JP2009025361A - ３次元画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鑑賞者がいずれの角度からも、特殊なメガネなどを装着することなく、低いエネルギのレーザを用いて、カラー表示及び動画像を含めて真に３次元画像として鑑賞できる３次元画像表示装置を提供する。
【解決手段】本発明の３次元画像表示装置は、透明度の高い光を透過させる材質で形成された３次元表示容器と、３次元表示容器に充填された液体と、設定された一定周期にてレーザ光を発生するレーザと、３次元表示容器内における表示ドットの３次元座標位置に、順次レーザ光を集光する集光制御部とを有し、レーザ光が集光された表示ドットにおいて、液体の分子のレーザ誘起ブレークダウンによって発生するプラズマ発光の放射光を点光源として画像表示を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、文字及び画像等の可視像を３次元的に表示する３次元画像表示装置に関する。

従来の３次元表示装置は、液晶画面あるいはＣＲＴ画面の画素を、左右の目により立体視して、心理的に３次元画像を認識させている。
また、他の従来の装置としては、左右の目に到達する画像を、赤及び青のフィルタや偏光フィルタで分離することにより、視覚的に３次元画像として視認させたり、人間の左右の目に対して強制的に、すなわち心理的な作用を伴わずに、立体情報を伝達する方法もある。

さらに、他の装置としては、レーザ描画ホログラムにより３次元画像の表示方法を用いるものや、画像を投影するスクリーンを回転させ、円周上の複数の投影機から、順次、画像を上記スクリーンに投影することにより、３次元的な画像を表示する方法を用いるものもある。
また、他の装置としては、空間（空気中）に対してYAGレーザの強い光を照射することにより、照射した位置の空気を電離させ、プラズマを発生させて、そのプラズマの発光により空間に３次元画像を表示する方法を用いたものもある（特許文献１参照）。
特開２００３−２３３３３９号公報

しかしながら、上述した従来例において、心理的に３次元画像を認識させる方法は、視聴者の３次元画像を見ようとする積極的な努力が必要であり、視聴者が対応しようとしなければ、３次元画像として認識できないという問題がある。
また、左右の目に到達する画像を分離して視覚的に３次元画像として視認させる方法は、特殊なゴーグルを視聴者が装着して表示画面を見るため、視聴者に煩わしさを生じさせるという欠点がある。

また、レーザ描画ホログラムによる方法は、３次元画像として最も美しい画像が得られるが、被写体の色を実際の色として、忠実に再現することができず、かつ３次元画像の構築に対し、ホログラムパターンを演算する必要があり、その処理コストが非常に高く、現在のパーソナルコンピュータの演算速度で動画の表示を行うことができないという問題がある。
さらに、スクリーンを回転させる方法は、上記方法に比較して容易であるが、回転中心と外周とにおいて、画像分解能が大きく異なり、一様な解像度での画像表示が行えないという欠点がある。

また、空気中にプラズマを発生させる方法は、レーザにより空気中の分子等にアブレーションを起こしてプラズマを発生させるため、レーザの出力に高いエネルギーが必要となり、装置が大型化してしまう。
さらに、高いエネルギのレーザは発光する周期が長くなるため、高速なプラズマ発光が行えずに、カラー表示を行う場合や動画像を表示する場合に適用させることが困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、鑑賞者がいずれの角度からも、特殊なメガネなどを装着することなく、低いエネルギのレーザを用いて、カラー表示及び動画像を含めて真に３次元画像として鑑賞できる３次元画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の３次元画像表示装置は、透明度の高い光を透過させる材質で形成された３次元表示容器と、該３次元表示容器に充填された液体と、設定された一定周期にてレーザ光を発生するレーザと、前記３次元容器内における表示ドットの３次元座標位置に、順次前記レーザ光を集光する集光制御部とを有し、前記レーザ光が集光された表示ドットにおいて、前記液体の分子のレーザ誘起ブレークダウンによって発生するプラズマ発光の放射光を光源として画像表示を行うことを特徴とする３次元画像表示装置である。

本発明の３次元画像表示装置は、前記液体が水に塩が溶解した電解水溶液であることを特徴とする。

本発明の３次元画像表示装置は、前記表示ドットにおけるプラズマ発光の光強度の階調制御を行う液晶パネル（液晶フィルタ）をさらに有することを特徴とする。

本発明の３次元画像表示装置は、前記液晶パネルがＲＧＢ各々のフィルタを有することを特徴とする。

本発明の３次元画像表示装置は、前記３次元表示容器内の液体を表示ドットに対応するセルに分割し、該セル内にてＲＧＢ毎にプラズマ発光を行い、対応するプラズマ発光に同期させてそれぞれのフィルタの階調制御を行い、１ドット単位のカラー表示の制御を行うことを特徴とする。

本発明の３次元画像表示装置は、前記液体の温度を上昇させる温度制御部をさらに設けることを特徴とする。

本発明の３次元画像表示装置は、前記３次元表示容器において、鑑賞者と対向する面をｘ軸及びｙ軸からなる２次元座標系とし、該２次元座標系に垂直な方向をｚ軸とし、３次元座標系の表示空間を表現した場合に、前記集光制御部が、２次元座標系におけるレーザ光の照射位置の制御を行う２次元走査制御部と、ｚ軸方向における集光の位置制御を行う集光位置制御部とを有していることを特徴とする。

以上説明したように、発明によれば、透明度の高い３次元表示容器に液体を充填し、パルスレーザにより一定周期にてレーザ光を照射し、この液体内の３次元座標に対し、集光制御部がレーザ光を集光し、集光された表示ドットにおいて、レーザ誘起ブレークダウンを起こさせるが、気体に比較して液体のレーザ誘起ブレークダウンが低いため、従来例に比較してレーザが発光する周期を短くすることができ、高速なプラズマ発光を行うことが可能となり、カラー表示を行う場合や動画像を表示する場合に容易に適用させることができ、かつ上記プラズマ発光の放射光を光源（３次元表示容器内の液体が封止される空間をを画素単位に分割したセル内にて発光する光源であり、後述するようにセルが画素となるため、実質的に画素が自発光することから、本実施形態においては点光源とする）として画像表示を行うため、鑑賞者がいずれの角度からも、特殊なメガネなどを装着することなく、真に３次元画像として鑑賞できる。

以下、本発明の一実施形態による３次元表示装置を図面を参照して説明する。図１は同実施形態による３次元表示装置の構成例を示すブロック図である。
この図において、３次元表示容器１は、透明度の高い光を透過させる材質、すなわち、容器の壁によりレーザ光のエネルギを吸収させない材質、例えば石英ガラスやプラスチックなどで形成され、内部には後述する液体２が充填されている。
本実施形態による３次元表示装置は、この３次元表示容器１内部の液体２における所定の座標の位置にレーザ光を集光し、集光した位置近傍の液体にレーザ誘起ブレークダウンを起こさせ、このレーザ誘起ブレークダウンの現象に伴うプラズマ発光の放射光を光源、上述したように点光源として、画像表示を行う。

液体２は、後に述べるレーザのパルス光が集光されたエネルギ（電界エネルギ）により、この焦点領域近傍の液体の分子が電離することにより、図２に示すように、プラズマを形成（レーザ誘導ブレークダウン現象）してプラズマ発光により光を放射するものであるが、一定の時間後（１μ〜１ｍ秒）に、高準位に反転した原子及びイオンが元の準位に戻り、レーザ誘導ブレークダウン発生前の分子に戻る必要があるため、分子構造が単純であり、分極性のある分子が良く、水（Ｈ2Ｏ）やアルコール等を用いる。また、使用する波長のレーザ光を吸収しやすくする添加剤（あるいは不純物）を含有させてもよい。上記プラズマ発光により放射光は可視光であり、表示体媒質の液体２の自発光による点光源として表示に寄与することとなる。

この液体２は水道水などの塩素イオンや不純物を含んだ水でも良く、また電解水溶液であり、特に強電界水溶液であり、塩、例えば、ＣuＣｌ_２、ＣuＦＯ_４等のイオンになって電子を自由電子として放出し、溶液中に自由電子が存在するほど、図２に示すように、レーザの電界を受けてなだれ的にプラズマ化が進行しやすくなる。すなわち、自由電子が溶液中に多いほど（溶液の導電率が高いほど）、液体２のプラズマ化がなだれ的に進行し、レーザ誘導ブレークダウンの起こるレーザ光のパワーの閾値が低下する。また、発生したプラズマ化による液体２内の泡は、熱の放射などのエネルギ散逸過程を経て消滅する。
また、溶液に不純物が混入されていても、その不純物がレーザ光のエネルギを吸収して、周囲の温度を上昇させることになり、電子が励起し易くなることで、より低いパワーによりレーザ誘起ブレークダウンを起こすことが実験にて確認されている。

さらに、３次元表示容器１に温度制御部を設けて、液体２の温度を上昇させることにより、レーザ誘起ブレークダウンを起こすための予熱を与えることとなり、レーザ誘導ブレークダウンの起こるレーザ光のパワーの閾値を低下させることができる。
また、同様に、３次元表示容器１に超音波発振器を設けて、液体２に対して超音波を印加することにより、レーザ誘起ブレークダウンを起こすために有効な振動を分子に対して与えることとなり、レーザ誘導ブレークダウンの起こるレーザ光のパワーの閾値を低下させることができる。

また、液体２として用いる可能性のある溶液についてのレーザ光のパワーの閾値電圧の測定結果（室温，一気圧の条件）を図３のテーブルに示す。ここで純水は水道水を濾過した後にイオン交換した水を意味している。図３のテーブルにおけるパワー（Ｗ）はレーザ光のエネルギをパルス幅によって、除算した数値を用いている。
例えば、図３において、純水に撹拌した酸化スズ、酸化アンチモニー微粒子（０．２μｍ以下）を溶解し、saturated-solution（飽和溶液、以下s.s.）としてものはパワーの閾値が１．２ＭＷであり、飽和溶液を１００倍（s.s.／１０^２）に純水にて希釈した溶液のパワーの閾値がが０．２２ＭＷであり、飽和溶液を一万倍（s.s.／１０^４）に純水にて希釈した溶液のパワーの閾値がが０．４５ＭＷであり、飽和溶液を百万倍（s.s.／１０^６）に純水にて希釈した溶液のパワーの閾値がが０．９３ＭＷである。この酸化スズ、酸化アンチモニー微粒子を用いたとき、s.s.／１０の場合がより低いパワーの閾値となることが判る。

ちなみに、従来例の場合のように、空気中においてレーザ誘導ブレークダウンを起こすため、照射するレーザ光のパワーは３５．７ＭＷ（２５０ｍＪ／７ｎｓ）が必要であり、一方、本発明の場合、液体２として単純に水道水を用いた場合、図３に示すように０．３８ＭＷ（９ｍＪ／１３ｎｓ）のパワーであるため、水道水に比較して空気中におけるプラズマ発光には１００倍のパワーが必要となる。このため、空気中に比較して液体におけるレーザ誘導ブレークダウンを起こさせるレーザ光のパワーは大幅に低下させることができる。ここで、水道水には塩素イオン及び不純物が混入しており、純水に比較してパワーの閾値が低くなっている。
このように、プラズマ発光させる媒質として液体（水道水または電解質溶液）を用いることにより、レーザ誘導ブレークダウンを起こすパワーの閾値を従来例に比較して低減させることにより、レーザの発振周期を短くすることが可能となり、カラー化や動画像の表示を容易とすることができる。

レーザ装置３は、Ｑスイッチレーザであり、たとえば、出力パルス最大電力１．３ＭＷで、波長１．０６４μｍの赤外ＹＡＧレーザ（例えば、パルスレーザ）であり、一定周期（例えば、５０ｎ秒）、一定のパルス幅（２０ｎ秒）により、パルス状のレーザ光を放射する。ここで、レーザ３には、このレーザが利用者に視認できないように、不可視域の波長のレーザ光を放出するものを用いる。
３次元表示制御部４は、画像表示に必要な周期τにて、上記レーザ装置３を駆動し、液体２に対し、レーザ誘導ブレークダウンを起こすパワーのレーザ光を放出させる。

また、３次元表示制御部４は、３次元表示容器１内の液体２が満たされている容器空間を画像表示の分解能に対応した画素単位にセルとして分解し、それぞれのセルをｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の３次元空間における３次元格子として、図４に示すように、３次元の画像空間を構成し、それぞれのセルを画素として、各セル内の液体に対して、上記周期τ毎にレーザ光を照射することによりプラズマ発光により光を放射させ、画像表示を行う画素毎の光源とする（各画素の自発光による点光源）制御を行う。
ここで、３次元表示容器において、鑑賞者と対向する面をｘ軸及びｙ軸からなる２次元座標系とし、該２次元座標系に垂直な方向をｚ軸とし、３次元座標系の表示空間を表現した場合に、３次元表示制御部４は、ｚ軸方向における集光の位置制御を行う焦点深度ｚ制御部５と、ｘ軸及びｙ軸の形成する上記２次元座標系におけるレーザ光の照射位置の制御を行う２次元走査制御部６との制御を行い、３次元座標系の表示空間を表現する。

上記焦点深度ｚ制御部５は、３次元容器１内の液体２において、画像表示を行う画素単位である各表示ドットに対応する３次元座標位置のセルにて、順次、レーザ装置３から放射される上記レーザ光を集光（レンズによりレーザ光のエネルギを所定位置において集中させる焦点位置）、すなわち、液体２内におけるプラズマ発光を発生するレーザ誘起ブレークダウンを起こさせる位置（液体２内のｚ軸方向における集光の位置）を制御する。

上記焦点深度ｚ制御部５は、集光制御レンズ機構を制御し、ｚ軸方向におけるレーザ光の集光位置の制御を行う。例えば、集光制御レンズ機構を有し、ｚ軸方向の分解能に対応した数の、集光位置（焦点距離）の異なるレンズが配置された回転ディスクを、この回転ディスクの中心軸に設けられたモータ（例えば、ステッピングモータ）により、集光位置制御部４ｂからの制御信号により、上記モータを駆動させてディスクを所定角度にて回転させることにより、ｚ軸方向の集光すべき位置に対応させて、レーザ光の光路が対応するレンズの中心位置と重なる位置に移動させ、ｚ軸方向のいずれの位置にある２次元座標系面上にて集光させる制御を行う。
また、上記集光制御レンズ機構には、制御電圧を印加することにより、固体誘電体の屈折率を変化させ、焦点距離を可変とする焦点可変レンズを用いてもよい。
さらに、上記集光制御レンズ機構において、光路軸に沿って、レンズを移動させる電磁駆動アクチュエータを設け、レンズから出射され、３次元表示容器１までのレーザ光の光路長を変化させ、ｚ軸方向における集光位置の制御を行ってもよい。

また、２次元走査制御部６は、上記２次元座標系（視聴者の観賞面に平行な面）におけるレーザ光の照射位置、すなわちプラズマ発光させるセルの座標位置（ｘ、ｙ）の制御を行う。ここで、２次元走査制御部６は、レーザ光の照射位置として２次元座標系におけるｘ軸方向の位置制御を行うレーザ光ｘ方向位置制御部６ａと、レーザ光の照射位置として２次元座標系におけるｙ軸方向の位置制御を行うレーザ光ｙ方向位置制御部６ｂとから構成されている。

レーザ光ｘ方向位置制御部６ａは、焦点深度ｚ制御部５から出射されるレーザ光を、上記２次元座標系におけるｘ座標の位置に照射するかを制御するものであり、上記レーザ光を反射する反射ミラー６１を有し、この反射ミラー６１の反射面の角度αを、反射ミラー６１の回転軸６２を回転させて制御することにより、レーザ光を照射するｘ座標の位置を制御する。
レーザ光ｙ方向位置制御部６ｂは、レーザ光ｘ方向位置制御部６ａから出射されるレーザ光を、上記２次元座標系におけるｙ座標の位置に照射するかを制御するものであり、上記レーザ光を反射する反射ミラー６３を有し、この反射ミラー６３の反射面の角度βを、反射ミラー６３の回転軸６４を回転させて制御することにより、レーザ光を照射するｙ座標の位置を制御する。

また、上記反射ミラー６１及び６３は、電磁駆動型のアクチュエータ（以下、電磁駆動アクチュエータ）に固定された反射ミラーとして、この電磁駆動アクチュエータに印加する電圧を制御することにより、ｘ軸方向の照射位置を水平位置からの角度αにより制御し、ｙ軸方向の照射位置を水平位置からの角度βにより制御し、２次元座標系におけるレーザ光の照射位置の制御を行う。また、上記電磁駆動アクチュエータは、ＭＥＭＳ（メムス、Micro Electro Mechanical Systems）技術にて製作されたものを用いても良い。
例えば、反射ミラー６をｙ軸（すなわち、回転軸６２）を第１の電磁駆動アクチュエータ駆動の回転軸として、ｘ軸方向の照射位置を水平位置からの角度αにより制御される第１のミラーとし、反射ミラー６３をｘ軸（すなわち、回転軸６４）を第２の電磁駆動アクチュエータ駆動の回転軸として、ｙ軸方向の照射位置を水平位置からの角度βにより制御する第２のミラーとする場合、これら第１のミラー及び第２のミラーそれぞれを、第１の電磁駆動アクチュエータ及び第２の電磁駆動アクチュエータに座標位置に対応する電圧を印加し、照射位置の制御を行う。

上述した本実施形態の構成において、各反射ミラーの角度制御を電磁駆動アクチュエータにて行うよう説明しているが、電磁駆動のアクチュエータに限らず、軸を表示ドット位置移動させる角度に対応させて、２次元走査制御部６からの制御信号（ステッピングモータに対する行動パルス）により、一定の角度毎に駆動するステッピングモータを用いて制御しても良い。
また、本実施形態の構成において、ポリゴンミラーを用いて、上述したと同様の処理にて、レーザ光の反射角度の制御を行うように構成しても良い。
また、本実施形態の構成において、ミラーの角度制御を静電駆動型アクチュエータを用いて行っても良い。

液晶フィルタ７は、グレースケールの場合、集光されたレーザ光によるレーザ誘導ブレークダウンに伴なって放射されるプラズマ発光の光強度を変調するものであり、上記２次元座標系のセルに対応して格子状に液晶素子が配列されている。
また、液晶フィルタ７は、ＲＧＢカラーの場合、集光されたレーザ光によるレーザ誘導ブレークダウンに伴なって放射されるプラズマ発光におけるＲＧＢ（Ｒｅｄ，Ｇｒｅｅｎ，Ｂｌｕｅ）それぞれの成分の光強度を変調するものであり、上記２次元座標系のセルに対応して、ＲＧＢそれぞれの光成分に対する光フィルタを有する液晶素子が格子状に配列されている。
また、液晶フィルタ７のフィルタ面を、３次元表示容器１の表示面に対して湾曲させる構成としても良い。
湾曲の形状は、例えば、３次元表示容器１が入る円筒（３次元座標のｙ軸と円筒軸が平行となる配置）を、表示面により切り取った部分の円弧状とすることが考えられる。

光強度変調部８は、３次元表示制御部４から入力される各画素の階調度に対応して、液晶フィルタ７の各液晶素子の光の透過量（液晶素子の開口度）を制御し、プラズマ発光による放射光の光強度を各画素の階調度となるよう制御する。
また、光強度変調部８は、液晶フィルタ７がＲＧＢカラーに対応している場合、各画素のセル内における３回のプラズマ発光にそれぞれ同期させて、ＲＧＢそれぞれの光成分に対する光フィルタにおける各液晶素子の光の透過量を制御する。
本実施形態においては、各画素の階調度制御をプラズマ発光における放射光の強度を制御するのでは無く、プラズマ発光の放射光の強度を均一として安定した自発光の光源として用い、上述したように、液晶フィルタ７により放射光を変調して階調度の制御を行う。

上述したような構成において、図５に示すように動画表示として、カラーにて１秒間に３０フレームを表示する場合、各画素にてＲＧＢ毎にレーザ照射を行うことになるため、フレーム単位の制御が９０Ｈｚ毎に行われ、各フレームにおいてｚ軸方向に１００回の移動制御を行い、このｚ軸方向の１回の移動制御に対応して、２次元座標系のｙ軸方向において１００回の移動制御を行い、このｙ軸方向の１回の移動制御に対応してｘ軸方向において１００回の移動制御を行う。図５において、Ｘ，ＹおＹびＺは、それぞれｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の画素数を示している。したがって、全画素数、すなわち３次元表示容器１内のセル数は、１０^６個となる。
このため、９０×１００×１００×１００として、レーザ装置３は約９０ＭＨｚの周期にてレーザ発振を行う必要がある。すなわち、周期約１１ｎｓ程度にて連続発振を行う必要がある。したがって、カラーの動画表示を行う場合、レーザ装置３は高速に発振動作を行うため、レーザ強度の閾値をより低下させることが必要となる。これから、本発明が３次元画像表示における動画像を実現するために有効な構成と考えられる。

次に、図１に示す３次元画像表示装置の動作を説明する。
＜グレースケール表示の場合＞
３次元画像を表示する際、表示ドットである各セルの座標を座標値（ｘ、ｙ、ｚ）とし、３次元画像表示装置の解像度を、ｘ軸，ｙ軸及びｚ軸方向各々を、１００×１００×１００として説明する。
焦点深度ｚ制御部５は、３次元表示制御部４からの制御信号（座標位置情報を含む）により、レーザ光のｚ軸方向の集光位置が座標位置（ｘ，ｙ，１）の位置となるよう、集光制御レンズ機構を制御する。
そして、２次元走査制御部６におけるレーザ光ｙ方向位置制御部６ｂは、３次元表示制御部４からの制御信号（座標位置情報を含む）により、反射ミラー６３の反射面の角度βを制御し、レーザ光の集光位置を座標位置（ｘ，１，１）の位置となるよう制御する。

次に、２次元走査制御部６におけるレーザ光ｘ方向位置制御部６ａは、例えば、ｘ軸方向におけるレーザ走査の開始座標位置である座標位置（１，１，１）から、レーザ装置３のレーザ光の放射周期τ毎に、ｘ軸方向に対して、座標位置（２，１，１），座標位置（３，１，１），…と、反射ミラー６１の反射面の角度αを制御して、ｘ軸方向に１画素ずつ移動させる位置制御を行う。
このとき、レーザ装置３が上記位置制御のタイミングに同期してレーザ誘導ブレークダウンを起こす閾値を超えるパワーのレーザ光の発振を行うと、このレーザ光は焦点深度ｚ制御部５及び２次元走査制御部６により設定された座標位置のセル内にて集光し、液体２のセル内の液体においてレーザ誘導ブレークダウンを起こさせ、プラズマ発光による光が放射される。
また、光強度変調部８は、１画素を表示する毎に、すなわち順次表示する画素に対応するセル内の液体に対してレーザ光を照射するタイミングに同期させて、３次元表示制御部４からの制御信号（階調度情報を含む）により、その画素の階調度に対応する光強度とする制御として、液晶フィルタ７の全ての液晶素子を同一の透過率、すなわち表示を行う画素の階調度に対応する光強度となる透過率とする制御を行う。

そして、２次元走査制御部６は、ｘ軸方向の最終端の表示ドット位置、すなわち座標位置（１００，１，１）であることを検出すると、次のレーザ光の放射周期において、反射ミラー６３の反射面の角度βを制御して、ｙ軸方向に対して１表示ドットずらすとともに、表示ドットのｘ軸における位置、すなわち反射ミラー６１の反射面の角度αを初期状態に戻し、レーザ光を照射する座標ドット位置を座標位置（１，２，１）へ移動させる。
このように、２次元走査制御部６は、表示ドットに対応するセルの位置を、順次、座標位置（１，１，１）から座標位置（１００，１００，１）まで２次元座標系内にて制御する。

次に、２次元走査制御部６は、座標位置（１００，１００，１）におけるレーザ光の照射周期となると、焦点深度ｚ制御部５に対して制御信号を出力する。
この制御信号を入力することにより、焦点深度ｚ制御部５は、次のレーザ光の照射周期となる前に、ｚ軸方向の集光位置である座標位置（ｘ，ｙ，１）を、座標位置（ｘ，ｙ，２）へ、集光制御レンズ機構を制御して、ｚ軸方向に１表示ドット分移動させる。
そして、集光位置制御部４ｂは、上述した処理を繰り返し、座標位置（１００，１００，１００）におけるレーザ光の照射周期となると１フレームが終了したこととなる。
このため、次のレーザ光の照射周期となる前に、集光制御レンズ機構を制御して、ｚ軸方向の集光位置である座標位置（ｘ，ｙ，１００）を、座標位置（ｘ，ｙ，１）へ移動させる。
上述した処理を繰り返すことにより、本実施形態の３次元画像表示装置は、グレースケールにおける３次元画像表示を行う。

＜ＲＧＢカラー表示の場合＞
３次元画像を表示する際、表示ドットである各セルの座標を座標値（ｘ、ｙ、ｚ）とし、３次元画像表示装置の解像度を、ｘ軸，ｙ軸及びｚ軸方向各々を、１００×１００×１００として説明する。
焦点深度ｚ制御部５は、３次元表示制御部４からの制御信号（座標位置情報を含む）により、レーザ光のｚ軸方向の集光位置が座標位置（ｘ，ｙ，１）の位置となるよう、集光制御レンズ機構を制御する。
そして、２次元走査制御部６におけるレーザ光ｙ方向位置制御部６ｂは、３次元表示制御部４からの制御信号（座標位置情報を含む）により、反射ミラー６３の反射面の角度βを制御し、レーザ光の集光位置を座標位置（ｘ，１，１）の位置となるよう制御する。

次に、２次元走査制御部６におけるレーザ光ｘ方向位置制御部６は、例えば、ｘ軸方向におけるレーザ走査の開始座標位置として、座標位置（１，１，１）となるように、反射ミラー６１の反射面の角度αを制御する。
このとき、レーザ装置３が上記位置制御のタイミングに同期してレーザ誘導ブレークダウンを起こす閾値を超えるパワーのレーザ光の発振を行うと、このレーザ光は焦点深度ｚ制御部５及び２次元走査制御部６により設定された座標位置のセル内にて集光し、液体２のセル内の液体においてレーザ誘導ブレークダウンを起こさせ、プラズマ発光による光が放射される。

そして、光強度変調部８は、１画素におけるＲＧＢの各色を表示する毎に、すなわち順次画像表示する画素のセルにおいて、このセル内の液体に対し、各色の表示毎にレーザ光が照射されるタイミングに同期させて、３次元表示制御部４からの制御信号（Ｒのフィルタに対する階調度情報を含む）により、その画素の色Ｒの階調度に対応する光強度とする制御として、液晶フィルタ７のＲＧＢのフィルタの内でＲのフィルタが設けられた液晶素子全てを同一の透過率、すなわち表示を行う画素のＲの階調度に対応した透過率とする制御を行う。

次に、３次元表示制御部４は、レーザ装置３に対してレーザ光の発振を制御する制御信号を送信する際、焦点深度ｚ制御部５及び２次元走査制御部６に対して制御信号を出力せず、光強度変調部８に対してのみレーザ光の発振を制御する制御信号を出力する。
これにより、光強度変調部８は、１画素におけるＲＧＢの各色を表示する毎に、すなわち順次画像表示する画素のセルにおいて、このセル内の液体に対し、各色の表示毎にレーザ光が照射されるタイミングに同期させて、３次元表示制御部４からの制御信号（Ｇのフィルタに対する階調度情報を含む）により、その画素の色Ｇの階調度に対応する光強度とする制御として、液晶フィルタ７のＲＧＢのフィルタの内でＧのフィルタが設けられた液晶素子全てを同一の透過率、すなわち表示を行う画素のＧの階調度に対応した透過率とする制御を行う。

次に、３次元表示制御部４は、レーザ装置３に対してレーザ光の発振を制御する制御信号を送信する際、焦点深度ｚ制御部５及び２次元走査制御部６に対して制御信号を出力せず、光強度変調部８に対してのみレーザ光の発振を制御する制御信号を出力する。
これにより、光強度変調部８は、１画素におけるＲＧＢの各色を表示する毎に、すなわち順次画像表示する画素のセルにおいて、このセル内の液体に対し、各色の表示毎にレーザ光が照射されるタイミングに同期させて、３次元表示制御部４からの制御信号（Ｂのフィルタに対する階調度情報を含む）により、その画素の色Ｂの階調度に対応する光強度とする制御として、液晶フィルタ７のＲＧＢのフィルタの内でＢのフィルタが設けられた液晶素子全てを同一の透過率、すなわち表示を行う画素のＢの階調度に対応した透過率とする制御を行う。

上述したように、３次元表示制御部４は、座標位置（１，１，１）におけるセルにおいて、ＲＧＢの３原色それぞれの階調制御を行うため、同一セル内にて３回のレーザ誘起ブレークダウンを起こし、プラズマ発光により放射光を発生させて、１つの表示ドット（画素）の表示制御が終了すると、反射ミラー６１の反射面の角度αを制御して、ｘ軸方向に１画素分移動させる位置制御を行う。
すなわち、３次元表示制御部４は、各セル毎においてＲＧＢに対応して３回のプラズマ発光を行い、それぞれの発光毎に順次、カラー表示に必要なＲＧＢの３原色それぞれの階調制御を行い、１表示ドットの表示処理が終了すると、ｘ軸方向に対して、座標位置（２，１，１），座標位置（３，１，１），…と、反射ミラー６１の反射面の角度αを制御して、ｘ軸方向に１画素ずつ移動させる位置制御を行う。
グレースケール表示と異なり、カラー表示は、１つの同一セル内において、表示ドットのＲＧＢの階調制御のため、３回のレーザ誘導ブレークダウンを起こす必要がある。それ以外の動作は、グレースケールと同様のために説明を省略する。

また、３次元画像表示を行う際、その基となる画像データは、例えば、図６に示すように作成することができる。
視認したい位置から、レーザレンジファインダにより、実空間の３次元被写体の表面の画像を取り込み、図視しない画像変換装置は、レーザレンジファインダが取り込んだ画像を、表示する３次元表示装置の画像分解能に対応させて、それぞれの位置座標の画素単位の画像データ（グレースケールあるいはＲＧＢのカラー画像に対応する階調度データ）に変換する。このとき他の画素が表示されることで、遮蔽されて視認できない画素のデータはＮＵＬＬ値としておき、画素の階調度データを生成しない。
そして、画像変換装置は作成した画像データを、３次元画像表示装置に対して出力する。

３次元画像表示装置において、３次元画像表示制御部４は、入力される画像データを、各画素単位に表示処理するが、この際にＮＵＬＬ値に対しては表示処理を行わずに、階調度データが存在する画素のみに対し、レーザ光の照射が行われるように、焦点深度ｚ制御部５及び２次元走査制御部６に対するレーザの照射の位置制御をして表示処理を行うことにより、表示処理する画素数を減少させ、画像表示の効率化を行うことができる。

本発明の一実施形態における３次元画像表示装置の構成例を示す概念図である。 レーザ誘導ブレークダウンのアルゴリズムを説明する概念図である。 液体２に用いる電解水溶液の種類と、その電解水溶液のレーザ誘導ブレークダウンの閾値との対応を示すテーブルである。 図１における３次元表示容器１内の液体２の３次元座標系における各画素（セル）の構成例を示す概念図である。 カラー表示におけるフレーム、画素の座標位置の制御に必要なレーザの発振速度を説明する概念図である。 ３次元画像表示に用いる画像データの生成処理とその画像表示処理とを示す概念図である。

符号の説明

１…３次元表示容器
２…液体
３…レーザ装置
４…３次元表示制御部
５…焦点深度ｚ制御部
６…２次元走査制御部
６ａ…レーザ光ｘ方向位置制御部
６ｂ…レーザ光ｙ方向位置制御部
６…３原色光放射部
７…液晶フィルタ
８…光強度変調部
６１，６３…反射ミラー
６２，６４…回転軸

Claims (7)

1. 透明度の高い光を透過させる材質で形成された３次元表示容器と、
   該３次元表示容器に充填された液体と、
   設定された一定周期にてレーザ光を発生するレーザと、
   前記３次元表示容器内における表示ドットの３次元座標位置に、順次前記レーザ光を集光する集光制御部と、
   を有し、
   前記レーザ光が集光された表示ドットにおいて、前記液体の分子のレーザ誘起ブレークダウンによって発生するプラズマ発光の放射光を光源として画像表示を行うことを特徴とする３次元画像表示装置。
2. 前記液体は、水に塩が溶解した電解水溶液であることを特徴とする請求項１記載の３次元画像表示装置。
3. 前記表示ドットにおけるプラズマ発光の光強度の階調制御を行う液晶パネルをさらに有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３次元画像表示装置。
4. 前記液晶パネルがＲＧＢ各々のフィルタを有することを特徴とする請求項３に記載の３次元画像表示装置。
5. 前記３次元表示容器内の液体を表示ドットに対応するセルに分割し、該セル内にてＲＧＢ毎にプラズマ発光を行い、対応するプラズマ発光に同期させてそれぞれのフィルタの階調制御を行い、１ドット単位のカラー表示の制御を行うことを特徴とする請求項４に記載の３次元画像表示装置。
6. 前記液体の温度を上昇させる温度制御部をさらに設けることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の３次元画像表示装置。
7. 前記３次元表示容器において、鑑賞者と対向する面をｘ軸及びｙ軸からなる２次元座標系とし、該２次元座標系に垂直な方向をｚ軸とし、３次元座標系の表示空間を表現した場合に、
   前記集光制御部が、
   ２次元座標系におけるレーザ光の照射位置の制御を行う２次元走査制御部と、
   ｚ軸方向における集光の位置制御を行う集光位置制御部と
   を有していることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の３次元画像表示装置。

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