JP2002156603A - 三次元表示方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 人の立体視の生理的要因を充分満足でき、自
然で疲れない三次元立体像を表示可能な三次元表示方法
を提供する。 【解決手段】 観察者から見て異なった奥行き位置に配
置される複数の表示面に対して、表示対象物体を観察者
の視線方向から射影した二次元像を生成し、前記生成さ
れた二次元像を前記複数の表示面の中の任意の２個の表
示面にそれぞれ表示し、当該表示される二次元像の輝度
を前記複数の表示面の中の任意の２個の表示面毎にそれ
ぞれ独立に変化させて、三次元立体像を生成する三次元
表示方法であって、偏光型多焦点光学系により、前記二
次元像の表示光を、前記複数の表示面の中の任意の２個
の表示面に結像させ、かつ、表示光の偏光方向を制御
し、前記複数の表示面の中の任意の２個の表示面に結像
される前記二次元像の輝度を独立に変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三次元表示方法お
よび装置に係わり、特に、三次元像を、情報量を少なく
して、電子的に動画再生できる三次元表示方法および装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電気的に書き換え可能で、情報量
が少なく、動画の立体表示を可能とする装置として、図
２７に示す液晶シャッタ眼鏡方式がよく知られている。
以下、この液晶シャッタ眼鏡方式の原理について説明す
る。この液晶シャッタ眼鏡方式においては、カメラ（７
０２，７０３）により、三次元物体７０１を異なる方向
から撮影し、三次元物体７０１を異なる方向から撮影し
た像（視差像）を生成する。カメラ（７０２，７０３）
により撮影された映像を、映像信号変換装置７０４で合
成して１つの映像信号とし、二次元表示装置（例えば、
ＣＲＴ表示装置）７０５に入力する。観察者７０７は、
液晶シャッタ眼鏡７０６をかけて二次元表示装置７０５
の映像を観察する。ここで、二次元表示装置７０５がカ
メラ７０３の映像を表示している時に、液晶シャッタ眼
鏡７０６は左側が非透過状態、右側が透過状態とされ、
また、二次元表示装置７０５がカメラ７０２の映像を表
示している時に、液晶シャッタ眼鏡７０６は左側が透過
状態、右側が非透過状態とされる。前記動作を高速で切
り替えると、眼の残像効果により両眼に視差像が見える
ように感じる。したがって、両眼視差による立体視が可
能となる。

【０００３】また、従来の電気的に書き換え可能で、情
報量が少なく、動画の立体表示を可能とする装置とし
て、図２８に示す体積型方式も提案されている。以下、
この体積型方式の原理について説明する。この体積型方
式においては、図２８（ｂ）に示すように、三次元物体
７１１を観察者から見て奥行き方向に標本化して二次元
像の集まり７１２とし、この二次元像の集まり７１２
を、図２８（ａ）に示す体積型三次元表示装置７１３を
用いて、例えば、時分割で再び奥行き方向に配置して三
次元の再現像７１４を再構成する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記図
２７に示す液晶シャッタ眼鏡方式は、液晶シャッタ眼鏡
７０６が必須であるため、テレビ会議のような場合に
は、非常に不自然であるという問題点があった。また、
立体視の生理的要因の中で、両眼視差、輻輳と、ピント
調節との間に大きな矛盾が生じる。即ち、前記図２７に
示す液晶シャッタ眼鏡方式では、両眼視差と輻輳はほぼ
満足できるが、ピント面が表示面にあるため、この矛盾
により、眼精疲労などを生じるという問題点があった。
また、前記図２８に示す体積型方式は、再現する三次元
物体７１１の奥行き位置が実際に像を表示する面に近く
て、かつその面に挟まれているため、前記図２７に示す
液晶シャッタ眼鏡方式と異なり、両眼視差、輻輳と、ピ
ント調節との間の矛盾を抑制できる。しかしながら、こ
の体積型方式では、奥行き方向に位置が離散的であるた
め、その中間位置の三次元物体や奥行き方向に大きく変
化している三次元物体を再現するのが困難であるという
問題点があった。

【０００５】本発明は、前記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、本発明の目的は、眼鏡な
しで、かつ立体視の生理的要因間での矛盾を抑制でき、
さらに、電気的に書換え可能で、動画表示が可能な三次
元表示方法および装置を提供することにある。本発明の
前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の
記述及び添付図面によって明らかにする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記の通りである。即ち、本発明は、観察者から見て異
なった奥行き位置に配置される複数の表示面に対して、
表示対象物体を観察者の視線方向から射影した二次元像
を生成し、前記生成された二次元像を前記複数の表示面
の中の任意の２個の表示面にそれぞれ表示し、当該表示
される二次元像の輝度を前記複数の表示面の中の任意の
２個の表示面毎にそれぞれ独立に変化させて、三次元立
体像を生成する三次元表示方法であって、偏光型多焦点
光学系により、前記二次元像の表示光を、前記複数の表
示面の中の任意の２個の表示面に結像させ、かつ、表示
光の偏光方向を制御し、前記複数の表示面の中の任意の
２個の表示面に結像される前記二次元像の輝度を独立に
変化させることを特徴とする。

【０００７】本発明の好ましい実施の形態では、前記表
示対象物体の奥行き位置が前記観察者に近い位置である
場合には、前記２個の表示面のうち前記観察者に近い表
示面に結像される二次元像の輝度が高く、前記２個の表
示面のうち前記観察者に遠い表示面に結像される二次元
像の輝度が低くなるように、前記表示光の偏光方向を制
御し、前記表示対象物体の奥行き位置が前記観察者に遠
い位置である場合には、前記２個の表示面のうち前記観
察者に近い表示面に結像される二次元像の輝度が低く、
前記２個の表示面のうち前記観察者に遠い表示面に結像
される二次元像の輝度が高くなるように、前記表示光の
偏光方向を制御することを特徴とする。本発明の好まし
い実施の形態では、人間の眼の残像時間内に前記二次元
像を順次切り替え、当該各二次元像の表示光を、順次前
記複数の表示面の中の任意の２個の表示面に結像させ
て、三次元立体の動画像を生成することを特徴とする。
本発明の好ましい実施の形態では、前記二次元像の各部
位の奥行き位置が前記観察者に近い位置である場合に
は、前記２個の表示面のうち前記観察者に近い表示面に
結像される二次元像の輝度が高く、前記２個の表示面の
うち前記観察者に遠い表示面に結像される二次元像の輝
度が低く、かつ、前記二次元像の各部位の奥行き位置が
前記観察者に遠い位置である場合には、前記２個の表示
面のうち前記観察者に近い表示面に結像される二次元像
の輝度が低く、前記２個の表示面のうち前記観察者に遠
い表示面に結像される二次元像の輝度が高くなるよう
に、前記二次元像の各部位毎に表示光の偏光方向を制御
することを特徴とする。

【０００８】また、本発明は、二次元像を表示する二次
元像表示手段と、前記二次元像表示手段から入射される
二次元像の表示光の偏光方向を制御して出射する偏光可
変手段と、前記偏光可変手段から出射される表示光を二
つの独立な偏光方向に分離し、かつ、当該二つの独立な
偏光方向毎の表示光を、観察者から見て異なった奥行き
位置に配置される複数の表示面の任意の２個の表示面に
結像させる偏光型多焦点光学系と、同期装置とを備え、
前記複数の表示面の中の任意の２個の表示面に結像され
る各二次元像が、観察者の視線上で重なり、かつ、奥行
き位置の異なる二次元像となるように、前記二次元像表
示手段、前記偏光可変手段および前記偏光型多焦点光学
系とを配置した三次元表示装置であって、前記偏光型多
焦点光学系は、前記二つの独立な偏光方向に対してそれ
ぞれ焦点距離が異なる（ｎ＋１）個の偏光型二焦点レン
ズと、前記（ｎ＋１）個の偏光型二焦点レンズの間に配
置され、入射される光の偏光方向を、二つの独立した偏
光方向のいずれか一方の偏光方向に変換するｎ個の偏光
切替器とを有し、前記同期装置は、前記複数の表示面の
中の任意の２個の表示面に表示される二次元像に同期し
て、前記各二焦点光学装置の偏光切替器の偏光方向を切
り替えることを特徴とする。

【０００９】本発明の好ましい実施の形態では、前記偏
光可変手段は、前記表示対象物体の奥行き位置が前記観
察者に近い位置である場合には、前記２個の表示面のう
ち前記観察者に近い表示面に結像される二次元像の輝度
が高く、前記２個の表示面のうち前記観察者に遠い表示
面に結像される二次元像の輝度が低くなるように、前記
二次元像表示手段から入射される二次元像の表示光の偏
光方向を制御し、前記表示対象物体の奥行き位置が前記
観察者に遠い位置である場合には、前記２個の表示面の
うち前記観察者に近い表示面に結像される二次元像の輝
度が低く、前記２個の表示面のうち前記観察者に遠い表
示面に結像される二次元像の輝度が高くなるように、前
記二次元像表示手段から入射される二次元像の表示光の
偏光方向を制御することを特徴とする。本発明の好まし
い実施の形態では、前記偏光可変手段は、前記二次元像
表示手段から入射される二次元像の表示光を楕円偏光に
変化させることを特徴とする。本発明の好ましい実施の
形態では、前記偏光可変手段は、前記二次元像表示手段
から入射される二次元像の表示光を、前記二つの独立な
偏光方向、あるいは、前記二つの独立な偏光方向の中間
の角度の直線偏光に変化させることを特徴とする。

【００１０】本発明の好ましい実施の形態では、前記偏
光可変手段は液晶を含むことを特徴とする。本発明の好
ましい実施の形態では、前記二次元像表示手段は、複数
の画素を有し、また、前記偏光可変手段は、複数の偏光
可変要素を有し、前記偏光可変手段の各偏光可変要素
は、前記二次元像表示手段の一つまたは複数の画素の表
示光の偏光をそれぞれ制御することを特徴とする。本発
明の好ましい実施の形態では、前記偏光型二焦点レンズ
は、屈折率が固定の光学素子形状を有する固定領域と、
複屈折性を有する複屈折性媒体とを含むことを特徴とす
る。本発明の好ましい実施の形態では、光学素子形状を
有する複屈折性媒体を含むことを特徴とする。本発明の
好ましい実施の形態では、前記複屈折性媒体は、液晶、
方解石、リチイムナイオベート、高分子、方解石または
リチイムナイオベートを複数個を光学接着したもの、あ
るいは、１軸延伸または２軸延伸した高分子薄膜を複数
積層したものを含むことを特徴とする。

【００１１】本発明の好ましい実施の形態では、前記偏
光型二焦点レンズは、光学特性値がそれぞれ異なる第１
および第２の光学系と、入射される前記二つの独立した
偏光方向の一方の偏光方向の光を前記第１の光学系に入
射し、他方を前記第２の光学系に入射する第１の偏光ビ
ームスプリッタと、前記第１の光学系および第２の光学
系を通過した光を合成する第２の偏光ビームスプリッタ
とを含むことを特徴とする。本発明の好ましい実施の形
態では、前記偏光型二焦点レンズは、光学特性値がそれ
ぞれ異なる二つの光学系と、入射される光を、２つの光
に分離する第１のビームスプリッタと、前記ビームスプ
リッタで分離された一方の光が入射され、前記二つの独
立した偏光方向の一方の偏光方向の光を前記第１の光学
系に入射する第１の偏光板と、前記ビームスプリッタで
分離された他方の光が入射され、前記二つの独立した偏
光方向の他方の偏光方向の光を前記第２の光学系に入射
する第２の偏光板と、前記第１の光学系および第２の光
学系を通過した光を合成する第２のビームスプリッタと
を含むことを特徴とする。本発明の好ましい実施の形態
では、前記偏光切替器は、液晶を含むことを特徴とす
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、実施の形態を説明す
るための全図において、同一機能を有するものは同一符
号を付け、その繰り返しの説明は省略する。 ［実施の形態１］本発明の実施の形態１の三次元表示装
置は、表示対象物体である三次元物体の全体の奥行きを
表現する三次元表示装置である。 ［本発明の実施の形態の基本となる三次元表示装置の概
要］図２は、本発明の実施の形態１の基本となる三次元
表示装置の概略構成を示す図である。図２に示す三次元
表示装置は、二次元表示装置１００と、偏光可変装置１
３０と、偏光型二焦点レンズ１３１とを含んで構成され
る。

【００１３】図２に示す三次元表示装置においては、二
次元表示装置１００に表示される二次元像の表示光は、
偏光可変装置１３０からの出射偏光方向により、偏光型
二焦点レンズ１３１の二つの結像面（図２では、結像面
２０３と結像面２０４）に、偏光方向に応じた輝度比で
分離・表示される。例えば、偏光型二焦点レンズ１３１
における固有偏光方向（二つの独立した偏光方向を意味
する）の一つに、前記偏光可変装置１３０からの出射偏
光方向が一致した場合には、例えば、結像面２０３上に
二次元表示装置１００に表示される二次元像が結像さ
れ、出射偏光方向が他方の固有偏光方向に一致した場合
には、例えば、結像面２０４上に二次元表示装置１００
に表示される二次元像が結像される。それ以外の偏光方
向（直線偏光、円偏光、楕円偏光などを含む）の場合に
は、結像面２０３と結像面２０４における各々の輝度
が、例えば、出射偏光方向を固有偏光方向へ射影した成
分比で分離される。

【００１４】ここで、二次元表示装置１００としては、
例えば、ＣＲＴ表示装置、液晶ディスプレイ、ＬＥＤデ
ィスプレイ、プラズマディスプレイ、ＦＥＤディスプレ
イ、プロジェクション型ディスプレイ、あるいは、線描
画型ディスプレイが使用可能である。また、偏光可変装
置１３０としては、例えば、液晶を用いた装置、あるい
は複屈折性を有し、かつ電界によりその複屈折性が制御
できるＰＬＺＴを用いた装置等が使用可能である。な
お、これらの装置については後述する。さらに、偏光型
二焦点レンズ１３１としては、例えば、後述する複屈折
媒体として、例えば、液晶、方解石、リチウムナイオベ
ートなどの複屈折性結晶、延伸した高分子を用いた装
置、あるいは偏光ビームスプリッタと異なる結像面を有
する二つの光学系、あるいはビームスプリッタと偏光板
と異なる結像面を有する二つの光学系とを含む装置など
で構成される。なお、これらの装置については後述す
る。

【００１５】以下、図２に示す三次元表示装置の基本動
作を説明する。図２に示す三次元表示装置においては、
図３に示すように、観察者１０に提示したい三次元物体
（表示対象物体）１０６を、観察者１０の両眼の視線方
向から、例えば、結像面（２０３，２０４）へ射影した
像（以下、「２Ｄ化像」と称する。）１０７を生成し、
これを図２に示す二次元表示装置１００に表示する。こ
こで、２Ｄ化像１０７の生成方法としては、視線方向か
ら三次元物体１０６をカメラ撮影した二次元像を用いる
方法、あるいは別の方向から撮影した複数枚の二次元像
から合成する方法、あるいはコンピュータグラフィック
による合成技術やモデル化を用いる方法など種々の方法
が採用可能である。

【００１６】この二次元表示装置１００の一つあるいは
複数の画素群に対応して、偏光可変装置１３０の一つの
偏光可変要素を対応させる。例えば、図４に示すよう
に、二次元表示装置１００の一つの画素１４０に対応し
て、偏光可変装置１３０の一つの偏光可変要素１５０を
対応させ、あるいは、例えば、図５に示すように、二次
元表示装置１００の複数の画素１４１に対応して、偏光
可変装置１３０の一つの偏光可変要素１５１を対応させ
る。次に、この偏光可変装置１３０の偏光可変要素（例
えば、図４の１５０、図５の１５１）の出射偏光方向
を、二次元表示装置１００の一つの画素（例えば、図４
の１４０）あるいは複数の画素（例えば、図５の１４
１）に対応する三次元物体１０６の部位の奥行き位置に
対応して変化させる。これにより、この出射偏光方向に
対応した各々の輝度を有する画像（二次元像）が結像面
２０３と結像面２０４に表示される。

【００１７】但し、結像面２０３と結像面２０４との画
像が、観察者１０の視線上で重なるように、結像面（２
０３，２０４）の位置関係を適切な光学系を用いて予め
調整する。結像面２０３と結像面２０４との画像が、観
察者１０の視線上で重なるようにすることは、例えば、
２Ｄ化像１０７の各々の中心や重心を視線上に配置する
ことで可能である。本実施の形態の三次元表示装置にお
ける要点は、偏光可変装置１３０を用いて各偏光可変要
素における出射偏光方向を変えることにより、結像面２
０３と結像面２０４における画像各部位の各々の輝度
を、観察者１０から見た総体的な輝度を一定に保ちつ
つ、三次元物体１０６の奥行き位置に対応して変えるこ
とである。

【００１８】その変え方の一例を、図６ないし図９を用
いて以下に説明する。ここで、結像面２０３が、結像面
２０４より観察者１０側にあるとし、かつ、結像面（２
０３，２０４）に対応した偏光型二焦点レンズ１３１の
固有偏光方向を各々ｐ方向、ｓ方向とする。なお、図６
ないし図９において、色の濃い部分が、輝度の高い部分
を表現している。例えば、図６に示すように、偏光可変
装置１３０の各偏光可変要素における出射偏光方向をｐ
方向と一致させると、結像面２０３における画像の輝度
は三次元物体１０６の輝度に等しくなり、また、結像面
２０４における画像の輝度はゼロとなり、三次元物体１
０６が結像面２０３上にある場合を表現できる。次に、
例えば、図７に示すように、偏光可変装置１３０の各偏
光可変要素における出射偏光方向をｐ方向より少し傾け
ると、図６に比べて、結像面２０３における画像の輝度
は減少し、また、結像面２０４における画像の輝度は増
加し、三次元物体１０６が結像面２０３より少し離れて
結像面２０４側に寄った場合を表現できる。

【００１９】さらに、例えば、図８に示すように、偏光
可変装置１３０の各偏光可変要素における出射偏光方向
を図７に示す偏光より傾けると、図７に比べて、結像面
２０３における画像の輝度はさらに減少し、また、結像
面２０４における画像の輝度はさらに増加し、三次元物
体１０６が結像面２０３より結像面２０４側にさらに寄
った場合を表現できる。遂に、例えば、図９に示すよう
に、偏光可変装置１３０の各偏光可変要素における出射
偏光方向をｓ方向と一致させると、結像面２０４におけ
る画像の輝度は三次元物体１０６の輝度に等しくなり、
また、結像面２０３における画像の輝度はゼロとなり、
三次元物体１０６が結像面２０４上にある場合を表現で
きる。

【００２０】前記した表示方法によれば、人の生理的あ
るいは心理的要因あるいは錯覚により、画像を実際に表
示しているのが結像面（２０３，２０４）であっても、
観察者１０にはあたかもその中間に三次元物体１０６が
位置しているように感じられる。この図２に示す三次元
表示装置は、図２７に示す従来の三次元表示装置と異な
り、実際に像を表示する面が、その錯覚位置を挟んで少
なくとも２つ以上存在するため、図２７に示す従来の三
次元表示装置で問題となった両眼視差、輻輳と、ピント
調節との間の矛盾を大きく抑制でき、眼精疲労などを抑
制できると考えられる。また、図２８に示す従来の三次
元表示装置と異なり、像面の中間位置に存在する三次元
物体も観察者に対しては三次元的に見えるため、従来の
書割り的な立体感ではない利点を有する。さらに、図２
に示す三次元表示装置では、複数の面の間にある三次元
物体も表現できることから、三次元表示を行う場合のデ
ータ量を大きく減らせる利点も有する。

【００２１】また、図２に示す三次元表示装置は、像の
輝度の変化のみによる人の生理的あるいは心理的要因あ
るいは錯覚を利用しているため、光源として、特に、レ
ーザーなどのコヒーレント光源を必要とせず、かつカラ
ー化も容易である利点を有している。また、図２に示す
三次元表示装置は、機械的駆動部を含まないため、軽量
化、信頼性の向上などに適している利点を有する。ま
た、図２に示す三次元表示装置は、二次元表示装置１０
０により二次元方向の表示を受け持ち、偏光可変装置１
３０により奥行き方向の表現を受け持つため、その制御
が簡便である利点を有する。さらに、各々の解像度など
に差をつけることができ、情報量を減らせる利点を有す
る。即ち、二次元方向に比べて奥行き方向の分解能は低
いことに鑑みて、奥行き方向の分解能を減らすことも有
効である。

【００２２】また、図２に示す三次元表示装置において
は、結像面の位置、間隔、大きさ等によって装置の大き
さが必ずしも拘束されない。即ち、結像面（２０３，２
０４）の位置を、例えば、光学系により実像面として本
装置の全面に配置すること、あるいは、例えば、光学系
により本装置の後ろ側に配置することが可能である。ま
た、結像面（２０３，２０４）の間隔も、例えば、光学
系により本装置より大きく離すことも可能である。さら
に、結像する像の大きさも、例えば、光学系により本装
置より大きくすることが可能である。このため、実際に
表示装置を配置する方法に比べて、三次元表示装置全体
をコンパクト化できる利点も有する。

【００２３】なお、前述の説明においては、複数の結像
面（２０３，２０４）に表示する２Ｄ化像１０７の輝度
を観察者から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ変化さ
せる場合について説明したが、観察者１０から見た総体
的な輝度を奥にいくにしたがって徐々に減少させること
で、立体感を強調することはコンピュータグラフィック
においてよく用いられている手法であり、本実施の形態
においてもこれを採用することでその効果をよりいっそ
う助長できることは明らかである。また、２Ｄ化像１０
７を順次切り替えるとともに、当該２Ｄ化像１０７のそ
れぞれについて表示光の偏光方向を順次切り替えて、２
Ｄ化像１０７の表示光を結像面（２０３，２０４）に表
示させることにより、三次元立体の動画像を生成するこ
とができる。また、図２に示す三次元表示装置では、基
本的な構成を説明しているのみであり、例えば、これに
光学系を追加することにより収差などを低減できること
は明らかである。さらに、図２に示す三次元表示装置で
は、観察者１０が、三次元表示装置のほぼ中央、正面位
置にいる場合について主に説明したが、観察者１０が他
の位置にいる場合であっても、光学系などの変更あるい
は追加によって、容易に前述した効果を得ることができ
る。

【００２４】［本実施の形態の三次元表示装置の特徴］
図２に示す三次元表示装置は、２つの結像面（２０３，
２０４）を設け、当該２つの結像面（２０３，２０４）
に二次元像を表示するものであったが、本実施の形態の
三次元表示装置は、複数対の結像面を設け、当該複数対
の結像面に二次元像を表示する実施の形態である。図１
は、本発明の実施の形態１の三次元表示装置の概略構成
を示す図である。同図に示すように、本実施の形態の三
次元表示装置は、偏光型二焦点レンズ１３１の観察者１
０側に、焦点距離を複数個に切替可能な多焦点光学装置
１０４を配置し、かつ、この多焦点光学装置１０４の焦
点距離の切り替えと、二次元表示装置１００と、偏光可
変装置１３０とを同期させる同期装置１０５とを備えた
点で、図２に示す三次元表示装置と相違する。なお、偏
光型二焦点レンズ１３１と多焦点光学装置１０４とが、
本発明の偏光型多焦点光学系を構成する。多焦点光学装
置１０４は、偏光切替器１１１と、偏光型二焦点レンズ
１１２とから成る二焦点光学装置１１３を複数台を光学
的に直列に配置したものを含んで構成される。なお、図
１では、偏光切替器（１１１〜１ｍ１）と偏光型二焦点
レンズ（１１２〜１ｍ２）とから成るｍ台の二焦点光学
装置（１１３〜１ｍ３）を図示している。

【００２５】ここで、偏光切替器（１１１〜１ｍ１）
は、例えば、後述する液晶を用いた装置、あるいは複屈
折性を有し、かつ電界によりその複屈折性が制御できる
ＰＬＺＴなどを用いた装置などで構成される。本実施の
形態では、偏光切替器（１１１〜１ｍ１）と、偏光型二
焦点レンズ（１１２〜１ｍ２）とにおける偏光方向の直
交する主軸方向、例えば、ｐ方向とｓ方向は一致させ
る。また、偏光型二焦点レンズ（１１２〜１ｍ２）は、
後述するような構造により偏光方向、例えば、ｐ方向と
ｓ方向によって焦点距離が異なる二焦点レンズである。
また、偏光型二焦点レンズ（１１２〜１ｍ２）の焦点距
離を、例えば、各々（ｆｐ１、ｆｓ１）〜（ｆｐｍ、ｆ
ｓｍ）とするとき、焦点距離（ｆｐ１、ｆｓ１）〜焦点
距離（ｆｐｍ、ｆｓｍ）は、全て異なる値であるとす
る。

【００２６】本実施の形態の三次元表示装置の動作を以
下に説明する。まず、本実施の形態の多焦点光学装置１
０４における、焦点距離の切替え動作ついて説明する。
各偏光切替器（１１１〜１ｍ１）は、入射光の偏光方向
をそのまま保存して出射するモードと、入射光の偏光方
向に対して垂直な偏光方向に変えて出射するモードとを
切り替える機能を有する。また、偏光型二焦点レンズ
（１１２〜１ｍ２）自体は、偏光方向を変化させない。
そこで、ある偏光切替器１ｉ１（ｉ＝１〜ｍ）に入射す
る光の偏光方向は、その偏光切替器１ｉ１の前段の偏光
切替器（１１１〜１ｊ１；ｊ＝ｉ−１）の動作状況によ
り分かるため、偏光切替器１ｉ１の出射光の偏光方向は
一意的に選択できる。したがって、各偏光切替器（１１
１〜１ｍ１）の偏光方向を切り替えることにより、その
直後に配置された各偏光型二焦点レンズ（１１２〜１ｍ
２）の二つの焦点距離（ｆｐｉ、ｆｓｉ）（ｉ＝１〜
ｍ）の内の一つを選択できる。

【００２７】このため、焦点距離（ｆｐ１〜ｆｐｍ、ｆ
ｓ１〜ｆｓｍ）が全て異なる値であるとすると、偏光型
二焦点レンズ（１１２〜１ｍ２）における選択（切替）
可能な焦点距離の組み合わせは、２^m通りあることにな
る。多焦点光学装置１０４の全体の焦点距離を、偏光型
二焦点レンズ（１１２〜１ｍ２）の各々の焦点距離から
算出できることを考慮すると、多焦点光学装置１０４の
全体の焦点距離は２^m通り変化できる。例えば、各偏光
型二焦点レンズ（１１２〜１ｍ２）間の距離が無視でき
るほど小さく、かつ近軸系の場合には光学でよく知られ
たように、多焦点光学装置１０４の全体の焦点距離の逆
数は、各偏光型二焦点レンズ（１１２〜１ｍ２）の焦点
距離の逆数の和となる。むろん、一般的には、多焦点光
学装置１０４の全体の焦点距離は、各偏光型二焦点レン
ズ（１１２〜１ｍ２）の焦点距離と光学的厚さ、および
それらの間の距離によって算出されるべきことはよく知
られている。このように、多焦点光学装置１０４では、
各偏光切替器（１１１〜１ｍ１）の偏光方向の切替えの
組み合わせにより、多数の焦点距離を電気的に切替えで
きる。多焦点光学装置１０４の観察者１０から見て後ろ
に配置された二次元表示装置１００の画像は、光学の原
理から明らかなように、例えば、実像あるいは虚像とし
て結像し、その結像位置は、多焦点光学装置１０４の焦
点距離を変えることにより、奥行き方向に変化できる。

【００２８】前述の説明では、各二焦点光学装置（１１
３〜１ｍ３）に入射される光が１つの場合について説明
したが、偏光型二焦点レンズ１３１から、偏光方向が、
それぞれｐ方向とｓ方向の２つの光が入射される場合に
は、各ｐ方向とｓ方向の２つの光は、２^m個の結像面に
結像する。したがって、本実施の形態では、前述したよ
うに、偏光可変装置１３０の偏光可変要素（例えば、図
４の１５０、図５の１５１）の出射偏光方向を、二次元
表示装置１００の一つの画素（例えば、図４の１４０）
あるいは複数の画素（例えば、図５の１４１）に対応す
る三次元物体１０６の部位の奥行き位置に対応して変化
させ、かつ、偏光可変装置１３０と同期して多焦点光学
装置１０４の焦点距離を切り替えることにより、（２０
３〜２ｍ３，２０４〜２ｍ４）からなる２^m対の結像面
の中の任意の一対の結像面に、偏光可変装置１３０の出
射偏光方向に対応した各々の輝度を有する画像（二次元
像）を表示することができる。但し、各結像面（２０３
〜２ｍ３，２０４〜２ｍ４）の画像が、観察者１０の視
線上で重なるように、結像面（２０３〜２ｍ３，２０４
〜２ｍ４）の位置関係を適切な光学系を用いて予め調整
する。これは、前述したように、例えば、２Ｄ化像１０
７の各々の中心や重心を視線上に配置することで可能で
ある。

【００２９】本実施の形態の三次元表示装置における要
点は、同期装置１０５により、二次元表示装置１００に
表示される２Ｄ化像１０７で、任意の一対の結像面に表
示する２Ｄ化像１０７に同期して、多焦点光学装置１０
４の焦点距離を変えて、各結像面（２０３〜２ｍ３，２
０４〜２ｍ４）の中の任意の一対の結像面（例えば、結
像面２０３と結像面２０４）に、二次元表示装置１００
に表示された２Ｄ化像１０７を結像させるとともに、前
述したように、偏光可変装置１３０により、各偏光可変
要素における出射偏光方向を変えることで、任意の一対
の結像面における２Ｄ化像１０７の各部位の各々の輝度
を、観察者１０から見た総体的な輝度を一定に保ちつ
つ、三次元物体１０６の奥行き位置に対応して変えるこ
とである。これにより、人の生理的あるいは心理的要因
あるいは錯覚により、任意の一対の結像面、あるいは、
その中間に三次元物体１０６が位置しているように感じ
られる。

【００３０】このように、本実施の形態では、２Ｄ化像
１０７を時分割的に次々に二次元表示装置１００に表示
し、かつ同期装置１０５によりその表示に同期させて多
焦点光学装置１０４の焦点距離を変えることにより、複
数対の結像面、あるいは、複数対の結像面の間に三次元
立体像１０６を、時分割で表示することがきる。しか
も、これらを人の眼の残像時間以内で、例えば、１／３
０秒以内で高速に行えば、これらが人にはほぼ同時に見
えるため、人には三次元物体が見えることとなる。むろ
ん、これは多焦点光学装置１０４の焦点距離の変化に二
次元表示装置１００の表示を同期させても同様なことが
実現できることは明らかである。本発明による三次元表
示方法でも、前述したように、三次元物体１０６とほぼ
同じ奥行き位置に三次元立体像を再現できるため、従来
法とは異なり、人の生理的要因である両眼視差、輻輳、
ピント調節、運動視差をほとんど満足でき、疲労感の少
ない自然な立体視を実現できる。

【００３１】また、本発明においては、焦点距離の変化
を人の眼の残像時間以内で、例えば１／３０秒以内で行
う必要があるが、本発明においては焦点距離の変化を偏
光切替器（１１１〜１ｍ１）による偏光方向の切替えの
みの２値的動作の積み重ねで行うため、十分に高速化で
きる利点を有する。さらに、本発明においては、レンズ
の光学動作（レンズのパワー）を担う偏光型二焦点レン
ズ（１１２〜１ｍ２）は静的な素子であり、焦点距離の
変化は偏光の切替えのみで可能なため、光学的な不均一
性や散乱成分などの解像度を低下させる要素を抑制でき
る利点を有する。また、本発明において、電圧を印加し
て機能させるのは、より複雑な境界を有する偏光型二焦
点レンズ（１１２〜１ｍ２）ではなく、平行平板構造を
主に有する偏光切替器（１１１〜１ｍ１）であるため、
製造もしやすく、かつ信頼性などの点で有利である。ま
た、本発明においては、複数の偏光型二焦点レンズ（１
１２〜１ｍ２）の集まりで一つのレンズ機能を果たすた
め、焦点距離の変化を従来法に比べて大きくとれる利点
を有する。

【００３２】なお、本実施の形態においても、二次元表
示装置１００に表示する２Ｄ化像１０７を順次切り替え
るとともに、同期装置１０５により、当該２Ｄ化像１０
７の切り替えに同期して多焦点光学装置１０４の焦点距
離を変えて、各対の結像面（２０３〜２ｍ３，２０４〜
２ｍ４）に２Ｄ化像１０７を順次表示し、さらに、偏光
可変装置１３０により、順次切り替えられる２Ｄ化像１
０７の各偏光可変要素における出射偏光方向を変えるこ
とで、各対の結像面をわたって移動する三次元立体の動
画像を生成することができる。また、図１に示す三次元
表示装置では、基本的な構成を説明しているのみであ
り、例えば、これに光学系を追加することにより収差な
どを低減できることは明らかである。例えば、図１に示
す三次元表示装置においても、観察者１０が他の位置に
いる場合であっても、光学系などの変更あるいは追加に
よって、容易に前述した効果を得ることができる。

【００３３】［実施の形態２］本発明の実施の形態２の
三次元表示装置は、三次元物体自体が有する奥行きを表
現する三次元表示装置である点で、前記実施の形態の三
次元表示装置と相違する。 ［本発明の実施の形態の基本となる三次元表示装置の概
要］図１０は、本発明の実施の形態２の基本となる三次
元表示装置の概略構成を示す図である。図１０に示す三
次元表示装置においても、二次元表示装置１００に表示
される二次元像の表示光は、偏光可変装置１３０からの
出射偏光方向により、偏光型二焦点レンズ１３１の二つ
の結像面（図１０では、結像面２０３と結像面２０４）
に、偏光方向に応じた輝度比で分離・表示される。以下
に、図１０に示す三次元表示装置の基本動作を説明す
る。まず、観察者１０に、表示対象物体である三次元物
体の２Ｄ化像１０７を二次元表示装置１００に表示す
る。

【００３４】そして、例えば、前記図４、図５に示すよ
うに、この二次元表示装置１００の表示の一つあるいは
複数の画素に対応して、偏光可変装置１３０の一つの偏
光可変要素を対応させる。次に、この対応させた偏光可
変要素の出射偏光方向を、二次元表示装置１００の一つ
の画素（例えば、図４の１４０）あるいは複数の画素
（例えば、図５の１４１）に対応する三次元物体の部位
の奥行き位置に対応して変化させる。これにより、この
出射偏光方向に対応した各々の輝度を有する画像が結像
面２０３と結像面２０４に表示される。但し、結像面２
０３と結像面２０４との画像が、観察者１０の視線上で
重なるように、結像面（２０３，２０４）の位置関係を
適切な光学系を用いて予め調整する。

【００３５】図１０に示す三次元表示装置における要点
は、偏光可変装置１３０を用いて各偏光可変要素におけ
る出射偏光方向を変えることにより、結像面２０３と結
像面２０４における画像各部位の各々の輝度を、観察者
１０から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、三次元物
体の各部位の奥行き位置に対応して変えることである。
その変え方の一例を、図１１を用いて以下に説明する。
図１１（ａ）が観察者に近い結像面、例えば、結像面２
０３に結像される像の一例であり、図１１（ｂ）が観察
者に遠い結像面、例えば、結像面２０４に結像される像
の一例である。例えば、三次元物体として、図１１に示
すようなケーキを例に取ると、上に立てたロウソクを除
き、ケーキの上面及び下面は、例えば、ほぼ平坦であ
り、かつ、その側面は、例えば、円柱状であり、ロウソ
クは、例えば、上面の円周近傍に配置するものとする。

【００３６】この場合の２Ｄ化像１０７では、図１１
（ａ）、（ｂ）に示すように、上面及び下面においては
上方の方が奥に位置することとなり、かつ、その側面で
は真ん中が手前で端に行くにしたがって奥に位置し、さ
らに隠れている上方の真ん中は奥に位置することとな
る。この場合における各部位の偏光方向は、結像面（２
０３，２０４）の各々において下記のような輝度変化が
得られるように、偏光型二焦点レンズ１３１の二つの固
有偏光方向を考慮して変化させればよい。まず、上面及
び下面における輝度変化は、観察者１０に近い結像面２
０３においては、図１１（ａ）に示すように、観察者１
０に近い部位（２Ｄ化像１０７では、例えば、下方）が
輝度が高く、かつ遠い部位（２Ｄ化像１０７では、例え
ば、上方）が輝度が低くなるようにその奥行き位置に対
応して後々に変化させる。

【００３７】また、観察者１０に遠い結像面２０４にお
いては、図１１（ｂ）に示すように、観察者１０に近い
部位（２Ｄ化像１０７では、例えば、下方）が輝度が低
く、かつ遠い部位（２Ｄ化像１０７では、例えば、上
方）が輝度が高くなるようにその奥行き位置に対応して
徐々に変化させる。次に、円柱部分の輝度変化もその奥
行き位置に対応して、観察者１０に近い結像面２０３に
おいては、図１１（ａ）に示すように、観察者１０に近
い部位（例えば、真ん中付近）が輝度が高く、かつ遠い
部位（例えば、左右の端付近）が輝度が低くなるように
徐々に変化させる。また、観察者１０に遠い結像面２０
４においては、図１１（ｂ）に示すように、観察者１０
に近い部位（例えば、真ん中付近）が輝度が低く、かつ
遠い部位（例えば、左右の端付近）が輝度が高くなるよ
うに徐々に変化させる。なお、図１１（ａ）、図１１
（ｂ）において、色の濃い部分が、輝度の高い部分を表
現している。

【００３８】前記した表示方法によれば、人の生理的あ
るいは心理的要因あるいは錯覚により、実際に表示して
いるのが二次元像であっても、観察者１０にはあたかも
上面、下面がほぼ平らな円柱状のケーキがあるように感
じられる。このように、本実施の形態の三次元表示装置
によれば、連続的な奥行きを有する三次元物体を簡便に
表現することができる。本実施の形態においても、偏光
型二焦点レンズ１３１の観察者１０側に、焦点距離を複
数個に切替可能な多焦点光学装置１０４を配置し、か
つ、この多焦点光学装置１０４の焦点距離の切り替え
と、二次元表示装置１００と、偏光可変装置１３０とを
同期させる同期装置１０５とを備えることにより、複数
対の結像面の中の任意の一対の結像面間において、連続
的な奥行きを有する三次元物体を簡便に表現することが
できる。

【００３９】［実施の形態３］以下、前記各実施の形態
の偏光型二焦点レンズ（１３１，１１２〜１ｍ２）の主
な例について説明する。図１２は、本実施の形態の偏光
型二焦点レンズの一例の概略構成を示す図である。図１
２に示す偏光型二焦点レンズは、複屈折性のない光学素
子形状を有する固定焦点レンズ３０１と、複屈折性領域
３０２とで構成される。ここで、固定焦点レンズ３０１
は、例えば、ガラス、あるいはプラスチック製の凸レン
ズ、凹レンズなどの組合せによる光学系などで構成さ
れ、複屈折性領域３０２は、例えば、複屈折性を有する
媒体、例えば、液晶、方解石、リチイムナイオベート、
高分子、または方解石、リチイムナイオベートを含む複
屈折性結晶の複数個を光学結合したもの、あるいは１軸
延伸あるいは２軸延伸した高分子薄膜を複数積層したも
ので構成される。

【００４０】以下、図１２に示す偏光型二焦点レンズの
動作について説明する。固定焦点レンズ３０１の屈折率
をｎ１とし、複屈折性領域３０２における固有偏光方向
をｐ２１、ｐ２２とし、それぞれの偏光における屈折率
をｎ２１、ｎ２２とする。例えば、複屈折性領域３０２
から光を入射した場合、入射光はその偏光状態に応じ
て、ｐ２１、ｐ２２の偏光に分離し、それぞれに屈折率
（ｎ２１，ｎ２２）を感じて進行した後、屈折率ｎ１の
固定焦点レンズ３０１と接することになる。したがっ
て、出射光は二つの偏光に分離したまま、その屈折率の
相違に応じて異なった位置に結像する。すなわち、偏光
方向により分離する偏光型二焦点レンズとして動作す
る。逆に、固定焦点レンズ３０１側から入射した場合に
も同様に固有偏光方向に応じた屈折率により、二つの結
像面に分離して結像する。

【００４１】ここで、複屈折媒体として液晶を用いる場
合には、図１３に示すように、複屈折性領域３０２の両
面に配向膜（３０３，３０４）を付加することにより、
液晶が均一に配向するため、入射した光に対して、面内
均一な分離を得ることができる。また、誘電率異方性が
負である液晶を用いることにより、電圧の印加によって
配向を促進させて屈折率異方性を安定させたり、透明性
を維持したりする効果がある。また、液晶を用いる場合
にはそのギャップを薄くするために、フレネル構造にし
たり、あるいは複数のレンズの組み合わせレンズとする
ことにより１枚のレンズ厚を薄くすることも、屈折率異
方性を安定させたり、透明性を維持したりすることに効
果がある。図１２、図１３に示す偏光型二焦点レンズに
おいて、固定焦点レンズ３０１がない場合でも、複屈折
性領域３０２の片面あるいは両面が、例えば、レンズ形
状やプリズム形状をしている場合、例えば、図１４のよ
うな場合であっても、図１２、図１３に示す偏光型二焦
点レンズと同様な効果があることは明らかである。

【００４２】次に、複屈折性領域３０２の媒体として、
複屈折性結晶（方解石あるいはリチイムナイオベートな
ど）あるいは高分子を用いても、複屈折性を得ることが
できる。ここで、製作上、液晶が大型化に適するのに対
して、例えば、方解石あるいはリチイムナイオベートな
どの複屈折性結晶は、製作上、大型化が困難な欠点を有
するが、液晶に比べて透明度がよく、屈折率異方性が安
定であることなどの光学特性が優れている利点を有す
る。なお、前述した複屈折性結晶においては、結晶成長
の困難性のために大型結晶が入手困難である。しかし、
これを大型化して用いる方法として、下記の方法が有用
である。すなわち、複数の小型の複屈折性結晶の側面を
光学研磨し、これらを屈折率が同等な接着剤を用いて光
学接着する方法である。接着面の厚みを十分に薄くすれ
ば、使用に耐える構造とすることができる。これを光学
接着した後に、所望の形に研磨することにより、例え
ば、図１５に示すような所望の大型な偏光型二焦点レン
ズを得ることができる。なお、図１５において、２１０
は複屈折性結晶、２１１は接着部である。

【００４３】さらに、高分子膜を用いて複屈折媒体を形
成することも可能である。この場合、高分子膜（例え
ば、ポリカーボネイト、ポリスチレンなどの透明で△ｎ
が大きい材料やＰＶＡなどが適している）の高分子をで
きるだけ一定方向に並ばせて、屈折率異方性が大きい膜
を作成する必要がある。これには、例えば、１軸延伸あ
るいは２軸延伸することが有効である。あるいは、膜に
繰り返して応力を印加して高分子を配向させることもで
きる。このようにして作成される高分子膜においては厚
い膜を形成することは困難である。したがって、このよ
うにして作成した薄い膜を、複数枚、積層して厚い膜を
形成し、これを所望の形に研磨することにより、例え
ば、図１６に示すような所望の大型な偏光型二焦点レン
ズを得ることができる。なお、図１６において、２２０
は、配向した高分子膜である。高分子膜２２０を用いる
場合には、前述した結晶を用いる場合に比べて、光学特
性が少し劣る可能性があるが、大型化や軽量化の点で大
きな利点を有する。さらに、液晶を用いる場合に比べて
も大型化が容易である。

【００４４】［実施の形態４］図１７は、前記各実施の
形態の三次元表示装置に使用可能な偏光型二焦点レンズ
の他の例を示す図である。図１７に示す偏光型二焦点レ
ンズは、入射側における分離用の偏光ビームスプリッタ
４０１と、焦点距離等の異なる二種類の光学系（４０
２，４０３）と、出射側における合成用の偏光ビームス
プリッタ４０４、および光路を曲げるための平面鏡（４
０５，４０６）で構成される。ここで、二種類の光学系
（４０２，４０３）は、例えば、凸レンズ、凹レンズ、
プリズム、凸面鏡凹面鏡、平面鏡など、あるいはこれら
の組み合わせ等で構成される。図１７に示す偏光型二焦
点レンズにおいて、入射光は、その偏光方向に応じた輝
度比で、偏光ビームスプリッタ４０１により二つの固有
偏光（ｐ４１，ｐ４２）に分離され、各々光学系（４０
２，４０３）へ入射される。光学系（４０２，４０３）
は、例えば、異なる焦点距離を有するため、これに入射
した偏光（ｐ４１，ｐ４２）は異なる結像距離を有する
ことになる。

【００４５】したがって、偏光ビームスプリッタ４０４
により両偏光（ｐ４１，ｐ４２）を合成すると、二つの
固有偏光（ｐ４１，ｐ４２）は、各々異なる結像面（４
０７，４０８）に結像することになる。このように、図
１７に示す光学系により、偏光方向に対応した輝度比で
分離できる偏光型二焦点レンズを構成できる。ここで、
偏光ビームスプリッタ４０１の代わりに、図１８に示す
構成を含む光学系を用いても同様な効果が得られること
は明らかである。即ち、ビームスプリッタ４１０（例え
ば、半透過鏡、半透過プリズムなど）と偏光方向が互い
に直交する偏光板（４１１，４１２）で構成することに
より、同様な効果を得ることができる。また、偏光ビー
ムスプリッタ４０４の代わりに、図１８に示す構成を含
む光学系を用いることができることは言うまでもない。

【００４６】［実施の形態５］以下、前記各実施の形態
の三次元表示装置に使用可能な偏光可変装置について説
明する。前記各実施の形態の三次元表示装置に使用され
る偏光可変装置のように、入射光の偏光方向を変化でき
る装置としては、例えば、電界や電圧により複屈折性を
変化できる媒質（例えば、液晶やＰＬＺＴ等）を用いた
装置がよく知られている。液晶を用いた装置としては、
例えば「液晶・基礎編」、「液晶・応用編」（岡野、小
林共編、培風館）などに多くの種類が記載されている。
以下に、主な例について、図１９ないし図２５を用いて
説明する。図１９は、前記各実施の形態の三次元表示装
置に使用可能なツイスト・ネマティック型偏光可変装置
の概略構成を示す図である。図１９に示すツイスト・ネ
マティック型偏光可変装置は、透明導電膜（透明電極）
５０１、配向膜５０２、ネマティック液晶領域５０３、
配向膜５０４、透明導電膜（透明電極）５０５から構成
される。この場合、配向膜５０２と配向膜５０４との配
向方向を直交させ、かつ、液晶分子が同一方向に螺旋を
描くようにカイラル材を添加するのが一般的である。

【００４７】図２０（ａ）に示すように、透明導電膜
（５０１，５０５）間に電圧を印加しない場合には、配
向膜（５０２，５０４）の配向規制力とカイラル材の効
果により、液晶分子は９０度回転して螺旋を描く。この
ため、直線偏光の入射光はこの液晶の旋光性（複屈折材
料における性質の一つ）により偏光方向がほぼ９０度変
化して出射していく。これに対して、図２０（ｂ）に示
すように、透明導電膜（５０１，５０５）間に閾値電圧
以上の充分な電圧（Ｖ５）を加えると、液晶分子はその
印加電圧方向に整列する。このため、入射光の偏光方向
はほとんど変化せずに出射していく。透明導電膜（５０
１，５０５）間に加える電圧が、Ｖ５以下の場合には、
その電圧に応じた偏光方向の変化が連続的に得られる。
このように、透明導電膜（５０１，５０５）間に加える
電圧により、入射光の偏光方向を可変できる。さらに、
これらの要素をマトリックス状に配置し、アクティブな
駆動素子などを用いて駆動することも一般的によく知ら
れたことである。

【００４８】図２１は、前記各実施の形態の三次元表示
装置に使用可能なイン・プレイン型偏光可変装置の概略
構成を示す図である。図２１に示すイン・プレイン型偏
光可変装置は、透明導電膜（透明電極）６０１、配向膜
６０２、ネマティック液晶領域６０３、配向膜６０４、
透明導電膜（透明電極）６０５から構成される。ここ
で、配向膜６０２と配向膜６０４との配向方向は平行で
あり、透明導電膜（６０１，６０５）は同一平面内にあ
る。図２２（ａ）に示すように、透明導電膜（６０１，
６０５）間に電圧を印加しない場合には、配向膜（６０
２，６０４）の配向規制力により、液晶分子は配向方向
に整列する。これに対して、図２２（ｂ）のように、透
明導電膜（６０１，６０５）間に閾値電圧以上の充分な
電圧（Ｖ６）を加えると、液晶分子はその印加電圧方向
に整列する。このように複屈折性を有する液晶の整列す
る向きが変化するため、出射光の偏光状態を変化でき
る。さらに、透明導電膜（６０１，６０５）間に加える
電圧がＶ６以下の場合には、その電圧に応じた偏光方向
の変化が連続的に得られる。これらの要素をマトリック
ス状に配置し、アクティブな駆動素子などを用いて駆動
することも一般的によく知られていることである。

【００４９】図２３は、前記各実施の形態の三次元表示
装置に使用可能なホモジニアス型偏光可変装置の概略構
成を示す図である。図２３に示すホモジニアス型偏光可
変装置は、透明導電膜（透明電極）６１１、配向膜６１
２、液晶（例えば、ネマティック液晶）領域６１３、配
向膜６１４、透明導電膜（透明電極）６１５から構成さ
れる。図２３に示すホモジニアス型偏光可変装置では、
ホモジニアス配向の液晶を用いるため、配向膜６１２と
配向膜６１４との配向方向を同じ（平行）とする。ま
た、図２３に示すホモジニアス型偏光可変装置では、そ
の偏光方向が配向膜の配向方向からずれている入射光が
入射される。例えば、図２４（ａ）に示すように、入射
光が直線偏光のときには、その偏光方向を、０度方向と
９０度方向の中間方向（例えば、４５度）にずらした入
射光を、図２３に示すホモジニアス型偏光可変装置に入
射する。また、図２４（ｂ）および図２４（ｃ）に示す
ように、円偏光あるいは楕円偏光の入射光を、図２３に
示すホモジニアス型偏光可変装置に入射する。

【００５０】図２５（ｂ）のように、透明導電膜（６１
１，６１５）間に閾値電圧以上の充分な電圧（Ｖ７）を
加えると、液晶分子はその印加電圧方向に整列する。こ
のため、入射光は、偏光方向をほとんど変えることなく
出射していく。これに対して、図２５（ａ）に示すよう
に、透明導電膜（６１１，６１５）間に電圧を印加しな
い場合には、配向膜（６１２，６１４）の配向規制力に
より、液晶分子は配向方向に向き、かつ配向膜（６１
２，６１４）に平行に並ぶ。このため、入射光は、この
液晶の複屈折性により偏光方向が変化して出射する。さ
らに、透明導電膜（６１１，６１５）間に加える電圧が
Ｖ７以下の場合には、その電圧に応じた偏光方向の変化
が連続的に得られる。このように、透明導電膜（６１
１，６１５）間に印加する印加電圧により、入射光の偏
光方向を可変することができる。そして、これらの要素
をマトリックス状に配置し、アクティブな駆動素子など
を用いて駆動することも一般的によく知られていること
である。さらに、ネマティック液晶以外にも、強誘電液
晶や高分子分散型液晶や高分子液晶などを用いて同様な
効果を得られる色々な装置があることは明らかである。

【００５１】［実施の形態６］以下、前記各実施の形態
の三次元表示装置に使用可能な偏光切替器（１１１〜１
ｍ１）の主な例について説明する。以下では、主に液晶
を用いた場合について記すが、液晶を用いることによ
り、電気光学結晶を使う場合に比べて大型化が容易であ
る利点を有する。図２６は、前記各実施の形態の三次元
表示装置に使用可能な偏光切替器（１１１〜１ｍ１）の
一例の概略構成を示す図である。この図２６に示す偏光
切替器は、強誘電型偏光切替器であり、同図に示すよう
に、透明導電膜６２１、配向膜６２２、液晶領域（例え
ば、強誘電性液晶あるいは高分子強誘電液晶など）６２
３、配向膜６２４、透明導電膜６２５から構成される。
図２６に示す偏光切替器は、強誘電性液晶を用いるた
め、配向膜６２２の配向方向と配向膜６２４との配向方
向を平行とする。強誘電性液晶においては、印加する電
圧の向きより強誘電液晶分子が有する双極子の向きが変
化し、これにより強誘電液晶分子の向きが変化する。こ
のため、透明電極（６２１，６２５）間に加える電圧に
より、入射光の偏光方向を可変できる。

【００５２】強誘電性液晶あるいは高分子強誘電液晶
は、前述したように双極子の向きを電圧により強制的に
変えるため、高速化できる利点を有する。また、高分子
強誘電液晶を用いることにより、高速性を保ちながら大
型化できる利点も有する。また、高速な２値的切り替え
が可能な液晶として、バイステーブル・ネマティック液
晶でも、強誘電性液晶より応答速度は若干劣るが使用可
能である。以上、本発明者によってなされた発明を、前
記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、
前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を
逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論
である。

【００５３】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記の通りである。本発明によれば、立体視の生理的要因
間の矛盾を抑制でき、かつ情報量を少なくでき、電気的
に書き換え可能な三次元動画像を再生することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の三次元表示装置の概略
構成を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態１の基本となる三次元表示
装置の概略構成を示す図である。

【図３】図２に示す三次元表示装置における２Ｄ化像の
生成方法を説明するための図である。

【図４】図２に示す三次元表示装置における、二次元表
示装置の各画素と偏光可変装置の各偏光可変要素との対
応関係を説明するための図である。

【図５】図２に示す三次元表示装置における、二次元表
示装置の各画素と偏光可変装置の各偏光可変要素との対
応関係を説明するための図である。

【図６】図２に示す三次元表示装置における三次元像の
表示方法を説明するための図である。

【図７】図２に示す三次元表示装置における三次元像の
表示方法を説明するための図である。

【図８】図２に示す三次元表示装置における三次元像の
表示方法を説明するための図である。

【図９】図２に示す三次元表示装置における三次元像の
表示方法を説明するための図である。

【図１０】本発明の実施の形態２の基本となる三次元表
示装置の概略構成を示す図である。

【図１１】図１０に示す三次元表示装置における三次元
像の表示方法を説明するための図である。

【図１２】本発明の各実施の形態の三次元表示装置に使
用可能な偏光型二焦点レンズの一例を示す図である。

【図１３】図１２に示す偏光型二焦点レンズにおける入
射光と出射光との関係を説明するための図である。

【図１４】本発明の各実施の形態の三次元表示装置に使
用可能な偏光型二焦点レンズの他の例を示す図である。

【図１５】本発明の実施の形態の偏光型二焦点レンズの
他の例の概略構成を示す図である。

【図１６】本発明の実施の形態の偏光型二焦点レンズの
他の例の概略構成を示す図である。

【図１７】本発明の各実施の形態の三次元表示装置に使
用可能な偏光型二焦点レンズの他の例を示す図である。

【図１８】図１７に示す偏光ビームスプリッタの代わり
に使用可能な光学系を示す図である。

【図１９】本発明の各実施の形態の三次元表示装置に使
用可能なツイスト・ネマティック型偏光可変装置の概略
構成を示す図である。

【図２０】図１９に示すツイスト・ネマティック型偏光
可変装置の動作原理を説明するための図である。

【図２１】本発明の各実施の形態の三次元表示装置に使
用可能なイン・プレイン型偏光可変装置の概略構成を示
す図である。

【図２２】図２１に示すイン・プレイン型偏光可変装置
の動作原理を説明するための図である。

【図２３】本発明の各実施の形態の三次元表示装置に使
用可能なホモジニアス型偏光可変装置の概略構成を示す
図である。

【図２４】図２３に示すホモジニアス型偏光可変装置に
入射される入射光と配向膜の配向方向を示す図である。

【図２５】図２３に示すホモジニアス型偏光可変装置の
動作原理を説明するための図である。

【図２６】本発明の各実施の形態の三次元表示装置に使
用可能な偏光切替器の一例の概略構成を示す図である。

【図２７】従来の三次元表示装置の一例の概略構成を示
す図である。

【図２８】従来の三次元表示装置の他の例の概略構成を
示す図である。

【符号の説明】

１０…観察者、１００，７０５…二次元表示装置、１０
４…多焦点光学装置、１０５…同期装置、１０６…三次
元物体（表示対象物体）、１０７…２Ｄ化像、１１１〜
１ｍ１…偏光切替器、１１２〜１ｍ２，１３１…偏光型
二焦点レンズ、１３０…偏光可変装置、１４０，１４１
…画素、１５０，１５１…偏光可変要素、２０３〜２ｍ
３，２０４〜２ｍ４，４０７，４０８…結像面、２１０
…複屈折性結晶、２１１…接続部、２２０…高分子膜、
３０１…固定焦点レンズ、３０２…複屈折性領域、３０
３，３０４，５０２，５０４，６０２，６０４，６１
２，６１４，６２２，６２４…配向膜、４０１，４０４
…偏光ビームスプリッタ、４０２，４０３…光学系、４
０５，４０６…平面鏡、４１０…ビームスプリッタ、４
１１，４１２…偏光板、５０１，５０５，６０１，６０
５，６１１，６１５，６２１，６２５…透明導電膜、５
０３，６０３，６１３，６２３…液晶領域、７０２，７
０３…カメラ、７０４…映像信号変換装置、７０６…液
晶シャッタ眼鏡、７１２…二次元像の集まり、７１３…
体積型三次元表示装置、７１４…三次元の再現像。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上平 員丈 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 5C061 AA21 AA23 AA29

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 観察者から見て異なった奥行き位置に配
   置される複数の表示面に対して、表示対象物体を観察者
   の視線方向から射影した二次元像を生成し、 前記生成された二次元像を前記複数の表示面の中の任意
   の２個の表示面にそれぞれ表示し、当該表示される二次
   元像の輝度を前記複数の表示面の中の任意の２個の表示
   面毎にそれぞれ独立に変化させて、三次元立体像を生成
   する三次元表示方法であって、 偏光型多焦点光学系により、前記二次元像の表示光を、
   前記複数の表示面の中の任意の２個の表示面に結像さ
   せ、かつ、表示光の偏光方向を制御し、前記複数の表示
   面の中の任意の２個の表示面に結像される前記二次元像
   の輝度を独立に変化させることを特徴とする三次元表示
   方法。
2. 【請求項２】 前記表示対象物体の奥行き位置が前記観
   察者に近い位置である場合には、前記２個の表示面のう
   ち前記観察者に近い表示面に結像される二次元像の輝度
   が高く、前記２個の表示面のうち前記観察者に遠い表示
   面に結像される二次元像の輝度が低くなるように、前記
   表示光の偏光方向を制御し、 前記表示対象物体の奥行き位置が前記観察者に遠い位置
   である場合には、前記２個の表示面のうち前記観察者に
   近い表示面に結像される二次元像の輝度が低く、前記２
   個の表示面のうち前記観察者に遠い表示面に結像される
   二次元像の輝度が高くなるように、前記表示光の偏光方
   向を制御することを特徴とする請求項１に記載の三次元
   表示方法。
3. 【請求項３】 人間の眼の残像時間内に前記二次元像を
   順次切り替え、当該各二次元像の表示光を、順次前記複
   数の表示面の中の任意の２個の表示面に結像させて、三
   次元立体の動画像を生成することを特徴とする請求項１
   または請求項２に記載の三次元表示方法。
4. 【請求項４】 前記二次元像のそれぞれについて表示光
   の偏光方向を順次切り替えることを特徴とする請求項３
   に記載の三次元表示方法。
5. 【請求項５】 前記二次元像の各部位の奥行き位置が前
   記観察者に近い位置である場合には、前記２個の表示面
   のうち前記観察者に近い表示面に結像される二次元像の
   輝度が高く、前記２個の表示面のうち前記観察者に遠い
   表示面に結像される二次元像の輝度が低く、かつ、前記
   二次元像の各部位の奥行き位置が前記観察者に遠い位置
   である場合には、前記２個の表示面のうち前記観察者に
   近い表示面に結像される二次元像の輝度が低く、前記２
   個の表示面のうち前記観察者に遠い表示面に結像される
   二次元像の輝度が高くなるように、前記二次元像の各部
   位毎に表示光の偏光方向を制御することを特徴とする請
   求項１に記載の三次元表示方法。
6. 【請求項６】 二次元像を表示する二次元像表示手段
   と、 前記二次元像表示手段から入射される二次元像の表示光
   の偏光方向を制御して出射する偏光可変手段と、 前記偏光可変手段から出射される表示光を二つの独立な
   偏光方向に分離し、かつ、当該二つの独立な偏光方向毎
   の表示光を、観察者から見て異なった奥行き位置に配置
   される複数の表示面の中の任意の２個の表示面に結像さ
   せる偏光型多焦点光学系と、 同期装置とを備え、 前記複数の表示面の中の任意の２個の表示面に結像され
   る各二次元像が、観察者の視線上で重なり、かつ、奥行
   き位置の異なる二次元像となるように、前記二次元像表
   示手段、前記偏光可変手段および前記偏光型多焦点光学
   系とを配置した三次元表示装置であって、 前記偏光型多焦点光学系は、前記二つの独立な偏光方向
   に対してそれぞれ焦点距離が異なる（ｎ＋１）個の偏光
   型二焦点レンズと、 前記（ｎ＋１）個の偏光型二焦点レンズの間に配置さ
   れ、入射される光の偏光方向を、二つの独立した偏光方
   向のいずれか一方の偏光方向に変換するｎ個の偏光切替
   器とを有し、 前記同期装置は、前記複数の表示面の中の任意の２個の
   表示面に表示される二次元像に同期して、前記各二焦点
   光学装置の偏光切替器の偏光方向を切り替えることを特
   徴とする三次元表示装置。
7. 【請求項７】 前記偏光可変手段は、前記表示対象物体
   の奥行き位置が前記観察者に近い位置である場合には、
   前記２個の表示面のうち前記観察者に近い表示面に結像
   される二次元像の輝度が高く、前記２個の表示面のうち
   前記観察者に遠い表示面に結像される二次元像の輝度が
   低くなるように、前記二次元像表示手段から入射される
   二次元像の表示光の偏光方向を制御し、 前記表示対象物体の奥行き位置が前記観察者に遠い位置
   である場合には、前記２個の表示面のうち前記観察者に
   近い表示面に結像される二次元像の輝度が低く、前記２
   個の表示面のうち前記観察者に遠い表示面に結像される
   二次元像の輝度が高くなるように、前記二次元像表示手
   段から入射される二次元像の表示光の偏光方向を制御す
   ることを特徴とする請求項６に記載の三次元表示装置。
8. 【請求項８】 前記偏光可変手段は、前記二次元像表示
   手段から入射される二次元像の表示光を楕円偏光に変化
   させることを特徴とする請求項６または請求項７に記載
   の三次元表示装置。
9. 【請求項９】 前記偏光可変手段は、前記二次元像表示
   手段から入射される二次元像の表示光を、前記二つの独
   立な偏光方向、あるいは、前記二つの独立な偏光方向の
   中間の角度の直線偏光に変化させることを特徴とする請
   求項６または請求項７に記載の三次元表示装置。
10. 【請求項１０】 前記偏光可変手段は、液晶を含むこと
    を特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に
    記載の三次元表示装置。
11. 【請求項１１】 前記二次元像表示手段は、複数の画素
    を有し、 また、前記偏光可変手段は、複数の偏光可変要素を有
    し、 前記偏光可変手段の各偏光可変要素は、前記二次元像表
    示手段の一つまたは複数の画素の表示光の偏光をそれぞ
    れ制御することを特徴とする請求項６ないし請求項１０
    のいずれか１項に記載の三次元表示装置。
12. 【請求項１２】 前記偏光型二焦点レンズは、屈折率が
    固定の光学素子形状を有する固定領域と、複屈折性を有
    する複屈折性媒体とを含むことを特徴とする請求項６な
    いし請求項１１のいずれか１項に記載の三次元表示装
    置。
13. 【請求項１３】 前記偏光型二焦点レンズは、光学素子
    形状を有する複屈折性媒体を含むことを特徴とする請求
    項６ないし請求項１１のいずれか１項に記載の三次元表
    示装置。
14. 【請求項１４】 前記複屈折性媒体は、液晶、方解石、
    リチイムナイオベート、高分子、方解石またはリチイム
    ナイオベートを複数個を光学接着したもの、あるいは、
    １軸延伸または２軸延伸した高分子薄膜を複数積層した
    ものを含むことを特徴とする請求項１２または請求項１
    ３に記載の三次元表示装置。
15. 【請求項１５】 前記偏光型二焦点レンズは、光学特性
    値がそれぞれ異なる第１および第２の光学系と、 入射される前記二つの独立した偏光方向の一方の偏光方
    向の光を前記第１の光学系に入射し、他方を前記第２の
    光学系に入射する第１の偏光ビームスプリッタと、 前記第１の光学系および第２の光学系を通過した光を合
    成する第２の偏光ビームスプリッタとを含むことを特徴
    とする請求項６ないし請求項１１のいずれか１項に記載
    の三次元表示装置。
16. 【請求項１６】 前記偏光型二焦点レンズは、光学特性
    値がそれぞれ異なる二つの光学系と、 入射される光を、２つの光に分離する第１のビームスプ
    リッタと、 前記ビームスプリッタで分離された一方の光が入射さ
    れ、前記二つの独立した偏光方向の一方の偏光方向の光
    を前記第１の光学系に入射する第１の偏光板と、 前記ビームスプリッタで分離された他方の光が入射さ
    れ、前記二つの独立した偏光方向の他方の偏光方向の光
    を前記第２の光学系に入射する第２の偏光板と、 前記第１の光学系および第２の光学系を通過した光を合
    成する第２のビームスプリッタとを含むことを特徴とす
    る請求項６ないし請求項１１のいずれか１項に記載の三
    次元表示装置。
17. 【請求項１７】 前記偏光切替器は、液晶を含むことを
    特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれか１項に
    記載の三次元表示装置。