JPWO2004051345A1 - 立体画像表示装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ホログラム技術を用いずに直接、動画、静止画の立体画像を実現し、また、高速動作を可能にする立体画像表示装置を提供する。本発明の立体画像表示装置は、入射された画像信号光となる光の光強度を変調する光変調器アレイ、光変調器アレイからの各画素光の結像位置を光軸方向に変化させて立体断面像を形成する光偏向器アレイとを有し、光変調器アレイを一画素の光に対して駆動する複数の光反射膜が対応する回折型アレイで形成し、光偏向器アレイ４を一画素の光に対して駆動する複数の光反射膜が対応するアレイで形成して成る。

Description

本発明は、立体動画、立体静止画等を表示する立体画像表示装置、特に３原色の画像信号光を用い、光変調器アレイと光偏向器アレイを備えた立体画像表示装置に関する。

従来、立体動画を表示する立体画像表示装置としては、特許文献１、２に記載のものが知られている。これらの技術は、いずれもレーザを光源とし、立体像を再生することを目的としている。先ず、特許文献１の技術は、基本的に光変調器にＴｅＯ_２結晶からなる進行波型音響光学式変調器（ＡＯＭ）を用い、これをミラーで走査するようにしている。特許文献２の技術は、光変調器に音響光学式変調器（ＡＯＭ）を用い、光偏向器にＴｅＯ_２結晶を手段に用いている。
特許文献１の技術では、進行波型音響光学式変調器（ＡＯＭ）内に実時間ホログラムの記録・再生を行い、立体像を実現している。特許文献２の技術では、直接、立体像を実現している。この特許文献２の技術は、疑似ホログラムと呼ばれることもあるが、実際には立体像を実現する過程に物質内にホログラムを作成する過程が含まれない。
一方、立体視像の記録又は観察に適用されるアフォーカル・レンズ系に関する技術は、特許文献３に記載されている。
米国特許第５１７２２５１号明細書 米国特許第６２０１５６５号明細書 特公平４−２８０９１号公報

本発明は、ホログラム技術を用いずに直接、動画、静止画等の立体画像を実現し得るようにした、新規な立体画像表示装置を提供するものである。
本発明に係る立体画像表示装置は、入射された画像信号光となる光の光強度を変調する光変調器アレイと、光変調器アレイからの各画素光の結像位置を光軸方向に変化させて立体断面像を形成する光偏向器アレイとを有し、光変調器アレイを、一画素の光に対して駆動する複数の光反射膜が対応する回折型アレイで形成し、光偏向器アレイを、一画素の光に対して駆動する複数の光反射膜が対応するアレイで形成した構成とする。
この立体画像表示装置には、立体断面像を走査して立体像とするための走査ミラー手段を有する。さらに、立体像を可視化する手段を有する。
立体像を可視化する手段としては、例えば、立体像の画素をテレセントリックに結像するためのフレネルレンズと、平均像面付近に画素の拡大像と等ピッチに配置したマイクロレンズ・アレイとにより構成することができる。また、立体像を可視化する手段としては、立体像の画素をテレセントリックに結像するためのフレネルレンズと、平均像面付近に配置した散乱体とで構成することができる。また、立体像を可視化する手段としては、光偏向器アレイにより結像される立体断面像の付近に配置したフォトリフラクティブ部材を用いて構成することができる。また、立体像を可視化する手段としては、１画素に対して共通の振幅変調をする複数個の光変調器が対応する光変調器アレイと、複数の光変調器の各々に対して光偏向器が対応する光偏向器アレイとからなり、各光変調器からの複数の画素の像を前記光偏向器により一致させるように構成することができる。
また、本発明は、光変調器アレイが１次元アレイであり、この１次元光変調器アレイが、立体像の水平方向の情報が入射されるように配置され、走査ミラー手段が、立体断面像を表示画面の垂直方向に走査するように配置されるように構成することができる。
本発明の立体画像表示装置では、光変調器アレイを回折型アレイで形成し、この回折型アレイで画像信号光となる光の光強度が変調される。この光変調された光が光偏向器アレイにより、その±１次回折光が反射されて偏向され、結像位置が光軸方向に移動して立体断面像が形成される。この立体断面像を基に立体画像が得られる。光変調器アレイには画像信号のうち光強度の情報が入力され、光偏向器アレイには画像信号のうちの奥行き情報が入力される。従って、時間的に変化した画像信号が光変調器アレイ及び光偏向器アレイに夫々入力されれば、立体動画像が得られる。
時間的に変化しない画像信号が光変調器アレイ及び光偏向器アレイに夫々入力されれば、立体静止画像が得られる。
走査ミラー手段を設けることにより、立体断面像が一方向に走査され、立体画像として表示される。立体像を可視化する手段を設けることにより、放散角の増大が図られ、立体画像の観察が確実になる。
立体像を可視化する手段を、テレセントリックに結像するフレネルレンズ・アレイとマイクロレンズ・アレイとにより構成するときは、立体画像の可視を可能にした立体画像表示装置の実用化が図れる。
立体像を可視化する手段を、フォトリフラクティブ材料による立体像可視スクリーンにより構成するときは、立体画像の可視を可能にした立体画像表示装置の実用化が図れる。
立体像を可視化する手段を、１画素に対して共通の振幅変調をする複数個の光変調器が対応する光変調器アレイと、複数の光変調器の各々に対して光偏向器が対応する光偏向器アレイとからなり、各光変調器からの複数の画素の像を光偏向器により一致させるように構成するときは、立体画像の可視を可能にした立体画像表示装置の実用化が図れる。
１次元光変調器アレイを立体像の水平方向の情報が入射されるように配置し、走査ミラー手段を立体断面像が表示画面の垂直方向に走査されるように配置するときは、観察者が自然の状態で立体画像を観察できる。
上述の本発明に係る立体画像表示装置によれば、光変調器アレイを回折型アレイで構成し、光偏向器アレイを可変ミラーの機能をもたせたアレイで構成することにより、回折型アレイの画素の像を光軸方向に変化させて立体断面像を形成することができる。
この立体断面像を走査ミラー手段で走査することにより、立体像を形成することができ、立体画像を表示することができる。そして、立体像を可視化するための手段を設けることにより、放散角を増大し、立体像として視覚することができる。
立体像を可視化するための手段を、テレセントリクに結像するためのフレネルレンズと、マイクロレンズ・アレイとから構成するときは、簡単な構成で立体像の可視化を可能にし、立体画像表示装置の実用化を可能にする。
立体像を可視化するための手段を、立体像の画像をテレセントリックに結像するためのフレネルレンズと、散乱体とから構成するときは、より簡単な構成で立体像の可視化を可能にし、立体画像表示装置の実用化を可能にする。
立体像を可視化するための手段を、フォトリフラクティブ部材で構成するときは、装置全体の構成を簡略化して、立体像の可視化を可能にし、立体画像表示装置の実用化を可能にする。
立体像を可視化するための手段を、１画素に対して共通の振幅変調をする複数個の光変調器が対応する光変調器アレイと、複数の光変調器の各々に対して光偏向器が対応する光偏向器アレイとから構成するときも、装置全体の構成を簡略化して、立体像の可視化を可能にし、立体画像表示装置の実用化を可能にする。
光変調器アレイが１次元アレイであり、１次元光変調器アレイが立体像の水平方向の情報が入射されるように配置され、走査ミラー手段が立体断面像を表示画面の垂直方向に走査するように配置さるときは、表示画面上で立体画像が実際の立体物体と同じ状態で表示されるので、観察者は自然な状態で立体画像を見ることができる。

図１は本発明に係る立体画像表示装置の一実施の形態を示す概略構成図である。
図２Ａは 本発明に係る光変調器アレイとなる回折型ＭＥＭＳアレイ（即ちＧＬＶアレイ）の１画素に対応した構成を示す斜視図であり、図２Ｂはその断面図である。
図３Ａ，Ｂは回折型ＭＥＭＳアレイの動作説明図である。
図４は本発明に係る１次元の回折型ＭＥＭＳアレイの構成図である。
図５Ａは本発明に係る光偏向器アレイとなるＭＥＭＳアレイ（即ちＧＬＶアレイ）の１画素に対応した構成を示す斜視図であり、図５Ｂはその動作説明図である。
図６は本発明に係る立体画像表示装置の立体断面像が得られる要部の概略構成図である。
図７Ａ，Ｂは本発明の光偏向器アレイの動作説明に供する説明図である。
図８は本発明の説明に供するミラー回転角とスクリーン上での像の奥行き方向の移動量との関係を示すグラフでる。
図９はミラーとなるＧＬＶピクセルのリボンの傾き角と沈み量を示す説明図である。
図１０はＧＬＶピクセルのミラー面の傾きによる回折光の反射される波面の傾きを示す説明図である。
図１１は立体断面像の放散角の説明図である。
図１２は本発明に係る立体像を可視化する一実施の形態を示す概略構成図である。
図１３は本発明に係る立体像を可視化する一実施の形態を示す模式図である。
図１４Ａは図１３を真上から見た平面図であり、図１４Ｂは図１３を真横から見た側面図である。
図１５は本発明に係る立体像を可視化する一実施の形態の説明図である。
図１６は本発明に係る立体像を可視化する他の実施の形態を示す概略構成図である。
図１７は本発明に係る立体像を可視化する他の実施の形態を示す模式図である。
図１８Ａは図１７を真上から見た平面図であり、図１８Ｂは図１７を真横から見た側面図である。
図１９は本発明に係る立体像を可視化する更に他の実施の形態を示す模式図である。
図２０は本発明に係る立体像を可視化する更に他の実施の形態を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る立体画像表示装置の一実施の形態の概略構成を示す。
立体的な物体は、複素振幅反射率を有しており、立体画像を表示する場合、物体の明るさ、いわゆる光の強度に関する情報（振幅）と奥行きに関する情報（位相）が必要になる。本実施の形態では、ＭＥＭＳアレイにより振幅と位相を変調するようにしている。
本実施の形態に係る立体画像表示装置１は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の３原色に対応したレーザ光源２〔２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ〕と、各レーザ光源２Ｒ，２Ｇ及び２Ｂから出射された各色のレーザ光を入射して光の強度を変調する３つの１次元の光変調器アレイ３〔３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ〕と、各光変調器アレイ３で強度変調された各色のレーザ光を軸上に合成す合成手段５、例えばプリズムと、光変調器アレイ３の画像を等倍で結像するための等倍光学系６と、合成されたレーザ光の結像位置を光軸方向に変化させて立体断面像を形成するための１つの１次元の光偏向器アレイ４と、立体断面像を拡大する投射レンズ系７と、拡大した立体断面像を走査して立体像とする走査ミラー手段８、例えばガルバノミラーと、立体像を可視化する手段９、図示の例は立体像可視スクリーンとを有して成る。１０はミラーを示す。
レーザ光源２〔２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ〕は、各赤、緑及び青のコヒーレントなレーザ光を出射する光源である。本例では、赤のレーザ光源２Ｒとして波長６４２ｎｍの半導体レーザが用いられ、緑のレーザ光源２Ｇとして波長５３２ｎｍの固体レーザが用いられ、青のレーザ光源２Ｂとして波長４５７ｎｍの固体レーザが用いられる。各レーザ光源２からのレーザ光は、例えばシリンドリカルレンズを通してシート・ビームにして１次元の光変調器アレイ３に入射するようになす。
各色に対応する３つの光変調器アレイ３〔３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ〕は、回折型のマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（いわゆる回折型ＭＥＭＳ）で構成された静電駆動型のアレイが用いられる。本例ではＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ）アレイにより構成される。この光変調器アレイ、即ちＧＬＶアレイ３は、１ライン上に配列された複数本、例えば６０００本以上のリボン状ミラー（以下、単にリボンという）からなり、１画素に６本のリボンが割り当てられて形成される。１画素の対応する６本のリボンは、そのうちの１本置きの３本が可動部分であり、電圧印加によって回折格子化し、光を振幅変調する。従って、このＧＬＶアレイ３は、一次元の光変調器アレイである。
図２は、１画素に対応する１ＧＬＶピクセル３´の概略構成を示す。この１ＧＬＶピクセル３´は、基板１１上に共通の基板側電極１２が形成され、この基板側電極１２と空間１６を挟んで対向するように、支持部を介して絶縁膜１３とその表面を被覆する反射膜を兼ねる駆動側電極１４からなる６本のリボン１５〔１５_１、１５_２、１５_３、１５_４、１５_５、１５_６〕が形成されて成る。このＧＬＶピクセル３´は、リボン１５がいわゆる両持ち梁構造である。基板１１は例えばシリコン基板上に絶縁膜を有して形成される。リボン１５を構成する絶縁膜１３は例えばシリコン窒化膜で形成され、駆動側電極１４は例えばアルミニウム（Ａｌ）膜で形成することができる。１ＧＬＶピクセル３´は、１本置きの３本のリボン１５_１、１５_３、１５_５が基板側電極１２と駆動側電極１４間に印加する電気信号（即ち電圧）で基板側電極１２に対して静電力で近接、離間する可動リボンであり、その他のリボン１５_２、１５_４、１５_６が固定リボンとなる。図２Ａは、１本置きのリボン１５_１、１５_３、１５_５が基板側電極１２に引き寄せられた状態を示している。このとき、６本のリボン１５が１本置きに沈み込んで回折格子を形成する。
ＧＬＶピクセル３´は、可動リボン１５_１、１５_３、１５_５の表面で反射するレーザ光の位相と、固定リボン１５_２、１５_４、１５_６の表面で反射する位相との差がアナログ的に制御される。例えば位相の差が０〜λ／４の間でアナログ的に制御される。または、位相の差が０とλ／４の間でデジタル的に制御する場合も可能である。例えば、レーザ光がこのＧＬＶピクセル３´に対して垂直に入射した場合を考える。６本のリボン１５が同一平面を形成していれば、図３Ａに示すように、レーザ光はそのまま垂直に反射する。このときリボン１５表面における反射光の波面Ｗ_０は、破線で示すようになっている。この反射光は０次光である。一方、リボン１５が１本置きに下がっていれば、図３Ｂに示すように、垂直に反射する０次光の他に、回折により±１次光が発生する。±１次光の波面Ｗ_１、Ｗ_−１は、実線で示すようになっている。２次以上の回折光も発生しているが、この強度は無視できる程度に小さい。図４は、このようなＧＬＶピクセル３´が基板上に多数個（例えば１０００個）、一方向に配列される。本例では立体像の水平方向に沿うように、従って立体像の水平方向の情報が入射されるように配列された第１の１次元ＧＬＶアレイ３を示す。この第１のＧＬＶアレイ３は、入射した光の反射光の位相を各ＧＬＶピクセル３´毎に変更できる。
１次元の光偏向器アレイ４は、光変調器アレイ３から発生された１画素に対応する±１次回折光を、夫々反射して各画素の結像位置を光軸方向に変化させるための反射ミラーとして作用する。この光偏向器アレイ４は、前述の光変調器アレイ３と同様の構成をとる第２の１次元ＧＬＶアレイで構成される。図５は、この第２のＧＬＶアレイ４の１画素に対応する１つのＧＬＶピクセル４´を示す。ＧＬＶピクセル４´は、図５Ａに示すように前述の図２と同様に、基板２１上に共通の基板側電極２２が形成され、この基板側電極２２と空間２６を挟んで対向するように、支持部を介して絶縁膜、例えばシリコン窒化膜２３とその表面を被覆する反射膜を兼ねる駆動側電極、例えばアルミニウム膜２４からなる６本のリボン２５〔２５_１、２５_２、２５_３、２５_４、２５_５、２５_６〕が形成されて成る。このＧＬＶピクセル４´は、リボン２５がいわゆる両持ち梁構造である。これらの６本のリボン２５は全体として１つのミラーを形成するように駆動される。即ち、各リボン２５_１〜２５_６を独立に静電駆動させ、図５Ｂに示すように、基板側電極２２と各リボン２５間への印加電圧を徐々に変えて、リボン２５_１からリボン２５_６までを階段状に変位させる。これにより、全体として見たとき、リボン２５が１枚のミラーとして所定角をもって傾斜したことと等価になる。この傾斜角は各リボン２５_１〜２５_６に印加する電位を制御することにより、可変させることができる。
この光偏向器アレイとなる第２のＧＬＶアレイ４では、第１のＧＬＶアレイ３の１画素のＧＬＶピクセル３´に対して２つのＧＬＶピクセル４´が対応して設けられる。即ち、１画素のＧＬＶピクセル３´から発する±１次回折光に対して、その＋１次回折光及び−１次回折光を夫々偏向させる２つのＧＬＶピクセル４´が設けられる。この２つのＧＬＶピクセル４´は、後述の図７で示す２つのミラー５３_１、５３_２、あるいは２つのミラー５３_２、５３_３に対応する。この第２のＧＬＶアレイ４は、図６に示すように、第１のＧＬＶアレイ３の下側に配置される。即ち、第１のＧＬＶアレイ３と第２のＧＬＶアレイ４は２段に配置されることになる。
上述の光変調器アレイ３にレーザ光を照射したとき、１次元の光変調器アレイである第１のＧＬＶアレイ３が表示できるは、立体物体の平面上への射影の一部である。等倍光学系６は、この第１のＧＬＶアレイ３の像を等倍して中間像を作るためのものであり、第１のＧＬＶアレイ３と第２のＧＬＶ４アレイ４との間の光路上に配置される。
この等倍光学系６は、図６に示ように第１の凹面ミラー１９と第２の凸面ミラー２０からなる、オフナー型２ミラー等倍光学系（以下、オフナー等倍光学系という）で構成される。画像信号光となるレーザ光が１次元光変調器アレイの第１のＧＬＶアレイ３に照射され、光変調されて±１次回折光２１が発生する。この±１次回折光２１は、オフナー等倍光学系６により、収束され第１のＧＬＶアレイ３の真下に各画素に対応した等倍中間像Ｘ〔Ｘ_１，Ｘ_２，・・Ｘ_ｎ〕として結像される。このとき、オフナー等倍光学系６内に配置されたシュリーレン・フィルターにより、±１次回折光成分以外の回折光成分（０次回折光を含む）は除去される。第１のＧＬＶアレイ３の真下に等倍の中間像Ｘが形成された状態は、光偏向器アレイの第２のＧＬＶアレイ４が設けられていないときである。
本実施の形態では、第１のＧＬＶアレイ３の中間像Ｘが作られる本来の位置より前の位置に、ミラーの作用をなす光偏向器アレイ即ち第２のＧＬＶアレイ４が配置され、この第２のＧＬＶアレイ４により中間像Ｘを本来の位置とは別の位置に、且つ光軸方向に変化して奥行きが変化した立体断面像Ｐｘとして結像させるようになす。
この反射ミラーとなる第２のＧＬＶアレイ４の１画素のＧＬＶピクセル４´は、１画素の＋１次回折光及び−１次回折光に対応して２つ設けられる。この２つのＧＬＶピクセル４´のミラー面の傾き角を変えることにより、±１次回折光の反射角度を変え、本来同一平面上に形成される第１のＧＬＶアレイ３の画素の中間像を、この平面に対して光軸方向に移動させて、立体断面像を作るようにしている。図７の原理図を用いて更に説明する。図７において、５３_１、５３_２及び５３_３はミラーを示し、５４_１、５４_２、５４_３及び５４_４は光束を示す。Ｑ_１及びＱ_２は、夫々第１のＧＬＶアレイ３の像を等倍光学系６で等倍に結像した、第１及び第２画素の中間像を示す。本来同一平面Ｓ上に第１のＧＬＶアレイ３の画素の等倍の中間像Ｑ_１、Ｑ_２が形成される。即ち、本来の画素の中間像Ｑ_１の位置に入射する光は、平行な光束（例えば＋１次回折光）５４_１と光束（例えば−１次回折光）５４_２である。ここで、ミラー５３_１、５３_２を図示のように光束５４_１と光束５４_２が重なり合う直前に配置する。ミラー５３_１とミラー５３_２が傾かずに一直線上にあれば、図７Ａに示すようにミラー５３_１、５３_２で反射した光束５４_１、５４_２によって、第１画素の中間像Ｑ_１は破線Ｐｘ_１の位置に形成される。同様に、ミラー５３_２と５３_３が傾かずに一直線上にあれば、ミラー５３_２、５３_３で反射した光束５４_３、５４_４によって、第２画素の中間像Ｑ_２は破線Ｐｘ_２の位置に形成される。
次に、ミラー５３_１とミラー５３_２を、夫々中心を通って紙面に垂直な回転軸のまわりに互いに等量反対方向に回転させると、図７Ｂに示すように第１画素の中間像Ｐｘ_１は、紙面の左右方向に移動する。ここで、紙面の左右方向とは、プロジェクタ光学系、即ち立体画像表示装置の光学系からみてその光軸方向であり、ＧＬＶアレイ３の中間像を物体面から光軸方向に移動させることと等価である。これによって、結像点が光軸方向に移動し、立体断面像が形成される。
ところで、第２画素の中間像Ｐｘ_２は、光束（例えば＋１次回折光）５４_３と光束（例えば−１次回折光）５４_４が入射され収束された位置に作られる。この第２画素の中間像Ｑ_１をミラー５３_２とミラー５３_３を使って第１画素の中間像Ｐｘ_１の移動先付近に作ることができる。このとき、ミラー５３_２は共有されているので、回転に制約を受ける。画素の中間像の光軸方向への移動量が連続的に変化すると仮定すれば、第１画素の像Ｐｘ_１の移動先と第２画素の像Ｐｘ_２の移動先が光軸方向に徐々に変化するが第１画素の像Ｐｘ_１の移動に必要なミラー５３_２の回転角と、第２画素の像Ｐｘ_２の移動に必要なミラー５３_２の回転角は反対方向になる。
従って、このような問題を解決するには、光変調器アレイである第１のＧＬＶアレイ３〔３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ〕が１画素を表示するときに、第２画素を表示しないような、いわゆるＴＶ受像機でのインターレース走査のような時分割表示を行えば良い。
光偏向器アレイである第２のＧＬＶアレイ４の目的は、第１のＧＬＶアレイ３の画素の像を光軸方向に移動させ、移動した第１のＧＬＶアレイ３の画素の像を並べて、立体断面像を生成することにある。この立体断面像を１つの走査ミラー手段、例えばガルバノミラー８で走査することによって、立体像が作られる。
光変調器アレイである第１のＧＬＶアレイ３は、前述したように複数のＧＬＶピクセル３´が立体像の水平方向に対応するように１次元配列されるように構成するのが好ましい。即ち、第１のＧＬＶアレイ３は、立体像の水平方向の情報が入射されるように配し、第１のＧＬＶアレイ３の画素の像が表示画面であるスクリーン上で水平方向に照射されるように配置するのが良い。この第１のＧＬＶアレイ３に対応して、ガルバノミラーは、第１のＧＬＶアレイ３の画素の像、つまり立体断面像がスクリーンの垂直方向に走査されるように配置される。
第１のＧＬＶアレイ３及び第２のＧＬＶアレイ４は、レーザ光が所定角度で斜めから照射されるように配置される。
立体像を可視化する立体像可視スクリーン９は、後で詳述する。
次に、図１の立体画像表示装置１の概略の動作を説明する。画像信号のうちの光強度の情報が光変調器アレイである第１のＧＬＶアレイ３［３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ］に供給され、画像信号のうちの奥行き情報が光偏向器アレイである第２のＧＬＶアレイ４に供給される。そして、赤、緑及び青の各色に対応したレーザ光源２Ｒ，２Ｇ及び２Ｂからレーザ光が出射される。画像信号光となる各レーザ光は、図示せざるも例えばシリンドリカルレンズを通してシート・ビームとされ、各対応する回折型の光変調器アレイである第１のＧＬＶアレイ３Ｒ，３Ｇ，３Ｂに入射され強度変調される。強度変調された各第１のＧＬＶアレイ３Ｒ，３Ｇ，３Ｂからの±１次回折光は、合成手段の例えばプリズム５に入射され、光軸上に合成される。即ち、中央のＧＬＶアレイ３Ｇからの±１次回折光は直接プリズム５に入射され、両側のＧＬＶアレイ３Ｒ，３Ｂからの±１次回折光は、夫々ミラー１０で反射されてプリズム５に入射される。プリズム５で合成された合成レーザ光は、オフナー等倍光学系６を介して光偏向器アレイである第２のＧＬＶアレイ４に入射される。この第２のＧＬＶアレイ４において、１画素の２つのＧＬＶピクセル４´により、各画素に対応する±１次回折光が偏向され、光軸方向に各結像点を異にした等倍の立体断面像が形成される。この立体断面像は、立体物体の水平断面を平面上に投影したときの立体物体の前面側の輪郭線に対応する。次に、この奥行きをもった立体断面像が、投射レンズ７で拡大され、走査ミラー手段、例えばガルバノミラー８により、矢印Ｖ方向、即ちスクリーンの垂直方向に走査されて立体像可視スクリーン９に照射される。この立体像可視スクリーン９において、立体像として可視化され、立体像の画像が表示される。第１のＧＬＶアレイ３と第２のＧＬＶアレイ４は同期して駆動するようになされる。
次に、具体例を用いて、光偏向器アレイ４により画素の結像位置を光軸方向に変化させて立体断面像を形成することについて、詳述する。
今、光変調器アレイとなる第１のＧＬＶアレイ３の画素サイズ、即ち１画素の相当する１つのＧＬＶピクセル３´のサイズは、２５μｍ角とする。１つのＧＬＶピクセル３´内に６本のリボン２５があり、リボン２５の周期Ｐは、Ｐ＝２５／３＝８．３μｍとなる。
Ｐｓｉｎθ＝λ＝０．５５μｍとすると、この式から決まる±１次回折光に対する回折角θは、θ＝３．７８°となる。
一方、光偏向器アレイとなる第２のＧＬＶアレイ（ミラーに相当する）４の１つのＧＬＶピクセル（以下、便宜的にミラーという）４´のサイズも、第１のＧＬＶアレイ３の１画素サイズに等しい２５μｍ角とする。このミラー４´のサイズと回折角θから第２のＧＬＶアレイ４の位置は、第１のＧＬＶアレイ３の中間像から１８９μｍに配置する。ミラー４´が回転していなければ、等倍の中間像の移動先は、ミラー４´から１８９μｍである。ミラー４´が回転する（即ち傾く）とき、周辺光線の傾き角、即ち第２のＧＬＶアレイ４で反射した±１次の回折光がなす角度は３．７８°−２θとなり、中間像が光軸方向に平行移動すると、移動後の中間像の位置はミラー４´面から、
１２．５／ｔａｎ（３．７８−２θ）
離れた位置となる。よって、θ＝１．８９°で移動後の像位置は無限遠となる。
図８は、ミラー４´回転角（傾斜角）θと、像位置のスクリーン上移動量との関係を示すグラフである。なお、像はスクリーン上で３０倍に投射された場合である。図８より明らかなように、ミラー４´回転の角度範囲が±１°であれば、±５０ｍｍの奥行きが実現できる。因みに、２５μｍ角のミラー４´が１°傾くとき、図９に示すように沈み量ｄは０．２μｍである。また、ここでいうミラー４´の微小回転運動は、光変調器アレイとなる第１のＧＬＶアレイ３の駆動と同期してなられるべきである。従って、光偏向器アレイ４は、光変調器アレイ３と同じマイクロ秒で動作させる必要があり、マイクロ秒で動作可能なＭＥＭＳデバイスとしては、ＧＬＶデバイスが好適である。本例では、ミラーとなる光偏向器アレイ４が光変調器アレイ３と同じＭＥＭＳアレイ、即ちＧＬＶアレイで構成することにより、光変調器アレイ３と同期して光偏向器アレイ４の駆動が容易になり、マイクロ秒での高速動作が可能になる。
前述したように、ＧＬＶピクセル４´の６本のリボン２５_１〜２５_６に印加する電圧を段階的に変化させると、６本のリボン２５は全体的に回転したことと等価になり、回折光を傾けることができる。リボン２５全体の回転角が１°のとき、リボン２５全体の最大変位は０．２μｍであるから、ＧＬＶピクセル４´のリボン２５の最大変位量は、λ／４＝０．１３μｍと大差ない。図１０は、１つのＧＬＶピクセル４´のミラー面が傾いたときの、ミラー面で反射した反射光の波面の傾きを示している。ａ，ｂがミラー面の傾き角に応じて傾いた波面を示している。
上述した２段の第１及び第２のＧＬＶアレイ３及び４によって作成された立体断面像の縦方向の長さは、ＧＬＶピクセルのサイズで決まる。典型的には２７ｍｍ程度のものである。立体断面像の奥行きは、無限大までにできることは説明した。しかし、この立体断面像の放散角は限定されている。このことを図１１を用いて立体断面の虚像をレンズを介して見る場合で説明する。
立体断面像上の１点Ｐに着目する。この点Ｐはこれまでに説明した第１及び第２のＧＬＶアレイ３、４で得られた画素の像を代表している。第１のＧＬＶアレイ３の画素の像は主にその±１次の回折光で形成されるから、その回折波の進行方向は第２のＧＬＶアレイ４によって変化しているとしても、その空間周波数成分は２つしかない。これを光線ＡとＡ´（＋１次回折光と−１次回折光に相当する）で表示する。レンズ３１を通して点Ｐの像（高さｈ）のＭ倍の虚像（高さＭｈ）を見るとき、目３２が必要としている光線はＢからＢ´までの範囲の光線であり、光線ＡとＡ´は虚像視になんら貢献しない。従って、第２のＧＬＶアレイ４の点Ｐの像とレンズ３１と目３２の配置によるが、一般に虚像視に必要なのは、点Ｐを発する広い角度範囲の光線であると結論される。この角度範囲を虚像視に必要な放散角と呼ぶ。立体視に必要な放散角は最小で６０°といわれている。
次に、立体像を可視化する、即ち放散角を増大する立体像可視スクリーン９について説明する。図１２〜図１５は、立体像可視スクリーン９の一実施の形態を示す。なお、図１に対応する部分には同一符号を付して示す。
本実施の形態に係る立体像可視スクリーン９_１は、図１２〜図１４に模式的に示すように、立体像の画像をテレセントリックに結像するためのフレネルレンズ３５と、所定間隔を置いて配置した２つのマイクロレンズ・アレイ、本例では焦点距離ｆ_３の正のマイクロレンズ・アレイ（凸レンズ）３６及び焦点距離−ｆ_４の負のマイクロレンズ・アレイ（凹レンズ）３７とを有して構成される。但し、ｆ_３＞ｆ_４とする。即ち、本実施形態は、拡大投影系の平均像面の前にフレネルレンズ３５を配置し、主光線が光軸に平行になるテレセントリックな系を構成する。
レーザ光のシート・ビームを、第１のＧＬＶアレイ３で振幅変調し、第２のＧＬＶアレイ４により画素の結像位置を光軸方向に変化させて立体断面像を形成する。この立体断面像Ｐｘを倍率Ｍの投影レンズ７で拡大投影するとき、立体断面像Ｐｘの奥行きは、Ｍ^２倍に拡大されて投影される。このとき、各画素の放散角ωは１／Ｍに縮小される（図１５参照）。この構成を、軸上の１画素に着目して図１５を用いて詳述する。図１５において、ＤＦ１は光偏向器（ＧＬＶピクセル４´に対応する）による像、ＤＦ２は投影レンズＬ１（図１２の７に相当）による像、投影レンズＬ１の焦点距離をｆ１、その横倍率をＭとした。光偏向器の像ＤＦ１における光線高をｈとすると、光偏向器ＤＦ１の像ＤＦ２における光線高はＭｈになる。またＬ２はフレネルレンズ（図１２の３５に相当）である。Ｍ倍に拡大された画素の像ＤＦ２と等ピッチに、焦点距離ｆ_３の正のマイクロレンズ・アレイＬ３（図１２の３６に相当）を平均像面の後側に配置し、平均像面の前に焦点距離−ｆ_４の負のマイクロレン・アレイＬ４（図１２の３７に相当）を配置し、ｆ_３＞ｆ_４とする。正のマイクロレンズ・アレイＬ３と負のマイクロレンズ・アレイＬ４との間の間隔Ｄ１をｆ_３−ｆ_４とし、正のマイクロレンズ・アレイＬ３と負のマイクロレンズ・アレイＬ４の光軸を合致させ、全体としてアフォーカル・マイクロレンズ系にすると、このアフォーカル・マイクロレンズ系の角倍率γはγ＝ｆ_３／ｆ_４＞_１となり、アフォーカル・マイクロレンズ系を通過した光線傾角はγ倍され、射出角が拡大される。このアフォーカル・マイクロレンズ系は望遠レンズのように機能する。これにより、立体像の可視化が可能になる。結果として、奥行きを犠牲にして、解像度を維持しながら大きな画面と放散角の増大を実現することができる。前述したように、回折型であるＧＬＶアレイで立体断面像の奥行きは無限大にまですることができるので、奥行きの犠牲は実用的には問題にならない。
図１６〜図１８は、立体像可視スクリーン９の他の実施の形態を示す。なお、図１に対応する部分には同一符号を付して示す。
本実施の形態に係る立体像可視スクリーン９_２は、図１６〜図１８に模式的に示すように、立体像の画像をテレセントリックに結像するためのフレネルレンズ３５と、微小な散乱粒子３８が均一に拡散している散乱体３９とを有して構成される。その他の構成は図１２〜図１４と同様である。この散乱体３９内に拡大された立体像が照射され、結像点に対応する散乱粒子による散乱で放散角の増大を実現し、立体像の可視化を可能にする。
図１９は、立体像を可視化するための手段の他の実施の形態を示す。
虚像視に必要なのは第２のＧＬＶアレイ４の像を発する広い角度範囲な光線の実現である。本実施の形態においては、フォトリフラクティブ材料４１で、立体像可視スクリーン９_３を構成する。フォトリフラクティブ材料４１としては、例えば鉄ドープ・ニオブ酸リチウム材料等を用いることができる。このフォトリフラクティブ材料４１による立体像可視スクリーン９_３を、第２のＧＬＶアレイ４のミラー面により第１のＧＬＶアレイ３からの±１次回折光が結像される位置に、配置される。フォトリフラクティブ材料４１は、瞬時に応答して周期的屈折率変化を発生し、直ぐに消える材料である必要がある。本実施の形態では、第１のＧＬＶアレイ３の像を、第２のＧＬＶアレイ４によるミラーを介してこのフォトリフラクティブ材料の中に、＋１次回折波４４と−１次回折光波４５の干渉縞４６として形成する。±１次回折波の交差部分にのみ形成された干渉縞４６の明部には、電子と正孔が発生する。このうち電子は強誘電体結晶中の自発分極に基づく内部電界によって干渉縞４６の暗部に移動し、結晶中に局所的な周期的屈折率変化を発生させる。これをフォトリフラクティブ効果と呼ぶ。電子の移動する過程で、±１次回折波４４、４５の干渉縞４６が結晶内を移動すると、周期的屈折率変化に至らず、干渉縞の形成位置で光のインコヒーレントな散乱が増強される現象が起こる。この散乱光をもって立体像の放散角を増大する。
図２０は、立体像を可視化するための手段の他の実施の形態を示す。
上述してきた第２のＧＬＶアレイ４は、１画素に対して±１次回折光に対応して２個のＧＬＶピクセル４´を用い、画素の像を光軸方向に移動させるものであった。本実施の形態では、光変調器アレイである第１のＧＬＶアレイ３において、１画素を複数、例えば３つのＧＬＶピクセル３´〔３_１´、３_２´、３_３´〕で構成し、この３つのＧＬＶピクセル３´〔３_１´、３_２´、３_３´〕で共通の振幅変調を行う。第２のＧＬＶアレイ（光偏向器アレイ）４では、各ＧＬＶピクセル（光変調器）３_１´、３_２´、３_３´に対して夫々各２個のＧＬＶピクセル（光偏向器）４´〔４_１´、４_２´〕を対応させる。各ＧＬＶピクセル３_１´、３_２´、３_３´に対する各２個のＧＬＶピクセル４_１´、４_２´は、±１次回折光を光軸方向に等量移動させるのみならず、光軸に直交する方向にも移動させるように、２個のＧＬＶピクセル（光偏向器）４_１´、４_２´の偏向角を制御するようになす。このとき、３つのＧＬＶピクセル３´〔３_１´、３_２´、３_３´〕の中間像を一致させるようになす。そうすると、３つの±１次回折光が１つの像点Ｐの上で重なり合って、あたかも高次の回折光まで含む像が形成されている状態になり。像点Ｐの放散角を増大させることができる。
この様な構成の立体像を可視化するための手段を備えるときは、透明なスクリーンを配置しても良いし、あるいはスクリーンを不要とすることができる。
上述した本実施の形態の立体画像表示装置では、光変調器アレイである第１のＧＬＶアレイ３［３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ］及び光偏向器アレイである第２のＧＬＶアレイ４に、動画データの画像信号を供給することにより、立体動画像を表示することができる。
また、本実施の形態の立体画像表示装置では、光変調器アレイである第１のＧＬＶアレイ３［３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ］及び光偏向器アレイである第２のＧＬＶアレイ４に、静止画データの画像信号を供給することにより、立体静止画像を表示することができる。
さらに、本実施の形態の立体画像表示装置では、光変調器アレイである第１のＧＬＶアレイ３［３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ］及び光偏向器アレイである第２のＧＬＶアレイ４に、動画データと静止画データを含む画像信号を供給することにより、動画と静止画の立体画像を時系列的に連続して表示することができる。
上述の実施の形態に係る立体画像表示装置によれば、光変調器アレイを回折型ＭＥＭＳである第１のＧＬＶアレイ３で構成し、光偏向器アレイを可変ミラーの機能をもたせた第２のＧＬＶアレイ４で構成することにより、第１のＧＬＶアレイ３の画素の像を光軸方向に変化させて立体断面像を形成することができる。この立体断面像を走査ミラー手段の例えばガルバノミラーで走査することにより、立体像を形成することができ、動画、静止画等の立体画像を表示することができる。
そして、立体像を可視化するための手段を設けることにより、放散角を増大し、立体像として視覚することができる。立体像を可視化するための手段として、テレセントリクに結像するためのフレネルレンズ３５と、両マイクロレンズ・アレイ３６、３７によるアフォーカル・レンズ系とからなる立体像可視スクリーン９_１を用いことにより、簡単な構成で立体像の可視化を可能にし、立体画像表示装置の実用化を可能にする。
ミラーとして機能させる光偏向器アレイ４を、第２のＧＬＶアレイで形成することにより、光変調器アレイである第１のＧＬＶアレイ３の駆動に同期して駆動することができ、ミラーの微小回転運動をマイクロ秒で動作させることが可能になる。このため、特に、高速、高性能の立体動画表示装置を提供できる。
立体像を可視化するための手段として、立体像の画像をテレセントリックに結像するためのフルネルレンズ３５と、微小な散乱粒子３８が均一に拡散している散乱体３９とからなる立体像可視スクリーン９_２を用いことにより、より簡単な構成で立体像の可視化を可能にし、立体画像表示装置の実用化を可能にする。
立体像を可視化するための手段として、フォトリフラクティブ材料４１による立体像可視スクリーン９_３で構成するときも、装置全体の構成を簡略化して、立体像の可視化を可能にし、立体画像表示装置の実用化を可能にする。
立体像を可視化するための手段として、フォトリフラクティブ材料４１による立体像可視スクリーン９_３で構成するときも、装置全体の構成を簡略化して、立体像の可視化を可能にし、立体画像表示装置の実用化を可能にする。
立体像を可視化するための手段として、光変調器アレイである第１のＧＬＶアレイ３において、１画素を複数のＧＬＶピクセル３´〔３_１´、３_２´、３_３´〕で構成し、この複数のＧＬＶピクセル３´〔３_１´、３_２´、３_３´〕で共通の振幅変調を行い、複数のＧＬＶピクセル３´〔３_１´、３_２´、３_３´〕の中間像を一致させるように光偏向器アレイである第２のＧＬＶアレイ４で制御した構成とするときも、装置全体の構成を簡略化して、立体像の可視化を可能にし、立体画像表示装置の実用化を可能にする。
光変調器アレイアレイ、即ち１次元配列の第１のＧＬＶアレイ３を立体像の水平方向に沿って配置し、ガルバノミラーを立体断面像が立体像の垂直方向、したがってスクリーンの垂直方向に走査されるように駆動可能に配置するときは、スクリーン上で立体画像が実際の立体物体と同じ状態で表示されるので、使用者は自然な状態で立体画像を見ることができる。
引 用 符 号 の 説 明
１・・・立体画像表示装置、
２〔２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ〕・・・レーザ光源、
３〔３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ〕・・・回折型光変調器アレイ（第１のＧＬＶアレイ）、
３´・・・ＧＬＶピクセル、
４・・・光偏向器アレイ（第２のＧＬＶアレイ）、
４´・・・ＧＬＶピクセル、
５・・・合成手段、
６・・・オフナー等倍光学系、
７・・・投射レンズ、
８・・・走査ミラー手段、
９・・・立体像可視スクリーン、
１０・・・ミラー、
１１、２１・・・基板、
１２、２２・・・基板側電極、
１３、２３・・・絶縁膜、
１４、２４・・・反射膜を兼ねる駆動側電極、
１５〔１５_１〜１５_６〕、２５〔２５_１〜２５_６〕・・・リボン、
１６、２６・・・空間、
１９、２０・・・凹レンズ、
Ｐｘ・・・中間像、
３１・・・レンズ
３２・・・目、
３５・・・フレネルレンズレンズアレイ、
３６・・・正のマイクロレンズ・アレイ、
３７・・・負のマイクロレンズ・アレイ、
３８・・・散乱粒子、
３９・・・散乱体、
４１・・・フォトリフラクティブ材料、
４４、４５・・・±１次回折光、
４６・・・干渉縞、
５３〔５３_１〜５３_３〕・・・ミラー、
５４〔５４_１〜５４_４〕・・・光束

Claims (8)

1. 入射された光の光強度を変調する光変調器アレイと、前記光変調器アレイからの各画素光の結像位置を光軸方向に変化させて立体断面像を形成する光偏向器アレイとを有し、前記光変調器アレイが、一画素の光に対して駆動する複数の光反射膜が対応する回折型アレイで形成され、前記光偏向器アレイが、一画素の光に対して駆動する複数の光反射膜が対応するアレイで形成されて成ることを特徴とする立体画像表示装置。
2. 前記立体断面像を走査して立体像とするための走査ミラー手段を有して成ることを特徴とする請求の範囲第１項記載の立体画像表示装置。
3. 前記立体像を可視化する手段を有して成ることを特徴とする請求の範囲第２項記載の立体画像表示装置。
4. 前記立体像を可視化する手段が、立体像の画素をテレセントリックに結像するためのフレネルレンズと、平均像面付近に画素の拡大像と等ピッチに配置したマイクロレンズ・アレイとから成ることを特徴とする請求の範囲第３項記載の立体画像表示装置。
5. 前記立体像を可視化する手段が、立体像の画素をテレセントリックに結像するためのフレネルレンズと、平均像面付近に配置した散乱体とから成ることを特徴とする請求の範囲第３項記載の立体画像表示装置。
6. 前記立体像を可視化する手段が、前記立体断面像が形成される位置に配置したフォトリフラクティブ部材から成ることを特徴とする請求の範囲第３項記載の立体画像表示装置。
7. 前記立体像を可視化する手段が、１画素に対して共通の振幅変調をする複数個の光変調器が対応する光変調器アレイと、前記複数の光変調器の各々に対して光偏向器が対応する光偏向器アレイとからなり、前記各光変調器からの複数の画素の像を前記光偏向器により一致させるようにして成ることを特徴とする請求の範囲第３項記載の立体画像表示装置。
8. 前記光変調器アレイが１次元アレイであり、該１次元光変調器アレイが、立体像の水平方向の情報が入射されるように配置され、前記走査ミラー手段が、立体断面像を表示画面の垂直方向に走査するように配置されて成ることを特徴とする請求の範囲第２項記載の立体画像表示装置。

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