JPH06105343A - 三次元画像表示方法及び表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エネルギーを受けて発光、散乱する物質を用
いて、描きたい物体表面を表現する。 【構成】 浮遊微粒子１は、エネルギーを受けて発光あ
るいは光を散乱する物質である。該物質に走査された放
射線2によりエネルギーを与えて発光あるいは散乱させ
る。発光あるいは散乱する位置を制御することにより発
光・散乱粒子3で描きたい物体表面を表現することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、三次元画像表示方法及び表示装
置に関し、より詳細には、エネルギーを受けて発光ある
いは光を散乱する物質を用いて、位置情報を勘案して描
きたい物体表面を表現するようにした三次元画像表示方
法及び表示装置に関する。例えば、三次元ディスプレイ
に適用されるものである。

【０００２】

【従来技術】従来の三次元ディスプレイは、主に以下の
３通りの方法がある。第１の方法は、遠近感のある二次
元画像を示す方法である。第２の方法は、やはり元にな
る画像は二次元画像であるが、人間の両眼の視差を利用
し、立体的に感じさせる方法（レンチキュラー板、色メ
ガネ、偏光メガネを用いる方法など）である。第３の方
法は、実際に三次元の画像を造る方法であるが、主にホ
ログラフィー方式及び奥行き標本化方式がある。ホログ
ラフィーを用いる方法は、実際に物体の波面を再生する
ものである。最近は実時間ホログラムといって、動く三
次元画像を再生する方法が研究されている。その一つに
液晶を用いてホログラフィック回折格子を連続的に再現
し、それに再生光を照射することで三次元画像を再生す
る方法がある。また、光を走査させ、それを音響光学素
子で変調して三次元画像を再現して実時間ホログラムを
表現する方法がある。

【０００３】奥行き標本化方式については、例えば、
「三次元画像の新しい世界とその技術動向」（増田千
尋、画像ラボ、1990.11，p20〜24）において、図７に示
すように、以下の方式が記載されている。すなわち、
（ａ）バリフォーカル・ミラー方式、（ｂ）表示面積方
式、（ｃ）アルキメデスの螺旋スクリーン方式、（ｄ）
螺旋スクリーン方式、（ｅ）ＬＥＤアレイ方式等があ
る。前記（ａ）の方式は、ブラウン管の画像を前後に振
動するミラーの動きに同期して反射させる方法である。
前記（ｂ）の方法は、多数の液晶画面により立体像を輪
切りにしたような像を位置を変えて次々表示することに
より立体像を表示するものである。前記（ｃ）及び
（ｄ）の方法は、螺旋状のスクリーンにレーザ光で画像
を描くことで立体的に見せるものである。前記（ｅ）の
方法は、実際の発光面を回転という方法で奥行きの位置
を違えて発光させて三次元の画像を表示するものであ
る。

【０００４】前述したように、従来の方法のうち、第１
の方法、第２の方法は真の三次元画像とはいえない。こ
こでは真の三次元画像を実現する方法として主に第三の
方法を対象に考える。まず、ホログラフィー方式は、波
長に対して敏感であるという特徴がある。したがって、
カラー画像を表現するには、同一の光学系で多色を表現
できないので、複数の光源を合成し、複数のホログラム
を多重に使用する必要がある。また、この方法では回折
格子を高速に形成し続けねばならないので、回折格子の
情報を高速で計算する必要がある。しかし、この情報量
は膨大であり、現在のエレクトロニクスでは何台ものス
ーパーコンピュータを並列に使用し、かつ、情報をかな
り圧縮して計算しなければならない。つまり、短時間の
実時間ホログラムの再生しかできない。さらに、それが
多色になったとき、多大な計算量が必要になる。このよ
うにホログラフィーを用いる方法は現在、複雑かつ高度
の情報処理システムを必要とし、たいへん高価である。

【０００５】一方、この回折格子を形成するために必要
な膨大な情報を計算する代わりに、別の装置を用いてい
る場合がある。例えば、液晶を用いる方法には、実際に
別な所で参照光と物体光で物体を露光しながら回折格子
を受光素子上に形成して読み取りメモリーに記憶し、そ
の情報を液晶にフィードバックして再生用の回折格子を
造る方法がある。また、フォトリフラクティブ素子など
の位相共役素子を用いる方法では４光波混合法といって
実際に素子上で参照光と物体光で回折格子を形成し、そ
の回折格子に再生光を照射して実時間ホログラフィーを
形成する方法がある。しかし、これらの方法では元とな
るモデルが常に必要である。そして、モデルにできる光
学系の大きさや形状は限定される。したがって、より自
由な三次元表現ができない。

【０００６】一方、前記文献に記載されたように、前記
（ａ）〜（ｅ）の方式があるが、（ａ）のバリフォーカ
ル・ミラー方式の振動薄膜ミラーは像の倍率が変わり、
補正が必要である。また、表現できる大きさに限界があ
る。（ｂ）の表示面積層方式は、奥行きが深くなればな
るほど多数の表示面が必要となる。また、多層になれば
なるほど各層の吸収が多くなって、像の鮮明性が劣化す
る。また、（ｃ）のアルキメデスの螺旋スクリーン方式
と（ｄ）の螺旋スクリーン方式では、限られた螺旋状の
スクリーンを使用するので、複雑な図形を高速で描くに
は適していない。また、（ｅ）のＬＥＤアレイ方式は、
装置が大がかりで、分解能に難点がある。また、前記
（ａ）〜（ｅ）のいずれの方法も表現できる大きさや奥
行きに限界がある。

【０００７】

【目的】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされた
もので、ホログラフィーによる方法のように、再生用の
回折格子の形成のために、多大な計算や複雑な装置を必
要とすることなく、また、奥行き標本化方式のように表
現できる大きさに限りあるということもなく、簡単な方
法で実現される三次元画像表示方法及び表示装置を提供
することを目的としてなされたものである。

【０００８】

【構成】本発明は、上記目的を達成するために、（１）
エネルギーを受けて発光あるいは光を散乱する物質に対
し、走査された放射線により、前記物質にエネルギーを
供給し、該物質からの発光あるいは散乱する位置を制御
して描きたい物体表面を表現すること、或いは、（２）
光を散乱する微粒子が浮遊している気体または液体のゾ
ルに対し、描きたい物体表面の位置に焦点位置が来るよ
うに焦点位置を制御でき、かつ、高い開口数のレーザ光
をラスター状に走査し、前記気体または液体のゾルに対
して照射し、該気体または液体のゾルの散乱により描き
たい物体表面を表現すること、更には、（３）前記
（２）において、前記レーザ光の色を複数用いて描きた
い物体表面を表現すること、或いは、（４）エネルギー
を受けて発光あるいは光を散乱する物質と、該物質に対
し、放射線を照射するための放射線源と、該放射線源か
らの放射線を走査し、焦点距離が可変な光走査器とから
成り、前記物質からの発光あるいは散乱する位置を制御
して描きたい物体表面を表現することを特徴ととしたも
のである。以下、本発明の実施例に基づいて説明する。

【０００９】図１は、本発明による三次元画像表示方法
の一実施例を説明するための構成図で、図中、１は浮遊
微粒子、２は放射線、３は発光・散乱粒子である。ホロ
グラフィーを用いる方法は、物体そのものを再生する方
法ではなく、物体から発するであろう光の波面を再生す
る方法である。そして、波面の再生のために、二次的な
回折パターンを用いる。しかし、それを人工的に作成す
るには非常に膨大な量の計算を必要としている。しか
し、直接、再生したい物体形状の表面に添って発光させ
る方式ならば、前記方式よりも少ない計算量ですむ。す
なわち、位置の情報と色の明るさ情報だけでよい。一般
にどの分子も一定のエネルギーを受けるならば、その分
子あるいは原子特有の発光現象を示す。

【００１０】したがって、特にエネルギーを受けて発光
しやすい、あるいは光を散乱する物質１に、走査された
放射線２によりエネルギーを送り、発光あるいは散乱さ
せ、かつ、その発光、あるいは散乱する位置を制御でき
るなら、発光・散乱粒子３により描きたい物体表面を表
現することが可能である。しかし、そのためには、発光
あるいは散乱する物質が描きたい物体表面の位置以外で
はあまり、その放射線のエネルギーを吸収したり、発光
散乱した光を吸収してはならない。

【００１１】図２は、本発明による三次元画像表示方法
の他の実施例を示す図で、図中、４は焦点可変高開口数
（ＮＡ）走査ビーム、５は光走査器で、その他、図１と
同じ作用をする部分は同一の符号を付してある。光を散
乱する微粒子１が浮遊している気体、または液体ゾル
に、描きたい物体表面の位置に焦点位置が来るように焦
点位置を変えられる、かつ高いＮＡのレーザ光をラスタ
ー状に走査して照射し、散乱により物体表面を表現する
ものである。光を散乱する微粒子が浮遊している気体状
のゾルとして煙や微小な水滴の浮遊する状態（＝湯気）
がある。また、微粒子を液体中に浮遊させる液状のゾル
はたくさん種類がある。しかし、本発明の特徴は焦点距
離可変な走査器５を、走査レーザ光を高いＮＡで用いる
点にある。高いＮＡで用いるので、焦点位置でのエネル
ギー密度は他の位置のエネルギー密度より非常に高い。
それで、焦点位置の微粒子にあたった光は散乱するが、
非常に強く光り輝く。また、浮遊している微粒子の量を
調整すれば、図３に示すように、散乱した光は微粒子に
吸収されることなく人間の眼に届く。また、焦点位置以
外の場所ではエネルギー密度は急速に小さいので焦点位
置より非常に弱い光を発する。また、このような光を描
きたい物体の表面の位置にそって焦点位置を可変にしな
がらラスター状に平行に走査する。それで、この散乱強
度の違いにより、図４に示すように、人間の眼には走査
される焦点位置の集合が物体表面として見える。

【００１２】図５は、本発明による三次元画像表示装置
の一実施例を説明するための構成図で、図中、６ａ，６
ｂ，６ｃは各々、青、緑、赤のレーザ光源、７ａ〜７ｃ
は光シャッタ、８ａ〜８ｃはビームスプリッタで、その
他、図１と同じ作用をする部分は同一の符号を付してあ
る。また、幾つかの色の光源を用意しておき、同一の光
路で走査するようにしておき、それぞれの光源を光シャ
ッターで三次元画像の色に従って切り替えたり、合成し
たりするとカラー画像も描ける。また、走査光の強度を
変えることが背景がすけて見えたり見えなかったりさせ
ることもできる。レーザ光源の色を複数にして、それら
を光シャッターで切り替えたり合成したりして用いると
あわゆる色が描ける。この切り替えを実際に描きたい物
体の色に合わせて描くことにより、カラーの三次元画像
が簡単に描ける。

【００１３】図６は、本発明による焦点可変装置の構成
図で、図中、５ａは光走査器面、８は半導体レーザ（La
ser Diode）、９はビーム整形レンズ、１０は電気光学
素子（LiNbO₃）、１１は高ＮＡ走査線、１２は加電圧装
置、１３はビームエクスパンダである。電気光学素子
（LiNbO₃）は高電圧をかけると屈折率が変化してレンズ
作用を有する。この電圧のかけかた次第で焦点距離を高
速に変えられる。また、レーザのコリメートレンズを前
後に高速に動かしても変えられる。

【００１４】

【効果】以上の説明から明らかなように、本発明による
と、以下のような効果がある。 （１）請求項１，４に対応する効果：エネルギーを受け
て発光、あるいは光を散乱する物質に、走査された放射
線によりエネルギーを送り、発光あるいは散乱させるこ
とにより、物体表面を表現することで、位置の情報さえ
あれば物体表面を描がけるので、計算量も少なく高速に
明るい物体表面を三次元で描ける。 （２）請求項２に対応する効果：高いＮＡのレーザ光を
使用するので、焦点位置のみ強く散乱するので、また、
他の位置の散乱光は非常に弱いので、強い散乱面のみ人
間の眼に映り、かつ、散乱光なのでいろいろな方向から
も観測できるので、三次元の物体表面を表現できる。ま
た、焦点の可変距離を長くすると他の方法のようにスク
リーンの大きさなどによって制限された小さな画像ばか
りでなく、奥行きの深いあるいは大きな三次元画像も表
現できる。 （３）請求項３に対応する効果：レーザ光源の色を複数
にして、それらを光シャッターで切り替えたり合成した
りして用いるとあらゆる色が描ける。この切り替えを実
際に描きたい物体の色に合わせて描くことにより、カラ
ーの三次元画像が簡単に描げる。これに対して、ホログ
ラフィックな手法になるとそれぞれの色に合わせてホロ
グラム格子自体もいく種類か高速に構築しなければなら
ない。その際、回折効率の調整もしないと色合いが自然
でなくなるが、その回折効率の調整はさらに複雑な計算
を要し、かつ、調整できる範囲も限られている。また、
複数の光源を合成して用いる場合には複数のホログラム
を重ねて存在させるか、それらの複数の光源と走査を別
々の方向から行い、見せる空間で合成する必要がある。
しかし、前者では各波長毎にどのホログラムでも回折さ
れるので収差で互いにずれた画像が重なり、乱雑な画像
となる。また後者の方法では、合成して見ることができ
る領域が非常に狭く、見る視点を移動させるととたんに
画像がずれる。本発明は、このような、複雑な装置や調
整も必要なく、簡単に三次元のカラー画像を描ける。ま
た、どこからでも人間の眼で見れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による三次元画像表示方法の一実施例
を説明するための構成図である。

【図２】 本発明による三次元画像表示方法の他の実
施例を示す図である。

【図３】 図２における光の散乱の様子を示す図であ
る。

【図４】 図２における物体表面の表現を示す図であ
る。

【図５】 本発明による三次元画像表示装置の一実施例
を説明するための構成図である。

【図６】 本発明による焦点可変装置の構成図である。

【図７】 従来の奥行き標本化方式について説明するた
めの図である。

【符号の説明】

１…浮遊微粒子、２…放射線、３…発光・散乱粒子、４
…焦点可変高開口数（ＮＡ）走査ビーム、５…光走査
器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エネルギーを受けて発光あるいは光を散
   乱する物質に対し、走査された放射線により、前記物質
   にエネルギーを供給し、該物質からの発光あるいは散乱
   する位置を制御して描きたい物体表面を表現することを
   特徴とする三次元画像表示方法。
2. 【請求項２】 光を散乱する微粒子が浮遊している気体
   または液体のゾルに対し、描きたい物体表面の位置に焦
   点位置が来るように焦点位置を制御でき、かつ、高い開
   口数のレーザ光をラスター状に走査し、前記気体または
   液体のゾルに対して照射し、該気体または液体のゾルの
   散乱により描きたい物体表面を表現することを特徴とす
   る三次元画像表示方法。
3. 【請求項３】 前記レーザ光の色を複数用いて描きたい
   物体表面を表現することを特徴とする請求項２記載の三
   次元画像表示方法。
4. 【請求項４】 エネルギーを受けて発光あるいは光を散
   乱する物質と、該物質に対し、放射線を照射するための
   放射線源と、該放射線源からの放射線を走査し、焦点距
   離が可変な光走査器とから成り、前記物質からの発光あ
   るいは散乱する位置を制御して描きたい物体表面を表現
   することを特徴とする三次元画像表示装置。