JP3479631B2 - 三次元表示装置 - 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、三次元表示装置に
係わり、特に、人の立体視の生理的要因を充分満足で
き、自然で疲れない三次元立体像を表示できる三次元表
示装置に関する。

【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、動画の立体表示が可能な装置として、図１４
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。三次元物体７０１を異なる方向から撮像した像(視
差像)をカメラ（７０２，７０３）によって撮像する。
カメラ（７０２，７０３）からの映像を合成してひとつ
の映像信号とするための映像信号変換装置７０４を通し
て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ＣＲＴの映像を観察す
る。液晶シャッタ眼鏡７０６は、ＣＲＴ表示装置７０５
がカメラ７０３の映像を表示している時には、右側が透
過状態、左側が非透過状態とされ、ＣＲＴ表示装置７０
５がカメラ７０２の映像を表示している時には、左側が
透過状態、右側が非透過状態とされる。これを高速で切
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】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た液晶シャッタ眼鏡方式では、液晶シャッタ眼鏡が必須
であるため、テレビ会議のような場合には、非常に不自
然である欠点を有する。さらに、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
盾が生じる問題点を有する。すなわち、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。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、人の立体視の生理的要因を充分満足で
き、自然で疲れない三次元立体像を表示可能な三次元表
示装置を提供することにある。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。

【０００４】

【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。即ち、本発明は、二次元表示装置
と、焦点距離が可変できる多焦点光学装置と、前記多焦
点光学装置の観察者側に配置される偏光切替器と、前記
偏光切替器の観察者側に配置され、二つの独立な偏光方
向の一方の偏光のみを通過させる偏光板と、同期装置と
を備える三次元表示装置であって、前記多焦点光学装置
は、入射される光の偏光方向を、前記二つの独立した偏
光方向のいずれか一方の偏光方向に変換する偏光切替器
と、該偏光切替器からの光が入射され、前記二つの独立
な偏光方向に対してそれぞれ焦点距離が異なる偏光型二
焦点レンズとで構成される二焦点光学装置で、光学的に
直列に並べて配置される複数個の二焦点光学装置を有
し、前記同期装置は、前記二次元表示装置に表示される
表示画像に同期して、前記各二焦点光学装置の偏光切替
器の偏光方向を切り替えて、前記多焦点光学装置の焦点
距離を可変することを特徴とする。

【０００５】 また、本発明は、二次元表示装置と、焦
点距離が可変できる多焦点光学装置と、同期装置とを備
える三次元表示装置であって、前記多焦点光学装置は、
入射される光の偏光方向を、二つの独立した偏光方向の
いずれか一方の偏光方向に変換する偏光切替器と、前記
偏光切替器からの光が入射され、前記二つの独立な偏光
方向に対してそれぞれ焦点距離が異なる偏光型二焦点レ
ンズとで構成される二焦点光学装置で、光学的に直列に
並べて配置される複数個の二焦点光学装置を有し、前記
同期装置は、前記二次元表示装置に表示される表示画像
に同期して、前記各二焦点光学装置の偏光切替器の偏光
方向を切り替えて、前記多焦点光学装置の焦点距離を可
変し、前記二次元表示装置は、透過型画像表示装置（ま
たは反射型画像表示装置）と、記憶素子アレイと高速シ
ャッタ素子アレイとを有する反射型シャッタ装置と、光
源と、前記多焦点光学装置と前記反射型シャッタ装置と
を同期させる同期制御装置とを有し、前記同期制御装置
は、前記各二焦点光学装置の偏光切替器の偏光方向の切
り替えに同期したデータを前記記憶素子アレイに書き込
み、前記記憶素子アレイの各記憶素子は、前記書き込ま
れたデータに基づき、前記高速シャッタ素子アレイの各
シャッタ素子を制御し、前記各シャッタ素子は、前記記
憶素子アレイの各記憶素子の制御に基づき、前記光源か
らの光を反射／遮断状態、反射／散乱状態、あるいは反
射／偏向状態として、前記透過型画像表示装置（または
反射型画像表示装置）に部分的なバックライト（または
フロントライト）として入射し、前記透過型画像表示装
置（または反射型画像表示装置）は、当該部分的なバッ
クライト（またはフロントライト）に基づき表示画像の
部分画像を出力することを特徴とする。

【０００６】 本発明の好ましい実施の形態では、前記
各偏光型二焦点レンズの焦点距離はそれぞれ異なってお
り、前記二焦点光学装置の数をｎとするとき、前記多焦
点光学装置が切り替え可能な焦点距離の数は、２のｎ乗
個であることを特徴とする。

【０００７】 本発明の好ましい実施の形態では、前記
偏光型二焦点レンズは、屈折率が固定の光学素子形状を
有する固定領域と、複屈折性を有する複屈折性媒体とを
含むことを特徴とする。本発明の好ましい実施の形態で
は、前記偏光型二焦点レンズは、光学素子形状を有する
複屈折性媒体を含むことを特徴とする。本発明のより好
ましい実施の形態では、前記複屈折性媒体は、液晶、方
解石、リチイムナイオベートあるいは高分子を含むこと
を特徴とする。本発明のより好ましい実施の形態では、
前記複屈折性媒体は、方解石あるいはリチイムナイオベ
ートを複数個光学接着したものを含むことを特徴とす
る。本発明のより好ましい実施の形態では、前記複屈折
性媒体は、１軸延伸あるいは２軸延伸した高分子薄膜を
複数積層したものを含むことを特徴とする。

【０００８】 本発明の好ましい実施の形態では、前記
偏光型二焦点レンズは、光学特性値がそれぞれ異なる第
１および第２の光学系と、前記偏光切替器から入射され
る光をその偏光方向に応じて、前記第１の光学系あるい
は第２の光学系に入射する第１の偏光ビームスプリッタ
と、前記第１の光学系および第２の光学系を通過した光
を合成する第２の偏光ビームスプリッタとを含むことを
特徴とする。本発明の好ましい実施の形態では、前記偏
光型二焦点レンズは、光学特性値がそれぞれ異なる第１
および第２の光学系と、前記偏光切替器から入射される
光を、二つの光に分離する第１のビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで分離された一方の光が入射さ
れ、前記二つの独立した偏光方向の一方の偏光方向の光
を前記第１の光学系に入射する第１の偏光板と、前記ビ
ームスプリッタで分離された他方の光が入射され、前記
二つの独立した偏光方向の他方の偏光方向の光を前記第
２の光学系に入射する第２の偏光板と、前記第１の光学
系および第２の光学系を通過した光を合成する第２のビ
ームスプリッタとを含むことを特徴とする。本発明の好
ましい実施の形態では、前記偏光切替器は、液晶を含む
ことを特徴とする。

【０００９】

【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。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。なお、以下
の実施の形態では、基本的な構成を記述しているのみで
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などは明らかである。 ［実施の形態１］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。同図に示すよう
に、本実施の形態の三次元表示装置は、二次元表示装置
１００と、焦点距離を複数個に切り替え可能な多焦点光
学装置１０４と、この多焦点光学装置１０４の焦点距離
の切り替えと二次元表示装置１００とを同期させる同期
装置１０５とから構成される。ここで、二次元表示装置
１００は、例えば、高速なＣＲＴ装置、ＬＥＤ表示装
置、高速ＬＣＤ装置、あるいは、後述する反射型シャッ
タアレイと画像表示装置と同期装置の組み合せからなる
装置などで構成される。

【００１０】多焦点光学装置１０４は、偏光切替器１０
１と、偏光型二焦点レンズ１０２とからなる二焦点光学
装置１０３を複数台を光学的に直列に配置したものを含
んで構成される。なお、図１では、偏光切替器（１０１
〜１ｍ１）と偏光型二焦点レンズ（１０２〜１ｍ２）と
からなる（ｍ＋１）台の二焦点光学装置（１０３〜１ｍ
３）を図示している。ここで、偏光切替器１０１は、例
えば、後述する液晶を用いた装置、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ＰＬＺ
Ｔなどを用いた装置などで構成される。また、偏光型二
焦点レンズ１０２は、例えば、後述する複屈折媒体とし
て、例えば、液晶、方解石、リチウムナイオベートなど
の複屈折性結晶、延伸した高分子を用いた装置、あるい
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などで構成され
る。

【００１１】本実施の形態では、偏光切替器（１０１〜
１ｍ１）と、偏光型二焦点レンズ（１０２〜１ｍ２）と
における偏光方向の直交する主軸方向、例えば、ｐ方向
とｓ方向は一致させる。また、偏光型二焦点レンズ（１
０２〜１ｍ２）は、後述するような構造により偏光方
向、例えば、ｐ方向とｓ方向によって焦点距離が異なる
二焦点レンズである。また、偏光型二焦点レンズ（１０
２〜１ｍ２）の焦点距離を、例えば、各々（ｆｐ０、ｆ
ｓ０）〜（ｆｐｍ、ｆｓｍ）とするとき、焦点距離（ｆ
ｐ０、ｆｓ０）〜焦点距離（ｆｐｍ、ｆｓｍ）は、全て
異なる値であるとする。

【００１２】本実施の形態の三次元表示装置の動作を以
下に説明する。まず、本実施の形態の多焦点光学装置１
０４における、焦点距離の切り替え動作について説明す
る。各偏光切替器（１０１〜１ｍ１）は、入射光の偏光
方向をそのまま保存して出射するモードと、入射光の偏
光方向に対して垂直な偏光方向に変えて出射するモード
とを切り替える機能を有する。また、偏光型二焦点レン
ズ（１０２〜１ｍ２）自体は、偏光方向を変化させな
い。そこで、ある偏光切替器１ｉ１（ｉ＝０〜ｍ）に入
射する光の偏光方向は、その偏光切替器１ｉ１の前段の
偏光切替器（１０１〜１ｊ１；ｊ＝ｉ−１）の動作状況
により分かるため、偏光切替器１ｉ１の出射光の偏光方
向は一意的に選択できる。したがって、各偏光切替器
（１０１〜１ｍ１）の偏光方向を切り替えることによ
り、その直後に配置された各偏光型二焦点レンズ（１０
２〜１ｍ２）の二つの焦点距離（ｆｐｉ、ｆｓｉ）（ｉ
＝０〜ｍ）の内の一つを選択できる。

【００１３】このため、焦点距離（ｆｐ０〜ｆｐｍ、ｆ
ｓ０〜ｆｓｍ）が全て異なる値であるとすると、偏光型
二焦点レンズ（１０２〜１ｍ２）における選択（切り替
え）可能な焦点距離の組み合せは、２^(m+1)通りあるこ
とになる。多焦点光学装置１０４の全体の焦点距離を、
偏光型二焦点レンズ（１０２〜１ｍ２）の各々の焦点距
離から算出できることを考慮すると、多焦点光学装置１
０４の全体の焦点距離は２^(m+1)通り変化できる。例え
ば、各偏光型二焦点レンズ（１０２〜１ｍ２）間の距離
が無視できるほど小さく、かつ近軸系の場合には光学で
よく知られたように、多焦点光学装置１０４の全体の焦
点距離の逆数は、各偏光型二焦点レンズ（１０２〜１ｍ
２）の焦点距離の逆数の和となる。むろん、一般的に
は、多焦点光学装置１０４の全体の焦点距離は、各偏光
型二焦点レンズ（１０２〜１ｍ２）の焦点距離と光学的
厚さ、およびそれらの間の距離によって算出されるべき
ことはよく知られている。このように、多焦点光学装置
１０４では、各偏光切替器（１０１〜１ｍ１）の偏光方
向の切り替えの組み合せにより、多数の焦点距離を電気
的に切り替えできる。

【００１４】図２に示すように、この多焦点光学装置１
０４の観察者１０から見て後ろに配置された二次元表示
装置１００の画像は、光学の原理から明らかなように、
例えば、実像あるいは虚像として結像し、その結像位置
は、多焦点光学装置１０４の焦点距離を変えることによ
り、例えば、図２の結像位置（１０９〜１ｋ９）に示す
ように、奥行き方向に変化できる。すなわち、二次元表
示装置１００に表示した画像を多焦点光学装置１０４に
よって異なる奥行き位置に再配置できる。ここで、図３
に示すように、表示したい三次元物体１０６を観察者１
０から見て奥行き位置（１０７〜１ｋ７）で輪切りに
し、標本化した二次元画像である奥行き標本化像（１０
８〜１ｋ８；ｋは奥行き標本化数と呼ぶ）を用意する。
この奥行き標本化像（１０８〜１ｋ８）の作成方法とし
ては、三次元コンピュータグラフィックスを用いる方
法、フォーカスの違いを用いる方法、レーザ計測や多カ
メラを用いた対応点マッチングなどの画像処理を使用す
る手法などがある。

【００１５】この奥行き標本化像１ｓ８（ｓ＝０〜ｋ）
を時分割的に次々に二次元表示装置１００に表示し、か
つ同期装置１０５によりその表示に同期させて多焦点光
学装置１０４の焦点距離を、結像位置が奥行き位置１ｓ
７（ｓ＝０〜ｋ）となるように変えることにより、図１
に示すように、三次元立体像(あるいは、三次元表示像)
１１６を表示することができる。しかも、これらを人の
眼の残像時間以内で、例えば、１／３０秒以内で高速に
行えば、これらが人にはほぼ同時に見えるため、人には
三次元物体が見えることとなる。むろん、これは多焦点
光学装置１０４の焦点距離の変化に二次元表示装置１０
０の表示を同期させても同様なことが実現できることは
明らかである。本発明による三次元表示方法では、前述
したように、三次元物体１０６とほぼ同じ奥行き位置に
三次元立体像を再現できるため、従来法とは異なり、人
の生理的要因である両眼視差、輻輳、ピント調節、運動
視差をほとんど満足でき、疲労感の少ない自然な立体視
を実現できる。

【００１６】また、本発明においては、焦点距離の変化
を人の眼の残像時間以内で、例えば１／３０秒以内で行
う必要があるが、本発明においては焦点距離の変化を偏
光切替器（１０１〜１ｍ１）による偏光方向の切り替え
のみの２値的動作の積み重ねで行うため、十分に高速化
できる利点を有する。さらに、本発明においては、レン
ズの光学動作（レンズのパワー）を担う偏光型二焦点レ
ンズ（１０２〜１ｍ２）は静的な素子であり、焦点距離
の変化は偏光の切り替えのみで可能なため、光学的な不
均一性や散乱成分などの解像度を低下させる要素を抑制
できる利点を有する。また、本発明において、電圧を印
加して機能させるのは、より複雑な境界を有する偏光型
二焦点レンズ（１０２〜１ｍ２）ではなく、平行平板構
造を主に有する偏光切替器（１０１〜１ｍ１）であるた
め、製造もしやすく、かつ信頼性などの点で有利であ
る。また、本発明においては、複数の偏光型二焦点レン
ズ（１０２〜１ｍ２）の集まりで一つのレンズ機能を果
たすため、焦点距離の変化を従来法に比べて大きくとれ
る利点を有する。

【００１７】［実施の形態２］前述の実施の形態１にお
いて、本発明による三次元表示の原理と一実施の形態を
示したが、実際の偏光切替器（１０１〜１ｍ１）におい
て、偏光の切り替えを完全に行うことは困難である。つ
まり、偏光切替器（１０１〜１ｍ１）への入射光と、そ
の出射光の偏光方向が同じ場合と異なる場合の双方にお
いて、出射光の偏光成分の直線偏光からのズレを、例え
ば、１／１００以下と小さくすることは困難である。例
えば、偏光切替器（１０１〜１ｍ１）への入射光の偏光
方向と、出射光の偏光方向が同じ場合に、これと異なる
偏光成分を、例えば、１／１００以下と小さくできて
も、入射光の偏光方向と出射光の偏光方向を変化させる
場合には、所望の偏光成分に対して異なる偏光成分が、
例えば、１／数十と大きくなることが通常である。ま
た、偏光型二焦点レンズ（１０２〜１ｍ２）も、偏光の
直線偏光からのズレを少量であるがもたらす。これらの
余分な偏光成分は、次の偏光型二焦点レンズにおいて、
所望の焦点距離と異なる焦点距離を有する成分を作り出
すこととなり、所望の奥行き位置と異なる奥行き位置に
も像を配置する、いわばゴースト成分を生成する。

【００１８】図４は、本発明の実施の形態２の三次元表
示装置の概略構成を示す図である。本実施の形態は、こ
のゴースト成分を除去する方法および装置に関するもの
である。本実施の形態における構成は、前記実施の形態
１における三次元表示装置の多焦点光学装置１０４の観
察者側に、さらに偏光切替器１２００および前記した二
つの独立な偏光方向（例えば、ｓ方向、ｐ方向）の一方
の偏光のみ（例えば、ｓ方向あるいはｐ方向）を透過さ
せる偏光板１２０１を追加した構成をとる。この追加し
た偏光切替器１２００を用いて、その出射光の主なある
いは所望の成分の偏光方向を、この偏光板１２０１の偏
光方向（例えば、ｓ方向あるいはｐ方向）に切り替える
ように、制御装置１２０２を用いて制御する。ここで、
重要なことは、前記除去すべきゴースト成分が、常に所
望の偏光成分と異なる偏光方向を有していることであ
る。したがって、前述したように偏光切替器１２００を
追加し、その所望の偏光方向を偏光板１２０１の偏光方
向と合致するように制御装置１２０２を用いて制御する
ことにより、これと異なる偏光方向を有するゴースト成
分はほとんど除去できることとなる。これにより、きれ
いな三次元立体像１１６を表示することができる。

【００１９】［実施の形態３］図５は、本発明の実施の
形態３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、光源３００と、反射型
シャッタ装置３０３と、多焦点光学装置３０４と、画像
表示装置３０５とを含む。反射型シャッタ装置３０３
は、ランダムアクセス可能な記憶素子アレイ３０１と、
高速シャッタ素子アレイ３０２とを有する。記憶素子ア
レイ３０１の各セル３０６は、例えば、半導体基板上に
形成されたＲＡＭ素子などで構成され、高速シャッタ素
子アレイ３０２は、例えば、強誘電性液晶素子、反強誘
電液晶素子、バイステーブル・ネマティック液晶素子、
高分子分散型液晶素子、ホログラフィック高分子分散型
液晶素子、あるいはマイクロミラー素子などにより構成
される。画像表示装置３０５は、例えば、液晶表示装置
（ＬＣＤ）、強誘電液晶ディスプレイ、反強誘電ディス
プレイ、各種プロジェクタ装置などで構成される。

【００２０】本実施の形態の三次元表示装置の全体的な
動作は、光源３００からの光を反射型シャッタ装置上に
入射し、反射型シャッタ装置３０３の各シャッタ素子で
後述するように高速に反射／遮断状態、あるいは反射／
散乱状態、あるいは反射／偏向状態を切り替え、この出
射光（空間的な部分光を出射することになる）を、例え
ば、画像表示装置３０５が透過型の場合には部分的バッ
クライト、あるいは画像表示装置３０５が反射型の場合
には部分的フロントライトとして、画像表示装置３０５
上にフォーカスして入射することで、画像表示装置３０
５の表示画像の部分画像を高速に切り替えて出力する。
反射型シャッタ装置３０３の動作は、記憶素子アレイ３
０１の各セル３０６に記憶されたデータに対応して高速
シャッタ素子アレイ３０２の各シャッタ素子を制御し
て、光源３００から画像表示装置３０５、多焦点光学装
置３０４に向かう光の通過を各セル単位でＯＮ／ＯＦＦ
する。すなわち、例えば、強誘電性液晶、または反強誘
電液晶の分極方向を電界制御して、例えば、反射／遮断
状態を切り替え、あるいは、例えば、バイステーブル・
ネマティック液晶を電界制御して、例えば、反射／遮断
状態を切り替え、あるいは、例えば、高分子分散型液晶
を電界制御して、例えば、反射／散乱状態を切り替え、
あるいは、例えば、ホログラフイック高分子分散型液
晶、またはマイクロミラー素子を電界制御して、例え
ば、反射／偏向状態を切り替える。

【００２１】本実施の形態の主たる二つの動作モードを
以下に述べる。まず、ラスタースキャン型として、三次
元物体（図３の１０６）を奥行き方向に複数分割して得
た複数の奥行き標本化像を再び配列することにより三次
元空間像を再現する方法について述べる。すなわち、
（１）例えば、アドレス線とデータ線経由で、多焦点光
学装置３０４の動作に同期して、その焦点距離に相当す
る奥行き位置における奥行き標本化像（図３の１０７〜
１ｋ７）のみの部分を反射するためのデータを記憶素子
アレイ３０１各セル３０６に高速で入力し、記憶させ
る。すると、（２）記憶素子３０１の各セル３０６に記
憶されたデータに対応して高速シャッタ素子アレイ３０
２の各シャッタ素子がＯＮ状態またはＯＦＦ状態とな
る。

【００２２】その結果、（３）画像表示装置３０５で表
示したい奥行き標本化像の部分のみに光源３００の光が
通過するため、（４）多焦点光学装置３０４の焦点距離
に相当する奥行き位置に所望の奥行き標本化像を次々に
表示できる。この奥行き標本化像のデータ入力から手順
（１）〜（４）を、三次元物体の奥行き標本化数に相当
する回数繰り返すことにより、三次元像が再現され、観
察者１０は立体視可能となる。この方法では、不必要な
データ（例えば、何も表示していない部分）を送る必要
があり反射型シャッタ装置３０３の高速性を強く必要と
するが、アドレスとデータを、例えば、決まった順序で
送付すればよいためにその制御系が容易となり反射型シ
ャッタ装置３０３とコントローラ１３０２を高速化でき
る利点を有する。

【００２３】次に、ベクタースキャン型として、不必要
なデータを表示せず、三次元像の必要な各要素像を奥行
き位置に対応した順序で時系列的に表示して、三次元空
間像を再現する方法について述べる。すなわち、（５）
例えば、アドレス線とデータ線経由で、多焦点光学装置
３０４の動作に同期して、その焦点距離に相当する奥行
き位置における要素像に対応する記憶素子アレイ３０１
のセル３０６のみに像を反射するためのデータを入力
し、記憶させる。すると、（６）記憶素子アレイ３０１
の各セル３０６に記憶されたデータに対応して高速シャ
ッタ素子アレイ３０２の各シャッタ素子がＯＮ状態とな
り、（７）画像表示装置３０５に表示したい要素像の部
分のみに光源の光があたり、これが表示される。これに
より、（８）多焦点光学装置３０４の焦点距離に相当す
る奥行き位置に要素像のみを次々に表示でき、前記手順
（５）〜（８）を必要な奥行き範囲で行うことにより、
三次元像が形成され、観察者１０は立体視可能となる。

【００２４】この方法では、アドレスとデータが一般的
にはランダムとなり制御が少し複雑となるが、不必要な
データ（例えば、何も表示していない部分）を送る必要
がないため、反射型シャッタ装置３０３の高速性への負
担を軽くできる利点を有する。ここで、手順（５）、
（６）の段階において、前の時刻に反射状態であって、
かつ、この時点で反射状態でないセル３０６にも、反射
をやめるデータを送る必要があることは明らかである。
但し、反射型シャッタ装置内に反射状態となってから一
定時間後に反射状態でなくなる性質、あるいは機能が追
加できればこの必要がないことは明らかである。さら
に、表示する三次元像のデータ数が増加して各セル当た
りの表示時間が短くなると、表示全体が暗くなることを
防ぐために、各セル当たりに一定時間以上の反射状態を
続けることは有益であることは明らかである。

【００２５】本実施の形態では、高速性を担う反射型シ
ャッタ装置３０３が画像表示装置３０５の部分的バック
ライト（あるいは、部分的フロントライト）の役割を果
たすのみであり、画像表示装置３０５はその間でほとん
ど変化しないため、基本的な画像の精細度が減少するこ
とを抑制できる利点を有する。本実施の形態で用いる記
憶素子アレイ３０１の各セル、例えば、半導体基板上に
形成されたＲＡＭ素子は、通常のネマティック液晶表示
装置と比較して桁違いの高速動作が可能であり、かつ容
易にランダムアクセスできるので、任意の画素位置のデ
ータのみが高速に書き変え可能である。また、高速シャ
ッタ素子アレイ３０２、例えば、強誘電性液晶、反強誘
電液晶、バイステーブル・ネマティック液晶、高分子分
散型液晶、ホログラフィック高分子分散型液晶、あるい
はマイクロミラー素子などは、２値的変化であれば通常
のネマティック液晶素子などに比べて桁違いに高速であ
るため、前述した反射型シャッタ装置３０３の動作が可
能となる。

【００２６】本実施の形態における反射型シャッタ装置
３０３におけるセル３０６と、画像表示装置３０５にお
ける、例えば、画素（画素構造を明確に持たない場合に
は分解能の逆数の領域とする）との対応は、１セルに対
して１画素を対応させる構成でも、１セルに対して複数
の画素を対応させる構成でも、本発明の趣旨の内に含ま
れることは明らかである。前者の場合には、反射型シャ
ッタ装置３０３のセル数が大きくなり制御などが難しく
なるが、より細かく奥行き方向を設定できる利点があ
る。後者の場合には、奥行き方向の設定が粗い領域でし
かできなくなるが、反射型シャッタ装置３０３のセル数
を減少できて制御などを容易にできる利点がある。通常
の人の奥行き方向の分解能は二次元方向に比べて粗いた
め、この分解能に合せて前述の対応関係を設定すること
が最も有益であると考えられる。

【００２７】また、人の奥行き方向の分解能は、観察者
１０より遠ざかるに従って粗くなるため、この距離に応
じて前述の対応関係を変えることも有益である。なお、
前述の説明では、画像表示装置として透過型を用いて説
明したが、反射型を用いても同様なことが可能なことは
明らかである。さらに、光源３００以降の反射型シャッ
タ装置３０３と画像表示装置３０５との順序は入れ替え
ても同様なことができることは明らかである。但し、こ
の場合には表示画像を一旦、反射型シャッタ装置３０３
に入射するため、解像度が低下するおそれがあるが、奥
行き方向のボケは少なくなる利点を有する。

【００２８】［実施の形態４］以下、前記各実施の形態
の偏光型二焦点レンズ（１０２〜１ｍ２）の主な例につ
いて説明する。図６は、本実施の形態の偏光型二焦点レ
ンズ（１０２〜１ｍ２）の一例の概略構成を示す図であ
る。図６に示す偏光型二焦点レンズは、複屈折性のない
光学素子形状を有する固定レンズ２０１と、複屈折性領
域２０２とで構成される。ここで固定レンズ２０１は、
例えば、ガラス、あるいはプラスチック製の凸レンズ、
凹レンズなどの組み合せによる光学系などで構成され、
複屈折性領域２０２は、例えば、複屈折性を有する媒
体、例えば、液晶、方解石、リチイムナイオベート、高
分子、または方解石、リチイムナイオベートを含む複屈
折性結晶の複数個を光学結合したもの、あるいは１軸延
伸あるいは２軸延伸した高分子薄膜を複数積層したもの
で構成される。

【００２９】以下、図６に示す偏光型二焦点レンズの動
作について説明する。固定レンズ２０１の屈折率をｎ１
とし、複屈折性領域２０２における固有偏光方向をｐ２
１、ｐ２２とし、それぞれの偏光における屈折率をｎ２
１、ｎ２２とする。例えば、複屈折性領域２０２から光
を入射した場合、入射光はその偏光状態に応じて、ｐ２
１、ｐ２２の偏光に分離し、それぞれに屈折率（ｎ２
１，ｎ２２）を感じて進行した後、屈折率ｎ１の固定レ
ンズ２０１と接することになる。したがって、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。すなわち、偏光方向により分
離する偏光型二焦点レンズとして動作する。逆に、固定
レンズ２０１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。

【００３０】ここで、複屈折媒体として液晶を用いる場
合には、図７に示すように、複屈折性領域２０２の両面
に配向膜（２０３，２０４）を付加することにより、液
晶が均一に配向するため、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。また、誘電率異方性が負
である液晶を用いることにより、電圧の印加によって配
向を促進させて屈折率異方性を安定させたり、透明性を
維持したりする効果がある。また、液晶を用いる場合に
はそのギャップを薄くするために、フレネル構造にした
り、あるいは複数のレンズの組み合せレンズとすること
により１枚のレンズ厚を薄くすることも、屈折率異方性
を安定させたり、透明性を維持したりすることに効果が
ある。図６、図７に示す偏光型二焦点レンズにおいて、
固定レンズ２０１がない場合でも、複屈折性領域２０２
の片面あるいは両面が、例えば、レンズ形状やプリズム
形状をしている場合、例えば、図８のような場合、であ
っても、図６、図７に示す偏光型二焦点レンズと同様な
効果があることは明らかである。

【００３１】次に、複屈折性領域２０２の媒体として、
複屈折性結晶（方解石あるいはリチイムナイオベートな
ど）あるいは高分子を用いても、複屈折性を得ることが
できる。ここで、製作上、液晶が大型化に適するのに対
して、例えば、方解石あるいはリチイムナイオベートな
どの複屈折性結晶は、製作上、大型化が困難な欠点を有
するが、液晶に比べて透明度がよく、屈折率異方性が安
定であることなどの光学特性が優れている利点を有す
る。なお、前述した複屈折結晶においては、結晶成長の
困難性のために大型結晶が入手困難である。しかし、こ
れを大型化して用いる方法として、下記の方法が有用で
ある。すなわち、複数の小型の複屈折結晶の側面を光学
研磨し、これらを屈折率が同等な接着剤を用いて光学接
着する方法である。接着面の厚みを十分に薄くすれば、
使用に耐える構造とすることができる。これを光学接着
した後に、所望の形に研磨することにより、例えば、図
９に示すような所望の大型な偏光型二焦点レンズを得る
ことができる。

【００３２】さらに、高分子膜を用いて複屈折媒体を形
成することも可能である。この場合、高分子膜（例え
ば、ポリカーボネイト、ポリスチレンなどの透明で△ｎ
が大きい材料やＰＶＡなどが適している）の高分子をで
きるだけ一定方向に並ばせて、屈折率異方性が大きい膜
を作成する必要がある。これには、例えば、１軸延伸あ
るいは２軸延伸することが有効である。あるいは、膜に
繰り返して応力を印加して高分子を配向させることもで
きる。このようにして作成される高分子膜においては厚
い膜を形成することは困難である。したがって、このよ
うにして作成した薄い膜を、複数枚、積層して厚い膜を
形なし、これを所望の形に研磨することにより、例え
ば、図１０に示すような所望の大型な偏光型二焦点レン
ズを得ることができる。なお、図１０において、２２０
は、配向した高分子膜である。高分子膜２２０を用いる
場合には、前述した結晶を用いる場合に比べて、光学特
性が少し劣る可能性があるが、大型化や軽量化の点で大
きな利点を有する。さらに、液晶を用いる場合に比べて
も大型化が容易である。

【００３３】［実施の形態５］図１１は、本実施の形態
の偏光型二焦点レンズ（１０２〜１ｍ２）の他の例の概
略構成を示す図である。本実施の形態の偏光型二焦点レ
ンズは、入射側における分離用の偏光ビームスプリッタ
５０１と、焦点距離などの異なる二種類の光学系（５０
２，５０３）と、出射側における合成用の偏光ビームス
プリッタ５０４、および光路を曲げるための平面鏡（５
０５，５０６）から構成される。ここで、二種類の光学
系（５０２，５０３）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
れらの組み合せなどで構成される。以下、図１１に示す
偏光型二焦点レンズの動作について説明する。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５０１により二つの固有偏光（ｐ５１，ｐ５２）に
分離され、各々光学系（５０２，５０３）へ入射する。

【００３４】光学系（５０２，５０３）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（ｐ５
１，ｐ５２）は異なる結像距離を有することになる。最
後に、偏光ビームスプリッタ５０４により両偏光（ｐ５
１，ｐ５２）を合成すると、各々結像面（５０７，５０
８）に結像することになる。このようにして、偏光方向
に対応した輝度比で分離できる偏光型二焦点レンズを構
成できる。ここで、偏光ビームスプリッタの代わりに、
図１２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。すなわち、偏光ビームス
プリッタ５０１に代えて、ビームスプリッタ５１０（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（５１１，５１２）とを用い、ある
いは、偏光ビームスプリッタ５０４の代わりに、ビーム
スプリッタ５１０と、偏光方向が互いに直交する偏光板
（５１１，５１２）を用いても同様な効果が得られる。

【００３５】［実施の形態６］以下、前記各実施の形態
の偏光切替器（１０１〜１ｍ１）の主な例について説明
する。以下では、主に液晶を用いた場合について記す
が、液晶を用いることにより、電気光学結晶を使う場合
に比べて大型化が容易である利点を有する。図１３は、
前記各実施の形態の偏光切替器（１０１〜１ｍ１）の一
例の概略構成を示す図である。この図１１に示す偏光切
替器は、強誘電型偏光切替器であり、同図に示すよう
に、透明導電膜６０１、配向膜６０２、液晶領域（例え
ば、強誘電性液晶あるいは高分子強誘電液晶など）６０
３、配向膜６０４、透明導電膜６０５から構成される。
図１３に示す偏光切替器は、強誘電液晶を用いるため、
配向膜６０２の配向方向と配向膜６０４との配向方向を
平行とする。強誘電液晶においては、印加する電圧の向
きより強誘電液晶分子が有する双極子の向きが変化し、
これにより強誘電液晶の分子の向きが変化する。このた
め、透明電極（６０１，６０５）間に加える電圧によ
り、入射光の偏光方向を可変できる。

【００３６】強誘電性液晶あるいは高分子強誘電液晶
は、前述したように双極子の向きを電圧により強制的に
変えるため、高速化できる利点を有する。また、高分子
強誘電液晶を用いることにより、高速性を保ちながら大
型化できる利点も有する。また、高速な２値的切り替え
が可能な液晶として、バイステーブル・ネマティック液
晶でも、強誘電液晶より応答速度は若干劣るが使用可能
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。

【００３７】

【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。本発明の三次元表示装置によれば、人
の立体視の生理的要因を充分満足でき、自然で疲れない
三次元立体像を表示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の三次元表示装置の動作
原理を説明するための図である。

【図３】本発明の実施の形態１の三次元表示装置で使用
する奥行き標本化像を説明するための図である。

【図４】本発明の実施の形態２の三次元表示装置の概略
構成を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態３の三次元表示装置の概略
構成を示す図である。

【図６】本発明の実施の形態の偏光型二焦点レンズの一
例の概略構成を示す図である。

【図７】本発明の実施の形態の偏光型二焦点レンズの他
の例の概略構成を示す図である。

【図８】本発明の実施の形態の偏光型二焦点レンズの他
の例の概略構成を示す図である。

【図９】本発明の実施の形態の偏光型二焦点レンズの他
の例の概略構成を示す図である。

【図１０】本発明の実施の形態の偏光型二焦点レンズの
他の例の概略構成を示す図である。

【図１１】本発明の実施の形態の偏光型二焦点レンズの
他の例の概略構成を示す図である。

【図１２】本発明の実施の形態の偏光型二焦点レンズの
他の例の概略構成を示す図である。

【図１３】本発明の実施の形態の偏光切替器の一例の概
略構成を示す図である。

【図１４】従来の、液晶シャッタ眼鏡方式の三次元表示
装置を説明するための図である。

【符号の説明】

１０，７０７…観察者、１００…二次元表示装置、１０
１〜１ｍ１，１２００…偏光切替器、１０２〜１ｍ２…
偏光型二焦点レンズ、１０３〜１ｍ３…二焦点光学装
置、１０４，３０４…多焦点光学装置、１０５…同期装
置、１０６，７０１…三次元物体、１０７〜１ｋ７…奥
行き位置、１ｓ８…奥行き標本化像、１０９〜１ｋ９…
結像位置、１１６…三次元立体像(三次元表示像)、２０
１…固定領域（固定焦点レンズ）、２０２…複屈折領
域、２０３，２０４，６０２，６０４…配向膜、２１０
…複屈折性結晶、２１１…接続部、２２０…高分子膜、
３００…光源、３０１…記憶素子アレイ、３０２…高速
シャッタ素子アレイ、３０３…反射型シャッタ装置、３
０５…画像表示装置、３０６…セル、５０１，５０４…
偏光ビームスプリッタ、５０２，５０３…光学系、５０
５，５０６…平面鏡、５０７，５０８…結像面、５１０
…ビームスプリッタ、５１１，５１２，１２０１…偏光
板、６０１，６０５…透明導電膜、６０３…強誘電性液
晶、７０２，７０３…カメラ、７０４…映像信号変換装
置、７０５…ＣＲＴ表示装置、７０６…液晶シャッタ眼
鏡、１２０２…制御装置、１３０２…コントローラ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−243960（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−151854（ＪＰ，Ａ) 特開2000−134643（ＪＰ，Ａ) 特開2000−258738（ＪＰ，Ａ) 特開2000−224614（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 13/04 G02B 3/14

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二次元表示装置と、 焦点距離が可変できる多焦点光学装置と、前記多焦点光学装置の観察者側に配置される偏光切替器
   と、 前記偏光切替器の観察者側に配置され、二つの独立な偏
   光方向の一方の偏光のみを通過させる偏光板と、 同期装置とを備える三次元表示装置であって、 前記多焦点光学装置は、入射される光の偏光方向を、前
   記二つの独立した偏光方向のいずれか一方の偏光方向に
   変換する偏光切替器と、該偏光切替器からの光が入射さ
   れ、前記二つの独立な偏光方向に対してそれぞれ焦点距
   離が異なる偏光型二焦点レンズとで構成される二焦点光
   学装置で、光学的に直列に並べて配置される複数個の二
   焦点光学装置を有し、 前記同期装置は、前記二次元表示装置に表示される表示
   画像に同期して、前記各二焦点光学装置の偏光切替器の
   偏光方向を切り替えて、前記多焦点光学装置の焦点距離
   を可変することを特徴とする三次元表示装置。
2. 【請求項２】 二次元表示装置と、 焦点距離が可変できる多焦点光学装置と、 同期装置とを備える三次元表示装置であって、 前記多焦点光学装置は、入射される光の偏光方向を、二
   つの独立した偏光方向のいずれか一方の偏光方向に変換
   する偏光切替器と、前記偏光切替器からの光が入射さ
   れ、前記二つの独立な偏光方向に対してそれぞれ焦点距
   離が異なる偏光型二焦点レンズとで構成される二焦点光
   学装置で、光学的に直列に並べて配置される複数個の二
   焦点光学装置を有し、 前記同期装置は、前記二次元表示装置に表示される表示
   画像に同期して、前記各二焦点光学装置の偏光切替器の
   偏光方向を切り替えて、前記多焦点光学装置の焦点距離
   を可変し、 前記二次元表示装置は、透過型画像表示装置と、 記憶素子アレイと高速シャッタ素子アレイとを有する反
   射型シャッタ装置と、 光源と、 前記多焦点光学装置と前記反射型シャッタ装置とを同期
   させる同期制御装置とを有し、 前記同期制御装置は、前記各二焦点光学装置の偏光切替
   器の偏光方向の切り替えに同期したデータを前記記憶素
   子アレイに書き込み、 前記記憶素子アレイの各記憶素子は、前記書き込まれた
   データに基づき、前記高速シャッタ素子アレイの各シャ
   ッタ素子を制御し、前記 各シャッタ素子は、前記記憶素子アレイの各記憶素
   子の制御に基づき、前記光源からの光を反射／遮断状
   態、反射／散乱状態、あるいは反射／偏向状態として、
   前記透過型画像表示装置に部分的なバックライトとして
   入射し、 前記透過型画像表示装置は、当該部分的なバックライト
   に基づき表示画像の部分画像を出力することを特徴とす
   る三次元表示装置。
3. 【請求項３】 二次元表示装置と、 焦点距離が可変できる多焦点光学装置と、 同期装置とを備える三次元表示装置であって、 前記多焦点光学装置は、入射される光の偏光方向を、二
   つの独立した偏光方向のいずれか一方の偏光方向に変換
   する偏光切替器と、前記偏光切替器からの光が入射さ
   れ、前記二つの独立な偏光方向に対してそれぞれ焦点距
   離が異なる偏光型二焦点レンズとで構成される二焦点光
   学装置で、光学的に直列に並べて配置される複数個の二
   焦点光学装置を有し、 前記同期装置は、前記二次元表示装置に表示される表示
   画像に同期して、前記各二焦点光学装置の偏光切替器の
   偏光方向を切り替えて、前記多焦点光学装置の焦点距離
   を可変し、 前記二次元表示装置は、反射型画像表示装置と、 記憶素子アレイと高速シャッタ素子アレイとを有する反
   射型シャッタ装置と、 光源と、 前記多焦点光学装置と前記反射型シャッタ装置とを同期
   させる同期制御装置とを有し、 前記同期制御装置は、前記各二焦点光学装置の偏光切替
   器の偏光方向の切り替えに同期したデータを前記記憶素
   子アレイに書き込み、 前記記憶素子アレイの各記憶素子は、前記書き込まれた
   データに基づき、前記高速シャッタ素子アレイの各シャ
   ッタ素子を制御し、前記 各シャッタ素子は、前記記憶素子アレイの各記憶素
   子の制御に基づき、前記光源からの光を反射／遮断状
   態、反射／散乱状態、あるいは反射／偏向状態として、
   前記反射型画像表示装置に部分的なフロントライトとし
   て入射し、 前記反射型画像表示装置は、当該部分的なフロントライ
   トに基づき表示画像の部分画像を出力することを特徴と
   する三次元表示装置。
4. 【請求項４】 前記各偏光型二焦点レンズの焦点距離は
   それぞれ異なっており、 前記二焦点光学装置の数をｎとするとき、前記多焦点光
   学装置が切り替え可能な焦点距離の数は、２のｎ乗個で
   あることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれ
   か１項に記載の三次元表示装置。
5. 【請求項５】 前記偏光型二焦点レンズは、屈折率が固
   定の光学素子形状を有する固定領域と、複屈折性を有す
   る複屈折性媒体とを含むことを特徴とする請求項１ない
   し請求項４のいずれか１項に記載の三次元表示装置。
6. 【請求項６】 前記偏光型二焦点レンズは、光学素子形
   状を有する複屈折性媒体を含むことを特徴とする請求項
   １ないし請求項４のいずれか１項に記載の三次元表示装
   置。
7. 【請求項７】 前記複屈折性媒体は、液晶、方解石、リ
   チイムナイオベートあるいは高分子を含むことを特徴と
   する請求項５または請求項６に記載の三次元表示装置。
8. 【請求項８】 前記複屈折性媒体は、方解石あるいはリ
   チイムナイオベートを複数個光学接着したものを含むこ
   とを特徴とする請求項５または請求項６に記載の三次元
   表示装置。
9. 【請求項９】 前記複屈折性媒体は、１軸延伸あるいは
   ２軸延伸した高分子薄膜を複数積層したものを含むこと
   を特徴とする請求項５または請求項６に記載の三次元表
   示装置。
10. 【請求項１０】 前記偏光型二焦点レンズは、光学特性
    値がそれぞれ異なる第１および第２の光学系と、前 記偏光切替器から入射される光をその偏光方向に応じ
    て、前記第１の光学系あるいは第２の光学系に入射する
    第１の偏光ビームスプリッタと、 前記第１の光学系および第２の光学系を通過した光を合
    成する第２の偏光ビームスプリッタとを含むことを特徴
    とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の
    三次元表示装置。
11. 【請求項１１】 前記偏光型二焦点レンズは、光学特性
    値がそれぞれ異なる第１および第２の光学系と、 前記偏光切替器から入射される光を、二つの光に分離す
    る第１のビームスプリッタと、 前記ビームスプリッタで分離された一方の光が入射さ
    れ、前記二つの独立した偏光方向の一方の偏光方向の光
    を前記第１の光学系に入射する第１の偏光板と、 前記ビームスプリッタで分離された他方の光が入射さ
    れ、前記二つの独立した偏光方向の他方の偏光方向の光
    を前記第２の光学系に入射する第２の偏光板と、 前記第１の光学系および第２の光学系を通過した光を合
    成する第２のビームスプリッタとを含むことを特徴とす
    る請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の三次
    元表示装置。
12. 【請求項１２】 前記偏光切替器は、液晶を含むことを
    特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に
    記載の三次元表示装置。