(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
市松状に配列された複数の開口部を含むマスクパターンにより所定の形状の光束を射出させる光源手段と、
水平方向と垂直方向とで光学作用の異なる複数のレンズを有する光学系と、
右眼用の視差画像を表示するために、横ストライプ状に配列された複数の右眼用横ストライプ画素と、左眼用の視差画像を表示するために、横ストライプ状に配列された複数の左眼用横ストライプ画素を備え、前記右眼用横ストライプ画素と前記左眼用横ストライプ画素とを上から順に交互に並べた横ストライプ画像を表示する透過型のディスプレイデバイスとを有し、
該光源手段より射出する光束に該光学系で指向性を与えて該横ストライプ画像を照射し、該光束を少なくとも2つの領域に分離させて該横ストライプ画像を立体画像として観察者に視認せしめる立体画像表示装置であって、
該光源手段の開口上の1点より射出する光束は該マイクロ光学素子により水平断面では略平行光束に、垂直断面では該ディスプレイデバイス上に略集光する集光光束に変換されており、
上下方向を含む断面において、前記複数のレンズの中心と前記複数の開口部の中心とが、前記観察者の眼と前記複数の画素との中心とを結ぶ直線上に配置されていることを特徴とする立体画像表示装置。
【請求項２】
前記光学系は、垂直方向に屈折力を有し水平方向に長い横シリンドリカルレンズを垂直方向に複数並べて成る横シリンドリカルレンズアレイと、水平方向に屈折力を有し垂直方向に長い縦シリンドリカルレンズを水平方向に複数並べて成る縦シリンドリカルレンズアレイとを有することを特徴とする請求項１記載の立体画像表示装置。
【請求項３】
前記横シリンドリカルレンズアレイの垂直方向のピッチをVL、前記ディスプレイデバイスに表示する前記横ストライプ画像内の画素の垂直方向のピッチをVd、前記マスクパターンの市松状の開口部の垂直方向のピッチをVm、該ディスプレイデバイスと該横シリンドリカルレンズアレイとの距離をL1、該横シリンドリカルレンズアレイと該マスクパターンとの距離をL2、該横シリンドリカルレンズアレイを構成する横シリンドリカルレンズの垂直断面内の焦点距離をfvとするとき、これらの諸元が
Vd：Vm＝L1：L2
Vd：VL＝(L1+L2)/2 ：L2
1/fv＝ 1/L1+1/L2
なる関係を満足していることを特徴とする請求項２記載の立体画像表示装置。
【請求項４】
前記ディスプレイデバイスから観察者までの予め設定された距離をL として、前記の諸元Vd、Vm、L1、L2と該L とが
Vd：Vm＝ L:(L+L1+L2)
なる関係を満足していることを特徴とする請求項３の立体画像表示装置。
【請求項５】
前記光学系は、垂直方向と水平方向に異なる焦点距離を持ったトーリックレンズを垂直、水平方向に2 次元的に配置して成るトーリックレンズアレイを有することを特徴とする請求項１記載の立体画像表示装置。
【請求項６】
前記トーリックレンズアレイの垂直方向のピッチをVL、前記ディスプレイデバイスに表示する前記横ストライプ画像内の画素の垂直方向のピッチをVd、前記マスクパターンの市松状の開口部の垂直方向のピッチをVm、該ディスプレイデバイスと該トーリックレンズアレイとの距離をL1、該トーリックレンズアレイと該マスクパターンとの距離をL2、該トーリックレンズアレイを構成するトーリックレンズの垂直断面内の焦点距離をfvとするとき、これらの諸元が
Vd：Vm＝L1：L2
Vd：VL＝(L1+L2)/2 ：L2
1/fv＝ 1/L1+1/L2
なる関係を満足していることを特徴とする請求項５記載の立体画像表示装置。
【請求項７】
前記ディスプレイデバイスから観察者までの予め設定された距離をL として、前記の諸元Vd、Vm、L1、L2と該L とが
Vd：Vm＝ L:(L+L1+L2)
なる関係を満足していることを特徴とする請求項６の立体画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は立体画像表示装置に関し、特にテレビ、ビデオ、コンピュータモニタ、ゲームマシンなどにおいて立体表示を行うのに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、立体画像表示装置の方式として、右眼用と左眼用の視差画像に対して偏光状態を異ならせ、偏光めがねを用いて左右の視差画像を分離するものがある。その偏光の状態を異ならせるために表示ディスプレイ側に液晶シャッターを設け、表示ディスプレイの表示画像のフィールド信号に同期させて、偏光状態を切り替え、偏光めがねをかけた観察者は時分割で片眼づつ左右画像を分離して立体視を可能にする方式が実用化されている。しかし、この方式では観察者は常に偏光めがねをかけねばならず、煩わしいという欠点があった。
【０００３】
それに対して、偏光めがねを用いない立体画像表示方式として、ディスプレイの前面にレンチキュラレンズを設け、空間的に観察者の左右の眼に入る画像を分離するレンチキュラレンズ方式がある。
【０００４】
図11はレンチキュラレンズ方式の従来例の説明図である。図は水平方向の断面図を表している。図中、1 は液晶ディスプレイの表示画素部であり、ガラス基板、カラーフィルタ、電極、偏光板、バックライトなどは省略している。表示画素部1 は画素を形成するカラーフィルタを配置した開口部2Kと画素間を分離するブラックマトリクス3Bから構成している。液晶ディスプレイの観察者側には、断面が図示のように半円状で各々紙面に直角方向に延びる多数のシリンドリカルレンズからなるレンチキュラレンズ (シリンドリカルレンズアレイ) 4Lを配置しており、その焦点面に表示画素部1 が位置している。
【０００５】
表示画素部1 には図示のようにレンチキュラレンズの一つのピッチに対応して右眼用ストライプ画素(Ri)、左眼用ストライプ画素(Li)を対として交互に配置しており、これらの画素はレンチキュラレンズ4Lにより観察者の右眼ER、左眼ELの領域に光学的に分離して結像され、立体視を実現している。
【０００６】
図はディスプレイの中央部分のシリンドリカルレンズ40により右眼用、左眼用ストライプ画素の各々を観察できる空間的領域を示しており、他の各シリンドリカルレンズについても同様に左右に分離した空間的領域が観察者の左右眼の位置で重なり、画面全面にわたって一様に左右のストライプ画素が分離して観察される。
【０００７】
この方式では左右の視差画像を夫々縦のストライプ画素に分割し、それらを交互に例えばL1R2L3R4L5R6・・・・と配列して1 つのストライプ画像 (縦ストライプ画像) を合成し、表示しなければならないので、画像する視差画像の解像度は1/2 になる。
【０００８】
それに対して、特開平5ー107663号公報、特開平7ー234459号公報には解像度の低下のない立体画像表示装置が開示されている。
図12は特開平5ー107663号公報に開示されている立体画像表示装置の基本構成図である。この立体画像表示装置は図12(A) に示すように、マトリクス型面光源102 とレンチキュラーシート103 からなる光指向性切り替え装置101 と透過型表示装置104 とから構成しており、右眼用のストライプ状の光源（図12(B) の102R）が点灯している時はこれに同期して右眼用の視差画像（図12(C) の104R）を奇数フレームで表示し、左眼用のストライプ状の光源（図12(B) の102L）が点灯している時はこれに同期して左眼用の視差画像（図12(C) の104L）を偶数フレームで表示する。これにより左右の視差画像を構成する各画素を偶数フレームと奇数フレームに応じて全て用いるので、視差画像の分割を行う必要がなく解像度の低下のない立体画像表示装置が実現できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図11のレンチキュラレンズを用いた方式では、レンズ面などからの表面反射で画質が損なわれたり、液晶ディスプレイのブラックマトリクス3 がモアレ縞となって見え、目障りであった。
【００１０】
また、図12の右眼視差画像と左眼視差画像を時分割で表示する従来例の方法では、フリッカの発生を解決する為に画像の切替を高速で行わなければならないという問題があった。磯野らはテレビジョン学会誌、Vol.41, No.6 (1987), pp549-555、において" 時分割立体視の成立条件" について報告しており、それによるとフィールド（フレーム）周波数30Hzの時分割方式では立体視が得られないことが報告されている。さらに、両眼を交互に開閉した場合のフリッカが知覚されない限界の周波数（臨界融合周波数 CFFという）は約55Hzであり、フリッカの点からいえばフィールド（フレーム）周波数は少なくとも110Hz 以上必要であることが報告されている。
【００１１】
従って、図12の従来例においては透過型表示装置104 として、高速表示のできる表示デバイスが必要であるという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、表示速度 (フレームレート) が遅いディスプレイデバイスを用いてもフリッカーの発生がなく、特に上下方向に広い観察領域で画面全体にわたって一様に左右のストライプ画素を分離して見えの良い立体画像として観察することができる立体画像表示装置の提供である。
【００１３】
更なる目的は、
（１−１）  ディスプレイデバイスに第１の合成ストライプ画像と第2 の合成ストライプ画像を交互に表示し、これに同期して透過型の空間変調素子又は自発光型表示素子に対応するマスクパターン又は発光パターンを表示することにより、立体画像の表示解像度を高くすることができる。
（１−２）  ディスプレイデバイスの画像表示面の所定の領域にのみ立体画像を表示し、その他の部分には通常の2 次元画像を表示して3 次元画像と2 次元画像を混在表示することができる。
等の少なくとも1 つの効果を有する立体画像表示装置の提供である。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の立体画像表示装置は、市松状に配列された複数の開口部を含むマスクパターンにより所定の形状の光束を射出させる光源手段と、
水平方向と垂直方向とで光学作用の異なる複数のレンズを有する光学系と、
右眼用の視差画像を表示するために、横ストライプ状に配列された複数の右眼用横ストライプ画素と、左眼用の視差画像を表示するために、横ストライプ状に配列された複数の左眼用横ストライプ画素を備え、前記右眼用横ストライプ画素と前記左眼用横ストライプ画素とを上から順に交互に並べた横ストライプ画像を表示する透過型のディスプレイデバイスとを有し、
該光源手段より射出する光束に該光学系で指向性を与えて該横ストライプ画像を照射し、該光束を少なくとも2つの領域に分離させて該横ストライプ画像を立体画像として観察者に視認せしめる立体画像表示装置であって、
該光源手段の開口上の1点より射出する光束は該マイクロ光学素子により水平断面では略平行光束に、垂直断面では該ディスプレイデバイス上に略集光する集光光束に変換されており、
上下方向を含む断面において、前記複数のレンズの中心と前記複数の開口部の中心とが、前記観察者の眼と前記複数の画素との中心とを結ぶ直線上に配置されていることを特徴としている。
【００１５】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記光学系は、垂直方向に屈折力を有し水平方向に長い横シリンドリカルレンズを垂直方向に複数並べて成る横シリンドリカルレンズアレイと、水平方向に屈折力を有し垂直方向に長い縦シリンドリカルレンズを水平方向に複数並べて成る縦シリンドリカルレンズアレイとを有することを特徴としている。
請求項３の発明は請求項２の発明において、前記横シリンドリカルレンズアレイの垂直方向のピッチをVL、前記ディスプレイデバイスに表示する前記横ストライプ画像内の画素の垂直方向のピッチをVd、前記マスクパターンの市松状の開口部の垂直方向のピッチをVm、該ディスプレイデバイスと該横シリンドリカルレンズアレイとの距離をL1、該横シリンドリカルレンズアレイと該マスクパターンとの距離をL2、該横シリンドリカルレンズアレイを構成する横シリンドリカルレンズの垂直断面内の焦点距離をfvとするとき、これらの諸元が
Vd：Vm＝L1：L2
Vd：VL＝(L1+L2)/2 ：L2
1/fv＝ 1/L1+1/L2
なる関係を満足していることを特徴としている。
請求項４の発明は請求項３の発明において、前記ディスプレイデバイスから観察者までの予め設定された距離をL として、前記の諸元Vd、Vm、L1、L2と該L とが
Vd：Vm＝ L:(L+L1+L2)
なる関係を満足していることを特徴としている。
請求項５の発明は請求項１の発明において、前記光学系は、垂直方向と水平方向に異なる焦点距離を持ったトーリックレンズを垂直、水平方向に2 次元的に配置して成るトーリックレンズアレイを有することを特徴としている。
請求項６の発明は請求項５の発明において、前記トーリックレンズアレイの垂直方向のピッチをVL、前記ディスプレイデバイスに表示する前記横ストライプ画像内の画素の垂直方向のピッチをVd、前記マスクパターンの市松状の開口部の垂直方向のピッチをVm、該ディスプレイデバイスと該トーリックレンズアレイとの距離をL1、該トーリックレンズアレイと該マスクパターンとの距離をL2、該トーリックレンズアレイを構成するトーリックレンズの垂直断面内の焦点距離をfvとするとき、これらの諸元が
Vd：Vm＝L1：L2
Vd：VL＝(L1+L2)/2 ：L2
1/fv＝ 1/L1+1/L2
なる関係を満足していることを特徴としている。
請求項７の発明は請求項６の発明において、前記ディスプレイデバイスから観察者までの予め設定された距離をL として、前記の諸元Vd、Vm、L1、L2と該L とが
Vd：Vm＝ L:(L+L1+L2)
なる関係を満足していることを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図1 は本発明の立体画像表示装置の実施形態 1の要部斜視図である。図中、6 は画像表示用のディスプレイデバイスであり、例えば液晶素子(LCD) で構成する。1 は2 枚のガラス基板5 の間に形成された液晶層などからなる表示画素部であり、後述する3 次元画像を表示する。図は、偏光板、カラーフィルター、電極、ブラックマトリクス、反射防止膜などは省略してある。
【００１８】
10は照明光源となるバックライト (面光源) である。ディスプレイデバイス6 とバックライト10の間には、市松状の開口8 を備えたマスクパターン9 を形成したマスク基板 (マスク) 7 を配置している。マスクパターン9 はガラスまたは樹脂からなるマスク基板7 上にクロムなどの金属蒸着膜または光吸収材等をパターニングして製作している。バックライト10、マスク基板7 等は光源手段の一要素を構成している。
【００１９】
マスク基板7 とディスプレイデバイス6 の間には、透明樹脂またはガラス製の第1 のレンチキュラレンズ3 及び第2 のレンチキュラレンズ4 を配置している。第1 のレンチキュラレンズ3 は垂直方向に長い縦シリンドリカルレンズを左右方向に並べて構成した縦シリンドリカルレンズアレイであり、第2 のレンチキュラレンズ4 は水平方向に長い横シリンドリカルレンズを上下方向に並べて構成した横シリンドリカルレンズアレイである。なお、第1 のレンチキュラレンズ3 及び第2 のレンチキュラレンズ4 は夫々マイクロ光学素子3Hの一要素を形成している。
【００２０】
ディスプレイデバイス6 に表示する画像は図示するように左右の視差画像R 及びL を夫々上下方向に多数の横ストライプ状の横ストライプ画素Ri,Li に分割し、それらを例えば画面上からL1R2L3R4L5R6・・・・と交互に並べて1 つの画像に構成した横ストライプ画像である。
【００２１】
バックライト10からの光はマスク基板7 の各開口8 を透過し、マイクロ光学素子3Hを通ってディスプレイデバイス6 を照明し、観察者の両眼に左右のストライプ画素Ri,Li が分離して観察される。
【００２２】
図2 は実施形態1 の水平断面図であり、実施形態1 において観察者の両眼に左右のストライプ画素が水平方向に分離して視認される原理の説明図である。マスク基板7 はバックライト10により照明され、開口8 から光が出射する。マスク基板7 の観察者側には第1 のレンチキュラレンズ3 を配置しており、その各シリンドリカルレンズのほぼ焦点位置にマスクパターン9 がくるようにレンズ曲率を設計している。この断面においては第2 のレンチキュラレンズ4 は光学的に何の作用もしないので、開口8 上の1 点から射出する光束はこの断面内ではマイクロ光学素子3Hを透過して略平行光束に変換される。なお、この断面における平行光束は、厳密に平行でなくとも良く、観察者の位置において左右の画像領域が混ざりクロストークが発生して立体視に障害が起こらない範囲ならば本発明の目的を達成する。
【００２３】
マスクパターン9 の一対の開口部と遮光部は略第1 のレンチキュラレンズ3 の1 ピッチに対応するように設定している。図に示した開口部と遮光部のパターンでは、ディスプレイデバイス6 に表示した横ストライプ状の左右のストライプ画素のうち左ストライプ画素Liが対応しており、開口部8 から出射した光は第1 のレンチキュラレンズ3 を通してディスプレイデバイス6 上の左ストライプ画素Liを図の実線で示す範囲に指向性をもって照明する。
【００２４】
図中のELは観察者の左眼を示しており、画面の全幅にわたって、開口部8 からの光が一様に左眼ELに集まるように第1 のレンチキュラレンズ3 のピッチP3X はマスクパターン9 の一対の開口部と遮光部のピッチP9X よりもわずかに小さくしてある。具体的には該ピッチP3X は、あらかじめ定められた観察者の所定の位置から第１のレンチキュラレンズ3までの光学的距離をL0 、第１のレンチキュラレンズ３からマスクパターン9までの光学的距離をd1 としたとき、
L0 : (L0+d1) = P3X : P9X  ・・・・・(5)
を満たすように定められる。これにより、ディスプレイデバイス6 に表示した左ストライプ画素Liは左眼EL付近の範囲のみで観察される。
【００２５】
また、右ストライプ画素Riに関しては、マスクパターン9 の開口部と遮光部のパターンは図とは逆になり、ディスプレイデバイス6 に表示した横ストライプ状の左右ストライプ画素のうち右ストライプ画素Riに対応するようになり、第1 のレンチキュラレンズ3 を通して右ストライプ画素Riは右眼ER付近の範囲に指向性をもって照明される。これにより、ディスプレイデバイス6 に表示された横ストライプ状の右ストライプ画素Riは右眼ER付近の範囲のみで観察される。本実施形態はこのようにしてディスプレイデバイス6 上の左右のストライプ画素が水平方向に左眼、右眼の領域に分離して観察される。
【００２６】
図3 は実施形態1 の上下方向の断面の説明略図である。これを用いて上下方向の観察領域を説明する。図3 ではこの断面については光学作用を持たない第1 のレンチキュラレンズ3 および光学作用に直接関係しないガラス基板を省略しており、第2 のレンチキュラレンズ4 についても概念的に表現する。マスクパターン9 の開口8 は図１のように市松状になっており、上下方向にはディスプレイデバイス6 に表示する上下交互に配列した横ストライプ状の左右のストライプ画素に対応している。
【００２７】
図3 中、市松開口8 の開口パターンは左又は右ストライプ画素を照明するためのもので、ここでは例えば左ストライプ画素Liを照明するものとし、マスクパターン9 の黒く塗りつぶした部分は光を通さない遮光部である。ディスプレイデバイス6 上では左眼に対応する左ストライプ画素Liを白、右眼に対応する右ストライプ画素Riを黒く塗りつぶして表す。
【００２８】
ここで、マスクパターン9 の或る上下方向断面内の開口部の幅（ピッチ）をVm、第2 のレンチキュラレンズ4 のピッチをVL、ディスプレイデバイス6 の上下方向の画素ピッチ (これはディスプレイデバイス6 に表示するストライプ画素の垂直方向のピッチと等しい) をVd、第2 のレンチキュラレンズ4 を構成する個々のシリンドリカルレンズの図3 の紙面内の焦点距離をfvとし、ディスプレイデバイス6 の表示面から第2 のレンチキュラレンズ4 の観察者側の主平面までの距離をL1、第2 のレンチキュラレンズ4 のマスク側主平面からマスクパターン9 までの距離をL2とするとき、これらの諸元は
Vd：Vm＝L1：L2  ・・・・・・(1)
Vd：VL＝(L1+L2)/2 ：L2・・・(2)
1/fv＝ 1/L1+1/L2    ・・・(3)
の関係をみたすように設定している。
【００２９】
このときマスクパターン9 の開口8 はそれぞれ対応するストライプ画素上に図3 紙面に垂直な線状に集光している。市松開口の1 つの開口に注目すると図3 中、中央の開口8-1 の中心の点A から発し、第2 のレンチキュラレンズ4 の対応するシリンドリカルレンズ4-1 に入射する光束はディスプレイデバイス6 の対応する画素列6-1 の中央の点A'上に線状に集光する。中央の開口8-1 の中心の点A から発し、シリンドリカルレンズ4-1 以外の第2 のレンチキュラレンズ4 を構成するシリンドリカルレンズに入射する光束は夫々ディスプレイデバイス6 の別の左眼用ストライプ画素Liの中心に線状に集光する。
【００３０】
また開口8-1 の端の点 B、C から発し、シリンドリカルレンズ4-1 に入射する光束はストライプ画素6-1 の端の点B'、C'上に夫々線状に集光する。同様に開口8-1 のその他の点から発し、シリンドリカルレンズ4-1 に入射した光束はディスプレイデバイス6 のストライプ画素6-1 上に線状に集光する。また開口8-1 を発してシリンドリカルレンズ4-1 以外のシリンドリカルレンズに入射した光束もすべてディスプレイデバイス6 の別の左眼用ストライプ画素上に集光する。
【００３１】
図3 中、開口8-1 以外の開口上の各店から発する光束も、同様にすべてディスプレイデバイス6 の左眼用ストライプ画素上に集光して、これを照明、透過して上下方向にのみ集光時のNAに応じて発散し、観察者の所定の眼の高さから画面の上下方向の全幅にわたって左右のストライプ画素を一様に分離して見える観察領域を与えている。
【００３２】
以上のように、マスクパターン9 の開口上の1 点から射出する光束は垂直断面内ではマイクロ光学素子3Hによりディスプレイデバイス6 上に略集光する集光光束に変換される。
【００３３】
なお、この集光光束は垂直断面内で開口8-1 から射出してシリンドリカルレンズ4-1 を透過する光がディスプレイデバイス6 上のストライプ画素6-1 よりはみ出さない範囲に集光すれば目的を達することが出来る。
【００３４】
ここでは観察者の左眼用ストライプ画素Liについて説明したが右眼用のストライプ画素Riについても同様に作用する。
【００３５】
図4 は実施形態1 の上下方向の断面図であり、図3 では省略した部材も図示してある。
【００３６】
ここで、Vm、VL、Vd、fv、L1、L2は図3 で説明したものと同じものである。本実施形態は、Vd=Vm=VL、L1=L2 、fv=L1/2 と設定して条件式(1)、(2)、(3) をみたしており、これによって図3 で説明したように観察者の所定の眼の高さから画面の上下方向の全幅にわたって左右画像が一様に分離して見えるような観察領域が得られるようになっている。
【００３７】
なお、本発明において、条件式(1)、(2) の左辺と右辺との差が相対的に5%以下、式(3)の左辺と右辺との差が相対的に15%以下ならば本発明の目的を達することができる。
【００３８】
本実施形態では観察者側から見て、ディスプレイデバイス6 、第2 のレンチキュラレンズ4 、第1 のレンチキュラレンズ3 、マスクパターン9 の順に配置して立体画像表示装置を構成したが、第1 のレンチキュラレンズ3 と第2 のレンチキュラレンズ4 の順番を入れ替えても第1 のレンチキュラレンズ3 、第2 のレンチキュラレンズ4 のピッチと焦点距離およびマスクパターン9 の市松開口の縦横のピッチを前記の条件をすべて満たすように設定し直せば実施形態1 と同様な効果を与える立体画像表示装置を構成することが出来る。
【００３９】
本実施形態においては、カラー立体画像表示に際しても通常の2 次元画像表示用の液晶ディスプレイと同様に1 つの画素内にR,G,B のカラーフィルターが水平方向に並んで配列しているLCD を用いることが出来る。
【００４０】
図5 は本発明の立体画像表示装置の実施形態2 の説明図である。図は本実施形態の上下方向の断面の説明略図である。本実施形態は実施形態1 よりも表示画面の中心近くに位置する観察者の眼E に照明光束をより多く集めるものであり、図5 はその作用説明図である。本実施形態の構成は基本的に実施形態1 と同じであるが第2 のレンチキュラレンズ4 、マスクパターン9 等の設定条件が異なっている。ここでは実施形態1 と異なる部分を重点的に説明する。図5 にはこの断面については光学作用を持たない第1 のレンチキュラレンズ3 および光学作用に直接関係しないガラス基板等を省略しており、第2 のレンチキュラレンズ4 についても概念的に表現している。
【００４１】
実施形態1 の上下方向の断面では、Vd=Vm=VLと設定し、ディスプレイデバイス6 の画素列を照明する光束の内メインになる光束は、ディスプレイデバイス6 に略垂直に入射するように設定したが、実施形態2 では表示画面の中心近くに位置する観察者の眼に照明光束をより多く集めて照明効率を向上させるように第2 のレンチキュラレンズ4 、マスクパターン9 を設定する点が異なっている。
【００４２】
図5 によって上下方向の観察領域の説明を行う。E は観察者の眼が位置する点であり、ディスプレイデバイス6 からL だけ離れた点に設定している。第2 のレンチキュラレンズ4 を構成する各シリンドリカルレンズ、及びマスクパターン9 の開口部8 は、観察者の眼の位置E とディスプレイデバイス6 上のストライプ画素の中心を結ぶ2 点鎖線上に中心が位置するよう設定している。このように設定することにより開口8 の中心から発した光束が第2 のレンチキュラレンズ4 の中心を通ってディスプレイデバイス6 の各ストライプ画素の中心を照明し、観察者の眼の位置E に集まるように立体画像表示装置を構成することが出来る。
【００４３】
このときマスクパターン9 の或る上下方向の断面内での開口8 のピッチをVm、第2 のレンチキュラレンズ4 のピッチをVL、ディスプレイデバイス6 の上下方向の画素ピッチ (横ストライプ画素のピッチ) をVd、第2 のレンチキュラレンズ4 を構成する個々のシリンドリカルレンズの図3 の紙面内の焦点距離をfv、ディスプレイデバイス6 の表示面から第2 のレンチキュラレンズ4 の観察者側主平面までの距離をL1、第2 のレンチキュラレンズ4 のマスク側主平面からマスクパターン9 までの距離をL2、観察者の眼の位置E からディスプレイデバイス6 までの距離をL とすると、これらの間は
前述の(1) 、(2) 、(3) の関係に加えて
Vd:Vm=L:(L+L1+L2) ・・・・・(4)
の関係を満たしている。
【００４４】
図6 は本実施形態の上下方向の断面図であり、図5 では省略した部材も図示してある。ここで、Vm、VL、Vd、L1、L2、fv、L 等は図5 で説明したものと同じものである。本実施形態ではこれらの諸元が前述の式(1)、 (2)、(3)、 (4)を満たすように設定している。なお、水平方向の断面内の構成は、実施形態1 ( 図1 、2)と同様に設定している。
【００４５】
以上により観察者の所定の眼の位置E から画面の上下方向の全幅にわたって左右のストライプ画素が一様に分離して見えるような観察領域が得られるようになっている。
【００４６】
なお、本発明において、条件式(4) の左辺と右辺との差は相対的に10% 以下ならば本発明の目的を達することができる。
【００４７】
本実施形態においても実施形態1 と同様に第1 のレンチキュラレンズ3 と第2 のレンチキュラレンズ4 の順序を入れ替えて本実施形態と同じ効果を与える立体画像表示装置を構成することが可能である。
【００４８】
図7 は本発明の立体画像表示装置の実施形態3 の要部斜視図である。実施形態１では、2 枚の直交するレンチキュラレンズ3 、4 を用いてマイクロ光学素子3Hを構成したが、本実施形態では、マイクロ光学素子3Hを上下方向と水平方向で曲率の異なるトーリックレンズを上下左右に多数並べて構成した1 個のトーリックレンズアレイで構成している点が異なる。その他の構成は実施形態1 と同じである。
【００４９】
図中、84はトーリックレンズアレイ (マイクロ光学素子3H) であり、これを構成するトーリックレンズ85の垂直断面内の焦点距離をfv、垂直方向のピッチをVd、垂直断面内でディスプレイデバイス6 からトーリックレンズアレイ84の観察者側の主平面までの間隔をL1、トーリックレンズアレイ84のマスク側主平面からマスクパターン9 までの距離をL2として、これらの諸元を前述の式(1) 、(2) 、(3) の関係が成り立つように設定している。又、トーリックレンズ85の水平方向の曲率は水平断面内の焦点位置がマスクパターン9 に略一致するよう設定している。
【００５０】
これにより本実施形態では実施形態1 と同様に観察者の所定の眼の高さから画面の上下方向の全幅にわたって左右のストライプ画素が一様に分離して見える観察領域が得られるようになっている。
【００５１】
また、本実施形態においてトーリックレンズアレイ84及び市松状の開口部8 の設定を前述の条件式(4) が成り立つように設定すれば、実施形態2 のように表示画面の中心近くに位置する観察者の眼E に照明光束の大部分を集めて照明効率を向上させることが可能である。
【００５２】
図8 は本発明の立体画像表示装置の実施形態4 の要部説明図である。実施形態1 では、マスク基板7 の市松状の開口を有するマスクパターン9 は固定の開口であったが、本実施形態では、マスク基板7 の代わりに透過型液晶素子などの透過型の空間光変調素子71を用いている。その他の部分に付いては、実施形態1 と同じ構成である。なお、バックライト10、空間光変調素子71等は光源手段の一要素を構成している。
【００５３】
図中、74は画像処理手段であり、不図示の左右の視差画像R,L から、ストライプ画素を取り出して1 つのストライプ画像データを生成し、ディスプレイ駆動回路73を通してディスプレイデバイス6 の表示画素部1 に表示し、同時に駆動回路72を介してそのストライプ画像データに対応したマスクパターン9 を空間光変調素子71に表示させる。
【００５４】
光源手段からの光束に指向性を与えてストライプ画素を照射し、立体視観察領域を形成する作用は実施形態1 と同じである。
【００５５】
図9 は本実施形態の立体画像の表示方法の説明図である。図9(A)は空間光変調素子71上の開口部 (正しくは透光部と言うべきであるが、本明細書では説明を簡略にする為に開口部と呼ぶ) 86・遮光部82のパターンを示しており、図9(B)、(C) はディスプレイデバイス6 の表示画素部1 を示しており、表示画素部1 には左右の横ストライプ画素を交互に並べて構成したストライプ画像である。
【００５６】
図9(A)に示すように、空間光変調素子71の開口部が実線で示す86の部分であり、遮光部が87の部分であるときには図9(B)のように第１走査線に右ストライプ画素R1、第2 走査線には左ストライプ画素L2、第3 走査線には右ストライプ画素R3、・・・・と合成した第１の横ストライプ画像を表示する。このとき、左又は右のストライプ画素は各々観察者の左眼又は右眼に分離して観察される。
【００５７】
次に空間光変調素子71の開口部が図9(A)の点線で示す87の部分であり、遮光部が86の部分であるときには図9(C)のように第１走査線に左ストライプ画素L1、第2 走査線には右ストライプ画素R2、第3 走査線には左ストライプ画素L3、・・・・となるよう合成した第2 の横ストライプ画像を表示する。この時、左又は右の各ストライプ画素は各々観察者の左右眼に分離して観察される。
【００５８】
この状態を時分割で交互に表示することにより左右の視差画像R,L のすべてを観察することができ、従来の立体画像表示では解像度がストライプ画像合成により半分に落ちていたものが、解像度を落とすことなく高解像で表示することができる。
【００５９】
また、ディスプレイデバイス6 の表示画素部1 と空間光変調素子71の書き換えスピードに違いがある場合、画像の書き換えとマスクパターン9 の書き換えのタイミングを一致させて観察者にその境が見えないようにするために、図9 に示すようにディスプレイ駆動回路73と駆動回路72の同期を取って書き換えることも可能である。その際、ディスプレイデバイス6 のの表示画素部1 と空間光変調素子71の対応する走査線上で１画素ごとに同期させて書き換えても良いし、対応する走査線ごとに同期を取って書き換えてもよい。
【００６０】
本実施形態は実施形態1 と同様にマスクパターン9 の上下方向の断面内の開口のピッチをVm、第2 のレンチキュラレンズ4 のピッチをVL、ディスプレイデバイス6 の上下方向の画素ピッチ (ストライプ画素のピッチ) をVd、第2 のレンチキュラレンズ4 を構成する個々のシリンドリカルレンズの図3 の紙面内の焦点距離をfv、ディスプレイデバイス6 の表示面から第2 のレンチキュラレンズ4 の観察者側の主平面までの距離をL1、第2 のレンチキュラレンズ4 のマスクパターン側の主平面からマスクパターン9 までの距離をL2として、これらの諸元をVd=Vm=VL、L1=L2 、fv=L1/2 の関係を満たすように設定している。
【００６１】
そして、Vd=Vm であるため空間光変調素子71として画像表示用のディスプレイデバイス6 と同じ画素ピッチからなる液晶素子を用いることが出来る。 本実施形態は実施形態1 の変形として説明したが、本実施形態の構成を実施形態2 、3 の構成に応用すれば同様に解像度を上げることができる。
【００６２】
実施形態4 は表示画素部1 全面で立体画像を表示したが、表示画素部1 の所定の領域にだけ立体画像を表示し、その他の部分では通常の2 次元画像を表示することも可能である。
【００６３】
実施形態5 は実施形態4 の構成を用いて、マスクパターン9 を変更することにより表示画素部1 の所定の領域に立体画像、その他の領域には2 次元画像を表示する、つまり立体画像と2 次元画像を混在表示することができるようにしたものである。
【００６４】
図10は本発明の立体画像表示装置の実施形態5 の画像表示の説明図である。本実施形態はマスクパターンの構成及びディスプレイデバイス6 上の画像表示の構成を除いて実施形態4 と同じである。図10(A) は実施形態5 における空間光変調素子71の開口部・遮光部のパターンを示しており、図10(B) はディスプレイデバイス6 の表示画素部1 の画像パターンを示している。表示画素部1 中の立体画像を表示する領域88の中は左右の視差画像を夫々横ストライプ画素Li,Ri に分割して、これらを例えばR1L2R3・・・ と交互に並べて合成した横ストライプ画像を表示し、その他の領域には通常の2 次元画像S を表示している。  それに対応する空間光変調素子71のマスクパターン9 は、立体画像を表示する領域88に対応する領域89中は市松状のマスクパターンとし、透過光に指向性をもたせて左右のストライプ画素を透過する光束が各々左又は右眼に分離して到達するようにし、その他の領域では全領域をすべて開口状態 (透光状態) にして、左右両眼に2 次元画像S を透過した光束が到達するようにする。
【００６５】
これにより、領域88にのみ立体画像を表示することができる。さらに前記実施形態のように第1 の横ストライプ画像と第2 の横ストライプ画像を交互に表示させ、それに同期してマスクパターンを変えれば、立体画像の解像度を高めることができる。
【００６６】
また、実施形態1 〜3 では、立体画像表示領域88に対応する領域89に市松状のマスクパターンを形成しておけば、本実施形態と同様に画面の一部だけ立体画像を表示することができる。
【００６７】
また立体画像と2 次元画像を同時に混在表示する際に、立体画像では照明光の略半分をマスクパターン9 の市松開口でカットしてしまうため、立体画像と2 次元画像の輝度に差がでる可能性がある。これを防ぐためにマスクパターン9 上の2 次元画像の表示に対応する領域の部分を100 ％透過とせずに白と黒の中間の表示をして光量調整をしても良い。
【００６８】
以上の各実施形態は、マスクパターンの開口の上下方向の幅Vmをディスプレイデバイスに表示する横ストライプ画素の上下方向のピッチVdよりもわずかに大きくすることにより、観察者は所定の高さの観察位置で画面全体にわたって一様に左右のストライプ画素を分離して視認して、立体画像として観察することができる。
【００６９】
又、マイクロ光学素子を構成する横シリンドリカルレンズアレイ又はトーリックレンズアレイの位置及び垂直断面の屈折力を適切に設定することにより上下方向の立体視観察領域を広げている。、
又、観察者から見てマイクロ光学素子3Hをディスプレイデバイス6 の後方に配置しているので、レンチキュラレンズのレンズ面などからの表面反射やディスプレイデバイス6 のブラックマトリクスがモアレ縞となって見えることがなくなり、良質の立体画像を観察することができる。
【００７０】
又、従来の右眼用の視差画像と左眼用の視差画像を画面ごとに時分割で表示する通常の立体表示方式では、フリッカを防止するために、フレーム周波数を120Hz にあげる必要があるが、本発明の方式では、左右の視差画像を横ストライプ画像に合成した画像を用いるので、フレーム周波数60Hzであってもフリッカーを感ずることなく高解像で観察できる。
【００７１】
以上の各実施形態の内、ディスプレイデバイス6 に横ストライプ画像を表示する場合は、該ストライプ画像を構成する横ストライプ画素の幅を1 走査線の幅と同じとしたが、該ストライプ画素の幅を複数の走査線の幅とすることも出来る。
【００７２】
又、一走査線毎に右又は左ストライプ画素を表示する場合には、従来から公知のTVの飛び越し走査（2:1 インターレース走査）を用い、フィールド毎に1 つのストライプ画像を構成する右ストライプ画素Riの全て又は左ストライプ画素Liの全てを表示することも可能である。特に、この様にすることでTVカメラ等を用いた自然画像を立体表示する際に適している。
【００７３】
更に、実施形態1 〜3 ではバックライト10とマスク基板7 の代わりに、又、実施形態4 、5 ではバックライト10と空間光変調素子71の代わりに、CRT 又は蛍光表示管等の自発光型表示素子を光源手段として用いて、その発光面上にマスクパターン9 と同じく、発光部と非発光部とを市松状に形成した発光パターンを形成し、その発光部からの射出光束にマイクロ光学素子3Hで指向性を与えることも可能である。
【００７４】
【発明の効果】
本発明は以上の構成により、表示速度 (フレームレート) が遅いディスプレイデバイスを用いてもフリッカーの発生がなく、特に上下方向に広い観察領域で画面全体にわたって一様に左右のストライプ画素を分離して見えの良い立体画像として観察することができる立体画像表示装置を達成する。
【００７５】
その他、
ディスプレイデバイスに第１の合成ストライプ画像と第2 の合成ストライプ画像を交互に表示し、これに同期して透過型の空間変調素子又は自発光型表示素子に対応するマスクパターン又は発光パターンを表示することにより、立体画像の表示解像度を高くすることができる。
【００７６】
このとき、通常の時分割で視差画像を表示する方式では眼の残像効果で左右視差画像を融像させるために、ディスプレイデバイスのフレーム周波数を高くする必要があるのに対し、本発明の立体画像表示装置ではストライプ状ではあるが、常に左右のストライプ画素が各々の眼に入射しているので、ディスプレイデバイスに要求される表示速度（フレーム周波数）を高くすることなく立体画像を観察することができる。
ディスプレイデバイスの画像表示面の所定の領域にのみ立体画像を表示し、その他の部分には通常の2 次元画像を表示して3 次元画像と2 次元画像を混在表示することができる。
等の少なくとも1 つの効果を有する立体画像表示装置を達成する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の立体画像表示装置の実施形態1 の要部斜視図
【図２】  実施形態1 の水平断面図
【図３】  実施形態1 の垂直断面内の説明略図
【図４】  実施形態1 の垂直断面図
【図５】  本発明の立体画像表示装置の実施形態2 の垂直断面の説明図
【図６】  実施形態2 の垂直断面図
【図７】  本発明の立体画像表示装置の実施形態3 の要部斜視図
【図８】  本発明の立体画像表示装置の実施形態4 の要部説明図
【図９】  実施形態4 の立体画像の表示方法の説明図
【図１０】  本発明の立体画像表示装置の実施形態5 の画像表示の説明図
【図１１】  従来のレンチキュラレンズ方式の立体画像表示装置の説明図
【図１２】  従来の立体画像表示装置の基本構成図
【符号の説明】
1 表示画素部
3H マイクロ光学素子
3 第1 のレンチキュラレンズ (縦シリンドリカルレンズアレイ)
4 第2 のレンチキュラレンズ (横シリンドリカルレンズアレイ)
6 ディスプレイデバイス
7 マスク基板
8 開口部
9 マスクパターン
10 バックライト
71 空間光変調素子
72 駆動回路
73 ディスプレイ駆動回路
74 画像処理手段
84 トーリックレンズアレイ
85 トーリックレンズ
86 開口部 (遮光部)
87 遮光部 (開口部)
88 ディスプレイデバイス上の立体画像表示領域
89 空間光変調素子上で立体画像表示領域に対応する領域
【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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