JP2001512849A - 三次元的像ディスプレイ - Google Patents

三次元的像ディスプレイ

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JP2001512849A JP2000506557A JP2000506557A JP2001512849A JP 2001512849 A JP2001512849 A JP 2001512849A JP 2000506557 A JP2000506557 A JP 2000506557A JP 2000506557 A JP2000506557 A JP 2000506557A JP 2001512849 A JP2001512849 A JP 2001512849A
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ネイル，マーク・アンドリュー・アキラ
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Abstract

(57)【要約】 ３Ｄ像ディスプレイは、ビームスプリッタ１６を通じて照射される新規なディスプレイ１１から成っている。平面ミラー１７は可動マウント１５に設けられ、該ミラーは、該ミラー１７とビームスプリッタ１６との間に配置された対物レンズ１２に向けて又は該対物レンズから離れるように動くことができる。ビームスプリッタ１６とミラー１７との間には４分の１波長プレート１８が設けられており、該４分の１波長プレート１８を通じてミラー１７から戻る光はビームスプリッタ１６を直線状に通って接眼レンズ１３に進む。ミラー１７が動くことは、該ミラー１７が光路長さ調節器として機能することを可能にし、また、ディスプレイ１１からの像を異なる焦点深度にて提供することを可能にする。異なる焦点位置を通じて迅速に周期的動作をする結果、像が三次元的像として認識されることになる。対物レンズ１２がビームスプリッタ１６とミラー１７との間に配置されているため、対物レンズ１２は、ディスプレイ１１からの像に対する縮小レンズとしても機能する。像を予め縮小させると、焦点位置を所望通りに変更するために、ミラー１７が動かなければならない距離が短くなる。このことは、何ら縮小が行われない従来の装置にて顕著なことである、マウント１５の性能に対する要求が軽減されることになる。このようにして、認識された三次元的像を発生させるため、像ディスプレイ内に簡単な光学的及び機械的構成要素を採用することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、深さの異なる面内の一連の二次元的（２Ｄ）像が三次元的像として
認識されるのに十分な速さで連続的に表現される型式の三次元的（３Ｄ）像ディ
スプレイに関する。特に、非限定的に、この３Ｄ像ディスプレイは、ステレオヘ
ッド搭載型ディスプレイ装置に使用するのに適している。
【０００２】 一般に、ヘッド搭載型ディスプレイの場合、２つの像をディスプレイするため
に強誘電性液晶空間光モジュレータ（ＦＬＣＳＬＭ）のような一対のマイクロデ
ィスプレイ装置が採用されており、その２つの像は、観察者（ビューア）の眼の
各々によって一連のレンズを通じて別個に見て、その像を無限遠にて又は何らか
の他の一定の距離にて見ることになる。図1には、ＦＬＣＳＬＭ１と、対物レン ズ２と、接眼レンズ３とから成る、一方の眼に対する従来のマイクロディスプレ
イ映像装置が図示されている。実際には、他方の眼に対する平行なレンズ系が提
供されることになろう。これらのレンズは、ＦＬＣＳＬＭによりディスプレイさ
れた像を見るために必要な像の拡大を可能にする。図１において、ｄは、観察者
（ビューア）が見たときの角度θを定めるＦＬＣＳＬＭの個々の画素の大きさを
示す。勿論、図１に図示した像ディスプレイ装置は、二次元的像をディスプレイ
するためのものである。この装置が３Ｄ像をディスプレイすることを可能にする
ためには、固定レンズの一方、好ましくは、対物レンズを可変焦点のレンズと置
換し、又は折り畳み型装置の場合、変形可能なミラーと置換し、第一のＦＬＣＳ
ＬＭにより発生された像が異なる焦点位置にて連続的にビューアの眼に提供され
且つ三次元的像として認識されるようにすることが以前から提案されている。
【０００３】 本発明は、多額のコストを回避し、また、可変焦点レンズ又は変形可能なミラ
ーの他の望ましくない特徴を回避して、観察者（ビューア）が３Ｄ像を認識する
ことを可能にする1つの代替的なディスプレイ装置を提案するものである。
【０００４】 本発明は、ディスプレイと、該ディスプレイにより発生された像を縮小させる
縮小レンズと、縮小された像を焦点決めするレンズ系と、像ディスプレイを通る
光路の長さを調節し、これにより、ディスプレイにより発生された像を焦点決め
し、異なる複数の焦点位置に連続的に現れるように制御可能な光路長さの調節器
とを備える３Ｄ像ディスプレイを提供するものである。
【０００５】 この光路の長さの調節器は、像ディスプレイの1つ以上の光学的構成要素を軸 方向に動かす駆動ユニットの形態とすることができる。これと代替的に、光路長
さの調節器は、可変型屈折率プレート又は電子光学的調節器の形態としてもよい
。
【０００６】 本発明によれば、ディスプレイによって発生された像が初期縮少(initially d
emagnified)されると、像を適正な焦点位置に焦点決めするのに必要な光路長さ の変化が著しく減少する。このようにして、認識された三次元的像を発生させる
ための簡単な光学的及び機械的な構成要素を像ディスプレイ内に採用することが
できる。更に、この３Ｄ像ディスプレイは、ヘッド搭載型ディスプレイに特に適
したものである。
【０００７】 次に、添付図面を参照しつつ、一例として、本発明の実施の形態を説明する。 図２において、ＦＬＣＳＬＭ１１と、対物レンズ１２と、接眼レンズ１３と、
ＦＬＣＳＬＭ１１及び対物レンズ１２の間に配置された縮小レンズ１４とから成
る従来の像ディスプレイ装置の改変した型式のものが図示されている。該縮小レ
ンズ系１４は、ＦＬＣＳＬＭ１１により発生された像の面Ｐ1内に縮小された像 を発生させる。この縮小化は、レンズ１２、１３のようなレンズ系の他の部分に
より対応され、これらのレンズ部分は、図１のディスプレイ装置よりも大きい拡
大を可能にし、このため、ビューアが見る像の大きさは、従来の像ディスプレイ
装置におけるのと同一である。
【０００８】 更に、対物レンズ１２は、圧電可動型のマウント１５内に収容されており、こ
の可動マウントは、対物レンズ１２を像の面Ｐ1に向けて軸方向に動いたり、該 面Ｐ1から離れたりすることを可能にすることが図２から理解されよう。この可 動マウント１５又はその他の適当な手段は、対物レンズをディスプレイ装置の軸
線に沿って制御された状態で動かすことを可能にする。
【０００９】 図２に図示した像ディスプレイにおいて、対物レンズ１２が、像面Ｐ1に向け て又は像面Ｐ1から離れるように動くことは、ビューアが認識する像の見掛けの 焦点位置を変化させることになる。例えば、ビューアから距離Ｖを像の見掛けの
焦点位置とするためには、次の近似的等式に従って、像が無限遠にて投影される
箇所である、対物レンズの位置から対物レンズを距離Δだけ動かさなければなら
ない。 Δ＝（Ｍ2／Ｖ）・（ｄ2／θ2） ここで、Ｍは、縮小レンズ１４の度である。接眼レンズを可動のウント１５上
に取り付け、接眼レンズを同一の距離Δだけ動かし、又はＦＬＣＳＬＭ及び縮小
レンズの双方を動かすことにより、同様の効果を実現することができる。
【００１０】 このようにして、対物レンズ（又は接眼レンズ）が、認識された異なる位置に
連続的に動くことは、２Ｄ像を認識された異なる距離に提供することになる。こ
れが十分、迅速に行われるならば、ビューアは、その像を三次元的像として認識
することになる。しかしながら、対物レンズ１２は、ビューアにより認識された
像を３Ｄとするためには、極めて迅速に動かさなければならない。ちらつき無し
の３Ｄ像を実現するためには、例えば、理想的には４０ｍｓ以下のビデオ速度よ
りも速い速度にて、異なる認識距離にて完全な一連の像を発生させなければなら
ない。ＦＬＣＳＬＭにより発生された像を縮小することにより、対物レンズ１２
が動かなければならない実際の距離は、ファクタＭ2に応じて定められ、３Ｄ像 を発生させることを実現可能にする。
【００１１】 例えば、１５μｍの画素を有する従来のＦＬＣＳＬＭ（ｄ＝１５μｍ）によっ
て発生された像を最初に縮小させることなく、３０°の角度で認識距離Ｖ＝１ｍ
にて２５６×２５６の画素を有する像を発生させるためには、θ＝３０°／２５
６とし、対物レンズをΔ＝５４μｍだけ動かすことが必要となろう。Ｖ＝１５ｃ
ｍの認識距離を実現するためには、Δ＝３６０μｍだけレンズを軸方向に移動さ
せることが必要となろう。これらの軸方向距離は短いが、レンズは、極めて短時
間でこれらの距離を動かなければならない。一例として、Δ＝３６０μｍよりも
長い距離とし、また、４０ｍｓの時間フレーム内にて４つの別個の距離しか認識
されず、また、５ｍｓの時間、像の各位置が保持され得るようにすると、移動ス
テップは、５７．６ｍ／ｓ2以下の加速／減速サイクルを必要とするであろう。 この型式の加速／減速を実現し且つ映像装置を作動可能とするのに必要な軸方向
移動距離を決定することは、ヘッド搭載型ディスプレイの一部を形成することの
できる十分に軽く且つコンパクトな機構では困難であろう。例えば、Ｍ＝１／３
の最初の縮小率を含むことにより、１５ｃｍの認識距離とするための軸方向移動
は、４０μｍまで短くなり、このことは、必要な加速／減速の条件を著しく軽減
することになる。
【００１２】 図３において、偏光光源（図示せず）とＦＬＣＳＬＭ１１との間に偏光ビーム
スプリッタ１６が設けられた反射モードにてマイクロディスプレイ１１が使用さ
れる折畳み式の像ディスプレイ装置が図示されている。この像ディスプレイ装置
において、対物レンズ１２は、また、レンズ１２を通って可動マウント１５上に
取り付けられたミラー１７まで進み、レンズを通って戻る像に対する縮小レンズ
として機能する。
【００１３】 使用中、線形に偏光された光は、ビームスプリッタ１６を通り且つＦＬＣＳＬ
Ｍ１１により反射されて戻る。９０°回転させた偏光による光の像を含む、ＦＬ
ＣＳＬＭから反射された光は、４分の１波長プレート１８を通ってビームスプリ
ッタ１６により対物レンズ１２に向けて反射される。この対物レンズ１２は、ビ
ームスプリッタ１６からの像を縮小させて、像面Ｐ1内に縮小像を発生させる。 Ｐ1に又はその付近に配置されたミラー１７は、縮小像を対物レンズ１２に向け て反射して戻し、この対物レンズ１２は、この像を面Ｐ2に焦点決めし直す。４ 分の１波長プレート１８を２回通ることは、像の偏光が９０°回転され、これに
より、像がビームスプリッタ１６を通って接眼レンズ１３まで直線的に進むこと
を確実にする。ミラー１７が、像面Ｐ1にあるとき、ビューアは、その像を無限 遠にて認識する。ミラー１７が像面Ｐ1から離れる方向に動くと、像は有限距離 にて認識されることになる。図２の像ディスプレイと異なり、このことは、折畳
み式の光学系であるから、任意の所望の認識距離を実現するためには、ミラー１
７を距離Δ／２だけ動かすだけでよいことになる。
【００１４】 また、図３に図示した光学装置の応用例において、偏光ビームスプリッタ１６
は、開口を通る主光路からずらして、ＦＬＣＳＬＭ１１に隣接する位置に配置す
ることができ、また、４分の１波長プレート１８は、例えば、ペリクルビームス
プリッタのような非偏光型のビームスプリッタと置換してよい。この応用例にお
いて、色収差を減少させることができ、また、所望であるならば、各眼への通路
を偏光によって相違するようにすることができるから、双眼ディスプレイの構成
の自由度を増すことが可能となる。しかしながら、この構成の主たる不利益は、
光の約７５％が失われることである。
【００１５】 更に、ＳＬＭのようなピクセレィティッド・シャッタ(pixellated shutter)１
９を３Ｄ光学系内に含めることができる。ＳＬＭシャッタ１９は、図３に破線で
示してある。特に、３Ｄ像ディスプレイがヘッド搭載型の形態にて使用されると
き、ディスプレイ１１の各画素は、視野角度が小さいため、１つの像面及び１つ
の面にしか作用しない。従って、ディスプレイ１１は、全ての像面を同時に表示
することができる。次に、ＳＬＭシャッタ１９を使用して、１つの特定の面に適
したディスプレイ１１の画素からの像のみを伝送する。ＳＬＭシャッタ１９のシ
ャッタ動作をマウント１５の動きと同期化させることによって、像面の各々はシ
ャッタ１９により接眼レンズまで周期的に伝送される。このことは、ディスプレ
イの速度が比較的遅くなり（例えば、５０Ｈｚ、すなわちビデオ速度）、また、
情報量の多い（多色、多グレーレベル）となることが可能である一方、ＳＬＭシ
ャッタ１９はマウント１５よりも遥かに速い速度にて作動することを意味する。
ＳＬＭシャッタ１９はディスプレイ１１に隣接して配置されることが好ましい。
しかしながら、シャッタをディスプレイから離れた位置であり且つ依然として、
ディスプレイの像面内に配置することが必要な場合もあり、この場合、シャッタ
は、像倍率の全ての変化に対応しなければならない。
【００１６】 上述したディスプレイ装置の双方の場合、ビューアにより認識された像の焦点
決めし直しは、その装置の１つ以上の光学的構成要素、例えば、対物レンズ（図
２）及びミラー（図３）を機械的に軸方向に変位させることにより実現される。
しかしながら、その各場合において、ディスプレイ装置内の光路は縮小した実像
又は仮想像が投影される箇所である、ディスプレイ装置の部分内にて距離Δだけ
長くなり又は短くなるため、焦点決めし直しが為される。勿論、装置の個々の光
学的構成要素を動かすことなく、光路を変更することのできる代替的な方法も存
在する。例えば、Ｐ1付近にてディスプレイ装置内に可変屈折率のプレートを挿 入することができる。この可変屈折率装置は、例えば、電子光学式調節装置の形
態とし、又は、可変厚さのセクターを有するガラス円板のようなプレートとする
ことができ、このプレートは、ディスプレイ装置を通る光路と連続的に交差する
ように回転させ、これにより、光路の長さについて必要とされる連続的な変化を
達成することができる。
【００１７】 ディスプレイ装置の出力開口は、寸法が制限されており、このことは、ビュー
アの眼の位置を制限する効果を有することが明らかであろう。しかしながら、デ
ィスプレイに対するビューアの位置は当然に固定されているから、このことは、
像ディスプレイがヘッド搭載型３Ｄディスプレイとして使用される場合には、問
題とならない。出力開口部の寸法が制限されることに関連する二次的な効果があ
る。すなわち、ディスプレイ装置の出口瞳がビューアの眼の瞳よりも小さくなる
ことに伴ない、見掛けの焦点深さは、全ての物体についてより増大するように見
える。「顕微鏡」の設計に基づく上述した型式の光学系の場合、出力開口の寸法
は、対物レンズの開口、及び接眼レンズの度及び位置によって制限される。この
ため、ビューアに関する限り、出力開口を最適にし得るように特定のディスプレ
イ装置の構造を選択することが可能である。更に、ビューアが見る視野の角度が
認識された全ての距離に対して一定であることを確実にするためにも、装置の構
造を適正に選択することが必要である。
【００１８】 勿論、問題点の性質が把握されたならば、個々の者の眼に制限され、又は不十
分な焦点決めを補正することが可能であることが理解されよう。
【００１９】 単一の構成要素を直線状に動かし又は回転させることにより、像の深度を変化
させると、像を焦点決めし直したときに発生する色収差は、従来の３Ｄディスプ
レイ装置と比較して少ない。また、線形装置において、光学要素を移動させるこ
とが必要な距離を短くすることになる、像の最初の縮小化を確実にすることによ
り、パワーの消費量が少なくなり、それに伴うノイズ及び振動を最小にすること
ができる。このディスプレイ装置は、入力光の１００％を伝送することが可能で
あるという更なる利点を有し、このことは、その双方が非効率的であるＦＬＣＳ
ＬＭ可変焦点レンズ又は変形可能なミラーの何れかを採用する従来の装置に優る
顕著な改良点である。更に、可変レンズとして機能するＦＬＣＳＬＭの場合、焦
点決めし直しされない光の部分は、像のコントラストの劣化を生じさせる可能性
がある。可変レンズとしてＦＬＣＳＬＭを採用する従来の装置は、かかる装置が
上述したディスプレイ装置では問題とならない色収差を伴うという更なる不利益
な点がある。
【００２０】 ヘッド搭載型ディスプレイに関して３Ｄ像ディスプレイを説明したが、勿論、
像ディスプレイは、眼科装置又は実際に像の迅速な焦点決めし直しが必要とされ
る任意の状況のような他の用途にて使用するのにも適したものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の像ディスプレイ装置の線図である。
【図２】 本発明による３Ｄ像ディスプレイの第一の実施の形態の線図である。
【図３】 本発明による３Ｄ像ディスプレイの第二の実施の形態の線図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１２年１１月８日（２０００．１１．８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スチャロフ，レオン・オリバー・ダイラン イギリス国オックスフォード オーエック ス３・９エルキュー バートン，バーンウ ッド・ロード 60 Ｆターム(参考） 5C061 AA06 AA29 AB14 AB16 AB17 【要約の続き】 が動かなければならない距離が短くなる。このことは、 何ら縮小が行われない従来の装置にて顕著なことであ る、マウント１５の性能に対する要求が軽減されること になる。このようにして、認識された三次元的像を発生 させるため、像ディスプレイ内に簡単な光学的及び機械 的構成要素を採用することが可能となる。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ディスプレイと、該ディスプレイにより発生された像を縮小
    させる縮小レンズと、縮小した像を焦点決めするレンズ系と、像ディスプレイを
    通る光路を調節し、これにより、ディスプレイにより発生された像が異なる複数
    の焦点位置に連続的に現れるように焦点決めすることのできる制御可能な光路の
    長さ調節器とを備える、３Ｄ像ディスプレイ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の３Ｄ像ディスプレイにおいて、前記光路長
    さ調節器が、可変屈折率プレート又は電子光学的調節装置の形態をしている、３
    Ｄ像ディスプレイ。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の３Ｄ像ディスプレイにおいて、前記光路長
    さ調節器が、像ディスプレイの１つ以上の光学的構成要素を軸方向に移動させる
    駆動装置の形態をしている、３Ｄ像ディスプレイ。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の３Ｄ像ディスプレイにおいて、前記駆動装
    置が圧電的に作動可能である、３Ｄ像ディスプレイ。
  5. 【請求項５】 請求３又は４に記載の３Ｄ像ディスプレイにおいて、前記駆
    動装置が、焦点決めレンズ系の１つ以上の要素が取り付けられるマウントを備え
    る、３Ｄ像ディスプレイ。
  6. 【請求項６】 請求項１乃至５の何れかに１つに記載の３Ｄ像ディスプレイ
    装置において、前記像ディスプレイ装置が折畳み型であり且つ偏光ビームスプリ
    ッタと、ミラーと、該ビームスプリッタ及びミラーの間に配置されたリターディ
    ションプレート（波長板）とを備える、３Ｄ像ディスプレイ装置。
  7. 【請求項７】 請求項５又は６に記載の３Ｄ像ディスプレイ装置において、
    前記ミラーが前記駆動装置に取り付けられる、３Ｄ像ディスプレイ装置。
  8. 【請求項８】 請求項６又は７に記載の３Ｄ像ディスプレイ装置において、
    前記縮小レンズが焦点決めレンズ系の対物レンズでもある、３Ｄ像ディスプレイ
    装置。
  9. 【請求項９】 請求項１乃至９の何れか１つに記載の３Ｄ像ディスプレイに
    おいて、前記ディスプレイが空間的光調節器である、３Ｄ像ディスプレイ。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載の３Ｄ像ディスプレイにおいて、１つの像
    面のみの画素からの像を伝送する、ピクセレェティッド・シャッタが設けられる
    、３Ｄ像ディスプレイ。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の３Ｄ像ディスプレイにおいて、前記ピ
    クセレティッド・シャッタが空間的光調節器である、３Ｄ像ディスプレイ。
  12. 【請求項１２】 請求項１乃至１１の何れか１つに記載の３Ｄ像ディスプレ
    イを含むヘッド搭載型ディスプレイ。
JP2000506557A 1997-08-07 1998-08-06 三次元的像ディスプレイ Withdrawn JP2001512849A (ja)

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