JP2585614B2

JP2585614B2 - 立体画像出力装置

Info

Publication number: JP2585614B2
Application number: JP62199569A
Authority: JP
Inventors: 淳大谷; 哲男田尻
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1987-08-10
Filing date: 1987-08-10
Publication date: 1997-02-26
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: JPS6442998A

Description

【発明の詳細な説明】（発明の属する技術分野）本発明は、簡易な構成でフルカラー動画像の実時間表
示が可能であり、特殊な眼鏡等を必要とせず、裸眼で立
体感が得られる立体画像出力装置に関するものである。

（従来の技術）従来のこの種の技術としては、両眼視差方式、バリフ
ォーカルミラー方式、ホログラフィ方式があった。

両眼視差方式には、さらに眼鏡を使用する方式と使用
しない方式が存在するが、いずれも左右眼用の画像を独
立に左・右眼に入力し、人間の脳の生理的機能により立
体感を生じさせるものである。

眼鏡を使用する方式には、赤・青フィルタ方式、偏光
フィルタ方式、時分割シャッタ式がある。

赤・青フイルタ方式は、眼鏡の左右眼部に各々赤と青
のフィルタを貼るとともに、左右眼用の画像を各々赤と
青で表示することにより、左右眼用の画像を独立に眼に
入力するものだが、カラー化が困難である。

偏光フィルタ方式は第９図に示すように、眼鏡の左右
眼部に異なる方向の偏光フィルタを貼るとともに、これ
に対応して２台のCRTに偏光フィルタを貼り、２台のCRT
各々に左右眼用の画像を表示して、立体感を得るもので
ある。

時分割シャッタ方式は、第10図に示すように、インタ
レース付き画像表示の奇数・偶数フレームに各々左右眼
用の画像を表示し、眼鏡の左右眼部をフレームの切り替
えに同期させて開閉することにより左右画像を独立して
各々の眼に入力して立体感を得るものである。

第９図と第10図の両方式はフルカラー動画表示が可能
であるが、眼鏡を用いる方式共通の欠点として眼鏡を装
着することの煩わしさがある。

また、立体TV会議や立体TV電話等の人対人のサービス
への適用を考えると、互いに眼鏡をかけた不自然さを感
じる欠点がある。

両眼視差方式における眼鏡を用いない方式としては、
レンティキュラーレンズを用いるものがある。

第11図に示すように、かまぼこ形の凸レンズを多数並
べたものを利用して、左右眼用の画像を独立して左右眼
に入力するものだが、頭の位置を僅かに動かすことによ
り、画像の不連続性を感じたり、立体感が得られなくな
るという欠点がある。

バリフォーカルミラー方式は、第12図に示すように、
映像系で焦点可変鏡の焦点を高周波で変化させ、この状
態で撮像を行い、再生系で撮像系の焦点の変化に同期さ
せて焦点を変化させ、これを観察すれば、焦点の合う面
が奥行き方向に高速に変化しているので、立体像を見る
ことができる。本方式の欠点は、焦点の合う面と合わな
い面が重なって表示されるため、鮮明さに欠けること
と、光学系の装置構成が大きくなることである。

ホログラフィ方式は、第13図に示すように、レーザー
光を２分して一方を対象物に照射するとともに、他方を
参照光として利用し、対象物の回折光との干渉縞をホロ
グラムに記録し、再生系において参照光を照射すること
により立体像を得るものである。

この方式は、実体性は高いものの、カラー動画と実時
間記録が難しく、被写体が自然物であり、大きなもので
あったりすると記録ができないという欠点があった。

（発明の目的）本発明の目的は、特殊な眼鏡等を使用せず裸眼での観
察を可能にし、頭の位置をある程度自由にできるよう
に、フルカラー動画像の実時間立体表示を可能にするこ
とにある。

（発明の構成）（発明の特徴と従来の技術との差異）本発明の概念的原理は、第１図に示すように、画像表
示部の各画素毎に焦点制御可能な凸レンズを表示面側に
設け、撮像系側において測定された各画素に対応する点
までの奥行情報に基づき、各凸レンズの焦点を制御し、
各発光素子の実像又は虚像の生じる位置を制御すること
にある。

具体的には，各画素毎の距離と色彩情報または輝度情
報とを入力する手段と，入力距離情報の量子化レベルに
応じた位置に結像するように前面にレンズが配置された
複数の光源素子と，前記複数の光源素子のうち，入力距
離情報によって選択された光源素子を，色彩情報または
輝度情報に基づいて発光させる手段と，前記光源素子か
らの光路をハーフミラーを用いて最終的に共通化し，入
力系と同期してラスタースキャンを行うことにより，各
画素の結像位置を奥行き方向に変化させた立体画像を構
成する手段とを設ける。

このように構成すれば、観察者は、恰も各発光素子が
表示部の奥行方向に各々の距離に応じて配置されている
ように感じ、結果として対象物を立体画像として感知す
ることができる。

従来の両眼視差方式とは、特殊な眼鏡等を必要とせ
ず、頭の移動により画像の自然な飛びや不連結を避ける
ことができる点が異なる。

バリフォーカルミラー方式とは、対象物までの奥行情
報を用いるため、画像がより鮮明である点が異なる。

ホログラフィ方式とは、フルカラー動画像表示が容易
に行える点が異なる。

（実施例）第１図に示したのは概念的原理であり、実際にこれを
構成するのは可能であるが、困難である。

すなわち、発光素子（ブラウン管等の場合は、各走査
線上の有効な分解能に対応）の数はN²個（通常Ｎ＝500
程度）であり、これだけオーダーの数の焦点制御可能な
凸レンズ群を配置するのは、価格、工程数、実装法の面
から見て、非現実的であるからである。

第２図は、本発明の実施例であり、１は立体画像入力
部、２は色彩情報、３は距離情報、４は立体画像出力
部、５は立体画像用光源部、６は水平走査用ポリゴンミ
ラー、７は垂直走査用ポリゴンミラー、８は立体画像構
成部、406は表示用光路である。

これを動作するには、入力部１で撮像対象を画像とし
て促え、各画素の角度｛３原色赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青
（Ｂ）の輝度｝および奥行を測定して、各々色彩情報２
と距離情報３を得て、立体画像出力部４へ伝送する。

第３図（ａ）は入力部１の例を示したものであり、10
1はカラーTVカメラ（モノクロTVカメラでも可）、102は
カメラ101の視野、103は赤外レーザ投光器、104はハー
フミラー、105は赤外フィルタ、106はシーン中の物体、
107は投光器103により照射された物体106上のビームス
ポット、108は２次元ポジションセンシングデバイス（P
SD）、109は位相距離計、110は距離演算回路である。

この動作は、まずカラーTVカメラ101により、シーン
中の物体106を含むシーンが、第３図（ｂ）のように、
R,G,B3枚の画像としてフレーム周期（通常60Hz）毎に得
られる。

シーン中の物体106を含むシーンの立体表示を得るた
めには、第３図（ｂ）のよに、R,G,B画像の各画素の距
離情報を得ること、つまり全画素の距離情報からなる距
離画像を入力する必要がある。

このため、赤外レーザ投光器103から、TVカメラの視
野102（受光素子が正方形なので正四角錐形状である）
と一致させて、赤外レーザビームの照射をカラーTVカメ
ラ101の入力と同期して行う。

ここで、赤外レーザを用いるのは、可視光レーザを用
いた場合、ビームの画像がカラーTVカメラ101より入力
されるので、これを防ぐためである。

第４図は赤外レーザ投光器103の例を示す。

151は赤外レーザ光源、152は水平方向走査用ポリゴン
ミラー、153が垂直走査用ポリゴンミラー、154は赤外レ
ーザビーム照射角制御用凹レンズである。

赤外レーザ光源151より射出されるビームは、水平走
査用ポリゴンミラー152で反射する。水平走査用ポリゴ
ンミラー152の回転数をＮ、ミラーの辺の数をＫとする
と、単位時間Ｋ・Ｎ回の水平方向のビームのスキャンが
行える。

現存Ｎ＝400（rps）、Ｋ＝48程度のポリゴンミラーの
実用化例があるので、TV系の水平走査周波数の約15K Hz
も充分実現可能である。

同様に水平走査用ポリゴンミラー152の回転軸と直交
して垂直走査用ポリゴンミラー153の回転軸を配置する
ことにより、垂直方向の走査が可能である。当然TV系の
垂直走査周波数の60Hzも実現可能である。

このように、TVカメラ系と同期した、ビームのラスタ
ースキャンが可能である。

また、ビームの射出角をカラーTVカメラ101の視野102
（カラーTVカメラ101の焦点距離により変化する）と一
致させるために、赤外レーザビーム射出角制御用凹レン
ズ154の位置を調整可能にし、射出角を制御する。

赤外レーザ投光器103の主軸上に、ハーフミラー104、
TVカメラの主軸上に赤外光反射、可視光透過の赤外フィ
ルタ105を各２軸と45゜なすように配置して、TVカメラ
の視野とレーザビームの照射範囲を一致させる。

このようにすると、シーン中の物体106上にビーム・
スポット107が形成されるが、この奥行方向の距離Ｚ
（X,Y,Z系を第３図のようにとる）は、ビームスポット
の各光素子上の２次元座標が出力可能な２次元ポジショ
ンセンシングデバイス108を用いて、三角測量の原理に
より求まる。

カラーTVカメラ101と２次元ポジションセンシングデ
バイス108の主軸関係をＤとすると、 γはビームの射出角、χはビームの２次元ポジションセ
ンシングデバイス108上のＸ座標｛２次元ポジションセ
ンシングデバイス108の中心を（X,Y）＝（0,0）とす
る｝、ｌはレンズ中心と２次元ポジションセンシングデ
バイス108受光部の距離、Ｌは２次元ポジションセンシ
ングデバイス108のレンズ中心のＺ座標である。

距離演算回路110はこの演算を行い距離を求める。

しかし、三角測量法においては、観測方向の違いによ
る不可視領域が存在するという問題点がある。そこで、
レーザ光をパルス変調し、位相距離計109により距離を
求めれば、不可視領域の問題はない。しかし、位相を用
いているので360゜以上の精度がないため、距離が一意
的に求まらず、三角測量を併用すること等により改善し
なければならない。

以上のようにして、カラーTVカメラ101の出力として
色彩情報２が、距離演算回路110の出力として距離情報
３が得られる。当然、実際の物体だけでなく、CAD等の
コンピュータにより作成された画像を、R,G,B用のメモ
リーに加えて距離画像用のメモリーを用意することによ
り、各メモリー内容を読みだして立体画像出力部４へ伝
送することにより、立体表示が可能である。

立体画像出力部４へ伝送とれた色彩情報２と距離情報
３は、まず立体画像用光源部５へ入力される。

第５図は立体画像用光源部５の実施例である。401は
アナログスイッチ、402はアナログスイッチ選択回路、4
03はアナログスイッチ用ON信号、404は光源素子、405は
ハーフミラー、406は表示用光路である。

色彩情報２は、距離信号の量子化数（第５図では４）
だけ用意されたアナログスイッチ401に分岐される。距
離情報３はアナログスイッチ選択回路402により表示の
ためのクロック（TV表示と同等なら7.5M Hz程度）に従
いデジタル化され（距離情報３がアナログ信号のと
き）、その量子化レベルに対応するアナログスイッチ40
1にアナログスイッチ用ON信号403を入力すると、色彩情
報２がアナログスイッチ401を通って、入力された距離
情報３の量子化レベルに対応する光源素子404へ入力さ
れる。

第６図は光源素子の構成を示す図である。

430はフルカラープラズマディスプレイ（カラーTVカ
メラ101がモノクロのときはモノクロディスプレイ）、4
31はコリメータレンズ、432は光源結像用レンズ、433は
光源の像である。

色彩情報２に応じて、フルカラーディスプレイ430の
全素子が同じ色に同時に発色する。これをコリメータレ
ンズ431により細いビームに集光する。

次に、コリメータレンズ431により光源の像433を表示
用光路406上に形成する。ここで、光源の像433の表示用
光路406の位置は、後述のように、距離の量子化レベル
に応じて、光源素子404毎に設定を変える。

光源素子404から照射されたビームはハーフミラー405
を通り、共通の表示用光路406上の量子化レベルに応じ
た位置にアナログスイッチ選択回路402のクロックに同
期して結合される。

ここで、光源としてプラズマディスプレイを用いたの
は、フルカラー化が可能なことと、応答時間が速いため
である。

また、フルカラープラズマディスプレイ430の発光素
子の光量はハーフミラー405により減衰される（量子化
レベルが2^N段とすると1/2^Nに光量が減る）ため、この減
衰分を考慮に入れた数に設定する。

このようにして、第２図で、ビームが表示用光路406
に沿って、水平走査用ポリゴミラー６に入射される。水
平走査用ポリゴンミラー６と垂直走査用ポリゴンミラー
７機能は第４図に示した水平および垂直走査用ポリゴン
ミラー152および153と全く同じで、各々ビームの水平、
垂直方向の走査を行うものである。ビームは立体画像構
成部８へ入射される。

第７図は、立体画像構成部８の例を示す。

ビーム照射の中心450（ビームがポリゴンミラー６と
７により反射され構成される正四角錐の頂点）に焦点を
もつ凸レンズ451を設けると、ビームは凸レンズ451を通
過後平行光となる。そして、光源素子404による光源の
像の表示用光路406上の位置に応じて、光源の像452が形
成される。

ここで形成される光源の像452の位置が実際の距離に
対応しているように人間が感知するように、光源素子40
4の光源結像用レンズ432の焦点距離や位置関係は量子化
して対応して決定しておく必要がある。

以上のようにして、光源の像452の位置がシーン中の
物体106の表面形状に対応して変化するので、実物の物
体の像453が存在するように感じる。また、前述のよう
に、出力と入力系の水平走査用ポリゴンミラー６と152
によるスキャン速度は、TV系と同等に設定できるので、
フルカラー動画像の実時間表示も可能である。

第８図は、立体画像構成部８の他の例を示す。アナロ
グスイッチ選択回路402のクロックに同期してビームが
立体画像構成部８を通過する位置に、プリズム素子470
を設ける。

各プリズムにはミラー471が設けられ、ビームがプリ
ズム素子470を通過後は全ビームが平行光になるよう
に、ミラー471の角度が調整されている。

このようにすれば、光源の像472が第８図に示す位置
に得られ、この像の位置を入力距離信号に応じて変化す
るように、各光源素子404の光源の像433の位置を設定し
ておけば、立体画像として感知できる。第７図の例と同
様に、フルカラー動画像の実時間表示が可能である。

（発明の効果）以上説明したように、カラーTVカメラのラスタースキ
ャンと同期して対象シーンの距離情報入力を行い、その
距離情報の量子化レベル数だけ用意された結像位置の異
なるフルカラー発光素子を入力距離情報に応じて切り替
え、TV系と同じ速度でラスタースキャン方式で表示を行
うため、フルカラー動画像の実時間立体表示が可能であ
るという利点がある。

応用分野としては、VTR、TV電話、TV会議、ビデオテ
ックス、CAD用端末遠隔操作のモニター等の立体表示化
等があり、各々実体性や臨場感作業の効率化等が促進さ
れるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概念的原理図、第２図は本発明の一実施例を示す図、第３図は立体画像入力部の構成を示す図、第４図はレーザビーム投光器の例を示す図、第５図は立体画像光源部の構成を示す図、第６図は光源素子の構成を示す図、第７図は立体画像構成部の第１の例を示す図、第８図は立体画像構成部の第２の例を示す図、第９図〜
第13図は従来の立体画像表示方式を説明した図であり、第９図は両眼視差の偏光フィルタ方式、第10図は両眼視差の時分割シャッター方式、第11図は両眼視差のレンティキュラーレンズ方式、第12図はバリフォーカルミラー方式、第13図はホログラフィ方式の各原理説明図である。１……立体画像入力部、２……色彩情報、３……距離情報、４……立体画像出力部、５……立体画像用光源部、６……水平走査用ポリゴンミラー、７……垂直走査用ポリゴンミラー、８……立体画像構成部、 101……カラーTVカメラ、 102……カメラ101の視野、 103……赤外レーザ投光器、 104……ハーフミラー、105……赤外フィルタ、 106……シーン中の物体、 107……物体106上のビームスポット、 108……２次元ポジションセンシングデバイス、 109……位相距離計、110……距離演算回路、 151……赤外レーザ光源、 152……水平走査用ポリゴンミラー、 153……垂直走査用ポリゴンミラー、 154……赤外レーザビーム射出各制御用凹レンズ、 401……アナログスイッチ、 402……アナログスイッチ選択回路、 403……アナログスイッチ用ON信号、 404……光源素子、405……ハーフミラー、 406……表示用光路、 430……フルカラープラズマディスプレイ、 431……コリメータレンズ、 432……光源結像用レンズ、433……光源の像、 451……凸レンズ、452……光源の像、 453……物体の像、470……プリズム素子、 471……ミラー、472……光源の像。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】各画素毎の距離情報と色彩情報または輝度
情報とを入力する手段と，入力距離情報の量子化レベルに応じた位置に結像するよ
うに前面にレンズが配置された複数の光源素子と，前記複数の光源素子のうち，入力距離情報によって選択
された光源素子を，色彩情報または輝度情報に基づいて
発光させる手段と，前記光源素子からの光路をハーフミラーを用いて最終的
に共通化し，入力系と同期してラスタースキャンを行う
ことにより，各画素の結像位置を奥行き方向に変化させ
た立体画像を構成する手段とを有することを特徴とする立体画像出力装置。
【請求項２】前記立体画像を構成する手段は，ハーフミ
ラーを用いて共通化した光路上の光を，入力系のラスタ
ースキャンに同期して動作する水平，垂直走査用ポリゴ
ンミラーに入射するすることにより，ラスタースキャン
を行うことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の立体
画像出力装置。
【請求項３】前記立体画像を構成する手段は，ラスター
スキャンを，そのラスタースキャンの中心に焦点を位置
させた凸レンズに入射させ，各画素に対応した光源素子
の像を得ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項または第
（２）項記載の立体画像出力装置。
【請求項４】前記立体画像を構成する手段は，ラスター
スキャンを一画面の画素数だけ設置されたプリズムとミ
ラーとを組合せた素子群に入射することにより平行光に
し，各画素に対応した光源素子の像を前記ミラーの鏡像
として得ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項または第
（２）項記載の立体画像出力装置。