JP5449342B2 - スリット視を利用した３次元情報提示装置 - Google Patents

Description

本発明は、スリットを回転させて光線方向を変えることにより、裸眼で立体像を視認できる３次元情報提示装置に関するものである。

３次元の立体像を表示するためには、人間が立体感、遠近感を知覚する生理的立体要素を利用する。この生理的立体要素には、左右の目に映る画像の違いである両眼視差、視線の交点として眼球の回転角である両眼輻輳、焦点を合わせるためのレンズ厚さの変化である焦点調整、移動による目に映る画像の違いである運動視差がある。これら生理的立体要素のうち、従来３次元画像の表示に利用されているのは両眼視差である。両眼視差を利用した３次元画像表示の基本原理は、左右それぞれの目に映る画像を再現してあたかも立体像であるかのように見せることにより実現する技術である。両眼視差は、左右それぞれの目が離れているために生ずる現象であり、顔の前にある物体は、顔を動かさなくても、脳には２つ違った方向から見た２種類の画像が送られて認識されている。

両眼視差を利用した３次元画像提示技術は、左右それぞれの目に異なった画像を提示する技術であり、大きく眼鏡を利用する方式と、眼鏡を必要としない方式に分類できる。

眼鏡を利用する方式としては、アナグリフ方式やシャッター眼鏡方式等がある。アナグリフ方式は、右目が赤、左目が青の眼鏡を使い、右目用の画像を赤、左目用の画像を青で印刷した１枚の画像を、この眼鏡で覗くと、右目に青の画像が見えず、結果的に右目の画像だけがみえ、左目も同様に赤の画像が見えず、両眼に視差のある画像が提示されることにより３次元画像として視認される方式である。シャッター眼鏡方式は、液晶シャッター等の投影機と眼鏡のシャッターを同期させ、右目の画像を投影しているときは、左のシャッターを閉じ、左はこの逆にして、１秒間に数十回以上で切り替え、残像効果により両目で見ているように感じさせることにより３次元画像として視認される方式である。

眼鏡を利用しない方式としては、パララックスバリア法、レンチキュラレンズ方式や
ホログラフィック・ステレオグラム方式等がある。パララックスバリア法は、細長い透過窓であるスリットを通して遮蔽部と開口部を利用して左右の目の画像を表示することにより３次元画像として視認される方式である。レンチキュラレンズ方式は、スリットの代わりに、レンチキュラレンズと呼ばれる非常に細いかまぼこ型レンズの集合体で、左右の目の画像を表示することにより３次元画像として視認される方式である。ホログラフィック・ステレオグラム方式は、立体物を、ホログラム方向をずらして撮影し、表示材の前にスリットをおいて、ホログラム表示することで、パララックスバリア法と同様の原理により左右視差を作り出して立体感を提示する方式である。

これらの３次元画像方式では、見る側が何らかの器具を装着すること、例えば、アナグリフ方式では眼鏡を装着することが必要であったり、提示装置側に何らかの特殊な装置を置くこと、例えば、眼鏡を使用しないパララックスバリア法ではスリット機材、レンチキュラレンズ方式は、特殊なレンズを必要としたりする。

見る側が眼鏡等を使用することは煩わしく、お互いの顔が見えない等の欠点があるため、好ましくは裸眼で３次元画像を視認することが望ましいが、眼鏡を使用しない方式は装置構成が複雑となる欠点がある。例えば、光線再現方式では、線光源をスキャンする構成とすることが必要である。光線再現方式は、一次元光源を移動させてスリットからの光源の視差を実現している。そのため、光源が移動可能な範囲でしか３次元画像情報を提示できないが、線光源を回転させて全周型３次元ディスプレイとした提案がされている例がある（例えば非特許文献１等参照）。

全周型３次元ディスプレイは、線光源を回転させて３次元画像の全体を提示するものであり、任意位置からの３次元画像が視認可能であるが、その提示範囲は回転する線光源の内部領域に限られ、装置規模は大きくなり必ずしも簡易な装置というわけではない。

３次元画像提示装置の簡易化、コストの低減を目的とした提案としては、複数の一次元表示素子を用いて、三次元の対象物を複数の異なる方向から撮像した複数の画像の各列成分に対応する一次元のパターンを順次時分割して表示し、時分割表示された一次元のパターンを鏡または音響光学素子などの画像偏向装置により各表示パターンに対応した複数の方向に偏向し、撮像時の方向に対応した複数の方向に偏向して画像を提示する方法も提案されている（例えば特許文献２等参照）。

一方、２次元画像情報の表示方法については、２次元のマトリクス情報を間引きされた表示ユニットに表示して、スクロール制御することによりあたかも全マトリクスが表示されているかのような仮想表示を行う方法が提案されている（例えば特許文献２〜特許文献４等参照）。この方式は、スリット状光源をある一定の間隔を置いて配置しており、二次元表示に必要な全マトリクスの画素に対応した表示光源を必要とせず、少ない数の表示素子で大きな画面の画像を提示できるため、簡易な装置での実現が可能である。このような方式での３次元情報提示装置は見当たらない。

特開２００６−１８９９６２号公報 特開平７−１２０７０１号公報 特開平８−１７９７１７号公報 特開平９−３１１６５９号公報 特開平１０−３３３６３４号公報

圓道知博、梶木善裕、本田捷夫、佐藤誠著の「全周型３次元ディスプレイ」電子情報通信学会論文誌Ｄ−ＩＩ Ｖｏｌ．Ｊ８４−Ｄ−ＩＩ Ｎｏ．６ ｐｐ１００３−１０１１、（２００１）

本発明の回転する線光源ユニットを配置して３次元画像を認識する場合の概要を示す図である。 両眼視差による３次元画像の認識を説明する図である。 左目と右目に提示する画像をマトリクス画像として説明するための図である。 左目に提示するマトリクス表示での列要素が間引きされた場合の画像スクロール方法を説明する図である。 右目に提示するマトリクス表示での列要素が間引きされた場合の画像スクロール方法を説明する図である。 ２眼式のパララックスバリア法による立体視を説明する図である。 多眼式のパララックスバリア法による立体視を説明する図である。 光源走査により異なる方向からの画像を提示する方法を説明する図である。 光線再現方式の原理を説明する図である。 本発明による線光源ユニットの基本構成を説明する図である。 本発明における回転する光源により異なる角度からの光線放射状態を説明する図である。 一次元の点光源列を備えた線光源素子を用いて、回転する線光源ユニットを説明する図である。 本発明の回転する複数の線光源ユニットを配置して３次元情報提示装置を説明する図であり、従来の光線再現方式と比較している。 本発明の回転する複数の線光源ユニットの画像制御部を含めたブロック図である。 本発明での３次元画像提示装置を見る場合における距離を計算するための図である。 全周方向に光を放射させる場合の線光源ユニット数を検討するための図である。 ３個の線光源素子を固定した場合の配置を示す図である。 固定された３個の線光源素子とスリットを示すマルチ線光源ユニット説明する図である。 複数の点光源列と対向する複数のスリットを設けたマルチスリット線光源ユニットと、その応用例を説明するための図である。 点光源列を垂直方向に拡大する場合の点光源列の配置を説明する図である。 点光源列を複数用いて垂直方向に拡大した場合の対応するスリットの位置を説明する図である。 複数の線光源ユニットの配置例を説明する図である。

立体的に画像を表現するためには生理的立体要素を利用することから、その実現手段も複雑とならざるを得ない。多くは両眼視差を利用して立体感を表現しているため、左右の目に異なる画像を提示しなければならない。３次元画像の提示は、２次元画像に比べて提示する情報量が圧倒的に多くなり、しかも裸眼で立体像が視認可能であることの要求も強く、これらの問題点を解決して簡単な構造で３次元画像を提示できる装置の実現が課題となっている。

本発明は、裸眼での視認が可能で、かつ、簡単な構成で３次元画像を提示できる３次元情報提示装置を提供することを目的としている。

本発明は、線光源を回転させながら異なる角度毎に画像を変化させて両眼視差を生ずる画像を提示し、しかも３次元画像の一部のみの提示を行うだけの線光源ユニットを複数並べ、スクロール制御により３次元画像を提示することのできる３次元情報提示装置を実現可能とする。以下に詳細を述べる。なお、これはあくまでも一例であって、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではない。

（１）回転しながら異なる方向に情報を提示する複数の線光源ユニットと、線光源ユニットに間引きされた３次元画像情報を送信し、線光源ユニットの回転角度に対応して視差を与える画像を提示し、複数の線光源ユニットに提示される画像をスクロールして全体画像を提示する制御を行う制御部とを備えた３次元情報提示装置。

（１）に記載の発明において、一次元的な線光源であって、指向性を持つ光を発する線光源ユニットを基本の単位ユニットとして、複数の線光源ユニットを回転させながら一定の角度毎に線光源を入力画像情報に従い線光源に画像を提示させ、角度の異なる位置での異なる画像情報の提示で両眼に視差を持つ画像の提示を実現している。本発明は、線光源自体を回転させながら異なる角度で画像を提示する新たな手法である。

単体の線光源ユニットは、３次元画像の一部を間引きして表示している。例えば、５本の線光源ユニットを配置したとすれば、全体の３次元画像の一部を各線光源ユニットに割り当てる。即ち、線光源ユニット間の表示画像を間引いて、各単体の線光源ユニットに割り当てる。そして、各単体の線光源ユニットに対して割り当てられた範囲の３次元画像を一定の速度でスクロール制御することで、残像効果と相俟って脳があたかも全体の３次元画像が提示されているかのように知覚し、観測者は３次元画像を認識することとなる。

画像データの制御は、線光源ユニットに接続されたハードウェアとしての制御部で制御され、画像データの記憶部からのデータ読み取り、画像データの配分、線光源での提示画像データとそのタイミング、スクロール速度等が最適に制御され、３次元画像を提示する。

（２）線光源ユニットは、回転中心軸と平行に配置された複数の点光源を直線状に配列して点光源列構成とした線光源素子と、線光源素子に対応して、線光源素子の前面に光を透過する線状の開口部とを備えた（１）記載の３次元情報提示装置。

（２）に記載の発明は、（１）における線光源ユニットの構造である。線光源は指向性を持った光とすることが必要であり、線状の光を一次元的に発生する線光源素子を実現するために、点光源を一次元に配列した点光源列を備えた素子とする。そして、その点光源列の前方に細長い透過窓となる開口部を備え、開口部から点光源での光を放射することで指向性を実現している。開口部以外の部分では光が遮蔽される。このような構造を持つ線光源ユニットを回転させながら、角度を変えて異なる画像を提示する。

（３）線光源ユニットは、線光源素子と開口部とが一体となって回転する、（１）又は（２）に記載の３次元情報提示装置。

（３）に記載の発明では、線光源素子と開口部を一体として回転させる。光源からの光は開口部を通してしか見ることができないので、指向性を持った光線を３６０度の全周方向に発生させることができる。

（４）線光源ユニットは、複数の線光源素子を配置することにより全周方向に光を放射可能とし、複数の線光源素子を静止し、線光源素子の前面で前記開口部を回転させる（１）又は（２）に記載の３次元情報提示装置。

（４）に記載の発明は、回転する開口部内部に複数の線光源素子を配置することにより全周方向に光を放射可能とし、開口部の回転だけで、指向性をもった光線を発生させることができる。線光源素子は静止させておき、開口部と回転中心軸を結ぶ方向により異なる画像を提示する。

（５）線光源ユニットは、複数の線光源素子を配置することにより全周方向に光を放射可能とし、線光源素子ぞれぞれの前面に対応した開口部を備え、線光源素子と開口部を一体として回転させる（１）又は（２）に記載の３次元情報提示装置。

（５）に記載の発明は、回転中心軸の同周面に、略等間隔で複数の線光源素子を配置し、スリット状の開口部を各線光源素子に対応して設けた３次元情報提示装置である。線光源素子の数だけ同周面上に開口部を設けてあり、異なる画像を提示することができる。それぞれの開口部からは、回転により同一方向となるときは、同一の画像を提示することになるため、線光源ユニット回転速度を遅くしても、線光源素子が単一の場合と表示画像数は同一とすることができる。また、同一の回転速度で線光源ユニットを回転させて、それぞれの線光源素子で別の３次元画像を提示すれば、３次元画像提示装置において合成された３次元画像を提示できる。

（６）線光源ユニットは、光の３原色である赤色の線光源素子と、緑色の線光源素子と、青色の線光源素子戸からなる３個の線光源素子と、記線光源素子ぞれぞれの前面に対応した前記開口部とを備え、線光源素子と開口部を一体として回転させる（１）又は（２）に記載の３次元情報提示装置
（６）に記載の発明は、線光源素子として、光の３原色である赤、緑、青の３色を発光する光源を備え、各光源からの画像を合成してカラーの３次元画像情報を提示する装置とすることができる。

（７）制御部は、両眼視差を与える画像を左右の目に提示するために、回転する線光源ユニットのスリット方向により異なる画像を送信し、線光源ユニットに提示させる画像の制御を行う（１）から（６）のいずれかに記載の３次元情報提示装置。

（７）に記載の発明は、両眼視差を与えるための制御部での制御方法である。左目と右目では約７０ｍｍ程度の間隔があり、通常、左目から見た物体と、右目から見た物体では異なった形態、すなわち角度を変えてみた画像情報としての物体が見えている。この視差画像により脳が立体的に物体を知覚することになる。したがって、線光源ユニットで両眼視差を与える画像を提示するためには、線光源ユニットの回転角度により左右の目に視認できる画像が異なることを利用して、例えば左目で視認できる角度では左目に認識させたい画像情報を提示し、右目で視認できる角度では右目に認識させたい画像情報を提示するように制御する。

（８）制御部は、線光源ユニットで３次元情報を提示するための一部が間引きされた画像情報であって、両眼視差を与える画像情報を提示し、前記間引きされた３次元情報を、見かけ上３次元情報全体として提示するために、複数の線光源ユニット間における光源の点滅を同期的にスクロールして提示する制御を行う（１）から（７）のいずれかに記載の３次元情報提示装置。

（８）に記載の発明は、間引きされた３次元画像の提示を制御して、見かけ上全体画像として提示するための制御部における制御方法である。線光源ユニットにより提示される画像情報は、両眼視差を生ずる間引きされた画像であり、全体の３次元画像を観測者に視認させるための制御方法である。

間引きされた３次元画像は、ある瞬間に着目すると飛び飛びの画像であり、全体の３次元画像を提示している訳ではない。ところが、分割配分された各線光源ユニットで、全体画像の一部分を時間的に順次提示するスクロール制御を行った場合に、適当な速度でスクロールすると、観測者は各線光源ユニット間の画像を補完して視認し、あたかも全体の３次元画像が存在するかのように脳が知覚して、実際の提示より少ない線光源ユニットでもスクロールにより画像全体が認識される。この様に、線光源ユニットを他の複数の線光源ユニットと同期させて、両眼視差を与えるように３次元画像全体の情報を提示するスクロール制御を行うことによって、３次元画像全体が移動しながら表示されたかのような仮想３次元画像を認識することができる。

（９）複数の光源が、光源が回転する同心円がそれぞれ回転軸方向で重ならないように、同周面上に位置をずらして前面に開口部を設けて配置され、回転しながら異なる方向に情報を提示する複数の線光源ユニットと、線光源ユニットへ間引きされた３次元画像情報を送信し、線光源ユニットの方向に対応して視差を与える画像を提示し、複数の線光源ユニットに提示される画像をスクロールして全体画像を提示する制御を行う制御部とを備えた３次元情報提示装置。

（９）に記載の発明は、光源の配置についての発明である。本発明の原理的な特徴としては指向性を持った光を回転させることであり、一回転で全周方向に異なる角度で異なる画像を提示すればよい。このため、光源を同周面上に回転軸と並行に直線状に配置して、各光源を同時に点滅させる必要は無く、各光源の位置が回転軸と平行な直線からずれていても、同一の方向となったときに直線状に配置した場合の画像を提示するようにタイミングを制御すればよい。従って、１つの点光源をスパイラル状に同周面に配置したり、２列にして互い違いに配置したりすることが可能である。この場合は、直線上に配置するよりも光源間の距離を短くすることができ、解像度を高くする効果が得られる。

（１０）線光源ユニットは、点光源が連続するように角度を変えて配置した複数の線光源素子と、複数の線光源素子に対応して、点光源列の前面に光を透過する線状の開口部と、
を備えた（９）に記載の３次元情報提示装置。

（１０）に記載の発明は、点光源列を有する線光源素子を使用して、垂直方向に画像提示領域を拡大するために（９）に記載の発明を適用したものである。

（１１）線光源ユニットは、線光源素子と開口部とが一体となって回転する、（９）に記載の３次元情報提示装置。

（１１）に記載の発明は、（１０）に記載の発明を線光源素子と開口部とが一体となって回転させることにより、全周方向に指向性を持った光線を発生させる３次元情報提示装置である。

（１２）複数の線光源ユニットが任意の位置に変更可能である（１）又は（９）のいずれかに記載の３次元情報提示装置。

（１２）に記載の発明は、線光源ユニットの配置に関する。本発明による線光源ユニットは、スリット自体が回転する構造であり、光線再現方式のように光源を走査する必要が無く、しかもどの角度からも線光源ユニットが視認できるので、線光源ユニットの配置が任意の位置に変更できる特徴が有る。画像情報の提示は、各線光源ユニットの配置に応じて制御部で画像データを制御して３次元の画像を提示する。

以上本発明における解決手段を述べたが、上記記載に限定されるものではなく、技術的範囲に属する範囲で他の形態が可能である。

本発明によれば、３次元情報の提示単位は、線光源ユニットであり、点光源列とスリットを組み合わせた簡単な構造からなり、回転させながら角度に対応して左右の目に視認される異なる画像を提示することにより両眼視差をもった画像を簡単に提示できる効果がある。また、ある瞬間で見れば３次元画像全体を提示するものではなく間引きされた３次元画像の一部を提示して、スクロールにより全体の３次元画像を提示することができる。このため、少ない提示ユニットで３次元画像の提示が可能となる効果が得られる。

以下、本発明を実施するための形態について図を参照しながら説明する。なお、これはあくまでも一例であって、本発明の技術的範囲はこれに限られるものではない。

（実施例１）
図１は、本発明の概略図である。図１において、線光源ユニット１０−１〜１０−５が回転しながら方向を変えた線光源による画像の光線２０−１〜２０−５を放っている。観測者ａ３２と観測者ｂ３６は異なる位置にいるため、各線光源ユニット１０−１〜１０−５を違った角度から見ていることになる。例えば、観測者ａ３２が線光源ユニット１０−３を見ると光線２２−３の方向のときに認識される。一方、観測者ｂ３６は、線光源ユニット１０−３からは、光線２４−３の方向のときに認識される。従って、各線光源ユニット１０−１〜１０−５から、観測者ａ３２と観測者ｂ３６が見える光線の方向となる角度のときに、異なった画像を提示すれば、観測者ａ３２は、画像３４を、観測者ｂ３６は、画像３８を認識していることになる。

本発明では、間引きされた画像情報を線光源ユニット１０−１〜１０−５で提示し、スクロールにより全体の画像を提示しているから、実際にはある瞬間での観測者ａ３２の目には画像情報としての光線２２−１〜２２−５により、間引きされた画像３３が認識されている。また、観測者ｂ３６の目は画像情報としての光線２４−１〜２４−５により、間引きされた画像３７が認識されている。この観測者ａ３２に視認される画像３３及び観測者ｂ３６に視認される画像３７が矢印の方向、図１では、右から左にスロールされて順次間引きされた画像が提示されることにより全体の画像を視認し、あたかも観測者ａ３２は画像３４を、観測者ｂ３６は画像３８を見ているように認識する。

この場合に、観測者観測者ａ３２を左目、観測者ｂ３６を右目とすれば、両目には異なった画像が認識されていることになる。さらに線光源ユニット間を補完する画像がスクロール制御により提示され、両眼視差となる画像であれば、立体的な画像として観測者が認識可能となる。以下、本発明の基本的な原理から説明する。

図２は、両眼視差による３次元画像の認識原理を説明した図である。文字「Ａ，Ｂ，Ｃ」を例として説明する、図２において、左目４０は、画像４４を認識しているとする。また、右目４２は、画像４６を認識しているとする。ここで、左目４０に認識されている画像４４と右目４２に認識されている画像４６では、文字「Ｂ」の位置が右側にずれているものとする。そうすると、両眼視認されている画像が異なっているため、脳で知覚する画像４８は、立体的に３次元の画像となる。これが、３次元画像を両眼視差により表示する原理である。

図３は、図において左目と右目で認識される文字をマトリクス表示した例である。画面はｍ個の行要素とｎ個の列要素となからなるｍ×ｎのマトリクスに「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」の文字を表している。通常、コンピュータ等で処理される画像は離散的なディジタル画像であり、表示はマトリクスの各要素を点光源に対応させて表示されることになる。図３において円で示した各点が個別のマトリクス要素を表している。図３（ａ）は左目のマトリクス画像５０、図３（ｂ）は右目のマトリクス画像５２を示している。この様に、全体の画像を表示するためには基本的にはマトリクスとして分解された各画素に対応した表示素子、即ち、点光源が、左右の目に対応して必要となる。

そこで、点光源の数を少なくして全体の画像が表現できないかが問題となるが、２次元の表示では、特開平８−１７９７１７で開示された技術がある。この技術は、２次元に配置されたマトリクスの表示要素の列方向マトリクス列を間引きして取り出し、画像をスクロールして見かけ上全マトリクスの２次元表示を実現するものである。

図４は、図３（ａ）に示した左目のマトリクス画像を例にとって説明するための図を示している。

図４（ａ）は、間引きされた列要素のみを持つ点光源列６０−１〜６０−５に、表示させようとする文字「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」を割り付けた図である。点光源列６０−１〜６０−５での点光源の点滅は、文字要素が割り当てられたときに発光し、例えば、「Ａ」では、図に示すように、点光源列６０−１における３つの点光源６２−１が発光している。文字「Ｂ」については、点光源列６０−３における複数の点光源６２−３が発光している。文字「Ｃ」については、点光源列６０−５における複数の点光源６２−５が発光している。この瞬間においては、点光源に割り当てられたマトリクス要素以外の、文字「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」におけるマトリクス要素は何も表示されていない。

次に、一定時間後に、図４（ｂ）に示したように、１ドット分だけずらして、即ちスクロールして表示時間をずらして、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」のマトリクス要素を割り当てる。そうすると、文字「Ａ」は、点光源列６０−１における複数の点光源６４−１が発光する。文字「Ｂ」、「Ｃ」についても同様に、１ドット分スクロールしたマトリクス要素に対応して、点光源列６０−３における複数の点光源６４−３、点光源列６０−５における複数の点光源６４−５が発光する。さらに同様にして１列のマトリクス要素ごとにある時間を置いて順次表示して行き、１文字分だけスクロールした状態を図４（Ｃ）に示している。この場合は、文字「Ａ」はどのマトリクス要素も表示されず、文字「Ｂ」は、点光源列６０−２における複数の点光源６６−２が発光し、文字「Ｃ」は、点光源列６０−４における複数の点光源６６−４が発光している。

このようにして、ｎ列のマトリクス要素において、間引きして割り当てられた点光源を発光させながら図４（ｂ）、図４（ｃ）に示した矢印の方向にスクロールを行い、全体情報を移動させながら表示させる。ｎ列のマトリクス要素を間引きされた列要素に一定速度でスクロール表示させると、人間は列光源間にある瞬間では見えていない部分の光を脳が知覚して、光を補完して視認するようになる。この現象を利用して、少ない素子、即ち、間引きされた列要素で一部の列要素を表示した場合でも、人間の知覚による補完作用で、あたかも全マトリクスの表示がされているかのように認識し、スクロールにより移動している文字「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」の全体を認識する。

図５は、右目に視認させるマトリクスの文字「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」を表示素子に割り付けた図を示している。文字「Ｂ」を左目の視認画像に対してずらしているが、動作原理は左目と同じであり、点光源列７０−１〜７０−５により、ｎ列のマトリクスス要素を一定速度でスクロールする状態である。

以上、少ない表示素子で全体を表示する技術について説明したが、３次元画像を提示するためには、図４及び図５で説明したように、異なった画像情報を左右の目に提示しなければ、３次元画像としては認識できない。

このため、線光源を回転させる新たな３次元画像の表示手法を考案した。以下、パララックスバリア法と光線再現方式とを例に、比較しながら本発明の原理的な説明を行う。

図６は、立体視可能なパララックスバリア法の基本原理を示している。左右の目に視認させる画像要素を異ならせることが基本原則であり、画像要素を交互に置き、スリットを通して左右の目に異なった画像を提示する手法である。図６において、右目Ｒ９８には、開口部９２からは画像要素８０が見える。そして、左目Ｌ９６からは開口部９２を通して画像要素８１が見えているが、バリア９０によって、右目用の画像８０は見えない。同じように、左右の目に見える画像要素を交互に配置して画像を表示すれば、並列された開口部から左右の目により異なった画像が見えることになる。このようにして両眼視差を与えた画像が視認され、脳は３次元画像として認識する。この場合は、両目の位置がある決まった位置でのみ３次元画像を認識することができ、２眼式と呼ばれている。

さらに目の位置を変えても３次元画像を認識することができるためには、１つの開口部から、方向を変えて見たときに異なる画像が表示されなければならない。このためには、開口部を細くしていく必要がある。

図７は、一つの開口部から異なる画像が見えるようにしたときの状態を示している。例えば、左目からは、一つの画素１００を異なる視点の方向から見える画像に分割した画素１０４が一つの方向１０５からのみ見え、分割した数だけの方向から見えるように、パララックスバリア１１０に開口部１１２が設定されている。同様に、右目からは、一つの画素１０２を異なる視点の方向から見える画像に分割した画素１０６が一つの方向１０７からのみ見え、分割した数だけの方向から見えるように開口部１１４が設定されている。従って、多くの位置から３次元画像を見ることができる。原理的には、分割した画素の数に応じて位置を変えてみることができる。例えば、図７では、左目１１５−１と右目１１５−２の位置、左目１１６−１と右目１１６−２の位置、左目１１７−１と右目１１７−２の位置である。この方式は３次元画像として見える位置が複数あり多眼式と呼ばれている。

パララックスバリア法は、基本的には遮光された空間に光を透過する開口部を設けて２次元画像の前に置き、この開口部を通して画像を観察することで視点の位置によって異なる画像を提示する技術である。ここで、２次元画像の代わりに、高速に光を点滅させながら光源を開口部に対して走査することにより、残像効果を利用した２次元画像を提示することも可能である。光線再現方式といわれる方式である。

図８は、光源の走査による２次元画像の提示方法を説明するための図である。図８において、バリア１２０に、十分に開口幅が狭い開口部１２２が設けられている。光源１２４−１がこの位置で発光すると、光線１２５−１の方向に光を放射する。次に光源を走査して光源１２４−２の位置で発光すると、光線１２５−２の方向に光を放射する。さらに光源を走査して、開口部１２２の放射が限界となる光源１２４−３の位置で発光すると、光線１２５−３の方向に光を放射する。開口部からは、光源１２４−１と光源１２４−３の位置からの発光による範囲で光線の走査角θが決まる。この走査角の角度分割数により視差数も決まってくる。

図９は、光源の走査により、バリア１２９に設けられた開口部１２８−１及び開口部１２８−２からの光線の放射状態を説明する図である。点光源１２６−１が光源１２６−２までの位置に走査されたとする。まず光源１２６−１の位置で発光して、光線１２７−１の方向に光を放射する。さらに光源を走査してある一定のタイミングで光源を発光さると、図７に示したような多眼式の画像提示システムとなる。

光源は、複数の光源が直線上に配列された点光源列とすれば、３次元画像の提示が可能となり、光線再現方式は、コンピュータ等での画像処理に適した方式である。

光線再現方式の解像度や視差数等の画質に影響を与えるパラメータは、装置の幾何学的な関係で決まってくる。特に水平方向の解像度、すなわち画素ピッチは、開口部のピッチで決まり、開口部を狭くしていくと光の回折現象が現れ、開口幅を狭くするのには限界がある。従って、１つの開口部から操作する角度θも限られてくるため、画像を多眼的に表現する視差数も多くはできない。

そこで本発明では、図８における開口部１２２の位置に光源を置き、対抗する位置に開口部を設けて、光源と開口部を回転させて光線方向を３６０度に渡り可能とする技術を提案するものである。

図１０は、一つの光源を用いて本発明の基本的なユニット構造を説明する図である。図１０において、光源ユニット１３０は、光源１３２を回転中心に配置し、光源１３２の前の対向する同周面に円筒型の遮光体１３４を設置して、光源１３２が遮光体１３４に対向する位置に、狭い開口部１３６を設けている。光源１３２が発光すると、開口部１３６を通過する光線１３８は、指向性を持った光線となって一方向に放射する。

図１１は、図１０で示した光源ユニット１３０が、光源１３２と開口部１３６を一体として回転する場合の光線方向を示す図である。開口部１３６が、図１１において矢印で示した方向に回転すると、回転角度により光源１３２と開口部１３６は回転軸を中心として同心円上を移動する。このとき、角度によって光源を発光させれば、それぞれの角度に応じた方向に光線を放射する。例えば、光源ユニット１３０の回転により光線１３８−１、１３８−２、１３８−３、１３８−４という方向に放射する。開口部１３６以外の部分は、遮光体１３４により光が遮られているから、指向性を持った光線となる。このため、光線の方向に依存して光の強弱を変調する制御をすれば見る方向によって異なる光を放射することができる。

図１２（ａ）は、線光源素子１４０の具体例であり、複数の点光源を直線状に配列して点光源列１４２としている。図１２（ｂ）は、線光源ユニット１４４の具体例である。線光源素子１４０の同周面を円筒状の遮光体１４６で囲み、点光源列１４２に対向した位置に細長いスリット状の開口部１４８を設けている。以下、細長いスリット状の開口部は、単にスリットと言う。

この線光源ユニット１４４を、線光源素子１４０とスリット１４８とを一体として回転し、回転角度によって異なる光を発光すれば、一次元の情報を一定角度ごとに提示することが可能である。この線光源ユニット１４４は、図８で説明した光線再現方式における１つの開口部に相当するが、回転角度により異なる画像を提示できるため、３６０度の全周方向に異なる画像が提示でき、光線再現方式のような走査角の制約がないため視差数を多くすることが可能となる。

実際の例としては、ＬＥＤアレイで実現し、点光源１２８個を垂直方向６４ｃｍの幅に配置した線光源素子を使用した。遮光体の直径は１００ｍｍで、スリットの幅は１ｍｍとした。スリットの同周面の直径は１００ｍｍであり、周長は約３１４ｍｍとなるから、原理的には回転角度が約１度ごとに異なる画像を提示できる。

図１３（ａ）は、複数の線光源ユニット１５２−１〜１５２−５を並べて、本発明の３次元画像提示装置１５０を構成する光源部の概略図である。線光源ユニット１５２−１〜１５２−５は同期して回転し、例えば線光源ユニット１５２−１からは、回転角度により異なる方向に光線１５４を放射する。この線光源ユニット１５２−１〜１５２−５の配置を、わかりやすく説明するために、従来のパララックスバリア法を図１３（ｂ）に示す。図１３（ｂ）では、バリア１５５に複数の開口部があり、それぞれの開口部からは、見る方向によって異なる画像が提示されるように画像（図示せず）が配置されている。光線再現方式では、画像に代わって、光源（図示せず）の走査により、異なる方向に光を放射している。例えば、開口部１５６−２からは、走査している光源（図示せず）により光線１５７を放射している。これら複数の開口部からの光を観測者は右目１５８と左目１５９により異なる画像を視認して、脳の知覚作用により３次元画像として認識することとなる。

本発明による線光源ユニットとパララックスバリア法又は光線再現方式における開口部との位置関係は、図１３（ａ）と図１３（ｂ）の比較から明らかな様に、線光源ユニットとパララックスバリア法での開口部とは１対１に対応していない。例えば、線光源ユニット１５２−１は、開口部１５６−２に対応して、隣接する線光源ユニット１５２−２は、開口部１５６−７に対応している。このため、開口部１５６−３〜１５６−６は、間引きされていることになる。従って、ある瞬間では、線光源ユニット１５２−１〜１５２−５に表示される画像情報のみを提示しているから、画像情報も間引きされて、全体の一部しか提示していない。

しかしながら、図４で説明した様に、複数の線光源ユニットでの一次元画像を一定の速度で順次スクロール表示すると、瞬間的には間引きされた画像であっても、人間の知覚による補完作用が働き、全ての画像情報を提示しているかのように視認する。さらに、線光源ユニットの角度によって異なる画像を提示しているから、両眼には視差を持った異なる画像が視認される。この結果、観測者は脳の知覚により３次元の画像として認識することになる。これらの画像情報を制御して、あたかも３次元画像全体をスクロールによる移動画像として見せるように制御するのが画像制御部である。

図１４は、本発明による３次元画像提示装置１５０のブロック図である。基本的な構成は、複数の線光源ユニット１６０−１〜１６０−５と、各線光源ユニットの回転を、同期しながら回転させるパルスモータやモータドライバ等を有するモータユニット１６４−１〜１６４−５と、３次元画像制御部１６５とである。線光源ユニット１６０−１〜１６０−５には、さらに、点光源列１６２−１〜１６２−５を駆動するドライバ回路１６１−１〜１６１−５があり、光の発光駆動を行っている。ドライバ回路１６１−１〜１６１−５には、各点光源に対応して、光の点滅を指示する画像情報のラッチ部と、点光源列の一次元情報をラッチ部にシフトさせるシフトレジスタとが含まれ、回転角度によって異なる画像情報を提示している。回転角の同期は、ロータリーエンコーダに発光素子と受光素子を組み合わせた回転角同期信号検出部１６３−１により、同期信号を検出して行う。線光源ユニット１６０−２〜１６０−５においても同様の構成となっている。また、光源の点滅は、変調により光強度を変えて発光されている。

３次元画像制御部１６５は、３次元画像情報が格納されている３次画像情報記憶部１６６と、３次画像情報記憶部１６６から画像情報を読み出す画像情報読出部１６７とシフトレジスタ１６８−１〜１６８−４及び、同期信号であるクロック部１６９とから成っている。画像情報は、１画素が、線光源ユニットにおける異なる画像の提示数分の連続する要素画像からなっており、３次元情報全体情報が記憶部１６６に格納されている。画像情報読出部１６７では、１つの線光源ユニットに提示する画像情報を読み出し、まず、線光源ユニット１６０−１に画像信号を送る。ドライバ回路１６１−２にはシフトレジスタとラッチ回路が設けられているので、複数の点光源それぞれに対応した画像情報がラッチして、ロータリーエンコーダの同期信号により同期を取って、回転角度に応じて画像情報を点光源で発光する。このとき、角度ごとに提示された一次元の画像が、視差を与える画像となる。

線光源ユニットは、画像情報を間引きして提示するから、次の線光源ユニット１６０−２に対しては、間引きされる分だけ遅延させて画像情報を線光源ユニット１６０−２に送る。遅延は、シフトレジスタ１６８−１で行っている。同様にして、画像情報の信号を、シフトレジスタ１６８−２〜１６８−４により遅らせて各線光源ユニット１６０−３〜１６０−５に与え、線光源ユニットの回転により異なる方向からの画像を提示する。

画像読出部１６７では、格納された画像情報をつぎつぎと読み出して線光源ユニット１６０−１〜１６０−５に画像信号を送り、３次元画像の全体を送り出す。間引きされた全体の３次元画像の提示は、スクロールによる補完原理により、移動する３次元画像として、全体が認識される。

３次元画像情報制御部は、汎用コンピュータ、例えばパーソナルコンピュータやデスクトップコンピュータに、信号処理用のプログラムをインストールして行うこともできる。プログラムはコンピュータ読み取り可能媒体であるＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｋ）等に格納してコンピュータのハードディスクにインストールする。また、３次元画像情報はコンピュータの内部記憶媒体としてのハードディスクや外部記憶媒体としてのＣＤ，ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｄｅｏ Ｄｉｓｋ）やＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉｌ Ｂｕｓ）メモリ等へ格納してもよい。

線光源ユニットでの回転数は、具体的には６０ｒｐｍとした。これで毎秒６０フレームの画像が提示可能であり、フレーム毎に動きに対応した画像とすれば、３次元の動画像の提示も可能である。

図１５は、観測者の見る距離と多眼領域との関係を説明するための図である。一般に左目１７２と右目１７４の間隔は７０ｍｍ程度といわれており、線光源ユニット１７０でのスリット幅を１ｍｍとした場合は、少なくとも１度ごとに左目１７２と右目１７４に異なる画像、即ち視差を持った画像を提示することが必要となり、見る距離Ｌは、Ｌ×ｔａｎ１°＝７０ｍｍの関係から、約４ｍとなる。従って、約４ｍ程度の距離の内側で多眼となる範囲が存在し、この範囲で３次元画像が認識可能である。

（実施例２）
実施例１では、線光源素子とスリットの両方を一体的に回転させる構成について具体的に示したが、回転するスリットは１個であり、３６０度の方向に光が放射されれば、光源は静止できる。

図１６は、３６０度の方向に光を放射するための検討図である。スリットが回転する同周面を角度αで等角度に分割すると考える。αが１８０度のときは２個の点光源列、αが１２０度のときは３個の線光源素子、αが９０度のときは４個の線光源素子が必要となる。しかし、αが１８０度のときは、２つの線光源素子でよいが、現実的には線光源素子の部品に厚さがあり、中心軸をはさんだ部品の並行面には部品の厚さの２倍の範囲で光が放射できない範囲が存在する。このため、最小でも３個の線光源素子が必要である。

図１７は、線光源素子を３個とした場合の配置を示している。線光源素子１８２、１８４、１８６を１２０度の角度に配置している。これにより、３６０度の方向に光を放射できる。

図１８は、３個の線光源素子１９２を使用し、遮光体１９４にスリット１９６を設けた線光源ユニット１９０を示している。この複数の線光源素子を使用した光源ユニットを、マルチ線光源ユニットと呼ぶ。

マルチ線光源ユニット１９０は、光源を静止できるところが特徴であり、光源が回転する場合に比べて、信号を回転する接触部から送る必要が無くノイズが発生しにくく、またスリットのみ回転させればよいから、回転機構も簡単となる利点がある。画像情報の制御は、固定された点光源列に信号を分配することを追加すれば、実施例１で説明した方法と同様である。

（実施例３）
実施例２を応用した例として、マルチ線光源ユニットにおける各線光源素子の点光源列に対応してスリットを設ける方法についての実施例を説明する。

図１９は、マルチ線光源ユニットにおいて、光源部２０２の線光源素子を３個として、遮光体２０４に、それぞれの点光源列に対応したスリット２０２−１〜２０２−３を設けた場合の線光源ユニットの構造である。この複数の点光源列に対応したスリットを設けた光源ユニット２００を、マルチスリット線光源ユニットと呼ぶ。

マルチスリット線光源ユニット２００は、基本的な使用法は、スリットのみの回転であるが、点光源列とスリットを同時に回転させると、３倍の光線が放射されるから、１個の場合に比べて回転速度は１／３ですむ。この場合は、モータの消費電力が少なく、回転部における電気的接続部摩擦による消耗が少ないため長寿命化が可能となる。

また、マルチスリット線光源ユニットの最も特徴的な使用方法は、線光源素子とスリットを同時に回転させ、回転数を１個の線光源素子の場合と等しくする方法である。この場合は、１個の線光源素子で３次元画像の提示が可能であることから、例えば２個目の線光源素子、３個目の線光源素子に異なる３次元画像を提示すれば、３個の３次元画像が合成される。

さらに、３個の線光源素子を、それぞれ、光の３原色である赤（Ｒｅｄ）、緑（Ｇｒｅｅｎ），青（Ｂｌｕｅ）の点光源列を有する線光源素子とすれば、カラーの３次元画像が簡単に実現できる利点がある。

（実施例４）
線光源素子を構成する部品は、その幅を任意に広くするには点光源列を広くしなければならないが、現実的に製造技術やコストの点で制約があり、点光源の数は有限となる。しかし、広い範囲の３次元画像の表示を求める要求は多く、この場合は、垂直方向に装置を重ねる必要がある。しかし重ね合わせの部分は画像が表示できず、画質が低下する。この解決手段としては切れ目の無い点光源列の重ね合わせである。

図２０は、有限数の点光源からなる点光源列を拡張するための重ね合わせの方法を示している。図２０において、線光源素子２１０−１〜２１０―４を、点光源列２１２−１〜２１２−４が水平方向に重ね合わさらず、滑らかに連続して位置するように、各線光源素子２１０−１〜２１０―４を水平方向にずらして配置する。線光源素子の現実の部品構成は、必ず上下に基板がはみ出しているから、一直線状には配置できないからである。このため、回転中心を基準に回転軸の周囲を囲むようにして線光源素子２１０−１〜２１０−４を９０度の角度で配置する。この配置角度は４個の点光源列が配置されさえすれば何度でもよい。一回転するときにいずれかの位置に存在すればよいからである。画像情報を提示するタイミングは、配置された位置に依存して制御されることになる。

図２１は、図２０により配置された線光源素子２１０−１〜２１０―４に対応する遮光体２２０の周面におけるスリット２２２−１〜２２２−４の位置関係を示している。スリット２２２−１〜２２２−４は、各点光源列２１２−１〜２１２−４に対向した位置に設ける。そして、線光源素子２１０−１〜２１０―４とスリット２２２−１〜２２２−４を同時に回転させる。この方法により、垂直方向の表示幅が拡大し、大画面に対応した３次元画像の提示が可能となる。なお、水平方向の表示画面の拡大は、線光源ユニットを並列に追加配置していくだけで簡単に可能である。

図２２は、本発明による複数の線光源ユニットの配置を説明する図である。ここまでは複数の線光源ユニットの配置は、直線的な配置として説明してきたが、本発明による方法では線光源ユニットの配置による依存性は少なく、図２２（ａ）に示すように線光源ユニット２２０−１〜２２０−５を互い違いに配置させてもよい。また、図２２（ｂ）で示すように、線光源ユニット２２０−１〜２２０−５を、観察者を囲む円周上に配置してもよい。本発明による線光源ユニットは、１ユニットで３６０度からの光放射が可能であり、任意の位置に配置可能であることが特徴の一つである。このような配置により、さらに効果的に立体画像が提示される。

以上、本発明の実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、スリットを斜めに開口してもよい。さらには、３６０度必ずしも発光させる必要は無く、壁に面して設置する場合は、１８０度の光線放射でよい。この場合は、１個の線光源素子を静止させてスリットを回転させるだけでよい。

本発明は、円筒状の線光源ユニットを空間に置いた配置としているため、風圧をあまり受けない状態で設置可能であり、特に屋外において利用することでその特徴が生かされる。たとえば、ビルとビルの間など、光源の無い空間にも広告等の情報を提示できる。屋外のフェンスや棚天井や床などの既存の一次元の柱等に設置して、空間部は人が通過できるといった使用も可能である。また、スキー場や遊園地での多人数の集まるところでの使用もできるなど、利用方法は幅広く考えられる。

１０−１〜１０−５ 線光源ユニット
２０−１〜２０−５ 光線放射方向
４４ 左目で見る画像
４６ 右目で見る画像
４８ 脳が認識する画像
５０ 左目用マトリクス画像
５２ 右目用マトリクス画像
６０−１〜６０−５ マトリクスの列要素
７０−１〜７０−５ マトリクスの列要素
８０ 右目用画像要素
８１ 左目用画像要素
９２ 開口部
１００、１０２ １画素
１０４、１０８ １画素での分割された画像要素
１１２、１１４ 開口部
１２４−１〜１２４−３ 点光源
１２５−１〜１２５−３ 走査された点光源からの光線方向
１２６−１〜１２６−２ 点光源
１２８−１，１２８−２ 開口部
１３０ 点光源ユニット
１３２ 点光源
１３４ 遮光体
１３６ 開口部
１４０ 点光源列ユニット
１４６ 遮光体
１４８ スリット状開口部
１５０ ３次元情報提示装置
１５２−１〜１５２−５ 線光源ユニット
１６０−１〜１６０−５ 線光源ユニット
１６１−１〜１６１−５ ドライバ回路
１６２−１〜１６２−５ 点光源列
１６３−１ 回転角同期信号検出部
１６４−１〜１６４−５ モータユニット
１６５ ３次元画像制御部
１６６ ３次元画像情報記憶部
１６７ 画像情報読出部
１６８−１〜１６８−４ シフトレジスタ
１９０ マルチ線光源ユニット
２００ マルチスリット線光源ユニット
２１０−１〜２１０−４ 線光源ユニット
２１２−１〜２１２−４ 点光源列
２２２−１〜２２２−４ スリット

Claims (12)

1. 回転しながら異なる方向に情報を提示する複数の線光源ユニットと、
   前記線光源ユニットに間引きされた３次元画像情報を送信し、前記線光源ユニットの回転角度に対応して視差を与える画像を提示し、複数の前記線光源ユニットに提示される画像をスクロールして全体画像を提示する制御を行う制御部と、
   を備えた３次元情報提示装置。
   
2. 前記線光源ユニットは、
   回転中心軸と平行に配置された複数の点光源を直線状に配列して点光源列構成とした線光源素子と、
   前記線光源素子に対応して、前記線光源素子の前面に光を透過する線状の開口部と、
   を備えた請求項１記載の３次元情報提示装置。
   
3. 前記線光源ユニットは、
   前記線光源素子と前記開口部とが一体となって回転する、
   請求項２に記載の３次元情報提示装置。
   
4. 前記線光源ユニットは、
   複数の線光源素子を配置することにより全周方向に光を放射可能とし、
   複数の前記線光源素子を静止し、
   前記線光源素子の前面で前記開口部を回転させる、
   請求項２に記載の３次元情報提示装置。
   
5. 前記線光源ユニットは、
   複数の前記線光源素子を配置することにより全周方向に光を放射可能とし、
   前記線光源素子ぞれぞれの前面に対応した前記開口部を備え、
   前記線光源素子と前記開口部を一体として回転させる、
   請求項２に記載の３次元情報提示装置。
   
6. 前記線光源ユニットは、
   光の３原色である赤色の線光源素子と、緑色の線光源素子と、青色の線光源素子とからなる３個の線光源素子と、
   前記線光源素子ぞれぞれの前面に対応した前記開口部と、
   を備え、
   前記点線光源素子と前記開口部を一体として回転させる、
   請求項２に記載の３次元情報提示装置。
   
   
7. 前記制御部は、
   両眼視差を与える画像を左右の目に表示するために、回転する前記線光源ユニットからの光線方向に対応して、異なる画像情報を提示するための信号を与え、前記線光源ユニットに提示させる画像情報の制御を行う請求項１から請求項６のいずれかに記載の３次元情報提示装置。
   
8. 前記制御部は、
   前記線光源ユニットで３次元情報を提示するための一部が間引きされた画像情報であって、両眼視差を与える画像情報を提示し、前記間引きされた３次元情報を、見かけ上３次元情報全体として提示するために、複数の前記線光源ユニット間における光源の点滅を同期的にスクロールして提示する制御を行う、
   請求項７に記載の３次元情報提示装置。
   
9. 複数の光源が、光源が回転する同心円がそれぞれ回転軸方向で重ならないように、同周面上に位置をずらして前面に開口部を設けて配置され、回転しながら異なる方向に情報を提示する複数の線光源ユニットと、
   前記線光源ユニットへ間引きされた３次元画像情報を送信し、
   前記線光源ユニットの方向に対応して視差を与える画像を提示し、
   複数の前記線光源ユニットに提示される画像をスクロールして全体画像を提示する制御を行う制御部と、
   を備えた３次元情報提示装置。
   
10. 前記線光源ユニットは、
    点光源が連続するように角度を変えて配置した複数の前記線光源素子と、
    複数の前記線光源素子に対応して、前記点光源列の前面に光を透過する線状の開口部と、
    を備えた請求項９に記載の３次元情報提示装置。
    
11. 前記線光源ユニットは、
    前記線光源素子と前記開口部とが一体となって回転する、
    請求項９に記載の３次元情報提示装置。
    
12. 複数の前記線光源ユニットが任意の位置に変更可能である、
    請求項１又は請求項９のいずれかに記載の３次元情報提示装置。

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