JP2007187863A - 裸眼立体表示装置とその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】メガネなどを掛けることなく、多人数で同時に、視点を移動させても、目の錯覚を利用することなく、目が疲れることがない立体動画表示装置およびその駆動方法を提供する。
【解決手段】裸眼立体表示装置は、ヒステリシス特性を持つ透明無機薄膜ＥＬパネル２を多段に並べたＥＬパネル群３と、励起光源４と、励起光源４からの励起光を２次元平面で変調する空間光変調器１と可変焦点レンズ５を有する。ＥＬパネル群３の特定のＥＬパネル２に対してしきい電圧を加え、励起光源４からの励起光を空間光変調器１で特定のＥＬパネル２に書き込みたい画像に基づいて変調し、変調された励起光を可変焦点レンズ５で特定のＥＬパネル２へ焦点を合わせることにより、特定のＥＬパネル２を所望の画像に基づいて発光させることが可能となる。ＥＬパネル群３の各ＥＬパネル２に、順に、以上の操作を繰り返すことにより、立体動画画像を表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、裸眼立体表示装置およびその駆動方法に関する。

従来、３次元表示、立体ディスプレイは、アミューズメント、エンターテイメント、ゲームなどで、広く使われてきた。その構造は、（１）偏光メガネを掛けて、ディスプレイに水平偏波、垂直偏波の２種類の画像を表示させ、左右の目で異なる画像が見えるようにして、画像が浮き出るようにしたもの、（２）メガネを掛けないで、ディスプレイの２方向あるいは多方向に異なる画像が出射され、これらの画像を左右の目で見る（視差を利用する）ことにより、画像が浮き出るようにしたもの、など様々なタイプがある。

しかしこれらの方式は、実際の像と虚像で見える像のピントが異なり、目が疲れる等の問題があった。さらにメガネをかけなければ多数の人間が同時に同じ画像を見ることが出来ないことや、立体に見える視点が固定されているため、視点が変わると立体画像として認識できないことがあった。

３次元ディスプレイとしては、人間の立体視における主な生理的要因（両眼視差、輻輳、ピント調整、運動視差）を満足でき、自然で疲れないことが望まれている。そのためには、奥行きのあるスクリーンに立体の画像を表示させるものがある。
例えば図１０に示すように、液晶パネル表示素子や透明なＥＬ表示素子を２枚から３枚奥行き方向に列べて、奥行き感を出した立体ディスプレイがある（例えば、非特許文献１参照）。図１０において、１０−１は手前にある画像を表示した偏光子が無い液晶ディスプレイであり、１０−２は遠くの背景の画像を表示した偏光子がない液晶ディスプレイであり、１０−３は中間の背景を表示した偏光子がない液晶ディスプレイであり、１０−４、１０−５は偏光子である。また、１０−６は手前の画像を表示した透明ＥＬパネルであり、１０−７は遠い背景を表示した透明ＥＬパネルであり、１０−８は中間の背景を表示した透明ＥＬパネルである。これらは人物を手前に表示し、背景を後ろに表示するようにして立体感を出している。さらに手前の画像の輝度を上げ、背景の輝度を下げることにより、より立体感を出している。以上のようにすることにより、目の錯覚を利用して立体感を出している。しかしながら、列べる液晶ディスプレイ、ＥＬディスプレイの枚数が２枚から３枚であり、奥行き方向の解像度が低いため、実際の立体画像とは異なる画像しか見ることは出来ない。

また、高速で回転、あるいは移動するスクリーンに発光ダイオードを搭載した立体ディスプレイが市販されている（例えば、非特許文献２、３参照）。あるいは、回転、移動（あるいは光学的に擬似的に移動）するスクリーンに光源と空間光変調器で構成され、投射器で投影する立体ディスプレイも開発されている。またＶｉｚｔａ３Ｄ社からは、液晶スクリーンを２０枚ならべて、その液晶スクリーンヘ空間光変調器からの投射した光を当てて画像を表示させる立体ディスプレイが発売されている。例えばＶｉｚｔａ Ｚ２０／２０（ＶＩＳＴＺ３Ｄ ｉｎｃ．，）である。これは２０枚のスクリーンを時系列で切り替えていくと、奥行きのある立体画像が得られるとしているものである。しかし、液晶スクリーンの応答速度が数１０ｍｓと遅く、動画が表示できないという問題、また、スクリーンの枚数も２０枚程度と少なく、奥行き方向の分解能が低いという問題、さらに、スクリーンが白濁しているので、立体表示が白濁して見えるという問題があった。また、この液晶スクリーンを用いた３次元ディスプレイでは、投射する光が完全にはスクリーンで散乱されず、スクリーンを直進して、ディスプレイ真正面に立っている観察者には、この光が目に入ってしまうという問題点があった。（例えば、非特許文献４、５、６参照）。

従来の、これら立体表示装置は、実際に３次元の画像を表示しているので、目が疲れないという利点があるが、画像が荒く、医療分野や航空管制等での使用に耐えないとういう欠点があった。

また、医療分野や航空管制などでは、視差利用あるいは錯覚を利用した立体ディスプレイではなく、実際に多数の人が同時に、上下左右どこから見ても、目の錯覚を利用することなく、実際の立体感を感じることができる三次元ディスプレイが必要とされている。
財団法人光産業技術振興協会、２００４年３月、光技術動向調査報告書、「４．５．３新方式立体知覚関連」ＰＰ．３０４−３０５ ［平成１７年１２月２６日検索］、インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｃｔｕａｌｉｔｙ−ｓｙｓｔｅｍｓ．ｃｏｍ／＞ ［平成１７年１２月２６日検索］、インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃａｄｊａｐａｎ．ｃｏｍ／ｆｒｅｅ／Ｎｅｗｓ／ｗｅｅｋｌｙ−ａｒｃｈｉｖｅ．ｐｈｐ？ｗｅｅｋｖａｒ＝２００２−０７−２９＞ ［平成１７年１２月２６日検索］、インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｅｕｒｏｋｏｐｔｉｃｓ．ｃｏｍ／ｃｏｍｐａｎｙ／ｐｒｅｓｓ／ａｒｃｈｉｖｅ／ｉｃｈｉｐ１．ｓｈｔｍｌ＞ ［平成１７年１２月２６日検索］、インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｎｓｉｇｈｔｍｅｄｉａ．ｉｎｆｏ／ｎｅｗｓ／ＶＩＺＴＡ３ｄＳｅｔｔｏＢｕｉｌｄＭｏｒｅ３ｄＤｉｓｐｌａｙｓ．ｈｔｍ＞ ［平成１７年１２月２６日検索］、インターネット＜ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３ｄｐｌｕｇｉｎｓ．ｃｏｍ／ｄｅｆａｕｌｔ．ｐｈｐ？ｌｏｃ＝ｎｅｗｓ＆ｉｄ＝２４７＞

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、メガネなどを掛けることなく、多人数で同時に、視点を移動させても、目の錯覚を利用することなく、目が疲れることがない立体動画表示装置およびその駆動方法を提供することにある。

この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、透明基板の上に第１の透明電極、第１の絶縁層、発光層、第２の絶縁層、第２の透明電極の順で積層されたヒステリシス特性を有する透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルを多段に列べたELパネル群と、前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルを励起する波長を有する励起光源と、前記励起光源からの光を画像データに基づいて２次元平面で変調し前記変調した光を前記ELパネル群へ照射する空間光変調器と、を具備することを特徴とする裸眼立体表示装置である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の裸眼立体表示装置において、前記空間光変調器と前記ELパネル群との間に、前記空間光変調器からの光を前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルへ焦点が合うように投射する可変焦点レンズまたは位置可変レンズを設けたことを特徴とする裸眼立体表示装置である。

請求項３に記載の発明は、透明基板の上に第１の透明電極、第１の絶縁層、発光層、第２の絶縁層、第２の透明電極の順で積層されたヒステリシス特性を有する透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルを多段に列べたELパネル群と、前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルを励起する波長を有する励起光源と、前記励起光源からの光を画像データに基づいて２次元平面で変調し前記変調した光を前記ELパネル群へ照射する空間光変調器と、前記空間光変調器と前記ELパネル群との間に設けられ、前記空間光変調器からの光を前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルへ焦点が合うように投射する可変焦点レンズまたは位置可変レンズと、前記各透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルへ順次しきい電圧を加えると共に、該しきい電圧を加えた透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルに書き込むべき画像データを前記空間光変調器に設定し、また、前記励起光源からの光が前記空間光変調器を介して前記しきい電圧を加えた透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルに焦点が合うように前記可変焦点レンズまたは位置可変レンズの焦点距離を制御する制御手段と、を具備することを特徴とする裸眼立体表示装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の裸眼立体表示装置において、前記空間光変調器と前記励起光源の間に、前記励起光源からの光を平行光にする凸レンズを有することを特徴とする裸眼立体表示装置である。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかの項に記載の裸眼立体表示装置において、前記空間光変調器は電気書き込み型のデジタルマイクロミラーデバイス型の空間光変調器または電気書き込み型の強誘電性液晶空間光変調器であることを特徴とする裸眼立体表示装置である。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれかの項に記載の裸眼立体表示装置において、前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルの透明基板の端面が鏡面研磨されており、前記第１および第２の透明電極が、互いに接続されないようにして、前記透明基板の端面にエッジ部分を介して接続されるように形成されており、前記第１および第２の透明電極の、前記透明基板の端面の接続する部分に、取り出し電極が付けられている、ことを特徴とする裸眼立体表示装置である。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６のいずれかの項に記載の裸眼立体表示装置において、前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルはＺｎＳを母体としてＭｎをドープしたＺｎＳ：Ｍｎ黄橙色ＥＬパネル、あるいはＳｒＳを母体としてＣｅをドープしたＳｒＳ：Ｃｅ青色ＥＬパネル、あるいはＣａＳを母体としてＥｕをドープしたＣａＳ：Ｅｕ赤色ＥＬパネルであり、前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルの母体がＺｎＳの場合、Ｍｎ濃度が０．３ｗｔ％よりも高い、ことを特徴とする裸眼立体表示装置である。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜請求項７のいずれかの項に記載の裸眼立体表示装置において、前記励起光源が、前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルがＺｎＳ：Ｍｎ黄橙色ＥＬの場合には、該光源が波長３３７ｎｍを含む紫外線光源であり、前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルがＳｒＳ：Ｃｅ青色ＥＬの場合には波長４３０ｎｍを含む青色光源であり、前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルがＣａＳ：Ｅｕの場合には、波長４８０ｎｍを含む青色光源である、ことを特徴とする裸眼立体表示装置である。

請求項９に記載の発明は、透明基板の上に第１の透明電極、第１の絶縁層、発光層、第２の絶縁層、第２の透明電極の順で積層されたヒステリシス特性を有する透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルを多段に列べたELパネル群と、前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルを励起する波長を有する励起光源と、前記励起光源からの光を画像データに基づいて２次元平面で変調し前記変調した光を前記ELパネル群へ照射する空間光変調器と、前記空間光変調器と前記ELパネル群との間に設けられ、前記空間光変調器からの光を前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルへ焦点が合うように投射する可変焦点レンズまたは位置可変レンズと、を具備する裸眼立体表示装置の駆動方法において、前記ELパネル群の透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルへしきい電圧を加え、該しきい電圧を加えた透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルに書き込むべき画像を前記空間光変調器に書き込み、前記励起光源からの光を該空間光変調器によって変調して前記可変焦点レンズまたは位置可変レンズによって前記しきい電圧を加えた透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルに焦点を合わせて投射して画像書き込みを行い各透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルの励起光が照射された部分のみを発光状態にし、前記ELパネル群において上記操作を繰り返すことによって立体画像を表示することを特徴とする裸眼立体表示装置の駆動方法である。

請求項１から請求項５および請求項９の発明によれば、メガネなどを掛けることなく、多人数で同時に、視点を移動させても、目の錯覚を利用せず、目が疲れることがない立体動画表示をすることができるという効果を奏する。
また、請求項６の発明によれば、透明な立体物としての裸眼立体表示装置の中に、立体画像を表示することができるという効果を奏する。
また、請求項７および８の発明によれば、黄橙色、青色、または赤色に発光する立体画像が表示することができるという効果を奏する。

最初に、本発明に用いられる立体表示の原理について述べる。これはヒステリシス特性（メモリ効果）を持つ無機薄膜ＥＬパネルにしきい電圧を印加し、発光センタを励起する光（励起光）を照射すると、しきい電圧が印加され且つ励起光が照射された無機薄膜ＥＬパネルの部分のみが発光する、という発明者が発見した特異な現象を用いて実現されるものである。

即ち、無機薄膜ＥＬパネルを多数枚列べた全面ベタ薄膜ＥＬ発光パネル（ヒステリシス特性を持つ）群と、それぞれのＥＬ発光パネルに映像を書き込む励起光源付き（光源の波長は無機ＥＬパネルの発光センタの励起波長を含む）の空間光変調器から構成される。また空間光変調器の像を、無機ＥＬパネルに焦点を合わせて書き込むため、高速の可変焦点レンズあるいは位置可変レンズをこの間に入れてもよい。
ここで用いるＥＬパネルは輝度−電圧特性にヒステリシス特性を持ち、しきい電圧を印加しておき、その上に空間光変調器で、発光センタの励起波長の光で画像を書き込むと、この光が当たった部分が発光する。
それぞれのＥＬパネルに書き込む画像は、立体の輪切り画像であり、列べるＥＬパネルのガラス基板の厚さを薄くし、枚数を多くすることにより、より高精細で奥行きのある位体画像を得ることができる。

以上のように、列べた薄膜ＥＬパネル群の各ＥＬパネルに、時系列にしきい電圧と立体の輪切り画像を書き込むことにより、上下左右どこから見ても、また多人数で同時に見ても、視点を動かして見ても、メガネなどを掛ける必要もなく、目の錯覚を利用することなく、目が疲れることもなく、高精細な立体映像を見ることが可能となる。

また、ここで用いる薄膜ＥＬパネルは、応答速度は１ｍｓと速く、動画を表示でき、さらにスクリーンの枚数も１００枚〜２００枚程度と多くすることができ、奥行き方向の分解能を高くすることができる。またＥＬパネルは透明であり、ＥＬパネルを積層して透明な立方体を作成すると、その立方体の中に立体画像が発光して見えるという利点も得られる。

本発明の概要を図１に示す。１は透過型の空間光変調器、２は透明無機薄膜ＺｎＳ：ＭｎＥＬパネル、３は該ＥＬパネル２を列べたＥＬパネル群、４は励起光源、５は空間光変調器１からの励起光を選択された特定のＥＬパネル２に結像させるための可変焦点レンズまたは位置可変レンズ、６は励起光をカットするフィルタである。
また、Ａ１は励起光源４から照射された励起光であり、Ａ２は空間光変調器１の上に書き込んだ画像である文字「Ａ」の図形であり、Ａ３は選択されたＥＬパネル２が文字「Ａ」の図形として発光している状態であり、Ｏは観察者である。

ＥＬパネル２はガラス基板上に、透明電極および絶縁層でＺｎＳ：Ｍｎ黄橙色ＥＬ発光層を挟んだ二重絶縁構造のＡＣ駆動型無機薄膜ＥＬパネルである。また、背面電極が透明であり、発光層および絶縁層が透明であるので、このＥＬパネル２は透明である。
励起光源４は、ＥＬパネル２の発光センタであるＭｎを励起するために、波長３３７ｎｍを含む紫外線光源であることが望ましい。

ここで本発明に用いる透明無機薄膜ＺｎＳ：Ｍｎ黄橙色ＥＬパネル２のヒステリシス特性（メモリ効果）および光照射効果について説明する。無機薄膜ＥＬのヒステリシス特性については、従来よく知られている現象であるが、我々はメモリ効果を持つ無機薄膜ＥＬに光を照射するとその光照射パワーに応じて、発光強度が上がるという現象を見出し、本発明の裸眼立体表示装置にこの現象を適用した。
二重絶縁構造のＺｎＳ：Ｍｎ薄膜ＥＬ素子は、そのＭｎ濃度を０．３ｗｔ％以上にすると、図２に示すように、電圧上昇時と降下時で電圧−輝度特性にヒステリシスが生じる。これはメモリ効果と呼ばれる。我々はメモリ効果を持つ薄膜ＥＬパネルにしきい電圧を印加し、励起光を照射すると、その輝度が上昇するという現象を見出した。Ｍｎの励起波長は約３３７ｎｍであり、この付近の波長を持つ紫外線を、しきい電圧を印加したＥＬパネルに照射すると、輝度を上昇させることができる。

即ち、例えば、電圧上昇時のしきい電圧（図２の点Ａ）に状態があるとする。このパネルに紫外線を照射すると点Ｂの発光状態に移動し、紫外線を切ってもその状態が保たれる。紫外線光のパワー強度を上げると、点Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆに輝度が上昇していく。このため、グレースケールの表示も可能となる。

またＺｎＳ：Ｍｎ以外に、ＳｒＳ：Ｃｅ青色ＥＬ、ＣａＳ：Ｅｕ赤色ＥＬでも、同じようにメモリ効果、励起光照射効果がある。これは、電界発光（ＥＬ発光）がＭｎ、Ｃｅ、Ｅｕ等の発光センタを電子衝突で励起するのに対し、これらの発光センタを励起する波長の光を照射しても、同様に励起できるためである。
該無機薄膜ＥＬ素子がＺｎＳ：Ｍｎ黄橙色ＥＬの場合には、光源が波長３３７ｎｍを含む光がＭｎを励起し、ＳｒＳ：Ｃｅ青色ＥＬの場合には波長４３０ｎｍを含む光がＣｅを励起し、ＣａＳ：Ｅｕの場合には、波長４８０ｎｍを含む光がＥｕを励起して、上記の効果が現れる。

また、しきい電圧は、一般に、ＥＬパネルを構成する素材（ＺｎＳ、ＳｒＳ、ＣａＳ、Ｍｎ、Ｃｅ、Ｅｕなど）や、ＥＬ発光層や絶縁層の厚さや、ＥＬパネルに印加する交流周波数などに依存するものである。

次に動作を説明する。図１の左側の励起光源４からの励起光Ａ１を空間光変調器１（ここでは透過型の空間光変調器を例にしている）を通過させて、所望のＥＬパネル２に可変焦点レンズ５を介してこの像を結像させる。所望のＥＬパネル２には、発光開始直前の電圧（しきい電圧）が印加されており、励起光を照射していない部分は発光しないが、励起光が照射された部分は発光する。従って、空間光変調器に書き込まれた画像Ａ２が、所望のＥＬパネル２に表示される（Ａ３）。ＥＬパネルを通過した励起光が観測者Ｏの目に入ることや観測者Ｏが励起光を見ることを避けるために、励起光カットフィルタ６を本裸眼立体表示装置の前面に配置しておく。ＥＬパネル群３において、この操作を、各ＥＬパネル２に時系列で電圧の印加と光を照射することにより、観測者Ｏには、立体の画像が観測できることになる。

次に、本発明の第一の実施の形態の構成を図３に示す。１はデジタル・マイクロミラ―・デバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ：ＤＭＤ）空間光変調器であり、２はメモリ効果を持つ透明無機ＥＬパネルであり、３は該ＥＬパネル２を列べたＥＬパネル群であり、４は励起光源であり、５は可変焦点レンズであり、６は励起光をカットするフィルタであり、７は発光を開始する直前の電圧（しきい電圧）を出力する交流電源であり、８は時系列で各ＥＬパネルに電圧を印加するスイッチである。
また、Ｂ１は該励起光源４からの励起光であり、Ｂ２はＤＭＤ空間光変調器１に表示された文字「Ａ」の画像であり、Ｂ３は透明ＥＬパネル２に励起光が当たり発光している所であり、Ｏは観察者である。
また、ＤＭＤ空間光変調器１、励起光源４、可変焦点レンズ５、スイッチ８を制御する制御部がある。制御部については特に図示はしていない。

次に、ＥＬパネル２の一例として、透明二重絶縁構造薄膜ＥＬパネルの断面図を図４に示す。４−１は透明ガラス基板である。４−２は透明電極であり、４−３はＴａ２Ｏ５などの絶縁層であり、４−４はＺｎＳ：Ｍｎ膜発光層であり、４−５は絶縁層４−３と同様の絶縁層であり、４−６は透明電極であり、この順序で透明ガラス基４−１の上に積層されている。４−７はガラス基板側面から取り出した電極である。
ここで、透明電極絶４−２は透明ガラス基板４−１の側面にエッジ部を介して接続されている。また、透明電極４−６は、透明電極絶４−２と接続されないように、透明電極絶４−２が透明ガラス基板４−１に接続されている側面と異なる透明ガラス基板４−１の側面にエッジ部を介して接続されている。

ＥＬパネル２は、Ｉｎ２Ｏ３：Ｔｉ（ＩＴＯ）透明電極およびＴａ２０５等の絶縁層でＥＬ発光層を挟んだ二重絶縁構造のＡＣ駆動型透明無機薄膜ＺｎＳ：ＭｎＥＬパネルであり、ガラスの側面も鏡面研磨されており、背面電極が透明電極であるので、表面および側面から見ても透明である。透明電極、絶縁層、発光層の膜厚は数１００ｎｍと光の波長よりも薄いため、これらの材料の屈折率が高いにもかかわらず、光学的にはガラスの屈折率とこれらの膜の屈折率がほぼ等しく、ガラス／透明電極／絶縁層／発光層／・・・と積層しても、これらの界面反射による光の減衰はない。

これらのＥＬパネル２は重ねてもよいし、空間を置いて配列してもよい。空間を置く場合には、ガラス面および背面の透明電極には無反射コートを施す必要がある。また重ねる場合にも、これらのＥＬパネル間に空隙が生じるので、ガラス／空気および透明電極／空気の界面の反射を押さえるために、ガラスの屈折率と同じ屈折率を持つマッチングオイルを充填してもよい。
また、上下左右どの方向から見ても立体的に見えるようにするために、例えば、ガラスの端面も鏡面研磨して、あたかも透明なガラスキューブに見えるようにすることもできる。但し電極の取り出し部分は透明とはならない。電極の取り出しは、ガラス表面と側面のエッジ部分を介して、ガラス側面まで透明電極を付け、ガラス側面の透明電極から電極を取り出している。
また、形状はガラスキューブのみによらず、立方体や、直方体や、任意の立体形状とすることも可能である。

次に、可変焦点レンズ５について説明する。高速な可変焦点レンズには各種の物が開発されている。図５に可変焦点レンズの一例を示す。５−１はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）ピエゾ素子などの圧力をかける素子、５−２は伸縮性のあるゴムなどの側壁、５−３は液体を収める容器、５−４は透明液体（水など)、５−５は透明で伸縮性のあるゴムなど、５−６は人射光ビーム、５−７は出射光ビームである。
透明液体を伸縮性の透明ゴムで挟み、その側面からＰＺＴなどのピエゾ素子の圧力で押したり引いたりして、ゴムの凸形状を変化させて、焦点距離を変えている。この速度は基本的にピエゾの速度であるので、μｓと応答が速い（例えば、特開２０００−２４９８１３号公報「可変焦点レンズ」参照）。
なお、可変焦点レンズ５の代わりに、可変位置レンズ５を用いて、画像を所望のディスプレイに投影してもよい。この場合も、固定の焦点のレンズにピエゾ素子を付けて、その位置を高速に移動する。
また、ピエゾ素子の代わりに、電磁モータを用いても構わない。この原理は、自動焦点力メラに用いられている。

次に空間光変調器１について、簡単に説明する。空間光変調器とは、光の振幅、位相あるいは偏光の状態を変調する素子を、二次元的な空間にピクセルとして配列したものである。素子が二次元的に配置されているため、入力された文字の図形や輪切り画像に合わせて二次元的に光変調を行うことが可能である。空間光変調器には、小さい鏡（鏡面素子）を複数用いた反射型の空間光変調器（例えば、ＤＭＤ空間光変調器）や、液晶を用いた透過型の空間光変調器（例えば、強誘電性液晶空間光変調器）がある。
第一から第三の実施の形態においては、空間光変調器１を用いて、励起光を任意の画像になるように二次元平面において変調させている。

空間光変調器１として、まず、第一の実施の形態で用いる空間光変調器であるデジタル・マイクロミラー・デバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ：ＤＭＤ）空間光変調器について説明する。ＤＭＤ空間光変調器は、例えば、ＴＥＸＡＳ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ（登録商標）社より、実験用のＤＭＤ空間光変調器としてＤｉｓｃｏｖｅｒｙ１１００として、駆動ソフトを含めて販売されている。その構造を図６に示す。
ＤＭＤは、ＣＭＯＳ上にヒンジ付きのマイクロミラーアレイを列べたもので、電圧を印加しない場合には、ヒンジの角度は０°であるが、電圧をプラスあるいはマイナスに印加すると、ヒンジがＤＭＤ面の４５°対角を対称線として土１２°に傾く。光を斜めから照射すると−１２°の角度に傾いたミラーがＤＭＤ基板に垂直に反射されてＥＬパネルに到達するのに対し、＋１２°の光は蹴られて、ＥＬパネルには達しない。μｓの応答が可能である。

また、空間光変調器１として、第三の実施の形態において用いられる、高速に動作する透過型の空間光変調器として、強誘電性液晶空間光変調器があり、これも市販されている。応答速度は数１０μｓである。例えば、ＤＩＳＰＬＡＹＴＥＣＨ（登録商標）社の強誘電性液晶空間光変調器ＬＩＧＨＴＣＡＳＴＥＲ（登録商標）１２８０×７６８が本実施の形態に適用可能である。

次に第一の実施の形態の動作を説明する。図３の手前の励起光源４からの励起光Ｂ１を、ＤＭＤ空間光変調器１に斜めから当てる。ＤＭＤ空間光変調器１には文字「Ａ」の画像Ｂ２が表示されており、文字「Ａ」の図形の励起光がＤＭＤ空間光変調器１で垂直に反射される。その他の光は外側に蹴られる。選択したＥＬパネル２に印加する電圧はしきい電圧とする。このＥＬパネル２に、空間光変調器１から画像Ｂ２の形に反射されてきた励起光の焦点が合うように、可変焦点レンズ５の焦点を変え、選択したＥＬパネル２に画像Ｂ２が書き込める。この操作を繰り返すことによって、動画表示が可能な立体ディスプレイが実現できる。
なお、可変焦点レンズ５の代わりに位置可変レンズ５を用い、可変焦点レンズ５の焦点を変える代わりに、位置可変レンズ５の位置を変えてもよい。

図７に各ＥＬパネル２（ＥＬパネル群３）に印加する電圧パルスのタイムチャートを示す。７−１は第１番目のＥＬパネル２のゼロ電位を示す。７−２は第２番目のＥＬパネル２のゼロ電位を示す。７−３は第３番目のＥＬパネル２のゼロ電位を示す。７−４は第４番目のＥＬパネル２のゼロ電位を示す。７−ｎは第ｎ番目のＥＬパネル２のゼロ電位を示す。７−２００は第２００番目のＥＬパネル２のゼロ電位を示す。時間経過に従い、まず第１番目のＥＬパネル２に対して、しきい電圧が印加される。印加されるのは交流電圧である。図には交流を簡略して記載してある。また、図では交流の印加として１周期のみの交流が示してあるが、交流の印加期間は１周期のみに限られるものではない。
第１番目のＥＬパネル２にしきい電圧が印加されている間に、第１番目のＥＬパネル２に画像としての励起光が焦点を合わせて当てられることにより、第１番目のＥＬパネル２が画像の形に光る。次に、第２番目のＥＬパネルに対して、しきい電圧が印加され、同様の処理が行われ、第２番目のＥＬパネル２が画像の形に光る。その後、次々に印加されるＥＬパネルが変更されていき、第２００番目のＥＬパネルまで、しきい電圧が印加され、同様の処理がなされる。その後、再度第１番目のＥＬパネルが印加される。このように、連続する各ＥＬパネルに対して、時間的に連続して、しきい電圧を印加する点が重要となる。また、以上のような印加電圧のタイミングの制御は、スイッチ８と制御部によってなされる。

以上のような構成において、例えば、２００枚のパネルを書き込むのに１００ｍｓｅｃを要し、一枚のパネルに掛ける時間は５００μｓｅｃである。ＤＭＤ空間光変調器や強誘電性液晶空間光変調器が高速に駆動できるので、５００μｓｅｃの間に空間光変調器を駆動させることは十分可能である。従って、１秒間に１０コマの動画立体画像を表示することが可能となる。

また、励起光が観察者Ｏに見えることや当たることを防ぐために、前面に励起光カットフィルタ６を配置している。図３では、本発明の内容を理解し易くするために、Ａの文字が１０個分離して奥行き方向に並んだように描いているが、実際にはガラス基板を薄くして文字のピッチを狭くし、枚数を増やすことにより、Ａの文字が奥行き方向に連続しているように見える。例えば、１０ｃｍｘ１０ｃｍｘ０．５ｍｍ厚の透明無機ＥＬパネルを２００枚積層して、約１０ｃｍ角の透明立方体を作成し、その中に立体表示をすることも可能である。

以上に説明の、第一の実施の形態による立体ディスプレイは、メガネをかける必要はなく、さらに錯覚利用あるいは両眼視差を利用していないので、目が疲れることもなく、多数の人が同時に立体像を見ることができるという利点がある。

同様にＳｒＳ：Ｃｅ青色ＥＬ、ＣａＳ：Ｅｕ赤色ＥＬでも同様のメモリ効果があり、ＣｅあるいはＥｕの励起波長（それぞれ４３０ｎｍ、４８０ｎｍ）に相当した青色光を照射すると光を照射した部分のみが発光することになる。

以上に説明した第一の実施の形態においては、各ＥＬパネル２には文字「Ａ」の図形が描画されていた。しかし、各ＥＬパネル２に、それぞれ任意の画像を描くことが可能である。好ましくは、１枚のＥＬパネル２には立体物の輪切り画像が描かれ、輪切り画像の集合として、立体画像が見られる。また、先に説明したように、励起光の照射の強度（または単位時間における励起光の強度）によってＥＬパネル２の発光量が変化し、濃淡を作り出すことができる。また、描画する画像を時間的に変化させることにより、３次元の動画やアニメーションとして表示することができる。このような実施の形態を、第二の実施の形態として以下に説明する。

第二の実施の形態における構成については、図３の第一の実施の形態に、更に画像記憶部が追加される。
画像記憶部には、ＤＭＤ空間光変調器１へ送る複数の連続する輪切り画像のデータが記憶されている。記憶されている画像は、連続する輪切り画像のデータであり、時刻ｔ１の各輪切り画像は、輪切り画像データ（ｔ１、１）、輪切り画像データ（ｔ１、２）・・輪切り画像データ（ｔ１、ｎ）・・輪切り画像データ（ｔ１、２００）として連続して記憶されているとする。同様に、時刻ｔ２の輪切り画像の各データは、輪切り画像データ（ｔ２、１）、輪切り画像データ（ｔ２、２）・・輪切り画像データ（ｔ２、ｎ）・・輪切り画像データ（ｔ２、２００）として保存されている。以下、各時刻ｔｎについての、輪切り画像データも同様に保存されているものとする。

また、制御部での処理として、画像記憶部より輪切り画像データを読み出し、輪切り画像データをＤＭＤ空間光変調器１へ設定し、また輪切り画像データの濃淡に応じてＤＭＤ空間光変調器１を制御することが追加される。
画像記憶部と制御部については、特に図に明示してはいない。

次に、立体物の連続する輪切り画像の濃淡を付けて、各ＥＬパネル２（ＥＬパネル群３）に連続して描画し、３次元動画として表示を行う第二の実施の形態においてなされる動作を、図８のフローチャートを用いて説明する。
図８のフローチャートにおいては、選択する輪切り画像と選択するＥＬパネルを識別するための番号として番号ｉと、動画としての画像識別するために時刻ｔが変数としてある。説明のため、初期値としてｉ＝１、ｔ＝ｔ１として説明を始める。
まず、制御部は、画像記憶部より輪切り画像データ（ｔ１，１）を読み出し（ステップＳ１）、読み出した輪切り画像データ（ｔ１、１）をＤＭＤ空間光変調器１に設定する（ステップＳ２）。次に、可変焦点レンズ５の焦点を変えることにより、第１番目のＥＬパネル２に空間光変調器１からの画像の焦点が合うようにする（ステップＳ３）。次に、第１番目のＥＬパネル２にしきい電圧を印加する（ステップＳ４）。次に、励起光源４を点灯する（ステップＳ５）。

ここまでの処理により、励起光源４からの光が、ＤＭＤ空間光変調器１に斜めから当てられる。ＤＭＤ空間光変調器１には輪切り画像データ（ｔ１、１）の画像に合わせて、鏡面素子の角度が調節されており、画像に合わせて励起光を反射する。輪切り画像データ（ｔ１、１）の画像に対応する光がＤＭＤで垂直に反射され、可変焦点レンズ５により第１番目のＥＬパネル２にその焦点が合わせられ、また、第１番目のＥＬパネル２にはしきい電圧が印加されているため、第１番目のＥＬパネル２が輪切り画像データ（ｔ１、１）の形に発光する。この第１番目のＥＬパネル２の発光は、全方向へ向けて発光されるので、あらゆる方向の観察者Ｏから見ることができる。

次に、輪切り画像データ（ｔ１、１）の画像の濃淡に合わせてＤＭＤ空間光変調器１を制御し、第１番目のＥＬパネル２の発光の強度（濃淡）を調整する（ステップＳ６）。
これは、鏡面素子を振動させて、ＥＬパネルに達する光の量を多くすると、その鏡面素子に対応するＥＬパネル２の部分は明るく光り、また逆に、ＥＬパネルに達する光の量を少なくすると、その鏡面素子に対応するＥＬパネル２の部分は暗く光ることを利用することにより行われる。
以上のように、ＤＭＤ空間光変調器１の各鏡面素子の振動のさせ方を、画像の濃淡に合わせて調節することにより、ＥＬパネル２に対して濃淡を付けて発光することが可能となる。

次に、励起光源４を消灯し、第１番目のＥＬパネル２へのしきい電圧の印加を無くす（ステップＳ７）。これにより、第１番目のＥＬパネル２の発光は終了する。

新規
その後、選択する輪切り画像データおよび選択するＥＬパネル２の番号ｉをインクリメントし、番号ｉが２となる（ステップＳ８）。次の先のステップＳ１からステップＳ７と同様の処理が行われ、輪切り画像データ（ｔ１，２）が第２番目のＥＬパネル２に描画される。

次に、選択する輪切り画像データおよび選択するＥＬパネル２の番号ｉが、ＥＬパネル２の枚数である２００より大きくなった場合には、番号ｉが１に戻される（ステップＳ９）。その後、再度ステップ１からステップＳ７が繰り返され、輪切り画像データ（ｔ１，１〜ｎ）が第１〜ｎ番目のＥＬパネル２に、それぞれ描画される。

以上までの処理により、連続した輪切り画像が、ＥＬパネル群３の中に、立体的に表示される。また、各ＥＬパネル２の発光は全方向になされるので、全方向の観測者Ｏから、同時に立体として見ることが可能である。

次に、一定時間が経過した後に、時刻ｔがインクリメントされ、ｔ１がｔ２となる。その後、ステップＳ１からＳ９が繰り返され、輪切り画像データ（ｔ２，１〜ｎ）が第１〜ｎ番目のＥＬパネル２に、それぞれ描画される。
これにより、全方向の観測者Ｏから、同時に、立体の動画として見ることが可能となる。

また、ここでは、連続する輪切り画像のデータが、画像記憶部に保存されているとしたが、航空管制などにおいては、飛行機の時事刻々と変化する位置データに基づいて作成される画像でもよいし、３Ｄポリゴン画像のようにコンピュータ内でリアルタイムに作成される画像でもよい。

また、上述のステップＳ９においては、一定時間が経過した後に、時刻ｔがインクリメントされるとしたが、ステップＳ９において無条件に時刻ｔをインクリメントすることも可能であるし、ステップＳ９を巡回した回数に応じて時刻ｔがインクリメントしてもよい。
また、ＥＬパネルの枚数を２００枚として説明を行ったが、枚数は２００に限定されるものではない。

次に第三の実施の形態について説明する。第一または第二の実施の形態では、空間光変調器１に描いた図を可変焦点レンズ５でＥＬパネル２へ焦点を合わせて投影した。これに対して、第三の実施の形態では、可変焦点レンズまたは可動（位置可変）レンズを用いない構成からなる裸眼立体表示装置を説明する。

第三の実施の形態を図９に示す。ここで１は強誘電性液晶空間光変調器、２はＳｒＳ：Ｃｅ青色薄膜ＥＬパネル、３は該ＥＬパネル２を列べたＥＬパネル群、４はＳｒＳ中のＣｅを励起する波長４３０ｎｍを含む励起光源、９は励起光源からの光を平行光にする凸レンズ、６は４３０ｎｍの励起光をカットするフィルタである。各ＥＬパネル２についての交流電源やスイッチは省略してある。
また、Ｃ１は該凸レンズ９によって平行にされた平行光、Ｃ２は強誘電性液晶空間光変調器１に描いた文字「Ａ」の図形、Ｃ３は空間光変調器によって文字「Ａ」の図形に応じた平行光、Ｃ４はＥＬパネル２で励起されて発光している部分であり、Ｏは観測者である。

ここで第三の実施の形態と第一または第二の実施の形態とで大きく異なるのは、空間光変調器１とＥＬパネル２の間に可変焦点レンズ（図３の５）が設置されていない点である。第一または第二の実施の形態では、空間光変調器１に描いた画像Ｂ２を、各ＥＬパネル２に焦点を合わせるようにして、ＥＬパネル２に画像を書き込んだ。これに対して第三の実施の形態では、励起光源４からの励起光を、焦点を無限（即ち平行光）にして、全てのＥＬパネル２に励起光を照射している。
光は回折するので、光路が長くなれば、画像がぼけるが、空間光変調器１とＥＬパネル２の距離が短かければ、画像のぼけは少なくなり、可変焦点レンズ（図３の５）を用いなくても、全てのＥＬパネル２に励起光を照射し、発光させたい所望のＥＬパネル２に印加電圧を印加することにより、所望のＥＬパネル２に画像を書き込むことができる。
このようにして、ＥＬパネル群３の各ＥＬパネル２に対して、画像を書き込む操作を繰り返すことにより、立体ディスプレイを実現できる。
ここで注意する点は、全てのＥＬパネル２に励起光が照射されているが、全てのＥＬパネル２が発光するわけではなく、励起光が照射されておりかつ印加電圧が印加されたＥＬパネル２のみが発光する、ということである。

以上の、第三の実施の形態におけるフローチャートは、第一または第二の実施の形態においてなされたものと、ほぼ同じである。図８のフローチャートにおいては、ステップＳ３の可変焦点レンズ５の調節が不要となるのみである。

また図８のステップＳ６においてなされる画像に応じた濃度の調節において、強誘電性液晶空間光変調器に応じた調節がなされる。

なお、第一から第三の実施の形態の説明において、レンズとして可変焦点レンズや位置可変レンズや凸レンズ、空間光変調器としてＤＭＤ空間光変調器や強誘電性液晶空間光変調器、ＥＬパネルとしてＺｎＳ：Ｍｎ黄橙色ＥＬパネル、ＳｒＳ：Ｃｅ青色ＥＬパネル、ＣａＳ：Ｅｕ赤色ＥＬパネルと各ＥＬパネルに対応する励起波長を有する励起光源とを用いて説明してきたが、これらの組み合わせは説明に限られるものではなく、任意に組み合わせることが可能である。

以上、この発明の実施形態を、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

本発明は医療分野や航空管制などで用いる三次元ディスプレイ用に最適である。

この発明の実施形態による裸眼立体表示装置の構成の概要を示す説明図である。 薄膜ＥＬ素子のメモリ効果を示すグラフである。 第一の実施形態による裸眼立体表示装置の構成を示す説明図である。 透明二重絶縁構造薄膜ＥＬパネルの構造を示す断面図である。 可変焦点レンズの一例を示す説明図である。 ＤＭＤの構成を示す分解斜視図である。 各ＥＬパネルに印加する電圧パルスのタイミングを示すタイムチャートである。 第二の実施形態による裸眼立体表示装置の動作を説明するためのフローチャートである。 第三の実施形態による裸眼立体表示装置の構成を示す説明図である。 従来の裸眼立体表示装置の構成を示す説明図である。

符号の説明

１ 空間光変調器
２ ＥＬパネル
３ ＥＬパネル群
４ 励起光源
５ 可変焦点レンズまたは位置可変レンズ
６ フィルタ
７ 交流電源
８ スイッチ
９ 凸レンズ
Ｏ 観測者

Claims (9)

1. 透明基板の上に第１の透明電極、第１の絶縁層、発光層、第２の絶縁層、第２の透明電極の順で積層されたヒステリシス特性を有する透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルを多段に列べたELパネル群と、
   前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルを励起する波長を有する励起光源と、
   前記励起光源からの光を画像データに基づいて２次元平面で変調し前記変調した光を前記ELパネル群へ照射する空間光変調器と、
   を具備することを特徴とする裸眼立体表示装置。
2. 請求項１に記載の裸眼立体表示装置において、
   前記空間光変調器と前記ELパネル群との間に、前記空間光変調器からの光を前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルへ焦点が合うように投射する可変焦点レンズまたは位置可変レンズを設けたことを特徴とする裸眼立体表示装置。
3. 透明基板の上に第１の透明電極、第１の絶縁層、発光層、第２の絶縁層、第２の透明電極の順で積層されたヒステリシス特性を有する透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルを多段に列べたELパネル群と、
   前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルを励起する波長を有する励起光源と、
   前記励起光源からの光を画像データに基づいて２次元平面で変調し前記変調した光を前記ELパネル群へ照射する空間光変調器と、
   前記空間光変調器と前記ELパネル群との間に設けられ、前記空間光変調器からの光を前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルへ焦点が合うように投射する可変焦点レンズまたは位置可変レンズと、
   前記各透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルへ順次しきい電圧を加えると共に、該しきい電圧を加えた透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルに書き込むべき画像データを前記空間光変調器に設定し、また、前記励起光源からの光が前記空間光変調器を介して前記しきい電圧を加えた透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルに焦点が合うように前記可変焦点レンズまたは位置可変レンズの焦点距離を制御する制御手段と、
   を具備することを特徴とする裸眼立体表示装置。
4. 請求項１に記載の裸眼立体表示装置において、
   前記空間光変調器と前記励起光源の間に、前記励起光源からの光を平行光にする凸レンズを有することを特徴とする裸眼立体表示装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかの項に記載の裸眼立体表示装置において、
   前記空間光変調器は電気書き込み型のデジタルマイクロミラーデバイス型の空間光変調器または電気書き込み型の強誘電性液晶空間光変調器であることを特徴とする裸眼立体表示装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかの項に記載の裸眼立体表示装置において、
   前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルの透明基板の端面が鏡面研磨されており、
   前記第１および第２の透明電極が、互いに接続されないようにして、前記透明基板の端面にエッジ部分を介して接続されるように形成されており、
   前記第１および第２の透明電極の、前記透明基板の端面の接続する部分に、取り出し電極が付けられている、
   ことを特徴とする裸眼立体表示装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかの項に記載の裸眼立体表示装置において、
   前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルはＺｎＳを母体としてＭｎをドープしたＺｎＳ：Ｍｎ黄橙色ＥＬパネル、あるいはＳｒＳを母体としてＣｅをドープしたＳｒＳ：Ｃｅ青色ＥＬパネル、あるいはＣａＳを母体としてＥｕをドープしたＣａＳ：Ｅｕ赤色ＥＬパネルであり、
   前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルの母体がＺｎＳの場合、Ｍｎ濃度が０．３ｗｔ％よりも高い、
   ことを特徴とする裸眼立体表示装置。
8. 請求項１〜請求項７のいずれかの項に記載の裸眼立体表示装置において、
   前記励起光源が、前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルがＺｎＳ：Ｍｎ黄橙色ＥＬの場合には、該光源が波長３３７ｎｍを含む紫外線光源であり、前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルがＳｒＳ：Ｃｅ青色ＥＬの場合には波長４３０ｎｍを含む青色光源であり、前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルがＣａＳ：Ｅｕの場合には、波長４８０ｎｍを含む青色光源である、
   ことを特徴とする裸眼立体表示装置。
9. 透明基板の上に第１の透明電極、第１の絶縁層、発光層、第２の絶縁層、第２の透明電極の順で積層されたヒステリシス特性を有する透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルを多段に列べたELパネル群と、
   前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルを励起する波長を有する励起光源と、
   前記励起光源からの光を画像データに基づいて２次元平面で変調し前記変調した光を前記ELパネル群へ照射する空間光変調器と、
   前記空間光変調器と前記ELパネル群との間に設けられ、前記空間光変調器からの光を前記透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルへ焦点が合うように投射する可変焦点レンズまたは位置可変レンズと、
   を具備する裸眼立体表示装置の駆動方法において、
   前記ELパネル群の透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルへしきい電圧を加え、
   該しきい電圧を加えた透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルに書き込むべき画像を前記空間光変調器に書き込み、
   前記励起光源からの光を該空間光変調器によって変調して前記可変焦点レンズまたは位置可変レンズによって前記しきい電圧を加えた透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルに焦点を合わせて投射して画像書き込みを行い各透明無機薄膜エレクトロルミネッセントパネルの励起光が照射された部分のみを発光状態にし、
   前記ELパネル群において上記操作を繰り返すことによって立体画像を表示することを特徴とする裸眼立体表示装置の駆動方法。
   
   

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