JPH04285993A - 直視型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を用いて立体
画像を表示する直視型画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】立体画像を表示する技術として種々の技
術が「３次元ディスプレイ」（産業図書）（増田　　千
尋）や、「これまでの３次元ディスプレイ開発の試みと
今後の展望」（「映像情報」１９８５／８）などに紹介
されている。３次元画像あるいは立体画像と称される画
像は、次のように分類される。 （１）２眼式のもの。情報量でいえば、左右２眼分の情
報量のもの。立体画像と称される。 （２）空間のある場所に物体の再生像が浮かび上がって
見えるもの。すなわち視点を動かせば回り込んだ側面も
見えるもので、情報量としては複数眼分あるいはそれ以
上持っているもの。狭義の３次元画像と称される。 （３）錯覚を利用したもの。

【０００３】像を立体像として認識するための要因は、
表１に示すように単眼視の場合、ピント調節、像の大き
さ、運動視差、視野が要因とされ、両眼視の場合はさら
に、両眼輻輳および両眼視差が要因とされる。このこと
は、例えばテレビジョン学会誌Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．８
（１９８９）に開示されている。

【０００４】上記した文献などに開示されている従来の
立体表示装置の立体知覚要因を分類すると、表２に示す
ようになる。

【０００５】また、立体画像に関する特許も例えば、特
開昭６４−４２９９８号公報、特開昭６２−７７７９４
号公報、特開昭５６−６９６１２号公報、米国特許４，
７９９，１０３などにも提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例えば
特開昭６４−４２９９８号公報に記載の装置は、発光体
を発散光で発光させなければならず、高解像度と十分な
明るさを両立させることが困難である。

【０００７】また、特開昭６２−７７７９４号公報の装
置は、微細な形状の可変焦点レンズアレイを用意しなけ
ればならず、その実現性が困難である。

【０００８】また、特開昭５６−６９６１２号公報記載
の装置は、移動スクリーン方式のものであるのでスクリ
ーンを高速で移動させることが困難であり、また、スペ
ックルノイズによる画質の劣下が避けられない課題も有
する。

【０００９】さらに、米国特許４，７９９，１０３に記
載の装置は可変焦点ミラー方式であるので、表示してい
る物体の内側や反対側まで見えてしまう、いわゆるファ
ントムイメージ現象が生じ、ラスタ走査を行っているテ
レビジョン放送等に基づく映像信号の映像を表示するの
には適さない。

【００１０】さらにまた、これらいずれの装置において
も共通して言えることは、立体像を実像として表示させ
るものであるため、構成が複雑になるばかりでなく装置
が大型化する課題があった。

【００１１】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであり、簡単な構成かつ小型の装置で立体像を表示
できるようにするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の直視型画像表示
装置は、レーザ光を出射する光源と、光源または光源か
ら出射されたレーザ光を映像信号により光変調する変調
手段と、変調されたレーザ光に対し奥行き情報を与える
可変焦点光学系と、レーザ光を走査信号によって走査す
る走査手段と、走査されたレーザ光を眼の網膜上に結像
する投射光学系とを備えることを特徴とする。

【００１３】

【作用】上記構成の直視型画像表示装置においては、可
変焦点光学系により奥行き情報が与えられ、かつ走査信
号により走査されたレーザ光が眼の網膜上に直接結像さ
れる。従って、構成が簡単で小型の装置により、立体画
像を表示することが可能となる。

【００１４】

【実施例】図２は、本発明の直視型画像表示装置の一実
施例の基本的構成を示している。この実施例の直視型画
像表示装置は、レーザ光を発生するレーザ光源６１、映
像信号供給回路６３より供給される映像信号に対応して
レーザ光を光変調する光変調回路６２、奥行き信号供給
回路６５より供給される奥行き信号に対応して、その焦
点を変更する可変焦点光学系６４、走査信号供給回路６
７より供給される走査信号に対応してレーザ光を水平方
向に走査する水平走査回路６８と、垂直方向に走査する
垂直走査回路６９を有する走査回路６６と、眼７１にレ
ーザ光を投射する投射光学系７０とにより構成されてい
る。

【００１５】図２（ａ）の実施例は、走査回路６６が水
平走査回路６８において水平方向に走査した後、垂直走
査回路６９において垂直方向に走査されるように構成さ
れているのに対し、図２（ｂ）の実施例においては、垂
直走査回路６９において垂直方向に走査された後、水平
走査回路６８において水平方向に走査されるようになさ
れている。すなわち、走査の順序が異なるのみで、その
他の構成は基本的に同一となっている。

【００１６】図２の実施例においては、可変焦点光学系
６４が光変調回路６２と走査回路６６との間に挿入配置
されているが、この可変焦点光学系６４は、例えば図３
に示すように走査回路６６の内部に挿入配置することも
可能である。図３（ａ）の実施例においては、水平走査
回路６８により水平方向に走査されたレーザ光が、可変
焦点光学系６４を介して垂直走査回路６９に入力される
ようになされている。また、図３（ｂ）の実施例におい
ては、垂直走査回路６９により垂直方向に走査されたレ
ーザ光が、可変焦点光学系６４を介して水平走査回路６
８に入力されるようになっている。

【００１７】さらに、可変焦点光学系６４は図４に示す
ように、投射光学系７０の内部に配置することも可能で
ある。図４（ａ）の実施例においては、走査回路６６が
水平走査回路６８、垂直走査回路６９の順に配置されて
いるのに対し、図４（ｂ）の実施例においては、垂直走
査回路６９、水平走査回路６８の順に配置されている。

【００１８】図２乃至図４に示すように、可変焦点光学
系６４は種々の位置に挿入配置することが可能であるが
、図２に示すように光変調回路６２と走査回路６６との
間に挿入配置すると、可変焦点光学系のレンズの径が小
さくてすむことと、焦点距離が変化しても像の大きさが
変わらないという利点を得ることができる。

【００１９】図１は、図２（ａ）における実施例のより
具体的な構成を示している。この実施例においては、レ
ーザ光源６１がＲＧＢレーザ１により構成されている。 光変調回路６２は音響光学変調器（ＡＯＭ）４Ｒ，４Ｇ
，４Ｂにより構成され、映像信号供給回路６３は、映像
信号供給回路５Ｒ，５Ｇ，５Ｂがそれぞれ対応している
。可変焦点光学系６４は可変焦点レンズ９により構成さ
れ、奥行き信号供給回路６５は、奥行き信号供給回路１
０が対応し、また、水平走査回路６８は、ポリゴナルミ
ラー１１により構成されている。垂直走査回路６９は、
ガルバノメトリックミラー１２により構成されている。 走査信号供給回路６７は、走査信号供給回路１３が対応
している。さらに投射光学系７０は、リレーレンズ１４
，１５により構成され、眼７１は眼１６が対応している
。

【００２０】次に、図１の実施例の動作について説明す
る。赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の波長からなるレー
ザ光がＲＧＢレーザ１より出力されると、ダイクロイッ
クミラー２Ｒがこのレーザ光から赤の波長成分を反射し
、緑および青の成分を透過させる。また、ダイクロイッ
クミラー２Ｇは入射されたレーザ光のうち緑色成分を反
射し、青色成分を透過する。青色成分のレーザ光はミラ
ー２Ｂにより反射される。このようにして、Ｒ，Ｇ，Ｂ
の各波長のレーザ光がレンズ３Ｒ，３Ｇ，３Ｂにより音
響光学変調器４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの変調動作に適したビー
ム形状に整えられた後、それぞれ対応する音響光学変調
器４Ｒ，４Ｇ，４Ｂに入力される。これらの音響光学変
調器４Ｒ，４Ｇ，４Ｂには、それぞれ赤、緑または青の
映像信号が映像信号供給回路５Ｒ，５Ｇ，５Ｂからそれ
ぞれ供給されている。音響光学変調器４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ
は、それぞれ入力されたレーザ光を供給された映像信号
に対応して光変調する。

【００２１】音響光学変調器４Ｒ，４Ｇ，４Ｂより出力
されたレーザ光は、それぞれレンズ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂに
よりビーム形状が整えられた後、ダイクロイックミラー
７Ｒ，，７Ｇまたはミラー７Ｂに入射され、そこで反射
される。ミラー７Ｂで反射された青色成分のレーザ光は
、ダイクロイックミラー７Ｇに入射され、そこを透過し
てレンズ６Ｇから供給された緑色の成分のレーザ光と合
成される。この青と緑の成分のレーザ光は、ダイクロイ
ックミラー７Ｒに入射され、レンズ６Ｒから供給された
赤の成分のレーザ光と合成される。このようにして、再
びもとの１本のビームに戻されたレーザ光はミラー８で
反射され、可変焦点レンズ９に入射される。可変焦点レ
ンズ９の焦点距離は、奥行き信号供給回路１０より供給
される奥行き信号に対応して変化する。

【００２２】可変焦点レンズ９より出力されたレーザ光
は、ポリゴナルミラー１１に入射され、走査信号供給回
路１３より供給される水平走査信号に対応して水平方向
に走査される。また、ポリゴナルミラー１１により反射
されたレーザ光は、ガルバノメトリックミラー１２に入
射され、走査信号供給回路１３より供給される垂直走査
信号に対応して垂直走査方向に走査される。このように
して、水平および垂直方向に走査されたレーザ光は、リ
レーレンズ１４，１５を介して眼１６に入射される。

【００２３】次に、図５および図６を参照して図１の動
作原理について説明する。説明の便宜上、リレーレンズ
１４，１５を有する投射光学系７０は、理想レンズ２１
，２２により無限焦点光学系を構成しているものとする
。すなわち、理想レンズ２１と２２は図５（ａ）に示す
ように焦平面２３を共有している。いま、可変焦点レン
ズ９が挿入されていないものとすると、この焦平面２３
上に実像が形成され、その実像が眼１６の眼底２４に投
射される。従って、図５（ｂ）に示すように、走査され
ているレーザビームは全て眼底２４で結像し、眼１６は
無限遠にある虚像を見ていることになる。

【００２４】これに対して、図１の実施例のように可変
焦点レンズ９を挿入すると、図６（ａ）に示すように理
想レンズ２１より出力されたレーザ光は、焦平面２３で
像を結ばず、曲面２５上に実像を結ぶことになる。その
結果、理想レンズ２２を介して眼１６に入射されたレー
ザ光は、その全てが眼底２４上で結像せず、眼１６がピ
ントを合わせている距離に対応するレーザ光のみが眼底
２４上に結像することになる。従って、このとき眼１６
から見た虚像は、図６（ｂ）に示すように曲面２６で示
される位置にある像ということになる。すなわち、曲面
２６から発せられた光が眼１６に入射されているように
見える。

【００２５】その結果、人間の眼のピント調節機能に対
応して３次元物体を実際に見ているように、近くともの
と遠くのものとでピントの違いが発生し、立体感を得る
ことができる。

【００２６】以上においては、像を単眼で観察する場合
の実施例を説明したが、両眼で観察する場合においては
図７に示す実施例のように構成することができる。

【００２７】この実施例の場合、ＲＧＢレーザ３１より
出力されたレーザ光がビームスプリッタ（ハーフプリズ
ム）３２により、右眼用のレーザ光と左眼用のレーザ光
とに２分割される。右眼用のレーザ光は、ダイクロイッ
クミラー３３ａＲ，３３ａＧ，ミラー３３ａＢにより、
ＲＧＢ３色の成分に分割され、レンズ３４ａＲ，３４ａ
Ｇ，３４ａＢによりビームの形状が調整された後、音響
光学変調器３５ａＲ，３５ａＧ，３５ａＢにそれぞれ入
力される。これらの音響光学変調器３５ａＲ，３５ａＧ
，３５ａＢには、映像信号供給回路４９ａＲ，４９ａＧ
，４９ａＢよりそれぞれＲ，Ｇ，Ｂの映像信号が供給さ
れており、これらの映像信号に対応して入力されたレー
ザ光が光変調される。音響光学変調器３５ａＲ，３５ａ
Ｇ，３５ａＢより出力されたレーザ光は、レンズ３６ａ
Ｒ，３６ａＧ，３６ａＢによりビームの形状が整えられ
た後、ミラー３７ａＲ、ダイクロイックミラー３７ａＧ
，３７ａＢにより再び１本のレーザ光に合成された後、
可変焦点レンズ３８ａに入射される。可変焦点レンズ３
８ａは、奥行き信号発生回路３９ａが出力する右眼用の
奥行き信号に対応して、その焦点距離が変化する。 可変焦点レンズ３８ａより出力されたレーザ光は偏光ビ
ームスプリッタ４１に入射され、そこを透過する。

【００２８】一方、ビームスプリッタ３２により分割さ
れた左眼用のレーザ光は、ダイクロイックミラー３３ｂ
Ｒ，３３ｂＧおよびミラー３３ｂＢにより、ＲＧＢ３本
のレーザ光に分割される。これらのレーザ光は、レンズ
３４ｂＲ，３４ｂＧ，３４ｂＢにより所定の断面形状に
調整された後、音響光学変調器３５ｂＲ，３５ｂＧ，３
５ｂＢにそれぞれ入力される。これらの音響光学変調器
３５ｂＲ，３５ｂＧ，３５ｂＢは、映像信号供給回路４
９ｂＲ，４９ｂＧ，４９ｂＢより供給されるＲＧＢの映
像信号に対応して、入力されたレーザ光を光変調する。 光変調されたレーザ光は、レンズ３６ｂＲ，３６ｂＧ，
３６ｂＢによりその断面形状が調整された後、ダイクロ
イックミラー３７ｂＲ，３７ｂＧおよびミラー３７ｂＢ
により１本のレーザ光に合成される。

【００２９】この１本のレーザ光は、可変焦点レンズ３
８ｂに入射される。可変焦点レンズ３８ｂの焦点距離は
、奥行き信号供給回路３９ｂより供給される左眼用の奥
行き信号に対応して変化される。可変焦点レンズ３８ｂ
より出力されたレーザ光は、１／２波長板４０に入力さ
れる。ＲＧＢレーザ３１より出力されたレーザ光は、直
線偏光状態となっており、その偏光面が１／２波長板４
０を透過することにより９０度回転される。その結果、
可変焦点レンズ３８ａより入力されたレーザ光は偏光ビ
ームスプリッタ４１を透過するが、可変焦点レンズ３８
ｂより１／２波長板４０を介して入力されたレーザ光は
、偏光ビームスプリッタ４１で反射され、可変焦点レン
ズ３８ａより入力されたレーザ光と合成される。

【００３０】偏光ビームスプリッタ４１より出力された
レーザ光は、ポリゴナルミラー４２に入射され、走査信
号供給回路５０より供給される水平走査信号に対応して
水平方向に走査される。また、ポリゴナルミラー４２に
より反射されたレーザ光は、ガルバノメトリックミラー
４３に入射され、走査信号供給回路５０が出力する垂直
走査信号に対応して垂直走査方向に走査される。

【００３１】このようにして、水平および垂直走査方向
に走査されたレーザ光は、リレーレンズ４４，４５を介
して偏光ビームスプリッタ４６に入射される。上述した
ように、右眼用のレーザ光と左眼用のレーザ光とはその
偏光面の方向が相互に９０度異なっている。従って、右
眼用のレーザ光は偏光ビームスプリッタ４６を透過して
、ミラー４７ａに入射され、そこで反射されて右眼４８
ａに入射される。また、左眼用のレーザ光は偏光ビーム
スプリッタ４６で反射され、さらにミラー４７ｂで反射
されて左眼４８ｂに入射される。

【００３２】このようにして図７の実施例においては、
両眼で立体画像を観察することができる。

【００３３】図１の実施例の場合においては、人間の眼
のピント調節機能によってのみ立体画像を見るようにし
ている。しかしながら図７の実施例においては、ピント
調節機能の他、両眼視差、輻輳により立体画像を観察す
ることができる。

【００３４】また、いずれの実施例の場合もスクリーン
等を介さずに虚像を観察していることになるので、上述
した表２の分類に対応させると、空間像表示に分類され
ることになる。

【００３５】なお、上述した可変焦点レンズ９，３８ａ
，３８ｂは、液晶レンズあるいはＥＯレンズにより構成
することができる。また、１次元の可変焦点シリンドリ
カルレンズを組み合わせて用いることもできる。勿論通
常のレンズとの組み合わせレンズであってもよい。液晶
レンズについては、例えば「液晶レンズの研究」（「光
学」第１８巻第１２号（１９８９年１２月））に紹介さ
れており、また、ＥＯレンズについては「ＥＯ材料と透
明電極でＥＯレンズを試作」（「ＯｐｌｕｓＥ」（１９
９０年３月））に紹介されている。

【００３６】なお、可変焦点レンズに与える奥行き信号
に、光学系のレンズの球面収差、像面湾曲などの収差、
像の歪、さらに観察者の視力の相違によるピント調節（
視度調節）に関する情報で補正を加えるようにすること
も可能である。

【００３７】可変焦点光学系としては可変焦点レンズの
他、可変焦点ミラーを用いることも可能である。

【００３８】また、上記方式においては、ラスタスキャ
ン方式を実施例としたがベクタ方式の場合にも本発明の
適用は可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上の如く本発明の直視型画像表示装置
によれば、可変焦点光学系により奥行き情報を与えると
ともに、走査手段により走査したレーザ光を眼の網膜上
に直接結像するようにしたので、次のような効果を有す
る。 （１）構成が簡単である。 （２）立体画像の大きさが投射光学系の前段までの視野
角のみで決定され、大きな立体画像を表示する場合にお
いても装置を大型化する必要がない。 （３）ＮＴＳＣ，ＰＡＬ，ＳＥＣＡＭ，ＨＤＴＶなどの
現行のテレビジョン方式に拘らず適用が可能である。 （４）他の奥行き標本化方式のディスプレイに較べ、フ
ァントムイメージが発生せず良質な立体画像を得ること
ができる。 （５）高速駆動可能な可変焦点光学系を使用すれば、テ
レビジョン信号の立体化も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図２（ａ）に示した実施例のより具体的な構成
を示す図である。

【図２】本発明の直視型画像表示装置の一実施例の構成
を示すブロック図である。

【図３】本発明の直視型画像表示装置の他の実施例の構
成を示すブロック図である。

【図４】本発明の直視型画像表示装置のさらに他の実施
例の構成を示すブロック図である。

【図５】図１の実施例の動作を説明する図である。

【図６】図１の実施例の動作を説明する図である。

【図７】図１の実施例を両眼式に発展させた実施例の構
成を示す図である。

【符号の説明】

１　　ＲＧＢレーザ ４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ　　音響光学変調器 ５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ　　映像信号供給回路９　　可変焦点
レンズ １０　　奥行き信号供給回路 １１　　ポリゴナルミラー １２　　ガルバノメトリックミラー １３　　走査信号供給回路 １４，１５　　リレーレンズ １６　　眼

【表１】

【表２】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザ光を出射する光源と、前記光源
   または前記光源から出射されたレーザ光を映像信号によ
   り光変調する変調手段と、変調された前記レーザ光に対
   し奥行き情報を与える可変焦点光学系と、前記レーザ光
   を走査信号によって走査する走査手段と、走査された前
   記レーザ光を眼の網膜上に結像する投射光学系とを備え
   ることを特徴とする直視型画像表示装置。