JP2007086145A - ３次元表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自然光と同質の光線を用いつつ、生理的な違和感を生ずることなく認識することのできる立体映像を形成可能な３次元表示装置を提供する。
【解決手段】 ３次元表示装置１０Ａでは、２次元表示部１によって映像信号に応じた２次元表示画像を生成し、レンズアレイ３によって、２次元表示部１からの表示画像光の波面ｒ０を任意の観測点から仮想物点Ｂまでの光路長Ｌ１と等しい光路長となる位置に焦点ＣＣを結ぶような曲率を有する波面ｒ１に変換するようにしたので、観測者が、両眼視差および輻輳角に関する情報に加えて適切な焦点距離情報を獲得することができる。このため、両眼視差および輻輳角に関する情報と、適切な焦点距離情報との整合性を図ることができ、生理的な違和感を生ずることなく所望の立体映像を認識することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空間に物体の立体映像を表示する３次元表示装置に関する。

従来の立体映像を生成する方法としては、例えば、左右、色の異なる眼鏡をかけて左右の眼にそれぞれ異なる画像（視差画像）を送る方法や、液晶シャッタの付いたゴーグルをかけて液晶シャッタを高速に切り替えて左右の眼に視差画像を送る方法などがある。また、２次元表示装置に左右のそれぞれの眼に対応した画像を映しこれをレンチキュラーレンズで左右のそれぞれの眼に振り分けることによって立体画像を表現する方法も存在する。さらに、レンチキュラーレンズを用いる方法に類似したものとして、液晶ディスプレイ表面にマスクを設け右眼には右眼用の画像が左眼には左眼用の画像が見えるようにすることによって立体像を表現する方法も開発されている。

そもそも立体映像の生成は、人間の持つ認識生理機能を利用することにより実現されるものである。すなわち、観察者は、左右の眼に入る画像のズレ（両眼視差）や輻輳角からの認識、眼の水晶体の焦点距離を眼の毛様体やチン小体を使って調節する際に起こる生理機能（焦点距離調整機能）からの認識、および運動したときに見える画像の変化による認識（運動視差）に基づき、脳で総合的に処理する過程で立体を認識している。したがって、それぞれの認識どうしの整合性が保てない場合には、脳は混乱してしまいストレスや疲労感を覚えるようになる。このため、より自然な立体像を表現するには、それぞれの認識どうしの整合性が保てるような方法で行う必要がある。

しかしながら，上述の技術による立体映像は人間の持つ認識生理機能のうち「両眼視差」や「輻輳角」だけを利用したものである。このため、眼の焦点距離調整機能からの情報では立体映像が平面ディスプレイ面上に存在しているものと認識され、一方の両眼視差や輻輳角からの情報では奥行きのある立体映像が存在するものと認識される。脳ではこれら異なった認識情報が処理されることになり、これが脳にとっては違和感や気持ち悪さとして認識されストレスや疲労をもたらすことになる。さらに、運動したときに見える画像の変化もないためそれによる違和感も加わることになる。

特許文献１には、複数の１次元表示装置と、各１次元表示装置からの表示パターンをそれぞれの配置方向と同一方向に偏向する偏向手段とを備えるようにした３次元表示装置が開示されている。この３次元表示装置によれば、複数の出力像が眼の残像効果により同時に認識され、両眼視差の作用により立体像として知覚可能であると記載されている。しかしながら、焦点距離が一定であるとの認識は避けられず、違和感は解消されないものと予想される。そのうえ、実際には観察者の両眼の各々に対応した画像が相互に反対側の眼にも入射してしまい、両眼視差が得られるどころか、２重の画像が認識される可能性が高いと考えられる。
特許第３０７７９３０号公報

一方、実世界において物体表面の情報は、光波を媒体として観察者の眼球まで伝搬する。物理的に実世界の物体からの光波を人工的に再現することができる技術としてホログラフィ技術がある。ホログラフィ技術を用いた立体映像は、光の干渉により生成された干渉縞を用い、その干渉縞に光が照明された際に生じる回折波面そのものを映像情報媒体として用いている。そのため、観察者が実世界において物体を観察しているときと同様の輻輳、調節などの視覚系生理反応が起き、眼精疲労の少ない映像を提供することができる。さらに、物体からの光波面が再現されていることは、映像情報を伝達する方向に対して連続性が確保されていることといえる。そのことから、観察者の視点が移動することにより、その移動に応じた異なる角度からの適切な映像を連続的に提示することが可能であり、運動視差が連続的に提供される映像提供の手法でもある。

上記したホログラフィ技術は、物体からの回折波面そのものを記録し、それを再生する方法であるので、極めて理想的な立体映像の表現方法であるといえる。

しかしながら、ホログラフィ技術では３次元空間情報を２次元空間における干渉縞として記録しており、その空間周波数は同じ物体を撮影した写真などの２次元空間の情報と比較すると極めて膨大な量になる。これは、３次元空間の情報を２次元空間に変換する際に、その情報が２次元空間上における密度に変換されていると考えることができる。そのために、ＣＧＨ（Computer Generated Hologram）による干渉縞を表示するデバイスに求め
られる空間分解能は極めて高く、また膨大な情報量が必要であることから、実時間ホログラムにより立体映像を実現することは、現状において技術的に困難である。その上、記録の際に使用する光はレーザ光のような位相の揃ったものでなければならず、自然光での記録（撮影）が不可能であるという問題もある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、自然光と同質の光線を用いつつ、生理的な違和感を生ずることなく認識することのできる立体映像を形成可能な３次元表示装置を提供することにある。

本発明の３次元表示装置は、映像信号に応じた２次元表示画像を生成する２次元画像生成手段と、この２次元画像生成手段から射出された表示画像光の波面を、任意の観測点から仮想物点までの光路長と等しい光路長となる位置に焦点を結ぶような曲率を有する波面に変換する波面変換手段と、この波面変換手段により波面変換された表示画像光を偏向する偏向手段とを備えるようにしたものである。

本発明の３次元表示装置では、２次元画像生成手段によって映像信号に応じた２次元表示画像が生成され、波面変換手段によって、２次元画像生成手段から射出された表示画像光の波面が任意の観測点から仮想物点までの光路長と等しい光路長となる位置に焦点を結ぶような曲率を有する波面に変換される。このため、表示画像光が、両眼視差および輻輳角に関する情報だけでなく、適切な焦点距離情報を含むものとなる。さらに、偏向手段によって波面変換された表示画像光が偏向され、右眼および左眼の各々に対して所望の表示画像光が向かうこととなる。

本発明の３次元表示装置によれば、２次元画像生成手段によって映像信号に応じた２次元表示画像を生成すると共に、波面変換手段によって、２次元画像生成手段から射出された表示画像光の波面を任意の観測点から仮想物点までの光路長と等しい光路長となる位置に焦点を結ぶような曲率を有する波面に変換するようにしたので、観察者が、両眼視差および輻輳角に関する情報に加えて適切な焦点距離情報を獲得することができる。このため、両眼視差および輻輳角に関する情報と、適切な焦点距離情報との整合性を図ることができ、生理的な違和感を生ずることなく所望の立体映像を認識することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
まず、本発明における第１の実施の形態としての３次元表示装置１０（後述の第２の実施の形態との区別のため、これ以降、３次元表示装置１０Ａと表記する）について説明する。図１は、３次元表示装置１０Ａの一構成例を示している。図１は、水平面内における概略構成である。

３次元表示装置１０Ａは、複数の画素を有する２次元表示部１と、各画素から発散する表示画像光の波面を平行光束に変換するコリメート部２と、このコリメート部２において変換された平行光束の波面を、任意の観測点から仮想物点までの光路長と等しい光路長となる位置に焦点を結ぶような曲率を有する波面に変換するレンズアレイ３と、このレンズアレイ３からの光束を水平方向に偏向する水平方向偏向部４と、この水平方向偏向部４からの光束を垂直方向に偏向する垂直方向偏向部５とを備えている。

図２（Ａ）に、２次元画像生成手段としての２次元表示部１と、光束平行化手段としてのコリメート部２の一構成例を示す。２次元表示部１は、表示デバイスとしてカラー液晶デバイス（以下、単に液晶デバイスという。）１１を利用し、そのバックライトＢＬとして、平行光ではなく通常の蛍光灯を利用したものである。液晶デバイス１１は、ガラス基板１２と、画素電極１３と、ガラス基板１４とが順に積層された構造となっている。２枚のガラス基板１２，１４の間には、さらに液晶層など（図示せず）が設けられている。また、コリメート部２は、ガラス基板１４の表面１４Ｓ上に配置された、例えば凸形状をなすマイクロレンズ２１によって構成されている。ここで、バックライトＢＬが照射されることにより液晶デバイス１１が表示画像光を射出する。この表示画像光はあらゆる方向に伝播する光の集まりであるため、マイクロレンズ２１によって画素毎に平行光束に変換するようにしている。

なお、図２（Ｂ）に示したように、コリメート部２として、マイクロレンズ２１のかわりに隔壁２２を設けるようにしてもよい。隔壁２２は、隣り合う画素電極１３の中間位置に設けられており、ガラス基板１４の表面１４Ｓに対して垂直に（Ｚ方向に沿って）立設している。この場合、隔壁２２は表示画像光を吸収する材料（例えば炭素が分散含有された樹脂材料）により構成されたもの、あるいは表面に金ブラック等の光吸収材料が塗布されたものであるので、不要な反射光がカットされる。したがって、２次元表示部１から射出された表示画像光は表面１４Ｓと平行な面内方向への伝播を制限され、表面１４Ｓと直交する方向（Ｚ軸方向）へ伝播することとなる。隔壁２２は、水平方向（Ｘ軸方向）だけでなく、垂直方向（Ｙ軸方向）においても隣り合う画素電極１３を仕切るように設けられている。

さらに、図２（Ｃ）に示したように、マイクロレンズ２１と隔壁２２とを併設したものをコリメート部２としてもよい。この場合には、平行光束への変換効率を高めることができる。

さらに、図３（Ａ）に示したように、コリメート部２としての隔壁２３を、ガラス基板１４の表面１４Ｓではなく、ガラス基板１２の表面１２Ｓ（バックライトＢＬを照射する側の面）に立設するようにしてもよい。こうすることにより、バックライトＢＬが液晶デバイス１１に入射する前に平行光束に変換されるので、液晶デバイス１１から射出される表示画像光も平行光束となる。

さらに、隔壁２３に加え、図３（Ｂ）に示したように隔壁２２を表面１４Ｓに設けることもできる。この場合、隔壁２３によってバックライトＢＬが平行光束に変換されると共に、隔壁２２によって、例えばガラス基板１４において散乱した不要な光を十分に除去することができる。

さらに、図３（Ｃ）に示したように、図３（Ｂ）の構成に加え、マイクロレンズ２１を設けるようにしてもよい。こうすることにより、より確実に平行化された表示画像光が得られる。

続いて、レンズアレイ３について図４を参照して説明する。図４は、波面変換手段としてのレンズアレイ３の概略断面構成を示している。

図４に示したように、レンズアレイ３は、複数の可変焦点レンズ３１を有している。可変焦点レンズ３１は、自らの一部が変形することにより、焦点距離を任意に変化させることの可能な光学デバイスである。各可変焦点レンズ３１は、剛性層としての透明基板３２と、この透明基板３２と対向配置された弾性層としての透明変形部材３３と、透明基板３２および透明変形部材３３の間に設けられた支柱３４と、透明基板３２、透明変形部材３３および支柱３４が取り囲む空間に充填された充填層３５と、透明基板３２の一表面および透明変形部材３３の一表面にそれぞれ設けられて互いに対向する透明電極層３６，３７とを有している。透明電極層３６は接地されており、透明電極層３７は外部制御電源３８に接続されている。さらに、支柱３４の一部には連通孔３９がそれぞれ設けられており、外部との通気が可能となっている。

図５（Ａ），図５（Ｂ）に可変焦点レンズ３１の拡大図を示す。図５（Ａ）が平面構成を表し、図５（Ｂ）が断面構成を表している。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＶＢ−ＶＢ切断線における矢視方向の断面に対応している。透明基板３２は、例えば石英などの高い剛性を示す透明材料により構成されている。支柱３４も透明基板３２と同様に、高剛性材料によって形成されている。但し、透明でなくともよい。透明基板３２の上に支柱３４によって支えられるように設けられた透明変形部材３３は、例えば透明で柔軟なポリエステル材料などのポリマーによって構成されており、高い弾性率を示すものである。ここで、透明変形部材３３は、コリメート部２からの平行光束φが通過する領域において、例えば中央部から周辺部へ向かうほど徐々に薄くなっており、透明電極層３７が設けられた表面３３Ｓとは反対側の面３３Ｔが凸面（曲面）をなしている。一方、表面３３Ｓは平面である。したがって、透明変形部材３３はレンズとしての機能を発揮することとなる。さらに、透明変形部材３３を構成するポリマーの組成はほぼ均質であることから、透明変形部材３３は面内方向（ＸＹ平面の広がる方向）に弾性定数分布を有することとなる。この弾性定数分布は透明変形部材３３の厚さの分布によって生じるものである。なお、このような透明変形部材３３を所望の形状に成型する方法としては、例えば、通常のプラスチックレンズや光ディスク基板を成型する手段として利用されるインジェクションモールドによる方法であってもよいし、エキシマレーサのようなＵＶレーザや炭酸ガスレーザなどの赤外光レーザを利用してポリマー基板表面の所望の場所を所望の量だけ部分的に蒸散する方法で加工してもよい。あるいは、通常の半導体プロセスにより通常の反応性イオンエッチング装置(RIE: Reactive Ion Etching)やイオンミリング装置を利用して基板表面の所望の場所を所望の量だけ部分的に気相エッチング（ドライエッチング）を施してもよい。さらには、ホットエンボスやスタンプモールドによる方法であってもよい。一方、支柱３４については、例えばパウダービームエッチング装置やＲＩＥ装置を用いて石英などの母材から削り出すことにより、透明基板３２と一体物として成型するようにしてもよい。あるいは、別途作製した支柱３４を透明基板３２に貼り付けるようにしてもよい。

透明電極層３６，３７は、ポリオレフィンなどの非導電性プラスチックに金や銀などの金属やカーボンなどを分散させシート状に加工した導電性ポリマーからなり、それぞれ、透明基板３２の表面３２Ｓおよび透明変形部材３３の表面３３Ｓに透明な接着剤により貼り付けられたものである。あるいは、表面３２Ｓ，３３ＳにカーボンやＩＴＯ(インジウム酸化錫：Indium Tin Oxide)などの導電材料を、一般的な真空成膜装置である真空蒸着装置、スパッタリング装置、イオンプレーティング装置またはＣＶＤ（化学的気相成長：Chemical Vapor Deposition）装置などを利用して直接、堆積したものを透明電極層３６，３７としてもよい。また、超微粒子のカーボンまたは、金や銀などの導電材料を所定の有機溶剤や水溶液に分散させたものをスピンコート装置により塗布して作製したものであってもよい。なお、透明電極層３６は接続線３６Ｔを介して接地されており、透明電極層３７は接続線３７Ｔを介して外部制御電源３８に接続されている。

充填層３５は、例えばシリコーンなどの透明で極めて柔軟な流動性材料によって構成されている。充填層３５は、透明基板３２と透明変形部材３３とにより挟まれた領域のうち、少なくとも平行光束φが通過する領域を含む一部領域にのみ充填されている。それ以外の領域は、外部空間に繋がる連通孔３９を有するバッファ領域として確保されている。ただし、充填層３５は透明電極層３６，３７を完全に覆うように設けられている。

このような構成の可変焦点レンズ３１では、外部制御電源３８により、透明電極層３６と透明電極層３７との間に所定の大きさの電圧を印加すると、透明電極層３６と透明電極層３７との間に静電気力（クーロン力）が発生して互いに引き付け合うこととなる。透明電極層３６は透明基板３２の表面３２Ｓと固着しており、一方の透明電極層３７は透明変形部材３３の表面３３Ｓと固着しているので、結果として、透明基板３２と透明変形部材３３とが互いに引き付け合うこととなる。このとき、透明基板３２は比較的高い剛性を示す材料からなるので、ほとんど変形しない。これに対し透明変形部材３３は高い弾性を示す材料からなるので、比較的大きな変形を生ずる。透明変形部材３３は、その厚さ分布によって規定される弾性定数分布に応じて変形するので、変形後に所望の形状をなすように予め設計し加工しておくことにより所望のレンズ作用を得ることができる。この際、透明電極層３６と透明電極層３７との間の印加電圧の大きさに応じて静電気力が変化することを利用して、連続的に（あるいは段階的に）異なる透明変形部材３３の形状を選択形成する。透明変形部材３３の厚さ分布については、例えば有限要素法（ＦＥＭ：Finite Element Method）によるシミュレーション結果に基づいて最適化することができる。これにより、所望の球面形状または非球面形状を保ちつつ焦点距離を変化することのできる可変焦点レンズ３１を実現することができる。なお、充填層３５も透明変形部材３３の形状変化に伴って変形することとなるが、バッファ領域の空気が連通孔３９を介して外部へ排出されるので、その変形はスムーズに行われる。

ここで、図６（Ａ），図６（Ｂ）を参照して、可変焦点レンズ３１の動作についてより詳細に説明する。ここでは、理解を容易にするため、透明基板３２、透明変形部材３３および充填層３５の全ての屈折率が等しい場合について説明する。但し、本発明ではこれらの部材における屈折率を互いに異なるものとし、その屈折率の相異を積極的に利用した光学的作用を得るようにすることもできる。図６（Ａ）は、透明電極層３６，３７間に電圧を印加しない初期状態を表している。このとき、透明変形部材３３の入射側となる表面３３Ｔの形状は、透明基板３２の射出側となる表面３２Ｔに対して平行ではなく、入射側に凸形状をなしている。このため、可変焦点レンズ３１は凸レンズとして作用し、入射光束Φを集束する機能を発揮することとなる。一方、図６（Ｂ）は、透明電極層３６，３７間に所定の電圧を印加した状態を表している。電圧の印加により透明電極層３６，３７間に静電気力が働き、透明変形部材３３と充填層３５とが変形して表面３３Ｔが凹面となっている。このとき、表面３２Ｔは平面のままである。したがって、この場合には可変焦点レンズ３１が凹レンズとして作用し、入射光束Φを発散する機能を発揮することとなる。ここで、透明変形部材３３は所定の厚さ分布（弾性定数分布）を有しているので、印加電圧を調整することにより表面３３Ｔの形状が適切に選択される。よって、焦点距離を変化させつつ波面収差の補正が良好に行われることとなる。

また、電圧を印加しないときには光学的作用を発揮せず、電圧を印加した場合に負の屈折力を得るようにするには以下のようにすればよい。図７（Ａ）は、透明電極層３６，３７間に電圧を印加しない初期状態を表している。このとき、透明変形部材３３の入射側となる表面３３Ｔの形状は、透明基板３２の射出側となる表面３２Ｔとほぼ平行である。このため、入射光束Φは、なんらの光学的作用を受けることなく透過する。すなわち、可変焦点レンズ３１は実質的に平板ガラスと同様の作用しか持たない。一方、図７（Ｂ）は、透明電極層３６，３７間に所定の電圧を印加した状態を表している。電圧の印加により透明電極層３６，３７間に静電気力が働き、透明変形部材３３と充填層３５とが変形して表面３３Ｔが凹面となっている。このとき、表面３２Ｔは平面のままである。したがって、この場合には可変焦点レンズ３１が凹レンズとして作用し、入射光束φを発散する機能を発揮することとなる。ここで、透明変形部材３３は所定の厚さ分布（弾性定数分布）を有しているので、印加電圧を調整することにより所望の凹面形状を選択することができる。よって、焦点距離が変化しつつ波面収差の補正も良好に行われる。

続いて、水平方向偏向部４および垂直方向偏向部５について図８（Ａ），図８（Ｂ）を参照して説明する。図８（Ａ）は、水平方向偏向部４の平面構成を示し、図８（Ｂ）は、水平方向偏向部４のVIIB−VIIB切断線における矢視方向の断面構成を示している。なお、垂直方向偏向部５の構成は、以下に述べる水平方向偏向部４と同様であるので、ここでは説明を省略する。

水平方向偏向部４は、互いに並列に配置された複数の光偏向素子４１を備えている。なお、図８（Ａ），図８（Ｂ）では６つの光偏向素子４１を示しているが、必要に応じてその数を増減すればよい。光偏向素子４１は透過型の偏向素子であり、透明基板４２と、この透明基板４２と対向して配置された、透明材料からなる可動層４３と、透明基板４２と可動層４３との間に充填された透明材料からなる充填層４５と、透明電極層パターン４６と、透明電極層パターン４７Ａ，４７Ｂとを含んでいる。ここで、透明基板４２および透明電極層パターン４６は、複数の光偏向素子４１に対して共通に設けられている。

透明基板４２は、例えば石英などの高い剛性を示す透明材料により構成されている。この透明基板４２の中央領域には、可動層４３と充填層４５との短冊状をなす積層体が配置されており、それを取り囲む周辺領域には、充填層４５と同程度の厚さを有する支柱４４Ａと、可動層４３と同程度の厚さを有する支持枠４４Ｂとの積層体としての支持体４４が設けられている。可動部４３は、石英などの高い剛性を示す平行平板であり、長手方向の両端部とそれぞれ接続された一対のヒンジ４３Ｔを介して支持枠４４Ｂに繋がった状態となっている。可動部４３は、図９に示すように、例えば厚さ２０μｍの石英基板をエッチングによって周囲の支持枠４４Ｂおよびヒンジ４３Ｔと一体成型された構造となっている。図９は、可動部４３、ヒンジ４３Ｔおよび支持枠４４Ｂの構造を表す平面図である。可動部４３において、長さ４３Ｌは例えば１ｍｍであり、幅４３Ｗは例えば０．１ｍｍである。一対のヒンジ４３Ｔは、各々の一端が可動部４３の端部と接続されると共に他端が支持枠４４Ｂと接続されており、互いに同一直線状に位置するように形成されている。ヒンジ４３Ｔは可動部４３の長手方向に沿って細長い形状をなしており、例えば０．２ｍｍの長さ４３ＴＬと、例えば０．０１ｍｍの幅４３ＴＷとを有している。このため、何らかの外力を加えることにより、可動部４３はヒンジ４３Ｔの延在方向に沿った回転軸を中心として回転可能となっている。ここで、充填層４５は例えばシリコーンなどの透明で極めて柔軟な流動性材料によって構成されているので、可動層４３が回転するにあたり、その動作の妨げにはならない。

可動層４３の回転動作は、透明電極層パターン４６と、透明電極層パターン４７Ａ，４７Ｂとの間に電圧を印加することによって発生する静電気力を利用しておこなう。透明電極層パターン４６は、透明基板４２の表面４２Ｓにおける、少なくとも可動部４３に対応する領域を覆うように設けられており、図示しない接続線によって接地されている。一方、透明電極層パターン４７Ａ，４７Ｂは、透明電極層パターン４６と対向するように可動部４３の表面４３Ｓに形成されると共に、ヒンジ４３Ｔに沿って延在し、外部制御電源４８Ａ，４８Ｂ（後出）とそれぞれ接続されている。したがって、透明電極層パターン４７Ａ，４７Ｂは、個別に透明電極層パターン４６と対をなし、電圧印加によって各々の間に静電気力を発生するようになっている。さらに、透明電極層パターン４７Ａ，４７Ｂは、可動層４３の長手方向（Ｙ軸方向）に延びる端縁において互いに対向し、かつ互いに同一形状をなすように、可動層４３における長手方向の中間位置から両端部へ向かって次第に幅が広がるように形成されている。これら透明電極層パターン４６および透明電極層パターン４７Ａ，４７Ｂは、例えばカーボンやＩＴＯなどの導電材料を、一般的な真空成膜装置である真空蒸着装置、スパッタリング装置、イオンプレーティング装置またはＣＶＤ装置などを利用して表面４２Ｓ，４３Ｓに直接堆積したものである。なお、図８（Ａ）では、理解を容易にするため、透明電極層パターン４７Ａ，４７Ｂが形成された部分に模様を付けて表すと共に、その輪郭を実線で示している。また、本実施の形態では、透明電極４２の表面４２Ｓ上に共通の透明電極層パターン４６を設けるようにしたが、各可動層４３の表面４３Ｓ上に個別に透明電極層パターン４６を設けるようにしてもよい。その場合には、透明電極層パターン４７Ａ，４７Ｂを表面４２Ｓ上に設けるようにすればよい。また本実施の形態では、透明電極層パターン４７Ａ，４７Ｂの双方に共通の透明電極層パターン４６を設けるようにしたが、透明電極層パターン４６を複数に分割して配置し、透明電極層パターン４７Ａ，４７Ｂの各々と個別に対応するようにしてもよい。

ここで、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）を参照して、光偏向素子４１の動作について詳細に説明する。図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は、光偏向素子４１の動作および光学的作用を説明するための模式図である。光偏向素子４１では、外部制御電源４８Ａ，４８Ｂを用いて透明電極層パターン４６と透明電極層パターン４７Ａ，４７Ｂとの間に各々所定の大きさの電圧を印加することにより、Ｘ軸に沿った方向に電界強度分布が形成される。例えば、透明電極層パターン４６と透明電極層パターン４７Ａとの間に電圧を印加して静電気力を生じさせ、一方の透明電極層パターン４６と透明電極層パターン４７Ｂとの間には電圧を印加しなければ、一対のヒンジ４３Ｔの中心軸ω４３を回転軸としたトルクが発生し、透明電極層パターン４６と透明電極層パターン４７Ａとが引き合う方向に可動層４３が回転する。このとき、ヒンジ４３Ｔは捻れた状態となる。図１０（Ａ）の状態において透明電極層パターン４６と透明電極層パターン４７Ａとの間の電圧供給を停止すると、静電気力が失われ、ヒンジ４３Ｔの復元力により可動層４３が透明電極層パターン４６（すなわち透明基板４２）と平行な状態となる（図１０（Ｂ））。さらに、透明電極層パターン４６と透明電極層パターン４７Ａとの間に電圧を印加せず、一方の透明電極層パターン４６と透明電極層パターン４７Ｂとの間に電圧を印加して静電気力を生じさせれば、透明電極層パターン４６と透明電極層パターン４７Ｂとが引き合う方向に可動層４３が回転する（図１０（Ｃ））。ここで、印加電圧の大きさを調整することにより、可動層４３の回転角度を制御することができる。すなわち、図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）との間の回転角度や、図１０（Ｂ）と図１０（Ｃ）との間の回転角度を実現することができる。

次に、光偏向素子４１の光学的作用について説明する。ここでは、可動層４３の側から光束が入射する場合を考える。図１０（Ａ）では、入射光束に対して左下がりの傾斜をなしている。通常、光偏向素子４１の各構成材料は大気よりも大きな屈折率を有するので、可動層４３に入射した光束は右方向へ屈折する。そののち、充填層４５、透明電極層パターン４６および透明基板４２を順次透過した光束は、外部へ射出する際にさらに右方向へ屈折する。その結果、入射光束は右方向へ偏向される。このときの偏向角は、可動層４３の回転角度（傾斜角度）に依存する。すなわち、透明電極層パターン４６と透明電極層パターン４７Ａとの間に印加する電圧の大きさに依存する。さらに、光偏向素子４１の各構成材料における屈折率を適宜選択することにより、偏向角の調整がなされる。例えば可動層４３の屈折率ｎ４３に対し、充填層４５が２倍の屈折率ｎ４５（＝２×ｎ４３）を有するようにした場合には、可動層４３の回転角度に対して２倍の偏向角が得られることとなる。一方、図１０（Ｃ）では、入射光束に対して右下がりの傾斜をなしているので、図１０（Ａ）の場合と逆に左方向へ偏向される。偏向角の調整については、図１０（Ａ）の場合と同様である。このように、光偏向素子４１ではプリズムとしての作用が得られる。また、図１０（Ｂ）の状態では、入射光束は何らの偏向作用を受けずに直進することとなる。なお、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）では、透明基板４２の図示を省略しているため透明電極層パターン４６の下面から光束が射出しているように描かれているが、実際には透明基板４２の下面から光束が射出する。

このような光学的作用を発揮する光偏向素子４１は、印加電圧を個別に制御することによって可動層４３の回転角度を個別に選択することができる。したがって、図１１に示したように、水平方向偏向部４を構成する各光偏向素子４１は、入射光束を所望の角度に偏向することができる。

垂直方向偏向部５は、水平方向偏向部４における光偏向素子４１と同様の構成を有する光偏向素子５１を複数備えたものである。光偏向素子４１，５１は、図１２に示したように、各々の可動部４３，５３が互いに直交するように重ね合わせて配置されている。このような構成により、従来の反射型の光偏向素子では実現が困難であった水平方向および垂直方向双方における偏向操作を簡便に行うことができる。

＜３次元表示装置の作用＞
次に、３次元表示装置１０Ａの作用について、図１３および図１４を参照して説明する。

一般に、観測者は、ある物体上の物点を観測するとき、その物点を点光源として発射される球面波を観測することにより、３次元空間の固有な場所に存在する「点」として認識している。通常、自然界においては物体から発射される波面は同時に進行し、かつ常に連続的に、ある波面形状を伴って観測者に到達する。ところが、現状ではホログラフィ技術を除いては、空間の各点における光波の波面を同時かつ連続的に再現することは困難である。しかしながら、ある仮想物体があって、その仮想の各点からの光波が発射され、それぞれの光波が観測者に到達する時刻が多少不正確であっても、また連続的に到達するのではなく間歇的な光信号として到達しても、人の眼にはこの積分作用があることによって、不自然な感覚を感じることなく仮想物体を観測することができる。本実施の形態における３次元表示装置１０Ａでは、この人の眼の積分作用を利用して空間各点の波面を時系列的に順序立てて高速に形成することにより、従来よりも自然な３次元画像を形成することができる。

図１３は、３次元表示装置１０Ａを使用して観測者Ｉ，ＩＩが立体映像としての仮想物体IMGを観測している状態を表す概念図である。以下、その動作原理を説明する。

例えば、仮想物体IMGにおける任意の仮想物点（例えば仮想物点Ｂ）の映像光波は次のように形成される。まず、左右それぞれの眼に対応した２種類の画像が２次元表示部１に表示される。当然、２つの画像を同時に表示することは不可能であるので、それぞれの画像は順次表示されて最終的にそれぞれ左右の眼に順次送られる。例えば、仮想物点Ｃに対応することとなる画像は２次元表示部１における点ＣＬ１（左眼用）および点ＣＲ１（右眼用）にそれぞれ表示され、コリメート部２、レンズアレイ３、水平方向偏向部４および垂直方向偏向部５を順次透過したのち観測者ＩＩの左眼IIＬおよび右眼IIＲに各々到達する。同様に、観測者Ｉに対する仮想物点Ｃの画像は２次元表示部１における点ＢＬ１（左眼用）および点ＢＲ１（右眼用）にそれぞれ表示され、コリメート部２、レンズアレイ３、水平方向偏向部４および垂直方向偏向部５を順次透過したのち観測者Ｉの左眼IＬおよび右眼IＲに各々到達する。この動作は人の眼の積分効果の時定数内に高速に行われるので、観測者Ｉ，ＩＩは画像が順次送られてきていることを認識することはなく、仮想物点Ｃを認識することができる。

２次元表示部１から放射された表示画像光は、コリメート部２で概ね平行光束に変換されたのちレンズアレイ３へ向かう。コリメート部２では、表示画像光を平行光束に変換し焦点距離を無限大にすることで、光波が放射された点の位置情報のうち眼の焦点距離をあわせる際に生じる生理機能から得られる情報を一度消している。図１３では、コリメート部２からレンズアレイ３へ向かう光束の波面を、進行方向と直交する平行な波面ｒ０として示している。これによって従来発生していた両眼視差・輻輳角からの情報と焦点距離からの情報とが一致しないことから生じる脳の混乱は多少とも緩和される。こののち、レンズアレイ３において、各画素に応じた焦点距離情報を付加する。これについては、のちに詳述する。

２次元表示部１の点ＣＬ１，ＣＲ１から放射された表示画像光は、レンズアレイ３を経たのち、それぞれ水平方向偏向部４の点ＣＬ２，ＣＲ２に到達する。水平方向偏向部の点ＣＬ２，ＣＲ２に到達した光波は水平面内において所定方向へ偏向されたのち、垂直方向偏向部５の点ＣＬ３，ＣＲ３に到達する。さらに垂直方向偏向部５によって垂直面内において所定方向へ偏向され、それぞれ観測者ＩＩの左眼IIＬおよび右眼IIＲへ向かって放射される。ここで、例えば、偏向角が観測者ＩＩの左眼IIＬに向いたときに表示画像光の波面が点ＣＬ３に到達し、偏向角が観測者ＩＩの右眼IIＲに向いたときに表示画像光の波面が点ＣＲ３に到達するように、水平方向偏向部４および垂直方向偏向部５による偏向角に同期して２次元表示部１が表示画像光を送り出すようにする。その際、水平方向偏向部４および垂直方向偏向部５による偏向角に同期してレンズアレイ３が波面の変換動作を行うようにする。垂直方向偏向部５から放射された表示画像光の波面が観測者ＩＩの左眼IIＬおよび右眼IIＲに到達することにより、観測者ＩＩは仮想物体IMG上の仮想物点Ｃを３次元空間中の一点として認識することができる。仮想物点Ｂについても同様に、２次元表示部１の点ＢＬ１，ＢＲ１から放射された表示画像光は、レンズアレイ３を経たのち、それぞれ水平方向偏向部４の点ＢＬ２，ＢＲ２に到達する。点ＢＬ２，ＢＲ２に到達した光波は水平面内において所定方向へ偏向されたのち、垂直方向偏向部５によって垂直面内において所定方向へ偏向され、それぞれ観測者ＩＩの左眼IIＬおよび右眼IIＲへ向かって放射される。なお、図１３では、２次元表示部１の点ＢＬ１，ＢＲ１において、観測者Ｉに対する仮想物点Ｃの画像を表示すると共に観測者ＩＩに対する仮想物点Ｂの画像を表示する様子を表しているが、これらは同時に表示されるのではなく、互いに異なるタイミングで表示される。

ここで、レンズアレイ３の作用について図１３に加えて図１４を参照して説明する。レンズアレイ３では、２次元表示部１から射出された表示画像光の波面ｒ０が、任意の観測点から仮想物点までの光路長と等しい光路長となる位置に焦点を結ぶような曲率を有する波面ｒ１に変換される。例えば、図１４に示したように、仮想物点Ｃを光源として発射された光の波面ＲＣが光路長Ｌ１を経て左眼IIＬに到達するとした場合、左眼IIＬでの波面ＲＣと波面ｒ１との曲率が互いに一致するように波面形成がなされる。この場合、点ＣＬ２と点ＣＬ１とを結ぶ直線上において、点ＣＬ２から仮想物点Ｃまでの光路長Ｌ２と等しい距離に波面ｒ１に対応する焦点ＣＣが存在するものと考えることができる。そこで、波面ｒ１を有する表示画像光が焦点ＣＣを光源として発射されたものとみなすとすると、その表示画像光の波面ｒ１が左眼IIＬに到達したときに、あたかも仮想物点Ｃを光源として発射された波面ＲＣであるかのように認識される。また、図１３に示したように、垂直方向偏向部５よりも観測者側に近い位置に仮想物点Ａが存在する場合、レンズアレイ３で変換された波面ｒ１は仮想物点Ａにおいて焦点を結ぶこととなる。

この結果、従来発生していた両眼視差・輻輳角からの情報と焦点距離からの情報との不一致から生じる脳の混乱は完全に解消される。

また、コリメート部２で２次元表示部１から放射された表示画像光を平行光束に変換することにより、次のような作用が得られる。両眼視差を確保するためには、左右それぞれの眼に対応した２種類の画像を送る必要がある。すなわち、左右の眼に対応するそれぞれの表示画像光は、互いに反対側の眼に入射してはならない。仮に、コリメータ部２が存在せず、２次元表示部１を光源とした球面波が放射されているとすると、たとえ水平方向偏向部４や垂直方向偏向部５によって偏向させたとしても互いに反対側の眼にも不要な表示画像光が入射してしまう。その場合、両眼視差が発生せず、２重の画像として認識される。そこで、本実施の形態のようにコリメート部２において２次元表示部１からの表示画像光を平行光束に変換するようにすれば、表示画像光は扇方状に広がることなく、よって、他方の眼に入射することなく目的とする一方の眼だけに到達させることができる。

このように、本実施の形態の３次元表示装置１０Ａによれば、２次元表示部１によって映像信号に応じた２次元画像光を生成すると共に、レンズアレイ３によって、２次元表示部１から射出された表示画像光の波面ｒ０を任意の観測点（左眼IIＬ）から仮想物点Ｃまでの光路長Ｌ１と等しい光路長となる焦点ＣＣを結ぶような曲率を有する波面ｒ１に変換するようにしたので、表示画像光が、両眼視差、輻輳角および運動視差に関する情報だけでなく、適切な焦点距離情報を含むものとなる。このため、観察者が、両眼視差、輻輳角および運動視差に関する情報と、適切な焦点距離情報との整合性を図ることができ、生理的な違和感を生ずることなく所望の立体映像を認識することができる。特に、水平方向偏向部４による水平面内での偏向操作に加え、垂直方向偏向部５による垂直面内での偏向操作をも行うようにしたので、観測者の両眼を結ぶ仮想線が水平方向から外れている場合（観測者が寝転んだ姿勢をとった場合）であっても、左右の眼に対して所定の画像が到達することとなるので立体視が可能となる。

レンズアレイ３としては複数の可変焦点レンズ３１からなるレンズアレイ３Ａを用いるようにしたので、以下のような効果が得られる。すなわち各可変焦点レンズ３１が、互いに対向配置された透明基板３２および透明変形部材３３と、それらの間に充填された充填層３５と、透明基板３２の表面３２Ｓおよび透明変形部材３３の表面３３Ｓにそれぞれ設けられた透明電極層３６，３７とを備え、透明変形部材３３が、その層面に沿った方向に厚さ分布によって規定される弾性定数分布を有するようにしたので、透明電極層３６，３７間に電圧を印加し、弾性定数分布に応じて透明変形部材３３を変形させることにより、所望の非球面形状を高精度に確保しつつ、焦点距離を変化させることができる。したがって、簡素かつコンパクトな構成でありながら、良好な収差性能を確保しつつ焦点距離を変化させることができる。

また、水平方向偏向部４および垂直方向偏向部５において、互いに対向配置された透明基板４２および可動層４３と、これらの間に充填された充填層４５と、透明基板４２の表面４２Ｓおよび可動層４３の表面４３Ｓにそれぞれ設けられて層面に沿った方向に電界強度分布を形成する透明電極層パターン４６および透明電極層パターン４７Ａ，４７Ｂとを備えた透過型の光偏向素子４１，５１を用いるようにしたので、反射型の光偏向素子を用いた場合よりも全体として十分にコンパクトな構成を達成しつつ、水平方向および垂直方向双方の偏向操作を簡便に行うことができる。

また、レンズアレイ３、水平方向偏向部４および垂直方向偏向部５の全てにおいて透過型のデバイスを採用しているので、３次元表示装置１０Ａの全体構成におけるコンパクト化（薄型化）が極めて容易に実現可能である。

＜可変焦点レンズの変形例＞
次に、本実施の形態における変形例について説明する。本実施の形態では、可変焦点レンズ３１における透明変形部材３３が厚さ分布を有し、これによって規定される弾性定数分布を利用して所望のレンズ形状を形成するようにしている。これに対し、例えば図１５〜図１７に示した第１〜第３の変形例（変形例１〜３）としての可変焦点レンズ３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄのように、積層面に沿った方向に電界強度分布を持たせ、これを利用することにより所望のレンズ形状を形成することも可能である。

まず、変形例１としての可変焦点レンズ３１Ｂについて説明する。図１５（Ａ）が可変焦点レンズ３１Ｂの平面構成を表し、図１５（Ｂ）が可変焦点レンズ３１Ｂの断面構成を表している。ここで図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）のXVＢ−XVＢ切断線における矢視方向の断面に対応している。可変焦点レンズ３１Ｂは、表面３２Ｓ上における中央位置に円形状をなす透明電極層パターン３６Ａと、これと同心を有する円環状の透明電極層パターン３６Ｂとを有している。透明電極層パターン３６Ａ，３６Ｂは互いに絶縁されており、それぞれ接地されている。可変焦点レンズ３１Ｂは、上記の点を除いて図５（Ａ），図５（Ｂ）に示した可変焦点レンズ３１と全く同様の構成である。

可変焦点レンズ３１Ｂでは、透明電極層パターン３６Ａおよび透明電極層パターン３６Ｂのそれぞれに独立して電圧印加が可能であるので、それぞれの印加電圧を制御することにより、透明変形部材３３の形状を制御することができる。例えば凸レンズとして機能する状態から凹レンズとして機能する状態に変形させる際には、中央位置に配置された透明電極層パターン３６Ａの電極のみに電圧を印加するようにする。また、透明電極層パターン３６Ａへの印加電圧と、それを取り囲むように配置された透明電極層パターン３６Ｂへの印加電圧とのバランスを調整することによって、所望の非球面にスムーズに変形させることができる。なお、この例では、透明基板３２側の透明電極層のみを分割し、透明変形部材３３側の透明電極層３７については分割していないが、透明電極層パターン３６Ａ，３６Ｂの形状と一致するように透明電極層３７を分割するようにしてもよい。あるいは、透明変形部材３３側の透明電極層３７のみを複数に分割して配置するようにしてもよい。

次に、変形例２としての可変焦点レンズ３１Ｃについて説明する。図１６（Ａ）が可変焦点レンズ３１Ｃの平面構成を表し、図１６（Ｂ）が可変焦点レンズ３１Ｃの断面構成を表している。ここで図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）のXVIＢ−XVIＢ切断線における矢視方向の断面に対応している。可変焦点レンズ３１Ｃは、表面３２Ｓ上において、透明電極層パターン３６Ａを取り囲むように均等配置された透明電極層パターン３６Ｂ〜３６Ｅを有している。透明電極層パターン３６Ｂ〜３６Ｅは互いに絶縁されており、それぞれ接地されている。可変焦点レンズ３１Ｃは、上記の点を除いて図５（Ａ），図５（Ｂ）に示した可変焦点レンズ３１と全く同様の構成である。このように配置された透明電極層パターン３６Ｂ〜３６Ｅを利用することにより、透明変形部材３３における非対称な変形操作を行うことができる。したがって、例えばコマ収差などの補正をおこなうのに好適である。

次に、変形例３としての可変焦点レンズ３１Ｄについて説明する。図１７（Ａ）が可変焦点レンズ３１Ｄの平面構成を表し、図１７（Ｂ）が可変焦点レンズ３１Ｄの断面構成を表している。ここで図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）のXVIIＢ−XVIIＢ切断線における矢視方向の断面に対応している。可変焦点レンズ３１Ｄでは、透明基板３２の表面３２Ｓを平面ではなく曲面（ここでは凹面）としている。したがって、表面３２Ｓ上に形成された透明電極層パターン３６は曲面をなしているので、対向配置された透明電極層パターン３６と透明電極層パターン３７との相対距離が分布を有している。これにより、中心部分では静電気力による引力が弱まり、周辺部分での引力が相対的に強くなる。この強度分布を利用することにより、所望の非球面形状を形成することが可能となる。なお、この場合においても、透明電極層パターン３６，３７の少なくとも一方を分割配置するようにしてもよい。

［第２の実施の形態］
続いて、本発明における第２の実施の形態としての３次元表示装置１０Ｂについて説明する。上記第１の実施の形態では、波面変換手段として可変焦点レンズを用いるようにしたが、本実施の形態では、可変焦点ミラーを用いるようにしたものである。

図１８は、３次元表示装置１０Ｂの全体構成を説明する概念図である。図１８に示したように、３次元表示装置１０Ｂは、２次元表示部１と、コリメート部２と、波面変換手段としてのミラーアレイ６と、偏向手段としての偏向ミラー４Ｂとを順に備えるようにしたものである。

ミラーアレイ６は、図１９に示したように複数の可変焦点ミラー６１を有している。図１９は、ミラーアレイ６の概略断面構成を示すものである。可変焦点ミラー６１は可変焦点レンズ３１と同様、自らの一部が変形することにより、焦点距離を任意に変化させることの可能な光学デバイスである。各可変焦点ミラー６１は、剛性層としての基板６２と、この基板６２と対向配置された弾性層としての反射型変形部材６３と、基板６２および反射型変形部材６３の間に設けられた支柱６４と、基板６２の一表面および反射型変形部材６３の一表面にそれぞれ設けられて互いに対向する電極層６６，６７と、それら電極層６６，６７の間に充填された充填層６５を有している。電極層６６は接地されており、電極層６７は外部制御電源６８に接続されている。さらに、支柱６４の一部には連通孔６９がそれぞれ設けられており、外部との通気が可能となっている。

基板６２は、例えば石英などの高い剛性を示す材料により構成されている。支柱６４も基板６２と同様に、高剛性材料によって形成されている。基板６２の上に支柱６４によって支えられるように設けられた反射型変形部材６３は、例えば柔軟なポリエステル材料などのポリマーによって構成されており、高い弾性率を示すものである。さらに、その基板６２と反対側の表面６３Ｓには、銀（Ａｇ）などの薄膜からなる反射膜６３Ｍと、この反射膜６３Ｍを保護する保護膜（図示せず）とが順に積層されている。反射膜６３Ｍは、例えばスパッタリング法により形成されるものであり、その表面である反射面６３ＭＳにおいて入射光束φが反射される。ここで、反射型変形部材６３は、コリメート部２からの平行光束φが反射する領域において中央部から周辺部へ向かうほど徐々に薄くなっていることから、自らの延在する面内方向に弾性定数分布を有することとなる。さらに、表面６３Ｓが曲面をなしている場合、レンズ作用も発揮する。なお、このような反射型変形部材６３は、透明変形部材３３と同様の方法により成型することができる。

電極層６６，６７については透明電極層３６，３７と同様の構成とすることが可能である。但し、透明材料に限定されるものではない。

充填層６５は、上記第１の実施の形態における充填層３５と同様の性質を有するもの（例えばシリコーン）である。なお、充填層６５を設けることなく、電極層６６，６７間に働く静電気力を利用して反射型変形部材６３の変形を行うようにしてもよい。但し、充填層６５を設けるようにすれば電極層６６，６７間の誘電率が向上すると共に絶縁破壊特性が安定化するので、より効率的かつ信頼性の高い波面形成動作を行うことができる。

このような構成の可変焦点ミラー６１では、入射光を反射しつつ、集光または発散を行う。あるいは、このようなレンズ作用を発揮させずに平行光束のまま反射のみを行うことも可能である。具体的には、外部制御電源６８により電極層６６と透明電極層６７との間に所定の大きさの電圧を印加すると、それらの間に静電気力が発生して互いに引き付け合うこととなる。電極層６６は基板６２の表面６２Ｓと固着しており、一方の電極層６７は反射型変形部材６３の表面６３Ｓと固着しているので、結果として、基板６２と反射型変形部材６３とが互いに引き付け合うこととなる。このとき、基板６２は比較的高い剛性を示す材料からなるので、ほとんど変形しない。これに対し反射型変形部材６３は高い弾性を示す材料からなるので、比較的大きな変形を生ずる。反射型変形部材６３は、その厚さ分布によって規定される弾性定数分布に応じて変形するので、変形後に所望の形状をなすように予め設計し加工しておくことにより所望のレンズ作用を得ることができる。この際、電極層６６と電極層６７との間の印加電圧の大きさに応じて静電気力が変化することを利用して、連続的に（あるいは段階的に）異なる反射型変形部材６３の形状（すなわち、反射面６３ＭＳの形状）を選択形成することができる。図１９では、反射面６３ＭＳが凹面をなし、集光作用を発揮している状態が可変焦点ミラー６１Ａであり、反射面６３ＭＳが凸面をなし、発散作用を発揮している状態が可変焦点ミラー６１Ｂであり、反射面６３ＭＳが平面をなし、レンズ作用を発揮することなく反射のみを行っている状態が可変焦点ミラー６１Ｃである。なお、反射型変形部材６３の厚さ分布については、例えば有限要素法によるシミュレーション結果に基づいて最適化することができる。これにより、所望の球面形状または非球面形状を保ちつつ焦点距離を変化することのできる可変焦点ミラー６１を実現することができる。

偏向ミラー４Ｂとしては、例えばガルバノミラーを用いることが可能である。図１８では３台のガルバノミラーを配置するようにした例を示しているが、２台以下であってもよいし、必要に応じて４台以上としてもよい。また、ＤＭＤ（デジタルマルチミラー）のように偏向可能なマイクロミラーが多数配置されたスキャニングマイクロミラーアレイ素子であっても良い。

次に、このようなミラーアレイ６および偏向ミラー４Ｂを備えた３次元表示装置１０Ｂを使用して立体映像としての仮想物体IMGを観測する場合の動作原理について、図１８および図１９を参照して説明する。

２次元表示部１の特定の表示領域から、コリメート部２を介して、観測者Ｉの右眼ＩＲで見たときの仮想物体の仮想物点Ｂに対応する表示画像光の波面が放射されたとする。表示画像光はミラーアレイ６の可変焦点ミラー６１で反射されるが、このとき、表面６３Ｓ（すなわち反射膜６３Ｍの表面）の形状を制御することによって所望の曲率の波面に変換される。ここでは、仮想物点Ｂで発生する光波（つまり、仮想物点Ｂを発光源とする球面波）が観測者に到達したとき観測者が感じる曲率（焦点距離）になるような波面に変換する。すなわち、仮想物点Ｂから観測者Ｉの右眼ＩＲまでの光路長と、ミラーアレイ６によって反射された表示画像光の焦点ＢＢから観測者Ｉの右眼ＩＲまでの光路長とが一致するように表面６３Ｓの形状を制御すればよい。ミラーアレイ６で反射された表示画像光は、偏向ミラー４Ｂが観測者Ｉの右眼ＩＲの方向に向いたとき偏向ミラー４Ｂ上の点ｄに到達して反射され、右眼ＩＲに入射する。同様に、２次元表示部１における他の特定の表示領域から、観測者Ｉの左眼ＩＬで見たときの仮想物点Ｂに対応する表示画像光の波面が放射されたとすると、その表示画像光はミラーアレイ６を経由したのち、偏向ミラー４Ｂが観測者Ｉの左眼ＩＬの方向に向いたとき偏向ミラー４Ｂ上の点ｃに到達して反射され、左眼ＩＬに入射する。

以上の過程によって観測者Ｉは仮想物体IMG上の仮想物点Ｂを両眼で観測することとなる。このとき観測者Ｉは、左眼ＩＬおよび点ｃを結ぶ直線と、右眼ＩＲおよび点ｄを結ぶ直線との交点に仮想物点Ｂを認識する。同様に、観測者Ｉは、仮想物体IMG上の他の仮想物点Ａについても、左眼ＩＬおよび点ａを結ぶ直線と右眼ＩＲおよび点ｂを結ぶ直線との交点における空間上の一点として認識する。さらに、図示しない他の仮想物点についても同様の過程を経ることによって全て認識することができる。

このように、本実施の形態の３次元表示装置１０Ｂにおいても、観察者が、両眼視差、輻輳角および運動視差に関する情報と、適切な焦点距離情報との整合性を図ることができ、生理的な違和感を生ずることなく所望の立体映像を認識することができる。

次に、本発明の実施例について以下に説明する。

本実施例では、図２０に示した構造を有する本発明の可変焦点レンズ３１Ｅを作製し、その特性について評価した。

図２０に示したように、本実施例としての可変焦点レンズ３１Ｅでは、中央位置ＣＬを中心として段階的に厚さが薄くなった透明変形部材３３Ｅと支柱３４Ｅとが一体成型されている。透明変形部材３３Ｅの平面形状は中心位置ＣＬを中心とした円形である。また、中央領域に設けた透明電極層３６Ｅと透明電極層３７Ｅとの厚み方向の間隔は０．０１ｍｍとした。透明電極層３６Ｅ，３７Ｅは、ＩＴＯからなり、０．８ｍｍの直径を有する円形の薄膜である。充填層３５Ｅはシリコーンである。充填層３５Ｅについては、液体状のシリコーンを透明電極４２Ｅ上の所望領域に塗布し、透明電極４２Ｅと透明変形部材３３Ｅとを貼付したのち１３０℃程度で熱硬化しゴム化するようにした。なお、当初のシリコーンが液体であるので、このような０．０１ｍｍという極めて薄い形状についても容易に作製することができる。

図２１は、透明電極層３６Ｅと透明電極層３７Ｅとの間に印加する印加電圧および、その際に生じる引力の関係について示した特性図である。図２１では、横軸を印加電圧（Ｖ）とし、縦軸を電極層間に発生する引力（ｍＮ）とした。図２１から明らかなように、この引力は印加電圧の２乗に正比例した値となった。なお、この引力は、透明電極層３６Ｅ，３７Ｅの断面積に正比例し、透明電極層３６Ｅ，３７Ｅ間の距離の２乗に反比例するので、それらを選択することにより、その引力の調整が可能である。

一般的な静電アクチュエータでは、電極間が大気で満たされている。これに対し、本実施例では、透明電極層３６Ｅと透明電極層３７Ｅとの間にシリコーンなどからなる充填層３５Ｅを満たすようにした。例えばシリコーンは３〜１０の比誘電率を有するので、本実施例では、通常の静電アクチュエータと比較した場合、同じ電圧を印加しても３〜１０倍の力を発生することができる。あるいは、より低い印加電圧であってもある一定の引力を発生させることができる。さらに、電極間を大気で満たすようにした場合には絶縁破壊電圧が１ｋｖ/ｍｍ程度と低いことからあまり高い電圧を印加することができないので、一般的には静電アクチュエータでは大きな引力が得られないと考えられている。しかしながら、本実施例のように充填層３５Ｅとしてシリコーンを利用すれば、０．０１ｍｍ程度の電極間距離であれば、約３００ｋＶ/ｍｍの絶縁破壊電圧を得られることが確認されている。したがって、本発明の可変焦点レンズでは通常の静電アクチュエータに比べ大きな電圧を印加することが可能であり、極めて大きな引力を発生することが可能となる。図２１から明らかなように、本実施例では、絶縁破壊電圧以下の印加電圧（５００Ｖ）であっても２０ｍＮにも及ぶ大きな引力が得られている。

図２０に示した透明変形部材３３Ｅは、図２２に示した理想非球面形状Ｉ１〜Ｉ３を実現するための断面形状を有している。この断面形状については有限要素方等の方法を利用することによってコンピュータでシミュレーションを行い決定したが、実際に作って合わせ込んでもよい。図２２では、横軸に中心位置ＣＬからの距離（ｍｍ）を示し、縦軸に変形量（ｍｍ）を示している。理想非球面形状Ｉ１は透明電極層３６Ｅ，３７Ｅ間に１０．９ｍＮの引力が生じた場合に相当し、理想非球面形状Ｉ２は透明電極層３６Ｅ，３７Ｅ間に１３．４ｍＮの引力が生じた場合に相当し、理想非球面形状Ｉ３は、透明電極層３６Ｅ，３７Ｅ間に１６．０ｍＮの引力が生じた場合に相当するものである。これらの理想非球面形状Ｉ１〜Ｉ３は、有限要素法によるコンピュータシミュレーションでの算出値Ｓ１〜Ｓ３とほぼ一致する結果となった。

以上、いくつかの実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、表示デバイスとして液晶デバイスを利用した例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば有機ＥＬ素子、プラズマ発光素子、フィールドエミッション（ＦＥＤ）素子、あるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）などの自発光素子をアレイ状に配設したものを表示デバイスとして適用することもできる。このような自発光型の表示デバイスを用いた場合には、バックライト用の光源を設ける必要がないので、より簡素な構成を実現することができる。また、上記実施の形態で説明した液晶デバイスは透過型のライトバルブとして機能するものであるが、ＧＬＶ（グレーティングライトバルブ）やＤＭＤ（デジタルマルチミラー）などの反射型のライトバルブを表示デバイスとして用いることも可能である。また、上記実施の形態では、理解を容易とするため２次元画像生成手段、光束平行化手段、波面変換手段および偏向手段がそれぞれ明確に分離された例について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、上記の各手段が物理的に分離されているものに限定されず、概念上、上記の各手段を含んでいればよいものである。

さらに、光源からの光の波面形状を把握している場合（例えば平面波や球面波であることが明らかである場合）には、平面波に変換しなくともよい。例えば、図２３〜図２７に示した構成例（後に詳述）のように、平行度が高く極めて平面波に近いバックライトを用いるようにした場合には、光束平行化手段（コリメート部）を利用しなくともよい。また、自発光素子を用いた場合において１つ１つの発光画素における発光領域の面積が極めて小さい場合、その自発光素子からの光は概ね球面波であるとみなすことができるので、やはり光束平行化手段（コリメート部）を利用しなくともよい。このように光の波面形状を把握している場合には、その波面形状に合わせて波面変換手段（可変焦点レンズや可変焦点ミラー等）を制御することにより所望の波面を形成することができるので、光束平行化手段を用いることなく両眼視差、輻輳角、運動視差および焦点距離に関する情報を正確に把握することが可能である。以下、図２３〜図２７を参照して、２次元画像生成手段および光束平行化手段の他の構成例について説明する。

図２３（Ａ）は、２次元画像を形成する手段として液晶デバイス１１を利用し、そのバックライトＢＬの光源として、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプまたはキセノンランプ等のランプ７０を用いるようにした構成例（変形例４）を示している。ランプ７０は、発光源７１およびミラー７２を含んでいる。これら発光源７１およびミラー７２の配置や形状を調整することによってランプ７０から射出される光がほぼ平行光となっている。発光源７１はできるだけ点光源に近いものが望ましく、ミラー７２はパラボラ形状であることが望ましい。

図２３（Ｂ）は、光源として上記のランプ７０を利用すると共に、２次元画像を形成する手段としてＤＭＤのような偏向可能なマイクロミラーを利用した構成例（変形例５）を示している。ランプ７０からの平行光は、カラーホイール７３を透過したのち、上記の偏向可能なマイクロミラーを多数配置したマイクロミラーアレイ７４によって２次元画像として所定方向へ反射出力される。なお、カラーホイール７３は、図２３（Ｃ）に示したように、回転軸７３Ｚを取り囲むように赤色領域７３Ｒ、緑色領域７３Ｇおよび青色領域７３Ｂが配置され、回転軸７３Ｚを中心として回転するものである。

図２４に示した構成例（変形例６）は、指向性の高いレーザ光源６５を利用した２次元表示部８１を示している。すなわち、２次元表示部８１は、２次元画像生成手段および光束平行化手段の機能を兼ね備えている。２次元表示部８１には、レーザ光源７５のほか、これに近い側から順にビームエキスパンダ７６、マイクロミラーアレイ７４、およびビームエキスパンダ７７が配置されている。レーザ光源７５からの射出光は指向性が極めて高いので、ほぼ平行光として扱うことができる。レーザ光源７５からの射出光は、ビームエキスパンダ７６を通過する際に、ほぼ均一な分布となるように光束径が拡大される。さらに、ビームエキスパンダ７６を通過した光束がマイクロミラーアレイ７４を経由することによって２次元画像が形成される。２次元画像光は必要に応じてビームエキスパンダ７７においてさらに拡大されたのち、２次元表示部８１から出力される。なお、レーザ光源７５の代わりに、指向性の高い発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として用いることができる。

２次元表示部８１から出力される２次元画像光は単色である。そこで、カラーの２次元画像光を得る場合には、図２５に示したような構成（変形例７）とする必要がある。図２５は、赤色の２次元画像光を形成する２次元表示部８１Ｒと、緑色の２次元画像光を形成する２次元表示部８１Ｇと、青色の２次元画像光を形成する２次元表示部８１Ｂと、ダイクロイックミラープリズム７８とを組み合わせた構成例である。これにより、各々からの２次元画像光をダイクロイックミラー７８で混合することで自然なカラーの２次元画像光が得られる。

さらに、図２４に示した２次元表示部８１におけるマイクロミラーアレイ６４の代わりに、液晶デバイスを用いて２次元画像を形成することもできる。具体的には、図２６に示した２次元表示部８２のように、液晶デバイス１１およびミラー７９を光路上に配置するようにすればよい（変形例８）。

さらに、図２７に示した構成例（変形例９）のように、赤色の２次元画像光を形成する２次元表示部８２Ｒと、緑色の２次元画像光を形成する２次元表示部８２Ｇと、青色の２次元画像光を形成する２次元表示部８２Ｂと、ダイクロイックミラープリズム７８とを組み合わせることによって、カラーの２次元画像光が得られる。

また、偏向手段として、図２８に示したようなＤＭＤタイプの光偏向素子９１を用いるようにしてもよい（変形例１０）。光偏向素子９１は、互いに対向するように配置された、石英などの剛性材料からなる透明基板９２および可動層９３と、それらの間に充填されたシリコーンなどの充填層９５を有している。可動層９３は支持体９４の一部をなす保持部９４Ｄによって保持されている。可動層９３の表面は透明電極層９７によって覆われており、透明基板９２の表面に設けられた透明電極層９６Ａ，９６Ｂとそれぞれ対向するようになっている。さらに、保持部９４Ｄは、一対のヒンジ９４Ｃを介して支持枠９４Ｂと接続されている。一対のヒンジ９４Ｃは、可動層９３の中心位置を通る中心線ＣＬに沿って延在する中心軸ω９４を有している。支持枠９４Ｂは、透明基板９２の上に、支柱９４Ａを介して配置されている。

このような構成の光偏向素子９１では、透明基板９２の側から入射する光束を支持枠９４Ｂと、一対のヒンジ９４Ｃと、保持部９４Ｄとによって形成される２つの開口９４Ｋ１，９４Ｋ２を通過するように射出させるようになっている。この際、透明電極層９６Ａと透明電極層９７との間、または透明電極層９６Ｂと透明電極層９７との間に電圧を印加し、中心軸ω９４を軸として可動層９３を回転させることにより、入射光束を所定の方向へ偏向させることができる。

さらに、図２９に示したように、偏向機能に加えてレンズ機能をも併せ持った光学素子９２を偏向手段および波面変換手段として用いるようにしてもよい（変形例１１）。可動層９３は、例えば透明で柔軟なポリエステル材料などのポリマーによって構成され、高い弾性率を示すものである。したがって、透明電極層９６Ｃと透明電極層９７との間に電圧を印加することにより所望の形状が形成され、入射光束に対する集光または発散作用を発揮するようになっている。また、透明電極層９６Ｄ，９６Ｅと透明電極層９７との間に電圧を印加することにより、一対のヒンジ９４Ｃにおける中心軸ω９４を軸として回転し、偏向操作を行うようになっている。

また、第２の実施の形態では充填層６５を用いて反射型変形部材６３を変形させるようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、図３０に示した変形例（変形例１２）としての可変焦点ミラー６１Ａのように、ピエゾ素子６５Ａを、充填層６５の代わりに電極層６６，６７間に設けるようにしてもよい。ピエゾ素子６５Ａとしては、例えばゾル・ゲル法等で形成されたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる厚膜を用いることができる。

また、上記の各実施の形態では、各種波面変換手段および偏向手段において、電極間に働く静電気力のうちの引力を利用して変形動作を行うようにしたが、斥力を積極的に利用するようにしてもよい。例えば、可変焦点レンズ３１において、透明電極３６，３７間に静電気力が生じていない状態で図６（Ｂ）に示したような凹形状をなすように透明変形部材３３を形成しておき、透明電極３６，３７間に電圧を印加し、同符号の電荷をチャージして斥力を生じさせることにより図６（Ａ）の状態を形成するようにしてもよい。

本発明における第１の実施の形態としての３次元表示装置の構成を示す概略図である。 図１に示した３次元表示装置における２次元表示部およびコリメート部の構成を示す概略図である。 図１に示した３次元表示装置における２次元表示部およびコリメート部の他の構成を示す概略図である。 図１に示した３次元表示装置におけるレンズアレイの構成を示す概略図である。 図４に示したレンズアレイにおける可変焦点レンズの構成を示す拡大平面図および拡大断面図である。 図５に示した可変焦点レンズの動作を説明するための拡大断面図である。 図５に示した可変焦点レンズの動作を説明するための他の拡大断面図である。 図１に示した３次元表示装置における水平方向偏向部の構成を示す平面図および断面図である。 図１に示した３次元表示装置における水平方向偏向部の構成を示す他の平面図である。 図８に示した水平方向偏向部における光偏向素子の動作を説明するための拡大断面図である。 図８に示した水平方向偏向部における光偏向素子の全体動作を説明するための断面図である。 図１に示した３次元表示装置における水平方向偏向部および垂直方向偏向部の配置関係を説明するための平面図である。 図１に示した３次元表示装置において立体映像を観測する際の動作を説明するための概念図である。 図１に示した３次元表示装置において立体映像を観測する際の動作を説明するための他の概念図である。 図１に示した３次元表示装置における可変焦点レンズの第１の変形例（変形例１）としての構成を示す平面図および断面図である。 図１に示した３次元表示装置における可変焦点レンズの第２の変形例（変形例２）としての構成を示す平面図および断面図である。 図１に示した３次元表示装置における可変焦点レンズの第３の変形例（変形例３）としての構成を示す平面図および断面図である。 本発明における第２の実施の形態としての３次元表示装置の構成を示す概略図である。 図１８に示した３次元表示装置におけるミラーアレイの構成を示す概略図である。 本発明の実施例としての可変焦点レンズの構成を示した断面図である。 本実施例における印加電圧と電極層間に発生する引力との関係を表す特性図である。 本実施例における引力と変形量との関係を表す特性図である。 本発明の２次元画像生成手段および光束平行化手段における変形例（変形例４，５）を示した概略図である。 本発明の２次元画像生成手段および光束平行化手段における変形例（変形例６）を示した概略図である。 本発明の２次元画像生成手段および光束平行化手段における変形例（変形例７）を示した概略図である。 本発明の２次元画像生成手段および光束平行化手段における変形例（変形例８）を示した概略図である。 本発明の２次元画像生成手段および光束平行化手段における変形例（変形例９）を示した概略図である。 本発明の偏向手段における変形例（変形例１０）としての光偏向素子を示した概略図である。 本発明の偏向手段および波面変換手段における変形例（変形例１１）としての光学素子を示した概略図である。 図１９に示したミラーアレイの変形例（変形例１２）を示す概略図である。

符号の説明

１…２次元表示部、１０…３次元表示装置、１１…液晶デバイス、１２…ガラス基板、１３…画素電極、１４…ガラス基板、２…コリメート部、２１…マイクロレンズ、３…レンズアレイ、３１…可変焦点レンズ、３２…透明基板、３３…透明変形部材、３４…支柱、３５…充填層、３６，３７…透明電極層、３８…外部制御電源、３９…連通孔、４…水平方向偏向部、４Ｂ…ガルバノミラー、４１…光偏向素子、４２…透明基板、４３…可動層、４４…支持体、４５…充填層、４６，４７Ａ，４７Ｂ…透明電極層パターン、５…垂直方向偏向部、６…ミラーアレイ、６１…可変焦点ミラー、６２…基板、６３…反射型変形部材、６４…支柱、６５…充填層、６５Ａ…ピエゾ素子、６６，６７…電極層、６８…外部制御電源、６９…連通孔。

Claims (15)

1. 映像信号に応じた２次元表示画像を生成する２次元画像生成手段と、
   前記２次元画像生成手段から射出された表示画像光の波面を、任意の観測点から仮想物点までの光路長と等しい光路長となる位置に焦点を結ぶような曲率を有する波面に変換する波面変換手段と、
   前記波面変換手段により波面変換された表示画像光を偏向する偏向手段と
   を備えたことを特徴とする３次元表示装置。
2. 光源と、
   前記光源からの発散光を平行光束に変換して前記２次元画像生成手段へ射出する光束平行化手段をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
3. 前記２次元画像生成手段を構成する各画素から発散する各表示画像光を画素単位で平行光束に変換して前記波面変換手段へ射出する光束平行化手段をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
4. 前記平行化手段は、各画素に対応して配置された正レンズからなる
   ことを特徴とする請求項３に記載の３次元表示装置。
5. 前記平行化手段は、光軸と平行をなすように立設されると共に前記表示画像光を吸収する材料が少なくとも表層部に設けられた隔壁からなる
   ことを特徴とする請求項３に記載の３次元表示装置。
6. 前記偏向手段は、
   前記波面変換手段からの表示画像光を、水平方向に偏向する水平方向偏向部と、これと直交する垂直方向に偏向する垂直方向偏向部とを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
7. 前記波面変換手段が、可変焦点ミラーである
   ことを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
8. 前記可変焦点ミラーは、
   剛性層と、
   前記剛性層と対向して配置された弾性層と、
   前記弾性層の、前記剛性層とは反対側の表面に設けられた反射層と、
   前記剛性層の一表面および前記弾性層の一表面にそれぞれ設けられた電極層対と
   を備え、
   前記弾性層は、その層面に沿った方向に弾性定数分布を有する
   ことを特徴とする請求項７に記載の３次元表示装置。
9. 前記波面変換手段が、可変焦点レンズである
   ことを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
10. 前記可変焦点レンズは、
    透明材料からなる剛性層と、
    前記剛性層と対向して配置された、透明材料からなる弾性層と、
    前記剛性層と前記弾性層との間に充填された、透明材料からなる充填層と、
    前記剛性層の一表面および前記弾性層の一表面にそれぞれ設けられた透明電極層対と
    を備え、
    前記弾性層は、その層面に沿った方向に弾性定数分布を有する
    ことを特徴とする請求項９に記載の３次元表示装置。
11. 前記可変焦点レンズは、
    透明材料からなる剛性層と、
    前記剛性層と対向して配置された、透明材料からなる弾性層と、
    前記剛性層と前記弾性層との間に充填された透明材料からなる充填層と、
    前記剛性層の一表面および前記弾性層の一表面にそれぞれ設けられて層面に沿った方向に電界強度分布を形成する透明電極層対と
    を備えたことを特徴とする請求項９に記載の３次元表示装置。
12. 前記偏向手段が、
    透明材料からなる固定層と、
    前記固定層と対向して配置された、透明材料からなる可動層と、
    前記固定層と前記可動層との間に充填された透明材料からなる充填層と、
    前記固定層の一表面および前記可動層の一表面にそれぞれ設けられて層面に沿った方向に電界強度分布を形成する透明電極層対と
    を備えた光偏向素子である
    ことを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
13. 前記２次元画像生成手段と、前記偏向手段とが同期している
    ことを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
14. 前記波面変換手段と、前記偏向手段とが同期している
    ことを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。
15. 前記偏向手段が、水平方向偏向手段と垂直方向偏向手段とを含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の３次元表示装置。

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