(57)【要約】【課題】解像度が高く画像品質の良い立体画像を表示する立体画像表示装置を提供する。【解決手段】立体画像表示装置１０１は、レンチキュラレンズ１と、透過型の液晶パネル２と、バックライト部７と、液晶パネル２と平行に配設された指向性緩和部３１とを含む。ここで、液晶パネル２は、左右方向（Ｙ方向）にのみ視差を有する立体画像を表示する。バックライト部７は、立体画像を観察者に投影するために、指向性を有する光線を液晶パネル２に照射する。このとき、液晶パネル２を透過した光線が指向性緩和部３１を通過することによって、視差の方向である左右方向（Ｙ方向）と異なる上下方向（Ｘ方向）の光線の指向性が緩和される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向にのみ視差を有する立体画像を表示する表示パネルと、
指向性を有する光線を前記表示パネルに照射するバックライト用の光照射部と、
前記表示パネルに対して前記光照射部側または前記光照射部と反対側の観察者側に設けられ、前記第１の方向と異なる第２の方向の前記光線の指向性を緩和させる指向性緩和部とを備える、立体画像表示装置。
【請求項２】
前記第２の方向は、前記表示パネルの表面に沿った方向のうちで、前記第１の方向と垂直な方向である、請求項１に記載の立体画像表示装置。
【請求項３】
前記第１の方向は、前記観察者に対して左右方向である、請求項１または２に記載の立体画像表示装置。
【請求項４】
前記光照射部は、前記観察者の右眼および左眼に交互に前記光線が到達するように、前記光線の配光を切替え、
前記表示パネルは、前記観察者の右眼用または左眼用の画像を前記光線の配光の切替に同期して表示する、請求項３に記載の立体画像表示装置。
【請求項５】
前記光照射部によって前記観察者の左右の一方の眼に前記光線が入射するように配光されたとき、他方の眼に入射する前記光線の強度は、前記一方の眼に入射する前記光線の強度の５％以下である、請求項４に記載の立体画像表示装置。
【請求項６】
前記表示パネルは、光線再生法に従った立体画像を表示し、
前記立体画像表示装置は、さらに、前記表示パネルの前記観察者側の表面に設けられ、前記表示パネルを透過した前記光線を前記観察者の右眼または左眼に導く開口部を有する導光部材を備える、請求項４または５に記載の立体画像表示装置。
【請求項７】
前記導光部材は、前記第１の方向に周期構造を有するレンチキュラレンズである、請求項６に記載の立体画像表示装置。
【請求項８】
前記指向性緩和部は、前記観察者と前記導光部材との間に設けられる、請求項６または７に記載の立体画像表示装置。
【請求項９】
前記光照射部は、
複数の光源素子を含む光源部と、
前記表示パネルと前記光源部との間に設けられ、前記複数の光源素子から出射された光を前記表示パネルの方向に屈折させる光学部材とを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の立体画像表示装置。
【請求項１０】
前記光学部材は、前記第１の方向に周期構造を有するレンチキュラレンズである、請求項９に記載の立体画像表示装置。
【請求項１１】
前記指向性緩和部は、前記表示パネルと前記光学部材との間に設けられる、請求項９または１０に記載の立体画像表示装置。
【請求項１２】
前記指向性緩和部は、前記光学部材と前記光源部との間に設けられる、請求項９または１０に記載の立体画像表示装置。
【請求項１３】
前記指向性緩和部は、各前記光源素子に近接して設けられ、前記第１の方向の成分を有する光を反射する反射板を複数含む、請求項９または１０に記載の立体画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、特殊な眼鏡を使用することなく立体画像（静止画像および動画像）を観察可能な立体画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、映像表示分野に於いては、様々な映像の提供の方法が考えられている。たとえば、立体的に映像（動画像）を知覚させる立体画像表示装置が実用化されつつある。
【０００３】
立体画像表示装置は、人がその映像を見たときに立体的に知覚することができる映像を表示する。人間が物を見たときに立体的に知覚する要素としては、輻輳、両眼視差、運動視差、調節があると言われており、立体画像表示装置は、これらの要素を利用している。
【０００４】
輻輳とは、物を見るときに左右の眼球が内向きに向く運動のことである。眼に輻輳角を与える筋肉の緊張を脳が認識することで、人間は立体感を得る。両眼視差とは、注視点を観察しているときの両眼に投影される網膜上像のズレ（いわゆる視差）のことである。人間は、この両眼視差を立体感として知覚する。運動視差とは、物を見る視点を変えたときに視点が移動するにつれて物の見え方が変化することである。人間は、この運動視差を立体感として知覚する。調節とは、見ている物の距離に応じて水晶体の厚みが変化することである。水晶体の厚みを変化させる筋肉の緊張を脳が認識することで、人間は立体感を得る。
【０００５】
これらの立体視を促す知覚作用を利用した従来の立体映像装置は、（ｉ）２眼式、（ｉｉ）多眼式、（ｉｉｉ）体積表示式、（ｉｖ）空間像再生式の４種類に大別できる。これらの方式の特徴を以下に簡単に述べる。
【０００６】
（ｉ）２眼式とは、左眼で見たときの映像と右眼で見たときの映像を用意して、観察者の左眼には左眼用映像を提示し、右眼には右眼用映像を提示する方法である。２眼式は、主に輻輳と両眼視差とを用いて立体感を与える。２種の映像を両眼に独立提示する方法にはいくつかある。
【０００７】
よく知られるのが、左右像を分離するためのメガネを用意するものである。具体的には、左眼用映像を赤、右眼用映像を青で表示し、青／赤のメガネを通して見るアナグリフ式のものがある。あるいは、左眼用映像と右眼用映像とを時間的に交互に表示し、左右映像を時分割シャッタを備えるメガネを通して観察者に独立提示する方法がある。最近では、偏光方向を変えて左眼用映像と右眼用映像とを表示し、左右映像を分離する偏光フィルタを備えるメガネを用いて左右映像を観察者に独立提示する方法がある。この方法では、時分割シャッタを用いる方法に比べ、メガネを軽量にできるので、観察者への負担が少なくてすむ。
【０００８】
独立提示する方法には、メガネを使用しないものもある。メガネを使用しない方法としては、表示画像をパララックスバリアやレンチキュラレンズを利用して左右像に分離する方式がある。
【０００９】
（ｉｉ）多眼式とは、視点を２眼式の２点以外にも準備するものである。すなわち、多眼式では、複数の視点からの左眼用映像および右眼用映像を、パララックスバリアやレンチキュラレンズを利用して、観察方向に対して独立提示してやる方法である。多眼式では、輻輳および両眼視差に加えて、観察位置の移動に伴い、視点の数だけ左右画像が切替わって観察者に投影されるので、観察者に運動視差による立体感を与えることができる。
【００１０】
（ｉｉｉ）体積表示式とは、たとえば、奥行き方向に複数の表示面を用意する、あるいは表示面を回転させる等で、奥行きに応じた位置に像を表示するものである。体積表示式では、輻輳および両眼視差に加えて、調節による立体感を作りだすことが可能となる。
【００１１】
（ｉｖ）空間像再生式は、被写体の光線そのものを再生する方式である。空間像再生式は、実際に物体を見るのと同じように、観察者が輻輳、両眼視差、運動視差、調節のいずれの効果も得られるという点で優れた方式である。この方式には、光線再生法やホログラフィがある。
【００１２】
ここで、光線再生法による立体映像表示についての原理を、図１２および図１３を用いて簡単に説明する。
【００１３】
図１２は、光線再生法を用いる立体画像表示装置の光学系を横から見た図である。
図１３は、光線再生法を用いる立体画像表示装置の光学系の斜視図である。立体画像表示装置は、図１２および図１３に示すように、表示パネル１１２とレンズアレイ１１３とを備える。表示パネル１１２は、複数の画素（図１４の参照符号１１２ａ）を有する。表示パネル１１２としては、たとえば、液晶ディスプレイが利用される。レンズアレイ１１３は、複数のレンズを一平面内に配置したものである。ここでは、図１３に示すように、レンズアレイ１１３として、マイクロレンズ１１３ａが２次元的に配置されたマイクロレンズアレイを用いる例を説明する。
【００１４】
立体画像表示装置は、表示パネル１１２上に、複数の画素にて生成された要素画像１１４を表示する。レンズアレイ１１３を通して得られる表示パネル１１２の画像の光線は、図のようになり、観察者は、表示パネル１１２に表示された要素画像１１４をレンズアレイ１１３を通して観察すると、あたかも再生像１１１が存在するかのように感じる。逆に言えば、レンズアレイ１１３を通して要素画像１１４を観察した観察者があたかも再生像１１１が存在するかのように感じるように、立体画像表示装置は、要素画像１１４を表示パネル１１２に表示する。このため、観察者に対して、輻輳、両眼視差、調節の何れもが、自然に物を見ている状態と同等に与えられる。
【００１５】
また、図１３に示すように、光線再生法によって再生された像の各点はレンズを通して各方向に光線を放っている。なお、図１３には、再生像１１１の点Ａに対応する光線を示している。このため、観察方向を変えた場合には、観察者は、その方向から見た画像を観察する。すなわち、観察者は、運動視差を感じる。ここで説明している例では、立体画像表示装置は、レンズアレイ１１３としてマイクロレンズアレイを用いているので、観察者に、左右方向だけでなく上下左右についての運動視差も与えることができる。
【００１６】
ここで、光線再生法で立体像を見ることのできる範囲（視域）について図１４および図１５を参照して説明する。
【００１７】
図１４は、１つのレンズを通る光の視域角を示す図である。図１４に示すように、レンズアレイ１１３を構成する１つのマイクロレンズ１１３ａに対応して、要素画像を表示する要素画像領域１１５が設定される。要素画像領域１１５の画像は、視域角１１６内の領域で観察できる。
【００１８】
図１５は、視域を示す図である。レンズアレイ１１３の全てのマイクロレンズ１１３ａを通して要素画像が観察できる領域が、視域１１７となる。
【００１９】
ところで、立体画像表示装置においては、観察者が立体像を観察できる領域（視域）が広いことが好ましい。しかしながら、光線再生法では、立体像の解像度と視域の両立が難しい。
【００２０】
光線再生法は、レンズアレイを通して立体像を表示する方法であり、観察者は一つのレンズを通して１〜２画素の画像を観察する。そのため、立体像の解像度はレンズアレイの解像度と同等になる。たとえば、表示パネルの解像度が２００×２００画素であり、要素画像領域が１０×１０画素とすると、レンズアレイのレンズ数は２０×２０個となる。このレンズ数が立体像の解像度と同等となる。なお、要素画像領域の画素数は、表示できる視差の数（運動視差の数）を表している。上の例の場合、運動視差の数は左右に１０視差及び上下に１０視差となる。
【００２１】
視域を広げるために各レンズの視域角を増やそうとすると、視差数すなわち要素画像画素数を多く取るとともにレンズ面積を大きくする必要がある。レンズ面積の増大はレンズ数の低下を招くので、立体像の解像度が低下する。
【００２２】
これを解決する方法には、表示パネルの画素数を上げればよいが、それにも限度がある。たとえば２次元ディスプレイでは普通になっているＳＶＧＡ（８００×６００画素）レベルの立体像を得ようとすると、レンズアレイのレンズ数が８００×６００個必要となり、要素画像を１０×１０画素としても、表示パネルとして８０００×６０００画素が必要となる。しかしながら、現在ではこのような表示ができる直視型ディスプレイは入手できる状況にない。また、このようなディスプレイを開発することも、技術的・価格的課題が多く現実的でない。
【００２３】
解像度の高い立体画像を表示する方法の１つとして、右眼用の画像と左眼用の画像を時分割で表示する方法がある。たとえば、特開２００５−７７４７２号公報（特許文献１）では、液晶表示パネルの観察者側と反対側に、第１および第２の照明光を交互に出射する面光源が配置される。第１の照明光の強度のピークは、液晶表示パネルの法線に対して表示観察者の左右の眼のうちの一方の眼の方向に予め定めた角度だけ傾いた方向に存在する。第２の照明光の強度のピークは、液晶表示パネルの法線に対して観察者の他方の眼の方向に予め定めた角度だけ傾いた方向に存在する。そして、制御手段により、液晶表示パネルの複数の画素に左眼用画像データと右眼用画像データとを交互に書込む。このとき、第１と第２の照明光のうち、液晶表示パネルの複数の画素に書込まれた画像データに対応する指向性をもった照明光を、前記画像データの書込みに同期させて面光源から出射させる。
【００２４】
また、解像度の高い立体画像を表示する他の方法として、垂直方向に視差が無く、水平方向に視差を有する１次元光線再生法がある。たとえば、特許第３９６６８３０号公報（特許文献２）は、１次元光線再生法において歪の少ない正しい透視投影画像を得ることを目的とする。この文献に記載の立体画像表示装置は、表示面内に複数の画素が平面的にマトリクス状に配置された表示装置と、複数のアパーチャまたは複数のレンズを有し画素からの光線方向を制御する視差バリアとを備える。ここで、表示装置の表示面は、視差バリアのアパーチャまたはレンズごとに対応した要素画像に分割される。視差バリアの水平方向ピッチは画素の水平方向ピッチの整数倍である。そして、垂直方向がある一定視距離の透視投影であり、水平方向が平行投影である画像が、画素の列ごとに分割配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２５】
【特許文献１】特開２００５−０７７４７２号公報
【特許文献２】特許第３９６６８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
ところで、前述の特開２００５−７７４７２号公報（特許文献１）のように右眼用の照明光と左眼用の照明光を時分割で生成することによって立体像を表示する方法の場合、生成された光線の拡散について注意する必要がある。
【００２７】
具体的に、右眼用の画像を表示中には観察者の右眼にのみ照明光を与えて左眼には画像が投影されないようにする。もし、光源から観察者の右眼に至るまでの間に表示パネルなどの光学部材によって照明光が拡散されると、所望の配光範囲である観察者の右眼以外にも配光範囲が広がる。このとき、光学部材による拡散が強いと配光範囲がより広がってしまうので、観察者の左眼にも光線が投影されるようになる。すなわち、右眼用の画像が左眼に投影されるクロストークが発生する。この場合、クロストークの量が小さいときは、立体像が２重に見える等の画質の低下が認められるようになり、クロストークの量が大きいときは、観察者は視差画像を得ることが難しくなる。
【００２８】
前述の特許第３９６６８３０号公報（特許文献２）の場合も同様であり、視差を有する水平方向へ照明光が拡散すると、立体像の品質が低下したり、あるいは立体視が難しくなる。
【００２９】
しかし、光源から出射する光線の指向性を高めれば高めるほど、立体画像の画質が改善するとは限らない。照明光の拡散を抑制しすぎると、表示装置及びバックライト等の光源による画面内の輝度ムラが認められるようになる。この輝度ムラの影響で画像品質が低下したり、立体像が観察し難くなったりする。
【００３０】
この発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、解像度が高く画像品質の良い立体画像を表示する立体画像表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
この発明は要約すれば立体画像表示装置であって、表示パネルと、バックライト用の光照射部と、指向性緩和部とを備える。表示パネルは、第１の方向にのみ視差を有する立体画像を表示する。光照射部は、指向性を有する光線を表示パネルに照射する。指向性緩和部は、表示パネルに対して光照射部側または光照射部と反対側の観察者側に設けられ、第１の方向と異なる第２の方向の前記光線の指向性を緩和させる。
【００３２】
好ましくは、第２の方向は、表示パネルの表面に沿った方向のうちで、第１の方向と垂直な方向である。
【００３３】
また、好ましくは、第１の方向は、観察者に対して左右方向である。
また、好ましくは、光照射部は、観察者の右眼および左眼に交互に光線が到達するように、光線の配光を切替える。この場合、表示パネルは、観察者の右眼用または左眼用の画像を光線の配光の切替に同期して表示する。
【００３４】
さらに好ましくは、光照射部によって観察者の左右の一方の眼に光線が入射するように配光されたとき、他方の眼に入射する光線の強度は、一方の眼に入射する光線の強度の５％以下である。
【００３５】
また、好ましくは、表示パネルは、光線再生法に従った立体画像を表示する。この場合、立体画像表示装置は、さらに、表示パネルの観察者側の表面に設けられ、表示パネルを透過した光線を観察者の右眼または左眼に導く開口部を有する導光部材を備える。
【００３６】
さらに好ましくは、上記の導光部材は、第１の方向に周期構造を有するレンチキュラレンズである。
【００３７】
また、好ましくは、光照射部は、複数の光源素子を含む光源部と、表示パネルと光源部との間に設けられ、複数の光源素子から出射された光を表示パネルの方向に屈折させる光学部材とを含む。
【００３８】
さらに好ましくは、上記の光学部材は、第１の方向に周期構造を有するレンチキュラレンズである。
【００３９】
好ましい実施の一形態において、指向性緩和部は、観察者と上記の導光部材との間に設けられる。
【００４０】
好ましい実施の他の形態において、指向性緩和部は、表示パネルと上記の光学部材との間に設けられる。
【００４１】
好ましい実施のさらに他の形態において、指向性緩和部は、上記の光学部材と光源部との間に設けられる。
【００４２】
好ましい実施のさらに他の形態において、指向性緩和部は、各光源素子に近接して設けられ、第１の方向の成分を有する光を反射する反射板を複数含む。
【発明の効果】
【００４３】
この発明によれば、１次元光線再生法などのように、所定の方向にのみ視差を有する立体画像を表示することによって立体画像の解像度を向上させる。さらに、指向性緩和部を用いて、視差の方向と異なる方向へのバックライト用光線の指向性を緩和することによって、画像品質を劣化させることなく輝度ムラの影響を抑制する。この結果、解像度が高く画像品質の良い立体画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】この発明の実施の形態１による立体画像表示装置１０１の構成を示す図である。
【図２】図１のバックライト部７の一部の構成を示す図である。
【図３】レンチキュラレンズ１３を構成する各シリンドリカルレンズ１３ａの大きさと視域角との関係を説明するための図である。
【図４】要素画像領域と視域角との関係を説明するための図である。
【図５】図１の指向性緩和部３１の構成の一例を模式的に示す図である。
【図６】観察者の左右方向での光の強度分布を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態２による立体画像表示装置１０２の構成を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態３による立体画像表示装置１０３の構成を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態４による立体画像表示装置１０４の構成を示す図である。
【図１０】図９の光源部５ａの一部の構成を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態５による立体画像表示装置１０５の構成を示す図である。
【図１２】光線再生法を用いる立体画像表示装置の光学系を横から見た図である。
【図１３】光線再生法を用いる立体画像表示装置の光学系の斜視図である。
【図１４】１つのレンズを通る光の視域角を示す図である。
【図１５】視域を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。
【００４６】
［実施の形態１］
（立体画像表示装置の構成）
図１は、この発明の実施の形態１による立体画像表示装置１０１の構成を示す図である。
【００４７】
図１を参照して、立体画像表示装置１０１は、１次元光線再生式の立体画像表示装置である。さらに、立体画像表示装置１０１は、解像度の高い立体画像を表示するために、右眼用の画像と左眼用の画像を時分割で表示することが可能である。図１に示すように、立体画像表示装置１０１は、立体表示部３と、画像制御部４と、バックライト部７と、光源制御部８と、カメラ９と、瞳位置検出部２６と、指向性緩和部３１とを含む。
【００４８】
ここで、図１において、立体表示部３はＸＹ平面に沿って配設されるものとし、立体表示部３の厚み方向をＺ方向とする。立体表示部３の観察者にとって、左右方向（水平方向）がＹ方向であり、上下方向（垂直方向）がＸ方向である。その他の図の座標軸の設定も同じである。
【００４９】
立体表示部３は、光線再生式の立体像を表示する。立体表示部３は、立体視用レンズアレイ１と、表示パネル２とを含む。実施の形態１の場合、立体視用レンズアレイ１は、左右方向（Ｙ方向）に周期構造を有するレンチキュラレンズである。レンチキュラレンズの場合、運動視差は左右方向（Ｙ方向）に発生するが上下方向（Ｘ方向）には発生しない。しかし、上下の運動視差はあまり求められないので立体視に関して大きな影響はないと考えられる。
【００５０】
表示パネル２は、画像を表示するための透過型パネルである。実施の形態１の場合、表示パネル２に表示される画像は、左右方向（Ｙ方向）にのみ視差を有する立体画像である。表示パネル２は、複数の画素を含み、バックライト部７からのバックライト光を画素単位で透過制御することによって画像を表示する。表示パネル２としては、たとえば液晶パネルを用いることができる。
【００５１】
画像制御部４は、表示パネル２に画像を表示すべく表示パネル２の表示画像を制御する。より具体的には、画像制御部４は、表示パネル２の各画素の動作、詳しくは、各画素による光の透過状態を決定する。
【００５２】
バックライト部７は、光照射部として、表示パネル２にバックライト用の照射光を照射する。バックライト部７は、光源部５と、配光用レンズアレイ６とを含み、観察者から見て、表示パネル２の背面側に配置される。以下、バックライト部７の具体的な構成を、図２を参照して説明する。
【００５３】
図２は、図１のバックライト部７の一部の構成を示す図である。図２（Ａ）は図１のバックライト部７の一部の側面図であり、図２（Ｂ）は斜視図である。
【００５４】
図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、バックライト部７を構成する光源部５は、光源素子としての線状光源２０を複数含む。各線状光源２０は、半導体光源であるＬＥＤ（Light-Emitting  Diode）２１と、ＬＥＤ２１の光を受ける導光路２２とが組み合わせれて構成される。また、図１の配光用レンズアレイ６は、Ｙ方向に周期構造を有するレンチキュラレンズ２３である。各線状光源２０は、レンチキュラレンズ２３の主軸の方向（Ｘ方向）と平行に配設される。
【００５５】
ここで、配光を実現する仕組みについて説明する。以下では、レンチキュラレンズ２３を構成する一つのレンズ部分であるシリンドリカルレンズ２３ａに対応する複数の線状光源２０を１ブロックとよぶ。
【００５６】
シリンドリカルレンズ２３ａの光源部５側の面（入射面）に入射した光は、光の入射面への入射角および入射位置ならびにレンズ形状に応じた出射角で、レンズ２３ａの観察者側の面（出射面）から出射する。したがって、１ブロック中で各線状光源２０を発し、対応する各レンズ２３ａに入射した光は、各線状光源２０とレンズ２３ａとの位置関係ならびにレンズ２３ａの形状で決まる角度でレンズ２３ａから出射する。別の観点から言うと、１ブロックに含まれる各線状光源２０は、各線状光源２０を出射した光がレンズの通過後に異なる角度で進行するように配置される。
【００５７】
したがって、バックライト部７は、各ブロックごとに点灯する線状光源２０の位置により、決められた方向に光を配光できる。たとえば、図２中の１ブロック中の一番右端の線状光源２０ａを点灯すると、レンズ２３ａの光軸（Ｚ方向）に対してθ１の角度で光が出射される。θ１の値は、レンズ２３ａと線状光源２０ａの位置関係で決まる。また、１ブロック中の右端から７番目の線状光源２０ｂを点灯すると、レンズ２３ａの光軸に対してθ２の角度で光が出射される。
【００５８】
バックライト部７による配光制御は以上のように行なわれるため、光源素子としての線状光源２０は、レンチキュラレンズ２３の焦点距離の位置に配設されることが好ましい。このとき、光源部５の各ブロックから出射されてレンチキュラレンズ２３を透過する光線は、略平行となるので、レンチキュラレンズ２３からは、非常に指向性の強い光が出射される。よって、実施の形態１に係る立体画像表示装置１０１は、狭い範囲、たとえば、観測者の右眼または左眼の位置に配光できる。
【００５９】
再び図１を参照して、光源制御部８は、所望の出射角度に応じたバックライト部７の光源素子（図２の線状光源２０）を点灯制御する。出射角度と、点灯する光源素子との関係は、バックライト部７の設計により予め定まっており、光源制御部８は、この関係に基づき、点灯する光源素子を決定する。光源制御部８は、各光源素子から出射される光線が配光用レンズアレイ６を通過し所定の方向へ導光されるべく各光源素子の点灯を制御する。
【００６０】
カメラ９は、観察者を含む領域の画像を撮影する。カメラ９は、配光すべき観察者の瞳位置を検出するためのセンサとして用いられる。
【００６１】
瞳位置検出部２６は、カメラ９による撮像画像を画像処理することにより、観察者の瞳位置を検出する。たとえば、瞳位置検出部２６は、画像中の明暗パターンなどに基づいて、観察者の瞳位置を検出する。
【００６２】
前述の光源制御部８は、瞳位置検出部２６からの情報に基づいて、観察者の瞳付近の位置に向かって配光するように、バックライト部７の光源部５の各ブロックからの光線出力を制御する。また、画像制御部４は、瞳位置検出部２６からの情報に基づいて、要素画像の表示位置を適宜制御する。
【００６３】
指向性緩和部３１は、観察者と立体視用レンズアレイ１との間に表示パネル２と平行に配設される。指向性緩和部３１は、上下方向（Ｘ方向）の指向性が緩和するように光線を散乱させる板状の光学部材である。立体画像の視差の方向は左右方向であるので、上下方向に光線の指向性が緩和しても立体画像の画質には影響がない。この結果、指向性緩和部３１は、立体画像の画質に影響を与えることなくバックライト部７からの光線の指向性を緩和させることにより、輝度ムラを低減させることができる。指向性緩和部３１の具体的な構成例については、図５を参照して後述する。
【００６４】
（立体画像表示装置における視域の拡大）
実施の形態１に係る立体画像表示装置１０１は、光線再生式の課題である解像度と視域の両立を克服し、従来に比べて立体像を観察できる領域（視域）が広く、かつ、高い解像度を持つ立体像を生成できる。このことを以下に説明する。
【００６５】
実施の形態１では、立体像の解像度の確保のためにレンズ数の多いレンチキュラレンズ１３を用いる。この場合に、レンズ数を増やすことによって低下する視域は、表示パネル２で表示する画像を制御することによって補う方法をとる。この方法について図３および図４を用いて説明する。
【００６６】
図３は、レンチキュラレンズ１３を構成する各シリンドリカルレンズ１３ａの大きさと視域角との関係を説明するための図である。図３を参照して、レンチキュラレンズ１３を構成する１つのシリンドリカルレンズ１３ａの大きさに対応して、要素画像を表示する要素画像領域１５ａが決まる。図３に示す視域角１６ａの場合には、観察者位置ａでは表示画像を観察可能であるが、観察者位置ｂや観察者位置ｃでは表示画像を観察できない。
【００６７】
そこで、観察者位置ｂや観察者位置ｃでも表示画像を観察可能にするため、各シリンドリカルレンズ１３ａの大きさを拡大することによって、要素画像領域を図３の領域１５にまで拡げる方法が考えられる。しかしながら、既に説明したように、個々のレンズ１３ａを大きくするとレンズの総数が減少するので、立体画像の解像度が低下する。この課題に対して、実施の形態１の立体画像表示装置１０１は、各シリンドリカルレンズ１３ａの大きさをそのままにして、図４に示すように観察者の位置に応じて要素画像領域を変更する。
【００６８】
図４は、要素画像領域と視域角との関係を説明するための図である。図４を参照して、観察者位置ｂおよびｃにおいても表示画像を観察者が観察できるようにするためには、要素画像領域を図４に示すように領域１５の範囲内で要素画像領域を変更すればよい。すなわち、観察者が観察者位置ａにいるときには要素画像を領域Ｒａに表示し、観察者が観察者位置ｂにいるときには要素画像を領域Ｒｂに表示し、観察者が観察者位置ｃにいるときには要素画像を領域Ｒｃに表示する。このように、要素画像を表示する領域を固定せずに観察者の位置に応じて変更することにより、視域を拡大することができる。
【００６９】
具体的に、立体画像表示装置１０１では、画像制御部４は、瞳位置検出部２６の検出結果に基づいて、表示パネル２に表示する要素画像を制御する。また、光源制御部８は、要素画像が観察者の瞳を含む領域に投影されるように、バックライト部７の配光を制御する。
【００７０】
（立体画像表示装置における立体視の仕組み）
図３、図４は、観察位置において、視域角が観察者の両眼をカバーしている場合を示しているが、立体像の解像度をさらに向上させるために、観察者の片眼分にまで視域角を絞ることが有効である。
【００７１】
この場合は、観察者の位置に応じて要素画像の表示領域を変更するだけでは立体視できず、左右眼用の画像分離を実現する仕組み、すなわち、一方の眼用の画像を表示中には他方の眼にその画像が投影されないような仕組みが必要である。なぜならば、光線再生法では、視域角が観察者の両眼をカバーしているならば、右眼／左眼で見ている光線が異なることで両眼視差を得ることができるが、視域角が観察者の片眼しかカバーしていない場合、表示画像はどちらか一方の眼に投影させるための画像であり、これを他方の眼に投影しても両眼視差を得ることができないためである。
【００７２】
光線再生法の場合、左右眼用の画像分離は、２眼式のようなパララックスバリアやレンチキュラレンズで行なうことは難しく、時分割で左右眼用の画像分離を行なう方法が好適である。立体画像表示装置１０１においても、この方法を採用する。
【００７３】
以下、図１を参照して、立体画像表示装置１０１による立体視可能な仕組みについて、より詳しく説明する。光線再生式のパネルである立体表示部３は、立体像の解像度を向上させるために、視域角が観察者の片眼分にまで絞られるように設計されている。なお、実施の形態１の場合、表示パネル２に表示される画像は、左右方向（水平方向）にのみ視差を有する立体画像である。
【００７４】
具体的に、立体画像表示装置１０１は、片眼用の画像を表示中には他方の眼にその画像が投影されないように、時分割で左右眼用の画像分離を行なう。すなわち、画像制御部４は、ある期間は右眼用画像を表示し、次の期間は左眼用画像を表示するというように、交互に右眼用画像と左眼用画像とを表示パネル２に表示する。また、画像制御部４は、瞳位置検出部２６からの情報に基づいて、観察者の瞳の位置に応じて要素画像の表示領域を変更する。
【００７５】
また、光源制御部８は、バックライト部７を制御し、右眼用画像表示期間には、瞳位置検出部２６からの情報に基づいて、観察者の右眼にバックライトを配光する。左眼用画像表示期間には、瞳位置検出部２６からの情報に基づいて、観察者の左眼にバックライトを配光する。すなわち、光源制御部８は、左眼用画像および右眼用画像のそれぞれに対し、左眼および右眼位置に追従させた配光制御を行なう。
【００７６】
このように、立体画像表示装置１０１によれば、左右画像の時分割表示およびバックライトの配光制御を連携的に実行することで、片眼用の画像を表示中に、他方の眼にその画像が投影されないようにできる。これら一連の連携的な制御によって、広い視域にわたって、観察者に光線再生式の高解像度の立体表示像を知覚させることができる。つまり、立体画像表示装置における立体像の解像度と視域拡大の両立を果たすことができる。
【００７７】
（指向性緩和部の構成および効果）
図５は、図１の指向性緩和部３１の構成の一例を模式的に示す図である。図５（Ａ）は指向性緩和部３１の斜視図であり、図５（Ｂ）はＹ方向から見た側面図であり、図５（Ｃ）はＸ方向から見た側面図である。
【００７８】
図１、図５を参照して、指向性緩和部３１は、表示パネル２と平行に（すなわち、ＸＹ平面に沿って）配設される板状の透光性部材である。指向性緩和部３１は、たとえば、ガラスなどを用いて形成することができる。
【００７９】
指向性緩和部３１の観察者側（＋Ｚ方向側）の表面３１ａには、断面形状が楔形でＹ方向に延びる溝が複数本形成されている。すなわち、図５（Ｂ）に示すように、Ｙ方向から見た指向性緩和部３１の表面３１ａにはＶ字形状の複数の溝がＸ方向に連なっている。一方、図５（Ｃ）に示すように、Ｘ方向から見た指向性緩和部３１の表面３１ａの形状は一様である。
【００８０】
したがって、バックライト部７から出射され表示パネル２を透過した光線３３は、指向性緩和部３１の表面３１ａにおいてＸ方向（上下方向）には広い角度で散乱されるが、Ｙ方向（左右方向）にはほとんど散乱されない。実施の形態１の場合、表示パネル２には左右方向（Ｙ方向）にのみ視差を有する立体画像が表示されるが、Ｙ方向の光線の指向性は維持されるので、観察者は左右の眼に投影された画像の視差によって高品質の立体画像を観察することができる。
【００８１】
一方、指向性緩和部３１を通過することによって光線の指向性がＸ方向では緩和されるので、バックライト部７の線状光源が有するＸ方向の輝度ムラは均一化される。これにより、表示画像の画像品質を一層向上させることができる。
【００８２】
なお、図５に示した指向性緩和部３１の形状は一例である。視差の方向である左右方向（Ｙ方向）と異なる方向、好ましくは上下方向（Ｘ方向）の光線の指向性が緩和するように光線を散乱させる光学部材であればどのような形状であってもよい。
【００８３】
次に、左右方向の光の拡散と立体視との関係についての実験結果を説明する。実験で用いた立体画像表示装置は、図１で説明したものと同じである。ただし、図１の指向性緩和部３１に代えて、拡散が大きいものと小さいものとの２種類の等方性の拡散部材を配設した。この場合、等方性の拡散部材によって光線は上下方向および左右方向に等しく拡散される。
【００８４】
実験では、立体表示部３から５００ｍｍの距離に観察者がいるものとして、その右眼と左眼とにバックライト部７から指向性光線を配光した。そして、この場合の立体表示部３から５００ｍｍの距離における、左右方向の光の強度分布を測定した。
【００８５】
図６は、観察者の左右方向（水平方向）での光の強度分布を示す図である。図６（Ａ）は拡散が小さい拡散部材を用いたときの光の強度分布の図であり、図６（Ｂ）は拡散が大きい拡散部材を用いたときの光の強度分布の図である。図６（Ａ）および（Ｂ）では、右眼に配光したときの光強度分布曲線ＲＥと左眼に配光したときの光強度分布曲線ＬＥとの両方が示されている。縦軸は最大値を１で規格化した光強度を示す。また、横軸は左右方向（水平方向）の位置を示す。この場合、両眼の中心位置を０とし、それより右眼側の位置が負で表わされ、左眼側の位置が正で表わされる。両眼の間隔は６５ｍｍである。
【００８６】
図６（Ａ）に示すように、拡散部材の拡散が小さい場合において、左眼用照明を行ったときに右眼に入ってくる光線強度は約５％であることがわかる。この状態で立体表示部３に立体画像を表示して立体視を行うと、像が２重に見えるなど、一方の眼に向けた立体画像が他方の眼にも照射されたために生じるいわゆるクロストーク像がほとんど発生しておらず、良好な立体像が観察された。
【００８７】
一方、図６（Ｂ）に示すように、拡散部材の拡散が大きい場合において、左眼用照明を行ったときに右眼に入ってくる光線強度は約２５％であることがわかる。この状態で立体表示部３に立体画像を表示して立体視を行うと、像が２重に見えるなどのクロストーク像が観察された。
【００８８】
以上の実験結果から、バックライト部７によって観察者の左右の一方の眼に光線が入射するように配光されたとき、他方の眼に入射する光線の強度は、一方の眼に入射する光線の強度の５％以下であることが望ましい。
【００８９】
［実施の形態２］
指向性緩和部３１の配置位置は、実施の形態１と異なる位置であってもよい。
【００９０】
図７は、この発明の実施の形態２による立体画像表示装置１０２の構成を示す図である。図７の立体画像表示装置１０２は、指向性緩和部３１が立体表示部３と配光用レンズアレイ６との間に配設される点で、図１の立体画像表示装置１０１と異なる。その他の点については、図７の立体画像表示装置１０２は図１の立体画像表示装置１０１と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００９１】
図７に示すように、指向性緩和部３１が立体表示部３と配光用レンズアレイ６との間に配設されても、バックライト部７から照射された光線に対して実施の形態１の場合と同様の指向性の緩和効果が得られる。図７の場合、指向性緩和部３１を透過した光線が、立体表示部３を照明することにより、観察者に画像を投影する。
【００９２】
特に図７の場合、配光用レンズアレイ６の観察者側（＋Ｚ方向）の面に指向性緩和部３１に相当する形状が形成できるので、配光用レンズアレイ６と指向性緩和部３１とを一体的に製造することができる点にメリットがある。この結果、指向性緩和部３１を独立に設ける必要が無くなるので、部材点数の削減、組立て性の向上、部品管理の簡略化、およびコストダウンが期待できる。
【００９３】
［実施の形態３］
図８は、この発明の実施の形態３による立体画像表示装置１０３の構成を示す図である。図８は、指向性緩和部３１のさらに他の配置位置の例を示すものである。すなわち、図８の立体画像表示装置１０３は、指向性緩和部３１が配光用レンズアレイ６と光源部５との間に配設される点で、図１、図７の立体画像表示装置１０１，１０２と異なる。その他の点については、図８の立体画像表示装置１０３は図１、図７の立体画像表示装置１０１，１０２と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００９４】
図８の位置に指向性緩和部３１が配置されても、実施の形態１の場合と同様の指向性の緩和効果が得られる。この場合、光源部５から出射された光線は、指向性緩和部３１によってＸ方向に拡散された後、配光用レンズアレイ６を通過することによってＹ方向に指向性が与えられる。そして、このＹ方向に指向性を有する光線によって立体表示部３が照明されることによって、観察者に画像が投影される。
【００９５】
立体表示部３と配光用レンズアレイ６との間のスペースが小さいなどの理由で、図７の位置に指向性緩和部３１を配設することができない場合には、図８の位置に配置してもよい。
【００９６】
［実施の形態４］
図９は、この発明の実施の形態４による立体画像表示装置１０４の構成を示す図である。図９の立体画像表示装置１０４はバックライト部７に含まれる光源部５ａの構成が、図１０を参照して後述するように実施の形態１〜３の光源部５と異なる。この結果、立体画像表示装置１０４の場合には、光源部５ａを構成する半導体光源であるＬＥＤ２１から出射される光線のＹ方向の拡散が予め制限される。この方法によっても実施の形態１〜３の指向性緩和部３１と同様の効果が得られる。その他の点については、図９の立体画像表示装置１０４は図１の立体画像表示装置１０１と同じであるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。
【００９７】
図１０は、図９の光源部５ａの一部の構成を示す図である。図１０を参照して、光源部５ａはＸ方向と平行に配設される複数の線状光源２０を含む。そして、各線状光源２０は、半導体光源であるＬＥＤ２１と、ＬＥＤ２１の光を受ける導光路２２と、導光路２２の出射方向を除く面を覆うミラー部３２とを含む。ミラー部３２は、導光路２２の出射方向以外の方向（たとえば、＋Ｙ方向、−Ｙ方向、および−Ｚ方向）に進行する光線を略全反射する。
【００９８】
ミラー部３２を設けることによって、導光路２２を通過した光線は、視差方向である左右方向（Ｙ方向）には指向性を有し、概略的に図１０（Ｂ）の点線で示した方向に出射される。出射された光線は、Ｙ方向の指向性を維持した状態で配光用レンズアレイ６によって立体表示部３の方向に屈折される。一方、導光路２２を通過した光線は、Ｘ方向には指向性をほとんど持たない。このため、線状光源２０から出射される光線はＸ方向には均一性のあるムラの少ない光線である。この結果、観察者に高品質の立体画像が投影される。
【００９９】
このように、図１０のミラー部３２は、ＬＥＤ２１から出射された光線のうちＹ方向成分を有する光を反射する反射板として機能し、実施の形態１〜３の指向性緩和部３１に相当する。なお、図１０の立体画像表示装置１０４の場合も、実施の形態２の場合と同様に、指向性緩和部３１を独立に設ける必要がなくなるので、部材点数の削減、組立て性の向上、部品管理の簡略化、およびコストダウンが期待できる。
【０１００】
［実施の形態５］
実施の形態１〜４では、立体像再生の方式を光線再生法として説明したが、それ以外の方式の場合にも指向性緩和部３１を用いることができる。ここでは、２眼式の立体画像表示装置１０５について説明する。
【０１０１】
２眼式の立体視の原理は、観察者の左右の眼に対して、それぞれ、左眼用および右眼用の画像を表示する、というものである。実施の形態５に係る立体画像表示装置１０５は、右眼用画像と左眼用画像とを時分割で表示し、それに同期して右眼と左眼にバックライトを配光制御する。
【０１０２】
図１１は、この発明の実施の形態５による立体画像表示装置１０５の構成を示す図である。図１１の立体画像表示装置１０５は、図１の実施の形態１の立体画像表示装置１０５において、立体視用レンズアレイ１を省いたものである。この構成による２眼式の立体画像表示装置１０５によれば、左右画像を時分割で表示パネル２に表示し、瞳位置検出部２６で検出した観察者の瞳の位置に基づいて、バックライト部７により左右の眼に画像と同期して配光することで、左右画像を分離できる。したがって、この立体画像表示装置１０５によれば、２眼式の立体表示が実現できる。
【０１０３】
従来は、パララックスバリアやレンチキュラレンズによって左右画像を空間的に分離していた。この方法であると、右目用および左目用画像を同時に表示するために、各画像の画素数は表示パネルの画素数の半分になり、したがって立体画像の表示解像度も表示パネルの表示解像度の半分に低下する。
【０１０４】
また、解像度を維持するための他の従来の方法として、左右画像を時分割で表示し、左右像の表示と同期した左右眼用シャッタ付きのメガネを観察者が使用することで左右像分離するものがあった。しかし、この方法は、観察者にメガネをかけさせる必要があり、また、メガネの構造が複雑となりがちで、観察者に負担を強いていた。
【０１０５】
実施の形態５に係る立体画像表示装置１０５によれば、右眼用及び左眼用画像は時分割で表示しているため表示パネルの画素数を維持でき、かつ、観察者はメガネ等を装着する必要がない。したがって、観察者は、メガネ無しで高解像度の立体画像を観察することができる。このとき、指向性緩和部３１の効果によって、観察者は従来よりも高解像度かつ高品質の立体画像を観察することができる。
【０１０６】
なお、指向性緩和部３１の配設位置は、実施の形態２〜４で説明したような位置に配設することも可能である。
【０１０７】
［その他の変形例］
上記の各実施の形態において、観察者が立体像を観察する位置が予め指定されている場合には、立体画像表示装置の装置構成を簡略化することができる。この場合、指定位置における観察者の右眼、左眼に配光するようにバックライト部７を設計しておき、表示パネル２にも指定位置における画像を表示しておく。これによって、カメラ９および瞳位置検出部２６を省略することができる。
【０１０８】
また、以上の各実施の形態においては、光源として半導体発光素子であるＬＥＤを用いた例を示した。ＬＥＤは、液晶パネルのバックライトとしてよく用いられる冷陰極管（ＣＣＦＬ）に比べて、小型であるので実装しやすい。また、応答速度が速いので時分割の点灯制御に対応できる。さらに、駆動回路が簡易に実現できる。これらのことからＬＥＤを用いるのが好適である。しかしながら、本発明における光源素子をＬＥＤに限定するものではない。
【０１０９】
また、上記の実施の形態１〜４では、立体表示部３の構成部材として立体視用レンズアレイ１（レンチキュラレンズ）を用いたが、原理的にはスリット（開口）を用いても光線再生法による立体像の表示は可能である。したがって、表示パネル２を透過した光線を観察者の右眼または左眼に導く開口部を有する導光部材であれば、立体視用レンズアレイ１の代わりに用いることができる。立体視用レンズアレイ１は、このような開口部を有する導光部材の好ましい一例として、実施の形態１〜４に記載したものである。
【０１１０】
また、上記の実施の形態１〜５では、バックライト部７の構成部材として配光用レンズアレイ６（レンチキュラレンズ）を用いたが、必ずしもこれに限るものでない。光源部５から出射された光を表示パネル２の方向に屈折させる光学部材であれば、配光用レンズアレイ６の代わりに用いることができる。配光用レンズアレイ６は、このような光線を屈折させる光学部材の好ましい一例として、実施の形態１〜５に記載したものである。
【０１１１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１１２】
１  立体視用レンズアレイ、２  表示パネル、３  立体表示部、４  画像制御部、５，５ａ  光源部、６  配光用レンズアレイ、７  バックライト部、８  光源制御部、９  カメラ、１３  レンチキュラレンズ、１５，１５ａ  要素画像領域、２０  線状光源、２１  ＬＥＤ、２２  導光路、２３  レンチキュラレンズ、２６  瞳位置検出部、３１  指向性緩和部、３２  ミラー部、１０１〜１０５  立体画像表示装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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