(57)【要約】【課題】本発明は、広い視域と広い視野角との双方を確保しながら光変調要素の総数を抑えることのできる立体ディスプレイを提供することを目的とする。【解決手段】本発明の立体ディスプレイは、観察者の一方の観察眼（２）へ投光すべき単眼用の表示光束を生成する空間光変調部（１）と、前記表示光束の生成位置を前記観察眼の位置に追従させる制御手段（３，４，４１，４５）とを備えたことを特徴とする。したがって、広い視域が確保される。また、空間光変調部（１）のサイズを観察眼（２）の瞳と同等にまで抑えることができるので、個々の光変調要素のサイズを小さくしても光変調要素の必要数は膨大にならない。よって、光変調要素の必要数を抑えながら広い視野角を確保することができる。【選択図】      図５
2008134564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察者の一方の観察眼へ投光すべき単眼用の表示光束を生成する空間光変調部と、
前記表示光束の生成位置を前記観察眼の位置に追従させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする立体ディスプレイ。
【請求項２】
請求項１に記載の立体ディスプレイにおいて、
前記制御手段には、
前記空間光変調部の位置を制御する機構が含まれる
ことを特徴とする立体ディスプレイ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の立体ディスプレイにおいて、
前記制御手段には、
前記空間光変調部の共役像を生成する光学系と、前記共役像の位置を制御する機構とが含まれる
ことを特徴とする立体ディスプレイ。
【請求項４】
請求項３に記載の立体ディスプレイにおいて、
前記光学系は、
両側テレセントリックな光学系である
ことを特徴とする立体ディスプレイ。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の立体ディスプレイにおいて、
前記機構は、
前記光学系を少なくとも光軸と垂直な方向へ移動させるステージを含む
ことを特徴とする立体ディスプレイ。
【請求項６】
請求項３〜請求項５の何れか一項に記載の立体ディスプレイにおいて、
前記機構は、
前記光学系から射出される光束が生成する前記共役像の位置を変化させるミラーである
ことを特徴とする立体ディスプレイ。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の立体ディスプレイにおいて、
前記制御手段には、
前記観察眼の位置を検出するセンサが含まれる
ことを特徴とする立体ディスプレイ。
【請求項８】
請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の立体ディスプレイにおいて、
前記空間光変調部には、
１次元の空間光変調部と、
前記空間光変調部からの射出光を、前記空間光変調部の共役像の位置を中心軸として角度走査するミラーと
が含まれることを特徴とする立体ディスプレイ。
【請求項９】
請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の立体ディスプレイにおいて、
前記空間光変調部は、
前記観察眼が運動視差を感じるよう前記表示光束の生成位置に応じて前記表示光束の変調パターンを変化させる
ことを特徴とする立体ディスプレイ。
【請求項１０】
請求項９に記載の立体ディスプレイにおいて、
前記空間光変調部は、
入射光の位相と振幅との少なくとも一方を時間変調する複数の光変調要素を複数個配列してなる
ことを特徴とする立体ディスプレイ。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０の何れか一項に記載の立体ディスプレイにおいて、
前記観察眼に入射する光束の主光線の方向を可変できる機能を備え、
前記観察眼の位置に応じて前記主光線の方向を制御する
ことを特徴とする立体ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体の静止画像や立体の動画像を表示する立体ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
光波面再生型の立体ディスプレイ（ホログラフィディスプレイ）は、立体から射出する光波面と同じ光波面を再生するものであり、その光波面再生の原理は光の回折作用である（特許文献１などを参照）。この立体ディスプレイによれば、観察者は様々な位置から自由に立体を観察することができる。
この立体ディスプレイで動画像表示を行う場合は、マイクロミラーや液晶などの光変調要素を密に２次元配列した空間光変調器が使用される。
【０００３】
また、立体ディスプレイの視域を拡大するには、空間光変調器のサイズを拡大すればよい。また、空間光変調器のサイズを拡大せずに立体ディスプレイの視域を拡大するには、観察者の位置に応じて空間光変調器の角度と変調パターンとを制御すればよい（特許文献２などを参照）。
【特許文献１】特開２００３−１５０７９号公報
【特許文献２】特開２００２−３３０４５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、立体ディスプレイで広い視野角を得るためには、例えばホログラフィディスプレイの場合、光変調要素のサイズを十分に小さくする必要がある。光変調要素のサイズが大き過ぎると、光の回折角度が小さくなり、大きな角度で射出する光線を再現できないからである。
例えば、図２３に示すとおり空間光変調器にサイズ１．５μｍ×１．５μｍの光変調要素１９を密に配列し、それらを波長λ＝６３３ｎｍのコヒーレントな光で照明すると、個々の光変調要素１９から射出する回折光の広がりは、図２４に示すとおりになる。
【０００５】
図２４は、フレネル回折理論に基づくシミュレーションの結果であり、横軸は光変調要素１９からの射出角度、縦軸は光強度である。図２４によると、強度が十分なのは射出角度が−１０°〜１０°の光線なので、この場合の視野角は、±１０°程度である。したがって、±１０°以上の視野角を確保するためには、光変調要素１９のサイズを１．５μｍ以下に抑える必要がある。
【０００６】
因みに、図２５に示すようにサイズが１００ｍｍ×１５０ｍｍである空間光変調器１７’を用意すると、光変調要素１９の必要数は（１００ｍｍ／１．５μｍ）×（１５０ｍｍ／１．５μｍ）≒約６６億個と膨大になる。仮に、特許文献２に記載の技術を利用して空間光変調器１７’のサイズを半分に削減したとしても、光変調要素１９の必要数は約３３億個である。
【０００７】
そこで本発明は、広い視域と広い視野角との双方を確保しながら光変調要素の総数を抑えることのできる立体ディスプレイ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】
【０００８】
本発明の立体ディスプレイは、観察者の一方の観察眼へ投光すべき単眼用の表示光束を生成する空間光変調部と、前記表示光束の生成位置を前記観察眼の位置に追従させる制御手段とを備えたことを特徴とする。
なお、前記制御手段には、前記空間光変調部の位置を制御する機構が含まれてもよい。
また、前記制御手段には、前記空間光変調部の共役像を生成する光学系と、前記共役像の位置を制御する機構とが含まれてもよい。
【０００９】
また、前記光学系は、両側テレセントリックな光学系であることが望ましい。
また、前記機構は、前記光学系を少なくとも光軸と垂直な方向へ移動させるステージを含んでもよい。
また、前記機構は、前記光学系から射出される光束が生成する前記共役像の位置を変化させるミラーであってもよい。
【００１０】
また、前記制御手段には、前記観察眼の位置を検出するセンサが含まれることが望ましい。
また、前記空間光変調部には、１次元の空間光変調部と、前記空間光変調部からの射出光を、前記空間光変調部の共役像の位置を中心軸として角度走査するミラーとが含まれてもよい。
【００１１】
また、前記空間光変調部は、前記観察眼が運動視差を感じるよう前記表示光束の生成位置に応じて前記表示光束の変調パターンを変化させることが望ましい。
また、前記空間光変調部は、入射光の位相と振幅との少なくとも一方を時間変調する複数の光変調要素を複数個配列してなることが望ましい。
また、本発明の何れかの立体ディスプレイは、前記観察眼に入射する光束の主光線の方向を可変できる機能を備え、前記観察眼の位置に応じて前記主光線の方向を制御してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、広い視域と広い視野角との双方を確保しながら光変調要素の総数を抑えることのできる立体ディスプレイが実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態を説明する。本実施形態は、立体ディスプレイの実施形態である。
先ず、本ディスプレイの原理を説明する。
静止した観察眼が立体を観察するということは、図１に示すとおり、マスク２０の開口ＡＰを介して観察眼２が立体２１を覗くことと等価である。開口ＡＰから観察眼２までの距離が短かければ、開口ＡＰのサイズを観察眼２の瞳と同等にまで抑えることができる。
【００１４】
したがって、図２に示すとおり開口ＡＰの位置に空間光変調器１を配置し、その空間光変調器１が生成する光束を、立体２１から開口ＡＰへ向かう光束Ｌ（図１）と同じにすれば、観察眼２に立体２１の虚像２１’を観察させることができる。このとき、観察眼２の焦点距離を変化させると、立体感を得ることができる。以下、観察眼２が焦点調節したときの立体感を、観察眼２の位置が変化したときの立体感（＝運動視差）と区別して「焦点調節視差」という。但し、観察眼２の瞳の位置がずれると、虚像２１’を観察することはできなくなる。
【００１５】
そこで、図３に示すとおり観察眼２の瞳の位置がずれた場合は、図４に示すとおり空間光変調器１の位置を観察眼２の瞳の直前へ移動させればよい。このとき、空間光変調器１が生成する光束を、立体２１から開口ＡＰ’へ向かう光束Ｌ’（図３）と同じにすれば、観察眼２に立体２１の虚像２１’を観察させることができる。このようにすれば、観察眼２に運動視差を感じさせることができる。
【００１６】
次に、本ディスプレイの具体的構成を説明する。
図５は、本ディスプレイの構成図である。図５に示すとおり、本ディスプレイには、観察者の一方の観察眼２の瞳の直前に配置される２次元の空間光変調器１と、空間光変調器１を移動させる３軸可動ステージ３と、観察眼２の瞳を捉えるモニタカメラ４とが備えられる。また、本ディスプレイには、眼位置算出回路４１と、変調回路４４と、ステージ駆動回路４５と、データ格納部４６とを備える。データ格納部４６は、立体表示に必要なデータを格納している。このデータ格納部４６は、例えば、立体から射出して各位置へ入射する各光束の波面のデータを、その入射位置に対応づけて記憶している。
【００１７】
なお、本ディスプレイにおいて、空間光変調器１、３軸可動ステージ３、モニタカメラ４、眼位置算出回路４１、変調回路４４、ステージ駆動回路４５からなる表示系は、観察者の左眼用と右眼用との２系統が用意されるが、図５では１系統のみを表した。左眼用の表示系の構成と右眼用の表示系の構成とは同じなので、以下ではそのうち一方を、ホログラフィによる立体表示法を例として説明する。
【００１８】
２次元の空間光変調器１は、図６（ａ）に示すとおり、変調部１Ｂと照明部１Ａとを備える。照明部１Ａは、変調部１Ｂをコヒーレントな可視光（例えば６３３ｎｍの光）で照明するものであり、変調部１Ｂは、液晶やマイクロミラーなどの光変調要素１Ｐを２次元配列した光波面再生型の空間光変調器である。個々の光変調要素１Ｐは、照明部１Ａから入射する照明光の位相及び強度（＝振幅）を変調する。個々の光変調要素１Ｐによる位相及び強度の変調量（つまり空間光変調器１の変調パターン）を時間変化させると、空間光変調器１から射出する光束Ｂの波面が時間変化する。
【００１９】
ここで、個々の光変調要素１Ｐのサイズは、本ディスプレイの視野角を±１０°程度に確保するため、図６（ｂ）に示すとおり１．５μｍ程度に抑えられる。また、空間光変調器１のサイズを小型化するため、光変調要素１Ｐの配列面のサイズは、ヒトの眼の瞳をカバーできる程度に設定される。一般にヒトの眼の瞳は暗所で６〜７ｍｍ程度なので、光変調要素１Ｐの配列面のサイズは、例えば７ｍｍ×７ｍｍに設定される。したがって、空間光変調器１における光変調要素１Ｐの必要数は、２１７８万個程度に抑えられる。
【００２０】
なお、ここではホログラフィによる立体表示法を例に説明したので、空間光変調器１は回折光学素子であるが、光束の角度と振幅とを変更できる他の素子であっても、同様に要素数を大幅に低減することができる。
さて、以上の空間光変調器１は、図５に示したとおり、３軸可動ステージ３によって移動可能であり、その移動方向は、基準姿勢の観察眼２から見た上下方向、左右方向、前後方向の３方向である。以下では、基準姿勢の観察眼２から見た上下方向を「Ｙ方向」、左右方向を「Ｘ方向」、前後方向を「Ｚ方向」とする。
【００２１】
また、モニタカメラ４は、観察眼２を常時捉える。モニタカメラ４からは、観察眼２へ向けて赤外光が照射され、観察眼２から戻る赤外光は、モニタカメラ４によって取り込まれる。モニタカメラ４が出力する検出信号は、眼位置算出回路４１へ取り込まれ、観察眼２の瞳の座標を示す座標信号へと変換される。これによって、瞳の座標検出が行われる。この座標検出には、角膜反射法などの公知の座標検出方法が適用できる。瞳の座標は、Ｘ方向の座標と、Ｙ方向の座標と、Ｚ方向の座標とによって表される。眼位置算出回路４１が生成した座標信号は、ステージ駆動回路４５と変調回路４４とへそれぞれ与えられる。
【００２２】
ステージ駆動回路４５は、眼位置算出回路４１から与えられた座標信号を３軸可動ステージ３の制御信号へ変換し、それをを３軸可動ステージ３へ与える。これによって、空間光変調器１の位置が制御される。この位置の制御は、観察眼２の瞳と空間光変調器１との位置関係が保たれる方向に働く。また、この位置の制御の応答速度は、観察者が意識できない程度に十分に高い。よって、空間光変調器１の位置は、観察眼２の瞳の位置に追従する。
【００２３】
例えば、図７に示すように観察眼２がＹ方向へ移動した場合は、空間光変調器１もＹ方向に等距離だけ移動する。また、図示しなかったが、観察眼２がＸ方向へ移動した場合は、空間光変調器１もＸ方向に等距離だけ移動する。また、図８に示すように観察眼２がＺ方向へ移動した場合は、空間光変調器１もＺ方向に等距離だけ移動する。
また、図５に示した変調回路４４は、眼位置算出回路４１から与えられた座標信号に応じて表示用データ格納部４６を参照し、空間光変調器１の制御信号を生成すると、それを空間光変調器１へ与える。これによって、観察眼２の瞳へ入射する光束Ｂの波面が制御される。この波面の制御は、観察眼２に運動視差を感じさせるための制御である。また、波面の制御の応答速度は、観察者が意識できない程度に十分に高い。したがって、滑らかな立体表示が可能となる。
【００２４】
以上、本ディスプレイの空間光変調器１は、観察者の一方の観察眼２へ投光すべき光束しか生成しないので、空間光変調器１の配置位置を観察眼２の瞳の直前とし、空間光変調器１のサイズを観察眼２の瞳と同等にまで抑えることができる。
したがって、個々の光変調要素１Ｐのサイズを小さくしても光変調要素１Ｐの必要数は膨大にはならない。よって、広い視野角を確保しながら光変調要素１Ｐの必要数を抑えることができる。
【００２５】
しかも、本ディスプレイは、空間光変調器１の位置を観察眼２の瞳の位置に追従させるので、空間光変調器１のサイズが小さいにも拘わらず広い視域が確保される。
その結果、本ディスプレイは、広い視域と広い視野角との双方を確保しながら光変調要素１Ｐの必要数を抑えることができる。
また、本ディスプレイは、空間光変調器１として光波面再生型の空間光変調器を使用したので、観察眼２に焦点調節視差を感じさせることができる。
【００２６】
（補足）
なお、本ディスプレイでは、左眼用の表示系と右眼用の表示系とを別々に用意したが、両者の一部又は全部を共通化してもよい。例えば、３軸可動ステージ３の移動速度が十分に高い場合は、１つの空間光変調器を左眼の直前と右眼の直前との間で高速に往復させながら、空間光変調器の変調パターンを左眼用の変調パターンと右眼用の変調パターンとの間で高速に切り替えてもよい。
【００２７】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態も、立体ディスプレイの実施形態である。ここでは、第１実施形態との相違点のみ説明する。
図９は、本ディスプレイの光学系部分の構成図である。図９に示すとおり、本ディスプレイでは、空間光変調器１と観察眼２との間に光学系Ｌ１が挿入される。光学系Ｌ１は、両側テレセントリックな光学系である。この光学系Ｌ１には、空間光変調器１の表面の共役像１’を観察眼２の直前に形成する働きがある。共役像１’のサイズは、第１実施形態における空間光変調器１のサイズ（図６（ｂ）参照）と同じであり、共役像１’に含まれる光変調要素の像の配列は、第１実施形態における光変調要素１Ｐの配列（図６（ｂ）参照）と同じである。本ディスプレイでは、空間光変調器１から射出する光束の波面を制御することにより、共役像１’から射出する光束の波面を制御する。
【００２８】
また、光学系Ｌ１と観察眼２との間には、ダイクロイックミラー５が挿入される。ダイクロイックミラー５には、可視光を透過し、赤外光を反射させる特性がある。モニタカメラ４から射出する赤外光は、ダイクロイックミラー５を反射してから観察眼２の側へ向かい、観察眼２から戻った赤外光はダイクロイックミラー５を反射してからモニタカメラ４へ向かう。また、光学系Ｌ１から射出する可視光は、ダイクロイックミラー５を透過して観察眼２へ向かう。
【００２９】
さて、本ディスプレイでも、空間光変調器１の位置の制御が行われるが、この位置の制御は、共役像１’と観察眼２の瞳との位置関係が保たれる方向に働く。空間光変調器１のＸ方向の移動方向と共役像１’のＸ方向の移動方向とは反対であり、空間光変調器１のＹ方向の移動方向と共役像１’のＹ方向の移動方向とは反対なので、位置の制御は、次のとおりに行われる。
【００３０】
図１０に示すように、観察眼２が−Ｙ方向に移動した場合は、空間光変調器１は＋Ｙ方向に移動する。また、図示省略したが、観察眼２が＋Ｘ方向に移動した場合は、空間光変調器１は−Ｘ方向に移動する。また、図１１に示すように、観察眼２が＋Ｚ方向に移動した場合は、空間光変調器１は＋Ｚ方向へ移動する。
以上、本ディスプレイでは、光学系Ｌ１により空間光変調器１の共役像１’を生成するので、観察眼２の前に空間を確保することができる。本ディスプレイでは、この空間へダイクロイックミラー５を挿入し、モニタカメラ４の光路と空間光変調器１の光路とを分離した。したがって、本ディスプレイは、立体の表示と観察眼２の瞳の位置検出との双方を高精度に行うことができる。
【００３１】
（補足）
なお、本ディスプレイでは、左眼用の表示系と右眼用の表示系とを別々に用意したが、両者の一部又は全部を共通化してもよい。例えば、３軸可動ステージ３の移動速度が十分に高い場合は、共役像１’を左眼の直前と右眼の直前との間で高速に往復させながら、空間光変調器１の変調パターンを左眼用の変調パターンと右眼用の変調パターンとの間で高速に切り替えてもよい。
【００３２】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態も立体ディスプレイの実施形態である。ここでは、第２実施形態（図９）との相違点のみ説明する。
図１２は、本ディスプレイの光学系部分の構成図である。図１２に示すとおり、本ディスプレイでは、３軸可動ステージ３の代わりに１軸可動ステージ７が使用されると共に、光学系Ｌ１を移動させる２軸可動ステージ６が追加される。１軸可動ステージ７は、空間光変調器１をＺ方向へ移動させ、２軸可動ステージ６は、光学系Ｌ１をＸ方向及びＹ方向へ移動させる。
【００３３】
本ディスプレイでは、共役像１’と観察眼２の瞳との位置関係を保つために、空間光変調器１のＺ方向の位置と、光学系Ｌ１のＸ方向の位置と、光学系Ｌ１のＹ方向の位置とが制御される。光学系Ｌ１のＸＹ方向の移動方向と共役像１’のＸＹ方向の移動方向とは同じなので、位置の制御は、次のとおりに行われる。
図１３に示すように、観察眼２が−Ｙ方向に移動した場合は、光学系Ｌ１が−Ｙ方向に移動する。また、図示省略したが、観察眼２が＋Ｘ方向に移動した場合は、光学系Ｌ１は＋Ｘ方向に移動する。また、図１４に示すように、観察眼２が＋Ｚ方向に移動した場合は、空間光変調器１が＋Ｚ方向へ移動する。
【００３４】
したがって、本ディスプレイでも、第２実施形態のディスプレイと同じ効果が得られる。
（補足）
なお、本ディスプレイでは、左眼用の表示系と右眼用の表示系とを別々に用意したが、両者の一部又は全部を共通化してもよい。例えば、２軸可動ステージ６及び１軸可動ステージ７の移動速度が十分に高い場合は、共役像１’を左眼の直前と右眼の直前との間で高速に往復させながら、空間光変調器１の変調パターンを左眼用の変調パターンと右眼用の変調パターンとの間で高速に切り替えてもよい。
【００３５】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態を説明する。本実施形態も立体ディスプレイの実施形態である。ここでは、第３実施形態（図１２）との相違点のみ説明する。
図１５は、本ディスプレイの光学系部分の斜視図である。図１５に示すとおり、本ディスプレイでは、光学系Ｌ１及び２軸可動ステージ６の代わりに、２つの光学系Ｌ３，Ｌ４がこの順で挿入される。光学系Ｌ３，Ｌ４は、何れも両側テレセントリックな光学系である。その内部に角度可変ミラー８，９をそれぞれ備える。これらの光学系Ｌ３，Ｌ４により、空間光変調器１の表面の共役像１’が観察眼２の瞳の直前に形成される。
【００３６】
角度可変ミラー８，９は、例えば、反射面の配置角度を任意に設定することの可能な制御型のガルバノミラーである。光学系Ｌ３における角度可変ミラー８の回転軸は、光学系Ｌ３を構成する２つのレンズの焦平面の交差線上にある。光学系Ｌ４における角度可変ミラー９の回転軸は、光学系Ｌ４を構成する２つのレンズの焦平面の交差線上にある。このうち角度可変ミラー８が駆動されると、共役像１’がＸ方向へ移動し、角度可変ミラー９が駆動されると、共役像１’がＹ方向へ移動する。
【００３７】
したがって、本ディスプレイでは、共役像１’と観察眼２の瞳との位置関係を保つために、空間光変調器１のＺ方向の位置と、角度可変ミラー８の配置角度と、角度可変ミラー９の配置角度とが制御される。これらの位置及び配置角度の制御は、次のとおりに行われる。
図１６に示すように、観察眼２が＋Ｙ方向へ移動する場合は、角度可変ミラー９の配置角度が＋θＹ方向へ変化する。また、図１７に示すように、観察眼２が＋Ｘ方向へ移動する場合は、角度可変ミラー８の配置角度が＋θＸ方向へ変化する。また、図１８に示すように、観察眼２が＋Ｚ方向へ移動する場合は、空間光変調器１は＋Ｚ方向へ移動する。
【００３８】
したがって、本ディスプレイでも、第３実施形態のディスプレイと同等の効果が得られる。
（補足）
なお、本ディスプレイでは、左眼用の表示系と右眼用の表示系とを別々に用意したが、両者の一部又は全部を共通化してもよい。例えば、１軸可動ステージ６の移動速度及び角度可変ミラー８，９の角度変化速度が十分に高い場合は、共役像１’を左眼の直前と右眼の直前との間で高速に往復させながら、空間光変調器１の変調パターンを左眼用の変調パターンと右眼用の変調パターンとの間で高速に切り替えてもよい。
【００３９】
［第５実施形態］
本実施形態の第５実施形態を説明する。本実施形態も立体ディスプレイの実施形態である。ここでは、第２実施形態（図９）との相違点のみ説明する。
図１９は、本ディスプレイの光学系部分の構成図である。図１９に示すとおり、本ディスプレイでは、２次元の空間光変調器１の代わりに１次元の空間光変調器１１と、光学系Ｌ１０と、角度可変ミラー１２とがこの順で配置される。角度可変ミラー１２は、例えば、反射面の配置角度を任意に設定することの可能な制御型のガルバノミラー、又は、予め決められた周波数で配置角度が振動する共振型のガルバノミラーである。１次元の空間光変調器１１における光変調要素の必要数は、２次元の空間光変調器１における光変調要素の必要数よりも格段に少なく、４６６７個程度である。
【００４０】
光学系Ｌ１０は、空間光変調器１１の表面の共役像を角度可変ミラー１２の回転軸上に形成する。光学系Ｌ１は、その共役像の共役像を観察眼２の瞳の直前に形成する。この共役像は、ライン状をしている。
そこで、本ディスプレイでは、角度可変ミラー１２の配置角度を高速に振動させながら空間光変調器１１の変調パターンを高速に変化させ、観察眼２の瞳の直前に第２実施形態の共役像１’と同等のスキャン像Ｓ１を形成する。本ディスプレイでは、このスキャン像Ｓ１を第２実施形態の共役像１’と同等に扱う。
【００４１】
３軸可動ステージ３は、１次元の空間光変調器１１と、光学系Ｌ１０と、角度可変ミラー１２とからなる光学系の全体をＸＹＺ方向へ移動させる。この光学系の全体がこれら３方向へ移動すると、スキャン像Ｓ１もＸＹＺ方向へ移動する。したがって、３軸可動ステージ３を第２実施形態のそれと同様に制御すれば、スキャン像Ｓ１の位置を観察眼２の瞳の位置に追従させることができる。
【００４２】
但し、本ディスプレイで生成されるスキャン像Ｓ１は、第２実施形態の共役像１’とは異なり、ライン毎にずれたタイミングで生起するので、スキャン像Ｓ１が作る像の非ライン方向に対しては焦点調節視差が生じることは無く、第２実施形態の共役像１’（図９参照）のそれとは異なる。したがって、本ディスプレイでは、観察眼２が焦点調節視差を若干感じにくくなる。
【００４３】
［第６実施形態］
本発明の第６実施形態を説明する。本実施形態も立体ディスプレイの実施形態である。ここでは、第３実施形態（図１２）との相違点のみ説明する。
図２０は、本ディスプレイの光学系部分の構成図である。図２０に示すとおり、本ディスプレイでは、２次元の空間光変調器１の代わりに、１次元の空間光変調器１１と、光学系Ｌ１０と、角度可変ミラー１２とがこの順で配置される。１次元の空間光変調器１１における光変調要素の必要数は、２次元の空間光変調器１における光変調要素の必要数よりも格段に少なく、４６６７個程度である。
【００４４】
光学系Ｌ１０は、空間光変調器１１の表面の共役像を角度可変ミラー１２の回転軸上に形成する。光学系Ｌ１は、その共役像の共役像を観察眼２の瞳の直前に形成する。この共役像は、ライン状をしている。
そこで、本ディスプレイでは、角度可変ミラー１２を高速に振動させながら空間光変調器１１の変調パターンを高速に変化させ、観察眼２の瞳の直前に第３実施形態の共役像１’と同等のスキャン像Ｓ１を形成する。本ディスプレイでは、このスキャン像Ｓ１を第３実施形態の共役像１’と同等に扱う。
【００４５】
１軸可動ステージ７は、１次元の空間光変調器１１と、光学系Ｌ１０と、角度可変ミラー１２とからなる光学系の全体をＺ方向へ移動させる。この光学系の全体がＺ方向へ移動すると、スキャン像Ｓ１もＺ方向へ移動する。また、２軸可動ステージ６が光学系Ｌ１をＸＹ方向へ移動すると、スキャン像Ｓ１もＸＹ方向へ移動する。したがって、１軸可動ステージ７及び２軸可動ステージ６を第３実施形態のそれと同様に制御すれば、スキャン像Ｓ１の位置を観察眼２の瞳の位置に追従させることができる。
【００４６】
但し、本ディスプレイで生成されるスキャン像Ｓ１は、第３実施形態の共役像１’とは異なり、ライン毎にずれたタイミングで生起するので、スキャン像Ｓ１が作る像の非ライン方向に対しては焦点調節視差が生じることは無く、第３実施形態の共役像１’（図１２参照）のそれとは異なる。このため、本ディスプレイでは、観察眼２が焦点調節視差を若干感じにくくなる。
【００４７】
［第７実施形態］
本発明の第７実施形態を説明する。本実施形態も、立体ディスプレイの実施形態である。
ここでは、第４実施形態（図１５）との相違点のみ説明する。
図２１は、本ディスプレイの光学系部分の斜視図である。図２１に示すとおり、本ディスプレイでは、２次元の空間光変調器１の代わりに１次元の空間光変調器１１と、光学系Ｌ１０と、角度可変ミラー１２とがこの順で配置される。１次元の空間光変調器１１における光変調要素の必要数は、２次元の空間光変調器１における光変調要素の必要数よりも格段に少なく、４６６７個程度である。
【００４８】
光学系Ｌ１０は、空間光変調器１１の表面の共役像を角度可変ミラー１２の回転軸上に形成する。光学系Ｌ１は、その共役像の共役像を観察眼２の瞳の直前に形成する。この共役像は、ライン状をしている。
そこで、本ディスプレイでは、角度可変ミラー１２を高速に振動させながら空間光変調器１１の変調パターンを高速に変化させ、観察眼２の瞳の直前に第４実施形態の共役像１’と同等のスキャン像Ｓ１を形成する。本ディスプレイでは、このスキャン像Ｓ１を第４実施形態の共役像１’と同等に扱う。
【００４９】
１軸可動ステージ７は、１次元の空間光変調器１１と、光学系Ｌ１０と、角度可変ミラー１２とからなる光学系の全体をＺ方向へ移動させる。この光学系の全体がＺ方向へ移動すると、スキャン像Ｓ１はＺ方向へ移動する。また、角度可変ミラー８，９の配置角度が変化すると、スキャン像Ｓ１はＸＹ方向へ移動する。したがって、１軸可動ステージ７及び角度可変ミラー８，９を第４実施形態のそれと同様に制御すれば、スキャン像Ｓ１の位置を観察眼２の瞳の位置に追従させることができる。
【００５０】
但し、本ディスプレイで生成されるスキャン像Ｓ１は、第４実施形態の共役像１’とは異なり、ライン毎にずれたタイミングで生起するので、スキャン像Ｓ１が作る像の非ライン方向に対して焦点調節視差が生じることは無く、第４実施形態の共役像１’（図１５参照）のそれとは異なる。このため、本ディスプレイでは、観察眼２が焦点調節視差を若干感じにくくなる。
【００５１】
［第８実施形態］
本発明の第８実施形態を説明する。本実施形態は第１実施形態〜第７実施形態の一部に改良を加えたものであるが、ここでは第２実施形態を代表例として相違点を説明する。
図２２は、図１０の光学系のみを示した図であり、観察眼２がＹ方向へ移動した場合を示している。このとき、観察眼２は、図４に示すようにＹ方向の中心に位置する場合に対して虚像２１’を斜め方向から観察することになる（但し、図２２では虚像２１’を下方向から観察している。）。また、図２２では、図１０に示した２次元の空間光変調器１を、液晶素子のように透過型の素子ＥＬとしてあり、それに対する照明光束Ｂが斜め方向から照射されている様子を点線で表している。このようにすることで観察眼２に入射する光束の主光線の向きを変えることができる。したがって、２次元の空間光変調器１から射出される光束の角度範囲を広くすることと等価的な効果が得られるので、光変調要素のサイズをその分大きくすることが可能である。
【００５２】
なお、本実施形態では透過型の液晶素子で説明したが、２次元の空間光変調器１から射出される光束の主光線の向きを変えられればよく、この方式に限られるものではない。また、本実施形態は２次元の空間光変調器１の代わりに１次元の空間光変調器１１を使用する場合でも同様に適用可能である。この場合、特に観察眼２のＸ方向の移動に対して本実施形態を適用すると、光変調要素のサイズを大きくすることが可能となる。
【００５３】
［その他］
なお、上述した説明では言及しなかったが、上述した各実施形態の立体ディスプレイは、光波面を時間変調可能な空間光変調器を使用するので、立体静止画像を表示するだけでなく、立体動画像を表示することもできる。
また、上述した第２実施形態，第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態、第６実施形態、第７実施形態では、空間光変調器の共役像を生成するための光学系を使用したが、その光学系を縮小光学系としてもよい。その場合、空間光変調器における個々の光変調要素のサイズを小さくせずに視野角を拡大することが可能である。
【００５４】
また、上述した各実施形態では、仮に空間光変調器が単色の光に対する空間光変調器であっても、小さな空間光変調器を用いることができるため、３色用の空間光変調器を合成することは容易である。つまり、カラー化が容易である。
また、上述した各実施形態では、眼位置算出回路４１、ステージ駆動回路４５、変調回路４４、データ格納部４６の一部又は全部の処理をコンピュータに実行させてもよい。但し、専用の回路に実行させた方が、前述した制御の応答速度を高めることができるので望ましい。
【００５５】
さらに、上述した各実施形態では、観察眼にのみ光束を投光するので、空間光変調器から射出される光量を極めて低く抑えることが可能であり、省エネルギーの立体ディスプレイが得られる。
［第１実施例］
第１実施例として、第２実施形態（図９）、第３実施形態（図１２）、第４実施形態（図１５）の実施例を示す。
・２次元の空間光変調器１のサイズ：７ｍｍ×７ｍｍ
・光変調要素１Ｐのサイズ：１．５μｍ×１．５μｍ
・空間光変調器１から共役像１’までの光学系の倍率：１
したがって、本実施例における光変調要素１Ｐの必要数は、（７ｍｍ／１．５μｍ）×（７ｍｍ／１．５μｍ）≒約２１７８万個である。
【００５６】
［第２実施例］
第２実施例として、第５実施形態（図１９）、第６実施形態（図２０）、第７実施形態（図２１）の実施例を示す。
・１次元の空間光変調器１１のサイズ：７ｍｍ
・光変調要素１Ｐのサイズ：１．５μｍ×１．５μｍ
・空間光変調器１１からスキャン像Ｓ１までの光学系の倍率：１
したがって、光変調要素１Ｐの必要数は、７ｍｍ／１．５μｍ≒４６６７個である。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の立体ディスプレイは、立体の動画表示などを必要とするシミュレータや３次元医療画像、顕微鏡像の立体観察、アミューズメント等に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】或る位置から観察眼２が立体２１を覗く様子を示す図である。
【図２】或る位置における観察眼２へ立体２１の虚像２１’を表示する原理を説明する図である。
【図３】別の位置から観察眼２が立体２１を覗く様子を示す図である。
【図４】別の位置における観察眼２へ立体２１の虚像２１’を表示する原理を説明する図である。
【図５】第１実施形態の全体構成図である。
【図６】空間光変調器１を説明する図である。
【図７】第１実施形態の動作を説明する図である（Ｙ方向の移動時）。
【図８】第１実施形態の動作を説明する図である（Ｚ方向の移動時）。
【図９】第２実施形態の光学系部分の構成図である。
【図１０】第２実施形態の動作を説明する図である（Ｙ方向の移動時）。
【図１１】第２実施形態の動作を説明する図である（Ｚ方向の移動時）。
【図１２】第３実施形態の光学系部分の構成図である。
【図１３】第３実施形態の動作を説明する図である（Ｙ方向の移動時）。
【図１４】第３実施形態の動作を説明する図である（Ｚ方向の移動時）。
【図１５】第４実施形態の光学系部分の斜視図である。
【図１６】第４実施形態の動作を説明する図である（Ｙ方向の移動時）。
【図１７】第４実施形態の動作を説明する図である（Ｘ方向の移動時）。
【図１８】第４実施形態の動作を説明する図である（Ｚ方向の移動時）。
【図１９】第５実施形態の光学系部分の構成図である。
【図２０】第６実施形態の光学系部分の構成図である。
【図２１】第７実施形態の光学系部分の斜視図である。
【図２２】第８実施形態の動作を説明する図である（Ｙ方向の移動時）。
【図２３】光変調要素から射出する回折光の様子を示す図である。
【図２４】光変調要素から射出する回折光の射出角度と強度との関係を示す図である    。
【図２５】従来の空間光変調器における光変調要素の必要数を説明する図である。
【符号の説明】
【００５９】
１…２次元の空間光変調器，２…観察眼，３…３軸可動ステージ，４：モニタカメラ，５…ダイクロイックミラー，６…２軸可動ステージ，７…１軸可動ステージ，８，９，１２…角度可変ミラー，１１…１次元の空間光変調器，１’…共役像，Ｓ１…スキャン像
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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