JP3397602B2

JP3397602B2 - 画像表示装置及び方法

Info

Publication number: JP3397602B2
Application number: JP29852496A
Authority: JP
Inventors: 敬和有竹; 学石本; 順二富田; 智司前田; 高弘松田; 敏岩田; 雅人中島
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1996-11-11
Filing date: 1996-11-11
Publication date: 2003-04-21
Anticipated expiration: 2016-11-11
Also published as: JPH10142556A; US5872590A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１又は複数の観察
者の眼の位置を検出して両眼の運動視差により立体映像
を観察させるための表示装置及び方法に関し、特に、立
体映像の観察者以外の他の観察者は二次元映像を観察可
能とするための画像表示装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、立体表示装置としては二眼式のも
のが最も良く知られている。図５５は、従来の二眼式立
体表示装置であり、表示装置２００のスクリーン２０２
に、図５６のように右眼用画像２０６と左眼用画像２０
８を表示し、この映像を偏光眼鏡などの補助光学系を用
いて右眼３８に右眼用画像２０６を見せ、同時に左眼４
０に左眼用画像２０８を見せ、両眼の運動視差によって
立体画像２０４を見せている。また偏光眼鏡等の補助光
学系を必要としない立体表示装置としては、図５７のレ
ンティキュラ方式や、図５８のパララックスバリア方式
がある。

【０００３】図５７のレンティキュラ方式の立体表示装
置は、液晶デバイス等の表示器２１０とレンティキュラ
レンズ２１２で構成される。表示器２１０には右眼画像
の表示画素Ｒと左眼画像の表示画素Ｌが分離配置され
る。右眼画素Ｒからの光はレンティキュラレンズ２１２
により視域２１４内の観察者の右眼３８の位置に投映さ
れる。同時に左眼画素Ｌからの光はレンティキュラレン
ズ２１２により視域２１４内の観察者の左眼４０の位置
に投映され、両眼の運動視差により立体映像を見ること
ができる。

【０００４】図５８のパララックスバリア方式の立体表
示装置は、液晶デバイス等の表示器２１０とスリット２
１６で構成される。表示器２１０には右眼画像の表示画
素Ｒと左眼画像の表示画素Ｌが分離配置される。右眼画
素Ｒからの光はスリット２１６により視域２１４内の観
察者の右眼３８の位置に投映される。同時に左眼画素Ｌ
からの光はスリット２１６により視域２１４内の観察者
の左眼４０の位置に投映され、両眼の運動視差より立体
映像を見ることができる。

【０００５】しかし、レンティキュラ方式及びパララッ
クスバリア方式のいずれについても、観察者の眼３８，
４０の位置が予め設定された視域２１４から眼３８´，
４０´のように外れると、左右の眼に入る映像が入れ替
わる逆視状態となって分離したり、画面が暗くなったり
するため、立体観察領域が限定される問題があった。こ
の問題を解消するものとして、レンティキュラ方式につ
いて立体観察領域を拡げた図５９の立体表示装置があ
る。この立体表示装置は、スクリーンにスリット２２２
を備えたダブルレンティキュラレンズ２２０を使用して
いる。ダブルレンティキュラレンズ２２０を使用したス
クリーンに対してはプロジェクタ２１５には、右眼画像
用の表示器２１６−１と投射レンズ２１８−１、及び左
眼画像用の表示器２１６−２と投射レンズ２１８−２が
独立に設けられる。

【０００６】ダブルレンティキュラレンズ２２０は、光
の来た方向に向けて光を透過する機能がある。このため
投射レンズ２１８−１，２１８−２に相対する視域２１
４の位置からスクリーンを見たとき、投射された右眼映
像Ｒと左眼映像Ｌを見ることができ、左右の眼３８，４
０に独立して映像を知覚させることができ、立体として
観察することができる。

【０００７】観察者が左右方向２２４−１や前後方向２
２６−１に移動した場合は、プロジェクタ２１５の位置
を左右方向２２４−２や前後方向２２６−２のように観
察者に合わせて移動することにより、観察者の眼３８，
４０を常に視域２１４から外れないようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
レンティキュラ方式の立体表示装置の場合、観察者に追
従して設定する視域２１４に対し、副プローブといわれ
る立体観察範囲が視域２１４の左右方向にも拡がり、一
人の観察者に合わせてプロジェクタ２１５を移動させる
と、他の観察者、例えば後ろから見ている別の人には、
映像の分離領域が不十分となって立体に見えないだけで
なく、見ることのできる二次元画像のそのものの品質も
悪くなるという問題があった。

【０００９】また、複数の観察者に対応して複数のプロ
ジェクタを用意しても、各観察者に応じて異なった移動
を行うと、各プロジェクタ間で副プローブによる映像の
妨害が起こるため、一人の観察者にしか対応できないと
いう問題があった。本発明は、眼鏡等の補助光学系なし
で１又は複数の観察者の移動しながらの立体観察を可能
とし、更に、立体観察領域以外の観察者は鮮明な二次元
画像が観察できるようにした画像表示装置及び方法を提
供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明
図である。本発明は、両眼視差により立体映像を認識さ
せる画像表示装置であり、図１（Ａ）のように、立体観
察領域２０に存在する観察者２２の位置を検出する位置
検出部２４、検出位置の観察者２２が見た右眼画像と左
眼画像を生成する画像生成部２６、画像生成部２６で生
成した右眼画像と左眼画像を表示する表示器１４、開口
位置の設定により表示器１４の表示画像を観察者２２の
検出位置に投映する投映光学ユニット、及び観察者２２
の検出位置に基づいて、少なくとも右眼画像を観察者２
２の右眼を含む位置に投映すると共に、左眼画像を観察
者２２の左眼を含む位置に投映するように投映光学ユニ
ットの開口の位置と大きさを制御して立体画像を観察さ
せる開口制御部２８を備える。また開口制御部２８は、
右眼開口と左眼開口として、統計的に求めた観察者の両
眼間隔（約３２．５ｍｍ〜９７．５ｍｍ）に基づいた所
定範囲に画像を投映するように開口領域を設定する。開
口制御部２８は、更に、観察者２２の検出位置とは異な
る位置に右眼画像又は左眼画像を投映するように開口を
設定し、他の観察者の両眼に同一画像を見せて二次元画
像を観察させる。このため立体観察の対象者として検出
している観察者２２以外の他の観察者については、右眼
画像または左眼画像のいずれか一方が投映され、鮮明な
二次元画像を観察することができる。

【００１１】これにより立体観察領域２０内での観察者
２２の移動に追従した視差画像の投映が行われ、広い範
囲での観察者２２の動きを許容する。また観察者の移動
に伴なって画像の見え方を変化するので、運動視差のあ
る立体画像の観察ができる。位置検出部２４は、具体的
には観察者２２の右眼３８と左眼４０の眼球位置を検出
する。位置検出部２４は、水平方向に所定間隔で配置さ
れた２台の撮像装置と、撮像装置により撮影された２枚
の画像から前記観察者の位置を算出する位置演算部を備
える。

【００１２】また別の形態として、位置検出部２４は、
観察者に装着された磁石、水平方向に所定間隔で配置さ
れた２台の磁気センサ、及び磁気センサの検出信号から
前記観察者の位置を演算する位置演算部で構成される。
更に別の形態として、位置検出部２４は、水平方向に所
定間隔で配置された２台の超音波センサと、超音波セン
サの検出信号から観察者の位置を演算する位置演算部か
らも構成できる。

【００１３】開口制御部２８は、観察者２２の右眼３８
の検出位置に対応した右眼開口と左眼４０の検出位置に
対応した左眼開口の各々を設定して、右眼画像と左眼画
像を観察者の検出位置に投映して両眼の視差画像により
立体画像を観察させる。この場合、開口制御部２８は、
右眼開口と左眼開口として、観察者の右眼３８と左眼４
０の検出位置に対応した小さな開口領域を設定する。

【００１４】

【００１５】開口制御部２８による立体画像と二次元画
像の表示は、観察者の右眼の検出位置に対応した右眼開
口と左眼の検出位置に対応した左眼開口の各々を設定
し、右眼画像と左眼画像を投映して両眼視差により立体
画像を観察させる。同時に右眼開口と左眼開口のいずれ
か一方を、他方を除く位置に広げて対応する画像を投映
することにより、他の観察者の両眼に同一画像を見せて
二次元画像を観察させる。

【００１６】また開口制御部２８は、図１（Ｂ）（Ｃ）
のように、観察者の右眼３８と左眼４０の検出位置の中
心に境界がくるように右眼開口１３０と左眼開口１２８
を設定して対応する画像を投映し、観察者に両眼視差に
より立体画像を観察させると共に、他の観察者の両眼に
同一画像を見せて二次元画像を観察させる。投映光学ユ
ニットとしては、時分割方式、空間分割方式又は偏光分
割方式がある。まず時分割の投映光学ユニットは、図１
（Ａ）のように、表示器１４として右眼画像と左眼画像
を順次表示する単一の表示デバイスの使用を前提とし、
表示デバイスからの画像を拡大投射する投射レンズ１
５、投射レンズ１５の近傍に設置され開口の位置と大き
さを設定する開口設定器１６、投射レンズ１５の焦点位
置に配置され立体観察領域に対する開口像の結像機能を
備えたスクリーン１８で構成される。

【００１７】この投映光学ユニットに対し開口制御部２
８は、表示器１４による右眼画像と左眼画像の切替表示
に同期して開口設定器１６の右眼開口と左眼開口の位置
を切り替える。空間分割方式の投映光学ユニットは、表
示器１４として右眼画像と左眼画像に対応して一対の表
示デバイスを前提とし、一対の表示デバイスからの画像
を個別に拡大投射する一対の投射レンズ、一対の投射レ
ンズの近傍に設置され開口の位置と大きさを設定する一
対の開口設定器、及び一対の投射レンズの焦点位置に配
置され立体観察領域に対する開口像の結像機能を備えた
スクリーンで構成される。

【００１８】この場合、開口制御部２８は、一対に表示
デバイスに対する右眼画像と左眼画像を並列表示に同期
して、一対の開口設定器に右眼開口と左眼開口を同時設
定する。偏光分割方式の投映光学系は、同じく表示器１
４として右眼画像と左眼画像に対応した一対の表示デバ
イスを前提とし、光源からの光を異なる偏光面をもつ２
つの光に分離して一対の表示デバイスに入射する分離用
偏光ビームスプリッタ、一対の表示デバイスからの偏光
面の異なる画像光を合成する合成用偏光ビームスプリッ
タ、合成用偏光ビームスプリッタからの画像光を拡大投
射する投射レンズ、投射レンズの近傍に設置され入射光
の偏光面の回転の有無により偏光面の異なる画像光を選
択的に透過する開口位置を設定する偏光制御型の開口設
定器、及び投射レンズの焦点位置に配置され立体観察領
域に対する開口像の結像機能を備えたスクリーンで構成
される。

【００１９】この場合、開口制御部２８は、一対の表示
デバイスに対する右眼画像と左眼画像を並列表示に同期
して、偏光制御デバイスの右眼開口と左眼開口の位置の
各々に対応する画像光が透過するように偏光制御する。
時分割および空間分割の投映光学ユニットにおける開口
設定器１６としては、細分化された液晶セグメントの電
圧制御により透過位置を任意に設定する液晶デバイスを
使用する。

【００２０】偏光分割の投映光学ユニットにおける偏光
制御型の開口設定器は、細分化された液晶セグメントに
対する駆動電圧の印加の有無により入射光の偏光面の回
転を制御する液晶デバイス（マトリックスπセル）と、
液晶デバイスから出力された特定偏光面をもつ画像光の
みを透過する偏光板で構成する。投映光学ユニットは、
投射レンズ１６の口径を拡大する虚像生成部材、例えば
凹面ミラーを備える。

【００２１】開口制御部２８は、開口設定器１６の透過
位置を水平方向で変化させることにより、開口位置を左
右に制御する。また投射レンズ１６を光軸方向に移動制
御することにより、開口位置を前後に制御する。投射レ
ンズ１６の焦点距離を変化させることにより、開口位置
を前後に制御することもできる。また開口位置の前後の
制御は、開口設定器１６を光軸方向に複数積層し、開口
制御部２８は、複数の開口設定器１６の積層方向での透
過位置を制御することにより、開口位置を前後に制御す
る。

【００２２】更に開口位置の前後の制御は、開口設定器
を光軸に対し前後方向で斜めに配置すると共にスクリー
ンに光を上下方向に拡散させる拡散板を設ける。この場
合、開口制御部２８は、斜めに配置した開口設定器の左
右方向での透過位置の変化により開口位置を左右に制御
し、且つ開口設定器の斜め上下方向の透過位置の変化に
より開口位置を前後に制御する。

【００２３】画像生成部２６は、観察者２２の検出位置
から見た右眼画像と左眼画像の二次元画像データを、モ
デリングされた三次元画像データに基づいて生成する。
また観察者２２の検出位置から見た右眼画像と左眼画像
の二次元画像データを、物体を水平方向の異なる位置か
ら見た二次元画像データの補間により生成することもで
きる。

【００２４】本発明の別の形態にあっては、複数の観察
者に立体画像を観察させることもできる。この場合、複
数の観察者の位置に応じた画像の個別投映と、同一画像
の共通投映がある。まず複数観察者の個別投映は、位置
検出部２４で複数の観察者を検出して画像生成部２６に
より複数の観察者の各々が見た右眼画像と左眼画像を生
成し、表示器１４に複数の観察者毎に生成された右眼画
像と左眼画像を順次表示し、開口制御部２８は、複数の
観察者の検出位置に基づいて、各観察者の右眼画像を右
眼を含む位置に投映すると共に、左眼画像を左眼を含む
位置に投映するように投映光学ユニットの開口の位置と
大きさを制御する。

【００２５】複数観察者の共通投映は、位置検出部２４
で複数の観察者を検出するが、画像生成部２６は複数の
観察者のいずれか一人が見た右眼画像と左眼画像を生成
して表示器１４に右眼画像と左眼画像を表示し、開口制
御部２８は、複数の観察者の検出位置に基づいて右眼画
像を複数の観察者の右眼を含む位置に投映すると共に、
左眼画像を複数の観察者の左眼を含む位置に投映するよ
うに投映光学ユニットの開口の位置と大きさを制御す
る。

【００２６】また本発明は、両眼視差により立体映像を
認識させる画像表示方法であり、次の過程を備える。立
体表示領域２０に存在する観察者２２の位置を検出する
位置検出過程；検出位置の観察者２２が見た右眼画像と
左眼画像を生成する画像生成過程；右眼画像と左眼画像
を表示する画像表示過程；観察者の検出位置に基づいて
投映光学系の開口の位置と大きさの制御により、右眼画
像を観察者２２の右眼を含む位置に投映すると共に、左
眼画像を観察者２２の左眼を含む位置に投映し、両眼視
差により立体画像を観察させる三次元表示過程；投映光
学系の開口位置と異なる別の開口設定により、右眼画像
又は左眼画像のいずれかを観察者の検出位置とは異なる
位置に投映して、他の観察者の眼に同一画像を見せて２
次元画像を観察させる二次元表示過程；このような本発
明の画像表示方法によれば、眼鏡なしで立体表示を見る
ことができ、観察者の移動により表示映像が変化する運
動視差を実現することができ、さらに、立体観察者以外
の人が内容を理解できるように二次元画像を鮮明に表示
できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】

＜目次＞１．装置構成と表示機能２．観察者の位置検出３．右眼画像と左眼画像の生成４．時分割による投映表示と開口制御５．空間分割による投映表示と開口制御６．偏向分割による投映表示と開口制御７．複数観察者に対する投映開口制御１．装置構成と表示機能図２は本発明による画像表示装置の実施形態である。図
２において、本発明の画像表示装置１０は、３Ｄ観察領
域２０に対する投影光学ユニットとして光源ユニット１
２、表示器１４、投射レンズユニット１５、開口設定器
１６、結像機能を備えたスクリーン１８を備えている。
３Ｄ観察領域２０に対しては観察者位置検出装置２４が
設けられ、観察者２２の位置を検出している。

【００２８】観察者位置検出装置２４で検出された観察
者２２の検出位置、具体的には観察者２２の右眼及び左
眼の位置検出情報は、画像生成装置２６に与えられてい
る。画像生成装置２６は、検出された観察者２２の右眼
と左眼の各位置から見た表示対象物の画像データを、そ
れぞれ右眼画像データ及び左眼画像データとして生成す
る。

【００２９】画像生成装置２６の高速バス３４に対して
は、開口制御装置２８、表示制御装置３０及び光源駆動
装置３２が接続されている。ここで画像生成装置２６と
しては、モデリング及びレンダリングのグラフィック機
能を備えた計算機装置を使用することができる。光源駆
動装置３２は、装置の使用状態で光源ユニット１２の光
源を点灯駆動し、画像投影のための光を発生する。表示
制御装置３０は、画像生成装置２６で生成された観察者
２２の検出位置に対応した右眼画像と左眼画像を表示器
１４に表示する。表示器１４に対する右眼画像と左眼画
像の表示方式には、時分割方式、空間分割方式及び偏光
分割方式の３種類がある。

【００３０】時分割方式にあっては、表示器１４には単
一の表示デバイスが使用される。これに対し空間分割方
式及び偏光分割方式については、右眼画像と左眼画像の
それぞれにつき専用の表示デバイスが使用される。図２
の実施形態にあっては、表示器１４としては単一の表示
デバイスを使用していることから、時分割方式に対応す
ることができる。

【００３１】開口制御装置２８は、観察者２２について
検出した右眼と左眼の各検出位置に対応し、表示器１４
に右眼画像を表示したタイミングで観察者２２の右眼を
含む領域に画像を投影し、表示器１４に左眼画像を表示
したタイミングで観察者２２の左眼を含む領域に画像を
投影する投影光学系の開口位置の設定を行う。この表示
器１４の右眼画像と左眼画像の切替表示に同期した開口
制御装置２８による開口設定器１６の開口位置の設定制
御により、観察者２２はスクリーン１８を介して右眼と
左眼に異なった視差をもつ同じ物体の視差画像の投影を
受けて観察することができ、両眼視差によって立体画像
を認識することができる。

【００３２】更に本発明の画像表示装置１０にあって
は、観察者位置検出装置２４で検出している観察者２２
以外の他の観察者からは、表示器１４に時分割で切替表
示している右眼画像または左眼画像のいずれか一方の二
次元画像が観察できるように開口設定器１６における開
口設定を行っている。図３は図２の画像表示装置による
スクリーン１８前面の観察領域である。画像表示装置１
０のスクリーン１８の前方となる所定範囲に３Ｄ観察領
域２０が設定され、この３Ｄ観察領域２０内に観察者の
右眼３８と左眼４０が存在すると、それぞれ異なった視
差の画像の投影を受けて立体画像を観察することができ
る。

【００３３】観察者は３Ｄ観察領域２０内であれば、ど
の位置においても立体表示を観察することができる。即
ち、３Ｄ観察領域２０内に存在する観察者の位置を画像
表示装置１０側でリアルタイムで検出しており、観察者
の動きに応じて各移動位置から対象物体を見たときの右
眼画像と左眼画像をリアルタイムで生成して、観察者の
右眼３８と左眼４０に投射する。このため、３Ｄ観察領
域２０内で観察者が移動すると、これに伴って運動視差
をもった立体観察ができる。

【００３４】３Ｄ観察領域２０の外側の領域は、二次元
画像を観察できる２Ｄ観察領域３６となる。このため３
Ｄ観察領域２０で位置検出の対象となっている観察者以
外の他の観察者が近くから同時に観察する場合には、２
Ｄ観察領域３６に存在することになるため、右眼画像ま
たは左眼画像の投影による鮮明な二次元画像を観察する
ことができる。

【００３５】図４は図２の画像表示装置１０における時
分割処理による立体表示のフローチャートである。まず
ステップＳ１で、観察者位置検出装置２４により観察者
２２の左右の眼の位置を検出し、次のステップＳ２にお
いて、画像生成装置２６が観察者の左右の眼の位置に基
づいて左眼用画像と右眼用画像を生成し、表示制御装置
３０のフレームバッファに転送する。

【００３６】表示制御装置３０は、ステップＳ３でまず
左眼用画像を表示器１４に表示する。この左眼用画像の
表示に同期して開口制御装置２８が、ステップＳ４で開
口設定器１６に左眼用の開口位置を設定制御する。この
ため、観察者２２の左眼を含む縦長のスリット領域に表
示器１４からの左眼用画像が投影される。次にステップ
Ｓ５で、表示制御装置３０は表示器１４に右眼用画像を
表示し、この右眼用画像の表示に同期してステップＳ６
で、開口制御装置２８が開口設定器１６に右眼用の開口
位置の設定制御を行う。このため次の表示タイミングに
あっては、観察者２２の右眼に表示器１４に表示した右
眼用画像が投影される。

【００３７】このようなステップＳ１〜Ｓ６からの処理
を、ステップＳ７で装置の表示停止が行われるまで繰り
返す。時分割による右眼画像と左眼画像の切替表示周期
は、各画像当たりのチラツキ防止の表示周期として１／
６０秒周期とすると、右眼用と左眼用の２枚の切替表示
であることから半分の１／１２０秒周期、即ち１２０Ｈ
ｚの切り替えを行えばよい。２．観察者の位置検出図５は図２の観察者位置検出装置２４の実施形態であ
り、２台のＣＣＤカメラによる画像処理で観察者の眼の
位置を検出するようにしたことを特徴とする。図５にお
いて、観察者位置検出装置２４は、２台のＣＣＤカメラ
４２，４４を備えており、ＣＣＤカメラ４２，４４は図
２の３Ｄ観察領域２０に対し、水平方向の所定間隔を隔
てて装置側に設置されている。

【００３８】観察者位置演算部４６は、ＣＣＤカメラ４
２，４４で撮影した観察者の左右の眼の位置を演算す
る。観察者位置情報発生部４８は、観察者位置演算部４
６で演算した観察者位置の三次元座標情報（Ｘ，Ｙ，
Ｚ）を、図２の画像生成装置２６、更には開口制御装置
２８に転送する。図６は図５の観察者位置検出装置２４
における演算内容の説明図である。図６（Ａ）は、観察
者に対し所定距離離れた位置に設置している２台のカメ
ラの撮像レンズ５２，５０とその撮像面５４，５６との
関係の平面図である。図６（Ｂ）にカメラ側から見た正
面図を、図６（Ｃ）に側面図を表わしている。

【００３９】この場合の位置検出原理は、２台のカメラ
で撮像された２枚の画像５８，６０に対し、観察者の眼
３８，４０をパターンマッチングにより求め、入力画像
上での位置情報を計算する。この位置情報は角度情報に
置き換えることができるので、カメラ間の距離とカメラ
に対する２つの角度から三角測量の原理により眼の位置
を割り出すことができる。

【００４０】更に詳細に説明すると、２台のカメラの中
心にｚ軸を設定し、レンズ５０，５２上にそれぞれｘ軸
とｙ軸を設定する。また２台のカメラはその光軸を平行
とするように設置されている。更にレンズ５０，５２の
間隔をＢ、カメラにより撮像される撮像面５４，５６上
の画像を画像５８，６０、レンズ５２，５０から撮像面
５４，５６までの距離をｄとする。

【００４１】この実施形態では、パターンマッチングに
より得られた右眼３８と左眼４０の中間位置Ｐの座標
（ｘ０，ｙ０，ｚ０）を演算する。まず図６（Ａ）の両
眼の中心位置Ｐとカメラの撮像面５４，５６上の位置を
結ぶ直線とレンズ５０，５２の光軸とのなす角度θ１，
θ２、更に図６（Ｃ）の側面から見た撮像面５６と両眼
中心位置Ｐを結ぶ直線の光軸に対する角度αは、次式の
位置情報に対する関係をもつ。

【００４２】

【数１】

【００４３】そこで（１）式と（２）式を加算すると、
次式の関係から、両眼中心位置Ｐの座標値ｚ０が算出さ
れる。

【００４４】

【数２】

【００４５】この（４）式を（１）式に代入すると、次
のようにして両眼中心位置Ｐの座標値ｘ０が算出され
る。

【００４６】

【数３】

【００４７】更に（４）式を（３）式に代入すると、両
眼中心位置Ｐの座標値ｙ０が次のように算出される。

【００４８】

【数４】

【００４９】このような（４）（５）（６）式をパター
ンマッチングされた右眼３８及び左眼４０の各々につい
て適用することで、右眼位置Ｐｒの座標（ｘｒ，ｙｒ，
ｚｒ）と左眼位置Ｐｌの座標（ｘｌ，ｙｌ，ｚｌ）を求
めることができる。実際の空間における観察者位置の右
眼位置Ｐｒ（ｘｒ，ｙｒ，ｚｒ）と左眼位置Ｐｌ（ｘ
ｌ，ｙｌ，ｚｌ）については、立体表示を行うコンピュ
ータグラフィックスの座標空間との間でスケール変換を
行い、スケール変換された右眼及び左眼の座標位置から
見た表示対象物について画像生成することで、観察者の
眼の検出位置から見た右眼画像及び左眼画像を生成する
ことが可能となる。

【００５０】図７は図２で使用する観察者位置検出装置
２４の他の実施形態であり、磁気センサを用いたことを
特徴とする。図７の観察者位置検出装置２４にあって
は、装置側に水平方向の所定間隔を隔てて一対の磁気セ
ンサ３４２，３４４が設置されている。磁気センサ３４
２，３４４に対しては、３Ｄ観察領域に存在する観察者
２２側にマグネット３５０を装着している。

【００５１】マグネット３５０は、観察者２２の両眼の
中心となる例えば額などにバンドで装着してもよいし、
観察者２２の上着の胸中心位置にピン等により装着して
もよい。磁気センサ３４２，３４４のそれぞれは、観察
者２２が装着しているマグネット３５０からの磁界の強
さを検出する。磁界の強さは通常距離の３乗に反比例し
て減少することから、磁気センサ３４２，３４４の検出
磁界の強さからマグネット３５０までの距離、即ち観察
者２２の両眼の中心位置までの距離Ｒ１，Ｒ２を割り出
すことができる。このようにセンサからマグネット３５
０までの距離Ｒ１，Ｒ２が分かれば、磁気センサ３４
２，３４４を中心とした半径Ｒ１，Ｒ２の円弧の交点と
してマグネット３５０の位置が決まり、左右方向（ｘ軸
方向）と前後方向（ｚ軸方向）の位置を検出することが
できる。

【００５２】ここで、上下方向（ｙ軸方向）について
は、本発明の立体表示にあっては、観察者が上下方向に
顔を動かしても同じ画像投射を行うことから、特に検出
は必要ない。即ち、磁気センサ３４２，３４４による観
察者位置検出にあっては、上下方向となる座標値ｙ０は
固定値を使用し、左右方向の座標値ｘ０と前後方向の座
標値ｚ０を演算により観察者位置演算部３４６で求め
る。

【００５３】更に観察者２２の左右の眼の位置について
は、統計的に人の眼の間隔が３２．５ｍｍ〜９７．５ｍ
ｍの範囲にあることから、例えば眼の間隔Ｗ＝６０ｍｍ
に設定し、検出したマグネット３５０で決まる両眼中心
位置の座標値ｘ０にＷ／２を加減算することで、各眼の
座標値ｘｒ，ｘｌを求めればよい。この場合、座標値ｚ
ｒ，ｚｌは、マグネット３５０による両眼中心位置の座
標値ｚを使用すればよい。

【００５４】図８は本発明で用いる観察者位置検出装置
２４の他の実施形態であり、超音波センサを用いたこと
を特徴とする。この観察者位置検出装置２４にあって
は、装置側の前面に水平方向の所定間隔を隔てて一対の
超音波センサ４４２，４４４を設置している。超音波セ
ンサ４４２，４４４は、一定周期で超音波パルスを３Ｄ
観察領域に発射している。

【００５５】この超音波パルスは観察者２２で反射さ
れ、超音波センサ４４２，４４４側で受信される。した
がって超音波センサ４４２，４４４による超音波の観察
者２２に対する伝播時間から、観察者２２に対する各セ
ンサからの距離Ｒ１，Ｒ２を求めることができ、図８の
磁気センサの場合と同様にして観察者２２の位置情報を
観察者位置演算部４４６で演算し、観察者位置情報発生
部４４８より画像生成側に送ることができる。

【００５６】尚、本発明で用いる観察者位置の検出は、
上記の実施形態に限定されず、適宜のセンサを用いた位
置検出装置を使用することができる。３．右眼画像と左眼画像の生成図９は観察者位置検出情報に基づいて右眼画像と左眼画
像を生成する図２の画像生成装置２６の実施形態であ
り、この実施形態は、予め記録されたモデリングデータ
から観察者位置情報に基づいて右眼画像と左眼画像を生
成するようにしたことを特徴とする。

【００５７】図９において、画像生成装置２６は、モデ
リングデータ格納部６２とレンダリング処理部６４で構
成される。また表示制御装置３０は、右眼画像と左眼画
像の時分割表示を例にとっていることから、単一の表示
器１４に対し右眼画像フレームバッファ６６、左眼画像
フレームバッファ６８、１／１２０秒周期で画像切替え
を行うデータ切替部７０、及び表示駆動部７２を有す
る。表示駆動部７２としては、表示器１４として例えば
液晶デバイスを用いた場合には、液晶ドライバが使用さ
れる。

【００５８】画像生成装置２６のモデリングデータ格納
部６２には、コンピュータグラフィックスの手法により
作成されたモデリングデータが予め記録されている。モ
デリングデータは対象物体をいくつかのポリゴンデータ
の集合として生成している。レンダリング処理部６４に
観察者位置情報が与えられると、この観察位置を視点位
置としてモデリングデータ格納部６２に格納された対象
物体を形成する各ポリゴンが視点位置からどのように見
えるかを計算する。

【００５９】即ち、位置、大きさ、色、テクスチャ等を
計算し、右眼については右眼画像フレームバッファ６６
に右眼画像データとして展開し、左眼画像については左
眼画像フレームバッファ６８に左眼画像データとして展
開する。表示制御装置３０は、右眼画像フレームバッフ
ァ６６と左眼画像フレームバッファ６８に画像生成装置
２６より展開された右眼画像と左眼画像の各データを、
例えば１／１２０秒の切替周期によるデータ切替部７０
の切替動作で順次読み出し、表示駆動部７２により表示
器１４に切替表示する。この結果、データ切替部７０か
らは図１０のように、右眼画像データ７４と左眼画像デ
ータ７６が交互に出力され、右眼画像と左眼画像の時分
割による切替表示が行われる。

【００６０】図１１は図２の画像生成装置２６の他の実
施形態であり、この実施形態はカメラで異なる位置から
撮像した２枚の画像情報に基づいて観察者位置の検出情
報を視点位置とした右眼画像と左眼画像を補間処理によ
り生成するようにしたことを特徴とする。図１１におい
て、画像生成装置２６はカメラ画像データ格納部７３と
補間画像生成部７５で構成される。カメラ画像データ格
納部７３には、水平方向に所定距離を介して設置された
少なくとも２台のカメラによる対象物体の撮影画像が格
納されている。補間画像作成部７５は、観察者位置情報
に基づいてカメラ画像データ格納部７３に格納されてい
る一対の撮影画像の補間処理により観察者位置から見た
右眼画像と左眼画像を生成して、表示制御装置３０側の
右眼画像フレームバッファ６６，左眼画像フレームバッ
ファ６８に格納する。表示制御装置３０は、図９の実施
形態と同じ時分割表示制御を行う。

【００６１】ここで図１１の補間画像生成部７５による
生成処理を図１２〜図１５を参照して説明すると次のよ
うになる。まず補間画像生成部７５に対し、観察者位置
情報として右眼位置及び左眼位置の各視点情報が与えら
れたならば、与えられた視点位置に近いカメラ画像デー
タ格納部７３に格納されている２枚の画像から補間画像
を生成する。

【００６２】いま図１２のようにカメラ４２，４４を光
軸を平行に水平配置していたとすると、２つのカメラ４
２，４４から見た物体７８の画像は、図１３の画像８０
−１，８０−２のようになる。画像８０−１，８０−２
における水平ライン８２−１，８２−２のライン画素の
関係を図１４（Ａ）（Ｂ）に示す。画像８０−１の水平
ライン８２−１には、図１４（Ａ）のように、物体７８
の表面７８−１，７８−２の各々が幅ａ１，ｂ１の幅を
もって映し出されている。同様に画像８０−２の水平ラ
イン８２−２には、図１５（Ｂ）のように、物体７８の
表面７８−１，７８−２が幅ａ２，ｂ２をもって映し出
されている。

【００６３】ここで図１３の画像８０−１，８０−２に
基づく補間画像の生成は、レンズ５０と５２の間の新た
な視点を設定して見た画像の生成であり、物体の表面７
８−１，７８−２は視点位置に応じて移動することにな
る。したがって、レンズ５０，５２の間に新しい視点を
設定したならば、レンズ５０から視点までの距離をα、
レンズ５２から視点位置Ｐまでの距離をβとすると、新
視点における物体７８の表面７８−１，７８−２の位置
と幅は、レンズ５０，５２間の分割比α：βに基づいて
決めることができる。

【００６４】この新視点Ｐでのライン上の物体の表面７
８−１，７８−２を求める演算を全水平ラインに対し行
うことで、１画面分の補間画面を得ることができる。水
平ラインの補間画像の生成手順を図１５（Ａ）〜（Ｅ）
につて具体的に説明すると次のようになる。（Ｉ）画像８０−１の水平ライン８２−１上での物体の
面７８−１，７８−２の距離ａ１，ｂ１を求める。

【００６５】（II）画像８０−２の水平ライン８２−２
上での物体の面７８−１，７８−２の距離ａ２，ｂ２を
求める。（III)前記（Ｉ）（II）における面７８−１の距離ａ
１，ａ２の重心間の距離を求め、この重心間距離を補間
画像を生成するための視点位置の分割比β：αで分割し
た位置を重心位置とし、更に補間距離ａ３をａ３＝ａ１×｛β／（α＋β）｝＋ａ２×｛β／（α＋
β）｝として求める。

【００６６】（IV）前記（III)と同様にして、（Ｉ）と
（II）における物体の面７８−２の距離ｂ１，ｂ２の各
重心間の距離を求め、この重心間距離を補間画像を生成
する視点で決まる分割比β：αで分割した位置を補間画
像の重心位置とし、更に補間部分の距離ｂ３をｂ３＝ｂ１×｛β／（α＋β）｝＋ｂ２×｛β／（α＋
β）｝として求める。

【００６７】（Ｖ）前記（III)（IV）で得た補間生成物
体の面７８−１，７８−２を合成し、１水平ライン分の
補間画像を生成する。このような水平方向の補間画像の
生成処理を全ての水平ラインについて行うことで、図１
５の補間画像８４を得ることができる。本発明にあって
は、観察者位置情報として右眼位置及び左眼位置の２つ
が得られることから、それぞれについて同様な補間画像
の生成処理を行うことで、観察者検出位置に基づいた右
眼画像と左眼画像の補間生成を行うことができる。４．時分割による投影表示と開口制御図１６は図２の画像表示装置における開口制御装置２８
と開口設定器１６のブロック図である。開口制御装置２
８は、開口位置演算部８８と表示コントローラ９０を備
える。開口設定器１６は、この実施形態にあっては、マ
トリクス液晶シャッター９２を使用している。

【００６８】具体的には透過型の液晶表示デバイスを使
用することができ、二次元配置された微細な表示セグメ
ントを構成する液晶セルをドライバ９２，９６によるマ
トリクス電圧の制御で駆動して、透過状態の設定による
開口制御が任意にできる。開口制御装置２８に設けた開
口位置演算部８８は、観察者位置検出情報で設定される
視点位置に対応した投影光学ユニットにおける開口位置
と大きさを演算し、表示コントローラ９０を介してマト
リクス液晶シャッタ９２の対応開口部を透過状態に制御
することで開口設定を行う。

【００６９】図１７は時分割による立体表示を行う図２
の立体表示装置１０に設ける投影光学ユニットの実施形
態である。まず光源ユニットは、光源９８とリフレクタ
１００で構成される。光源９８としては、例えばメタル
ハライトランプ等の白色光源を使用する。光源９８から
の光はレンズ１０２で集光され、フレネルレンズ１０４
により平行光に変換され、ミラー１０６で反射されて表
示器１４に入射する。

【００７０】表示器１４に対しては、時分割方式により
右眼画像と左眼画像が順次表示される。表示器１４に続
いては、開口設定器として機能するマトリクス液晶シャ
ッタ９２が設けられる。図１７は表示器１４に左眼画像
を表示したタイミングであり、このためマトリクス液晶
シャッタ９２には左眼画像に対応した上下方向の帯状の
透過領域の設定による開口１２８が設定されている。

【００７１】マトリクス液晶シャッタ９２に続いては、
投射レンズユニット１５として、この実施形態にあって
は投影レンズ１１０を設けている。投射レンズ１１０
は、スクリーンとして機能する凸フレネルレンズ１１６
の位置に表示器１４の開口１２８を透過した画像を結像
する。投射レンズ１１０に続いては、凹面ミラー１１２
が設けられる。凹面ミラー１１２は、投射レンズ１１０
の口径には限界があることから、投射レンズ１１０の口
径をスクリーンとして機能する凸フレネルレンズ１１６
のサイズに適合するように拡大する虚像生成素子として
機能する。凹面ミラー１１２で拡大された画像光は背面
ミラー１１４で反射され、スクリーンとして設置された
凸フレネルレンズ１１６に画像光を結像するように入射
する。

【００７２】凸フレネルレンズ１１６は、マリトクス液
晶シャッタ９２のスリット像を３Ｄ観察領域２０の仮想
的な結像面に結像する凸レンズとしての機能をもつ。即
ち、凸フレネルレンズ１１６は、この状態でマトリクス
液晶シャッタ９２に設定された開口１２８の拡大像とな
るスリット像１１８を３Ｄ観察領域２０に結像し、これ
が左眼観察領域２０−１を形成している。

【００７３】スリット像１１８の結像による左眼観察領
域２０−１は、観察者の左眼４０の位置の検出結果に基
づいた開口１２８の設定により行われている。このため
観察者は左眼４０によってのみ、このとき表示器１４に
表示されている左眼画像を観察することができ、右眼３
８の前には表示器１４からの映像光の投射が行われてい
ないため、右眼３８側で表示器１４の左眼画像を見るこ
とができない。

【００７４】図１８は図１７の投影光学ユニットにおい
て、表示器１４に右眼画像を表示し、これに同期してマ
トリクス液晶シャッタ９２に観察者の右眼３８の検出位
置に対応する開口１３０を設定した状態である。この場
合、凸フレネルレンズ１１６は、マトリクス液晶シャッ
タ９２の透過領域として設定した開口１３０のスリット
像１２０を３Ｄ観察領域２０に結像する。

【００７５】これが右眼観察領域２０−２となり、同時
に投射レンズ１１０によって開口１３０を介して表示器
１４に表示した右眼画像の画像光が投影されているた
め、観察者は右眼３８によってのみ表示器１４の右眼画
像を観察することができる。図１７の左眼画像の投影表
示と図１８の右眼画像の投影表示は、時分割により例え
ば１／１２０秒周期で繰り返されるため、観察者は左右
の眼３８，４０で同時に異なった各視点位置から見た視
差画像を見ることになり、両眼視差により立体画像を観
察することができる。

【００７６】図１９は、図１７，図１８の右眼画像と左
眼画像の表示タイミングに対応した投影光学ユニットの
等化光学系である。図２０（Ａ）は、図１７の左眼用画
像表示に対応した等化光学系であり、表示器１４には左
眼画像が表示されており、これに同期してマトリクス液
晶シャッタ９２には開口１２８を設定するための透過領
域の駆動設定が行われている。

【００７７】ここで投影レンズユニット１５は、マトリ
クス液晶シャッタ９２を挟む形で一対の投影レンズ１０
９，１１０を配置している。またスクリーン位置には凸
フレネルレンズの等化光学系として凸レンズ１１７を配
置している。表示器１４からの映像光は、マトリクス液
晶シャッタ９２に設定した開口１２８を通過し、スクリ
ーン位置となる凸レンズ１１７に結像する。凸レンズ１
１７は、マトリクス液晶シャッタ９２の開口１２８の観
察領域に設定した視域１１５の面にスリット像１１８と
して結像する。このとき開口１２８は、観察者の左眼４
０の検出位置に基づいて設定されている。

【００７８】このため、スリット像１１８を左眼４０の
前に位置するように開口１２８の設定が行われる。した
がって観察者は、左眼４０のみにより表示器１４の左眼
画像を観察することができる。図１９（Ｂ）は、図１８
の右眼用画像表示状態の投影光学ユニットに対応した等
化光学系の表示状態である。この場合、表示器１４には
右眼画像が表示されており、これに同期してマトリクス
液晶シャッタ９２には開口１３０が透過領域の駆動設定
により設定されている。

【００７９】このため、観察領域の視域１１５にはマト
リクス液晶シャッタ９２の開口１３０の位置に対応して
スリット像１２０が結像される。開口１３０は、観察者
の右眼３８の検出位置に対応して設定されているため、
観察者の右眼３８の前に開口１３０のスリット像１２０
が結像されることになる。このため観察者は、右眼３８
のみによって表示器１４の右眼画像を観察することがで
きる。

【００８０】このような図１９（Ａ）（Ｂ）の右眼画像
と左眼画像が時分割で高速表示されるため、観察者は右
眼３８と左眼４０で同時に視点位置の異なる画像を観察
することとなり、両眼視差により立体画像を観察するこ
とができる。また観察者は３Ｄ表示領域２０の範囲内で
眼の位置を移動すると、観察者の眼の位置がリアルタイ
ムで検出され、マトリクス液晶シャッタ９２の開口１２
８，１３０の設定位置が移動し、常に観察者の右眼３
８，左眼４０の各々の直前にスリット像１１８，１２０
が結像され、更に表示器１４には観察者の眼の位置の移
動に応じた見え方をする右眼画像及び左眼画像の時分割
表示が行われる。このため、表示物体に対し運動視差を
もった立体映像の観察が実現できる。

【００８１】図１９（Ａ）（Ｂ）に示した本発明の立体
表示における等化光学系は、図２０のような２台のプロ
ジェクタで投影表示したと同等の立体表示機能を実現し
ていることが分かる。図２０は、表示器１４−１と投写
レンズ１１０−１を備えた右眼用のプロジェクタと、表
示器１４−２と投写レンズ１１０−２を備えた左眼用の
プロジェクタを設け、各プロジェクタを観察者の右眼３
８と左眼４０の検出位置に応じて左右方向及び前後方向
に移動する。

【００８２】このため、常に観察者の右眼３８の位置に
右眼画像を投影し、左眼４０の位置に左眼画像を投影し
て、立体表示を実現することができる。このような２台
のプロジェクタを用いた機能を、本発明にあっては、図
１９のように固定光学系を使用して簡単に実現すること
ができる。図２１は、本発明の投影光学ユニットにおけ
る観察者の眼の検出位置に対応したマトリクス液晶シャ
ッタ９２における開口の設定制御の説明図である。図２
１は、観察者の右眼３８の検出位置に対応した開口１３
０をマトリクス液晶シャッタ９２に設定した場合を例に
とっている。

【００８３】本発明の投影光学ユニットによれば、マト
リクス液晶シャッタ９２の開口１３０は観察領域に設定
した仮想平面である視域１１５上に図示のようにスリッ
ト像１２０を結像する。このスリット像１２０の幅は、
開口１３０の拡大倍率Ｋで決まる。即ち、マトリクス液
晶シャッタ９２の横幅を１、観察領域の視域１１５の幅
をＫとすると、開口１３０は視域１１５においてＫ倍の
幅をもつスリット像１２０として結像する。

【００８４】このスリット像１２０の幅は、例えば右眼
３８に画像光を投影し、左眼４０には画像光を投影しな
い必要があり、観察者の左右方向の若干の眼の動きによ
る立体像の視認を確実にするため、ある程度の幅をもつ
必要がある。図２２はスリット像１２０の横幅の一例で
ある。まず観察者の右眼３８と左眼４０の間隔Ｗは、統
計的にＷ＝３２．５ｍｍ〜９７．５ｍｍであることが分
かっている。したがって、スリット像１２０の幅は、右
眼３８の中心から左右にＷ／２の幅をもった右眼観察領
域２０−２とする。同様にして左眼４０についても、左
眼の中心から左右にＷ／２の幅をもった左眼観察領域２
０−１を破線のように設定する。

【００８５】このように左右の眼に対するスリット像の
幅をもたせることで、観察者は眼を±Ｗ／２の範囲で動
かしても、この範囲内では眼の位置検出を必要とするこ
となく立体像を観察することができる。また本発明の観
察者位置検出装置の検出分解能としてＷ／２を満足でき
ればよく、これによって観察者位置検出のマージンを高
めることができる。もちろん、スリット像の幅はＷ／２
に限定されず、例えば検出精度を高めることにより眼の
幅程度の狭い範囲とするように開口を設定としてもよ
い。

【００８６】図２３は、時分割立体表示を行う本発明の
投影光学ユニットにおける他の開口設定による左眼画像
の表示状態である。この実施形態にあっては、３Ｄ観察
領域２０における観察者の両目中心位置１２６の左側の
全領域を左眼観察領域２０−１とするように、マトリク
ス液晶シャッタ９２に開口１２８を設定している。図２
４は図２３の実施形態について右眼画像の表示状態に切
り替えたタイミングであり、この場合には３Ｄ観察領域
の観察者における両眼中心位置１２６の右側全域を右眼
観察領域２０−２とするように、マトリクス液晶シャッ
タ９２に開口１３０を設定している。

【００８７】図２５は図２３及び図２４に対応する等化
光学系である。即ち、図２５（Ａ）は左眼用画像表示状
態であり、３Ｄ観察領域２０の検出対象となる観察者の
両眼中心位置１２６の検出情報に基づき、マトリクス液
晶シャッタ９２の対応点１２７のスクリーン側に向かっ
て左側の全領域を透過状態として開口１２８を設定して
いる。

【００８８】このため３Ｄ観察領域２０のみならず、そ
の左側の２Ｄ観察領域３６においても、左眼用画像光１
２０を受けることによって表示器１４の左眼画像を観察
することができる。図２５（Ｂ）は、図２４の右眼用画
像表示状態に対応した等化光学系であり、立体表示の観
察対象物となる両眼中心位置１２６に対応したマトリク
ス液晶シャッタ９２の対応点１２７のスクリーンに向か
って右側全域を透過状態として開口１３０を設定してい
る。

【００８９】このような開口１３０の設定により、両眼
中心位置１２６の右側の全領域に右眼用画像光１２２が
投影され、３Ｄ観察領域２０を超えた右側においても右
眼用画像光１２２の投影による右眼画像を観察すること
ができる。この図２５（Ａ）（Ｂ）のような右眼画像の
開口１２８及び左眼画像の開口１３０の設定により、３
Ｄ観察領域２０に位置する観察者位置の検出対象となる
観察者は、左右の眼により同時に右眼用と左眼用の画像
を観察することで、両眼視差により立体像を観察でき
る。

【００９０】また立体表示の観察を行っている観察者以
外の他の観察者については、例えば３Ｄ観察領域２０の
左側において観察すると、図２５（Ａ）のように開口１
２８の設定による表示器１４からの左眼用画像光１２０
のみを観察することとなり、左眼用画像による二次元画
像を観察することができる。また３Ｄ観察領域２０の右
側で他の観察者が観察している場合には、図２５（Ｂ）
のように、右眼用画像光１２２の投影を受け、表示器１
４に表示されている右眼画像による二次元画像のみを観
察することができる。即ち、３Ｄ観察領域２０に存在す
る本発明の観察者位置検出の対象となっている観察者以
外の他の観察者については、同じスクリーンを見ること
で右眼画像または左眼画像による二次元画像を鮮明に観
察することができる。

【００９１】図２６，２７は立体画像と二次元画像を同
時観察する投影光学系による他の表示状態である。図２
６の左眼画像の表示状態にあっては、観察者の左眼４０
に対応した位置に開口１２８を設定して左眼観察領域２
０−１を狭い幅で設定し、３Ｄ観察領域の観察者の左眼
４０のみによって表示器１４の左眼画像を観察できるよ
うにする。

【００９２】一方、図２７の右眼画像の表示について
は、図２６の左眼観察領域２０−１を除く全領域を右眼
観察領域２０−２とするようにマトリクス液晶シャッタ
９２に開口１３０を設定している。これによって３Ｄ観
察領域で観察者位置の検出対象となっている立体観察が
できる観察者以外の他の観察者については、いずれの位
置についても図２７の表示状態による右眼画像による二
次元画像のみを観察できるようにしている。

【００９３】図２８は図２６及び図２７の投影光学ユニ
ットにおける等化光学系であり、図２８（Ａ）は左眼用
画像表示状態、図２８（Ｂ）は右眼用画像表示状態であ
る。即ち、図２８（Ａ）の左眼用画像表示状態について
は、開口１２８の設定により３Ｄ観察領域２０の観察者
の左眼の位置にスリット像１１８を投影している。これ
に対し図２８（Ｂ）の右眼用画像表示状態にあっては、
左眼用のスリット像１１８を除く全領域に右眼用のスリ
ット像１２０，１２０が結像されるように、マトリクス
液晶シャッタ９２の透過状態の設定により開口１３０を
設定している。

【００９４】図２９は時分割により立体表示において、
観察者の前後方向の移動に追従した開口設定制御を可能
とする本発明の投影光学ユニットの実施形態である。こ
の投影光学ユニットにあっては、投射レンズ１１０の手
前に設ける開口設定器として、図１６で開口設定器とし
て使用したマトリクス液晶シャッタ９２を光軸方向に複
数積層した積層シャッタ１３４を使用している。

【００９５】積層シャッタ１３４の開口設定は、観察者
の前後方向の位置、即ち座標値ｚの検出位置に基づき、
対応する特定のマトリクス液晶シャッタが選択されて、
そのときの左右方向の観察者検出位置に対応した開口設
定が行われる。それ以外の他の複数のマトリクス液晶シ
ャッタについては、全領域が透過状態に制御されてい
る。

【００９６】図３０は図２９の等化光学系であり、この
等化光学系にあっては、積層シャッタ１３４として例え
ば５枚のマトリクス液晶シャッタ９２−１〜９２−５を
積層している。このような積層シャッタ１３４のマトリ
クス液晶シャッタ９２−１〜９２−５の前後方向の位置
に対応して、３Ｄ観察領域にはスリット結像面１３２−
１〜１３２−５が前後方向に設定される。

【００９７】スクリーン位置に設けた凸レンズ１１７に
よるマトリクス液晶シャッタ９２−１〜９２−５とスリ
ット結像面１３２−１〜１３２−５の間には、前後方向
の開口位置の変化に対し常に結像距離を同一とするよう
にスリット結像面が決まる。即ち、一番手前のマトリク
ス液晶シャッタ９２−１に対応してスリット結像面１３
２−１が存在し、一番先のマトリクス液晶シャッタ９２
−５に対応して最も奥のスリット結像面１３２−５が存
在する。

【００９８】このため、３Ｄ観察領域２０に存在する観
察者の前後方向の位置即ち座標値ｚに基づいて、積層シ
ャッタ１３４の中のマトリクス液晶シャッタ９２−１〜
９２−５のいずれか１つ例えばマトリクス液晶シャッタ
９２−３を選択し、同じく左右方向の観察者位置検出に
基づく右眼または左眼の検出位置に対応して左右方向の
位置に開口設定することで、スリット結像面１３２−３
に開口のスリット像を結像して、観察者に両眼視差によ
る立体画像の観察を行わせることができる。

【００９９】この観察者の奥行方向の検出位置に応じた
開口設定制御については、図１９，図２５、更には図２
８のいずれかの右眼用及び左眼用画像表示の時分割処理
を適用することができる。図２５または図２８の表示処
理を適用した場合には、立体観察領域２０以外の２Ｄ観
察領域３６においては二次元画像を観察することができ
る。

【０１００】図３１は観察者の前後方向の位置検出に応
じた開口設定の実現する投影光学ユニットの他の実施形
態であり、この実施形態にあっては、投射レンズに可動
レンズを設けて焦点距離を変えることで観察者の奥行方
向の動きに応じた立体表示を可能とする。図３１におけ
る投射レンズユニット１５としては、固定投射レンズ１
８０，１８４の間に、アクチュエータ１８６により光軸
方向に移動自在な可動レンズ１８２を設けている。この
可動レンズ１８２をアクチュエータ１８６により光軸方
向に移動することで、３Ｄ観察領域においてスリット結
像面１３２−１〜１３２−ｎのような前後方向の設定を
行うことができる。図３２は図３１の焦点距離を可変で
きる投射レンズユニット１５の実施形態であり、リニア
モータ構造をもつＶＣＭをアクチュエータに用いたこと
を特徴とする。図３２において、レンズ収納筒１８８の
開口部側には固定レンズ１８０，１８４が装着され、そ
の間に可動レンズ１８２を光軸方向に摺動自在に汲み込
んでいる。

【０１０１】可動レンズ１８２はアーム１９２に装着さ
れ、アーム１９２は軸方向に開口したガイドスリット１
９０を介してアクチュエータ１８６のＶＣＭコイル１９
４に装着されている。ＶＣＭコイル１９４は、光軸方向
に固定設置したヨーク１９６に対し摺動自在に装着され
ている。このため、ＶＣＭコイル１９４に通電すること
によりヨーク１９６との間に実回路を形成し、ＶＣＭコ
イル１９４を前後方向に移動でき、これによって可動レ
ンズ１８２をレンズ収納筒１８８内で光軸方向に移動し
て焦点距離を変化させることができる。

【０１０２】図３２は図３１の投射レンズユニット１５
の他の実施形態である。この実施形態にあっては、図３
３（Ａ）のように、固定レンズ１８０，１８４、及び可
動レンズ１８２を備えたレンズ収納筒１８８を外筒１９
８の中に収めている。可動レンズ１８２には例えば半径
方向の対称位置に、例えばピン２４２，２４６を固定し
ており、ピン２４２，２４６はレンズ収納筒１８８の光
軸方向に形成したスリット２４０，２４４を介し、外側
に位置する外筒１９８のスリットに嵌め込まれている。

【０１０３】外筒１９８のスリットは、図３３（Ｂ）の
ように、光軸に対し斜めに形成されたスリット２６０と
なっている。更に外筒１９８の一端の外周にはアウター
ナルギア２４８が形成されており、アウターナルギア２
４８は中間ギア２５０を介してモータ２５４のドライブ
ギア２５２に噛み合っている。モータ２５４によりドラ
イブギア２５２を回転すると、中間ギア２５０を介して
アウターナルギア２４８に回転が伝達され、外筒１９８
が回転する。外筒１９８の中に収納されたレンズ収納筒
１８８は、軸方向には移動するが回転方向の動きは規制
されている。

【０１０４】このため外筒１９８の回転に伴い、可動レ
ンズ１８２に固定している例えば図３３（Ｂ）のピン２
４６がスリット２６０の回転による動きでスリット２４
４に沿って軸方向に移動し、可動レンズ１８２を移動す
る。このような可動レンズ１８２の光軸方向の移動によ
り、焦点距離を変えることができる。図３４は観察者の
前後方向の位置検出による開口設定制御の他の実施形態
であり、実際の投影光学ユニットの等化光学系で示して
おり、また、この等化光学系は側面から見た状態であ
る。この実施形態にあっては、投射レンズ１０９と１１
０の間にマトリクス液晶シャッタ９２を光軸に対し前後
方向に斜めとなるように配置したことを特徴とする。

【０１０５】図３５は図３４のマトリクス液晶シャッタ
９２の正面図であり、下側から水平ストライプ開口領域
１３５−１〜１３５−ｎに開口設定領域を分けている。
この水平ストライプ開口領域は、スクリーン位置の凸レ
ンズ１１７に対し光軸方向の距離が異なっている。この
ため観察領域に、光軸方向に異なった位置をもつスリッ
ト結像領域１３１−１〜１３１−ｎを設定することにな
る。

【０１０６】図３６は実際の投影光学ユニットにおける
スクリーン側の説明図であり、図３４の凸レンズ１１７
を実現する凸フレネルレンズ１１６の結像位置に光軸方
向に対し前後方向の斜めに並んだスリット像結像領域１
３６−１〜１３６−ｎが形成される。しかしながら、図
３６のスリット像結像領域１３６−１〜１３６−ｎのそ
れぞれは、垂直方向については極めて狭い範囲であり、
この範囲を外れると立体観察ができなくなる。

【０１０７】そこで実際の装置にあっては、図３７のよ
うに、凸レンズ１１７に近接して垂直拡散板１４０を設
け、垂直方向にスリット像結像領域１３６−１〜１３６
−ｎを拡大して有効領域１４４を形成する。図３８は図
３７の実際の投影光学ユニットの凸フレネルレンズ１１
６側であり、凸フレネルレンズ１１６に合わせて垂直拡
散板１４０を設けている。

【０１０８】この垂直拡散板１４０を設けたことで、図
３６の斜めの狭い各スリット像結像領域１３６−１〜１
３６−ｎは、垂直方向に拡大された垂直拡大領域１４２
−１〜１４２−ｎに変換でき、観察者の前後方向の移動
に対し、垂直方向の必要領域を有効領域とした立体観察
を実現することができる。５．空間分割による投影開口制御図３９は観察者位置検出に基づいて生成した右眼画像と
左眼画像を空間分割により３Ｄ観察領域に投射するため
の、図２の画像表示装置における画像生成装置２６及び
表示制御装置３０のブロック図である。空間分割の画像
投影にあっては、表示器１４として左眼用表示器１４−
１と右眼用表示器１４−２の２つを使用する。

【０１０９】この左眼用及び右眼用表示器１４−１，１
４−２としては、透過型の液晶表示デバイスが使用され
る。左眼用及び右眼用表示器１４−１，１４−２に対応
して、表示制御装置３０には表示駆動部７２−１，７２
−２が設けられている。画像生成装置２６は、図９の時
分割の場合と同じであり、モデリングデータ格納部６２
とレンダリング処理部６４で構成され、観察者位置情報
に基づいてレンリング処理部６４でモデリングデータに
基づいた右眼画像と左眼画像を生成して、表示制御装置
３０の右眼画像フレームバッファ６６及び左眼画像フレ
ームバッファ６８に書き込む。尚、画像生成装置２６と
しては、図１１のカメラ画像データ格納部７３及び補間
画像生成部７５を用いたものであってもよい。

【０１１０】図４０は図３９の表示制御装置３０による
右眼画像データと左眼画像データの読み出し動作であ
り、２つの表示駆動部７２−１，７２−２が対応する右
眼画像フレームバッファ６６及び左眼画像フレームバッ
ファ６８のそれぞれから並列的に右眼用画像データ７４
と左眼用画像データ７６を読み出し、同時に右眼用表示
部１４−２，左眼用表示器１４−１に対応する画像を表
示する。

【０１１１】図４１は空間分割による右眼画像と左眼画
像の投影表示を行うための投影光学ユニットの実施形態
である。図４１において、左眼用表示器１４−１と右眼
用表示器１４−２が個別に配置され、それぞれの表示器
１４−１，１４−２に対応して、開口設定を行うマリト
クス液晶シャッタ９２−１，９２−２と投射レンズ１１
０−１，１１０−２を設置している。

【０１１２】投射レンズに続いて設けられた凹面ミラー
１１２、背面ミラー１１４は共通光学系となり、スクリ
ーン位置に３Ｄ観察領域２０に結像機能をもつ凸フレネ
ルレンズ１１６を設置している。一方、光源ユニット側
は省略しているが、図１７の空間分割の実施形態と同
様、光源９８、リフレクタ１００、レンズ１０２及びフ
レネルレンズ１０４が設けられ、ミラー１０６の代わり
にハーフミラーが使用され、ハーフミラーの反射光を図
４１の右眼用表示器１４−２に入射すると共に、ハーフ
ミラーを透過した光を更にミラーで反射して、図４１の
左眼用表示器１４−１に入射するようにしている。

【０１１３】このような空間分割による投影光学ユニッ
トにあっては、右眼用表示器１４−２と左眼用表示器１
４−１のそれぞれに並列的に対応する右眼画像と左眼画
像の表示を行い、これに同期してマトリクス液晶シャッ
タ９２−２，９２−１のそれぞれに開口１３０，１２８
の設定を行っている。この場合の開口設定は、図２６，
図２７の空間分割の場合と同じである。

【０１１４】即ち、３Ｄ観察領域２０に存在する観察者
の左眼４０の検出位置に対応する幅の小さいスリット状
の開口１２８を右眼用表示器１４−２に対応したマトリ
クス液晶シャッタ９２−２に設定し、３Ｄ観察領域２０
にスリット像１１８を結像し、これを左眼観察領域２０
−１としている。同時に右眼用表示器１４−２に対応し
たマトリクス液晶シャッタ９２−２には、左眼用のマト
リクス液晶シャッタ９２−１に設定した開口１２８を除
く全領域を透過状態とした開口１３０が設定される。こ
のため３Ｄ観察領域２０には左眼観察領域２０−１を除
く領域に開口１３０のスリット像１２０が結像され、こ
れが右眼観察領域２０−２を形成している。

【０１１５】図４２は、図４１の空間分割の投影光学ユ
ニットに設けたマトリクス液晶シャッタ９２−１，９２
−２と開口制御装置のブロック図である。開口設定器１
６としては、２つのマトリクス液晶シャッタ９２−１，
９２−２とそれぞれのドライバ９４−１，９４−２，９
６−１，９６−２が設けられる。開口制御装置２８に
は、２台のマトリクス液晶シャッタ９２−１，９２−２
に対応して表示コントローラ９０−１，９０−２が設け
られ、並列的に開口設定制御を行う。開口位置演算部８
８は図１６の時分割の場合と同じであり、観察者位置検
出情報に基づいて右眼及び左眼用の開口位置を演算して
表示コントローラ９０に指示する。

【０１１６】図４３は、図４１の空間分割による投影光
学ユニットにおける投影開口制御のフローチャートであ
る。まずステップＳ１で観察者の左右の眼の位置を検出
し、ステップＳ２で左眼用画像と右眼用画像を生成す
る。続いてステップＳ３で、別々に設けられた各表示器
に左眼用画像と右眼用画像を並列的に表示する。同時に
ステップＳ４で、左眼用及び右眼用の開口設定器として
設けたマトリクス液晶シャッタ９２−１，９２−２のそ
れぞれに左眼用開口位置と右眼用開口位置の設定制御を
行い、以上のステップＳ１〜Ｓ４の処理を、ステップＳ
５で表示停止が行われるまで繰り返す。尚、図４１にあ
っては、時分割における図２６，図２７の開口設定を例
にとっているが、これ以外に図１７，図１８の開口設
定、あるいは図２３，図２４の開口設定を行うようにし
てもよい。

【０１１７】図４４は空間分割の投影光学ユニットにお
ける開口の奥行き方向の制御のための実施形態である。
この実施形態にあっては、左眼用表示器１４−１及び右
眼用表示器１４−２に続いて図４２のマトリクス液晶シ
ャッタ９２−１，９２−２を光軸方向に複数積層した積
層シャッタ１３４−１，１３４−２を設定している。こ
れら積層シャッタ１３４−１，１３４−２の各マトリク
ス液晶シャッタに対応して、スクリーン位置となる凸フ
レネルレンズ１１６の前方の３Ｄ観察領域２０には、前
後方向にスリット結像面１３２−１〜１３２−ｎがシャ
ッタ枚数分形成されることになる。

【０１１８】このため、３Ｄ観察領域２０の観察者位置
の前後方向の検出位置に基づいて、積層シャッタ１３４
−１，１３４−２の中の対応するマトリクス液晶シャッ
タを選択して開口設定することで、３Ｄ観察方向の検出
位置に対応する奥行方向の位置にスリット結像面を形成
し、ここに右眼用及び左眼用画像を観察するためのスリ
ット像の形成による画像光の投射ができる。

【０１１９】更に、空間分割における前後方向の開口制
御の実施形態としては、図４５の積層シャッタ以外に
も、図３１の時分割に示した投射レンズユニット１５に
設けた可動レンズ１８２の光軸方向の移動により焦点距
離を変えるもの、更には図３７に示したマトリクス液晶
シャッタを光軸の前後方向に斜めに配置し、且つスクリ
ーン位置となる凸フレネルレンズ１１６に垂直拡散板１
４０を設けたものとしてもよい。６．偏光分割による投影開口制御図４５は、３Ｄ観察領域に対する右眼及び左眼画像の投
影と開口設定を偏光分割により実現する図２の投影光学
ユニットの実施形態である。

【０１２０】図４５において、偏光分割にあっては、表
示器として左眼用表示器１４−１と右眼用表示器１４−
２を別々に設けている。このため表示制御装置として
は、空間分割と同じ図３９のものが使用できる。光源側
は光源９８とリフレクタ１００による光をレンズ１０２
で集光した後にフレネルレンズ１０４で平行光に変換
し、続いてビーム用の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１４４により、透過光となるＰ偏光成分と反射光となる
Ｓ偏光成分に分離している。分離用偏光ビームスプリッ
タ１４４で反射されたＳ偏光成分はミラー１４６で反射
され、左眼用表示器１４−１に入射する。

【０１２１】一方、分離用偏光ビームスプリッタ１４４
を透過したＰ偏光成分はミラー１４８で反射された後、
右眼用表示器１４−２に入射される。左眼用表示器１４
−１を通過した映像光となるＳ偏光成分と、右眼用表示
器１４−２を通過して映像光となったＰ偏光成分は、合
成用偏光ビームスプリッタ１５０に与えられる。合成用
偏光ビームスプリッタ１５０は、Ｓ偏光成分とＰ偏光成
分を合成した後、偏光分割における開口設定器として機
能するマトリクスπセル１５２に与えられる。マトリク
スπセル１５２に続いては投影レンズ１１０が設けら
れ、それ以降の光学系は時分割及び空間分割の場合と同
様、凹面ミラー１１２、背面ミラー１１４、３Ｄ観察領
域２０に結像機能をもつ凸フレネルレンズ１１６で構成
される。

【０１２２】図４６は、図４５における左眼用表示器１
４−１，右眼用表示器１４−２，合成用偏光ビームスプ
リッタ１５０及びマトリクスπセル１５２の部分を取り
出している。開口設定器として機能するマトリクスπセ
ル１５２は、図４７に示すように、ＴＮ液晶１５８と偏
光板１６０で構成されている。ＴＮ液晶１５８は、液晶
を積層している電極間に対する駆動電圧の印加による電
解オンオフにより、入射光の偏光面の回転と非回転状態
を作り出す。

【０１２３】即ち図４７（Ａ）は、ＴＮ液晶１５８の電
極間の駆動電圧をオフした電解オフ状態である。この電
解オフ状態では、右眼画像光１２４となるＰ偏光成分は
ＴＮ液晶１５８を通過する際に偏光面が９０度回転され
てＳ偏光成分に変換される。一方、左眼画像光１２２と
なるＳ偏光成分も同様に９０度回転されてＰ偏光成分と
なる。偏光板１６０は、例えばＳ偏光成分のみを透過
し、Ｐ偏光成分を遮断する偏光特性を備えている。

【０１２４】このため、ＴＮ液晶１５８から出力された
Ｓ偏光成分即ち右眼画像光１２４のみが偏光板１６０を
通過して右眼３８側に投影される。したがって図４６の
マトリクスπセル１５２において、右眼用の開口を設定
したい領域についてはＴＮ液晶１５８の電解をオフした
電解オフ領域１５４を設定すればよい。一方、ＴＮ液晶
１５８の電極間に駆動電圧を印加した電解オン状態につ
いては、図４７（Ｂ）のようになる。ＴＮ液晶１５８の
電極間に駆動電圧を印加した電解オン状態にあっては、
ＴＮ液晶１５８による偏光面の回転機能はなくなって透
過状態となり、右眼画像光１２４であるＰ偏光成分も左
眼画像光１２２であるＳ偏光成分もそのままＴＮ液晶１
５８を通過する。

【０１２５】このとき偏光板１６０はＳ偏光成分のみの
透過特性をもっているため、左眼画像光１２２となるＳ
成分が出力され、左眼４０に投影される。したがって図
４６のマトリクスπセル１５２において、左眼用の開口
を設定したい領域については電解オン領域１５６を設定
すればよい。このようなマトリクスπセル１５２におけ
る左眼用の開口に対応した電解オン領域１５６と右眼用
の開口に対応した電解オフ領域１５４の設定により、図
４５のように、スクリーン位置となる凸フレネルレンズ
１１６の前方の３Ｄ観察領域２０に左眼観察領域２０−
１と右眼観察領域２０−２が設定され、それぞれの領域
に対する右眼画像と左眼画像の投影により、観察者は両
眼視差により立体像を観察することができる。

【０１２６】また位置検出対象となっている観察者以外
の観察者については、この実施形態の場合には、右眼観
察領域２０−２から観察することになるため、右眼用表
示器１４−２による右眼画像を二次元画像として鮮明に
観察することができる。図４８は図４５の偏光分割によ
る投影制御と開口制御のフローチャートである。まずス
テップＳ１で観察者の左右の眼の位置を検出し、ステッ
プＳ２で左眼用画像と右眼用画像を生成する。続いてス
テップＳ３で左眼用画像と右眼用画像をそれぞれの表示
器１４−１，１４−２に表示する。更にステップＳ４
で、右眼用開口位置と左眼用開口位置に応じて偏光回転
の有無を決める電解オンオフ領域の制御を行う。

【０１２７】このようなステップＳ１〜Ｓ４の偏光分割
による投影及び開口制御を、ステップＳ５で表示停止が
行われるまで繰り返す。ここで、図４５の偏光分割にお
けるマトリクスπセル１５２の開口設定は、時分割によ
る図２６，２７と同じ開口設定を例にとっているが、こ
れ以外に図１７，図１８の開口設定、あるいは図２３，
図２４の開口設定を行ってもよいことはもちろんであ
る。

【０１２８】図４９は偏光分割における開口の前後方向
の制御を行う投影光学ユニットの実施形態である。この
実施形態にあっては、合成用偏光ビームスプリッタ１５
０に続いて積層マトリクスπセル１６１を設けている。
積層マトリクスπセル１６１は、図４５で使用したマト
リクスπセル１５２を複数枚、光軸方向に積層してい
る。

【０１２９】このような積層マトリクスπセル１６１に
よりスクリーン位置となる凸フレネルレンズ１１６の前
方の３Ｄ観察領域２０に、光軸に沿った前後方向に並ん
で複数のスリット結像領域１６２−１〜１６２−ｎが形
成される。このため、３Ｄ観察領域２０における観察者
の前後方向の検出位置に対応して積層マトリクスπセル
１６１の中の対応するマトリクスπセルを選択して、図
４６のような電解オフ領域１５４と電解オン領域１５６
の設定による右眼用及び左眼用の開口設定を行うこと
で、３Ｄ観察領域２０の観察者の検出位置の直前のスリ
ット結像位置にマトリクスπセルのスリット像を結像
し、観察者による立体観察を可能とする。

【０１３０】図５０は偏光分割の投影光学ユニットにお
ける開口の前後方向の制御の他の実施形態であり、マト
リクスπセルを光軸に対し前後方向に斜めに設置したこ
とを特徴とする。即ち、合成用偏光ビームスプリッタ１
５０に続いてマトリクスπセル１５２は、光軸に対し前
後方向に斜めとなるように配置されている。斜めに配置
したマトリクスπセル１５２は、空間分割における図３
４のマトリクス液晶シャッタの場合と同様、複数の水平
ストライプ開口による光軸方向の異なった位置での開口
設定を行う。

【０１３１】このためスクリーン位置となる凸フレネル
レンズ１１６の前方の３Ｄ観察領域２０には、斜めに配
置したマトリクスπセル１５２の各水平ストライプ開口
に対応する水平ストライプスリット像１６４−１〜１６
４−ｎが形成される。この場合、１つ１つの水平ストラ
イプスリット像１６４−１〜１６４−ｎの垂直方向の幅
は極めて狭く、この幅を観察者の眼が外れると立体像を
観察することができない。

【０１３２】そこで図５１のように、凸フレネルレンズ
１１６に垂直拡散板１６６を設け、各水平ストライプス
リット像１６４−１〜１６４−ｎを垂直方向に拡大した
垂直拡大領域１７０−１〜１７０−ｎとする。尚、偏光
分割による開口の前後方向の制御については、これ以外
に図３１の時分割における投射レンズを光軸方向に移動
して焦点距離を変えるようにしてもよいことはもちろん
である。７．複数観察者に対する投影開口制御図５２は本発明の画像表示装置の他の実施形態であり、
３Ｄ観察領域に存在する複数の観察者位置を検出し、各
観察者が個別に立体観察ができるようにしたことを特徴
とする。

【０１３３】図５２において、複数観察者の立体観察を
可能とする本発明の画像表示装置１０の装置構成は、図
２の実施形態と基本的に同じであり、観察者位置検出装
置２４が３Ｄ観察領域２０に存在する複数の観察者、例
えば二人の観察者２２−１，２２−２のそれぞれを検出
できることを特徴とする。画像生成装置２６は、観察者
位置検出装置２４による例えば二人の観察者２２−１，
２２−２の検出情報に基づき、次のモードに従った画像
生成を行う。

【０１３４】モード１：複数の観察者２２−１，２２−
２の内の特定の一人、例えば観察者２２−１の右眼と左
眼を視点位置としてみた右眼画像及び左眼画像を生成す
る。モード２：観察者２２−１，２２−２のそれぞれの右眼
と左眼を視点位置としてみた右眼画像及び左眼画像を生
成する。

【０１３５】このため、モード１にあっては、一人の観
察者の検出位置に対応した右眼画像と左眼画像であるこ
とから、既に説明した実施例における観察者一人を対象
とした場合と同じ画像生成と表示制御装置３０による表
示器１４に対する画像表示でよい。これに対しモード２
の観察者２２−１，２２−２ごとにそれぞれの右眼画像
と左眼画像を生成する場合には、例えば時分割にあって
は単一の表示器１４を使用して二人分の右眼画像と左眼
画像を表示する必要があるため、一人分の表示周期例え
ば（１／１２０）秒周期で表示対象とする観察者の数Ｎ
の逆数を掛け合わせた表示周期で、例えば２人分の観察
者の場合は（１／２４０）秒周期で高速に切替表示する
必要がある。

【０１３６】一方、開口設定器１６に対する開口制御装
置２８による開口制御については、二人の観察者２２−
１，２２−２のそれぞれの右眼とそれぞれの左眼の位置
に対応した開口設定を行う。図示の３Ｄ観察領域２０に
あっては、観察者２２−１，２２−２の右眼観察領域２
０−２１，２０−２２を設定した状態であり、これに対
応して開口設定器１６には２つの右眼用の開口設定が行
われている。

【０１３７】図５３は時分割を例にとって図５２の複数
観察者を対象とした装置の投影光学ユニットの実施形態
である。図５３にあっては、３Ｄ観察領域２０に存在す
る二人の観察者の左眼４０−１，４０−２の検出位置に
対応した開口１２８−１，１２８−２の設定をマトリク
ス液晶シャッタ９２に対し行っている。これにより３Ｄ
観察領域２０にそれぞれの左眼観察領域２０−１１，２
０−１２のスリット像が形成され、二人の観察者はそれ
ぞれの左眼４０−１，４０−２によって同じ表示器１４
に表示された左眼画像を観察することができる。

【０１３８】図５４は右眼画像の表示と開口設定に切り
替えた状態であり、３Ｄ観察領域２０に存在する二人の
観察者の右眼３８−１，３８−２の検出位置に対応した
開口１３０−１，１３０−２の設定をマトリクス液晶シ
ャッタ９２に対し行っている。このため３Ｄ観察領域２
０にはそれぞれの観察者に対する右眼観察領域２０−２
１，２０−２２が形成され、二人の観察者はそれぞれの
右眼３８−１，３８−２により表示器１４の右眼画像を
観察することができる。

【０１３９】時分割にあっては、図５３と図５４の表示
が交互に切り替えられるため、二人の観察者は同時に右
眼と左眼で異なった視差画像を見ることになり、これに
よって立体を観察することができる。このときモード１
による表示器１４の表示制御にあっては、二人の観察者
は同じ立体画像を観察することになる。これに対しモー
ド２にあっては、観察者の各位置に対応して個別に右眼
画像と左眼画像が形成され、例えば観察者が図５２のよ
うに二人であれば、まず観察者２２−１の右眼画像と左
眼画像が表示され、これに同期してマトリクス液晶シャ
ッタ９２に右眼用開口と左眼用開口が設定され、観察者
２２−１に対する立体観察のための投影表示が行われ
る。

【０１４０】続いて次の観察者２２−２の検出位置から
生成した右眼画像と左眼画像の表示を表示器１４に対し
順次行い、これに同期して観察者２２−２の右眼位置と
左眼位置に対応した開口設定を順次行うことで、観察者
２２−２による立体画像の観察を行わせる。このためモ
ード２の投影表示と開口制御にあっては、観察者２２−
１，２２−２は同じ表示映像であっても、それぞれの位
置に対応した見え方の立体画像を観察することができ
る。

【０１４１】尚、図５２の複数観察者を対象とした装置
の投影光学ユニットは、図５３、図５４の時分割以外に
図２の単一の観察者を対象とした投影光学ユニットの実
施形態と同様、空間分割によるもの、偏光分割によるも
のの全てをそのまま使用することができる。更に本発明
は発明の目的を逸脱しない範囲で適宜の変形が可能であ
る。更にまた本発明は、実施例に記載された数値による
限定は受けない。

【０１４２】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、眼鏡などの補助光学系を使用することなく立体画像
を鮮明に見ることができ、観察者の移動に追従して立体
映像が変化する運動視差を実現でき、更に立体観察者以
外の観察者については同じ内容をもつ二次元画像を鮮明
に見せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図

【図２】本発明の装置構成の説明図

【図３】本発明による観察領域の説明図

【図４】本発明の時分割処理による立体表示のフローチ
ャート

【図５】画像を用いた図３の観察者位置検出装置のブロ
ック図

【図６】図５の装置による画像を用いた観察者位置の演
算処理の説明図

【図７】磁気センサを用いた図３の観察者位置検出装置
のブロック図

【図８】超音波センサを用いた図３の観察者位置検出装
置のブロック図

【図９】図３の画像生成装置と表示制御装置のブロック
図

【図１０】時分割による右眼用と左眼用の画像データの
転送表示の説明図

【図１１】画像補間を行う図３の画像生成装置と表示制
御装置のブロック図

【図１２】図１１におけるカメラ配置の説明図

【図１３】２台のカメラによる撮影画像の説明図

【図１４】図１１の装置による水平方向での画像補間の
説明図

【図１５】図１４の補間処理で生成した画像の説明図

【図１６】図２の開口設定器と開口制御装置のブロック
図

【図１７】時分割による右眼画像投映状態での図２の投
映光学ユニットの説明図

【図１８】時分割による左眼画像投射状態での図２の投
映光学ユニットの説明図

【図１９】図１７，図１８の等化光学系による時分割画
像投映の説明図

【図２０】図１９の等化光学系に相当するプロジェクタ
２台を用いた投映光学系の説明図

【図２１】観察者の検出位置の開口位置の相関関係の説
明図

【図２２】観察者の眼の間隔に対する投映領域の説明図

【図２３】立体画像と二次元画像の観察を可能とする時
分割による左眼画像投映状態での図２の投映光学ユニッ
トの説明図

【図２４】立体画像と二次元画像の観察を可能とする時
分割による右眼画像投射状態での図２の投映光学ユニッ
トの説明図

【図２５】図２３，図２４の等化光学系による空間分割
画像投映の説明図

【図２６】立体画像の観察を可能とする時分割による右
眼画像投映状態での図２の投映光学ユニットの説明図

【図２７】立体画像と二次元画像の観察を可能とする時
分割による左眼画像投射状態での図２の投映光学ユニッ
トの説明図

【図２８】図２６，図２７の等化光学系による空間分割
画像投映の説明図

【図２９】積層シャッタを用いた前後方向に開口位置を
制御する時分割による図２の投映光学ユニットの説明図

【図３０】図２９の等化光学系による開口位置の前後方
向の制御の説明図

【図３１】投射レンズの駆動により前後方向に開口位置
を制御する時分割による図２の投映光学ユニットの説明
図

【図３２】図３１の投射レンズの駆動機構の説明図

【図３３】図３１の投射レンズの他の駆動機構の説明図

【図３４】積層シャッタを斜めに配置して前後方向に開
口位置を制御する時分割による図２の投映光学ユニット
の等化光学系の説明図

【図３５】図３４のシャッタの正面図

【図３６】図３４のスクリーン位置に凸フレネルレンズ
を用いた実際の光学系における観察領域でのスリット像
の前後移動の説明図

【図３７】図３４の凸レンズに垂直拡散板を設けて観察
領域で垂直方向に視野を拡大した説明図

【図３８】図３７を実際の光学系に適用した場合の垂直
方向での視野の拡大の説明図

【図３９】空間分割による図２の画像生成装置と表示制
御装置のブロック図

【図４０】空間分割による右眼用と左眼用の画像データ
の転送表示の説明図

【図４１】空間分割による図２の投映光学ユニットの説
明図

【図４２】空間分割による開口制御装置と開口設定器の
ブロック図

【図４３】空間分割による表示制御と開口制御のフロー
チャート

【図４４】開口位置を前後に制御する空間分割による図
２の投映光学ユニットの説明図

【図４５】偏光分割による図２の投映光学ユニットの説
明図

【図４６】図４５の偏光制御型開口設定器の部分を取り
出した説明図

【図４７】図４６の開口設定器の構造と開口設定の説明
図

【図４８】偏光分割による画像投映と開口制御のフロー
チャート

【図４９】開口設定器の積層により開口位置を前後に制
御する図２の投映光学ユニットの説明図

【図５０】開口設定器の斜め配置により開口位置を前後
に制御する図２の投映光学ユニットの説明図

【図５１】図５０の凸フレネルレンズに垂直拡散板を配
置した投映光学ユニットの説明図

【図５２】複数の観察者による立体画像を観察可能とす
る本発明の装置構成の説明図

【図５３】複数観察者による左眼画像投映状態での図５
２の投映光学ユニットの説明図

【図５４】複数観察者による右眼画像投映状態での図５
２の投映光学ユニットの説明図

【図５５】偏光眼鏡を使用する従来の立体表示装置の説
明図

【図５６】図５５で表示する右眼用と左眼用の画像説明
図

【図５７】レンティキュラ方式による従来の立体表示装
置の説明図

【図５８】パララックスバリア方式による従来の立体表
示装置の説明図

【図５９】観察領域を拡大したレンティキュラ方式によ
る従来の立体表示装置の説明図

【符号の説明】

１０：立体表示装置１２：光源ユニット１４：表示器１６：開口設定器１５：投射レンズユニット１８：スクリーン２０：３Ｄ観察領域（立体観察領域）２２：観察者２４：観察者位置検出装置（観察者位置検出部）２６：画像生成装置（画像生成部）２８：開口制御装置（開口制御部）３０：表示制御装置３２：光源駆動装置３４：高速バス３６：２Ｄ観察領域（二次元観察領域）３８：右眼４０：左眼４２，４４：ＣＣＤカメラ４６，３４６，４４６：観察位置演算部４８，４８，３４８，４４８：観察者位置情報発生部５０，５２：撮像レンズ５４，５６：結像面５８，６０：画像６２：モデリングデータ格納部６４：レンダリング処理部６６：右眼画像フレームバッファ６８：左眼画像フレームバッファ７０：データ切替部７２：表示駆動部７３：カメラ画像データ格納部７５：補間画像生成部７４−１〜７４−４：右眼画像データ７６−１〜７６−４：左眼画像データ７８：物体８０−１，８０−２：画像８４：補間画像８８：開口位置演算部９０：表示コントローラ９２，９２−１，９２−２：マトリクス液晶シャッタ９４，９６：ドライバ９８：光源１００：リフレクタ１０２：レンズ１０４：フレネルレンズ１０６，１４６，１４８：ミラー１１０：投射レンズ１１２：凹面ミラー（虚像拡大素子）１１４：背面ミラー１１５：視域１１６：スクリーン用凸フレネルレンズ１１８：スリット像（左眼観察領域）１２０：スリット像（右眼観察領域）１２２：左眼用画像光１２４：右眼用画像光１２６：両眼中心位置１２８：開口（左眼画像用開口）１３０：開口（右眼画像用開口）１３２−１〜１３２−５：スリット像１３４：積層シャッタ１３５−１〜１３５−ｎ：水平ストライプ開口１３６−１〜１３６−ｎ：水平スリット像１４０：垂直拡散板１４２−１〜１４２−ｎ：垂直拡大領域１４４：分離用偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１５０：合成用偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１５２：マトリクスπセル（偏光制御型開口設定器）１５４：電界オフ領域（偏光回転あり）１５６：電界オン領域（偏光回転なし）１５８：ＴＮ液晶１６０：偏光板１６１：積層マトリクスπセル１６２−１〜１６２−ｎ：３Ｄ観察領域１６４−１〜１６４−ｎ：スリット像１７０−１〜１７０−ｎ：垂直拡大領域１８０，１８４：固定レンズ１８２：可動レンズ１８６：アクチュエータ１８８：レンズ収納筒１９０，２６０：ガイドスリット１９２：アーム１９４：ＶＣＭコイル１９６：ヨーク１９８：外筒２４２，２４６：ピン２４８：アウターナルギア２５０：中間ギア２５２：ドライブギア２５４：モータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者前田智司神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者松田高弘神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者岩田敏神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者中島雅人神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (56)参考文献特開平８−76057（ＪＰ，Ａ) 特開平７−226957（ＪＰ，Ａ) 特開平７−159726（ＪＰ，Ａ) 特開平８−98216（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 27/22

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】両眼視差により立体映像を認識させる画像
表示装置に於いて、立体観察領域に存在する観察者の位
置を検出する位置検出部と、前記観察者の検出位置から
見た右眼画像と左眼画像を生成する画像生成部と、前記
画像生成装置で生成した右眼画像と左眼画像を表示する
表示器と、開口位置の設定により前記表示器の表示画像
を前記観察者の検出位置に投映する投映光学ユニット
と、前記観察者の検出位置に基づいて、少なくとも前記
右眼画像を前記観察者の右眼を含む位置に投映すると共
に前記左眼画像を前記観察者の左眼を含む位置に投映す
るように前記投映光学ユニットの開口の位置と大きさを
制御して前記観察者に立体画像を観察させる開口制御部
とを備え、前記開口制御部は、更に、前記観察者の検出位置とは異
なる位置に、前記右眼画像または左眼画像を投映するよ
うに開口を設定することにより、他の観察者の両眼に同
一画像を見せて二次元画像を観察させることを特徴とす
る画像表示装置。
【請求項２】請求項１記載の画像表示装置に於いて、前
記位置検出部は、観察者の眼球位置を検出することを特
徴とする画像表示装置。
【請求項３】請求項２記載の画像表示装置に於いて、前
記位置検出部は、水平方向に所定間隔で配置された２台
の撮像装置と、該撮像装置により撮影された２枚の画像
から前記観察者の位置を算出する位置演算部と、を備え
たことを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】請求項２記載の画像表示装置に於いて、前
記位置検出部は、前記観察者に装着された磁石と、水平
方向に所定間隔で配置された２台の磁気センサと、前記
磁気センサの検出信号から前記観察者の位置を演算する
位置演算部と、を備えたことを特徴とする画像表示装
置。
【請求項５】請求項２記載の画像表示装置に於いて、前
記位置検出部は、水平方向に所定間隔で配置された２台
の超音波センサと、前記超音波センサの検出信号から前
記観察者の位置を演算する位置演算部と、を備えたこと
を特徴とする画像表示装置。
【請求項６】請求項１記載の画像表示装置に於いて、前
記開口制御部は、前記観察者の右眼の検出位置に対応し
た右眼開口と左眼の検出位置に対応した左眼開口の各々
を設定して、前記右眼画像と前記左眼画像を前記観察者
に投映して両眼の視差画像により立体画像を観察させる
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】請求項１記載の画像表示装置に於いて、前
記開口制御部は、前記右眼開口と左眼開口として、前記
観察者の右眼と左眼の検出位置に対応した小さな開口領
域を設定することを特徴とする画像表示装置。
【請求項８】請求項１記載の画像表示装置に於いて、前
記開口制御部は、前記右眼開口と左眼開口として、統計
的に求めた観察者の両眼間隔に基づいて定めた所定範囲
に画像を投映するように開口を設定したことを特徴とす
る画像表示装置。
【請求項９】請求項１記載の画像表示装置に於いて、前
記開口制御部は、前記観察者の右眼の検出位置に対応し
た右眼開口と左眼の検出位置に対応した左眼開口の各々
を設定して両眼視差により立体画像を観察させ、更に、
前記右眼開口と左眼開口のいずれか一方を、他方の開口
を除く位置に広げて対応する画像を投映して、他の観察
者の両眼に同一画像を見せて二次元画像を観察させるこ
とを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】請求項１記載の画像表示装置に於いて、
前記開口位置制御部は、前記観察者の右眼と左眼の検出
位置の中心に境界がくるように右眼開口と左眼開口を設
定して各々対応する画像を投映し、前記検出位置の観察
者に両眼の視差画像により立体画像を観察させると共
に、他の観察者の両眼に同一画像を見せて二次元画像を
観察させることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１１】請求項１記載の画像表示装置に於いて、
前記表示器は、前記右眼画像と左眼画像を順次表示する
単一の表示デバイスを備え、前記投映光学ユニットは、
前記表示デバイスからの画像を拡大投射する投射レンズ
と、前記投射レンズの近傍に設置され、前記開口の位置
と大きさを設定する開口設定器と、前記投射レンズの焦
点位置に配置され、前記立体観察領域に対する開口像の
結像機能を備えたスクリーンと、とを備え、前記開口制
御部は、前記表示器による右眼画像と左眼画像の切替表
示に同期して前記開口設定器の右眼開口と左眼開口の位
置とを切り替えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１２】請求項１１記載の画像表示装置に於い
て、前記表示器は、前記右眼画像と左眼画像に対応して
一対の表示デバイスを備え、前記投映光学ユニットは、
前記一対の表示デバイスからの画像を個別に拡大投射す
る一対の投射レンズと、前記一対の投射レンズの近傍に
設置され、前記開口の位置と大きさを設定する一対の開
口設定器と、前記一対の投射レンズの焦点位置に配置さ
れ、前記立体観察領域に対する開口像の結像機能を備え
たスクリーンと、を備え、前記開口制御部は、前記一対
の表示器に対する右眼画像と左眼画像を並列表示に同期
して前記一対の開口設定器に右眼開口と左眼開口の位置
を同時設定することを特徴とする画像表示装置。
【請求項１３】請求項１１記載の画像表示装置に於い
て、前記表示器は、前記右眼画像と左眼画像に対応して
一対の表示デバイスを備え、前記投映光学ユニットは、
光源からの光を異なる偏光面をもつ２つの光に分離して
前記一対の表示デバイスに入射する分離用偏光ビームス
プリッタと、前記一対の表示デバイスからの偏光面の異
なる画像光を合成する合成用偏向ビームスプリッタと、
前記合成用偏光ビームスプリッタからの画像光を拡大投
射する投射レンズと、前記投射レンズの近傍に配置さ
れ、入射光の偏光面の回転の有無により偏向面の異なる
画像光を選択的に透過する開口位置を設定する偏光制御
型の開口設定器と、前記投射レンズの焦点位置に配置さ
れ、前記立体観察領域に対する開口像の結像機能を備え
たスクリーンと、を備え、前記開口制御部は、前記一対
の表示デバイスに対する右眼画像と左眼画像を並列表示
に同期して、前記偏光制御デバイスの右眼開口と左眼開
口の位置の各々に対応する画像光が透過するように偏光
制御することを特徴とする画像表示装置。
【請求項１４】請求項１１又は１２記載の画像表示装置
に於いて、前記開口設定器は、細分化された液晶セグメ
ントの電圧制御により透過位置を任意に設定する液晶デ
バイスであることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１５】請求項１３記載の画像表示装置に於い
て、前記偏光制御型の開口設定器は、細分化された液晶
セグメントに対する駆動電圧の印加の有無により入射光
の偏光面の回転を制御する液晶デバイスと、前記液晶デ
バイスから出力された特定の偏光面をもつ画像光のみを
透過する偏光板と、を備えたことを特徴とする画像表示
装置。
【請求項１６】請求項１１乃至１３のいずれかに記載の
画像表示装置に於いて、前記投映光学ユニットは、前記
投射レンズの口径を拡大する虚像生成部材を備えたこと
を特徴とする画像表示装置。
【請求項１７】請求項１１乃至１３記載の画像表示装置
に於いて、前記開口制御部は、前記開口設定器の透過位
置を水平方向で変化させることにより、前記開口位置を
左右に制御することを特徴とする画像表示装置。
【請求項１８】請求項１７記載の画像表示装置に於い
て、前記開口制御部は、前記投射レンズを光軸方向に移
動制御することにより、前記開口位置を前後に制御する
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１９】請求項１７記載の画像表示装置に於い
て、前記開口制御部は、前記投射レンズの焦点距離を変
化させることにより、前記開口位置を前後に制御するこ
とを特徴とする画像表示装置。
【請求項２０】請求項１７記載の画像表示装置に於い
て、前記開口設定器を光軸方向に複数積層し、前記開口
制御部は、前記複数の開口設定器の積層方向での透過位
置を制御することにより、前記開口位置を前後に制御す
ることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２１】請求項１１乃至１３のいずれかに記載の
画像表示装置に於いて、前記開口設定器を光軸に対し前
後方向で斜めに配置すると共に前記スクリーンに光を上
下方向に拡散させる拡散板を設け、前記開口制御部は、
前記開口設定器の左右方向での透過位置の変化により前
記開口位置を左右に制御し、且つ前記開口設定器の斜め
上下方向の透過位置の変化により前記開口位置を前後に
制御することを特徴とする画像表示装置。
【請求項２２】請求項１記載の画像表示装置に於いて、
前記画像生成部は、前記観察者の検出位置から見た右眼
画像と左眼画像の二次元画像データを、モデリングされ
た三次元画像データに基づいて生成することを特徴とす
る画像表示装置。
【請求項２３】請求項１記載の画像表示装置に於いて、
前記画像生成部は、前記観察者の検出位置から見た右眼
画像と左眼画像の二次元画像データを、物体を水平方向
の異なる位置から見た二次元画像データの補間により生
成することを特徴とする画像表示装置。
【請求項２４】請求項１記載の画像表示装置に於いて、
前記位置検出部は、複数の観察者を検出し、前記画像生
成部は、前記複数の観察者の各々から見た右眼画像と左
眼画像を生成し、前記表示器は、前記複数の観察者毎に
生成された右眼画像と左眼画像を順次表示し、前記開口
制御部は、前記複数の観察者の検出位置に基づいて、各
観察者の右眼画像を右眼を含む位置に投映すると共に、
前記左眼画像を左眼を含む位置に投映するように、前記
投映光学ユニットの開口の位置と大きさを制御し、前記
複数の観察者に各位置から見た固有の立体画像を観察さ
せることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２５】請求項１記載の画像表示装置に於いて、
前記位置検出部は、複数の観察者を検出し、前記画像生
成部は、前記複数の観察者のいずれか一人が見た右眼画
像と左眼画像を生成し、前記表示器は、前記右眼画像と
左眼画像を表示し、前記開口制御部は、前記複数の観察
者の検出位置に基づいて、前記右眼画像を前記複数の観
察者の右眼を含む位置に投映すると共に、前記左眼画像
を複数の観察者の左眼を含む位置に投映するように前記
投映光学系の開口の位置と大きさを制御し、前記複数の
観察者に同じ立体画像を観察させることを特徴とする画
像表示装置。
【請求項２６】両眼視差により立体映像を認識させる画
像表示方法に於いて、観察領域に存在する観察者の位置
を検出する位置検出過程と、前記検出位置の観察者が見
た右眼画像と左眼画像を生成する画像生成過程と、前記
右眼画像と左眼画像を表示する画像表示過程と、前記観
察者の検出位置に基づいて投映光学系の開口の位置と大
きさの制御により、前記右眼画像を前記観察者の右眼を
含む位置に投映すると共に、前記左眼画像を前記観察者
の左眼を含む位置に投映して両眼視差により立体画像を
観察させる三次元表示過程と、前記投映光学系の開口位
置とは異なる別の開口設定により、前記右眼画像又は左
眼画像のいずれかを前記観察者の検出位置とは異なる位
置に投映して、他の観察者の両眼に同一画像を見せて二
次元画像を観察させる二次元表示過程と、を備えたこと
を特徴とする画像表示方法。