から見て当該２次元像より手前にある２次元像中の物体像で当該２次元像が隠される部分を表示させないステップであることを特徴とする。
【００１８】
（３）焦点可変手段を通して２次元表示装置の表示像を観察する際に、前記焦点可変手段により焦点位置を変化させて結像位置を変化させるステップと、３次元立体像を奥行き標本化した２次元像のうち前記結像位置に該当する２次元像を前記２次元表示装置に表示させるステップとを、人間の眼の残像時間以内に高速に繰り返すことにより３次元立体像を表示する立体表示方法において、
前記２次元像をその結像位置に応じて別々の透過形の２次元表示装置に表示させ、該表示像の各々が、前記焦点可変手段の後方に同一光軸上に並べられ、かつ、前記複数の２次元表示装置のうち観察者から見て最背面の２次元像を表示する２次元表示装置を除く複数の２次元表示装置の各々と組をなし、当該組をなす２次元表示装置から投射される像を前面に反射し、後面の像はそのまま透過する複数の反射装置により、前記２次元表示装置の各前記焦点可変手段を通して観察できる位置に表示する第一のステップと、当該２次元像が観察者から見て最前面の２次元像でない場合は、観察者から見て当該２次元像より手前にある２次元像中の物体像で当該２次元像が隠される部分を、当該２次元像を表示する２次元表示装置の各背面にそれぞれ少なくとも一つ配置したマスク装置により、マスクで覆って当該２次元像の該部分を表示させない第二のステップとを有することを特徴とする。
【００１９】
（４）前記（３）の立体表示方法において、前記第二のステップが、前記２次元表示装置の各背面に配置された、観察者から見て当該２次元表示装置の表示する２次元像より手前にある２次元像の数と同数のマスク装置を用い、各々のマスク装置のマスクのパターンを当該２次元像より手前にある各２次元像の中の物体像がそれぞれ当該２次元像を隠す部分のパターンとし、各々のマスク装置のマスクを重ねることで、観察者から見て当該２次元像より手前にある２次元像中の物体像で当該２次元像が隠される部分を表示させないステップであることを特徴とする。
【００２０】
（５）焦点可変手段を通して２次元表示装置の表示像を観察する際に、前記焦点可変手段により焦点位置を変化させて結像位置を変化させるステップと、３次元立体像を奥行き標本化した２次元像のうち前記結像位置に該当する２次元像を前記２次元表示装置に表示させるステップとを、人間の眼の残像時間以内に高速に繰り返すことにより３次元立体像を表示する立体表示方法において、
前記焦点可変手段と同一光軸上に、前方や側方からの光源の光を観察者の方向へ反射させ、かつ、背面からの光は透過する手段を有する反射装置を、３次元立体像を奥行き標本化した２次元像を表示する透過形の２次元表示装置の背面に配置して組にしたものを複数組配置し、前記２次元像をその結像位置に応じて別々の前記２次元表示装置に表示させる第一のステップと、当該２次元像が観察者から見て最前面の２次元像でない場合は、観察者から見て当該２次元像より手前にある２次元像中の物体像で当該２次元像が隠される部分を、最背面の２次元像を表示する前記反射装置と２次元表示装置の組を除く、前記反射装置と２次元表示装置の組の各背面に各々配置したマスク装置により、マスクで覆って当該２次元像の該部分を表示させない第二のステップとを有することを特徴とする。
【００２１】
（６）焦点可変手段を通して２次元表示装置の表示像を観察する際に、前記焦点可変手段により焦点位置を変化させて結像位置を変化させるステップと、３次元立体像を奥行き標本化した２次元像のうち前記結像位置に該当する２次元像を前記２次元表示装置に表示させるステップとを、人間の眼の残像時間以内に高速に繰り返すことにより３次元立体像を表示する立体表示方法において、
前記焦点可変手段と同一光軸上に、前方や側方からの光源の光を観察者の方向へ反射させ、かつ、背面からの光は任意の画素を透過または遮断する手段を有するマスク装置を、３次元立体像を奥行き標本化した２次元像を表示する透過形の２次元表示装置の背面に配置して組にしたものを複数組配置し、前記２次元像をその結像位置に応じて別々の前記２次元表示装置に表示させる第一のステップと、当該２次元像が観察者から見て最前面の２次元像でない場合は、観察者から見て当該２次元像より手前にある２次元像中の物体像で当該２次元像が隠される部分を、前記マスク装置により、マスクで覆って当該２次元像の該部分を表示させない第二のステップとを有することを特徴とする。
【００２２】
（７）前記（１）乃至（６）の立体表示方法において、観察者の位置の移動に応じ、前記マスクに対し平行移動、拡大、縮小のうちいずれかまたは複数の処理を行うことを特徴とする。
【００２３】
（８）前記（１）乃至（７）の立体表示方法において、半透明な立体像を表示する場合は、前記マスクの透過率を変化させ、手前の２次元像で当該２次元像の隠される部分を所望の透過率で表示させることを特徴とする。
【００２４】
（９）表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段と、３次元立体像を奥行き標本化した２次元像を表示する複数の２次元表示装置と、前記焦点可変手段の後方に同一光軸上に並べられ、前記複数の２次元表示装置のうち最背面の２次元像を表示する２次元表示装置を除く複数の２次元表示装置の各々と組をなし、当該組をなす２次元表示装置から投射される像を前面に反射し、後面の像はそのまま透過する複数の反射装置と、前記複数の２次元表示装置のうち最前面の２次元像を表示する２次元表示装置を除く複数の２次元表示装置の各前面、もしくは当該２次元表示装置と組をなす前記複数の反射装置の各前面に、それぞれ少なくとも一つ配置したマスク装置と、前記焦点可変手段の焦点位置の変化に同期して前記複数の２次元表示装置の表示像のうち該当する表示像を選択するシャッター装置とを具備することを特徴とする立体表示装置である。
【００２５】
（１０）表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段と、３次元立体像を奥行き標本化した２次元像を表示する複数の透過形の２次元表示装置と、前記焦点可変手段の後方に同一光軸上に並べられ、前記複数の２次元表示装置のうち最背面の２次元像を表示する２次元表示装置を除く複数の２次元表示装置の各々と組をなし、当該組をなす２次元表示装置から投射される像を前面に反射し、後面の像はそのまま透過する複数の反射装置と、前記複数の２次元表示装置のうち最前面の２次元像を表示する２次元表示装置を除く複数の２次元表示装置の各背面に、それぞれ少なくとも一つ配置したマスク装置と、前記焦点可変手段の焦点位置の変化に同期して前記複数の２次元表示装置の表示像のうち該当する表示像を選択するシャッター装置とを具備することを特徴とする立体表示装置である。
【００２６】
（１１）表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段を具備し、該焦点可変手段と同一光軸上に、前方や側方からの光源の光を観察者の方向へ反射させ、かつ、背面からの光は透過する手段を有する反射装置を、３次元立体像を奥行き標本化した２次元像を表示する透過形の２次元表示装置の背面に配置して組にしたものを複数組配置し、最背面の２次元像を表示する前記反射装置と２次元表示装置の組を除く、前記反射装置と２次元表示装置の組の各背面に各々マスク装置を配置したことを特徴とする立体表示装置である。
【００２７】
（１２）前記（１１）の立体表示装置において、前記反射装置がホログラフィック・オプティカル・エレメントからなることを特徴とする。
【００２８】
（１３）表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段を具備し、該焦点可変手段と同一光軸上に、前方や側方からの光源の光を観察者の方向へ反射させ、かつ、背面からの光は任意の画素を透過または遮断する手段を有するマスク装置を、３次元立体像を奥行き標本化した２次元像を表示する透過形の２次元表示装置の背面に配置して組にしたものを複数組配置したことを特徴とする立体表示装置である。
【００２９】
（１４）前記（１３）の立体表示装置において、前記マスク装置がホログラフィック高分子分散液晶素子からなることを特徴とする。
【００３０】
（１５）前記（９）乃至（１４）のうちいずれか１つの立体表示装置において、前記マスク装置が、ツイスト・ネマティック型液晶、またはゲスト−ホスト型液晶、またはホログラフィック高分子分散型液晶を用いた、縦横に画素を配置して任意の画素の状態の制御が可能な装置からなることを特徴とする。
【００３１】
（１６）前記（９）乃至（１５）のうちいずれか１つの立体表示装置において、前記マスク装置が、マスク表示の画素の相対位置を保ちつつ表示を平行移動する手段を有することを特徴とする。
【００３２】
（１７）前記（１６）の立体表示装置において、観察者の移動を検出する手段と、検出した移動量に応じて前記マスク装置におけるマスクの表示を平行移動させる機能とを有することを特徴とする。
（１８）前記（９）乃至（１７）のうちいずれか１つの立体表示装置において、前記焦点可変手段が、可変焦点レンズであることを特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態（実施例）を図面を参照して詳細に説明する。
【００３４】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の立体表示装置の構成を説明するための概略図であり、図１（ａ）はスクリーンに対して前面から投影する形態を示す図、図１（ｂ）は背面から投影する形態を示す図である。
【００３５】
本実施例１の立体表示装置は、図１に示すように、例えば、２次元表示装置１０１、１０２、投影用スクリーン１０３、可変焦点レンズ１０４、シャッター装置１０５、１０６からなる従来の可変焦点レンズ型立体表示装置と、マスクを移動する手段を具備するマスク装置１０７から構成される。２次元表示装置１０１、１０２には、ＣＲＴ、プロジェクター、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＥＬディスプレイ等を用いることができる。
【００３６】
なお、２次元表示装置１０１、１０２が液晶ディスプレイのように透過型の場合は、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、マスク装置１３０２を２次元表示装置１３０１の前面あるいは後面のどちらに配置しても良い。
【００３７】
シャッター装置１０５、１０６は、可変焦点レンズの焦点位置の変化、すなわち、結像位置の変化と同期して奥行き画像を順番に時分割でスクリーンに表示させるための装置であり、機械的なメカニカルシャッターや液晶を用いたシャッターや強誘電体の電気光学効果やドメイン・スイッチングを利用した強誘電体シャッターなどを用いることができる。
【００３８】
他の時分割の方法として、図１４の（ｂ）に示すように、２次元表示装置１４０１が透過型あるいは反射型の場合に限り、光源１４０４自体を画像の位置に同期して点滅させる方法、あるいは図１４の（ａ）に示すように、光源１４０３の光を透過／遮断させるシャッター装置を光源の前面に配置し、時分割を行うことができる。
【００３９】
ここで、１つの２次元表示装置から前後の奥行き画像を表示する場合に、高速で画像の描画／消去をする必要（例えば、前後３枚の奥行き画像の場合、１枚あたり３０フレーム／秒の時には２次元表示装置では９０フレーム／秒の表示が要求される）があり、マスク装置も同様に高速で描画／消去を繰り返す必要がある。ここでは、複数台の２次元表示装置と複数台のマスク装置を用いることにより、この問題を解決することができる。
【００４０】
前記可変焦点レンズ１０４は、焦点位置すなわち結像位置を周期的に変化させるものであり、高周波と低周波の切り替えにて駆動する二周波液晶を用いているので、この周波数は毎秒６０Ｈｚ以上と高速である。
【００４１】
２次元表示装置１０１と１０２には、それぞれ所望の標本化２次元像を表示させておき、シャッター装置１０５と１０６は初めは閉じておく。可変焦点レンズ１０４の焦点位置を周期的に変化させたとき、結像位置が１０８の位置になるタイミングと同期してシャッター装置１０５を開け、２次元表示装置１０１より投影用スクリーン１０３に像を投射して像１０８を表示し、直ちにシャッター装置１０５を閉じる。次に、結像位置が１０９の位置になるタイミングと同期してシャッター装置１０６を開け、２次元表示装置１０２よりマスク装置１０７を通して投影用スクリーン１０３に像を投射してして像１０９を表示し、直ちにシャッター装置１０６を閉じる。
【００４２】
前記可変焦点レンズ１０４の周期的な焦点位置の変化に同期して前記の手順を繰り返す。このとき、可変焦点レンズ１０４の１周期の速度は６０Ｈｚ以上であるので、人間の眼の残像時間以内であり、観察者には結像位置の異なる像１０８と１０９がほぼ同時に観察され、空間上にある立体として認識される。なお、マスク装置１０７には像１０８に本来隠れて見えない部分を隠すためのマスク像を表示し、像の重なり合う部分の光を遮る役割をしている。このままでは観察者から像１０８の陰になって見えるはずのない像１０９の一部分が透けて見えてしまう。
【００４３】
そこで、表示装置の前面または後面あるいはそれと光学的に等価な位置に像１０８に隠れて見えない部分を覆い隠すマスク装置１０７を配置することにより、２次元表示装置１０１から表示される像１０８に隠れていなければならない部分は、マスク装置１０７に遮断され投影されないことにより、後の像１０９が透けて見えることが無くなる。
【００４４】
ここで、投影像に台形歪みができることが予想されるが、これが問題にならないくらい２次元表示装置１０１と投影用スクリーン１０３の距離を大きくとり、投影する角度は小さいものとすればよい。あるいは２次元表示装置１０１の表示画像を台形歪みを考慮して変形したものを表示すればよいし、あるいはレンズ系によって表示画像を変形させてもよい。
【００４５】
マスク装置１０７の概念図を図５に示す。このマスク装置５０１のマスクには、縦横にマスク表示画素５０２を配置した液晶パネル（ゲスト−ホスト型液晶、ツイスト・ネマティック型液晶、高分子分散型液晶、ホログラフィック高分子分散型液晶等）を使用し、任意の画素について透過／遮断、または透過／反射、または透過／吸収の切り替えをすることができるものである。そして半透明な物質を３次元の立体で表示するために、マスク装置のマスク表示５０３に、透過率の変化が可能な液晶パネル（階調表現の可能なもの）を用いることにより、表現する物質に合わせた透過率で透過させ、半透明物質でも表現可能なマスク装置である。
【００４６】
このマスク装置５０１のマスク表示部分の概念を図７に示す。
【００４７】
（ａ）例えば表示画像７０１は最前面に表示されるので、前面に画像がないためマスク無しでそのまま投影像７１０として投影される。
【００４８】
（ｂ）次の表示画像７０２は、その前面にある表示画像７０１に隠れる部分を隠すためにマスク画像７０７を通過させることにより、マスクに隠されない部分のみの投影像７１１が投影される。
【００４９】
（ｃ）同様に次の表示画像７０３は、すぐ前面の表示画像を隠すマスク画像７０８を通過し、かつ、最前面の表示画像を覆い隠すマスク画像７０７を通過することにより、投影像７１２が投影される。
【００５０】
（ｄ）同様に次の表示画像７０４は、すぐ前面の表示画像を隠すマスク画像７０９を通過し、かつ、もう１つ前面の表示画像を覆い隠すマスク画像７０８を透過し、かつ、最前面の表示画像を覆い隠すマスク画像７０７を通過することにより、投影像７１３が投影される。従来の立体表示装置で４枚の奥行きをもった立体表示画像を表示したものは表示画像７０５のように後ろが透けて見えるが、本方法で表示したものは、投影像７１４のように後ろが透けることなく表示することが可能となる。
【００５１】
さらに、観察者が移動したときには、その動きに追従してマスク移動手段によりマスクを移動させることによって、観察者からは前面の画像によって隠されていなければならない後方の画像の一部分を観察者の位置に応じて隠す。
【００５２】
マスクの移動の概念を表したものを図８に示す。正面からの像８０５から各方向へ動かしたときの像を像８０１から像８０９に示す。例えば、左右方向の場合、観察者が立体表示装置に向かって正面から右に移動したときには、マスクを正面８０５から右８０６のように左方向へ移動することにより、観察者の位置から見える必要のある部分は見ることができ、隠れていなければならない部分は、マスクによって隠されている。
【００５３】
上下方向の場合は正面８０５から上８０２ヘ、あるいは下８０８へ移動させる。上下左右方向を同時に動かすことにより、右上８０３や右下８０９などにも移動することができる。
【００５４】
移動量は観察者の上下左右の移動量に比例した量を移動し、前後方向に対しても、観察者の前後位置の移動量に比例して、表示するマスクの大きさを拡大、縮小する。
【００５５】
本発明の構成は、従来の立体表示装置の構成にマスク移動手段を有するマスク装置を追加するのみであり、かつ、画像の複雑な加工が必要ないという利点を有している。このため、動画のような表示の高速性を要求するものに対しても適用が可能である。
【００５６】
マスク装置の有するマスク移動手段の概念図を図６に示す。前記移動機能を実現するには、図６（ａ）に示すような、画素の表示をシフトレジスタ等を用いて回路的に縦横にシフトさせるか、あるいは入力信号をあらかじめソフトウェアなどでシフトしたものを入力する方法、図６（ｂ）に示すような、機械的にマスク装置自体を縦横に平行移動させる方法、図６（ｃ）に示すような、プリズムや平行平板などの光学素子のマスク装置に対する角度を変えることによってマスク装置に入射する光の位置を平行移動させるような光の屈折や回折を用いて曲げる、あるいは平行移動させる方法のいずれかを用いればよい。
【００５７】
移動する観察者の位置を検出する手段として、センサ類によって移動位置を検出する手段を図９に示す。
【００５８】
図９（ａ）に示すような、複数の赤外線センサをある角度毎に観察者を検出できるように並べ、観察者の前方あるいは後方からどのセンサの範囲に観察者がいるのかを検知する赤外線センサ方式、
図９（ｂ）に示すような、観察者の側方あるいは前方、あるいは後方、あるいはその両方を組み合わせ、センサから観察者までの距離を計測し観察者の位置を検知する超音波センサ方式、
図９（ｃ）に示すような、レーザー光の反射を利用し距離を測定することにより観察者の位置を検出するレーザー距離計測方式、光センサを床面、あるいは前後、左右に配し、観察者によって光が遮られた場所を検知する光センサ方式、
図９（ｄ）に示すような、固定されたカメラからの画像から画像処理により観察者の位置を計算する、あるいはマーカーを付けた観察者のマーカーの位置を画像から検出するカメラ方式、
のいずれかを用いることができる。
【００５９】
（実施例２）
図２は本発明の実施例２の立体表示装置の構成を説明するための概略構成図であり、図２（ａ）はスクリーンに対して前面から投影する事例を示す図、図２（ｂ）は背面から投影する事例を示す図である。
【００６０】
前記実施例１では、２台の２次元表示装置からの画像から、奥行き方向に２枚の立体表示を行っているが、本実施例２の立体表示装置は、複数台の２次元表示装置からの画像から、奥行き方向に複数枚の立体表示を行うものである。
【００６１】
本実施例２の立体表示装置は、図２に示すように、各像より前に結像される像を覆い隠すために、各表示装置の前あるいは光学的に等価な位置に、観察者から見てその像より前面に表示される画像と重なる部分を隠すためのマスクを表示するマスク装置を、その表示画像より前面にある画像の数だけ配置することにより、複数枚の奥行きが有る場合でも透けて見えるという問題を解決できる。
【００６２】
例えば、２次元表示装置２０１から投影用スクリーン２０５に投影された画像を可変焦点レンズ２０６によって像２１７に結像する。次の２次元表示装置２０２からの像は２次元表示装置２０１からの像２１７を覆い隠すためのマスク装置２１１を透過し像２１８に結像する。この次の２次元表示装置２０３からの像２１７は２次元表示装置２０１と２０２からの像２１８，２１９を覆い隠すためのマスク装置２１２と２１３を透過し像２２０に結像する。このように表示したい２次元表示装置の前面に、観察者から見て前面に表示される画像を隠すマスク装置を必要な数だけ透過させる構成である。
【００６３】
２次元表示装置２０１、２０２が透過型あるいは反射型（液晶ディスプレイなどでバックライトを必要とするものや反射を利用したもの）の場合に限り、バックライトなどの照明（ＥＬ，ＬＥＤ，蛍光管，放電管，電球を含む）の前面にシャッター装置を配置し、バックライトの光源からの光を透過／遮断する、あるいはシャッター装置の代わりにバックライトの光源を直接点滅させることによって時分割を行うことができる。
【００６４】
（実施例３）
図３は本発明の実施例３の立体表示装置の構成を説明するための概念図であり、図３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ異なる結像方式を説明するための概念図である。
【００６５】
前記実施例１、２では、奥行き方向の数によって各々の２次元表示装置の前面にマスク装置のマスクの数が数多く必要であり、同じ動作をするマスクが各表示装置ごとに存在している。
【００６６】
本発明の実施例３の立体表示装置は、図３に示すように、全ての投影あるいは透過する画像の光束の中心を同じにし、各々の２次元表示装置からの画像が必要なマスクだけを通過するように構成したものである。
【００６７】
例えば、２次元表示装置３０１に表示した画像は、シャッター装置３０７と投影光学系３２１を通過し、反射装置３１４によって投影用スクリーン３０５に投射される。その投射された像を可変焦点レンズ３０６によって像３１７に結像させる。２次元表示装置３０２に表示した画像は、シャッター装置３０８と投影光学系３２２を通過し、反射装置３１５によって観察者から見て、その像より前面に結像される像を覆い隠すためのマスク装置３１１を透過し、投影用スクリーン３０５に投射される。その投射された像を可変焦点レンズ３０６によって像３１８に結像させる。
【００６８】
２次元表示装置３０３に表示した画像は、像３１９に結像される過程で、観察者から見てその像より前面に結像される像を覆い隠すためのマスク装置３１１と３１２を通過する。このマスク装置のマスクによって２次元表示装置から表示された像３１７と３１８の陰になる部分をマスクしている。このように観察者から見て後方の像は、その像よりも前面の像を隠す共通したマスク装置を通過することにより、この方式では（奥行き方向の像の数−１）枚のマスクだけ用意することによって構成できる利点がある。
【００６９】
ここで、各２次元表示装置からの像の光軸を一致させるために、ハーフミラー、ＨＯＥ（ホログラフィック・オプティカル・エレメント：ある一方向からの光だけを反射させ、それ以外の方向の光は透過させるもの）などを用いて、背面からの光は透過し前面からの光を反射する反射装置３１４、３１５、３１６を構成する。
【００７０】
この反射装置にＨＰＤＬＣホログラフィック高分子分散型液晶（高速で反射／透過あるいは遮断／透過の動作を駆動できる液晶）を利用することにより、反射装置とシャッター装置の機能を１つの反射装置で共用化でき、しかもＨＰＤＬＣに画素を配することにより、反射装置とシャッター装置とマスク装置の３つの機能を１つの反射装置で共用化することができる。
【００７１】
（実施例４）
図４は本発明の実施例４の立体表示装置の構成を説明するための概略構成図であり、２次元表示装置として、透過性のある装置（液晶ディスプレイ等）を用いて、複数の表示装置を積層させた構成を示す。
【００７２】
本発明の実施例４の立体表示装置は、図４（ａ）に示すように、ＨＯＥを有する反射装置を配置し、前方や側方からの光源の光を観察者の方向へ反射させ表示装置のバックライトと同様の機能を持たせ、かつ、背面からの光は透過させる。反射装置のすぐ後ろにマスク装置を配置することによって、前の２次元表示装置の画像に隠れていなければならない、後側になる２次元表示装置の画像の一部分を隠すことができる構成である。
【００７３】
例えば、２次元表示装置４０３に表示される像４１５は、マスク装置４１０によって像４１６すなわち２次元表示装置４０２の陰になる部分をマスクし、マスク装置４０９によって像４１７、すなわち２次元表示装置４０１の陰になる部分をマスクし、像４１５として結像される。
【００７４】
また、図４（ｂ）に示すように、画素を縦横に配置することにより任意の画素を透過／遮断あるいは透過／反射させ、かつ後方以外からの任意の方向からの光源の光を観察者の方向へ反射させることにより、マスクされていない背面からの光は透過させ、マスクした部分は光を観察者の方向へは通過させない、ＨＰＤＬＣを含むマスク装置を配置する構成である。
【００７５】
２次元表示装置のすぐ後にマスク装置を配置することによって、前の２次元表示装置の画像に隠れていなければならない、後側になる２次元表示装置の画像の一部分を隠すことができる構成である。例えば、２次元表示装置４０３に表示される像４１５は、マスク装置４１９によって像４１６、すなわち２次元表示装置４０２の陰になる部分をマスクし、マスク装置４１８によって像４１７、すなわち２次元表示装置４０１の陰になる部分をマスクし、像４１５として結像される。この構成の場合、２次元表示装置の画像位置とレンズの焦点距離が一致したときに合わせて、２次元表示装置４０１、４０２、４０３、４０４の順番に２次元像を表示していくことにより、像４１４、４１５、４１６、４１７を投影する構成である。
【００７６】
以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更し得ることはいうまでもない。
【００７７】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
【００７８】
可変焦点型立体表示装置あるいは奥行き標本化型立体表示装置を含む立体表示装置と、光の透過／遮断、透過／散乱、透過／反射に切り替わり、かつ、移動することができるマスクを有するマスク装置により、観察者から見て本来隠されていなければならない部分を隠し、かつ、観察者の移動にともなってマスク装置を移動させる移動装置によって、観察者の位置を特定せず、自然な３次元像を動画再生できる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の立体表示装置の構成を説明するための概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２の立体表示装置の構成を説明するための概略構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３の立体表示装置の構成を説明するための概略構成図である。
【図４】本発明の実施の形態４の立体表示装置の構成を説明するための概略構成図である。
【図５】マスク装置の構成を説明するための概略図である。
【図６】移動装置の構成を説明するための概略図である。
【図７】マスク装置のマスクの表示を説明するための概略図である。
【図８】マスク装置マスクの移動を説明するための概略図である。
【図９】視点移動検出方法を説明するための概略図である。
【図１０】従来の可変焦点レンズを用いた立体表示装置の構成を説明するための概略構成図である。
【図１１】従来の奥行き標本化型立体表示装置の構成を説明するための概略構成図である。
【図１２】奥行き標本化の原理を説明するための図である。
【図１３】可変焦点レンズを用いた立体表示装置の構成を説明するための概略構成図である。
【図１４】可変焦点レンズを用いた立体表示装置の構成を説明するための概略構成図である。
【符号の説明】
１０１、１０２…２次元表示装置、１０３…投影用スクリーン、１０４…可変焦点レンズ、１０５、１０６…シャッター装置、１０７…マスク装置、２０１〜２０４…２次元表示装置、２０５…投影用スクリーン、２０６…可変焦点レンズ、２１１〜２１６…マスク装置、２２１〜２２４…投影光学系、３０１〜３０４…２次元表示装置、３０５…投影用スクリーン、３０６…可変焦点レンズ、３０７〜３１０…シャッター装置、３１１〜３１３…マスク装置、３１４〜３１６…反射装置、３２１〜３２４…投影光学系、４０１〜４０４…２次元表示装置、４０５〜４０８…反射装置、４０９〜４１１…マスク装置、４１２…可変焦点レンズ、４１３…光源、５０１…マスク装置、６０１〜６０３…マスク装置、６１０、６１１…平行平板・プリズム、９０１…立体表示装置、９０２…赤外線センサ、９０３…超音波距離センサ・レーザ距離センサ、９０４…光センサ、９０５…カメラ。

Claims (18)

1. 焦点可変手段を通して２次元表示装置の表示像を観察する際に、
   前記焦点可変手段により焦点位置を変化させて結像位置を変化させるステップと、
   ３次元立体像を奥行き標本化した２次元像のうち前記結像位置に該当する２次元像を前記２次元表示装置に表示させるステップとを、
   人間の眼の残像時間以内に高速に繰り返すことにより３次元立体像を表示する立体表示方法において、
   前記２次元像をその結像位置に応じて別々の２次元表示装置に表示させ、
   該表示像の各々が、前記焦点可変手段の後方に同一光軸上に並べられ、かつ、前記複数の２次元表示装置のうち観察者から見て最背面の２次元像を表示する２次元表示装置を除く複数の２次元表示装置の各々と組をなし、当該組をなす２次元表示装置から投射される像を前面に反射し、後面の像はそのまま透過する複数の反射装置により、前記２次元表示装置の各前記焦点可変手段を通して観察できる位置に表示する第一のステップと、
   当該２次元像が観察者から見て最前面の２次元像でない場合は、観察者から見て当該２次元像より手前にある２次元像中の物体像で当該２次元像が隠される部分を、当該２次元像を表示する２次元表示装置の各前面、もしくは当該２次元表示装置と組をなす前記複数の反射装置の各前面に、それぞれ少なくとも一つ配置したマスク装置により、マスクで覆って当該２次元像の該部分を表示させない第二のステップとを有することを特徴とする立体表示方法。
2. 前記第二のステップが、前記２次元表示装置の各前面に配置された、観察者から見て当該２次元表示装置の表示する２次元像より手前にある２次元像の数と同数のマスク装置を用い、
   各々のマスク装置のマスクのパターンを当該２次元像より手前にある各２次元像の中の物体像がそれぞれ当該２次元像を隠す部分のパターンとし、各々のマスク装置のマスクを重ねることで、観察者から見て当該２次元像より手前にある２次元像中の物体像で当該２次元像が隠される部分を表示させないステップであることを特徴とする請求項１に記載の立体表示方法。
3. 焦点可変手段を通して２次元表示装置の表示像を観察する際に、
   前記焦点可変手段により焦点位置を変化させて結像位置を変化させるステップと、
   ３次元立体像を奥行き標本化した２次元像のうち前記結像位置に該当する２次元像を前記２次元表示装置に表示させるステップとを、
   人間の眼の残像時間以内に高速に繰り返すことにより３次元立体像を表示する立体表示方法において、
   前記２次元像をその結像位置に応じて別々の透過形の２次元表示装置に表示させ、
   該表示像の各々が、前記焦点可変手段の後方に同一光軸上に並べられ、かつ、前記複数の２次元表示装置のうち観察者から見て最背面の２次元像を表示する２次元表示装置を除く複数の２次元表示装置の各々と組をなし、当該組をなす２次元表示装置から投射される像を前面に反射し、後面の像はそのまま透過する複数の反射装置により、前記２次元表示装置の各前記焦点可変手段を通して観察できる位置に表示する第一のステップと、
   当該２次元像が観察者から見て最前面の２次元像でない場合は、観察者から見て当該２次元像より手前にある２次元像中の物体像で当該２次元像が隠される部分を、当該２次元像を表示する２次元表示装置の各背面にそれぞれ少なくとも一つ配置したマスク装置により、マスクで覆って当該２次元像の該部分を表示させない第二のステップとを有することを特徴とする立体表示方法。
4. 前記第二のステップが、前記２次元表示装置の各背面に配置された、観察者から見て当該２次元表示装置の表示する２次元像より手前にある２次元像の数と同数のマスク装置を用い、
   各々のマスク装置のマスクのパターンを当該２次元像より手前にある各２次元像の中の物体像がそれぞれ当該２次元像を隠す部分のパターンとし、各々のマスク装置のマスクを重ねることで、観察者から見て当該２次元像より手前にある２次元像中の物体像で当該２ 次元像が隠される部分を表示させないステップであることを特徴とする請求項３に記載の立体表示方法。
5. 焦点可変手段を通して２次元表示装置の表示像を観察する際に、
   前記焦点可変手段により焦点位置を変化させて結像位置を変化させるステップと、
   ３次元立体像を奥行き標本化した２次元像のうち前記結像位置に該当する２次元像を前記２次元表示装置に表示させるステップとを、
   人間の眼の残像時間以内に高速に繰り返すことにより３次元立体像を表示する立体表示方法において、
   前記焦点可変手段と同一光軸上に、前方や側方からの光源の光を観察者の方向へ反射させ、かつ、背面からの光は透過する手段を有する反射装置を、３次元立体像を奥行き標本化した２次元像を表示する透過形の２次元表示装置の背面に配置して組にしたものを複数組配置し、
   前記２次元像をその結像位置に応じて別々の前記２次元表示装置に表示させる第一のステップと、
   当該２次元像が観察者から見て最前面の２次元像でない場合は、観察者から見て当該２次元像より手前にある２次元像中の物体像で当該２次元像が隠される部分を、最背面の２次元像を表示する前記反射装置と２次元表示装置の組を除く、前記反射装置と２次元表示装置の組の各背面に各々配置したマスク装置により、マスクで覆って当該２次元像の該部分を表示させない第二のステップとを有することを特徴とする立体表示方法。
6. 焦点可変手段を通して２次元表示装置の表示像を観察する際に、
   前記焦点可変手段により焦点位置を変化させて結像位置を変化させるステップと、
   ３次元立体像を奥行き標本化した２次元像のうち前記結像位置に該当する２次元像を前記２次元表示装置に表示させるステップとを、
   人間の眼の残像時間以内に高速に繰り返すことにより３次元立体像を表示する立体表示方法において、
   前記焦点可変手段と同一光軸上に、前方や側方からの光源の光を観察者の方向へ反射させ、かつ、背面からの光は任意の画素を透過または遮断する手段を有するマスク装置を、３次元立体像を奥行き標本化した２次元像を表示する透過形の２次元表示装置の背面に配置して組にしたものを複数組配置し、
   前記２次元像をその結像位置に応じて別々の前記２次元表示装置に表示させる第一のステップと、
   当該２次元像が観察者から見て最前面の２次元像でない場合は、観察者から見て当該２次元像より手前にある２次元像中の物体像で当該２次元像が隠される部分を、前記マスク装置により、マスクで覆って当該２次元像の該部分を表示させない第二のステップとを有することを特徴とする立体表示方法。
7. 観察者の位置の移動に応じ、前記マスクに対し平行移動、拡大、縮小のうちいずれかまたは複数の処理を行うことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の立体表示方法。
8. 半透明な立体像を表示する場合は、前記マスクの透過率を変化させ、手前の２次元像で当該２次元像の隠される部分を所望の透過率で表示させることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の立体表示方法。
9. 表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段と、
   ３次元立体像を奥行き標本化した２次元像を表示する複数の２次元表示装置と、
   前記焦点可変手段の後方に同一光軸上に並べられ、前記複数の２次元表示装置のうち最背面の２次元像を表示する２次元表示装置を除く複数の２次元表示装置の各々と組をなし、当該組をなす２次元表示装置から投射される像を前面に反射し、後面の像はそのまま透過する複数の反射装置と、
   前記複数の２次元表示装置のうち最前面の２次元像を表示する２次元表示装置を除く複数の２次元表示装置の各前面、もしくは当該２次元表示装置と組をなす前記複数の反射装置の各前面に、それぞれ少なくとも一つ配置したマスク装置と、
   前記焦点可変手段の焦点位置の変化に同期して前記複数の２次元表示装置の表示像のうち該当する表示像を選択するシャッター装置と
   を具備することを特徴とする立体表示装置。
10. 表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段と、
    ３次元立体像を奥行き標本化した２次元像を表示する複数の透過形の２次元表示装置と、
    前記焦点可変手段の後方に同一光軸上に並べられ、前記複数の２次元表示装置のうち最背面の２次元像を表示する２次元表示装置を除く複数の２次元表示装置の各々と組をなし、当該組をなす２次元表示装置から投射される像を前面に反射し、後面の像はそのまま透過する複数の反射装置と、
    前記複数の２次元表示装置のうち最前面の２次元像を表示する２次元表示装置を除く複数の２次元表示装置の各背面に、それぞれ少なくとも一つ配置したマスク装置と、
    前記焦点可変手段の焦点位置の変化に同期して前記複数の２次元表示装置の表示像のうち該当する表示像を選択するシャッター装置とを具備することを特徴とする立体表示装置。
11. 表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段を具備し、
    該焦点可変手段と同一光軸上に、前方や側方からの光源の光を観察者の方向へ反射させ、かつ、背面からの光は透過する手段を有する反射装置を、３次元立体像を奥行き標本化した２次元像を表示する透過形の２次元表示装置の背面に配置して組にしたものを複数組配置し、
    最背面の２次元像を表示する前記反射装置と２次元表示装置の組を除く、前記反射装置と２次元表示装置の組の各背面に各々マスク装置を配置したことを特徴とする立体表示装置。
12. 前記反射装置がホログラフィック・オプティカル・エレメントからなることを特徴とする請求項１１に記載の立体表示装置。
13. 表示像の結像位置を変化させる焦点可変手段を具備し、
    該焦点可変手段と同一光軸上に、前方や側方からの光源の光を観察者の方向へ反射させ、かつ、背面からの光は任意の画素を透過または遮断する手段を有するマスク装置を、３次元立体像を奥行き標本化した２次元像を表示する透過形の２次元表示装置の背面に配置して組にしたものを複数組配置したことを特徴とする立体表示装置。
14. 前記マスク装置がホログラフィック高分子分散液晶素子からなることを特徴とする請求項１３に記載の立体表示装置。
15. 前記マスク装置が、ツイスト・ネマティック型液晶、またはゲスト−ホスト型液晶、またはホログラフィック高分子分散型液晶を用いた、縦横に画素を配置して任意の画素の状態の制御が可能な装置からなることを特徴とする請求項９乃至１４のうちいずれか１項に記載の立体表示装置。
16. 前記マスク装置が、マスク表示の画素の相対位置を保ちつつ表示を平行移動する手段を有することを特徴とする請求項９乃至１５のうちいずれか１項に記載の立体表示装置。
17. 観察者の移動を検出する手段と、
    検出した移動量に応じて前記マスク装置におけるマスクの表示を平行移動させる機能とを有することを特徴とする請求項１６に記載の立体表示装置。
18. 前記焦点可変手段が、可変焦点レンズであることを特徴とする請求項９乃至１７のうちいずれか１項に記載の立体表示装置。

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