JP3574751B2 - 三次元表示方法および装置 - Google Patents

Description

【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、三次元物体を奥行き標本化した複数の二次元像を表示位置を変化させて時分割で順次表示して三次元立体を表示する際に、ファントム現象を抑制し、人の立体視の生理的要因をほぼ満足し、かつ自然な三次元立体像が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、二次元表示装置の二次元像を奥行き方向に展開して三次元立体像（以下、単に三次元像という場合もある。）を再現する三次元表示装置としては、例えば、図１５に示す可変焦点型三次元表示装置、あるいは図１６に示す奥行き標本化型三次元表示装置がよく知られている。
図１５は、可変焦点型三次元表示装置の一例である可変焦点レンズ型三次元表示装置の概略構成を示す図である。
以下、図１５に示す可変焦点レンズ型三次元表示装置の動作原理を説明する。まず、図１７に示すように、三次元物体６２１を奥行き標本化して、二次元像である奥行き標本化像の集合６２２に分解する。
この奥行き標本化像６２２を時分割で二次元表示装置６０１に表示し、同期装置６０７および駆動装置６０８により、二次元表示装置６０１に表示される二次元像と同期させて、可変焦点レンズ６０２の焦点距離を変化させる。
すると、光学の原理から、可変焦点レンズ６０２の焦点距離に対応して、二次元表示装置６０１に表示された奥行き標本化像６２２の像の結像位置が奥行き方向に変化する。
この変化を人の眼の残像時間以内に高速に行えば、残像効果により、観察者６０４から見て三次元像６０３が観察される。
なお、図１５（ａ）は、二次元表示装置６０１を可変焦点レンズ６０２の焦点距離以内に配置し、虚像の三次元像６０３を表示する可変焦点レンズ型三次元表示装置を、また、図１５（ｂ）は、二次元表示装置６０１を可変焦点レンズ６０２の焦点距離より外に配置し、実像の三次元像６０３を表示する可変焦点レンズ型三次元表示装置を示している。
【０００３】
図１６は、奥行き標本化型三次元表示装置の一例である振動スクリーン型装置の概略構成を示す図である。
以下、図１６に示す奥行き標本化型三次元表示装置の動作原理を説明する。
図１６に示す奥行き標本化型三次元表示装置においても、図１７に示す奥行き標本化像６２２を時分割で二次元表示装置６１１に表示し、駆動装置６１２により、二次元表示装置６１１に表示される二次元像と同期させて、二次元表示装置６１１を奥行き方向に高速で移動させる。
この変化を人の眼の残像時間以内に高速に行えば、残像効果により、観察者６１４から見て三次元像６１３が観察される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記図１５、図１６に示す従来の三次元表示装置では、提示する像の位置が実際に奥行き方向に変化するため、人の立体視の生理的要因（両眼視差、輻輳、ピント調節、動的視差など）をほぼ満足できる利点を有している。
しかしながら、奥行き方向に時分割で表示し、残像現象により三次元像に統合するため、本来ならば観察者（例えば、図１５の６０４、図１６の６１４）の位置からでは隠されている、物体の裏側や内部（例えば、図１５の６０５、図１６の６１５等ど）が透けて見えるファントム現象を回避することが困難であるという問題点があった。
なお、このファントム現象とは、本来、隠されるべき物体の裏側や内部の像が透けて見える現象を意味する。
【０００５】
このファントム現象は、自然な像を再現する上で大きな障害となり、前記図１５、図１６に示す従来の三次元表示装置が、実質的にワイヤーフレーム状の像の再現にしか使えない主な原因となっていた。
一方、立体視の生理的要因をほとんど満たし、かつファントム現象を回避できる三次元表示方式として、ホログラフィ方式がよく知られている。
しかしながら、ホログラフィ方式は、撮像にコヒーレント光が必要である他、必要な情報量が膨大であるため、電気的な書き換えが困難であり、動画表示に適さない等の問題点があった。
このように、従来の三次元表示装置では、人の立体視の生理的要因をほぼ満足し、かつファントム現象を回避して自然な三次元像を動画再生することは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、人の立体視の生理的要因をほぼ満足し、かつファントム現象を回避して自然な三次元像を動画再生すること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。
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。
【０００７】
【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、三次元物体を奥行き標本化した複数の二次元像を、表示位置を変化させて時分割で順次表示することにより三次元立体像を生成する三次元表示方法において、設定した観察領域内に位置する観察者の瞳が移動できる瞳移動領域に対して光学的に共役であり、かつ前記三次元立体像の前記瞳移動領域側と反対側に位置する瞳共役領域を設定し、 前記時分割で異なる表示位置に表示される二次元像が、観察者の位置から見て前記表示される三次元立体像の隠れるべき部分である場合に、前記瞳共役領域内における当該観察者と共役な位置において、前記二次元像を表示する表示光を遮断状態、散乱状態、反射状態あるいはそれらの組み合わせ状態にすることを特徴とする。
また、本発明は、三次元物体を奥行き標本化した複数の二次元像を、表示位置を変化させて時分割で順次表示することにより三次元立体像を生成する三次元表示手段と、設定した観察領域内に位置する観察者の瞳が移動できる瞳移動領域に対して光学的に共役であり、かつ前記表示される三次元立体像の前記瞳移動領域側と反対側に位置する瞳共役領域内に設けられるシャッタ装置であって、それぞれ個別に光を透過状態、あるいは光を遮断状態、散乱状態、反射状態またはそれらの組み合わせの状態とする複数のシャッタ素子で構成されるシャッタ装置と、前記異なる表示位置に時分割で表示される二次元像に同期して前記各シャッタ素子を制御する制御装置であって、前記異なる表示位置に時分割で表示される各二次元像が、観察者の位置から見て前記表示される三次元立体像の隠れるべき部分である場合に、前記観察者と共役な位置にある各シャッタ素子を、遮断、散乱、反射あるいはそれらの組み合わせ状態に制御する制御装置とを有することを特徴とする。
また、本発明は、前記瞳共役領域を設定する光学系を、さらに有することを特徴とする。
また、本発明は、前記シャッタ装置が、複数のシャッタ素子が平面的に配列されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記各シャッタ素子が、強誘電性液晶素子、反強誘電性液晶素子、高分子中に粒状の液晶が含有された高分子分散型液晶素子、液晶中に高分子のネットワークを含有する高分子分散型液晶素子、液晶粒を含む層と高分子の層とが少なくとも１方向に層状構造をなすホログラフィック高分子分散型液晶素子、ツイスト・ネマティック型液晶素子、ゲスト−ホスト型液晶素子、あるいは、それらの組み合わせを含む素子で構成されることを特徴とする。
また、本発明は、前記三次元表示手段が、前記三次元物体を奥行き標本化した複数の二次元像を表示する二次元表示装置と、前記二次元表示装置に表示される二次元像と同期して焦点距離が変化する可変焦点レンズとを有することを特徴とする。
【０００８】
【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。
【０００９】
［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。本実施の形態の三次元表示装置は、三次元立体像を奥行き標本化した複数の二次元像を、表示位置を変化させて時分割で順次表示することにより三次元立体像を生成する三次元表示装置（以下、ファントム三次元表示装置と称する。）１０１と、設定した観察領域内に位置する観察者１０８の瞳が移動できる瞳移動領域１０２に村して光学的に共役な領域である瞳共役領域１０３内に配置した複数のシャッタ素子（１０４１〜１０４５）から成るシャッタ装置１０５と、これらのシャッタ素子（１０４１〜１０４５）を制御する制御素子（１０６１〜１０６５）から成る制御装置１０７とを含んで構成される。
前記シャッタ素子（１０４１〜１０４５）としては、例えば、強誘電性液晶素子、反強誘電性液晶素子、ゲストーホスト型液晶素子、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、ツイストネマティック型液晶素子あるいはこれらの組み合わせによる素子などが使用可能である。
また、前記ファントム三次元表示装置１０１としては、従来の可変焦点型三次元表示装置あるいは奥行き標本化型装置で、例えば、バリフォーカル・ミラー型三次元装置、可変焦点レンズ型三次元装置、振動スクリーン型三次元装置、表示面積層型三次元装置、回転型三次元装置などが使用可能である。
【００１０】
図２は、前記ファントム三次元表示装置１０１として使用可能なバリフォーカル・ミラー型三次元装置の概略構成を示す図である。
このバリフォーカル・ミラー型三次元装置は、同図に示すように、ＴＶ（テレビジョン）等の二次元表示装置１２０上に表示された映像をハーフミラー１２２とバリフォーカルミラー１２３を通して観察者１２４が三次元像（虚像）１２１を観察する構成となっている。
前記バリフォーカルミラー１２３は、例えば、ウーハー（低音発生用スピーカ）の表面に、例えば、アルミなどの金属や誘電体多層膜などを塗布して凹面鏡のようにした装置であり、通常のウーハーのように振動させると、この凹面鏡部分の曲率が変化し、その焦点距離を変化できる。
このため、二次元表示装置１２０の虚像または実像の位置をこの焦点距離変化に伴って変化できる。
したがって、バリフォーカルミラー１２３の焦点距離変化に同期して、二次元表示装置１２０に奥行き標本化像（三次元物体を奥行き方向に輪切りにして標本化した二次元像）を表示することにより、時分割で三次元像を表示できる。
このバリフォーカル・ミラー型三次元装置を用いて、人間の眼の残像時間内に、二次元表示装置１２０の短時間表示を複数回繰り返すことにより、複数の二次元像面を提供できる。
また、バリフォーカルミラー１２３の振動位置によって像面の奥行き位置が指定できる。
このバリフォーカル・ミラー型三次元装置は、可動部が少ない利点を有する他、像面を複数枚容易に形成できる利点も有する。
【００１１】
図３は、前記ファントム三次元表示装置１０１として使用可能な振動スクリーン型三次元装置の概略構成を示す図である。
この振動スクリーン型三次元表示装置は、図３に示すように、奥行き方向に振動する振動スクリーン（例えば、拡散板やレンティキュラ板、縄の目レンズ板など）３０１と、レンズを含む光学系３０２と、レーザ光をラスタースキャン（水平・垂直方向走査）するスキャン装置（水平・垂直方向走査器、例えば、ポリゴンミラーやガルバノミラーなどを用いた光偏向装置などより構成）３０３と、レーザ光源（図示せず）などで構成される。
この振動スクリーン型三次元表示装置は、振動スクリーン３０１が所望の奥行き位置にいるときに、高速でスキャン装置３０３を駆動してその奥行き位置における標本化像を書くことを、奥行き位置を変化させて残像時間以内に繰り返すことにより三次元像を再現できる。
この振動スクリーン型三次元表示装置を用いて、人間の眼の残像時間内に、奥行き標本化像の振動スクリーン３０１ヘの高速な書き込みを複数回繰り返すことにより、複数の二次元像面を提供できる。
この振動スクリーン型三次元表示装置は、スクリーン面での歪みなどを抑制することが容易である利点と、像面を複数枚容易に形成できる利点を有する。
【００１２】
図４は、前記ファントム三次元表示装置１０１として使用可能な回転ＬＥＤ型三次元表示装置の概略構成を示す図である。
この回転ＬＥＤ型三次元表示装置は、図４に示すように、ＬＥＤアレイよりなるＬＥＤ表示装置４０１と、このＬＥＤ表示装置４０１を回転させる回転装置４０２と、映像信号をＬＥＤ表示装置４０１に供給する映像供給装置４０３などで構成される。
この回転ＬＥＤ型三次元表示装置では、ＬＥＤ表示装置４０１の回転軸を中心とする極座標で三次元物体を標本化する必要がある。
このような極座標での標本化像を用いて、ＬＥＤ表示装置４０１の回転に同期させて極座標で標本化された二次元像をＬＥＤ表示装置４０１に表示することを、回転角を変えて繰り返すことにより三次元像を再現できる。
この回転ＬＥＤ型三次元表示装置では、所望の二次元像面を上記極座標に変換し、その変換した位置座標のＬＥＤに残像時間内に高速に表示することを、回転角を変化させながら繰り返すことにより、複数の二次元像面を提供できる。
この回転ＬＥＤ型三次元表示装置は、スクリーン面での歪みなどを抑制することが容易である利点と、ＬＥＤ表示装置４０１を比較的容易に回転できる利点と、像面を複数枚容易に形成できる利点を有する。
【００１３】
図５は、前記ファントム三次元表示装置１０１として使用可能なシンサライザ方式の三次元表示装置の概略構成を示す図である。
このシンサライザ方式の三次元表示装置は、図５に示すように、二次元像が記録されたフィルムあるいは二次元表示装置（例えば、ＣＲＴや液晶ディスプレイなど）５０１と、プリズムやミラーなどの変換光学系５０２と、投影ドラム５０３で構成される。なお、５０４は光源、５０５はシャッタである。
図５に示す投影ドラム５０３は、厚みの変化した透明材質（例えば、ガラス、アクリルなどの透明プラスチックなど）からなり、これを通して前記フィルムあるいは二次元表示装置５０１の表示を結像させる。
このシンサライザ方式の三次元表示装置では、投影ドラム５０３を回転させると厚みが変化し、これにより像面の位置が変化することを利用している。
したがって、この像面位置の変化に同期して、前記フィルムあるいは二次元表示装置５０１に奥行き標本化像を表示することにより、時分割で三次元像を表示できる。
このシンサライザ方式の三次元表示装置は可動部が少ない利点を有する他、像面を複数枚容易に形成できる利点も有する。
【００１４】
本実施の形態のファントム三次元表示装置１０１は、奥行き標本化像を時分割的に表示することで、ファントム三次元像を再現する。なお、ファントム三次元像とは、ファントム現象が出現する三次元像を意味する。
このファントム三次元像は、奥行き方向に実際に移動して表示されるため、両眼視差、輻輳、ピント調節、動的視差などの立体視の生理的要因を矛盾なく多く満足できる利点を有している。
しかし、時分割的に表示するため、隠されるべき裏側や内部の像が透けて見えるファントム現象が出現する欠点を有する。
即ち、通常の三次元物体は光を表面で散乱／反射すると同時に、後方からの光を遮る機能も有しているが、ファントム三次元表示装置では前者のみしか表現できない。
本実施の形態の三次元表示装置は、このファントム現象を回避する（以下、陰面消去と言う。）ようにしたものであり、以下、図１（ｂ）を用いて、本実施の形態の三次元表示装置の基本動作を説明する。
【００１５】
なお、説明を単純化するため、観察者１０８に提示する三次元像として、例えば、観察者１０８に近い位置にある近像１１０と、遠い位置にある遠像１１１、中間位置にある中像１１２から成る場合を例に挙げて説明する。
このような三次元像における陰面消去とは、各像が観察者１０８から以下のように見えることを意味する。
例えば、観察者１０８の瞳位置が、シャッタ素子１０４２と光学的に共役な位置（位置１１３２）にある場合には、観察者１０８からは遠像１１１は見えるが中像１１２は近像１１０の陰になって見えない。
例えば、観察者１０８の瞳位置がシャッタ素子１０４３と光学的に共役な位置（位置１１３３）にある場合には、観察者１０８からは近像１１０、遠像１１１、中像１１２の全てが見える。
例えば、観察者１０８の瞳位置がシャッタ素子１０４４と光学的に共役な位置（位置１１３４）にある場合には、観察者１０８からは中像１１２は見えるが遠像１１１は近像１１０の陰になって見えない。
【００１６】
本実施の形態では、前述したように観察者に表示するために（陰面消去するため）、各シャッタ素子（１０４２〜１０４４）を各制御素子（１０６２〜１０６４）により以下のように動作させる。
即ち、ファントム三次元表示装置１０１が、例えば、近像１１０を表示している時刻には、シャッタ素子（１０４２，１０４３，１０４４）の全てを透過状態に制御する。
次に、ファントム三次元表示装置１０１が、例えば、中像１１２を表示している時刻には、シャッタ素子（１０４３，１０４４）を透過状態に制御し、かつ、シャッタ素子１０４２を遮断、散乱、反射あるいはこれらの組合せの状態に制御する。
次に、ファントム三次元表示装置１０１が、例えば、遠像１１１を表示している時刻には、シャッタ素子（１０４２，１０４３）を透過状態に制御し、かつ、シャッタ素子１０４４を遮断、散乱、反射あるいはこれらの組合せの状態に制御する。
これにより、中像１１２、遠像１１１の見え方の状況を観察者の位置によらずにほぼ再現できるため、陰面消去でき、自然な三次元再生像を得ることができる。
【００１７】
なお、本実施の形態では、三次元像が離散的な場合について説明したが、これが連続的な場合であっても、同様に複数のシャッタ素子を制御することにより同様な効果が得られることは明らかである。
特に、連続的な奥行きを持つ三次元像を表現する場合において、シャッタ素子（１０４１〜１０４５）による遮断、散乱、反射、あるいはこれらの組合せを制御しやすくするために、人の奥行き方向の分解能が縦横方向の分解能に比べ低いことを利用して、透過させる部分と遮断、散乱、反射、あるいはこれらの組合せにする部分を時間的に（「奥行き的に」と同意義）少しずらして表示することは有効である。
また、本実施の形態では、シャッタ素子が５素子（１０４１〜１０４５）の場合について説明したが、必ずしも５素子である必要はなく、表示する三次元像や観察者の観察領域によって最適な数があることは明らかであり、素子数が変化した場合でも同様な効果が期待できることは明らかである。
【００１８】
また、本実施の形態では、観察者の移動が横方向が多いことからシャッタ素子（１０４１〜１０４５）の配列を横方向に並べたが、縦方向にも並べることにより縦方向の移動に対しても同様な効果が得られることは明らかである。
また、本実施の形態では、シャッタ素子（１０４１〜１０４５）により後方の光をほとんど遮断する場合について説明したが、シャッタ素子（１０４１〜１０４５）の光遮断率などを所望の値に設定することにより、半透明、または透明な三次元物体（例えば、ガラス、透明プラスチックなど）も容易に表現できることは明らかである。
また、本実施の形態は、シャッタ素子（１０４１〜１０４５）を追加するのみであるため、表示像における色の違いによる影響も小さく、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、本実施の形態では、ファントム三次元表示装置１０１内の光学系により、瞳共役領域１０３が、ファントム三次元表示装置１０１内に設定できる場合について説明したが、それ以外の場合でも、例えば、光学系を追加することにより瞳共役領域を設定できることは明らかであり、かつ同様な効果を期待できることも明らかである。
さらに、本実施の形態では、三次元像がファントム三次元表示装置１０１の外側、実像として再現される場合について説明したが、これが虚像の場合などにおいても同様な効果が期待できることは明らかである。
【００１９】
［実施の形態２］
図６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、瞳共役領域がファントム三次元表示装置内に定義できない場合、あるいはその領域に何らかの物があってシャッタ素子が実質的に配置できない場合の実施の形態である。
本実施の形態では、ファントム三次元表示装置２０１の前面に光学系２０２（例えば、凸レンズ、凹レンズ、プリズム、凹面鏡、凸面鏡などより成る）を配置し、シャッタ装置２０３が配置できる位置に瞳共役領域２０４が設定できるようにしたものである。
【００２０】
［実施の形態３］
以下、前記各実施の形態の三次元表示装置に使用可能なシャッタ素子について説明する。
図７は、前記各実施の形態の三次元表示装置に使用可能なシャッタ素子の一例の概略構成を示す図である。
図７に示すシャッタ素子は、強誘電液晶素子あるいは反強誘電素子を使用するシャッタ素子であり、図７（ａ）に示すように、互いに直交した偏光板（３１ｌ，３１２）と、透明電極（３１３，３１４）と、平行な配向方向の配向膜（３１５，３１６）と、強誘電液晶領域あるいは反強誘電液晶領域３１７とから構成される。
図７（ｂ）に示すように、透明電極（３１３，３１４）間に印加する電界の方向にしたがって液晶の自発分極の向きが変化するため、強誘電液晶領域あるいは反強誘電液晶領域３１７の厚さを充分に薄く（例えば、１μｍ〜２μｍ程度など）しておくと、強誘電液晶あるいは反強誘電液晶の液晶分子３１８向きが電極と同じ平面内で変化する。
そして、偏光板（３１ｌ，３１２）は直交しているため、複屈折性により出射側偏光方向の成分が変化し、光の透過／遮断を行える。
強誘電液晶あるいは反強誘電液晶３１７は自発分極を有しており、かつ双安定であるため、応答速度を高速化できる利点を有している。
【００２１】
図８は、前記各実施の形態の三次元表示装置に使用可能なシャッタ素子の他の例の概略構成を示す図である。
図８に示すシャッタ素子は、高分子分散型液晶素子を使用するシャッタ素子であり、例えば、透明な高分子（例えば、アクリル系高分子など）３２４中に液晶（例えば、ネマティック液晶など）のドロプレット３２５を分散させた高分子分散型液晶層３２ｌとこれを挟んだ透明電極（３２２，３２３）より構成される。透明電極（３２２，３２３）間に電圧を印加しない場合には、液晶ドロプレット３２５の周囲の高分子の配向規制力により、液晶はランダムに配向し、液晶の複屈折性により、光は散乱される。このため、後方からきた光はこの素子により散乱され、その強度を弱められる。
一方、透明電極（３２２，３２３）間に充分な電圧を印加すると、液晶の誘電率異方性により、液晶は、例えば、透明電極（３２２，３２３）に垂直に配向し、例えば、高分子と屈折率がほぼ等しくなるため透明となる。
このように、図８に示すシャッタ素子では、電圧により光の透過／散乱を切り替えることができ、前記各実施の形態に必要なシャッタ機能を実現できる。
また、図８に示すシャッタ素子では、液晶ドロプレット３２５の大きさを小さくできるため、配向規制力を大きくでき、応答速度を高速化できる利点を有する。
さらに、前記各実施の形態では、電圧により透過／散乱を制御できればよいので、高分子分散型液晶として、液晶中に高分子がネットワーク状に分散しているタイプの高分子分散型液晶を用いても同様な効果が得られることは明らかである。
【００２２】
図９は、前記各実施の形態の三次元表示装置に使用可能なシャッタ素子の他の例の概略構成を示す図である。
図９に示すシャッタ素子は、ホログラフィック液晶素子を使用するシャッタ素子であり、例えば，透明な高分子３３４（例えば、アクリル系高分子など）中に液晶（例えば、ネマティック液晶など）のドロプレット３３５を、同図に示すように、層状に分散させたホログラフィック高分子分散型液晶層３３ｌとこれを挟む透明電極（３３２，３３３）より構成される。
透明電極（３３２，３３３）間に電庄を印加しない場合には、液晶ドロプレット３３５の周囲の高分子３３４の配向規制力により、液晶はランダムに配向し、液晶の複屈折性により光は散乱され、高分子層と液晶層の多層膜構造のブラッグ反射により光を反射する。
このため、後方からきた光は、この素子により、例えば、再び後方に戻され、その前方へ透過する強度を著しく弱められる。
一方、透明電極（３３２，３３３）間に充分な電圧を印加すると、液晶の誘電率異方性により、液晶は、例えば、透明電極（３３２，３３３）に垂直に配向し、例えば、高分子と屈折率がほぼ等しくなるため透明となる。
【００２３】
このように、図９に示すシャッタ素子では、電圧により光の透過／反射を切り替えることができ、前記各実施の形態に必要なシャッタ機能を実現できる。
また、図９に示すシャッタ素子では、図８に示すシャッタ素子に比べて、さらにドロプレットの大きさを小さくできるため、配向規制力を大きくでき、その上、応答速度を高速化できる利点を有する。
また、前記各実施の形態では、観察者のいる方向への光強度を弱めることが重要であるため、必ずしも鏡面反射させる必要はなく、散乱要素を含んだ反射や観察者のいない領域への偏向でもよいことは明らかであり、かつこれは、この素子の高分子層と液晶層の多層膜構造の角度などを変化させ、ブラッグ反射角を変更することにより実現できることも明らかである。
【００２４】
図１０は、前記各実施の形態の三次元表示装置に使用可能なシャッタ素子の他の例の概略構成を示す図である。
図１０に示すシャッタ素子は、ツイストネマティック液晶素子を使用するシャッタ素子であり、直交した偏光板（３４ｌ，３４２）と、透明電極（３４３，３４４）と、直交した配向方向の配向膜（３４５，３４６）と、ネマティック液晶領域３４７とから構成される。
透明電極（３４３，３４４）間に電圧を印加しない場合には、液晶は配向膜（３４５，３４６）によって規制された配向方向に揃うため、入射光は液晶の旋光性により偏光方向が９０度回転し、偏光板を透過する。
一方、透明電極（３４３，３４４）間に電圧を印加すると、液晶は誘電率異方性により垂直に立つため、入射光は偏光方向を変えずに偏光板に到達し、偏光板により阻止される。これにより光の透過／遮断を行える。
【００２５】
図１１は、前記各実施の形態の三次元表示装置に使用可能なシャッタ素子の他の例の概略構成を示す図である。
図１１に示すシャッタ素子は、ゲストーホスト液晶素子を使用するシャッタ素子であり、分子の方向によって光の吸収率が異なる二色性色素（例えば、アントラキノン系二色性色素、アゾ系二色性色素など）３５７と、液晶（例えば、ネマティック液晶など）３５６との混合物であるゲストーホスト液晶層３５ｌと、これを挟む配向膜（３５２，３５３）と、透明電極（３５４，３５５）とより構成される。
透明電極（３５４，３５５）間に電圧を印加しない場合には、配向膜（３５２，３５３）の配向規制力により、液晶３５６は、例えば、配向膜（３５２，３５３）に平行に配向し、これにともなって二色性色素３５７も平行となり、例えば、黒色となり光を吸収する。
このため、後方からきた光はこの素子により吸収され、その前方へ透過する強度を著しく弱められる。
一方、透明電極（３５４，３５５）間に液晶３５６の閾値電圧以上の電圧を印加すると、液晶の誘電率異方性により、液晶３５６は、例えば、配向膜（３５２，３５３）に垂直に配向し、これにともなって二色性色素３５７も垂直となり、例えば、透明となる。
このように、図１１に示すシャッタ素子では、電圧により光の透過／遮断を切り替えることができ、前記各実施の形態に必要なシャッタ機能を実現できる。
【００２６】
［実施の形態４］
以下、前記各実施の形態の三次元表示装置に使用可能なファントム三次元表示装置について説明する。
図１２は、前記各実施の形態の三次元表示装置に使用可能なファントム三次元表示装置の一例の概略構成を示す図である。
図１２に示すファントム三次元表示装置は、可変焦点レンズ型三次元表示装置（例えば、同発明者が以前に出願した特開平９−２４３９６０号など参照。）を使用し、三次元像が実像となる三次元装置であり、二次元表示装置１３１、可変焦点レンズ１３２、シャッタ装置１０５とを含んで構成される。
ここで、前記実施の形態１のファントム三次元表示装置（図１の１０１）は、二次元表示装置１３１と可変焦点レンズ１３２とから構成される。
図１２に示すファントム三次元表示装置は、二次元表示装置１３１の表示と同期して可変焦点レンズ１３２の焦点距離を高速に変化することにより、二次元表示装置１３１の表示の像面位置を観察者から見て奥行き方向に変化でき、これを眼の残像時間以内に行うことにより奥行き標本化方式で三次元像を再現できる。但し、時分割的に三次元像を合成するため、ファントム像となる。さらに、可変焦点レンズ１３２の焦点距離よりも離して二次元表示装置１３１を配置することにより、三次元像を実像とすることができる。
なお、可変焦点レンズ１３２は、前記実施の形態１の瞳移動領域１０２に光学的に共役な瞳共役領域１０３を形成する光学系としても使用できる。
したがって、この瞳共役領域１０３内にシャッタ装置１０５を配置することにより、実施の形態１で述べたと同様に、ファントム現象を回避できることは明らかである。
【００２７】
図１３は、前記各実施の形態の三次元表示装置に使用可能なファントム三次元表示装置の他の例の概略構成を示す図である。
図１３に示すファントム三次元表示装置は、可変焦点レンズ型三次元表示装置を使用し、三次元像が実像となる三次元装置であり、二次元表示装置１３１、光学糸１０４、可変焦点レンズ１３２、シャッタ装置１０５を含んで構成される。ここで、前記実施の形態１のファントム三次元表示装置（図１の１０１）は、二次元表示装置１３１と可変焦点レンズ１３２とから構成される。
二次元表示装置１３１の表示と同期して可変焦点レンズ１３２の焦点距離を高速に変化することにより、二次元表示装置１３１の表示の像面位置を観察者から見て奥行き方向に変化でき、これを残像時間以内に行うことにより奥行き標本化方式で三次元像を再現できる。
但し、時分割的に三次元像を合成するため、ファントム像となる。さらに、可変焦点レンズ１３２と光学系１０４とを合わせた焦点距錐よりも離して二次元表示装置を配置することにより、三次元像を実像とすることができる。
この場合に、例えば、光学糸１３２は、実施の形態１で述べた瞳移動領域１０２に光学的に共役な瞳共役領域１０３を形成する光学系としても使用できる。
したがって、この瞳共役領域１０３内にシャッタ装置１０５を配置することにより、前記実施の形態１と同様ファントム現象を回避できることは明らかである。
さらに、多くの種類の光学糸を導入しても、同様なことが可能なことは明らかである。また、光学系１０４と可変焦点レンズ１３２との配置を入れ替えたり、配置を変化させもて同様なことが可能なことは明らかである。
【００２８】
図１４は、前記各実施の形態の三次元表示装置に使用可能なファントム三次元表示装置の他の例の概略構成を示す図である。
図１４に示すファントム三次元表示装置は、可変焦点レンズ型三次元表示装置を使用し、三次元像が虚像となる三次元装置であり、二次元表示装置１３１、光学系１０４、可変焦点レンズ１３２、シャッタ装置１０５を含んで構成される。ここで、前記実施の形態１のファントム三次元表示装置（図１の１０１）は、二次元表示装置１３１と可変焦点レンズ１３２とから構成される。
二次元表示装置１３１の表示と同期して可変焦点レンズ１３２の焦点距離を高速に変化することより、二次元表示装置１３１の表示の像面位置を観察者から見て奥行き方向に変化でき、これを残像時間以内に行うことにより奥行き標本化方式で三次元像を再現できる。
【００２９】
但し、時分割的に三次元像を合成するため、ファントム像となる。さらに、可変焦点レンズ１３２と光学系１０４とを合わせた焦点距離よりも近くに二次元表示装置１３１を配置することにより、三次元像を虚像とすることができる。
この場合には、例えば、光学系１０４が、実施の形態１の瞳移動領域１０２に光学的に共役な瞳共役領域１０３を形成する光学系としても使用できる。
したがって、この瞳共役領域１０３内にシャッタ装置１０５を配置することにより、実施の形態１で述べたと同様にファントム現象を回避できることは明らかである。
さらに、多くの種類の光学系を導入しても、同様なことが可能なことは明らかである。また、光学系１０４と可変焦点レンズ１３２との配置を入れ替えたり、配置を変化させても同様なことが可能なことは明らかである。
【００３０】
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。
【００３１】
【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。
（１）本発明によれば、人の立体視の生理的要因を多く満足でき、かつファントム現象のない自然な三次元像を電気的に書換え可能な形で動画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において、ファントム三次元表示装置として使用可能なバリフォーカル・ミラー型三次元装置の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１において、ファントム三次元表示装置として使用可能な振動スクリーン型三次元装置の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１において、ファントム三次元表示装置として使用可能な回転ＬＥＤ型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１において、ファントム三次元表示装置として使用可能なシンサライザ方式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２の三次元表示装置の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態の三次元表示装置に使用可能なシャッタ素子の一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三次元表示装置に使用可能なシャッタ素子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三次元表示装置に使用可能なシャッタ素子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三次元表示装置に使用可能なシャッタ素子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三次元表示装置に使用可能なシャッタ素子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三次元表示装置に使用可能なファントム三次元表示装置の一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三次元表示装置に使用可能なファントム三次元表示装置の他の例の概略構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態の三次元表示装置に使用可能なファントム三次元表示装置の他の例の概略構成を示す図である。
【図１５】従来の三次元表示装置として、可変焦点型三次元表示装置の一例である可変焦点レンズ型三次元表示装置の概略構成を示す図である。
【図１６】従来の三次元表示装置として、奥行き標本化型三次元表示装置の一例である振動スクリーン型装置の概略構成を示す図である。
【図１７】可変焦点型三次元表示装置または奥行き標本化型三次元表示装置において時分割で表示される二次元像を説明するための図である。
【符号の説明】
１０１，２０１…ファントム三次元表示装置、１０２…瞳移動領域、１０３，２０４…瞳共役領域、１０４，２０２，３０２，５０２…光学系、１０５，２０３…シャッタ装置、１０７…制御装置、１０８，１２４，６０４，６１４…観察者、１１０，１１１，１１２，１２１，６０３，６１３…三次元像、１２０，１３１，６０１，６１１…二次元表示装置、１２２…ハーフミラー、１２３…バリフォーカルミラー、１３２…可変焦点レンズ、３０１…振動スクリーン、３０３…スキャン装置、３１ｌ，３１２，３４ｌ，３４２…偏光板、３１３，３１４，３２２，３２３，３３２，３３３，３４３，３４４，３５４，３５５…透明電極、３１５，３１６，３４５，３４６，３５２，３５３…配向膜、３１７…強誘電液晶領域あるいは反強誘電液晶領域、３１８…液晶分子、３２１…高分子分散型液晶層、３２４，３３４…透明な高分子、３２５，３３５…液晶ドロプレット、３３１…ホログラフィック高分子分散型液晶層、３４７…ネマティック液晶領域、３５１…ゲストーホスト液晶層、３５６…液晶、３５７…二色性色素、４０１…ＬＥＤ表示装置、４０２…回転装置、４０３…映像供給装置、５０１…フィルムあるいは二次元表示装置、５０３…投影ドラム、５０４…光源、５０５…シャッタ、６０２…可変焦点装置、６０５，６１５…三次元像の裏側の点、６０７…同期装置、６０８，６１２…駆動装置、６２１…三次元物体、６２２…奥行き標本化像の集合、１０４１〜１０４５…シャッタ素子、１０６１〜１０６５…制御素子。

Claims (6)

1. 三次元物体を奥行き標本化した複数の二次元像を、表示位置を変化させて時分割で順次表示することにより三次元立体像を生成する三次元表示方法において、
   設定した観察領域内に位置する観察者の瞳が移動できる瞳移動領域に対して光学的に共役であり、かつ前記三次元立体像の前記瞳移動領域側と反対側に位置する瞳共役領域を設定し、
   前記時分割で異なる表示位置に表示される二次元像が、観察者の位置から見て前記表示される三次元立体像の隠れるべき部分である場合に、前記瞳共役領域内における当該観察者と共役な位置において、前記二次元像を表示する表示光を遮断状態、散乱状態、反射状態あるいはそれらの組み合わせ状態にすることを特徴とする三次元表示方法。
2. 三次元物体を奥行き標本化した複数の二次元像を、表示位置を変化させて時分割で順次表示することにより三次元立体像を生成する三次元表示手段と、
   設定した観察領域内に位置する観察者の瞳が移動できる瞳移動領域に対して光学的に共役であり、かつ前記表示される三次元立体像の前記瞳移動領域側と反対側に位置する瞳共役領域内に設けられるシャッタ装置であって、それぞれ個別に光を透過状態、あるいは光を遮断状態、散乱状態、反射状態またはそれらの組み合わせの状態とする複数のシャッタ素子で構成されるシャッタ装置と、
   前記異なる表示位置に時分割で表示される二次元像に同期して前記各シャッタ素子を制御する制御装置であって、前記異なる表示位置に時分割で表示される各二次元像が、観察者の位置から見て前記表示される三次元立体像の隠れるべき部分である場合に、前記観察者と共役な位置にある各シャッタ素子を、遮断、散乱、反射あるいはそれらの組み合わせ状態に制御する制御装置とを有することを特徴とする三次元表示装置。
3. 前記瞳共役領域を設定する光学系を、さらに有することを特徴とする請求項２に記載の三次元表示装置。
4. 前記シャッタ装置は、複数のシャッタ素子が平面的に配列されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の三次元表示装置。
5. 前記各シャッタ素子は、強誘電性液晶素子、反強誘電性液晶素子、高分子中に粒状の液晶が含有された高分子分散型液晶素子、液晶中に高分子のネットワークを含有する高分子分散型液晶素子、液晶粒を含む層と高分子の層とが少なくとも１方向に層状構造をなすホログラフィック高分子分散型液晶素子、ツイスト・ネマティック型液晶素子、ゲスト−ホスト型液晶素子、あるいは、それらの組み合わせを含む素子で構成されることを特徴とする請求項２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. 前記三次元表示手段は、前記三次元物体を奥行き標本化した複数の二次元像を表示する二次元表示装置と、
   前記二次元表示装置に表示される二次元像と同期して焦点距離が変化する可変焦点レンズとを有することを特徴とする請求項２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。

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