JP2013195720A - 視域制限のない立体像を表示する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レンチキュラレンズやレンズアレイ使って視域制限のない周期的な立体像を表示する従来の装置では、見る角度の大きい領域でレンズの収差による画像劣化が大きいという問題があり、またアニメーションの効果を持つ装置とするためには、動力と機械部品による可動装置が必要であった。
【解決手段】 従来の視域制限のない立体像を表示する基本原理はそのままにして、輝線群や輝点群と透過画像からなる構成で、影絵投影を利用する装置に変える。影絵投影はレンズ収差の影響を受けないため、見る角度が大きくなっても画質の劣化がほとんどない表示装置となる。さらに輝線群や輝点群を、光源の像をレンズアレイによって透過スクリーン上に投影して作成すれば、効率良く輝線群や輝点群を作成でき、かつ光源の点滅位置を変えることで輝線群や輝点群を移動させることができるため、動力を使わずにアニメーションの効果を実現することが可能になる。
【選択図】 図２

Description

本発明は裸眼で観察することができる立体像を表示する装置に関する。

所定の間隔を空けて平行に置いた格子模様が作るモアレ縞が浮き出て見えたり、逆に奥に引いて見える現象や、面上にレンズが並んだレンズシートと、相似形の周期を持つ周期模様が作るモアレ縞が同様に奥行きを持つ現象が知られている。

これを人目を引くディスプレイに利用するものとして、たとえば米国の特許文献１や国内の特許文献２〜７がある。またさらに見える模様に変化を加える工夫をした特許文献８の表示装置もあるが、これらはいずれもモアレ縞を模様として利用したもので、明確な機能あるいは目的を持った表現を設計、デザインするには不十分であった。

近年、同様な構成を有するディスプレイにおいて、表示される模様を機能を持った画像列に変え、３次元的な視差を有する立体像を表示したり、アニメーションのような効果を実現する研究が非特許文献１〜６に報告されている。これらのディスプレイは所定の手続きによって作成した平面画像を印刷あるいは表示した面に、レンチキュラレンズやレンズアレイを重ね、これらを通して該平面画像を観察するものであり、原理的には視域の制限がない立体像を表示することができるが、実際にはレンチキュラレンズやレンズアレイが収差を持つため、観察角度が大きくなると正面から見る像に比べて画質の劣化が大きくなる傾向がある。またこれらのディスプレイには、平面画像が印刷物のような静止画像であっても、重ねたレンチキュラレンズやレンズアレイとの位置関係を相対的に動かすことで、アニメーションのような効果を得ることができるという優れた特徴があるが、これを実施するためには機械的な可動装置を付加する必要がある。

US 2007/0097111 A1 特開平11-189000号公報 特開2001-55000号公報 特開2001-180198号公報 特開2002-46400号公報 特開2002-120500号公報 特開2003-220173号公報 特開2003-226099号公報 特開2002-72135号公報 特開2003-307800号公報 特開2012-003175号公報

"モアレ干渉を応用した周期立体像の研究"，映像情報メディア学会技術報告, Vol.34, No.24, pp.15-18(2010) "撮影モデルを使った周期立体像の作成"，3D映像, Vol.24, No.2, pp.42-50(2010) "MegaPOVを使ったインテグラルイメージと周期立体像の作成"，映像情報メディア学会技術報告, Vol.34, No.43, pp.21-24(2010) "モアレ干渉法を利用した紙面立体アニメーション"，日本印刷学会第124回秋期研究発表会講演予稿集，pp5-8(2010) "モアレ干渉の応用によって視域の境界を取り除いた周期立体像"，画像電子学会誌, Vol.39, No.6, pp.1074-1087(2010) "周期的な奥行き変化のある周期立体像"，映像情報メディア学会技術報告, Vol.35, No.15, pp.51-54(2011)

本発明の課題は、レンチキュラレンズやレンズアレイを使った従来の表示装置において、観察角度が大きくなるにつれて増加していた収差による画像劣化を解消し、さらに機械的な可動装置を使用せずに同様のアニメーション効果を得ることが可能になる表示装置を実現することである。

本発明の請求項１は、平面上に平行に並んだ輝線群と、該平面と所定の間隔をおいて平行に置かれた透過画像とからなり、該透過画像を通して輝線群を観察する装置において、該透過画像には該輝線の並ぶ間隔とは僅かに異なる間隔で並ぶ図形、ないし周期の周期模様が描かれることで、該輝線群に垂直な方向に拡大された該図形ないし該周期模様の像が、該透過画像の面より奥ないし手前に見えることを特徴とする表示装置である。

本発明の請求項２は、平面上に並んだ輝点群と、該平面と所定の間隔をおいて平行に置かれた透過画像とからなり、該透過画像を通して輝点群を観察する装置において、該透過画像には該輝点の並ぶ間隔とは僅かに異なる間隔で並ぶ図形、ないし周期の周期模様が描かれることで、拡大された該図形ないし該周期模様の像が、該透過画像の面より奥ないし手前に見えることを特徴とする表示装置である。

本発明の請求項３は、平面上に平行に並んだ輝線群と、該平面と間隔dをおいて平行に置かれた透過画像とからなり、該透過画像を通して輝線群を観察する装置において、該透過画像には該輝線の並ぶ間隔pとは僅かに異なる間隔wで並ぶ細画像群が描かれ、該細画像は立体的なオブジェクトを該輝線に垂直な方向に縮小投影した像であり、かつ隣り合う細画像は該オブジェクトを該輝線に平行な軸について、数１の角度Δだけ回転して縮小投影した関係にあることで、該オブジェクトの立体的な像が、輝線群の面を基準として数２で表される奥行きLに見えることを特徴とする表示装置である。

本発明の請求項４は、平面上に並んだ輝点群と、該平面と間隔dをおいて平行に置かれた透過画像とからなり、該透過画像を通して輝点群を観察する装置において、該透過画像には該輝点の並ぶ間隔pとは僅かに異なる間隔wで並ぶ縮小画像群が描かれ、該縮小画像は立体的なオブジェクトを縮小投影した像であり、かつ隣り合う縮小画像は少なくとも該オブジェクトを該輝点群の面に平行な１軸について、数１の角度Δだけ回転して縮小投影した関係にあることで、該オブジェクトの立体的な像が、輝点群の面を基準として数２で表される奥行きLに見えることを特徴とする表示装置である。

本発明の請求項５は、平面上に平行に並んだ輝線群と、該平面と所定の間隔をおいて平行に置かれた透過画像とからなり、該透過画像を通して輝線群を観察する装置において、該透過画像はN枚の元画像からそれぞれ一定の間隔で縦の線画を抽出し、短冊状の要素画像に並べて合成することで、各元画像が異なる視点位置で観察される多眼式の表示装置であって、1〜Nの元画像には立体的なオブジェクトの像ないし図形が並び、それらの位置が連続的に順次変化する関係にあり、かつN番目の元画像における個々のオブジェクトの像ないし図形の変化が、1番目の元画像における隣のオブジェクトの像ないし図形に引き継がれることで、N番目の元画像と1番目の元画像の関係が1〜Nまでの連続的変化の延長となる性質を持ち、元画像の変化が終端のないループ関係になることを特徴とする表示装置である。

本発明の請求項６は、平面上に並んだ輝点群と、該平面と所定の間隔をおいて平行に置かれた透過画像とからなり、該透過画像を通して輝点群を観察する装置において、該透過画像はN×M枚の元画像からそれぞれ一定の間隔で画素を抽出し、矩形状の要素画像に並べて画像を合成することで、各元画像が異なる視点位置で観察される２次元の多眼式表示装置であって、元画像のそれぞれを(i, j)（i=1〜M，j=1〜N：iは水平方向、jは垂直方向の並び順）で示すとき、(1, j)〜(M, j)及び(i, 1)〜(i, N)の元画像には立体的なオブジェクトの像ないし図形が並び、それらの位置が連続的に順次変化する関係にあり、かつ(M, j)の元画像、及び(i, N)の元画像における個々のオブジェクトの像ないし図形の変化が、(1, j)及び(i, 1)の元画像における隣のオブジェクトの像ないし図形に引き継がれることで、(M, j)と(1, j)及び(i, N)と(i, 1)の関係が(1, j)〜(M, j)及び(i, 1)〜(i, N)の連続的変化の延長となる性質を持ち、元画像の変化が終端のないループ関係になることを特徴とする表示装置である。

本発明の請求項７は、請求項１，３，５に記載の表示装置の輝線群が、レンチキュラレンズとその焦点面に置かれた透過性拡散スクリーン、さらに該レンチキュラレンズから所定の距離に並んだ、該レンチキュラレンズの側を照明する複数の光源によって形成され、該光源の点灯位置を移動させることによって該輝線群の位置が移動することを特徴とする請求項１，３，５に記載の表示装置である。

本発明の請求項８は、請求項１，３，５に記載の表示装置の輝線群が、レンチキュラレンズとその焦点面に置かれた透過性拡散スクリーン、さらに該レンチキュラレンズから所定の距離に並んだ、該レンチキュラレンズの側を照明する光源群によって形成され、該光源群の内、その像が該スクリーン上で同一の輝線群に重なる光源グループを同時に点灯させつつ、点灯する光源グループの位置を移動させることによって該輝線群の位置が移動することを特徴とする請求項１，３，５に記載の表示装置である。

本発明の請求項９は、請求項２，４，６に記載の表示装置の輝点群が、平面上に凸レンズか並んだレンズアレイとその焦点面に置かれた透過性拡散スクリーン、さらに該レンズアレイから所定の距離に並んだ、該レンズアレイの側を照明する複数の光源によって形成され、該光源の点灯位置を移動させることによって該輝点群の位置が移動することを特徴とする請求項２，４，６に記載の表示装置である。

本発明の請求項１０は、請求項２，４，６に記載の表示装置の輝点群が、平面上に凸レンズか並んだレンズアレイとその焦点面に置かれた透過性拡散スクリーン、さらに該レンズアレイから所定の距離に並んだ、該レンズアレイの側を照明する光源群によって形成され、該光源群の内、その像が該スクリーン上で同一の輝点群に重なる光源グループを同時に点灯させつつ、点灯する光源グループの位置を移動させることによって該輝点群の位置が移動することを特徴とする請求項２，４，６に記載の表示装置である。

本発明によれば、レンチキュラレンズやレンズアレイ使った従来の表示装置と同様に、視域の制限がない立体像を表示することができ、かつ従来問題になっていた収差の影響を受けずに、観察角度の大きな領域でも画質劣化が少ない表示装置を実現することができる。さらに機械的な可動装置を必要としていたアニメーション効果を、並べた光源の点滅制御によって実現することができるため、シンプルな装置で実現することができ、制御や保守も容易になる。

本発明により奥行きを持つ像が表示される原理を説明する図である。 請求項１によって飛び出す像が見える様子を表す外観図である。 請求項２によって飛び出す像が見える様子を表す外観図である。 請求項３，４により立体像（実像）が表示される原理を説明する図である。 請求項３，４により立体像（虚像）が表示される原理を説明する図である。 請求項３によって飛び出す像が見える様子を表す外観図である。 請求項４によって飛び出す像が見える様子を表す外観図である。 請求項４における縮小像の回転を示す説明図である。 請求項３における縮小像の回転を示す説明図である。 請求項５の元となる一般的な多眼式の画像作成手順を説明する図である。 請求項５，６の基本となる多眼式の表示原理を説明する図である。 請求項５によって実像を表示する元画像の関係を示す図である。 請求項５によって虚像を表示する元画像の関係を示す図である。 請求項５によって奥行き変化のある虚像を表示する元画像の関係を示す図である。 請求項６の元となる二次元の多眼式に使用する元画像を説明する図である。 請求項６の元となる二次元の多眼式における画像作成手順を説明する図である。 請求項６に使用する元画像の一例を示す図である。 請求項６によって虚像を表示する元画像の関係を示す図である。 請求項６に使用する元画像の他の一例を示す図である。 請求項６によって奥行き変化のある虚像を表示する元画像の一例を示す図である。 請求項７の輝線群および請求項９の輝点群を形成する原理を説明する図である。 請求項７において輝線群を移動させる原理を説明する図である。 請求項９において輝点群を移動させる原理を説明する図である。 請求項８の輝線群および請求項１０の輝点群を形成する原理を説明する図である。 請求項８の輝線群を形成する原理を説明する外観図である。 請求項１０の輝点群を形成する原理を説明する外観図である。

請求項１，２によって輝線群、輝点群と透過画像が奥行きのある像を形成する原理を図１によって説明する。まず図中の１を請求項２の輝点群とし、その前に間隔dを空けて透過画像２を置き、これを図の下方から観察するものとする。図左のように透過画像２に描かれた図形３が並ぶピッチwが、輝点が並ぶピッチpより小さいとき、各図形３は各輝点１によって影絵の原理で空間に像を投影し、投影像４は輝点の並ぶ面から距離Lだけ手前に重なって、この位置に拡大像が観察される。Lは数２で与えられ、像の拡大倍率Aは数３で与えられる。

一方図１右のように、透過画像２に描かれた図形５が並ぶピッチwが輝点が並ぶピッチpより大きいときは、各輝点による投影像６は輝点の並ぶ面から距離Lだけ奥に重なり、この位置に倒立した拡大像が観察される。Lを符号付きの数値とし、奥を負とすれば同じく数２が成り立ち、像の倒立を拡大倍率Aの負値で表せばやはり数３が成り立つ。このように輝点群と透過画像によって奥行きのある像が形成されることがわかる（請求項２）。

図１の１を、請求項１の輝線を垂直に切った断面とすれば、透過画像２に描かれた図形３および５を一次元的に拡大投影することになり、拡大方向に視差を有する奥行き像になる（請求項１）。実像の場合を例に取り、この様子を斜視図によって図２に示す。面２ａに描かれた図形群３ａは、輝線群１ａによって水平方向に拡大され、像４ａがW＝Awの間隔で形成される。像４ａは水平方向の視点移動に対して視差を持つ奥行き像であるため、例えば線７上に両目を置いて観察すれば立体感を感じることができる。

一方請求項２では、同じく実像の場合の斜視図を図３に示すように、面２ｂに描かれた図形群３ｂは点光源群１ｂによって拡大され、像４ｂが形成される。１ｂと３ｂの並び方を相似形とすることで、水平垂直の両方向について数２、数３のLとAが等しくなる。像４ｂは上下左右の視点移動に対して視差を持つため、立体感という点では図２（請求項１）より優れているが、離散的な点の集合で像を形成するため画質は低下する。

本装置のように輝点（点光源）群と透過画像によって立体像を表示する手法は、特許文献９および１０においても提案されている。これらは一般的な立体表示装置と同じく正しい立体像を観察可能な視域が限定されるものであるが、本発明ではこれに非特許文献１〜６および特許文献１１の考え方を応用することで、視域が限定されない立体表示を可能にした。この方法ではレンズを使用しないため像の画質が収差の影響を受けず、観察する角度が大きくなっても画質の劣化が少ないという利点がある。このことは視域に制限がない立体表示において特に意味が大きい。観測される像４ａ，４ｂのぼけは輝線１ａの幅や輝点１ｂの大きさに左右され、図２の装置では輝線の幅がより細いほど、図３の装置では輝点の大きさがより小さいほど、ぼけが少ない明瞭な像が観察される。

本発明の請求項１，２において使用される透過画像は、基本的には同一の図形を一定のピッチで単純に並べたものか、あるいは格子模様など一定のピッチで単純に繰り返す模様が使用されるが、これをさらに発展させ、基本的には一定のピッチで繰り返しながら、その位置によって色や形状が徐々に変化する図形や模様を使うことで、変化に富んだ表現を実現することができる。ただこの時、図形や模様に加える操作と、それがもたらす効果の関係を正しく結びつけ、結果を予測しつつ必要な透過画像を作成することは必ずしも簡単ではない。本発明の請求項３〜６は、明確な狙いを持って表示内容に機能を付与するために、透過画像の作成方法に工夫を凝らすものである。

請求項３，４はそれぞれ請求項１，２と同様の構成によって、厚みのある立体的なオブジェクトの像を表示する。まず図４によって実像を表示する原理を説明する。輝点１によって影絵投影される個々の縮小画像を、表示するオブジェクトの立体像９を各輝点を投影中心として透過画像２の面に透視投影した像とすれば、インテグラルフォトグラフィの原理によって立体像９が形成される。厳密に言えば、８−０，８−２のように異なる輝点に対応する像は、輝点から立体像９までの直線距離が違うためパースペクティブが異なるが、その違いは僅かであるため、ここでは投影中心とオブジェクトの距離を一定（＝L）として、角度θだけ投影中心を回転した透視投影像を並べるものとする。また投影中心の回転角についても、厳密なインテグラルフォトグラフィであれば図のθに等しくすべきであるが、ここでは隣り合う縮小像について数１のΔとし、その整数倍（８−０，８−２では２Δ）とする。結果として観察される立体像９には原理的に僅かな歪みが生じるが、通常は立体像９自体が高精細とは言えないためほとんど問題にならない。

さらに図５によって虚像を表示する原理を説明する。表示する立体像１１が輝点１のある面より奥にある場合、透過画像２はその反対側に位置するため、輝点１を投影中心として透視投影される縮小画像は倒立像になり、やはりインテグラルフォトグラフィの原理によって虚像１１が形成される。実像の場合と同様に、１０−０，１０−２のように異なる輝点に対応する像は、厳密には輝点から立体像９までの直線距離が違うためパースペクティブが異なるが、ここでは投影中心とオブジェクトの距離を一定（＝L）として投影中心が回転した透視投影像を並べる。また投影中心の回転角についても、厳密なインテグラルフォトグラフィであれば図のθに等しくすべきであるが、ここでは隣り合う縮小像について数１のΔ（負値になる点に注意）とし、その整数倍（１０−０，１０−２では２Δ）とする。通常これによって生じる歪みは僅かであって実際にはほとんど問題にならない。

請求項４では図５のような虚像の場合、透過画像２にはパースペクティブを合わせて透視投影した縮小画像が描かれる。例えば図８の立方体オブジェクト１２の像を表示する場合、１２から距離Lだけ離れた位置にカメラ１５を置き、水平の隣接する画像に対して、垂直軸を中心に矢印１３で示す方向に角度Δだけ回転（あるいはカメラ１５を逆方向に回転）し、撮影される像を縮小して縮小画像を作成する。立体感を感じる上で重要なのは両眼視差であるため、垂直の視点移動に伴う立体的な視差を不要とするのであれば、垂直方向には同じ縮小画像をピッチを奥行きに合わせて並べれば良い。より完全な立体感のため上下の運動視差も必要とするのであれば、垂直位置に応じて、オブジェクト１２を水平な軸を中心に矢印１４で示す方向に同様の角度ピッチで回転（あるいはカメラ１５を逆方向に回転）させて縮小画像を作成する。一方図４のような実像の場合には、投影中心からは通常見えない裏側の面を撮影しなければならないため面倒であるが、ＣＧであれば任意の光線をとって描くことができるため容易に実施できる。例えば同じ原理を使う特許文献１１に記載されている方法を利用することができる。

図４，５の１を輝線群とすれば、そのまま請求項３の説明図となる。請求項３では像の拡大が一次元的であるため、通常の透視投影像を一次元的に縮小するのでは縦横のパースペクティブが著しくずれてしまう。図５のような虚像の場合について一例を示すと、図９に示すようにシリンドリカル凹レンズ１６を使い、縦と横の視点位置が異なる撮影光学系として水平の視点位置のみを距離Lに合わせる。あとは隣接する画像に対して、垂直軸を中心に矢印１３で示す方向に角度Δずつ回転（あるいはシリンドリカル凹レンズ１６とカメラ１５を逆方向に回転）し、撮影された画像を水平方向に縮小して各細画像とする。他の方法や図４のような実像の場合については、やはり特許文献１１に詳しく記載されている方法を利用することができる。

請求項３の実施例を実像の場合を例に取り、斜視図によって図６に示す。、面２ａに描かれた図形群８ａは、輝線群１ａによって水平方向に拡大投影されて像９ａがW=Awの間隔で形成される。像９ａは水平方向の視点移動に対して、奥行きに加えて立体的な厚みのある視差を持つ立体像となり、例えば線７上に両目を置いて立体感を持って観察することができる。同じく請求項４の実施例を実像の場合を例に取り、斜視図によって図７に示す。面２ｂに描かれた図形群８ｂは輝点群１ｂによって拡大投影され、像９ｂが形成される。１ｂと８ｂの並び方を相似形とすることで、水平垂直の両方向について等しい奥行きを示し、加えて厚みのある立体像９ｂが観察される。

以上説明したように、請求項３および請求項４によって厚みのある立体像の表示が可能になったが、基本的には色や形状、奥行きなどが一定で変化しない立体像である。これらの性質を表示位置によって変化させることは必ずしも不可能とは言えないが、その変化が希望通りになるように設計するのは容易でない。この目的を達成するためには請求項５および請求項６に示した多眼式の手法を用いるのが好ましい。

一般的な多眼式は、レンチキュラレンズを使った立体表示に使用される方式であるが、本発明のように輝線群や輝点群を使った表示装置にも応用することができる。請求項１，３と同様に輝線群１ａと透過画像２ａからなる装置構成において、図１０に示すように、多眼式では異なる視点から見える多視点像I1〜INから、輝線のピッチpに対応する間隔で縦の線画を抽出し、各輝線に対応する要素画像に順に並べて画像を合成する（I1〜INの線画は1〜Nで示している）。こうして合成された画像を透過画像２ａとし、輝線群１ａの前に置いて観察すると、図１１に断面図を示すように、各輝線１ａによって照明される線画1〜Nがそれぞれ異なる角度範囲に見えることで、多視点像I1〜INが異なる視点位置で観察され、左右の目に異なる視点像が見えて立体視が実現される。

図１１からわかるように、線画1〜Nすなわち多視点像I1〜INのが見える位置は繰り返して並び、多視点像の連続性から1〜Nの変化は連続的であるが、Nから1の変化は通常不連続であり、変化の符号が逆になる。一般に1〜Nが見える範囲を視域と呼び、Nから1に変わる場所を逆視領域と呼んでいる。通常の多眼式で表示される立体像にはこのような視域の制限が存在し、正しい立体像が観察できる範囲は限られている。本発明の請求項５ではこの不連続を無くすため、元の多視点像INとI1の間に、I1〜INまでの連続的変化を継承する連続性を付与する。これによって従来視域の境界であったNと1の間が連続的な変化となり、視域の境界すなわち逆視領域を無くすことができる。以下具体的な例を使って説明する。

図１２および図１３に請求項５を実現する多視点像（元画像）の最も基本的な二例を示す。ここでは説明のためにN＝4と小さい値にしたが、Nはより大きい方が見栄えが良く、実際にはN＝30で実験を行い、良好な立体像が得られることを確認している。図１２は表示面より前に飛び出して見える実像を表示するもので、元画像I1〜I4にはオブジェクト像が間隔Wで並び、その位置は画像間でW/4ずつ左にずれている。I1の像１は、視点を左から右に移動するにつれてI2の像２，I3の像３，I4の像４と連続的に位置が変わり、従来の視域境界であるI4からI1への切り替わりでは像１の隣の像５に移動する。像４から像５への移動距離もW/4で、像１〜４の移動距離と等しいため、一連の像移動は全て同等で不連続は生じない。像５はさらにI2の像６，I3の像７と続き、以下途切れることなくこれが繰り返される。このようにしてNと1の間が連続的につながる条件が満たされ、視域の境界が消滅する。さらに各オブジェクト像は、図８で説明したように３次元オブジェクト１２をカメラ１５で撮影した２次元像で（ただし撮影距離は数２のLではない）、像の移動（数字の昇順）に伴い、垂直軸を中心として矢印１３とは反対の方向に一定の角度δずつ回転している。これによってオブジェクトに３次元的な視差が付与されるが、ここで正しい立体感を実現するδは数４で与えられる。

この実施例のようにオブジェクト像を等間隔Wで並べ、隣接する元画像間でW/Nずつ移動するようにすれば自動的に元画像のループ関係が成立する。この時立体像が見える透過画像からの奥行きDは、図に示した輝線１ａから透過画像２ａまでの距離dと、レンズピッチpとによって数５で与えられるが、これと数２、数３とW＝AwからD＝L−dが成り立ち、請求項１〜４と同じになる。

実際にN＝30で作成された透過画像を調べると、オブジェクト像を水平方向に縮小した像が並んだものになっており、一見しただけでは請求項３で作成したものとほとんど変わらない。原理的にも同じオブジェクトを同じ奥行きで作成した請求項５の透過画像と、請求項３の透過画像の違いは僅かである。

図１３は請求項５により、表示面より奥に見える立体像を作成する多視点像（元画像）の例である。前記した手前に飛び出して見える像では、視点が左から右に移動する際にオブジェクト像の位置が右から左へと移動していた。これに対して奥に見える像では、視点が左から右に移動する際にその位置が左から右へと移動する。このように像の移動する方向が逆になる点を除けばあとは同様に扱うことができる。元画像I1〜I4にはオブジェクト像が間隔Wで並び、その位置は画像間でW/4ずつ右にずれている。I1の像１は、視点を左から右に移動するにつれてI2の像２，I3の像３，I4の像４と連続的に位置が変わり、従来の視域境界であるINからI1への切り替わりでは像１の隣の像５に移動する。像４から像５への移動距離もW/4で、像１〜４の移動距離と等しいため、一連の像移動は全て同等で不連続は生じない。像５はさらにI2の像６，I3の像７と続き、以下途切れることなくこれが繰り返される。このようにしてNと1の間が連続的につながる条件が満たされ、視域の境界が消滅する。さらに各オブジェクト像は、移動に伴い図８の垂直軸を中心として、矢印１３とは反対の方向に角度δの回転を行う。

像の移動方向を符号付きで考え、前記図１２の実施例におけるWを正とすれば、図１３の実施例ではWは負の値となる。この結果数５のDも負となり、奥に見える像となることは容易に理解できる。

請求項５の手法は請求項３より複雑で手間がかかるが、請求項３では容易でなかった表現が簡単に実現できるという大きなメリットがある。一例として立体像に奥行きの変化を付ける方法を図１４の実施例（元画像）によって説明する。図１３の実施例と同じくN＝4で像が奥に見える例である。位置によって変化する奥行きをD(x)で表すと、オブジェクト像の移動ピッチは数６で示される位置の関数となる。図１４はD(x)が線形関数で左から右に増加（D(x)は負で絶対値は減少）する場合を示しているが、数６からわかるようにオブジェクト像の移動ピッチもD(x)に比例して変化し、結果としてオブジェクト像の並ぶ間隔も変化することになる。こうして作成した立体像で実際に奥行きを測定し、実際にD(x)が再現されていることが確認された。このように請求項５を用いれば、元画像を作成する際に像の位置を変えるだけで奥行きに変化を付けることが可能になる。同様にオブジェクトの色や形状を位置によって変化させることも可能であるが、視野闘争を生じないようその変化は連続的で、両眼に見える像の違いが大きくなりすぎないように調整しなければならない。

請求項６では多眼式の手法を、請求項２，４と同様の輝点群１ｂと透過画像２ｂからなる装置構成に適用し、２次元的な視差のある立体像を表示する。縦横の視点移動に対応する多視点像（元画像）は図１５に示すようにN行M列からなるN×M枚となる。請求項では元画像のそれぞれを(i, j)で表したが、ここでは図示を容易にするために(i, j)をRiCjと表記する。R1C1〜RMCNの元画像は、同一行のM枚が左右の視点移動、同一列のN枚が上下の視点移動に対応し、各元画像から抽出した画素を、図１６に示すように各輝点１ｂに対応する要素画像に並べて透過画像２ｂを合成する。こうして合成された透過画像２ｂを輝点群１ｂの前に置いて観察すると、図１１と同じ原理で各輝点１ｂによって照明される画素がそれぞれ異なる角度範囲に見え、R1C1〜RMCNが異なる視点位置で観察される。このように請求項５で説明した原理が上下左右に効いて、２次元的な視点移動に対応する立体視が実現される。

このような２次元の多眼式では、左右には観測される画像がMから1に変わる位置で、上下には観測される画像がNから1に変わる位置で不連続が生じる。先ほどと同様にこの不連続を無くすため、元の多視点像RMCj（j＝1〜N）とR1Cjの間に、R1Cj〜RMCjまでの連続的変化を継承する連続性を付与し、RiCN（i＝1〜M）とRiC1の間に、RiC1〜RiCNまでの連続的変化を継承する連続性を付与する。これによって従来視域の境界であったRMとR1及びCNとC1の間が連続的な変化となり、視域の境界すなわち逆視領域を無くすことができる。以下具体的な例を使って説明する。

図１７と図１８を使って本発明請求項６の基本となる実施例を説明する。図１７は表示面より奥に見える立体像を作成する多視点像（元画像）の一つR1C1を示し、図１８はその中央付近が各元画像で変化する様子を示している。説明のためにM＝N＝4と小さい値にしたが、M，Nはより大きい方が見栄えが良く、実際にはM＝N＝30で実験を行い、良好な立体像を得られることを確認している。元画像R1C1〜R4C4にはオブジェクト像が間隔Wで縦横に並び、その位置は上下左右の画像間でW/4ずつ上下ないし左右にずれている。R1C1の像１は、視点を左から右に移動するにつれてR2C1の像２，R3C1の像３，R4C1の像４と連続的に位置が変わり、従来の視域境界であるR4C1からR1C1への切り替わりでは像１の隣の像５に移動する。像４から像５への移動距離もW/4で、像１〜４の移動距離と等しいため、一連の像移動は全て同等で不連続は生じない。像５はさらにR2C1の像６，R3C1の像７と続き、以下途切れることなくこれが繰り返される。同様に縦の列R1C1〜R1C4に注目すれば、斜体数字で示した像1〜7の上下移動に同じ関係が成り立っている。このようにしてRMとR1及びCNとC1の間が連続的につながる請求項６の条件が満たされ、視域の境界が消滅する。さらに各オブジェクト像は、図８（ここでは撮影距離はLではない）に示す３次元オブジェクト１２を、iの昇順に伴う像の移動に対しては垂直軸を中心として矢印１３と反対の方向に数４の角度ピッチδで回転し、jの昇順に伴う像の移動に対しては水平軸を中心として矢印１４と反対の方向に角度ピッチδで回転している。これによってオブジェクトに３次元的な視差が付与されるが、両眼視差に対応するのは左右の視点移動に対する運動視差であるので、jの昇順に伴う回転は必ずしも必要ではない。

正方格子状に並ぶ輝点群を使用する場合には、本実施例のようにオブジェクト像を上下左右に等間隔Wで並べ、隣接する元画像間でW/Nずつ移動するようにすれば自動的に多視点像（元画像）のループ関係が成立する。この時立体像が見える画像面からの奥行きDは同様に数５で与えられ、像の移動方向を逆にすれば手前に飛び出して見える像となる。本実施例でM＝N＝30で作成した透過画像２ｂを調べてみると、請求項４と同様オブジェクトの縮小像が縦横に並んだものになっており、その周期と奥行きの関係は請求項４で作成したものと等しく、基本的には同じ原理が成り立っていることがわかる。

例えばM＝N＝30の場合、用意する元画像の数はM×N＝900と非常に多くなるため、透過画像の作成は重い作業になる。そのため上記のようにオブジェクト像が単純に並ぶものであれば請求項４を使う方が簡単である。請求項５と請求項３の関係と同じく、請求項６が請求項４に比べて優れる点は表現の自由度が大きいことにある。これについて以下に説明する。図１７，１８に示した実施例では、図１７に示すように左右の視点移動（R1〜RM）に対するオブジェクト像の移動は矢印Rのごとく水平であり、上下の視点移動（C1〜CN）に対するオブジェクト像の移動は矢印Cのごとく垂直である。立体像としての正確な運動視差を求めるのであるならこうすべきであるが、これにこだわると配列に変化を付ることができない。逆に正確さにこだわらないなら水平垂直の移動を傾斜させることが可能であり、これによって表現の自由度が格段に広がる。上下の視点移動に対するオブジェクト像の移動方向を傾けたり、あるいは左右の視点移動に対するオブジェクト像の移動方向を傾けたり、さらに両方を傾けることも可能である。またオブジェクト像の移動する軌道は直線でなくともかまわない。図１９は左右の視点移動に対するオブジェクト像の移動をサイン関数状にした例である。ただし立体視を損なわないために、左右の視点移動に対する移動は主に左右の移動成分を持ち、上下の視点移動に対する移動は主に上下の移動成分を持つものでなければならず、極端に大きな傾斜とするのは好ましくない。請求項５と同様にオブジェクトの色や形状を位置によって変化させることも可能である。このようにオブジェクト像の配列に変化を付けることができるのが請求項６の特徴であり、請求項４で同様のことを実現するのは困難である。

さらに２次元の場合においても奥行きに変化を付けることが可能である。請求項５の実施例図１４と同じく、数６によって像の移動ピッチを場所によって変化させれば良い。ただし上下の視差についても奥行きを一致させるためには、上下の移動ピッチと像間隔も同様に変えなければならない。オブジェクトが奥に見える場合の実施例を図２０の元画像によって示す。この例はD(x)が線形関数で左から右に減少（絶対値は増加）する場合を示しているが、左右だけでなく上下の移動ピッチも数６に一致させた結果、放射状にオブジェクト像が並ぶ結果となった。なお上下と左右の奥行きを一致させることにこだわらなければ、より自由な表現が可能になるし、また敢えて一致させないことで、錯視のような不思議な表現を求めることもできる。

本発明の請求項２，４，６に使用する輝点群は、特許文献９に記載されているようにピンホールの並んだ遮光板を拡散光源にのせて作ることができるし、請求項１，３，５に使用する輝線群は、スリットの並んだ遮光板を拡散光源にのせて作ることができる。ただしこの方法では拡散光源が発する光線のごく一部しか利用する事ができず、著しく効率が悪い。装置全体を薄いパネル状にしたいのであれば、特許文献１０の図１６，１７に記載されている導光板を用いる方法が有効で、効率（光線利用率）も前者より高くすることができ好ましい。さらにもし装置の薄さにこだわりがないのであれば、本発明の請求項７〜１０に記載されている方法で作成した輝点群、輝線群を使用することで、効率が高く、高機能な表示装置を実現することができる。

特許文献１１や非特許文献１〜６の表示装置では、レンチキュラレンズないしレンズアレイと周期画像の相対位置を動かすことで立体像が大きく移動し、アニメーションのような効果を得ることができた。ただこれには周期画像ないしレンチキュラレンズやレンズアレイを動かすための機械部品を加える必要がある。一般的に摩耗のある機械部品は電子部品に比べ寿命が短く、また装置の重量が重くなるなど、メインテナンスやコストの問題から極力使わないとが望まれるが、従来法でアニメーション効果を実現するには、動力と機械部品を省くことは困難である。

一方、本発明の請求項１〜６では、輝線群ないし輝点群の移動によって同様のアニメーション効果を実現することができる。図１を見ればわかるように、輝線群ないし輝点群１の位置を左右に移動させると、これに伴って像４，６の位置も左右に移動し、１がピッチpだけ動くと像４，６もWだけ動いて元の位置に戻る。さらに請求項３〜６であれば移動に立体像の回転や形態変化が加わり、アニメーションのような効果となる。

本発明の請求項７〜１０では、動力や機械部品を使わず、光源の点滅によって輝線群や輝点群を移動させ、アニメーションの効果を実現する。まず請求項７および請求項９において輝線群、輝点群を形成する原理を図２１によって説明する。レンズアレイ１８の焦点面には透過性拡散スクリーン２０が置かれ、反対の側に所定の距離だけ離れて光源の列２１が設置される。ここで使用する光源は発光面積が小さい物が好ましく、頻繁に点滅させるため制御が容易な高輝度のLEDを用いることが好ましいが、フィラメントの小さな白熱電球なども使用することができる。またここで言う焦点面とはレンズアレイの各レンズによって光源の像が投影される面である。図で光源１７を点灯すると、その光は各レンズによって収束されてスクリーン２０上に光源の縮小像１を形成するが、レンズアレイ１８がレンチキュラレンズであれば１は輝線となり、請求項１，３，５で使うことのできる輝線群が生成され（請求項７）、レンズアレイ１８が平面上に凸レンズが並んだレンズアレイであれば１は輝点となり、請求項２，４，６で使うことのできる輝点群が生成される（請求項９）。ここで光源列の点灯する位置が矢印２２の方向に移動すると、輝線群ないし輝点群は矢印２３の方向に移動するため、これによって上記したアニメーション効果を実現することができる。また列２１をピッチpだけ輝線群ないし輝点群を移動できる長さにすれば、アニメーション効果を切れ目のないループにすることが可能になる。

レンズアレイ１８と光源列２１までの距離をO、レンズアレイの曲率中心からスクリーン２０までの距離（焦点距離に相当）をsとすると、投影倍率はs／Oとなるため、例えば光源に3mmφのLEDを使い、s＝3mm，O＝300mmなら輝線ないし輝点の幅は0.03mmとなり、ピッチpが1mm前後なら十分実用的なサイズになる。なおpは数７で求められ、レンズピッチqよりやや大きくなる。

請求項７では図２２に示すように、光源の列２１ａは水平（レンチキュラレンズ１８ａのシリンドリカルレンズに垂直な方向の）位置が異なるように並べ、点灯位置１７ａを矢印２２ａの方向に動かすことで、スクリーン２０ａに生じた輝線１ａを矢印２３ａの方向に移動させることができる。これを使って図２や図６の表示装置を作れば、光源の点滅を使って像４ａ，９ａを左右に動かし、アニメーション効果を実現することができる。光源の列２１ａは縦位置をずらして複数設置することができるので、必要なら列の数を増やして明るさを増したり、縦方向の輝度斑を減らすことができる。一方請求項９では例えば図２３に示すように、光源を縦の列２１ｂｖと横の列２１ｂｈに並べ、点灯位置１７ｂを矢印２２ｂｖの方向に動かせばスクリーン２０ｂに生じた輝点１ｂを矢印２３ｂｖの方向に、矢印２２ｂｈの方向に動かせば輝点１ｂを矢印２３ｂｈの方向に移動させることができる。これを使って図３や図７の表示装置を作れば、光源の点滅を使って像４ｂ，９ｂを上下左右に動かし、アニメーション効果を実現することができる。もちろん光源を斜めに並べれば、像を斜めに動かすことも可能である。

図２２，２３の装置で光源とレンズアレイの距離を近づけると、中心と周辺での明るさの違いが大きくなって照明斑を生じ易く、またレンズアレイの周辺部では光線の斜入射による収差が増加して、輝線ないし輝点のサイズが大きくなるという問題を生じる。このため光源とレンズアレイの距離は十分に長くとる必要があり、ある程度奥行きの大きな装置になることは避けられない。特に大きな画面サイズを必要とするときは、装置が薄くできないことは大きな欠点となる。請求項８および請求項１０では、複数の光源を点灯させて照明することにより上記の問題を避け、装置の薄型化を可能にする。

まず請求項８および請求項１０において輝線群、輝点群を形成する原理を図２４によって説明する。レンズアレイ１８の焦点面には透過性拡散スクリーン２０が置かれ、反対の側に所定の距離だけ離れてより多数の光源が並ぶ列２５が設置される。図では三つの光源２４が同時に点灯しているが、それらの光はレンズアレイ１８の各レンズによって収束されてスクリーン２０上の同じ位置に収束し、光源の縮小像１を形成する。間隔Qで並んだ複数の光源が同じ位置に収束する条件は数８で与えられる。

複数の光源で照明することによって、距離Oが小さくても輝度斑を生じにくく、入射角の大きな光線は以前として存在するが、指向性のある光源を使うことで減少させることができるため、収差の影響も抑制することができる。間隔Qの関係にある光源をグループとし、点灯する位置を矢印２６の方向に移動すれば、スクリーン２０上の輝線ないし輝点を矢印２７の方向に動かすことができる。このようにして請求項７および請求項９と同じ機能を持ちつつ、装置の奥行きを減少させることが可能になる。レンズアレイ１８がレンチキュラレンズであれば１は輝線となり、図２５に示すような構成で請求項１，３，５で使うことのできる輝線群が生成される（請求項８）。光源の列２５ａは縦位置をずらして複数設置することができるので、必要なら列の数を増やして明るさを増したり、縦方向の輝度斑を減らすことができる。一方レンズアレイ１８が平面上に凸レンズが並んだレンズアレイであれば１は輝点となり、図２６に示すような構成で請求項２，４，６で使うことのできる輝点群が生成される（請求項１０）。縦横に並んだ光源２５ｂの内、間隔Qの関係にある格子点上の光源２４ｂをグループとして同時に点灯し、点灯する位置を上下左右、あるいは斜めに移動させて輝点群を動かすことができる。

以上説明したように、請求項７〜１０を使うことで動力と機械部品を使わずに、請求項１〜６にアニメーションの効果をもたせることができ、さらに請求項８および１０によれば、アニメーション機能を有する装置の薄型化が可能になる。またこのようにレンズを使って光源の縮小像を作り、輝線や輝点とする方法は光線利用率が高いため、明るい輝線や輝点を容易に作ることができる。この点でもピンホールやスリットを使う方法に比べて優れている。

１ ・・・ 輝点(群)ないし輝線(群)
１ａ ・・・ 輝線(群)
１ｂ ・・・ 輝点(群)
２，２ａ，２ｂ ・・・ 透過画像
３，３ａ，３ｂ ・・・ １よりピッチの短い周期画像
４，４ａ，４ｂ ・・・ 飛び出して見える実像
５ ・・・ １よりピッチの長い周期画像
６ ・・・ 奥に見える虚像
７ ・・・ 観察者の視点移動
８−０，８−２，８ａ，８ｂ ・・・ １よりピッチの短い立体像の周期画像
９，９ａ，９ｂ ・・・ 飛び出して見える立体像
１０−０，１０−２ ・・・ １よりピッチの長い立体像の周期画像
１１ ・・・ 奥に見える立体像
１２ ・・・ 立体像となるオブジェクト
１３ ・・・ 垂直軸を中心とする回転
１４ ・・・ 水平軸を中心とする回転
１５ ・・・ カメラ
１６ ・・・ シリンドリカル凹レンズ
１７，１７ａ，１７ｂ ・・・ 点灯光源
１８ ・・・ レンズアレイ
１８ａ ・・・ レンチキュラレンズ
１８ｂ ・・・ ２次元レンズアレイ
１９ ・・・ レンズの曲率中心
２０，２０ａ，２０ｂ ・・・ 透過拡散スクリーン
２１，２１ａ，２１ｂｖ，２１ｂｈ ・・・ 光源の列
２２，２２ａ，２２ｂｖ，２２ｂｈ ・・・ 点灯光源の移動方向
２３ ・・・ 輝線ないし輝点の移動方向
２３ａ ・・・ 輝線の移動方向
２３ｂｖ，２３ｂｈ ・・・ 輝点の移動方向
２４，２４ａ，２４ｂ ・・・ 点灯光源
２５，２５ａ，２５ｂ ・・・ 光源の列
２６，２６ａ ・・・ 点灯光源の移動方向
２７ ・・・ 輝線ないし輝点の移動方向

Claims (10)

1. 平面上に平行に並んだ輝線群と、該平面と所定の間隔をおいて平行に置かれた透過画像とからなり、該透過画像を通して輝線群を観察する装置において、該透過画像には該輝線の並ぶ間隔とは僅かに異なる間隔で並ぶ図形、ないし周期の周期模様が描かれることで、該輝線群に垂直な方向に拡大された該図形ないし該周期模様の像が、該透過画像の面より奥ないし手前に見えることを特徴とする表示装置。
2. 平面上に並んだ輝点群と、該平面と所定の間隔をおいて平行に置かれた透過画像とからなり、該透過画像を通して輝点群を観察する装置において、該透過画像には該輝点の並ぶ間隔とは僅かに異なる間隔で並ぶ図形、ないし周期の周期模様が描かれることで、拡大された該図形ないし該周期模様の像が、該透過画像の面より奥ないし手前に見えることを特徴とする表示装置。
3. 平面上に平行に並んだ輝線群と、該平面と間隔dをおいて平行に置かれた透過画像とからなり、該透過画像を通して輝線群を観察する装置において、該透過画像には該輝線の並ぶ間隔pとは僅かに異なる間隔wで並ぶ細画像群が描かれ、該細画像は立体的なオブジェクトを該輝線に垂直な方向に縮小投影した像であり、かつ隣り合う細画像は該オブジェクトを該輝線に平行な軸について、数１の角度Δだけ回転して縮小投影した関係にあることで、該オブジェクトの立体的な像が、輝線群の面を基準として数２で表される奥行きLに見えることを特徴とする表示装置。
   

   

   
4. 平面上に並んだ輝点群と、該平面と間隔dをおいて平行に置かれた透過画像とからなり、該透過画像を通して輝点群を観察する装置において、該透過画像には該輝点の並ぶ間隔pとは僅かに異なる間隔wで並ぶ縮小画像群が描かれ、該縮小画像は立体的なオブジェクトを縮小投影した像であり、かつ隣り合う縮小画像は少なくとも該オブジェクトを該輝点群の面に平行な１軸について、数１の角度Δだけ回転して縮小投影した関係にあることで、該オブジェクトの立体的な像が、輝点群の面を基準として数２で表される奥行きLに見えることを特徴とする表示装置。
5. 平面上に平行に並んだ輝線群と、該平面と所定の間隔をおいて平行に置かれた透過画像とからなり、該透過画像を通して輝線群を観察する装置において、該透過画像はN枚の元画像からそれぞれ一定の間隔で縦の線画を抽出し、短冊状の要素画像に並べて合成することで、各元画像が異なる視点位置で観察される多眼式の表示装置であって、1〜Nの元画像には立体的なオブジェクトの像ないし図形が並び、それらの位置が連続的に順次変化する関係にあり、かつN番目の元画像における個々のオブジェクトの像ないし図形の変化が、1番目の元画像における隣のオブジェクトの像ないし図形に引き継がれることで、N番目の元画像と1番目の元画像の関係が1〜Nまでの連続的変化の延長となる性質を持ち、元画像の変化が終端のないループ関係になることを特徴とする表示装置。
6. 平面上に並んだ輝点群と、該平面と所定の間隔をおいて平行に置かれた透過画像とからなり、該透過画像を通して輝点群を観察する装置において、該透過画像はN×M枚の元画像からそれぞれ一定の間隔で画素を抽出し、矩形状の要素画像に並べて画像を合成することで、各元画像が異なる視点位置で観察される２次元の多眼式表示装置であって、元画像のそれぞれを(i, j)（i=1〜M，j=1〜N：iは水平方向、jは垂直方向の並び順）で示すとき、(1, j)〜(M, j)及び(i, 1)〜(i, N)の元画像には立体的なオブジェクトの像ないし図形が並び、それらの位置が連続的に順次変化する関係にあり、かつ(M, j)の元画像、及び(i, N)の元画像における個々のオブジェクトの像ないし図形の変化が、(1, j)及び(i, 1)の元画像における隣のオブジェクトの像ないし図形に引き継がれることで、(M, j)と(1, j)及び(i, N)と(i, 1)の関係が(1, j)〜(M, j)及び(i, 1)〜(i, N)の連続的変化の延長となる性質を持ち、元画像の変化が終端のないループ関係になることを特徴とする表示装置。
7. 請求項１，３，５に記載の表示装置の輝線群が、レンチキュラレンズとその焦点面に置かれた透過性拡散スクリーン、さらに該レンチキュラレンズから所定の距離に並んだ、該レンチキュラレンズの側を照明する複数の光源によって形成され、該光源の点灯位置を移動させることによって該輝線群の位置が移動することを特徴とする請求項１，３，５に記載の表示装置。
8. 請求項１，３，５に記載の表示装置の輝線群が、レンチキュラレンズとその焦点面に置かれた透過性拡散スクリーン、さらに該レンチキュラレンズから所定の距離に並んだ、該レンチキュラレンズの側を照明する光源群によって形成され、該光源群の内、その像が該スクリーン上で同一の輝線群に重なる光源グループを同時に点灯させつつ、点灯する光源グループの位置を移動させることによって該輝線群の位置が移動することを特徴とする請求項１，３，５に記載の表示装置。
9. 請求項２，４，６に記載の表示装置の輝点群が、平面上に凸レンズか並んだレンズアレイとその焦点面に置かれた透過性拡散スクリーン、さらに該レンズアレイから所定の距離に並んだ、該レンズアレイの側を照明する複数の光源によって形成され、該光源の点灯位置を移動させることによって該輝点群の位置が移動することを特徴とする請求項２，４，６に記載の表示装置。
10. 請求項２，４，６に記載の表示装置の輝点群が、平面上に凸レンズか並んだレンズアレイとその焦点面に置かれた透過性拡散スクリーン、さらに該レンズアレイから所定の距離に並んだ、該レンズアレイの側を照明する光源群によって形成され、該光源群の内、その像が該スクリーン上で同一の輝点群に重なる光源グループを同時に点灯させつつ、点灯する光源グループの位置を移動させることによって該輝点群の位置が移動することを特徴とする請求項２，４，６に記載の表示装置。

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