(57)【要約】  ３次元表示装置は、第１画像を表示する２次元表示装置と、２次元表示装置からの光を受光して第２画像を形成する可変フォーカスレンズとを備えている。可変フォーカスレンズは、２次元表示装置からの光を反射する。第１画像は、単位時間内に表示される予め定められた数の第１奥行き画像を含み、第２画像は、対応する第２奥行き画像を含んでいる。各奥行き画像は、第１画像における同じ画像奥行きを有する第１画像を表し、２次元表示装置は、一度に一つの奥行き画像を表示する。可変フォーカスレンズの焦点距離は、表示される奥行き画像の奥行きに応じて調整される。可変フォーカスレンズとしては、マイクロミラーアレイレンズが用いられる。マイクロミラーアレイレンズは、現実の３次元表示の実現に要求される焦点距離の調整速度、集光できる画像奥行きの範囲を有している。
2007522526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１画像を表示する２次元表示装置と、
上記２次元表示装置からの光を受光し第２画像を形成する可変フォーカスレンズとを含み、
上記第１画像は、単位時間内で表示される予め定められた奥行きの複数の第１奥行き画像を含み、
上記第２画像は対応する第２奥行き画像を含み、
上記各第１奥行き画像は、上記第１画像の同じ画像奥行きを有する部分を表し、
上記２次元表示装置は、一度に一つの第１奥行き画像を表示し、
上記可変フォーカスレンズの焦点距離は、表示される第１奥行き画像の奥行きに応じて調整され、上記可変フォーカスレンズのフォーカス速度は、少なくとも人間の目の残像速度と奥行き距離の数との積に等しく、
上記可変フォーカスレンズは２次元表示装置からの光を反射することを特徴とする３次元表示装置。
【請求項２】
上記可変フォーカスレンズは、マイクロミラーアレイレンズからなることを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
【請求項３】
上記可変フォーカスレンズは、反射フレネルレンズであることを特徴とする請求項２に記載の３次元表示装置。
【請求項４】
上記マイクロミラーアレイレンズが複数のマイクロミラーを含み、各マイクロミラーを制御することにより、可変フォーカスレンズの焦点距離を調整することを特徴とする請求項２に記載の３次元表示装置。
【請求項５】
上記マイクロミラーは、平面に配置さていることを特徴とする請求項４に記載の３次元表示装置。
【請求項６】
上記マイクロミラーは、一つまたは複数の同心円を形成するように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の３次元表示装置。
【請求項７】
上記各マイクロミラーの並進動作（translational motion）が制御されることを特徴とする請求項４に記載の３次元表示装置。
【請求項８】
上記各マイクロミラーの回転動作が制御されることを特徴とする請求項４に記載の３次元表示装置。
【請求項９】
上記各マイクロミラーの回転動作および並進動作が制御されることを特徴とする請求項４に記載の３次元表示装置。
【請求項１０】
２次元表示装置と可変フォーカスレンズとの間の光路に配置されたビームスプリッタをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
【請求項１１】
上記可変フォーカスレンズが、該可変フォーカスレンズによって反射された光の光路が、上記２次元表示装置によって塞がれない位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
【請求項１２】
予め定められた焦点距離を有する補助レンズをさらに含み、上記第２画像が、上記可変フォーカスレンズと該補助レンズとによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
【請求項１３】
第２画像を表示するためのスクリーンをさらに含み、上記補助レンズが、該スクリーンのサイズを拡大することを特徴とする請求項１２に記載の３次元表示装置。
【請求項１４】
上記可変フォーカスレンジの焦点距離が固定に制御されることを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
【請求項１５】
対象物の画像が、該対象物の奥行きに沿った複数の断面画像に分割され、各断面画像は、該断面画像の奥行きに焦点が合されることにより、上記複数の断面画像がフォーカスされて形成される画像が、ビューアには、３次元画像に見えるように表示する３次元表示装置であって、
予め定められた奥行きの複数の第１画像を表示する２次元表示装置と、
上記２次元表示装置からの光を受光し、第２画像を形成する可変フォーカスレンズとを含み、
上記マイクロミラーアレイレンズのフォーカス速度は、少なくとも、画像の奥行きと、人間の残像持続時間との積に等しく、上記マイクロミラーアレイレンズは上記２次元表示装置からの光を反射することを特徴とする３次元表示装置。
【請求項１６】
上記可変フォーカスレンズがマイクロミラーアレイレンズからなり、上記マイクロミラーアレイレンズが複数多数のマイクロミラーを含み、各マイクロミラーを制御することのよって、上記可変フォーカスレンズの焦点距離を変更することを特徴とする請求項１５に記載の３次元表示装置。
【請求項１７】
上記可変フォーカスレンズが反射フレネルレンズであることを特徴とする請求項１６に記載の３次元表示装置。
【請求項１８】
２次元の第１奥行き画像を表示するステップと、
表示された上記第１奥行き画像からの光を受光し、該第１奥行き画像の奥行きに応じて光の焦点を合せることにより第２奥行き画像を表示するステップと、
上記２つのステップを単位時間内に予め定められた数の第１奥行き画像を表示するまで繰り返すステップとを含み、
上記予め定められた数の第１奥行き画像は、第１画像を形成し、各第１奥行き画像は同じ画像奥行きを有する第１の画像の位置を表し、上記第２奥行き画像を表示するステップにおける上記フォーカス速度は、少なくとも人間の目の残像速度と奥行きの数との積に等しくなるように設定されており、上記第２奥行き画像を表示するステップでは、表示された上記第１奥行き画像から受光した光が反射されることを特徴とする３次元表示方法。
【請求項１９】
上記第２奥行き画像を表示するステップが、上記マイクロミラーアレイレンズを使って行われることを特徴とする請求項１８に記載の３次元表示方法。
【請求項２０】
複数の画素を有する２次元表示装置と、
複数の可変フォーカスレンズとを含み、
上記複数の可変フォーカスレンズは、それぞれ上記複数の画素のそれぞれに対応するように設けられており、
上記各可変フォーカスレンズのフォーカス速度が、少なくとも、画像の奥行きと、人間の残像速度との積に等しくなるように設定されており、
上記各可変フォーカスレンズが上記２次元表示装置からの光を反射し、上記各マイクロミラーアレイレンズの焦点距離が、各画素により表示された画像の奥行きに応じて変化することを特徴とするボリュメトリック３次元表示装置。
【請求項２１】
上記各可変フォーカスレンズがマイクロミラーアレイレンズからなることを特徴とする請求項２０に記載の３次元表示装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、３次元表示方法および３次元表示装置に関するものであり、特に、２次元表示と併用する可変フォーカスレンズを用いた３次元表示方法および３次元表示装置に関するものである。
【０００２】
従来の３次元表示の最も一般的な方法は両眼変位現象（binocular parallax phenomenon）を用いる方法である。この方法では、各片眼が、異なった角度で測定した二つの画像の内の一つの画像を見るときに、人間の脳が３次元画像を知覚する原理を利用するものである。この方法は、実際には３次元画像を空間に形成せずに、ビューアの両眼の変位を利用している。従って、この方法は、適切な３次元表示を実現するためには、ビューアを任意の位置に配置すること、遠距離を見たときの両眼間の偏差による不均衡、輻輳、眼精疲労の蓄積、適応能力、複数のビューアによる観察、ビューアの動きによる３次元画像の相対的な位置の変更などを含む様々な要因を考慮しなければならないというデメリットがある。
【０００３】
一方、ホログラフィーによる３次元表示方法では、実際に空間に画像を形成する。ホログラフィーは、その技術の複雑さと高い製造費用とのために、非常に限られた分野における３次元画像表示に用いられていた。
【０００４】
米国特許第４８３４５１２号（Austin）は、２次元表示装置、流体を充填した可変フォーカスレンズ、および上記表示装置と上記レンズとを制御する制御部を備えた３次元表示装置を開示している。２次元表示装置は、異なる奥行きにおける対象物の断面の２次元画像を規則的に連続して表示するように構成されている。また、流体を充填した可変フォーカスレンズは、２次元表示装置の前面に配置され、該レンズの内側には流体の圧力に反応する薄膜が形成されている。しかしながら、上記Austin特許の表示装置は、流体を充填したレンズのフォーカス合わせ速度が遅いというデメリットがあり、上記表示装置は実際の３次元画像を表示することに適していない。
【０００５】
また、米国特許番号第５９８６８１１号（Wohlstadter）は、複数の像点を有する２次元画像から３次元画像を形成する画像形成方法および画像形成システムを開示している。上記画像形成システムは、可変フォーカスレンズを有するマイクロレンズアレイ、および上記２次元表示装置の上記複数の像点に配置するようにマイクロレンズの支持する手段とを備えている。
【０００６】
眼精疲労、複数のビューアによる観察、３次元画像とビューアとの間の相対距離の実用性、２次元／３次元の適合性、転用性、ＨＤＴＶと同等あるいはそれ以上の色表現と解像度、低コスト化および無意味なテータ量の増加に関する種々の需要を満たすことができる新規な３次元画像表示方法および装置の開発が長い間求められてきた。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものである。
【０００８】
本発明の目的は、簡単な構造で、現実的な画像表示機能を備えた３次元表示装置を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、一群の奥行き画像を利用する３次元表示装置および方法を提供することである。
【００１０】
本発明のさらに他の目的は、広範囲の奥行き画像を表示することができる３次元表示装置を提供することである。
【００１１】
本発明のさらに他の目的は、大画像表示ができる３次元表示装置を提供することである。
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の実施形態に係る３次元表示装置は、第１画像を表示する２次元表示装置と、上記２次元表示装置からの光を受光し第２画像を形成する可変フォーカスレンズとを備えている。上記第１画像は、単位時間内で表示される予め定められた奥行きの複数の第１奥行き画像を含み、上記第２画像は対応する第２奥行き画像を含んでいる。上記各第１奥行き画像は、上記第１画像の同じ画像奥行きを有する部分を表し、上記２次元表示装置は、一度に一つの第１奥行き画像に表示する。上記可変フォーカスレンズの焦点距離は、表示される第１奥行き画像の奥行きに応じて調整され、上記可変フォーカスレンズのフォーカス速度は、少なくとも奥行きの数と平均的な人間の目の残像持続時間(persistence rate (afterimage speed))との積に等しくなるように設定されており、上記第２画像が、ビューアには、３次元画像に見えるように構成している。また、上記可変フォーカスレンズは、２次元表示装置からの光を反射する。
【００１３】
上記可変フォーカスレンズはマイクロミラーアレイレンズから構成されている。マイクロミラーアレイレンズは、複数のマイクロミラーを含んでいる。上記複数のマイクロミラーは、平面に一つまたは複数の同心円を形成するように配置されている。また、各マイクロミラーアレイレンズとしては、反射フレネルレンズ（Fresnel lens）を用いることができる。各マイクロミラーは、その並進動作（translational motion）および回転動作のうちの少なくとも１つの動作制御されるように構成されている。また、上記マイクロミラーは、一つまたは複数の同心円を形成するように配置されている。
【００１４】
マイクロミラーアレイレンズは、高速でフォーカス変更でき、広範囲にわたる焦点距離を有し、レンズの口径が大きいといった利点があるため、本発明の３次元表示装置に適している。
【００１５】
マイクロミラーアレイレンズは、反射性を有しているため、２次元表示装置およびビューアと一直線上に配置することはできない。しかしながら、２次元表示装置と可変フォーカスレンズとの間を通過する光の光路上に、ビームスプリッタを配置することができる。また、可変フォーカスレンズを、その反射光の光路が、２次元表示装置によって塞がれないように配置してもよい。
【００１６】
本発明の３次元表示装置は、さらに、予め定められた焦点距離を有する補助レンズを備えた構成としてもよく、この場合、上記第２画像は、可変フォーカスレンズと補助レンズとによって形成される構成としてもよい。このような補助レンズは、装置の可変焦点距離の範囲を変更あるいは広げることができ、また３次元表示装置のスクリーンのサイズを拡大する機能を有している。
【００１７】
次に、本発明の３次元表示方法について説明する。本発明の３次元表示方法は、２次元の第１奥行き画像を表示するステップと、表示された第１奥行き画像からの光を受光することにより、第２奥行き画像を表示し、第１奥行き画像の奥行きに応じて光の焦点を合せるステップと、上記の２つのステップを、単位時間内に予め定められた数の第１奥行き画像を表示するまで繰り返すステップとを含んでいる。第１奥行き画像は、第１画像を形成し、各第１奥行き画像は、同じ奥行き画像を有する第１画像の位置を表している。表示された第２奥行き画像は、ビューアにとって３次元に見える第２画像を形成する。
【００１８】
第２奥行き画像を表示するステップにおける上記マイクロミラーアレイレンズのフォーカス速度は、少なくとも、画像の奥行きの数と、人間の残像持続時間との積に等しくなるように設定されている。また、第２奥行き画像を表示するステップでは、上記マイクロミラーアレイレンズが上記表示された第１奥行き画像から受光する光は反射される。
【００１９】
上記の第２奥行き画像を表示するステップは、マイクロミラーアレイレンズを用いて行われる。
【００２０】
また、本発明の第２の実施形態係る３次元表示装置では、２次元表示装置は画素を多数備え、上記可変フォーカスレンズは、多数の可変フォーカスレンズを含んでいる。これらの可変フォーカスレンズは、それぞれ上記の画素に対応するように設けられている。各可変フォーカスレンズの焦点距離は、それぞれの画素により表示された画像の画像奥行きに応じて調整される。各可変フォーカスレンズは、マイクロミラーアレイレンズから構成されている。各可変フォーカスレンズのフォーカス速度は、少なくとも人間の目の残像速度に等しく、各可変フォーカスレンズは、２次元表示装置からの光を反射するように構成されている。
【００２１】
上述した２つの実施形態において、各可変フォーカスレンズの焦点距離は、３次元表示装置を２次元表示装置として用いることができ、焦点距離を固定に制御しても良い。このように、可変フォーカスレンズの焦点距離を固定することにより、３次元表示装置を、２次元表示と３次元表示との間で容易にコンバートすることができる。
【００２２】
本発明のメリットは、次に示す（１）〜（３）である。
【００２３】
（１）本発明の３次元表示装置は実際に空間に３次元画像を形成する。このため、ビューアを任意の位置に配置すること、遠距離を見たときの両眼間の偏差による不均衡、輻輳、眼精疲労の蓄積、適応能力、複数のビューアによる観察、ビューアの動きによる３次元画像の相対的な位置の変更などを含む様々な要因を考慮しなければならないといった従来の３次元表示装置におけるデメリットがない。（２）３次元画像データの表示が、２次元画像情報に加えて奥行き情報のみ付加した情報で行なうことができるため、３次元画像を安価に実現できる。（３）上記３次元表示装置は、２次元表示装置に容易にコンバートすることができ、また、２次元表示装置も３次元表示装置に容易にコンバートすることができる。
【００２４】
本発明は、簡潔に要約して説明したが、添付図面、および以下の詳細な説明、および特許請求の範囲の記載によって、本発明を、十分に理解することができるであろう。
【００２５】
本発明のさらに他の目的、特徴、及び優れた点は添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。
【００２６】
図１ａないし図１ｄは、レンズの焦点距離の変化に応じて、画像の奥行きがどのように変化するかを示す概略図である。
【００２７】
図２は、本発明の３次元表示装置の概略構成を示す概略図である。
【００２８】
図３ａないし図３ｃは、奥行き画像の表示および焦点を合せることを示す概略図である。
【００２９】
図４ａおよび図４ｂは、反射フレネルレンズが、いかに普通の単体のレンズにとって代わるかを示す概略図である。
【００３０】
図５ａは、多数のマイクロミラーで構成される可変フォーカスレンズを示す概略平面図である。図５ｂは、図５ａに示すマイクロミラーの詳細を示す拡大平面図である。
【００３１】
図６は、３次元表示装置に搭載されるビームスプリッタと補助レンズとを示す概略図である。
【００３２】
図７は、３次元表示装置に搭載される拡大レンズを示す概略図である。
【００３３】
図８ａは、２次元表示の画素に対応する可変フォーカスレンズを有する３次元表示装置を示す概略図である。図８ｂは、マイクロミラーアレイレンズが、図８ａの３次元表示装置の可変フォーカスレンズとして用いられる概略図である。
【００３４】
図９は、本発明の３次元表示方法を示すフローチャートである。
【００３５】
図１ａないし図１ｄは、レンズにより形成される画像の奥行き、およびレンズの焦点距離に関する基本原理を示している。対象物からの光はレンズを通る時、該対象物とレンズとの間の距離Ｌに応じて収束あるいは発散する。なお、本発明におけるレンズは光を集光させる光学素子を意味するものであり、反射型のレンズに限定されるものではない。
【００３６】
図１ａは、対象物１Ａからの光がレンズ２Ａを通り、異なった角度で分散する状態を示している。図１ｂは、同様に、対象物１Ｂからの光が、上記レンズ２Ａより短い焦点距離を有するレンズ２Ｂを通り、異なった角度で分散する状態を示している。上記レンズ２Ａおよび２Ｂから反射された光は、それぞれ、虚像３Ａおよび３Ｂを形成する。ビューア４が反射された光を見る時、上記ビューアは、点Ｐに置かれ、点Ｑ、Ｑ’に実在する物体１Ａ、１Ｂを知覚する。
【００３７】
図１ｃは、物体１Ｃからの光がレンズ２Ｃを通って収束し、実像３Ｃを形成する状態を示している。図１ｄは、物体１Ｄからの光がレンズ２Ｃより短い焦点距離を有するレンズ２Ｄを通って収束し、実像３Ｄを形成する状態を示している。ビューア４がレンズ２Ｃ、２Ｄを通った物体１Ｃ、１Ｄを見る時、上記ビューアは、対象物１Ｃ、１Ｄを実像３Ｃ、３Ｄとして知覚する。
【００３８】
対象物とレンズとの間の距離Ｌに対し、レンズによって形成された画像の位置は、レンズの焦点距離に応じて変化する。画像の位置はガウスのレンズ公式によって算出される。図１ａおよび図１ｂでは、虚像３Ａがより長い焦点距離を有するレンズ２Ａでビューア４により近い位置に形成されており、虚像３Ｂがより短い焦点距離を有するレンズ２Ｂでビューア４からより遠い位置に形成されている。同様に、図１ｃおよび図１ｄでは、実像３Ｃがより長い焦点距離を有するレンズ２Ｃでビューア４により近い位置に形成されており、実像３Ｄがより短い焦点距離を有するレンズ２Ｄでビューア４からより遠い位置に形成されている。
【００３９】
図１ａないし図１ｄから明らかなように、レンズの焦点距離に応じて虚像あるいは実像の位置が変化する。ここで、上記焦点距離が連続的に変化するため、上記虚像の形成位置も、連続的に変化する。
【００４０】
図２は、本発明の第１の実施形態にかかる３次元表示装置１００の概略構成を示している。３次元表示装置１００は、第１画像６を表示する２次元表示装置１０をと、可変フォーカスレンズ７とを備えている。第３次元表示装置１００は、上記２次元表示装置１０からの光を受光し、第２画像５を形成するように構成されている。また、可変フォーカスレンズ７の焦点距離を調整し、３次元表示装置１００のビューア８に、第２画像５が３次元画像として表示させている。
【００４１】
上記３次元画像は、可変フォーカスレンズ７を用いて、空間に、対応する奥行きの２次元の奥行き画像を表示することによって形成される。２次元表示装置１０は、与えられたモーメントあるいはフレームに対し、同じ奥行きで表示すべき画素のみ表示し、可変フォーカスレンズ７は、空間中の所望の位置に奥行き画像を形成するために、その焦点距離が調整される。
【００４２】
図３ａないし図３ｃに示すように、第１画像６は、単位時間内で表示され、予め定められた奥行きの複数の第１奥行き画像９Ａ、９Ｂ、９Ｃを含んでいる。一方、第２画像５は、対応する第２奥行き画像１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを含んでいる。第１奥行き画像９Ａ、９Ｂ、９Ｃは、それぞれ、の第１画像６における同じ画像奥行きの部分を示している。２次元表示装置１０は、一度に１つの第１奥行き画像を表示する。可変フォーカスレンズ７の焦点距離は、表示される第１奥行き画像の奥行きに応じて調整される。可変フォーカスレンズ７のフォーカス速度は、少なくとも平均的な人間の目の残像速度と奥行きの数との積に等しくなるように設定され、第２画像をビューアに３次元画像として表示する。可変フォーカスレンズ７は、２次元表示装置１０からの光を反射する。
【００４３】
連続して表示される第２奥行き画像を、ビューア８に３次元の第２画像５として見せるために、第２奥行き画像は人間の目の残像効果を利用して表示しているため、高速に表示する必要がある。すなわち、可変フォーカスレンズ７は、その焦点距離を十分に速く調整可能であることが要求される。
【００４４】
例えば、３次元画像を表示するためには、約３０Ｈｚの残像速度が要求される。すなわち、１０個の画像奥行きを有する３次元画像を表示するためには、上記１０個の奥行きを、１秒の３０分の１の時間で全て表示する必要がある。このため、少なくとも約３００Ｈｚ（３０×１０Ｈｚ）の可変フォーカス速度と２次元表示速度とが要求される。
【００４５】
画像奥行きの数は、３次元表示装置の構造および容量応じて適宜選択することができ、高画質になるほど、画像奥行きの数が多くなる。
【００４６】
可変フォーカスレンズ７は、マイクロミラーアレイレンズから構成されている。マイクロミラーアレイレンズ７は、２次元表示装置１０と連動し、第１奥行き画像の奥行きに応じた第２奥行き画像１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを表示している。連続的な奥行きを有する第２画像５を表示するために、マイクロミラーアレイレンズの焦点距離は、第１奥行き画像９Ａ、９Ｂ、９Ｃの奥行きに同期して連続的に変化するように調整される。連続的な奥行きを有する第２奥行き画像１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃからなる第２画像５を現実的な画像として表示するために、マイクロミラーアレイレンズの焦点距離変化率と２次元表示装置１０の表示速度は、約３０Ｈｚである平均的な人間の目の残像速度と、奥行き画像の奥行きの数との積と等しいか、それ以上に設定することが求められる。
【００４７】
図４ａは、反射フレネルレンズ１３Ａがどのように普通の単体のレンズ３０にとって代わることができるかについて説明している。図４ｂは、単体のミラー１２に代えて用いられる反射フレネルレンズ１３Ｂがマイクロミラーアレイレンズで形成される構成を示している。マイクロミラーアレイレンズは、複数のマイクロミラー１４を含み、各マイクロミラー１４は、反射フレネルレンズ１３Ｂを構成し、可変フォーカスレンズ７の焦点距離を調整するように制御される。
【００４８】
明るく鮮明な画像を得るためには、対象物の１点からでる全ての光線が、同じ位相で画像平面の１点に集中される必要がある。それゆえ、レンズの役割は対象物によって拡散される光線を集光することと、同じ光路長（ＯＰＬ）を有するそれぞれの光線を形成することである。従って、フレネルレンズを用いて形成される画像は、たとえ光線が異なるＯＰＬを有していても、波長λの整数倍であるＯＰＬの差を調整することにより、それぞれの光線に同じ周期の位相を与えることによって得られる。それぞれの面は光線を１点に集め、異なる面により屈折あるいは反射された光線は波長λの整数倍のＯＰＬの差を有する。
【００４９】
マイクロミラーアレイレンズの焦点距離を調整するために、各マイクロミラーの並進動作および回転動作の少なくとも一方が制御される。マイクロミラー１４は、その回転動作により光の方向を変える機能を有している。また、マイクロミラー１４は、その並進動作により光の位相を調整する機能を有している。
【００５０】
図５ａおよび図５ｂは、マイクロミラー１４が多数の同心円を形成するよう配置されている状態を示している。これらのマイクロミラー１４は、図４ｂに示すように、平面上に配置されている。
【００５１】
また、可変フォーカスレンズ７は、以下の条件を充足することが求められる。第１に、３次元表示のために焦点距離が、十分高速に調整可能であることが求められる。第２に、画像を形成することができる奥行きの範囲が開口数の可変範囲に依存するので、開口数の可変範囲が広いおことが求められる。第３に、３次元表示の構造によって、大きな径を有することが求められる。
【００５２】
マイクロミラーアレイレンズは、上記の３つの要求を充足するものである。第１に、マイクロミラー１４の反応速度は１０ＫＨｚを超える。従って、マイクロミラー１４の焦点距離は、１０ＫＨｚまたはそれ以上に高速に調整することが可能である。
【００５３】
第２に、マイクロミラーアレイレンズの開口数の変更範囲は広い。それゆえに上述の通り、マイクロミラーアレイレンズは、３次元表示にとって不可欠な要件としての広い画像深さの範囲が有している。例えば、１９インチの３次元テレビには、マイクロミラーアレイレンズが用いられており、該テレビは１メートルから無限大の範囲の画像奥行きを表示することができる。
【００５４】
第３に、連続した形状のレンズは、サイズが大きくなるにつれて、理想的な曲面を作るのが困難であるのに対し、マイクロミラーアレイレンズは、別々のマイクロミラーから構成されているため、マイクロミラーアレイレンズのサイズは、容易に大きくすることができる。
【００５５】
一方、マイクロミラーアレイレンズが反射レンズであるため、３次元表示装置１００の光学系を一直線上に配置することはできない。すなわち、反射された光の光路が２次元表示装置によって塞がれないような光学配置とすることが求められる。
【００５６】
図６は、３次元表示装置１００が、さらに２次元表示装置１５と可変フォーカスレンズ１６との間の光の光路上に配置されるビームスプリッタ１７を備えた構成を示している。２次元表示装置１５と可変フォーカスレンズ１６とは、並列に配置されている。ビームスプリッタ１７は光の方向を９０°に変化し、直線に並べられた光学系と同様に機能するように構成されている。マイクロミラーアレイレンズは、光の光路と直行するように配置されている。
【００５７】
従って、図２に戻って参照すると、可変フォーカスレンズ７は、可変フォーカスレンズ７によって反射される光の光路が２次元表示装置１０によって塞がれないように配置されている。図２に示す構成では、２次元表示装置１０と可変フォーカスレンズ７との間の距離が、ビームスプリッタ１７を備えた構成に比べ、接近している。このため、単純な構造とより広い視界を実現することができるというメリットを有する。一方、図２の構成では、可変フォーカスレンズ７が斜めに配置されているため、画質が低下するというデメリットがある。したがって、何れの配置を選択するかは、表示装置の機能に応じて適宜選択することができる。
【００５８】
図６に示すように、３次元表示装置１００は、予め定められた焦点距離を有し、可変フォーカスレンズ１６に隣接して配置される補助レンズ１８をさらに備えた構成としても良い。第２画像５は、可変フォーカスレンズ１６と補助レンズ１８との実際の焦点距離によって形成される。補助レンズ１８を用いることにより、３次元表示装置１００の可変フォーカス範囲を、所望の範囲に広げ、また変更することができる。補助レンズ１８としては、反射型フレネルレンズを用いてもよい。
【００５９】
図２および図６に示すように、可変フォーカスレンズ７、１６はスクリーンの大きさを有していることが望ましい。しかしながら、大表示スクリーンを備えた装置に、該スクリーンと同じサイズの可変フォーカスレンズを用いることは、困難であり、用いた場合、極端なコスト増加を招いてしまう。そこで、図７に示すように、３次元表示装置１００が第２画像５を拡大する補助レンズ２１をさらに備えた構成としてもよい。補助レンズ２１としては、普通の反射レンズを用いることができ、また、反射フレネルレンズを用いてもよい。スクリーンのサイズは、固定の焦点距離を有する補助レンズ２１の大きさとなる。２次元表示装置２０と可変フォーカスレンズ１９は、補助レンズ２１のサイズより小さいコンパクトサイズである。３次元表示装置１００の実際の焦点距離は、可変フォーカスレンズ１９の焦点距離を調整することにより調整することができる。
【００６０】
また、可変フォーカスレンズ７の焦点距離を、固定に制御する構成としてもよい。このように、可変フォーカスレンズ７の焦点距離を固定することにより、２次元表示装置１０を一般的な２次元表示装置として機能させれば、３次元表示装置１００を、容易に２次元表示装置にコンバートすることができる。
【００６１】
３次元画像を表示するための方法は、図１ａおよび図１ｂに示された虚像を用いる方法あるいは図１ｃおよび図１ｄに示された実像を用いる方法であっても良い。実像を用いる方法では、画像はビューアにより近い位置で形成される。このため、現実的な表示ができるというメリットと、表示範囲がビューアとスクリーンとの間に制限されるというデメリットとを有する。一方、虚像を用いる方法では、画像はスクリーンの後方に生成される。このため、スクリーンから無限大の範囲の奥行きを有する画像を表示することができるというメリットを有する。
【００６２】
図８ａおよび図８ｂは、本発明の第２の実施形態を示す。図８ａは、２次元表示装置２２の画素２６に対応する可変フォーカスレンズ２３を有する３次元表示装置が、３次元画像２４を表示するためにどのように機能するかを示している。各画素２６によって表示される画像の一部は、画素２６に対応する可変フォーカスレンズ２３によって、その奥行き画像で表示される。それぞれの画素によって表示された一部の画像は、対応する可変フォーカスレンズが、画像を奥行き画像に分割し、要求されない奥行き画像を表示することによって個々に扱われるので、本実施形態は高速２次元表示高速可変フォーカスレンズを必要としない。普通の速度を有する２次元表示装置が用いられる。可変フォーカスレンズ２３の大きさは画素２６の大きさと相似している。
【００６３】
図８ｂは３次元表示装置２００の概要を示す。３次元表示装置２００は多数の画素２６と多数の可変フォーカスレンズ２５とを有する２次元表示装置を含む。それぞれの可変フォーカスレンズ２５はそれぞれの画素２６に対応する。可変フォーカスレンズ２５のフォーカス速度は、少なくとも人間の目の残像速度に等しく、それぞれの可変フォーカスレンズ２５は２次元表示装置からの光を反射する。それぞれの可変フォーカスレンズ２５の焦点距離は、それぞれの画素２６によって表示された画像の画像距離に従って変化する。それぞれの可変フォーカスレンズ２５はマイクロミラーアレイレンズ製である。
【００６４】
マイクロミラーアレイレンズは反射光学素子であるので、レンズ素子は反射光が２次元表示装置によって塞がれないように置かれる。それぞれの画素２６は、３次元表示装置２００の装置表示方向２７と直行した方向に第１画像の位置を表示する。それぞれのレンズ素子２５は、画素２６の表示方向と装置表示方向に関して４５°の角度で置かれる。３次元である第２画像２４は、レンズ素子２５によって形成される。この複雑な配置にもかかわらず、マイクロミラーアレイレンズは、その口径数の変更範囲が大きいので用いられる。
【００６５】
図９は、発明の３次元表示方法を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１００で、第１奥行き画像を２次元で表示する。次に、ステップＳ２００で、表示された第１奥行き画像からの光を受光し、第１奥行き画像の奥行きに応じて光を集光し、第２奥行き画像を表示する。ステップＳ３００で、所定時間内に予め定められた第１奥行き画像の表示が行なわれるまで、上記ステップＳ１００およびＳ２００での操作が繰り返される。予め定められた数の第１奥行き画像は、第１画像を形成し、各第１奥行き画像は、第１画像における同じ画像奥行きを有する部分を示している。表示された第２奥行き画像は、ビューアに対し、第２画像を３次元画像として表示する。第２奥行き画像を表示するステップにおけるフォーカス速度は、少なくとも平均的な人間の目の残像速度と、奥行き画像の奥行きの数との積に等しくなるように設定されている。また、第２奥行き画像を表示するステップでは、表示された第１奥行き画像から受光した光を反射するように構成されている。
【００６６】
上記ステップＳ２００での第２奥行き画像を表示は、マイクロミラーアレイレンズを使って行われる。
【００６７】
なお、発明の詳細な説明の項においてなされた具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするためのものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と次に記載する特許請求事項との範囲内で、種々変更して実施することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１ａ】レンズの焦点距離の変化に応じて、画像の奥行き距離がどのように変化するかを示す概略図である。
【図１ｂ】レンズの焦点距離の変化に応じて、画像の奥行き距離がどのように変化するかを示す概略図である。
【図１ｃ】レンズの焦点距離の変化に応じて、画像の奥行き距離がどのように変化するかを示す概略図である。
【図１ｄ】レンズの焦点距離の変化に応じて、画像の奥行き距離がどのように変化するかを示す概略図である。
【図２】本発明の３次元表示装置の概略構成を示す概略図である。
【図３ａ】奥行き画像の表示および焦点を合せることを示す概略図である。
【図３ｂ】奥行き画像の表示および焦点を合せることを示す概略図である。
【図３ｃ】奥行き画像の表示および焦点を合せることを示す概略図である。
【図４ａ】反射フレネルレンズが、いかに普通の単体のレンズにとって代わるかを示す概略図である。
【図４ｂ】反射フレネルレンズが、いかに普通の単体のレンズにとって代わるかを示す概略図である。
【図５ａ】多数のマイクロミラーで構成される可変フォーカスレンズを示す概要平面図である。
【図５ｂ】図５ａに示すマイクロミラーの詳細を示す拡大平面図である。
【図６】３次元表示装置に搭載されるビームスプリッタと補助レンズとを示す概略図である。
【図７】３次元表示装置に搭載される拡大レンズを示す概略図である。
【図８ａ】２次元表示の画素に対応する可変フォーカスレンズを有する３次元表示装置を示す概略図である。
【図８ｂ】マイクロミラーアレイレンズが、図８ａの３次元表示装置の可変フォーカスレンズとして用いられる概略図である。
【図９】本発明の３次元表示方法を示すフローチャートである。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
2007522526.tif 000004
【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年11月9日(2005.11.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の次元を対象物の高さ（ｙ軸）、第２の次元を幅（ｘ軸）、第３の次元を奥行き（ｚ軸）とした場合、第３の次元に沿った異なる位置における上記対象物の断面の画像である２次元の第１奥行き画像を含む、第１画像を表示する２次元表示装置と、
上記２次元表示装置からの光を受光し、２次元の第２奥行き画像に対応する３次元画像を形成するマイクロミラーアレイレンズとを含み、
上記マイクロミラーアレイレンズは、回折反射ハイブリッド可変フォーカスレンズ（Diffractive-Reflective Hybrid Variable Focusing lens）であり、
上記焦点距離の変化率は、少なくとも、奥行きと、平均的な人間の残像持続時間(persistence rate (afterimage speed))との積に等しくなるように設定されており、上記マイクロミラーアレイレンズの焦点距離が、上記奥行きに応じて変化するように設定されており、ビューアには、２次元の上記第２奥行き画像が、上記対象物の３次元画像に融合しているように見せることを特徴とするボリュメトリック３次元表示装置。
【請求項２】
上記マイクロミラーアレイレンズが複数のマイクロミラーを含み、各マイクロミラーを制御することにより、上記可変フォーカスレンズの焦点距離を調整することを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
【請求項３】
上記複数のマイクロミラーは、一つまたは複数の同心円を形成するように平面に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の３次元表示装置。
【請求項４】
上記各マイクロミラーの並進動作（translational motion）が制御されることを特徴とする請求項２に記載の３次元表示装置。
【請求項５】
上記各マイクロミラーの回転動作が制御されることを特徴とする請求項２に記載の３次元表示装置。
【請求項６】
上記各マイクロミラーの回転動作および並進動作が制御されることを特徴とする請求項２に記載の３次元表示装置。
【請求項７】
２次元表示装置と可変フォーカスレンズとの間の光路に配置されたビームスプリッタをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
【請求項８】
上記可変フォーカスレンズが、該可変フォーカスレンズによって反射された光の光路が、上記２次元表示装置によって塞がれない位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
【請求項９】
予め定められた焦点距離を有する補助レンズをさらに含み、上記第２画像が、上記可変フォーカスレンズと該補助レンズとによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
【請求項１０】
第２画像を表示するためのスクリーンをさらに含み、上記補助レンズが、該スクリーンのサイズを拡大することを特徴とする請求項９に記載の３次元表示装置。
【請求項１１】
上記可変フォーカスレンジの焦点距離が固定に制御されることを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
【請求項１２】
対象物の画像が、該対象物の奥行きに沿った複数の断面画像に分割され、各断面画像は、該断面画像の奥行きに焦点が合されることにより、上記複数の断面画像がフォーカスされて形成される画像が、ビューアには、３次元画像に見えるように表示する３次元表示装置であって、
予め定められた奥行きの複数の第１画像を表示する２次元表示装置と、
上記２次元表示装置からの光を受光し、第２画像を形成するマイクロミラーアレイレンズとを含み、
上記マイクロミラーアレイレンズのフォーカス速度は、少なくとも、画像の奥行きと、平均的な人間の残像持続時間(persistence rate (afterimage speed))との積に等しく、上記マイクロミラーアレイレンズは上記２次元表示装置からの光を反射することを特徴とするボリュメトリック３次元表示装置。
【請求項１３】
上記可変フォーカスレンズが回折反射混成フレネルレンズであることを特徴とする請求項１２に記載の３次元表示装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の３次元表示装置に用いる３次元表示方法であって、
２次元の第１奥行き画像を表示するステップと、
上記第１奥行き画像の奥行きに応じて表示された上記第１奥行き画像からの光を集光させることにより、空間に第２奥行き画像を表示するステップと、
上記２つのステップを単位時間内に予め定められた数の第１奥行き画像を表示するまで繰り返すステップとを含み、
上記各第１奥行き画像は、対象物の断面を表し、上記第１奥行き画像を表示するステップにおける表示速度が、少なくとも、上記対象物の奥行きと、平均的な人間の残像持続時間（persistence rate (afterimage speed)）との積等しくなるように設定されており、上記第２奥行き画像を表示するステップで、表示された上記第１奥行き画像から受光した光が反射されることを特徴とする３次元表示方法。
【請求項１５】
上記第２奥行き画像を表示するステップが、上記マイクロミラーアレイレンズを使って行われることを特徴とする請求項１４に記載の３次元表示方法。
【請求項１６】
複数の画素を有する２次元表示装置と、
複数のマイクロミラーアレイレンズとを含み、
上記複数のマイクロミラーアレイレンズは、それぞれ上記複数の画素のそれぞれに対応するように設けられており、
上記各マイクロミラーアレイレンズのフォーカス速度が、少なくとも、画像の奥行きと、平均的な人間の残像持続時間（persistence rate (afterimage speed)）との積に等しくなるように設定されており、
上記各マイクロミラーアレイレンズが２次元表示装置からの光を反射し、上記各マイクロミラーアレイレンズの焦点距離が、各画素により表示された画像の奥行きに応じて変化することを特徴とするボリュメトリック３次元表示装置。
【請求項１７】
上記各可変フォーカスレンズがマイクロミラーアレイレンズからなることを特徴とする請求項１６に記載の３次元表示装置。
【請求項１８】
上記マイクロミラーアレイレンズが、上記２次元表示装置と連動して、上記２次元の上記第１奥行き画像を、奥行きに応じて表示することを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
【国際調査報告】
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