(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子的に形成された合成立体像と、前記合成立体像の実像を再生するための反射型結像手段を有する前記実像を観察する立体表示装置であって、
前記反射型結像手段は、前記合成立体像と結像された実像の間に前記実像形成に機能する偏光を反射分離する反射偏光選択素子と、前記実像を結像する反射型結像素子と、を有する光学系であって、
前記合成立体像は、前記実像形成に機能する偏光を直接出射して、または、偏光板を通して前記反射型結像手段に入射させ、
前記反射偏光選択素子は、ほぼ鉛直に入射される光に対して直交した直線偏光に応じ、反射、透過の選択作用を有し、
前記反射型結像素子は、前記反射偏光選択素子に入射するように光を反射するミラーを備え、
前記反射型結像手段は、さらに、前記反射偏光選択素子と前記ミラーとの間に配置され前記実像形成に機能する偏光を回転させる位相板と、前記反射偏光選択素子と前記結像された実像との間に前記実像形成に機能する偏光を透過させる第１の偏光素子と、前記合成立体像と前記反射偏光選択素子との間に部分的に配置される第２の偏光素子とを有することを特徴とする立体表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、実像再生型の立体表示装置に関し、特に偏光めがね等を用いることなく、３次元画像が視認可能な立体表示装置及び投射型立体表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
簡便に立体表示を実現する方法として、米国特許明細書第２６２８５３３号公報や米国特許明細書第３６４７２８４号公報、米国特許明細書第５５０８７６３号公報など凹面鏡や凸レンズを使った実像再生による立体表示装置が提案されている。
また、従来から二眼式立体表示と呼ばれるものがある。ところが、二眼式立体表示は生理的要因のうち、両眼視差を用いて立体感を得るものであり、偏光めがね等の観察器具を必要とする、長時間使用すると観察者に疲労感が生じる、等の問題がある。そこで、立体画像を実際に表示する方法として、３次元の表示対象物を奥行き方向に標本化（サンプリング）して多数の２次元画像の集合体とし、これらを奥行き方向に再配列することで３次元画像を表示する、いわゆる奥行き標本化の手法がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の実像再生方式による立体表示装置は実物の投影であり、投影するための実物が必要である。またＣＲＴなどを投影したものも提案されているが、平面像つまり２次元像を空間に浮かせることしかできなかった。
【０００４】
一方、特開平１１−２１８８４４号公報や特開平９−２４３９６０号公報に開示される奥行き標本化による方法は、比較的簡便に立体画像を再現できる方法であり、その点で優れた方法である。しかしながら、従来の方法では、立体表示空間にスクリーンがある、手前にレンズがあるなどが原因して、表示空間へ観察者が入り込むことができなかった。そのため力覚との複合化が困難であり、観察者の位置が限定されるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、偏光めがね等を用いることなく、表示品位に優れた３次元映像を実現することのできる立体表示装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１発明である立体表示装置は、電子的に形成された合成立体像と、合成立体像の実像を再生するための結像手段と、実像と観察者の眼の焦点位置をほぼ一致させるための焦点装置を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の立体表示装置は、いわゆる奥行き標本化方式によって電子的に合成立体像を生成し、さらに結像系によって空間に合成立体像の実像を結ばせ、これを観察する実像再生型の立体表示装置である。観察者の眼は何もない空間に焦点を合わせるのが難しいが、前記焦点装置を設けることで観察を容易にしている。したがってこの構成によれば、偏光眼鏡等を用いることなく、多人数が同時に立体像を観察できる。原理的に実像を見ているので、輻輳と焦点のずれによる疲労感は生じない。また、電子的に合成した立体像であるので動画にも対応できる。
【０００８】
さらに前記結像手段は、実像を結像する最終光学要素が反射型光学素子であることを特徴とする。
視認範囲を大きくとるためには最終光学素子の開口数が大きいほうが望ましく、本発明のように最終光学要素に反射型を採用した構成とすることで妥当なコストで広い視認範囲を実現できる。また反射系では光路の折り曲げが必要であることから装置全体の大きさを削減できるメリットもある。
【０００９】
また、第１発明の立体表示装置の結像手段は、前記実像形成に機能する光を偏光する偏光素子、表示光を選択する偏光素子とを有する光学系であることを特徴とする。
結像系に入る光は、立体像を結像する光だけでなく、外光や多重反射光なども含まれている。ここで合成立体像から出る光を偏光し、これを結像系の光学系のどこかで選択、あるいは検光するとこれらのノイズ光を低減できる。また、観察者側からの外光も少なくとも半分は吸収できるためにコントラストの高い実像を観察できる。
【００１０】
さらに第１発明は大口径凹面鏡からなる結像手段の最終光学要素、偏光分岐ミラーからなる表示光を選択する偏光素子、大口径凹面鏡における反射時の偏光回転素子を有することを特徴とする。
さらに進んだ反射光学結像系として大口径の凹面鏡によって視認範囲を広げ、偏光分離ミラーを用いて合成立体像からの入射光と実像形成に向かう出射光の偏光を利用して分離している。この時反射鏡での偏光回転方法には位相板等を用いている。このような構成をとることで暗箱の吸収による黒の背景を得て、高いコントラストの実像を観察できる。
【００１１】
第２発明である立体表示装置は、電子的に形成された合成立体像と、前記合成立体像の実像を再生するための結像手段からなる前記実像を観察する立体表示装置において、前記合成立体像は２次元像形成手段によって生成される２次元像を奥行き方向に高速走査して形成した合成立体像であることを特徴とする。
すなわちこれは奥行き標本化方式として電子的に生成した２次元像を奥行き方向に高速走査して合成立体像を形成するものである。これにより奥行き情報データを整合性よく表示可能とし、立体感のある実像を観察できる。また力覚との複合化も容易に行うことができる。
【００１２】
さらに、前記２次元像形成手段は２次元像と奥行き方向の走査位置に応じて、結像手段の像倍率や収差を補正された２次元像を表示することを特徴とする。
これにより、結像系が持つ歪みを前もって補正するテーブルを参照し、走査位置に応じて表示する２次元像を変化させることを可能としている。この方法は自由度が高くまた光学的な補正よりも簡便である。
【００１３】
また、第３発明である立体表示装置は、電子的に形成された合成立体像と、前記合成立体像の実像を再生するための結像手段からなる前記実像を観察する立体表示装置において、前記合成立体像は２次元像形成手段によって生成される２次元像を像面と平行な回転軸で回転走査して形成した合成立体像であることを特徴とする。
これによって奥行き情報をサンプリングする手段をＺ方向の走査だけでなく回転走査も可能とし、このため直線走査よりも機械的な振動の少ない走査を可能としている。
【００１４】
さらに第３発明の前記合成立体像を生成する２次元像形成手段は、マトリクス型発光ディスプレイであることを特徴とする。
本発明で合成立体像を形成するには少なくとも結像系の開口に合わせた広範囲の光束を必要とする。この点で発光パターンが広い発光型のマトリクス型ディスプレイは好適である。さらにＬＥＤやＯＬＥＤなどの発光型のマトリクス型ディスプレイは、高精細な２次元像やフルカラーの２次元像を高速に表示できるため高品質な合成立体像を生成できる。
【００１５】
同じく第３発明の合成立体像を生成する２次元像形成手段は、散乱型液晶ディスプレイであることを特徴とする。
これは本発明で合成立体像を形成するには少なくとも結像系の開口に合わせた広範囲の光束を必要とする。この点で散乱型のマトリクス型ディスプレイは好適である。さらにＰＤＬＣ液晶モードなどのアクティブマトトリクス型ディスプレイは高精細な２次元像を高速に表示できるため高品質な合成立体像を生成できる。さらに光源を２次元像と独立に変調できることからカラー順次方式によるフルカラー表示も可能である。
【００１６】
また第４発明である立体表示装置は、電子的に形成された合成立体像と、合成立体像の実像を再生するための結像手段からなる実像を観察する立体表示装置において、前記合成立体像は、２次元像形成手段によって生成された２次元像を高速走査された散乱型スクリーン上に同期投影して生成した合成立体像であることを特徴とする。
これは、合成立体像を投影によって獲得するもので、その方法として走査された散乱スクリーンに２次元像を高速に投影するものである。この手法によって合成立体像の生成空間と２次元像形成手段であるプロジェクターを機械的に分離ができ、表示パネルを機械的な動きのない箇所に設置可能とし、可動部への実装によって生じる信頼性の低下を回避できる。
【００１７】
さらに第４発明の前記散乱型スクリーンは、積層した光の散乱状態と透明状態を切り換え可能な散乱型液晶を順次電気的に走査したことを特徴とする。
これによりまったく機械的な可動部分がない高速で信頼性の高い奥行き走査が可能となり、安定性の高い合成立体像を得ることができる。
【００１８】
また、第４発明の前記散乱型スクリーン上に同期投影して生成した合成立体像は、投射レンズと前記散乱型スクリーン間の相対距離を制御する制御手段を備えた投影装置によって同期投影されることを特徴とする。
これによってプロジェクターの投影距離によって変わる２次元像の大きさを光学的に補正することが可能となる。
【００１９】
また、第４発明の前記散乱型スクリーン上に同期投影して生成した合成立体像は、テレセントリック型拡大光学系を用いて同期投影されることを特徴とする。これによってプロジェクターの投影距離によって変わる２次元像の大きさをほぼ一定にすることが可能となる。
【００２０】
さらに第４発明における前記合成立体像の奥行き情報のサンプリング数は、表示可能な２次元像のサンプリング数よりも多い値に設定されていることを特徴とする。
すなわち、奥行きサンプリング法は３次元の表示対象物の奥行き情報をサンプリングし、時系列的に再配列するものであるが、走査には限界があるため、それに対応した２次元画像の数も有限の値となっている。これをオーバーサンプリングによって得た奥行き情報を人間の目の補間作用を利用し、時分割して重ねあわせることで、より連続的な奥行き感を持った３次元画像が視認される。
【００２１】
さらに第５発明である立体表示装置は、電子的に形成された合成立体像と、前記合成立体像の実像を再生するための反射型結像手段からなる前記実像を観察する立体表示装置において、前記反射型結像手段は合成立体像と結像された実像の間に実像形成に機能する偏光を分離する反射偏光選択性素子、前記実像形成に機能する偏光を回転させる位相板を有する光学系であることを特徴とする。
これにより結像に寄与する合成立体像からの表示偏光だけを反射、偏光回転し、意図しない光路を通るノイズ光と反射偏光選択素子による分離を行い、表示コントラストを向上させる。また合成立体像からの偏光は遮断されるので結像した実像だけを観察することができる。
【００２２】
また第５発明の前記反射偏光選択素子は、ほぼ鉛直に入射される光に対して直交した直線偏光に応じ反射、透過の選択作用を有することを特徴とする。
これにより結像に必要な光路を小さくでき、装置の容積を押さえることができる。
【００２３】
また第５発明の前記反射型結像手段は、実像形成に機能する偏光から表示光とノイズ光を分離する反射偏光選択素子を有する光学系と表示光を透過させる偏光素子を有することを特徴とする。
これによって反射偏光選択素子の持つ外光反射によるノイズ光、結像系内部から透過するノイズ光を吸収する効果を持つ。さらに結像手段への外光の侵入を更に防止し高いコントラストを持つ実像を観察できる。
【００２４】
このように本発明の立体表示装置によれば、高品位な動く立体実像を空間に再現することができる。すなわち、人間の両眼視差の作用を利用したものではないので、偏光めがね等を用いる必要がなく自然な３次元立体動画像を表示可能な立体表示装置を実現することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は本実施形態の立体表示装置の概略構成を示す図である。本実施の形態の立体表示装置１は、図１に示すように、奥行き標本化方式によって電子的に形成された合成立体像２（合成立体像）、実像再生用の結像レンズ３（結像手段）、焦点板４（焦点装置）から概略構成されている。
【００２７】
図１に示す立体表示装置１において、１０は結像レンズ３によって結像された実像、１１は立体視可能な視認範囲、１２の破線は有効光束の範囲を示す。合成立体像２からの光束は結像レンズ３によって焦点板４の近傍に実像１０を形成する。観察者はこの実像１０を観察し立体視するものである。電子的に形成された立体像の共役像を観察しているため立体映像を何も装着せずに、かつ視認範囲であれば何人でもこれを観察できる。有効光束の範囲１２は結像レンズ３の開口で決まり、実像１０の視認範囲１１は実像側の有効光束の範囲と一致する。したがって視認範囲を広げるには大口径の結像レンズが必要となる。焦点板４は光学的に半透明なシートや、部分的に開口をもった板などを用いることができる。これは観察者が直接実像を観察する場合に、実像位置に眼の焦点を合わせやすくするために設置している。
【００２８】
図２は合成立体像を形成するための立体像形成装置の概略構成を示す斜視図である。マトリクス型自己発光ディスプレイからなる２次元像形成手段２１が支持装置２５によってＺ方向走査手段２３に機械的に結合され、２次元像形成手段２１のＸ，Ｙ走査方向と直交する奥行き方向（Ｚ方向２２）に走査２４される。走査方向は２次元像形成手段から観察者に向かうＺ方向が良好な結果を生んだが奥行き情報を持っていれば機能するのでＸ−Ｙ走査方向と必ずしも直交する必要はない。さて、Ｚ方向走査手段２３はボイスコイルモーターなどの高速走査装置から構成されている。Ｚ方向に視覚の残像反応以上の高速走査を行うことで電子的合成立体像の形成空間２０を作ることができる。
【００２９】
このようにして２次元像形成手段によって生成される２次元像をＺ方向にさらに高速走査することによって電子的に合成立体像を形成できる。自己発光しないＬＣＤのような空間光変調器の場合は別に光源装置を設置する。
【００３０】
また、結像手段の像倍率や収差を二次元像形成手段２１の表示像の大きさ、Ｚ方向走査手段の走査量を制御することによって補正すると歪みのない実像を得ることができる。つまり結像系の倍率の非線型や収差によって生じる実像の歪みを補償するように形成される２次元像とＺ方向の走査量及び速度が与えられている。
【００３１】
（実施の形態２）
図３は結像手段として反射型結像光学系を採用し、２次元像形成手段としてマトリクス型発光ディスプレイを用いた形態の構成図である。
【００３２】
反射型結像系は２枚の凸レンズ作用を有するフレネル反射鏡３１ａ，３１ｂを対向させ、その中心部に開口３２ａ，３２ｂを設け、マトリクス型発光ディスプレイとＺ方向走査によって得られる合成立体像３３を下側の開口位置の下部に置き、上側の開口位置近傍に実像３８を結像させている。したがって観察される実像３８は反射型光学素子である下側のフレネル反射鏡３１ｂによって最終的に結像させられている。破線３９は周辺の光線、一点鎖線は光軸を表している。より具体的には、本実施の形態では等焦点距離の反射ＯＨＰ装置用の大型フレネル反射鏡、マトリクス型発光ディスプレイとしてアクティブマトリクス駆動の有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）表示装置、Ｚ方向走査装置には高速応答可能なボイスコイルモーターを用いた。
【００３３】
アクティブマトリクス駆動のＯＬＥＤ表示装置としてはＳＩＤ Ｄｉｇｅｓｔ ２００１、ｐ１３４に例示されるＳｉトランジスタ駆動の装置や、ＳＩＤ Ｄｉｇｅｓｔ ２００１、ｐ．９７４の例示されるＴＦＴ駆動の装置が使用可能である。ここではｐ−Ｓｉ ＴＦＴ駆動のポリマー型ＯＬＥＤ表示装置を用いた。
【００３４】
なお図３に示すように、下側フレネル鏡３１ｂの開口部３２ｂには実像形成に機能する光を偏光する下側偏光板３５を設置し、ＯＬＥＤ表示装置からの表示光を直線偏光として結像系に入射させている。上側のフレネル反射鏡３１ａの開口部３１ｂに下側偏光板３５と平行ニコル状態で設置された上側偏光板３７は、表示光を選択的に透過させ、ＯＬＥＤ表示装置から発生するノイズ光や光学系で発生する迷光を吸収するようにしている。さらに外光から遮蔽するために、二次元像形成手段全体を暗箱３６内に封じ込んでいる。上側のフレネル反射鏡３１ａの開口部３２ａと上側偏光板３７は、焦点板としての機能を発揮している。なお、この光学系においては実像を形成する最終光学要素として反射型光学素子を用いているが、これに限定されるものでない。
【００３５】
図４は別の電子的合成立体像の形成方法として、２次元像形成手段としてのマトリクス型発光ディスプレイ４１を回転走査する方法の例を示している。図４の場合、像面と平行な回転軸で回転走査装置４２によって高速回転している。Ｚ方向走査と同じく観察者の眼の反応速度よりも高速に回転走査することで合成立体像を形成することができる。走査下側反射フレネル鏡３１の一部を開口し、回転走査装置４２であるモーターとマトリクス型発光ディスプレイを光学的に遮蔽、分離する構成とし、一層の迷光防止とコントラストの向上を図っている。従って、この合成立体像形成方法の場合、合成立体像は反射結像系の内部に置かれ、実像は上部フレネル鏡の開口近傍に結像する。このように合成立体像と実像位置は結像関係を満足していればフレネル鏡周辺で移動することができる。
【００３６】
（実施の形態３）
図５は結像手段として反射型結像光学系を採用し、二次元像形成手段として散乱型液晶ディスプレイを用いた実施の形態である。
【００３７】
反射型結像系は大口径凹面鏡５３、光路を折り曲げる偏光分岐ミラー５５、１／４波長板５６、偏光板５２、５７からなり、電子的合成立体像５１の実像５８を焦点装置５２近傍に結像させる。この合成立体像５１は、図２に示す基本構成からなるもので、マトリクス型散乱液晶ディスプレイ（ＰＤＬＣ型表示装置）とＺ方向走査装置、光源５０から構成される。具体的にはマトリクス型散乱ディスプレイとしてＴＦＴ駆動のＰＤＬＣ型表示装置とボイスコイルモーターによるＺ方向走査装置、そして凹面鏡の有効開口に光束を投影するプロジェクター用光源装置５０から構成されている。
【００３８】
したがって観察される実像５８は反射型光学素子である大口径凹面鏡５３によって最終的に結像させられている。なお二次元像形成手段および光源装置５０以外の光学系全体は暗箱５４内に封じ込み、観察者５９側の結像位置近傍には焦点装置５２として作用する偏光板を設置した。偏光分離ミラー５５は光路を曲げるための目的においてハーフミラーでも機能するが、本実施形態において偏光分離ミラー５５は、電子的合成立体像から発せられた偏光の光路を９０度折り曲げ、１／４波長板と大口径凹面鏡によって構成される偏光回転素子により偏光面が回転した光だけを検光し表示光を選択する機能を付加されている。
【００３９】
透過状態にあるマトリクス型散乱液晶ディスプレイからは入射側の偏光板５７によって偏光されたＰ偏光が出射する。しかしこのＰ偏向は偏光ビームスプリッタ５５を通過し、暗箱の壁で吸収されてしまう。ところがマトリクス型散乱液晶ディスプレイで散乱され偏光が乱れるとＳ偏光成分が生じる。これが合成立体像からの信号光となる。このＳ偏光である信号光は偏光ビームスプリッタ５５で反射され、１／４波長板５６と大口径凹面鏡５３によって偏光面が９０度回転しＰ偏光となった後、再び偏光ビームスプリッタに入射しこれを透過する。
【００４０】
暗箱の外側の開口部付近に設置された偏光板５２は、この合成立体像の信号光を通過する方向に偏光方向を合わせている。こうして合成立体像の実像が形成される。また、この偏光板５２は焦点装置として働くほかに、暗箱内部で発生する迷光を吸収するのと装置周辺の外光が装置内に入り込みノイズ光として視認されるのを防ぐ機能がある。
【００４１】
なお、マトリクス型散乱液晶ディスプレイは、前述した実施の形態１及び２にも適用することができる。
【００４２】
（実施の形態４）
図６はＺ方向に高速走査する散乱型スクリーン６０に投射装置６３から２次元像を投影することによって形成する合成立体像を用いた実施形態である。結像手段は図５に示した反射型結像光学系を採用している。
【００４３】
散乱型スクリーン６０のＺ方向走査方法は、機械的な走査、あるいは積層した散乱型液晶を順次電気的に走査する手法が採用できる。
【００４４】
図６は散乱型スクリーン６０を機械的な走査をする形態を図示している。投影光は散乱型スクリーン６０に対し観察者の反対側から入射するので、視認範囲を決める結像系の有効開口をほぼカバーできるスクリーンの前方散乱特性を必要とする。そこで本形態では、散乱性白色アクリル板をスクリーンに、このスクリーンをＺ方向に走査する手法としてボイスコイルモーター６２を採用した。
【００４５】
合成立体像の形成は次のように行われる。あるＺ位置に置かれたスクリーン６０に対し投射型表示装置からそのＺ位置に対応する２次元像が投影される。高速に走査されるスクリーン６０に順次２次元像を投影することにより電子的に合成立体像６１を形成することができる。
【００４６】
なお、本実施の形態の場合、投射装置６３にはＺ方向にサンプリングされた２次元画像（後述する）を順次生成するよう３原色ＲＧＢに対応した２次元像形成手段である液晶光変調器６０２，６０３，６０４を高速に駆動する液晶ライトバルブ駆動回路６０５が設けられている。投射装置６３の映像投影速度は２次元像の投影に比べＺ方向のサンプリング数だけ高速に切り替えられる。このため強誘電性液晶を用いた液晶光変調器を使用した。
【００４７】
ここで、図６に示すような電子的合成立体像６１を表示する場合、投射装置６３においては、この電子的合成立体像６１をＺ方向に分割してサンプリングした各部分の画像として各液晶光変調器により生成され、スクリーンに向けて順次投射される。
【００４８】
３次元画像を表示する１ケージ（Ｚ方向のスクリーンの走査時間）あたりの描画時間をフリッカ防止可能な３２msecに設定する。Ｚ方向のサンプリング数を１６にとると、各液晶光変調器上で２次元画像を表示する１フレームに割り当てられる時間は２msecとなる。本実施の形態の場合、投射装置６３側の空間光変調器６０２，６０３，６０４は高速応答可能な強誘電性液晶を用いた液晶ライトバルブを用いているので、２msecで充分に表示可能である。
【００４９】
ここでスクリーン６０は高速に順次走査されており、ある時点において任意の位置で、この位置に対応した２次元画像が投射装置６３から投射されなければならない。したがって、スクリーン６０の走査と２次元画像を投射装置６３から投射するタイミングとを同期させる必要がある。さらに、そのスクリーン位置に２次元画像が焦点を結ぶように投射レンズ６０９の動きも同期させる必要がある。そのため、本実施の形態の立体像形成装置では同期信号生成回路６４（同期手段）が設けられており、同期信号生成回路６４で生成された同期信号ＳＹＮＣが液晶ライトバルブ駆動回路６０５、スクリーン駆動回路６０７、アクチュエータ駆動回路６０６にそれぞれ供給され、スクリーン６０の走査タイミング、そのスクリーン位置に対応する２次元画像を投射装置６３から投射するタイミング、スクリーン位置に投射レンズ６０９の焦点を合わせるタイミングが全て同期する構成となっている。
【００５０】
上の説明では説明を簡単にするために、奥行き方向（Ｚ方向）のサンプリング数と投射される２次元画像の数を一致させたものとして説明したが、実際には表示可能な２次元像数よりもＺサンプリング数を多くしておく、すなわちＺ方向のサンプリング数を少しずつ変えた複数の２次元画像データをあるスクリーン位置に対応させておき、Ｚ方向走査毎にＺ方向の表示位置を微少シフトし、液晶ライトバルブの応答速度とＺ走査時間から決まるＺ方向の表示可能なフレーム数を実質的に増加させることができる。この構成において、例えば一つの基準スクリーン位置に対して４個の２次元画像データがあったとすると、この４個のデータを順次時系列的に基準スクリーン位置から定量の微少シフトして表示するようにすれば、特に動画表示の場合、より滑らかな画像を得ることができる。このオーバーサンプリングの手法は奥行き情報を持っているものであれば適用可能で、例えば図４に示した回転走査の場合でも効果を発揮する。
【００５１】
投射装置の空間光変調器としては、強誘電性液晶を用いた液晶ライトバルブの他、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）を用いた投射装置を用いることもできる。また拡大光学系としては、テレセントリック型拡大光学系（望遠鏡光学系）を用いると投射レンズの制御なしでも比較的広範囲に投影像を得ることができる。
【００５２】
次にもうひとつの散乱型スクリーンである積層した散乱型液晶を順次電気的に走査する散乱型液晶スクリーンの実施形態を説明する。図７はその構成図である。散乱型液晶スクリーン７０は、光の散乱状態と透明状態を切り換え可能な１６組の液晶セル７５（図７では４組のみ図示する）が積層された液晶セル群からなり、全体として半球状に形成されている。球面側が結像装置側であり、平坦面側が投射装置からの光が入射される面である。各液晶セルは一対の透明基板に透明導電膜が全面に形成されており、液晶層に電界が印加される。そして、液晶セルと液晶セルの間は透明基板とほぼ等しい屈折率の材料、例えばPMMA等の材料で充填されている。
【００５３】
スクリーン７０には、図７に示すように、１６組の液晶セル７５のうちのいずれか一つを散乱状態とし、その散乱状態の液晶セル７５を順次高速に走査するように液晶セル群を駆動するスクリーン駆動回路７０７（スクリーン駆動手段）が設けられている。散乱状態となった液晶セル７５のみ画像の表示が可能となる。
【００５４】
ここでは、スクリーン７０を構成する液晶セルとして、本発明者らが先に開発した、Journal of the SID vol.7/1、pp.23-27に記載のＩＲＩＳ（Internal-Reflection Inverted-Scattering）モードの液晶パネルを採用する。このパネルでは液晶印加電圧を２０Ｖ程度まで上げると応答速度は１msec以下となるため、２msecで充分に応答可能である。この液晶モードは、ＰＤＬＣ（Polymer-Dispersed Liquid Crystal）の一種である高分子分散型液晶を用いており、ポリマー前駆体やモノマーを含有する液晶にＵＶ光を照射することによってポリマー前駆体やモノマーを重合させる。この際、ポリマー前駆体やモノマーが液晶中でゲストとして配向し、この配向状態のまま光重合することでポリマー骨格が特定方向に並んで固定化される。例えば、モノマーとして光感光性のメタクリレート、液晶にはシアノビフェニル系液晶をベースとしたネマティック液晶を用いることができる。
【００５５】
そして、ＵＶ照射条件、液晶材料、ポリマー前駆体やモノマーの材料等を適宜選択することにより液晶とポリマーを屈折率をほぼ一致させた状態で配向させ、光学的に透明な状態とすることができる。つまり、液晶層に電界が印加されない状態（ＯＦＦ状態）で透明状態となる。次に、液晶層に電界が印加されると、液晶は電界に沿って再配向する。ここで電界に追随しないポリマーとの間で屈折率の差異が生じ、入射した光は直進せずに光散乱を受ける。つまり、液晶層に電界が印加された状態（ＯＮ状態）で散乱状態となる。従来一般のＰＤＬＣがＯＦＦ時に散乱、ＯＮ時に透明であったのに対し、ＩＲＩＳモードの液晶パネルはＯＦＦ時に透明、ＯＮ時に散乱となる点が大きな特徴点である。
【００５６】
スクリーンを構成する液晶セルとしては、駆動にかかる負担を考えなければ、上記ＩＲＩＳモードの液晶セルの他、ＮＣＡＰ（Nematic Curvilinear Aligned Phase）型、ＰＮ（Polymer Network）型の液晶セルなどを用いることもできる。
【００５７】
このようにして散乱状態の液晶セル７５が液晶セル群中で高速に順次走査されていき、ある時点において任意の一つの液晶セル７５が散乱状態となった時、散乱状態の液晶セル５に対応した２次元画像が投射装置７３から投射されなければならない。したがって、スクリーン７０のいずれか一つの液晶セル７５を散乱状態とするタイミングと散乱状態の液晶セル７５に対応する２次元画像を投射装置７３から投射するタイミングとを同期させる必要がある。さらに、その散乱状態の液晶セル７５上に２次元画像が焦点を結ぶように投射レンズの動きも同期させる必要がある。以下、図６の説明と同様に同期信号生成回路６４（同期手段）が設けられており、同期信号生成回路６４で生成された同期信号ＳＴＮＣが液晶ライトバルブ駆動回路６０５、スクリーン駆動回路７０７、投射装置の結像レンズ６０９のアクチュエータ駆動回路６０６にそれぞれ供給されている。また、Ｚ方向のオーバーサンプリングについても図６の場合と同様な効果が現れる。例えば１組の液晶セルに対して４個の２次元画像データがあったとすると、この４個のデータを順次時系列的に表示するようにすれば、より滑らかな画像を得ることができる。
【００５８】
（実施の形態５）
図８は結像手段として図３と同様な反射型結像光学系を採用し、合成立体像と結像された実像の間に偏光選択素子と位相板を設置した形態の概略構成を示す図である。
本実施の形態の立体表示装置は、電子的に形成された合成立体像８１、反射型結像手段を構成する凸レンズ作用を持つ結像光学素子８２ａ，８２ｂ、実像８８形成に機能する偏光を分離する反射偏光選択素子８３、位相差板８４、ミラー８５から概略構成される。必要に応じ、上側偏光素子８６を設置すると反射偏光選択素子８３からの外光の反射を効果的に抑制できる。図８中で両矢印８７、二重円８９は、それぞれ直線偏光の電界振動方向あるいは透過軸が紙面に平行、垂直であることを示している。
【００５９】
反射型としての結像作用は、凸レンズ作用を持つ二つの光学素子８２ａ，８２ｂと反射偏光選択素子８３、そしてミラー８５によって生じる。合成立体像８１の点像から発せられる偏光は上部の結像光学素子８２ａを経て反射偏光選択素子で両矢印８７方向の電界振動する偏光だけが反射される。次に下部の位相差板８４を透過し下部の結像光学素子８２ｂを経てミラー８５で折り返される。位相差板８４によって偏光方向を９０度曲げられ出射した偏光は再び上部の結像光学素子８２ａを経て反射偏光選択素子８３に入射する。結像光学素子８２ａ，８２ｂは複屈折が実質的に小さく、位相変化に影響しない素材を用いている。反射偏光選択素子８３の透過軸は、図８中では二重円８９で示す紙面に垂直な方向に設定してあるので、この光路を通ってきた合成立体像８１から発せられた偏光だけが外部に出射できる。なお上側偏光素子８６はこの光を透過する方向にその透過軸を合わせているのでこれも透過できる。こうしてこの光路を通ってきた光は実像８８を結び、観察者はこれを視認できる。また、合成立体像８１からの光は反射偏光選択素子によって透過できないので直接上方から合成立体像８１は観察できない。またこの偏光による直接光の分離作用は視認方向を格段に拡大させる。つまり開口部を空けて視認方向を限定し直接光と結像する表示光を分離していた従来の米国特許明細書第２６２８５３３号公報や米国特許明細書第３６４７２８４号公報、米国特許明細書第５５０８７６３号公報などに記載の立体表示装置に比べ開口部の制約がないため表示光が出射する方向すべてを視認することができる。このように偏光による分離と大開口を実現できる反射結像系により視認範囲が拡大される。
【００６０】
一方、偏光していない外光は上側偏光素子８６と反射偏光選択素子８３を通過して反射型結像手段に入射するが、下側の位相差板８４を介してミラー８５によって反射された後、偏光方向が変えられてしまい結像手段の外部に出射できない。再度反射した後には出射可能であるが、反射による減衰、光学要素の反射によって実質的にはほとんど外部に出射できない。また必要に応じ、下側偏光素子８０を反射偏光選択素子８３の光学的な結像系側（図８中 ８３の下側）に部分的に設置することによって上記の多重反射成分をさらに有効に吸収することができる。このようにして外光によるノイズ光を減少させることができる。以上から、外光と直接光を実像形成から排除する事ができるためコントラストに優れた実像の形成が可能となった。なお図８において、簡単のため外光についてはレンズ作用を無視して偏光の状態を記して説明してある。
【００６１】
合成立体像８１は、実施の形態１及び２、３で前述した装置によって形成される。例えばＸ−Ｙマトリクス型ディスプレイにＺ方向走査を行う装置などを適用できるが、合成立体像８１からの光のうち結像に寄与する偏光を直接出射するか、偏光素子によって偏光する必要がある。たとえば偏光の出射は図３のように偏光板を通して外部から反射型結像系に入射させる方法や、合成立体像が内部に形成される場合であっても反射偏光選択素子に向かう光束を覆う偏光板を合成立体像の近傍に設置すれば実質的に機能する。このような理由から図８中の合成立体像８１の位置は実像を結像できればよいだけであり厳密な位置を示していない。
【００６２】
より具体的には、本実施例の実施の形態において、反射偏光選択素子にはInternational Display Research Conference 1997 p.M-98 記載のD-BEF型偏光子（３M社製）、液晶 vol.2, 1998, p.32記載のBrightmax（Merck社製）と1/4波長板の組み合わせ， SID Digest 2001 p.1282, p.1287に記載のWire-Grid型偏光子等の製品を用いることができる。 また、反射型結像手段の結像素子としては凸レンズ作用を有する低複屈折、低歪みフレネルレンズ等を用いることができる。位相板は広帯域の１／４波長板が好適である。
【００６３】
図９は反射型結像光学系として一枚の凹面鏡９２と反射偏光選択素子９３としてD-BEF素子を用いた場合の立体表示装置９０１の構成図である。合成立体像９１からの偏光した表示光（紙面に平行）はD-BEF素子９３で反射され（紙面に垂直成分を透過）、次に１／４波長板９４と凹面鏡９２によって偏光が９０°曲げられて反射し、再びD-BEF素子９３に入射する。表示光はD-BEF素子９３を透過できる偏光状態となっているのでD-BEF素子９３、偏光板９６（透過軸は紙面に垂直）を透過し、実像９８を結像する。図９中で光線９０２は、近軸領域の結像関係を示すもので、光軸９０３に対し平行な光線と主点を通る光線を示している。また９０４は反射型結像光学系から決まる最大視認範囲を示している。合成立体像９１は、実施の形態１乃至３で前述したＺ方向走査を加えられたＸ−Ｙマトリクス型ディスプレイによって作られ、偏光板を通して表示光を出射している。
【００６４】
結像した立体実像９８を観察すると、立体実像以外のほとんどの外光は吸収されるため黒い背景に実像が浮かんで観察される。これは偏光板９６を上部から見ると、近似的には偏光板の下に１／４波長板、ミラーを設置した構成と等価に成って外光が吸収されるためである。また立体表示装置９０１全体は外光が侵入しない光学的な暗箱に入れられている。図９の実施の形態では反射型結像素子として凹面鏡をだけを用いることで、高価な低複屈折、低歪みフレネルレンズ等を使用しないで済む利点がある。
【００６５】
図１０は反射型結像光学系として凹面鏡１０２と凸レンズ作用を有するフレネルレンズ１０００と反射偏光選択素子として前述したWire-Grid素子１０３を用いた場合の構成図である。Wire-Grid素子１０３はサブミクロンの金属細線アレイからなる素子で細線方向の直線偏光を反射し、直交する方向の偏光を透過する偏光選択作用を有している。すなわち、WireGrid素子１０３は、ほぼ鉛直に入射される光に対して直交した直線偏光に応じ、反射、透過の選択作用を有する。
【００６６】
円偏光素子１００６によって円偏光入射した表示光は１／４波長板１０４で直線偏光（紙面に平行）となり、凹面鏡の開口部１００５を経て反射型結像系に入射する。直線偏光となった表示光は、フレネルレンズ１０００を透過し、前述のWire-Grid素子９３で反射される（紙面に垂直成分を透過）。次に１／４波長板１０４と凹面鏡１０２に入射し、これらによって偏光が９０°曲げられて反射し、再びフレネルレンズとWire-Grid獅子１０３に入射する。今回、表示光はWire-Grid素子１０３を透過できる偏光状態となっているのでWire-Grid素子１０３、偏光板１０６（透過軸は紙面に垂直）を透過し、実像１０８を結像する。
【００６７】
図１０に示す実施の形態では、具体的にはフレネルレンズとしてオーバーヘッドプロジェクター用の低複屈折、低歪みの焦点距離１０００ｍｍの大型レンズを用いた。Wire-Grid素子１０３と組み合わせた反射レンズとしてはほぼ半分の焦点距離となる。もう一方の凹面鏡の焦点距離はフレネルレンズと同じ５００ｍｍとし、凹面鏡とフレネルレンズ間の距離をほぼ４００ｍｍに設定した。合成立体像１０１と観察される実像１０８は凹面鏡１０２とフレネルレンズ１０００の外側となる構成である。このようにして等倍の反射型結像光学系を構成した。図１０中で光線群１００２は、光軸１００３に対し近軸領域の結像関係を示している。また１００４は反射型結像光学系から決まる最大視認範囲を示している。また立体表示装置１００１全体は外光が侵入しない光学的な暗箱に入れられている。
【００６８】
この立体表示装置の合成立体像１０１は、実施の形態１乃至３で前述した装置によって形成されている。
【００６９】
また図８、図９、図１０に示した立体表示装置は観察者側の偏光素子や反射偏光選択素子を上方から観察者が見ることになり、この近傍に焦点を合わせる。実像はこの近傍に形成されるので無理なく実像に眼の焦点を合わせられる利点を有している。
【００７０】
図９、図１０の本発明の立体表示装置は、偏光による表示光とノイズ光を分離することによってより鮮明な立体表示を得ることができる。また開口による制約がないため視野が広く、合成立体像そのままの実像を多人数で観察が可能となる。
【００７１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、高いコントラストで歪みのない、かつ高精細な動く立体実像を空間に再現することができる。
【００７２】
また、発光型のカラーマトリクスディスプレイや散乱型液晶マトリクスディスプレイ、カラープロジェクターを２次元像の原像に採用することができるのでフルカラーの動く実像再生も容易である。
【００７３】
さらに視野が広く同時に多人数での観察も可能となり、医療や産業用途、さらにはゲームなどへの応用が可能である。
【００７４】
電子的な合成立体像の実像を観察しているために、力覚デバイスのポインターを実像再生空間に侵入させることができる。たとえばＣＴ像の内部にポインターを当ててそこでの感触を得ることができる。このように力覚デバイスとの相性が良い立体表示装置である。
【００７５】
また回転による奥行き走査や投影型の２次元像生成を行うことで機械的な振動を取り除くことができ、静かな表示を可能とする。
【００７６】
本発明により、人間の両眼視差の作用を利用したものではないので、偏光めがね等の装着物を用いる必要がない。また輻輳と調節の矛盾を感じないため疲労感のない自然な３次元立体像を表示可能な立体表示装置を実現することができる。
【００７７】
さらに偏光によって表示光とノイズ光、外光を分離することによってコントラストの高い実像観察ができる。また、合成立体像からの直接光も制限できるので結像した実像と立体合成像が重なって観察されることがない。開口による表示光を分離する手法に比べ、視認エリアが開口部に制限されない利点も生じる。
【００７８】
また反射型の結像光学系を用いることで大開口結像系を構成し、視認範囲をさらに大きく取ることができる。光路を折りたためることから装置をコンパクトに構成できる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１の立体表示装置を示す概略構成図である。
【図２】  同装置における立体像形成装置の概略構成を示す斜視図である。
【図３】  本発明の実施の形態２の立体表示装置を示す概略構成図である。
【図４】  別な電子的合成立体像の形成方法を示す斜視図である。
【図５】  本発明の実施の形態３の立体表示装置を示す構成図である。
【図６】  本発明の実施の形態４の立体表示装置を示す構成図である。
【図７】  同装置における別の投影型立体像形成装置を示す構成図である。
【図８】  本発明の実施の形態５の立体表示装置を示す構成図である。
【図９】  同装置における別の立体像形成装置を示す構成図である。
【図１０】  同装置における別の立体像形成装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１、９０１、１００１  立体表示装置
２、３３、５１、６１、８１，９１，１０１  合成立体像
３  結像手段
４、５２  焦点装置
１０、３８、５８、８８、９８、１０８  結像された実像
２１ ２次元像形成手段
２３ Ｚ方向走査手段
３１ フレネル反射鏡
３５、３７、５２、５７、８０，８６、９６、１０６ 偏光板
４１  マトリクス発光ディスプレイ
４２  回転走査装置
５０  光源
５３、  大口径凹面鏡
５５  偏光分岐ミラー
５６、８４、９４、１０４  １／４波長板
６０  散乱型スクリーン
６２  ボイスコイルモーター
６３、７３  投射装置
７０  散乱型液晶スクリーン
７５  液晶セル
８３、９３、１０３  反射偏光選択素子
８２、９２、１０２  凸レンズ作用を持つ光学素子
８５  ミラー
【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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