(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像情報を表示する映像情報駆動部からの映像を結像光学系を通して観察者の眼の網膜上に虚像を形成する虚像光学表示装置であって、前記映像情報駆動部からの映像情報を画素単位で偏光方向を可変にする偏光可変手段と、この偏光可変手段からの映像光が入射される偏光ビームスプリッターと、この偏光ビームスプリッターを透過する光路の延長上及び前記偏光ビームスプリッターにより反射される光路の延長上に配置される第１及び第２の光学系と、を備え、前記第１及び第２の光学系は、前記偏光ビームスプリッター側からλ／４位相差板、反射状態と透過状態が切り替え可能な光学素子、曲面形状反射鏡とが配置され、前記偏光可変手段を経た映像光が前記偏光ビームスプリッターで反射または透過され、前記結像光学系に前記偏光ビームスプリッターで反射された映像光または前記偏光ビームスプリッターを透過し、前記切り替え可能な光学素子の状態に応じて前記曲面形状反射鏡へ反射または反射せずに前記偏光ビームスプリッターへ与えられて透過した映像光が与えられることを特徴とした虚像光学表示装置。
【請求項２】
前記切り替え可能な光学素子によって切り替えられる光路の各々が、観察者から見て結像することを特徴とする請求項１に記載の虚像光学表示装置。
【請求項３】
映像情報駆動部からの映像情報を画素単位で偏光方向を可変にする偏光可変手段と、この偏光可変手段からの映像光が入射される偏光ビームスプリッターと、この偏光ビームスプリッターを透過する光路の延長上及び前記偏光ビームスプリッターにより反射される光路の延長上に配置される第１及び第２の光学系と、を備え、前記第１及び第２の光学系は、前記偏光ビームスプリッター側からλ／４位相差板、反射状態と透過状態が切り替え可能な光学素子、曲面形状反射鏡とが配置され、前記偏光可変手段を経た映像光が前記偏光ビームスプリッターで反射または透過され、結像光学系に前記偏光ビームスプリッターで反射された映像光または前記偏光ビームスプリッターを透過し、前記切り替え可能な光学素子の状態に応じて前記曲面形状反射鏡へ反射または反射せずに前記偏光ビームスプリッターへ与えられて透過した映像光が与えられる虚像光学表示装置と、奥行き情報を含んだ３次元の映像情報源と、この映像情報源からの情報に基づき、前記虚像光学表示装置の第１又は第２の光学系の反射状態切り替え可能な光学素子の駆動を制御する手段と、前記映像情報源からの情報に基づき、前記虚像光学表示装置の偏光可変手段の駆動を制御する手段と、を備え、異なる虚像結像面に同一又は異なる映像情報を表示することにより、観察者に前記虚像結像面の間の空間に虚像を認識させることを特徴とする３次元映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、奥行きを持った３次元映像を観察可能な虚像光学表示装置及びそれを用いた３次元映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
眼鏡無しで３次元映像を観察する３次元映像表示装置が色々な方式のものが提案されている。この中で、眼鏡無しで、且つ立体視の生理的要因間での矛盾を抑制できるようにした３次元映像表示装置の一例が特開２０００−１３４６４３号公報（Ｈ０４Ｎ  １３／０４）に開示されている。
【０００３】
図５に従い従来の３次元映像表示装置につき説明する。この装置は、表示対象物体である３次元物体の全体の奥行き位置を、例えば、複数の結像面間で表現するものであり、映像情報源５０６からの映像情報は、偏光可変装置５０５により、画素単位で偏光方向を制御される。そして、偏光可変装置５０５からの出射偏光方向により、偏光型２焦点光学系５０４の二つの結像面、すなわち、第１結像面５０２及び第２結像面５０３に、偏光方向に応じた輝度比で分離し、表示されるように構成されている。
【０００４】
この表示方法によれば、人の生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、画像を実際に表示しているのが結像面（５０２、５０３）であっても、観察者５０１にはあたかもその中間に３次元物体が位置しているように感じられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の技術では、偏光型２焦点光学系５０４を用いることにより、別々の焦点距離にある２つの結像面を表示することが可能であった。しかし、３つ以上の結像面を同時に表示することは不可能であった。
【０００６】
この発明は、上述した従来の問題点に鑑みなされたものにして、より多くの結像面を有する装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、映像情報を表示する映像情報駆動部からの映像を結像光学系を通して観察者の眼の網膜上に虚像を形成する虚像光学表示装置であって、前記映像情報駆動部からの映像情報を画素単位で偏光方向を可変にする偏光可変手段と、この偏光可変手段からの映像光が入射される偏光ビームスプリッターと、この偏光ビームスプリッターを透過する光路の延長上及び前記偏光ビームスプリッターにより反射される光路の延長上に配置される第１及び第２の光学系と、を備え、前記第１及び第２の光学系は、前記偏光ビームスプリッター側からλ／４位相差板、反射状態と透過状態が切り替え可能な光学素子、曲面形状反射鏡とが配置され、前記偏光可変手段を経た映像光が前記偏光ビームスプリッターで反射または透過され、前記結像光学系に前記偏光ビームスプリッターで反射された映像光または前記偏光ビームスプリッターを透過し、前記切り替え可能な光学素子の状態に応じて前記曲面形状反射鏡へ反射または反射せずに前記偏光ビームスプリッターへ与えられて透過した映像光が与えられることを特徴とする。
【０００８】
透過状態と反射状態と反射状態を順次切り替えることで、観察者の眼の網膜上に形成される虚像の奥行きを変更できる。
【０００９】
前記切り替え可能な光学素子によって切り替えられる光路の各々が、観察者から見て結像するように構成する。
【００１０】
上記したように、この発明は、透過状態と反射状態が切り替え可能な光学素子を２つ用いることにより、光路を５通りに可変とすることができ、観察者から見込んだ場合の虚像の見かけの位置を５通りに選択可能とできる。
【００１１】
又、この発明の３次元映像表示装置は、映像情報駆動部からの映像情報を画素単位で偏光方向を可変にする偏光可変手段と、この偏光可変手段からの映像光が入射される偏光ビームスプリッターと、この偏光ビームスプリッターを透過する光路の延長上及び前記偏光ビームスプリッターにより反射される光路の延長上に配置される第１及び第２の光学系と、を備え、前記第１及び第２の光学系は、前記偏光ビームスプリッター側からλ／４位相差板、反射状態と透過状態が切り替え可能な光学素子、曲面形状反射鏡とが配置され、前記偏光可変手段を経た映像光が前記偏光ビームスプリッターで反射または透過され、結像光学系に前記偏光ビームスプリッターで反射された映像光または前記偏光ビームスプリッターを透過し、前記切り替え可能な光学素子の状態に応じて前記曲面形状反射鏡へ反射または反射せずに前記偏光ビームスプリッターへ与えられて透過した映像光が与えられる虚像光学表示装置と、奥行き情報を含んだ３次元の映像情報源と、この映像情報源からの情報に基づき、前記虚像光学表示装置の第１又は第２の光学系の反射状態切り替え可能な光学素子の駆動を制御する手段と、前記映像情報源からの情報に基づき、前記虚像光学表示装置の偏光可変手段の駆動を制御する手段と、を備え、異なる虚像結像面に同一又は異なる映像情報を表示することにより、観察者に前記虚像結像面の間の空間に虚像を認識させることを特徴とする。
【００１２】
上記した３次元映像表示装置の構成によれば、奥行き情報の豊かな３次元虚像を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。図１は、この発明の実施形態における光路部分を中心に示した概略構成図である。
【００１４】
図１において、１０１は観察者の眼、１０２は結像光学系である。１０３は映像情報源であり、透過型又は反射型の液晶パネルとＬＥＤなどの光源により構成された液晶表示装置や、ＥＬ等の自発光型表示装置で構成される。
【００１５】
１０４は映像情報源１０３からの映像情報について画素単位で偏光方向を可変にする偏光可変装置であり、この実施形態では、透過型液晶パネルをこれに用いる。１０５は入射光の偏光方向により、ｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過する性質を有する偏光ビームスプリッターである。１０６及び１０９は第１及び第２のλ／４位相差板である。１０７及び１１０は第１及び第２の曲面形状反射鏡である。１０８及び１１１は入射光の反射、透過を電気的に制御可能である第１及び第２の反射状態切り替え可能光学素子である。ここでは、反射状態切り替え可能光学素子は反射状態となった場合をＯＮ状態、透過状態となった場合をＯＦＦ状態と定義する。
【００１６】
映像情報源１０３からの光情報は、偏光可変装置１０４によって画素単位に偏光方向を制御され、偏光ビームスプリッター１０５に入射する。偏光ビームスプリッター１０５に入射した光の経路は、第１及び第２の反射状態切り替え可能光学素子の状態により、図２に示す状態−光路対応表図に従って変化する。
【００１７】
第１及び第２の曲面形状反射鏡１０７、１１０はそれぞれ正のパワーを持っており、これらを反射する回数が増すほど、虚像光学系全体における収束パワーが大きくなり、観察者３０１から見て、虚像の見かけの位置は遠くに見える。
【００１８】
観察者が見る虚像の見かけの位置の概念図を図３に示す。第１虚像結像面３０２は観察者３０１から見て最も近い場所に結像面を持ち、第２虚像結像面３０３、第３虚像結像面３０４、第４虚像結像面３０５、第５虚像結像面３０６の順で観察者３０１から見て遠い場所に虚像結像面が位置する。
【００１９】
偏光ビームスプリッター１０５に入射した光の経路について、図２を用いて説明する。
【００２０】
偏光ビームスプリッター１０５に入射したｓ偏光は第１及び第２の反射状態切り替え可能光学素子１０８、１１１の状態に関わりなく、偏光ビームスプリッター１０５で反射し、結像光学系１０２を通って観察者の眼に与えられて観察される。このとき、観察者には第１虚像結像面３０２の位置に虚像が観察される。
【００２１】
次に、偏光ビームスプリッターに入射したｐ偏光の経路に関して、例として、図２に示す状態IIの場合について説明する。偏光ビームスプリッター１０５に入射したｐ偏光は、第１反射状態切り替え可能光学素子１０８がＯＮ状態のため反射し、偏光ビームスプリッター１０５に入射する。この光情報は第１λ／４位相差板１０６を往復することにより、ｓ偏光となるため、偏光ビームスプリッター１０５で反射して第２反射状態切り替え可能光学素子１１１に入射する。第２反射状態切り替え可能光学素子１１１がＯＦＦ状態であるため、この光は第２曲面形状反射鏡１１０に入射し、反射する。
【００２２】
以上より、状態IIの場合、観察者は偏光可変装置１０４からｓ偏光として出射した光により、第１虚像結像面３０２に虚像（１）を観察し、偏光可変装置１０４からｐ偏光として出射した光により、第３虚像結像面３０４に虚像（３）を観察する。観察者はこれら２つの虚像（１）（３）を同時に観察することにより、この２つの虚像面の中間の空間に三次元的に映像情報を認識することになる。
【００２３】
同様に、状態Ｉの場合、観察者は第１虚像結像面３０２及び第２虚像結像面３０３に虚像（１）（２）を観察し、状態IIIの場合、観察者は第１虚像結像面３０２及び第四虚像結像面３０５（１）（４）に虚像を観察し、状態IVの場合、観察者は第１虚像結像面３０２及び第５虚像結像面３０６に虚像（１）（５）を観察する。
【００２４】
この発明の３次元映像表示装置は、図２の状態―光路対応表図に示す状態Ｉから状態IVを目の残像時間内で順番に遷移させ、あたかも５つの虚像面が存在しているかのように見せかけるものである。
【００２５】
この発明の回路系のブロック図を図４に示す。図４を用いてこの回路系を説明する。３次元映像情報源４０１は、奥行き情報を含んだ３次元の映像情報源である。そして、３次元映像情報処理回路４０２は、３次元映像情報源４０１からの映像情報に基づいて反射状態切り替え可能光学素子制御回路４０３及び偏光可変装置制御回路４０４及び映像情報源駆動回路４０５を駆動し、制御する。
【００２６】
反射状態切り替え可能光学素子制御回路４０３は、第１反射状態切り替え可能光学素子駆動回路４０６及び第２反射状態切り替え可能光学素子駆動回路４０７に図２に示す状態―光路対応表図に従って、ＯＮ信号又はＯＦＦ信号を与える。
【００２７】
第１又は第２反射状態切り替え可能光学素子駆動回路４０６、４０７は、ＯＮ信号入力時、第１又は第２反射状態切り替え可能表示素子を透過状態とする回路である。そして、偏光可変装置制御回路４０４は３次元映像情報処理回路４０２からの出力に従って、偏光可変装置の偏光状態を画素単位で制御する回路である。映像情報源駆動回路４０５は、映像情報処理回路４０２からの出力に従って、映像情報源を駆動する回路である。
【００２８】
３次元映像情報処理回路４０２は、３次元映像情報源４０１から３次元映像情報に従い、反射状態切り替え可能光学素子制御回路４０３、偏光可変装置制御回路４０４、映像情報源駆動回路４０５を駆動する。これにより、第１又は第２又は第３又は第４又は第５の虚像結像面３０２、３０３、３０４、３０５、３０６に画素ごとに適当な輝度で同一又は異なる映像情報を表示することにより、観察者３０１はこれらの虚像結像面の間の空間に虚像を認識することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、単一の映像情報源を用いて結像面を５つ有する３次元虚像光学系を構成可能である。このため、任意の２つの結像面の中間の空間上の任意の位置に虚像を構成可能となり、より奥行き情報の豊かな三次元虚像を得ることが可能となる。また、単一の映像情報源を用いることにより、低コスト化を実現している。また、駆動部のコンパクト化を実現した構造となっている。
【図面の簡単な説明】
【図1】  この発明の実施形態における光路部分を中心に示した概略構成図である。
【図２】  この発明による状態―光路対応表図である。
【図３】  この発明により観察者が見る虚像の見かけの位置の概念図である。
【図４】  この発明の回路系のブロック図である。
【図５】  従来の従来の３次元映像表示装置を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１０１  観察者
１０２  虚像光学系
１０３  映像情報源
１０４  偏光可変装置
１０５  偏光ビームスプリッター
１０６  第１λ／４板
１０７  第１曲面形状反射鏡
１０８  第１反射状態切り替え可能光学素子
１０９  第２λ／４板
１１０  第２曲面形状反射鏡
１１１  第２反射状態切り替え可能光学素子
３０１  観察者
３０２  第１虚像結像面
３０３  第２虚像結像面
３０４  第３虚像結像面
３０５  第４虚像結像面
３０６  第５虚像結像面
４０１  ３次元映像情報源
４０２  ３次元映像情報処理回路
４０３  反射状態切り替え可能光学素子制御回路
４０４  偏光可変装置制御回路
４０５  映像情報源駆動回路
４０６  第１反射状態切り替え可能光学素子駆動回路
４０７  第２反射状態切り替え可能光学素子駆動回路
５０１  観察者
５０２  第１結像面
５０３  第２結像面
５０４  偏光型２焦点光学系
５０５  偏光可変装置
５０６  映像情報源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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