JP2012098341A - 三次元画像表示方法 - Google Patents

Abstract

【課題】収差のあるレンズアレイ並びに高画素密度の平面ディスプレイを不要にする三次元画像表示方法を比較的安価に提供する。
【解決手段】本発明による三次元画像表示方法は、ビーム光源９ａから射出する光ビームを二次元走査して空中に投影する基本ユニット８ａ、８ｂ、８ｃ・・・を複数個二次元的に配列するとともに、各基本ユニット８ａ、８ｂ、８ｃ・・・に所定の画像信号を入力し、二次元走査の動きに対応して該ビーム光源輝度変調することを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は三次元表示装置を用いて、高精細の三次元画像を表示する方法に関する。

マイクロ凸レンズ二次元アレイと感光体を組み合わせると、三次元的な光線の記録再生能力があることを、フランスのＭ．Ｇ．Ｌｉｐｐｍａｎｎ が見いだし、１９０８年に論文として提案した。現在この方法は“ＩＰ”（Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ）と呼ばれ、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されているように、三次元画像表示方法及び装置に使われている。

その原理を、まずは、最もシンプルな条件である、「空中に置かれた一個の点像を表示する場合」について説明する。

図１はＩＰの表示の状態を示す図である。

マイクロ凸レンズ二次元アレイ１の各レンズの大きさ、互いの間隔は、目的に応じて、０．１ミリから数十ミリ程度が選ばれる。

平面ディスプレイ２は、この図では液晶ディスプレイとして示され、前記マイクロ凸レンズ二次元アレイ１の各レンズの略々焦点面にあり、３ａ、３ｂ、３ｃ・・・で表される点像群Ｇ３を表示している。

バックライト４で照明された液晶ディスプレイ２に表示された点像３ａ、３ｂ、３ｃ・・・の画素部分のみ光が透過し、他の部分はバックライトの光を遮断している。

平面ディスプレイ２のどの画素を透過にし、どの画素を遮光にするかは任意に選べ、平面ディスプレイを透過してマイクロ凸レンズアレイ１の各レンズを介して射出する平行光が空間の一点に集まるように選ぶ。

各点像（３ａ、３ｂ、３ｃ・・・）は各凸レンズの焦点面にあり、各点像から出た光はマイクロ凸レンズアレイ１の対応する各凸レンズを介して、各々ほぼ平行光として射出する。

各凸レンズから出た多数の平行光は、空間の一点に集光して像を形成し、集光後は発散する。

この発散する光のコーンの範囲では、集光点に実際の像がある場合とほぼ同等の光線が存在かのように見える。

この発散する光のコーンの中に観察者が目を置くと、集光点に像を認識することになる。範囲内であれば、観察者が目を移動しても、両眼視しても、常にもとの集光点の位置に像が存在するように感じることになり、三次元画像５として表示されることになる。

但し、この三次元画像５を形成している個々の光線はマイクロ凸レンズアレイ１の各レンズから射出されるほぼ平行な光線なので、個々のレンズの寸法より小さな画像を再生することはできない。

この発散する光のコーンの範囲を「視域」６と呼ぶ。

図２は、前記マイクロ凸レンズ二次元アレイ１の一例を示す斜視図である。

この例では各凸レンズは碁盤の目状に並んでいるが、蜂の巣状やランダム等、任意の配列が使用可能である。

図３は、複雑な形状（ここでは直方体で説明する）の三次元像７を表示している様子を示したもので、特にＡ、Ｂ、Ｃの頂点の三次元実像を構成する光線を直線で表示している。点Ａを○、点Ｂを△、点Ｃを□で表現し、平面ディスプレイ２の上の各頂点の画像も同じ記号で示している。

平面ディスプレイ２上の各頂点の画像がレンズアレイの対応するレンズを介して三次元空間の点Ａ、点Ｂ、点Ｃに集光し、図には記載していないが、その後発散していく。その発散する領域に目を置いて観察すれば、空中に直方体の三次元像７を感じることになる。

静止した点像や直方体の像で説明したが、他の立体図形の表示が可能なことは言うまでもない。

また、平面ディスプレイ２として動画が扱えるものを使用すれば、動画の三次元像も表示することが可能で、これはＩｎｔｅｇｒａｌ Ｖｉｄｅｏｇｒａｐｈｙ（ＩＶ）と呼ばれる。

特開２００６−１４６５９７ 特開２００８−１６５０１３

Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ （ＩＰ）あるいは、それを動画化したＩｎｔｅｇｒａｌ Ｖｉｄｅｏｇｒａｐｈｙ （ＩＶ）では、従来、一般的には平凸球面レンズを二次元に配置したレンズアレイが不可欠な要素であったが、球面収差等の収差が三次元像の解像度を劣化させている。特に視域を拡げようとすると大きく傾いた斜め入射の光線を扱うことになり、収差が非常に大きくなり、三次元像の解像度を大きく劣化させる。

また、レンズアレイ背面の平面ディスプレイは、高解像度の三次元像を得るには、個々のレンズに対応する領域に高精細の画像を表示する必要があり、その集合である微少画像群を１枚の平面ディスプレイで扱うためには、超多画素・超高画素密度の平面ディスプレイが必要になるが、超多画素・超高画素密度の平面ディスプレイは、現状技術的にも難しく、非常に高価格なものになるという課題があった。

本発明では、レンズアレイの収差の影響を受けず、高画素密度の平面ディスプレイを不要にする三次元画像表示方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では以下の手段を提供する。

（１）単色又は複数色のビーム光源から射出する光ビームを二次元走査して空中に投影する基本ユニットを複数個二次元的に配列するとともに、該各基本ユニットに各々所定の画像信号を入力し、該各二次元走査の動きに対応して該各光ビームを輝度変調することを特徴とする三次元画像表示方法。

（２）前記基本ユニットは単色又は複数色のビーム光源と二軸走査ミラーとで構成され、該各基本ユニットにおいては、該各ビーム光源から射出される光ビームを該各二軸走査ミラーに入射し、毎秒６０回以上で該各二軸走査ミラーから射出する反射光を、空間の所定の範囲を繰り返し二次元走査するように該各二軸走査ミラーを駆動するとともに、各基本ユニットに各々所定の画像信号を入力し、該各二軸走査ミラーの動きに対応して該各光ビームを輝度変調することを特徴とする前記（１）に記載の三次元画像表示方法。

（３）前記基本ユニットに於ける複数色のビーム光源として、該各ビーム光源から射出する各光ビームを、該各ビーム光源の射出口においては同軸の光ビームとせず、位置は異なるが接近して、該各光ビーム中心軸を平行に並べるようにしたことを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の三次元画像表示方法。

本発明では、図５から明らかなように、従来はＩＰ（ＩＶ）には不可欠だと考えられていた凸レンズアレイを無くすことができ、レンズアレイの収差の影響を全く受けず、得られる三次元像の解像度を高めることができる。

特に、広視域のＩＰ（又はＩＶ）の場合、レンズアレイの各レンズに対し、光軸から大きく傾いた光線となるので収差の影響は大きかったが、本発明では、ビーム光線をミラーで振るだけなので光軸方向でも斜め方向でもビームの広がりは変わらないという優れた特徴を有するため、高解像度で広視域の三次元ディスプレイを容易に実現できる。

また、従来の方式では高解像度、広視域の三次元像を得ようとすると、レンズアレイの背面に、超多画素、超高解像度の二次元ディスプレイが必要であり、現状では技術的にも難しく、非常に高価格なものになるという課題があったが、本発明においては、電気信号による画像信号であるので、二次元ディスプレイに表示する高解像度の画像は不要となり、技術的にもシンプルで、ローコストな三次元表示が実現できる。

ＩＰ表示原理の説明図（空中に一個の点像を表示場合） マイクロ凸レンズ二次元アレイの斜視図 複雑な三次元像表示の説明図 ＩＰ表示はマイクロプロジェクタアレイと等価であることの説明図 本発明に用いる基本ユニットの一例を示す図 本発明の一実施例の説明図 本発明の一実施例の斜視図 基本ユニットの第二の走査順序の説明図 基本ユニットの第三の走査順序の説明図 基本ユニットの他の構成方法の説明図 基本ユニットカラー化の一例の説明図 基本ユニットカラー化の他方式例の説明図

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図５は、本願の一実施例の要である基本ユニットを示す図である。

８が基本ユニットで、該基本ユニット８はレーザーダイオード９、ビーム整形機１０、固定ミラー１１、二軸走査ミラー１２からなり、レーザーダイオード９から射出した光線は、ビーム整形器１０を通すことによって、ほぼ距離に比例して広がる傾向の鋭い光ビームとし、固定ミラー１１を介して二軸走査ミラー１２に入射している。３′は基本ユニットに入力される画像信号である。

二軸走査ミラー１２の走査は、例えばブラウン管式テレビと同様に、図６に示すように二次元的な走査を、人間の目の残像でちらつきなく連続した画像と感じられる約毎秒６０回以上の早さで繰り返すとともに、所定の濃淡画像が空中に投影されるように、画像信号を基に、二軸走査ミラー１２の動きに合わせてレーザーダイオードの輝度を変調している。

図６は、本願の一実施例示す図で、図５に示した基本ユニット８を複数個二次元に並べたものであり、図７は同実施例の斜視図である。

ここで改めて図３を眺めてみると、バックライト４の光によって、画像群Ｇ３′の各画像を、マイクロ凸レンズアレイ１の対応する各凸レンズで空中に投影し、それらの光線の集積として立体像７が空中に表示されているわけであるから、図４のように、画像群Ｇ３′の各画像（３′ａ、３′ｂ、３′ｃ・・・）と投影レンズ群Ｇ１′の各レンズ（１′ａ、１′ｂ、１′ｃ・・・）を、細分化したバックライトＧ４′（４′ａ、４′ｂ、４′ｃ・・・）の光で投影していると見なすことができる。

すなわち、ＩＰ（又はＩＶ）とは、微小プロジェクタ群（アレイ）により、光線群が空間に射出され、三次元空間の意図した位置に実像を結ばせることにより、三次元像の表示を行う方式である、とも言える。

図６に示す本願の一実施例において、基本ユニット群Ｇ８を、図４の微小プロジェクタ群と同じ寸法、同じ配列とし、図４と同様の光線群が投影されるように各レーザーダイオード（９ａ・・・）を輝度変調し、各二次元走査ミラー（１２ａ・・・）を駆動すると、図４に図示された三次元像７と同じ三次元像が空中に表示されることになる。

図４と図６の方式の違いは、図４では全ての光線が連続して同時に存在するのに対し、図６の方式においては、光ビームの走査により投影しているので、基本ユニット群８から視域内のある視点に到達する光線は断続的な光の繰り返しとなっていることである。

しかし、その繰り返し周期を毎秒６０回以上とすることで、人間の目の残像により連続した光と認識されるので、人間にとっては、図４の連続した光線による投影と同じものとして感じられる。

ここで、ほぼ距離に比例して広がる傾向の鋭い光ビームを用いる理由を説明する。仮に各基本ユニットが１００×１００画素の画像を投影しているとして、二次元走査ミラーから１００ｍｍの距離で観察する場合、同距離で１００×１００ｍｍの投影範囲になっているとして、二次元走査ミラーから１００ｍｍの距離での光ビームの太さが１ｍｍ以下だと目の位置によっては光ビームが当たらない、すなわち三次元画像が見えない視点を生じる。従って、同条件で光ビームの太さが１ｍｍ以上必要なことが分かる。

次に、１００ｍｍの距離で１００×１００画素の画像を１００×１００ｍｍに投影している基本ユニットを用いて、２００ｍｍの距離で観察する場合を考えると、投影範囲は２００×２００ｍｍになっているので、１００×１００画素が隙間なく並ぶためには光ビームの太さは２ｍｍ以上必要である。

さらに、１００ｍｍの距離で１００×１００画素の画像を１００×１００ｍｍに投影している基本ユニットを用いて、３００ｍｍの距離で観察する場合を考えると、投影範囲は３００×３００ｍｍになっているので、１００×１００画素が隙間なく並ぶためには光ビームの太さは３ｍｍ以上必要である。

すなわち、投影距離と光ビームの太さがほぼ比例していることが重要である。
実際には、理想的な平行光線を作ろうとしても、光源の大きさに起因する回折により必ず広がってしまうので、自動的に投影距離と光ビームの太さはほぼ比例することになるので、視域の大きさや基本ユニットの画素数に応じて、光ビームの広がり角を適切に選ぶことで、どの距離から観察しても三次元画像が見えない視点を生じない条件にすることができる。

図８は、本発明の基本ユニットにおける二次元走査の走査順序の第二の方式を示す図である。

その走査であるが、最上段の走査は左から右に、上から２段目の走査は右から左へ、上から３段目の走査は左から右へ、以下走査方向を交代させることを最下段まで繰り返す。これで二次元走査が１回終了する。

二次元走査が１回終了すれば、再度最上段から走査方向を交代しながら最下段までの走査を行う。

図８に示す第二の走査方式においても、二次元走査の繰り返し周期を毎秒６０回以上とすることで、人間の目の残像により連続した光と認識されるので、人間にとっては、連続した光線による投影と同じものとして感じられる。

走査順序が図５に示した方式とは異なるので、同じ投影画像を得るにも、レーザーダイオード９の輝度変調波形は異なっている。

図９は、本発明の基本ユニットにおける二次元走査の走査順序の第三の方式を示す図である。

その走査であるが、上下方向・左右方向のいずれも、ほぼ正弦波状に行う方式である。上下動・左右動の周波数や位相を適宜選ぶことで、必要な細かさの二次元走査を得る。

図９に示す第三の走査方式においても、二次元走査の繰り返し周期を毎秒６０回以上とすることで、人間の目の残像により連続した光と認識されるので、人間にとっては、連続した光線による投影と同じものとして感じられる。

走査順序が図５や図８に示した方式とは異なるので、同じ投影画像を得るにも、レーザーダイオード９の輝度変調波形は異なっている。

図５，図８，図９に示した種々の走査順序の方式からも分かるように、走査の細かさが目的に合っていて、二次元走査の繰り返し周期が毎秒６０回以上であれば、二次元走査の順序は任意に決めることができる。

図１０は、本発明の基本ユニットにおける二次元走査を実現する他の機構を示す図である。

１２Ｈは一軸走査ミラーで、入射した光ビームを水平方向のみ偏向する。

１２Ｖも一軸走査ミラーで、一軸走査ミラー１２Ｈから射出した光ビームを鉛直方向のみ偏向する。

二つの一軸走査ミラーの組合せにより、光ビームは二軸走査されることになり、空間を二次元走査するので、図５，図８，図９に示した実施例と同様の動作をすることになる。

ここでは、水平偏向された光ビームを鉛直偏向する順序で説明したが、まず鉛直偏向した後水平偏向してもよい。

前述の説明と同じ理由で、図１０に示した機構においても、走査の細かさが目的に合っていて、二次元走査の繰り返し周期が毎秒６０回以上であれば、二次元走査の順序は任意である。

本発明に於ける一軸走査ミラーや二軸走査ミラーは、多くの場合超小型である必要があるので、超小型のミラーをねじりバネ等で支持し、ガルバノメータのように電磁気で駆動する方法や、ミラー背面の少し離れた位置に電極を設け、静電気の吸引反発力で駆動する方法、圧電素子の変形を利用して駆動する方法等が用いられる。

勿論、本発明に適した動作が可能なら、どの様な構造でも問題はない。

また、その製法は「ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）」といわれる「ＩＣ製造技術で超小型の機構を作る技術」が適しているが、本発明に適した動作が可能なら、どの様な製法でも問題はない。

図１１は、本発明をカラー化する方法の一例を示す図である。

９Ｒは赤のレーザーダイオード、９Ｇは緑のレーザーダイオード、９Ｂは青のレーザーダイオードで、それぞれビーム整形器１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂを介してほぼ距離に比例して広がる傾向の鋭い光ビームにした後、ダイクロイックミラー１３を通して一本の光ビームにまとめている。

３色を一本にまとめた光ビームは、固定ミラー１１を介して二軸走査ミラー１２に入射し、空間を二次元走査する。

図５，図８，図９に示した種々の走査順序の方式からも分かるように、走査の細かさが目的に合っていて、二次元走査の繰り返し周期が毎秒６０回以上であれば、二次元走査の順序は任意に決めることができる。

勿論、図１０に示した２個の一軸走査ミラーで二次元走査してもよい。
画像信号３′を基に、走査順序に対応して、赤のレーザーダイオード９Ｒ、緑のレーザーダイオード９Ｇ、青のレーザーダイオード９Ｂを独立に輝度変調することでカラーの三次元像が空間に投影される。

図１２は、本発明をカラー化する方法の他の例を示す図である。
９Ｒは赤のレーザーダイオード、９Ｇは緑のレーザーダイオード、９Ｂは青のレーザーダイオードで、それぞれシングルモード光ファイバ１４Ｒ、１４Ｇ、１４Ｂに結合されている。シングルモード光ファイバのコア径は波長程度なので端面のコア部分が各色の点光源となる。さらに、該各色点光源を焦点とした凸レンズ（コリメートレンズ１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂ）を介してほぼ距離に比例して広がる傾向の鋭い光ビームにした後、該各色光ビームの光軸が平行になるように接近して並べる。

光軸が平行で接近して並べられた該光ビームは、固定ミラー１１を介して二軸走査ミラー１２に入射し、空間を二次元走査する。

ここに、該各色光ビームには広がる傾向があるため、離れた位置にある視域では各色の光ビームが太くなり、各色が混ざりあった領域が大部分の光ビームになるので、視域にいる観察者にとっては、図１１に示した光ビームとほぼ同等の光を観察することができる。

図５，図８，図９に示した種々の走査順序の方式からも分かるように、走査の細かさが目的に合っていて、二次元走査の繰り返し周期が毎秒６０回以上であれば、二次元走査の順序は任意に決めることができる。

勿論、図１０に示した２個の一軸走査ミラーで二次元走査してもよい。
画像信号３′を基に、走査順序に対応して、赤のレーザーダイオード９Ｒ、緑のレーザーダイオード９Ｇ、青のレーザーダイオード９Ｂを独立に輝度変調することでカラーの三次元像が空間に投影される。

ビーム光源として、レーザーダイオードで説明してきたが、ほぼ距離に比例して広がる傾向の鋭い光ビームが出せる光源であれば、発光ダイオードとレンズの組合せでもよい。

さらに、レーザーダイオードや発光ダイオードの光をシングルモード光ファイバに通した後、コリメートレンズで平行光にする方法は単色の場合にでも利用できる。

さらに、面発光レーザーダイオードでは、ビーム整形器無しに光ビームを射出できるものもあり、その場合にはビーム整形器が不要であることは言うまでもない。

１ マイクロ凸レンズ二次元アレイ
１′ａ、１′ｂ、１′ｃ マイクロプロジェクタの各投影レンズ
２ 平面ディスプレイ
３ａ、３ｂ、３ｃ 各点像
３′ａ、３′ｂ、３′ｃ 複雑な三次元像を表示する各平面画像
４ バックライト
４′ａ、４′ｂ、４′ｃ マイクロプロジェクタの各光源
５ 点像
６ 視域
７ 複雑な三次元像
８ 基本ユニット
８′ａ、８′ｂ、８′ｃ 各基本ユニット
９ レーザーダイオード
９ａ 各レーザーダイオード
９Ｂ 青色レーザーダイオード
９Ｇ 緑色レーザーダイオード
９Ｒ 赤色レーザーダイオード
１０ ビーム整形器
１０ａ 各ビーム整形器
１０Ｂ 青色レーザーダイオード用ビーム整形器
１０Ｇ 緑色レーザーダイオード用ビーム整形器
１０Ｒ 赤色レーザーダイオード用ビーム整形器
１１ 固定ミラー
１１ａ 各固定ミラー
１２ 二軸走査ミラー
１２ａ 各二軸走査ミラー
１２Ｈ 一軸走査ミラー（水平偏向）
１２Ｖ 一軸走査ミラー（鉛直偏向）
１３ ダイクロイックプリズム
１４Ｂ 青色光用シングルモード光ファイバ
１４Ｇ 緑色光用シングルモード光ファイバ
１４Ｒ 赤色光用シングルモード光ファイバ
１５Ｂ 青色光用コリメートレンズ
１５Ｇ 緑色光用コリメートレンズ
１５Ｒ 赤色光用コリメートレンズ
Ａ 複雑な三次元像の第一の頂点
Ｂ 複雑な三次元像の第二の頂点
Ｃ 複雑な三次元像の第三の頂点
Ｇ１′ マイクロプロジェクタ投影レンズ群
Ｇ３ 点像群
Ｇ３′ 複雑な三次元像を表示する平面画像群
Ｇ４′ マイクロプロジェクタ光源群
Ｇ８ 基本ユニット群

Claims (3)

1. 単色又は複数色のビーム光源から射出する光ビームを二次元走査して空中に投影する基本ユニットを複数個二次元的に配列するとともに、該各基本ユニットに各々所定の画像信号を入力し、該各二次元走査の動きに対応して該各光ビームを輝度変調することを特徴とする三次元画像表示方法。
2. 前記基本ユニットは単色又は複数色のビーム光源と二軸走査ミラーとで構成され、該各基本ユニットにおいては、該各ビーム光源から射出される光ビームを該各二軸走査ミラーに入射し、毎秒６０回以上で該各二軸走査ミラーから射出する反射光を、空間の所定の範囲を繰り返し二次元走査するように該各二軸走査ミラーを駆動するとともに、各基本ユニットに各々所定の画像信号を入力し、該各二軸走査ミラーの動きに対応して該各光ビームを輝度変調することを特徴とする請求項１に記載の三次元画像表示方法。
3. 前記基本ユニットに於ける複数色のビーム光源として、該各ビーム光源から射出する各光ビームを、該各ビーム光源の射出口においては同軸の光ビームとせず、位置は異なるが接近して、該各光ビーム中心軸を平行に並べるようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の三次元画像表示方法。

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