JP3324694B2 - 三次元表示方法および装置 - Google Patents

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
２３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２４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２４（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２４（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
２３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２３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。

【０００５】また、前記図２４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２３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。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】

【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。

【０００９】即ち、本発明は、表示対象物体を観察者の
視線から平面に射影した二次元像を、奥行き位置の異な
る二つの表示面の全てにそれぞれ所望の輝度で表示して
三次元立体像を生成する三次元表示方法において、前記
二次元像の表示光の偏光方向を制御し、通過する光の偏
光方向により結像位置の異なる光学系を通過させること
により、前記二次元像の表示光を前記奥行き位置の異な
る二つの表示面に結像させて、前記二次元像を前記奥行
き位置の異なる二つの表示面に表示する際に、前記二つ
の表示面に表示される画像の各々の輝度が、表示対象物
体の奥行き位置に対応して変わるように、前記二次元像
を偏光方向に応じた輝度比で分離・表示することを特徴
とする。

【００１０】また、本発明は、前記二次元像の表示光の
偏光方向を制御することにより、前記奥行き位置の異な
る二つの表示面に結像する二次元像の輝度を表示対象物
体の奥行き位置に対応して変わるように調節することを
特徴とする。

【００１１】また、本発明は、表示対象物体を観察者の
視線から平面に射影した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
向毎の表示光を異なる二つの表示面に結像する偏光型二
焦点光学系とを含む三次元表示装置であって、前記異な
る二つの表示面に結像した各二次元像が、観察者の視線
上で重なり、かつ、異なる奥行き位置に結像した二次元
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二焦点光学系を配置し、前記各二
次元像の各々の輝度を、表示対象物体の奥行き位置に対
応して変わるように、偏光方向に応じた輝度比で分離・
表示することを特徴とする。

【００１２】また、本発明は、前記偏光可変手段が、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
偏光状態を変化させて出射することを特徴とする。

【００１３】また、本発明は、前記偏光可変手段が、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、前記偏光型二焦点光学系において分離される前記二
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。

【００１４】また、本発明は、前記偏光可変手段が、電
界または電圧の印加により複屈折性が変化する媒体を含
むことを特徴とする。

【００１５】また、本発明は、前記複屈折性が変化する
媒体が、液晶であることを特徴とする。

【００１６】また、本発明は、前記二次元像表示手段
が、複数の画素を有し、また、前記偏光可変手段が、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
変要素が、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。

【００１７】また、本発明は、前記偏光型二焦点光学系
が、等方性媒体の固定焦点レンズと複屈折性媒体とを含
むことを特徴とする。

【００１８】

【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。

【００１９】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。

【００２０】［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
体の奥行き位置を、例えば、複数の結像面間で表現する
三次元表示装置である。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。本実施の
形態の三次元表示装置は、二次元表示装置１００と、偏
光可変装置１０１と、偏光型二焦点光学系１０２とを含
んで構成される。本実施の形態の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１０１からの出射偏光方向によ
り、偏光型二焦点光学系１０２の二つの結像面（図１で
は、結像面１０３と結像面１０４）に、偏光方向に応じ
た輝度比で分離・表示される。例えば、偏光型二焦点光
学系１０２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１０１か
らの出射偏光方向が一致した場合には、例えば、結像面
１０３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１０４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１０３と結像面１０４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。

【００２１】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、線描画型ディス
プレイ等が使用可能である。また、偏光可変装置１０１
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Ｐ
ＬＺＴ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、偏光型二焦点光学
系１０２としては、例えば、後述する液晶を用いた装
置、また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。

【００２２】以下、本実施の形態の三次元表示装置の基
本動作を説明する。本実施の形態の三次元表示装置にお
いては、図２に示すように、観察者１０５に提示したい
三次元物体（表示対象物体）１０６を、観察者１０５の
両眼の視線方向から、例えば、結像面（１０３，１０
４）へ射影した像（以下、「２Ｄ化像」と称する。）１
０７を生成し、これを図１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。

【００２３】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１０１の一つの
偏光可変要素を対応させる。例えば、図３に示すよう
に、二次元表示装置１００の一つの画素１１０に対応し
て、偏光可変装置１０１の一つの偏光可変要素１１１を
対応させ、あるいは、例えば、図４に示すように、二次
元表示装置１００の複数の画素１２０に対応して、偏光
可変装置１０１の一つの偏光可変要素１２１を対応させ
る。

【００２４】次に、この偏光可変装置１０１の偏光可変
要素（例えば、図３の１１１、図４の１２１）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３の１１０）あるいは複数の画素（例えば、図４
の１２０）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１０３と結像面１０４に表示される。但し、結像
面１０３と結像面１０４との画像が、観察者１０５の視
線上で重なるように、結像面（１０３，１０４）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１０
３と結像面１０４との画像が、観察者１０５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。

【００２５】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１０１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１０３と
結像面１０４における画像各部位の各々の輝度を、観察
者１０５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。その変え方の一例を、図５ないし図８を用いて以下
に説明する。ここで、結像面１０３が、結像面１０４よ
り観察者１０５側にあるとし、かつ、結像面（１０３，
１０４）に対応した偏光型二焦点光学系１０２の固有偏
光方向を各々ｐ１１、ｐ１２とする。例えば、図５に示
すように、偏光可変装置１０１の各偏光可変要素におけ
る出射偏光方向をｐ１１と一致させると、結像面１０３
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１０４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１０３上にある場合を
表現できる。次に、例えば、図６に示すように、偏光可
変装置１０１の各偏光可変要素における出射偏光方向を
ｐ１１より少し傾けると、図５に比べて、結像面１０３
における画像の輝度は減少し、また、結像面１０４にお
ける画像の輝度は増加し、三次元物体１０６が結像面１
０３より少し離れて結像面１０４側に寄った場合を表現
できる。

【００２６】さらに、例えば、図７に示すように、偏光
可変装置１０１の各偏光可変要素における出射偏光方向
を図６に示す偏光より傾けると、図６に比べて、結像面
１０３における画像の輝度はさらに減少し、また、結像
面１０４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１０３より結像面１０４側にさらに寄
った場合を表現できる。遂に、例えば、図８に示すよう
に、偏光可変装置１０１の各偏光可変要素における出射
偏光方向をｐ１２と一致させると、結像面１０４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１０３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１０４上にある場合を表現で
きる。

【００２７】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（１０３，１０４）であっても、
観察者１０５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。本実施の形態の三次
元表示装置は、図２３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２３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２４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、本
実施の形態の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。

【００２８】また、本実施の形態の三次元表示装置は、
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、本実
施の形態の三次元表示装置は、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、本実施の形態の三次元表示装置は、二次元
表示装置１００により二次元方向の表示を受け持ち、偏
光可変装置１０１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。

【００２９】また、本実施の形態の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（１０
３，１０４）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（１０３，１０４）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。

【００３０】なお、前記説明において、二つの結像面
（１０３，１０４）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１０５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それ
ぞれについて表示光の偏光方向を順次切り替えて、２Ｄ
化像１０７の表示光を奥行き位置の異なる二つの結像面
（１０３，１０４）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、本実施の形
態の三次元表示装置では、表示対象物体である三次元物
体１０６を主に２つの結像面（１０３，１０４）に二次
元像として表示する場合について説明したが、結像面
は、２つ以上であっても同様な効果が期待できることは
明らかである。また、本実施の形態では、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、本実施の形態では、観察者１０５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１０５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
に本実施の形態の効果を得ることができることは明らか
である。

【００３１】［参考例］ 本発明の参考例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。図９は、本
発明の参考例の三次元表示装置の概略構成を示す図であ
る。本参考例の三次元表示装置は、前記実施の形態１と
同様、二次元表示装置２００と、偏光可変装置２０１
と、偏光型二焦点光学系２０２とを含んで構成される。
本参考例の三次元表示装置においても、二次元表示装置
２００に表示される二次元像の表示光は、偏光可変装置
２０１からの出射偏光方向により、偏光型二焦点光学系
２０２の二つの結像面（図９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。

【００３２】以下に、本参考例の三次元表示装置の基本
動作を説明する。まず、観察者２０５に、表示対象物体
である三次元物体の２Ｄ化像２０７を二次元表示装置２
００に表示する。そして、例えば、前記図３、図４に示
すように、この二次元表示装置２００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２０１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２００の
一つの画素（例えば、図３の１１０）あるいは複数の画
素（例えば、図４の１２０）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
２０３と結像面２０４との画像が、観察者２０５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。

【００３３】本参考例の三次元表示装置における要点
は、偏光可変装置２０１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
２０５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１０を用いて以下に説明す
る。図１０（ａ）が観察者に近い結像面、例えば、結像
面２０３に結像される像の一例であり、図１０（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１０
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。この場合の２Ｄ化像２０７では、図１０（ａ）、図
１０（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（２０３，
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、偏光型二焦点光学系２０２の二つの固有偏光
方向を考慮して変化させればよい。

【００３４】まず、上面及び下面における輝度変化は、
観察者２０５に近い結像面２０３においては、図１０
（ａ）に示すように、観察者２０５に近い部位（２Ｄ化
像２０７では、例えば、下方）が輝度が高く、かつ遠い
部位（２Ｄ化像２０７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徐々に変化させ
る。また、観察者２０５に遠い結像面２０４において
は、図１０（ｂ）に示すように、観察者２０５に近い部
位（２Ｄ化像２０７では、例えば、下方）が輝度が低
く、かつ遠い部位（２Ｄ化像２０７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２０５に近い結像面２０３
においては、図１０（ａ）に示すように、観察者２０５
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２０５に遠い結像
面２０４においては、図１０（ｂ）に示すように、観察
者２０５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１０（ａ）、
図１０（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。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２０５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、本参考例の三次元表示
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。

【００３５】［実施の形態２］ 以下、前記実施の形態ならび参考例の三次元表示装置に
使用可能な偏光型二焦点光学系について説明する。図１
１は、前記実施の形態ならび参考例の三次元表示装置に
使用可能な偏光型二焦点光学系の一例を示す図である。
図１１（ａ）〜図１１（ｄ）に示す偏光型二焦点光学系
は、固定焦点レンズ３０１と、複屈折領域３０２とから
構成される。ここで、固定焦点レンズ３０１は、例え
ば、図１１（ｄ）に示すガラスあるいはプラスチック製
の凸レンズ、または、図１１（ｃ）に示すガラスあるい
はプラスチック製の凹レンズ、または、図１１（ａ）、
（ｂ）に示すガラスあるいはプラスチック製の凸レン
ズ、凹レンズ、プリズムなどの組み合わせによるレンズ
系、あるいは、ガラスあるいはプラスチック製の凸レン
ズ、凹レンズ、プリズムなどの組み合わせによるミラー
系等により構成される。また、複屈折領域３０２、例え
ば、液晶やＰＬＺＴ等からなる複領域屈折性を有する媒
体で構成される。

【００３６】ここで、固定焦点レンズ３０１の屈折率を
ｎ１とし、複屈折領域３０２における固有偏光方向をそ
れぞれ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、複屈折領域３０
２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ｎ
２１、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、図１
２に示すように、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。即
ち、偏光方向により分離する二焦点光学系として動作す
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。

【００３７】ここで、図１１に示すように、複屈折領域
３０２が液晶の場合、配向膜３０３を付け加えることに
より、複屈折領域３０２側から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。配向膜３０３が複屈
折領域３０２の一方のみに設けられている場合であって
も、旋光性により光は複屈折媒体の配向に応じてねじれ
ていき、その感じる屈折率は変化しないため、前記した
効果には支障はない。なお、固定焦点レンズ３０１との
界面側にも配向膜を設けることは、固定焦点レンズ３０
１側からの入射を行う場合、あるいはこのような配向依
存性を有する光学系をシリーズにつないで使用する場合
には有効である。

【００３８】また、図１１、図１２に示す偏光型二焦点
光学系において、固定焦点レンズ３０１がない場合で
も、屈折領域３０２の片面あるいは両面が、図１３に示
すように、例えば、レンズ形状やプリズム形状をしてい
る場合、図１１、図１２に示す場合と同様な効果がある
ことは明らかである。また、複屈折性を有する媒体とし
ては、液晶が屈折率異方性が大きいために有益であり、
その種類としては通常のネマティック液晶の他、例え
ば、高分子分散型液晶、ホログラフィック高分子分散型
液晶、高分子液晶、スメクティック液晶、強誘電液晶、
高分子安定化強誘電液晶などがある。さらに、液晶以外
でも高分子材料の主軸を揃えて形成することにより複屈
折性を得ることができることは明らかである。

【００３９】［実施の形態３］ 図１４は、前記各実施の形態ならび参考例の三次元表示
装置に使用可能な偏光型二焦点光学系の他の例を示す図
である。図１４に示す偏光型二焦点光学系は、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（４０２，４０３）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（４０５，４０６）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１４に示す偏光型二焦点光学系において、
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，ｐ４
２）に分離され、各々光学系（４０２，４０３）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。したが
って、偏光ビームスプリッタ４０４により両偏光（ｐ４
１，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（４０７，４０８）に結
像することになる。このように、図１４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
焦点光学系を構成できる。ここで、偏光ビームスプリッ
タ４０１の代わりに、図１５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４０
４の代わりに、図１５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。

【００４０】［実施の形態４］ 以下、前記各実施の形態ならび参考例の三次元表示装置
に使用可能な偏光可変装置について説明する。前記各実
施の形態ならび参考例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１６ないし図２２を用いて説明
する。図１６は、前記各実施の形態ならび参考例の三次
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１６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５０
４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。

【００４１】図１７（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。

【００４２】これに対して、図１７（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（５０１，５
０５）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。

【００４３】図１８は、前記各実施の形態ならび参考例
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１８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）６
０１、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１９（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（６０２，６０４）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１９（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。図２０は、前記各実施の形態ならび参考例の三次元
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２０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
６１２、液晶（例えば、ネマティック液晶）領域６１
３、配向膜６１４、透明導電膜（透明電極）６１５から
構成される。図２０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６
１２と配向膜６１４との配向方向を同じ（平行）とす
る。また、図２０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２１（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２０に示すホモジニアス型偏光可変
装置に入射する。また、図２１（ｂ）および図２１
（ｃ）に示すように、円偏光あるいは楕円偏光の入射光
を、図２０に示すホモジニアス型偏光可変装置に入射す
る。図２２（ｂ）のように、透明導電膜（６１１，６１
５）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２２（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（６１２，
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Ｖ
７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（６１１，
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。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。

【００４４】

【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３】本発明の実施の形態１の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４】本発明の実施の形態１の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】本発明の実施の形態１の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６】本発明の実施の形態１の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】本発明の実施の形態１の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】本発明の実施の形態１の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】参考例の三次元表示装置の概略構成を示す図で
ある。

【図１０】参考例の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１１】本発明の実施の形態ならび参考例の三次元表
示装置に使用可能な偏光型二焦点光学系の一例を示す図
である。

【図１２】図１１に示す偏光型二焦点光学系における入
射光と出射光との関係を説明するための図である。

【図１３】本発明の実施の形態ならび参考例の三次元表
示装置に使用可能な偏光型二焦点光学系の他の例を示す
図である。

【図１４】本発明の各実施の形態ならび参考例の三次元
表示装置に使用可能な偏光型二焦点光学系の他の例を示
す図である。

【図１５】図１４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１６】本発明の各実施の形態ならび参考例の三次元
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１７】図１６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１８】本発明の各実施の形態ならび参考例の三次元
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１９】図１８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２０】本発明の各実施の形態ならび参考例の三次元
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２１】図２０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２２】図２０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２３】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２４】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】

１００，２００，７０５…二次元表示装置、１０１，２
０１…偏光可変装置、１０２，２０２…偏光型二焦点光
学系、１０３，１０４，２０３，２０４，４０７，４０
８…結像面、１０５，２０５，７０７…観察者、１０
６，７０１，７１１…三次元物体（表示対象物体）、１
０７，２０７…２Ｄ化像、１１０，１２０…画素、１１
１，１２１…偏光可変要素、３０１…固定焦点レンズ、
３０２…複屈折領域、３０３，５０２，５０４，６０
２，６０４，６１２，６１４…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…透明導電膜、５０３，６０３，６
１３…ネマティック液晶、７０２，７０３…カメラ、７
０４…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 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日 本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平９−243960（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−151854（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−76395（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−261978（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 13/00 - 15/00

Claims (13)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表示対象物体を観察者の視線から平面に
   射影した二次元像を、奥行き位置の異なる二つの表示面
   の全てにそれぞれ所望の輝度で表示して三次元立体像を
   生成する三次元表示方法において、 前記二次元像の表示光の偏光方向を制御し、通過する光
   の偏光方向により結像位置の異なる光学系を通過させる
   ことにより、前記二次元像の表示光を前記奥行き位置の
   異なる二つの表示面に結像させて、前記二次元像を前記
   奥行き位置の異なる二つの表示面に表示する際に、 前記二つの表示面に表示される画像の各々の輝度が、表
   示対象物体の奥行き位置に対応して変わるように、前記
   二次元像を偏光方向に応じた輝度比で分離・表示する こ
   とを特徴とする三次元表示方法。
2. 【請求項２】 前記二次元像の表示光の偏光方向を制御
   することにより、前記奥行き位置の異なる二つの表示面
   に結像する二次元像の輝度を表示対象物体の奥行き位置
   に対応して変わるように調節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】 表示対象物体を観察者の視線から平面に
   射影した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
   の表示光を異なる二つの表示面に結像する偏光型二焦点
   光学系とを含む三次元表示装置であって、 前記異なる二つの表示面に結像した各二次元像が、観察
   者の視線上で重なり、かつ、異なる奥行き位置に結像し
   た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二焦点光学系を配置し、前記各二次元像の各々の輝度を、表示対象物体の奥行き
   位置に対応して変わるように、偏光方向に応じた輝度比
   で分離・表示する ことを特徴とする三次元表示装置。
4. 【請求項４】 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の偏光状態を変化
   させて出射することを特徴とする請求項３に記載の三次
   元表示装置。
5. 【請求項５】 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、前記偏光型二
   焦点光学系において分離される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３に記
   載の三次元表示装置。
6. 【請求項６】 前記偏光可変手段は、電界または電圧の
   印加により複屈折性が変化する媒体を含むことを特徴と
   する請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載の三
   次元表示装置。
7. 【請求項７】 前記複屈折性が変化する媒体は、液晶で
   あ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３ないし請求項７の
   いずれか１項に記載の三次元表示装置。
9. 【請求項９】 前記偏光型二焦点光学系は、等方性媒体
   の固定焦点レンズと複屈折性媒体とを含むことを特徴と
   する請求項３ないし請求項８のいずれか１項に記載の三
   次元表示装置。
10. 【請求項１０】 前記偏光型二焦点光学系は、レンズ形
    状の複屈折性媒体を含むことを特徴とする請求項３ない
    し請求項８のいずれか１項に記載の三次元表示装置。
11. 【請求項１１】 前記複屈折性媒体は、液晶であること
    を特徴とする請求項９または請求項１０に記載の三次元
    表示装置。
12. 【請求項１２】 前記偏光型二焦点光学系は、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
    に分離する第１の偏光ビームスプリッタと、 前記第１の偏光ビームスプリッタで二つに分離された表
    示光を、それぞれを通過させる結像位置の異なる二つの
    光学系と、 前記二つの光学系を通過した表示光を合成する第２の偏
    光ビームスプリッタとを有することを特徴とする請求項
    ３ないし請求項８のいずれか１項に記載の三次元表示装
    置。
13. 【請求項１３】 前記第１または第２の偏光ビームスプ
    リッタに代えて、ビームスプリッタと偏光方向の異なる
    二つの偏光板とを用いることを特徴とする請求項１２に
    記載の三次元表示装置。