JP2003302601A - 波面曲率変調装置及び波面曲率変調装置を備えた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源から出射される光束を異なる波面曲率を
有する複数の光束に分離し、分離された光束のうち少な
くとも１つを選択的に出射する波面曲率変調装置及び波
面曲率変調装置を備えた画像表示装置を提供する。 【解決手段】 波面曲率変調装置１の光束発生手段１０
では、光源１１より発生された光束が光束Ａ発生部２に
入射される。光束Ａ発生部２で光束は分離され、一方は
光束Ｂ発生部３に入射され、他方はレンズ列によって波
面曲率ａを有する光束Ａに変調され光束発生手段１０よ
り出射される。同様に、光束Ｂ発生部３，光束Ｃ発生部
４，光束Ｄ発生部５から、それぞれ異なる波面曲率ｂ〜
ｄを有する光束Ｂ〜Ｄが出射される。光束選択手段２０
では、強度変調器によって光強度が変調または遮断され
た光束Ａ〜Ｄが、合成ミラー等で１つの光束に合成さ
れ、光束選択手段２０より出射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光束の波面曲率を
変調し、その波面曲率が変調された光束を走査して眼の
網膜に直接画像を投影する波面曲率変調装置及び波面曲
率変調装置を備えた画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年レーザ、ＬＥＤ等の光源が発する微
弱な光束を２次元光走査装置で走査して観察者の瞳孔に
投入することにより網膜上に直接描画を行う、いわゆる
網膜走査型ディスプレイと呼ばれる装置が知られている
（例えば、特許文献１参照。）。この網膜走査型ディス
プレイは、例えば、眼鏡と同様に観察者の頭部に装着し
て使用するように構成されており、高精細で画角の大き
な画像を提供することができる。このような網膜走査型
ディスプレイには、観察者の眼に入射する画像の奥行き
を表現する手段として、発生された光束の波面曲率を変
調する波面曲率変調装置が設けられている。

【０００３】ここで、波面曲率について説明する。光源
から発した光は、光源を中心とした全方位に等速、同位
相で進む光の波、いわゆる等位球面波として伝搬される
が、光源と観察者との距離に応じてその球面波の持つ曲
率半径が異なってくる。光源が近ければ曲率半径の小さ
い像として、また、光源が遠ければ曲率半径の大きい像
として観察者の眼に入射される。観察者はピント合わせ
動作を介してこの曲率半径のずれを認識し、遠近感を感
じることができる。波面曲率変調装置は、光源が任意の
距離に存在するかのように観察者の眼に入射することが
でき、自然な立体視を可能としている。

【０００４】上記特許文献１に記載の波面曲率変調装置
（波面曲率変調手段）では、圧電板へ制御電圧を印加し
て圧電板を変形し、圧電板に設けられている反射膜にお
ける光束の反射の前後で、その光束の波面曲率を変化さ
せていた。

【０００５】

【特許文献１】特許第２８７４２０８号公報

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成による波面曲率変調装置よりも、より高い動作周波数
で波面曲率の変調を行うことができる波面曲率変調装置
が求められていた。

【０００７】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、高速な波面曲率の変調を行うことのでき
る波面曲率変調装置及び波面曲率変調装置を備えた画像
表示装置を実現することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明の波面曲率変調装置は、互いに
異なる波面曲率を有する光束を発生する複数の光束発生
手段と、当該複数の光束発生手段によって発生された複
数の光束のうち少なくとも１つの光束を選択する光束選
択手段とを備えている。

【０００９】この構成の波面曲率変調装置では、複数の
光束発生手段が、互いに異なる波面曲率を有する光束を
それぞれ発生し、光束選択手段が、発生された複数の光
束のうち少なくとも１つの光束を選択することができ
る。

【００１０】また、請求項２に係る発明の波面曲率変調
装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記光束
選択手段は、前記複数の光束発生手段によって発生され
た複数の光束をそれぞれ独立に強度変調もしくは遮断す
る光束強度変調手段を備えている。

【００１１】この構成の波面曲率変調装置では、請求項
１に係る発明の作用に加え、光束選択手段の光束強度変
調手段が、複数の光束発生手段によって発生された複数
の光束をそれぞれ独立に強度変調もしくは遮断すること
ができる。

【００１２】また、請求項３に係る発明の波面曲率変調
装置は、請求項１又は２に記載の発明の構成に加え、前
記複数の光束発生手段によって発生された複数の光束を
同軸上に合成する光束合成手段を備えている。

【００１３】この構成の波面曲率変調装置では、請求項
１又は２に係る発明の作用に加え、光束合成手段が、複
数の光束発生手段によって発生された複数の光束を同軸
上に合成することができる。

【００１４】また、請求項４に係る発明の波面曲率変調
装置は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の構成に
加え、前記光束選択手段は前記複数の光束の選択を行う
光スイッチを備えたことを特徴とする構成となってい
る。

【００１５】この構成の波面曲率変調装置では、請求項
１乃至３の何れかに係る発明の作用に加え、光束選択手
段の光スイッチが、複数の光束の選択を行うことができ
る。

【００１６】また、請求項５に係る発明の波面曲率変調
装置は、請求項１乃至４の何れかに記載の発明の構成に
加え、前記複数の光束の波面曲率をそれぞれ独立に調整
もしくは変調可能な波面曲率調整手段を備えている。

【００１７】この構成の波面曲率変調装置では、請求項
１乃至４の何れかに係る発明の作用に加え、波面曲率調
整手段が、複数の光束の波面曲率をそれぞれ独立に調整
もしくは変調することができる。

【００１８】また、請求項６に係る発明の波面曲率変調
装置は、請求項５に記載の発明の構成に加え、前記波面
曲率調整手段は、前記複数の光束によって波面の曲率半
径を無限大から約１０ｃｍまでの領域に変調もしくは調
整可能であることを特徴とする構成となっている。

【００１９】この構成の波面曲率変調装置では、請求項
５に係る発明の作用に加え、波面曲率調整手段は、発生
された互いに異なる波面曲率を有する複数の光束によっ
て、波面の曲率半径を無限大から約１０ｃｍまでの領域
に変調もしくは調整することができる。

【００２０】また、請求項７に係る発明の波面曲率変調
装置は、請求項１乃至６の何れかに記載の発明の構成に
加え、前記異なる波面曲率を有する複数の光束のそれぞ
れが、複数の波長の光束の集合体であることを特徴とす
る構成となっている。

【００２１】この構成の波面曲率変調装置では、請求項
１乃至６の何れかに係る発明の作用に加え、異なる波面
曲率を有する複数の光束のそれぞれが、複数の波長の光
束の集合体であるので、複数の波長からなる光束の波面
曲率を調整もしくは変調することができる。

【００２２】また、請求項８に係る発明の波面曲率変調
装置は、請求項１乃至７の何れかに記載の発明の構成に
加え、前記光束発生手段は、少なくとも１つの光源から
出射される光束を複数の光束に分離する光束分離手段
と、当該分離された複数の光束をそれぞれ異なる波面曲
率を有する光束に変換する光束変換手段とを備えてい
る。

【００２３】この構成の波面曲率変調装置では、請求項
１乃至７の何れかに係る発明の作用に加え、光束発生手
段の光束分離手段が、少なくとも１つの光源から出射さ
れる光束を複数の光束に分離し、光束変換手段が、分離
された複数の光束をそれぞれ異なる波面曲率を有する光
束に変換することができる。

【００２４】また、請求項９に係る発明の波面曲率変調
装置は、請求項１乃至７の何れかに記載の発明の構成に
加え、前記光束発生手段は、複数の光束をそれぞれ発生
する複数の光源と、当該複数の光源によって発生された
複数の光束を、それぞれ異なる波面曲率を有する光束に
変換する複数の光束変換手段とを備えている。

【００２５】この構成の波面曲率変調手段では、請求項
１乃至７の何れかに係る発明の作用に加え、複数の光源
からそれぞれ発生された光束を、その各光束にそれぞれ
対応した光束変換手段によってそれぞれ異なる波面曲率
を有する光束に変換することができる。

【００２６】また、請求項１０に係る発明の画像表示装
置は、請求項１乃至９の何れかに記載の波面曲率変調装
置を備えている。

【００２７】この構成の画像表示装置では、請求項１乃
至９の何れかに記載の波面曲率変調装置を備えているの
で、光束の波面曲率を変調できる。

【００２８】また、請求項１１に係る発明の画像表示装
置は、請求項１０に記載の発明の構成に加え、前記波面
曲率変調装置から出射される光束を走査する光走査手段
と、当該光走査手段によって走査された光束を観察者の
瞳孔に入射させる光学手段とを備えている。

【００２９】この構成の画像表示装置では、請求項１０
に係る発明の作用に加え、光走査手段が、波面曲率変調
装置から出射される光束を走査し、光学手段が、光走査
手段によって走査された光束を観察者の瞳孔に入射させ
ることができる。

【００３０】また、請求項１２に係る発明の画像表示装
置は、請求項１０又は１１に記載の発明の構成に加え、
観察者の視点を想定した仮想視点からの距離が異なる複
数の仮想投影面上にそれぞれ２次元画像を投影すること
で３次元画像を表現する仮想投影手段を備えている。

【００３１】この構成の画像表示装置では、請求項１０
又は１１に係る発明の作用に加え、仮想投影手段が、観
察者の視点を想定した仮想視点からの距離が異なる複数
の仮想投影面上にそれぞれ２次元画像を投影することで
３次元画像を表現することができる。

【００３２】また、請求項１３に係る発明の画像表示装
置は、請求項１２に記載の発明の構成に加え、前記複数
の仮想投影面の任意の１つに観察者のピント調整がされ
た場合、前記仮想視点からみた前記仮想投影面の前後に
位置する２つの前記仮想投影面のそれぞれのピントのず
れの差に基づくボケ量がほぼ同一となるように仮想投影
面間の距離が設定されていることを特徴とする構成とな
っている。

【００３３】この構成の画像表示装置では、請求項１２
に係る発明の作用に加え、複数の仮想投影面の任意の１
つに観察者のピント調整がされた場合、仮想視点からみ
た仮想投影面の前後に位置する２つの仮想投影面のそれ
ぞれのピントのずれの差に基づくボケ量がほぼ同一とな
るように仮想投影面間の距離が設定されているので、そ
れぞれの仮想投影面間の遠近感の差を自然に表現するこ
とができる。

【００３４】また、請求項１４に係る発明の画像表示装
置は、請求項１２に記載の発明の構成に加え、前記複数
の仮想投影面の任意の１つに観察者のピント調整がされ
た場合、当該仮想投影面に隣接する仮想投影面のボケ量
が観察者の視覚分解能とほぼ一致するように仮想投影面
間の距離が設定されていることを特徴とする構成となっ
ている。

【００３５】この構成の画像表示装置では、請求項１２
に係る発明の作用に加え、複数の仮想投影面の任意の１
つに観察者のピント調整がされた場合、仮想投影面に隣
接する仮想投影面のボケ量が観察者の視覚分解能とほぼ
一致するように仮想投影面間の距離が設定されているの
で、表現したい遠近感にあわせて効率よく仮想投影面の
配置を設定することができる。

【００３６】また、請求項１５に係る発明の画像表示装
置は、請求項１２乃至１４の何れかに記載の発明の構成
に加え、前記仮想投影手段は、前記複数の仮想投影面上
に投影される２次元画像に加え、奥行き情報を含む画像
データもしくはポリゴンデータに基づく画像を前記仮想
投影面上に投影することを特徴とする構成となってい
る。

【００３７】この構成の画像表示装置では、請求項１２
乃至１４の何れかに係る発明の作用に加え、仮想投影手
段が、複数の仮想投影面上に投影される２次元画像に加
え、奥行き情報を含む画像データもしくはポリゴンデー
タに基づく画像を仮想投影面上に投影することができ
る。

【００３８】また、請求項１６に係る発明の画像表示装
置は、請求項１２乃至１５の何れかに記載の発明の構成
に加え、前記仮想視点から観察した３次元画像の任意の
部位を、当該任意の部位と前記仮想視点との間の距離に
対応したそれぞれの前記仮想投影面上に投影することを
特徴とする構成となっている。

【００３９】この構成の画像表示装置では、請求項１２
乃至１５の何れかに係る発明の作用に加え、仮想視点か
ら観察した３次元画像の任意の部位を、任意の部位と仮
想視点との間の距離に対応したそれぞれの仮想投影面上
に投影することができる。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る波面曲率変調
装置の一実施の形態について、図面を参照して説明す
る。まず、本発明に係る波面曲率変調装置１の構成につ
いて、図１乃至図５を参照して説明する。図１は、波面
曲率変調装置１の構成を示す構成図である。図２は、光
束発生手段１０の構成を示す構成図である。図３は、第
１の実施の形態の光束選択手段２０の構成を示す構成図
である。図４は、第２の実施の形態の光束選択手段２０
の構成を示す構成図である。図５は、第３の実施の形態
の光束選択手段２０の構成を示す構成図である。

【００４１】まず、図１に示すように、波面曲率変調装
置１は、４種類のそれぞれ波面曲率の異なる光束を発生
する光束発生手段１０と、光束発生手段１０で発生され
た光束が入射され、入射された光束のうち少なくとも１
つを選択して外部に出射する光束選択手段２０とから構
成される。光束発生手段１０は、略平行な光束を発生す
る光源１１と、波面曲率ａの光束Ａを発生する光束Ａ発
生部２と、波面曲率ｂの光束Ｂを発生する光束Ｂ発生部
３と、波面曲率ｃの光束Ｃを発生する光束Ｃ発生部４
と、波面曲率ｄの光束Ｄを発生する光束Ｄ発生部５とで
構成される。光束発生手段１０から出射された光束Ａ〜
Ｄは光束選択手段２０に入射され、そのうちの少なくと
も１つ、例えば波面曲率ｂの光束Ｂが、光束選択手段２
０から選択的に出射される構成となっている。

【００４２】次に、図２に示すように、光束発生手段１
０には、略平行な光束を発生する光源１１と、光源１１
から発せられた光束の一部を透過し一部を反射する部分
透過ミラー１２と、部分透過ミラー１２によって透過さ
れた光束の波面曲率を変調するレンズ列１３とが、それ
ぞれＸ軸方向の同軸上に設けられており、光束Ａ発生部
２は、部分透過ミラー１２とレンズ列１３とで構成され
ている。また、部分透過ミラー１２に反射される光束の
光軸上（Ｙ軸方向）には、部分透過ミラー１４と、部分
透過ミラー１６と、全反射ミラー１８とが設けられてい
る。さらに、部分透過ミラー１４，１６にそれぞれ反射
される光束の光軸上（Ｘ軸方向）には、光束の波面曲率
を変調するレンズ列１５，１７がそれぞれ設けられてい
る。光束Ｂ発生部３は、部分透過ミラー１４とレンズ列
１５とで、光束Ｃ発生部４は、部分透過ミラー１６とレ
ンズ列１７とでそれぞれ構成されている。また、全反射
ミラー１８が反射する光束の光軸上には、光束の波面曲
率を変調するレンズ列１９が設けられている。光束Ｄ発
生部５は、全反射ミラー１８とレンズ列１９とで構成さ
れている。尚、部分透過ミラー１２，１４，１６と、全
反射ミラー１８とが、本発明における光束分離手段であ
り、レンズ列１３，１５，１７，１９が、本発明の請求
項８における光束変換手段である。

【００４３】部分透過ミラー１２，１４，１６は、入射
した光束の一部を透過し、一部を反射するハーフミラー
である。部分透過ミラー１２は、−Ｘ方向から入射する
光束の一部を＋Ｘ方向に透過し、一部を−Ｙ方向に反射
する向きに、また、部分透過ミラー１４，１６は、＋Ｙ
方向から入射する光束の一部を−Ｙ方向に透過し、一部
を＋Ｘ方向に反射する向きにそれぞれ設けられている。
また、全反射ミラー１８は、＋Ｙ方向から入射する光束
を＋Ｘ方向に反射する向きに設けられている。

【００４４】また、レンズ列１３，１５，１７，１９
は、それぞれ焦点距離がｆの２つの凸レンズから構成さ
れており、それぞれの凸レンズの主点間の距離がｆａ＋
ｆ，ｆｂ＋ｆ，ｆｃ＋ｆ，ｆｄ＋ｆとなるように固定さ
れている。そして、ｆａ〜ｆｄの関係が、以下の式を満
たすように、それぞれの凸レンズは光束発生手段１０に
設けられている。 ｆ＝ｆａ ・・・（１） ｆａ＞ｆｂ＞ｆｃ＞ｆｄ＞０・・・（２）

【００４５】光源１１として利用するには、略平行な光
束であるレーザ光を発することのできるレーザ光源が適
しているが、ＬＥＤ等のその他の光源を利用することも
できる。

【００４６】次に、図３に示すように、第１の実施の形
態の光束選択手段２０には、入射される光束Ａの光強度
を変調する強度変調器２１と、強度変調器２１によって
変調された光束Ａを全反射する全反射ミラー２５とが、
光束Ａの光軸上（Ｘ軸方向）に設けられている。同様に
入射される光束Ｂ，Ｃ，Ｄの光強度をそれぞれ変調する
強度変調器２２，強度変調器２３，強度変調器２４と、
変調された光束Ｂ，Ｃ，Ｄをそれぞれ反射または透過す
る合成ミラー２６，合成ミラー２７，合成ミラー２８と
が、光束Ｂ，Ｃ，Ｄの光軸上（Ｘ軸方向）にそれぞれ設
けられている。さらに、全反射ミラー２５に反射された
光束Ａと、合成ミラー２６〜２８に反射された光束Ｂ〜
Ｄとが合成されるように、全反射ミラー２５及び合成ミ
ラー２６〜２８の位置が、Ｙ軸方向の同軸上に整列され
ている。尚、強度変調器２１〜２４が、本発明における
光束強度変調手段であり、全反射ミラー２５と、合成ミ
ラー２６〜２８とが、本発明における光束合成手段であ
る。

【００４７】強度変調器２１〜２４は、光変調器であ
り、光変調器は、電気信号を変換回路を介して光信号に
変換するデバイスである。光変調器には、半導体レーザ
等を用いて変調信号の変化をそのレーザ光の強度変化に
変調する方式や、デバイスに入射した光束を変調し、変
調した光束を出射する方式等がある。例えば強度変調器
２１〜２４として後者の方式の音響光学効果を利用した
ＡＯＭ（Acousto-OpticModulator：音響光学変調器）等
を用いれば、数百ＭＨｚの駆動周波数での光束の高速な
変調が可能である。

【００４８】合成ミラー２６〜２８は、その表面から入
射した光束の一部を反射し、その裏面から入射した光束
の一部を透過する。合成ミラー２６，２７は、＋Ｙ方向
から入射した光束の一部を−Ｙ方向に透過し、−Ｘ方向
から入射した光束の一部を−Ｙ方向に反射する向きにそ
れぞれ設けられている。また、合成ミラー２８は、＋Ｙ
方向から入射した光束の一部を＋Ｘ方向に反射し、−Ｘ
方向から入射した光束の一部を＋Ｘ方向に透過する向き
に設けられている。全反射ミラー２５は、−Ｘ方向から
入射した光束を−Ｙ方向に反射する向きに設けられてい
る。

【００４９】次に、図４に示すように、第２の実施の形
態の光束選択手段２０には、入射される光束Ａ〜Ｄのそ
れぞれの光軸上（Ｘ軸方向）に、光束Ａ〜Ｄの反射方向
をそれぞれ変更する光スイッチ３１、光スイッチ３２、
光スイッチ３３、及び光スイッチ３４が設けられてい
る。また、光スイッチ３１，３２，３３，３４で反射さ
れたそれぞれの光束の光軸上（Ｙ軸方向）には、全反射
ミラー３５，合成ミラー３６，合成ミラー３７，合成ミ
ラー３８が設けられている。さらに、光束Ａ〜Ｄが、反
射または透過して合成され、光束選択手段２０の光束の
出射部位に設けられたスリット３９を介して出射される
ように、全反射ミラー３５、合成ミラー３６〜３８、及
びスリット３９の位置が、Ｘ軸方向の同軸上に整列され
ている。

【００５０】光スイッチ３１〜３４には、例えばシリコ
ンマイクロミラーアレイを用いることができ、その生産
においてシリコン微細加工などの半導体プロセスによる
生産が可能であり、光束選択手段２０の小型化、ひいて
は波面曲率変調装置１の小型化を図ることができる。

【００５１】光スイッチ３１〜３４は、−Ｘ方向から入
射した光束を−Ｙ方向に反射する向きにそれぞれ設けら
れている。また、光スイッチ３１〜３４は可動すること
ができ、入射する光束の反射方向を変更することができ
る。また、全反射ミラー３５は、＋Ｙ方向から入射した
光束を＋Ｘ方向に反射する向きに設けられている。合成
ミラー３６〜３８は、その表面から入射した光束の一部
を反射し、その裏面から入射した光束の一部を透過する
ことができ、それぞれ＋Ｙ方向から入射した光束の一部
を＋Ｘ方向に反射し、−Ｘ方向から入射した光束の一部
を＋Ｘ方向に透過する向きに設けられている。スリット
３９は、全反射ミラー３５及び合成ミラー３６〜３８に
よって合成される光束の光軸と同軸となる光束のみが通
過できるようになっており、光スイッチ３１〜３４によ
って反射方向をずらされた光束は、このスリット３９を
通過することができないようになっている。

【００５２】次に、図５に示すように、第３の実施の形
態の光束選択手段２０には、入射される光束Ａ〜Ｄのそ
れぞれの光軸上（Ｘ軸方向）に、固定ミラー４４、固定
ミラー４５，固定ミラー４６、及び固定ミラー４７がそ
れぞれ設けられている。また、固定ミラー４４，４５が
それぞれ反射する光束Ａ，Ｂの光軸が同軸上（Ｙ軸方
向）で重なるように固定ミラー４４，４５は整列され、
さらにその同軸上に光スイッチ４１が設けられている。
同様に、固定ミラー４６，４７と光スイッチ４２も、Ｙ
軸方向の同軸上に整列されている。

【００５３】光スイッチ４１，４２及び光スイッチ４３
は、前述のシリコンマイクロミラーアレイ等で形成され
ており、高速な光束のスイッチングを可能としている。
光スイッチ４１，４２はそれぞれ光束ＡまたはＢのいず
れか一方，光束ＣまたはＤのいずれか一方を選択的に反
射するようになっている。さらに、光スイッチ４１，４
２のＸ軸方向の同軸上には、固定ミラー４８，固定ミラ
ー４９がそれぞれ設けられている。そして、固定ミラー
４８，４９がそれぞれ反射する光束の光軸が同軸上（Ｙ
軸方向）で重なるように固定ミラー４８，４９は整列さ
れ、さらにその同軸上に光スイッチ４３が設けられてい
る。光スイッチ４３もまた、固定ミラー４８または４９
を介して入射された光束のうちいずれか一方を選択的に
反射するようになっている。

【００５４】固定ミラー４４，４６，４８は、−Ｘ方向
から入射した光束を−Ｙ方向に反射する向きに、また、
固定ミラー４５，４７，４９は、−Ｘ方向から入射した
光束を＋Ｙ方向に反射する向きにそれぞれ設けられてい
る。光スイッチ４１〜４３は、＋Ｙ方向または−Ｙ方向
から入射される光束のうちいずれか一方を選択的に＋Ｘ
方向に出射するように、その反射面の角度を変更するこ
とができるようになっている。

【００５５】次に、図１乃至図５を参照して、各実施の
形態の波面曲率変調装置１の動作について説明する。ま
ず、第１の実施の形態の波面曲率変調装置１の動作につ
いて、図１乃至図３を参照して説明する。図２に示すよ
うに、光源１１で発生された光束は＋Ｘ方向に出射さ
れ、光束Ａ発生部２の部分透過ミラー１２に入射され
る。部分透過ミラー１２は、入射した光束の一部を＋Ｘ
方向に透過し、一部を−Ｙ方向に反射する。＋Ｘ方向に
透過された光束はレンズ列１３に入射し、その波面曲率
を変調され、＋Ｘ方向に出射される。

【００５６】レンズ列１３を構成する焦点距離ｆの２つ
の凸レンズは、その主点間の距離がｆａ＋ｆとなってお
り、数式（１）においてｆａがｆと等しくなるように定
義されている。すなわち、２つの凸レンズの主点間の距
離は凸レンズの焦点距離ｆの２倍であり、−Ｘ方向から
１の凸レンズに入射した光束はその中間位置で焦点を結
び、２の凸レンズに入射する。２つの凸レンズの仕様は
同一であり、１の凸レンズを通過し距離ｆで焦点を結ん
だ光束がその収束角度と同じ広がり角度をもって距離ｆ
の２の凸レンズに入射すると、２の凸レンズを通過した
光束は１の凸レンズに入射する前の光束と同じ広がり幅
の光束（光束Ａ）となって光束Ａ発生部２から出射され
る。この場合、光源１１から発せられた光束が略平行な
光束であるので、その波面曲率ａは平行光の場合の値
（ほぼ０に等しい）をとる。

【００５７】ところで、波面曲率は、曲率半径の逆数で
ある。平行光の曲率半径はほぼ無限大に等しいので、そ
の逆数である波面曲率はほぼ０に等しくなる。

【００５８】また、部分透過ミラー１２で反射された光
束は−Ｙ方向に進み、光束Ｂ発生部３の部分透過ミラー
１４に入射される。部分透過ミラー１４は、入射した光
束の一部を＋Ｘ方向に反射し、一部を−Ｙ方向に透過す
る。＋Ｘ方向に反射された光束はレンズ列１５に入射
し、その波面曲率が変調され、＋Ｘ方向に出射される。

【００５９】レンズ列１５を構成する焦点距離ｆの２つ
の凸レンズは、その主点間の距離がｆｂ＋ｆとなってお
り、数式（２）においてｆｂは、ｆより小さく０より大
きい値として定義されているので、２つの凸レンズの主
点間の距離は凸レンズの焦点距離ｆより大きく２ｆより
小さい。−Ｘ方向から１の凸レンズに入射した光束は、
１の凸レンズから距離ｆの位置で焦点を結び、２の凸レ
ンズに入射する。１の凸レンズを通過し距離ｆで焦点を
結んだ光束がその収束角度と同じ広がり角度をもって距
離ｆより近い距離ｆｂの位置にある２の凸レンズに入射
すると、２の凸レンズはその光束を１の凸レンズに入射
する前の光束と同じ平行光に屈折することができず、広
がり角度を有する波面曲率ｂの光束Ｂとして光束Ｂ発生
部３から出射される。光束Ｂは広がり角度をもち、ほぼ
平行光の光束Ａより曲率半径が小さいので、波面曲率ｂ
は波面曲率ａより大きい値となる。

【００６０】また、部分透過ミラー１４で透過された光
束は−Ｙ方向に進み、光束Ｃ発生部４の部分透過ミラー
１６に入射される。部分透過ミラー１６は、部分透過ミ
ラー１４と同様に、入射した光束の一部を＋Ｘ方向に反
射し、一部を−Ｙ方向に透過する。さらに、部分透過ミ
ラー１６で透過された光束は−Ｙ方向に進み、光束Ｄ発
生部５の全反射ミラー１８に入射される。全反射ミラー
１８は、＋Ｙ方向から入射した光束を＋Ｘ方向に反射す
る。部分透過ミラー１６，全反射ミラー１８で＋Ｘ方向
に反射された光束は、それぞれレンズ列１７，１９に入
射し、その波面曲率が調整され、＋Ｘ方向に出射され
る。

【００６１】光束Ｃ発生部４，光束Ｄ発生部５は、入射
した光束の波面曲率をレンズ列１７，１９を利用してそ
れぞれ調整している。その調整の方法は前述の光束Ｂ発
生部３の場合と同様であり、それぞれのレンズ列１７，
１９に入射した光束は、各々が有する２つの凸レンズの
間の距離ｆｃ＋ｆ，距離ｆｄ＋ｆに応じて波面曲率ｃの
光束Ｃ，波面曲率ｄの光束Ｄにそれぞれ調整され、光束
Ｃ発生部４，光束Ｄ発生部５より各々出射される。ま
た、数式（１），（２）より、 波面曲率ａ＜波面曲率ｂ＜波面曲率ｃ＜波面曲率ｄ の関係が満たされ、光束発生手段１０からは、それぞれ
が異なる波面曲率を有する４つの光束として出射される
こととなる。

【００６２】ところで、網膜上に投影されたピンボケ像
の眼のピント調整機能による検出能力を考慮すると、波
面曲率による表現が無段階に行われる必要はない。例え
ば、曲率半径が１０ｃｍ，５０ｃｍ，３ｍ，無限遠とい
った４段階程度の対数的に異なる波面曲率の光束を表現
するだけでも、実質的に十分な波面曲率の変調の効果を
得ることができる。

【００６３】次に、図３に示すように、光束選択手段２
０には、光束発生手段１０から出射された４つの光束Ａ
〜Ｄが、−Ｘ方向より強度変調器２１〜２４にそれぞれ
入射される。強度変調器２１〜２４は、図７に示す、光
束選択手段駆動回路６３からの信号に基づいて動作さ
れ、通過する光束Ａ〜Ｄの光強度をそれぞれ変調する。
強度変調器２１〜２４を通過して変調された光束Ａ〜Ｄ
は＋Ｘ方向に出射され、光束Ａは全反射ミラー２５に、
光束Ｂ，Ｃは合成ミラー２６，２７にそれぞれ−Ｙ方向
へ反射され、さらに同軸上で合成され、この合成された
光束が、合成ミラー２８によって＋Ｘ方向に反射され
る。光束Ｄは合成ミラー２８を透過し、この合成された
光束にマージされ、光束選択手段２０からの出射光、す
なわち、図１に示す、波面曲率変調装置１からの出射光
として＋Ｘ方向に出射される。

【００６４】図３に示す例の場合、−Ｘ方向から入射す
る波面曲率ａの光束Ａ，波面曲率ｃの光束Ｃ，波面曲率
ｄの光束Ｄが、図７に示す、光束選択手段駆動回路６３
からの信号に基づき、強度変調器２１，２３，２４によ
ってそれぞれ遮断され、＋Ｘ方向に出射されない。一
方、波面曲率ｂの光束Ｂは、強度変調器２２に遮断され
ず、強度変調器２２から＋Ｘ方向に出射される。さら
に、合成ミラー２６で反射されて−Ｙ方向に進み、合成
ミラー２８で＋Ｘ方向に反射され、光束選択手段２０に
よって選択された波面曲率ｂの光束Ｂとして波面曲率変
調装置１から出射される。

【００６５】強度変調器２１〜２４は、入射する光束Ａ
〜Ｄの光強度を遮断及び変調するが、それぞれ光強度の
異なる光束としても出射できる。この場合、１つの光束
に複数の異なる波面曲率を有する光束を合成して、波面
曲率変調装置１から出射することができる。例えば、波
面曲率ｂの光束Ｂと、波面曲率ｃの光束Ｃとを、その光
強度を１対１として合成して出射すると、観察者は、光
束Ｂ及びＣの波面曲率に対応した２つの仮想投影面の中
間に仮想投影面があるかのように認識することができ
る。さらに、合成する光束の光強度の比率を任意に設定
することで、任意の位置に仮想投影面があるかのように
観察者に認識させることができる。従って、光束Ａ〜Ｄ
の光強度の比率を強度変調器２１〜２４によってそれぞ
れ調整し、変調された光束を合成して出射することによ
って、波面曲率の変化を実質無段階に調整するのと同じ
効果が得られる。

【００６６】尚、強度変調器の中には、前述のＡＯＭの
ように波面曲率に影響を与える可能性のあるものもあ
る。この場合は、光束発生手段１０で発生された光束の
波面曲率がＡＯＭを通過することによって乱されてしま
う。これを防止するために、強度変調器２１〜２４を、
光束発生手段１０中のレンズ列１３，１５，１７，１９
と部分透過ミラー１２，１４，１６及び全反射ミラー１
８との間に設置することもできる。この配置において
も、異なった波面曲率を持つ光束を選択するための光束
選択手段として同様の効果が得られる。また、強度変調
器として、半導体レーザの直接変調を用いる場合におい
ては、半導体レーザ光源自体が強度変調機能を持つた
め、必然的にレンズ列１３，１５，１７，１９の前段で
強度変調を行う配置となる。

【００６７】また、上記形態の他にも、図９に示すよう
に、光源として４つの半導体レーザ光源１１ａ，１１
ｂ，１１ｃ，１１ｄを、それぞれ光束発生手段１０中の
レンズ列１３，１５，１７，１９の光路上流側に配置す
ることも可能である。すなわち、光束発生手段１０にお
いて、光束Ａ発生部２の光源として半導体レーザ光源１
１ａを設け、これより出射される光束の光軸上にレンズ
列１３を設ける。同様に、光束Ｂ発生部３，光束Ｃ発生
部４，光束Ｄ発生部５のそれぞれに、半導体レーザ光源
１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと、レンズ列１４，１７，１９
とを光軸が同じとなるように各々設ける。そして、前記
同様、各半導体レーザ光源１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１
１ｄより出射される光束の波面曲率を各レンズ列１３，
１５，１７，１９で変調し、それぞれ波面曲率ａの光束
Ａ，波面曲率ｂの光束Ｂ，波面曲率ｃの光束Ｃ，波面曲
率ｄの光束Ｄとして光束発生手段１０より出射させ、光
束選択手段２０に入射させる。この場合、各半導体レー
ザ光源１１ａ〜１１ｄより出射される光束の光強度をそ
れぞれ調節することで、光束選択手段２０における強度
変調器２１〜２４（図３参照）の構成を省いても、光束
選択手段２０からの出力は、上記同様の効果を得ること
ができる。尚、半導体レーザ光源１１ａ，１１ｂ，１１
ｃ，１１ｄが、本発明の請求項９における光源であり、
レンズ列１３，１５，１７，１９が、本発明の請求項９
における光束変換手段である。

【００６８】次に、第２の実施の形態の波面曲率変調装
置１について、図４を参照して説明する。第２の実施の
形態の波面曲率変調装置１において、光束発生手段１０
によって、光束が発生され、それぞれが異なる波面曲率
を有する４つの光束に分離され、光束選択手段２０に対
して出射されるまでの動作に関しては、前述の実施の形
態の場合と同様である。

【００６９】図４に示すように、光束選択手段２０に
は、光束発生手段１０から出射された４つの光束Ａ〜Ｄ
が、−Ｘ方向より光スイッチ３１〜３４にそれぞれ入射
される。光スイッチ３１〜３４は、図７に示す、光束選
択手段駆動回路６３からの信号に基づいて動作され、入
射される光束Ａ〜Ｄの反射方向をそれぞれ調整する。光
スイッチ３１〜３４に反射された光束Ａ〜Ｄは−Ｙ方向
に進み、光束Ａは全反射ミラー３５に、光束Ｂ〜Ｄは合
成ミラー３６〜３８によって、＋Ｘ方向にそれぞれ反射
され、同軸上で合成される。この合成された光束はスリ
ット３９を通過して、光束選択手段２０からの出射光、
すなわち、図１に示す、波面曲率変調装置１からの出射
光として＋Ｘ方向に出射される。

【００７０】ここで、光スイッチ３１〜３４によって光
束Ａ〜Ｄのいずれかの反射方向が変化された場合、その
光束は、同軸上に整列されている全反射ミラー３５、合
成ミラー３６〜３８、及びスリット３９と同じ軸上を通
過できなくなる。スリット３９はこれら軸のずれた光束
が通過されないように設けられているので、図７に示
す、光束選択手段駆動回路６３からの信号に基づく光ス
イッチ３１〜３４による光束の反射方向の調整によっ
て、光束選択手段２０から出射される光束を選択するこ
とができる。

【００７１】図４に示す例の場合、−Ｘ方向から入射す
る波面曲率ａの光束Ａ，波面曲率ｃの光束Ｃ，波面曲率
ｄの光束Ｄの−Ｙ方向への反射方向が、図７に示す、光
束選択手段駆動回路６３からの信号に基づいて可動され
る光スイッチ３１，３３，３４によって変化される。さ
らに、全反射ミラー３５，合成ミラー３７，３８で＋Ｘ
方向にそれぞれ反射された光束は、その光路がスリット
３９を通過できる光束の軸とずれるため、スリット３９
に遮られて光束選択手段２０から出射されない。一方、
波面曲率ｂの光束Ｂは、その光路がスリット３９を通過
できる光束の軸と同軸上で重なる方向に合成ミラー３６
で反射されるように、光スイッチ３２によって−Ｙ方向
に反射される。従って、光束Ｂはスリット３９を通過す
ることができ、光束選択手段２０によって選択された波
面曲率ｂの光束Ｂとして波面曲率変調装置１から出射さ
れる。

【００７２】スリット３９は、通過する光束の軸がわず
かにずれただけでもその通過を遮断することができるの
で、光スイッチ３１〜３４は、大きく可動する必要はな
い。また、全反射ミラー３５及び合成ミラー３６〜３８
によって光束Ａ〜Ｄを合成することができるので、第１
の実施の形態の場合と同様に、波面曲率変調装置１は合
成した光束の波面曲率を表現することができる。

【００７３】次に、第３の実施の形態の波面曲率変調装
置１について、図５を参照して説明する。第３の実施の
形態の波面曲率変調装置１において、光束発生手段１０
によって、光束が発生され、それぞれが異なる波面曲率
を有する４つの光束に分離され、光束選択手段２０に対
して出射されるまでの動作に関しては、前述の実施の形
態の場合と同様である。

【００７４】図５に示すように、光束選択手段２０に
は、光束発生手段１０から出射された４つの光束Ａ〜Ｄ
が、−Ｘ方向より固定ミラー４４〜４７にそれぞれ入射
される。固定ミラー４４，４６は、光束Ａ，Ｃを−Ｙ方
向にそれぞれ反射し、固定ミラー４５，４７は、光束
Ｂ，Ｄを＋Ｙ方向にそれぞれ反射する。光スイッチ４１
は、固定ミラー４４，４５にそれぞれ反射された光束
Ａ，Ｂのうちいずれか一方を＋Ｘ方向に反射するよう
に、図７に示す、光束選択手段駆動回路６３からの信号
に基づいて動作され、その選択された光束が、光スイッ
チ４１によって反射され、固定ミラー４８に入射され
る。同様に、光束Ｃ，Ｄのうちいずれか一方の選択され
た光束が光スイッチ４２によって反射され、固定ミラー
４９に入射される。固定ミラー４８，４９は、−Ｘ方向
から入射される光束を−Ｙ方向，＋Ｙ方向にそれぞれ反
射する。そして、光スイッチ４３が、図７に示す、光束
選択手段駆動回路６３からの信号に基づいて動作し、固
定ミラー４８，４９にそれぞれ反射された光束のうち選
択されたいずれか一方の光束を＋Ｘ方向に反射する。こ
のように、光スイッチ４１〜４３によって選択的に光束
選択手段２０を通過した光束は、光束選択手段２０から
の出射光、すなわち、図１に示す、波面曲率変調装置１
からの出射光として＋Ｘ方向に出射される。

【００７５】図５に示す例の場合、−Ｘ方向から入射す
る波面曲率ａの光束Ａ，波面曲率ｄの光束Ｄは、光スイ
ッチ４１，４２によってそれぞれ光路を絶たれ、光束選
択手段２０を通過できない。また、光スイッチ４２で反
射された波面曲率ｃの光束Ｃは、光スイッチ４３によっ
て光路を絶たれ、光束選択手段２０を通過できない。一
方、波面曲率ｂの光束Ｂは、光スイッチ４１，４３で反
射され光路を進むことができ、光束選択手段２０によっ
て選択された波面曲率ｂの光束Ｂとして波面曲率変調装
置１から出射される。

【００７６】以上説明したように、第１、第２及び第３
の実施の形態の波面曲率変調装置１は、光束発生手段１
０において、光源１１で発した光束を部分透過ミラー１
２，１４，１６及び全反射ミラー１８によって４つの光
束に分離し、レンズ列１３，１５，１７，１９によって
それぞれが異なる波面曲率ａ〜ｄを有する光束Ａ〜Ｄに
変調する。さらに、第１の実施の形態の光束選択手段２
０の場合、光束Ａ〜Ｄは、強度変調器２１〜２４によっ
てそれぞれ変調され、全反射ミラー２５及び合成ミラー
２６〜２８によって同軸上に光軸が重なった光束となる
ように合成され、光束Ａ〜Ｄのいずれかの光束が、光束
選択手段２０から出射される。

【００７７】また、第２の実施の形態の光束選択手段２
０の場合、光束Ａ〜Ｄは、光スイッチ３１〜３４によっ
てそれぞれその光路が変化され全反射ミラー３５及び合
成ミラー３６〜３８によって合成される光束は、その変
化された光路が、スリット３９を通過できる光束と同軸
上で重なる光路であった場合にのみ、光束Ａ〜Ｄのいず
れかの光束が、光束選択手段２０から出射される。

【００７８】また、第３の実施の形態の光束選択手段２
０の場合、光束Ａ〜Ｄは、固定ミラー４４〜４９及び光
スイッチ４１〜４３によってそれぞれの光路が決定さ
れ、その光路が光スイッチ４１〜４３に遮断されなかっ
た場合にのみ、光束Ａ〜Ｄのいずれかの光束が、光束選
択手段２０から出射される。

【００７９】尚、第２及び第３の実施の形態において
は、まず光束を複数に分離した後、それぞれを異なる波
面曲率を持つ光束とし、さらに光スイッチによって特定
の光束を選択するという構成をとったが、必ずしもこの
順番に限られるものではない。例えば、光スイッチを、
異なる波面曲率を持った光束を発生する手段の前方に配
置することも可能である。光ファイバーにカップリング
された光スイッチのように、波面曲率を維持したままス
イッチングすることが困難なものも存在する。このよう
な形式の光スイッチを用いる場合は、波面曲率を調整す
る手段よりも前方に配置することが必須となる。

【００８０】尚、本発明の波面曲率変調装置１は、前記
第１、第２及び第３の実施の形態に限定されるものでは
なく、各種の変形が可能である。例えば、光束発生手段
１０によって分離される光束は４つに限定する必要はな
い。また、光束発生手段１０は光源１１を有せず、外部
で発生された光束を分離し、異なる波面曲率の光束に変
調する手段であっても良い。

【００８１】また、光束発生手段１０の各レンズ列１
３，１５，１７，１９の変形例について、図６を参照し
て説明する。図６は、光束発生手段１０のレンズ列５０
の変形例を示す図である。図６に示すように、光束発生
手段１０のレンズ列５０は、焦点距離がｆの２つの凸レ
ンズ５１，凸レンズ５３と、凸レンズ５１がＸ軸方向に
変動可能になるように設けられた圧電アクチュエータ５
２とからなる。凸レンズ５１は圧電アクチュエータ５２
の駆動によって、その位置をＸ軸方向に移動することが
できるので、凸レンズ５３との間の距離を調整すること
ができる。凸レンズ５１と凸レンズ５３との間の距離ｆ
ｅ＋ｆは、 ０＜ｆｅ≦ｆ となる範囲で変動可能となるように定義されており、ほ
ぼ平行光の入射光として−Ｘ方向から凸レンズ５１に入
射する光束は、レンズ列５０を通過して凸レンズ５３か
ら出射される場合、レンズ列１３，１５，１７，１９で
説明したのと同様に、距離ｆｅ＋ｆに応じて波面曲率が
変調された光束として出射される。例えばｆｅがｆと等
しい場合は、レンズ列５０を通過して出射される光束
は、入射光と同じ波面曲率を有する光束となる。また、
ｆｅの値が小さくなるに従い、出射される光束の波面曲
率は大きくなる。尚、このレンズ列５０が、本発明にお
ける波面曲率調整手段である。

【００８２】レンズ列１３，１５，１７，１９としてレ
ンズ列５０を利用することで、光束発生手段１０によっ
て発生され変調される４つの光束は、その利用形態に合
わせて波面曲率を変調することができるようになる。例
えば、近距離のみからなる画像を提供する場合には、曲
率半径が１０ｃｍ，３０ｃｍ，５０ｃｍ，１ｍの４つの
光束を、また、遠距離が中心の画像を提供する場合に
は、曲率半径が１ｍ，３ｍ，５ｍ，無限大の４つの光束
を発生させることで、きめ細かな遠近感の表現が実現で
きる。

【００８３】次に、本発明に係る波面曲率変調装置を備
えた画像表示装置の一実施の形態について、図面を参照
しながら説明する。図７は、画像表示装置８０の構成を
示す構成図である。

【００８４】まず、図７を参照して、画像表示装置８０
の構成について説明する。図７に示すように、画像表示
装置８０には、３次元の立体画像を解析してその奥行き
に合わせて異なる２次元の平面画像を合成する仮想投影
手段７７からの映像信号７８に基づいて、画像信号６
８、奥行き信号６７、水平同期信号６９、及び垂直同期
信号７０を発生する映像信号供給手段７１が設けられて
いる。この映像信号供給手段７１からの画像信号６８、
奥行き信号６７、水平同期信号６９及び垂直同期信号７
０を受信して、波面曲率変調装置１の光束発生手段１０
（図２参照）、波面曲率変調装置１の光束選択手段２０
（図３参照）、水平走査光学系６０、及び垂直走査光学
系６１をそれぞれ駆動する駆動電圧を発生する、光束発
生手段駆動回路６４、光束選択手段駆動回路６３、水平
走査系駆動回路６５、及び垂直走査系駆動回路６６がそ
れぞれ設けられている。

【００８５】水平走査光学系６０には、入射した光束を
水平方向に走査するポリゴンミラー（図示外）が設けら
れ、垂直走査光学系６１には、入射した光束を垂直方向
に走査するガルバノミラー（図示外）が設けられてい
る。また、水平走査光学系６０で走査された光束を垂直
走査光学系６１に入射するための第１リレー光学系７５
と、垂直走査光学系６１で走査された光束を観察者の眼
６２に入射するための第２リレー光学系７６とが設けら
れている。波面曲率変調装置１と、水平走査光学系６０
と、第１リレー光学系７５と、垂直走査光学系６１と、
第２リレー光学系７６とは、波面曲率変調装置１で発生
された光束が、水平走査光学系６０によって走査され、
第１リレー光学系７５を介して入射した垂直走査光学系
６１によって走査され、第２リレー光学系７６を介して
観察者の眼６２に入射するようにそれぞれ配置されてい
る。尚、水平走査光学系６０、及び垂直走査光学系６１
が、本発明における光走査手段であり、第１リレー光学
系７５、及び第２リレー光学系７６が、本発明における
光学手段である。

【００８６】次に、図７を参照して、画像表示装置８０
の動作について説明する。図７に示すように、仮想投影
手段７７からの映像信号７８を受信した映像信号供給手
段７１は、受信した映像信号７８に基づいて、観察者の
眼６２に入射する画像を形成するための各信号、すなわ
ち奥行き信号６７、画像信号６８、水平同期信号６９及
び垂直同期信号７０を発生する。光束発生手段駆動回路
６４は、画像信号６８を受信すると、波面曲率変調装置
１の光束発生手段１０（図２参照）を駆動するための駆
動電圧を発生し、光束発生手段１０に印加する。光束発
生手段１０は、この駆動電圧に基づいて光源１１より光
束を発生し、前述のように、それぞれが異なる波面曲率
を有する４つの光束に分離する。

【００８７】次に、光束選択手段駆動回路６３は、奥行
き信号６７を受信すると、波面曲率変調装置１の光束選
択手段２０（図３参照）を駆動するための駆動電圧を発
生し、光束選択手段２０に印加する。前述のように、光
束選択手段２０はこの駆動電圧に基づいて強度変調器等
を駆動し、光束発生手段１０より入射された４つの光束
のうち少なくとも１つを選択し、波面曲率変調装置１か
らの出射光として水平走査光学系６０に対して出射す
る。

【００８８】さらに、水平走査光学系６０は、波面曲率
変調装置１より入射された光束を、ポリゴンミラー（図
示外）で水平方向に走査する。ポリゴンミラーは水平走
査系駆動回路６５で発生された駆動電圧に基づいて回転
され、水平走査系駆動回路６５は、水平同期信号６９に
基づいてポリゴンミラーの回転速度を調整するようにそ
の駆動電圧を発生する。ポリゴンミラーで水平方向に走
査された光束は、垂直走査光学系６１のガルバノミラー
（図示外）に対して出射される。

【００８９】次に、垂直走査光学系６１は、水平走査光
学系６０より第１リレー光学系７５を介して入射された
光束を、ガルバノミラーで垂直方向に走査する。ガルバ
ノミラーは垂直走査系駆動回路６６で発生された駆動電
圧に基づいて上下方向に振幅運動され、垂直走査系駆動
回路６６は、垂直同期信号７０に基づいてガルバノミラ
ーの振幅運動の速度を調整するようにその駆動電圧を発
生する。ガルバノミラーで垂直方向に走査された光束
は、第２リレー光学系７６を介して観察者の眼６２に対
して出射され、その網膜上で結像することによって、観
察者に画像の提供が行われる。

【００９０】次に、図８を参照して、仮想投影手段７７
における立体画像の処理について説明する。図８は、仮
想投影手段７７において、３次元立体画像を仮想投影面
に投影することで、画像提示位置の異なる２次元の画像
情報の集合体を作成する情報処理を説明するための図で
ある。尚、図８において、紙面の上下方向をＺ軸方向、
左右方向をＸ軸方向、表裏方向をＹ軸方向とする。

【００９１】図８に示すように、画像表示装置８０（図
７参照）で立体画像を観察者の網膜上に投影するため
に、仮想投影手段７７（図７参照）では３次元物体モデ
ル９０の解析が行われる。仮想投影手段７７では、例え
ば、３次元物体モデル９０の奥行き方向（Ｚ軸方向）に
合わせて、Ｚ軸方向における、３つの仮想投影面ａ，仮
想投影面ｂ，仮想投影面ｃが設定される。仮想投影面ａ
〜ｃはＺ軸方向に垂直な平面（ＸＹ平面）であり、仮想
投影面ａ，ｂのほぼ中間位置に設定された仮想分割面ｄ
と、仮想投影面ｂ，ｃのほぼ中間位置に設定された仮想
分割面ｅとで３次元物体モデル９０をＺ軸方向に３分割
する。

【００９２】次に、仮想投影手段７７は、仮想視点８２
からＸＹ平面に投影した３次元物体モデル９０を想定す
る。仮想視点８２は、観察者の網膜上に３次元物体モデ
ル９０を投影する場合の、観察者が３次元物体モデル９
０を見る位置として仮に想定する位置である。この仮想
視点８２と３次元物体モデル９０との位置関係を再現し
た画像を観察者の眼に入射させることで、観察者に、あ
たかも仮想視点８２位置で３次元物体モデル９０を観察
しているかのような錯覚をおこさせることができる。仮
想投影手段７７は、仮想分割面ｅより仮想視点８２側に
位置する３次元物体モデル９０の部分を、仮想視点８２
から３次元物体モデル９０のその部分を仮想投影面ｃ上
に投影した画像、すなわち投影された２次元画像８１ｃ
を作成する。同様に、仮想投影手段７７は、仮想分割面
ｅと仮想分割面ｄとの間に位置する３次元物体モデル９
０の部分を仮想投影面ｂ上に、また、仮想分割面ｄより
＋Ｚ側に位置する３次元物体モデル９０の部分を仮想投
影面ａ上に、それぞれ投影した画像、すなわち投影され
た２次元画像８１ｂ、投影された２次元画像８１ａを作
成する。

【００９３】さらに、仮想投影手段７７は、投影された
２次元画像８１ａ〜８１ｃを、３つの異なる奥行きをも
った１つの画像として処理し、処理内容に基づいて映像
信号７８（図７参照）を発生し、映像信号供給手段７１
（図７参照）に伝達する。以降、この映像信号７８が処
理され観察者の網膜上に３次元物体モデル９０が投影さ
れるまでの画像表示装置８０の動作については、前述の
通りである。

【００９４】尚、仮想投影面ａ〜ｃは３つでなくともよ
く、２つ、あるいは４つ以上の仮想投影面を設定しても
よい。また、仮想投影面ａ〜ｃの位置は、３次元物体モ
デル９０のＺ軸方向の大きさに合わせて設定されるが、
それぞれの仮想投影面間の距離は、この仮想投影面ａ〜
ｃを合成した画像を観察者の網膜上に投影した場合、そ
のボケ量がピントのずれの差に基づいてほぼ同一となる
ように、３次元物体モデル９０の奥行き位置に合わせて
設定してもよい。また、例えば、Ｚ軸方向において仮想
投影面ｂの前後の仮想投影面ａ，ｃの、仮想投影面ｂに
対する前記ボケ量が観察者の視覚分解能に基づいてほぼ
一致するように設定してもよい。また、仮想投影手段７
７からの映像信号７８と、外部からの映像信号（図示
外）を映像信号供給手段７１においてマージして、その
マージされた映像信号に基づいた画像表示を行ってもよ
い。また、このマージする画像信号は、奥行き信号を含
まない画像データに限られず、奥行き情報を含む画像デ
ータやポリゴンデータであってもよい。また、この画像
表示装置８０に複数、例えば、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青
（Ｂ）の３色を発生する３つの波面曲率変調装置１を設
けてもよく、この場合、観察者の網膜上にカラーの画像
を投影することができる。

【００９５】尚、一般的な画像においては、各画素ごと
ではＲ，Ｇ，Ｂの３色の波面曲率は等しいので、Ｒ，
Ｇ，Ｂの３色の光束を合成した後、波面曲率変調装置１
に入射するという構成をとることも可能である。この構
成においては波面曲率変調装置１を各色ごとに３つ用意
する必要はなく、単色の場合と同様に１つでカラー画像
の波面曲率変調を行うことができる。

【００９６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る発
明の波面曲率変調装置では、複数の光束発生手段が、互
いに異なる波面曲率を有する光束をそれぞれ発生し、光
束選択手段が、発生された複数の光束のうち少なくとも
１つの光束を選択することができる。従って、異なる波
面曲率を有する光束を出射することができる。

【００９７】また、請求項２に係る発明の波面曲率変調
装置では、請求項１に係る発明の効果に加え、光束選択
手段の光束強度変調手段が、複数の光束発生手段によっ
て発生された複数の光束をそれぞれ独立に強度変調もし
くは遮断することができる。従って、異なる強度及び異
なる波面曲率を有する光束を、任意に出射することがで
きる。

【００９８】また、請求項３に係る発明の波面曲率変調
装置では、請求項１又は２に係る発明の効果に加え、光
束合成手段が、複数の光束発生手段によって発生された
複数の光束を同軸上に合成することができる。従って、
異なる波面曲率を有する光束を合成して同時に出射する
ことができる。

【００９９】また、請求項４に係る発明の波面曲率変調
装置では、請求項１乃至３の何れかに係る発明の効果に
加え、光束選択手段の光スイッチが、複数の光束の選択
を行うことができる。従って、光束の選択を高速に行う
ことができる。

【０１００】また、請求項５に係る発明の波面曲率変調
装置では、請求項１乃至４の何れかに係る発明の効果に
加え、波面曲率調整手段が、複数の光束の波面曲率をそ
れぞれ独立に調整もしくは変調することができる。従っ
て、任意の波面曲率を有する光束を出射することができ
る。

【０１０１】また、請求項６に係る発明の波面曲率変調
装置では、請求項５に係る発明の効果に加え、波面曲率
調整手段は、発生された互いに異なる波面曲率を有する
複数の光束によって、波面の曲率半径を無限大から約１
０ｃｍまでの領域に変調もしくは調整することができ
る。従って、出射する光束の波面曲率を、観察者が遠近
感を認識できる範囲にすることができる。

【０１０２】また、請求項７に係る発明の波面曲率変調
装置では、請求項１乃至６の何れかに係る発明の効果に
加え、異なる波面曲率を有する複数の光束のそれぞれ
が、複数の波長の光束の集合体であるので、複数の波長
からなる光束の波面曲率を調整もしくは変調することが
できる。従って、任意の波面曲率及び任意の色調を有す
る光束を出射することができる。

【０１０３】また、請求項８に係る発明の波面曲率変調
装置では、請求項１乃至７の何れかに係る発明の効果に
加え、光束発生手段の光束分離手段が、少なくとも１つ
の光源から出射される光束を複数の光束に分離し、光束
変換手段が、分離された複数の光束をそれぞれ異なる波
面曲率を有する光束に変換することができる。従って、
複数の互いに異なる波面曲率を有する光束を発生するこ
とができる。

【０１０４】また、請求項９に係る発明の波面曲率変調
手段では、請求項１乃至７の何れかに係る発明の効果に
加え、複数の光源からそれぞれ発生された光束を、その
各光束にそれぞれ対応した光束変換手段によってそれぞ
れ異なる波面曲率を有する光束に変換することができ
る。従って、各光源を制御すれば、各光束変換手段から
出力される各光束を、それぞれ独立に強度変調もしくは
遮断することができる。

【０１０５】また、請求項１０に係る発明の画像表示装
置では、請求項１乃至９の何れかに記載の波面曲率変調
装置を備えているので、光束の波面曲率を変調できる。
従って、異なる波面曲率を有する光束によって画像を形
成することができる。

【０１０６】また、請求項１１に係る発明の画像表示装
置では、請求項１０に係る発明の効果に加え、光走査手
段が、波面曲率変調装置から出射される光束を走査し、
光学手段が、光走査手段によって走査された光束を観察
者の瞳孔に入射させることができる。従って、異なる波
面曲率を有する光束によって形成された画像を観察者の
網膜上に投影することができる。

【０１０７】また、請求項１２に係る発明の画像表示装
置では、請求項１０又は１１に係る発明の効果に加え、
仮想投影手段が、観察者の視点を想定した仮想視点から
の距離が異なる複数の仮想投影面上にそれぞれ２次元画
像を投影することで３次元画像を表現することができ
る。従って、観察者の眼に入射した画像によって、遠近
感を表現することができる。

【０１０８】また、請求項１３に係る発明の画像表示装
置では、請求項１２に係る発明の効果に加え、複数の仮
想投影面の任意の１つに観察者のピント調整がされた場
合、仮想視点からみた仮想投影面の前後に位置する２つ
の仮想投影面のそれぞれのピントのずれの差に基づくボ
ケ量がほぼ同一となるように仮想投影面間の距離が設定
されているので、それぞれの仮想投影面間の遠近感の差
を自然に表現することができる。従って、観察者はそれ
ほど違和感を感じることもなく、それぞれの仮想投影面
間のピント移動を行うことができる。

【０１０９】また、請求項１４に係る発明の画像表示装
置では、請求項１２に係る発明の効果に加え、複数の仮
想投影面の任意の１つに観察者のピント調整がされた場
合、仮想投影面に隣接する仮想投影面のボケ量が観察者
の視覚分解能とほぼ一致するように仮想投影面間の距離
が設定されているので、表現したい遠近感にあわせて効
率よく仮想投影面の配置を設定することができる。従っ
て、仮想投影面数を少なくしても違和感の少ない遠近感
を表現することができる。

【０１１０】また、請求項１５に係る発明の画像表示装
置では、請求項１２乃至１４の何れかに係る発明の効果
に加え、仮想投影手段が、複数の仮想投影面上に投影さ
れる２次元画像に加え、奥行き情報を含む画像データも
しくはポリゴンデータに基づく画像を仮想投影面上に投
影することができる。従って、異なるソースからの画像
を合成して、観察者の網膜上に投影することができる。

【０１１１】また、請求項１６に係る発明の画像表示装
置では、請求項１２乃至１５の何れかに係る発明の効果
に加え、仮想視点から観察した３次元画像の任意の部位
を、任意の部位と仮想視点との間の距離に対応したそれ
ぞれの仮想投影面上に投影することができる。従って、
観察者の網膜上に違和感の少ない３次元画像を投影する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、波面曲率変調装置１の構成を示す構成
図である。

【図２】図２は、光束発生手段１０の構成を示す構成図
である。

【図３】図３は、第１の実施の形態の光束選択手段２０
の構成を示す構成図である。

【図４】図４は、第２の実施の形態の光束選択手段２０
の構成を示す構成図である。

【図５】図５は、第３の実施の形態の光束選択手段２０
の構成を示す構成図である。

【図６】図６は、光束発生手段１０のレンズ列５０の変
形例を示す図である。

【図７】図７は、画像表示装置８０の構成を示す構成図
である。

【図８】図８は、仮想投影手段７７において、３次元立
体画像を仮想投影面に投影することで、画像提示位置の
異なる２次元の画像情報の集合体を作成する情報処理を
説明するための図である。

【図９】図９は、光束発生手段１０の変形例の構成を示
す構成図である。

【符号の説明】

１ 波面曲率変調装置 ２ 光束Ａ発生部 ３ 光束Ｂ発生部 ４ 光束Ｃ発生部 ５ 光束Ｄ発生部 １０ 光束発生手段 １１ 光源 １２，１４，１６ 部分透過ミラー １８ 全反射ミラー １３，１５，１７，１９，５０ レンズ列 ２０ 光束選択手段 ２１〜２４ 強度変調器 ２５ 全反射ミラー ２６〜２８ 合成ミラー ３１〜３４ 光スイッチ ３５ 全反射ミラー ３６〜３８ 合成ミラー ３９ スリット ４１〜４３ 光スイッチ ６０ 水平走査光学系 ６１ 垂直走査光学系 ７５ 第１リレー光学系 ７６ 第２リレー光学系 ８０ 画像表示装置

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに異なる波面曲率を有する光束を発
   生する複数の光束発生手段と、 当該複数の光束発生手段によって発生された複数の光束
   のうち少なくとも１つの光束を選択する光束選択手段と
   を備えた波面曲率変調装置。
2. 【請求項２】 前記光束選択手段は、前記複数の光束発
   生手段によって発生された複数の光束をそれぞれ独立に
   強度変調もしくは遮断する光束強度変調手段を備えたこ
   とを特徴とする請求項１に記載の波面曲率変調装置。
3. 【請求項３】 前記複数の光束発生手段によって発生さ
   れた複数の光束を同軸上に合成する光束合成手段を備え
   たことを特徴とする請求項１又は２に記載の波面曲率変
   調装置。
4. 【請求項４】 前記光束選択手段は前記複数の光束の選
   択を行う光スイッチを備えたことを特徴とする請求項１
   乃至３の何れかに記載の波面曲率変調装置。
5. 【請求項５】 前記複数の光束の波面曲率をそれぞれ独
   立に調整もしくは変調可能な波面曲率調整手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の波面
   曲率変調装置。
6. 【請求項６】 前記波面曲率調整手段は、前記複数の光
   束によって波面の曲率半径を無限大から約１０ｃｍまで
   の領域に変調もしくは調整可能であることを特徴とする
   請求項５に記載の波面曲率変調装置。
7. 【請求項７】 前記異なる波面曲率を有する複数の光束
   のそれぞれが、複数の波長の光束の集合体であることを
   特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の波面曲率変
   調装置。
8. 【請求項８】 前記光束発生手段は、 少なくとも１つの光源から出射される光束を複数の光束
   に分離する光束分離手段と、 当該分離された複数の光束をそれぞれ異なる波面曲率を
   有する光束に変換する光束変換手段とを備えたことを特
   徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の波面曲率変調
   装置。
9. 【請求項９】 前記光束発生手段は、 複数の光束をそれぞれ発生する複数の光源と、 当該複数の光源によって発生された複数の光束を、それ
   ぞれ異なる波面曲率を有する光束に変換する複数の光束
   変換手段とを備えたことを特徴とする請求項１乃至７の
   何れかに記載の波面曲率変調装置。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至９の何れかに記載の波面
    曲率変調装置を備えたことを特徴とする画像表示装置。
11. 【請求項１１】 前記波面曲率変調装置から出射される
    光束を走査する光走査手段と、 当該光走査手段によって走査された光束を観察者の瞳孔
    に入射させる光学手段とを備えたことを特徴とする請求
    項１０に記載の画像表示装置。
12. 【請求項１２】 観察者の視点を想定した仮想視点から
    の距離が異なる複数の仮想投影面上にそれぞれ２次元画
    像を投影することで３次元画像を表現する仮想投影手段
    を備えたことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の
    画像表示装置。
13. 【請求項１３】 前記複数の仮想投影面の任意の１つに
    観察者のピント調整がされた場合、前記仮想視点からみ
    た前記仮想投影面の前後に位置する２つの前記仮想投影
    面のそれぞれのピントのずれの差に基づくボケ量がほぼ
    同一となるように仮想投影面間の距離が設定されている
    ことを特徴とする請求項１２に記載の画像表示装置。
14. 【請求項１４】 前記複数の仮想投影面の任意の１つに
    観察者のピント調整がされた場合、当該仮想投影面に隣
    接する仮想投影面のボケ量が観察者の視覚分解能とほぼ
    一致するように仮想投影面間の距離が設定されているこ
    とを特徴とする請求項１２に記載の画像表示装置。
15. 【請求項１５】 前記仮想投影手段は、前記複数の仮想
    投影面上に投影される２次元画像に加え、奥行き情報を
    含む画像データもしくはポリゴンデータに基づく画像を
    前記仮想投影面上に投影することを特徴とする請求項１
    ２乃至１４の何れかに記載の画像表示装置。
16. 【請求項１６】 前記仮想視点から観察した３次元画像
    の任意の部位を、当該任意の部位と前記仮想視点との間
    の距離に対応したそれぞれの前記仮想投影面上に投影す
    ることを特徴とする請求項１２乃至１５の何れかに記載
    の画像表示装置。