WO2007122933A1 - 3次元映像表示装置 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional video display device for stereoscopically displaying video information.
  • Non-patent document 1 describes conventional techniques.
  • FIG. Figure 6 shows the basic configuration of the 3D video display device in the conventional example.
  • the observer wears polarizing filters 12 a and 12 b with different polarization directions in the left and right eyes, and through the half mirror 13, the left screen graphic 14 a and the right screen graphic 14 b are viewed.
  • the polarizing filters 12a and 12b With the polarizing filters 12a and 12b, the left eye sees the image 16a of the vertically polarized light 15a, and the right eye sees the image 16b of the horizontally polarized light 15b, and a stereoscopic effect is produced in the observed image by binocular parallax.
  • Non-Patent Document 1 Edited by the Applied Electronics Handbook Editorial Committee, edited by Kenichi Noda and Takashi Ohkoshi, "Applied Optoelectronics Handbook", first edition published, Shoshodo Co., Ltd. 19 April 10, 1989, p. 861
  • Such a conventional 3D video display device has the following problems. That is, in general, the mechanism of stereoscopic vision (formation of a three-dimensional image of the eye) is based on adjustment (obtaining perspective information of an object from the degree of tension of the ciliary muscle that adjusts the focus of the eye and the muscle surrounding the eyeball) Convergence (obtaining perspective information to the object from the degree of inward eyeball that occurs when both eyes see the same point) and binocular parallax (due to different eye positions on the left and right eye retinas) This is because the learning effect is added to the physiological characteristics of the eye, such as obtaining perspective information from the image difference.
  • the conventional 3D image display device sacrifices the adjustment and convergence of the physiological characteristics of the eye, and can be said to be an unnatural 3D image. For example, even if you move your eyes, the screen does not change (no motion parallax), and the writing effect (the display image looks flat) ) And the miniature garden effect, it is said that eye fatigue is significant.
  • an object of the present invention is to provide a 3D video display device that enables natural 3D video display without sacrificing adjustment and congestion.
  • the 3D image display device of the present invention includes a radiation light source, a hologram, and a transparent body, and a plurality of reflectors arranged at intersections of the three-dimensional lattice are formed inside the transparent body.
  • the light emitted from the radiation light source is incident on the hologram, and the hologram generates a plurality of diffracted lights forming a condensing point in the vicinity of the reflector, and the focused light reflects the reflector to It is radiated to the outside through the emission surface of the transparent body.
  • the transparent body has at least four planes on its surface, of which three surfaces each have a radiation source and a hologram, and the remaining one surface corresponds to the exit surface, and the three radiation sources. Are characterized by emitting red, green and blue light respectively.
  • the transparent body has at least five planes on the surface, of which four have respective radiation sources and holograms, the remaining one corresponds to the exit surface, and the four radiation sources. May be characterized by emitting infrared, red, green and blue light respectively.
  • the transparent body has at least two planes on the surface, the one surface has a radiation source and a hologram, the remaining one surface corresponds to the exit surface, and the radiation source has a predetermined unit time.
  • the hologram has a pattern corresponding to each of the red, green, and blue light emitted from the radiation light source by the input electrical signal. It may be characterized by changing to.
  • the radiation light source emits infrared, red, green, and blue light sequentially every predetermined unit time, and the hologram pattern is emitted from the radiation light source by the input electric signal. It may be characterized by changing to a pattern corresponding to each of infrared, red, green, and blue light.
  • the light incident on the transparent body is linearly polarized light
  • a linear polarizer that shields the linearly polarized light component is formed on the exit surface of the transparent body.
  • a pattern of the hologram is changed by an electric signal input, and a part of the light diffracting the hologram is detected by a photodetector installed on a transparent body surface on the side facing the hologram, Fees are set so that the detection output of the photodetector is constant.
  • the hologram pattern is changed by changing back.
  • the transparent body is formed by stacking a plurality of parallel flat plates each having a micro member placed at a lattice intersection position on the surface with a transparent adhesive layer interposed therebetween. Aiming at the minute member, the fine member and its periphery are heated by irradiating high-concentration energy from the outside of the transparent body, and the minute member component is expanded to expand the minute member. The shape is deformed into a spherical shape. Further, the micro member contains a metal component, and a metal component adheres to the surface of a sphere generated by heating, and the metal component contained in the micro member is Ag or A1.
  • the transparent adhesive layer includes a thermopick pick component that becomes white turbid by heating, and the transparent adhesive layer is parallel to the exit surface of the transparent body.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing an overall configuration of a 3D video display apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of a hologram plate of the 3D image display apparatus.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a method for manufacturing a display body of the 3D video display device.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of a 3D image displayed on the 3D video display device.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an adjustment method of the 3D video display apparatus.
  • FIG. 6 is a principle configuration diagram of a 3D video display device in a conventional example.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing an overall configuration of a 3D video display apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the light 2R emitted from the radiation source 1R such as a semiconductor laser along the + z-axis direction has a polarization state 2r in the y-axis direction, is incident on the hologram plate 3R, and is focused on its hologram surface.
  • the light is diffracted and separated, and each focused light 5R is incident on the rectangular parallelepiped display body 4 in the polarization state 2r, and is focused at different positions inside.
  • light sources 1G, IB such as a semiconductor laser 1G
  • light emitted from the II along the _z, + x, and _y axis directions 2G, 2B (not shown), 21 are y , Y, and z-axis polarization states 2g, 2b (not shown)
  • 2i are incident on the respective hologram plates 3G, 3B (not shown), 31 and are converted into a plurality of focused lights on the hologram surface.
  • the respective focused lights 5G, 5B (not shown) and 51 are incident on the display body 4 and are focused at different positions inside.
  • the radiation light source 1B and the hologram 3B are located on the back side of the display body 4 in FIG. 1, and the radiation light source 1B and the corresponding elements are complicated in the figure, so they are omitted in FIG. ing.
  • the radiation source 1R and the corresponding elements are used as representatives, but the same can be said for other light sources and the corresponding elements.
  • a linear polarizer for aligning the polarization state may be provided in front of the hologram surface or between the hologram surface and the display body 4.
  • the display body 4 is made of a transparent material, and has a spherical shape at the intersection of the three-dimensional lattice.
  • Reflector 6 is carried.
  • the three-dimensional lattice is composed of a pitch px in the X-axis direction, a pitch py in the y-axis direction, and a pitch pz in the z-axis direction, and each pitch is about 100 to 200 / im.
  • the diameters d of the reflectors 6 are about several ⁇ .
  • the focused light 5R is condensed near the surface of the reflector 6 (preferably on the surface close to the exit surface 7s) (the size of the condensed spot is preferably smaller than that of the reflector 6).
  • a linear polarizer 7 is formed on the exit surface 7s of the display body 4, and only the light in the polarization state 8b in the x-axis direction is emitted to the outside. It should be noted that there are components that did not become focused light due to diffraction by the hologram, and light that does not reflect the reflector 6 and reaches the output surface 7s of the display body 4 directly in the focused light.
  • the polarization state 8b is orthogonally polarized light and is cut by the linear polarizer 7, so it does not become stray light.
  • the reflector 6 inside the display body behaves like a light emitting point. Since the reflector 6 is located in a three-dimensional space, the reflected light 8b from the reflector 6 forms a stereoscopic image as a whole. Since the reflector 6 is actually located in a three-dimensional space, the stereoscopic image is a natural three-dimensional image display without sacrificing any adjustment, convergence, or binocular parallax. If the radiant light sources 1R, 1G, and IB are red, green, and blue light sources, respectively, the reflector 6 behaves as a color light-emitting point, and displays the color 3D image by adjusting the amount of each light. Will do.
  • the focused light 5R passes through a number of reflectors 6 before reaching the focusing point.
  • the remaining light quantity ratio 77 is It is given by the equation (however, attenuation due to the reflectance and scattering components of the reflector and the transmittance due to the linear polarizer 7 is ignored).
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of the hologram plate of the three-dimensional image display device according to the embodiment of the present invention.
  • the hologram plate 3 transmits the hologram surface 3a, so that the phase of the light changes according to the position, and the transmitted light is diffracted.
  • the hologram surface 3 a is formed on the surface of the hologram plate 3.
  • the light emitted from the point S is incident on the hologram surface 3a and is collected at n points (PI, P2,..., Pn) spatially scattered in the display body 4 due to diffraction at the hologram surface 3a. Generates diffracted light that shines.
  • a concavo-convex pattern is formed on the hologram surface 3a.
  • This pattern interferes with the light 2 emitted from the point S and the light emitted from the n points (PI, P2, ⁇ , Pn). It matches the pattern (interference pattern) formed by the phase component of the interference light. If the depth of the unevenness can express the phase of the interference light as it is, in the case of an incomplete expression such as a binary power (re, so-called two-level grating) that can completely reproduce the diffracted light that is collected Diffraction efficiency deteriorates (first-order diffracted light is generated in addition to the component that is focused by fiP (first-order diffracted light)).
  • the interference pattern and the hologram pattern re-expressed in binary or n values can be obtained by numerical calculation. If a method of changing the phase of transmitted light according to the position using an active element such as a liquid crystal instead of an uneven surface is used, the pre-calculated result is used to switch the hologram pattern, and the focusing position and its light intensity are changed. Change to time series, 3D table of video An indication can also be made.
  • Each of the n focused lights (5_1, 5_2,..., 5_n) opens the entire light incident area 2a, so its NA (numerical aperture) is large, and the diameter of the focused light is small. The depth of focus also becomes shallow. In addition, all the aberrations associated with the difference in condensing position are eliminated in the numerical calculation of the hologram pattern.
  • every region of the hologram contains all the phase information of the n light beams, and even if a part of the hologram is lost, the amount of light from each focused light is only reduced, and there is a complementary action against light shielding. is there. For example, only the focused light 51 is not lost due to the loss of the hologram.
  • the situation is the same as long as this light shielding body is located away from the focusing point, and the complementary action is maintained.
  • the formation of the focused light by the hologram has a high light collecting performance with no aberration, and has many advantages such as a lack of a condensing point due to a complementary action against light shielding.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a method of manufacturing a display body of the 3D video display device in the embodiment of the present invention.
  • a recess is formed at the lattice intersection position on the surface of the transparent resin substrate 4a whose thickness is accurately controlled, and seed 6s whose weight is accurately controlled is planted in this recess.
  • Species 6s is based on rubber and plastic, contains metal components such as silver (Ag) and aluminum (A1) together with other compounding agents, decomposes when heated, nitrogen gas 'carbon dioxide gas' carbon monoxide, ammonia gas, It has the property of generating hydrogen gas. As shown in Figs.
  • the transparent resin substrate 4a is positioned with good accuracy and overlapped with another transparent resin substrate 4 with an adhesive 4b such as UV curable resin in between.
  • Adhesive 4b is mixed with a thermo-reactive polymer such as thermotropic and has the property of becoming transparent when cooled by heating.
  • the focused laser beam is irradiated from the outside toward the seed 6s on the transparent resin substrate 4a, and the focused laser beam is moved to heat each seed in turn.
  • the heated seed 6s softens the surrounding resin area, while foaming to increase the volume and adjusting the outer shape to a beautiful spherical shape.
  • a vaporized metal component is adhered to form a spherical reflector 6.
  • the adhesive layer 4b is parallel to a plane perpendicular to the y-axis in FIG.
  • Species 6s can be a simple foaming agent or a low melting point metal particle.
  • the reflector 6 is made of spherical bubbles.
  • the reflector is made of a metal sphere. 6 is formed.
  • FIG. 4 shows an explanatory diagram of a three-dimensional image displayed on the three-dimensional video display device in the embodiment of the present invention.
  • the radiation source II is an infrared light source and the light from this light source is turned off, an external observer looks at the display 4 from the y-axis direction.
  • Various stereoscopic images 10a and 10b can be seen.
  • This three-dimensional image can be seen through like a ghost, and even an outline that should be shielded from light in an actual three-dimensional image. This is because, in the case of an actual stereoscopic image, the reflector acts to block the light from the reflector located behind this reflector (negative image elimination), whereas in the stereoscopic image in the embodiment, this light shielding is performed. This is because the action of is extremely small.
  • thermopick pick component contained in 4b becomes cloudy and has a light shielding effect. Therefore, when the light from the radiation source II is condensed near the surface of the stereoscopic images 10a and 10b (the area on the back side as viewed from the observer), the light from the reflector in front is not affected. Only the light from the reflector in the back can be shielded well, and the same 3D image can be realized as shown in Fig. 4 (b).
  • thermo-mouth pick component The thermal reactivity of the thermo-mouth pick component is reversible, and when the light is turned off and cooled, it returns to transparent, so that it is possible to erase the negative image in the stereoscopic image of the moving image in real time. Since the adhesive layer 4b including the thermopick pick component is in a positional relationship perpendicular to the direction of the light 51 from the radiant light source ⁇ ⁇ , it is easy to receive this light and an effective clouding action is performed. Also, since the adhesive layer 4b is perpendicular to the direction of the reflected light 8, it is convenient for erasing the negative image. On the other hand, the adhesive layer 4b is parallel to the direction of the light from the radiation sources 1R, 1G, 1B (5R, 5G, 5B). The area is blocked to the minimum (such as blocking the focused light).
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a method of adjusting the 3D video display apparatus in the embodiment of the present invention.
  • a plurality of focused lights are accurately applied to the reflector 6 inside the display body. It is necessary to irradiate well, and when the position of the light source S or the hologram plate 3 is shifted, the display image becomes unclear. Therefore, a two-divided photodetector is installed at a position around the surface 4a facing the hologram 3 on the surface of the display body, and the positions of the light source S and the hologram plate 3 are adjusted while monitoring the difference signal of the detector.
  • the hologram pattern that generates the diffracted lights 5a, 5b, 5c, and 5d collected at the reference position of the opposing surface 4a is used, and the upper and lower positions from the outputs of the detectors 17a and 17b, the detector 17c. The left and right positions are determined from the output at 17d.
  • the converging position of the diffracted light also moves depending on the wavelength change of the light source. Therefore, the hologram always generates diffracted light 5a, 5b, 5c, 5d that is focused on the reference position of the opposite surface 4a, and monitors the difference signal of the detector, not only during adjustment but also when displaying a stereoscopic image. By feeding back the hologram pattern correction, it is possible to prevent the display image from being deteriorated.
  • the three radiation sources 1R, 1G, and IB are used as the radiation source.
  • the radiation sources 1R, 1G, and IB were used as red, green, and blue light sources, respectively. Not limited to this, it is also possible to combine red, green and blue light sources into one. This is because, as described above, when the radiation source is divided into three power locations, it is desirable that the light condensing positions of the three light beams emitted separately from each other be perfectly matched. There is a possibility that a slight deviation occurs in the light collecting position. Due to this shift of the condensing position, an adverse effect on the generation of a three-dimensional image, such as that the originally intended color is not displayed, can occur.
  • the focus position is prevented from shifting.
  • one radiation source for example, the 1R force red, green and blue light in Fig. 1 should be emitted.
  • the radiation light source 1R may be switched in order at predetermined intervals as red, green, and blue light sources. That is, light may be repeatedly emitted from the radiation source 1R, for example, in the order of red, green, and blue.
  • a pattern corresponding to each of red, green, and blue is prepared in advance for the hologram pattern on the hologram surface 3a on which the light of the light source 1R is incident.
  • a hologram pattern corresponding to each of red, green, and blue is obtained by numerical calculation. Then, in synchronization with the timing at which the light source is switched to red, green, and blue light sources, the corresponding hologram patterns may be switched.
  • the radiation source power is limited to only the locations, so there is a shift in the condensing position compared to the case where red, green, and blue light are emitted separately from the multiple light sources as described above. This can be prevented and a clearer three-dimensional image can be obtained.
  • infrared light as described above may be emitted from the same radiation source. That is, one radiant light source emits red, green, blue, and infrared light in order every predetermined time. Then, in synchronization with the switching timing of the emitted light, the hologram pattern may be switched to a pattern corresponding to red, green, blue, and infrared light.
  • the above-described negative image erasure can be realized while preventing the occurrence of the deviation of the condensing position as described above and further reducing the adverse effect on the generation of the stereoscopic image.
  • the reflector is located in a 3D space, a natural 3D image display can be performed without sacrificing any of adjustment, convergence, and binocular parallax. It can be realized, and the light from the reflector in the back can be well shielded, so that it is possible to display the same stereoscopic image with the shadow image erased. It is useful as a device.

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Abstract

 3次元映像表示装置では目の生理的な特性の内の調節と輻輳を犠牲にしており、不自然な3次元映像といえる。例えば、目を移動させても画面が変化せず、書き割り効果や箱庭効果などの問題もあり、目の疲労が大きいといわれる。  放射光源1R、1G、1Iと、ホログラム3R、3G、3Iと、透明な表示体4からなり、表示体4の内部には立体格子の交点位置に配置された複数の反射体6が形成される。放射光源1R、1G、1Iを出射する光2R、2G、2Iはホログラム3R、3G、3Iに入射し、ホログラム3R、3G、3Iにより反射体6の近傍で集光点を形成する複数の回折集束光5G,5B,5Iを発生させ、回折集束光5G,5B,5Iは反射体6を反射して表示体4の出射面7sを経て外部に放射される。

Description

明 細 書
3次元映像表示装置
技術分野
[0001] 本発明は、映像情報を立体的に表示する 3次元映像表示装置に関するものである 背景技術
[0002] 従来の技術として、例えば非特許文献 1に記載がある。ここでは、この先例に基づき 、図 6を用いて説明する。図 6は従来例に於ける 3次元映像表示装置の原理構成を 示している。図 6に於いて、観察者は左右の目に偏光方向が異なる偏光フィルター 1 2a、 12bを掛けており、ハーフミラー 13を通して、左画面の図形 14aと右画面の図形 14bを見ている。偏光フィルター 12a、 12bにより、左目は上下偏光 15aの像 16a、右 目は水平偏光 15bの像 16bを見ることになり、両眼視差により観察像に立体感が生ま れる。
非特許文献 1 :応用エレクトロニクスハンドブック編集委員会編集、野田健一、大越孝 敬監修、「応用光エレクトロニクスハンドブック」、初版 1刷発行、株式会社昭晃堂、 19 89年 4月 10日、 p. 861
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] このような従来の 3次元映像表示装置においては、以下の問題があった。即ち、一 般に立体視(目の 3次元像の形成)のメカニズムは、調節(目の焦点調節をする毛様 体筋肉や眼球を取り巻く筋肉の緊張度合いから物体の遠近情報を得ること)や輻輳( 両眼球が同一点を見る時起こる眼球内向の度合いから、物体までの遠近情報を得る こと)、及び両眼視差(両目の位置が異なることに起因する左右の目の網膜上にでき る像の差異から、物体までの遠近情報を得ること)等の目の生理的な特性に学習効 果が加わるためと考えられる。このうち従来の 3次元映像表示装置では目の生理的な 特性の内の調節と輻輳を犠牲にしており、不自然な 3次元像といえる。例えば、 目を 移動させても画面が変化せず (運動視差なし)、書き割り効果 (表示像が平板的に見 える)や箱庭効果などの問題もあり、 目の疲労が大きいといわれる。
[0004] 本発明はかかる問題点に鑑み、調節、輻輳を犠牲にせず、 自然な 3次元映像の表 示を可能にする 3次元映像表示装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0005] 本発明の 3次元映像表示装置は、放射光源と、ホログラムと、透明体とからなり、前 記透明体の内部には立体格子の交点位置に配置された複数の反射体が形成され、 前記放射光源を出射する光は前記ホログラムに入射し、該ホログラムにより前記反射 体の近傍で集光点を形成する複数の回折光を発生させ、該集束光は前記反射体を 反射して前記透明体の出射面を経て外部に放射されることを特徴とする。
[0006] 前記透明体は少なくとも 4つの平面を表面に持ち、このうち 3面にはそれぞれの放 射光源とホログラムを有し、残りの 1面が前記出射面に対応し、前記 3つの放射光源 はそれぞれ赤、緑、青の光を放射することを特徴とする。または、前記透明体は少な くとも 5つの平面を表面に持ち、このうち 4面にはそれぞれの放射光源とホログラムを 有し、残りの 1面が前記出射面に対応し、前記 4つの放射光源はそれぞれ赤外、赤、 緑、青の光を放射することを特徴としてもよい。
[0007] また、透明体は少なくとも 2つの平面を表面に持ち、当該 1面には放射光源とホログ ラムを有し、残りの 1面が出射面に対応し、放射光源は、所定の単位時間毎に、赤、 緑、青の光を順次放射し、ホログラムは、投入される電気信号により該ホログラムのパ ターンが、放射光源から放射される赤、緑、青の光のそれぞれに応じたパターンに変 ィ匕することを特徴としてもよレ、。更に、放射光源は、所定の単位時間毎に、赤外、赤、 緑、青の光を順次放射し、ホログラムは、投入される電気信号により該ホログラムのパ ターンが、放射光源から放射される赤外、赤、緑、青の光のそれぞれに応じたパター ンに変化することを特徴としてもよい。
[0008] 更に、前記透明体に入射する光は直線偏光であり、透明体の出射面ではこの直線 偏光成分を遮光する直線偏光子が形成されてレ、ることを特徴とし、前記ホログラムは 、投入される電気信号により該ホログラムのパターンが変化することを特徴とし、前記 ホログラムを回折する光の一部は前記ホログラムに対向する側の透明体表面に設置 された光検出器により検出され、前記光検出器の検出出力が一定になるようにフィー ドバックして前記ホログラムのパターンを変化させることを特徴とする。
[0009] また、前記透明体は、本発明の 3次元映像表示装置の製造方法は、表面の格子交 点位置に微小部材を坦め込んだ平行平板を、透明接着層を挟んで複数枚重ね合わ せて構成することを特徴とし、前記微小部材を目がけて、透明体外部から高工ネルギ 一の集束光を照射して前記微小部材及びその周辺を加熱し、微小部材成分の膨張 により微小部材形状を球形に変形させることを特徴とする。更に前記微小部材が金 属成分を含み、加熱により生成される球表面に金属成分が付着することを特徴とし、 前記微小部材に含まれる金属成分が Ag又は A1であることを特徴とする。前記透明 接着層には加熱により白濁化するサーモト口ピック成分が含まれることを特徴とし、前 記透明接着層は前記透明体の出射面と平行であることを特徴とする。
発明の効果
[0010] 以上の本発明の 3次元映像表示装置により、反射体が 3次元的な空間に位置する ので、調節、輻輳、両眼視差のいずれも犠牲にすることなぐ 自然な 3次元映像の表 示が実現できる。また奥にある反射体からの光をうまく遮ることができるので、陰像が 消去された、実際と全く同じ立体像の表示を実現できる。
図面の簡単な説明
[0011] [図 1]図 1は、本発明の実施の形態に於ける 3次元映像表示装置の全体構成を示す 概念図である。
[図 2]図 2は、同 3次元映像表示装置のホログラム板の原理説明図である。
[図 3]図 3は、同 3次元映像表示装置の表示体の製造方法を説明する図である。
[図 4]図 4は、同 3次元映像表示装置で表示される 3次元像の説明図である。
[図 5]図 5は、同 3次元映像表示装置の調整方法を説明する図である。
[図 6]図 6は、従来例に於ける 3次元映像表示装置の原理構成図である。
符号の説明
[0012] 1R、 1G、 II 放射光源
2R、 2G、 21 レーザー光
2r、 2g、 2i 偏光方向
3R、 3G、 31 ホログラム板 5G, 5B, 51 回折集束光
6 反射体
7 直線偏光子
7s 出射面
8 反射光
8a, 8b 反射光の偏光状態
発明を実施するための最良の形態
[0013] 以下、本発明の実施の形態による 3次元映像表示装置について図面に基づいて 説明する。
[0014] (実施の形態 1)
図 1は、本発明の実施の形態に於ける 3次元映像表示装置の全体構成を示す概念 図である。図 1において、半導体レーザー等の放射光源 1Rから + z軸方向に沿って 出射する光 2Rは y軸方向の偏光状態 2rをなし、ホログラム板 3Rに入射して、そのホ ログラム面で複数の集束光に回折、分離し、各集束光 5Rは偏光状態 2rのまま直方 体形状の表示体 4に入射し、その内部の異なった位置に集束する。同様に半導体レ 一ザ一等の放射光源 1G、 IB (図示せず)、 IIからそれぞれ _z、 +x、 _y軸方向に 沿って出射する光 2G、 2B (図示せず)、 21はそれぞれ y、 y、 z軸方向の偏光状態 2g 、 2b (図示せず), 2iをなし、それぞれのホログラム板 3G, 3B (図示せず), 31に入射 して、そのホログラム面で複数の集束光に回折、分離し、各集束光 5G, 5B (図示せ ず), 51は表示体 4に入射し、その内部の異なった位置に集束する。
[0015] なお、放射光源 1Bやホログラム 3Bは、図 1に於ける表示体 4の背面側にあり、放射 光源 1Bやそれに対応する要素を図中に表すと複雑になるので図 1では省略してい る。また、以下の説明では放射光源 1Rとそれに対応する要素を代表にとって行うが、 他の光源とそれに対応する要素についても同じことがいえる。放射光源の偏光性能 が十分でない時には、ホログラム面の手前や、ホログラム面と表示体 4の間に偏光状 態を揃えるための直線偏光子を設けても良い。
[0016] 表示体 4は透明材料で形成されており、その内部に立体格子の交差点位置に球状 の反射体 6が坦め込まれている。立体格子は X軸方向のピッチ px、 y軸方向のピッチ py、 z軸方向のピッチ pzで構成され、各ピッチは 100〜200 /i m程度の大きさである 。反射体 6の直径 dは数 μ ΐη程度の大きさに揃っている。集束光 5Rは反射体 6の表 面近傍 (できれば表面の内の出射面 7sに近い側)に集光し (その集光スポットの大き さは反射体 6の大きさより小さいことが好ましい)、これを反射することで、偏光状態 8a 力 Sランダムな反射光 8となり、そのうち _y軸方向に進む成分が表示体 4の出射面 7s ( _y軸方向を向いた面)を経て外部に放射され、この光が観察される。表示体 4の出 射面 7sには直線偏光子 7が形成されており、x軸方向の偏光状態 8bの光のみが外 部に放射されている。なお、ホログラムによる回折で集束光にならなかった成分や、 集束光の中でも反射体 6を反射せずに直接表示体 4の出射面 7sに至る光も存在す るが、これらの光はいずれも偏光状態 8bとは直交した偏光であり、直線偏光子 7によ りカットされるので、迷光とはならない。
[0017] 外部の観察者が y軸方向から表示体 4を眺めると、表示体内部の反射体 6は発光 点の様に振る舞う。反射体 6は 3次元的な空間に位置するので、反射体 6からの反射 光 8bは全体として立体像を形成する。この立体像は、反射体 6が実際に 3次元的な 空間に位置するので、調節、輻輳、両眼視差のいずれも犠牲にすることなく自然な 3 次元映像の表示になっている。放射光源 1R、 1G、 IBをそれぞれ赤、緑、青の光源 とすれば、反射体 6はカラーの発光点として振る舞レ、、それぞれの光量を調節するこ とでカラーの 3次元映像を表示することになる。
[0018] 集束光 5Rはその集束点に至るまでに多数の反射体 6を通過する。例えば、集束点 の一つ手前の反射体 6の影響を考えた場合、集束光の NAを 0. 1としてスポット径は 40 μ mである(ただ'し、 ρζ=200 μ mとする)。反射体 6の直径 d= 5 μ mとすると面積 比で 100 X (5/40Γ2 = 1. 6%が散乱する。最も影響を与える位置の反射体でもこ の程度であり、もっと離れた通過位置にある反射体の影響度は指数関数的に弱まる 。離れた通過位置 (集束光のスポット径が十分大きい領域)での影響の考え方は次の 通りである。
[0019] 集束光 5Rの場合、距離 pz当たりの伝搬で散乱する成分の比率 εは次式で与えら れる。 [0020] ε = π /4 X d"2 / (px X py) (数 1 )
集束光 5Rが距離 aの伝搬を経て反射体に集光し、これを反射して距離 bの伝搬を 経て表示体 4の外部に放射されるとすると、最後まで残っている光量比 77は次式で 与えられる(ただし反射体の反射率や散乱成分、直線偏光子 7による透過率等による 減衰は無視する)。
[0021] 77 = (1 - ε ) ~ (a + b) /pz (数 2)
よって、伝搬距離が長いほど減衰するが、伝搬距離は反射体の位置により一律に 決まっているので、この減衰効果を見込んだホログラムパターン (伝搬距離が大きい ほど光強度を大きくした状態で、 n個の回折集光点を出射する光を、点 Sを出射する 光と干渉させて得られるパターン)を生成すればよレ、。なお、 px=py=pz = 200 x m 、 5 111とすると ε = 0. 000491であり、 a + b = 400mmとすると = 0. 37となり 、光強度の差別化は 3倍程度である。
[0022] 図 2は本発明の実施の形態に於ける 3次元映像表示装置のホログラム板の原理説 明図を示している。ホログラム板 3はホログラム面 3aを透過することで光の位相が位 置に応じて変化し、透過光が回折するものである。図 2では簡単のため、ホログラム 板 3の表面にホログラム面 3aを形成している。点 Sを出射する光はホログラム面 3aに 入射し、ホログラム面 3aでの回折により、表示体 4の中に空間的に散らばった n個の 点(PI , P2, · · ·, Pn)に集光する回折光を発生させる。ホログラム面 3aには凹凸状 のパターンが形成され、このパターン(ホログラムパターン)は点 Sを出射する光 2と n 個の点(PI , P2, · · · , Pn)を出射する光を干渉させ、その干渉光の位相成分がなす パターン (干渉パターン)に一致する。凹凸の深さが干渉光の位相をそのまま表現で きれば、集光する回折光を完全に再現できる力 2値(レ、わゆる 2レベルのグレーティ ング)などの不完全な表現の場合には回折効率は劣化する (fiPち集光する成分(1次 回折光)以外に一 1次回折光等が発生する)。集光点の位置と光強度さえ決まれば、 干渉パターン、及びこれを 2値や n値で再表現したホログラムパターンは数値計算で 求めることができる。凹凸面の代わりに液晶等の能動素子を用いて透過光の位相を 位置に応じて変化させる方式を用いれば、あらかじめ計算した結果を用いてホロダラ ムパターンを切り替え、集光位置とその光強度を時系列に変化させ、動画の 3次元表 示を行うこともできる。
[0023] n個の集束光(5_1、 5_2、 · · ·, 5_n )はどれも光の入射領域 2aの全体を開口とす るのでその NA (開口数)は大きぐ集束光の径は小さく焦点深度も浅くなる。またホロ グラムパターンの数値計算のなかで集光位置の差に伴う収差は全て除去されるので
、全ての集光点で無収差の集光が実現できる。更にホログラムのどの領域も n個の集 束光の位相情報を全て含んでおり、ホログラムの一部が欠損しても各集束光の光量 がー律に減少するだけであり、遮光に対する補完作用がある。例えばホログラムの欠 損により、集束光 51だけが欠損するということはない。また集光点に至るまでに遮光 体 9があり集束光の一部が遮光されても、この遮光体が集束点から離れた位置にある 限り状況は同じであり、補完作用は維持される。多数の集光スポットの形成には単に 光を対物レンズにより集光させ、それをスキャンさせる方法もあるが、十分な NAを確 保するのが難しぐ集光位置により発生する収差 (奥行き方向の差による球面収差、 斜入射によるコマ収差)が除去できない。このように、ホログラムによる集束光の形成 は収差のない高い集光性能を持ち、遮光に対しても補完作用により集光点の欠落が ない等、多くのメリットを有する。
[0024] 図 3は本発明の実施の形態に於ける 3次元映像表示装置の表示体の製造方法を 説明する図である。図 3 (a)に示すように、厚さが精度良く管理された透明樹脂基板 4 aの表面の格子交点位置に窪みを形成し、この窪みに精度良く重量管理された種 6s を植える。種 6sはゴムやプラスチックをベースとし、銀 (Ag)やアルミニウム(A1)等の 金属成分を他の配合剤とともに含み、加熱すると分解し、窒素ガス'炭酸ガス'一酸 化炭素、アンモニアガス、水素ガスなどを発生する性質をもつ。図 3 (b), (c)に示す ように、透明樹脂基板 4aを紫外線硬化樹脂などの接着剤 4bを挟んで、他の透明樹 脂基板 4と精度良く位置合わせして重ね、貼り合わせる。接着剤 4bにはサーモトロピ ック等の熱反応性のポリマーを混入させており、加熱により白濁する力 冷却すると透 明に戻る性質を持つ。接着後、外部から透明樹脂基板 4a上の種 6sを目がけて集束 レーザー光を照射し、集束レーザー光を移動させて一つ一つの種を順に加熱する。 図 3 (d), (e)、(f)に示すように、加熱された種 6sは周りの樹脂領域を軟化させる一 方、発泡して体積を増し、外形形状を綺麗な球形に整えつつ、その表面に加熱によ り蒸気化した金属成分を付着させ、球面の反射体 6を形成する。以上の工程を繰り返 し、透明樹脂基板 4aを順に積層していくことで、本発明の実施の形態に於ける表示 体 4が作製できる。なお、接着層 4bは図 1での y軸に垂直な面に平行である。なお、 種 6sは単なる発泡剤や低融点の金属粒であってもよぐ発泡剤の場合には球形の気 泡でできた反射体 6、金属粒の場合には金属球でできた反射体 6が形成される。
[0025] 図 4は本発明の実施の形態に於ける 3次元映像表示装置で表示される 3次元像の 説明図を示している。図 1に於いて放射光源 IIを赤外光の光源とし、この光源からの 光を消した状態で、外部の観察者が一 y軸方向から表示体 4を眺めると、図 4 (a)の 様な立体像 10a、 10bが見える。この立体像は幽霊のように透けて見え、実際の立体 像では遮光されるはずの輪郭線までも見えてしまう。これは実際の立体像の場合、反 射体がこの反射体よりも奥にある反射体からの光を遮る働き(陰像消去)をするのに 対し、実施の形態での立体像ではこの遮光の作用が極めて小さいためである。
[0026] 次に、放射光源 IIから光を出射させて、所定の位置にある接着層 4bの上に複数の 回折光を集光させると、集束位置での接着層 4bが加熱し、接着層 4bに含まれるサー モト口ピック成分が白濁して遮光作用をなす。従って、放射光源 IIからの光を立体像 10a, 10bの表面の近傍 (観察者から見ての奥側の領域)に集光させると、手前にあ る反射体からの光に影響せずに奥にある反射体からの光だけをうまく遮ることができ 、図 4 (b)の様に実際と同じ立体像を実現できる。サーモト口ピック成分の熱反応性は 可逆的であり、光の照射を止めて冷却すると透明に戻るので、動画の立体像に於け る陰像消去もリアルタイムに実現できる。なお、サーモト口ピック成分を含む接着層 4b は放射光源 Πからの光 51の方向と垂直な位置関係にあるので、この光を受けやすく 、効果的な白濁作用がなされる。また接着層 4bは反射光 8の方向とも垂直な位置関 係にあるので、陰像を消去する上でも都合がいい。反対に接着層 4bは放射光源 1R , 1G, 1Bからの光(5R, 5G, 5B)の方向とは平行な位置関係にあるので、これらの 光はすり抜けやすぐ立体像生成への悪影響(白濁領域が集束光を遮ること等)は最 小限に押さえられている。
[0027] 図 5は本発明の実施の形態に於ける 3次元映像表示装置の調整方法を説明する 図である。本発明の実施の形態では複数の集束光を表示体内部の反射体 6に精度 良く照射する必要がり、光源 Sやホログラム板 3の位置がずれると、表示像が不鮮明 になる。そのため表示体表面の内、ホログラム 3に対向する面 4aの周辺位置に 2分割 の光検出器を設置し、検出器の差信号をモニターしながら、光源 Sやホログラム板 3 の位置調整を行う。この時、対向面 4aの基準位置に集光する回折光 5a、 5b、 5c、 5 dを生成するホログラムパターンを用いることになり、検出器 17a、 17bでの出力より上 下位置、検出器 17c、 17dでの出力より左右位置が決まる。なお、回折光の集光位 置は光源の波長変化によっても移動する。従って調整時だけでなく立体像を表示し ている時にも、ホログラムは対向面 4aの基準位置に集光する回折光 5a、 5b、 5c、 5d を常時生成し、検出器の差信号をモニターして、ホログラムパターンの補正にフィー ドバックすることで、表示像の劣化を防ぐことができる。
なお、上述した実施形態では、図 1で示したように放射光源について、放射光源 1R 、 1G、 IBの 3つを用いるようにしていた。そして、放射光源 1R、 1G、 IBをそれぞれ、 赤、緑、青の光源としていた。これに限らず、赤、緑、青の光源を 1つにまとめても良 レ、。これは、上記のように放射光源を 3力所に分けた場合、これらから個別に発せら れる 3つの光の集光位置としては、完全に一致させることが望ましいのではある力 現 実として、その集光位置に若干のずれが発生する可能性がある。この集光位置のず れにより、本来意図した色が表示されない等の立体像生成への悪影響が発生するこ と力 Sある。そのため、光源を 1力所だけとすることで、集光位置がずれることを防ごうと するものである。すなわち、光の出射箇所を 1力所だけとすることで、集光位置を固定 化しようとするものである。この場合は、 1つの放射光源、例えば図 1の 1R力 赤、緑 、青の光を出射できるようにする。そして、当該放射光源 1Rが、赤、緑、青の光源とし て所定時間毎に順に切り替わるようにすればよい。つまり、放射光源 1Rから、例えば 赤、緑、青の順番で繰り返して光が出射されるようにすればよい。一方、当該光源 1R 力 の光が入射するホログラム面 3aのホログラムパターンについても、赤、緑、青のそ れぞれに応じたパターンを予め用意する。あるいは、液晶などの能動素子をホロダラ ム面 3aに用いる場合であれば、赤、緑、青のそれぞれに応じたホログラムパターンを 数値計算で求めておく。そして、上記光源が赤、緑、青の光源に切り替わるタイミング に同期して、それぞれに対応するホログラムパターンに切り替えるようにすればよい。 これにより、放射光源力^箇所だけになるため、上記のような複数箇所の光源からそ れぞれ赤、緑、青の光を分けて出射する場合に比べ、集光位置にずれが発生するこ とを防ぐことができ、より鮮明な立体像を得ることができる。
[0029] 更に、上述したような赤外光についても、同じ放射光源から出射するようにしてもよ レ、。つまり、 1つの放射光源が、所定時間毎に赤、緑、青、赤外光を順に出射するよう にする。そして、当該出射する光の切り替えのタイミングに同期して、ホログラムバタ ーンを、赤、緑、青、赤外の光に応じたパターンに、切り替えてレ、くようにすればよい 。これにより、上記のように集光位置のずれの発生を防いで、立体像生成への悪影 響を更に低減しつつ、上述したような陰像消去も実現できる。
産業上の利用可能性
[0030] 本発明にかかる 3次元映像表示装置は、反射体が 3次元的な空間に位置するので 、調節、輻輳、両眼視差のいずれも犠牲にすることなく自然な 3次元映像の表示が実 現でき、また奥にある反射体からの光をうまく遮ることができるので、陰像が消去され た、実際と全く同じ立体像の表示を実現できるので、 3次元映像表示の各種機器、装 置等として有用である。

Claims

請求の範囲
[1] 放射光源と、ホログラムと、透明体とからなり、
前記透明体の内部には立体格子の交点位置に配置された複数の反射体が形成さ れ、前記放射光源を出射する光は前記ホログラムに入射し、該ホログラムにより前記 反射体の近傍で集光点を形成する複数の回折光を発生させ、該集束光は前記反射 体を反射して前記透明体の出射面を経て外部に放射されることを特徴とする 3次元 映像表示装置。
[2] 前記透明体は少なくとも 4つの平面を表面に持ち、このうち 3面にはそれぞれの放 射光源とホログラムを有し、残りの 1面が前記出射面に対応し、前記 3つの放射光源 はそれぞれ赤、緑、青の光を放射することを特徴とする請求項 1記載の 3次元映像表 示装置。
[3] 前記透明体は少なくとも 5つの平面を表面に持ち、このうち 4面にはそれぞれの放 射光源とホログラムを有し、残りの 1面が前記出射面に対応し、前記 4つの放射光源 はそれぞれ赤外、赤、緑、青の光を放射することを特徴とする請求項 1記載の 3次元 映像表示装置。
[4] 前記透明体は少なくとも 2つの平面を表面に持ち、当該 1面には放射光源とホログ ラムを有し、残りの 1面が前記出射面に対応し、
前記放射光源は、所定の単位時間毎に、赤、緑、青の光を順次放射し、 前記ホログラムは、前記所定の単位時間毎に、前記放射光源から放射される赤、緑
、青の光のそれぞれに応じたパターンに変化することを特徴とする請求項 1記載の 3 次元映像表示装置。
[5] 前記透明体は少なくとも 2つの平面を表面に持ち、当該 1面には放射光源とホログ ラムを有し、残りの 1面が前記出射面に対応し、
前記放射光源は、所定の単位時間毎に、赤外、赤、緑、青の光を順次放射し、 前記ホログラムは、前記所定の単位時間毎に、前記放射光源から放射される赤外、 赤、緑、青の光のそれぞれに応じたパターンに変化することを特徴とする請求項 1記 載の 3次元映像表示装置。
[6] 前記透明体に入射する光は直線偏光であり、透明体の出射面ではこの直線偏光 成分を遮光する直線偏光子が形成されていることを特徴とする請求項 1から 5のいず れかに記載の 3次元映像表示装置。
[7] 前記ホログラムは、投入される電気信号により該ホログラムのパターンが変化するこ とを特徴とする請求項 1から 6のいずれかに記載の 3次元映像表示装置。
[8] 前記ホログラムを回折する光の一部は前記ホログラムに対向する側の透明体表面 に設置された光検出器により検出され、前記光検出器の検出出力が一定になるよう にフィードバックして前記ホログラムのパターンを変化させることを特徴とする請求項 7 記載の 3次元映像表示装置。
[9] 前記透明体は、表面の格子交点位置に微小部材を埋め込んだ平行平板を、透明 接着層を挟んで複数枚重ね合わせて構成することを特徴とする請求項 1記載の 3次 元映像表示装置。
[10] 前記微小部材を目がけて、透明体外部から高工ネルギ一の集束光を照射して前記 微小部材及びその周辺を加熱し、微小部材成分の膨張により微小部材形状を球形 に変形させることを特徴とする請求項 9記載の 3次元映像表示装置。
[11] 前記微小部材が金属成分を含み、加熱により生成される球表面に金属成分が付着 することを特徴とする請求項 6記載の 3次元映像表示装置。
[12] 前記微小部材に含まれる金属成分が Ag又は A1であることを特徴とする請求項 10 又は 11記載の 3次元映像表示装置。
[13] 前記透明接着層には加熱により白濁化するサーモト口ピック成分が含まれることを 特徴とする請求項 5記載の 3次元映像表示装置。
[14] 前記透明接着層は前記透明体の出射面と平行であることを特徴とする請求項 9又 は 13記載の 3次元映像表示装置。
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