JP3439911B2 - フルカラー立体画像表示装置 - 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、フルカラーの画像
を立体的に表示する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年のコンピュータの性能向上に伴い、
建築物などの立体物の設計や医療分野の手術のシミュレ
ーションなどの多くの分野で、画像処理とコンピュータ
・グラフィックスが応用されている。しかし、一般的な
コンピュータの表示装置として多用されているＣＲＴな
どの画像表示装置は、平面上にしか表示できないため、
立体感を伴う画像表示を行うことはできない。例えば、
液晶カラーテレビジョンなどの液晶カラーディスプレイ
は、色・強度を変調する液晶パネルの前方もしくは後方
に全面が白色に発光する光源があり、液晶パネルの「画
素」単位で異なる色を反射もしくは透過させている。こ
れを「画素」毎に走査していくことで、連続した平面画
像を表示している。立体画像を表示する装置としては、
左右の目に、視差を考慮した別々の平面画像を提示する
方式の、いくつかのタイプの装置が存在する。しかし、
これらの装置はいずれも輻輳角とピントのずれによる目
の疲労の問題を抱えている。また、例えば左右の目に異
なる映像を与えるために眼鏡の装着が必要であるもの、
あるいは視点を変化させたときに像が変化して見えてし
まうもの、投影式であるため高い輝度が得にくいものな
ど、タイプに応じてそれぞれ固有の問題を抱えており、
一般家庭レベルまでの実用化には到っていない。

【０００３】立体をより忠実に表示する装置としては、
ホログラフィを利用したものがよく知られている。しか
し、ホログラフィを利用した立体画像表示装置は、光学
的な書き込み、再生を行うため、コンピュータ画像など
の電子データとのマッチングが悪い。またリアルタイム
に動画像表示を行うことは困難で、フルカラー化するこ
とも困難である。このほか、前後に揺動する平面画像表
示装置にそれぞれの前後位置における画像を提示する方
式や、煙や霧などの微粒子を散乱させた空間中に光を照
射し、散乱光で三次元画像を書き込むような方式などが
あるが、これらも実用的な段階に到るには多くの問題を
抱えている。これらの立体画像表示装置の従来技術の最
近の動向については、例えば「画像電子学会誌」第２４
巻第５号（１９９５年）で詳しく特集されている。

【０００４】一方、二光子吸収によるアップコンバージ
ョンを用いた立体画像表示装置は、原理自体は古くから
知られており、試作されているが、当初は主に発光効率
の低さが原因で実用的な装置の完成に到らなかった。例
えば、前記の「画像電子学会誌」第２４巻第５号のp.47
2 〜473 に記述してある「固体発光素子」がその解説で
ある。これらのアップコンバージョンを利用した立体画
像表示装置は、ホスト材料にフッ化カルシウム（蛍石）
などの結晶の直方体もしくは立方体の塊を用い、その中
に希土類元素をドープしていた。しかし、これらのホス
ト材料では、主に結晶性の悪さなどが原因で発光効率が
低いことが問題であった。

【０００５】ごく最近、ホスト材料にフッ化物ガラスを
用いることで高効率な発光が得られることがわかり、実
験段階では高輝度な白色光による立体画像表示装置が実
現している。この白色立体画像表示装置については、例
えば "Non Oxide Glass Society (NOGS) News" No.56
(Jan. 1996)に詳述されている。この例において、フッ
化物ガラス中にドープされたプラセオジウム（元素記
号：Pr）は、三価に正イオン化している（以下、Pr³⁺と
表す）。図４は Pr³⁺ ドープフッ化物（フッ化ジルコニ
ウム・バリウム・ランタン・アルミニウム・ナトリウ
ム：略称 ZBLAN）ガラス中の Pr³⁺ の中の電子のエネル
ギ準位及び二光子吸収過程と発光過程の波長を表した模
式図である。 ³H₄と示された準位が基底状態である。 1
014 nmの光により励起された Pr³⁺ 中の電子は基底状態
³H₄から ¹G₄と示された状態に遷移する。更に 840 nm
の光により励起された Pr³⁺ 中の電子は、¹G₄ から³P_n
（ｎは０，１，２，のいずれか）と示された状態に遷移
する。すなわち、基底状態（³H₄)から最励起状態 (¹G₄)
に遷移する過程で二つのエネルギの異なる光子が関与す
るため、このような吸収過程は「二光子吸収」と呼ばれ
る。

【０００６】その後、 Pr³⁺ 中の電子は³P_n から³F₂ ま
たは³H_n （ｎは４，５，６のいずれか）の状態に遷移す
る際に、それぞれのエネルギ差に相当する波長の可視光
を発光する。これら以外の遷移も可能であるが、それら
は全て赤外線であるため、人間の目には見えない。この
ように、励起過程で吸収される光子のエネルギより大き
なエネルギの光子が放出されるため、このような励起／
発光過程は「アップコンバージョン」と呼ばれる。

【０００７】図５に Pr³⁺ ドープフッ化物ガラスの一つ
の点を定常的に励起したときの発光スペクトルを示す。
但し、図中縦軸の発光強度は、人間の目の各波長の光に
対する感度、すなわち視感度に合わせて補正してある。
この図５より、この Pr³⁺ ドープフッ化物ガラスは赤色
（636 nm及び 605 nm ）、緑色（536 nm及び 522 nm）
及び青色（488 nm及び 482 nm ）の三原色を主成分と
し、これらがほぼ同等の視感度を与える発光スペクトル
を有していることがわかる。従って三原色の重ね合わせ
の結果、この発光は白色に見える。このガラスの一方向
から 1014 nmの光のビームを、別の方向から 840 nm の
光のビームを入射し、一点で交差するようにすると、そ
の点のみで白色光が発光する。それぞれのビームを同期
させながら水平及び垂直方向に走査していくと、立体的
に発光点が移動して立体的な画像を表示することができ
る。また、各点の輝度は励起光強度を強度変調すること
で調整することができる。ホスト原料をフッ化物ガラス
としたことで輝度が著しく向上したため、この方式を用
いた実用性のある白色（白黒）立体画像表示装置が実現
することができると考えられている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、未だにフルカ
ラーで簡便に立体画像を表示する、実用的な装置は実現
していない。白色立体画像表示装置についての、前記の
"NOGS News No.56"の最後に記述されてあるとおり、そ
れぞれの三原色単色光を発光する希土類元素ドーパント
を別々に励起する方法が検討されている。しかしこの場
合は三原色の単色光のみを発光するドーパントの選択が
困難であること、また励起光源が三原色それぞれ別に必
要であるため、走査法が複雑になることなどの課題が残
っている。

【０００９】本発明の目的は、上述した従来技術の問題
点を解決するためになされたものであり、簡便にフルカ
ラーの立体画像表示を可能とする画像表示装置を提供す
ることにある。

【００１０】この目的を達成するために、本発明による
フルカラー立体画像表示装置は、アップコンバージョン
を用いた希土類元素フッ化物ガラスによる高輝度な白色
立体画像装置と、液晶カラーテレビジョンなどに用いら
れている三原色フィルタと強度変調素子のアレイと同様
な動作原理を用いた色・強度変調器を組み合わせ、ある
瞬間に該白色立体画像表示装置の励起光走査系により指
定されて前記白色立体画像表示装置内を立体的に移動す
る一点のみが白色光（完全な白色光ではないが白色光に
近似する可視光でもよい）に発光し、かつその瞬間に該
色・強度変調器の全面が一斉に同じ色のみを透過するよ
うに駆動することを特徴とする構成を有している。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の特徴は、白色立体画像表
示装置内を立体的に移動する発光点の軌跡を、当該発光
点の各瞬間の色に相当する色を透過するように制御され
るカラーフィルタを介して観察し得るように構成される
ことにより、簡便に立体画像をフルカラーで表示できる
ことにある。

【００１２】

【実施例１】以下に図面を用いて本発明を詳細に説明す
る。図１は本発明の実施例を示す、フルカラー立体画像
表示装置の模式構成図である。１は波長 1014 nmで発光
する半導体レーザ、２は波長 840 nm で発光する半導体
レーザ、３及び４はそれぞれ発光源１及び２から発した
光を平行光線に成形するためのレンズ、５はガルバノメ
ータ（検流計）の原理を利用した垂直方向に走査可能な
反射鏡、６及び７は反射鏡５と同様な原理でそれぞれ半
導体レーザ１，２から発した光を水平方向に走査可能な
反射鏡、８は立方体形状の Pr³⁺ ドープフッ化物ガラス
である。９は三原色の色フィルタと液晶スイッチを用い
た色・強度変調器で、その装置９の観察者の視線と交さ
する面の一部拡大図を図内右に示している。９１は赤色
の色フィルタ、９２は緑色の色フィルタ、９３は青色の
色フィルタで、それぞれのフィルタ上に対応して液晶ス
イッチが集積されている。１〜８が白色光立体画像表示
部１０を構成し、９が色・強度変調器である。なお、煩
雑になるため図では省略してあるが、装置全体は色・強
度変調器９の面を除いて暗箱の中に収められている。

【００１３】１〜８からなる白色光立体画像表示部１０
の構成は上述したとおりである。色・強度変調器９は、
平面内に並んだ三原色の色フィルタ９１，９２，９３と
それぞれのフィルタ上に配置された液晶スイッチを単位
（以下では色ピクセルと呼ぶ）とするアレイからなって
いる。本実施例の場合には、横 200μｍ幅（各色フィル
タは 53 μｍ幅、フィルタ間は配線部で、開口率は 79.
5 % ）×縦 15.24 cm長のピクセルを基本単位として、
横に 1024 個並んでいる。これは、ほぼ通称 10 インチ
のディスプレイの大きさに相当する。但し、この色ピク
セルは平面表示装置でいう「画素」ではなく、三原色を
重ね合わせて色を合成する際に色の滲みを防ぐために微
細に分割してある単位で、立体映像そのものの「画素」
は上述の立体画像表示装置８の発光点の大きさによって
決定されるものである。従って、本実施例で示すとおり
色ピクセルは「画素」に相当する単位で分割する必要は
なく、ストライプ状になっているため大きな開口率を実
現している。

【００１４】さて、白色発光物質が色・強度変調器９の
後ろにあるときに各ピクセルの三原色フィルタ９１，９
２，９３の内の一つの色フィルタ上にある液晶スイッチ
が同期して一斉に開くと、後ろの白色発光物質が発した
光はその液晶スイッチに制御されたフィルタ９１，９２
又は９３が透過する一つの色に着色して見える。すなわ
ち、色・強度変調器９は、既存の平面画像表示装置であ
る液晶ディスプレイと同じ動作原理である。ただし前述
のように、平面画像表示装置である液晶ディスプレイは
「画素」毎に異なる色を反射もしくは透過させるように
なっている点が、本実施例における色・強度変調器９と
の大きな相違点である。また、色・強度変調器９が画面
全体の明るさを調整できるのは、平面画像表示用の液晶
ディスプレイと同様である。

【００１５】本実施例においては、上述した Pr³⁺ ドー
プフッ化物ガラス８中の発光点が一点にある間に、色・
強度変調器９の全ての面で同じ色が透過するように、各
三原色の色フィルタを開く時間を制御して着色する。こ
の時、色・強度変調器９を通して発光点を見る観察者
は、どの視点からもある特定の点に対して特定の色を見
ることになる。すなわち、色・強度変調器９の全面があ
る時点で同一色に着色するため、観察者が視点を変えて
もある発光点における色情報が変化することはない。立
体画像表示部１０の発光点を３〜７からなる励起光走査
系によって移動させ、またその移動の速さに応じて色・
強度変調器９が透過する色を変化させれば、観察者はそ
れぞれの点における色情報を付加された、立体的に移動
する発光点の軌跡を見ることができる。人間の目の残像
時間内で１画面あたりの走査を終了するようにすれば、
時間的に連続した立体画像を表示することができる。本
実施例においては、先述のとおり高輝度の立体画像表示
部８を用いているため、残像保持時間が従来の蛍石など
を用いた固体発光素子型立体画像表示装置よりも飛躍的
に長くなっている。

【００１６】本実施例においては、色・強度変調器は１
面のみから観察する。従って、立体画像表示のための入
力信号は、テレビジョンやコンピュータ画面を表示する
ための信号に奥行き信号だけを付加すればよい。すなわ
ち、ホログラフィなど他の方式の立体画像表示装置と異
なり、本実施例に示した立体画像表示装置のための立体
画像表示用信号は、従来の平面画像表示用の信号に僅か
なデータを付与すればよいだけである。例えばデジタル
信号を想定した場合、奥行き方向に 1024 （2の 10
乗）段階の解像度を付与するためには、平面表示のため
の各点の信号に 10 ビットのデータを追加すればよいこ
とになる。例えば、コンピュータのディスプレイなどで
用いられているデータのように、1024×1024の平面解像
度に必要な20 ビットと、256 色の色を示すために必要
な８ビットをベースデータとして考えれば、本実施例の
場合、立体画像化により 28 ビットから 38 ビットへの
データ量増加となる。従って元の平面画像データとの比
較では 36%の増加である。左右別々の画像を見せる方式
の立体画像が必要とするデータ量は、単純には平面画像
の２倍であり、それに比べてもデータ量の増加は小さい
といえる。従って、動画の立体表示も容易であることが
理解できる。

【００１７】

【実施例２】図２は本発明の別の実施例を示す、フルカ
ラー立体画像表示装置の構成模式図である。１１は波長
1014 nmで発光するネオジウム（元素記号：Nd）をドー
プしたフッ化物ガラスファイバレーザアレイ、１２は波
長840 nmで発光するツリウム（元素記号：Tm）をドープ
したフッ化物ガラスファイバレーザアレイ、１３は Pr
³⁺ をドープしたフッ化物ガラスである。１４は実施例
１と同様の三原色の色フィルタと液晶スイッチを用いた
色・強度変調器である。１５〜１９は希土類ドープフッ
化物ファイバレーザ１１または１２の単体についての構
成を示したものである。希土類ドープフッ化物ガラスフ
ァイバレーザアレイ１１または１２は、それぞれ１５〜
１９に示したような構成からなる希土類ドープフッ化物
ガラスファイバレーザを 1024 ×1024個並べた面型のア
レイである。

【００１８】GaAsレーザダイオードモジュール１５から
発したポンプ光（Nd³⁺用は波長 800nm 、Tm³⁺用は波長
780 nm ）は、石英ガラスファイバ１６によって導かれ
た後、集光用レンズ１７ａ及び１７ｂによって Nd³⁺ ま
たは Tm³⁺ がドープされた ZBLANフッ化物ガラス製のフ
ァイバ１９に集光される。ポンプ光はフッ化物ガラスフ
ァイバ１９中にドープされた Nd³⁺ または Tm³⁺ を励起
（ポンプ）し、励起された Nd³⁺ または Tm³⁺ はそれぞ
れ 1014 nmまたは 840 nm の、レーザ光となる光を発す
る。フッ化物ガラスファイバ１９の集光レンズ側の端面
（入射端）はポンプ光に対しては透明に（透過率 90%程
度）、またレーザ光に対しては高反射率（反射率 99%程
度）になるようにコーティング１８ａが施してある。一
方、フッ化物ガラスファイバ１９のもう一方の端面（出
射端）は、レーザ光に対してやや高い反射率（反射率 9
0%／透過率 10%程度）になるようにコーティング１８ｂ
が施してある。従って、ポンプ光は集光レンズ系１７ａ
及び１７ｂからフッ化物ガラスファイバ１９へ効率よく
入射するが、レーザ光は集光レンズ系１７ａ及び１７ｂ
へはほとんど漏れずに反射される。レーザ光はファイバ
の出射端と入射端の間で反射／増幅されて、一部が出射
端からレーザ光となって出射する。

【００１９】本実施例においては、励起光源１１及び１
２にフッ化物ガラスファイバレーザアレイを用いてお
り、実施例１において使用していたガルバノメータ方式
の光学的走査部分がなく、代わりにレーザアレイを電気
的に走査していく。この方式を用いると、ガルバノメー
タ方式で光学的に走査するために必要な空間を大幅に削
減できるため、装置の小型化が可能となる。また、半導
体レーザアレイではなくフッ化物ガラスファイバレーザ
アレイを用いているため、ファイバレーザのポンピング
のために必要なレーザは高価なものである必要がない。
従って、高価な 1014 nmの半導体レーザを用いる必要は
なく、また増幅率も極めて大きいため励起強度、すなわ
ち画像装置の輝度を確保することができる。フルカラー
立体画像表示装置としての基本的な機能は実施例１と同
様である。

【００２０】

【実施例３】図３は本発明の別の実施例を示す、フルカ
ラー立体画像表示装置の構成模式図である。２１及び２
２はフッ化物ガラスファイバレーザアレイを用いた励起
光源、２３は Pr³⁺ ドープフッ化物ガラス、２４，２
５，２６及び２７は上述の実施例と同様の色・強度変調
器である。

【００２１】本実施例においては、四つの面に色・強度
変調装置を設置しているため、四方向からの立体画像観
察が可能である。従って、 Pr³⁺ ドープフッ化物ガラス
２３内の全ての点を走査することで、観察方向に合わせ
た立体透視図などを表示することも可能となる。このよ
うな立体画像表示を行う場合は、立体中の数多くの点を
走査する必要があるため、平面画像データの数百ないし
数千倍のデータ量を必要とし、一画像の走査も残像保持
時間内に終わることは困難である。また用途によれば観
察方向によってデータを切り替える必要がある。しか
し、医療用超音波スキャン像などのように、多方向から
立体を眺めたいような画像を表示するような用途には適
していると考えられる。

【００２２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
り、フルカラー立体画像を簡便に得ることが可能とな
る。特に、左右それぞれの目に異なる画像を提示する他
の方式の立体画像表示装置に比べ、実際に発光点自体が
奥行きを持っているために自然な立体感を再現すること
ができる。また、実施例１及び２で示した例では、従来
の平面画像データに僅かな奥行き信号を付加するだけで
容易に立体画像が得られるため、従来の立体画像表示装
置に比べ、立体画像のための信号を平面画像信号から生
成することも容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例である立体画像表示装置の構造
模式図である。

【図２】本発明の別の実施例である立体画像表示装置の
構造模式図である。

【図３】本発明の別の実施例である立体画像表示装置の
構造模式図である。

【図４】本発明に用いている Pr³⁺ ドープフッ化物ガラ
ス中の Pr³⁺ の中の電子のエネルギ準位及び二光子吸収
過程と発光過程の波長を表した模式図である。

【図５】本発明に用いている Pr³⁺ ドープフッ化物ガラ
ス中の一点を定常的に 1014 nm及び 840 nm の励起光で
励起したときの、アップコンバージョン発光のスペクト
ルを示した図である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ ２ 半導体レーザ ３ レンズ ４ レンズ ５ 垂直走査用反射鏡 ６ 水平走査用反射鏡 ７ 水平走査用反射鏡 ８ Pr³⁺ドープフッ化物ガラス ９ 色・強度変調器 １０ 立体画像表示器 １１ Nd³⁺ドープフッ化物ガラスレーザアレイ １２ Tm³⁺ドープフッ化物ガラスレーザアレイ １３ Pr³⁺ドープフッ化物ガラス １４ 色・強度変調器 １５ GaAsレーザダイオードモジュール １６ 石英ガラスファイバ １７ａ，１７ｂ 集光レンズ １８ａ，１８ｂ コーティング １９ Nd³⁺またはTm³⁺ドープフッ化物ガラスファイバ ２０ 立体画像表示器 ２１ 色・強度変調器 ２２ Tm³⁺ドープフッ化物ガラスレーザアレイ ２３ Pr³⁺ドープフッ化物ガラス ２４ 色・強度変調器 ２５ 色・強度変調器 ２６ 色・強度変調器 ２７ 色・強度変調器 ９１ 赤色の色フィルタ ９２ 緑色の色フィルタ ９３ 青色の色フィルタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀田 昌克 東京都新宿区西新宿二丁目３番２号 国 際電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−105343（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−107120（ＪＰ，Ａ) 米国特許4471470（ＵＳ，Ａ) 米国特許4238840（ＵＳ，Ａ) 米国特許4041476（ＵＳ，Ａ) 米国特許3123711（ＵＳ，Ａ) 西独国特許出願公開2633036（ＤＥ, Ａ１) Ｅ．Ａ．ＤＯＷＮＩＮＧ，ｅｔ．ａ ｌ．，Ａ ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｔ ｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｕ ｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｄｉｓｐｌａ ｙ，Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃ ｓ：Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｆｕｎｄａｍ ｅｎｔａｌｓ，ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａ ｔｉｏｎｓ，1994．ＮＬＯ’94 ＩＥＥ Ｅ，米国，1994年 ７月，409−411 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 27/22 G02F 1/35 G02F 1/13 ＪＳＴＰｌｕｓファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つ以上の発光源を有し、該発光源から
   発した複数の光を多方向から立体的に走査する装置を有
   し、 該立体的走査装置を経た複数の光を励起光として二光子
   吸収により励起され、アップコンバージョン過程を経て
   三原色を主成分とした白色光または白光色に近似する可
   視光で発光する希土類元素ドープフッ化物ガラスからな
   る立体画像表示器と、 該立体画像表示装置と観察者との間に、微細な三原色
   （赤、緑及び青）のカラーフィルタ及びそれぞれのフィ
   ルタに対応する強度変調素子を単位とした面型アレイか
   らなる色・強度変調器とが設置され、 ある瞬間に該立体画像表示装置の励起光走査系により指
   定されて前記立体画像表示器内を立体的に移動する一点
   のみが前記白色又は可視光に発光し、 かつその瞬間に該色・強度変調装置の全面が一斉に同じ
   色のみを透過するように駆動されることを特徴とした、 フルカラー立体画像表示装置。
2. 【請求項２】 複数の発光源を面状に配置した発光源ア
   レイ装置を二面以上有し、 該面状に配置された発光源アレイから発した複数の光を
   励起光として二光子吸収により励起され、アップコンバ
   ージョン過程を経て三原色を主成分とした白色光または
   白色光に近似する可視光で発光する希土類元素ドープフ
   ッ化物ガラスからなる立体画像表示器と、 該立体画像表示装置と観察者との間に、微細な三原色の
   カラーフィルタ及びそれぞれのフィルタに対応する強度
   変調素子を単位とした面型アレイからなる色・強度変調
   器とが設置され、 ある瞬間に該立体画像表示装置の励起光走査系により指
   定されて前記立体画像表示器内を立体的に移動する一点
   のみが前記白色光又は可視光に発光し、かつその瞬間に
   該色・強度変調装置の全面が一斉に同じ色のみを透過す
   るように駆動されることを特徴とした、 フルカラー立体画像表示装置。