CN1910501A - 立体图像显示系统 - Google Patents

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CN1910501A
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高桥健
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寺田智裕
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Abstract

本发明的技术课题是提供一种能够提供观察者更容易看到的立体图像的立体图像显示系统。在立体图像显示系统(1)中，显示装置(3)对从图像生成装置(2)输出的各数据依次地进行显示处理，发出将表示各物体的光在时间轴上复用后的光。远焦点化装置(4)对包含在这种光中的各物体赋予立体感或距离感，生成可立体地辨认这些物体的立体图像光。反射部件(6)将这种复用光向观察者(V)的方向反射，提供合成了物体的立体图像。因而，观察者(V)可辨认当前显示的物体，并且也可辨认残留在视网膜上的其他物体的余像。由此，由观察者(V)识别这些物体，使其在进深方向上不同的位置合成。

Description

立体图像显示系统
技术领域
本发明涉及立体图像显示系统，更特定地讲，涉及显示具有进深感、换言之具有立体感的图像的立体图像显示系统。
背景技术
图18是在上述那样的立体图像显示系统中表示采用了视差屏障方式的一例的整体结构的示意图。在图18中，立体图像显示系统大体上具备图像生成装置201和图像显示装置202。图像生成装置201包括数据储存部203、左右图像生成部204、和图像合成部205。此外，图像显示装置202包括显示画面206和形成有栅格状的缝隙(孔)的视差屏障板207。
数据储存部203保存表示作为显示对象的物体A的形状的数据。
左右图像生成部204计算从预先设定的观察位置通过观察者V的左右各个眼睛观察物体A时的视差。左右图像生成部204根据计算出的视差，对物体A生成左眼用的图像IL及右眼用的图像IR。
图像合成部204将由左右图像生成部204生成的2个图像IL及IR分别分割为微小的短条状。由此，图像合成部204生成多个左眼用的部分图像PIL、并且生成多个右眼用的部分图像PIR。另外，在图18中，代表性地对左眼用从1个部分的图像引出线，赋予“PIL”的参照标号。同样，对于右眼用也对1个部分图像赋予参照标号“PIR”。图像合成部204还从所有的部分图像PIL及PIR中1个个地交替地选择部分图像PIL或PIR，接连在一起。由此，图像合成部204生成合成图像SI，输出给图像显示装置202。
图像显示装置202将输入的合成图像SI显示在自身所具备的显示画面206上。
观察者V从上述观察位置经由视差屏障板207通过两眼观察显示在显示画面206上的合成图像SI。此时，在合成图像SI中，部分图像PIL到达观察者V的左眼，而部分图像PIR被视差屏障板207隔断，所以不会到达观察者V的左眼。反之，仅部分图像PIR到达观察者V的右眼，而部分图像PIL不会到达。由此，发生了两眼视差，观察者V可立体地辨认物体A，即识别立体图像。
在实际空间中，人类的眼睛的焦点及辐合角(angle ofconvergence)的调节是联动的。但是，由于上述立体图像显示系统提供的立体图像显示在固定设置的显示画面206上，所以眼睛的焦点调节是通过改变从观察位置到显示画面206的距离来进行的。与此相对，两眼的辐合角是根据从观察者V到立体图像的假想的距离(进深)来调节的。因而，在观察者V目视立体图像时，观察者V调节的焦距与用来调节辐合角的假想的距离并不对应。即，由于在原本应联动的焦点调节与辐合角的调节中发生了偏差，所以有观察者V在目视立体图像时会感到不适，或在长时间对其目视时感到疲劳的问题。
为了解决以上的问题，提出了采用半透半反镜重叠方式的立体图像显示系统(以下称作以往的立体图像显示系统)(例如参照日本专利文献特开平10-333093号公报)。这里，图19是表示以往的立体图像显示系统的整体结构的示意图。在图19中，立体图像显示系统具备图像生成装置210、图像显示装置211、和光学系统212。
图像生成装置210包括数据储存部222、图像分割部223、左右图像生成部224、和图像合成部225。
数据储存部222保存表示作为显示对像的多个物体(图示为物体P、Q及R)的形状的数据。
图像分割部223将数据储存部222内的数据从观察者V的位置开始计算，分割为包含在相互不同的距离范围中的每个物体的数据。
另外，为了便于说明，在本说明中，假定物体P属于距离观察者V最远的距离的范围(以下称作长距离范围)、物体R属于距离观察者V最近的距离的范围(以下称作近距离范围)、物体Q属于长距离范围与近距离范围中间的距离范围(以下成为中距离范围)。在这样的假定下，生成表示物体P的形状的部分数据、表示物体Q的形状的部分数据、和表示物体R的形状的部分数据。
左右图像生成部224计算从预先设定的观察位置通过观察者的左右各个眼睛观察由图像分割部223分割后的表示物体的各图像时的视差。左右图像生成部224根据计算出的视差，对各物体生成左眼用的图像IL和右眼用的图像IR。
在上述的假定下，通过左右图像生成部224对物体P生成左眼用的图像ILp及右眼用的图像IRp，对物体Q生成左眼用的图像ILq及右眼用的图像IRq，对物体R生成左眼用的图像ILr及右眼用的图像IRr。
图像合成部225将由左右图像生成部224生成的2张1对的图像IL及IR分别分割为微小的短条状，生成多个左眼用的部分图像PIL、生成多个右眼用的部分图像PIR。图像合成部225还从1套的部分图像PIL及PIR中1个个地交替地选择部分图像PIL或PIR并接连在一起。这样，图像合成部224对每个物体生成合成图像SI，输出给图像显示装置211。
在上述假定下，对于物体P，根据左眼用的图像ILp及右眼用的图像IRp，生成左眼用的部分图像PILp及右眼用的部分图像PIRp，然后生成合成图像Sip。同样，对物体Q及R也生成合成图像SIq及SIr。
图像显示装置211包括分配给各距离范围的显示部227及视差屏障板228的组。各显示部227获取由图像合成部225生成的合成图像SI中的被分配给自身的距离范围用的部分，显示所获取的部分。各显示部227将表示合成图像SI的光朝向同组的视差屏障板228发出。在各视差屏障板228上形成有栅格状的缝隙，各视差屏障板228使从相对于它们前置的显示部227发出的光通过。
另外，在上述的假定下，显示装置211包括作为远距离用的显示部227L及视差屏障板228L的组、作为中距离用的显示部227I及视差屏障板228I的组、和作为近距离用的显示部227S及视差屏障板228S的组。
光学系统212包含分配给上述每个距离范围的多个镜子230。各镜子230中的从观察者V观察配置在最远处的可以是全反射镜，其他镜子230是半透半反镜。此外，如果通过了前置的视差屏障板228的光入射到各镜子230上，则入射光反射。这里，各镜子230的反射方向预先配置为与观察者V的视线大体一致。此外，如上所述，由于除了从观察者V观察配置在最远处的镜子230以外都是半透半反镜，所以将由各镜子230反射的光束合成。
在规定了前面所述的3种距离范围的假定下，配置远距离用的全反射镜230L、和中距离用及近距离用的2个半透半反镜230I及230S。全反射镜230L将通过视差屏障板228L的光朝向中距离用的半透半反镜230I反射。此外，半透半反镜230I将由全反射镜230L反射的光大致透过一半，并且将通过视差屏障板228I的光的一部分反射。由此，将两者的光合成。此外，近距离用的半透半反镜230S将由半透半反镜230I合成的光大致透过一半，并且将通过视差屏障板228I的光的大致一半反射。
由此，观察者V如果从预先设定的观察位置用两眼观察光学系统212，则仅各部分图像PIL到达观察者V的左眼，仅各部分图像PIR到达观察者V的右眼。进而，观察者V以各镜子230的位置为假想屏幕，来辨认各物体，所以能够一边保持着实际的进深感，一边通过两眼视差辨认立体图像。结果，与采用视差屏障方式的立体图像显示系统相比，以往的立体图像显示系统由于通过观察者V的两眼调节焦点的距离与两眼的辐合角的偏差较小，所以能够减少观察者的不适感及/或疲劳。
但是，在以往的立体图像显示系统中，由于使用串联配置的半透半反镜230I及230S来合成表示图像的光束，所以离观察者V越远反射，图像的光量就减少越多，有对于观察者V难以看到的问题。具体而言，如图20所示，半透半反镜230I及230S的特性为，相对于入射光量的反射光量及透过光量的比例大致为一半。因而，如以往的立体图像显示系统那样，透过2片半透半反镜230I及230S的由全反射镜230L反射的光在透过半透半反镜230S后，衰减为原来的2的平方分之一(即25％)。同样，通过了n片的半透半反镜230的光(图像)衰减为2的n次方分之一。由以上可知，如果增多半透半反镜230的设置数量、设置具有许多距离感的假想屏幕，则能够将具有平滑的距离感的图像提供给观察者V，但由于如上述那样对应于半透半反镜230的设置数量、光量也减少，所以在以往的立体图像显示系统中设置较多半透半反镜是不适当的。
此外，在以往的立体图像显示系统中设置许多半透半反镜，同时为了应对光量减少，也可以增大从各显示部227发出的光量。但是，各显示部227变大、或需要用来抑制显示部227的发热的冷却装置。结果，增加了电力消耗、使系统本身肥大化、或者增大了系统的制造成本或维持成本。
此外，在以往的立体图像显示系统中，有因采用视差屏障方式而使观察者V的观测位置受到限制、或者因存在视差屏障板228本身而使观察图像变得不便的其他问题。
发明内容
所以，本发明的目的是提供一种能够提供观察者更容易看到的立体图像的立体图像显示系统。
为了达到上述目的，本发明的一个方面面向立体图像显示系统的。立体图像显示系统具备：图像生成装置，将分别表示多个物体的数据按照沿立体图像的进深方向的每个距离范围分类并依次输出；显示装置，对从上述图像生成装置输出的各数据依次进行显示处理，发出将表示各上述物体的光在时间轴上复用(multiplex)后的光；1个或多个远焦点化装置，对从上述显示装置发出的复用光中包含的各物体赋予立体感或距离感，生成可立体地辨认这些物体的立体图像光；上述远焦点化装置包括：光路分支电路，每隔预先设定的时间改变包含在内部的至少1个数字微镜装置所具有的微镜的倾斜，从由上述显示装置发出的复用光分离出包含多个物体中的某一个的多个部分光；远焦点化部，对由上述光路分支电路分离的多个部分光分别表示的物体赋予相互不同的立体感或距离感；光路选择电路，通过每隔实质上与预先设定的时间相同的时间改变包含在内部的至少1个数字微镜装置所具有的微镜的倾斜，每隔预先设定的时间依次选择从上述远焦点化部发出的多个部分光，将所选择的光依次输出而生成立体图像光。
远焦点化部具有分别分配给由光路分支电路分离的各部分光且具有相互不同的焦距的光学部件。
光学部件是从由凸透镜、凹透镜、凸面镜及凹面镜构成的组中选择的1个以上的部件。此外，光学部件可以举例为全息光学元件。
此外，优选的是，在立体图像显示系统中，多个远焦点化装置相互串联地光连接。
此外，具体地讲，各远焦点化部具有分别分配给由光路分支电路分离的各部分光的光学部件。这里，将从远焦点化部分别选择了1个的光学部件组合后的焦距相互不同。
此外，优选的是，立体图像显示系统还至少具备1个将从远焦点化装置输出的立体图像光向观察者的方向反射的反射部件。这样，由观察者辨认通过反射部件反射立体图像光而合成了多个物体的立体图像。
此外，优选的是，反射部件将来自光路选择电路的光的一部分朝向规定方向反射，并且将来自自身背后的光朝向同方向透射。这里，反射部件是半透半反镜、全反射镜及全息光学元件中的任一种。
DMD一般具有多个微镜。这里，优选的是，通过改变规定部分的微镜的倾斜，来选择从各显示部发出的光的一部分。这里，规定部分的微镜可以举例为指负责立体图像光所表示的立体图像中、没有物体的部分的微镜。作为另一例示，规定部分的微镜是指负责立体图像光所表示的立体图像中、多个物体重合的部分的远距离侧的微镜。
此外，优选的是，反射部件将来自上述光路选择电路的光的一部分朝向观察者反射，并将来自自身背后的光朝向观察者透射。在此情况下，规定部分的微镜是指负责立体图像光所表示的立体图像中、在比存在于反射部件的背后的物体靠远距离侧所显示的部分的微镜。
根据以上的方式，显示装置对从图像生成装置输出的各数据依次进行显示处理，发出表示各物体的光在时间轴上复用后的光。远焦点化装置对包含在这种光中的各物体赋予立体感或距离感，生成可立体地辨认这些物体的立体图像光。反射部件将这种复用光向观察者的方向反射，提供合成了物体的立体图像。因而，观察者可辨认当前显示的物体，并且也可辨认残留在视网膜上的其他物体的余像。这些物体在进深方向不同的位置上显示。由此，能够对观察者提供立体地合成了各物体的立体图像。
此外，本立体图像显示系统由于使用了DMD，所以光损失较少，进而，可以不使用视差屏障板那样的隔断光路的部件。由此，能够实现提供观察者更容易看到的立体图像的立体图像显示系统。
本发明的上述及其他目的、特征、方式及优点，在基于附图理解以下所述的本发明的详细的说明时，会变得更加清楚。
附图说明
图1是表示有关本发明的第1实施方式的立体图像显示系统1的整体结构的示意图。
图2A是表示图1所示的DMD13或17的详细动作的第1示意图。
图2B是表示图1所示的DMD13或17的详细动作的第2示意图。
图2C是表示图1所示的DMD13或17的详细的动作的第3示意图。
图2D是表示图1所示的DMD13的光的反射的第1示意图。
图2E是表示图1所示的DMD17的光的反射的第2示意图。
图3是例示保存在图1所示的数据储存部8中的数据所表示的物体的示意图。
图4是表示图1所示的DMD13及17的动作的时序图。
图5是例示由图1所示的立体图像显示系统1假想地形成的假想屏幕的示意图。
图6是表示在图5所示的各假想屏幕中显示的图像的迁移的状态迁移图。
图7是例示由图1所示的立体图像显示系统1提供的立体图像的示意图。
图8是表示图1所示的立体图像显示系统1的优点的图。
图9是从正上方观察第1实施方式的变形例(第1变形例)中的DMD13a时的示意图。
图10A是表示图9所示的DMD13a的微镜22的状态的示意图。
图10B是表示由图9所示的DMD13a反射的光怎样入射到DMD17a中并反射的示意图。
图11是例示由有关第1变形例的立体图像显示系统1假想地形成的假想屏幕的示意图。
图12是表示在图11所示的各假想屏幕中显示的图像的迁移的状态迁移图。
图13是例示由有关第1变形例的立体图像显示系统1提供的立体图像的示意图。
图14是表示有关第1实施方式的变形例(第2变形例)的立体显示装置101的结构的示意图。
图15是表示图14所示的远焦点化装置4a及4b的详细结构的示意图。
图16是部分表示有关第1实施方式的变形例(第3变形例)的立体图像显示系统1或101的结构的示意图。
图17是表示图16所示的立体图像显示系统1或101的优点的图。
图18是表示采用了视差屏障方式的一般的立体图像显示系统的整体结构的示意图。
图19是表示以往的立体图像显示系统的整体结构的示意图。
图20是表示图17所示的立体图像显示系统的问题点的示意图。
标号说明
1、101立体图像显示系统
2图像生成装置
8数据储存部
9图像分类部
3显示装置
4、4a、4b远焦点化装置
10光路分支电路
11远焦点化部
12光路选择电路
13DMD
14反射部件
15、151、152凸透镜
16反射部件
17DMD
22微镜
5透镜
6反射部件
具体实施方式
(实施方式)
图1是表示有关本发明的第1实施方式的立体图像显示系统1的整体结构的示意图。在图1中，立体图像显示系统1具备图像生成装置2、显示装置3、远焦点化装置4、透镜5和反射部件6。此外，为了便于说明，在图1中表示相互正交的纵中心面Pv(参照单点划线)、和横中心面Ph(参照双点划线)。另外，为了不使图面变得复杂，纵中心面Pv及横中心面Ph在图1中表示为不贯通描绘有立体图像显示系统1的部分。
图像生成装置2为生成作为提供给观察者V的立体图像的基础的数据而包含有数据储存部8和图像分类部9。
数据储存部8保存表示作为显示对象的多个物体的形状的数据、和对每个物体预先设定的进深值(距观察者V的距离)。
图像分类部9将数据储存部8内的数据从观察者V的位置开始计算，分类为数据相互不同的距离的范围内的各物体的部分数据。然后，图像分类部9优选地从表示距离范围附近的物体开始依次每隔预先设定的时间t送出分类的部分数据。这里，时间t为了在观察者V的视网膜上留下余像而选择为很短的时间。另外，分类后的部分数据的送出顺序并不限于上述顺序，也可以是其他顺序。
在本立体图像显示系统1中，距离范围的数量能够任意地选择，但在本实施方式中，作为优选的例子而说明2n个(n为正整数)。此外，在本实施方式中，例示地说明n＝2的情况。在该例示下，距离范围的数为4。以后将距离观察者V最近的距离的范围称为近距离范围，将最远的距离的范围称作远距离范围。此外，在近距离范围与远距离范围之间，将靠近距离范围的距离范围称作第1中间距离范围，将靠近远距离范围的称作第2中间距离范围。在这样的例示之下，图像分类部9分类为表示属于近距离范围中的物体A的部分数据Da、表示属于第1中间距离范围中的物体B的部分数据Db、表示属于第2中间距离范围中的物体C的部分数据Dc、表示属于远距离范围中的物体D的部分数据Dd，在某一基准时刻t0将部分数据Da送出、在时间(t0+t)送出部分数据Db、在时间(t0+2×t)送出部分数据Dc、在时间(t0+3×t)送出部分数据Dd。
显示装置3按照由图像生成装置2送出的顺序处理各部分数据，将分别表示的物体显示在自身的显示画面上。另外，显示装置3配置在图像生成装置2的后段，以使相对于显示画面中心的法线包含在纵中心面Pv中。通过以上那样的处理，显示装置3大致每隔时间t将由图像分类部9分类的表示各物体的光L依次发出。
在下述的例示下，显示装置3大致在基准时间t0发出表示物体A的光La、大致在时间(t0+t)发出表示物体B的光Lb、大致在时间(t0+2×t)发出表示物体C的光Lc、大致在时间(t0+t)发出表示物体D的光Ld。
远焦点化装置4对包含在显示装置3的射出光中的各物体赋予立体感(远近感)，并生成观察者V可立体地辨认这些物体的立体图像Lt。为了进行这样的处理，远焦点化装置4包含有光路分支电路10、远焦点化部11、和光路选择电路12。
光路分支电路10将显示装置3的射出光L分支为每个物体的部分光。为了进行该光分支，光路分支电路10包含有(2n-1)个DMD(Digital Micro-mirror Device，数字微镜元件)13、和规定个数的反射部件14。
这里，图2A～图2C是表示图1所示的DMD13的详细动作的示意图，此外，图2D及图2E是表示DMD13的光的反射的示意图。
在图2A～图2C中，DMD13分别具有具备平坦的镜面的多个微镜22。DMD13在初始状态时，如图2A所示，所有的微镜22不倾斜，而实质上包含在同一平面(以下称作基准面)PR内。此外，如果从外部对DMD13赋予第1驱动电压，则所有的微镜22如图2B所示，相对于上述基准面Pr按逆时针倾斜规定角度θ(例如+10°)。此外，如果赋予第2驱动电压，则所有的微镜22如图2C所示，相对于上述基准面PR按顺时针倾斜规定角度-θ(例如-10°)。另外，DMD13也可以具有以其他角度(例如+12°及-12°)倾斜的微镜22。
因而，在图2B所示的状态下，如果光从相对于基准面PR的法线Lv方向入射到各微镜22上，即如果光从图2D所示的箭头IN入射，则各微镜22使入射光向相对于法线Lv的左侧20°(2×θ°)方向(箭头OUT1所示的方向)反射。反之，如果是图2C所示的状态，则各微镜22使来自同方向的入射光向相对于法线Lv的右侧20°(2×(-θ)°)的方向(箭头OUT2所示的方向)反射。
此外，在图2B所示的状态下，如果光向相对于法线Lv的左侧20°(2×θ°)的方向入射到各微镜22上，即如果光从图2E所示的箭头IN1的方向入射，则各微镜22使入射光向法线Lv的方向、即图2E所示的箭头OUT的方向反射。反之，在图2C所示的状态下，各微镜22将来自相对于法线Lv的右侧20°(2×(-θ)°)的方向(参照图2E的箭头IN2)的入射光向法线Lv(参照箭头OUT)的方向反射。
另外，在以后的说明中，将使所有微镜22倾斜+10°(即图2B所示的状态)记载为“开启”，将使所有微镜22倾斜-10°(即图2C所示的状态)记载为“关闭”。
再次参照图1。如上所述，在光路分支电路10中具备(2n-1)个DMD13。此外，在本实施方式中，由于n为2，所以光路分支电路10将图像显示装置3的射出光分支为表示物体A的部分光La、表示物体B的部分光Lb、表示物体C的部分光Lc、表示物体D的部分光Ld的4个，作为DMD13，至少需要3个DMD13a、13b及13c。
DMD13a配置在自身的法线Lv与射出光L的轴实质上一致的位置上。在该位置上，DMD13a通过后述那样的微镜22的控制，将来自显示装置3的射出光L向上述那样的2个方向反射(参照图2D)。分支为表示物体A及C的中间光Lib、和表示物体B及D的中间光Lic。
此外，DMD13b配置在自身的法线Lv与相对于DMD13a的法线Lv偏左20°的方向一致的位置。通过这样的配置，上述的中间光Lib入射到DMD13b中，DMD13b通过后述的微镜22的控制，将入射中间光Lib向2个方向反射，2分支为表示物体A的部分光La、和表示物体C的部分光Lc。这些反射光中的部分光La及Lc中的一个与纵中心面Pv平行，而另一个以(4×θ)°与纵中心面Pv相交。另外，在图1中表示部分光Lc与纵中心面Pv平行的情况。
DMD13c以纵中心面Pv为基准配置在与DMD13对称的位置上。通过这样的配置，上述的中间光Lic入射到DMD13c中，DMD13c将入射中间光Lic向2个方向反射，分支为表示物体B的部分光Lb、和表示物体D的部分光Ld。这些反射光中的部分光Lb及Ld中的一个与纵中心面Pv平行，而另一个以(4×θ)°与纵中心面Pv相交。另外，在图1中表示部分光Lc与纵中心面Pv平行的情况。
此外，各反射部件14是将向自身的入射光向平行于纵中心面Pv的方向反射的部件，优选为全反射镜。在本实施方式中，如上所述，部分光La及Ld不平行于纵中心面Pv，所以具备2个反射部件14a及14b。
反射部件14a反射由DMD13b生成的部分光La，使其平行于纵中心面Pv。
反射部件14b以纵中心面Pv为基准，配置在与反射部件14a对称的位置上，反射由DMD13c生成的部分光Ld，使其成为平行于纵中心面Pv的方向。
通过以上那样的结构，光路分支电路10将由显示装置3发出的光L分支为分别平行于纵中心面Pv的4个部分光La-Ld并射出。
远焦点化部11调节从光路分支电路10射出的部分光La-Ld所表示的物体的虚像的位置。为了进行这样的处理，远焦点化部11包含2n个或(2n-1)个焦距相互不同的凸透镜15。在本实施方式中，例示地说明具备2n个凸透镜15的情况。各凸透镜15被分配给相互不重复的部分光，配置在自身的光轴与作为对象的部分光的轴一致的位置上。此外，各凸透镜15沿着横中心面Ph而排列。此外，在多个凸透镜15中，焦距越短的凸透镜分配给在离观察者V越远的距离范围内显示的物体的光。以上那样的凸透镜15分别将从光路分支电路10射出的部分光折射。
这里，在本实施方式中，对n＝2的情况进行说明，所以具备4个凸透镜15a、15b、15c及15d。凸透镜15a是焦距最长的凸透镜，折射光路分支电路10的射出部分光La。此外，凸透镜15b是焦距第2长的凸透镜，折射光路分支电路10的射出部分光Lb。此外，凸透镜15c是焦距第3长的凸透镜，折射光路分支电路10的射出部分光Lc。凸透镜15d是焦距最短的凸透镜，折射光路分支电路10的射出部分光Ld。
另外，如上所述，凸透镜15的总数也可以是(2n-1)个。例如，在3个的情况下，对于表示距离范围离观察者V最近的物体A的部分光La不分配凸透镜15。
光路选择电路12获取由远焦点化部11处理后的所有的部分光，从距离范围近的开始向距离范围远的依次每隔极短的一定时间而1个个地选择光。光路选择电路4重复这样的选择处理。此外，光路选择电路4将以上那样选择的光朝向透镜5依次射出。这样射出的光是表示各个虚像的位置相互不同的物体的立体图像光Lt。
为了进行上述那样的处理，光路选择电路12包含规定个数的反射部件16和(2n-1)个DMD17。各反射部件16及DMD17具有与各反射部件14及各DMD13同样的形状，以横中心面Ph为基准，配置在与各反射部件14及各DMD13对称的位置上。
由于DMD13及17的大小(具体地讲是对角线的长度)较小为几英寸，所以凸透镜5折射从远焦点化装置4射出的立体图像光Lt，以使观察者V能够观察适当大小的立体图像，由此，放大了远焦点化装置4的射出光Lt所表示的各图像。
反射部件6是典型的全反射镜或半透半反镜，使由凸透镜5折射的光向观察者V的方向反射。这里，在反射部件6为半透半反镜的情况下，由于反射部件6的背后的光向观察者V的方向透过，所以观察者V能够辨认在反射部件6的背后的情景中重叠了反射部件6的反射光Lt所表示的立体图像的图像。
接着，对以上那样构成的立体图像显示系统1的具体的动作例进行说明。现在为了便于说明，假设数据储存部8内的数据表示图3所示那样的多个物体(三角形)A、物体(长方形)B、物体(正方形)C及物体(圆形)D。进而，假设对物体D分配了属于远距离范围中的进深值、对物体C分配了属于第2中间距离范围中的进深值、对物体B分配了属于第1中间距离范围中的进深值、对物体A分配了属于近距离范围中的进深值。
图像分类部9也由上述可知，根据数据储存部8内的数据制作部分数据Da、Db、Dc及Dd，然后将部分数据Da、Db、Dc及Dd按照上述的顺序发送给显示装置3。
显示装置3也由上述可知，每次获取各个部分数据Da、Db、Dc及Dd时，将各自所表示的物体A、B、C及D显示在自身的显示画面上。由此，将生成的光L朝向光路分支电路10的DMD13a射出。
在光路分支电路10中，DMD13a、13b及13c按照来自未图示的控制部的驱动电压，改变各个微镜22的倾斜。图4是在时间轴上表示各DMD13a-13c中的微镜22的倾斜的时序图。在图4中，所谓的“开启”是指将作为对象的DMD13的所有微镜22开启，所谓的“关闭”，是指将该DMD 13的所有微镜22关闭。此外，所谓的“DC”是指“无所谓”，即“开启”、“关闭”都可以。
首先，在最初的时间区间t1中，入射到光路分支电路10中的复用(multiplex)光L表示物体A。光路分支电路10从这样的复用光L中仅提取出入射到时间区间t1中的光，生成部分光La，并射出到远焦点化部11的凸透镜15a上。具体而言，在此期间，DMD13a将自身所具备的所有微镜22开启，将入射复用光L向DMD13b的方向反射，由此生成中间光Lib。此外，在此期间，DMD13b也将自身所具备的所有微镜22开启，将由DMD13a生成的中间光Lib向反射部件14a的方向反射，由此生成部分光La。反射部件14a反射由DMD13b生成的部分光La，将部分光La赋予给凸透镜15a。另外，在此期间，将DMD13c设定为DC。
并且，在接下来的时间区间t2中，入射到光路分支电路10中的复用光L表示物体B。光路分支电路10从这样的复用光L中仅提取出入射到时间区间t2中的光，生成部分光Lb，射出到远焦点化部11的凸透镜15b上。具体而言，在此期间，DMD13a将自身所具备的所有微镜22关闭，将入射复用光L向DMD13c的方向反射，由此生成中间光Lic。此外，在此期间，DMD13c通过将自身所具备的所有微镜22开启，将由DMD13a生成的中间光Lic反射，来提取部分光Lb，赋予给凸透镜15b。另外，在此期间，将DMD13b设定为DC。
并且，在接下来的时间区间t3中，入射到光路分支电路10中的复用光L表示物体C。光路分支电路10从这样的复用光L中提取出入射到时间区间t3中的光，生成部分光Lc，射出到远焦点化部11的凸透镜15c上。具体而言，在此期间，DMD13a与时间区间t1时同样生成中间光Lib。此外，在此期间，DMD13b将自身所具备的所有微镜22关闭，将入射的中间光Lib反射，来提取部分光Lc，赋予给凸透镜15c。另外，在此期间，将DMD13c设定为DC。
并且，在接下来的时间区间t4中，入射到光路分支电路10中的复用光L表示物体D。光路分支电路10从这样的复用光L中提取出入射到时间区间t4中的光，生成部分光Ld，射出到远焦点化部11的凸透镜15d上。具体而言，在此期间，DMD13a与时间区间t2时同样生成中间光Lic。此外，在此期间，DMD13c将自身所具备的所有微镜22关闭，将入射的中间光Lic反射，来提取部分光Ld，赋予给凸透镜15d。另外，在此期间，将DMD13b设定为DC。
以上那样的时间区间t1、t2、t3及t4实质上是互相相同的时间t，是极短的时间。以这些从时间区间t1到t4为单位周期，光路分支电路10周期性地重复上述那样的处理。
此外，在远焦点化部11中，凸透镜15a将入射到时间区间t1中的部分光La折射。通过这样的折射，将部分光La表示的物体A的虚像位置设定为近距离范围。此外，这样的部分光La被入射到光路选择电路12的反射部件16a上。
此外，凸透镜15b将入射到时间区间t2中的部分光Lb折射。由此，将部分光Lb表示的物体B的虚像位置被设定为第1中间距离范围。此外，这样的部分光Lb被入射到光路选择电路12的DMD17c中。
此外，凸透镜15c将入射到时间区间t3中的部分光Lc折射。由此，将部分光Lc表示的物体C的虚像位置被设定为第2中间距离范围。此外，这样的部分光Lc被入射到光路选择电路12的DMD17b。
此外，凸透镜15d将入射到时间区间t4中的部分光Ld折射。由此，将部分光Ld表示的物体C的虚像位置设定为远距离范围。此外，这样的部分光Ld被入射到光路选择电路12的反射部件16b。
由上述可知，部分光La-Ld通过相互不同的光路依次入射到光路选择电路12。光路选择电路12将入射部分光La-Ld在时间轴上复用，生成立体图像光Lt。为了进行这样的处理，在光路选择电路12中，DMD17a、17b及17c按照来自未图示的控制部的驱动电压改变各个微镜22的倾斜。图4还在时间轴上表示各DMD17a-17c的微镜22的倾斜。
首先，在最初的时间区间t1中，光路选择电路12将入射的部分光La复用为立体图像光Lt。具体而言，在此期间，反射部件16a将入射的部分光La反射，赋予给DMD17b。在此期间，DMD17b将自身所具备的所有微镜22设为关闭，将入射的部分光La反射，赋予给DMD17a。在此期间，DMD17a将自身的所有微镜22设为关闭，将入射的部分光La向透镜5的光轴方向反射，由此，复用为立体图像光Lt。此外，DMD17c由于在此期间与光选择无关，所以是DC的状态。
并且，在接下来的时间区间t2中，光路选择电路12将入射的部分光Lb复用为立体图像光Lt。具体而言，在此期间，DMD17c为关闭状态，将入射的部分光Lb反射，赋予给DMD17a。在此期间，DMD17a为关闭状态，将入射的部分光Lb向透镜5的光轴方向反射，由此，复用为立体图像光Lt。此外，DMD17b由于在此期间与光选择无关，所以是DC的状态。
并且，在接下来的时间区间t3中，光路选择电路12将入射的部分光Lc复用为立体图像光Lt。具体而言，在此期间，DMD17b为开启状态，将入射的部分光Lc反射，赋予给DMD17a。此外，在此期间，DMD17a为关闭状态，将入射的部分光Lc向透镜5的光轴方向反射，由此，复用为立体图像光Lt。此外，DMD17c由于在此期间与光选择无关，所以是DC的状态。
并且，在接下来的时间区间t4中，光路选择电路12将入射的部分光Ld复用为立体图像光Lt。具体而言，在此期间，首先，反射部件16b将入射的部分光Ld全反射，赋予给DMD17c。DMD17c在此期间设定为开启状态，将入射的部分光Ld反射，赋予给DMD17a。DMD17a在此期间设定为开启状态，将入射的部分光Ld反射，由此，复用为立体图像光Lt。另外，在时间区间t4中，DMD17b由于在此期间与光选择无关，所以设定为DC的状态。
将从以上的时间区间t1到t4作为单位周期，光路选择电路12周期性地重复上述那样的处理。由此，光路选择电路12生成将物体A-D按照该顺序复用成的立体图像光Lt。将这样的立体图像光Lt向透镜5射出。
此外，以上那样从光路选择电路12射出的立体图像光Lt在通过透镜5后，被镜子6向观察者V的方向反射。
这里，由上述可知，对物体A分配了焦距最长的凸透镜15a，对物体B分配了焦距第2长的凸透镜15b，对物体C分配了焦距第3长的凸透镜15c，并且对物体D分配了焦距最短的凸透镜15d。通过如以上那样将各凸透镜15分配给各物体，观察者V可以看到如图5所示，包含在立体图像光Lt中的物体A宛如显示在离自己最近的假想屏幕SA上。同样，观察者V可以看到，物体B作为虚像显示在第2近的假想屏幕SB上，物体C作为虚像显示在第3近的假想屏幕SC上，进而，物体D作为虚像宛如显示在离自己最远的假想屏幕SD上。
此外，这样的假想屏幕上的图像如图6所示那样每隔时间区间t进行切换。具体而言，在最初的时间区间t1中，由观察者V辨认到物体A的虚像。在接下来的时间区间t2中，由观察者V辨认物体B的虚像，物体A(参照虚线)作为余像残留在观察者V的视网膜上。在接下来的时间区间t3中，由观察者V辨认物体C的虚像，物体A及B的各虚像作为余像而残留。此外，在接下来的时间区间t4中，由观察者V辨认物体D的虚像，其他物体A-C的各虚像作为余像而残留。周期性地进行这样的时间区间t1-t4的图像切换。
通过这样的4次图像切换，将图7所示那样的4个物体A-D立体地重叠的立体图像提供给观察者V。另外，在图7中，栅格状的虚线及水平线只是为表示进深感而显示的。
这里，图8是表示本立体图像显示系统1的技术效果的图。更具体地讲，图8是将本立体图像显示系统1的各假想屏幕SA、SB、SC及SD的光量与以往的采用了半透半反镜方式的立体图像显示系统中的各半透半反镜(假想屏幕)230S、230I及230Ib、以及全反射镜230L中(参照图19)的光量进行对比的图。另外，半透半反镜230Ib虽然在图19中没有记载，但为说明本技术效果，是假定为设置在半透半反镜230I与全反射镜230L之间的半透半反镜。此外，假设从观察者V观察，到假想屏幕SA的进深与到半透半反镜230S的进深相同，到假想屏幕SA的进深与到半透半反镜230S的进深相同，到假想屏幕SB的进深与到半透半反镜230I的进深相同，到假想屏幕SC的进深与到半透半反镜230Ib的进深相同，进而，到假想屏幕SD的进深与到全反射镜230L的进深相同。进而，假设作为显示装置3的光源的强度与作为所有显示部227的光源的强度互相相等。此外，为了正确地进行与以往技术的对比，设镜子6为全反射镜。
在以往的立体图像显示系统中，如果假设半透半反镜230S、230Ia及230Ib的透过率都是50％，则由于由全反射镜230L反射的来自显示部227L的光、以及来自显示部227Ib的光通过半透半反镜230S、230I及230Ib，所以只有从显示部227L发出的光的约13％(≈0.53)到达观察者V。此外，对于来自显示部227Ia的光只有25％、对于来自显示部227S的光只有50％到达观察者V。因此，观察者V特别感到难以看到显示部227L及227Ib的图像。
但是，在本立体图像显示系统1中，各DMD13及17的反射率为约75％。在本立体图像显示系统1中，从显示装置3发出的光在到达观察者V之前被4个DMD反射，所以从显示装置3发出的光的约32％(≈0.754)到达观察者V。即，在本立体图像显示系统1中，不论假想屏幕的位置如何，都有从显示装置3发出的光的约32％到达观察者V，所以根据本立体图像显示系统1，观察者V不论进深感如何都能够辨认均等的亮度的立体图像。
此外，即使假设在光路分支电路10及光路选择电路12中再追加DMD，使从显示装置3发出的光的反射次数为6，即设距离范围的数量为8，也有从显示装置3发出的光的约18％(≈0.756)到达观察者V。
另一方面，在以往的立体图像显示系统中，如果想要将距离范围的数量设为8，则至少需要7个半透半反镜230。在这样的情况下，显示在最远的假想屏幕上的图像的光量衰减到原来的大约0.8％，观察者V几乎不能辨认该图像。
由以上的说明可知，根据本立体图像显示系统1，通过使用上述那样的DMD，能够以较少的衰减量使从显示装置3发出的光到达观察者V。由此，能够提供观察者更容易看到的立体图像。
(第1变形例)
在以上的实施方式中，控制各DMD的所有微镜22，以使其在各个时间区间t1-t4中都向同一方向倾斜。因此，对于观察者V，可辨认图7所示那样的图像、即背景色不为黑的图像。与此相对，在本变形例中，对于可提供背景为黑的立体图像的立体图像显示系统1进行说明。
另外，有关本变形例的立体图像显示系统如果与有关第1实施方式的立体图像显示系统1相比较，则只有包含在DMD13及17中的微镜22的倾斜控制不同。因此，在本变形例中，对于与有关第1实施方式的立体图像显示系统1对应的结构赋予相同的参照标号而省略各说明。
以下对DMD13内的微镜22的倾斜控制进行说明。DMD13基本上如参照图4说明那样采取“开启”、“关闭”及“DC”中的任一种状态。
例如，在时间区间t2中，表示物体B的图像的光被DMD13a反射。这里，图9是从上方观察此时的DMD13a时的图。在图9中，微小的栅格表示各个微镜22。另外，为了图示的方便，“22”的参照标号仅赋予了1个栅格。此外，在实际的DMD中存在数十万个微镜，但图9为了便于说明而表示了纵30个×横40个的合计1200个微镜22。如图9所示，在以上那样的微镜22中，在时间区间t2的期间为“OFF”的仅仅是担负物体B的外形线内的像素的微镜。
由此，如图10A所示，入射光L中的表示物体B的外形线内的作为中间光Lic被向DMD13c的方向反射。反之，在时间区间t2中，在DMD13a中，将担负物体B的外形线外的像素的微镜22设定为“开启”。这样设定的微镜22为了将光向DMD13c的方向反射，如图10A所示，必须是来自相对于法线Lv的方向偏左40°的方向(参照箭头α)的入射光。但是，在这样的方向中，不用说DMD13了，什么光源也没有。因而，在部分光Lb中，对应于物体B的外形线外的部分被显示为黑。
此外，在图10A所示的DMD13a中，成为开启的微镜22能够将入射光L向DMD13b的方向反射。在时间区间t2中，DMD13b设定为DC，所以在此期间从DMD13a的方向入射的光通过凸透镜15a或15c被发送给光路选择电路12的DMD17b。但是，在时间区间t2中，DMD17b设定为DC，DMD17a设定为开启。因而，如图10B所示，即使来自DMD17b的方向(参照箭头β)的光入射到DMD17a上，DMD17a也不会将这样的入射光向透镜5的方向反射。
通过以上那样的控制，在时间区间t2中，只有沿着DMD13a→DMD13c→凸透镜15b→DMD17c→DMD17a的光路的光入射到透镜5中。因此，在时间区间t2的期间，在DMD13a中，在成为开启的微镜22上反射的光不会到达观察者V，结果，观察者V能够辨认物体B以外的区域为黑的立体图像。
例如物体B被观察者V观察为位于比物体A更深的位置上。如果在从观察者V观察物体B及A重合的情况下，在从后面显示的物体B中，如果显示了与物体A的重合部分，则与物体A重合的物体B的一部分能够透过而被看到。为了消除这样的不良状况，如图9所示，在物体B中，反射与物体A重合的部位的微镜22被设定为“开启”。
对于其他时间区间t1、t3及t4也同样。由此，在图11所示那样的各假想屏幕SA-SD上，背景显示为黑的物体A-D，这些包括物体A-D的图像如图12所示那样每隔时间t进行切换。由此，如图13所示，能够提供对于观察者V没有不适感的立体图像。
(第2变形例)
此外，在上述的实施方式中，在立体图像显示系统1中，远焦点化装置4为1级，但也可以具备多级。在本变形例中，对具备多个远焦点化装置4的立体图像显示系统的例进行说明。图14是表示立体图像显示系统101的整体结构的示意图。在图14中，立体图像显示系统101与上述的立体图像显示系统1相比较，不同点在于，在代替远焦点化装置4而具备串联地光连接的2个远焦点化装置4a及4b。除此以外在两立体图像显示系统1及101之间没有差异点。因此，在图14中，对于与图1的结构对应的部件赋予相同的参照标号而省略各自的说明。
此外，图15是表示图14所示的远焦点化装置4a及4b的详细结构的示意图。在图15中，远焦点化装置4a及4b与图1所示的远焦点化装置4相比较，其不同点在于，在代替远焦点化部11而具备远焦点化部11a及11b。除此以外，在远焦点化装置4与远焦点化装置4a及4b之间没有不同点。所以，在图15中，对于与图1所示的结构相对应的部件赋予相同的参照标号，并省略各自的说明。
远焦点化部11a及11b包含2n个或(2n-1)个凸透镜151及152。另外，在图15中，与上述实施方式中的例子同样，表示在远焦点化部11a及11b中具备2n个凸透镜151及152、并且n＝2的情况。在这样的结构的情况下，在远焦点化装置4a的内部形成4个光路，在远焦点化装置4b的内部也形成4个光路。因而，通过串联地光连接远焦点化装置4a及4b，在从显示装置3到透镜5之间形成4×4＝16种光路。这里，各凸透镜151及152的焦距选择为，将从所有凸透镜151选择的1个、和从所有凸透镜152选择的1个组合后的焦距相互不同。此外，在这样的立体图像显示系统101中，与上述实施方式同样，如果控制DMD的微镜的倾斜，则对观察者V提供16种具有进深感的立体影像。
此外，就本变形例的光量而言，由于通过DMD的反射为8次(4次×2)，所以显示装置3发出的光的约10％(0.758)到达观察者V。这样的值与上述的实施方式相比较差，但如果想要以以往的半透半反镜重叠方式提供具有16种进深感的立体图像，则在从距观察者V较近的开始数第4个假想屏幕上，本变形例的光量下降到约6％。此外，第7个假想屏幕上的光量是显示装置发出的光量的1％，在最远的第16个假想屏幕上的光量为它的约0.003％。即，在以往的半透半反镜重叠方式中，表现本变形例那样的多个进深感在现实上是不可能的。
(第3变形例)
另外，在以上的实施方式及各变形例中，在透镜5的光轴上配置有作为基准的DMD13a，将2个DMD13b及13c配置在以光轴为基准相互对称的位置上。此外，DMD17a-17c也同样地配置。但是，并不限于此，如图16所示，在立体图像显示系统1或101中，也可以串联地配置(2n-1)个DMD13或17。在此情况下，DMD13或17的反射次数越多、到达观察者V的光量越衰减，但在此情况下，配置DMD13或17以使表示较远地看到的物体的光的光路变长，或配置DMD13或17以使表示较近地看到的物体的光的光路变长，能够使表示较远地看到的物体的光的反射次数增多，使表示较近地看到的物体的光的反射次数减少。另外，对于图16所示的立体图像显示系统1或101也与上述实施方式同样，在图17中表示与以往的立体图像显示系统的光量比。
另外，在以上的说明中，说明了各远焦点化部为由凸透镜构成的情况，但并不限于此，也可以将凹透镜、凸面镜或凹面镜、或将它们组合、或利用具有透镜特性的HOE(全息光学元件)等来实现。
另外，在以上的实施方式中，说明了在数据储存部8中保存有各物体的进深值的情况，但并不限于此，数据储存部8也可以保存预先分配给各物体的距离范围。
此外，在以上的说明中，也说明了具备半透半反镜作为反射部件6的例子，但也可以具备具有半透半反镜特性的HOE(全息光学元件)来代替反射部件6。
此外，在以上的第1变形例中，通过对微镜22的倾斜的控制，在多个物体中，使观察者V看不到重合部分的图像。但是并不限于此，也可以是显示装置3本身在除了离观察者V最近的以外的所有物体中不显示相互重合的部分。
此外，在反射部件6为半透半反镜的情况下，观察者V可观察立体图像重叠在实际风景中的图像。在此情况下，显示装置3也可以不输出应比实际风景远地显示的部分的影像光。此外，显示装置3也可以不论物体彼此间的重叠、或物体与实际风景的重叠、都按照被给予的数据发出表示完全的图像的光。
此外，在以上的实施方式或各变形例中，也可以采用没有反射部件6的结构。在此情况下，观察者V通过直视透镜5，来辨认立体图像。
以上详细地说明了本发明，但上述说明都只是例示而不是用于限制。可以理解的是在不脱离本发明的范围的条件下可以实施许多其他的改变例及变形例。
工业实用性
本发明的立体图像显示系统可以应用于要求提供观察者更容易看到的立体图像的各种显示装置等，例如全息平视显示器(head updisplay)、汽车模拟器、飞行模拟器、游戏机、在主体公园或游乐场中可提供立体图像的节目中。

Claims (14)

1、一种立体图像显示系统，具备：
图像生成装置，将分别表示多个物体的数据按照沿立体图像的进深方向的每个距离范围分类并依次输出；
显示装置，对从上述图像生成装置输出的各数据依次进行显示处理，发出将表示各上述物体的光在时间轴上复用后的光；
1个或多个远焦点化装置，对从上述显示装置发出的复用光中包含的各物体赋予立体感或距离感，生成可立体地辨认这些物体的立体图像光；
上述远焦点化装置包括：
光路分支电路，每隔预先设定的时间改变包含在内部的至少1个数字微镜装置所具有的微镜的倾斜，从由上述显示装置发出的复用光分离出包含多个物体中的某一个的多个部分光；
远焦点化部，对由上述光路分支电路分离的多个部分光分别表示的物体赋予相互不同的立体感或距离感；
光路选择电路，通过每隔实质上与预先设定的时间相同的时间改变包含在内部的至少1个数字微镜装置所具有的微镜的倾斜，每隔预先设定的时间依次选择从上述远焦点化部发出的多个部分光，将所选择的光依次输出而生成立体图像光。
2、如权利要求1所述的立体图像显示系统，上述远焦点化部具有分别分配给由上述光路分支电路分离的各部分光且具有相互不同的焦距的光学部件。
3、如权利要求2所述的立体图像显示系统，上述光学部件是从由凸透镜、凹透镜、凸面镜及凹面镜构成的组中选择的1个以上的部件。
4、如权利要求2所述的立体图像显示系统，上述光学部件是全息光学元件。
5、如权利要求1所述的立体图像显示系统，多个上述远焦点化装置相互串联地光连接。
6、如权利要求5所述的立体图像显示系统，
各上述远焦点化部具有分别分配给由上述光路分支电路分离的各部分光的光学部件；
将从上述各远焦点化部分别选择1个的光学部件组合而成的各组合件的焦距互不相同。
7、如权利要求1所述的立体图像显示系统，至少具备1个将从上述远焦点化装置输出的立体图像光向观察者的方向反射的反射部件。
8、如权利要求7所述的立体图像显示系统，由上述观察者辨认通过上述反射部件反射立体图像光而合成了多个物体的立体图像。
9、如权利要求7所述的立体图像显示系统，上述反射部件将来自上述光路选择电路的光的一部分朝向规定方向反射，并且将来自自身背后的光朝向同方向透射。
10、如权利要求7所述的立体图像显示系统，上述反射部件是半透半反镜、全反射镜及全息光学元件中的任一种。
11、如权利要求1所述的立体图像显示系统，上述数字微镜装置具有多个微镜，通过改变规定部分的微镜的倾斜，来选择从各上述显示部发出的光的一部分。
12、如权利要求11所述的立体图像显示系统，上述规定部分的微镜是指负责上述立体图像光所表示的立体图像中、没有物体的部分的微镜。
13、如权利要求11所述的立体图像显示系统，上述规定部分的微镜是指负责上述立体图像光所表示的立体图像中、多个物体重合的部分的远距离侧的微镜。
14、如权利要求10所述的立体图像显示系统，
上述反射部件将来自上述光路选择电路的光的一部分朝向观察者反射，并将来自自身背后的光朝向观察者透射，
上述规定部分的微镜是指负责上述立体图像光所表示的立体图像中所包含的物体中、在比存在于上述反射部件背后的物体更远距离侧所显示的部分的微镜。
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