JP2009020251A - 立体ディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、滑らかな調節視差を得ることのできる効率的な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、観察眼（１）の瞳上の互いに離れた複数点（Ｐ１，Ｐ２）へ個別に集光する複数の集光光束（Ｂ１，Ｂ２）を生成する光学系（Ｓ１，Ｌ１，Ｌ２，４，Ｌｓ）と、前記複数の集光光束（Ｂ１，Ｂ２）の各々に対し、観察眼（１）の前方に立体を配置したときに前記複数点（Ｐ１，Ｐ２）に向かう複数の光束の各々と同等の振幅分布を付与する空間光変調素子（３１，３２）とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、立体ディスプレイに関する。

二眼式立体ディスプレイは、観察者の両眼に視差のある画像（視差画像）を表示するものである。観察者は、それぞれの目で異なる視差画像を観察することにより、立体を認識することがでできる。

しかし、個々の眼に入射するのは平面状の視差画像から射出した光束なので、観察者が眼の調節を試みたとしても単眼では立体の奥行き（調節視差）を感じることはできない。このため、立体の表示位置と眼の焦点とが一致せず、違和感を感じる。

この問題を解消するため、特許文献１に記載の二眼式立体ディスプレイは、観察者から見て横方向だけでなく奥行き方向にも視差画像を並べて表示している。
特開２０００−３５０２３７号公報

しかしながら、この立体ディスプレイで滑らかな調節視差を得ようとすると、奥行き方向に並べるべき視差画像の枚数が多くなる。視差画像の枚数を多くすると、ディスプレイの省スペース化や高精細化が困難となり、非効率である。

そこで本発明は、滑らかな調節視差を得ることのできる効率的な立体ディスプレイを提供することを目的とする。

本発明の立体ディスプレイは、観察眼の瞳上の互いに離れた複数点へ個別に集光する複数の集光光束を生成する光学系と、前記複数の集光光束の各々に対し、前記観察眼の前方に立体を配置したときに前記複数点に向かう複数の光束の各々と同等の振幅分布を付与する空間光変調素子とを備えたことを特徴とする。

なお、前記光学系は、複数の点光源と、前記複数の点光源から射出する複数の光束を重畳させる統合光学系と、前記統合光学系から射出する複数の光束を前記複数点に集光する集光光学系とを備えてもよい。

また、前記空間光変調素子の配置先は、前記複数の点光源と前記統合光学系との間の複数の光路の各々であってもよい。

また、前記空間光変調素子の配置先は、前記統合光学系と前記集光光学系との間の光路であり、前記複数の点光源及び前記空間光変調素子は、互いに異なる振幅分布の複数の集光光束を時分割で生成してもよい。

また、前記光学系は、点光源と、前記点光源から射出する光束を互いに重畳した複数の光束に分離し、かつそれら複数の光束を前記複数点に集光する分離集光光学系とを備えてもよい。

また、前記空間光変調素子の配置先は、前記分離集光光学系と前記点光源との間の光路であり、前記空間光変調素子及び前記分離集光光学系は、互いに異なる振幅分布の複数の集光光束を空間分割で生成してもよい。

また、前記分離集光光学系は、マイクロプリズムアレイであってもよい。

また、前記分離集光光学系は、マイクロミラーアレイであってもよい。

また、前記複数点の並び方向は、観察者の左右方向であり、前記複数の集光光束の集光点を前記観察者の上下方向に伸張する発散手段を更に備えてもよい。

また、前記何れかの立体ディスプレイは、前記複数の集光光束を、それぞれに対応した光制限部に通し、前記複数の集光光学系とは異なる集光光学系により、前記観察眼上に前記光制限部の実像を形成してもよい。

また、前記複数の集光光束の集光点の位置を前記瞳の位置に追従させる制御手段を更に備えてもよい。

また、前記制御手段は、前記複数の集光光束の集光点の位置を変化させるために、偏向方向が可変となる光偏向機能を有してもよい。

また、前記制御手段は、前記瞳の位置を検出するために、前記観察眼の周辺を撮影可能なカメラを使用してもよい。

また、前記制御手段は、前記光学系を介して基準パターンを投影し、前記カメラが取得する画像中の前記基準パターンの像と前記瞳の像との位置関係が保たれるように前記集光光束の集光点の位置を制御してもよい。

また、前記制御手段は、前記瞳の位置に応じて前記空間光変調素子の変調パターンを変化させてもよい。

本発明によれば、滑らかな調節視差を得ることのできる効率的な立体ディスプレイが実現する。

［実施形態の原理］
本実施形態の立体ディスプレイの原理を図１，図２，図３に基づき説明する。

図１は、観察眼が立体を観察する様子を示す図である。図１に示すとおり、観察眼１の瞳Ｐには立体２の各点ＱＡ，ＱＢ，ＱＣ，…から射出した各光束ＢＡ，ＢＢ，ＢＣ，…が重畳して入射する。各光束ＢＡ，ＢＢ，ＢＣ，…は、観察眼１の網膜近傍に個別に集光し、互いにずれた位置に各点の像ＱＡ’，ＱＢ’，ＱＣ’，…を形成する。

ここで、立体２の２つの代表点ＱＡ，ＱＢに着目すると、点ＱＡ，ＱＢは前後方向にずれているので、像ＱＡ’，ＱＢ’の形成位置も前後方向にずれる。なお、本明細書では、立体ディスプレイの各方向を、観察者から見た各方向によって「上下方向」、「左右方向」、「前後方向」などと表すこととする。

したがって、観察眼１が点ＱＡを凝視しようとして調節（水晶体の厚さ調節）を行うと、像ＱＡ’は網膜上に形成されるが、像ＱＢ’は網膜からずれた面に形成される。このとき観察眼１には、像ＱＡ’はシャープに見えるが像ＱＢ’はボケて見える。

その反対に、観察眼１が点ＱＢを凝視しようとして調節（水晶体の厚さ調節）を行うと、像ＱＢ’は網膜上に形成されるが、像ＱＡ’は網膜からずれた面に形成される。このとき観察眼１には、像ＱＢ’はシャープに見えるが像ＱＡ’はボケて見える。

したがって、像ＱＡ’，ＱＢ’，ＱＣ’，…の全体にはボケ分布が生じ、そのボケ分布は、観察眼１が調節を行うと変化する。これによって、観察眼１は立体２の奥行き（調節視差）を感じることができる。また、観察眼１が調節を行ったときのボケ分布の変化は連続的なので、調節視差は滑らかである。

図２は、観察眼の瞳Ｐの直前にピンホール板を配置した様子を示す図である。このとき、観察眼１の瞳Ｐに入射できるのは、点ＱＡ，ＱＢ，ＱＣ，…の各々から射出した単一光線ｂＡ，ｂＢ，ｂＣ，…である。この場合、像ＱＡ’，ＱＢ’，ＱＣ’…の各々は、集光光束ではなく単一光線によって形成される。

したがって、この場合は、像ＱＡ’，ＱＢ’，ＱＣ’，…の全体にはボケ分布が生じることはなく、像ＱＡ’，ＱＢ’，ＱＣ’，…の全てがシャープになる。したがって、観察眼１は、立体２の奥行き（調節視差）を感じることはできない。

以上のことを踏まえると、次のことが言える。

先ず、図３（Ａ）に示すとおり瞳Ｐの全域が開放されているときには観察眼１が調節視差を感じることができるが、図３（Ｅ）に示すとおり瞳Ｐの前にピンホール板が配置されたときには、観察眼１が調節視差を感じることはできない。

しかし、ピンホール板が配置されたとしても、図３（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）に示すとおりピンホールの数が複数化されていれば、像ＱＡ’，ＱＢ’，ＱＣ’，…の各々は単一光線ではなく複数光線によって形成されることになるので、像ＱＡ’，ＱＢ’，ＱＣ’，…の全体にはボケ分布が生じ、その分布は観察眼１の調節によって変化する。よって、観察眼１は調節視差を感じることができる。

また、図３（Ｄ）に示すとおりピンホールの数が少ないと、像ＱＡ’，ＱＢ’，ＱＣ’，…の各々を表現する光線の本数が少なくなるので、像ＱＡ’，ＱＢ’，ＱＣ’，…の輝度が低くなるものの、ピンホール同士の間隔さえ十分に確保されていれば、像ＱＡ’，ＱＢ’，ＱＣ’，…の全体に生じるボケ分布の程度や、観察眼１の調節による分布の変化量は十分に大きくなるので、調節視差は確実に得られる。

また、像ＱＡ’，ＱＢ’，ＱＣ’，…の各々を表現する光線の本数が少なかったとしても、観察眼１の調節に伴うボケ分布の変化は連続的になるので、調節視差の滑らかさが損なわれることは無い。

そこで、本実施形態の立体ディスプレイは、観察眼１の瞳Ｐの前に、図３（Ｄ）に示すピンホール板（ピンホールの個数は２）を配置したときと同じ状況を人工的に作り出すものとした。

すなわち、本実施形態の立体ディスプレイは、図４（Ａ）に示すとおり、観察眼１の瞳の一端の点に集光する光束Ｂ１と、図４（Ｂ）に示すとおり、観察眼１の瞳の他端の点に集光する光束Ｂ２とを生成すると共に、光束Ｂ１には、立体２から光束Ｂ１の集光点Ｐ１へ向かう光束と同等の振幅分布を付与し、光束Ｂ２には、立体２から光束Ｂ２の集光点Ｐ２へ向かう光束と同等の振幅分布を付与する。これによって、観察眼１へ滑らかな調節視差を与える。

また、これだけだと観察眼１の位置の自由度が無いので、本実施形態の立体ディスプレイは、観察眼１の瞳の位置に集光点Ｐ１，Ｐ２の位置を追従させ、それに応じて光束Ｂ１，Ｂ２の振幅分布を時間変調する。これによって、観察眼１へ運動視差を与える。

［第１実施形態］
立体ディスプレイの第１実施形態を図５、図６、図７に基づき説明する。

立体ディスプレイは、観察者の右眼に正対する右眼系と、観察者の左眼に正対する左眼系とを備えるが、両者の構成は同じ（左右対称）なので、ここでは代表して右眼系を説明する。

図５は、本実施形態の右眼系を示す図である。図５に示すとおり、右眼系には２つの点光源Ｓ１，Ｓ２と、２つのレンズＬ１，Ｌ２と、２つの透過型空間光変調素子３１，３２と、１つのハーフミラー４と、１つのレンズＬｓとが備えられる。

点光源Ｓ１から射出した光束Ｂ１は、レンズＬ１により平行光束に変換される。平行光束となった光束Ｂ１は、透過型空間光変調素子３１を通過することにより、空間方向にかけて振幅変調される。振幅変調後の光束Ｂ１は、ハーフミラー４を透過した後、レンズＬｓにより集光する。以下、光束Ｂ１の集光点を「集光点Ｐ１」と称す。

点光源Ｓ２から射出した光束Ｂ２は、レンズＬ２により平行光束に変換される。平行光束となった光束Ｂ２は、透過型空間光変調素子３２を通過することにより、空間方向にかけて振幅変調される。振幅変調後の光束Ｂ２は、ハーフミラー４を反射した後、レンズＬｓにより集光する。以下、光束Ｂ２の集光点を「集光点Ｐ２」と称す。

すなわち、点光源Ｓ１，Ｓ２から個別に射出した２つの光束Ｂ１，Ｂ２は、ハーフミラー４によって観察眼１の前で重ね合わされる。

但し、点光源Ｓ１から透過型空間光変調素子３１までの光学系の光軸は、レンズＬｓの光軸よりも左側へ傾斜しており、点光源Ｓ２から透過型空間光変調素子３２までの光学系の光軸は、レンズＬｓの光軸よりも右側へ等角度だけ傾斜している。この傾斜により、集光点Ｐ１，Ｐ２は左右方向にずれることになる。

これら集光点Ｐ１，Ｐ２のズレ量は、観察眼１の瞳径より若干だけ小さくなるように設定される。観察眼１の瞳径は、暗所で７ｍｍ程度、明所で２ｍｍ程度なので、点光源Ｓ１，Ｓ２の発光強度が弱い場合は、集光点Ｐ１，Ｐ２のズレ量は７ｍｍ弱に設定することができ、点光源Ｓ１，Ｓ２の発光強度が強い場合は、集光点Ｐ１，Ｐ２のズレ量は２ｍｍ弱に設定することができる。これによって、集光点Ｐ１は観察眼１の瞳の右端に位置し、集光点Ｐ２は観察眼１の瞳の左端に位置する。

また、透過型空間光変調素子３１，３２は、入射光束の振幅を空間的・時間的に変調可能な素子である。その変調パターンは、不図示の電気回路によって制御される。このような透過型空間光変調素子３１，３２には、二次元の透過型液晶表示パネルが適用可能である。但し、立体ディスプレイにおける透過型空間光変調素子３１，３２が光を拡散すると不具合が生じるので、透過型液晶表示パネルが適用される場合は、液晶表示パネルに備わっている拡散板は、取り外されるものとする。

これら透過型空間光変調素子３１，３２の各々の変調パターン（透過率分布）は、観察眼１の前方に立体が視認されるように設定される。つまり、透過型空間光変調素子３１の変調パターン（透過率分布）は、その立体から点Ｐ１へ向かう光束の振幅分布と同じに設定され、透過型空間光変調素子３２の変調パターン（透過率分布）は、その立体から点Ｐ２へ向かう光束の振幅分布と同じに設定される。これによって、観察眼１には調節視差が与えられる。

さらに、以上の右眼系には、集光点Ｐ１，Ｐ２の位置を観察眼１の瞳の位置に追従させる不図示の追従機構が設けられている。追従機構は、基本的に、集光点Ｐ１，Ｐ２を前後方向に変位させるＺ追従機構と、集光点Ｐ１，Ｐ２を上下左右方向に変位させるＸＹ追従機構とからなり、追従機構は、観察眼１の位置に依らず集光点Ｐ１，Ｐ２と瞳との位置関係を上述した位置関係に保つ働きをする。

図６は、本実施形態のＺ追従機構の動作を説明する図である。

図６に示すように、観察眼１が前後方向Ａａへ変位したとき、Ｚ追従機構は、点光源Ｓ１，Ｓ２の各々を光軸方向Ａａ’１，Ａａ’２へと個別に変位させる。これによって、集光点Ｐ１，Ｐ２は前後方向へ変位する。

図７は、本実施形態のＸＹ追従機構の動作を説明する図である。

図７に示すように、観察眼１が左右方向Ａｈに変位したとき、ＸＹ追従機構は、点線枠内の要素（点光源Ｓ１，Ｓ２からハーフミラー４まで）の全体を、レンズＬｓの中心近傍を通り上下方向に延びる直線の周り（方向Ａｈ’）に回動させる。これによって、集光点Ｐ１，Ｐ２は左右方向に変位する。

また、観察眼１が上下方向Ａｖに変位したとき、ＸＹ追従機構は、点線枠内の要素（点光源Ｓ１，Ｓ２からハーフミラー４まで）の全体を、レンズＬｓの中心近傍を通り左右方向に延びる直線線の周り（方向Ａｖ’）に回動させる。これによって、集光点Ｐ１，Ｐ２は上下方向に変位する。

また、透過型空間光変調素子３１，３２は、観察眼１の瞳の位置が変化すると、観察眼１に運動視差が与えられるよう、その瞳の位置に応じてその変調パターンを変化させる。

また、左眼系の構成は、以上の右眼系の構成と同じ（左右対称）であるが、左眼系の透過型空間光変調素子と右眼系の透過型空間光変調素子とは、観察眼１に両眼視差が与えられるよう、両者の変調パターンの間に差異を設ける。

なお、本実施形態のＺ追従機構（図６）は、点光源Ｓ１，Ｓ２を光軸方向に変位させたが、右眼系の全体を前後方向に変位させてもよい。また、本実施形態のＸＹ追従機構（図７）は、点線枠内の要素を回動させたが、右眼系の全体を上下左右方向に変位させてもよい。

［第２実施形態］
立体ディスプレイの第２実施形態を図８に基づき説明する。

本実施形態は、第１実施形態の変形例である。本実施形態においても、右眼系と左眼系とは同じである。よって、ここでは本実施形態の右眼系の第１実施形態との相違点を説明する。

図８は、本実施形態の右眼系を示す図である。図８に示すとおり、本実施形態の右眼系では、２つの光束Ｂ１，Ｂ２を透過型空間光変調素子３１の手前で重ね合わせ、その透過型空間光変調素子３１を、２つの光束Ｂ１，Ｂ２に兼用している。

点光源Ｓ１から射出した光束Ｂ１は、レンズＬ１’、反射鏡６、レンズＬｓ’を介して平行光束に変換される。平行光束となった光束Ｂ１は、透過型空間光変調素子３１を通過することにより、空間方向にかけて振幅変調される。振幅変調後の光束Ｂ１は、レンズＬｓによって集光する。

点光源Ｓ２から射出した光束Ｂ２は、レンズＬ２’、反射鏡６、レンズＬｓ’を介して平行光束に変換される。平行光束となった光束Ｂ２は、透過型空間光変調素子３１を通過することにより、空間方向にかけて振幅変調される。振幅変調後の光束Ｂ２は、レンズＬｓによって集光する。

すなわち、点光源Ｓ１，Ｓ２から個別に射出した２つの光束Ｂ１，Ｂ２は、反射鏡６によってレンズＬｓ’の手前で重ね合わされる。

但し、点光源Ｓ１及びレンズＬ１’からなる光学系の光軸は、レンズＬｓ’の光軸よりも左側へ傾斜しており、点光源Ｓ２及びレンズＬ２’からなる光学系の光軸は、レンズＬｓ’の光軸よりも右側へ等角度だけ傾斜している。この傾斜により、光束Ｂ１の集光点Ｐ１と、光束Ｂ２の集光点Ｐ２とが左右方向にずれる。これら集光点Ｐ１，Ｐ２と観察眼１の瞳との位置関係は、第１実施形態のそれと同じである。

したがって、本実施形態では、空間光変調素子の個数が抑えられるが、第１実施形態と同等の効果を得ることができる。

なお、本実施形態では、光束Ｂ１，Ｂ２に１つの透過型空間光変調素子３１を兼用するため、光束Ｂ１，Ｂ２に対して同時に異なる振幅分布を付与することができない。

このため、本実施形態の電気回路は、点光源Ｓ１，Ｓ２を交互に点灯させながら透過型空間光変調素子３１の変調パターンを切り替えることにより、互いに異なる振幅分布の光束Ｂ１，Ｂ２を時分割で生成する必要がある。

［第３実施形態］
立体ディスプレイの第３実施形態を図９、図１０、図１１、図１２に基づき説明する。

本実施形態は、第１実施形態の変形例である。本実施形態においても、右眼系と左眼系とは同じである。よって、ここでは本実施形態の右眼系の第１実施形態との相違点を説明する。

図９は、本実施形態の右眼系を示す図である。図９には、右眼系と共に左眼系も図示してある。図９に示すとおり、本実施形態の右眼系では、２つの集光点Ｐ１，Ｐ２が、１つの点光源Ｓ１と、１つのレンズＬ１と、１つの透過型空間光変調素子３１と、１つのマイクロプリズムアレイ９とによって生成される。マイクロプリズムアレイ９の配置先は、透過型空間光変調素子３１の射出側の近接した位置である。

点光源Ｓ１から射出した光束Ｂは、レンズＬ１により平行光束に変換される。平行光束となった光束Ｂは、透過型空間光変調素子３１を通過することにより、空間方向にかけて振幅変調される。振幅変調後の光束Ｂは、マイクロプリズムアレイ９により、互いに異なる点Ｐ１，Ｐ２に集光する２つの光束Ｂ１，Ｂ２へと分離される。光束Ｂ１の集光点Ｐ１と光束Ｂ２の集光点Ｐ２と観察眼１の瞳との位置関係は、第１実施形態のそれと同じである。

図１０は、図９中の点線円内の拡大図である。但し、図１０では、マイクロプリズムアレイ９と集光点Ｐ１，Ｐ２との間隔を図９のそれよりも近づけて描いた。図１０に示すとおり、マイクロプリズムアレイ９を構成する個々のマイクロプリズムＭＰの形状は、入射光線を観察眼１へ向けて偏向するように予め調整されている。

但し、左右方向に隣接する２つのマイクロプリズムＭＰの一方は、入射光線を点Ｐ１に向けて偏向するのに対し、他方は入射光線を点Ｐ２に向けて偏向する。

つまり、図１１に示すとおり、マイクロプリズムアレイ９の左右方向には、光束Ｂ１を生成するためのマイクロプリズムＭＰ１と、光束Ｂ２を生成するためのマイクロプリズムＭＰ２とが交互に配列される。これによって、マイクロプリズムアレイ９には、光束Ｂを２つの光束に分離する機能と、分離された２つの光束の各々を集光する機能とが付与される。

そして、透過型空間光変調素子３１の変調パターンは、光束Ｂ１に対しては立体から点Ｐ１へ向かう光束と同じ振幅分布が付与され、光束Ｂ２に対しては立体から点Ｐ２へ向かう光束と同じ振幅分布が付与されるように設定される。これによって、透過型空間光変調素子３１及びマイクロプリズムアレイ９は、互いに異なる振幅分布の光束Ｂ１，Ｂ２を空間分割で生成することになる。

したがって、本実施形態では、空間光変調素子の個数や、それ以外の光学素子の個数が抑えられるが、第１実施形態と同等の効果を得ることができる。このような立体ディスプレイは小型軽量化が可能なので、例えば、ヘッドマウント型の立体ディスプレイなどに好適である。

なお、本実施形態のマイクロプリズムアレイ９は、図１１に示すとおりマイクロプリズムＭＰ１，ＭＰ２を左右方向に亘って交互に配置したが、図１２に示すとおり上下方向に亘って交互に配置してもよい。或いは、マイクロプリズムＭＰ１，ＭＰ２を左右方向と上下方向との双方に亘って交互に配置してもよい。

また、本実施形態の追従機構は、点光源Ｓ１を前後方向、上下方向、左右方向へ変位させるだけで、集光点Ｐ１，Ｐ２を前後方向、上下方向、左右方向へ変位させることができる。

また、本実施形態では、左眼系と右眼系とを別々に用意したが、マイクロプリズムアレイ９に対し、光束Ｂを４つの光束に分離する機能と、それらの光束の各々を集光する機能とを付与すれば、右眼系と左眼系とを一系統化することもできる。

［第４実施形態］
立体ディスプレイの第４実施形態を図１３、図１４に基づき説明する。

本実施形態は、第３実施形態の変形例である。本実施形態においても、右眼系と左眼系とは同じである。よって、ここでは本実施形態の右眼系の第３実施形態（図９）との相違点を説明する。

図１３は、本実施形態の右眼系を示す図である。図１３に示すとおり、本実施形態の右眼系では、マイクロプリズムアレイ９の代わりにマイクロミラーアレイＭＡが備えられ、点光源Ｓ１の代わりに光源ユニットＳｆが備えられ、レンズＬ１の代わりに導光板１０が備えられる。マイクロミラーアレイＭＡは透過型空間光変調素子３１の背後に配置され、導光板１０は透過型空間光変調素子３１の手前に配置される。

光源ユニットＳｆは、点光源から射出した光束を、スリット状の断面を有した平行光束（シート状の平行光束）へと変換する。この光源ユニットＳｆから射出した光束Ｂｆは、導光板１０にその側面から入射する。

図１４は、図１３の部分拡大図である。図１４に示すとおり、導光板１０の内部には、複数のマイクロビームスプリッタＢＳが配列されている。個々のマイクロビームスプリッタＢＳは、光束Ｂｆに対し４５°の角度を成す。このような導光板１０には、例えば、米国特許６８９４８１４号明細書に開示されているようなブラッグ反射を利用するＳＢＧ（Switchable Bragg Grating）を使用することもできる。

導光板１０に入射した光束Ｂｆは、複数のマイクロビームスプリッタＢＳにおいて少しずつ透過型空間光変調素子３１の方向へ反射され、透過型空間光変調素子３１の全体へ入射する平行光束へと変換される。その平行光束は、透過型空間光変調素子３１において空間方向にかけて振幅変調された後、マイクロミラーアレイＭＡの全体へ入射する。

マイクロミラーアレイＭＡの個々のマイクロミラーＭＭの姿勢は、入射光線を観察眼１へ向けて偏向するように調整されている。但し、左右方向に隣接する２つのマイクロミラーＭＭの一方は、入射光線を点Ｐ１に向けて偏向するのに対し、他方は入射光線を点Ｐ２に向けて偏向する。

つまり、マイクロミラーアレイＭＡの左右方向には、光束Ｂ１を生成するためのマイクロミラーと、光束Ｂ２を生成するためのマイクロミラーとが交互に配列される。これによって、マイクロミラーアレイＭＡには、入射光束を２つの光束に分離する機能と、分離された２つの光束の各々を集光する機能とが付与される。

したがって、本実施形態では、マイクロプリズムアレイの代わりにマイクロミラーアレイを使用するが、第３実施形態と同じ効果を得ることができる。

なお、本実施形態のマイクロミラーアレイＭＡは、光束Ｂ１を生成するためのマイクロミラーと、光束Ｂ２を生成するためのマイクロミラーとを左右方向に亘って交互に配置したが、上下方向に亘って交互に配置してもよい。或いは、それらのマイクロミラーを左右方向と上下方向との双方に亘って交互に配置してもよい。

また、本実施形態のマイクロミラーアレイＭＡとして、マイクロミラーの姿勢分布が可変のマイクロミラーアレイを使用した場合は、マイクロミラーアレイＭＡ自身が集光点の位置を自在に変更することができるので、２つの光束Ｂ１，Ｂ２を時分割で生成してもよい。

また、本実施形態のマイクロミラーアレイＭＡとして、マイクロミラーの姿勢分布が可変のマイクロミラーアレイを使用した場合は、マイクロミラーアレイＭＡ自身が集光点の位置を自在に変更することができるので、マイクロミラーアレイＭＡに追従機構の機能を付与し、その代わりに追従機構を省略してもよい。

また、本実施形態では、右眼系と左眼系とを別々に用意したが、１つのマイクロミラーアレイＭＡに対し４つの光束を空間分割又は時分割で生成する機能を付与すれば、右眼系と左眼系とを一系統化することもできる。

［第５実施形態］
立体ディスプレイの第５実施形態を図１５に基づき説明する。

本実施形態は、第４実施形態の変形例である。本実施形態においても、右眼系と左眼系とは同じである。よって、ここでは本実施形態の右眼系の第４実施形態との相違点を説明する。

図１５は、本実施形態の右眼系を示す図である。図１５に示すとおり、本実施形態の右眼系では、マイクロミラーアレイＭＡの代わりに偏向器アレイ５Ａが備えられる。この偏向器アレイ５Ａは透過型空間光変調素子３１の手前に配置され、導光板１０は透過型空間光変調素子３１の背後に配置される。

偏向器アレイ５Ａを構成する個々の偏向器は、入射光線の進行方向を変化させるものであり、その変化量は、不図示の電気回路によって制御される。個々の偏光器には、例えば、特開平７-６４１２３号公報に開示されているような屈折率分布型光偏向器などが適用可能である。

光源ユニットＳｆから射出した光束Ｂｆは、導光板１０の側面に入射する。導光板１０に入射した光束Ｂｆは、少しずつ透過型空間光変調素子３１の方向へ反射され、透過型空間光変調素子３１の全体へ入射する平行光束へと変換される。その平行光束は、透過型空間光変調素子３１において空間方向にかけて振幅変調された後、偏向器アレイ５Ａの全体へ入射し、互いに異なる点Ｐ１，Ｐ２へ集光する２つの光束Ｂ１，Ｂ２に分離される。

偏向器アレイ５Ａの左右方向には、光束Ｂ１を生成するための偏向器と、光束Ｂ２を生成するための偏向器とが交互に配列される。これによって、偏向器アレイ５Ａには、光束を２つの光束に分離する機能と、分離された２つの光束を個別に集光する機能とが付与される。

したがって、本実施形態では、マイクロミラーアレイの代わりに偏光器アレイを使用するが、第４実施形態と同じ効果を得ることができる。

なお、本実施形態の偏向器アレイ５Ａは、光束Ｂ１を生成するための偏向器と光束Ｍ２を生成するための偏向器とを左右方向に亘って交互に配置したが、上下方向に亘って交互に配置してもよい。或いは、それらの偏向器を左右方向と上下方向との双方に亘って交互に配置してもよい。

また、本実施形態の偏向器アレイ５Ａは、集光点の位置を自在に変更することができるので、２つの光束Ｂ１，Ｂ２を時分割で生成してもよい。

また、本実施形態の偏向器アレイ５Ａは、集光点の位置を自在に変更することができるので、偏向器アレイ５Ａに追従機構の機能を付与し、その代わりに追従機構を省略してもよい。

また、本実施形態では、右眼系と左眼系とを別々に用意したが、１つの偏向器アレイ５Ａに対し４つの光束を空間分割又は時分割で生成する機能を付与すれば、右眼系と左眼系とを一系統化することもできる。

［第６実施形態］
立体ディスプレイの第６実施形態を図１６に基づき説明する。

本実施形態は、第１実施形態の変形例である。本実施形態においても、右眼系と左眼系とは同じである。よって、ここでは本実施形態の右眼系の第１実施形態との相違点を説明する。

図１６は、本実施形態の右眼系を示す図である。図１６に示すとおり、本実施形態の右眼系には偏向器５が追加される。偏向器５の配置先は、レンズＬｓの射出側において、レンズＬｓに近接した位置である。偏向器５は、光束Ｂ１，Ｂ２の進行方向を変化させるものであり、その変化量は、不図示の電気回路によって制御される。これによって、集光点Ｐ１，Ｐ２を上下左右方向へ変位させることができる。したがって、本実施形態では、ＸＹ追従機構を省略することができる。

このような偏向器５には、例えば、特開平７-６４１２３号公報に開示されているような屈折率分布型光偏向器や、特開２００５-３５２２５７号公報に開示されているような液晶光ビーム偏向器などが適用可能である。

なお、偏向器５に液晶光ビーム偏向器を使用した場合は、光束Ｂ１，Ｂ２の進行方向だけでなく波面の曲率をも変化させることができる。すなわち、集光点Ｐ１，Ｐ２を上下左右方向だけでなく、前後方向への変位させることができる。したがって、偏向器５に液晶光ビーム偏向器を使用した場合は、ＸＹ追従機構とＺ追従機構との双方を省略することができる。

なお、本実施形態は、第１実施形態の変形例であるが、第２実施形態〜第３実施形態の何れかを同様に変形してもよい。因みに、第５実施形態の偏向器アレイ５Ａは集光点の位置を自在に変更することができるので、このように変形する必要は無い。また、第４実施形態のマイクロミラーアレイＭＡのマイクロミラーの姿勢分布が可変であった場合は、集光点の位置を自在に変更することができるので、このように変形する必要は無い。

［第７実施形態］
立体ディスプレイの第７実施形態を図１７に基づき説明する。

本実施形態は、第６実施形態の変形例である。本実施形態においても、右眼系と左眼系とは同じである。よって、ここでは本実施形態の左眼系の第６実施形態との相違点を説明する。

図１７は、本実施形態の左眼系を示す図である。図１７に示すとおり、本実施形態の左眼系には、偏向器５の代わりに偏向光学系５Ｇが配置される。偏向光学系５Ｇの配置先は、集光点Ｐ１，Ｐ２と観察眼１との間である。

偏向光学系５Ｇは、リレーレンズを構成する２つのレンズＬｓ１，Ｌｓ２と、それら２つのレンズＬｓ１，Ｌｓ２の間に配置された角度可変の平面鏡Ｍとからなる。

集光点Ｐ１から射出した光束Ｂ１は、レンズＬｓ１，平面鏡Ｍ，レンズＬｓ２を介して観察眼１の瞳上に集光点Ｐ１’を形成する。集光点Ｐ２から射出した光束Ｂ２は、レンズＬｓ１，平面鏡Ｍ，レンズＬｓ２を介して観察眼１の瞳上に集光点Ｐ２’を形成する。集光点Ｐ１’，Ｐ２’と瞳との位置関係は、第１実施形態における集光点Ｐ１，Ｐ２と瞳との位置関係と同じである。

平面鏡Ｍは、反射面の中心近傍を通り上下方向に延びる直線の周り（方向Ａｈ’）に回動可能である。平面鏡Ｍの回動角度は、不図示の電気回路によって制御される。これによって、集光点Ｐ１’，Ｐ２’は、両者の位置関係を保ったまま左右方向へ変位する。

なお、集光点を上下左右方向へ変位させる場合は、２組のリレーレンズを直列に並べ、それらのリレーレンズの各々に２つの平面鏡を個別に配置することで２組の偏向光学系を配置し、それら偏向光学系の一方には集光点を左右方向へ変位させる機能を持たせ、他方には集光点を上下方向へ変位させる機能を持たせればよい。

［第８実施形態］
立体ディスプレイの第８実施形態を図１８、図１９、図２０に基づき説明する。

本実施形態は、第１実施形態の変形例である。本実施形態においても、右眼系と左眼系とは同じである。よって、ここでは本実施形態の右眼系の第１実施形態との相違点を説明する。

図１８は、本実施形態の右眼系を示す図（観察眼１の上方向から見た図）であり、図１９は、その右眼系を左から見た図である（但し、図１９ではハーフミラー４を点線で表した。）。

図１８、図１９に示すとおり、本実施形態の右眼系には、レンズＬｓの代わりに円筒レンズＬｃが配置され、その円筒レンズＬｃの射出側の近接した位置に一次元拡散板７が配置される。円筒レンズＬｃの母線方向は上下方向であり、一次元拡散板７の拡散方向も上下方向である。この場合、図２０に示すとおり、光束Ｂ１，Ｂ２の集光点Ｐ１，Ｐ２の各々が上下方向に伸張される。したがって、本実施形態では、観察眼１の瞳が上下方向に変位したとしても、集光点Ｐ１，Ｐ２を上下方向に変位させる必要は無い。

但し、透過型空間光変調素子３１及び３２は、観察眼１の瞳が上下方向に移動したときには、観察眼１に運動視差が与えられるよう、その変調パターンを変化させる必要がある。

なお、本実施形態は、第１実施形態の変形例であるが、第２実施形態を同様に変形してもよい。

［第９実施形態］
立体ディスプレイの第９実施形態を図２１、図２２に基づき説明する。

本実施形態は、第４実施形態（図１３）の変形例である。本実施形態においても、右眼系と左眼系とは同じである。よって、ここでは本実施形態の右眼系の第４実施形態との相違点を説明する。

図２１は、本実施形態の右眼系を示す図（観察眼１の上方向から見た図）であり、図２２は、その右眼系を左から見た図である。

図２１，図２２に示すとおり、本実施形態の右眼系には、導光板１０の観察眼側に一次元拡散板７が配置される。一次元拡散板７の拡散方向は上下方向である。そして、マイクロミラーアレイＭＡに対し上下方向の集光機能を付与する必要は無い。

この場合も、図２０に示すとおり集光点Ｐ１，Ｐ２の各々を上下方向に伸張したのと同等の効果が得られる。したがって、本実施形態でも、観察眼１の瞳が上下方向に変位したとしても、集光点Ｐ１，Ｐ２を上下方向に変位させる必要は無い。

但し、透過型空間光変調素子３１は、観察眼１の瞳が上下方向に移動したときには、観察眼１に運動視差が与えられるよう、その変調パターンを変化させる必要がある。

なお、本実施形態は、第４実施形態の変形例であるが、第３実施形態又は第５実施形態を同様に変形してもよい。

［各実施形態の効果］
以上説明した各実施形態の立体ディスプレイは、立体を表示するために数種類の光束（ここでは１観察眼につき２光束）しか生成しない。しかも、それらの光束は、調節視差の滑らかさを得るために必要な光束である。

その一方で、各実施形態の立体ディスプレイは、観察眼１に運動視差を与えるために、空間光変調素子の個数を増やす代わりに、追従機構や光学素子を併用する。

したがって、本実施形態の立体ディスプレイは、調節視差と運動視差との双方が得られるにも拘わらず、空間光変調素子の個数は少なく抑えられる（観察者１人につき少なくとも４個）。また、空間光変調素子で変調された光束を全て観察眼の瞳へ導くので無駄な光束が生じない。よって、立体ディスプレイのサイズ、製造コスト、使用時の消費エネルギーは、何れも低く抑えられる。

［第９実施形態］
立体ディスプレイの第９実施形態を図２５に基づき説明する。

本実施形態は、第１実施形態の変形例である、本実施形態においても、右眼系と左眼系とは同じである。よって、ここでは本実施形態の右眼系の第１実施形態との相違点を説明する。

図２５は、本実施形態の右眼系を示す図である。図２５に示すとおり、本実施形態の右眼系では、レンズＬｓにより集光された光束Ｂ１をピンホールＰｈ１に通し、更に、レンズＬｒにより集光点Ｐ１に集光させる。同様に、レンズＬｓにより集光された光束Ｂ２をピンホールＰｈ２に通し、レンズＬｒにより集光点Ｐ２に集光させる。

本実施形態では、光束Ｂ１と光束Ｂ２とをそれぞれピンホールＰｈ１とピンホールＰｈ２とに通すことにより、点光源Ｓ１，Ｓ２に広がりが生じている場合や、光束Ｂ１，Ｂ２が透過型空間光変調素子３１，３２を通ることにより回折広がりが生じた場合などでも、集光点Ｐ１，Ｐ２に対して光束Ｂ１，Ｂ２を精度良く集光することが可能である。

［検出系の実施形態］
以上の各実施形態では説明しなかったが、各実施形態の立体ディスプレイには、観察眼１の瞳と集光点Ｐ１，Ｐ２とのズレを検出する検出系が備えられる。

そこでここでは、第１実施形態の右眼系に適用される検出系を代表して説明する。

図２３は、第１実施形態の右眼系を左から見た図である（但し、図２３ではハーフミラー４を点線で表した。）。図２３に示すとおり、検出系は、観察眼１及びその周辺部を捉えるカメラ８と、検出用光源Ｓｍとを備える。また、図示省略したが、検出系は信号生成回路を備える。

カメラ８は固定されており、観察眼１及びその周辺部を捉えるだけの十分な広さの視野を有している。検出用光源Ｓｍは、点光源Ｓ１から所定距離だけ離れた位置に配置され、検出用の光Ｂｍを射出する。この光Ｂｍは、レンズＬ１，透過型空間光変調素子３１、ハーフミラー４、レンズＬｓを介してビームスポットＢｓを形成する。検出用光源Ｓｍと点光源Ｓ１とは離れているので、ビームスポットＢｓは、集光点Ｐ１，Ｐ２から離れた位置に形成される。

ここで、検出系の検出用光源Ｓｍは、右眼系の点光源Ｓ１に対して固定されている。したがって、右眼系が生成する集光点Ｐ１，Ｐ２と、検出系が生成するビームスポットＢｓとの位置関係も固定される。

図２４は、カメラ８が撮影した画像を示す図である。図２４に示すとおり、この画像には、観察眼１の周辺部が写っている。カメラ８が撮影する画像は、信号生成回路に取り込まれる。信号生成回路は、その画像からビームスポットＢｓの像Ｂｓ’と、瞳Ｐの像Ｐ’とを認識し、それら２つの像Ｂｓ’，Ｐ’の位置関係を算出する。

例えば、図２４（Ａ）に示すとおり像Ｂｓ’，Ｐ’の位置関係がＶであったとき、瞳Ｐと集光点Ｐ１，Ｐ２との位置関係が不適切であり、図２４（Ｂ）に示すとおり像Ｂｓ’，Ｐ’の位置関係がＶ₀であったとき、瞳Ｐと集光点Ｐ１，Ｐ２との位置関係が適切であったとし、この位置関係Ｖ₀を目標位置関係Ｖ₀とする。

この場合、検出系の信号生成回路は、検出系のカメラ８が撮影する画像に基づき像Ｂｓ’，Ｐ’の実際の位置関係Ｖを算出し、その位置関係Ｖと目標位置関係Ｖ₀との差異を示す信号（Ｖ−Ｖ₀）を生成する。この信号が、瞳Ｐと集光点Ｐ１，Ｐ２とのズレを示すズレ信号である。信号生成回路は、カメラ８が画像を撮影する毎（通常は１／３０秒毎）に、このズレ信号をリアルタイムで生成する。

したがって、各実施形態の立体ディスプレイは、リアルタイムで生成されるこのズレ信号がゼロとなるよう集光点Ｐ１，Ｐ２の位置を制御することにより、集光点Ｐ１，Ｐ２と瞳Ｐとの位置関係を適切な位置関係に保つことができる。

本実施形態の立体ディスプレイの用途の例を以下に示す。

・顕微鏡用ディスプレイ（横倍率と縦倍率を一致させれば拡大像全体を自然に見ることが 可能となる。）
・手術中の患部の観察用ディスプレイ
・手術のシミュレーション用ディスプレイ
・航空管制官用立体ディスプレイ
・ＣＡＤＡＭによる設計データを表示するためのディスプレイ
・アミューズメント用ディスプレイ
・自動車のディスプレイ（カーナビゲーションシステムの情報出力、安全表示）
・テレビ電話のディスプレイ
・携帯電話のディスプレイ
・パーソナルコンピュータのディスプレイ
・テレビモニタ

観察眼が立体を観察する様子を示す図である。 観察眼の瞳Ｐの直前にピンホール板を配置した様子を示す図である。 ピンホールの数と調節視差との関係を説明する図である。 実施形態の原理を説明する図である。 第１実施形態の右眼系を示す図である。 Ｚ追従機構の動作を説明する図である。 ＸＹ追従機構の動作を説明する図である。 第２実施形態の右眼系を示す図である。 第３実施形態の右眼系（及び左眼系）を示す図である。 図９の部分拡大図である。 マイクロプリズムアレイ９の作用を説明する図である。 マイクロプリズムアレイ９の変形例を示す図である。 第４実施形態の右眼系を示す図である。 図１３の部分拡大図である。 第５実施形態の右眼系を示す図である。 第６実施形態の右眼系を示す図である。 第７実施形態の左眼系を示す図である。 第８実施形態の右眼系を上から見た図である。 第８実施形態の右眼系を左から見た図である。 一次元拡散板７の作用を説明する図である。 第９実施形態の右眼系を上から見た図である。 第９実施形態の右眼系を左から見た図である。 検出系の実施形態を示す図である。 カメラ８が撮影した画像を示す図である。 第９実施形態の右眼系を示す図である。

符号の説明

１…観察眼，２…立体，３１，３２…透過型二次元空間光変調素子，４…ハーフミラー，５…偏向器，６…反射鏡，７…一次元拡散板，８…カメラ，９…マイクロプリズムアレイ，１０…導光板，Ｐ…瞳，Ｂ１，Ｂ２…光束，Ｐ１，Ｐ２…集光点，Ｓ１，Ｓ２…点光源，Ｓｆ…光源ユニット，Ｓｍ…検出用光源，Ｌｃ…円筒レンズ，ＭＡ…マイクロミラーアレイ

Claims (15)

1. 観察眼の瞳上の互いに離れた複数点へ個別に集光する複数の集光光束を生成する光学系と、
   前記複数の集光光束の各々に対し、前記観察眼の前方に立体を配置したときに前記複数点に向かう複数の光束の各々と同等の振幅分布を付与する空間光変調素子と
   を備えたことを特徴とする立体ディスプレイ。
2. 請求項１に記載の立体ディスプレイにおいて、
   前記光学系は、
   複数の点光源と、
   前記複数の点光源から射出する複数の光束を重畳させる統合光学系と、
   前記統合光学系から射出する複数の光束を前記複数点に集光する集光光学系と
   を備えることを特徴とする立体ディスプレイ。
3. 請求項２に記載の立体ディスプレイにおいて、
   前記空間光変調素子の配置先は、
   前記複数の点光源と前記統合光学系との間の複数の光路の各々である
   ことを特徴とする立体ディスプレイ。
4. 請求項２に記載の立体ディスプレイにおいて、
   前記空間光変調素子の配置先は、
   前記統合光学系と前記集光光学系との間の光路であり、
   前記複数の点光源及び前記空間光変調素子は、
   互いに異なる振幅分布の複数の集光光束を時分割で生成する
   ことを特徴とする立体ディスプレイ。
5. 請求項１に記載の立体ディスプレイにおいて、
   前記光学系は、
   点光源と、
   前記点光源から射出する光束を互いに重畳した複数の光束に分離し、かつそれら複数の光束を前記複数点に集光する分離集光光学系と
   を備えたことを特徴とする立体ディスプレイ。
6. 請求項５に記載の立体ディスプレイにおいて、
   前記空間光変調素子の配置先は、
   前記分離集光光学系と前記点光源との間の光路であり、
   前記空間光変調素子及び前記分離集光光学系は、
   互いに異なる振幅分布の複数の集光光束を空間分割で生成する
   ことを特徴とする立体ディスプレイ。
7. 請求項６に記載の立体ディスプレイにおいて、
   前記分離集光光学系は、
   マイクロプリズムアレイである
   ことを特徴とする立体ディスプレイ。
8. 請求項６に記載の立体ディスプレイにおいて、
   前記分離集光光学系は、
   マイクロミラーアレイである
   ことを特徴とする立体ディスプレイ。
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、
   前記複数点の並び方向は、
   観察者の左右方向であり、
   前記複数の集光光束の集光点を前記観察者の上下方向に伸張する発散手段を更に備えた
   ことを特徴とする立体ディスプレイ。
10. 請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の立体ディスプレイにおいて、
    前記複数の集光光束を、それぞれに対応した光制限部に通し、前記複数の集光光学系とは異なる集光光学系により、前記観察眼上に前記光制限部の実像を形成する
    ことを特徴とする立体ディスプレイ。
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、
    前記複数の集光光束の集光点の位置を前記瞳の位置に追従させる制御手段を更に備えた
    ことを特徴とする立体ディスプレイ。
12. 請求項１１に記載の立体ディスプレイにおいて、
    前記制御手段は、
    前記複数の集光光束の集光点の位置を変化させるために、偏向方向が可変となる光偏向機能を有する
    ことを特徴とする立体ディスプレイ。
13. 請求項１１又は請求項１２に記載の立体ディスプレイにおいて、
    前記制御手段は、
    前記瞳の位置を検出するために、前記観察眼の周辺を撮影可能なカメラを使用する
    ことを特徴とする立体ディスプレイ。
14. 請求項１３に記載の立体ディスプレイにおいて、
    前記制御手段は、
    前記光学系を介して基準パターンを投影し、前記カメラが取得する画像中の前記基準パターンの像と前記瞳の像との位置関係が保たれるように前記集光光束の集光点の位置を制御する
    ことを特徴とする立体ディスプレイ。
15. 請求項１２〜請求項１４の何れか一項に記載の立体ディスプレイにおいて、
    前記制御手段は、
    前記瞳の位置に応じて前記空間光変調素子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。
    
    

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