WO2002019012A1

WO2002019012A1 - Systeme de presentation d'images en 3d

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Publication number: WO2002019012A1
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Inventors: Tetsuro Kobayashi
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Description

明細書

3次元画像表示システム技術分野

本発明は、光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した、また、偽像を抑制した広視角 3次元画像表示システムに関するものである。背景技術

従来の立体像記録再生技術としては、光のコヒーレンスを用いたホログラフィとコヒ一レンスを用いず複数の画像を用いる方法がある。後者は、右眼用、左眼用の平面像を記録し、再生時に右眼用は右目で、左眼用は左目で見えるようにェ夫した 2眼式のステレオスコープタイプと、多視点からの画像を用いた多眼式のタイプに大別できる。

理想的とも言える 3次元立体像記録再生法（以下、 3次元立体像を 3 D像と略す）であるホログラフィでは、立体画像情報を記録するために物体から光の波面情報を用いている。波面情報は、別においた参照光と物体からの散乱光とを干渉させ、その干渉縞を記録するようにしている。このため、光学系および記録媒体には光波長に近いピッチの空間分解能が必要とされる他、少なくともレーザのようなコヒーレント光源が記録には必要である。また、干渉縞は波長に依存するので、そのままではカラ一の画像は取り扱えず、カラ一記録のためには 3原色の 3 つのレーザが必要なだけでなく、複雑な工夫が必要である。

〔A〕一方、第 1にコヒ一レンスを用いない方法の一つである 2眼式のステレォスコープタイプの代表例には偏光眼鏡を用レ、る立体映画やレンチギュラーを用いた立体テレビなどがあるが、これらは立体的に見えるものの立体像を完全に再現してはいないので、見る位置を変えても映像は変わらず、裏側が見えてくると言うわけにはし、かないので擬似的立体像再生と言える。

〔B〕第 2に、多眼式のものは、ステレオスコープを単に多眼化した多眼パララックス方式と多眼で撮影した多眼像を撮影の逆過程で再投影して見るインテグラルホトグラフィが従来のものの代表例である。発明の開示

以上述べたように、フルカラーの大画面ホログラフィは非常に高価となり、現在では規模が小さくてよいクレジットカードや装飾品用の他は、デジタル情報の記録媒体には利用されているが、実時間 3 D像表示や立体映画などに利用されるには至っていない。

一方、コヒ一レンスを用いない多眼式のものは、上記〔B〕で述べたように、ステレオスコープを単に多眼化した多眼パララックス方式と多視点から撮影した多眼像を撮影の逆過程で再投影して見るィンテグラルホトグラフィに分けられる _c

〔A〕で述べた 2眼式のステレオスコープが 2つの視角からの像を両眼で観測し、両眼視差から立体感を得るのに対し、これら多眼式は見る位置によつて見え方の違う多数の画像を多重再生しているので、眼を動かせば見え方が変わり、眼鏡は不要であるなどの長所をもつ。さらに、通常光で記録再生が可能で、しかも無限遠の風景の再生もできるなどホログラフィにない多くの長所をもつ。しかしながら、多眼パララックス方式もインテグラルホトグラフィも、一定の面内に全視角の像が描かれているか多重結像しており（もちろん特定の方向からは一^ Dしか見えないが）、ここに目をフォーカスすると、視差により異なった位置にあるように見るので、フォーカス位置と見える位置が一致せず、不自然さは免れ得ない (例えば、像が目の前に見えても、目のピントは遠くに合わせている）。また、ィンテグラルホトグラフィでは多視点からの像記録はマイクロレンズアレイで簡単に行えるカ、これを逆過程で再生すると、前方からの眺めを裏面から見る（顔面を再生すれば顔が見えるが鼻がへこんで見える）ようになり、このため面倒な裏返し操作が必要になるなど手間も多レヽ等の欠点をもつ。

いずれにしても、現状ではまだ十分に実用となる 3 D像記録再生装置（システ厶）は存在せず、その出現が待望されている。 3 D画像の記録再生、特に動画は、画像情報メディアとして最も重要なもので、情報、放送、映画、エンターティンメントと多方面の分野で有用であり、将来大きな産業となる可能性を持つので、今まで国内外を問わず、多くの企業、大学あるいは民間、公共研究機関で試みられているが、まだこれと言ったものが得られてレ、なレ、のが現状である。

そこで、本願発明者は、上記したように、カラ一フィルタ上の多視点像群を白色点光源アレイで投影することにより、物体からの散乱光に相当する光線群を人為的に生成し、 3 D像を創生する「光線再生法」を既に提案している（特開平 1 0 - 2 3 9 7 8 5号公報）。これは、多視点像群を用いる点でィンテグラルホトグラフィに類似するが、奥行きのある 3 D像そのものを再生し、視差を用いない点で異なり、むしろホログラフィに近い（カメラ撮影すれば合焦部以外はぼける）。既に簡単な物体ではほぼ満足できる 3 D像生成に成功している。しかしながら、この装置の最大の問題点は、点光源アレイやカラ一フィルタ部（表示部と称することにする）の近傍に像を再現できないことである。この問題を解決するものとして、本願発明者は、以前にこの表示部近傍の画像情報に対しては 3次元像の再生をあきらめ、さらに視差もなくして、すべて白色点光源アレイの面に集めて背景（あるいは前景）として再生する「背景付き立体像再生装置」を提案している（特願 2 0 0 0 - 4 3 7 4 2号）。し力、し、見る角度を変えても変化しない背景は、飛び出し看板などには向くものの、やはりその用途は限られる。何らかの工夫で表示部の後方より表示分近傍も含めさらに手前まで深レ、奥行きをもつた立体像が得られる表示システムの開発が待たれてレ、た。

さらに、表示部近傍では光線再生ではなくパララックスを用いた立体画像として表現できるようにした「光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した 3次元画像表示システム」を提案している。上記 3つの光線再生を基本とする 3次元画像表示システムは従来の多眼パララックス方式ゃィンテグラルホトグラフィに比し、簡便でありかつ立体像再生可能域の深さや観測可能域の広さなどに優れた優秀な方式であるが、それでも、カラ一フィルタの 1セクションには対応する 1つの白色点光源からの光線以外に隣接白色点光源からの光線の混入が生じやすく、これによる偽像が生じると言う問題点をもっている。白色点光源と対応するカラ一フィル夕の 1セクション毎に、それぞれの仕切をつければ、偽像の発生は防げるが、これはかなり面倒で高価になり、また、 3次元像の観測領域がこれで広がるわけでもない。

広レ、視角にわたり偽像の出現無しに 3次元立体像を観測できる簡便で経済的な方法の開発が待たれていた。

以下、これら従来の技術を立体視できる原理図を用レ、て説明する。

第 1図では方位、距離の異なる 2点 P、 Qを観測物体としている。観測者 2 0 1へ向かってくる光線の方向で物体の方位がわかり、点物体を見通す両眼の視差角で距離が察知される。ここでは光線を有限の線で表しているが、実際は光線は無数にある。このような光線が生成できれば、実際の 2点 P、（かがなくても、観測者には 2点がこのように立体的に見えるはずである。このような光線を人為的に生成し、立体像を観測できるようにしたのが、光線再生法である。

第 2図に光線再生法の基本構成を示す。ここでは、無数の光線を再現することは不可能であるので、面状に分帘した白色点光源アレイ 2 0 2を通る光線だけを再現する方法をとつている。白色点光源アレイ 2 0 2とこれに対向して置かれた像フィルタ上で点光源一つ一つに対応して空間の 1点のみ透過可能な点型カラ一フィルタ 2 0 3 (液晶パネルでもよい）を配置すれば、この 2点（点光源と透過点）を結ぶ直線方向に進むカラーのついた光線が再生できる。これらの光線が、 1点 P ' にレンズで集光されるなら、あたかも P ' からの光線が来ているように観測者 2 0 4には観測され P ' が 3次元的に見えるのである。第 2図に示したように観測像は表示部（白色点光源アレイ 2 0 2とカラ一フィルタ 2 0 3 ) の前部 (観測者 2 0 4側、図では、例えば P ' ) にも後部（観測者 2 0 4と反対側、図では Q ' ) にも形成できる。

3次元物体は点の集合であり、カラ一フィルタ 2 0 3に点ではなく、多視点の透過像が記録されていれば、この構成で 3次元物体が再現される。

この方式の最大の問題点は白色点光源アレイ 2 0 2やカラ一フィル夕 2 0 3部の周辺に像を再現できないことである。し力、し、光線再生用カラーフィルタや白色点光源（表示部と言うことにする）力、ら離れた領域にある点、すなわち第 2図の P ' 、 Q ' や第 3図（後述）の P点は、各点光源から光線が多数通過するために観測者はそこに実際、物体（今の場合は点物体）があるかのように認識するし、カメラによる撮影でもこれらの点にピントを合わす必要が生じる。

第 3図はその光線再生方式の問題点を示した図であり、 2 1 0は表示部、 2 1 1は白色点光源アレイ、 2 1 2は各点光源、 2 1 3はカラーフィル夕、 2 1 4は前記各点光源 2 1 2にそれぞれ対応したカラ一フィルタの各セクション、 2 1 5 は観測者である。

この図が示すように、表示部 2 1 0近傍では、 R点や S点を再生するための点光源 2 1 2からの光線は合計で 1本あるいは 2本しかなく、よほどのことがないと観測者 2 1 5には届かず、光線再生法では表示部 2 1 0近傍に 3次元像を再生することはできない。

したがって、表示部近傍でも立体視が実現するよう、表示部の奥から手前まで連続的に 3次元立体画像が観測できるようにしたものが前記「光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した 3次元画像表示システム」の提案であり、本発明にかかるものである。

以下、従来の技術と関連させて、表示部近傍では光線再生ではなく、パララックスを用いて立体像として表現できるようにした場合の問題点、つまり本発明が解決しょうとする課題について以下詳細に説明する。

第 4図は偽像発生を説明する図であり、この図において、 3 1 0は表示部、 3 1 1は白色点光源アレイ、 3 1 2は白色点光源、 3 1 3はカラ一フィルタ、 3 1 4はカラ一フィルタ 3 1 3の 1セクション、 3 1 5は観測者、 3 1 6は偽像が見えない 3次元画像観測可能域を示している。ここでは、光線再生方式で正しい点像 Qを再生している場合について考えている。ある白色点光源 3 1 2からの光がその白色点光源 3 1 2に対応するカラ一フィルタ 3 1 3のセクション 3 1 4でなく隣接する別の点光源に対応するセクション 3 1 4の透過点を通過して光線を生成することもある。この図では、これにより、偽像 Q '， Q " 等ができている状況を示している。この結果、観測者 3 1 5が正面から少し横に回れば、この偽像が眼に入ってしまう。カラ一フィルタ 3 1 3の隣接セクション 3 1 4に混入する光線が見えず、正しい 3次元像のみが観測できる領域はかなり限定されていることが分かる。カラ一フィルタ 3 1 3と白色点光源アレイ 3 1 1の間隔が離れている場合は正しい像と偽像が同時に見えることもある。

第 5図は各白色点光源ごとにそれに対応する力ラーフィル夕のセクション以外には光が行かないように遮蔽仕切りを用いた例である。この図において、 3 2 0 は表示部、 3 2 1は白色点光源アレイ、 3 2 2は白色点光源、 3 2 3はカラ一フィル夕、 3 2 4はカラーフィル夕の各セクション、 3 2 5は仕切り、 3 2 6は観測者、 3 2 7は 3次元画像が観測可能な領域、 Pは正しい点像を示している。第 5図によれば、観測可能域は広がらないが偽像は発生しない。他にも指向性をもつ白色点光源を用いる方法もあるが、レ、ずれも白色点光源数が多いことなどから面倒で経済性にも問題が生じる。

また、白色点光源部とカラ一フィルタを接近させる方法は簡便ではあるが、力ラーフィル夕の指向性や工作上の問題など難点も多い。

本発明は、まず、表示部近傍では 3次元像を再生することができないという問題点を解決するために、表示部から離れた領域では従来の光線再生型 3次元画像表示を行い、再生光線の少ない表示部近傍では 3次元像再生は行わないものの、この近傍での画像情報を多眼パララックスを用レ、た立体画像として表現できるようにカラ一フィルタを作成することにより、表示部の後方、前方では自然な 3次元画像再現が実現し、また、表示部近傍では上下左右多視点の視差による立体視が実現し、その中間域では両者が混在して、結果として全域、つまり表示部の奥から手前まで連続的に 3次元立体画像が観測できる光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した 3次元画像表示システムを提供することを目的とするものである。

また、本発明は、光線再生と影絵型パララックスを兼用した際に偽像が発生する、という問題点を解決するために、広い視角で 3次元像が観測可能で、かつ偽像を完全に抑制する偽像を抑制した広視角 3次元画像表示システムを提供することを目的とする。

本発明は、目的を達成するために、

〔 1〕光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した 3次元画像表示システムにおいて、白色点光源アレイの観測者側にカラーフィルタを配置し、前記カラーフィル夕ゃ白色点光源から離れた領域では前記観測者にはあたかもそこに物体が存在するかのごとく見えるように物体の各点からの散乱光に相当する多数の光線群を生成するように、前記白色点光源からの光線を前記力ラ一フィルタにより選択、色づけし、一方、十分な光線数が再生できない前記白色点光源、カラーフィル夕近傍に対しては前記白色点光源からカラーフィル夕経由で眼に到達する画像情報が、左右のみならず上下にも視角に依存するパララックス型立体表示動作を行うよう前記カラ一フィルタにより光線を選択、色づけし、さらに両者の中間域ではこの 2動作が混在して連続的に繋がるようにすることを特徴とする。

〔2〕上記〔1〕記載の光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した 3次元画像表示システムにおいて、前記カラーフィルタから前記観測者までの間に一枚から複数枚のレンズを配置することにより、見え方やフィルタ設計に自由度を持たせることを特徴とする。

〔3〕上記〔1〕又は〔2〕記載の光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した 3次元画像表示システムにおいて、白色点光源ァレイと前記カラ一フィル夕間にレンズを挿入し、見え方ゃフィルタ設計に自由度を持たせることを特徴とすな。

〔 4〕上記〔 1〕、〔 2〕又は〔 3〕記載の光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した 3次元画像表示システムにおいて、前記白色点光源アレイとして白色光源と散乱板、およびピンホールアレイを組み合わせて代用することを特徵とする。

〔 5〕上記〔 1〕、〔 2〕、〔 3〕又は〔 4〕記載の光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した 3次元画像表示システムにおいて、前記力ラーフィル夕を動的制御が可能な空間変調パネルとして、再生 3次元画像を動画化することを特徵とする。

〔6〕 3次元画像表示システムにおいて、白色点光源アレイとカラ一フィル夕の間の全部あるいはその一部に屈折率が 1より大きい透明媒体を挿入することにより、屈折により前記透明媒体の外では光線がより広がることを利用して、 3次元画像の観測域を広げるとともに、この 3次元画像表示のために当該白色点光源からの光線を選択、色づけする働きをもつ前記カラ一フィル夕の当該セクションに隣接の白色点光源から混入し、有害な偽像のもとになる寝た角度の光線に対しては全反射させて外に出ないよう構成し、広い視角で 3次元像が観測可能で、かつ偽像を完全に抑制した広視角を有する。

〔7〕上記〔6〕記載の 3次元画像表示システムにおいて、前記カラ一フィル夕と観測者の間、あるいは前記白色点光源アレイと前記カラーフィル夕の間の一方あるいは双方にレンズを挿入し、見え方ゃフィル夕設計に自由度を持たせることを特徴とする。

〔8〕上記〔6〕又は〔7〕記載の 3次元画像表示システムにおいて、前記白色点光源アレイとして白色光源と散乱板及びピンホールアレイの組み合わせで代用することを特徴とする。

〔9〕上記〔6〕、〔7〕又は〔8〕記載の 3次元画像表示システムにおいて、前記力ラ一フィル夕を液晶パネルなどの動的制御が可能な空間変調パネルとして、表示 3次元画像を動画化することを特徴とする。

〔1 0〕 3次元画像表示システムにおいて、屈折率が 1より大きい透明媒体を画像パネルあるいは、カラ一フィル夕とパララックスバリア、スリット、あるいはピンホールアレイまたはマイクロレンズアレイの間に配置し、全反射を利用して隣接画像の混入を防ぎ、偽像の発生を抑圧し、広視角を有することを特徵とする。図面の簡単な説明

第 1図は、立体視の原理図である。

第 2図は、光線再生法の基本構成を示す図である。

第 3図は、光線再生方式の問題点を示した図である。

第 4図は、光線再生法における偽像発生と 3次元画像観測域を示す図である。第 5図は、仕切りを用いて偽像発生を抑えた光線再生方式 3次元画像表示の説明図である。

第 6図は、 2眼式パララックスステレオグラムの基本原理を示す図である。第 7図は、多眼式パララックスの構成図である。

第 8図は、本発明の光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した 3次元画像表示システムの基本構成図である。

第 9図は、本発明の他の構成例である。

第 1 0図は、本発明の他の構成（レンズ使用型）例である。

第 1 1図は、本発明での表示部近傍の像再生の動作概念図である。

第 1 2図は、本発明における表示部近傍でのパララックス立体像再生を示す図であ。

第 1 3図は、本発明で再生した 3次元画像の例を示す図である。

第 1 4図は、本発明の実施例を示すカラ一フィルタを示す図である。

第 1 5図は、本発明の偽像を抑制した広視角 3次元画像表示システムの基本構成を示す図である。

第 1 6図は、本発明の構成例 2を示す図である。

第 1 7図は、本発明の構成例 3を示す図である。

第 1 8図は、本発明の構成例 4を示す図である。

第 1 9図は、本発明を従来の多眼パララックスに適用した構成例を示す図であ。

第 2 0図は、本発明にかかる屈折率が 1より大きい透明媒体の挿入による生成光線の広角化の説明図である。

第 2 1図は、本発明にかかる観測域の広視角化の説明図である。

第 2 2図は、本発明にかかる全反射による偽像の抑制を説明した図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

まず、本発明の第 1実施例について説明する。

以下、本発明の理解に必要である、メガネを用いずにバリアを用いたパララックス方式について説明する。

第 6図はパララックスを利用する方式では最も簡単な 2眼式パララックスステレオグラムの基本原理を示す図である。

この図において、 1は画像が描かれているスクリーンあるいはパネル、 2はスリット 2 aの開いたバリァ、 3は観測者 ( 3 aは右眼、 3 bは左眼）、 4は右眼用の画像、 5は左眼用の画像である。

スクリーンあるいはパネル 1には左眼用、右眼用の視差をもった画像の縦にスライスしたものが交互に描かれており、右眼 3 aには右眼用の画像 4しか見えず左眼用の画像 5がカツトされるように、左に対しても右左を交換して同様になるように、その手前にスリット 2 aの開いたバリア 2が配置されている。見る位置が限られ、上下の立体感もないが、簡便であることやメガネ無しであることなど長所も多い。バリア 2の変わりにプリズムゃ特殊なスクリーンを用いる方式など変形も多い。顔を動かすと見え方まで変わるように拡張したものを、第 7図に示す。これが多眼パララックス方式である。

第 7図において、 1 1は画像が描かれているパネルやスクリーン、 1 2はスリットアレイ又は 2次元ピンホールアレイ、 1 3は観測者である。

パネル又はスクリーン 1 1に描かれているのは右眼用、左眼用ではなく、様々な視角からみた画像で、スリットアレイ 1 2を用いたものでは左右の視角からみたスライス画が描かれ、上下の立体感は得られない。これは第 6図に示したパララックスステレオグラムの水平多視角版である。一方、スリットアレイの代わりに 2次元ピンホールアレイを用いたものは上下左右の立体感をもつ。この場合、ピンホールアレイ 1 2から司見いて見える点画の集まり部 1 4で一- ^の画像が構成され、右眼と左眼に入る画像は勿論、見る位置によってもその画像が変化する立体画像観測ができる。だが、視差によって奥行き情報を得ているので、眼の合焦位置に不自然さは残る。

スリツト（水平のみのパララックス方式）、あるいはピンホール（水平および上下のパララックス方式）の向こうの絵がよく見えることと等価であるが、スリット、あるいはピンホールを通る方向の異なる多数の光線が分離できるためには、スリット、ピンホールをあまり狭く、あるいは小さくできない。

また、図示しないが、ピンホールアレイの代わりにマイクロレンズアレイを配置したのがインテグラルホトグラフィに他ならず、また、その簡易版はマイクロレンズアレイの代わりにピンホールアレイを用いているので、まさにピンホール型の多眼パララックス方式と同一である。

また、描かれている画像の位置関係は、手前に再生される像については、左右上下とも逆さまになっているのも従来の多眼パララックス方式あるいはインテグラルホトグラフィの特徴である（後述する本発明に係るパララックス方式では上下左右とも逆転しない）。

第 8図は本発明の実施例を示す光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した 3次元画像表示システムの基本構成を示す図である。この図において、 2 1は白色点光源アレイ、 2 2は遠方には光線生成用像フィル夕の機能を持ち近景には多眼パララックス方式画像再生機能を持つカラ一フィル夕、 2 3は観測者である。

白色点光源アレイ 2 1より出た光線はカラ一フィルタ 2 2により適当な強度と色づけをされ、表示部より離れた部分に光線再生型の 3 D像を造る光線に変換される。一方、多数の点光源からの光線を通過させることができない表示部（白色点光源アレイ 2 1とカラ一フィルタ 2 2をまとめてこう呼ぶことにする）近傍の像再生に対しては、そこに物体があるとして各白色点光源からの光線群のうちその仮想物体を通過する光線群に対してはその出口（観測者側）での仮想物体の色を色づけするようにカラ一フィルタ 2 2を構成したものである。表示部近傍では、点光源の 1 ピッチ以上に広がった物体については各点光源が画像のサンプル点となってアレイの 1 ピッチ程度の解像度で多眼パララックス的画像として立体視されることになる。

第 8図では、点像 P、及び Qの再生には光線再生法が用いられ、表示部近傍の小物体 R ' の再生には多眼パララックス方式が行われている。第 8図から分かるように仮想物体 R ' を通過し観測者 2 3の両眼に入る光線（太線）に視差（パララックス）が生じている。この表示部遠方と近傍に対する 2つのカラ一フィルタ 2 2の色づけ法は全く別のものではなく、再現物体と表示部との距離により連続的に推移していくものである。

第 9図は白色点光源ァレィを白色光源と散乱板およびピンホールアレイを用いて代用した本発明の構成例である。

この図において、 3 1は板状白色光源、 3 2は散乱板、 3 3はピンホールァレィ、 3 4は白色点光源アレイ、 3 5は遠方には光線生成用像フィルタの機能を持ち近景には多眼パララックス方式画像再生機能を持つカラ一フィル夕、 3 6は観測者、 3 7は多眼パララックスで再生された像、 3 8は光線再生で再生された立体像、 3 9は再生された光線である。

第 9図の構成は一見第 7図で示したピンホール型の多眼パララックス方式、あるいはピンホールアレイを用いたインテグラルホトグラフィの簡易版に似ている。そこで、その違いを明確にしておく。まず、第 9図の構成では多視点の画像が描かれているパネルがピンホールアレイより観測者側にあり、第 7図の構成とは逆になっている。従って、第 7図の構成では、多視点の画像情報が情報を失うことなくピンホールを通過する必要があり、ピンホールの大きさは前記したように余り小さくはできない。一方、第 9図の構成ではピンホールはバックライトの白色光が通りさえすればその大きさは小さくてもよい。このように、両者は、構成も機能もまったく異なっている。

また、第 1 0図はレンズをカラ一フィル夕と観測者の間に挿入した構成例であり、この図において、 4 1は白色点光源アレイ、 4 2はカラーフィルタや液晶パネル、 4 3はレンズ、 4 4は観測者、 4 5はレンズを用いた場合の再生像、 4 6 はレンズを用いない場合の再生像である。

これにより、立体像の拡大や縮小、観測像の奥行き位置や観測できる視角の変更など立体像の生成に多様性を与えることができる。

表示部より離れた領域での画像生成については、従来技術のところで述べた光線再生型 3次元画像表示装置と、原理、効果、作用は同じであり、また、先行した提案である「背景付き立体像再生装置」とも同じであるので説明を省略する。次に、表示部近傍での物体再生について述べる。

第 1 1図は本発明の実施例を示す表示部近傍での動作原理図である。

この図において、 5 0は表示部、 5 1は白色点光源アレイ、 5 2は各白色点光源、 5 3はカラーフィル夕、 5 4はフィル夕の各セクション、 5 5は観測者、 5 6 , 5 7は再生したい物体であり、つまり、斜線のハッチングをかけた物体 5 6 とドットで塗りつぶした物体 5 7の再生を考えている。ハッチングをかけた物体 5 6上の任意の 1点 Rを通る光線はわずか 3本程度しか再生できず、しかも多くは両眼に入らないため 3次元像再生ができないばかりか見ることもできないこと力多い。一方、少数個の白色点光源 5 2からではあるが、これらから出てこの 2 個の物体 5 6， 5 7を通過する光線を無数生成し、そのうちのいくつかを両眼に到達させることは可能である（通常白色点光源アレイ、カラ一フィルタセクションの間隔は数ミリ程度であるので、数ミリ程度の大きさをもつ物体を仮定している）。そして、このようにして到達した光線には物体の光源間隔程度の空間分解能ではあるが、物体の画像情報に加えて視差 (パララックス) 情報も含まれているので、光線再生法ほどの立体感は得られられないものの後述する多眼パララックス方式と同等の立体感を得て物体を認識できることになる。

第 1 1図では右眼 5 5 aでは 2つの物体 5 6 , 5 7が離れているが左眼 5 5 b では重なっており、またそれぞれの物体 5 6， 5 7からの光線の方向も異なっているので、ノ、。ララックスが存在していることが理解できょう。

第 1 2図は本発明における表示部近傍でのパララックス立体像再生の様子を示す図である。

この図において、 6 0は表示部、 6 1は白色点光源アレイ、 6 2は白色点光源、 6 3はカラーフィルタ、 6 4は観測者、 6 5は光線群であり、この方向の光線群 6 5がカラ一フィル夕 6 3と交わる点にはこの視覚から見た画像情報が書き込まれている。多くの方向も同様である。

ここでの多眼パララックス方式は、第 7図で述べたものと構成が大きく違っている。つまり、各視角に対応する絵が描かれているカラ一フィルタ 6 3は最も観測者 6 4側にあり、その後ろから白色点光源 6 2で照らし、いわば影絵を見ている点で異なつているといえる。

一方、第 7図の構成ではスリットゃピンホールを通して司見き込んでその奥にある絵を見ている。あるいは、ィンテグラルホトグラフィではレンズを介して幻灯器の像あるいはピンホールを通しての針穴写真の像を空中で反対側から見ているのである。この違いは、第 1 2図では手前に見える像については描かれている像の位置関係と同じであるが、第 7図の構成では上下左右とも反転していることからも分かる。

第 1 3図に本発明で再生した 3次元画像を様々な角度からカメラで撮影した写真例を示す。建物の手前の方、及び奥の方は光線再生画像であり、建物の奥行きの真ん中が光源アレイ位置でその近傍はパララックス的再生になっている。光線再生型 3次元像になつているところでは、曇りガラス板などを置けばその画像の断面部にピントが合って確かめられた。像が見える位置にレンズで結像したごとく結像しているのである。

第 1 4図は本発明の実施例を示す力ラーフィル夕を示す図である。

まず、再現する 3次元物体として、第 1 4図（a ) のように 3個の模様のついた立方体（2 x 2 x 2 ) A， B , Cを配置し、それぞれはその上面が点光源よりそれぞれし 2， 5だけ離しておかれている。

これを再現するためのカラーフィルタには、第 1 4図（b ) を用いるとよい。なお、カラーフィル夕の 1セクションの大きさは 0 . 2 5 x 0 . 2 5としている c もっとも表示部に近レ、立方体 Aに対してはカラ一フィルタ上に数セクシヨンにまたがる大きなパターンで立方体 Aの形が残されている。色の変わり目については見る位置によつて変化するようにフィル夕が色つけされていることがわかる。少し離れた立方体 Bに対しては立方体 Aのように大きいパターンも残っているが、カラーセクション毎にも物体 Bの模様が現れている。十分に離れた立方体 Cについてはセクション毎に異なる視覚からの立方体 C全体が描かれているが、数セクションにわたる大きなパターンは見えない。

これより、立方体 Aについては多眼パララックスに、立方体 Cについては光線再生方式にカラ一フィルタが色づけされていることがわかる。また、立方体 Bについてはこれらの中間となっている。

次に、本発明の第 2実施例について説明する。

第 1 5図は本発明の偽像を抑制した広視角 3次元画像表示システムの基本構成を示す図である。

この図において、 1 0 1は表示部、 1 0 2は白色点光源アレイ、 1 0 3は屈折率が 1より大きい透明媒体、 1 0 4はカラ一フィル夕（液晶でもよい）、 1 0 5 は観沏 J者、 1 0 6は再生 3次元像、 1 0 7は白色点光源アレイ 1 0 2より放射している白色光、 1 0 8は光線 1 0 7の屈接を示している。

この第 1 5図に示すように、白色点光源アレイ 1 0 2より出た光線 1 0 7は力ラーフィルタ 1 0 4によりその一部は適当な強度と色づけをされ、 3次元像を形成する光線に変換される。

「光線再生型 3次元画像表示装置」、「背景付き立体像再生装置」または本発明にかかる「光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した 3次元画像表示システム」などの方式により、表示部 1 0 1近傍の像再生に関しては、カラーフィル夕の機能は若干異なるが、レ、ずれも基本的には光線再生法を使っていることに変わりはない。白色点光源アレイ 1 0 2とカラ一フィルタ 1 0 4の間には屈折率が 1より大きい透明媒体（透明板） 1 0 3が挿入されている。カラ一フィルタ 1 0 4は非常に薄いのでここでの光路変化は無視すると、白色光源とカラ一フィルタ 1 0 4で生成された光線はカラーフィルタ 1 0 4を通ると屈折し（正確には透明媒体 1 0 3を出ると屈折し）、より寝た角度、つまり広角で外に出てくる。従つて、当然、カラーフィルタ 1 0 4のフィル夕の空間パターンはこの屈折効果を考慮して描いている。光線が寝ることにより、後述するように 3次元像の観測可能域は広がる。

第 1 6図は本発明の偽像を抑制した広視角 3次元画像表示システムの透明体が白色光源ァレイとカラ一フィルタの間隙の全部を埋めず一部を占める場合の構成例を示す図である。この図において、 1 1 1は白色点光源アレイ、 1 1 2は屈折率が 1より大きい透明媒体、 1 1 3はカラーフィルタ、 1 1 4は観測者、 1 1 5 は再生 3次元像である。

第 1 7図は本発明の偽像を抑制した広視角 3次元画像表示システムの白色点光源ァレィを白色光源と散乱板およびピンホールアレイを用レ、て代用した構成例を示す図である。この図において、 1 2 1は白色光源、 1 2 2は散乱体、 1 2 3は白色光源と散乱体からなるバックライト、 1 2 4はピンホールアレイ、 1 2 5は白色点光源アレイに相当する部分、 1 2 6は屈折率が 1より大きい透明媒体、 1 2 7はカラ一フィル夕、 1 2 8は観測者、 1 2 9は再生 3次元像である。

また、第 1 8図はレンズを用いた構成例であり、この図において、 1 3 1は白色点光源アレイ、 1 3 2は屈折率が 1より大きい透明媒体、 1 3 3はカラ一フィルタ、 1 3 4はレンズ、 1 3 5は観測者、 1 3 6は再生 3次元像である。

これにより、再生 3次元像 1 3 6の奥行きや大きさ、広がり角などを調整でき立体像の生成に多様性を与えることができる。

さらに、第 1 9図は本発明を従来の多眼パララックスに適用した構成例を示す図である。この図において、 1 4 0は多視角像表示部、 1 4 1はバックライト、 1 4 2は屈折率が 1より大きい透明媒体、 1 4 3はマイクロレンズアレイあるいはピンホールアレイあるいはスリットアレイ、 1 4 4は観測者、 1 4 5は再生 3 次元像である。

(実施例の具体的作用と実施例に基づく特有の効果）屈折率 _n (> l ) の透明媒体（板）が間隙を全部埋めている場合を例に第 20 図に従って説明する。この第 20図において、 1 5 1は白色点光源アレイ、 1 5 2は白色点光源、 1 53は透明媒体（屈折率 n, 厚さ d)、 1 54はカラ一フィル夕、 1 5 5はカラ一フィル夕の各セクション、 1 5 6は隣接のカラ一フィルタセクション 1 5 5に混入しない光線の範囲（n > 1の透明媒体無しの場合）、 1 5 7は隣接のカラーフィルタセクションに混入しない光線の範囲（n> 1の透明媒体ありの場合）を示している。

そこで、白色点光源 1 52のピッチを W、カラ一フィルタ 1 5 4と白色点光源アレイ 1 5 1の間隔を dとする。ある白色点光源 1 5 2から対応するカラ一フィル夕セクション 1 5 5と隣接のカラ一フィルタセクション 1 5 5の境界の方向に進む光線を考える。隣接のセクションを通るときは偽像をつくるので、これが偽像を作らない限界まで傾いた光線になっている。この光線の角度 0i は図より、

=Tan^→ (W/2 d) …（1) この光線が空中に出て 0。の角度に屈折して進むとすると、スネルの法則から s i n ^ o =n s ΐ η ₅ ··· ) η> 1であるので 0。 > θ となって、光線は透明媒体 1 5 3を挿入したことにより、より傾いて寝ることになる。このことは隣接のカラ一フィルタを通ることなくより広角に光線を生成できることを意味する。さらに、

Θ, C=Tan"¹ (W/2 d) 〕 ≥S i n- ¹ (1/n) - (3) に設定すれば、隣接のカラーフィル夕セクションに進入した光線は全反射して外に出られず、偽像は完全に抑制できる。この場合、隣接のカラ一フィル夕を通ることなく、 0。 9 0° 程度までの広角の光線の生成が可能となる。

第 2 1図は広角の光線再生が可能になれば、広い範囲で立体像が観測できる、つまり広視角化できることを説明する図である。この図において、 1 6 1は白色点光源アレイ、 1 6 2は白色点光源、 1 6 3は透明媒体（屈折率 n，厚さ d)、 1 64はカラーフィルタ、 1 6 5はカラ一フィル夕の各セクション、 1 6 6は観測者、 1 6 7は透明媒体の屈折率が 1のときあるいは空気のときの立体視できる範囲、 1 6 8は透明媒体の屈折率が 1より大きいときの広がった立体視できる範囲、 Pは再生点像である。再生像は簡単のため点像 Pとしている。屈折率が 1より大きい透明媒体 1 6 3 を挿入しないときは、 Pが立体視できるのは 2本の 2点鎖線の内側だけ、つまり立体視できる範囲 1 6 7である。一方、屈折率が 1より大きい透明媒体を挿入したときは、より側面からでも立体視できているのが分かる。カラーフィルタ 1 6 4等がもっと大きければ、第 2 1図よりさらに立体視可能域は広がり、ほぼ水平線近くからも立体視が可能になると予想される。

次に、第 2 2図を用いて偽像抑制の仕組みを説明する。第 2 2図において、 1 7 1は白色点光源アレイ、 1 7 2は白色点光源、 1 7 3は透明媒体、 1 7 4は力ラーフィル夕、 1 7 5はカラ一フィル夕の各セクション、 1 7 6は観測者八、 1 7 7は観測者 B、 Pは再生点像、 P ' は透明媒体が n = l (あるいは透明媒体なし）のときの偽像、実線は透明媒体 ( n > 1 ) 有りの場合の光線、二点鎖線は透明媒体（n > 1 ) なしの場合の光線、光線 1 7 8は境界面で全反射し、外にでなレ、ので偽像は生じない（光線 1 7 9の生成は望ましくない）。

ここでは、点像 Pを再生している場合を想定している。 η > 1の透明媒体がない場合は再生用光線（2点鎖線）はほぼ正面方向に向くものだけである。また、白色点光源から隣接の力ラ一フィル夕セクションに混入し、 P点を再生する部分を通過した光線により、偽像 P ' が生成されている。さらに、右端の光源から P を結ぶと、隣接のカラ一フィルタセクションを通過するので、正常な使い方ではこのような光線は使えない。つまり、偽像がなく、正常に立体像が観測できるのは正面方向付近（図では観測者 Aの位置付近）のみで、正面から少し外れた側面方向（図では例えば観測者 Bの位置）から観測すると、正しい再生像が見えずに偽像が見えてしまうことになる。

一方、 n > 1の透明媒体を挿入した場合は、この図では、 P点は全ての白色光源から正常に生成された光線（実線）によって再現されており、広い視角がとれる。また、光線 1 7 8あるいは光線 1 7 9のように、隣接のカラーフィルタセクシヨンに混入した光は上記 ( 3 ) 式を満足する場合は全て全反射し、光線としては全く外に出ないため、偽像が再生されることはない。たとえ上記（3 ) 式が満足されていない場合でも、偽像が現れるのは正面から 9 0。近くに振ったほぼ側面から見る場合に限られ、実用上問題がなくなる。本発明は、映像技術、放送技術、芸術産業、マルチメディア産業、広告、写真の分野に適用することができる。

製品としては、 3次元ディスプレイ、立体看板、立体劇場システムなどが挙げられ、特に、広告媒体や学童用ディスプレイに活用できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。以上、詳細に説明したように、本発明によれば、

〔A〕表示部の後方、前方では自然な 3次元画像再現が実現し、また、表示部近傍では上下左右多視点の視差による立体視が実現し、その中間域では両者が混在して、結果として全域、つまり表示部の奥から手前まで連続的に 3次元立体画像を観測することができる。

〔B〕広い視角で 3次元像が観測可能であり、かつ偽像を完全に抑制することができる。

より具体的には、白色点光源アレイとカラ一フィルタの間に屈折率が 1より大なる透明媒体を挿入することにより、 3次元画像標示のために点光源からの光線を選択し色付けする働きをもつカラーフィル夕に隣接する他の点光源から混入し、有害な偽像を発生させる光線に対しては、全反射を利用して光線が外に出ないようにする。また、屈折により透明媒体から出る光線がより広がることを利用して、フィルタ近傍でのパララックスを利用した画像再生に利用光線を増大させる効果がある。広い視野角を持ち、かつ完全に偽像を抑制した光線再生型 3次元再生装置を得ることができた。

また、 0 . 5 mmから 5 mmの厚さの透明媒体としてのガラスやプラスチック板を光源アレイとフィル夕の間に入れることにより、 1 8 0度に近い視野角を達成してレ、る。産業上の利用可能性

本発明の 3次元画像表示システムは、映像技術、放送技術、芸術産業、マルチメディア産業、広告、写真の分野に利用でき、製品としては、 3次元ディスプレィ、立体看板、立体劇場システムなどが挙げられ、特に、広告媒体や学童用ディスプレイに好適である _c

Claims

請求の範囲

1 . 白色点光源ァレィの観測者側に力ラーフィルタを配置し、前記力ラ一フィル夕や白色点光源から離れた領域では前記観測者にはあたかもそこに物体が存在するかのごとく見えるように物体の各点からの散乱光に相当する多数の光線群を生成するように、前記白色点光源からの光線を前記カラーフィルタにより選択、色づけし、一方、十分な光線数が再生できない前記白色点光源、カラ一フィル夕近傍に対しては前記白色点光源から前記カラ一フィル夕経由で眼に到達する画像情報が、左右のみならず上下にも視角に依存するパララックス型立体表示動作を行うよう前記カラーフィルタにより光線の選択、色づけし、さらに両者の中間域ではこの 2動作が混在して連続的に繋がるようにし、光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した 3次元画像表示システム。

2 . 請求項 1記載の 3次元画像表示システムにおいて、前記カラ一フィル夕から前記観測者までの間に一枚から複数枚のレンズを配置することにより、見え方やフィルタ設計に自由度を持たせることを特徴とする 3次元画像表示システム。

3 . 請求項 1又は 2記載の 3次元画像表示システムにおいて、白色点光源アレイと前記力ラーフィル夕間にレンズを揷入し、見え方やフィルタ設計に自由度を持たせることを特徵とする 3次元画像表示システム。

4 . 請求項 1、 2又は 3記載の 3次元画像表示システムにおいて、前記白色点光源アレイとして白色光源と散乱板、およびピンホールアレイを組み合わせて代用することを特徴とする光線再生と影絵型多眼パララックスを兼用した 3次元画像

5 . 請求項 1、 2、 3又は 4記載の 3次元画像表示システムにおいて、前記カラ一フィル夕を動的制御が可能な空間変調パネルとして、再生 3次元画像を動画化することを特徵とする 3次元画像表示システム。

6 . 白色点光源アレイとカラーフィルタの間の全部あるいはその一部に屈折率が 1より大きい透明媒体を挿入することにより、屈折により前記透明媒体の外では光線がより広がることを利用して、 3次元画像の観測域を広げるとともに、この 3次元画像表示のために当該白色点光源からの光線を選択、色づけする働きをもつ前記力ラーフィル夕の当該セクションに隣接の白色点光源から混入し、有害な偽像のもとになる寝た角度の光線に対しては全反射させて外に出ないよう構成し、広い視角で 3次元像が観測可能で、かつ偽像を完全に抑制した広視角を有する 3 次元画像表示システム。

7 . 請求項 6記載の 3次元画像表示システムにおいて、前記カラ一フィルタと観測者の間、あるいは前記白色点光源ァレィと前記力ラーフィル夕の間の一方あるいは双方にレンズを挿入し、見え方ゃフィル夕設計に自由度を持たせることを特徵とする 3次元画像表示システム。

8 . 請求項 6又は 7記載の 3次元画像表示システムにおいて、前記白色点光源ァレイとして白色光源と散乱板及びピンホールアレイの組み合わせで代用することを特徴とする 3次元画像表示システム。

9 . 請求項 6、 7又は 8記載の 3次元画像表示システムにおいて、前記カラ一フィル夕を液晶パネルなどの動的制御が可能な空間変調パネルとして、再生 3次元画像を動画化することを特徴とする 3次元画像表示システム。

1 0 . 屈折率が 1より大きい透明媒体を画像パネルあるいは、カラ一フィル夕とノララックスノくリア、スリット、あるいはピンホールアレイまたはマイクロレンズアレイの間に配置し、全反射を利用して隣接画像の混入を防ぎ、偽像の発生を抑圧し、広視角を有することを特徴とする 3次元画像表示システム。