WO2004051345A1

WO2004051345A1 - 立体画像表示装置

Info

Publication number: WO2004051345A1
Application number: PCT/JP2003/015422
Authority: WO
Inventors: Shigeo Kubota; Toshitaka Kawashima; Junichi Ohsako; Naoya Eguchi
Original assignee: Sony Corporation
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2004-06-17
Also published as: TW200419297A; TWI227808B; KR20050083548A; EP1569025A1; CN1692298A; JPWO2004051345A1; US20050225629A1; US7204593B2

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

明細書

立体画像表示装置技術分野

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。背景技術

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 T e 0₂ 結晶からなる進行波型音響光学式変調器（A〇M) を用い、これをミラ —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（ A OM) を用い、光偏向器に T e 0₂ 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ァフォーカル ' レンズ系に関する技術は、特許文献 3 に記載されている。

〔特許文献 1〕

米菌特許第 5 1 7 2 2 5 1号明細書

〔特許文献 2〕米国特許第 6 2 0 1 5 6 5号明細書

〔特許文献 3〕

特公平 4一 2 8 0 9 1号公報発明の開示

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^像面付近に画素の拡大像と等ピッチに配置したマイク口レンズ · 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ァレイと、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次元ァレィでぁり、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ァレィで形成し、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。光変調器ァ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ぴ光偏向器アレイに夫々入力ざれれば、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ァレイ及び光偏向器ァレィ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查され、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 · 了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、. 走査ミラー手段を体断面像が表示画面め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、光変調器ァレィ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查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ノレレンズと、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、走查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。図面の簡単な説明

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 2 Aは本発明に係る光変調器アレイとなる回折型 M E M S アレイ（即ち G L Vアレイ）の 1画素に対応した構成を示す斜視図であり、図 2 Bはその断面図である。 ' .

図 3 A， Bは回折型 ME M S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 MEM Sアレイの構成図である（

図 5 Aは本発明に係る光偏向器アレイとなる M E M Sアレイ (即ち G L Vアレイ）の 1画素に対応した構成を示す斜視図であり、図 5 B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 7 A， 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一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 o

図 9はミラーとなる G L Vピクセノレのリポンの傾き角と沈み量を示す説明図でめ Ό o

図 1 0は G L Vピクセノレのミラ一面の傾きによる回折光の反射される波面の傾さを示す説明図でめ o ₀

図 1 1 は立体断面像の放散角の説明図である o

図 1 2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 1 3 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 1 4 Aは図 1 3 を真上から見た平面図であり図 1 4 B は図 1 3を真横から見た側面図である。

図 1 5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 1 6 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 1 7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 1 8 Aは図 1 7 を真上から見た平面図であり、図 1 8 Bは図 1 7を真横から見た側面図である。

図 1 9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 2 0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。発明を実施するための最良の形態

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、 M E M S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 [ 2 R , 2 G , 2 B〕と、各レーザ光源 2 R， 2 G及び 2 B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 〔 3 R， 3 G， 3 B〕. 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查ミラー手段 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。 1 0はミラーを示す。

レーザ光源 2 [ 2 R , 2 G , 2 B ] は、各赤、緑及ぴ青のコヒ —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 2 Rとして波長 6 4 2 n mの半導体レーザが用いられ、緑のレーザ光源 2 Gとして波長 5 3 2 n mの固体レーザが用いられ青のレーザ光源 2 B として波長 4 5 7 n m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 〔 3 R， 3 G , 3 B〕は、回折型のマイクロ ' エレクトロ · メカニカル ' システム（レ、わゆる回折型 MEM S ) 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 G L V ( G r a t i n g L i g h t V a 1 v e ) アレイにより構成される。この光変調器アレイ、即ち G L Vアレイ 3は、 1 ライン上に配列された複数本、例えば 6 0 0 0 本以上のリポン状ミラー（以下、単にリポンという）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本のリポンは、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。従つて、この G L V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 1 G L Vピクセル 3 ,の概略構成を示す。この 1 G L Vピクセル 3 は、基板 1 1上に共通の基板側電極 1 2が形成され、この基板側電極 1 2 と空間 1 6 を挟んで対向するように、支持部を介して絶縁膜 1 3 とその表面を被覆する反射膜を兼ねる駆動側電極 1 4からなる 6本のリボン 1 5 〔 1 5 i 、 1 5₂ 、 1 5₃ 、 1 54 、 1 5₅ 、 1 5₆ ] が形成されて成る。この G L Vピクセル 3 は、リボン 1 5 がいわゆる両持ち梁構造である。基板 1 1 は例えばシリコン基板上に絶縁膜を有して形成される。リポン 1 5 を構成する絶縁膜 1 3は例えばシリコン窒化膜で形成され、駆動側電極 1 4は例えばアルミニウム（ A 1 ) 膜で形成することができる。 1 G L Vピクセル 3 ,は、 1本置きの 3本のリポン 1 51 、 1 5₃ 、 1 55 が基板側電極 1 2 と駆動側電- 極 1 4間に印加する電気信号 (即ち電圧）で基板側電極 1 2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 1 5₂ 、 1 5 4 、 1 5 6 が固定リボンとなる。図 2 Aは、 1本置きのリボン 1 5 1 、 1 5₃ 、 1 55 が基板側電極 1 2に引き寄せられた状態を示している。このとき、 6本のリポン 1 5力 S 1本置きに沈み込んで回折格子を形成する。

G L Vピクセル 3 'は、可動リポン 1 5 ι 、 1 5 3 、 1 5 ₅ の表面で反射するレーザ光の位相と、固定リボン 1 5 ₂ 、 1 54 、 1 5 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〜； L / 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 G L V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 1 5が同一平面を形成していれば、図 3 Αに示すように、レーザ光はそのまま垂直に反射する。このときリポン 1 5表面における反射光の波面 Wo 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、リポン 1 5力 S 1本置きに下がっていれば、図 3 B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。土 1次光の波面 Wi 、 W-i は、実線で示すようになつている。 2次以上の回折光も発生レているが、この強度は無視できる程度に小さい。図 4は、このような G L Vピクセル 3 'が基板上に多数個 (例え 1 0 0 0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 G L Vアレイ 3 を示す。この第 1 G L Vァレイ 3 は、入射した光の反射光の位相を各 G L V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。この光偏向器ァレイ 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 G L Vアレイで構成される。図 5は、この第 2の G L Vアレイ 4の 1画素に対応する 1つの G L Vピクセル 4 'を示す。 G L Vピクセル 4 ,は、図 5 Aに示すように前述の図 2 と同様に、基板 2 1上に共通の基板側電極 2 2が形成され、この基板側電極 2 2 と空間 2 6 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 2 3 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 2 4からなる 6本のリボン 2 5 〔 2 5 ι 、 2 5₂ 、 2 5₃ 、 2 54 、 2 5₅ 、 2 5₆ 〕が形成されて成る。この G L Vピクセル 4 ,は、リボン 2 5がいわゆる両持ち梁構造である。これらの 6本のリボン 2 5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 2 51 〜 2 56 を独立に静電駆動させ、図 5 Bに示すように、基板側電極 2 2 と各リポン 2 5間への印加電圧を徐々に変えて、リボン 2 51 からリポン 2 56 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、リポン 2 5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。この傾斜角は各リポン 2 51 〜 2 56 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 G L Vアレイ 4では、第 1 の G L Vアレイ 3の 1画素の G L Vピクセル 3 'に対して 2つの G L Vピクセル 4 ,が対応して設けられる。即ち、 1画素の G L V ピクセル 3 'から発する ±1次回折光に対して、その + 1次回折光及び一 1次回折光を夫々偏向させる 2つの G L Vピクセル 4 'が設けられる。この 2つの G L Vピクセル 4 は、後述の図 7で示す 2つのミラー 5 3 i 、 5 3₂ 、あるいは 2つのミラー 5 3₂ 、 5 33 に対応する。この第 2の G L Vアレイ 4は、図 6 に示すように、第 1 の G L Vアレイ 3の下側に配置される。即ち、第 1 の G L Vアレイ 3 と第 2の G L V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 G L V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 G L V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 G L Vアレイ 3 と第 2の G L Vアレイ 4 との間の光路上に配置ざれる。 .

この等倍光学系 6は、図 6 に示ように第 1 の凹面ミラー 1 9 と第 2の凸面ミラー 2 0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 G LVアレイ 3 に照射され、光変調されて ±1次回折光 2 1 が発生する。この ±1 次回折光 2 1 は、オフナー等倍光学系 6により、収束され第 1 の G L Vアレイ 3 の真下に各画素対応した等倍中間像 X 〔 X 1， X₂， · · Χη 〕として結像される。このとき、オフナー等倍光学系 6 内に配置されたシユリ一レン ' フィルタ一により、 ±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 G L Vアレイ 3の真下に等倍の中間像 Xが形成された状態は、光偏向器ァレイの第 2の G L V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 G L V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ァレィ即ち第 2の G L Vアレイ 4が配置され、この第 2の G L Vァレィ 4により中間像 Xを本来の位置とは別の位置、且つ光軸方向に変化して奥行きが変化した立体断面像 Ρ X 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 G L Vアレイ 4の 1画素の G L V ピク.セル 4 'は、 1画素の + 1次回折光及ぴー 1次回折光に対応して 2つ設けられる。この 2つの G L V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 G L V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、 5 3 i 、 5 3₂ 及ぴ 5 3₃ はミラーを示し、 5 4 ι 、 5 4

2 、 5 43 及ぴ 5 44 は光束を示す。 Q 1 及ぴ Q 2 は、夫々第 1 の G L V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 G L Vァレィ 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） 5 4丄と光束（例えば一 1次回折光） 5 4₂ である。ここで、ミラー 5 31 、 5 32 を図示のように光束 5 41 と光束 5 4₂ が重なり合う直前に配置する。ミラー 5 3 とミラー 5 32 が傾かずに一直線上にあれば、図 7 Aに示すようにミラー 5 3 ι 、 5 32 で反射した光束 5 41 、 5 4₂ によって、第 1画素の中間像 Q 1 は破線 P X 1 の位置に形成される。同様に、ミラー 5

32 と 5 3₃ が傾かずに一直線上にあれば、ミラー 5 32 、 5 3₃ で反射した光束 5 43 、 5 44 によって、第 2画素の中間像 Q₂ は破線 P X 2 の位置に形成される。

次に、ミラー 5 3 ι とミラー 5 3₂ 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 7 Bに示すように第 1画素の中間像 P X I 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、 G L V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。これによつて、結像点が光軸方向に移動し、立体断面像が形成ざれる。ところで、第 2画素の中間像 P x 2 は、光束（例えば + 1次回折光） 5 4₃ と光束（例えば一 1次回折光） 5 4₄ が入射され収束された位置に作られる。この第 2画素の中間像をミラー 5 32 とミラー 5 33 を使って第 1画素の中間像 P x i の移動先付近に作ることができる。このとき、ミラー 5 3₂ 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里が連続的に変化すると仮定すれば、第 1画素の像 P X I の移動先と第 2画素の像 Ρ χ ₂ の移動先が光軸方向に徐々に変化する力 S、第 1画素の像 P X I の移動に必要なミラー 5 32 の回転角と、第

2画の像 P X 2 の移動に必要なミラー 5 32 の回転角は反対方向にな ■Ό o

従つて、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 G L Vアレイ 3 〔 3 R， 3 G， 3 B〕が 1画素を表示するとさに、第 2画素を表示しないような、いわゆる T V受像機でのィンターレ一ス走查のような時分割表示を行えば良い。

光偏向器ァレィである第 2の G L Vアレイ 4の目的は、第 1 の

G L V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 G L V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める。この立体断面像を 1つの走查ミラー手段、例えばガルノノへ、ラー 8で走查することによって、立体像が作られる。

光変調器ァレィである第 1 の G L Vアレイ 3は、前述したように複数の G L V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

G L V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 G L V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 G L Vアレイ 3 に対応して、ガルバノミラーは、第 1 の G L V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 G L Vアレイ 3及ぴ第 2の G L V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 G L Vアレイ 3 [ 3 R， 3 G， 3 B ] 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 G L Vアレイ 4に供給される。そして、赤、緑及ぴ青の各色に対応したレーザ光源 2 R， 2 G及び 2 Bからレーザ光が出射される。画像信号光となる各レ一ザ光は、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 G L Vアレイ 3 R， 3 G， 3 Bに入射され強度変調される。強度変調された各第 1 の G L Vアレイ 3 R， 3 G， 3 B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 G L Vアレイ 3 G力ゝらの土 1次回折光は直接プリズム 5に入射され、両側の G L Vアレイ 3 R， 3 B からの土 1次回折光は、夫々ミラー 1 0,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、オフナ一等倍光学系 6 を介して光偏向器アレイである第 2の G L Vァレィ 4に入射される。この第 2の G L Vアレイ 4において、 1画素の 2つの G L V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、走查ミラー手段、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 G L Vアレイ 3 と第 2 の G L V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 G L Vアレイ 3 の画素サイズ、即ち 1画素の相当する 1つの G L Vピクセル 3 のサイズは、 2 5 μ πι角とする。 1つの G L Vピクセル 3 ,内に 6本のリポン 2 5力 Sあり、リポン 2 5 の周期 Ρは、 P = 2 5 Z 3 = 8 . 3 ju mとなる。

P s i η θ = λ = 0 . 5 5 / mとすると、この式から決まる土 1次回折光に対する回折角 0 は、 θ = 3 . 7 8 °となる。

一方、光偏向器アレイとなる第 2 の G L Vアレイ（ミラーに相当する） 4 の 1 つの G L V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 G L Vアレイ 3 の 1画素サイズに等しレヽ 2 5 μ πι角とする。このミラー 4 ,のサイズと回折角 0 力ら第 2 の G L Vアレイ 4 の位置は、第 1 の G L Vアレイ 3 の中間像から 1 8 9 m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 1 8 9 μ ΐη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 G L Vアレイ 4で反射した ± 1次の回折光がなす角度は 3 . 7 8 °— 2 Θ 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、

1 2. 5 / t a n ( 3 . 7 8 - 2 Θ )

離れた位置となる。よって、 0 = 1 . 8 9 °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） 0 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 3 0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、 ±5 O mmの奥行きが実現できる。因みに、 2 5 / m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. 2 μ πιである。また、ここでレヽぅミラー 4 'の微小回転運動は、光変調器アレイとなる第 1 の G L V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 M E M Sデバイスとしては、 G L V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 MEM Sアレイ、即ち G L V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、 G L Vピクセル 4 ,の 6本のリポン 2 5 ι 〜 2 56 に印加する電圧を段階的に変化させると、 6本のリボン 2 5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。リポン 2 5全体の回転角が 1 °のとき、リボン 2 5全体の最大変位は 0. 2 μ ηιであるから、 G L Vピクセル 4 ,のリポン 2 5 の最大変位量は、 λΖ4 = 0. 1 3 μ πιと大差ない。図 1 0 は、 1つの G L Vピクセノレ 4 ,のミラー面が傾いたときの、ミラ一面で反射した反射光の波面の傾きを示している。 a ， bがミラ一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及ぴ第 2の G L Vアレイ 3及ぴ 4によって作成された立体断面像の縦方向の長さは、 G L Vピクセルのサイズで決まる。典型的には 2 7 mm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 1 1 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及ぴ第 2の G L Vアレイ 3、 4で得られた画素の像を代表している。第 1 の G L V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 G L V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 (+ 1次回折光と _ 1次回折光に相当する）で表示する。レンズ 3 1 を通して点 Pの像（高さ h ) の M倍の虚像（高さ M h ) を見るとき、目 3 2が必要としている光線は Bから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 G L Vアレイ 4の点 Pの像とレンズ 3 1 と目 3 2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 6 0 °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 1 2〜図 1 5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 91 は、図 1 2〜図 1 4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 3 5 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） 3 6及ぴ焦点距離一 f 4 の負のマイクロレンズ ' アレイ（四レンズ） 3 7 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 3 5 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 G L Vアレイ 3で振幅変調し、第 2の G L V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 P x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 P xの奥行きは、 M² 倍に拡大されて投影される。このとき、各画素の放散角は 1 /Mに縮小される（図 1 5参照）。この構成を、軸上の 1画素に着目して図 1 5を用いて詳述する。図 1 5において、 D F 1 は光偏向器（G L Vピクセル 4 'に対応する）による像、 D F 2は投影レンズ L 1 (図 1 2の 7に相当）による像、投影レンズ L 1 の焦点距離を f l 、その横倍率を Mとした。光偏向器の像 D F 1 における光線高を h とすると、光偏向器 D F 1 の像 D F2 における光線高は M hになる。また L 2 はフレネルレンズ（図 1 2の 3 5 に相当）である。 M倍に拡大された画素の像 D F 2 と等ピッチに、焦点距離 f s の正のマイクロレンズ ' アレイ L3 (図 1 2の 3 6 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 1 2の 3 7に相当）を配置し、 f s 〉 f 4 とする。正のマイクロレンズ ' アレイ L 3 と負のマイクロレンズ . アレイ L4 との間の間隔 D 1 を f ₃ — f 4 とし、正のマイクロレンズ ' アレイ L 3 と負のマイクロレンズ ' アレイ L4 の光軸を合致させ、全体としてァフォーカル ' マイク口レンズ系にすると、このァフォーカル · マイクロレンズ系の角倍率 γ は γ = f ₃ ノ f ₄ > となり、ァフォー力ノレ · 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。このァフォーカル · 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 G L V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 1 6〜図 1 8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 1 6〜図 1 8 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 3 5 と、微小な散乱粒子 3 8 が均一に拡散している散乱体 3 9 とを有して構成される。その他の構成は図 1 2〜囪 1 4 と同様である。この散乱体 3 9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 1 9 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 G L V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 4 1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 4 1 としては、例えば鉄ドープ · 二ォ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 4 1 による立体像可視スクリーン 9 ₃ を、第 2の G L Vアレイ 4 のミラー面により第 1 の G L Vアレイ 3 力らの ± 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 4 1 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 G L V アレイ 3 の像を、第 2 の G L V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 4 4 と一 1次回折光波 4 5 の干渉縞 4 6 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 4 6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ぐ内部電界によって干渉縞 4 6 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 4 4、 4 5 の干渉縞 4 6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 2 0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 G L V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 G L V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 G L Vアレイ 3 において、 1画素を複数、例えば 3つの G L Vピクセル 3 〔 3 ι '、 3₂ '、 3₃ ' 〕で構成し、この 3つの G L Vピクセル 3 ' C 31 ' 、 3₂ 、 3₃ ' 3 で共通の振幅変調を行う。第 2の G L Vアレイ（光偏向器アレイ） 4では、各 G L Vピクセル（光変調器） 3 ι , 、 32 ' 、 3₃ ,に対して夫々各 2個の G L Vピクセル（光偏向器） 4 C 41 ' , 4₂ " 〕を対応させる。各 G L Vピクセル 3 ι 、 32 ' 、 33 'に対する各 2 個の G L Vピクセル 4 ι ,、 4₂ ,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 G L Vピクセル（光偏向器） 4 ι , 、 4₂ の偏向角を制御するようになす。このとき、 3つの G L Vピクセル 3 " 〔 3

1 " 、 32 、 33 ,〕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 ¾像不装置ではヽ光変調器ァレィである第 1 の G L Vァレイ 3 [ 3 R 3 G ， 3 B ] 及び光偏向器アレイである第 2の G L Vァレィ 4に、動画テ一タ.の画像信号を供給することによりヽ立体動画像を表示することができ

また、本実施の形態の立体画像表示置では、光変調器アレイである第 1 の G L Vァレィ 3 [ 3 R 3 G ， 3 B ] 及び光偏向器. ァレイである第 2の G L Vアレイ 4 に、静止画テ一タの画像信号

- 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ヽ光変調器ァレィである第 1 の G L Vァレイ 3 [ 3 R ， 3 G , 3 B ] 及び光偏向

1-1 trアレイである第 2 の G L Vァレィ 4に、動画テ一タと静止画デ一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 - とができる o

上述の実の形態に係る立体画像表示装置によれば、光変調器ァレイを回折型 M E M Sである第 1 の G L Vァレィ 3で構成し、光偏向器ァレイを可変、台ヒ

、ラーの機 lbをあたせた第 2 の G L Vァレィ 4で構成することにより、第 1 の G L Vァレィ 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！ [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ノレレンズ 3 5 と、両マイクロレンズ ' アレイ 3 6 、 3 7 によるァフォーカル . レンズ系ど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 G L Vァ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 G L V 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レネルレンズ 3 5 と、微小な散乱粒子 3 8が均一に拡散している散乱体 3 9 とからなる立体像可視スクリーン 9₂ 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 4 1 による立体像可視スクリーン 9₃ 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 4 1 による立体像可視スクリーン 9₃ で構成するときも、装置全体の構成を簡略化レて、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 G L Vアレイ 3 において、 1画素を複数の G L Vピクセル 3 " [ 31 ^、 32 ' , 3 a " ] で構成し、この複数の G L Vピクセル 3 , [ 31 、 32 , 、 33 ' ] で共通の振幅変調を行い、複数の G L Vピクセル 3 , 〔 3 ι ,、 32 ' 、 33 ' ] の中間像を一致ざせるように光偏向器アレイである第 2の G L V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 G L V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查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。

Claims

請求の範囲

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、前記光変調器ァレイが、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查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口レンズ · 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ァレィとからなり、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。