特許 6624513 ３次元像表示装置及び３次元像表示方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6624513

(24)【登録日】2019年12月6日

(45)【発行日】2019年12月25日

(54)【発明の名称】３次元像表示装置及び３次元像表示方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/22 20060101AFI20191216BHJP

   H04N 13/302 20180101ALI20191216BHJP

   H04N 5/74 20060101ALI20191216BHJP

   G02B 13/00 20060101ALI20191216BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/22

   H04N13/302

   H04N5/74 Z

   G02B13/00

【請求項の数】7

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2016-78035(P2016-78035)

(22)【出願日】2016年4月8日

(65)【公開番号】特開2017-187707(P2017-187707A)

(43)【公開日】2017年10月12日

【審査請求日】2018年7月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】特許業務法人 志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高田 英明

(72)【発明者】

【氏名】伊達 宗和

(72)【発明者】

【氏名】川上 徹

(72)【発明者】

【氏名】篠井 むつみ

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 芳人

【審査官】 外山 未琴

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０００９８６２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−２４０９６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−２００６６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５７８２５４７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００６／０６１９５９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００６／００１１５８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２７／２２

Ｈ０４Ｎ １３／００−１３／３０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

画像を表示する複数の画像表示部と、
焦点距離がｆ_１の第１の光学系と、
前記複数の画像表示部が表示する画像であって前記第１の光学系により拡大された画像それぞれを空間中に結像させ、焦点距離がｆ_２の第２の光学系であって前記第１の光学系との主平面間距離を（ｆ_１＋ｆ_２）として配置された第２の光学系と、
を備え、
前記複数の画像表示部のうち、一つの画像表示部は、前記一つの画像表示部の表示面から前記第１の光学系までの距離が（ｆ_１）の位置に配置され、他の画像表示部は、前記他の画像表示部の表示面から前記第１の光学系までの距離が（ｆ_１）から（ｆ_１＋（ｆ_１^２／ｆ_２））までの範囲に配置される、
３次元像表示装置。

【請求項2】

前記複数の画像表示部における各画像は、光合波器を介して重ね合わされ、前記第１の光学系の光軸に沿って前記第1の光学系に入射される、
請求項１に記載の３次元像表示装置。

【請求項3】

前記複数の画像表示部における各表示面は、半透明であり、
前記複数の画像表示部は、前記第１の光学系の光軸に沿って並んで配置されている、
請求項１に記載の３次元像表示装置。

【請求項4】

前記第１の光学系の光軸と前記第２の光学系の光軸とは、平行である、
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の３次元像表示装置。

【請求項5】

前記第１の光学系が複数ある場合、
前記第１の光学系ごとに前記複数の画像表示部を備え、
前記第１の光学系それぞれから前記第２の光学系までの距離は、等しい、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の３次元像表示装置。

【請求項6】

前記第１の光学系が有する光学素子のうち前記第２の光学系側に設けられている光学素子は、隣接する他の前記第１の光学系が有する光学素子のうち前記第２の光学系側に設けられている光学素子との間に隙間なく、前記第２の光学系の主面と平行に配置されている、
請求項５に記載の３次元像表示装置。

【請求項7】

画像を表示する複数の画像表示部と、焦点距離がｆ_１の第１の光学系と、前記第１の光学系との主平面間距離を（ｆ_１＋ｆ_２）として配置され焦点距離がｆ_２の第２の光学系とを備える３次元像表示装置が行う３次元像表示方法であって、
第２の光学系が、前記複数の画像表示部が表示する画像であって前記第１の光学系により拡大された画像それぞれを空間中に結像させるステップ、
を有し、
前記複数の画像表示部のうち、一つの画像表示部は、前記一つの画像表示部の表示面から前記第１の光学系までの距離が（ｆ_１）の位置に配置され、他の画像表示部は、前記他の画像表示部の表示面から前記第１の光学系までの距離が（ｆ_１）から（ｆ_１＋（ｆ_１）^２／ｆ_２）までの範囲に配置される、
３次元像表示方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、３次元像表示装置及び３次元像表示方法に関する。

【背景技術】

【0002】

眼鏡などの器具を用いずに裸眼で見ることが可能な３次元像を表示する技術として、立体錯視現象（ＤＦＤ（Depth-Fused 3-D）錯視現象）方式を用いた技術がある（特許文献１）。特許文献１に記載の技術では、２次元像を表示する複数の表示面を奥行き方向に重ね合わせ、観察者からの奥行き方向の距離に応じて表示面それぞれにおける像の輝度比を変化させることで、３次元像が表示される。

【0003】

しかし、特許文献１に記載の技術では、３次元像を表示させる装置に設けられた表示面又は複数の表示面の間に３次元像を表示させるため、３次元像は装置の内側に表示される。そのため、枠や表示面などがない空間中に３次元像を表示できず、空間中に３次元像で表される物体があたかも存在するような存在感の表現に改善の余地があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第３０２２５５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

前述の事情に鑑み、本発明は、物体が空間中にあたかも存在するような３次元像を表示することができる３次元像表示装置及び３次元像表示方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一態様は、画像を表示する複数の画像表示部と、第１の光学系と、前記複数の画像表示部が表示する画像であって前記第１の光学系により拡大された画像それぞれを空間中に結像させる第２の光学系と、を備える３次元像表示装置である。

【0007】

また、本発明の一態様は、上記の３次元像表示装置において、前記複数の画像表示部における各表示面は、光合波器を介して前記第１の光学系の光軸に対して垂直に配置されており、前記複数の画像表示部における各表示面から前記第１の光学系までの距離は、互いに異なる。

【0008】

また、本発明の一態様は、上記の３次元像表示装置において、前記複数の画像表示装置における各表示面は、半透明であり、前記複数の画像表示装置は、前記第１の光学系の光軸に沿って並んで配置されている。

【0009】

また、本発明の一態様は、上記の３次元像表示装置において、前記第１の光学系の光軸と前記第２の光学系の光軸とは、平行である。

【0010】

また、本発明の一態様は、上記の３次元像表示装置において、前記第１の光学系が複数ある場合、前記第１の光学系ごとに前記複数の画像表示部を備え、前記第１の光学系それぞれから前記第２の光学系までの距離は、等しい。

【0011】

また、本発明の一態様は、上記の３次元像表示装置において、前記第１の光学系が有する光学素子のうち前記第２の光学系側に設けられている光学素子は、隣接する他の前記第１の光学系が有する光学素子のうち前記第２の光学系側に設けられている光学素子との間に隙間なく、前記第２の光学系の主面と平行に配置されている。

【0012】

また、本発明の一態様は、画像を表示する複数の画像表示部と、第１の光学系と、第２の光学系とを備える３次元像表示装置が行う３次元像表示方法であって、第２の光学系が、前記複数の画像表示部が表示する画像であって前記第１の光学系により拡大された画像それぞれを空間中に結像させるステップ、を有する３次元像表示方法である。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、物体が空間中にあたかも存在するような３次元像を浮遊したように表示することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１の実施形態における３次元像表示装置の構成例を示す概略図。

【図2】第２の実施形態における３次元像表示装置の構成例を示す概略図。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における３次元像表示装置及び３次元像表示方法を説明する。なお、以下の実施形態では、同一の符号を付した構成要素は同様の動作を行うものとして、重複する説明を適宜省略する。

【0016】

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態における３次元像表示装置の構成例を示す概略図である。第１の実施形態における３次元像表示装置は、画像表示デバイス１１、１２と、ハーフミラー１３と、凸レンズ１４と、フレネルレンズ１５とを備える。

【0017】

画像表示部としての画像表示デバイス１１、１２は、不図示の装置から出力される画像情報を入力し、画像情報により表される画像を表示面に表示する。画像表示デバイス１１、１２は、例えば液晶ディスプレイなどの表示装置、あるいは液晶パネル又はＤＭＤ（Digital Mirror Device）などを用いたプロジェクション型表示装置である。画像表示デバイス１１、１２の表示面のサイズは、ｄ_０である。画像表示デバイス１１、１２が表示する画像は、特許文献１に記載のＤＦＤ錯視現象方式を用いて３次元像を表示させる画像である。

【0018】

光合波器としてのハーフミラー１３は、画像表示デバイス１１が表示する画像を凸レンズ１４へ向けて透過するとともに、画像表示デバイス１２が表示する画像を凸レンズ１４へ向けて反射する。ハーフミラー１３として、キューブ型ビームスプリッタ又はプレート型ビームスプリッタのいずれが用いられてもよい。また、３次元像表示装置が２つの画像表示デバイス１１、１２を備える場合、反射率と透過率とが等しいビームスプリッタを用いることが好ましい。

【0019】

第１の光学系としての凸レンズ１４は、焦点距離がｆ_１であり、かつサイズがｄ_１のレンズである。凸レンズ１４は、画像表示デバイス１１の表示面からｆ_１の距離に配置されている。画像表示デバイス１２の表示面からハーフミラー１３を介した凸レンズ１４までの光学的距離は（ｆ_１＋ａ）である。すなわち、画像表示デバイス１２は、画像表示デバイス１１に比べ、凸レンズ１４から距離ａだけ離れた位置に配置されている。凸レンズ１４には、画像表示デバイス１１が表示する画像であってハーフミラー１３を透過した画像と、画像表示デバイス１２が表示する画像であってハーフミラー１３で反射した画像とを重ね合わせて得られた画像が入射する。凸レンズ１４の主面は、画像表示デバイス１１の表示面と平行であるとともに、画像表示デバイス１２の表示面と垂直である。なお、図１においては、１つの凸レンズ１４により第１の光学系が形成される例を示しているが、複数のレンズを組み合わせて第１の光学系が形成されてもよい。

【0020】

第２の光学系としてのフレネルレンズ１５は、焦点距離がｆ_２のレンズであり、凸レンズ１４に対して画像表示デバイス１１、１２と反対側に配置されている。フレネルレンズ１５の光軸と凸レンズ１４の光軸とは同じ軸上にある。凸レンズ１４及びフレネルレンズ１５の主平面間距離は、（ｆ_１＋ｆ_２）である。なお、第２の光学系としてフレネルレンズ１５を用いる構成を説明するが、同じ結像特性を有するレンズであれば一般的なレンズを用いてもよい。また、第２の光学系を形成するにあたり、複数のレンズを組み合わせてもよい。

【0021】

図１に示す構成例では、画像表示デバイス１１、１２が表示する画像それぞれを重ね合わせるためにハーフミラー１３を用いる構成を示しているが、凸レンズ１４からの距離差がａである光学的な位置関係を保つ限り、ハーフミラー１３を用いずともよい。例えば透明な液晶ディスプレイパネルを凸レンズ１４と距離ｆ_１の間隔を設けて凸レンズ１４の光軸上に配置し、配置した透明な液晶ディスプレイパネルと距離ａの間隔を設けて凸レンズ１４から（ｆ_１＋ａ）の距離に他の液晶ディスプレイパネルを凸レンズ１４の光軸上に配置してもよい。

【0022】

また、図１に示す構成例では、３次元像表示装置が２つの画像表示デバイス１１、１２を備え、２つの画像を重ね合わせる構成を示しているが、３つ以上の画像を重ね合わせる構成であってもよい。３つ以上の画像を重ね合わせる場合、光合波器としての複数のビームスプリッタを組み合わせて３つ以上の画像を重ね合わせて得られる画像が凸レンズ１４に入射されるようにしてもよいし、３つ以上の半透明な液晶ディスプレイパネルを所定の間隔を設けて凸レンズ１４の光軸上に配置してもよい。

【0023】

図１に示す３次元像表示装置では、画像表示デバイス１１の表示面におけるサイズｄ_０の画像は、凸レンズ１４にて屈折され、フレネルレンズ１５においてサイズｄ_２の投影像となる。画像表示デバイス１１の表示面におけるサイズｄ_０の画像は、凸レンズ１４及びフレネルレンズ１５を通して、フレネルレンズ１５に対して凸レンズ１４が配置されている側と反対側におけるフレネルレンズ１５から距離ｆ_２の位置に結像される。すなわち、フレネルレンズ１５の後方焦点面に、画像表示デバイス１１が表示する画像を拡大した拡大空中像１６が空中結像する。フレネルレンズ１５から距離ｆ_２の位置に結像される画像表示デバイス１１の画像のサイズは、（ｆ_２／ｆ_１）ｄ_０である。また、画像表示デバイス１１の表示面の端部と凸レンズ１４の主点とを結ぶ直線と、凸レンズ１４の光軸とがなす角度はθ_１である。

【0024】

また、画像表示デバイス１２の表示面におけるサイズｄ_０の画像は、ハーフミラー１３で反射された後に凸レンズ１４に入射し凸レンズ１４にて屈折されて、フレネルレンズ１５において画像表示デバイス１１の投影像より小さいサイズの投影像となる。画像表示デバイス１２の表示面におけるサイズｄ_０の画像は、凸レンズ１４及びフレネルレンズ１５を通して、フレネルレンズ１５に対して凸レンズ１４が配置されている側と反対側におけるフレネルレンズ１５から距離（ｆ_２−（ｆ_２／ｆ_１）^２ａ）の位置に結像される。すなわち、画像表示デバイス１１の画像に対する拡大空中像１６の位置からフレネルレンズ１５側に距離（（ｆ_２／ｆ_１）^２ａ）だけ近づいた空間中に、画像表示デバイス１２が表示する画像を拡大倍率（ｆ_２／ｆ_１）で拡大した拡大空中像１７が結ばれる。フレネルレンズ１５から距離（ｆ_２−（ｆ_２／ｆ_１）^２ａ）の位置に結像される画像表示デバイス１２の画像に対する拡大空中像１７のサイズは、（ｆ_２／ｆ_１）ｄ_０である。

【0025】

また、凸レンズ１４のレンズ瞳の拡大像は、フレネルレンズ１５に対して凸レンズ１４が配置されている側と反対側におけるフレネルレンズ１５から距離（（ｆ_２／ｆ_１）（ｆ_１＋ｆ_２））の位置に現れる。凸レンズ１４のレンズ瞳の拡大像は、空間結像アイリス面１８であり、画像表示デバイス１１、１２により表示される画像が空間中に結像した拡大空中像の観察に適した距離である。また、凸レンズ１４及びフレネルレンズ１５の光軸に対して線対称な、無限遠５角形視域Ａ１が形成される。

【0026】

図１に示す構成例では、凸レンズ１４に対する画像表示デバイス１１、１２の位置を前後に移動させても、画像の拡大空中像の拡大倍率は（ｆ_２／ｆ_１）で固定となる。また、拡大空中像１６、１７がフレネルレンズ１５に潜り込んでも拡大倍率は（ｆ_２／ｆ_１）で固定となる。画像表示デバイス１１、１２の表示面のサイズがｄ_０である場合、画像表示デバイス１１、１２の位置に依らず、拡大空中像（拡大虚像）のサイズは、（ｆ_２／ｆ_１）ｄ_０となる。この特徴は、特許文献１に記載されているＤＦＤ錯視現象方式において非常に都合の良い特性である。

【0027】

さらに、画像表示デバイス１１、１２を凸レンズ１４の光軸方向に距離ａだけ移動させると、拡大空中像が結像する位置が距離（ｆ_２／ｆ_１）^２ａ移動する。拡大倍率（ｆ_２／ｆ_１）の２乗で拡大空中像を移動させることができるため、画像表示デバイス１１、１２を僅かに移動させるだけで、拡大空中像１６、１７の結像位置を奥行き方向（光軸方向）に大きく移動させることができる。例えば、（ｆ_２／ｆ_１）＝１０の場合、（ｆ_２／ｆ_１）２＝１００であり、画像表示デバイス１２を１ｍｍ（ａ＝１ｍｍ）移動させると画像表示デバイス１１、１２の画像に対する拡大空中像１６、１７の間隔を１００ｍｍにすることができる。

【0028】

第１の実施形態における３次元像表示装置は、空間結像アイリス面１８の位置及びサイズが、拡大空中像１６、１７の位置に依らず、凸レンズ１４とフレネルレンズ１５との配置及び焦点距離に基づいて定まる点で、優れている。すなわち、画像表示デバイス１１、１２が表示する画像の拡大空中像１６、１７が結像する位置は、観察者の視点位置に影響されない。これは、図１に示されるように、空間結像アイリス面を結像させているフレネルレンズ１５と入射側の焦点距離ｆ_１の凸レンズ１４との位置関係が、画像表示デバイス１１、１２の位置に依らず常に固定となっていることからわかる。空間結像アイリス面のサイズは、（ｆ_２／ｆ_１）ｄ１である。空間結像アイリス面の結像位置は、フレネルレンズ１５から（ｆ_２／ｆ_１）（ｆ_１＋ｆ_２）の距離である。

【0029】

第１の実施形態における３次元像表示装置が、画像を表示する２つの画像表示デバイス１１、１２と、画像表示デバイス１１、１２により表示される画像を重ね合わせて拡大投影する凸レンズ１４と、凸レンズ１４により拡大投影された画像それぞれを空間中に結像させるフレネルレンズ１５と、を備えることにより、物体が空間中にあたかも存在するような３次元像を表示することができる。また、３次元像表示装置によれば、３Ｄメガネなどの特殊な器具を用いずとも、空間中に浮遊した存在感の高い３次元像を表示することができる。また、３次元像の視域は、図１に示した無限遠５角形視域Ａ１のように広くなるため、多人数に対して同時に３次元像を表示することができる。

【0030】

［第２の実施形態］
図２は、第２の実施形態における３次元像表示装置の構成例を示す概略図である。第２の実施形態における３次元像表示装置は、画像表示デバイス１１、１２、２１、２２、３１、３２と、ハーフミラー１３、２３、３３と、凸レンズ１４、２４、３４と、フレネルレンズ１５とを備える。第２の実施形態における３次元像表示装置は、図１に示した第１の実施形態における３次元像表示装置に、画像表示デバイス２１、２２、３１、３２と、ハーフミラー２３、３３と、凸レンズ２４、３４とを加えた構成を有する。

【0031】

画像表示部としての画像表示デバイス２１、２２（３１、３２）は、画像表示デバイス１１、１２と同様に、不図示の装置から出力される画像情報を入力し、画像情報により表される画像を表示面に表示する。画像表示デバイス２１、２２（３１、３２）の表示面のサイズは、ｄ_０である。画像表示デバイス２１、２２（３１、３２）が表示する画像は、特許文献１に記載のＤＦＤ錯視現象方式を用いて３次元像を表示させる画像である。

【0032】

光合波器としてのハーフミラー２３（３３）は、ハーフミラー１３と同様に、画像表示デバイス２１（３１）が表示する画像を凸レンズ２４（３４）へ向けて透過するとともに、画像表示デバイス２２（３２）が表示する画像を凸レンズ２４（３４）へ向けて反射する。

【0033】

第１の光学系としての凸レンズ２４（３４）は、凸レンズ１４と同様に、焦点距離がｆ_１であり、かつサイズがｄ_１のレンズである。凸レンズ２４（３４）は、画像表示デバイス２１（３１）の表示面からｆ_１の距離に配置されている。画像表示デバイス２２（３２）の表示面からハーフミラー２３（３３）を介した凸レンズ２４（３４）までの光学的距離は（ｆ_１＋ａ）である。すなわち、画像表示デバイス２２（３２）は、画像表示デバイス２１（３１）に比べ、凸レンズ２４（３４）から距離ａだけ離れた位置に配置されている。凸レンズ２４（３４）には、画像表示デバイス２１（３１）が表示する画像であってハーフミラー２３（３３）を透過した画像と、画像表示デバイス２２（３２）が表示する画像であってハーフミラー２３（３３）で反射した画像とを重ね合わせて得られた画像が入射する。

【0034】

第２の実施形態における画像表示デバイス１１、１２とハーフミラー１３と凸レンズ１４とフレネルレンズ１５とにおける相対的な位置関係は、図１に示した３次元像表示装置における位置関係と同じである。画像表示デバイス２１、２２とハーフミラー２３と凸レンズ２４とにおける相対的な位置関係は、画像表示デバイス１１、１２とハーフミラー１３と凸レンズ１４とにおける相対的な位置関係と同じである。また、画像表示デバイス３１、３２とハーフミラー３３と凸レンズ３４とにおける相対的な位置関係は、画像表示デバイス１１、１２とハーフミラー１３と凸レンズ１４とにおける相対的な位置関係と同じである。

【0035】

凸レンズ２４、３４は、凸レンズ２４、３４の主面は凸レンズ１４の主面と同じ平面となる位置に配置される。凸レンズ２４は、凸レンズ１４に隣接した位置に隙間なく配置される。凸レンズ３４は、凸レンズ１４に対して凸レンズ２４と反対側に凸レンズ１４に隣接した位置に隙間なく配置される。すなわち、３つの凸レンズ１４、２４、３４（光学素子）は、凸レンズ３４、凸レンズ１４、凸レンズ２４の順に接触させて配置され、レンズアレイを形成する。

【0036】

図２に示す３次元像表示装置では、画像表示デバイス２１（３１）の表示面におけるサイズｄ_０の画像は、凸レンズ２４（３４）にて屈折され、フレネルレンズ１５においてサイズｄ_２の投影像となる。ただし、凸レンズ２４（３４）は、凸レンズ１４に対して距離ｄ_１ずれた位置に配置されているため、投影像もフレネルレンズ１５において距離ｄ_１ずれた位置に投影される。

【0037】

画像表示デバイス２１（３１）の表示面におけるサイズｄ_０の画像は、凸レンズ２４（３４）及びフレネルレンズ１５を通して、フレネルレンズ１５に対して凸レンズ２４（３４）が配置されている側と反対側におけるフレネルレンズ１５から距離ｆ_２の位置に結像される。すなわち、フレネルレンズ１５の後方焦点面に、画像表示デバイス２１（３１）が表示する画像を拡大した拡大空中像２６（３６）が空中結像する。フレネルレンズ１５から距離ｆ_２の位置に結像される画像表示デバイス２１（３１）の画像のサイズは、（ｆ_２／ｆ_１）ｄ_０である。画像表示デバイス１１、２１、３１が表示する各画像に対する拡大空中像１６、２６、３６は、フレネルレンズ１５の後方焦点面の同じ位置に、同じ拡大率（ｆ_２／ｆ_１）で空中結像されるため、拡大空中像１６、２６、３６を重ね合わせた多重拡大空中像４６として現れる。よって、多重拡大空中像４６は、空中結像マルチビューディスプレイとして機能する。

【0038】

画像表示デバイス２２（３２）の表示面におけるサイズｄ_０の画像は、ハーフミラー２３（３３）で反射された後に凸レンズ２４（３４）に入射し凸レンズ２４（３４）にて屈折された、フレネルレンズ１５において画像表示デバイス２１（３１）の投影像より小さいサイズの投影像となる。画像表示デバイス２２（３２）の表示面におけるサイズｄ_０の画像は、凸レンズ２４（３４）及びフレネルレンズ１５を通して、フレネルレンズ１５に対して凸レンズ２４（３４）が配置されている側と反対側におけるフレネルレンズ１５から距離（ｆ_２−（ｆ_２／ｆ_１）^２ａ）の位置に結像される。

【0039】

すなわち、画像表示デバイス２１（３１）の画像に対する拡大空中像２６（３６）の位置からフレネルレンズ１５側に距離（（ｆ_２／ｆ_１）^２ａ）だけ近づいた空間中に、画像表示デバイス２２（３１）が表示する画像を拡大倍率（ｆ_２／ｆ_１）で拡大した拡大空中像２７（３７）が結ばれる。フレネルレンズ１５から距離（ｆ_２−（ｆ_２／ｆ_１）^２ａ）の位置に結像される画像表示デバイス２２（３２）の画像に対する拡大空中像２７（３７）のサイズは、（ｆ_２／ｆ_１）ｄ_０である。拡大空中像２７（３７）は、凸レンズ１４の位置に対して凸レンズ２４（３４）が位置する方向にずれて結像する。

【0040】

なお、図２において、拡大空中像１７、２７、３７それぞれをフレネルレンズ１５の光軸方向にずらして示しているが、拡大空中像１７、２７、３７の結像位置の主面方向のずれを示すためであって、拡大空中像１７、２７、３７の結像位置は、フレネルレンズ１５から距離（ｆ_２−（ｆ_２／ｆ_１）^２ａ）の位置である。

【0041】

図２に示す３次元像表示装置は、ＤＦＤ錯視現象方式を用いた３次元像をフレネルレンズ１５の主面に平行な方向に拡張した構成を有している。図１に示したように空間結像アイリス面１８の位置及びサイズが凸レンズ１４の光軸方向における画像表示デバイス１１、１２の位置に依存しないのと同様に、凸レンズ２４（３４）の空間結像アイリス面２８（３８）も画像表示デバイス２１、２２（３１、３２）の位置に依存しないので、凸レンズ２４（３４）とフレネルレンズ１５との配置及び焦点距離に基づいて定まる。図２に示す３次元像表示装置は、凸レンズ１４、２４、３４が平行に隙間なく配置されているため、凸レンズ１４、２４、３４からなるレンズアレイの像をフレネルレンズ１５が拡大倍率（ｆ_２／ｆ_１）で結像位置（ｆ_２／ｆ_１）（ｆ_２＋ｆ_１）の距離に、空間結像アイリス面１８、２８、３８のアレイとして、ギャップ及びオーバーラップなく隣接して空中に結像させる。

【0042】

フレネルレンズ１５に近づく方向に、距離（ｆ_２／ｆ_１）^２ａだけシフトした位置に結像する拡大空中像１７、２７、３７は、ＤＦＤ錯視現象方式を用いた表示の手前の多重拡大空中像４６に対し観察方向の中心位置に合わせて、横方向に少しずつずれて結像する。これは、ＤＦＤ錯視現象方式による３次元像を見る際に斜めから見る場合は、見る方向に合わせて奥行き方向において奥に位置する表示面がずれて結像するため、斜めＤＦＤ錯視現象方式による３次元像の表示として理想的な配置となる。

【0043】

また、ｄ_０≦ｄ_１である場合には、視域が遠方に無限に存在する無限遠５角形視域Ａ１、Ａ２，Ａ３が形成される。ｄ_０＞ｄ_１である場合には、遠方に行くに従って視域が狭くなり、閉じた領域に限定されたダイヤモンド形視域となる。ダイヤモンド形視域は、一般的なマルチビューディスプレイや裸眼３Ｄ表示方式に多く用いられている構成である。ＤＦＤ錯視現象方式では、右眼と左眼とに対して異なる画像を表示しなくても立体表示が可能であり、一視域の幅を両眼の眼間距離より大きく取ることができるため、無限遠５角形視域とするとこで視域数を大幅に削減して構成を簡略化、かつ表示に必要な情報量を大幅に削減でき、また、横方向にも奥行き方向にも広い視域を確保できる大きな利点がある。

【0044】

第２の実施形態における３次元像表示装置は、第２の光学系としてのフレネルレンズ１５の主面と平行に、第１の光学系としての凸レンズ１４、２４、３４を並べてマルチビュー表示として展開する場合でも、フレネルレンズ１５の主面と平行な方向の視域の切れ目が全ての奥行き方向の画像表示デバイスで一致するため、クロストークのない非常に優れた連続した３次元像表示を実現することができる。また、画像表示デバイス１１、１２と、画像表示デバイス２１、２２と、画像表示デバイス３１、３２とのぞれぞれの画像により形成される異なる３次元像の視域が空間結像アイリス面において連続しているため、３次元像表示装置は、空間結像アイリス面を移動する観察者に対して、なめらかな運動視差を有する３次元像を提供できる。また、３次元像表示装置による３次元像の視域は広いため、多人数で同時に同じ浮遊３次元像を見ることができる。

【0045】

また、第２の実施形態における３次元像表示装置は、空間結像アイリス面が奥行き方向の画像表示デバイスそれぞれの位置に依存せず、全ての空間結像アイリス面が一致する特性より、一視域の空間結像アイリス面の横には光が到達しないため、ここに隣の横方向ＤＦＤ錯視現象方式の空間結像アイリス面を隣接させると、ギャップもクロストークもない、横方向のマルチビューＤＦＤ錯視現象方式の３次元像を空中に表示できる。

【0046】

なお、第２の実施形態では、フレネルレンズ１５の主面（又は光軸に対して直交する面）に平行に３つの凸レンズ１４、２４、３４（第１の光学系）を隙間なく並べる構成を説明した。しかし、２つ又は４つ以上の凸レンズと、当該凸レンズに対応して設けられる複数の画像表示デバイスとを備え、２つ又は４つ以上のクロストークのない連続した３次元像を表示してもよい。

【0047】

上述の各実施形態における３次元像表示装置によれば、フレネルレンズ１５に対して観察者側の空間中に３次元像を結像させることができるため、３Ｄメガネのような特殊な器具を用いることなく、画像表示デバイスにて表示する物体が空間中にあたかも存在するような存在感のある３次元像を表示できる。すなわち、３次元像表示装置は、表示面や枠のない空間中に３次元像を結像させることができ、空中浮遊３次元像を表示できる。３次元像表示装置による３次元像は空間中に表示されるため、観察者が３次元像に手をかざすことで像のサイズ感を得ることができる。また、３次元像表示装置は、凸レンズ１４、２４、３４から異なる距離に配置された画像表示デバイス１１、１２、２１、２２、３１、３２により表示される画像をフレネルレンズ１５からの距離が異なる位置に結像させることで、各画像を重ねて見ることができる領域を広くでき、３次元像の視域を広げることができる。

【0048】

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

【産業上の利用可能性】

【0049】

物体が空間中にあたかも存在するような３次元像を表示することが不可欠な用途にも適用できる。

【符号の説明】

【0050】

１１、１２、２１、２２、３１、３２…画像表示デバイス
１３、２３、３３…ハーフミラー
１４、２４、３４…凸レンズ
１５…フレネルレンズ
１６、１７、２６、２７、３６、３７…拡大空中像
４６…多重拡大空中像
１８、２８、３８…空間結像アイリス面
Ａ１、Ａ２、Ａ３…無限遠５角形視域

【図1】

【図2】