(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体画像を表示する立体画像表示装置であって、
表示物体の奥行き距離情報に応じて画像表示出力光の波長を決定し、該波長を有する光で表示された二次元画像を構成する複数の画素から、各画素において別個独立に、任意の波長を持った光を出力する二次元画像表示手段と、
前記光を、前記任意の波長に応じて異なる点に結像させる結像手段とを備え、
該結像手段が、屈折型レンズを含む波長依存型のレンズ、又は波長依存型焦点距離可変レンズをアレイ状に配置したレンズアレイであることを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項２】
立体画像を表示する立体画像表示装置であって、
表示物体の奥行き画像情報に応じて画像出力光の波長を決定し、該波長を有する光で表示された二次元画像を構成する複数の画素から、異なる波長を持った光を任意の強度で出力する複数の二次元画像表示手段と、
各々の前記二次元画像表示手段に対応して設けられ、前記光を前記光の波長に応じて異なる点に結像させる複数の結像手段と、
前記複数の結像手段によりそれぞれ得られた画像を合成する画像合成手段とを備え、
前記異なる波長を持った光により奥行きの異なる位置に再生された前記画像間の輝度比を制御することにより、前記表示物体面の色をカラー立体像として再現することを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項３】
立体画像を表示する立体画像表示装置であって、
表示物体の奥行き画像情報に応じて画像出力光の波長を決定し、該波長を有する光で表示された複数の二次元画像を所定の時間間隔で切り替え表示すると共に、表示された前記二次元画像を構成する複数の画素から異なる波長を持った光を出力する二次元画像表示手段と、
前記光を前記光の波長に応じて異なる結像点に結像させると共に、前記二次元画像の前記切り替え表示に同期して前記結像点の位置を変化させる結像手段とを備えたことを特徴とする立体画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体画像を表示する立体画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来においては、数多くの立体画像表示方法が提案されているが、なかでも一般的な立体画像表示方法として、図１に示されるような二眼立体表示方法がある。
【０００３】
この二眼立体表示方法は、図１に示されるように、左眼４６に対応した左眼用画像４８と、右眼４７に対応した右眼用画像４９の２枚の視差画像を使用し、観察者が偏光メガネまたは偏光切替シャッター５０を装着することにより、それぞれの眼に対応する画像のみを提示し、再生立体画像５１を該観察者に認識させる方法である。
【０００４】
この方法は、比較的少ない情報量で容易に立体画像を表示することができるという特徴をもつが、再生立体画像５１を人間が観察する場合には、輻輳距離５２と焦点距離５３の違いにより観察者に視覚疲労を生じさせるという問題がある。なお、このことは視差画像を提示する方法のみにより立体画像を表示する方法に共通した問題とされる。
【０００５】
ここで、視覚疲労を生じさせることの少ない立体画像を表示させるには、空間上に立体画像を再生させる方法が有効である。そして、このような方法には、ホログラム表示方法や、奥行き標本化方法がある。このホログラム表示方法は、自然な立体表示を実現できる可能性を有するが、被写体の干渉縞情報が必要であり情報量が膨大となるため、超高精細な表示装置が必要となり、動画立体像を表示するためには多くの問題がある。
【０００６】
一方、奥行き標本化方法は、物体の各奥行き位置における二次元標本化画像を、空間上に体積的に表示するものである。この方法では、奥行きを持った立体像が三次元空間中に再現されるため、輻輳距離と焦点距離が一致するため観察者に与える視覚疲労が少なくなると共に、観察者が移動した場合においても自然な立体像を提供することができる。
【０００７】
この奥行き標本化方法には、振動するミラーに映像を映して立体画像を表示するバリフォーカルミラー方式や、スクリーンが機械的に高速移動する移動スクリーン方式、あるいは回転する螺旋形のスクリーンを使用する方式等があるが、いずれも機械的な駆動部分に起因して実用化が困難となっている。
【０００８】
また、機械的な駆動部分を持たない装置により立体像を表示する方法として、ハーフミラー合成方法がある。この方法では、現在実用化されているテレビモニタを使用でき、比較的高い画質の映像表示が可能であり、また特殊な装置が不要で全体の装置構成が簡単となる特徴を有するが、奥行きの階調に相当する数多くの表示装置が必要であり奥行き階調数を増やすことが困難であることや、ハーフミラーによる光のロス及び装置の大型化が問題となる。
【０００９】
近年においては、機械的な駆動部を持たない一台の二次元画像表示装置を用いて奥行き標本化立体像を表示する方法が提案されている。図２は、液晶焦点可変レンズを用いた従来の奥行き標本化方法を説明する図である。この従来の奥行き標本化方法は、図２に示されるように、二次元画像表示装置５４に画像５５，５６を順次表示し、その後方に配置した数ｃｍ以上の直径を持った液晶焦点可変レンズ５７の焦点距離を表示画像の表示に同期して変化させ、空間上に各再生画像５８，５９を異なる奥行き位置に表示し、観察者６０に立体画像を提示する方法である。そして、この方法の特徴は、立体画像表示装置に機械的な駆動部分が不要であり、また観察者も特殊メガネを装着する必要がなく、自然な立体画像を表示することができることにある。
【００１０】
しかし、奥行き画像を順次高速に切り替え表示してゆく時間分割方法による奥行き標本化表示は、人間の眼における残像時間内に立体画像の表示を完了しないとフリッカが観察者に知覚されてしまう。一方、一つの奥行き画像の表示時間が短くなると画像の輝度が低下してしまう。また、従来のビデオ信号で１画像を表示する時間内、つまり例えば１／６０秒間に、奥行き階調数に相当する多数の画像を高速表示する特殊な表示装置が必要となる。
【００１１】
ここで、画素単位で奥行きを再現する空間分割表示方法では、上記の時間分割方法における奥行き標本化表示の問題点を解決し、視覚疲労の少ない自然な動画立体像表示が可能である。そして、この空間分割方法の一例として、微小な焦点可変光学素子を画素単位で設けることにより個々に焦点位置を変え、奥行きを表現する方法がある。
【００１２】
しかしながら、この方法では画素数に匹敵する多数の焦点可変レンズの製作や、それを駆動する方法に極めて高度な技術が必要となる。また、焦点可変素子として大きな屈折率変化を伴い電気制御が可能な素子として液晶レンズを用いることも考えられるが、現在提案されている液晶レンズの構造では、駆動電圧が高く応答速度が遅いことなどが問題となる。
【００１３】
さらに、視野角については、各画素に設けられた焦点可変レンズの焦点距離とレンズ径の関係に依存するため、画素に相当する極めて微細なサイズの焦点可変素子では、立体画像の奥行き再現範囲もしくは視野角が制限され、奥行き感のある立体画像表示を実現することは難しいと思われる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の問題を解消するためになされたもので、視覚疲労を与えることが少なく高画質な立体画像を簡易な構成により表示する立体画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、立体画像を表示する立体画像表示装置であって、表示物体の奥行き距離情報に応じて画像表示出力光の波長を決定し、該波長を有する光で表示された二次元画像を構成する複数の画素から、各画素において別個独立に、任意の異なる波長を持った光を出力する二次元画像表示手段と、上記光を光の波長に応じて異なる点に結像させる結像手段とを備え、該結像手段が、屈折型レンズを含む波長依存型のレンズ、又は波長依存型焦点距離可変レンズをアレイ状に配置したレンズアレイであることを特徴とする立体画像表示装置を提供することにより達成される。
【００１６】
このような手段によれば、二次元画像表示手段に表示された二次元画像から出力された波長の異なる光を三次元空間内の異なる点に結像することによって、立体画像を表示することができる。
【００１７】
また、本発明の目的は、立体画像を表示する立体画像表示装置であって、表示物体の奥行き画像情報に応じて画像出力光の波長を決定し、該波長を有する光で表示された二次元画像を構成する複数の画素から、異なる波長を持った光を任意の強度で出力する複数の二次元画像表示手段と、各々の二次元画像表示手段に対応して設けられ、上記光を光の波長に応じて異なる点に結像させる複数の結像手段と、複数の結像手段によりそれぞれ得られた画像を合成する画像合成手段とを備え、前記異なる波長を持った光により奥行きの異なる位置に再生された前記画像間の輝度比を制御することにより、前記表示物体面の色をカラー立体像として再現することを特徴とする立体画像表示装置を提供することにより達成される。
【００１８】
このような手段によれば、画像合成手段により合成される複数の像の間の輝度比を制御することにより、任意の色を有する立体画像を容易に表示することができる。
【００１９】
また、本発明の目的は、立体画像を表示する立体画像表示装置であって、表示物体の奥行き画像情報に応じて画像出力光の波長を決定し、該波長を有する光で表示された複数の二次元画像を所定の時間間隔で切り替え表示すると共に、表示された二次元画像を構成する複数の画素から異なる波長を持った光を出力する二次元画像表示手段と、上記光を光の波長に応じて異なる結像点に結像させると共に、二次元画像の切り替え表示に同期して結像点の位置を変化させる結像手段とを備えたことを特徴とする立体画像表示装置を提供することにより達成される。
【００２０】
このような手段によれば、所定の時間間隔で二次元画像表示手段に表示する二次元画像と該結像点の位置を変化させるため、人間の眼に生じる残像効果を利用して任意の色を有する立体画像を容易に表示することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施の形態を図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２２】
本発明の実施の形態に係る立体画像表示装置は、新たな空間分割表示方法を採用したもので、表示対象物の奥行き情報をもとに立体画像を表示するものである。  すなわち、該立体画像表示装置は、表示対象物の奥行き距離情報に応じて任意の波長の光を画素ごとに出力し表示する二次元画像表示装置と、光の波長により大きく焦点距離が異なる波長依存型焦点可変光学系とを備え、空間上に奥行きのある立体画像を表示するものである。
【００２３】
すなわち、表示物体の奥行き距離情報に応じて画像表示出力光の波長を決定し、該波長を有する光で表示された画像を、光の波長により異なる焦点距離を有する光学系を用いて画像を作ることで、奥行き方向に立体的な像を表示することができる。また、該装置を複数用いて表示対象物の像を作り、各奥行きにおいて異なる波長の光を合成して各光の強度比を変化させることにより、被写体の表面の色を再現したカラー立体像を表示することができる。
【００２４】
本発明の実施の形態に係る立体画像表示装置によれば、各画素毎に出力光の波長を制御し奥行きを再現する空間分割方法を採用するため、特殊な高速画像表示装置を不要とし、時間分割方法で生じるフリッカや明るさの問題を解決することができる。
【００２５】
また、本発明の実施の形態に係る立体画像表示装置によれば、奥行き階調数に匹敵する多数の表示装置は不要であるため、装置を小型化することができる。さらに、波長を連続的に変化させることにより、奥行き方向において任意の位置に像を再生することができる。
【００２６】
また、視域は波長依存型焦点可変レンズの開口数に依存するため、径の大きなレンズまたはマイクロレンズをアレイ状にして開口数を大きくしたレンズを用いることにより、奥行き距離再現範囲と視域の両方を拡大することができる。
【００２７】
さらに、本発明の実施の形態に係る立体画像表示装置によれば、従来の高精細な二次元画像表示装置を利用することができると共に、電気的に波長を選択できるフィルタ機能素子と色収差が大きい波長依存型焦点可変光学系とを組み合わせることで、自然な立体動画像を表示することができる。
【００２８】
以下において、本発明の実施の形態に係る立体画像表示装置について、より具体的に説明する。
［実施の形態１］
図３は、本発明の実施の形態１に係る立体画像表示装置を示す図である。図１に示されるように、本実施の形態１に係る立体画像表示装置は、フィルタ制御装置１２と二次元画像表示装置１、及び波長依存型焦点可変光学系６を備えるものである。ここで、二次元画像表示装置１はフィルタ制御装置１２に接続される。
【００２９】
上記二次元画像表示装置１は、任意の波長を持った光を出力するが、例えば白色光のバックライトで照明され、各画素毎に選択的に任意の波長のみを透過する素子から構成される。そして、二次元画像表示装置１は、例えば画素２から出力される光３の波長と画素４から出力される光５の波長を適当に選択することによって、二次元画像表示装置１の後に配置された波長依存型焦点可変光学系６を透過した各光３，５を観察者９から見て奥行きの異なる結像点７及び結像点８でそれぞれ結像させる。このような原理によって、観察者９に対して奥行きを持った立体像１０を表示（提示）することができる。
【００３０】
また、フィルタ制御装置１２は、供給される奥行き距離情報に応じて二次元画像表示装置１の出力光波長フィルタを制御することによって、各画素から出力される光の波長を選択する。ここで、上記奥行き距離情報１１は、距離検出機能を有する撮像装置により実際に被写体を撮影することにより得られた距離値や、コンピュータグラフィックスなどにより人工的に得られた距離値とされる。
【００３１】
以下において、上記二次元画像表示装置１を具体的に説明する。
【００３２】
一般に、オプティカルバンドパスフィルタとして、複屈折板を２枚の偏光子で挟んだものを多数積層することにより、特定波長の鋭い透過スペクトルを得るリヨフィルタ（Lyot-filter）がある。そして、このフィルタに使用する複屈折板として、電気的に複屈折効果が変化する媒質を使用することで、波長可変バンドパスフィルタを構成することができる。ここで例えば電気的に複屈折効果が変化する液晶を媒質として用いることにより、電気的に波長を選択できる波長可変バンドパスフィルタを構成することができる。
【００３３】
そして、このような液晶可変リヨフィルタを上記二次元画像表示装置の各画素に対応するようアレイ状に配置し、該画素を個々に制御する制御装置を設けることにより、任意の波長を持った光を画素毎に出力することが可能となる。
【００３４】
図４は、図３に示された二次元画像表示装置１の構成例を示す図である。図４に示されるように、二次元画像表示装置１は、発光体２２と画像表示部２４、及び波長可変フィルタ素子２５とを備え、波長可変フィルタ素子２５は複数の並設された偏光板２６を含む。
【００３５】
ここで、画像表示部２４は発光体２２に対向して設けられ、波長可変フィルタ素子２５は画像表示部２４の出力側に配設される。このような構成を有する二次元画像表示装置１では、発光体２２から出力された可視光領域の波長を持った白色光２３が、輝度画像を表示する画像表示部２４へ入力され強度変調される。
【００３６】
なお、上記「強度変調」とは被写体映像の輝度が高い箇所は明るく、輝度が低い箇所は暗く処理することをいう。従って、該強度変調により、白黒のテレビ画像を作成する際と同様な変調がなされることになる。そして、この「強度変調」では入射された白色光の透過率を変化させることによって透過光の強度が制御されるが、例えば偏光板に挟まれた液晶パネルのように、電気的な制御により外部から入射された光の透過光量が制御される。
【００３７】
ここで、図４に示された画像表示部２４は透過型の液晶パネルにより構成することができる。そして、この画像表示部２４において上記のように強度変調された白色光は、任意の波長を選択する波長可変フィルタ素子２５へ入力される。ここで、波長可変フィルタ素子２５は、２枚の平板な偏光板２６で挟まれた電気駆動型液晶表示装置２７が複数積層された構造を持つ。
【００３８】
そして、画像表示部２４の画素と複数の電気駆動型液晶表示装置２７の画素は、それらの配置と数及び大きさが同じものとされ、画素単位で独立に透過光の波長を選択できるものとされる。すなわち、波長可変フィルタ素子２５へ入射された白色光は、各偏光板２６と各電気駆動型液晶表示装置２７において波長に依存した透過率で透過されるが、その透過率の波長依存性を各電気駆動型液晶表示装置２７で異なるものと設定することにより、各画素において別個独立に、所望の波長を持った光２８だけを選択的に透過させることができる。
【００３９】
また、該偏光板２６に挟まれた電気駆動型液晶表示装置２７を積層すると、厚みが大きくなるため、画像表示部２４から出力される光束が広がりを持ち波長可変フィルタ２５内を通過する場合には画素間でのクロストークが起こるが、各電気駆動型液晶表示装置２７間の対応する画素をファイバーやマイクロレンズなどによりつなぐことで、光が横方向へ広がることを防ぐことができる。
【００４０】
図５は、図３に示された二次元画像表示装置１の他の構成を示す図である。図５に示されるように、二次元画像表示装置１ａは図４に示された二次元画像表示装置１と同様な構成を有するが、波長可変フィルタ素子２５の代わりに波長可変フィルタ素子２９を備える点で相違するものである。
【００４１】
ここで、図５に示された画像表示部２４では、図４に示された画像表示部２４と同様に輝度濃淡画像が表示され、画像表示部２４から出力された光は任意の波長を選択する波長可変フィルタ素子２９へ入力される。
【００４２】
一方、この波長可変フィルタ素子２９は、複屈折効果が電気的に変化する媒質３０が電極付きの２枚の平行平板な高い反射率をもつ基板３１に挟まれた構成を有し、多光束干渉系を構成する。ここで、上記媒質としては例えば液晶を使用することができ、印加電圧を変化させる等の電気的手段によって複屈折効果を変化させることにより任意の波長を持った光２８を選択的に出力することができる。
【００４３】
なお、上記基板３１としては例えば高い面精度をもつガラス基板に銀やアルミの金属膜を蒸着したものや、誘電体を多層に蒸着し高い反射特性を持たせたもの（いわゆるエタロン）を使用することができる。
【００４４】
図６は、図３に示された二次元画像表示装置１のさらに他の構成を示す図である。図６に示されるように、この二次元画像表示装置１ｂは、発光体２２と分光光学系３２、レンズアレイ３４、及びフィルタ装置３６を備え、フィルタ装置３６は各画素に対応して複数のサブピクセル３７を含む。
【００４５】
上記のような構成を有する二次元画像表示装置１ｂでは、可視光領域の波長を持った白色光２３が発光体２２から出力されるが、この白色光２３は分光光学系３２により波長の異なる光毎に空間的に分離され、スペクトル３３が形成される。
【００４６】
なお、上記分光光学系３２としては、屈折率の波長依存性を利用して分光するプリズムや回折角度の波長依存性を利用した回折格子、あるいは空間的に波長に依存した透過率特性分布を持つ干渉フィルタ等を使用することができる。
【００４７】
また、空間的に分光したスペクトル３３をもとに、レンズアレイ３４は各画素につき少なくとも１個の割合で像３５を作成する。そして、この像３５も分光光学系３２により分光された光と同様に空間的に分光した画像、つまり赤から青まで虹色に光が広がった画像となる。ここで、このような像３５より特定の波長を持った光２８を取り出すためには、像３５を形成する光の一部のみを選択的に透過させればよい。
【００４８】
すなわち、フィルタ装置３６では、一つの画素を構成する複数のサブピクセル３７のうち画素毎に一部のサブピクセル３７のみを透過状態とし、それ以外のサブピクセル３７は光を透過しない状態とする。これにより、画素毎に光を透過させるサブピクセル３７の位置を選択することによって、各画素毎に所望の波長を持った光２８を出力することができる。
【００４９】
以下において、図３に示された波長依存型焦点可変光学系６について詳しく説明する。本実施の形態１に係る波長依存型焦点可変光学系６には屈折型レンズで波長依存性が大きいものが使用できる。ここで、屈折型レンズとして波長による屈折率の変化が大きい材料を選択することにより、焦点距離の波長依存性を大きなものとすることができる。
【００５０】
そして、該屈折型レンズを構成する材料としては、アッベ数が小さい材料、つまり波長に対する屈折率変化が大きい高分散な特性を持つものが適しており、例えば重チタンフリントや重フリント、重ランタンフリント、ランタンフリント等の光学ガラス材料が該当する。
【００５１】
また、光の回折現象を利用した反射または透過タイプの回折型レンズでは、その焦点距離の波長依存性は波長の逆数に比例するため、比較的大きな焦点距離の波長依存性を容易に実現することができる。
【００５２】
ここで、回折型レンズによりどの程度の焦点距離依存性が得られるかについての試算を示す。まず該回折型レンズの焦点距離ｆと波長λとの関係は、次式（１）により示される。なお、ａは定数とされる。
ｆ＝ａ／λ    …（１）
このとき、例えば波長632.8nmで焦点距離0.8mのレンズを用いた場合には、可視波長域の短波長400nmにおける焦点距離ｆ４００は、次の式（２）により算出される。
ｆ４００＝632.8×10-9×800×10-3／400×10-9＝1.26m    …（２）
また、可視波長域の長波長700nmにおける焦点距離ｆ７００は同様に次の式（３）により算出される。
ｆ７００＝632.8×10-9×800×10-3／700×10-9＝0.72m    …（３）
従って、可視波長域での焦点距離の変化Δｆは、次式（４）により算出される。
Δｆ＝ｆ４００−ｆ７００＝1.26−0.72＝0.54m    …（４）
このことから、非常に大きな焦点距離の変化が得られることがわかる。
【００５３】
また、回折光学素子としては、レーザ光や電子ビーム描画装置等で干渉縞が記録されたホログラフィック光学素子等を使用することができる。そして、このホログラフィック素子としてのレンズは、レーザ光を干渉させホログラム乾板やフィルムに記録するのみで容易に作成でき、そのサイズも数十ｃｍ以上の大きなものも作製できる。なお、該ホログラフィック素子レンズを用いた場合における０次や高次の回折光の影響を避けるためには、参照光と物体光の光軸をずらして作製することも有効である。
【００５４】
また、リソグラフィー手法により２値の位相パターンで形成するバイナリーオプティクスも波長依存型焦点可変光学系に使用できる。バイナリー光学素子は、電子集積回路と同様にマスクアライメント及び露光、現像、エッチング、レジスト除去といった一連の手順により形成される階段状のレンズであり、比較的簡単に作製することができると共に、上記の作製工程を複数回繰り返して位相の階段段数を増やすことにより回折効率を高くすることができる。
【００５５】
特に、位相型のゾーンプレート（キノフォーム）レンズは高い回折効率を得ることができるため、明るい画像の表示が可能であると共に、０次や高次の回折光の影響を低く抑えることができる。
【００５６】
また、波長依存性が大きなレンズを多段にすることで、大きな焦点距離の波長依存性が得られる。もちろん、波長依存型のレンズとしては、屈折型レンズと回折型レンズとを組み合わせたハイブリッド型レンズも使用することができる。
【００５７】
図７は、図３に示された波長依存型焦点可変光学系６の一例を示す図である。波長依存型焦点可変光学系６には、二次元画像表示装置１の画面を十分に結像できるだけの大きさが必要であり、すなわち直径の大きなレンズが必要となる。そして、このようなレンズは高価であると共に、製作が難しいという問題がある。従って、大きな画像を表示するために、図７に示されるように微小な波長依存型焦点距離可変レンズをアレイ状に配置したレンズアレイ３９，４０を用いてイメージ結像光学系６ａを構成するとよい。
【００５８】
ここで、図７に示されるように、二次元画像表示装置１から出力された光はレンズアレイ３９，４０により結像されることにより、奥行きのある立体像１０が生成される。またこのとき、図８に示されるように、二次元画像表示装置１に表示された画像６３とレンズアレイ３９との距離を焦点距離可変範囲の中心焦点距離ｆの２倍とし、また二つのレンズアレイ３９，４０間の距離を該中心焦点距離ｆの４倍とすることによって、レンズアレイ４０から該中心焦点距離ｆの２倍だけ離れた位置に、画像６３とほぼ大きさの等しい再生画像６１を得ることができる。
【００５９】
上記において、「中心焦点距離」とは焦点距離が変化する可変範囲の中心近辺の焦点距離という意味である。そして例えば、波長400nm〜700nmの可視光が画像表示に使われる場合には、波長400nmに対する焦点距離をｆ１、波長700nmに対する焦点距離をｆ２とすると、「中心焦点距離ｆ」は（ｆ１＋ｆ２）／２の値を意味する。そして、図８に示されるようにレンズアレイ３９，４０を配置すれば、焦点距離が変化したときも原画像と再現画像が１対１となる結像光学系が大きく破綻しないことになる。
【００６０】
また、上記レンズアレイ３９，４０を構成する微小な波長依存型焦点可変レンズとしては、上記の屈折型や回折型のレンズが使用できると共に、分布屈折率レンズも使用することができる。ここで通常のレンズは、媒質の屈折率は一定でレンズの厚みの変化により結像作用をもたらすものであるのに対し、上記分布屈折率レンズは媒質の厚みは一定で媒質中心の光軸から半径方向への距離に応じた屈折率分布を持つことによって結像作用をもたらすものである。
【００６１】
図９は、このような分布屈折率レンズの一例を示す図である。図９に示されるように、分布屈折率レンズは比較的短いロッド状のプラスチックまたはガラスから構成され、そのロッドの中心（光軸６６）からの距離が大きくなるほど屈折率が低くなるように構成される。従って、光軸６６近辺の中心部６５は、その外側の周辺部６４より高い屈折率とされる。なお、図９に示されるように、上記のような構成を有する分布屈折率レンズによって、画像６３から像６３ｂが得られることになる。
【００６２】
以上より、レンズアレイ３９，４０により波長依存型焦点可変光学系６を構成することにより、大きな画像を表示し得る光学系を容易に構成することができる。
【００６３】
図１０は、図３に示された波長依存型焦点可変光学系６の他の例を示す図である。波長依存型焦点距離可変レンズ１枚により立体像を結像した場合には、奥行きの位置により結像倍率が大きく異なるとともに、画像周辺での画像のひずみも大きくなる。そこで、奥行きが相違する場合でも結像倍率をそろえ、像の歪みを解消するように波長焦点距離可変レンズと複数のレンズとを図１０に示されるように組み合わせ、波長依存型焦点可変光学系６ｂを構成するとよい。
【００６４】
すなわち、図１０に示されるように、波長依存型焦点可変光学系６ｂは第一レンズ系４１と波長依存型焦点距離可変レンズもしくは、波長依存型焦点距離可変レンズと他のレンズを組み合わせたものから構成される第二レンズ系４２、及び第三レンズ系４３によって構成される。
【００６５】
そして、二次元画像表示装置１の画素２から出力された光は、焦点距離がｆ１で二次元画像表示装置１から距離ｆ１だけ離れた位置に配置された第一レンズ系４１に入射され、第一レンズ系４１から距離ｆ１だけ離れた位置に配置された第二レンズ系４２に供給される。さらに、第二レンズ系４２から出力された光は、焦点距離がｆ２で第二レンズ系４２から距離ｆ２だけ離れた位置に配置された第三レンズ系４３に入射され結像する。これにより、波長に応じて観察者９から見て異なる奥行きに結像される画像４４，４５の大きさをほぼ揃えることができると共に、該画像４４，４５のひずみを少なくすることができる。
【００６６】
以上より、本発明の実施の形態１に係る立体画像表示装置によれば、二次元画像表示装置１において選択された異なる波長を持った光を、波長依存型焦点可変光学系６を用いることによって観察者から見て奥行きが異なる点に結像させることにより立体画像を表示するため、視差画像による立体表示に比して視覚疲労を与えることが少なく、かつ自然な立体視が可能な立体画像を簡易な構成により表示することができる。
【００６７】
また、本発明の実施の形態１に係る立体画像表示装置によれば、観察者は特殊なメガネを装着することなく立体像を見ることができると共に、水平方向と垂直方向の両方向で立体視することができる。
【００６８】
また、本発明の実施の形態１に係る立体画像表示装置によれば、種々の二次元画像表示装置を利用することができる。さらに、本立体画像表示装置は光を空間分割していわば奥行き標本化を行うため、時分割表示で必要とされる奥行き階調数に相当する多数の画像を高速表示する必要がなく、明るい立体画像を表示することができる。
【００６９】
また、本発明の実施の形態１に係る立体画像表示装置によれば、視野角が大きく複数の観察者が観察可能な立体画像を表示することができる。そしてさらに、本実施の形態１に係る立体画像表示において必要とされる情報は、二次元画像情報と奥行き距離情報であるため、表示対象物（被写体）が動いている場合でも該表示対象物の立体画像を表示することができる。また、立体画像の表示において必要とされる上記情報の量は少ないため、該表示における該情報の伝送を容易に実行することもできる。
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２に係る立体画像表示装置は、時間分割により異なる波長を持った光による像を表示し、その表示タイミングに合わせて画像表示装置の透過率を変えることによって立体画像を表示するものである。以下において、本実施の形態２に係る立体画像表示装置を具体的に説明する。
【００７０】
図１１は、本発明の実施の形態２に係る立体画像表示装置の構成を示す図である。図１１に示されるように、この立体画像表示装置は、二次元画像表示装置１と波長依存型焦点可変光学系６、発光体２２と光学系１００，１０１，１０４、反射鏡１０２、分光光学素子３８、及びアパーチャ１０３を備える。
【００７１】
そして、図１１に示された本実施の形態２に係る立体画像表示装置では、まず発光体２２が可視光領域の波長を持った光２３を出力する。そして、この光２３は光学系１００により平行光とされ回折格子またはプリズム等からなる分光光学素子３８へ入射される。
【００７２】
さらに、分光光学素子３８で反射または透過した光は、光学系１０１によって波長毎に異なる位置に集光される。ここで、光学系１０１と該集光点の間に高速に面の傾き角度を変化させることのできるガルバノミラーまたはポリゴンミラーなどの反射鏡１０２が配設されるため、該光が反射鏡１０２により反射される。
【００７３】
また、該光が集光される位置にはアパーチャ１０３が設けられ、特定の波長を持った光のみを選択的に透過される。このとき、反射鏡１０２における反射面の入射光に対する角度を高速に変化させることにより、短時間に各波長を順次透過することができる。
【００７４】
そして、アパーチャ１０３を透過した光は光学系１０４を介して二次画像表示装置１に入射される。このとき、二次画像表示装置１は供給される該光の波長変化に同期して表示画像を切り替えることによって、波長依存型焦点可変光学系６を介して奥行き方向に立体像１０を表示する。
【００７５】
以上より、本発明の実施の形態２に係る立体画像表示装置によれば、簡単な光学系により白色光から任意の波長を持った光を選択できると共に、波長選択において偏光板など光吸収の大きな構成要素は不要であるため光利用効率を高めることができる。従って、高出力の光源を用いることで、高輝度の光による像を得ることもできる。
【００７６】
また、反射鏡１０２の回動速度を高速にすれば、波長の走査を容易に高速化することができる。なお、上記においては、反射鏡１０２を固定すると共に、反射鏡１０２の代わりに分光光学素子３８自体を高速に角度変化させてもよい。
【００７７】
また、本実施の形態２に係る立体画像表示装置は、上記のように分光光学素子３８や反射鏡１０２及びアパーチャ１０３などによって光を時間分光するが、これらは液晶など電気的手段により複屈折効果を変化させることのできる媒質を利用して透過波長を選択する一つの可変バンドパスフィルタにより代用することができる。
【００７８】
そして、この場合には偏光板や液晶セルを光が透過することになるため、強力な光を二次元画像表示装置１へ入射させることは難しいが、印加電圧を制御することにより任意の波長を持った光を高速に切り替えつつ二次元画像表示装置１へ供給することができるため、回転ミラー等の機械的な駆動部が不要となり、かつ立体画像表示装置の規模を大幅に小型化することができる。
［実施の形態３］
図１２は、本発明の実施の形態３に係る立体画像表示装置の構成を示す図である。図１２に示されるように、本実施の形態３に係る立体画像表示装置は、二次元画像表示装置１３，１５，１７と波長依存型焦点可変光学系１４，１６，１８、及び画像合成光学系１９を備える。ここで、波長依存型焦点可変光学系１４，１６，１８はそれぞれ、二次元画像表示装置１３，１５，１７と画像合成光学系１９との間に設けられる。
【００７９】
このような構成を有する立体画像表示装置は、上記実施の形態１に係る立体画像表示装置を複数使用し、各表示画像を合成することによりカラー立体像２０を表示するものである。
【００８０】
より具体的には、二次元画像表示装置１３と波長依存型焦点可変光学系１４とにより再生される立体像は、奥行き距離方向で波長が異なるため、該奥行き距離毎に色が異なる像となり表示対象物の表面の色を再現することができない。そのために、該表示対象物に忠実なカラー立体像を表示するため、他の複数の二次元画像表示装置１５，１７及び対応する波長依存型焦点可変光学系１６，１８により再生される像と画像合成光学系１９において合成し、カラー立体像２０を表示する。
【００８１】
ここで、上記における像の合成では、波長依存型焦点可変光学系１４，１６，１８として波長に対する焦点距離依存性が異なるものが使用され、若しくは各二次元画像表示装置１３，１５，１７と再生される各立体像間の光学距離に順次光路差がつけられることにより、異なる波長を持った光による画像が奥行きの異なる位置に再生される。そして、異なる波長を持った光により表示された該画像間の輝度比を制御することで、表示物体表面の色をカラー立体像２０として再現できる。なお、上記における画像合成は、図１２に示されるように、複数のハーフミラーを含む画像合成光学系１９により容易に実現できる。
【００８２】
以上より、本発明の実施の形態３に係る立体画像表示装置によれば、表示対象物を表面の色も含めて再現するカラー立体画像を容易に生成することができる。
［実施の形態４］
本発明の実施の形態４に係る立体画像表示装置は、上記実施の形態１に係る立体画像表示装置を用いて、時間毎に奥行き距離が異なる位置に複数の立体像を高速表示することによりカラー立体像を表示するものである。
【００８３】
すなわち、二次元画像表示装置１と波長依存型焦点可変光学系６とにより再生される立体像は、奥行き距離方向で波長が異なるため該距離ごとに像の色が異なり表示対象物の表面の色を再現することはできない。
【００８４】
そこで、本実施の形態４に係る立体画像表示装置では、図１３に示されるように、該表示対象物のカラー表示を可能とするため、印加電圧を制御する等といった電気的な制御により焦点距離を高速に調節することができる焦点可変光学素子２１が用いられる。以下において、本実施の形態４に係る立体画像表示装置の動作を図１４を参照しつつ説明する。
【００８５】
図１４に示されるように、例えば時刻Ｔ１では焦点可変光学素子２１の印加電圧を電圧Ｖ１とし、時刻Ｔ２で電圧Ｖ２、時刻Ｔ３で電圧Ｖ３、そして時刻Ｔ４で電圧Ｖ４と制御することによって、波長依存型焦点可変光学系６で再生される像の結像位置を時間と共に奥行き方向にずらす。これにより、観察者９から見て奥行き距離ｚが異なる位置に、波長が異なる画像を表示することができる。
【００８６】
従来のビデオ映像におけるカラー表示は、合成するＲ，Ｇ，Ｂ三原色画像の輝度比を変えることにより実現されているが、上記のような方法でも同様に、各奥行き距離でそれぞれの色を持った画像が少なくとも３つ以上合成されるように焦点可変光学素子２１の焦点距離を変化させる。そして、少なくとも３つ以上の異なる波長を持った光による該画像間で輝度比を制御することで、表現対象物の表面の色を再現することができる。
【００８７】
以下に、図１５を参照しつつ具体例を説明する。なおここでは、図１５（ｄ）の枠内に示されるように、白色のボールと黄色のレモン及び赤いりんごをそれぞれ立体画像Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３として表示する場合を例として説明する。
【００８８】
図１５（ａ）に示されるように、時刻Ｔ１において焦点可変光学素子２１の印加電圧を電圧Ｖ１とすると、二次元画像表示装置１に表示される画像を構成する光のうち、可視域の長波長の光は位置Ｄ１ａ、短波長の光は位置Ｄ１ｂに結像される。また、図１５（ｂ）に示されるように、時刻Ｔ２において焦点可変光学素子２１の印加電圧を電圧Ｖ２とすると、その焦点距離が変化するため、該可視域の長波長の光は位置Ｄ２ａ、該短波長の光は位置Ｄ２ｂに結像される。そして、図１５（ｃ）に示されるように、時刻Ｔ３において焦点可変光学素子２１の印加電圧を電圧Ｖ３とすると、上記と同様に焦点距離が変化するため、該可視域の長波長の光は位置Ｄ３ａ、該短波長の光は位置Ｄ３ｂに結像される。
【００８９】
そして、表示対象物の奥行き距離ｚと色とを再現するため、上記のような焦点可変光学素子２１における印加電圧の切り替えに同期して、出力される光の波長と輝度とが制御された二次元画像を二次元画像表示装置１に切り替え表示する。ここで、この切り替え表示の例として、上記の白いボールを表示する際は、該ボールを再現する奥行き距離に相当する波長を持った画像、つまり焦点可変光学素子２１に電圧Ｖ１を印加する時刻Ｔ１では赤色画像Ｇ１ｒ、電圧Ｖ２を印加する時刻Ｔ２では緑色画像Ｇ１ｇ、電圧Ｖ３を印加する時刻Ｔ３では青色画像Ｇ１ｂとして表示する。
【００９０】
そして、これらの赤色画像Ｇ１ｒと緑色画像Ｇ１ｇ及び青色画像Ｇ１ｂ間の輝度比を制御し、かつ高速に切り替えることで加色され、ボールの表面の色である白色が立体画像として表示される。なお、同様な方法により、奥行き距離ｚが異なる位置に黄色のレモンを表示する立体画像Ｇ２や赤いりんごを表示する立体画像Ｇ３を同時に表示することができる。
【００９１】
また、図１５においては、焦点可変光学素子２１における印加電圧を時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３において３段階に変化させ、時系列的に結像された像を多重合成する場合の例を示したが、該印加電圧をより多段階に変化させることにより、奥行き方向に広い範囲で表示対象物表面の色を再現することが可能となる。
【００９２】
ここで、焦点可変光学素子２１としては、上記のように印加する電圧に応じて焦点距離が変化する焦点可変液晶レンズ等を用いることができる。そして、この焦点可変液晶レンズには、図１６（ａ）に示されるように液晶６７を挟むと共に曲率が与えられたレンズ状の電極付基板６９を備えるもの、あるいは図１６（ｂ）に示された穴型の透明電極６８や図１６（ｃ）に示されたリング型の透明電極７１を持った基板で液晶を挟み、該液晶に印加する電界を制御して屈折率分布を持たせるもの等がある。
【００９３】
一方、上記においては、波長依存型焦点可変光学系６と焦点可変光学素子２１はそれぞれ別個独立な要素とされたが、波長依存型焦点可変光学素子を基板に持つ液晶焦点距離可変素子を用いれば、光の波長によって焦点距離を変えることができ、印加電圧を制御することにより焦点距離を変化させることもできる。
【００９４】
ここで例えば、上記液晶焦点距離可変素子として、図１７に示されるように、焦点距離の波長依存性が大きな回折レンズ状基板７３に透明電極７７を設け、さらに透明電極付基板７５を対向基板とし、透明電極７７が設けられた回折レンズ状基板７３と透明電極付基板７５との間に液晶６７を挟んだ回折型液晶焦点可変レンズ７９を用いることができる。
【００９５】
そして、このような回折型液晶焦点可変レンズ７９は、図１８に示されるように、入射される光の波長により焦点距離が異なると共に、印加電圧を制御することによっても焦点距離を変えることができる。
【００９６】
以上より、本発明の実施の形態４に係る立体画像表示装置によっても、表示対象物を表面の色も含めて再現するカラー立体画像を容易に生成することができる。
【発明の効果】
上述の如く、本発明に係る立体画像表示装置によれば、二次元画像表示手段に表示された二次元画像から出力された波長の異なる光を三次元空間内の異なる点に結像することによって立体画像を表示することができるため、視覚疲労を与えることが少なく高画質な立体画像を簡易な構成により得ることができる。
【００９７】
また、画像合成手段を備えた本発明に係る立体画像表示装置によれば、合成される複数の像の間における輝度の比を制御することにより、任意の色を有する立体画像を容易に表示することができるため、表示対象物の色を立体画像として容易に再現することができる。
【００９８】
また、複数の二次元画像の切り替え表示に同期して結像点の位置を変化させる本発明に係る立体画像表示装置によれば、人間の眼に生じる残像効果を利用して任意の色を有する立体画像を容易に表示することができるため、表示対象物を再現する種々のカラー立体画像を容易に表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の二眼立体表示方法を説明する図である。
【図２】液晶焦点可変レンズを用いた従来の時間分割奥行き標本化立体表示方法を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る立体画像表示装置を示す図である。
【図４】図３に示された二次元画像表示装置の構成を示す図である。
【図５】図３に示された二次元画像表示装置の他の構成を示す図である。
【図６】図３に示された二次元画像表示装置のさらに他の構成を示す図である。
【図７】図３に示された波長依存型焦点可変光学系の一例を示す図である。
【図８】マイクロレンズアレイを用いた１対１の結像光学系を示す図である。
【図９】分布屈折率レンズの一例を示す図である。
【図１０】図３に示された波長依存型焦点可変光学系の他の例を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る立体画像表示装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態３に係る立体画像表示装置の構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態４に係る立体画像表示装置の構成を示す図である。
【図１４】図１３に示された立体画像表示装置の動作を説明する図である。
【図１５】図１３に示された立体画像表示装置の具体的な動作を説明する図である。
【図１６】液晶焦点可変レンズの例を示す図である。
【図１７】液晶焦点可変レンズの他の例を示す図である。
【図１８】図１７に示された液晶可変レンズの動作を説明する図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１３，１５，１７，５４  二次元画像表示装置
６，６ｂ，１４，１６，１８  波長依存型焦点可変光学系
６ａ  イメージ結像光学系
１２  フィルタ制御装置
１９  画像合成光学系
２１  焦点可変光学素子
２２  発光体
２４  画像表示部
２５，２９  波長可変フィルタ素子
２６  偏光板
２７  電気駆動型液晶表示装置
３０  媒質
３１，６９，７３，７５  基板
３２  分光光学系
３４，３９，４０  レンズアレイ
３６  フィルタ装置
３７  サブピクセル
３８  分光光学素子
４１  第一レンズ系
４２  第二レンズ系
４３  第三レンズ系
５０  偏光メガネまたは偏光切替シャッター
５７  液晶焦点可変レンズ
６７  液晶
６８，７１，７７  透明電極
７９  回折型液晶焦点可変レンズ
１００，１０１，１０４  光学系
１０２  反射鏡
１０３  アパーチャ
【図１】
0004272341.tif 000002
【図２】
0004272341.tif 000003
【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】
0004272341.tif 000014
【図１４】
0004272341.tif 000015
【図１５】
0004272341.tif 000016
【図１６】
0004272341.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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