JPH08129147A

JPH08129147A - ディスプレー装置及び情報入力装置

Info

Publication number: JPH08129147A
Application number: JP6267338A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Baba; 信行馬場
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1994-10-31
Publication date: 1996-05-21

Abstract

(57)【要約】【目的】比較的簡単な方法、構成で空間に二次元、三次
元画像を表現することのできるディスプレー装置を実現
する。【構成】本発明のディスプレー装置は、レーザ光を大き
なＮＡ値で集束させ、その集束点を描きたい画像の形に
従いながら点灯と消灯を繰り返し、かつ光強度も変えな
がら走査し、かつ出射光の方向がほぼ平行方向付近にな
るようにレンズ６などの光学部品で走査光を曲げ、その
ビームウェストがほぼ二次元平面上にあるようにすると
共に、光走査機４で、高速に主走査と副走査をすること
により、二次元像５を空中に描くことを特徴としてい
る。また、光源近傍あるいは光路の途中にあるレンズを
アクチュエータなどで高速に動かしてビームウェスト位
置を変動させつつ、光走査機４により高速に主走査と副
走査を行なえば、三次元像を空中に描くことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、二次元像あるいは三次
元像を表示するためのディスプレー装置、及びそのディ
スプレー装置に像情報を入力するための情報入力装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、三次元画像を表示するためのディ
スプレー装置の研究が種々行なわれている（例えば、画
像ラボ１９９０．１１，「三次元画像の新しい世界と
その技術動向」，Ｐ２０〜２４、等）。従来の三次元デ
ィスプレーには主に以下の３通りの方法がある。第一の
方法は遠近感のある二次元像を示す方法である。第二の
方法は、やはり元になる像は二次元像であるが、人間の
両眼の視差を利用し、立体的に感じさせる方法（レンチ
キュラー板、色メガネ、偏光メガネを用いる方法など）
である。第三の方法は実際に三次元の像を造る方法であ
るが、主にホログラフィー方式及び奥行き標本化方式が
ある。

【０００３】奥行き標本化方式には、画像ラボ１９９
０．１１「三次元画像の新しい世界とその技術動向」Ｐ
２３にあるような（ａ）バリフォーカル・ミラー方式、
（ｂ）表示面積層方式、（ｃ）アルキメデスの螺旋スク
リーン方式、（ｄ）螺旋スクリーン方式、（ｅ）ＬＥＤ
アレイ方式等がある。ここで、（ａ）の方式はブラウン
管の像を前後に振動するミラーの動きに同期して反射さ
せる方法である。（ｂ）の方法は多数の液晶画面により
立体像を輪切りにしたような像を位置を変えて次々表示
することにより立体像を表示するものである。（ｃ）
（ｄ）の方法は螺旋状のスクリーンにレーザ光で像を描
くことで立体的に見せるものである。（ｅ）の方法は実
際の発光面を回転という方法で奥行きの位置を違えて発
光させて三次元の像を表示するものである。

【０００４】ホログラフィーを用いる方法は、実際の物
体の波面を再生するものである。最近は実時間ホログラ
ムといって、動く三次元像を再生する方法が研究されて
いる（例えば、ホログラフィック・ディスプレイ研究会
会報，Ｎｏ．１，１９９４年２月号，Ｐ５〜２２「動画
ホログラフィ研究の動向」）。その一つに液晶を用いて
ホログラフィック回折格子を連続的に再現し、それに再
生光を照射することで三次元像を再生する方法がある。
また、次のような方法もある。ホログラムの情報の多さ
から、人間の視差による奥行き感は上下ではなく左右で
生じることから、上下の情報をねぐって、情報の量を減
らす。そして、疑似三次元像を生じさせる。具体的に
は、計算された回折情報をＡＯＭ（音響光学素子）に送
ってレーザ光を空間変調させる。ＡＯＭで空間変調され
たレーザ光は、ポリゴンミラーとガルバノミラーにより
それぞれ水平方向と垂直方向の走査を行なう。ＡＯＭは
像の再生に必要なホログラムを同時に表示はできない
が、走査されながら、時系列的に連続的に微小な立体面
を再生していく。これは全体として人間の眼には三次元
像として見える。また、ＡＯＭからの回折角は３度程度
であり、レンズによる縮小光学系でホログラムを縮小結
像し、回折角の５，６倍の視域角を実現している。見る
人は出力レンズと拡散板を通して立体像を見ることがで
きる。

【０００５】次に、三次元ディスプレーにより実際の三
次元物体の形状を表示させる場合に、三次元物体の形状
を測定し像情報としてディスプレー装置に入力する装置
が必要であるが、三次元物体の形状測定装置としては、
例えば本発明者が先に提案した特開平５−３２２５２５
号公報記載の「３次元形状測定装置」がある。この３次
元形状測定装置は、レーザ光源から出射されたレーザ光
をビーム整形光学系により整形し、その整形されたレー
ザ光を光走査機に導き走査光を形成し、その走査光を被
測定物の面上に走査することにより３次元的な形状の情
報を得て、この情報の得られた前記被測定物からの反射
散乱光を走査した光と逆の経路を辿り再帰検出光学系内
に導きその光検知器上に集光させることにより、前記被
測定物の３次元的な形状の測定を行なう３次元形状測定
装置であり、前記光検知器に集光される光の中心位置、
直径、あるいは、光強度分布を求め前記被測定物の位置
を測定する物体情報測定手段を設けたことを特徴として
いる。また、同様な３次元形状測定装置において、前記
被測定物を予め移動させてその反射散乱光の中心位置、
直径、あるいは、光強度分布を記憶する記憶手段を設
け、この記憶手段に記憶された情報と実際の被測定物の
集光スポットとを比較して前記被測定物の位置を測定す
る物体情報測定手段を設けたことを特徴としている。さ
らには、上記の３次元形状測定装置において、光走査機
により被測定物の面上を走査する走査光の焦点位置を可
変にする走査光焦点位置可変手段を設けたこと、その走
査光のスポット径の最小焦点位置を調整するスポット径
位置調節手段を設けたこと、光走査機により走査される
走査光の走査線を副走査方向にも走査させる副走査方向
走査制御手段を設けたことなどを特徴としている。

【０００６】また、本出願人は先に、強い光を受けて発
光あるいは散乱する物質に、走査された光を照射して発
光あるいは散乱させることにより、物体表面を表現する
ことを特徴とする三次元ディスプレーを提案しており、
その物質として光を散乱する微粒子が浮遊している気
体、または液体のゾルを用いている。この三次元ディス
プレー装置では、描きたい物体表面の位置に焦点位置が
来るように焦点位置を変え、かつ高いＮＡのレーザ光を
ラスター状に走査して照射し、散乱により物体表面を表
現する。またその際にレーザ光源の色を複数にして物体
表面を表現する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前述した三次元画像の
表示方法のうち、”画像ラボ１９９０．１１，「三次
元画像の新しい世界とその技術動向」，Ｐ２０〜２４”
の第一の方法、第二の方法は真の三次元像とは言えない
ので、ここでは主に第三の方法（実際に三次元の像を造
る方法）を対象に考える。

【０００８】まず、実時間ホログラフィー方式は、液晶
やＡＯＭと光走査機を用いる方法がある。しかし、液晶
を用いる方法は液晶の分解能が高くないので、スペック
ルが発生し、鮮明で複雑な三次元像を描くことは困難で
ある。また、ＡＯＭを用いた方法は小さな三次元像しか
描けず、かつ、複雑な細かな三次元像を描くことは困難
である。この方法では回折格子を高速に形成し続けねば
ならないので、回折格子の情報を高速で計算する必要が
ある。しかし、細かなかつ大きな像を描くにはこの情報
量は膨大であり、現在のエレクトロニクスでは何台もの
スーパーコンピューターを並列に使用し、かつ、情報を
かなり圧縮して計算しても追いつかない。つまり、あら
かじめ計算しておいたデータを用いて短時間の実時間ホ
ログラムの再生しかできない。さらに、それが多色にな
ったとき、多大な計算量が必要になる。このように実時
間ホログラフィーを用いる方法は、現在、複雑なかつ高
度の情報処理システムを必要とし、大変高価である。一
方、この回折格子を形成するために必要な膨大な情報を
計算する代わりに、別の装置を用いている場合がある。
例えば、液晶を用いる方法には、実際に別な所で参照光
と物体光で物体を露光しながら回折格子を受光素子上に
形成して読み取り、メモリーに記憶し、その情報を液晶
にフィードバックして再生用の回折格子を造る方法があ
る。しかし、前に記したように、液晶は粗い格子しか再
現できないために、この場合スペックルが生じ、再現像
が汚い。また、これらの方法では元となるモデルが常に
必要である。そして、モデルにできる光学系の大きさや
形状は限定される。よって、より自由な三次元表現がで
きない。また、ホログラムなどの回折格子の使用は一般
に波長選択性が強く、多色、中間色の表現が難しい。

【０００９】一方、奥行き標本化方式には、従来技術で
述べたように、”画像ラボ１９９０．１１，「三次元
画像の新しい世界とその技術動向」，Ｐ２３”にあるよ
うな方式があるが、（ａ）バリフォーカル・ミラー方式
の振動薄膜ミラーは像の倍率が変わり、補正が必要であ
る。（ｂ）表示面積層方式は多層の二次元像の合成であ
り、真の三次元像ではない。しかも、奥行きが深くなれ
ばなるほど多数の表示面を必要とする。また、多層にな
ればなるほど各層の吸収が多くなって、像の鮮明性が劣
化する。また、（ｃ）アルキメデスの螺旋スクリーン方
式と、（ｄ）螺旋スクリーン方式では、限られた螺旋状
のスクリーンを使用するので、描ける範囲が回転する円
筒の内面と限定される。また、（ｅ）ＬＥＤアレイ方式
は装置が大掛かりで、高価で同様の難点がある。また、
（ａ）〜（ｅ）の何れの方法も、回転のある断面に図形
を描き、動きのある凹凸図形を表現するには複雑で高速
の計算を必要とする。かつ、回転軸のあるものは、回転
軸の奥にある図形は描けない。また、回転軸のないもの
は回転中心付近の図形は描けない。すなわち、全て、図
形を描けないデッドスペースがある。

【００１０】また、従来技術で述べたように、強い光を
受けて発光あるいは散乱する物質に、走査された光を照
射して発光あるいは散乱させることにより、物体表面を
表現する三次元ディスプレー方式があるが、光を散乱す
る微粒子が浮遊する気体、または液体のゾルを安定的に
作ることが難しいという問題がある。また、それらのゾ
ルが厚いと全体が散乱して鮮明な像が描けない。また、
強力な光源を必要とし、そのような散乱媒体を設けるこ
と自体が装置の形状を大きなものにし、コストアップと
なる。

【００１１】本発明は上記事情に鑑みなされたものであ
って、ホログラフィーによる方法のように再生用の回折
格子の形成のために多大な計算や複雑な装置を必要とす
ることなく、また、奥行き標本化方式のように表現でき
ない空間があるということもなく、簡単な方法で三次元
画像を表現することのできるディスプレー装置を実現す
ることを目的とする。また、そのディスプレー装置に像
情報を入力するための情報入力装置を提供することを目
的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載のディスプレー装置は、レーザ光を大
きなＮＡ値で集束させ、その集束点を描きたい画像の形
に従いながら点灯と消灯を繰り返し、かつ光強度も変え
ながら走査し、かつ出射光の方向がほぼ平行方向付近に
なるようにレンズなどの光学部品で走査光を曲げ、その
ビームウェストがほぼ二次元平面上にあるようにすると
共に、高速に主走査と副走査をすることにより、二次元
像を空中に描くことを特徴としている。

【００１３】請求項２記載のディスプレー装置は、レー
ザ光を大きなＮＡ値で集束させ、その集束点を描きたい
画像の形に従いながら点灯と消灯を繰り返し、かつ光強
度も変えながら走査し、かつ出射光の方向がほぼ平行方
向付近になるようにレンズなどの光学部品で走査光を曲
げ、かつ光源近傍あるいは光路の途中にあるレンズをア
クチュエータなどで高速に動かしてビームウェスト位置
を変動させつつ、高速に主走査と副走査をなすことによ
り、三次元像を空中に描くことを特徴としている。

【００１４】請求項３記載のディスプレー装置は、請求
項１，請求項２記載のディスプレー装置において、二次
元的に光を走査できるように、二つのガルバノミラーに
より、描きたい物体のみの表面に沿って光を走査し、物
体を高速に描くことを特徴としている。

【００１５】請求項４記載のディスプレー装置は、請求
項１，２，３記載のディスプレー装置において、高さと
位置が異なる複数の光走査機から発する上下方向に大き
なＮＡで集光発散する光を用い、複数の走査線が同一地
点にビームウェストが来るように光を走査し、視域の広
い像を描くことを特徴としている。

【００１６】請求項５記載のディスプレー装置は、請求
項１，２，３記載のディスプレー装置において、複数の
光走査機を用い、それぞれの光走査機は、それぞれ異な
る物体の二次元あるいは三次元像を描き、それらを重ね
合わせて一つの像を描くことを特徴としている。

【００１７】請求項６記載のディスプレー装置は、請求
項１，２，３，４，５記載のディスプレー装置におい
て、複数の光走査機がそれぞれ異なる波長の光を走査
し、それらの合成によりカラーの二次元、三次元像を描
く、あるいは、各単体の光走査機に複数の光源があり、
光スイッチなどで高速にその光源を切り替える、あるい
は、複数の光源を合成して走査することにより、カラー
の二次元、三次元像を描くことを特徴としている。

【００１８】請求項７記載のディスプレー装置は、請求
項２，３，４，５，６記載のディスプレー装置におい
て、加える電圧の変化によって焦点が変化する電気光学
素子からなる焦点可変レンズでビームウェスト位置を変
えることを特徴としている。

【００１９】請求項８記載の情報入力装置は、請求項１
乃至７記載のディスプレー装置に像情報を入力する装置
であって、描きたい物体上を細いビームウェストを持つ
光で走査し、その走査と同じ光路を帰ってきた反射散乱
光を分離して光検知器上に集光し、その集光された光の
位置と大きさから被測定物体上の位置を測定する三次元
物体の外形読み取り装置を備え、上記光検知器が二分割
素子あるいは三分割素子で、大きさと位置を各分割素子
の出力の演算により求めることを特徴としている。

【００２０】請求項９記載の情報入力装置は、請求項８
記載の情報入力装置において、複数の波長の光を走査し
てかつそれぞれの波長に対応した複数の光検出素子を有
するか、あるいは複数の光源の光を光スイッチにより高
速に切り替え単一の光検知器で読み取るか、あるいは複
数の波長の光あるいは白色光を走査して光検知器の前で
回折格子あるいはフィルターで波長ごとに光を分離し各
波長に対応した光検知器で読み取るか、の何れかの手段
によりカラー情報を読み取ることを特徴としている。

【００２１】請求項１０記載のディスプレー装置は、液
晶と、液晶の背後に複数の特定の波長の光源があり、各
波長に対応した液晶回折格子によるフレネルレンズを次
々と高速に連続的に形成することによって描きたい三次
元図形上の点に従って特定波長の光を連続的に集光させ
て、二次元、三次元像を描くことを特徴としている。

【００２２】

【作用】請求項１記載のディスプレー装置においては、
空中に簡単な方法により二次元画像を描くことが可能と
なる。また、ある程度の視域の広い二次元像を描くこと
が可能となる。

【００２３】請求項２記載のディスプレー装置において
は、空中に簡単な方法により三次元画像を描くことが可
能となる。また、ある程度の視域の広い三次元像を描く
ことが可能となる。

【００２４】請求項３記載のディスプレー装置おいて
は、請求項１，２より速く、描きたい物体の二次元像、
三次元像を描くことが可能となる。

【００２５】請求項４記載のディスプレー装置おいて
は、請求項１，２，３より視域の広い二次元像、三次元
像を描くことが可能となる。

【００２６】請求項５記載のディスプレー装置おいて
は、請求項１，２，３，４より複雑な、あるいは物体の
内部構造といった特殊な二次元像、三次元像を速く、あ
るいは大きく描くことが可能となる。

【００２７】請求項６記載のディスプレー装置おいて
は、カラーの二次元、三次元像を描くことが可能とな
る。

【００２８】請求項７記載のディスプレー装置おいて
は、電気光学素子の焦点可変レンズでビームウェスト位
置を変え小型でコンパクトな構成を実現し、かつ、高速
に各画素を表示し、複雑で分解能の高い二次元像、三次
元像を高速に描くことが可能となる。

【００２９】請求項８記載の情報入力装置においては、
低価格で簡単な装置で高速に請求項１，２，３，４，
５，６，７のような二次元、三次元ディスプレー装置に
像情報を入力する装置を実現することが可能となる。

【００３０】請求項９記載の情報入力装置においては、
請求項８と同様な作用に加えてカラー情報を読み取るこ
とが可能となる。

【００３１】請求項１から７の装置では広い視域を実現
するのに複雑な装置となり大型になるが、請求項１０記
載のディスプレー装置においては、簡単で小さな装置で
二次元、三次元像を描くことが可能となる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の構成・動作について図面を参
照して詳細に説明する。ホログラフィーを用いる方法
は、物体そのものを再生する方法ではなく、物体から発
するであろう光の波面を再生する方法である。そして、
波面の再生のために、回折パターンを作る。しかし、そ
れを人工的に作成するには非常に膨大な量の計算を必要
としている。しかし、直接、再生したい物体形状の表面
に沿って発光させる方式ならば、前記方式よりも非常に
少ない計算量ですむ。また、早い計算で多量の像を実際
のモデルなしで創造できる。しかし、これを光を受けて
発光しやすい、あるいは光を散乱する物質に、集束位置
を変えながら走査された光を照射し、発光あるいは散乱
させて三次元像を表現する方法があるが、それは光を散
乱するゾル状の気体、液体を入れる装置が必要であり、
かつ、ゾルの浮遊物は通常、波長選択性があるので自由
に多色のカラー像を描くという訳にはいかない。また、
ゾル状の気体、液体を入れる装置が無い方が作製調整が
簡便でありコスト上も美観上も良い。

【００３３】そこで、本発明は、大きなＮＡ（開口数）
で集束、発散する光をラスター状に走査するのみで三次
元像を実現するものである。例えば、主走査方向にはポ
リゴンミラーなどで高速に、副走査方向にはガルバノミ
ラーで走査する。しかし、そのままでは図１のように、
走査光は光走査機４により通常、放射状に走査するの
で、走査線全域に渡って、像を見ることができる幅がな
くなってしまう。そこで、本発明は、図２のように光走
査機４の次にレンズ６を配置することで、レーザ光をほ
ぼ平行にしたまま横に移動させることにより、視域の広
い三次元、あるいは二次元像を空中に描きだすものであ
る（図中の符号１，２，３は各アングルの走査光、４は
光走査機でポリゴンミラーやガルバノミラー等からなり
二次元的に光を走査する、５は空中に描かれる直線、７
は空中に描かれる直線５が見える視域幅を表してい
る）。前記レンズ６により走査光のＮＡは主走査方向に
のみ拡大するが、あらかじめ主走査方向にかなり低いＮ
Ａを持つ光を光走査機４に入射させることである程度の
上下左右に等方的なＮＡの光を走査でき、バランスのと
れた視域で三次元像を描くという調整ができる。人間の
目は光の発光点に物体があると感じる。同じく焦点位置
も同様である。従って、焦点位置が連続的に変化すると
それを直線と感じ、さらに、面状に変化すると三次元の
空中に浮かぶ平面と感じるのである。

【００３４】第１の発明は、上記のような一定のＮＡ値
で集束させ、その集束点を描きたい像の外形に従いなが
ら点灯と消灯を繰り返す。つまり図形の色で形の内側は
発光し、外側は消光する。また、描きたい図形の色の濃
度変化に従って光強度も変えながら走査する。かつ、出
射光の方向がほぼ平行方向付近になるようレンズ等の光
学部品６で走査光を曲げる。しかし、焦点距離は一定で
ある。それで、そのビームウェスト（焦点位置）はほぼ
二次元平面上にある。また、光走査機４により、高速に
主走査と副走査をすることにより、二次元像を空中に描
くことができる（図２）。

【００３５】次に第２の発明として、上記と同様の構造
に対して、図３に示すように、光源８近傍あるいは光路
の途中にあるレンズ９をアクチュエータ１０などで高速
に動かしてその集束点すなわちビームウェスト位置（図
中のＤ，Ｅ，Ｆ等）を変動させつつ、図４のように、光
走査機４で高速に主走査と副走査を行なう。そうすると
焦点位置が三次元的に変動し、視域にある人間の目には
三次元像が空中にあるように見える（図中符号１１が奥
行きのある物体像を示す）。

【００３６】ところで、主走査と副走査を高速に行なっ
て人間の目に像が完全に見える範囲は小さい。そこで第
３の発明として、図５に示すように、描きたい物体だけ
を二つのガルバノミラー１２，１３からなる光走査機４
により、その表面に沿って光を走査する。そうすると大
きな物体の二次元的、三次元的な像（図形）１４を描く
ことができる。

【００３７】上記のディスプレー装置においては、視域
は、ＮＡその他の大きさで決まる。しかし、大きな物
体、あるいは、光走査機より遠くの位置に三次元の像を
描くのに、大きなＮＡの光は、装置を巨大なものにしな
いと発生させられない。また、人間が何人か並んだ時
（多数の人間に同時に三次元像を見せる時）、上下では
なく左右に視域が長いことが必要である。そこで第４の
発明として、上記と同様なディスプレー装置において、
図６，７に示すように、異なる高さと位置に複数の光走
査機１５，１６，１７を置き（図中１８〜２０は各走査
機の光の出射窓）、複数の走査線が同一地点にビームウ
ェストが来るように光を同時に走査する。この時、副走
査方向のＮＡを大きくしておいてそれぞれの光が人間の
目の高さ付近に照射するようにしておく。そうすると機
械より離れた位置に、視域の広い像を描くことができる
（図７の２１が大きいＮＡの光を示す）。

【００３８】上記のディスプレー装置において、大きな
物体を一つの光走査機で描くことは、現在のポリゴンミ
ラーなどの回転速度からは難しい。そこで第５の発明と
して、上記と同様なディスプレー装置において、複数の
光走査機を用い、それぞれの光走査機は、それぞれ異な
る物体の二次元、あるいは三次元像を描き、それらを合
成する。そうすると大きな像も人間の目には違和感なく
描くことができる。

【００３９】次に第６の発明として、上記と同様なディ
スプレー装置において、図８に示すように、複数の光走
査機２２，２３，２４がそれぞれ異なる波長の光（例え
ば、赤、緑、青）を走査し、それらを合成すればカラー
の二次元、三次元像を空中に描くことができる。あるい
は別の方法として、単体の光走査機に、複数の光源を備
え、光スイッチなどで高速にその光源を切り替える。あ
るいは、複数の光源を切り替えずに合成して走査する。
ただし、それぞれの光源を電気的にＯＮ−ＯＦＦする。
このように色を合成することでほとんどの色が描け、カ
ラーの二次元、三次元像を描くことができる。この時、
各走査線は同一の位置を描くように各光走査機の中のガ
ルバノミラーの動きを調整する。

【００４０】上記のディスプレー装置において、ビーム
ウェスト位置を変えるのにレンズの位置を変える方式だ
と、高速に位置が変えられない。このために、複雑な凹
凸図形や立体の角とかを描くことができず、ただ、単純
な球とかの曲面しか描けない。一方、ＬｉＮｂＯ₄ など
の電気光学素子は、電圧を与えると屈折率が変化する。
その性質を用いて二方向から電圧を加えるとレンズとし
ての特性を示し始め、これに光を通していると焦点位置
が電圧の強さに従って変化する。そこで第７の発明とし
て、上記と同様のディスプレー装置において、光源近傍
あるいは光路の途中にあるレンズに上記電気光学素子の
焦点可変レンズを用いることで、高速に走査光の焦点位
置を変えることができ、複雑な凹凸図形や角とかを描く
ことができる。

【００４１】次に第８の発明は、上述した二次元、三次
元ディスプレー装置に像情報を入力する装置である。こ
れは、いわゆる再帰光学系の描きたい物体上を細いビー
ムウェストを持つ光で走査し、その走査と同じ光路を帰
ってきた反射散乱光を分離して光検知器上に集光し、そ
の集光された光の位置と大きさを測定し、電気的に処理
した後、計算して被測定物体上の位置を測定する三次元
物体の外形読み取り装置からなっている。図９は装置構
成の一実施例を示しており、図中の符号８は光源、１２
はガルバノミラー、２５はポリゴンミラー、２６は穴開
きミラー、２７はモータ、２８は被測定物、２９は集光
レンズ、３０は光検知器である。

【００４２】一般に、その集光された光の位置と大きさ
は被測定物体上の位置によりその形と大きさを変える。
しかし、光検知器として撮像素子を使用すると高価であ
り、像処理に時間がかかる。より高速に簡便に読み取る
方法として、光検知器が二分割素子あるいは三分割素子
で、大きさと位置を出力の演算により求めるものであ
る。例えば、図１０に示すように、アパーチャ３４と二
分割素子３２を用いた構成がある。ここで、二分割素子
３２の各素子をＡ，Ｂと名付ける。このうちＢの一部に
光を当てる。また、二分割素子３２は光が上下対象にな
るように配置されているものとする。Ｂ面に照射される
光を基準（基準光３３）として、Ａ面にあたる信号光３
１の光強度のＢに対する比は光の強度によらず物体の位
置によって変わる。その比をあらかじめ測定しておくか
理論式を求めておく。そして、記憶されたデータや式を
用いれば物体までの距離が判る。こうして走査すること
により物体の形状が判る。しかし、この構成では焦点位
置の手前と向う側の区別がつきにくい。そこで図１１の
ようなＡ，Ｂ，Ｃの素子を持つ三分割素子３５とアパー
チャ３４を用い、真中の薄い素子Ｂの光強度を基準と
し、Ａ／ＢやＣ／Ｂを同様に求めることで、被測定物の
位置が演算により求められかつ焦点位置の手前と向う側
の区別もつけられ読み取り深度が深く求められる。

【００４３】第９の発明は、上記と同様な情報入力装置
であって、カラー情報を読み取るものである。複数の波
長の光を走査して、かつ、それぞれの波長に対応した複
数の光検出素子を有するか、あるいは複数の光源の光を
光スイッチにより高速に切り替え単一の光検知器で読み
取る。あるいは複数の波長の光あるいは白色光を走査し
て、光検知器の前で回折格子、あるいはフィルターで波
長ごとに光を分離する。尚、図１２は構成の一例を示す
図であって、回折格子３６により波長ごとに光を分離
し、各波長に対応した位置に光検知器３７を設けて、カ
ラー情報を読み取るものである。それで、波長ごとの散
乱強度の違いにより、色が読み取れる。すなわち、赤い
物体は赤を良く散乱する。ただし、鏡面に近いと良く読
み取れない。それは戻ってくる光強度が極端に小さくな
るからである。

【００４４】次に第１０の発明の構成例を図１３（ａ）
に示す。この例では、高速かつ高分解能の液晶３８を用
い、液晶の背後に複数の特定の波長の光源４０がある。
光源４０としては三色（例えば赤、緑、青）くらいのレ
ーザ光源を設け、それぞれの光束を平行光にするコリメ
ータレンズ４１を設け、かつ三色の光をそれぞれに高速
で駆動する光シャッタ４２をつけ、それぞれの光束をミ
ラー４３及び光合成ハーフミラー４４で反射し合成した
後、ビームエクスパンダーレンズ４５で拡大し、コリメ
ートレンズ３９で平行光にして液晶３８に照射する。あ
る色で描きたいときには、その色の光のシャッターを開
き、液晶３８により図１３（ｂ）に示すように、その波
長に対応した液晶回折格子によるフレネルレンズ４８を
次々と高速に連続的に形成し、描きたい図形上の点にす
る。それにより、人間の目４７には連続的に見えること
により、描きたい三次元図形上の点に光の集束位置を持
ってくることで、奥行きのある像１１を空中に描くこと
ができ、二次元、三次元像を描くことができる。尚、液
晶回折格子３８は連続には変化しないから、像点は間歇
的に発光し高速に位置を変えるが、残像効果により人間
の目には連続した像に見える。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載のデ
ィスプレー装置においては、人の目は光の発光点に物体
があると感じることを利用して、高いＮＡ値で集束させ
た光を縦横に平行に走査して二次元像を描くことによ
り、光走査機と反対側に立つ人間には空中に像があるよ
うに見える。すなわち、空中に二次元像を描くことがで
きる。また、大きなＮＡなので、視域の広い二次元像を
描くことができる。

【００４６】請求項２記載のディスプレー装置において
は、請求項１の構成に加え、集束位置（ビームウェスト
位置）を変えながら走査するので、空中に三次元像を描
くことができる。

【００４７】請求項３記載のディスプレー装置において
は、請求項１，２の構成に加えて、二次元的に光を走査
できるように、二つのガルバノミラーにより描きたい物
体のみの表面に沿って光を走査し、物体を高速に描くこ
とにより、大きな物体も描くことが可能である。

【００４８】請求項４記載のディスプレー装置において
は、請求項１，２，３の構成に加えて、複数の光走査機
を用いて各光束を重ねあわせ、合成された高いＮＡで走
査するので視域の広い像を描いたり、装置より遠い位置
に視域の広い像を描くことができる。

【００４９】請求項５記載のディスプレー装置において
は、請求項１，２，３の構成に加えて、複数の光走査機
を用い、像を分割して同時並行でそれぞれの像を描くの
で、人間の目に違和感なく複雑な合成像を描ける。ま
た、物体の表面形状に加えて機械や人体の内部構造とい
った内部構造を同時に立体的に表示できる。

【００５０】請求項６記載のディスプレー装置において
は、請求項１，２，３，４，５の構成に加えて、それぞ
れ異なる波長の光を合成するので、カラーの二次元、三
次元像を描くことができる。

【００５１】請求項７記載のディスプレー装置において
は、請求項２，３，４，５，６の構成に加えて、加える
電圧の変化によって焦点が変化する電気光学素子からな
る焦点可変レンズでビームウェスト位置を変えることを
特徴としており、電気光学素子は高速に焦点可変できる
ので、角形や複雑な凹凸図形がシャープに描ける。

【００５２】請求項８記載の情報入力装置においては、
三次元物体の外形を読み取り、三次元像を描画するディ
スプレー装置にデータを送るに際して、二分割素子、あ
るいは三分割素子といった簡素な装置で光強度を感受し
てアナログ装置で簡単な演算をするだけなので、低価格
で高速にデータを読み込み入力できる。しかも、遅延無
く一方の像を他方に複製できる。従って、立体画像電話
にも応用できる。

【００５３】請求項９記載の情報入力装置においては、
請求項８の構成に加えて、複数の波長の光を走査して像
情報を読み取るので、カラーの情報が読み込める。

【００５４】請求項１０記載のディスプレー装置におい
ては、液晶とその背後の光源で集光束を発生させるの
で、光走査機や高度の光学部品が必要でなくなり、簡素
な構成で三次元ディスプレーを実現できる。また、視域
も液晶が大きければ大きいほど広くとれる。また、発生
させる集光束を複数にすると、より速く人の目に違和感
のない像を作れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光走査機による光走査の説明図である。

【図２】請求項１記載のディスプレー装置の実施例の説
明図である。

【図３】請求項２記載のディスプレー装置の実施例の説
明図である。

【図４】請求項２記載のディスプレー装置の実施例の説
明図である。

【図５】請求項３記載のディスプレー装置の実施例の説
明図である。

【図６】請求項４，５記載のディスプレー装置の実施例
の説明図である。

【図７】請求項４，５記載のディスプレー装置の実施例
の説明図である。

【図８】請求項６記載のディスプレー装置の実施例の説
明図である。

【図９】請求項８記載の情報入力装置の実施例の説明図
である。

【図１０】請求項８記載の情報入力装置の実施例の説明
図である。

【図１１】請求項８記載の情報入力装置の実施例の説明
図である。

【図１２】請求項９記載の情報入力装置の実施例の説明
図である。

【図１３】請求項１０記載のディスプレー装置の実施例
の説明図である。

【符号の説明】

１，２，３：各アングルの走査光４：光走査機５：空中に描かれる直線６：レンズ７：視域幅８：光源９：レンズ１０：レンズアクチュエータ１１：奥行きのある物体像１２，１３：ガルバノミラー１４：空中に描かれる図形１５，１６，１７：各光走査機１８，１９，２０：各光走査機の光の出射窓２１：大きいＮＡの光２２：赤の光走査機２３：緑の光走査機２４：青の光走査機２５：ポリゴンミラー２６：穴開きミラー２７：モータ２８：被測定物２９：集光レンズ３０：光検知器（ディテクタ）３１：信号光３２：二分割素子３３：基準光３４：アパーチャ３５：三分割素子３６：回折格子３７：各波長に対応した光検知器３８：高速・高分解能液晶３９：コリメートレンズ４０：各波長光源４１：コリメータレンズ４２：光シャッター４３：ミラー４４：光合成ハーフミラー４５：レンズ４６：各波長の集束光４７：人間の目４８：液晶によるフレネルレンズＡ，Ｂ，Ｃ：二分割又は三分割素子の各素子Ｄ，Ｅ，Ｆ：レンズの振動により変化する集光位置（ビ
ームウェスト位置）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を大きなＮＡ（開口数）値で集束
させ、その集束点を描きたい画像の形に従いながら点灯
と消灯を繰り返し、かつ光強度も変えながら走査し、か
つ出射光の方向がほぼ平行方向付近になるようにレンズ
などの光学部品で走査光を曲げ、そのビームウェストが
ほぼ二次元平面上にあるようにすると共に、高速に主走
査と副走査をすることにより、二次元像を空中に描くこ
とを特徴とするディスプレー装置。
【請求項２】レーザ光を大きなＮＡ値で集束させ、その
集束点を描きたい画像の形に従いながら点灯と消灯を繰
り返し、かつ光強度も変えながら走査し、かつ出射光の
方向がほぼ平行方向付近になるようにレンズなどの光学
部品で走査光を曲げ、かつ光源近傍あるいは光路の途中
にあるレンズをアクチュエータなどで高速に動かしてビ
ームウェスト位置を変動させつつ、高速に主走査と副走
査をなすことにより、三次元像を空中に描くことを特徴
とするディスプレー装置。
【請求項３】請求項１，請求項２記載のディスプレー装
置において、二次元的に光を走査できるように、二つの
ガルバノミラーにより、描きたい物体のみの表面に沿っ
て光を走査し、物体を高速に描くことを特徴とするディ
スプレー装置。
【請求項４】請求項１，２，３記載のディスプレー装置
において、高さと位置が異なる複数の光走査機から発す
る上下方向に大きなＮＡで集光発散する光を用い、複数
の走査線が同一地点にビームウェストが来るように光を
走査し、視域の広い像を描くことを特徴とするディスプ
レー装置。
【請求項５】請求項１，２，３記載のディスプレー装置
において、複数の光走査機を用い、それぞれの光走査機
は、それぞれ異なる物体の二次元あるいは三次元像を描
き、それらを重ね合わせて一つの像を描くことを特徴と
するディスプレー装置。
【請求項６】請求項１，２，３，４，５記載のディスプ
レー装置において、複数の光走査機がそれぞれ異なる波
長の光を走査し、それらの合成によりカラーの二次元、
三次元像を描く、あるいは、各単体の光走査機に複数の
光源があり、光スイッチなどで高速にその光源を切り替
える、あるいは、複数の光源を合成して走査することに
より、カラーの二次元、三次元像を描くことを特徴とす
るディスプレー装置。
【請求項７】請求項２，３，４，５，６記載のディスプ
レー装置において、加える電圧の変化によって焦点が変
化する電気光学素子からなる焦点可変レンズでビームウ
ェスト位置を変えることを特徴とするディスプレー装
置。
【請求項８】請求項１乃至７記載のディスプレー装置に
像情報を入力する装置であって、描きたい物体上を細い
ビームウェストを持つ光で走査し、その走査と同じ光路
を帰ってきた反射散乱光を分離して光検知器上に集光
し、その集光された光の位置と大きさから被測定物体上
の位置を測定する三次元物体の外形読み取り装置を備
え、上記光検知器が二分割素子あるいは三分割素子で、
大きさと位置を各分割素子の出力の演算により求めるこ
とを特徴とする情報入力装置。
【請求項９】請求項８記載の情報入力装置において、複
数の波長の光を走査してかつそれぞれの波長に対応した
複数の光検出素子を有するか、あるいは複数の光源の光
を光スイッチにより高速に切り替え単一の光検知器で読
み取るか、あるいは複数の波長の光あるいは白色光を走
査して光検知器の前で回折格子あるいはフィルターで波
長ごとに光を分離し各波長に対応した光検知器で読み取
るか、の何れかの手段によりカラー情報を読み取ること
を特徴とする情報入力装置。
【請求項１０】液晶と、液晶の背後に複数の特定の波長
の光源があり、各波長に対応した液晶回折格子によるフ
レネルレンズを次々と高速に連続的に形成することによ
って描きたい三次元図形上の点に従って特定波長の光を
連続的に集光させて、二次元、三次元像を描くことを特
徴とするディスプレー装置。