JP2003107402A - 立体表示装置及び投射型立体表示装置 - Google Patents

立体表示装置及び投射型立体表示装置

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JP2003107402A JP2001309109A JP2001309109A JP2003107402A JP 2003107402 A JP2003107402 A JP 2003107402A JP 2001309109 A JP2001309109 A JP 2001309109A JP 2001309109 A JP2001309109 A JP 2001309109A JP 2003107402 A JP2003107402 A JP 2003107402A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 偏光めがね等を用いることなく、表示品位に
優れた３次元映像を実現することのできる立体表示装置
を提供する。 【解決手段】 本発明の立体表示装置は、電子的に形成
された合成立体像２と、合成立体像の実像を再生するた
めの結像手段３と、実像と観察者の眼の焦点位置をほぼ
一致させるための焦点装置４を有する。さらに表示性能
を上げるために、合成立体像の形成手段として、Ｚ方向
走査手段、回転走査手段とマトリクス型ディスプレイを
有している。他方、投影装置と走査型散乱スクリーンか
らなる合成立体像形成手段を有する。また、表示のコン
トラストを向上させるために偏光素子や偏光分離手段を
有している。さらに、視認範囲を大きくとるためには最
終光学素子の開口数が大きいほうが望ましく、結像手段
として大きな開口の反射型光学素子を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、実像再生型の立体
表示装置に関し、特に偏光めがね等を用いることなく、
３次元画像が視認可能な立体表示装置及び投射型立体表
示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】簡便に立体表示を実現する方法として、
米国特許明細書第２６２８５３３号公報や米国特許明細
書第３６４７２８４号公報、米国特許明細書第５５０８
７６３号公報など凹面鏡や凸レンズを使った実像再生に
よる立体表示装置が提案されている。また、従来から二
眼式立体表示と呼ばれるものがある。ところが、二眼式
立体表示は生理的要因のうち、両眼視差を用いて立体感
を得るものであり、偏光めがね等の観察器具を必要とす
る、長時間使用すると観察者に疲労感が生じる、等の問
題がある。そこで、立体画像を実際に表示する方法とし
て、３次元の表示対象物を奥行き方向に標本化（サンプ
リング）して多数の２次元画像の集合体とし、これらを
奥行き方向に再配列することで３次元画像を表示する、
いわゆる奥行き標本化の手法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし従来の実像再生
方式による立体表示装置は実物の投影であり、投影する
ための実物が必要である。またＣＲＴなどを投影したも
のも提案されているが、平面像つまり２次元像を空間に
浮かせることしかできなかった。
【０００４】一方、特開平１１−２１８８４４号公報や
特開平９−２４３９６０号公報に開示される奥行き標本
化による方法は、比較的簡便に立体画像を再現できる方
法であり、その点で優れた方法である。しかしながら、
従来の方法では、立体表示空間にスクリーンがある、手
前にレンズがあるなどが原因して、表示空間へ観察者が
入り込むことができなかった。そのため力覚との複合化
が困難であり、観察者の位置が限定されるという問題が
あった。
【０００５】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたものであって、偏光めがね等を用いることなく、
表示品位に優れた３次元映像を実現することのできる立
体表示装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、第１発明である立体表示装置は、電子的に形成さ
れた合成立体像と、合成立体像の実像を再生するための
結像手段と、実像と観察者の眼の焦点位置をほぼ一致さ
せるための焦点装置を有することを特徴とする。
【０００７】本発明の立体表示装置は、いわゆる奥行き
標本化方式によって電子的に合成立体像を生成し、さら
に結像系によって空間に合成立体像の実像を結ばせ、こ
れを観察する実像再生型の立体表示装置である。観察者
の眼は何もない空間に焦点を合わせるのが難しいが、前
記焦点装置を設けることで観察を容易にしている。した
がってこの構成によれば、偏光眼鏡等を用いることな
く、多人数が同時に立体像を観察できる。原理的に実像
を見ているので、輻輳と焦点のずれによる疲労感は生じ
ない。また、電子的に合成した立体像であるので動画に
も対応できる。
【０００８】さらに前記結像手段は、実像を結像する最
終光学要素が反射型光学素子であることを特徴とする。
視認範囲を大きくとるためには最終光学素子の開口数が
大きいほうが望ましく、本発明のように最終光学要素に
反射型を採用した構成とすることで妥当なコストで広い
視認範囲を実現できる。また反射系では光路の折り曲げ
が必要であることから装置全体の大きさを削減できるメ
リットもある。
【０００９】また、第１発明の立体表示装置の結像手段
は、前記実像形成に機能する光を偏光する偏光素子、表
示光を選択する偏光素子とを有する光学系であることを
特徴とする。結像系に入る光は、立体像を結像する光だ
けでなく、外光や多重反射光なども含まれている。ここ
で合成立体像から出る光を偏光し、これを結像系の光学
系のどこかで選択、あるいは検光するとこれらのノイズ
光を低減できる。また、観察者側からの外光も少なくと
も半分は吸収できるためにコントラストの高い実像を観
察できる。
【００１０】さらに第１発明は大口径凹面鏡からなる結
像手段の最終光学要素、偏光分岐ミラーからなる表示光
を選択する偏光素子、大口径凹面鏡における反射時の偏
光回転素子を有することを特徴とする。さらに進んだ反
射光学結像系として大口径の凹面鏡によって視認範囲を
広げ、偏光分離ミラーを用いて合成立体像からの入射光
と実像形成に向かう出射光の偏光を利用して分離してい
る。この時反射鏡での偏光回転方法には位相板等を用い
ている。このような構成をとることで暗箱の吸収による
黒の背景を得て、高いコントラストの実像を観察でき
る。
【００１１】第２発明である立体表示装置は、電子的に
形成された合成立体像と、前記合成立体像の実像を再生
するための結像手段からなる前記実像を観察する立体表
示装置において、前記合成立体像は２次元像形成手段に
よって生成される２次元像を奥行き方向に高速走査して
形成した合成立体像であることを特徴とする。すなわち
これは奥行き標本化方式として電子的に生成した２次元
像を奥行き方向に高速走査して合成立体像を形成するも
のである。これにより奥行き情報データを整合性よく表
示可能とし、立体感のある実像を観察できる。また力覚
との複合化も容易に行うことができる。
【００１２】さらに、前記２次元像形成手段は２次元像
と奥行き方向の走査位置に応じて、結像手段の像倍率や
収差を補正された２次元像を表示することを特徴とす
る。これにより、結像系が持つ歪みを前もって補正する
テーブルを参照し、走査位置に応じて表示する２次元像
を変化させることを可能としている。この方法は自由度
が高くまた光学的な補正よりも簡便である。
【００１３】また、第３発明である立体表示装置は、電
子的に形成された合成立体像と、前記合成立体像の実像
を再生するための結像手段からなる前記実像を観察する
立体表示装置において、前記合成立体像は２次元像形成
手段によって生成される２次元像を像面と平行な回転軸
で回転走査して形成した合成立体像であることを特徴と
する。これによって奥行き情報をサンプリングする手段
をＺ方向の走査だけでなく回転走査も可能とし、このた
め直線走査よりも機械的な振動の少ない走査を可能とし
ている。
【００１４】さらに第３発明の前記合成立体像を生成す
る２次元像形成手段は、マトリクス型発光ディスプレイ
であることを特徴とする。本発明で合成立体像を形成す
るには少なくとも結像系の開口に合わせた広範囲の光束
を必要とする。この点で発光パターンが広い発光型のマ
トリクス型ディスプレイは好適である。さらにＬＥＤや
ＯＬＥＤなどの発光型のマトリクス型ディスプレイは、
高精細な２次元像やフルカラーの２次元像を高速に表示
できるため高品質な合成立体像を生成できる。
【００１５】同じく第３発明の合成立体像を生成する２
次元像形成手段は、散乱型液晶ディスプレイであること
を特徴とする。これは本発明で合成立体像を形成するに
は少なくとも結像系の開口に合わせた広範囲の光束を必
要とする。この点で散乱型のマトリクス型ディスプレイ
は好適である。さらにＰＤＬＣ液晶モードなどのアクテ
ィブマトトリクス型ディスプレイは高精細な２次元像を
高速に表示できるため高品質な合成立体像を生成でき
る。さらに光源を２次元像と独立に変調できることから
カラー順次方式によるフルカラー表示も可能である。
【００１６】また第４発明である立体表示装置は、電子
的に形成された合成立体像と、合成立体像の実像を再生
するための結像手段からなる実像を観察する立体表示装
置において、前記合成立体像は、２次元像形成手段によ
って生成された２次元像を高速走査された散乱型スクリ
ーン上に同期投影して生成した合成立体像であることを
特徴とする。これは、合成立体像を投影によって獲得す
るもので、その方法として走査された散乱スクリーンに
２次元像を高速に投影するものである。この手法によっ
て合成立体像の生成空間と２次元像形成手段であるプロ
ジェクターを機械的に分離ができ、表示パネルを機械的
な動きのない箇所に設置可能とし、可動部への実装によ
って生じる信頼性の低下を回避できる。
【００１７】さらに第４発明の前記散乱型スクリーン
は、積層した光の散乱状態と透明状態を切り換え可能な
散乱型液晶を順次電気的に走査したことを特徴とする。
これによりまったく機械的な可動部分がない高速で信頼
性の高い奥行き走査が可能となり、安定性の高い合成立
体像を得ることができる。
【００１８】また、第４発明の前記散乱型スクリーン上
に同期投影して生成した合成立体像は、投射レンズと前
記散乱型スクリーン間の相対距離を制御する制御手段を
備えた投影装置によって同期投影されることを特徴とす
る。これによってプロジェクターの投影距離によって変
わる２次元像の大きさを光学的に補正することが可能と
なる。
【００１９】また、第４発明の前記散乱型スクリーン上
に同期投影して生成した合成立体像は、テレセントリッ
ク型拡大光学系を用いて同期投影されることを特徴とす
る。これによってプロジェクターの投影距離によって変
わる２次元像の大きさをほぼ一定にすることが可能とな
る。
【００２０】さらに第４発明における前記合成立体像の
奥行き情報のサンプリング数は、表示可能な２次元像の
サンプリング数よりも多い値に設定されていることを特
徴とする。すなわち、奥行きサンプリング法は３次元の
表示対象物の奥行き情報をサンプリングし、時系列的に
再配列するものであるが、走査には限界があるため、そ
れに対応した２次元画像の数も有限の値となっている。
これをオーバーサンプリングによって得た奥行き情報を
人間の目の補間作用を利用し、時分割して重ねあわせる
ことで、より連続的な奥行き感を持った３次元画像が視
認される。
【００２１】さらに第５発明である立体表示装置は、電
子的に形成された合成立体像と、前記合成立体像の実像
を再生するための反射型結像手段からなる前記実像を観
察する立体表示装置において、前記反射型結像手段は合
成立体像と結像された実像の間に実像形成に機能する偏
光を分離する反射偏光選択性素子、前記実像形成に機能
する偏光を回転させる位相板を有する光学系であること
を特徴とする。これにより結像に寄与する合成立体像か
らの表示偏光だけを反射、偏光回転し、意図しない光路
を通るノイズ光と反射偏光選択素子による分離を行い、
表示コントラストを向上させる。また合成立体像からの
偏光は遮断されるので結像した実像だけを観察すること
ができる。
【００２２】また第５発明の前記反射偏光選択素子は、
ほぼ鉛直に入射される光に対して直交した直線偏光に応
じ反射、透過の選択作用を有することを特徴とする。こ
れにより結像に必要な光路を小さくでき、装置の容積を
押さえることができる。
【００２３】また第５発明の前記反射型結像手段は、実
像形成に機能する偏光から表示光とノイズ光を分離する
反射偏光選択素子を有する光学系と表示光を透過させる
偏光素子を有することを特徴とする。これによって反射
偏光選択素子の持つ外光反射によるノイズ光、結像系内
部から透過するノイズ光を吸収する効果を持つ。さらに
結像手段への外光の侵入を更に防止し高いコントラスト
を持つ実像を観察できる。
【００２４】このように本発明の立体表示装置によれ
ば、高品位な動く立体実像を空間に再現することができ
る。すなわち、人間の両眼視差の作用を利用したもので
はないので、偏光めがね等を用いる必要がなく自然な３
次元立体動画像を表示可能な立体表示装置を実現するこ
とができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
【００２６】（実施の形態１）図１は本実施形態の立体
表示装置の概略構成を示す図である。本実施の形態の立
体表示装置１は、図１に示すように、奥行き標本化方式
によって電子的に形成された合成立体像２（合成立体
像）、実像再生用の結像レンズ３（結像手段）、焦点板
４（焦点装置）から概略構成されている。
【００２７】図１に示す立体表示装置１において、１０
は結像レンズ３によって結像された実像、１１は立体視
可能な視認範囲、１２の破線は有効光束の範囲を示す。
合成立体像２からの光束は結像レンズ３によって焦点板
４の近傍に実像１０を形成する。観察者はこの実像１０
を観察し立体視するものである。電子的に形成された立
体像の共役像を観察しているため立体映像を何も装着せ
ずに、かつ視認範囲であれば何人でもこれを観察でき
る。有効光束の範囲１２は結像レンズ３の開口で決ま
り、実像１０の視認範囲１１は実像側の有効光束の範囲
と一致する。したがって視認範囲を広げるには大口径の
結像レンズが必要となる。焦点板４は光学的に半透明な
シートや、部分的に開口をもった板などを用いることが
できる。これは観察者が直接実像を観察する場合に、実
像位置に眼の焦点を合わせやすくするために設置してい
る。
【００２８】図２は合成立体像を形成するための立体像
形成装置の概略構成を示す斜視図である。マトリクス型
自己発光ディスプレイからなる２次元像形成手段２１が
支持装置２５によってＺ方向走査手段２３に機械的に結
合され、２次元像形成手段２１のＸ，Ｙ走査方向と直交
する奥行き方向（Ｚ方向２２）に走査２４される。走査
方向は２次元像形成手段から観察者に向かうＺ方向が良
好な結果を生んだが奥行き情報を持っていれば機能する
のでＸ−Ｙ走査方向と必ずしも直交する必要はない。さ
て、Ｚ方向走査手段２３はボイスコイルモーターなどの
高速走査装置から構成されている。Ｚ方向に視覚の残像
反応以上の高速走査を行うことで電子的合成立体像の形
成空間２０を作ることができる。
【００２９】このようにして２次元像形成手段によって
生成される２次元像をＺ方向にさらに高速走査すること
によって電子的に合成立体像を形成できる。自己発光し
ないＬＣＤのような空間光変調器の場合は別に光源装置
を設置する。
【００３０】また、結像手段の像倍率や収差を二次元像
形成手段２１の表示像の大きさ、Ｚ方向走査手段の走査
量を制御することによって補正すると歪みのない実像を
得ることができる。つまり結像系の倍率の非線型や収差
によって生じる実像の歪みを補償するように形成される
２次元像とＺ方向の走査量及び速度が与えられている。
【００３１】（実施の形態２）図３は結像手段として反
射型結像光学系を採用し、２次元像形成手段としてマト
リクス型発光ディスプレイを用いた形態の構成図であ
る。
【００３２】反射型結像系は２枚の凸レンズ作用を有す
るフレネル反射鏡３１ａ，３１ｂを対向させ、その中心
部に開口３２ａ，３２ｂを設け、マトリクス型発光ディ
スプレイとＺ方向走査によって得られる合成立体像３３
を下側の開口位置の下部に置き、上側の開口位置近傍に
実像３８を結像させている。したがって観察される実像
３８は反射型光学素子である下側のフレネル反射鏡３１
ｂによって最終的に結像させられている。破線３９は周
辺の光線、一点鎖線は光軸を表している。より具体的に
は、本実施の形態では等焦点距離の反射ＯＨＰ装置用の
大型フレネル反射鏡、マトリクス型発光ディスプレイと
してアクティブマトリクス駆動の有機ＬＥＤ（ＯＬＥ
Ｄ）表示装置、Ｚ方向走査装置には高速応答可能なボイ
スコイルモーターを用いた。
【００３３】アクティブマトリクス駆動のＯＬＥＤ表示
装置としてはＳＩＤ Ｄｉｇｅｓｔ２００１、ｐ１３４
に例示されるＳｉトランジスタ駆動の装置や、ＳＩＤ
Ｄｉｇｅｓｔ ２００１、ｐ．９７４の例示されるＴＦ
Ｔ駆動の装置が使用可能である。ここではｐ−Ｓｉ Ｔ
ＦＴ駆動のポリマー型ＯＬＥＤ表示装置を用いた。
【００３４】なお図３に示すように、下側フレネル鏡３
１ｂの開口部３２ｂには実像形成に機能する光を偏光す
る下側偏光板３５を設置し、ＯＬＥＤ表示装置からの表
示光を直線偏光として結像系に入射させている。上側の
フレネル反射鏡３１ａの開口部３１ｂに下側偏光板３５
と平行ニコル状態で設置された上側偏光板３７は、表示
光を選択的に透過させ、ＯＬＥＤ表示装置から発生する
ノイズ光や光学系で発生する迷光を吸収するようにして
いる。さらに外光から遮蔽するために、二次元像形成手
段全体を暗箱３６内に封じ込んでいる。上側のフレネル
反射鏡３１ａの開口部３２ａと上側偏光板３７は、焦点
板としての機能を発揮している。なお、この光学系にお
いては実像を形成する最終光学要素として反射型光学素
子を用いているが、これに限定されるものでない。
【００３５】図４は別の電子的合成立体像の形成方法と
して、２次元像形成手段としてのマトリクス型発光ディ
スプレイ４１を回転走査する方法の例を示している。図
４の場合、像面と平行な回転軸で回転走査装置４２によ
って高速回転している。Ｚ方向走査と同じく観察者の眼
の反応速度よりも高速に回転走査することで合成立体像
を形成することができる。走査下側反射フレネル鏡３１
の一部を開口し、回転走査装置４２であるモーターとマ
トリクス型発光ディスプレイを光学的に遮蔽、分離する
構成とし、一層の迷光防止とコントラストの向上を図っ
ている。従って、この合成立体像形成方法の場合、合成
立体像は反射結像系の内部に置かれ、実像は上部フレネ
ル鏡の開口近傍に結像する。このように合成立体像と実
像位置は結像関係を満足していればフレネル鏡周辺で移
動することができる。
【００３６】（実施の形態３）図５は結像手段として反
射型結像光学系を採用し、二次元像形成手段として散乱
型液晶ディスプレイを用いた実施の形態である。
【００３７】反射型結像系は大口径凹面鏡５３、光路を
折り曲げる偏光分岐ミラー５５、１／４波長板５６、偏
光板５２、５７からなり、電子的合成立体像５１の実像
５８を焦点装置５２近傍に結像させる。この合成立体像
５１は、図２に示す基本構成からなるもので、マトリク
ス型散乱液晶ディスプレイ（ＰＤＬＣ型表示装置）とＺ
方向走査装置、光源５０から構成される。具体的にはマ
トリクス型散乱ディスプレイとしてＴＦＴ駆動のＰＤＬ
Ｃ型表示装置とボイスコイルモーターによるＺ方向走査
装置、そして凹面鏡の有効開口に光束を投影するプロジ
ェクター用光源装置５０から構成されている。
【００３８】したがって観察される実像５８は反射型光
学素子である大口径凹面鏡５３によって最終的に結像さ
せられている。なお二次元像形成手段および光源装置５
０以外の光学系全体は暗箱５４内に封じ込み、観察者５
９側の結像位置近傍には焦点装置５２として作用する偏
光板を設置した。偏光分離ミラー５５は光路を曲げるた
めの目的においてハーフミラーでも機能するが、本実施
形態において偏光分離ミラー５５は、電子的合成立体像
から発せられた偏光の光路を９０度折り曲げ、１／４波
長板と大口径凹面鏡によって構成される偏光回転素子に
より偏光面が回転した光だけを検光し表示光を選択する
機能を付加されている。
【００３９】透過状態にあるマトリクス型散乱液晶ディ
スプレイからは入射側の偏光板５７によって偏光された
Ｐ偏光が出射する。しかしこのＰ偏向は偏光ビームスプ
リッタ５５を通過し、暗箱の壁で吸収されてしまう。と
ころがマトリクス型散乱液晶ディスプレイで散乱され偏
光が乱れるとＳ偏光成分が生じる。これが合成立体像か
らの信号光となる。このＳ偏光である信号光は偏光ビー
ムスプリッタ５５で反射され、１／４波長板５６と大口
径凹面鏡５３によって偏光面が９０度回転しＰ偏光とな
った後、再び偏光ビームスプリッタに入射しこれを透過
する。
【００４０】暗箱の外側の開口部付近に設置された偏光
板５２は、この合成立体像の信号光を通過する方向に偏
光方向を合わせている。こうして合成立体像の実像が形
成される。また、この偏光板５２は焦点装置として働く
ほかに、暗箱内部で発生する迷光を吸収するのと装置周
辺の外光が装置内に入り込みノイズ光として視認される
のを防ぐ機能がある。
【００４１】なお、マトリクス型散乱液晶ディスプレイ
は、前述した実施の形態１及び２にも適用することがで
きる。
【００４２】（実施の形態４）図６はＺ方向に高速走査
する散乱型スクリーン６０に投射装置６３から２次元像
を投影することによって形成する合成立体像を用いた実
施形態である。結像手段は図５に示した反射型結像光学
系を採用している。
【００４３】散乱型スクリーン６０のＺ方向走査方法
は、機械的な走査、あるいは積層した散乱型液晶を順次
電気的に走査する手法が採用できる。
【００４４】図６は散乱型スクリーン６０を機械的な走
査をする形態を図示している。投影光は散乱型スクリー
ン６０に対し観察者の反対側から入射するので、視認範
囲を決める結像系の有効開口をほぼカバーできるスクリ
ーンの前方散乱特性を必要とする。そこで本形態では、
散乱性白色アクリル板をスクリーンに、このスクリーン
をＺ方向に走査する手法としてボイスコイルモーター６
２を採用した。
【００４５】合成立体像の形成は次のように行われる。
あるＺ位置に置かれたスクリーン６０に対し投射型表示
装置からそのＺ位置に対応する２次元像が投影される。
高速に走査されるスクリーン６０に順次２次元像を投影
することにより電子的に合成立体像６１を形成すること
ができる。
【００４６】なお、本実施の形態の場合、投射装置６３
にはＺ方向にサンプリングされた２次元画像（後述す
る）を順次生成するよう３原色ＲＧＢに対応した２次元
像形成手段である液晶光変調器６０２，６０３，６０４
を高速に駆動する液晶ライトバルブ駆動回路６０５が設
けられている。投射装置６３の映像投影速度は２次元像
の投影に比べＺ方向のサンプリング数だけ高速に切り替
えられる。このため強誘電性液晶を用いた液晶光変調器
を使用した。
【００４７】ここで、図６に示すような電子的合成立体
像６１を表示する場合、投射装置６３においては、この
電子的合成立体像６１をＺ方向に分割してサンプリング
した各部分の画像として各液晶光変調器により生成さ
れ、スクリーンに向けて順次投射される。
【００４８】３次元画像を表示する１ケージ（Ｚ方向の
スクリーンの走査時間）あたりの描画時間をフリッカ防
止可能な３２msecに設定する。Ｚ方向のサンプリング数
を１６にとると、各液晶光変調器上で２次元画像を表示
する１フレームに割り当てられる時間は２msecとなる。
本実施の形態の場合、投射装置６３側の空間光変調器６
０２，６０３，６０４は高速応答可能な強誘電性液晶を
用いた液晶ライトバルブを用いているので、２msecで充
分に表示可能である。
【００４９】ここでスクリーン６０は高速に順次走査さ
れており、ある時点において任意の位置で、この位置に
対応した２次元画像が投射装置６３から投射されなけれ
ばならない。したがって、スクリーン６０の走査と２次
元画像を投射装置６３から投射するタイミングとを同期
させる必要がある。さらに、そのスクリーン位置に２次
元画像が焦点を結ぶように投射レンズ６０９の動きも同
期させる必要がある。そのため、本実施の形態の立体像
形成装置では同期信号生成回路６４（同期手段）が設け
られており、同期信号生成回路６４で生成された同期信
号ＳＹＮＣが液晶ライトバルブ駆動回路６０５、スクリ
ーン駆動回路６０７、アクチュエータ駆動回路６０６に
それぞれ供給され、スクリーン６０の走査タイミング、
そのスクリーン位置に対応する２次元画像を投射装置６
３から投射するタイミング、スクリーン位置に投射レン
ズ６０９の焦点を合わせるタイミングが全て同期する構
成となっている。
【００５０】上の説明では説明を簡単にするために、奥
行き方向（Ｚ方向）のサンプリング数と投射される２次
元画像の数を一致させたものとして説明したが、実際に
は表示可能な２次元像数よりもＺサンプリング数を多く
しておく、すなわちＺ方向のサンプリング数を少しずつ
変えた複数の２次元画像データをあるスクリーン位置に
対応させておき、Ｚ方向走査毎にＺ方向の表示位置を微
少シフトし、液晶ライトバルブの応答速度とＺ走査時間
から決まるＺ方向の表示可能なフレーム数を実質的に増
加させることができる。この構成において、例えば一つ
の基準スクリーン位置に対して４個の２次元画像データ
があったとすると、この４個のデータを順次時系列的に
基準スクリーン位置から定量の微少シフトして表示する
ようにすれば、特に動画表示の場合、より滑らかな画像
を得ることができる。このオーバーサンプリングの手法
は奥行き情報を持っているものであれば適用可能で、例
えば図４に示した回転走査の場合でも効果を発揮する。
【００５１】投射装置の空間光変調器としては、強誘電
性液晶を用いた液晶ライトバルブの他、ＤＭＤ（Digita
l Mirror Device）を用いた投射装置を用いることもで
きる。また拡大光学系としては、テレセントリック型拡
大光学系（望遠鏡光学系）を用いると投射レンズの制御
なしでも比較的広範囲に投影像を得ることができる。
【００５２】次にもうひとつの散乱型スクリーンである
積層した散乱型液晶を順次電気的に走査する散乱型液晶
スクリーンの実施形態を説明する。図７はその構成図で
ある。散乱型液晶スクリーン７０は、光の散乱状態と透
明状態を切り換え可能な１６組の液晶セル７５（図７で
は４組のみ図示する）が積層された液晶セル群からな
り、全体として半球状に形成されている。球面側が結像
装置側であり、平坦面側が投射装置からの光が入射され
る面である。各液晶セルは一対の透明基板に透明導電膜
が全面に形成されており、液晶層に電界が印加される。
そして、液晶セルと液晶セルの間は透明基板とほぼ等し
い屈折率の材料、例えばPMMA等の材料で充填されてい
る。
【００５３】スクリーン７０には、図７に示すように、
１６組の液晶セル７５のうちのいずれか一つを散乱状態
とし、その散乱状態の液晶セル７５を順次高速に走査す
るように液晶セル群を駆動するスクリーン駆動回路７０
７（スクリーン駆動手段）が設けられている。散乱状態
となった液晶セル７５のみ画像の表示が可能となる。
【００５４】ここでは、スクリーン７０を構成する液晶
セルとして、本発明者らが先に開発した、Journal of t
he SID vol.7/1、pp.23-27に記載のＩＲＩＳ（Internal
-Reflection Inverted-Scattering）モードの液晶パネ
ルを採用する。このパネルでは液晶印加電圧を２０Ｖ程
度まで上げると応答速度は１msec以下となるため、２ms
ecで充分に応答可能である。この液晶モードは、ＰＤＬ
Ｃ（Polymer-Dispersed Liquid Crystal）の一種である
高分子分散型液晶を用いており、ポリマー前駆体やモノ
マーを含有する液晶にＵＶ光を照射することによってポ
リマー前駆体やモノマーを重合させる。この際、ポリマ
ー前駆体やモノマーが液晶中でゲストとして配向し、こ
の配向状態のまま光重合することでポリマー骨格が特定
方向に並んで固定化される。例えば、モノマーとして光
感光性のメタクリレート、液晶にはシアノビフェニル系
液晶をベースとしたネマティック液晶を用いることがで
きる。
【００５５】そして、ＵＶ照射条件、液晶材料、ポリマ
ー前駆体やモノマーの材料等を適宜選択することにより
液晶とポリマーを屈折率をほぼ一致させた状態で配向さ
せ、光学的に透明な状態とすることができる。つまり、
液晶層に電界が印加されない状態（ＯＦＦ状態）で透明
状態となる。次に、液晶層に電界が印加されると、液晶
は電界に沿って再配向する。ここで電界に追随しないポ
リマーとの間で屈折率の差異が生じ、入射した光は直進
せずに光散乱を受ける。つまり、液晶層に電界が印加さ
れた状態（ＯＮ状態）で散乱状態となる。従来一般のＰ
ＤＬＣがＯＦＦ時に散乱、ＯＮ時に透明であったのに対
し、ＩＲＩＳモードの液晶パネルはＯＦＦ時に透明、Ｏ
Ｎ時に散乱となる点が大きな特徴点である。
【００５６】スクリーンを構成する液晶セルとしては、
駆動にかかる負担を考えなければ、上記ＩＲＩＳモード
の液晶セルの他、ＮＣＡＰ（Nematic Curvilinear Alig
nedPhase）型、ＰＮ（Polymer Network）型の液晶セル
などを用いることもできる。
【００５７】このようにして散乱状態の液晶セル７５が
液晶セル群中で高速に順次走査されていき、ある時点に
おいて任意の一つの液晶セル７５が散乱状態となった
時、散乱状態の液晶セル５に対応した２次元画像が投射
装置７３から投射されなければならない。したがって、
スクリーン７０のいずれか一つの液晶セル７５を散乱状
態とするタイミングと散乱状態の液晶セル７５に対応す
る２次元画像を投射装置７３から投射するタイミングと
を同期させる必要がある。さらに、その散乱状態の液晶
セル７５上に２次元画像が焦点を結ぶように投射レンズ
の動きも同期させる必要がある。以下、図６の説明と同
様に同期信号生成回路６４（同期手段）が設けられてお
り、同期信号生成回路６４で生成された同期信号ＳＴＮ
Ｃが液晶ライトバルブ駆動回路６０５、スクリーン駆動
回路７０７、投射装置の結像レンズ６０９のアクチュエ
ータ駆動回路６０６にそれぞれ供給されている。また、
Ｚ方向のオーバーサンプリングについても図６の場合と
同様な効果が現れる。例えば１組の液晶セルに対して４
個の２次元画像データがあったとすると、この４個のデ
ータを順次時系列的に表示するようにすれば、より滑ら
かな画像を得ることができる。
【００５８】（実施の形態５）図８は結像手段として図
３と同様な反射型結像光学系を採用し、合成立体像と結
像された実像の間に偏光選択素子と位相板を設置した形
態の概略構成を示す図である。本実施の形態の立体表示
装置は、電子的に形成された合成立体像８１、反射型結
像手段を構成する凸レンズ作用を持つ結像光学素子８２
ａ，８２ｂ、実像８８形成に機能する偏光を分離する反
射偏光選択素子８３、位相差板８４、ミラー８５から概
略構成される。必要に応じ、上側偏光素子８６を設置す
ると反射偏光選択素子８３からの外光の反射を効果的に
抑制できる。図８中で両矢印８７、二重円８９は、それ
ぞれ直線偏光の電界振動方向あるいは透過軸が紙面に平
行、垂直であることを示している。
【００５９】反射型としての結像作用は、凸レンズ作用
を持つ二つの光学素子８２ａ，８２ｂと反射偏光選択素
子８３、そしてミラー８５によって生じる。合成立体像
８１の点像から発せられる偏光は上部の結像光学素子８
２ａを経て反射偏光選択素子で両矢印８７方向の電界振
動する偏光だけが反射される。次に下部の位相差板８４
を透過し下部の結像光学素子８２ｂを経てミラー８５で
折り返される。位相差板８４によって偏光方向を９０度
曲げられ出射した偏光は再び上部の結像光学素子８２ａ
を経て反射偏光選択素子８３に入射する。結像光学素子
８２ａ，８２ｂは複屈折が実質的に小さく、位相変化に
影響しない素材を用いている。反射偏光選択素子８３の
透過軸は、図８中では二重円８９で示す紙面に垂直な方
向に設定してあるので、この光路を通ってきた合成立体
像８１から発せられた偏光だけが外部に出射できる。な
お上側偏光素子８６はこの光を透過する方向にその透過
軸を合わせているのでこれも透過できる。こうしてこの
光路を通ってきた光は実像８８を結び、観察者はこれを
視認できる。また、合成立体像８１からの光は反射偏光
選択素子によって透過できないので直接上方から合成立
体像８１は観察できない。またこの偏光による直接光の
分離作用は視認方向を格段に拡大させる。つまり開口部
を空けて視認方向を限定し直接光と結像する表示光を分
離していた従来の米国特許明細書第２６２８５３３号公
報や米国特許明細書第３６４７２８４号公報、米国特許
明細書第５５０８７６３号公報などに記載の立体表示装
置に比べ開口部の制約がないため表示光が出射する方向
すべてを視認することができる。このように偏光による
分離と大開口を実現できる反射結像系により視認範囲が
拡大される。
【００６０】一方、偏光していない外光は上側偏光素子
８６と反射偏光選択素子８３を通過して反射型結像手段
に入射するが、下側の位相差板８４を介してミラー８５
によって反射された後、偏光方向が変えられてしまい結
像手段の外部に出射できない。再度反射した後には出射
可能であるが、反射による減衰、光学要素の反射によっ
て実質的にはほとんど外部に出射できない。また必要に
応じ、下側偏光素子８０を反射偏光選択素子８３の光学
的な結像系側（図８中 ８３の下側）に部分的に設置す
ることによって上記の多重反射成分をさらに有効に吸収
することができる。このようにして外光によるノイズ光
を減少させることができる。以上から、外光と直接光を
実像形成から排除する事ができるためコントラストに優
れた実像の形成が可能となった。なお図８において、簡
単のため外光についてはレンズ作用を無視して偏光の状
態を記して説明してある。
【００６１】合成立体像８１は、実施の形態１及び２、
３で前述した装置によって形成される。例えばＸ−Ｙマ
トリクス型ディスプレイにＺ方向走査を行う装置などを
適用できるが、合成立体像８１からの光のうち結像に寄
与する偏光を直接出射するか、偏光素子によって偏光す
る必要がある。たとえば偏光の出射は図３のように偏光
板を通して外部から反射型結像系に入射させる方法や、
合成立体像が内部に形成される場合であっても反射偏光
選択素子に向かう光束を覆う偏光板を合成立体像の近傍
に設置すれば実質的に機能する。このような理由から図
８中の合成立体像８１の位置は実像を結像できればよい
だけであり厳密な位置を示していない。
【００６２】より具体的には、本実施例の実施の形態に
おいて、反射偏光選択素子にはInternational Display
Research Conference 1997 p.M-98 記載のD-BEF型偏光
子（３M社製）、液晶 vol.2, 1998, p.32記載のBrightm
ax（Merck社製）と1/4波長板の組み合わせ， SID Diges
t 2001 p.1282, p.1287に記載のWire-Grid型偏光子等の
製品を用いることができる。 また、反射型結像手段の
結像素子としては凸レンズ作用を有する低複屈折、低歪
みフレネルレンズ等を用いることができる。位相板は広
帯域の１／４波長板が好適である。
【００６３】図９は反射型結像光学系として一枚の凹面
鏡９２と反射偏光選択素子９３としてD-BEF素子を用い
た場合の立体表示装置９０１の構成図である。合成立体
像９１からの偏光した表示光（紙面に平行）はD-BEF素
子９３で反射され（紙面に垂直成分を透過）、次に１／
４波長板９４と凹面鏡９２によって偏光が９０°曲げら
れて反射し、再びD-BEF素子９３に入射する。表示光はD
-BEF素子９３を透過できる偏光状態となっているのでD-
BEF素子９３、偏光板９６（透過軸は紙面に垂直）を透
過し、実像９８を結像する。図９中で光線９０２は、近
軸領域の結像関係を示すもので、光軸９０３に対し平行
な光線と主点を通る光線を示している。また９０４は反
射型結像光学系から決まる最大視認範囲を示している。
合成立体像９１は、実施の形態１乃至３で前述したＺ方
向走査を加えられたＸ−Ｙマトリクス型ディスプレイに
よって作られ、偏光板を通して表示光を出射している。
【００６４】結像した立体実像９８を観察すると、立体
実像以外のほとんどの外光は吸収されるため黒い背景に
実像が浮かんで観察される。これは偏光板９６を上部か
ら見ると、近似的には偏光板の下に１／４波長板、ミラ
ーを設置した構成と等価に成って外光が吸収されるため
である。また立体表示装置９０１全体は外光が侵入しな
い光学的な暗箱に入れられている。図９の実施の形態で
は反射型結像素子として凹面鏡をだけを用いることで、
高価な低複屈折、低歪みフレネルレンズ等を使用しない
で済む利点がある。
【００６５】図１０は反射型結像光学系として凹面鏡１
０２と凸レンズ作用を有するフレネルレンズ１０００と
反射偏光選択素子として前述したWire-Grid素子１０３
を用いた場合の構成図である。Wire-Grid素子１０３は
サブミクロンの金属細線アレイからなる素子で細線方向
の直線偏光を反射し、直交する方向の偏光を透過する偏
光選択作用を有している。すなわち、WireGrid素子１０
３は、ほぼ鉛直に入射される光に対して直交した直線偏
光に応じ、反射、透過の選択作用を有する。
【００６６】円偏光素子１００６によって円偏光入射し
た表示光は１／４波長板１０４で直線偏光（紙面に平
行）となり、凹面鏡の開口部１００５を経て反射型結像
系に入射する。直線偏光となった表示光は、フレネルレ
ンズ１０００を透過し、前述のWire-Grid素子９３で反
射される（紙面に垂直成分を透過）。次に１／４波長板
１０４と凹面鏡１０２に入射し、これらによって偏光が
９０°曲げられて反射し、再びフレネルレンズとWire-G
rid獅子１０３に入射する。今回、表示光はWire-Grid素
子１０３を透過できる偏光状態となっているのでWire-G
rid素子１０３、偏光板１０６（透過軸は紙面に垂直）
を透過し、実像１０８を結像する。
【００６７】図１０に示す実施の形態では、具体的には
フレネルレンズとしてオーバーヘッドプロジェクター用
の低複屈折、低歪みの焦点距離１０００ｍｍの大型レン
ズを用いた。Wire-Grid素子１０３と組み合わせた反射
レンズとしてはほぼ半分の焦点距離となる。もう一方の
凹面鏡の焦点距離はフレネルレンズと同じ５００ｍｍと
し、凹面鏡とフレネルレンズ間の距離をほぼ４００ｍｍ
に設定した。合成立体像１０１と観察される実像１０８
は凹面鏡１０２とフレネルレンズ１０００の外側となる
構成である。このようにして等倍の反射型結像光学系を
構成した。図１０中で光線群１００２は、光軸１００３
に対し近軸領域の結像関係を示している。また１００４
は反射型結像光学系から決まる最大視認範囲を示してい
る。また立体表示装置１００１全体は外光が侵入しない
光学的な暗箱に入れられている。
【００６８】この立体表示装置の合成立体像１０１は、
実施の形態１乃至３で前述した装置によって形成されて
いる。
【００６９】また図８、図９、図１０に示した立体表示
装置は観察者側の偏光素子や反射偏光選択素子を上方か
ら観察者が見ることになり、この近傍に焦点を合わせ
る。実像はこの近傍に形成されるので無理なく実像に眼
の焦点を合わせられる利点を有している。
【００７０】図９、図１０の本発明の立体表示装置は、
偏光による表示光とノイズ光を分離することによってよ
り鮮明な立体表示を得ることができる。また開口による
制約がないため視野が広く、合成立体像そのままの実像
を多人数で観察が可能となる。
【００７１】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、高いコントラストで歪みのない、かつ高精細な
動く立体実像を空間に再現することができる。
【００７２】また、発光型のカラーマトリクスディスプ
レイや散乱型液晶マトリクスディスプレイ、カラープロ
ジェクターを２次元像の原像に採用することができるの
でフルカラーの動く実像再生も容易である。
【００７３】さらに視野が広く同時に多人数での観察も
可能となり、医療や産業用途、さらにはゲームなどへの
応用が可能である。
【００７４】電子的な合成立体像の実像を観察している
ために、力覚デバイスのポインターを実像再生空間に侵
入させることができる。たとえばＣＴ像の内部にポイン
ターを当ててそこでの感触を得ることができる。このよ
うに力覚デバイスとの相性が良い立体表示装置である。
【００７５】また回転による奥行き走査や投影型の２次
元像生成を行うことで機械的な振動を取り除くことがで
き、静かな表示を可能とする。
【００７６】本発明により、人間の両眼視差の作用を利
用したものではないので、偏光めがね等の装着物を用い
る必要がない。また輻輳と調節の矛盾を感じないため疲
労感のない自然な３次元立体像を表示可能な立体表示装
置を実現することができる。
【００７７】さらに偏光によって表示光とノイズ光、外
光を分離することによってコントラストの高い実像観察
ができる。また、合成立体像からの直接光も制限できる
ので結像した実像と立体合成像が重なって観察されるこ
とがない。開口による表示光を分離する手法に比べ、視
認エリアが開口部に制限されない利点も生じる。
【００７８】また反射型の結像光学系を用いることで大
開口結像系を構成し、視認範囲をさらに大きく取ること
ができる。光路を折りたためることから装置をコンパク
トに構成できる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の立体表示装置を示す
概略構成図である。
【図２】 同装置における立体像形成装置の概略構成を
示す斜視図である。
【図３】 本発明の実施の形態２の立体表示装置を示す
概略構成図である。
【図４】 別な電子的合成立体像の形成方法を示す斜視
図である。
【図５】 本発明の実施の形態３の立体表示装置を示す
構成図である。
【図６】 本発明の実施の形態４の立体表示装置を示す
構成図である。
【図７】 同装置における別の投影型立体像形成装置を
示す構成図である。
【図８】 本発明の実施の形態５の立体表示装置を示す
構成図である。
【図９】 同装置における別の立体像形成装置を示す構
成図である。
【図１０】 同装置における別の立体像形成装置を示す
構成図である。
【符号の説明】
１、９０１、１００１ 立体表示装置 ２、３３、５１、６１、８１，９１，１０１ 合成立体
像 ３ 結像手段 ４、５２ 焦点装置 １０、３８、５８、８８、９８、１０８ 結像された実
像 ２１ ２次元像形成手段 ２３ Ｚ方向走査手段 ３１ フレネル反射鏡 ３５、３７、５２、５７、８０，８６、９６、１０６
偏光板 ４１ マトリクス発光ディスプレイ ４２ 回転走査装置 ５０ 光源 ５３、 大口径凹面鏡 ５５ 偏光分岐ミラー ５６、８４、９４、１０４ １／４波長板 ６０ 散乱型スクリーン ６２ ボイスコイルモーター ６３、７３ 投射装置 ７０ 散乱型液晶スクリーン ７５ 液晶セル ８３、９３、１０３ 反射偏光選択素子 ８２、９２、１０２ 凸レンズ作用を持つ光学素子 ８５ ミラー

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電子的に形成された合成立体像と、前記
    合成立体像の実像を再生するための結像手段と、前記実
    像と観察者の眼の焦点位置をほぼ一致させるための焦点
    装置と、 を有することを特徴とする立体表示装置。
  2. 【請求項２】前記結像手段は、前記実像を結像する最終
    光学要素が反射型光学素子であることを特徴とする請求
    項１に記載の立体表示装置。
  3. 【請求項３】前記結像手段は、前記実像形成に機能する
    光を偏光する偏光素子、表示光を選択する偏光素子を有
    する光学系であることを特徴とする請求項１または２に
    記載の立体表示装置。
  4. 【請求項４】大口径凹面鏡からなる前記結像手段の最終
    光学要素、偏光分岐ミラーからなる前記表示光を選択す
    る偏光素子、前記大口径凹面鏡における反射時の偏光を
    回転する偏光回転素子を有することを特徴とする請求項
    １から３のいずれか一項に記載の立体表示装置。
  5. 【請求項５】電子的に形成された合成立体像と、前記合
    成立体像の実像を再生するための結像手段からなる前記
    実像を観察する立体表示装置において、 前記合成立体像は、２次元像形成手段によって生成され
    る２次元像を奥行き方向に高速走査して形成した合成立
    体像であることを特徴とする立体表示装置。
  6. 【請求項６】前記２次元像形成手段は、２次元像と奥行
    き方向の走査位置に応じて、前記結像手段の像倍率や収
    差を補正された２次元像を表示することを特徴とする請
    求項５記載の立体表示装置。
  7. 【請求項７】電子的に形成された合成立体像と、前記合
    成立体像の実像を再生するための結像手段からなる前記
    実像を観察する立体表示装置において、 前記合成立体像は、２次元像形成手段によって生成され
    る２次元像を像面と平行な回転軸で回転走査して形成し
    た合成立体像であることを特徴とする立体表示装置。
  8. 【請求項８】前記合成立体像を生成する２次元像形成手
    段は、マトリクス型発光ディスプレイであることを特徴
    とする請求項１から７のいずれか一項に記載の立体表示
    装置。
  9. 【請求項９】前記合成立体像を生成する２次元像形成手
    段は、散乱型液晶ディスプレイであることを特徴とする
    請求項１から７のいずれか一項に記載の立体表示装置。
  10. 【請求項１０】電子的に形成された合成立体像と、前記
    合成立体像の実像を再生するための結像手段からなる前
    記実像を観察する立体表示装置において、 前記合成立体像は、２次元像形成手段によって生成され
    た２次元像を高速走査された散乱型スクリーン上に同期
    投影して生成した合成立体像であることを特徴とする立
    体表示装置。
  11. 【請求項１１】前記散乱型スクリーンは積層した光の散
    乱状態と透明状態を切り換え可能な散乱型液晶を順次電
    気的に走査したことを特徴とする請求項１０に記載の立
    体表示装置。
  12. 【請求項１２】 前記散乱型スクリーン上に同期投影し
    て生成した合成立体像は、投射レンズと前記散乱型スク
    リーン間の相対距離を制御する制御手段を備えた投影装
    置によって同期投影されることを特徴とする請求項１０
    に記載の投射型立体表示装置。
  13. 【請求項１３】 前記散乱型スクリーン上に同期投影し
    て生成した合成立体像は、テレセントリック型拡大光学
    系を用いて同期投影されることを特徴とする請求項１０
    に記載の立体表示装置。
  14. 【請求項１４】前記合成立体像の奥行き情報のサンプリ
    ング数は、表示可能な２次元像のサンプリング数よりも
    多い値に設定されていることを特徴とする請求項１から
    １０のいずれか一項に記載の立体表示装置。
  15. 【請求項１５】電子的に形成された合成立体像と、前記
    合成立体像の実像を再生するための反射型結像手段から
    なる前記実像を観察する立体表示装置において、 前記反射型結像手段は、前記合成立体像と結像された実
    像の間に前記実像形成に機能する偏光を反射分離する反
    射偏光選択素子、前記実像形成に機能する偏光を回転さ
    せる位相板を有する光学系であることを特徴とする立体
    表示装置。
  16. 【請求項１６】前記反射偏光選択素子は、ほぼ鉛直に入
    射される光に対して直交した直線偏光に応じ、反射、透
    過の選択作用を有することを特徴とする請求項１５に記
    載の立体表示装置。
  17. 【請求項１７】前記反射型結像手段は、前記実像形成に
    機能する偏光から表示光とノイズ光を分離する反射偏光
    選択性素子を有する光学系と表示光を透過させる偏光素
    子を有することを特徴とする請求項１５または１６に記
    載の立体表示装置。
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