JPH06186500A - 立体画像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 異方性光学媒体における、入射直線偏光の偏
光方向に対する屈折率の差異を用い表示画像の位置を視
線方向に移動させカラー立体像を得る。 【構成】 画像表示器11の前面に、該画像表示器の各画
素からの画像光を直線偏光とし、かつこの偏光軸を互い
に垂直な二方向に切り換える偏光器12及び、異方性光学
媒体を屈折率の異なる二本の主軸を含む平行平面でカッ
トした光学素子13を設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２次元画像から３次元
像を形成する立体画像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の立体画像装置には、複数の
液晶表示パネルを積層した構造を持ち平面内の輝点走査
とパネルの選択による垂直方向の走査によって立体像を
形成する方法、二方向からのレーザービームを結晶内で
交差させ交点での光励起による発光を用いる方法、画像
表示器や光路上の鏡を動かして光路長を変化させる方
法、光路長の違う複数の画像をハーフミラーで合成する
方法などがある。（例えば特開昭62-122494、特開昭62-
194233、特開昭63-100898号公報参照）

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記立体画像装置につ
いての従来技術において、液晶パネル式についてはＴＮ
型液晶パネルを用いた場合にはカラー化についての困難
を有し、ＧＨ型液晶パネルを用いた場合には応答速度の
点で困難がある。レーザービーム式では、カラー化が困
難で、鏡を動かす方法においては、機械的可動部分があ
るため動作速度や安定度に問題がある。またハーフミラ
ーで合成する方法では、装置が大型化することや、画像
の重ね合わせの際のずれの解消等に難点を有する。

【０００４】本発明は、機械的可動部分を持たずカラー
表示が可能な立体画像装置の実現を目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の立体画像装置においては、各画素ごとに出
射光の偏光状態を制御可能な画像表示器の前面または光
路上に、異方性光学媒体を屈折率の異なる二本の主軸
（以下ｘ軸及びｙ軸と呼ぶ）を含む平行平面でカットし
た光学素子、以下単に異方性光学素子と呼ぶ、を設置す
ることを特徴とする。

【０００６】ここでｘ軸、ｙ軸と互いに垂直な方向をｚ
軸とする。

【０００７】上記異方性光学素子では、進行方向がｚ軸
方向でｘ軸方向に電場の振動面を有する直線偏光に対す
る屈折率η(x)と、進行方向がｚ軸方向でｙ軸方向に電
場の振動面を有する直線偏光に対する屈折率η(y)が異
なる。

【０００８】したがって、この異方性光学素子をとおし
てみると、同一位置の点光源から発せられた光でも、ｘ
軸方向の直線偏光の場合とｙ軸方向の直線偏光の場合で
は像の位置がｚ軸方向に異なる。

【０００９】本発明はこの原理を用いて画像表示器の画
素を視線方向に移動させ、遠近の画像を形成することを
特徴とする。つまり画像表示器の各画素から射出する光
をｘ軸方向の直線偏光にするかｙ軸方向の直線偏光にす
るかで、輝点の位置を視線方向に移動させることで遠近
の画像を形成する。

【００１０】各画素ごとに射出光の偏光状態を制御可能
な画像表示器としては、ＣＲＴや液晶画像表示器等の画
像表示器の画面の前面に、該画像表示器の各画素からの
画像光を直線偏光とし、かつその偏光軸を互いに垂直な
二方向に切り換える偏光器（以下単に偏光器と呼ぶ）を
設置したものが挙げられる。

【００１１】偏光器にはＴＮ型の液晶板を用いたものが
考えられる。この際必要に応じて画面と液晶セルの間に
偏光板を設置する。また該ＴＮ液晶板の電極構造を適当
に取り、画像表示器の各画素からの出射光の旋転角を画
素ごとに制御することで本発明に必要な特性を有する、
各画素ごとに射出光の偏光状態を制御可能な画像表示器
が構成される。またＴＮ液晶板の代りに強誘電液晶板や
電気光学素子やファラデー素子等を用いることもでき
る。

【００１２】本発明においては、像の移動量が小さいと
いう欠点がある。これを改善する方法として、異方性光
学素子と観察者の間に、焦点を一致させて設置した二枚
のレンズからなる拡大光学系またはこれと等価な光学系
を設置することで、像の位置の移動量を拡大することが
できる。

【００１３】またバーチャルリアリズムシステム等で用
いられている３Ｄゴーグルのような、視差のある右目用
画像と左目用画像をそれぞれ対応する目のみに視認させ
る装置において、画像表示用に本発明の立体画像表示装
置を左右各一組用いることで、視差及び遠近感を有する
立体像が得られる３Ｄシステムが構成できる。

【００１４】

【作用】ここで本発明に用いた原理について簡単に記
す。

【００１５】上記異方性光学素子内では、ｚ軸方向へ向
かう光線はｘ軸方向に電場の振動面を有するｘ偏波とｙ
軸方向に電場の振動面を有するｙ偏波に分解され、ｘ偏
波成分に対する屈折率η(x)とｙ偏波成分に対する屈折
率η(y)は異なる。これからこの異方性光学素子はｚ軸
方向への入射光に対し近似的に、ｘ軸方向の直線偏光に
は屈折率η(x)、ｙ軸方向の直線偏光には屈折率η(y)の
光学媒体として振る舞う。

【００１６】また幾何光学を用いると、光路上に置いた
厚さｄ、屈折率ηの光学媒体の屈折率をδだけ変化させ
た時、像の見かけの位置は−ｄδ／(η^2)だけ変化す
る。ここで、η^2はηの２乗を示し以下も同様に用い
る。また、負号は移動方向がδ＞０の時、観察者に近付
く方向であることを示す。

【００１７】上記二点を念頭に、同一の点光源から発せ
られたｘ軸方向の直線偏光と、ｙ軸方向の直線偏光が厚
さｄの前記異方性光学素子を通過する場合を考える。す
ると二つの像はだいたい ｄ｜η(x)−η(y)｜／(η(x)
^2) だけ視線方向にずれた位置に見える。

【００１８】本発明における画像形成について述べる

【００１９】説明のため、異方性光学素子の屈折率はη
(x)＞η(y)と仮定する。（逆の場合はη(x)とη(y)を入
れ換える）

【００２０】画像表示器に表示した画像のなかで、近景
を表示する画素の出射光はｘ方向の直線偏光とし、遠景
を表示する画素の出射光はｙ軸方向の直線偏光とする。

【００２１】これを前記異方性光学素子を通すと、該異
方性光学素子は近景を表示する画素については屈折率η
(x)、遠景を表示する画素については屈折率η(y)として
振る舞うため、遠景画素は近景画素に対して ｄ｜η
(x)−η(y)｜／(η(x)^2) だけ遠方に見える。ここでｄ
は異方性光学素子の厚さとする。

【００２２】こうして遠近感のある画像表示が可能とな
る。

【００２３】異方性光学素子に用いる光学媒体として
は、方解石のように二つの主軸方向の屈折率が大きく異
なるものを用いると効果的である。方解石では η(e)
＝1.486η(o)＝1.658 であるから厚さ10mmのものを用
いれば、約1mmの像の移動が得られる。

【００２４】光学系を用いた像の移動量の拡大について
記す。焦点距離f1のレンズ34と焦点距離f2のレンズ35を
用い、双方の焦点を一致させた拡大光学系（図３）で
は、物体を距離ａだけ移動した時の像の位置の移動量は
ａ(f2/f1)^2 像の拡大率はf2/f1 となる。こうして
像の視線方向の移動量を拡大することができる。

【００２５】また上記二枚のレンズからなる拡大光学系
を複数組み合わせたり、より複雑な光学系を用いること
で、より効果的に像の移動量を拡大することもできる。

【００２６】

【実施例】実施例について図面を用いて説明する。

【００２７】図１は一般の画像表示器11と、画像表示器
の各画素からの出射光の偏光特性を制御する偏光器12及
び異方性光学素子13から成る本発明の一例で、異方性光
学素子13は異方性光学媒体を屈折率の異なる二本の主軸
を含む平行平面でカットしたもので、この二本の主軸方
向をｘ軸とｙ軸としｘ−ｙ平面を偏光器12の出射面に平
行に設置する。

【００２８】偏光器12は画像表示器11の画素から射出さ
れる画像光を各画素ごとにｘ軸またはｙ軸のどちらか一
方向に偏光軸を持つ直線偏光とする。

【００２９】図２は、画像表示器としてアクティブマト
リクス型カラー液晶表示器を、偏光器としてアクティブ
マトリクス型液晶板を用いた本発明の一実施例で、200
は異方性光学素子、ｘ軸とｙ軸はその屈折率の異なる互
いに垂直な二本の主軸方向、ｚ軸はこれらに垂直な方向
を示す。図中210〜260はアクティブマトリクス型カラー
液晶表示器を構成するパーツ、270〜290が偏光器を構成
するパーツである。

【００３０】210、220は偏光板。231〜233、240は透明
電極。250はＴＮ液晶。260はカラーフィルター。270、2
81〜283は透明電極。290はＴＮ液晶。

【００３１】ここでＴＮ液晶290の入射側ディレクター
の方向は偏光板220の偏光軸と平行な方向に取る。

【００３２】また、ｘ軸とｙ軸の一方を偏光板220の偏
光軸に平行となるように設置する。以下の説明では、ｘ
軸が偏光板220の偏光軸に平行であるとし、また偏光素
子200はｘ軸方向の直線偏光に対する屈折率η(x)がｙ軸
方向の直線偏光に対する屈折率η(y)より大であるとす
る。

【００３３】カラー液晶表示器への画像表示は通常の場
合と全く同様に行なう。

【００３４】カラー画像表示器からの画像光は偏光板22
0によりｘ軸方向の直線偏光となっている。ここで電極2
81と電極270間が同電位の場合、液晶290の旋転性から電
極281を通過する光はｙ軸方向の直線偏光となり、電極2
81と電極270間に液晶の敷居値Vt以上の電圧が印加され
ていれば、液晶290のこの領域の旋転性は消失しこの領
域の出射光はｘ軸方向の直線偏光となる。こうして各画
素の出射光をｘ軸方向とｙ軸方向の直線偏光に切り換え
られる。

【００３５】電極281と電極270間が等電位ならばこの領
域の画素は異方性光学素子200を通すと遠くに見え、電
極281と電極270間にVt以上の電圧が印加されていれば近
くに見える。

【００３６】こうして平面画像から遠近間のある立体像
が得られる。

【００３７】図３に、二枚のレンズからなる拡大光学系
を用いた実施例の構造を模式的に示した。31は画像表示
器、32は偏光素子、33は異方性光学素子、34は焦点距離
f1のレンズ、35は焦点距離f2のレンズで、この二枚のレ
ンズをf1＋f2の間隔で設置する。これにより、像の移動
量を(f2/f1)^2倍に拡大することができる。一般にはレ
ンズ34に凹レンズ(f1＜０)、レンズ35に凸レンズ(f2＞
０)でf1＋f2＞０となるものを用いるのが効果的であ
る。

【００３８】図４は、図３に示した立体画像装置を右目
用と左目用に各一組ずつ有する実施例の上から見た模式
図。

【００３９】41は右目用画像表示器、42は右目用偏光素
子、43は右目用異方性光学素子、44、45は右目用拡大光
学系を構成するレンズ。46は左目用画像表示器、47は左
目用偏光素子、48は左目用異方性光学素子、49、50は左
目用拡大光学系を構成するレンズである。

【００４０】この装置を用いると、右近景は右目に手前
に、また左近景は左目に手前に視認される。遠景につい
ても同様で、これにより視差だけでなく、遠近感も伴っ
た立体像が視認される。

【００４１】

【発明の効果】本発明は以上に説明したように構成され
ているため、以下に記するような効果を有する。

【００４２】本発明においては、単一の画像表示器を用
いるため、ミラーによる画像合成法で問題となる視点の
移動に伴う全景と背景の画像の重なりの問題は起こら
ず、装置も小型である。

【００４３】また液晶パネルを積層した方式で問題とな
るカラー化に対する困難も起こらず容易にカラー画像を
扱える。

【００４４】また適当な光学系と組み合わせることで、
視線方向の像位置の移動量を実用上十分な値まで拡大す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構造を示す模式図

【図２】画像表示器としてアクティブマトリクス型カラ
ー液晶表示器を、偏光器としてアクティブマトリクス型
液晶板を用いた本発明の実施例の部分断面模式図

【図３】拡大光学系を有する本発明の実施例の模式図。

【図４】右目用と左目用に各一、本発明を用いた実施例
の模式図

【符号の説明】

11 画像表示器 12 偏光器 13 異方性光学素子 14 観察者 231、232、233 アクティブマトリクス型カラー液晶表
示器用１次電極 240 アクティブマトリクス型カラー液晶表示器用２次
電極 250、290 液晶 270 偏光器用アクティブマトリクス型液晶１次電極 281、282、283 偏光器用アクティブマトリクス型液晶
２次電極 34、35 レンズ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 各画素ごとに出射光の偏光状態を制御可
   能な画像表示器の前面または光路上に、異方性光学媒体
   を屈折率の異なる二本の主軸を含む平行平面でカットし
   た光学素子を設置することを特徴とする立体画像装置
2. 【請求項２】 各画素ごとに出射光の偏光状態を制御可
   能な画像表示器の前面または光路上に、異方性光学媒体
   を屈折率の異なる二本の主軸を含む平行平面でカットし
   た光学素子と光学系を設置することを特徴とする立体画
   像装置
3. 【請求項３】 右目用と左目用に各一組、請求項１又は
   ２記載の立体画像装置を有する立体画像装置
4. 【請求項４】 各画素ごとに出射光の偏光状態を制御可
   能な画像表示器は、画像表示器と、該画像表示器の各画
   素からの画像光を直線偏光とし、かつこの偏光軸を互い
   に垂直な二方向に切り換える偏光器から成る請求項１、
   ２又は３記載の立体画像装置
5. 【請求項５】 画像表示器の各画素からの画像光を直線
   偏光とし、かつその偏光軸を互いに垂直な二方向に切り
   換える偏光器はＴＮ液晶板から成る請求項１、２、３又
   は４記載の立体画像装置