立体表示装置

【課題】精細度で実在感のある作成が容易な立体表示装置を提供する。
【解決手段】立体表示装置１は、規則的に配列された複数の走査型画素（ＳＭ画素）２から構成されている。ＳＭ画素２は、立体表示装置１の前方に向かって画像情報を光線でスキャンしている。１つのＳＭ画素２が出している画素情報の表示範囲３の１つの１つ画像情報が３次元画像を構成する最小単位になる。ＳＭ画素２は光線を出している角度毎に別の情報を発している。１つのＳＭ画素２は光線を発する方向によりその情報を変えることができるため、同じ画素でも見る方向により別の画像を見せることが可能となる。また、ＳＭ画素２を用いることにより、画素内の光源の情報は１つの方向に１つの情報しか送れないので、画素内の複数の光源が重なることはない。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は立体表示装置に係り、特に裸眼で表示対象を立体に見せる立体表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、立体表示装置が様々提案されてきた。最も単純なのはメガネ方式で、右目用、左目用の２つの画像情報を表示し、何らかのフィルタ（例えば偏光メガネ、液晶シャッタなど）により、右目と左目に別の画像を見せ、その視差により立体視させるものである。
【０００３】
メガネを使わない裸眼方式では、例えばレンチキュラーレンズを使い、液晶パネルの右目用の画像を表示している画素の光線と左目用の画像の光線がそれぞれ右目の方向、左目の方向分かれて進むようにし、その結果、立体視させるものがある。例えば特許文献１に開示がある。
【０００４】
一方、光線により空間を構成する方法も検討されており、例えば特許文献２にはレーザとミラーを２次元配列し、レーザ光をミラーにより所定の角度を制御して３次元虚像を得る方法が記載されている。光源のレーザには２次元配列の面発光レーザを用い、ミラーはＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）で２次元光源を用いている。ミラーは投射方向を調整ができる構造になっている。
【０００５】
また、画素を見る方向により異なる情報が得られるようにした表示装置により立体を実現する方法がある。具体的には画素内に画素よりもさらに小さな光源を多数用意し、それらの光源から出る光線を別の方向に放射し立体を表示する。例えば特許文献３では、光源としてフィールドエミッション光源を使い、１画素内にフィールドエミッション光源を多数並べ、各光源から出る光を回折格子あるいはホログラミック素子などにより異なる方向に向いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２５０１６７号公報
【特許文献２】特開２００７−１１１０４号公報
【特許文献３】特開平１１−２８１９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の裸眼式３Ｄディスプレイ技術においては、左右上下の横方向の視差情報しか持たず、その情報量もせいぜいが８画像分程度しか表現することができなかった。このため、表示対象を上下の方向で見る、あるいは近付いて見るといった場合の表現ができなかった。
【０００８】
この理由としては、例えば液晶ディスプレイを使う場合、１画素に１つの画像の情報しか表現できないことにある。したがって、複数の画像を表現しようとすると、１つの画像で使える画素数が少なくなり、映像が粗くなってしまうという欠点がある。
【０００９】
また、ディスプレイを見ている人の横方向の動きにしか基本的には対応できないという欠点がある。
【００１０】
一方、特許文献２に記載されている方法では、光源として集積化された面発光レーザを使うが、多数の面発光レーザを作るのは非常に難しいうえにその一つ一つを制御するのも難しい。また、３次元虚像の１点の構成の仕方は示されているが、ある立体像の全体をどのように構成するかという方法については具体的に言及がない。
【００１１】
特許文献３に記載されている方法では、表示装置からの距離により画素の見え方が異なるという問題がある。この理由について図１３を用いて説明する。ここで３００は１画素内のフィールドエミッション光源であり、３０１は各光源に対応したホログラミック素子などの光学素子である。例えばＡの光源に対してはＡ'の光学素子が対応し、ある方向に光を放射する。別のＢ光源に対してはＢ'の光学素子が対応し、Ａ'とは異なった方向に放射する。
【００１２】
このＡ、Ｂの光源について、表示装置から近い場合３０３〜３０５のように位置によって異なるように見える。つまり、３０３ではＡ光源の情報が見え、３０４では何も見えず、３０５ではＢ光源の情報が見える。一方、距離が離れている３０６〜３０８の場合、３０６ではＡ光源の情報が見え、３０７ではＡ、Ｂ両光源の情報が見え、３０８ではＢ光源の情報のみが見える。良好に見えるのは、遠すぎず近すぎないどこか特定の距離になる。
【００１３】
このように、特許文献３に記載の発明のように画素を多数の光源に分割し、それぞれの光源の情報を別の方向に放射する場合、表示装置からの距離が限定される。したがって、表示装置からある距離の平面内、例えば左右方向に関しては良好であるが、表示装置に近付いたり遠ざかったりする方向の動きをする場合に問題になる。しかも、特許文献３に記載の発明のように光源を画素内に多数形成する場合、その特性を全ての光源で揃えるのは非常にむずかしい。
【００１４】
このように、特許文献１、２、３のそれぞれに記載された発明では、精細度で実在感のある立体表示装置を作るのが難しいという問題がある。
【００１５】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、精細度で実在感のある作成が容易な立体表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を達成するため、本発明の立体表示装置は、所定の立体角の範囲内を立体角よりも細い光線により走査し、光線の強度を放射する方向により変調する複数の走査型画素が表面に配置されたことを特徴とする。
【００１７】
ここで、上記の走査型画素は、光源と、光源からの光線の放射方向を走査する走査手段とを備える構成であってもよい。
【００１８】
また、上記の目的を達成するため、本発明の立体表示装置は、走査型画素と観察者の相対位置関係を検出する位置検出手段と、位置検出手段により検出した観察者の周辺にのみ走査型画素から出射する光線の変調を行う手段とを有することを特徴とする。
【００１９】
従来技術１の問題点は、表示している画像の光源１つにつき、１つの画素データしか対応していないことによる。これを解決するには、１つの光源（画素）が光線を発する方向によりその情報を変えることができればよい。これにより、同じ画素でも見る方向により別の画像を見せることが可能となる。これを実現するには、画素１つ１つに光線を走査する（スキャンする）特性を持たせる。このスキャンするという意味は、ある画素が特定の時間には特定の方向に向かって光線を発しており、その発する方向が時間に従って刻々と変わり、その方向により発する光線の情報も異なり、一定時間になるとまた元の位置から同じ動作を繰り返す、ということを意味する。本発明はこのような走査型画素を用いて立体表示を行う。
【００２０】
従来技術２については、集積化された光源を用いず、画素に走査機能を持たせるという方法で解決できる。従来技術３についても、走査型画素を用いることにより、画素内の光源の情報は１つの方向に１つの情報しか送れないので、画素内の複数の光源が重なることもない。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、所定の立体角の範囲内を立体角よりも細い光線により走査し、光線の強度を放射する方向により変調する複数の走査型画素を用いることにより、精細度で実在感のある作成が容易な立体表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の立体表示装置の一実施の形態の概要を示す図である。
【図２】図１中の一画素の構成例を示す図である。
【図３】図１の立体表示装置における観察者の片目に立体表示装置の表示画像がどのように入っていくかの様子を示す図である。
【図４】図１の立体表示装置における観察者の両目の見え方の違いについての説明図である。
【図５】図１の立体表示装置の一つのＳＭ画素が観察者の両目に異なった映像を投影していることを示す図である。
【図６】図１の立体表示装置の一つのＳＭ画素が虚像に対して投射している画像情報を説明する図である。
【図７】図１の立体表示装置が表示する虚像を観察者が横方向に移動しながら見るときの説明図である。
【図８】図１の立体表示装置１が表示する虚像を観察者が異なった高さ方向から見る場合の説明図である。
【図９】図１の立体表示装置が表示する虚像に対して前後方向に移動する観察者の左目に見える虚像の見え方の変化を示す図である。
【図１０】図１の立体表示装置の背後に虚像があるように投影するときの説明図である。
【図１１】本発明の立体表示装置における投影範囲の制限方法の一例の説明図である。
【図１２】図１の立体表示装置の全画素でタイミングを合わせる手段の一例の構成図を示す図である。
【図１３】特許文献３に記載の発明の問題を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明になる立体表示装置の一実施の形態の概要を示す。同図において、立体表示装置１は、横１０.２４ｍ、縦５.１２ｍの大きさであり、規則的に配列された横４０９６個、縦２０４８個の画素２から構成されている。画素２のそれぞれは、横２.５ｍｍ、縦２.５ｍｍの大きさである。この画素２は立体表示装置１の前方に向かって横２００×縦１００個の分解能の画像情報を光線でスキャンしている。このように画素２はスキャン動作を行い、通常のディスプレイのようにあらゆる方向に同じ情報を出しているわけではないので、本明細書では区別するためにスキャンモジュール画素、あるいはＳＭ画素と呼ぶことにする。
【００２５】
３は、１つのＳＭ画素２が出している横６４０×縦４８０個の画素情報の表示範囲を表している。表示範囲３の１つの１つ画像情報が３次元画像を構成する最小単位になる。ここではこれを画像ユニット４と呼ぶことにする。ＳＭ画素２が光線を出している角度は横方向に約６０度、縦方向に４５度である。つまり画像ユニット４の分解能は横方向で６０度／６４０＝０.０９３７５度、縦方向で４５度／４８０＝０.０９３７５度であり、ＳＭ画素２はこの角度毎に別の情報を発している。
【００２６】
例えば、立体表示装置１から５メートル離れている観察者５の付近では、一つの画像ユニット４は８ミリ□程度の大きさになる。観察者５の左右の目の距離はこれ以上に大きいから、同じＳＭ画素２を見ていても、左右の目には異なった情報が入ることになり、これが観察者５に視差を与え、立体画像として見えることになる（観察者５が静止している場合）。
【００２７】
ＳＭ画素２は、このような横６４０×縦４８０個の画像ユニット４を例えば上から下、右左交互に走査して行き、それを１秒に例えば６０回繰り返す。
【００２８】
図２は、ＳＭ画素２の１個の構成例を示す。１１が筐体であり、横、縦が２.５ｍｍの正方形で、長さが２０ｍｍである。２３が開口部で、ここから図１の表示範囲３で示されるような範囲で光が走査されて出てくる。
【００２９】
１２が縦方向（Ｖ方向）の走査を行うミラーであり、１３は水平方向（Ｈ方向）の走査を行うミラーである。１秒間に６０枚描画を行うとすると、走査は縦方向で６０Ｈｚ、横方向で２８.８ｋＨｚの周波数で振動しなくてはならない。縦方向よりも横方向の方が周波数が高いが、このような高速で操作するミラーデバイスはすでに実現しており、例えば特許第３５５２６０１号公報に開示されたものがある。この特許公報記載のミラーデバイスでは通常は１本梁のミラーの支柱が２本になっており、その分振れ角を大きくできるので、この立体表示装置用には最適である。
【００３０】
１４、１５はハーフミラーで、１７、１９、２１はそれぞれ緑色光、青色光、赤色光の光源であるレーザ、１６、１８、２０はレンズである。２２はミラーやレーザを駆動する回路で、コントローラ、メモリ、電源回路などからなる。
【００３１】
光源としてはレーザが最適であるが、発光点が非常に小さく点光源とみなせる場合はレーザに近い光線を得ることができる。例えば、１０〜１００μｍ□の発光面積をもつ発光ダイオード（ＬＥＤ）であれば点光源に近いとみなされ、数メートル先でも広がりが１センチ□以下の面積の光線を作ることができる。したがってこのような点光源とみなせる光源でもよい。
【００３２】
このような構成のＳＭ画素２であれば、１つの方向に１つの情報しか送れず、したがって特許文献３記載の発明のように画素内の複数の光源の情報が混じってしまうという問題も発生しない。
【００３３】
さて、このような構成の立体表示装置１がどのように３次元映像を構成するかについて次に説明する。
【００３４】
まず、図３で映像がどのように目に入っていくか、片目の場合を例に説明する。ここでは映像はまだ立体画像（３Ｄ）ではなく、２次元画像（２Ｄ）である。図３は、観察者５が立体表示装置１を見たときの様子を表している。３１はディスプレイに表示される虚像であり、虚像３１はここでは人の頭の形の形状をしている。ここでは立体表示装置１は虚像３１を立体表示装置１の前方１メートルほどに浮いている状態で表現したいとする。このとき、虚像３１は立体表示装置１上のＳＭ画素２により表現されているが、その各ＳＭ画素２が表現しているのは、虚像３１と立体表示装置１とを直線でつないだ情報である。
【００３５】
分かりやすいように、虚像３１から点３５、３６、３７の各点を表現することを考えてみる。この３点と観察者５の左目を直線で結ぶと、立体表示装置１上に並んだＳＭ画素２のうち、ＳＭ画素３２、３３、３４のＳＭ画素を得ることができる。このＳＭ画素３２、３３、３４は立体表示装置１の前方をレーザ光線で走査しているのだが、この観察者５の左目に向かう画像ユニットで、それぞれ虚像３１の各点３５、３６、３７の情報の光線を投影しているのである。観察者５の左目には、ある瞬間にはこのようにＳＭ画素２が左目に向かって投影している映像しか見ることはできない。
【００３６】
図４は、観察者の両目の見え方の違いについての説明図である。図４は、観察者５の左目３８と右目４０において、虚像３１の点３５と３６を直線で結んだものである。これで分かるとおり、左目３８において点３５、３６はＳＭ画素３２、３３で表現される。一方、右目４０についてはＳＭ画素４１、４２で表現される。したがって、ここで両目に視差が得られるため、虚像３１は立体的に感じられる。このように立体表示装置１は左目３８、右目４０に異なる映像を見せる。
【００３７】
ここで、ＳＭ画素２は走査を行っているために、特定の画素に注目すると、一つのＳＭ画素２が左目３８と右目４０に異なった映像を投影していることに注意する必要がある。図５を用いてそれを説明する。ＳＭ画素３３は左目３８には虚像３１の点３６の情報を投影している。一方、右目４０に対しては点４３の情報を投影している。このようにＳＭ画素はスキャン動作をしているので、別の方角の視線に対して別の情報を投影できるので、立体視が可能になる。
【００３８】
より具体的には、一つのＳＭ画素２が虚像３１に対して投射している画像情報は次のように決定される。図６にその様子を示す。立体表示装置１内のＳＭ画素５１はスキャン範囲内に虚像３１があり、その情報を投影している。ＳＭ画素５１は虚像３１の全ての情報を投影しているわけではない。虚像３１は２つの面に分かれる。一つはＳＭ画素５１と反対側の面でこれを虚像面３１ａとする（太線の部分）。もう一つはＳＭ画素５１側の面でこれを虚像面３１ｂとする。
【００３９】
すると、ＳＭ画素５１が投影しているのは虚像面３１ａの情報である。つまり、ＳＭ画素５１よりも遠い面の情報のみが投影される。これは虚像３１における２つの面の場合だけでなく、複数の虚像で複数の面が重なった場合に見も同様で、最も遠い面が投影される。なお、これは、虚像３１が立体表示装置１と観察者５の間にあるという場合であり、そうでない場合ついては別に説明する。
【００４０】
次に、視点の移動に対して、この立体表示装置１が有効であることを説明する。図７は、立体表示装置１が虚像３１を表示しており、それを観察者５が位置６５、６６、６７と立体表示装置１に対して横方向に移動しながら虚像３１を見ている状態を示す。ここで、虚像３１の点６４が、観察者５のそれぞれの位置から見ると、それぞれの左目ではＳＭ画素６３、６２、６１が投影している映像が見える。つまり、目の位置が移動していくにしたがって、次々と点６４を表示していくＳＭ画素が６３から６１の方向に移っていく。この結果、点６４は立体表示装置１の前方のある一点に静止しているように見える。右目に関しても、右目に対応するＳＭ画素が次々に移動していくのはもちろんである。
【００４１】
虚像３１全体の見え方についていうと、観察者５は６５→６７と移動していくうちに、虚像３１を周り込んでいくように見える。また、位置６５では見えなかった部分も、位置６７からは見えるようになり、立体感が増す。
【００４２】
次に、観察者５が上下方向に動いた場合について図８と共に説明する。図８は、立体表示装置１の全面に虚像３１が浮かんでおり、それを観察者５が位置７４、７５、７６の高さ方向が異なった位置から見る場合の説明図を示す。この場合、観察者５が水平方向に移動した場合と同様に、虚像３１の点６４に注目すると、観察者５の左目は、位置７４で見ているときには点６４はＳＭ画素７３が投影した画素を見ており、位置７５の時にはＳＭ画素７２が投影した画像をみており、位置７６の時にはＳＭ画素７１が投影した画像をみている。つまり、上下方向で観察者５が移動を行うとやはり点６４はある位置に止まって見える。これは右目に関しても同様で、右目に対応するＳＭ画素が次々移動して、点６４は止まって見える。また、それぞれの位置で虚像３１の見える範囲が変わるので、立体感が増す。
【００４３】
次に、観察者５が虚像３１との距離が変化した場合について説明する。図９は、立体表示装置１の前方に表示された虚像３１に対して前後方向に移動する観察者５の左目に見える虚像３１の点８７と８８の見え方の変化を示す。まず、観察者５が位置８１にあるときには点８７はＳＭ画素８４が投影した光を見ている。同じように点８８についてはＳＭ画素８５が投影した光を見ている。
【００４４】
ここで、観察者５が位置８１から虚像３１に接近して位置８２にあるときは、点８７を投影しているＳＭ画素は８４から８３に移動する。一方、点８８を投影しているＳＭ画素は８５から８６へ移動する。すると、虚像３１を表現しているＳＭ画素の数は位置８１の場合はＳＭ画素８４から８５の画素で対応していたのが、位置８２ではＳＭ画素８３から８６の画素で表現することになり、ＳＭ画素の数が増える。
【００４５】
虚像３１に近づいても虚像３１の画質が劣化することはない。また、観察者５の視野全体に占める虚像３１の割合も増えることになり、近づくにつれて虚像３１は大きくなっていく。つまり近づくにつれて細かいところが分かるようになり、さらに大きくなっていくわけで、これは実在の物体に近づいていったときと同じことが起こっている。したがって、臨場感の非常に高い立体表示装置１を作ることができる。
【００４６】
次に、立体表示装置１の手前でなく、背後に虚像３１があるように投影する方法について図１０と共に説明する。原理的には立体表示装置１の前方にあるように虚像を表示するか、背後にあるように表示するかに違いはない。立体表示装置１の背後に虚像３１を表示する場合、例えば虚像３１の点９５は観察者５の左目にはＳＭ画素９１が投影し、右目にはＳＭ画素９２が投影する。同様に虚像３１の点９６は左目にはＳＭ画素９３が投影し、右目にはＳＭ画素９４が投影する。これにより、視差が生じ立体感が得られる。観察者５の視点が上下左右前後と移動した場合に虚像３１の見え方が変わっていくもの、立体表示装置１の前にあるように表示する場合と変わりはない。
【００４７】
次に、投影範囲を制限する方法について図１１を用いて説明する。
【００４８】
立体表示装置１の各画素２がそれぞれの投影情報を持っているので、静止画であっても立体表示装置全体の情報量は膨大なものになる。動画の場合はさらに情報量が増える。しかしながら、動画であっても、既に決まっている内容を表示する場合は、予め計算しておいて表示すればよいので、その計算結果を各画素のメモリに蓄えて表示すればよい。しかしながら、遠くの人と通信回線を使って話し合う場合など、表示内容は事前に決まっているわけではない場合は、リアルタイムに計算を行う必要がある。その計算量は膨大なものになるので、計算量を節約する必要がある。
【００４９】
図１１では、立体表示装置１の両端にカメラ１０２、１０３を設けている。カメラ１０２、１０３はステレオカメラとして機能するので、例えば観察者１０４が立体表示装置１に対してどこにいるかをカメラ１０２、１０３の撮像画像から判断し、虚像３１の投影範囲を観察者１０４の近傍に限定できる。
【００５０】
例えば、ＳＭ画素１０１があり、このＳＭ画素１０１が投射する情報を計算するとする。すると、ＳＭ画素１０１のスキャン範囲１０６に対して投影範囲１０７は狭くてよいことが分かる。すると、虚像３１のうち投影範囲１０７以外の情報は、それを見るものがいないのであるから計算する必要がないことが分かる。同様に、観察者１０５に対しては、ＳＭ画素１０１が虚像３１の投影を行うことがないから、初めから計算を除外できる。このように、観察者の位置を確認する手段を備えていれば、立体表示装置１上のすべてのＳＭ画素２で計算量を減らすことができ、全体の計算量も飛躍的に減らすことができる。
【００５１】
なお、動画を表示するときには、全画素で時間情報を共有しタイミングを合わせる必要がある。図１２は、全画素でタイミングを合わせる手段の一例の構成図を示す。図１２は、一例として矩形で示す１６個のＳＭ画素２があり、その各ＳＭ画素２に信号線１１１が繋がっている構成を示す。信号線１１１は同期装置１１２に繋がっており、各ＳＭ画素２の同期を取っている。このように、１６個のＳＭ画素２の全体の同期をとる同期装置１１２により、動画の表示が可能となる。なお、この図１２ではＳＭ画素は１６個であるが、その数に限定されないことはもちろんである。
【００５２】
このように、本実施の形態の立体表示装置１によれば、所定の立体角の範囲内を立体角よりも細い光線により走査し、光線の強度を放射する方向により変調する複数の走査型画素（ＳＭ画素）２を用いることにより、精細度で実在感のある作成が容易な立体表示装置を実現できる。
【００５３】
なお、図１に示した立体表示装置１は、実施の形態では直方体、円弧状平面に複数のＳＭ画素２が規則的に並んだ形状をしているが、原理上は立体表示装置の形状はこれに限定されるわけではなく、またＳＭ画素も平面状に並んでいる必要はない。
【符号の説明】
【００５４】
１立体表示装置
２画素（ＳＭ画素）
３表示範囲
４画像ユニット
５観察者
１１筐体
１２、１３ミラー
１４、１５ハーフミラー
１６、１８、２０レンズ
１７、１９、２１レーザ
３１虚像
１１１信号線
１１２同期装置

【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の立体角の範囲内を前記立体角よりも細い光線により走査し、前記光線の強度を放射する方向により変調する複数の走査型画素が表面に配置されたことを特徴とする立体表示装置。
【請求項２】
前記走査型画素は、
光源と、
前記光源からの前記光線の放射方向を走査する走査手段と
を備えることを特徴とする請求項１記載の立体表示装置。
【請求項３】
前記走査型画素と観察者の相対位置関係を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段により検出した前記観察者の周辺にのみ前記走査型画素から出射する光線の変調を行う手段と
を有することを特徴とする請求項１又は２記載の立体表示装置。

【図１】