JP3756481B2

JP3756481B2 - 三次元表示装置

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Publication number: JP3756481B2
Application number: JP2002321969A
Authority: JP
Inventors: 史朗陶山; 英明高田; 宗和伊達
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2022-11-06
Also published as: JP2004157270A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、眼鏡を用いないで三次元立体像が表示可能な三次元表示装置に係わり、特に、構成が簡単で、かつ、コンパクトな三次元表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者らは、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、眼鏡を用いないでカラー画像の三次元立体像が表示可能な三次元表示装置を提案している（例えば、特許文献参照。）。
【０００３】
なお、本願の発明に関連する先行技術文献情報としては以下のものがある。
【特許文献】
特許第３０２２５５８号公報
【非特許文献】
「液晶・基礎編」、「液晶・応用編」（岡野、小林共編、培風館）
【０００４】
図８は、本発明の基本となる三次元表示装置の概略構成を示す図であり、前述の特許文献に図１として図示されている三次元表示装置である。
同図に示す三次元表示装置は、観察者１００の前面に複数の表示面、例えば、表示面（１０１，１０２）（表示面１０１が表示面１０２より観察者１００に近い）を設定し、これらの表示面（１０１，１０２）に複数の二次元像を表示するために、二次元表示装置と種々の光学素子を用いて光学系１０３を構築する。
以下、図８ないし図１３を用いて、本発明の基本となる三次元表示装置の表示原理について説明する。
図９に示すように、観察者１００に提示したい三次元物体１０４を、観察者１００の両眼の視線方向から、前述の表示面（１０１，１０２）へ射影した像（以下、「２Ｄ化像」と呼ぶ）（１０５，１０６）を生成する。
この２Ｄ化像の生成方法としては、例えば、視線方向から物体１０４をカメラで撮影した二次元像を用いる方法、あるいは別の方向から撮影した複数枚の二次元像から合成する方法、あるいはコンピュータグラフィックによる合成技術やモデル化を用いる方法など種々の方法がある。
【０００５】
そして、図８に示すように、前記２Ｄ化像（１０５，１０６）を、各々表示面１０１と表示面１０２の双方に、観察者１００の右眼と左眼とを結ぶ線上の一点から見て重なるように表示する。
これは、例えば、２Ｄ化像（１０５，１０６）の各々の中心位置や重心位置の配置と、各々の像の拡大・縮小を制御することで可能となる。
本発明の基本となる三次元表示装置の重要な要点は、前記構成を有する装置上で、２Ｄ化像（１０５，１０６）の各々の輝度を、観察者１００から見た総体的な輝度を一定に保ちつつ、三次元物体１０４の奥行き位置に対応して変えることである。
その変え方の一例を以下に述べる。なお、ここでは、白黒図面であるため、分かりやすいように、以下の図面では輝度の高い方を濃く示してある。
例えば、三次元物体１０４が表示面１０１上にある場合には、図１０に示すように、この上の２Ｄ化像１０５の輝度を三次元物体１０４の輝度に等しくし、表示面１０２上の２Ｄ化像１０６の輝度はゼロとする。
【０００６】
次に、例えば、三次元物体１０４が観察者１００より少し遠ざかって表示面１０１より表示面１０２側に少し寄った位置にある場合には、図１１に示すように、２Ｄ化像１０５の輝度を少し下げ、２Ｄ化像１０６の輝度を少し上げる。
さらに、例えば、三次元物体１０４が観察者１００よりさらに遠ざかって表示面１０１より表示面１０２側にさらに寄った位置にある場合には、図１２に示すように、２Ｄ化像１０５の輝度をさらに下げ、２Ｄ化像１０６の輝度をさらに上げる。
遂に、例えば、三次元物体１０４が表示面１０２上にある場合には、図１３に示すように、この上の２Ｄ化像１０６の輝度を三次元物体１０４の輝度に等しくし、表示面１０１上の２Ｄ化像１０５の輝度はゼロとする。
このように表示することにより、観察者（人）１００の生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示しているのが２Ｄ化像（１０５，１０６）であっても、観察者１００にはあたかも表示面（１０１，１０２）の中間に三次元物体１０４が位置しているように感じられる。
即ち、例えば、表示面（１０１，１０２）にほぼ等輝度の２Ｄ化像（１０５，１０６）を表示した場合には、表示面（１０１，１０２）の奥行き位置の中間付近に三次元物体１０４があるように感じられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述した表示面に二次元像を表示するための二次元表示装置としては、例えば、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＦＥＤディスプレイ、プロジェクション型ディスプレイ、線描画型ディスプレイなどを用い、光学素子としては、例えば、レンズ、全反射鏡、部分反射鏡、曲鏡、プリズム、偏光素子、波長板などを用いる。
そのため、前述した三次元表示装置は、前述の特許文献の実施の形態３以降に記載しているように、構成が複雑になるという問題点があった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、眼鏡を用いないで三次元立体像が表示可能であるとともに、構成が簡単で、かつ、コンパクトな三次元表示装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
即ち、本発明は、表示装置と、前記表示装置の観察者側に設けられる可変焦点レンズ装置と、ｎを２以上の整数とするとき、前記可変焦点レンズ装置の焦点距離をｎ段階に変化させる第１の手段と、前記可変焦点レンズ装置の焦点距離をｋ（但し、ｋは１以上ｎ以下の整数）番目の焦点距離に変化させた時に、観察者から見て異なった奥行き位置にあるｎ個の表示面の中でｋ番目の表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像を、前記表示装置に表示させる第２の手段とを備える三次元表示装置であって、前記第２の手段は、前記可変焦点レンズ装置の焦点距離のｎ段階の変化と同期して前記表示装置に表示させるｎ個の二次元像の輝度を、ｎ個の二次元像毎にそれぞれ独立に変化させ、前記可変焦点レンズ装置は、第１のマイクロレンズアレイを含み、元画像の縮小倒立実像を結像させる第１のレンズ組と、前記第１の手段に基づき焦点距離をｎ段階に変化させる可変焦点マイクロレンズアレイと、第２のマイクロレンズアレイとを含み、前記第１のレンズ組により結像された前記縮小倒立実像の拡大正立実像を結像させる第２のレンズ組とを有し、前記拡大正立実像と前記平面上の元画像とは同じ大きさであり、かつ、前記可変焦点マイクロレンズアレイは、前記第２のマイクロレンズアレイの焦点位置に配置されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、表示装置と、前記表示装置の観察者側に設けられ、前記表示装置から入射される二次元像の偏光方向を第１の偏光方向と、第２の偏光方向とに切り替える偏光切替装置と、前記偏光切替装置の観察者側に設けられる偏光型二焦点レンズ装置と、前記偏光切替装置において前記表示装置から入射される二次元像の偏光方向を前記第１の偏光方向に切り替えたときに、前記観察者から見て異なった奥行き位置にある２つの表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像の中の一方の二次元像を前記表示装置に表示させ、あるいは、前記偏光切替装置において前記表示装置から入射される二次元像の偏光方向を前記第２の偏光方向に切り替えたときに、前記観察者から見て異なった奥行き位置にある２つの表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像の中の他方の二次元像を前記表示装置に表示させる手段とを備える三次元表示装置であって、前記手段は、前記表示装置に表示させる二次元像の輝度を、２つの二次元像毎にそれぞれ独立に変化させ、前記偏光型二焦点レンズ装置は、第１のマイクロレンズアレイを含み、元画像の縮小倒立実像を結像させる第１のレンズ組と、前記入射される光が前記第１の偏光方向のときと、前記第２の偏光方向のときとで、焦点距離が異なる偏光型二焦点マイクロレンズアレイと、第２のマイクロレンズアレイとを含み、前記第１のレンズ組により結像された前記縮小倒立実像の拡大正立実像を結像させる第２のレンズ組とを有し、前記拡大正立実像と前記平面上の元画像とは同じ大きさであり、かつ、前記偏光型二焦点マイクロレンズアレイは、前記第２のマイクロレンズアレイの焦点位置に配置されることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１の三次元表示装置の概略構成を示す図である。
同図に示すように、本実施の形態の三次元表示装置は、自発光型二次元表示装置（以下、単に、自発光型表示装置という）２０１と、自発光型表示装置２０１の観察者側に配置される可変焦点レンズ装置１３５とを備える。
自発光型表示装置２０１としては、例えば、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＦＥＤディスプレイ、プロジェクション型ディスプレイ、線描画型ディスプレイなどが使用される。
また、ｎを２以上の整数（ｎ≧２）とするとき、この可変焦点レンズ装置１３５は、焦点距離をｎ段階に変化させることができるが、以降の説明では、ｎが２の場合について説明する。
【００１１】
本実施の形態では、可変焦点レンズ装置１３５の焦点距離を、時分割で２段階に変化させ、自発光型表示装置２０１に表示された二次元像を、結像面１０２１と結像面１０２２とに結像させる。
そして、自発光型表示装置２０１に表示された二次元像を結像面１０２１に結像させる時に、自発光型表示装置２０１に、前述の図９で説明した２Ｄ化像１０５を表示し、また、自発光型表示装置２０１に表示された二次元像を結像面１０２２に結像させる時に、自発光型表示装置２０１に、前述の図９で説明した２Ｄ化像１０６を表示させ、さらに、当該２Ｄ化像（１０５，１０６）の輝度を、図１０ないし図１３において説明したように変化させる。
この動作を人間の目の残像時間内に行うことにより、本実施の形態の三次元表示装置は、図２に示す三次元表示装置と光学的に等価になる。
なお、図２において、１１１は、結像面１０２１に結像された二次元画像からなる表示面、１１２は、結像面１０２２に結像された二次元画像からなる表示面である。
したがって、本実施の形態の三次元表示装置は、前述した本発明の基本となる三次元表示装置の表示原理に基づき、三次元立体像を表示することが可能となる。
【００１２】
［本実施の形態１の可変焦点レンズ装置１３５の構成］
以下、本実施の形態の特徴である可変焦点レンズ装置１３５について説明する。
図３は、本発明の実施の形態の可変焦点レンズ装置１３５の概略構成を示す図である。
同図に示すように、本実施の形態の可変焦点レンズ装置１３５は、第１のマイクロレンズアレイ（Ｌ_０）を含む第１のレンズ組２０と、可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_１）と第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）とを含む第２のレンズ組２１とを備える。
本実施の形態の可変焦点レンズ装置１３５では、第１のレンズ組２０により、平面上の元画像１０を縮小して縮小倒立実像１１を結像させ、かつ、この縮小倒立実像１１を第２のレンズ組２１により拡大して、平面上の元画像１０の拡大正立実像１２を結像させる。
ここで、第１のマイクロレンズアレイ（Ｌ_０）の焦点距離はｆ_０、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）の焦点距離はｆ_２である。
また、ｍを１以上の正数とするとき、第１のレンズ組２０における、元画像１０の縮小倍率を（１／ｍ）とし、第２のレンズ組２１における、縮小倒立実像１１の拡大倍率をｍとする。即ち、縮小倒立実像１１から見て、第１のレンズ組２０による拡大倍率と、第２のレンズ組２１による拡大倍率とを一致させ、拡大正立実像１２の大きさを、平面上の元画像１０の大きさと同じにする。
ここで、マイクロレンズアレイの各レンズは、ほぼ各レンズの直径に相当する元画像の部分の結像に主に寄与し、かつ、元画像１０とその実像１２が同じ大きさであるため、各レンズのつなぎ目での像のみだれを少なくできる。
【００１３】
この可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_１）としては、例えば、二周波液晶を用いた可変焦点マイクロレンズアレイなどを使用する。
また、可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_１）と第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）との距離を、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）の焦点距離とする。即ち、可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_１）を、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）の焦点位置に配置する。
本実施の形態の可変焦点レンズ装置１３５によれば、可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_１）の焦点距離を変化させることにより、第２のレンズ組２１と元画像１０の正立実像１２の結像位置との間の距離を移動させることができる。
通常、結像位置が移動すると、像の大きさも変化するが、可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_１）を、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）の焦点位置に配置することにより、大きさを変化することなく、結像位置を移動することができる。
このように、本実施の形態の可変焦点レンズ装置１３５によれば、元画像１０の正立実像１２の大きさを変化させることなく、元画像１０の正立実像１２の結像位置を可変することが可能となる。
【００１４】
また、本実施の形態の可変焦点レンズ装置１３５では、第２のレンズ組２１として、凹レンズタイプの可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_１）と凸レンズタイプのマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）とを使用することにより、第２のレンズ組２１の焦点距離（Ｆ）が、第２のレンズ組２１としてマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）のみを使用する場合（即ち、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）の焦点距離ｆ_２）よりも長くなる。
したがって、図４に示すように、第２のレンズ組２１と元画像の正立実像１２の結像位置との間の距離（Ｏ）を、平面上の元画像１０と第１のレンズ組２０との間の距離（Ｒ）よりも長くすることが可能となる。
そのため、本実施の形態の三次元表示装置では、図１に示す自発光型表示装置２０１と、可変焦点レンズ装置１３５との間の間隔を短くできる。
さらに、本実施の形態の三次元表示装置では、一個の自発光型表示装置２０１と、可変焦点レンズ装置１３５とを配置するだけであるので、本実施の形態の三次元表示装置では、図８に示す従来の三次元表示装置に比して、構成を簡略化すし、かつ、コンパクトに構成することができる。
【００１５】
なお、前述の可変焦点レンズ装置１３５において、第１のマイクロレンズアレイ（Ｌ_０）、可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_１）、および、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）は、拡大正立実像１２の大きさが、平面上の元画像１０の大きさと同じになる位置に配置する。
また、前述の可変焦点レンズ装置１３５において、第１のマイクロレンズアレイ（Ｌ_０）、可変焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_１）、あるいは、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）は、フレネルレンズアレイ、あるいはホログラムによるレンズアレイを使用することも可能である。
また、第１のレンズ組２０の収差と、第２のレンズ組２１の収差とをできるだけ近づけることにより、色ずれ、歪みなどの少ない拡大正立実像１２を得ることが可能となる。
なお、前述の説明では、可変焦点レンズ装置１３５の焦点距離を２段階に変化させる場合について説明したが、可変焦点レンズ装置１３５の焦点距離を２以上のｎ段階に変化させることも可能である。
この場合には、可変焦点レンズ装置１３５の焦点距離をｋ（但し、ｋは１以上ｎ以下の整数）番目の焦点距離に変化させた時に、観察者から見て異なった奥行き位置にあるｎ個の表示面の中でｋ番目の表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した２Ｄ化像を、自発光型表示装置２０１に表示させ、当該表示装置２０１に表示させるｎ個の２Ｄ化像の輝度を、図１０ないし図１３において説明したように変化させる。
【００１６】
さらに、前述の説明では、例えば、三次元物体全体の奥行き位置を、可変焦点レンズ装置１３５の焦点距離を時分割で２段階に変化させ、自発光型表示装置２０１に表示された２Ｄ化像を、結像面１０２１と結像面１０２２とに結像させて表現する方法および装置について主に述べたが、本実施の形態の三次元表示装置は、前述の特許文献に記載したように、三次元物体自体が有する奥行きを表現する方法及び装置としても使用できる。
同様に、本実施の形態の三次元表示装置は、前述の特許文献に記載したように、三次元物体自体が移動する場合にも使用できる。
２Ｄ化像が三次元的に移動する場合、観察者の左右上下方向への移動に関しては通常の二次元表示装置の場合と同様に透明自発光型表示装置内での動画再生によって可能であり、奥行き方向への移動に関しては、前述の特許文献に記載したように、可変焦点レンズ装置１３５の焦点距離を、時分割で２段階に変化させ自発光型表示装置２０１に表示された２Ｄ化像を結像面１０２１と結像面１０２２とに結像させるときに、自発光型表示装置２０１に表示される２Ｄ化像の輝度の変化を時間的に行うことで、三次元像の動画を表現することができる。
【００１７】
［実施の形態２］
図５は、本発明の実施の形態２の三次元表示装置の概略構成を示す図である。
同図に示すように、本実施の形態の三次元表示装置は、自発光型表示装置２０１と、自発光型表示装置２０１の観察者側に配置され、自発光型表示装置２０１から入射される二次元像の偏光方向を第１の偏光方向と、第２の偏光方向とに切り替える偏光切替装置１５０と、偏光切替装置１５０の観察者側に設けられる偏光型二焦点レンズ装置１３６とを備える。
自発光型表示装置２０１としては、例えば、ＣＲＴ、液晶ディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＦＥＤディスプレイ、プロジェクション型ディスプレイ、線描画型ディスプレイなどが使用される。
偏光型二焦点レンズ装置１３６は、入射される光が第１の偏光方向のときと、入射される光が第２の偏光方向のときとで、焦点距離が異なるレンズである。
【００１８】
本実施の形態では、偏光切替装置１５０により、偏光切替装置１５０から出力される二次元像の偏光方向を第１の偏光方向と、第２の偏光方向とに時分割で切り替える。
また、偏光型二焦点レンズ装置１３６は、入射される光が第１の偏光方向のときと、入射される光が第２の偏光方向のときとで、焦点距離が異なるので、これにより、本実施の形態では、時分割により、自発光型表示装置２０１に表示された二次元像を、結像面１０２１と結像面１０２２とに結像させることができる。
そして、自発光型表示装置２０１に表示された二次元像を結像面１０２１に結像させる時に、自発光型表示装置２０１に、前述の図９で説明した２Ｄ化像１０５を表示し、また、自発光型表示装置２０１に表示された二次元像を結像面１０２２に結像させる時に、自発光型表示装置２０１に、前述の図９で説明した２Ｄ化像１０６を表示させ、さらに、当該２Ｄ化像（１０５，１０６）の輝度を、図１０ないし図１３において説明したように変化させる。
この動作を人間の目の残像時間内に行うことにより、本実施の形態の三次元表示装置は、図２に示す三次元表示装置と光学的に等価になる。
したがって、本実施の形態の三次元表示装置は、前述した本発明の基本となる三次元表示装置の表示原理に基づき、三次元立体像を表示することが可能となる。
【００１９】
［本実施の形態２の偏光型二焦点レンズ装置１３６の構成］
以下、本実施の形態の特徴である偏光型二焦点レンズ装置１３６について説明する。
図６は、本発明の実施の形態の偏光型二焦点レンズ装置１３６の概略構成を示す図である。
同図に示すように、本実施の形態の偏光型二焦点レンズ装置１３６は、第１のマイクロレンズアレイ（Ｌ_０）を含む第１のレンズ組２０と、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_３）と第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）とを含む第２のレンズ組２１とを備える。
本実施の形態の偏光型二焦点レンズ装置１３６では、第１のレンズ組２０により、平面上の元画像１０を縮小して縮小倒立実像１１を結像させ、かつ、この縮小倒立実像１１を第２のレンズ組２１により拡大して、平面上の元画像１０の拡大正立実像１２を結像させる。
また、ｍを１以上の正数とするとき、第１のレンズ組２０における、元画像１０の縮小倍率を（１／ｍ）とし、第２のレンズ組２１における、縮小倒立実像１１の拡大倍率をｍとする。即ち、縮小倒立実像１１から見て、第１のレンズ組２０による拡大倍率と、第２のレンズ組２１による拡大倍率とを一致させ、拡大正立実像１２の大きさを、平面上の元画像１０の大きさと同じにする。
【００２０】
ここで、マイクロレンズアレイの各レンズは、ほぼ各レンズの直径に相当する元画像の部分の結像に主に寄与し、かつ、元画像１０とその実像１２が同じ大きさであるため、各レンズのつなぎ目での像のみだれを少なくできる。
また、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_３）と第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）との距離を、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）の焦点距離とする。即ち、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_３）を、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）の焦点位置に配置する。
本実施の形態の偏光型二焦点レンズ装置１３６によれば、偏光型二焦点レンズ装置１３６に入射する光の偏光方向を変化させることにより、第２のレンズ組２１と元画像１０の正立実像１２の結像位置との間の距離を移動させることができる。
通常、結像位置が移動すると、像の大きさも変化するが、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_３）を、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）の焦点位置に配置することにより、大きさを変化することなく、結像位置を移動することができる。
このように、本実施の形態の偏光型二焦点レンズ装置１３６でも、元画像１０の正立実像１２の大きさを変化させることなく、元画像１０の正立実像１２の結像位置を可変することが可能となる。
【００２１】
図７は、本実施の形態の偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_３）の一例を示す図である。なお、図７は、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_３）の個々のマイクロレンズを示している。
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_３）の個々のマイクロレンズは、固定焦点レンズ３０１と、複屈折領域３０２とから構成される。
ここで、固定焦点レンズ３０１は、例えば、図７（ｂ）に示すガラスあるいはプラスチック製の凸レンズ、または、図７（ａ）に示すガラスあるいはプラスチック製の凹レンズ、あるいは、ガラスあるいはプラスチック製の凸レンズ、凹レンズ、プリズムなどの組み合わせによるレンズ系、あるいは、ガラスあるいはプラスチック製の凸レンズ、凹レンズ、プリズムなどの組み合わせによるミラー系等により構成される。
また、複屈折領域３０２、例えば、液晶やＰＬＺＴ等からなる複領域屈折性を有する媒体で構成される。
【００２２】
ここで、固定焦点レンズ３０１の屈折率をｎ１とし、入射光の第１の偏光方向、並びに、第２の偏光方向における、複屈折領域３０２の屈折率を、それぞれｎ２１、ｎ２２とする。
例えば、複屈折領域３０２から光を入射した場合、入射光の偏光方向に応じてそれぞれに屈折率ｎ２１、ｎ２２を感じて進行した後、屈折率ｎ１の固定焦点レンズ３０１と接することになる。
したがって、出射光は、入射光の偏光状態に応じて異なった位置に結像する。即ち、偏光方向により焦点距離が相違する偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_３）として動作する。
逆に、固定焦点レンズ３０１側から入射した場合にも、同様に固有偏光方向に応じた屈折率により、二つの結像面に分離して結像する。
ここで、図７に示すように、複屈折領域３０２が液晶の場合、配向膜３０３を付け加えることにより、複屈折領域３０２側から入射した光に対して、面内均一な分離を得ることができる。
【００２３】
また、図７に示す偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_３）において、固定焦点レンズ３０１がない場合でも、複屈折領域３０２の片面あるいは両面が、図７に示すような、レンズ形状やプリズム形状をしている場合には、同様な効果がある。
さらに、複屈折性を有する媒体としては、液晶が屈折率異方性が大きいために有益であり、その種類としては通常のネマティック液晶の他、例えば、高分子分散型液晶、ホログラフィック高分子分散型液晶、高分子液晶、スメクティック液晶、強誘電液晶、高分子安定化強誘電液晶などがある。
さらに、液晶以外でも高分子材料の主軸を揃えて形成することにより複屈折性を得ることができることは明らかである。
本実施の形態の偏光切替装置１５０としては、例えば、電界や電圧により複屈折性を変化できる媒質（例えば、液晶やＰＬＺＴ等）を用いた装置がよく知られている。液晶を用いた装置としては、例えば、「液晶・基礎編」、「液晶・応用編」（岡野、小林共編、培風館）などに多くの種類が記載されている。
【００２４】
以上説明したように、本実施の形態の三次元表示装置でも、図１に示す自発光型表示装置２０１と、偏光型二焦点レンズ装置１３６との間の間隔を短くできる。
さらに、本実施の形態の三次元表示装置では、一個の自発光型表示装置２０１と、偏光型二焦点レンズ装置１３６とを配置するだけであるので、本実施の形態の三次元表示装置では、図８に示す従来の三次元表示装置に比して、構成を簡略化すし、かつ、コンパクトに構成することができる。
なお、前述の偏光型二焦点レンズ装置１３６において、第１のマイクロレンズアレイ（Ｌ_０）、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_３）、および、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）は、拡大正立実像１２の大きさが、平面上の元画像１０の大きさと同じになる位置に配置する。
また、前述の偏光型二焦点レンズ装置１３６において、第１のマイクロレンズアレイ（Ｌ_０）、偏光型二焦点マイクロレンズアレイ（Ｌ_３）、あるいは、第２のマイクロレンズアレイ（Ｌ_２）は、フレネルレンズアレイ、あるいはホログラムによるレンズアレイを使用することも可能である。
また、第１のレンズ組２０の収差と、第２のレンズ組２１の収差とをできるだけ近づけることにより、色ずれ、歪みなどの少ない拡大正立実像１２を得ることが可能となる。
【００２５】
さらに、前述の説明では、例えば、三次元物体全体の奥行き位置を、偏光型二焦点レンズ装置１３６の焦点距離を時分割で２段階に変化させ、自発光型表示装置２０１に表示された２Ｄ化像を、結像面１０２１と結像面１０２２とに結像させて表現する方法および装置について主に述べたが、本実施の形態の三次元表示装置は、前述の特許文献に記載したように、三次元物体自体が有する奥行きを表現する方法及び装置としても使用できる。
同様に、本実施の形態の三次元表示装置は、前述の特許文献に記載したように、三次元物体自体が移動する場合にも使用できる。
２Ｄ化像が三次元的に移動する場合、観察者の左右上下方向への移動に関しては通常の二次元表示装置の場合と同様に透明自発光型表示装置内での動画再生によって可能であり、奥行き方向への移動に関しては、前述の特許文献に記載したように、偏光型二焦点レンズ装置１３６の焦点距離を、時分割で２段階に変化させ自発光型表示装置２０１に表示された２Ｄ化像を結像面１０２１と結像面１０２２とに結像させるときに、自発光型表示装置２０１に表示される２Ｄ化像の輝度の変化を時間的に行うことで、三次元像の動画を表現することができる。
なお、前述の各実施の形態における二次元像の表示面は、本発明の趣旨から見て、必ずしも平面である必要はなく、球面や楕円面や二次曲面や他の複雑な曲面であっても同様な効果が得られることは明らかである。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００２６】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明によれば、立体視の生理的要因間での矛盾を抑制し、かつ、眼鏡を用いないでカラー画像の三次元立体像が表示可能であって、構成が簡単で、かつ、コンパクトな三次元表示装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の三次元表示装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１の三次元表示装置と光学的に等価な三次元表示装置を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１の可変焦点レンズ装置の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１の可変焦点レンズ装置の動作を説明するための模式図である。
【図５】本発明の実施の形態２の三次元表示装置の概略構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２の偏光型二焦点レンズ装置の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２の偏光型二焦点マイクロレンズアレイの概略構成を説明するための図である。
【図８】本発明の基本となる三次元表示装置の概略構成を示す図である。
【図９】本発明の基本となる三次元表示装置において、各表示面に表示する２Ｄ化像の生成方法を説明するための図である。
【図１０】従来の三次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１１】本発明の基本となる三次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１２】本発明の基本となる三次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１３】本発明の基本となる三次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１０…平面上の元画像、１１…倒立実像、１２…正立実像、２０，２１…レンズ組、１００…観察者、１０１，１０２，１１１，１１２…表示面、１０３…光学系、１０４…三次元物体、１０５，１０６…２Ｄ化像、１３５…可変焦点レンズ装置、１３６…偏光型二焦点レンズ装置、１５０…偏光切替装置、２０１…自発光型二次元表示装、３０１…固定焦点レンズ、３０２…複屈折領域、３０３…配向膜、１０２１，１０２２…結像面、Ｌ_０，Ｌ_２…マイクロレンズアレイ、Ｌ_１…可変焦点マイクロレンズアレイ、Ｌ_３…偏光型二焦点マイクロレンズアレイ。

Claims

表示装置と、
前記表示装置の観察者側に設けられる可変焦点レンズ装置と、
ｎを２以上の整数とするとき、前記可変焦点レンズ装置の焦点距離をｎ段階に変化させる第１の手段と、
前記可変焦点レンズ装置の焦点距離をｋ（但し、ｋは１以上ｎ以下の整数）番目の焦点距離に変化させた時に、観察者から見て異なった奥行き位置にあるｎ個の表示面の中でｋ番目の表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像を、前記表示装置に表示させる第２の手段とを備える三次元表示装置であって、
前記第２の手段は、前記可変焦点レンズ装置の焦点距離のｎ段階の変化と同期して前記表示装置に表示させるｎ個の二次元像の輝度を、ｎ個の二次元像毎にそれぞれ独立に変化させ、
前記可変焦点レンズ装置は、第１のマイクロレンズアレイを含み、元画像の縮小倒立実像を結像させる第１のレンズ組と、
前記第１の手段に基づき焦点距離をｎ段階に変化させる可変焦点マイクロレンズアレイと、第２のマイクロレンズアレイとを含み、前記第１のレンズ組により結像された前記縮小倒立実像の拡大正立実像を結像させる第２のレンズ組とを有し、
前記拡大正立実像と前記平面上の元画像とは同じ大きさであり、かつ、前記可変焦点マイクロレンズアレイは、前記第２のマイクロレンズアレイの焦点位置に配置されることを特徴とする三次元表示装置。
前記可変焦点マイクロレンズアレイは、二周波液晶を用いた可変焦点マイクロレンズアレイであることを特徴とする請求項１に記載の三次元表示装置。
前記第１または第２のマイクロレンズアレイ、並びに、前記可変焦点マイクロレンズアレイは、フレネルレンズアレイ、あるいは回折レンズアレイであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の三次元表示装置。
表示装置と、
前記表示装置の観察者側に設けられ、前記表示装置から入射される二次元像の偏光方向を第１の偏光方向と、第２の偏光方向とに切り替える偏光切替装置と、
前記偏光切替装置の観察者側に設けられる偏光型二焦点レンズ装置と、
前記偏光切替装置において前記表示装置から入射される二次元像の偏光方向を前記第１の偏光方向に切り替えたときに、前記観察者から見て異なった奥行き位置にある２つの表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像の中の一方の二次元像を前記表示装置に表示させ、あるいは、前記偏光切替装置において前記表示装置から入射される二次元像の偏光方向を前記第２の偏光方向に切り替えたときに、前記観察者から見て異なった奥行き位置にある２つの表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像の中の他方の二次元像を前記表示装置に表示させる手段とを備える三次元表示装置であって、
前記手段は、前記表示装置に表示させる二次元像の輝度を、２つの二次元像毎にそれぞれ独立に変化させ、
前記偏光型二焦点レンズ装置は、第１のマイクロレンズアレイを含み、元画像の縮小倒立実像を結像させる第１のレンズ組と、
前記入射される光が前記第１の偏光方向のときと、前記第２の偏光方向のときとで、焦点距離が異なる偏光型二焦点マイクロレンズアレイと、第２のマイクロレンズアレイとを含み、前記第１のレンズ組により結像された前記縮小倒立実像の拡大正立実像を結像させる第２のレンズ組とを有し、
前記拡大正立実像と前記平面上の元画像とは同じ大きさであり、かつ、前記偏光型二焦点マイクロレンズアレイは、前記第２のマイクロレンズアレイの焦点位置に配置されることを特徴とする三次元表示装置。
前記第１または第２のマイクロレンズアレイ、並びに、前記偏光型二焦点マイクロレンズアレイは、フレネルレンズアレイ、あるいは回折レンズアレイであることを特徴とする請求項４に記載の三次元表示装置。