JPH04504786A - 三次元ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 三次元ディスプレイ装置 ［技術の分野］ 本発明は三次元ディスプレイ装置［Ｔｂｒｅｅ　ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＤｉｓ ｐｌａｙ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ）に関する。

［背　景　技　術］ ディスプレイ装置は、たとえば、テレビジョンの受信機、コンピュータのインタ フェイス、計測器、ビジュアルディスプレイのユニットなどに広く用いられてい る。

一般に、これらは、二次元ピクチャー（ｐｉｃｔｕｒｅｌのみを表示する二次元 ディスプレイ装置である。

二次元ディスプレイにて提供されるピクチャーのうちには、オブザーバに奥行き 感を与える各種のキュー（手がかり）が存在する。

このようなキューは、影、大きさ、見晴らし、遠くの物体が近くの物体よりもぼ やけて見えることなどを含んでいる。

しかし、従来の二次元ディスプレイには、人が視覚で感知する上で最も重要な二 つの奥行きに関するキューが欠けている。

これらの二つは、二つの眼で見るビュー（ｖｉｅｗｌと、オブザーバが真の三次 元イメージに対して自分の頭を動かした場合に予想されるビューの連続的な変化 との相違である。

オブザーバに正しい三次元知覚を与えるのであれば、これら二つのキューが必要 である。

ユーザの各々の眼に１シーンの異なるビューを与えるべ（、ユーザにメガネをか けさせるディスプレイシステムは、すでに種々のものが提案されている。

これらは、人の視覚に立体的な情報を与えるものであるが、頭の動きから予想さ れるような情報ないしキューを与えるものでない。

さらに、このようなメガネは、これを着用することが不便である。

ユーザがメガネをかける必要のない三次元ディスプレイ装置を作製する試みもす でになされている。

この種の装置は、多くの場合、スクリーン上に見えるピクチャーが、そのスクリ ーンを見る方向に応じて変化する。

スクリーン上に見えるピクチャーは、そのディスプレイ装置に代わって三次元イ メージがあるとした場合、観察方向と同じ方向からその三次元イメージを見て得 られるものである。

この種の装置によるイメージは、人の視覚をして奥行き感を得るために必要とす るすべての情報を提供するので、明らかに三次元となる。

この種の装置の殆どは、移動する部分を有しており、したがって、高価かつ精細 なものである。

テレビジョンスクリーンのような従来のディスプレイでは、対象物のピクチャー は、二次元的に配列された画素で組み立てられる。

同様に、ある対象物の三次元イメージも、三次元的に配列された画素で組み立て ることができるが、そのような装置は、高価かつ複雑なものとなる。

［発明の開示］ この発明者は、上述した欠点を克服した三次元ディスプレイ装置を発明したもの である。

本発明によるときは、空間的なライトモジュレータ、レンズシステム、二次元デ ィスプレイデバイスにより構成された三次元ディスプレイ装置が提供される。

本発明の望ましい実施形態にあっては、被写体の異なる複数ビューが装置から異 なる方向に投影され、これら異なるビューは、被写体が真に三次元である場合に おいて、その異なる方向から見えるであろう該各被写体の異なるビューに対応す る。

これらの異なるビューは、空間ライトモジュレータ（ｓｐａｔｉａｌ　ｌｉｇｈ ｔ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒｌ上で時間的多重方式により発生させることができ、二 次元ディスプレイデバイスとレンズシステムは、協働して、ライトモジュレータ を通じて光を適当な方向に投射する。

空間ライトモジュレータとは、その光学的透明度あるいは光学的透明度を電子的 に制御することのできるデバイスである。

このようなデバイスは、各配列の要素の透明度あるいは反射度を個々に制御でき るような複数の配列に分割することができる。

その結果、それを用いて多くの画素からなる像を呈示することが可能となる。

空間ライトモジュレータの一例として、液晶ディスプレイ装置（ＬＣＤ）をあげ ることができる。

本発明に基づ（装置は、実際上、水平多重と時間多重とを共に利用する。

水平多重は、二次元ディスプレイデバイスが単一でない、いくつかのピクチャー を呈示して、これらの各々が異なる観察位置から見えるようにする技術である。

各ピクチャーは、同一の実体的対象の異なるビューであり、これらのビューを見 ることのできる位置は、これらピクチャーがイメージされている角度に対応する 。

その結果、イメージは三次元的に見えるようになる。

オブザーバの二つの眼は、個々の眼が離れた位置から見るので、異なるビューを 見ることとなり、オブザーバがディスプレイの回りで頭を動かすと、そのオブザ ーバの見るビューが変化する。

本発明に基づく装置によれば、従来の水平多重方式に置いてい（つかのビューを 提示するのに代え、ディスプレイを見る位置が調節されている間にビューが順次 提示される。

ビュー相互間の角度が微細であり、かつ、ビューの提示が十分短い時間間隔で繰 り返されれば、装置に表示されるイメージは、円滑に三次元的にあられれる。

［図面の簡単な説明］ 添付の図面を参照して、例としての本発明の実施形態を説明すると、図面中、 図１は本発明に基づ（三次元ディスプレイ装置の断面図、 図２は図１の装置によって一つのビューがどのようにあられされるかを示した光 線図、 図３は三次元テレビジョンシステムに用いられる次元ディスプレイ装置の平面図 、 図４はレンズシステムがレンズアレイからなる三次元ディスプレイ装置の第２実 施形態を示した断面図、図５は図４に示した装置の光線図、 図６は二次元デバイスがコヒーレント光により走査されるレンズアレイからなる 三次元ビジュアルディスプレイ装置の第３実施形態を示した断面図、図７はホロ グラムを形成するために図６の装置を用いた場合の光線図。

図８はビューを提供するためのカソードレイチューブと、各ビューが投影される 方向を決定するために液晶ディスプレイとを用いた三次元ディスプレイ装置の一 実施形態を示した断面図、 そして、図９はレンズシステムが能動光学素子を含む三次元ディスプレイ装置の 第３の実施形態を示した断面図である。

［発明を実施するための最良の形態１ 図１、図２に示された装置を参照して、レンズ１は空間ライトモジュレータ２に 配置されている。

二次元ディスプレイデバイス４のスクリーン３は、レンズ１のフォーカルブレー ンＳ内に配置される。

不透明な箱６は、無関係な光を排除するために、このアセンブリの後面および両 側面にわたって取りつけられている。

三次元イメージにおける二次元ピクチャーの連続したものは、空間ライトモジュ レータにより表示される。

各ピクチャーは、特定の視点から見たイメージを描いており、以下、これを単に 「ビュー」という。

一つのビューの表示と同時に、一つの光のスポット７が二次元ディスプレイデバ イス４のスクリーン３上に表示される。

このスポット７からの光は、レンズ１を通過するときに平行光８に変換されるが 、その方向は、二次元ディスプレイデバイス４のスクリーン３中におけるスポッ ト７の位置、および、レンズ１が能動光学素子である場合にはレンズがスポット ７からの平行になった光を屈折させる角度によって決まる。

スポット７の位置は、空間ライトモジュレータ２上のビューを見る視点９へ向け てのみ光が空間ライトモジニレータ２を通過するように制御される。

スポット７の幅は、ビューが見える視点の弧を決定する。

各ビューの表示は、介在するダーク（ｄａｒｋ１期間が人の眼に認識されないよ うに十分速く繰り返されることが必要である。

その結果、三次元のイメージがそのまま知覚される。

本発明に適用可能な二次元ディスプレイデバイス４のうちには、カソードレイチ ューブ（ＣＲＴ　＝陰極線管ニブラウン管）、エレクトロルミネセンスディスプ レイデバイス、発光ダイオードアレイ、バックグラウンドイルミネーシぢン（ｂ ａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ　＝背面からの照明＝バックラ イト）付きの空間ライトモジュレータ、光の走査線により照明されるスクリーン などがある。

適用可能なタイプのレンズ１としては、球面レンズ、多数の球面レンズアレイま たは柱面レンズアレイ、フリネルレンズ、ホログラフィック光学素子、フォーカ ルブレーンからの平行光に作用するばかりでなく調節可能な角度でその光を屈折 させることのできる能動光学素子（ａｃｔｉｖｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｅｌｅｍｅ ｎｔ）などがある・三次元ディスプレイデバイスによって表示される三次元イメ ージの可能なタイプとしては、立体イメージ、多重イメージ、バララックス（ｐ ａｒａｌｌａｘｌ中のイメージ、完全な三次元イメージ、および、カラーイメー ジなどがあり、以下、これらについて説明する。

立体イメージの場合は、オブザーバの冬眠に一つあてとして、イメージの二つの ビューのみを見せればよい。

オブザーバが数人いて、その人たちに同じビューを投影する場合も考えられる。

このような目的を達成するためには、二次元ディスプレイデバイス４上に数個の 光のスポット７を設けて、空間ライトモジュレータ２上の各ビューを同時に表示 すればよい。

パララックス中のイメージを得るためには、イメージをとりまく単一平面からの ビューのみを与えればよい。

カラーイメージの場合、各ビューは、赤、青、緑のピクチャーで構成される。

これらのピクチャーは、空間ライトモジュレータ２上に連続して提示され、二次 元ディスプレイデバイス４のスクリーン３からの光の色がピクチャーのために適 当に変えられる。

代わりに、空間ライトモジュレータ２上の画素位置にカラーフィルタを重ねて、 二次元ディスプレイデバイス４が白色光を発するようにする方法もある。

三つのピクチャーは、同時に空間ライトモジュレータ２上に呈示され、各ピクチ ャーの画素は適当な色のフィルタで覆われた画素位置で表示される。

図３に示すように、三次元ディスプレイ装置は、三次元テレビジョンシステムの スクリーン１３として使用することができる。

テレビ放送されるシーン１０は、数台で１セツトのテレビジョンカメラ１１によ り囲まれ、これらの各々が対応するビューを記録する。

それで、これらのビューが、たとえば、光フアイバリンク１２を経由してスクリ ーンＬ３へ送られる。

必要な場合は、データ圧縮技術を用いて情報伝送速度を下げることもできる。

図４および図５を参照して、ここでは、一連のビューが空間ライトモジュレータ ２によって表示される。

一つのビューの表示と同時に、二次元ディスプレイデバイス４のスクリーン３上 にの光スポット７が表示される。

各スポット７からの光がレンズアレイの中の最も近いレンズ１を通過するとき、 その光は平行な光線８に変えられるが、その方向は、二次元ディスプレイデバイ ス４スクリーン３の中のスポット７の位置により決まる。

スポット７の位置は、空間ライトモジュレータ２上のビューを見る視点９へ向け てのみ、該空間ライトモジュレータ２を通過するように制御される。

各ビューの表示は、介在するダーク期間が人の眼に認識されないように十分速く 繰り返される。

その結果、三次元のイメージがそのまま知覚されることとなる。

この実施形態の利点は、三次元ディスプレイデバイスの厚さが、第１の実施形態 よりもはるかに小さいことである。

図６に示す装置を参照して、この装置おいては、三次元のイメージが図１の実施 形態の場合と同様に表示されるが、二次元ディスプレイデバイスがコヒーレント 光を発するという点で改善されたものとなっている。

レーザ１５からの光線１４は、光線の進行する位置を制御することができるデバ イスすなわちビームスキャナ１６を通過する。

空間ライトモジュレータ２上へのビューの表示と同時に、光線はビームスキャナ １６によってレンズアレイ３の中の選ばれたレンズ１７へ向けられる。

このレンズ１７は、もし、ビニ−が適当な視点からのみ見られるとすれば、光が そこから発せられなければならないレンズである。

二次元ディスプレイデバイスのスクリーンはレンズアレイ３によって形成される 。

レンズ１７は光線の焦点をぼかし、その結果、レンズ１７は第１の実施形態にお けるスポット７と同様な光を発することになるが、ただし、この第３の実施形態 においては、スポット７からの光がコヒーレント光であることが異なる。

これにより、このスクリーンからは、ホログラムを記録することが可能になる。

図７を参照して、ホログラムは、スクリーンに写真の感光板１８を当てておき、 三次元ディスプレイデバイス１３上に三次元イメージが表示されるのと同時、写 真感光板にコヒーレントな基準光＃！１９を照射することによりよって記録する ことができる。

基準光１９は、ビームスプリッタ２０を介してレーザ１５からの光＃！１４の一 部を分割することにより作成される。

方向を変えられた光２１は、ミラー２２で反射され、かつ、ビームは、基準光１ ９が写真感光板１８の全体を照射するようにレンズ２３で拡げられる。

図１および図２の実施形態に合致した三次元ディスプレイ装置は、二次元ディス プレイデバイスとしてカソードレイチューブを用い、空間ライトモジュレータと して液晶ディスプレイ装置（ＬＣＤ）を用いて構成することができる。

カソードレイチューブがレンズのフォーカルブレーン内に配置されるために、任 意の瞬間においてカソードレイチューブにより発せられる光のスポットは、平行 光線となってイメージを一方向にのみＬＣＤ上に投影するのであるから、レンズ の作用がフーリエ変換として数学的に記述できることが理解されよう。

したがって、光が一個のレンズの一つのフォーカルブレーンを通過するときの振 幅の空間分布は、光がそのレンズの他のフォーカルブレーンを通過するときの振 幅の空間分布のフーリエ変換である。

ＬＣＤ上のフレーム速度は、現状では、カソードレイチューブで得られるものよ りも小さい。

図８に代替の実施形態を示すが、これは、カソードレイチューブを用いて、ＬＣ Ｄを用いたものよりもフリッカ（明滅）なしに、より多（のビューを呈示できる ようにしたものである。

カソードレイチューブ２は、二つのレンズ１ａ、１ｂおよび、ＬＣＤ４を用いて 、別個の位置９から見えるようにすることができる。

二つのレンズは、そのフォーカルブレーン各一つが同一の平面を共有するように 対向して配置される。

ＬＣＤは、両レンズ間のフォーカルプレーン内に配置され、かつ、ＣＲＴは、外 側のレンズ１ｂの他の一つのフォーカルプレーン内に配置される。

第１のレンズ１ａは、ＣＲＴ上のイメージのフーリエ変換をＬＣＤ上に描く。

第２のレンズもフーリエ変換を行なうが、これは符号を変えないので逆フーリエ 変換と等価になり、その結果として、第２のレンズはオリジナルなピクチャーを 再現する。

ＬＣＤ上では、一つのスポットのみが透明化され、ＬＣＤの残余部分が不透明の まま残される。

ＬＣＤはフーリエ変換面内にあるので、その結果として、ＣＲＴのイメージは単 一の位置９からのみ見えないことになる。

図９を参照して、この図示の実施形態では、レンズシステム１と二次元ディスプ レイデバイス４は、一つのホログラフィック光学素子２４と、一つの大面積ビー ムスキャナ２５とを有する能動光学素子で形成される。

レーザ３４からの光は、ホログラフィック光学素子２４により平行光線２６にさ れ、大面積ビームスキャナ２５へ向けられる。

大面積ビームスキャナ２５は、電子的に制御され、すべての透過光線を調節可能 な角度で屈折させる点で、従来のビームスキャナと同様に作用するが、空間ライ トモジュレータ２と同様な大面積に対応することができる。

この実施形態において、空間ライトモジュレータのイメージを見ることができる 位置９を制御するのは、レンズシステム１．４である。

ＦＩＱｕｒ”ｅ　Ｉ ＦＩＱＬＩｒ’ｅ　２ Ｎ 口１０ ヱ遣εＬＬ ニ立囚二ｅ　４　Ｆ＋鯉ヱエ 補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の８） 平成　３年　７月　９日

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．空間ライトモジュレータと、レンズシステムと、二次元ディスプレイデバイ スとで構成された三次元ディスプレイ装置。
2. ２．空間ライトモジュレータと、レンズシステムと、二次元ディスプレイデバイ スと、さらに、空間ライトモジュレータ、二次元ディスプレイデバイスのいずれ か一方の上に時間多重式に異なるビューを形成するための、かつ、前記空間ライ トモジュレータ、二次元ディスプレイデバイスの他方を制御して選ばれた方向か ら異なるビューが見えるようにするためのコントロースシステムとで構成された 三次元ディスプレイ装置。
3. ３．二次元ディスプレイデバイスが、レンズシステムのフォーカルプレーン内に 配置されて、後者のレンズシステムが、二次元ディスプレイデバイスより発せら れる光のスポットから光の平行ビームを形成し、かつ、空間ライトモジュレータ が、レンズシステムの前に配置されて、空間ライトモジュレータ上に形成された 各ビューを、二次元ディスプレイデバイス上の選ばれた光のスポットの位置と対 応した方向に投射する請求の範囲２記載の三次元ディスプレイ装置。
4. ４．前記レンズシステムが、一つのレンズアレイからなり、かつ、コントロール システムが二次元ディスプレイデバイスを制御して、レンズアレイの複数のスポ ットから光を発して該アレイから空間ライトモジュレータ上に供給される各ビュ ーのために、共通の方向に対応する複数の平行ビームがあらわれるようにする請 求の範囲２記載の三次元ディスプレイ装置。
5. ５．二次元ディスプレイデバイスが、レンズシステムのフォーカルプレーン内に 配置された一つのレンズアレイと、光源と、レンズアレイの後方に配置されて光 源からの光を該アレイ上の選ばれたレンズに向けるビーム操作手段とからなり、 空間ライトモジュレータは、レンズシステムの前方に配置されて、その空間ライ トモジュレータ上に形成された各ビューを、ビーム操作手段が光源からのビーム を指向させる前記アレイ上の選ばれた位置と対応した方向に、投射する請求の範 囲２記載の三次元ディスプレイ装置。
6. ６．二次元ディスプレイデバイスが、第１レンズの後方にあるフォーカルプレー ン内に配置され、空間ライトモジュレータが、第１レンズの前方にあるフォーカ ルプレーンと第２レンズの後方にあるフォーカルプレーンとの間に配置され、コ ントロースシステムが、二次元ディスプレイデバイス上に異なるビューを形成し 、空間ライトモジュレータを制御して、選ばれたスポットで光の透過を可能にす る請求の範囲２記載の三次元ディスプレイ装置。
7. ７．空間ライトモジュレータと、空間ライトモジュレータ上に時間多重式に異な るビューを形成するためのコントロールシステムと、コントロールシステムによ り制御されて、選ばれた角度で空間ライトモジュレータに光を向けることによっ てその異なるビューを見る方向が制御できる照明手段とで構成された三次元ディ スプレイ装置。
8. ８．照明手段が、大面積のビームを受光して、ビームをある制御された角度で屈 折させる大面積ビームスキャナからなる請求の範囲７記載の三次元ディスプレイ 装置。