JP5073652B2 - 3次元映像表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、映像情報を立体的に表示する3次元映像表示装置に関するものである。
従来の技術として、例えば非特許文献1に記載がある。ここでは、この先例に基づき、図6を用いて説明する。図6は従来例に於ける3次元映像表示装置の原理構成を示している。図6に於いて、観察者は左右の目に偏光方向が異なる偏光フィルター12a、12bを掛けており、ハーフミラー13を通して、左画面の図形14aと右画面の図形14bを見ている。偏光フィルター12a、12bにより、左目は上下偏光15aの像16a、右目は水平偏光15bの像16bを見ることになり、両眼視差により観察像に立体感が生まれる。
応用エレクトロニクスハンドブック編集委員会編集、野田健一、大越孝敬監修、「応用光エレクトロニクスハンドブック」、初版1刷発行、株式会社昭晃堂、1989年4月10日、p.861
このような従来の3次元映像表示装置においては、以下の問題があった。即ち、一般に立体視(目の3次元像の形成)のメカニズムは、調節(目の焦点調節をする毛様体筋肉や眼球を取り巻く筋肉の緊張度合いから物体の遠近情報を得ること)や輻輳(両眼球が同一点を見る時起こる眼球内向の度合いから、物体までの遠近情報を得ること)、及び両眼視差(両目の位置が異なることに起因する左右の目の網膜上にできる像の差異から、物体までの遠近情報を得ること)等の目の生理的な特性に学習効果が加わるためと考えられる。このうち従来の3次元映像表示装置では目の生理的な特性の内の調節と輻輳を犠牲にしており、不自然な3次元像といえる。例えば、目を移動させても画面が変化せず(運動視差なし)、書き割り効果(表示像が平板的に見える)や箱庭効果などの問題もあり、目の疲労が大きいといわれる。
本発明はかかる問題点に鑑み、調節、輻輳を犠牲にせず、自然な3次元映像の表示を可能にする3次元映像表示装置を提供することを目的とする。
本発明の3次元映像表示装置は、放射光源と、ホログラムと、透明体とからなり、前記透明体の内部には立体格子の交点位置に配置された複数の反射体が形成され、前記放射光源を出射する光は前記ホログラムに入射し、該ホログラムにより前記反射体の近傍で集光点を形成する複数の回折光を発生させ、該集束光は前記反射体を反射して前記透明体の出射面を経て外部に放射されることを特徴とする。
前記透明体は少なくとも4つの平面を表面に持ち、このうち3面にはそれぞれの放射光源とホログラムを有し、残りの1面が前記出射面に対応し、前記3つの放射光源はそれぞれ赤、緑、青の光を放射することを特徴とする。または、前記透明体は少なくとも5つの平面を表面に持ち、このうち4面にはそれぞれの放射光源とホログラムを有し、残りの1面が前記出射面に対応し、前記4つの放射光源はそれぞれ赤外、赤、緑、青の光を放射することを特徴としてもよい。
また、透明体は少なくとも2つの平面を表面に持ち、当該1面には放射光源とホログラムを有し、残りの1面が出射面に対応し、放射光源は、所定の単位時間毎に、赤、緑、青の光を順次放射し、ホログラムは、投入される電気信号により該ホログラムのパターンが、放射光源から放射される赤、緑、青の光のそれぞれに応じたパターンに変化することを特徴としてもよい。更に、放射光源は、所定の単位時間毎に、赤外、赤、緑、青の光を順次放射し、ホログラムは、投入される電気信号により該ホログラムのパターンが、放射光源から放射される赤外、赤、緑、青の光のそれぞれに応じたパターンに変化することを特徴としてもよい。
更に、前記透明体に入射する光は直線偏光であり、透明体の出射面ではこの直線偏光成分を遮光する直線偏光子が形成されていることを特徴とし、前記ホログラムは、投入される電気信号により該ホログラムのパターンが変化することを特徴とし、前記ホログラムを回折する光の一部は前記ホログラムに対向する側の透明体表面に設置された光検出器により検出され、前記光検出器の検出出力が一定になるようにフィードバックして前記ホログラムのパターンを変化させることを特徴とする。
また、前記透明体は、本発明の3次元映像表示装置の製造方法は、表面の格子交点位置に微小部材を埋め込んだ平行平板を、透明接着層を挟んで複数枚重ね合わせて構成することを特徴とし、前記微小部材を目がけて、透明体外部から高エネルギーの集束光を照射して前記微小部材及びその周辺を加熱し、微小部材成分の膨張により微小部材形状を球形に変形させることを特徴とする。更に前記微小部材が金属成分を含み、加熱により生成される球表面に金属成分が付着することを特徴とし、前記微小部材に含まれる金属成分がAg又はAlであることを特徴とする。前記透明接着層には加熱により白濁化するサーモトロピック成分が含まれることを特徴とし、前記透明接着層は前記透明体の出射面と平行であることを特徴とする。
以上の本発明の3次元映像表示装置により、反射体が3次元的な空間に位置するので、調節、輻輳、両眼視差のいずれも犠牲にすることなく、自然な3次元映像の表示が実現できる。また奥にある反射体からの光をうまく遮ることができるので、陰像が消去された、実際と全く同じ立体像の表示を実現できる。
以下、本発明の実施の形態による3次元映像表示装置について図面に基づいて説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態に於ける3次元映像表示装置の全体構成を示す概念図である。図1において、半導体レーザー等の放射光源1Rから+z軸方向に沿って出射する光2Rはy軸方向の偏光状態2rをなし、ホログラム板3Rに入射して、そのホログラム面で複数の集束光に回折、分離し、各集束光5Rは偏光状態2rのまま直方体形状の表示体4に入射し、その内部の異なった位置に集束する。同様に半導体レーザー等の放射光源1G、1B(図示せず)、1Iからそれぞれ−z、+x、−y軸方向に沿って出射する光2G、2B(図示せず)、2Iはそれぞれy、y、z軸方向の偏光状態2g、2b(図示せず),2iをなし、それぞれのホログラム板3G,3B(図示せず),3Iに入射して、そのホログラム面で複数の集束光に回折、分離し、各集束光5G,5B(図示せず),5Iは表示体4に入射し、その内部の異なった位置に集束する。
なお、放射光源1Bやホログラム3Bは、図1に於ける表示体4の背面側にあり、放射光源1Bやそれに対応する要素を図中に表すと複雑になるので図1では省略している。また、以下の説明では放射光源1Rとそれに対応する要素を代表にとって行うが、他の光源とそれに対応する要素についても同じことがいえる。放射光源の偏光性能が十分でない時には、ホログラム面の手前や、ホログラム面と表示体4の間に偏光状態を揃えるための直線偏光子を設けても良い。
表示体4は透明材料で形成されており、その内部に立体格子の交差点位置に球状の反射体6が埋め込まれている。立体格子はx軸方向のピッチpx、y軸方向のピッチpy、z軸方向のピッチpzで構成され、各ピッチは100〜200μm程度の大きさである。反射体6の直径dは数μm程度の大きさに揃っている。集束光5Rは反射体6の表面近傍(できれば表面の内の出射面7sに近い側)に集光し(その集光スポットの大きさは反射体6の大きさより小さいことが好ましい)、これを反射することで、偏光状態8aがランダムな反射光8となり、そのうち−y軸方向に進む成分が表示体4の出射面7s(−y軸方向を向いた面)を経て外部に放射され、この光が観察される。表示体4の出射面7sには直線偏光子7が形成されており、x軸方向の偏光状態8bの光のみが外部に放射されている。なお、ホログラムによる回折で集束光にならなかった成分や、集束光の中でも反射体6を反射せずに直接表示体4の出射面7sに至る光も存在するが、これらの光はいずれも偏光状態8bとは直交した偏光であり、直線偏光子7によりカットされるので、迷光とはならない。
外部の観察者が−y軸方向から表示体4を眺めると、表示体内部の反射体6は発光点の様に振る舞う。反射体6は3次元的な空間に位置するので、反射体6からの反射光8bは全体として立体像を形成する。この立体像は、反射体6が実際に3次元的な空間に位置するので、調節、輻輳、両眼視差のいずれも犠牲にすることなく自然な3次元映像の表示になっている。放射光源1R、1G、1Bをそれぞれ赤、緑、青の光源とすれば、反射体6はカラーの発光点として振る舞い、それぞれの光量を調節することでカラーの3次元映像を表示することになる。
集束光5Rはその集束点に至るまでに多数の反射体6を通過する。例えば、集束点の一つ手前の反射体6の影響を考えた場合、集束光のNAを0.1としてスポット径は40μmである(ただし、pz=200μmとする)。反射体6の直径d=5μmとすると面積比で100×(5/40)^2 =1.6%が散乱する。最も影響を与える位置の反射体でもこの程度であり、もっと離れた通過位置にある反射体の影響度は指数関数的に弱まる。離れた通過位置(集束光のスポット径が十分大きい領域)での影響の考え方は次の通りである。
集束光5Rの場合、距離pz当たりの伝搬で散乱する成分の比率εは次式で与えられる。
ε=π/4×d^2 /(px×py) (数1)
集束光5Rが距離aの伝搬を経て反射体に集光し、これを反射して距離bの伝搬を経て表示体4の外部に放射されるとすると、最後まで残っている光量比ηは次式で与えられる(ただし反射体の反射率や散乱成分、直線偏光子7による透過率等による減衰は無視する)。
η=(1−ε)^(a+b)/pz (数2)
よって、伝搬距離が長いほど減衰するが、伝搬距離は反射体の位置により一律に決まっているので、この減衰効果を見込んだホログラムパターン(伝搬距離が大きいほど光強度を大きくした状態で、n個の回折集光点を出射する光を、点Sを出射する光と干渉させて得られるパターン)を生成すればよい。なお、px=py=pz=200μm、d=5μmとするとε=0.000491であり、a+b=400mmとするとη=0.37となり、光強度の差別化は3倍程度である。
図2は本発明の実施の形態に於ける3次元映像表示装置のホログラム板の原理説明図を示している。ホログラム板3はホログラム面3aを透過することで光の位相が位置に応じて変化し、透過光が回折するものである。図2では簡単のため、ホログラム板3の表面にホログラム面3aを形成している。点Sを出射する光はホログラム面3aに入射し、ホログラム面3aでの回折により、表示体4の中に空間的に散らばったn個の点(P1,P2,・・・,Pn)に集光する回折光を発生させる。ホログラム面3aには凹凸状のパターンが形成され、このパターン(ホログラムパターン)は点Sを出射する光2とn個の点(P1,P2,・・・,Pn)を出射する光を干渉させ、その干渉光の位相成分がなすパターン(干渉パターン)に一致する。凹凸の深さが干渉光の位相をそのまま表現できれば、集光する回折光を完全に再現できるが、2値(いわゆる2レベルのグレーティング)などの不完全な表現の場合には回折効率は劣化する(即ち集光する成分(1次回折光)以外に−1次回折光等が発生する)。集光点の位置と光強度さえ決まれば、干渉パターン、及びこれを2値やn値で再表現したホログラムパターンは数値計算で求めることができる。凹凸面の代わりに液晶等の能動素子を用いて透過光の位相を位置に応じて変化させる方式を用いれば、あらかじめ計算した結果を用いてホログラムパターンを切り替え、集光位置とその光強度を時系列に変化させ、動画の3次元表示を行うこともできる。
n個の集束光(5#1 、5#2 、・・・,5#n )はどれも光の入射領域2aの全体を開口とするのでそのNA(開口数)は大きく、集束光の径は小さく焦点深度も浅くなる。またホログラムパターンの数値計算のなかで集光位置の差に伴う収差は全て除去されるので、全ての集光点で無収差の集光が実現できる。更にホログラムのどの領域もn個の集束光の位相情報を全て含んでおり、ホログラムの一部が欠損しても各集束光の光量が一律に減少するだけであり、遮光に対する補完作用がある。例えばホログラムの欠損により、集束光51だけが欠損するということはない。また集光点に至るまでに遮光体9があり集束光の一部が遮光されても、この遮光体が集束点から離れた位置にある限り状況は同じであり、補完作用は維持される。多数の集光スポットの形成には単に光を対物レンズにより集光させ、それをスキャンさせる方法もあるが、十分なNAを確保するのが難しく、集光位置により発生する収差(奥行き方向の差による球面収差、斜入射によるコマ収差)が除去できない。このように、ホログラムによる集束光の形成は収差のない高い集光性能を持ち、遮光に対しても補完作用により集光点の欠落がない等、多くのメリットを有する。
図3は本発明の実施の形態に於ける3次元映像表示装置の表示体の製造方法を説明する図である。図3(a)に示すように、厚さが精度良く管理された透明樹脂基板4aの表面の格子交点位置に窪みを形成し、この窪みに精度良く重量管理された種6sを植える。種6sはゴムやプラスチックをベースとし、銀(Ag)やアルミニウム(Al)等の金属成分を他の配合剤とともに含み、加熱すると分解し、窒素ガス・炭酸ガス・一酸化炭素、アンモニアガス、水素ガスなどを発生する性質をもつ。図3(b),(c)に示すように、透明樹脂基板4aを紫外線硬化樹脂などの接着剤4bを挟んで、他の透明樹脂基板4と精度良く位置合わせして重ね、貼り合わせる。接着剤4bにはサーモトロピック等の熱反応性のポリマーを混入させており、加熱により白濁するが、冷却すると透明に戻る性質を持つ。接着後、外部から透明樹脂基板4a上の種6sを目がけて集束レーザー光を照射し、集束レーザー光を移動させて一つ一つの種を順に加熱する。図3(d),(e)、(f)に示すように、加熱された種6sは周りの樹脂領域を軟化させる一方、発泡して体積を増し、外形形状を綺麗な球形に整えつつ、その表面に加熱により蒸気化した金属成分を付着させ、球面の反射体6を形成する。以上の工程を繰り返し、透明樹脂基板4aを順に積層していくことで、本発明の実施の形態に於ける表示体4が作製できる。なお、接着層4bは図1でのy軸に垂直な面に平行である。なお、種6sは単なる発泡剤や低融点の金属粒であってもよく、発泡剤の場合には球形の気泡でできた反射体6、金属粒の場合には金属球でできた反射体6が形成される。
図4は本発明の実施の形態に於ける3次元映像表示装置で表示される3次元像の説明図を示している。図1に於いて放射光源1Iを赤外光の光源とし、この光源からの光を消した状態で、外部の観察者が−y軸方向から表示体4を眺めると、図4(a)の様な立体像10a、10bが見える。この立体像は幽霊のように透けて見え、実際の立体像では遮光されるはずの輪郭線までも見えてしまう。これは実際の立体像の場合、反射体がこの反射体よりも奥にある反射体からの光を遮る働き(陰像消去)をするのに対し、実施の形態での立体像ではこの遮光の作用が極めて小さいためである。
次に、放射光源1Iから光を出射させて、所定の位置にある接着層4bの上に複数の回折光を集光させると、集束位置での接着層4bが加熱し、接着層4bに含まれるサーモトロピック成分が白濁して遮光作用をなす。従って、放射光源1Iからの光を立体像10a、10bの表面の近傍(観察者から見ての奥側の領域)に集光させると、手前にある反射体からの光に影響せずに奥にある反射体からの光だけをうまく遮ることができ、図4(b)の様に実際と同じ立体像を実現できる。サーモトロピック成分の熱反応性は可逆的であり、光の照射を止めて冷却すると透明に戻るので、動画の立体像に於ける陰像消去もリアルタイムに実現できる。なお、サーモトロピック成分を含む接着層4bは放射光源1Iからの光5Iの方向と垂直な位置関係にあるので、この光を受けやすく、効果的な白濁作用がなされる。また接着層4bは反射光8の方向とも垂直な位置関係にあるので、陰像を消去する上でも都合がいい。反対に接着層4bは放射光源1R,1G,1Bからの光(5R,5G,5B)の方向とは平行な位置関係にあるので、これらの光はすり抜けやすく、立体像生成への悪影響(白濁領域が集束光を遮ること等)は最小限に押さえられている。
図5は本発明の実施の形態に於ける3次元映像表示装置の調整方法を説明する図である。本発明の実施の形態では複数の集束光を表示体内部の反射体6に精度良く照射する必要がり、光源Sやホログラム板3の位置がずれると、表示像が不鮮明になる。そのため表示体表面の内、ホログラム3に対向する面4aの周辺位置に2分割の光検出器を設置し、検出器の差信号をモニターしながら、光源Sやホログラム板3の位置調整を行う。この時、対向面4aの基準位置に集光する回折光5a、5b、5c、5dを生成するホログラムパターンを用いることになり、検出器17a、17bでの出力より上下位置、検出器17c、17dでの出力より左右位置が決まる。なお、回折光の集光位置は光源の波長変化によっても移動する。従って調整時だけでなく立体像を表示している時にも、ホログラムは対向面4aの基準位置に集光する回折光5a、5b、5c、5dを常時生成し、検出器の差信号をモニターして、ホログラムパターンの補正にフィードバックすることで、表示像の劣化を防ぐことができる。
なお、上述した実施形態では、図1で示したように放射光源について、放射光源1R、1G、1Bの3つを用いるようにしていた。そして、放射光源1R、1G、1Bをそれぞれ、赤、緑、青の光源としていた。これに限らず、赤、緑、青の光源を1つにまとめても良い。これは、上記のように放射光源を3カ所に分けた場合、これらから個別に発せられる3つの光の集光位置としては、完全に一致させることが望ましいのではあるが、現実として、その集光位置に若干のずれが発生する可能性がある。この集光位置のずれにより、本来意図した色が表示されない等の立体像生成への悪影響が発生することがある。そのため、光源を1カ所だけとすることで、集光位置がずれることを防ごうとするものである。すなわち、光の出射箇所を1カ所だけとすることで、集光位置を固定化しようとするものである。この場合は、1つの放射光源、例えば図1の1Rが、赤、緑、青の光を出射できるようにする。そして、当該放射光源1Rが、赤、緑、青の光源として所定時間毎に順に切り替わるようにすればよい。つまり、放射光源1Rから、例えば赤、緑、青の順番で繰り返して光が出射されるようにすればよい。一方、当該光源1Rからの光が入射するホログラム面3aのホログラムパターンについても、赤、緑、青のそれぞれに応じたパターンを予め用意する。あるいは、液晶などの能動素子をホログラム面3aに用いる場合であれば、赤、緑、青のそれぞれに応じたホログラムパターンを数値計算で求めておく。そして、上記光源が赤、緑、青の光源に切り替わるタイミングに同期して、それぞれに対応するホログラムパターンに切り替えるようにすればよい。これにより、放射光源が1箇所だけになるため、上記のような複数箇所の光源からそれぞれ赤、緑、青の光を分けて出射する場合に比べ、集光位置にずれが発生することを防ぐことができ、より鮮明な立体像を得ることができる。
更に、上述したような赤外光についても、同じ放射光源から出射するようにしてもよい。つまり、1つの放射光源が、所定時間毎に赤、緑、青、赤外光を順に出射するようにする。そして、当該出射する光の切り替えのタイミングに同期して、ホログラムパターンを、赤、緑、青、赤外の光に応じたパターンに、切り替えていくようにすればよい。これにより、上記のように集光位置のずれの発生を防いで、立体像生成への悪影響を更に低減しつつ、上述したような陰像消去も実現できる。
本発明にかかる3次元映像表示装置は、反射体が3次元的な空間に位置するので、調節、輻輳、両眼視差のいずれも犠牲にすることなく自然な3次元映像の表示が実現でき、また奥にある反射体からの光をうまく遮ることができるので、陰像が消去された、実際と全く同じ立体像の表示を実現できるので、3次元映像表示の各種機器、装置等として有用である。
本発明の実施の形態に於ける3次元映像表示装置の全体構成を示す概念図 同3次元映像表示装置のホログラム板の原理説明図 同3次元映像表示装置の表示体の製造方法を説明する図 同3次元映像表示装置で表示される3次元像の説明図 同3次元映像表示装置の調整方法を説明する図 従来例に於ける3次元映像表示装置の原理構成図
符号の説明
1R、1G、1I 放射光源
2R、2G、2I レーザー光
2r、2g、2i 偏光方向
3R、3G、3I ホログラム板
4 表示体
5G,5B,5I 回折集束光
6 反射体
7 直線偏光子
7s 出射面
8 反射光
8a,8b 反射光の偏光状態

Claims (14)

  1. 放射光源と、ホログラムと、透明体とからなり、
    前記透明体の内部には立体格子の交点位置に配置された複数の反射体が形成され、前記放射光源を出射する光は前記ホログラムに入射し、該ホログラムにより前記反射体の近傍で集光点を形成する複数の回折光を発生させ、該集束光は前記反射体を反射して前記透明体の出射面を経て外部に放射されることを特徴とする3次元映像表示装置。
  2. 前記透明体は少なくとも4つの平面を表面に持ち、このうち3面にはそれぞれの放射光源とホログラムを有し、残りの1面が前記出射面に対応し、前記3つの放射光源はそれぞれ赤、緑、青の光を放射することを特徴とする請求項1記載の3次元映像表示装置。
  3. 前記透明体は少なくとも5つの平面を表面に持ち、このうち4面にはそれぞれの放射光源とホログラムを有し、残りの1面が前記出射面に対応し、前記4つの放射光源はそれぞれ赤外、赤、緑、青の光を放射することを特徴とする請求項1記載の3次元映像表示装置。
  4. 前記透明体は少なくとも2つの平面を表面に持ち、当該1面には放射光源とホログラムを有し、残りの1面が前記出射面に対応し、
    前記放射光源は、所定の単位時間毎に、赤、緑、青の光を順次放射し、
    前記ホログラムは、前記所定の単位時間毎に、前記放射光源から放射される赤、緑、青の光のそれぞれに応じたパターンに変化することを特徴とする請求項1記載の3次元映像表示装置。
  5. 前記透明体は少なくとも2つの平面を表面に持ち、当該1面には放射光源とホログラムを有し、残りの1面が前記出射面に対応し、
    前記放射光源は、所定の単位時間毎に、赤外、赤、緑、青の光を順次放射し、
    前記ホログラムは、前記所定の単位時間毎に、前記放射光源から放射される赤外、赤、緑、青の光のそれぞれに応じたパターンに変化することを特徴とする請求項1記載の3次元映像表示装置。
  6. 前記透明体に入射する光は直線偏光であり、透明体の出射面ではこの直線偏光成分を遮光する直線偏光子が形成されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の3次元映像表示装置。
  7. 前記ホログラムは、投入される電気信号により該ホログラムのパターンが変化することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の3次元映像表示装置。
  8. 前記ホログラムを回折する光の一部は前記ホログラムに対向する側の透明体表面に設置された光検出器により検出され、前記光検出器の検出出力が一定になるようにフィードバックして前記ホログラムのパターンを変化させることを特徴とする請求項7記載の3次元映像表示装置。
  9. 前記透明体は、表面の格子交点位置に微小部材を埋め込んだ平行平板を、透明接着層を挟んで複数枚重ね合わせて構成することを特徴とする請求項1記載の3次元映像表示装置。
  10. 前記微小部材を目がけて、透明体外部から高エネルギーの集束光を照射して前記微小部材及びその周辺を加熱し、微小部材成分の膨張により微小部材形状を球形に変形させることを特徴とする請求項9記載の3次元映像表示装置。
  11. 前記微小部材が金属成分を含み、加熱により生成される球表面に金属成分が付着することを特徴とする請求項9記載の3次元映像表示装置。
  12. 前記微小部材に含まれる金属成分がAg又はAlであることを特徴とする請求項10又は11記載の3次元映像表示装置。
  13. 前記透明接着層には加熱により白濁化するサーモトロピック成分が含まれることを特徴とする請求項5記載の3次元映像表示装置。
  14. 前記透明接着層は前記透明体の出射面と平行であることを特徴とする請求項9又は13記載の3次元映像表示装置。
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