JPH07146450A - 立体表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 眼鏡無しでかつ立体感を感じる要因の全てを
満たし、電気的に書き換え可能である立体表示装置を提
供すること。 【構成】 点光源１０１及び集光レンズ１０２により並
行光を生成し、該並行光を、回転多角形ミラー１０３に
より反射させて光透過率制御素子１０５に入射し、該入
射光と光透過率制御素子１０５の面とのなす角度を変化
させる。さらに、制御信号発生装置１０６によって回転
多角形ミラー１０３による光走査のタイミングに合わせ
て光透過率制御素子１０５の各画素の光透過率を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気的に光の透過率や
方向を制御することにより動画の立体表示を可能とする
立体表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気的に書き換え可能な動画の立
体表示ができる装置としては、図２に示すような液晶シ
ャッタ眼鏡を用いるものがよく知られている。この方式
の原理について以下に述べる。

【０００３】３次元物体８０１を異なる方向から撮像し
た像、すなわち視差像を２台のカメラ８０２と８０３に
よって撮像する。この２台のカメラ８０２，８０３から
の映像を映像信号変換装置８０４に送り、映像信号変換
装置８０４によってこれらの映像をフィールド毎に交互
に合成してひとつの映像信号とした後、ＣＲＴディスプ
レイ８０５に入力する。

【０００４】観察者１０７は、液晶シャッタ眼鏡８０６
をかけてＣＲＴディスプレイ８０５の映像を観察する。
液晶シャッタ眼鏡８０６は、ＣＲＴディスプレイ８０５
がカメラ８０３の映像を表示している時には右側が透過
状態とされ、左側が非透過状態にされる。ＣＲＴディス
プレイ８０５がカメラ８０２の映像を表示している時に
は、液晶シャッタ眼鏡８０６の左側が透過状態にされ、
右側が非透過状態にされる。このようにすると、目の残
像効果により、あたかも同時に両眼に視差像が見えてい
るように感じる。従って、眼の残像効果による立体視が
可能となる。

【０００５】この方式では、液晶シャッタ眼鏡８０６が
必須であるため、テレビ会議等のように通信を前提とし
た場合には、非常に不自然である。また、自然な立体視
を可能にするためには、両眼視差、両眼の輻輳、眼の焦
点距離調節作用に矛盾がないようにしなければならな
い。しかし、この方式では、輻輳点は画面の前後にある
場合が多いものの、映像はＣＲＴ面上に表示されるため
に、眼の焦点距離調節作用に矛盾が生じ、疲労感を感じ
るという問題点があった。

【０００６】眼鏡がいらない方式として、図３に示すよ
うに、レンティキュラレンズを用いる方式がよく知られ
ている。この方式の原理について以下に述べる。この方
式では、前述した図２の方式と同様に、２台のカメラ８
０２，８０３を用いて物体８０１の視差像を撮像する。
この２台のカメラ８０２，８０３からの映像を映像信号
変換装置８０４を通して、水平方向の１画素毎に交互に
合成してひとつの映像信号とした後、液晶ディスプレイ
等のマトリクス型平面ディスプレイ９０１に入力する。

【０００７】この平面ディスプレイ９０１には、これと
密接してレンティキュラレンズ９０２が配置されてお
り、このレンティキュラレンズ９０２の指向性により、
ある観察位置においては観察者１０７の両眼に視差像が
観察される。従って、両眼視差により立体視が可能とな
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た後者の方式、即ちレンティキュラレンズ９０２を用い
た方式においても、眼の輻輳と眼の焦点距離調節作用に
矛盾が生じるという問題点があった。

【０００９】また、前述した立体感を感じる三つの要因
全てを満たす方式としては、ホログラフィがよく知られ
ているが、ホログラフィは、撮像、表示にコヒーレント
光が必要であり、電気的な書き換えができない等の欠点
があった。

【００１０】本発明の目的は上記の問題点に鑑み、眼鏡
無しでかつ立体感を感じる要因の全てを満たし、電気的
に書き換え可能である立体表示装置を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために、請求項１では、光源と、マトリクス駆動
が可能な複数の画素からなる光透過率制御素子と、前記
光源と光透過率制御素子との間に配備され、前記光源か
ら光透過率制御素子に入射される光の方向を制御する光
偏向素子と、前記光透過率制御素子及び前記光偏向素子
のそれぞれに駆動制御信号を出力する制御信号発生装置
とから構成され、該制御信号発生装置は前記光偏向素子
による光走査のタイミングに合わせて前記光透過率制御
素子の各画素の光透過率を制御する立体表示装置を提案
する。

【００１２】また請求項２では、発光型表示装置と、光
の方向が制御可能な光偏向素子と、該光偏向素子による
光の方向の制御と前記発光型表示装置における画素の発
光の制御を行う制御信号発生装置とから構成され、該制
御信号発生装置は、前記光偏向素子による光走査のタイ
ミングに合わせて前記発光表示装置の画素の発光を制御
する立体表示装置を提案する。

【００１３】

【作用】本発明の請求項１によれば、光源から出射され
た光は、光偏向素子によって光の方向が変化された後、
光透過率制御素子に入射される。さらに、制御信号発生
装置によって、前記光透過率制御素子及び前記光偏向素
子のそれぞれに駆動制御信号が出力されると共に、該制
御信号発生装置により前記光偏向素子による光走査のタ
イミングに合わせて前記光透過率制御素子の各画素の光
透過率が制御され、前記光透過率制御素子の表示を観察
する観察者の眼に入射される光の方向等が変化される。
これにより、前記観察者の眼には、実空間に存在すると
同等の輝点の集合が映し出され、例えば前記光透過率制
御素子に３次元物体を表示すると、該物体の映像が立体
的に再現される。

【００１４】また、請求項３によれば、制御信号発生装
置によって、前記発光型表示装置及び前記光偏向素子の
それぞれに駆動制御信号が出力されると共に、該制御信
号発生装置により前記光偏向素子による光走査のタイミ
ングに合わせて前記発光型表示装置の各画素の発光が制
御され、前記発光型表示装置の表示を観察する観察者の
眼に入射される光の方向等が変化される。これにより、
前記観察者の眼には、実空間に存在すると同等の輝点の
集合が映し出され、例えば前記発光型表示装置に３次元
物体を表示すると、該物体の映像が立体的に再現され
る。

【００１５】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説
明する。図１は、本発明の第１の実施例を示す概略構成
図である。図において、１０１は点光源、１０２は集光
レンズ、１０３は光偏向素子として機能する回転多角形
ミラー、１０４は回転多角形ミラー１０３の駆動装置、
１０５は光透過率制御素子、１０６は制御信号発生装
置、１０７は観察者である。

【００１６】本実施例では、以下、光源に並行光を用い
る場合について説明する。並行光は、キセノンランプの
ように輝点ができるだけ点に近い点光源１０１と、その
焦点距離が輝点からの距離に等しい凸レンズからなる集
光レンズ１０２を組み合わせることによって得ることが
できる。この並行光を、駆動装置１０４によって回転し
ている多角形ミラー１０３で反射させ、その反射光を液
晶ディスプレイ等の光透過率制御素子１０５へと入射さ
せる。

【００１７】光透過率制御素子１０５を通過する光２０
１は、図４に示すように、回転多角形ミラー１０３の回
転に伴い、(a) 、(b) 、(c) という順で光透過率制御素
子１０５と成す角度θが変化する。

【００１８】次に、図５乃至図８に基づいて立体表示の
原理を説明する。光透過率制御素子１０５の画素の内、
図５に示した位置にある画素ＰＣ１〜ＰＣ４に注目す
る。さらに、回転多角形ミラー１０３による光走査に着
目すると、ある時間においてそれぞれの画素ＰＣ１〜Ｐ
Ｃ４を通過して観察者の眼３０５に入射する光線はそれ
ぞれ方向が異なってくる。例えば、観察者の眼３０５に
入射する光線は時間と共に光線３０１，３０２，３０
３，３０４と変わり、各光線３０１〜３０４と光透過率
制御素子１０５との成す角度θが時間と共にθ１→θ２
→θ３→θ４と変化していく。ここで、図６及び図７に
示すように時間ｔ１の時には、画素ＰＣ１だけが透過状
態で、他の画素はすべて非透過状態とされ、光線３０１
のみが観察者の左眼に入射する。同様に時間ｔ２の時に
は画素ＰＣ２のみが透過状態、時間ｔ３の時には画素Ｐ
Ｃ３のみが透過状態、時間ｔ４の時には画素ＰＣ４のみ
が透過状態となり、時間ｔ２〜ｔ４のそれぞれにおいて
は、対応する画素ＰＣ２〜ＰＣ４を通過した光線のみが
観察者の眼３０５に入射することになる。このような各
画素の透過・非透過状態の制御は制御信号発生装置１０
６によって行われる。

【００１９】即ち、液晶ディスプレイ等のマトリクス駆
動が可能な透過率制御素子１０５を駆動するためには、
制御信号発生装置１０６から透過率制御素子１０５に、
水平走査信号と垂直走査信号から成る画像信号を入力す
る。図６にこのような画像信号の例を示す。ここでは、
図５で示した時刻ｔ１からｔ４までをある垂直走査期間
Ｖ１からＶ４に対応させている。また、図５で示した画
素ＰＣ１からＰＣ４を含む１水平走査線を表示する期間
を時間的に拡大したものを図７に示す。図７では、透
過、非透過の二値の場合について示すが、中間レベルの
信号を入力すれば、階調表示が可能なことは明らかであ
る。

【００２０】図５において、画素は観察者に向かって左
から画素ＰＣ２，ＰＣ４，ＰＣ３，ＰＣ１と並んでいる
が、画像信号においても画素に対応する期間は同じ順序
で並んでいるとする。図７において、Ｖ１期間では、画
素ＰＣ１に対応する期間の信号を透過レベルにする。同
様に、Ｖ２期間、Ｖ３期間、Ｖ４期間においては、それ
ぞれ画素ＰＣ２、ＰＣ３、ＰＣ４に対応する信号を透過
レベルにする。このような画像信号を入力することによ
って図５に示したように、観察者の左右の眼３０５のそ
れぞれに入射する光の方向を変化させる制御が可能とな
る。

【００２１】さらに、観察者の眼３０５の残像効果が得
られるような時間内で前述した光走査を行えば、観察者
は図８に示すように、光線３０１〜３０４が同時に到達
したと感じることになる。従って、図中の点Ｐ１と点Ｐ
２に輝点があると感じる。実空間に存在する物体は、こ
のような輝点の集合であるため、全空間にわたる光走査
によって、現実（立体空間）を忠実に再現することがで
きる。

【００２２】前述したようにこの方式においては、ホロ
グラフィと同様に、３次元物体から発した光をそのまま
再現することができる。従って、前述したような立体感
を感じる要因の全てに矛盾を生じることがない。さら
に、光透過率制御素子１０５の各画素の透過率を制御す
ることによって電気的に映像を書き換えることが可能で
あり、動画の表示も可能となる。

【００２３】本実施例では、光源に並行光を用いた場合
について説明したが、点光源を用いても同様に実施でき
ることは言うまでもない。

【００２４】次に、本発明の第２の実施例を説明する。
図９は、本発明の第２の実施例を示す概略構成図であ
る。図において前述した第１の実施例と同一構成部分は
同一符号をもって表しその説明を省略する。また、第２
の実施例においては、第１の実施例で用いた多角形回転
ミラー１０３に代えて、光偏向素子４０１を用いてい
る。このような光偏向素子４０１としては、本出願人が
出願している光学素子（特願平５−１７９５５４号に示
されるような素子）がある。この素子の原理を図１０の
(a)に基づいて説明する。

【００２５】即ち、光偏向素子４０１は、２つの透光性
電極５０１，５０２によって、屈折率可変媒質５０３と
透光性媒質５０４をはさんだ構造をなし、さらに素子内
部では、屈折率可変媒質５０３と透光性媒質５０４が屈
折率の異なる周期的な層構造を形成している。透光性電
極５０１，５０２は、屈折率可変媒質５０３から成る領
域を介してから層構造と接する。このような層構造は、
層間隔が光の波長程度であれば、いわゆるブラッグ回折
の条件により波長選択性を有する鏡面と等価になる。

【００２６】従って、光偏向素子４０１に入射光５０５
を照射すると、該入射光５０５は外界と屈折率可変媒質
５０３の屈折率差により屈折された後、層構造において
屈折率可変媒質５０３と透光性媒質５０４との界面で反
射される。さらに、該反射光は外界との界面において再
び屈折された後、出射光５０６となって外界に出射され
る。これにより、光偏向素子４０１を透過した出射光５
０６が得られる。透光性電極５０１，５０２間に電圧を
印加して屈折率可変媒質５０３の屈折率を変化すると、
層構造への光の入射角度が変わるため、出射光の方向も
変わり、出射光５０７が得られる。また、透光性電極５
０１，５０２間の電圧を連続的に変えることにより、連
続的な光偏向が実現される。

【００２７】こような構造の光偏向素子４０１では、反
射素子の構造、即ち前述した屈折率可変媒質５０３と透
光性媒質５０４との周期的な層構造が簡単なので全体的
な素子の小型化が可能となる。また、機械的部分がなく
なるので、振動等に対する機械的な強度が向上する。こ
のような素子を用いることにより、前述した第１の実施
例で用いた回転多角形ミラー１０３のような機械的な可
動部分を無くすことができ、構造の簡略化並びに信頼性
の向上を図ることができる。

【００２８】また光偏向素子の別な実施例として、図１
０の(b)に示す装置は、例えば透光性電極５１１、５１
２によって、屈折率可変媒質５１３を挟んだ構造をな
し、さらに内部には傾斜した板状の反射体５１４が設け
られている。ここで、透光性電極５１１，５１２は、例
えばＩＴＯ膜やＺｎＯ_X膜などから構成され、反射体５
１４は鏡や全反射材を利用した構成が考えられる。この
ような構成において、透光性電極５１１、５１２間に電
圧を印加して屈折率可変媒質５１３の屈折率を変化させ
ると、外界から屈折率可変媒質５１３に入る入射光５１
５の屈折角が変化して光の屈折する方向が５１６から５
１７へと変化するため、反射体５１４での反射角も変化
し、結果として出射する光の方向を５１８から５１９へ
と変化させることが出来る。

【００２９】次に、図１０の(c)に示す装置は、透光性
電極５２１、５２２によって、屈折率可変媒質５２３と
透光性媒質５２４との層状構造を挟んだ構造をなし、ま
た透光性電極５２２の上側に導波路５２５が設けられて
いる。ここで、透光性電極５２１、５２２は、例えばＩ
ＴＯ膜やＺｎＯ_X膜などから構成され、屈折率可変媒質
５２３は例えば液晶を含む透光媒質や電気光学素子例え
ばＰＬＺＴなどから構成され、透光性媒質５２４はガラ
スや高分子材料などが考えられる。このような構成にお
いて、透光性電極５２１、５２２間に電圧を印加して屈
折率可変媒質５２３の屈折率を変化させると、導波路５
２５中を伝搬している入射光５２６は、屈折率可変媒質
５２３と透光性媒質５２４との層状構造の周期に対応す
る回折光として層状構造の傾きに応じた方向に出射す
る。ここで、回折光の強度は透光性電極５２１、５２２
間に印加する電圧によって変化するため、結果として出
射する光の方向を５２７から５２８へと変化させること
ができる。

【００３０】この他に同様の効果が得られる光偏向装置
としては、鏡をマイクロマシニング技術などを用いて高
集積したものなど多くの装置があることは周知の事実で
ある。

【００３１】次に、本発明の第３の実施例を説明する。
図１１は、本発明の第３の実施例を示す概略構成図であ
る。図において、前述した第２の実施例と同一構成部分
は同一符号をもって表しその説明を省略する。また、第
２の実施例と第３の実施例との相違点は、並行光を得る
光源として、線状の光源と、レンティキュラレンズを組
み合わせた並行光源６０１を用いたことにある。図１２
にこの並行光源６０１の断面を上方から見た図を示す。
図１２において、７０１は面光源、７０２はスリット、
７０３はレンティキュラレンズである。

【００３２】スリット７０２は、レンティキュラレンズ
７０３の間隔に対応した間隔を開けて上下方向に延びる
所定幅の開口部が複数形成されたもので、スリット７０
２はレンティキュラレンズ７０３の焦点距離に配置され
ている。これにより、レンティキュラレンズ７０３へ
は、スリット７０２の各開口部を線光源とする光が入射
され、レンティキュラレンズ７０３からの出射光として
並行光線を得ることができる。この方式においては、光
源（並行光源７０１）から光透過率制御素子１０５まで
の厚さを非常に薄く構成することができる。

【００３３】図１３は本発明の第４の実施例を示す概略
構成図である。この実施例は、光源と光透過率制御素子
との組合わせを発光型表示装置７１０に置き換え、発光
型表示装置７１０と対向して観察者１０７側に光偏向素
子４０１を配置したものである。１０６は制御信号発生
装置で、光偏向素子４０１の光の方向の制御と発光型表
示装置７１０における画素の発光の制御を行う。このよ
うな構成において、光偏向素子４０１による光走査のタ
イミングに合わせて発光型表示装置７１０の画素の発光
を制御すれば、上記実施例と同様に眼の輻輳と眼の焦点
距離調節作用との間に矛盾のない自然な立体表示が可能
となることは明らかである。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１に
よれば、光透過率制御素子に３次元物体を表示すること
により、また請求項２によれば、発光型表示装置に３次
元物体を表示することにより、該物体の映像が立体的に
再現されるので、眼の輻輳と眼の焦点距離調節作用に矛
盾を生じることがなく、眼の疲労感を感じることがな
い。

【００３５】また、テレビ会議等のように通信を前提と
して用いた場合にも不自然さがなく、動画表示も容易に
行うことができ、様々な高臨場感表示システムの構築に
大いに貢献するものである。

【００３６】

【発明の効果】 【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す構成図

【図２】従来例の立体表示装置を示す構成図

【図３】他の従来例の立体表示装置を示す構成図

【図４】本発明の第１の実施例における光透過率制御素
子の透過光の方向を説明する図

【図５】本発明の第１の実施例における立体表示の原理
を説明する図

【図６】本発明の第１の実施例における立体表示の原理
を説明する図

【図７】本発明の第１の実施例における立体表示の原理
を説明する図

【図８】本発明の第１の実施例における立体表示の原理
を説明する図

【図９】本発明の第２の実施例を示す構成図

【図１０】本発明の第２の実施例における光偏向素子を
示す構成図

【図１１】本発明の第３の実施例を示す構成図

【図１２】本発明の第３の実施例における平面型の並行
光源を示す要部構成図

【図１３】本発明の第４の実施例を示す構成図

【符号の説明】

101 …点光源、102 …集光レンズ、103 …回転多角形ミ
ラー、104 …駆動装置、105 …光透過率制御素子、106
…制御信号発生装置、107 …観察者、301 〜304 …光
線、305 …眼、ＰＣ１〜ＰＣ４…画素、Ｐ１，Ｐ２…輝
点、401 …光偏向素子、501,502 …透光性電極、503 …
屈折率可変媒質、504 …透光性物質、505…入射光、50
6,507 …出射光、601 …並行光源、701 …面光源、702
…スリット、703 …レンティキュラレンズ、710 …発光
型表示装置、801…３次元物体、802,803 …カメラ、804
…映像信号変換装置、805 …ＣＲＴディスプレイ、806
…液晶シャッタ眼鏡、901 …マトリクス型平面ディス
プレイ、902 …レンティキュラレンズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊達 宗和 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、マトリクス駆動が可能な複数の
   画素からなる光透過率制御素子と、 前記光源と光透過率制御素子との間に配備され、前記光
   源から光透過率制御素子に入射される光の方向を制御す
   る光偏向素子と、 前記光透過率制御素子及び前記光偏向素子のそれぞれに
   駆動制御信号を出力する制御信号発生装置とから構成さ
   れ、 該制御信号発生装置は前記光偏向素子による光走査のタ
   イミングに合わせて前記光透過率制御素子の各画素の光
   透過率を制御することを特徴とする立体表示装置。
2. 【請求項２】 発光型表示装置と、 光の方向が制御可能な光偏向素子と、 該光偏向素子による光の方向の制御と前記発光型表示装
   置における画素の発光の制御を行う制御信号発生装置と
   から構成され、 該制御信号発生装置は、前記光偏向素子による光走査の
   タイミングに合わせて前記発光表示装置の画素の発光を
   制御することを特徴とする立体表示装置。