(57)【要約】  光路長調整装置（５３）は、２つの光学素子の間の物理的な経路長の電気光学的制御を可能にするものであり、規定の画像ボリューム内に虚像を発生する三次元表示装置内の光路長の調整に使用するのに適している。この調整装置は、入力光路と出力光路との間の光路長を変化させるものであり、光路に沿って交互に配された複数の第１の光学素子（６１）および複数の第２の光学素子であって、上記各第１の光学素子が、当該各第１の光学素子を通過する光ビームの偏光状態を決定し、上記各第２の光学素子が、当該各第２の光学素子に入射する光ビームを、入射光ビームの選択された偏光状態に依存して、選択的に透過又は反射する、複数の第１の光学素子および複数の第２の光学素子を有している。入力ビームが上記光路を進むときの上記光路長は、入力ビームの反射を生じさせる特定の第２の光学素子を選択することによって、変更することができ、上記反射した入力ビームは上記出力光路に現れる。
2007529028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光路と出力光路との間の光路長を変化させる光路長調整装置であって、
前記光路長調整装置は、
光路に沿って交互に配された複数の第１の光学素子および複数の第２の光学素子であって、前記各第１の光学素子が、当該各第１の光学素子を通過する光ビームの偏光状態を決定し、前記各第２の光学素子が、当該各第２の光学素子に入射する光ビームを、入射した光ビームの選択された偏光状態に依存して、選択的に透過又は反射する、複数の第１の光学素子および複数の第２の光学素子を有し、
入力ビームが前記光路を進むときの前記光路長は、入力ビームの反射を生じさせる特定の第２の光学素子を選択することによって、変更することができ、前記反射した入力ビームは前記出力光路に現れる、光路長調整装置。
【請求項２】
前記光路長調製装置は、各隣接する第１の光学素子と第２の光学素子との間に間隔を有している、請求項１の光路長調整装置。
【請求項３】
複数の前記間隔は、前記光路に必要な前記光路長に依存して、異なる厚さを有する、請求項２に記載の光路長調整装置。
【請求項４】
複数の前記間隔は、スペース媒体によって占められている、請求項２又は３に記載の光路長調整装置。
【請求項５】
複数の前記スペース媒体は、前記光路に必要な前記光路長に依存して、異なる屈折率を有する、請求項４に記載の光路長調整装置。
【請求項６】
複数の前記スペース媒体はガラス基板を有する、請求項４又は５に記載の光路長調整装置。
【請求項７】
前記複数の第１の光学素子および前記複数の第２の光学素子は、積層されたスタック構造に配されている、請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載の光路長調整装置。
【請求項８】
前記第１の光学素子は、前記第１の光学素子を通過する光ビームの偏光状態を変化させることができる偏光スイッチを有する、請求項１又は７に記載の光路長調整装置。
【請求項９】
前記偏光スイッチはガラス基板によって支持されている、請求項８に記載の光路長調整装置。
【請求項１０】
前記偏光スイッチは液晶セルである、請求項８に記載の光路長調整装置。
【請求項１１】
前記第２の光学素子はワイヤグリッド偏光子を有する、請求項１又は８に記載の光路長調整装置。
【請求項１２】
前記ワイヤグリッド偏光子はガラス基板によって支持されている、請求項１１に記載の光路長調整装置。
【請求項１３】
前記第２の光学素子はコレステリック偏光子を有する、請求項１又は８に記載の光路長調整装置。
【請求項１４】
前記コレステリック偏光子はガラス基板に支持されている、請求項１３に記載の光路長調整装置。
【請求項１５】
連続するワイヤグリッド偏光子は平行な面を有するように構成されるとともに、前記連続するワイヤグリッド偏光子は、ワイヤの方向が、すぐ前のワイヤグリッド偏光子のワイヤの方向に直交するように構成される、請求項１１又は１２に記載の光路長調整装置。
【請求項１６】
前記入力ビームは、前記スタック構造の表面層を通じて前記スタック構造に入射し、
前記表面層は、前記第１の光学素子である、請求項７に記載の光路長調整装置。
【請求項１７】
前記スタック構造は、反射性のみを有するベース層を備えている、請求項１６に記載の光路長調整装置。
【請求項１８】
前記ベース層は平面鏡である、請求項１７に記載の光路長調整装置。
【請求項１９】
前記表面層を通じて出力ビームが前記スタック構造を出射し、前記出力ビームは、選択された第２の光学素子又は前記ベース層での反射から生じる、請求項１７に記載の光路長調整装置。
【請求項２０】
連続して続く第２の光学素子の間の間隔が、前記光路の可能な光路長を決定する、請求項１に記載の光路長調整装置。
【請求項２１】
請求項１〜２０のうちのいずれか一項に記載の光路長調整装置と同一構造の少なくとも一つの他の光路調整装置にカスケード構造で結合された請求項１〜２０のうちのいずれか一項に記載の光路長調整装置であって、
第１の光路長調整装置の出力光路が、次の前記他の光路長調整装置の入力光路を形成する、請求項１〜２０のうちのいずれか一項に記載の光路長調整装置。
【請求項２２】
三次元ボリュメトリック画像を生成する表示装置であって、
前記表示装置は、
二次元画像を生成する二次元画像表示パネル、
前記二次元画像を画像ボリュームの虚像に投影する第１の合焦素子、および
前記画像ボリューム内の前記虚像の位置が変化するように前記二次元画像表示パネルと前記投影する第１の合焦素子との間の有効光路長を変化させる手段であって、請求項１〜１９のうちのいずれか一項に記載の光路長調整装置を有する有効光路長を変化させる手段、
を有する、表示装置。
【請求項２３】
光路長調整装置の入力光路と出力光路との間の光路長を変化させる方法であって、
前記方法は、
光の入力ビームを前記入力光路に供給し、光路に沿って交互に配された複数の第１の光学素子および複数の第２の光学素子に前記入力ビームを伝えるステップ、
前記入力ビームが通過する各第１の光学素子における前記入力ビームの偏光状態を決定するステップ、および
前記入力ビームが入射する各第２の光学素子において、前記入射した入力ビームの選択された偏光状態に依存して、前記入力ビームを透過又は反射するステップ、
を有し、
前記入力ビームが前記光路を進むときの前記光路長は、前記入力ビームの反射を生じさせる特定の第２の光学素子を選択することによって、変更することができ、前記反射した入力ビームは前記出力光路に現れる、方法。
【請求項２４】
前記決定するステップは、前記入力ビームの偏光状態を、好ましい偏光状態が選択されるように変化させる又は維持する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記入力ビームの偏光状態は、前記第１の光学素子の偏光スイッチが或る偏光状態から別の偏光状態に切り替わることによって、変化する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記入力ビームが入射する各第２の光学素子に対して、好ましい偏光状態は、各特定の第２の光学素子が透過又は反射を行う偏光状態に対応するように、選択される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２の光学素子はワイヤグリッド偏光子を有しており、前記好ましい偏光状態は、前記入力ビームを反射する場合はワイヤの方向に平行になるように選択され、前記入力ビームを透過する場合はワイヤの方向に直交になるように選択される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
連続する第２の光学素子は、前記ワイヤグリッド偏光子のワイヤの方向がすぐ前のワイヤグリッド偏光子のワイヤの方向に直交するように配される、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記光路長は、少なくとも、前記入力ビームを透過する第２の光学素子の数と、第２の光学素子の間の間隔と、に依存する、請求項２３〜２８のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記複数の第１の光学素子と前記複数の第２の光学素子とを交互に配するステップが、積層されたスタック構造を作り、
前記スタック構造は、第１の光学素子に対応する表面層と、反射のみを行うベース層と、を有する、請求項２３〜２９のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記交互に配するステップは、複数の層が互いに接触するように前記複数の層を配する、又は前記複数の層を間隔をあけて保持する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記光路長は、少なくとも、前記入力ビームを反射するために選択される前記特定の第２の光学素子を有する前記スタック構造の中の層の位置に依存する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記複数の第２の光学素子の各々が前記入力ビームを透過する場合、前記入力ビームは前記ベース層で反射する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記出力光路からの光を下流の光路長調整装置の入力光路に伝えるステップと、前記光路長を調整するステップを繰り返すステップと、を更に有する、請求項２３〜３３のうちのいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記各光路長調整装置内において異なる光路長を選択するステップを更に有する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
三次元ボリュメトリック画像を生成する方法であって、
前記方法は、
二次元画像表示パネルに二次元画像を生成するステップ、
第１の合焦素子で前記二次元画像を画像ボリューム内の虚像に投影するステップ、および
請求項３１〜３３のうちのいずれか一項に記載の方法によって、前記画像ボリューム内の前記虚像の位置が変わるように、前記二次元画像表示パネルと前記投影する第１の合焦素子との間の光路長を変更するステップ、
を有する方法。
【請求項３７】
添付図面の図６〜図９を基準にして明細書に実質的に記載された光路長調整装置。
【請求項３８】
添付図面の図６〜図９を基準にして明細書に実質的に記載された、光路長調整装置の入力光路と出力光路との間の光路長を変化させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの光学素子の間の光路長を調整する方法および装置に関する。特に、専らではないが、本発明は、規定された画像ボリューム内に虚像を発生させる三次元表示装置内の光路長の調整に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元画像は幾つかの方法により作ることができる。例えば、立体ディスプレイでは、観察者の左目および右目の各々で一意的に観察可能な２つの画像を同時に又は時間多重化して示すことができる。この２つの画像は、観察者が着用している特別なめがね又はゴーグルによって選択される。前者の場合、めがねにポラロイドレンズが備えられる。後者の場合、めがねに電子制御型シャッターが備えられる。これらの型式のディスプレイは、比較的構成しやすく、データ転送速度が低い。しかし、特別な観察用めがねを使用するのは不便であり、運動視差がないと、観察者に不快感を与える。
【０００３】
より現実感のある三次元は、自動立体ディスプレイを用いて作ることができる。この型式のディスプレイでは、どの画素も異なるビュー方向に異なる強度の光を放出する。ビュー方向の数は、観察者の左目および右目の各々が異なる画像を見るように、十分に大きくなければならない。この型式のディスプレイは現実感のある運動視差を示し、観察者の頭が動くと、それに応じてビューが変化する。
【０００４】
この型式のディスプレイの大部分は、実際には、実現するのは技術的に困難である。文献で幾つか提案を見つけることができる（例えば、ＵＳ５，９６９，８５０号参照）これらのディスプレイの利点は、たくさんの観察者が、例えば、特別な観察用めがねがなくても一つの３Ｄテレビディスプレイを見ることができ、各観察者は、視差および遠近感を含んだ現実感のある三次元画像を見ることができることである。
【０００５】
別の型式の３Ｄディスプレイは、http://www.cs.berkley.edu/jfc/MURI/LC-displayに記載されているボリュメトリック・ディスプレイである。ボリュメトリック・ディスプレイでは、画像表示ボリュームの中の点が光を発する。このようにして、三次元物体の画像を作ることができる。この技術の不利なことは閉鎖性、即ち、他の物体で隠される点の光を遮ることができないことである。表示されるあらゆる物体は透明である。原理的には、この問題は、ビデオ処理と、おそらく観察者の頭又は目の位置の追跡と、によって、克服することができる。
【０００６】
ボリュメトリックディスプレイの既知の実施例は図１に示されている。ディスプレイは、２つのレーザ１１、１２（又は、これより多いレーザ）が走査している透明結晶１０からなる。レーザビーム１３、１４の交差部の位置１５において、低いエネルギーの複数の光子の吸収によって高いエネルギーでの光子放出が発生するアップコンバーションにより（即ち、結合したレーザビームから）光１６が発生し得る。このタイプのディスプレイは高価且つ複雑である。特別な結晶１０と２つの走査レーザ１１、１２が必要である。加えて、アップコンバージョンはあまり効率的な処理ではない。
【０００７】
ボリュメトリックディスプレイ２０の別の実施例が図２に示されている。この装置には、ポリマー分散型液晶（ＰＤＬＣ）又は液晶ゲル（ＬＣゲル）などの、透明と拡散との間で切り替ることができる材料が使用されている。三次元グリッドボリューム２１では、セル２２を、これらの２つの状態の間で切り替ることができる。典型的には、ボリューム２１は一方向から照射される。図面において、照射源２３はグリッドボリュームの下に位置している。セル２２が拡散状態に切り替えられると、光２４は全方向に散乱する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の１つの目的は、先行技術の装置に関する問題の一部又は全部を克服するボリュメトリック三次元画像表示装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の別の目的は、ボリュメトリック三次元画像表示装置内の２つの光学素子の間の光路長を調整するのに適した装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、入力光路と出力光路との間の光路長を変化させる光路長調整装置を提供することにある。
【００１１】
本明細書に記載された本発明の実施例によって、これらの目的の一部又は全部を達成することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一態様によれば、本発明は、入力光路と出力光路との間の光路長を変化させる光路長調整装置を提供する。上記光路長調整装置は、光路に沿って交互に配された複数の第１の光学素子および複数の第２の光学素子であって、上記各第１の光学素子が、当該各第１の光学素子を通過する光ビームの偏光状態を決定し、上記各第２の光学素子が、当該各第２の光学素子に入射する光ビームを、入射した光ビームの選択された偏光状態に依存して、選択的に透過又は反射する、複数の第１の光学素子および複数の第２の光学素子を有し、入力ビームが上記光路を進むときの上記光路長は、入力ビームの反射を生じさせる特定の第２の光学素子を選択することによって、変更することができ、上記反射した入力ビームは上記出力光路に現れる。
【００１３】
別の態様によれば、本発明は、三次元ボリュメトリック画像を生成する表示装置を提供する。上記表示装置は、
二次元画像を生成する二次元画像表示パネル、
上記二次元画像を画像ボリュームの虚像に投影する第１の合焦素子、および
上記画像ボリューム内の上記虚像の位置が変化するように上記二次元画像表示パネルと上記投影する第１の合焦素子との間の有効光路長を変化させる手段であって、上記の光路長調整装置を有する有効光路長を変化させる手段、を有する。
【００１４】
別の態様によれば、本発明は、光路長調整装置の入力光路と出力光路との間の光路長を変化させる方法を提供する。上記方法は、
光の入力ビームを上記入力光路に供給し、光路に沿って交互に配された複数の第１の光学素子および複数の第２の光学素子に上記入力ビームを伝えるステップ、
上記入力ビームが通過する各第１の光学素子における上記入力ビームの偏光状態を決定するステップ、および
上記入力ビームが入射する各第２の光学素子において、上記入射した入力ビームの選択された偏光状態に依存して、上記入力ビームを透過又は反射するステップ、
を有し、
上記入力ビームが上記光路を進むときの上記光路長は、上記入力ビームの反射を生じさせる特定の第２の光学素子を選択することによって、変更することができ、上記反射した入力ビームは上記出力光路に現れる。
【００１５】
別の態様によれば、本発明は、三次元ボリュメトリック画像を生成する方法を提供する。上記方法は、
二次元画像表示パネルに二次元画像を生成するステップ、
第１の合焦素子で上記二次元画像を画像ボリューム内の虚像に投影するステップ、および
上記の光路長調整方法によって、上記画像ボリューム内の上記虚像の位置が変わるように、上記二次元画像表示パネルと上記投影する第１の合焦素子との間の光路長を変更するステップ、を有する。
【００１６】
本発明の実施例は、例として、添付図面を基準にして記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図３ａおよび図３ｂは、三次元画像表示装置で使用される一部の基本原理を示す。図３ａでは、小さい表示パネル３１に対して相対的に大きい表示パネル３１の虚像３０がフレネルミラー３２によって与えられている。図３ｂでは、小さい表示パネル３６に対して相対的に大きい表示パネル３６の虚像３５がフレネルレンズ３７によって与えられている。虚像３０又は３５は、レンズの前の空気中に現れる。観察者は画像３０又は３５に焦点をあわせることができ、虚像が空気中に「浮いている」ことを観察する。
【００１８】
図４ａおよび図４ｂは、図３ａおよび図３ｂの構造の修正例を示す。図４ａに示すように、表示パネル４１とフレネルミラー４２との間の有効光路長は、適切な有効光路長調整器４３を備えることによって変化する。同様に、図４ｂに示すように、表示パネル４６とフレネルレンズ４７との間の有効光路長は、適切な有効光路長調整器４８を備えることによって変化する。
【００１９】
先行技術の構造では、有効光路長調整器４３、４８は、屈折力可変レンズであり、別の構造では、有効光路長調整器は、一つ以上の光学素子の物理的な移動によって２つ以上の光路の間で切替えをする機械的駆動装置である。
【００２０】
しかし、本発明は、２つ以上の光路を電気光学的に切り替えることに合わせられており、これによって多数の可動部品が不要になる。
【００２１】
一般的には、ミラー４２又はレンズ４７を、表示パネル４１、４６の二次元画像を画像ボリューム４４又は４９内の虚像４０又は４５へと投影する任意の光学合焦素子に取り替えてもよい、言い換えると、ミラー４２又はレンズ４７をこのような光学合焦素子で実現してもよい、ことに注意すべきである。ミラー４２又はレンズ４７は、平面状の表示パネルが画像ボリュームの中の単一の面内に結像されるように、１つの焦点距離を有する１つの光学合焦素子又は複合光学合焦素子であることが好ましい。
【００２２】
図５は、図４の原理に従った表示装置５０の基本部分を示す。二次元表示装置又は「ライトエンジン」５１は、像面５５に結像するための照明源を備えている。光は入力光路５２に沿って光路長調整器５３に進み、光路長調整器５３から、出力光路５４を介して合焦素子５７（例えば、ミラー４２又はレンズ４７）へと進み、合焦素子５７が二次元画像を像面５５に投影する。
【００２３】
光路長調整器５３の動作によって、像面５５の深さ位置が、矢印５８で示されているように移動する。光路長は、定期的に、３Ｄ画像表示フレーム周波数に調整されることが好ましい。典型的には、この周波数は５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであろう。図４に戻る。３Ｄ画像フレーム期間（例えば、１／５０秒）の間に、表示パネル４１又は４６の虚像が画像ボリューム４４又は４９を満たす。同じフレーム期間内に、表示パネルは投影される画像が変化するように駆動し、このため、画像ボリューム４４又は４９内の異なる深さにおいて別の虚像を受け取る。
【００２４】
好ましい態様では、光路長調整器５３が、実質的に平面状の二次元表示パネルの実質的に平面状の虚像を、画像ボリューム４４又は４９の中において３Ｄフレームレートで周期的に掃引するのが有効であることが理解されるであろう。２Ｄ画像表示パネルは、この３Ｄフレーム期間内に、３Ｄフレームレートよりかなり大きい２Ｄフレームレートで、連続した２Ｄ画像を表示する。
【００２５】
したがって、画像ボリューム４０、４５内の異なる面４０ａ、４０ｂ又は４５ａ、４５ｂでは、任意の物体の三次元画像が構成できるように異なる画像が得られる。
【００２６】
二次元表示パネルは、二次元画像を作る任意の適切な表示装置とすることができる。例えば、二次元表示パネルを、デジタルマイクロミラー装置（ＤＭＤ）に基づいた投射型ディスプレイ又はポリＬＥＤディスプレイとすることができる。
【００２７】
表示パネルは、例えば１／５０秒の１フレーム時間内に複数の２Ｄ画像を発生させることが可能なくらいに十分に高速であることが好ましい。例えば、商業的に利用可能なＤＭＤは、１０，０００フレーム／秒の速度に到達できる。色彩効果およびグレースケール効果を作るのに２４枚の二次元フレームが使用され、５０Ｈｚの３Ｄ画像リフレッシュレートが必要な場合、画像ボリューム４４，４９に異なる８個の像面４０ａ、４０ｂ、４５ａ、４５ｂを作ることが可能である。
【００２８】
図６および図７を参照すると、本発明の好ましい構成による光路長調整器５３が示されている。光路長調整器５３は、偏光スイッチ６１と、反射偏光子６２と、を基礎にしている。
【００２９】
好ましい構造では、偏光スイッチ６１および反射偏光子６２が交互に配され、層状に積み重ねられたスタック６０が形成される。スタック６０内の各反射偏光子６２ごとに、一つの偏光スイッチ６１が存在していることが好ましい。本明細書において、「偏光スイッチ」という表現は、特定の偏光状態を出力として選択する任意の適切なデバイス、例えば、オンおよびオフに切り替えることができる偏光回転子、を包含するものとして使用されている。偏光スイッチ６１は、ツイステッドネマティック９０°構造の単一セル液晶パネル、又は高速のスイッチング速度が可能な強誘電性効果セルとすることができる。偏光スイッチ６１は、一般的に、印加された電界によって、２つの可能な偏光状態のうちの一方の状態の偏光光学出力を提供する。
【００３０】
本明細書において、「反射偏光子」という表現は、或る偏光を透過し他の（直交）偏光を反射する任意の適切なデバイスを包含するものとして使用されている。反射偏光子の例には、コレステリック偏光子、ワイヤグリッド偏光子、および３Ｍ（www.3m.com）によって製造されるVikuiti（登録商標）などのＲＤＦ（reflective display film）が含まれるが、これらに限定されるものではない。コレステリック偏光子は、円偏光用に使用され、後の２つは直線偏光用に使用される。
【００３１】
好ましい構造では、反射偏光子６２は、ワイヤーグリッド偏光子６２ａ、６２ｂ、６３ｃである。ワイヤーグリッド偏光子６２ａ、６２ｂ、６３ｃは以前から電磁スペクトルのマイクロ波領域で使用されているが、最近は、可視領域用のワイヤグリッド偏光子６２ａ、６２ｂ、６３ｃがMoxtekという会社（http://www.moxtek.com）によって商用的に導入されている。ワイヤーグリッド偏光子６２ａ、６２ｂ、６３ｃの背後にある理論は、電磁誘導と電磁波の干渉とに基づいており、以下のように要約される。
【００３２】
このワイヤーグリッドの機能は、互いに平行なワイヤーに入射する光ビームであって、これらワイヤーの方向に対して直交の偏光状態を有する光ビームが、グリッドを透過できるようにすることである。これが生じるのは、これらワイヤーに対して直交の光ビームの電界がこれらワイヤーに大きな電流を発生させることができないからである。しかし、これらワイヤーの方向に平行な偏光状態の入射光ビームは、これらワイヤにかなりの電流を発生させて、前方方向と後方方向との両方に光が放射されるようにこれらワイヤーの中の電子を励起させることができる。前方に放射された光は、前方に移動する光を相殺し、後方に放射された光は反射波として現れる。
【００３３】
好ましい構造では、ワイヤグリッド偏光子６２ａ、６２ｂ、６３ｃは、平行な面を有するとともに、これらワイヤの方向が直前のワイヤグリッド偏光子（例えば、６２ａおよび６２ｂ）のワイヤーの方向に対し直交するように、スタック６０に配される。
【００３４】
あるいは、他の好ましい構造では、ワイヤグリッド偏光子６２ａ、６２ｂ、６３ｃは、これらワイヤーの方向が直前のワイヤーグリッド偏光子の方向と平行になるように、スタック６０に配される。
【００３５】
スイッチ６１および６２は、安定性と支持のため、好ましくは透明基板６３に設けることができ、スイッチ／基板の組合せ６１、６３は或る種類の層を形成し、偏光子／基板６２，６３は別の種類の層を形成する。基板６３は、熱膨張係数が低く硬質で透明である適切な材料とすることができ、ガラスおよびパースペックスが含まれるが、これに限られない。好ましくは、スタック６０の２種類の層を、隣りの層に接触させてもよく、又は間を置いて離して、介在媒体（空気、真空、又は透明媒体などであるが、これらに限定されるものではない）によって分離させてもよい。
【００３６】
固まると（即ち、乾燥すると）透明になる適切な接着剤又は結合剤を使用して、スタック６０の層を接着してもよい。あるいは、スタックのこれらの層をしっかりと永久に又は取外し可能に固定するように動作する適切な機械的デバイスによって、これらの層を一緒に保持してもよい。
【００３７】
反射偏光子６２が反射膜である構造では、この反射膜は、典型的には、偏光子をスタック６０の基板６３に簡単に接着できるようにする接着層を含んだものである。
【００３８】
好ましい構造では、スタック６０が取り扱いやすくなるとともに層が分離したスタックよりも強度であるという理由から、スタック６０は互いに接着された層を用いて構成される。更に、層が接着されたスタックは単一デバイスとして製造できるので、スタックの製造が容易である。以下、「スタック」は、層が接着されたスタックの構造と、層が分離したスタックの構造と、の両方に言及するのに使用されるが、好適な構造は、層が接着されているスタック６０であることを理解すべきである。
【００３９】
スタック６０は、好ましくは偏光スイッチを有する表面層を有している。光は、表面層を通じてスタック６０に入る光路５２に沿ってスタック６０に入射する。スタック６０の最下層は、入射光を常に反射するように作用するベース層である。好ましくは、この最下層は平面鏡であるが、あるいは、この最下層の入射光の偏光状態が常に反射が起きるように選ばれているのであれば、反射偏光子６２であってもよい。
【００４０】
図７を参照すると、スタック６０内の可能な光路が示されているスタックの一例の構造の概略図が示されている。この構造では、ワイヤーグリッド偏光子６２ａ、６２ｂ、６２ｃは、ワイヤー方向が交互に直交するように配されている。例として、図７ａにおいて、光路５２上の、例えば偏光状態Ｓ（入力光路上に円で示されており、この円は、光の電界ベクトルがこの図７ａのページ面に垂直であることを示している）の偏光入力ビームから説明を開始する。偏光スイッチ６１ａによって、入力ビームの偏光状態を決定する、即ち、必要な偏光が選択されるように偏光状態を変化する又は維持する、ことが可能である。図７ａでは、液晶セルはオフに切り替えられており、したがって、入力ビームはセルを通過した後も偏光状態Ｓを維持する。ワイヤグリッド偏光子６２ａは、図示されているページ面に対しワイヤが垂直方向に延在するように配されている。
【００４１】
それ故に、入力ビームがワイヤの方向にＳ偏光しているので、ワイヤグリッド偏光子６２ａは反射体として作用し、したがって、入力ビームはワイヤーグリッド偏光子６２ａで反射し、出力光路５４ａ上に現れる。この例では、入射ビームの偏光状態はワイヤーグリッド偏光子６２ａのワイヤーの方向に一致するように選択されており、これによって、このワイヤグリッド偏光子６２ａは反射層になる。
【００４２】
図７ｂでは、第１の偏光スイッチ６１ａがオンに切り替えられると、Ｓ偏光入力ビームはＰ偏光に変換されてセル６１ａを通過する（Ｐ偏光は、入力経路上に短い平行マークで示されおり、このマークは、光の電界ベクトルが図７ｂのページ面内に存在していることを示している）。ワイヤーグリッド偏光子６２ａは、前述のようにワイヤがページ面に垂直になるように配されているので、Ｐ偏光はワイヤーグリッド偏光子６２ａを透過する。第２の液晶セル６１ｂがオフに切り替えられるので、透過ビームの偏光状態が維持される。透過ビームはセル６１ｂを通過し、スタック６０の第２のワイヤーグリッド偏光子６２ｂに入射する。しかし、ワイヤグリッド偏光子は、次のワイヤーグリッド偏光子が直前のワイヤーグリッド偏光子に対して直交するように配されているので、この例での透過光ビームの偏光状態はワイヤに平行である。
【００４３】
それ故に、第２のワイヤグリッド偏光子６２ｂは反射体として作用し、したがって透過ビームは第２のワイヤグリッド偏光子６２ｂから反射し、層６１ｂ、６２ａ、６１ａを通過し、出力光路５４ｂ上に現れる。この例では、透過ビームの偏光状態は第２のワイヤーグリッド偏光子６２ｂのワイヤの方向と一致するように選択されており、これによって、このワイヤグリッド偏光子６２ｂは反射層になる。明らかに、この場合、入力光ビームはスタック６０をもっと長い深さｄ１まで進み、これによって、入力光路５２と出力光路５４ｂとの間の光路長は、第１の例に比べて約２ｄ１だけ変化する。
【００４４】
図７ｃでは、この例は、第１のワイヤーグリッド偏光子６２ａを透過するＰ偏光ビームが第２の液晶セル６１ｂに入射するところまでは図７ｂと同じである。ここでは、第２の液層セル６１ｂはオンに切り替えられ、したがって、透過ビームの偏光状態はＰ偏光からＳ偏光に変化する。第２のワイヤーグリッド偏光子６２ｂは入射Ｓ偏光が透過するように配されており、したがって、Ｓ偏光ビームは第２のワイヤグリッド偏光子６２ｂを通過する。第３の液晶セル６１ｃはオフに切り替えられており、したがって、Ｓ偏光透過ビームがセル６１ｃを通過すると、このビームの偏光状態は維持される。しかし、第３のワイヤーグリッド偏光子６２ｃは、ワイヤが図示されているページに対し垂直方向に延在するように配されており、したがって透過光ビームの偏光状態はワイヤ方向に平行である。
【００４５】
それ故に、第３のワイヤグリッド偏光子６２ｃは反射体として作用し、したがって透過ビームはこの第３のワイヤグリッド偏光子６２ｃで反射し、層６１ｃ、６２ｂ、６１ｂ、６２ａ、６１ａを通過し、出力光路５４ｃに現れる。この例では、透過ビームの偏光状態は第３のワイヤーグリッド偏光子６２ｃのワイヤの方向に一致するように選択されており、これによって、このワイヤグリッド偏光子６２ｃは反射層になる。この例では、入力光ビームはスタックを深さｄ１＋ｄ２のところまで横切り、これによって、入力光路５２と出力光路５４との間の有効光路長は、約２（ｄ１＋ｄ２）だけ変化し、これは、第２の例の光路長よりも更に長い。
【００４６】
距離ｄだけ間隔を空けて離れている２つの層の間を通過するときの入力光ビームが進む距離は、そのビームの入射角にいくぶん依存することが理解されるだろう。垂直入射の場合だけ、進む距離はちょうどｄに等しい。斜めの入射角に対しては、進む距離はｄより大きい。それ故に、反射が生じる先の例では、入力光路５２と出力光路５４との間の有効光路長は、垂直入射では２（ｄ１＋ｄ２）に等しく、入射角が増加すると、２（ｄ１＋ｄ２）よりも大きいであろう。
【００４７】
ワイヤーグリッド偏光子６２ａ、６２ｂ、６２ｃのワイヤの方向が、直前のワイヤグリッド偏光子のワイヤの方向に平行に配される場合、それに応じて、偏光スイッチ６１ａ、６１ｂ、６１ｃの動作も適合させなければならない。いずれにしても、偏光スイッチ６１ａ、６１ｂ、６１ｃの機能は、ワイヤの方向に依存してビームが透過する又は反射するように、個々のワイヤグリッド偏光子に入射するビームの偏光状態を選択することである。
【００４８】
スタック６０の反射偏光子がコレステリック偏光子である構造では、偏光スイッチ６１ａ、６１ｂ、６１ｃが１８０度リタデーションを備えることで、対応する偏光スイッチ層における光ビームの旋光性は変化し、偏光スイッチ６１ａ、６１ｂ、６１ｃが０度リタデーションを備えることで、対応する偏光スイッチ層における光ビームの旋光性は変化しない。
【００４９】
入力光ビームがスタック６０の他の層を連続して透過することが可能となる結果、入力光路５２と出力光路５４との間の有効光路長を増加させることができる。有効光路長は、単に、スタック６０内において、特定の反射偏光子６２からの反射が生じる所望の深さを選択することによって、変更することができる。このこと全てが、可動部分がなくても達成できる。
【００５０】
スタック６０内での利用可能な光路の長さは、偏光スイッチ６１および反射偏光子６２を支持する基板６３の厚さを選択することによって予め選択できることが理解されるだろう。好ましい構造では、これら基板６３の厚さは同じでもよく、あるは異なっていてもよい。それ故に、厚さが同じ層又は厚さが異なる層の特定の組合せを好適に選択することによって、スタック６０内において複数の有効光路長が利用可能である。スタック６０の性質と反射偏光子６２の動作とによって、各反射偏光子６２ａ、６２ｂ、６２ｃに対して１つの出力光路５４ａ、５４ｂ、５４ｃが存在する。各連続する反射偏光子６２ａ、６２ｂ、６２ｃは、対応する出力光路５４ａ、５４ｂ、５４ｃを生じさせており、これら出力光路５４ａ、５４ｂ、５４ｃは、横方向にずれており、他の反射偏光子６２ａ、６２ｂ、６２ｃの出力光路５４ａ、５４ｂ、５４ｃに平行である。しかし、この条件は、出力経路が一致する入射ビームの垂直入射には当てはまらない。
【００５１】
他の好ましい構造では、スタック６０内の利用可能な光路の長さを、基板６３の屈折率を選択することによって予め選択することができる。基板６３の屈折率は、好ましくは全ての基板６３で同じとすることができ、又は基板６３ごとに異なるようにすることができる。特定の基板６３に対して特定の屈折率を選ぶことによって、入力光ビームは、同じ厚さであるが屈折率が異なる別の基板６３に比べて、当該特定の基板６３を長い光路で横切るように屈折することができる。
【００５２】
好ましい構造では、スタック６０の各反射偏光子６２がそれに入射する光を透過する場合、言い換えれば、どの反射偏光子６２も入射光を反射しないように選択される場合、ベース層は常に入射光を受け取ることが理解されるだろう。
【００５３】
図７の例の調整器によれば、ボリュメトリック表示装置５０に３つの像面５５を作ることができる。スタック６０の連続する各反射偏光子６２によって、追加の像面を作ることが好ましい。
【００５４】
図８に示すように、カスケード構造の２つ以上の調整器５３によって、他の像面５５を作ることができる。これは、表面層が対向する２つのスタック６０ａ、６０ｂを有するカスケード構造の好ましい一例である。１番目のスタックの反射偏光子と２番目のスタックの反射偏光子との特定の組合せを選択することによって、カスケード構造の中に複数の有効光路長を選択することができる。図示されている例では、１番目のスタック６０ａの第３の反射偏光子６２ｃと２番目のスタック６０ｂの第１の反射偏光子６２ｄとの各々で反射するように選択することによって、このカスケード構造の中の多くの光路のうちの１つの光路が規定される。入力ビームがカスケード構造を進むときに入力ビームに必要な偏光状態を選択することによって、入力ビームは、選択された層で反射し、図示されているように所望の光路に沿って進むことができる。このような方法で任意の数の調整器５３をカスケード接続して、他の有効光路長を得ることができ、他の像面５５が得られることが理解されるだろう。
【００５５】
カスケード構造のスタック６０ａ、６０ｂは、層の数、基板の厚さ、および屈折率に関して同一である必要はないことが理解されるだろう。
【００５６】
有効光路が異なると、偏光スイッチ６１および／又は反射偏光子６２の吸収係数に起因して、輝度差が生じるかもしれない。この吸収は、例えば、ライトエンジンディスプレイ５１に供給されるビデオ信号を使用することにより電子的に補正されるライトエンジンディスプレイ５１の強度によって、補償することができる。
【００５７】
図９において、本明細書に記載されている光路長調整器を用いたボリュメトリック画像表示装置の全体の概略図が、コントロールシステムとともに示されている。２Ｄ表示パネル４６と合焦素子４７との間に介在している光路長調整器１２０（例えば、先に記載した光路長調整器５３）は、光路長制御回路７３によって制御される。光路長制御回路は、偏光スイッチ（例えば６１ａ、６１ｂ、６１ｃ）の各々に、電気駆動信号を供給する。ディスプレイドライバ７２は、画像発生器７１から２Ｄフレーム画像データを受け取る。２Ｄ画像の連続表示は、同期回路７４を介した光路長制御器の動作によって同期が取られる。
【００５８】
本明細書に記載されている光路長調整器の主に重要な用途は、ボリュメトリック三次元画像表示装置の用途であるが、光路長調整器は、２つの光学素子の間の光路長の電気光学的切替えを容易に行うことが必要とされている又は望まれている他の光学機器および光学装置に使用できることが認識されるであろう。光路長は偏光スイッチの各々への電気制御信号によって変化させることができるので、斯かる構造によって、可動部品の必要性が回避される。
【００５９】
他の実施例は、添付された特許請求の範囲内に意図的に含まれている。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】２つの走査レーザとアップコンバージョン結晶に基づくボリュメトリック・ディスプレイの概略斜視図を示す。
【図２】ポリマー分散型液晶又は液晶ゲルによる切替可能なセルに基づくボリュメトリック・ディスプレイの概略斜視図を示す。
【図３ａ】本発明を有益に配することができるボリュメトリック三次元画像表示装置の原理を説明するのに有用な概略図である。
【図３ｂ】本発明を有益に配することができるボリュメトリック三次元画像表示装置の原理を説明するのに有用な概略図である。
【図４ａ】表示パネルと本発明による光路長調整器とを有するボリュメトリック三次元画像表示装置を示す概略図である。
【図４ｂ】表示パネルと本発明による光路長調整器とを有するボリュメトリック三次元画像表示装置を示す概略図である。
【図５】表示パネルと合焦素子との間に光路長調整器を使用したボリュメトリック三次元画像表示装置の概略図である。
【図６】本発明による光路長調整器の概略斜視図を示す。
【図７ａ】図６の光路長調整器の光路を示す概略図である。
【図７ｂ】図６の光路長調整器の別の光路を示す概略図である。
【図７ｃ】図６の光路長調整器の更に別の光路を示す概略図である。
【図８】図６の光路長調整器を複数組み合わせたものが配されたカスケード型光路長調整器の概略図である。
【図９】図５の表示装置の制御システムの概略機能ブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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