(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画像発生源を水平位置が一致しないように水平方向および垂直方向に二次元的に配置し、前記複数の画像発生源を物体面とする複数のアフォーカル光学系で、前記複数の画像発生源で生成される画像を異なる水平表示角度範囲に表示し、前記複数のアフォーカル光学系の共通像面に配置される垂直方向拡散板で表示角度範囲を垂直方向にのみ広げてすべての画像に共通な垂直表示角度範囲を作ることで垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示方向の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、前記複数のアフォーカル光学系内に設置される複数の開口を光透過部が水平方向に重なりをもつように二次元的に配置して、画像間に水平表示角度範囲の重なりをもたせることを特徴とする立体表示方法。
【請求項２】
複数の結像系を水平位置が一致しないように水平方向および垂直方向に二次元的に配置し、水平方向および垂直方向に表示方向の異なる複数の画像を発生させ、前記複数の結像系をアフォーカル光学系としてすべての画像を異なる水平表示角度範囲に表示し、前記複数のアフォーカル光学系の共通像面に配置される垂直方向拡散板で表示角度範囲を垂直方向にのみ広げて、前記複数のアフォーカル光学系内に設置される複数の開口の光透過部が水平方向に重なりをもつように二次元的に配置して、水平方向に表示角度範囲に重なりがある画像を結像系の数だけ生成することを特徴とする立体表示方法。
【請求項３】
二次元レンズアレイの個々のレンズを立体表示の一画素として、該一画素を光源アレイとマイクロレンズと垂直方向拡散板で構成し、複数の光源を水平位置が一致しないようにかつ光源の発光部が水平方向に重なりをもつように二次元的に配置した二次元光源アレイを個々のレンズに対応させて水平進行角度範囲が異なる多数の光線を発生させ、前記垂直方向拡散板で表示角度範囲を垂直方向にのみ広げて光線間に水平進行角度範囲に重なりをもたせて、二次元レンズアレイ全体として水平方向に異なる表示方向をもつ画像を二次元光源アレイの光源数だけ生成することを特徴とする立体表示方法。
【請求項４】
（ａ）水平位置が一致しないように水平方向および垂直方向に二次元的に配置される二次元画像投影装置アレイと、
（ｂ）該二次元画像投影装置アレイの画像生成側に配置され、水平方向に光透過部が重なりをもつように二次元的に配置される開口アレイと、
（ｃ）該開口アレイの画像生成側に配置され、前記二次元画像投影装置アレイと組み合わせてアフォーカル光学系を構成する像側のレンズを共通化した共有レンズと、
（ｄ）該共有レンズの画像生成側に配置される垂直方向拡散板と、
（ｅ）該垂直方向拡散板の近傍に生成される像面とを具備し、
（ｆ）垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、隣り合う画像間に水平表示角度範囲の重なりをもたせて水平表示方向のとびをなくすことを特徴とする立体表示装置。
【請求項５】
（ａ）水平位置が一致しないように水平方向および垂直方向に二次元的に配置される二次元画像表示装置アレイと、
（ｂ）該二次元画像表示装置アレイの画像生成側に配置されるレンズアレイと、
（ｃ）該レンズアレイの画像生成側に配置され、水平方向に光透過部が重なりをもつように二次元的に配置される開口アレイと、
（ｄ）該開口アレイの画像生成側に配置され、前記レンズアレイと組み合わせてアフォーカル光学系を構成する像側のレンズを共通化した共有レンズと、
（ｅ）該共有レンズの画像生成側に配置される垂直方向拡散板と、
（ｆ）該垂直方向拡散板の近傍に生成される像面とを具備し、
（ｇ）垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、画像間に水平表示角度範囲の重なりをもたせて水平表示方向のとびをなくすことを特徴とする立体表示装置。
【請求項６】
（ａ）水平位置が一致しないように水平方向および垂直方向に二次元的に配置される照明光学系アレイと、
（ｂ）該照明光学系アレイの画像生成側に配置される透過型二次元画像表示装置アレイと、
（ｃ）該透過型二次元画像表示装置アレイの画像生成側に配置されるレンズアレイと、
（ｄ）該レンズアレイの画像生成側に配置され、該レンズアレイと組み合わせてアフォーカル光学系を構成する像側のレンズを共通化した共有レンズと、
（ｅ）該共有レンズの画像生成側に配置される垂直方向拡散板と、
（ｆ）該垂直方向拡散板の近傍の画像生成側に生成される像面とを具備し、
（ｇ）垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、前記レンズアレイの焦点面と前記共有レンズの焦点面とが一致する位置に水平方向および垂直方向にアレイ状に生じる光量分布が水平方向に重なりをもつように前記照明光学系アレイの光の出射角度を制御して、画像間に水平表示角度範囲の重なりをもたせて水平表示方向のとびをなくすことを特徴とする立体表示装置。
【請求項７】
（ａ）水平位置が一致しないように水平方向および垂直方向に二次元的に配置される照明光学系アレイと、
（ｂ）該照明光学系アレイの画像生成側に配置される透過型二次元画像表示装置アレイと、
（ｃ）該透過型二次元画像表示装置アレイの画像生成側に配置されるレンズアレイと、
（ｄ）該レンズアレイの画像生成側に配置され、水平方向に光透過部が重なりをもつように二次元的に配置される開口アレイと、
（ｅ）該開口アレイの画像生成側に配置され、前記レンズアレイと組み合わせてアフォーカル光学系を構成する像側のレンズを共通化した共有レンズと、
（ｆ）該共有レンズの画像生成側に配置される垂直方向拡散板と、
（ｇ）該垂直方向拡散板の近傍の画像生成側に生成される像面とを具備し、
（ｈ）垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、前記レンズアレイの焦点面と前記共有レンズの焦点面とが一致する位置に水平方向および垂直方向にアレイ状に生じる光量分布が水平方向に重なりをもつように前記照明光学系アレイの光の出射角度を制御して、画像間に水平表示角度範囲の重なりをもたせて水平表示方向のとびをなくすことを特徴とする立体表示装置。
【請求項８】
（ａ）複数の光源を水平位置が一致しないようにかつ発光部が水平方向に重なりをもつように水平方向および垂直方向に二次元的に配置した光源アレイと、
（ｂ）該光源アレイの画像生成側に配置されるマイクロレンズと、
（ｃ）該マイクロレンズの画像生成側に配置される垂直方向拡散板とを有する画素の二次元配列からなる表示面とを具備し、
（ｄ）垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、画像の表示角度範囲に重なりをもたせて水平表示方向のとびをなくすことを特徴とする立体表示装置。
【請求項９】
（ａ）複数の光源を水平位置が一致しないようにかつ発光部が水平方向に重なりをもつように水平方向および垂直方向に二次元的に配置した光源アレイと、
（ｂ）該光源アレイの画像生成側に配置されるピンホールと、
（ｃ）該ピンホールの画像生成側に配置される垂直方向拡散板とを有する画素の二次元配列からなる表示面とを具備し、
（ｄ）垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、画像の表示角度範囲に重なりをもたせて水平表示方向のとびをなくすことを特徴とする立体表示装置。
【請求項１０】
（ａ）発散光源と、
（ｂ）該発散光源の画像生成側に配置される複数の透過型光変調器を水平位置が一致しないようにかつ光変調部が水平方向に重なりをもつように二次元的に配置した透過型光変調器アレイと、
（ｃ）該透過型光変調器アレイの画像生成側に配置される垂直方向拡散板とを有する画素の二次元配列からなる表示面とを具備し、
（ｄ）垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、画像の表示角度範囲に重なりをもたせて水平表示方向のとびをなくすことを特徴とする立体表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体表示方法及びその装置に係り、特に水平方向及び垂直方向に表示方向の異なる複数の画像を発生させ、垂直方向（一方向）拡散板で各画像の表示角度範囲を垂直方向にのみ広げて、水平表示方向の異なる多数の画像を生成することを特徴とする立体表示方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
人間が立体を感じる生理的要因としては、両眼視差、調節、輻輳、運動視差がある。これらのすべてを満たすことで、自然な立体表示が可能になる。
【０００３】
人間の目が左右についていることからも分かるように、立体視の生理的要因のうち立体感に最も強く作用するのは、左右の目に見える水平方向の画像の違いから立体情報を得る両眼視差である。
【０００４】
そのため、立体表示方式としては、図１２に示すような二眼式立体表示方式が古くから用いられている。図１２において、１００１ａと１００１ｂは左眼と右眼、１００２ａと１００２ｂは左眼用と右眼用の鏡、１００３ａと１００３ｂは左眼用と右眼用の二次元画像表示装置である。左右それぞれの眼１００１ａ，１００１ｂに対応した二次元画像表示装置１００３ａ，１００３ｂの画像を表示する。
【０００５】
この立体表示方式には、次に示す問題点がある。左右の眼１００１ａ，１００１ｂに異なる画像が見えるようにするために、特殊な眼鏡の装着を必要とする。また、頭を動かしたときに物体の見え方が変化しない、いわゆる運動視差がない。人間の眼の焦点は立体の提示位置ではなく、二次元画像表示装置１００３ａ，１００３ｂの表示面上に合うため、この不一致が疲労を引き起こす。
【０００６】
上記した二眼式立体表示方式の問題点を解決できる立体表示方式が、多眼式立体表示方式である。これは、物体を多数の異なる方向から見た多数の画像を対応する方向に同時に表示する方式で、特殊な眼鏡の装着を必要としない。頭の位置を動かすと見える画像が切り替わり、運動視差が得られる。多人数での観察が可能である。さらに、視点数を増やし５０〜１００とすると、頭の位置を動かしたときに画像が滑らかに切り替り、滑らかな運動視差が得られるようになる。さらに、立体の提示位置に光線が集まるようになるため、眼の焦点が立体の提示位置に合うようになり、二眼式のような疲労がなくなることが知られている。
【０００７】
多眼式立体表示方式では、水平方向にのみ画像が変化する実現形態が用いられる。これは、人間の眼が水平方向に並んでいるため、水平方向の画像の変化が人間の立体知覚において特に重要であることに基づいている。画像の変化を水平方向に限定すると、表示する画像の数が減らせるため装置が簡略化できる。そのため立体画像の伝送・記録時のデータ量を減少できるなどの利点がある。
【０００８】
図１３は従来の多眼式立体表示方式を具現化した装置の模式図である。この図において、１１０１は眼、１１０２はレンチキュラーシート、１１０３はレンチキュラーシート１１０２を構成するシリンドリカルレンズ、１１０４は二次元画像表示装置、１１０５は視差画像である。
【０００９】
図１４は、図１３とは異なる構成で多眼式立体表示方式を具現化した装置の模式図である。この図において、１２０１は拡散反射板、１２０２はレンチキュラーシート、１２０３は二次元画像投影装置である。
【００１０】
以降の説明では、単に二次元画像表示装置と記した場合には、自ら光を発する発光型の画像表示装置を意味する。例えば、バックライトのついた液晶表示パネルなどである。透過型二次元画像表示装置と記した場合には、外部に光源を必要とし自らは発光せず光の透過率を二次元的に変調することで画像を表示する装置を示す。例えば、バックライトのない液晶表示パネルなどである。二次元画像投影装置と記した場合には、装置内に表示面をもたず、装置外部の空中あるいはスクリーン上に像を結像する装置を示す。例えばビデオプロジェクターなどである。
【００１１】
図１３および図１４に示すように、多眼式立体表示方式としては、一次元のレンズであるシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）１１０３を一方向に並べたレンチキュラーシート１１０２，１２０２を用いる方法が知られている。以下、このレンチキュラー方式の原理について説明する。
【００１２】
図１３に示すように、物体をさまざまな水平方向から見た複数の視差画像１１０５をそれぞれ縦長の短冊状に分割して入れ子に並び変えて再構成し、二次元画像表示装置１１０４に表示する。一組の短冊画像が一つのシリンドリカルレンズに対応するように配置すると、それぞれの視差画像１１０５が水平方向に異なる方向に表示されるため、左右の眼からは異なる視差画像が見える。また、眼を動かしたときに見える視差画像が切り替わる。
【００１３】
立体画像を動画かつカラー画像として表示する方法としては、二次元画像表示装置１１０４として液晶表示パネルなどの従来からある二次元画像表示装置を用いる方法が知られている。
【００１４】
図１４に示すように、レンチキュラーシート１２０２の背面に拡散反射板１２０１を取り付け、これに複数の二次元画像投影装置１２０３で異なる水平方向から画像を投影することでも、異なる水平方向に異なる画像を表示できる。二次元画像投影装置１２０３として、従来からあるビデオプロジェクター等を用いれば、立体画像を動画かつカラー画像として表示できる。
【００１５】
以上のように、レンチキュラー方式では、レンチキュラーシートを構成する個々のシリンドリカルレンズが水平方向に並ぶ方向でレンチキュラーシート１１０２，１２０２を配置する。
【００１６】
また、レンチキュラー方式と類似した構成方法として、図１５に示すパララックスバリア方式が知られている。この図において、１３０１はパララックスバリアと呼ばれるスリットアレイ、１３０２は個々のスリット、１３０３は二次元画像表示装置、１３０４は透過型二次元画像表示装置である。
【００１７】
図１５（ａ）は水平断面の模式図を示し、パララックスバリア１３０１を構成する個々のスリット１３０２が、レンチキュラー方式で用いるレンチキュラーシートを構成する個々のシリンドリカルレンズと同様に光の進行方向を変える役割をもつ。
【００１８】
図１５（ｂ）は透過型二次元画像表示装置１３０４を用いた場合の水平断面の模式図で、パララックスバリア１３０１を通過した水平方向に拡散する光で透過型二次元画像表示装置１３０４を照明する。透過型二次元画像表示装置１３０４として、透過型液晶表示パネルなどを用いることで、立体画像を動画かつカラー画像として表示できる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、多眼式立体表示方式では、異なる水平方向に表示する画像数を十分多く（５０〜１００程度に）できれば、人間のもつ立体知覚の４つの生理的要因をすべて満たすことができ、自然な立体画像が表示できる。
【００２０】
しかしながら、動画かつカラー画像として表示することを考えると、二次元画像表示装置にレンチキュラースクリーンを張り付ける方法では、二次元画像表示装置に表示できる水平方向の解像点数で表示できる画像数が制限される。そのため、滑らかな運動視差が表現できず画像のとびが生じるとともに、焦点位置と立体の提示位置の不一致による疲労の問題があった。画像数を増やすためには、垂直方向に比べて水平方向に解像点数が非常に多い二次元画像表示装置が必要になり、これを実現することは困難であった。反射型レンチキュラースクリーンにプロジェクターで画像を投影する方法では、多数のプロジェクターが必要となり装置が巨大になるといった問題点がある。
【００２１】
本発明は、上記問題点を除去し、水平方向により多くの画像を表示可能にするとともに、隣り合う水平表示方向をもつ画像間に表示角度範囲の重なりを作ることで画像のとびをなくすことができる立体表示方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、
〔１〕立体表示方法において、複数の画像発生源を水平位置が一致しないように水平方向および垂直方向に二次元的に配置し、前記複数の画像発生源を物体面とする複数のアフォーカル光学系で、前記複数の画像発生源で生成される画像を異なる水平表示角度範囲に表示し、前記複数のアフォーカル光学系の共通像面に配置される垂直方向拡散板で表示角度範囲を垂直方向にのみ広げてすべての画像に共通な垂直表示角度範囲を作ることで垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示方向の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、この複数のアフォーカル光学系内に設置される複数の開口を光透過部が水平方向に重なりをもつように二次元的に配置して、画像間に水平表示角度範囲の重なりをもたせることを特徴とする。
【００２３】
〔２〕立体表示方法において、複数の結像系を水平位置が一致しないように水平方向および垂直方向に二次元的に配置し、水平方向および垂直方向に表示方向の異なる複数の画像を発生させ、前記複数の結像系をアフォーカル光学系としてすべての画像を異なる水平表示角度範囲に表示し、前記複数のアフォーカル光学系の共通像面に配置される垂直方向拡散板で表示角度範囲を垂直方向にのみ広げて、前記複数のアフォーカル光学系内に設置される複数の開口の光透過部が水平方向に重なりをもつように二次元的に配置して、水平方向に表示角度範囲に重なりがある画像を結像系の数だけ生成することを特徴とする。
【００２４】
〔３〕立体表示方法において、二次元レンズアレイの個々のレンズを立体表示の一画素として、該一画素を光源アレイとマイクロレンズと垂直方向拡散板で構成し、複数の光源を水平位置が一致しないようにかつ光源の発光部が水平方向に重なりをもつように二次元的に配置した二次元光源アレイを個々のレンズに対応させて水平進行角度範囲が異なる多数の光線を発生させ、前記垂直方向拡散板で表示角度範囲を垂直方向にのみ広げて光線間に水平進行角度範囲に重なりをもたせて、二次元レンズアレイ全体として水平方向に異なる表示方向をもつ画像を二次元光源アレイの光源数だけ生成することを特徴とする。
【００２５】
〔４〕立体表示装置において、水平位置が一致しないように水平方向および垂直方向に二次元的に配置される二次元画像投影装置アレイと、この二次元画像投影装置アレイの画像生成側に配置され、水平方向に光透過部が重なりをもつように二次元的に配置される開口アレイと、この開口アレイの画像生成側に配置され、前記二次元画像投影装置アレイと組み合わせてアフォーカル光学系を構成する像側のレンズを共通化した共有レンズと、この共有レンズの画像生成側に配置される垂直方向拡散板と、この垂直方向拡散板の近傍に生成される像面とを具備し、垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、隣り合う画像間に水平表示角度範囲の重なりをもたせて水平表示方向のとびをなくすことを特徴とする。
【００２６】
〔５〕立体表示装置において、水平位置が一致しないように水平方向および垂直方向に二次元的に配置される二次元画像表示装置アレイと、この二次元画像表示装置アレイの画像生成側に配置されるレンズアレイと、このレンズアレイの画像生成側に配置され、水平方向に光透過部が重なりをもつように二次元的に配置される開口アレイと、この開口アレイの画像生成側に配置され、前記レンズアレイと組み合わせてアフォーカル光学系を構成する像側のレンズを共通化した共有レンズと、この共有レンズの画像生成側に配置される垂直方向拡散板と、この垂直方向拡散板の近傍に生成される像面とを具備し、垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、画像間に水平表示角度範囲の重なりをもたせて水平表示方向のとびをなくすことを特徴とする。
【００２７】
〔６〕立体表示装置において、水平位置が一致しないように水平方向および垂直方向に二次元的に配置される照明光学系アレイと、この照明光学系アレイの画像生成側に配置される透過型二次元画像表示装置アレイと、この透過型二次元画像表示装置アレイの画像生成側に配置されるレンズアレイと、このレンズアレイの画像生成側に配置され、このレンズアレイと組み合わせてアフォーカル光学系を構成する像側のレンズを共通化した共有レンズと、この共有レンズの画像生成側に配置される垂直方向拡散板と、この垂直方向拡散板の近傍の画像生成側に生成される像面とを具備し、垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、前記レンズアレイの焦点面と前記共有レンズの焦点面とが一致する位置に水平方向および垂直方向にアレイ状に生じる光量分布が水平方向に重なりをもつように前記照明光学系アレイの光の出射角度を制御して、画像間に水平表示角度範囲の重なりをもたせて水平表示方向のとびをなくすことを特徴とする。
【００２８】
〔７〕立体表示装置において、水平位置が一致しないように水平方向および垂直方向に二次元的に配置される照明光学系アレイと、この照明光学系アレイの画像生成側に配置される透過型二次元画像表示装置アレイと、この透過型二次元画像表示装置アレイの画像生成側に配置されるレンズアレイと、このレンズアレイの画像生成側に配置され、水平方向に光透過部が重なりをもつように二次元的に配置される開口アレイと、この開口アレイの画像生成側に配置され、前記レンズアレイと組み合わせてアフォーカル光学系を構成する像側のレンズを共通化した共有レンズと、この共有レンズの画像生成側に配置される垂直方向拡散板と、この垂直方向拡散板の近傍の画像生成側に生成される像面とを具備し、垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、前記レンズアレイの焦点面と前記共有レンズの焦点面とが一致する位置に水平方向および垂直方向にアレイ状に生じる光量分布が水平方向に重なりをもつように前記照明光学系アレイの光の出射角度を制御して、画像間に水平表示角度範囲の重なりをもたせて水平表示方向のとびをなくすことを特徴とする。
【００２９】
〔８〕立体表示装置において、複数の光源を水平位置が一致しないようにかつ発光部が水平方向に重なりをもつように水平方向および垂直方向に二次元的に配置した光源アレイと、この光源アレイの画像生成側に配置されるマイクロレンズと、このマイクロレンズの画像生成側に配置される垂直方向拡散板とを有する画素の二次元配列からなる表示面とを具備し、垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、画像の表示角度範囲に重なりをもたせて水平表示方向のとびをなくすことを特徴とする。
【００３０】
〔９〕立体表示装置において、複数の光源を水平位置が一致しないようにかつ発光部が水平方向に重なりをもつように水平方向および垂直方向に二次元的に配置した光源アレイと、この光源アレイの画像生成側に配置されるピンホールと、このピンホールの画像生成側に配置される垂直方向拡散板とを有する画素の二次元配列からなる表示面とを具備し、垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、画像の表示角度範囲に重なりをもたせて水平表示方向のとびをなくすことを特徴とする。
【００３１】
〔１０〕立体表示装置において、発散光源と、この発散光源の画像生成側に配置される複数の透過型光変調器を水平位置が一致しないようにかつ光変調部が水平方向に重なりをもつように二次元的に配置した透過型光変調器アレイと、この透過型光変調器アレイの画像生成側に配置される垂直方向拡散板とを有する画素の二次元配列からなる表示面とを具備し、垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にするとともに、画像の表示角度範囲に重なりをもたせて水平表示方向のとびをなくすことを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３３】
最初に、以降の説明で用いる用語について説明する。画像の表示面から出射される光の出射角を表示角度と呼び、光の出射角がある角度範囲に限定されている場合、この角度範囲のことを表示角度範囲と呼ぶ。ただし、光の出射角は画面法線から計るものとする。つまり、画面を見た場合、この表示角度範囲でしか画像が見えないことになる。表示角度範囲の中心的方向を表示方向と呼ぶ。また、画像表示のために用いる二次元画像表示装置や光源アレイを総称して画像発生源と呼ぶ。
【００３４】
図１は本発明の原理である複数の画像発生源の表示角度範囲の二次元配置と垂直表示角度範囲の融合による高密度水平視差画像表示の説明図であり、図１（ａ）はその画像発生源の表示角度範囲の二次元配置を、図１（ｂ）はその垂直表示角度範囲を拡大することにより共有垂直表示角度範囲を発生させることを示している。
【００３５】
これらの図において、１は個々の画像の表示角度範囲、２は水平表示角度、３は垂直表示角度、４は垂直方向に拡大された個々の画像の表示角度範囲、５は共有垂直表示角度範囲を示している。
【００３６】
従来は、水平方向に表示方向の異なる画像を表示するために、水平方向にのみ画像発生源を並べていた。本発明では、水平方向に加えて、垂直方向にも画像発生源を配置することにより、多数の画像発生源を配置することを可能にする。後の実施例の部分で説明するが、画像発生源を二次元配置すると、画像の表示角度範囲も二次元的に分布する。ここで、すべての画像が水平方向に異なる表示方向をもつように配置する。
【００３７】
例えば、それぞれの画像の表示角度範囲が図１（ａ）に示すようになるように画像発生源を二次元配置する。画像発生源を垂直方向にも配置するため、各画像の垂直表示方向が一致しないことが問題になるが、垂直方向にのみ光を拡散する垂直方向拡散板（図示なし）を用いて各画像の垂直方向の表示角度範囲を広げて、図１（ｂ）に示すように、すべての画像に共通な垂直方向の表示角度範囲（共有垂直表示角度範囲）５を発生させる。この範囲では、すべての画像は異なる水平方向に表示され、すべての画像発生源を水平方向に並べた場合と同様な効果が得られる。すなわち、この垂直表示角度範囲では、視点を水平方向に動かしたときに、すべての画像を観察可能で、さらに、それぞれの画像は水平方向に異なる表示方向をもつ。
【００３８】
以下、具体例を詳細に説明する。
【００３９】
まず、画面単位で多重表示する構成について説明する。
【００４０】
図２は本発明の第１実施例を示す立体表示装置の構成図（その１）であり、図２（ａ）は全体の模式図、図２（ｂ）はその二次元画像表示装置アレイの平面図、図２（ｃ）はそのレンズアレイの平面図、図２（ｄ）はその開口アレイの平面図である。また、図３は本発明の第１実施例を示す立体表示装置の構成図（その２）であり、図３（ａ）はその水平断面を示す模式図、図３（ｂ）はその垂直断面を示す模式図である。
【００４１】
これらの図において、１０は二次元画像表示装置アレイ、１１は個々の二次元画像表示装置、１２はレンズアレイ、１３は個々のレンズ、１４は開口アレイ、１５は個々の開口、１６は共有レンズ、１７は垂直方向拡散板、１８は共通像面、１９は光軸である。
【００４２】
本実施例では、画面単位で画像を多重表示する。すなわち、結像系を二次元配置して、水平方向と垂直方向に表示方向が異なる複数の画像を発生させ、垂直方向拡散板１７により垂直表示方向の違いを解消する。すべての画像が異なる水平表示方向をもつように結像系を配置することで、水平方向に表示方向の異なる画像を結像系の数だけ発生できる。
【００４３】
詳細に説明すると、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、複数個のアフォーカル光学系を多重化した構成である。通常のアフォーカル光学系は二枚のレンズで構成されるが、この実施例では、像側のレンズを共通化した一枚の共有レンズ１６を用いて多重化する。それぞれのアフォーカル光学系の物体面に二次元画像表示装置１１を配置し、それぞれに異なる視点の画像を表示する。すべてのアフォーカル光学系の像は、共通像面１８の同一位置に結像される。共通像面１８での画像の表示方向は、それぞれのアフォーカル結像系の光軸１９に対する相対位置に応じて、水平方向と垂直方向に異なった方向になる。
【００４４】
このことを、図４を用いて説明する。この図において、２１は二次元画像表示装置、２２はレンズ、２３は開口アレイ、２４は共有レンズ、２５は共通像面、２６は光軸である。図４（ａ）は多重結像系の水平断面図を示す模式図で、二次元画像表示装置２１とレンズ２２の組み合わせの光軸２６に対する相対位置によって、共通像面２５での像の水平方向の表示方向が決まることを表している。
【００４５】
図４（ｂ）は図４（ａ）と異なる垂直位置での水平断面図であるが、二次元画像表示装置２１とレンズ２２の組み合わせの光軸２６に対する相対位置が図４（ａ）と異なるため、図４（ａ）とは異なる水平方向に画像が表示されることを表している。
【００４６】
図４（ｃ）は多重結像系の垂直断面を示す模式図であるが、二次元画像表示装置２１とレンズ２２の組み合わせの光軸２６に対する相対位置に対応して、垂直方向の表示方向が決まることを表している。
【００４７】
ここで、すべての画像が異なる水平表示方向をもつようにアフォーカル光学系を構成する二次元画像発生装置１１、レンズ１３、開口１５を二次元配置する。例えば、図２（ｂ）〜図２（ｄ）に示すように二次元配置する。さらに、多重結像系の共通像面１８付近に垂直方向にのみ光を広げる垂直方向拡散板１７を配置する。
【００４８】
そうすると、図３（ａ）に示すように水平方向の表示角度範囲は変化しないが、図３（ｂ）に示すようにすべての画像の垂直方向の表示角度範囲が拡大されるため、垂直方向にすべての画像に共通な表示角度範囲が生じる。これが、図１（ｂ）の共有垂直表示角度範囲５に対応し、この角度域では、視点を水平に動かしたときに、すべての画像が観察可能で、さらに、それぞれの画像は水平方向に異なる表示方向をもつ。
【００４９】
図５に示すように、レンズアレイ３２と共有レンズ３６の間に配置される開口アレイ３４は、多重結像系が発生する個々の画像の表示角度範囲を決める役割をもつ。図５（ａ）に示すように、開口アレイ３４の個々の開口３５が小さい場合は、個々のアフォーカル光学系が発生する画像の表示角度範囲３８は小さい。
【００５０】
図５（ｂ）に示すように、開口３５を大きくしていくと、表示角度範囲３８は大きくなる。このように、開口３５の大きさで画像の表示角度範囲３８が決まることから、近似的に、開口アレイ３４での開口部の分布が図１（ａ）の表示角度範囲の分布と一致する。なお、３０は二次元画像表示装置アレイ、３１は二次元画像表示装置、３３は個々のレンズ、３７は共通像面である。
【００５１】
すなわち、図２（ｄ）と図１（ａ）が一致する。したがって、開口が小さい場合には、隣り合う水平表示方向をもつ画像の表示角度範囲の間にとびが生じるため、眼を水平方向に動かしたときに画像が見えなくなる領域が発生する。これを画像のとびという。アフォーカル光学系を水平方向にのみ並べる場合では、開口をいくら大きくしても、隣り合う画像の表示角度範囲を接触させることが限界で、重なりを作ることはできない。
【００５２】
これに対して、アフォーカル光学系を二次元配置した場合には、図１（ｂ）に示すように、隣り合う水平表示方向をもつ画像間に表示角度範囲の重なりを作ることができるため、画像のとびをなくすることができ、滑らかな運動視差が実現できる。
【００５３】
レンズアレイ３２と共有レンズ３６の間に開口アレイ３４を置く代わりに、二次元画像表示装置３１から出射される光の出射角度を制御することで、開口アレイ３４を置いた場合と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
図６（ａ）は、面光源４０、照明用レンズ４１、透過型二次元画像表示装置４２を用いた構成法である。照明用レンズ４１とレンズ４３からなる結像系で、面光源４０の像４４を開口アレイ３４（図５参照）の個々の開口３５（図５参照）と同一位置に同一サイズで結像することで、透過型二次元画像表示装置４２から出射される光の出射角度を制御できる。面光源４０を、光源と開口の組み合わせで置き換えることも可能である。
【００５５】
図６（ｂ）は、点光源４６、照明用レンズ４１、透過型二次元画像表示装置４２を用いた構成法である。点光源４６を照明用レンズ４１の焦点位置４５より照明用レンズ４１側に配置して透過型二次元画像表示装置４２を発散光で照明することにより、透過型二次元画像表示装置４２から出射される光の出射角度を制御できる。点光源４６を、光源とピンホールの組み合わせに置き換えることも可能である。以上の二つの構成法を併用することも可能である。
【００５６】
さらに、これらの構成法と、開口アレイを併用することも当然可能である。これら以外にも、二次元画像表示装置からの光の出射角度を制限できるものであれば何でも使用することができる。
【００５７】
多重結像系の共通レンズとしては、少なくともレンズアレイよりも大きなレンズが必要となる。これには、フレネルレンズが利用できる。フレネルレンズは、球面レンズに比べて薄型で軽量である。また、レンズ以外にも、球面鏡を用いることも可能であり、この場合は、光路を球面鏡で折り曲げた光学系となり、装置全体を小型化できる。
【００５８】
二次元画像表示装置としては、液晶表示パネルなどの従来からある二次元画像表示装置を利用できる。小型の液晶表示パネルを用いれば、多くの画像を二次元的に並べることが可能であり、動画表示かつカラー表示が可能である。これ以外にも、二次元画像表示装置としては、二次元画像を発生できるものであれば何でも使用することができる。
【００５９】
小型の液晶表示パネルとしては、例えば、２０ｍｍ×２０ｍｍ程度の大きさのものがある。本実施例のように二次元的に並べる場合は、５０〜１００個程度並べたとしても、１４０ｍｍ×１４０ｍｍ〜２００ｍｍ×２００ｍｍ程度の面積に並べることができる。これに対して、従来のように水平方向にのみ並べる場合は、１０００ｍｍ〜２０００ｍｍ程度の設置幅が必要になる。
【００６０】
垂直方向拡散板としては、レンチキュラーシートが利用できる。図７（ａ）に示すように、一次元のレンズであるシリンドリカルレンズ５０を並べたレンチキュラーシート５１に光が入射すると、シリンドリカルレンズ５０の整列方向５２にのみ光が拡散され、これと垂直方向には光は拡散されない。
【００６１】
図７（ｂ）に示すように、傾いた入射光に対しては、その傾きを中心として光を一次元的に拡散する。このため、図１に示すように、入射画像の表示角度範囲の中心を保ったまま表示角度範囲が垂直方向にのみ広がる。垂直方向拡散板としては、レンチキュラーシート以外にも、ホログラフィック光学素子などを用いることができる。これ以外にも、垂直方向拡散板としては、光を垂直方向（一方向）にのみ拡散するものであれば何でも使用することができる。
【００６２】
本発明では、シリンドリカルレンズが垂直方向に並ぶ方向でレンチキュラーシートを配置する点で、従来のレンチキュラー方式とは異なる。
【００６３】
多重結像系は、軸はずれの光学系であるため、収差による画像の歪みが発生する。レンズ等の光学系を最適設計することで、収差を小さくして画像の歪みを抑えることが可能である。これに加えて、二次元画像表示装置に表示する二次元画像を電気的手法で逆に歪ませて補正することも可能である。
【００６４】
二つのレンズで構成されるアフォーカル光学系は、レンズの焦点面が一致するように配置し、それぞれのレンズの他方の焦点面に物体と像面を配置するのが一般的である。
【００６５】
このことを図２，図３で説明すると、レンズアレイ１２を構成する個々のレンズ１３と共有レンズ１６の焦点面を一致させる。レンズ１３の他方の焦点面に二次元画像表示装置アレイ１０を配置し、共有レンズ１６の他方の焦点面に共通像面１８を配置する。本実施例では、これ以外にも、二次元画像表示装置と像面の間に結像関係が成り立つさまざまな結像系を用いることができる。
【００６６】
多重結像系を構成するアフォーカル光学系の二次元配置としては、図２（ｂ）〜図２（ｄ）に示す二次元配置以外にも、個々の結像系の水平位置が一致しないさまざまな配置が可能である。図２（ｂ）〜図２（ｄ）に示す二次元配置は、多重結像系の光軸１９から個々のアフォーカル光学系までの距離が大きくなると収差による画像の歪みが大きくなることを考慮した配置である。また、図２（ｂ）〜図２（ｄ）では、図を簡潔にするために、水平方向と垂直方向に等間隔でアフォーカル光学系を並べるように図示したが、これは等間隔である必要はない。特に、隣り合う水平表示方向をもつ画像の水平表示方向の角度変化を一定に保つためには、水平方向の間隔は、二次元配列の中心部から周辺部にゆくにつれて大きくする方がよい。
【００６７】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００６８】
図８は本発明の第２実施例を示す立体表示装置の構成図であり、図８（ａ）は表示面の模式図、図８（ｂ）はその表示面の１画素の構造を示す模式図、図８（ｃ）はその光源アレイの平面図である。これらの図において、６０は表示面、６１はその表示面６０の一画素、６２は光源アレイ、６３はマイクロレンズ、６４は垂直方向拡散板、６５は個々の光源である。
【００６９】
この実施例では、画面単位で画像を多重表示する構成について説明する。
【００７０】
ここでは、マイクロレンズアレイを用い、個々のマイクロレンズ６３を立体画像表示の一画素として用いる。それぞれのマイクロレンズ６３の焦点面に二次元配置した光源アレイ６２を設置する。光源アレイ６２を構成する個々の光源６５から出射される光は、マイクロレンズ６３を通過後、マイクロレンズ６３に対する光源６５の相対位置に応じた垂直方向と水平方向の進行方向をもつ。このことを、図９を使って説明する。
【００７１】
図９（ａ）は、一画素の水平断面図を示す模式図であるが、マイクロレンズ７２の光軸７３に対する光源７１の相対位置によって、レンズ通過後の水平方向の光の進行方向が決まることを示している。図９（ｂ）は図９（ａ）と異なる垂直位置での水平断面図であるが、光軸７３に対する光源７１の相対位置が図９（ａ）と異なるため、光の進行方向は図９（ａ）とは異なる水平方向になることを表している。図９（ｃ）は垂直断面図で、光源７１の光軸７３に対する相対位置で、垂直方向の光の進行方向が決まることを表している。
【００７２】
ここで、すべての光源からの光が水平方向に異なる進行方向をもつように、光源アレイ７０内の個々の光源７１の二次元配置を決める。例えば、図８（ｃ）に示すように配置する。次に、垂直方向拡散板６４により光の進行方向を垂直方向にのみ拡大すると、すべての光源からの光に共通な垂直方向の進行方向範囲が生じる。
【００７３】
この垂直方向の共通進行方向範囲では、各光源からの光は水平方向に異なる進行方向をもつ。すなわち、マイクロレンズから出る光をその水平方向の進行方向に応じて制御できる。個々のマイクロレンズを立体表示の一画素として用い、マイクロレンズアレイ全体で画面全体を表示すると、水平方向の光の進行方向に応じて異なる画像が表示できる。すなわち、表示面６０全体のうち、光源アレイ６２内の同じ相対位置にある光源群が一つの水平表示方向の画像を発生する。また、光源アレイ６２を構成する光源数だけの画像が表示できる。
【００７４】
光源アレイ６２を構成する個々の光源６５の水平幅で、対応する画像の表示角度範囲が決まる。このことを図１０を用いて説明する。
【００７５】
図１０（ａ）に示すように、光源８０の水平幅８１が小さい場合は、個々の画像の表示角度範囲８３は小さい。図１０（ｂ）に示すように、光源８０の水平幅８１を大きくしていくと、個々の画像の表示角度範囲８３は大きくなる。なお、図において、８２はマイクロレンズである。
【００７６】
このように、光源８０の大きさで画像の表示角度範囲８３が決まることから、近似的に、光源アレイ６２内の光源の分布が図１（ａ）の表示角度範囲の分布となる。すなわち、図８（ｃ）と図１（ａ）が一致する。したがって、個々の光源の幅８１が小さい場合には、隣り合う水平表示方向をもつ画像の表示角度範囲の間にとびが生じるため、視線を水平方向に動かしたときに画像が見えなくなる領域が発生する。
【００７７】
レンチキュラー方式のように光源アレイの光源を水平方向にのみ並べる場合では、隣り合う画像の表示角度範囲を接触させることが限界で、重なりを作ることはできない。これに対して、本実施例のように光源アレイを二次元配置する場合には、図１（ｂ）に示すように、隣り合う水平表示方向の画像間に表示角度範囲の重なりを作ることができるため、画像のとびをなくすることができ、滑らかな運動視差を実現できる。
【００７８】
図８の説明では、光源アレイ６２をマイクロレンズ６３の焦点面に置くこととした。しかし、マイクロレンズ６３の役割は光の進行方向を変えることにあるので、光源アレイ６２を焦点面以外の位置に置いても光の進行方向が変わることから、光源アレイ６２の設置位置はマイクロレンズ６３の焦点面に限らない。
【００７９】
また、マイクロレンズ以外にも、図１１に示すように、ピンホール９２を用いて光の進行方向を変えることもできる。図１１（ａ）に示すように、光源アレイ９０の光の出射側にピンホール９２を設置することで、光源アレイ９０内の光源９１の相対位置に応じて、その出射光がピンホール９２を通過した後の光の進行方向が決まる。
【００８０】
更に、図１１（ｂ）に示すように、光源アレイ９０の代わりに光変調器アレイ９３を用いて、この光変調器アレイ９３の入射側にピンホール９２を設置することでも同様の機能が実現できる。ここで、光変調器とは、光の透過率を制御できる素子である。個々の光変調器９４から出射される光の進行方向は、光変調器アレイ９３内での光変調器９４の相対位置によって決まる。この場合は、ピンホールの代わりに、点光源を用いることもできる。マイクロレンズやピンホール以外にも、光の進行方向を変えることのできるものであれば何でも使用することができる。
【００８１】
光源アレイ内の光源の二次元配置としては図８（ｃ）に示す配置以外にも、個々の光源の水平位置が一致しなければよいので、さまざまな配置が可能である。図８（ｃ）では、図を簡潔にするために、水平方向と垂直方向に等間隔で光源を並べるように図示したが、これは等間隔である必要はない。特に、隣り合う水平表示方向をもつ画像の水平表示方向の角度変化を一定に保つためには、水平方向の間隔は、二次元配列の中心部から周辺部にゆくにつれて大きくする方がよい。
【００８２】
本実施例での立体画像のカラー化は、従来の二次元画像表示装置と同様の手法で行える。例えば、ＲＧＢ三原色の光源をまとめて一つの光源として用いる方法や、ＲＧＢ三原色に対応して三つの光源群を個別に用意してハーフミラー等で合成する方法などが利用できる。
【００８３】
本実施例では、光源アレイ群を二次元画像表示装置に置き換えることも可能である。この場合は、動画化とカラー化が容易に行える。二次元画像表示装置の一画素を一つの光源に対応させる。ただし、二次元画像表示装置には、例えば、図８（ｃ）に示すように独自の画素配置が必要とされる。通常の二次元画像表示装置では直交画素配置が用いられているが、これを傾けて使ったり、光学素子を用いて光学的に画素配置を変換することもできる。本実施例では、従来のレンチキュラー方式のように、水平方向にのみ高い密度で画素を並べる必要はなく、二次元的に均等な密度で画素を並べることができる。二次元画像表示装置としては、例えば、高精細液晶表示パネルの利用が考えられる。
【００８４】
光源アレイ群を実際に二次元配置する代わりに、走査光学系を用いて光源を空間的に走査することで光源を二次元配置したのと同様な効果を得ることができる。走査の方法としては、一つあるいは複数の光源を水平方向と垂直方向に二次元走査する方法、垂直方向に並べた一次元光源アレイあるいは二次元光源アレイを水平方向に一次元走査する方法、水平方向に並べた一次元光源アレイあるいは二次元光源アレイを垂直方向に一次元走査する方法などがある。
【００８５】
垂直方向拡散板（一方向拡散板）としては、レンチキュラーシートやホログラフィック光学素子を用いることができる。これら以外にも、光を一方向に拡散するものであれば何でも使用することができる。
【００８６】
レンズアレイと垂直方向拡散板は、これらの機能を複合した機能を有する一体化素子で置き換えることができる。
【００８７】
本実施例では、レンズアレイと光源アレイを用いる点では、従来のレンチキュラー方式やＩＰ方式と同じであるが、光源アレイを構成する光源を水平位置が一致しないように二次元配置する点、一次元拡散板を用いて垂直方向の表示角度範囲を広げて融合する点で明らかに異なる。
【００８８】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００８９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、従来の多眼式立体表示装置では水平方向に十分な数の画像を表示できない点が問題であったが、本発明によれば、水平方向に表示できる画像の数を大幅に増加させることができる。このため、滑らかな運動視差の実現と調節と輻輳の不一致の問題を解決することができる。
【００９０】
また、隣り合う水平表示方向をもつ画像の表示角度範囲に重なりを作ることが可能となり、視点を動かしたときの画像のとびをなくすことができる。
【００９１】
さらに、カラー化と動画化が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を示す画像発生源の表示角度範囲の二次元配置と垂直表示角度範囲の融合による高密度水平視差画像表示の説明図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す立体表示装置の構成図（その１）である。
【図３】本発明の第１実施例を示す立体表示装置の構成図（その２）である。
【図４】本発明の第１実施例を構成する多重結像系における表示方向の説明図である。
【図５】本発明の第１実施例における表示角度範囲の説明図である。
【図６】本発明の第１実施例を示す立体表示装置の変形例の二次元画像表示装置付近の構成図である。
【図７】レンチキュラーシートの機能の説明図である。
【図８】本発明の第２実施例を示す立体表示装置の構成図である。
【図９】本発明の第２実施例を構成するマイクロレンズによる表示方向の説明図である。
【図１０】本発明の第２実施例における表示角度範囲の説明図である。
【図１１】本発明の第２実施例を示す立体表示装置の変形例の光源アレイ部付近の構成図である。
【図１２】従来の二眼式立体表示方式の説明図である。
【図１３】レンチキュラーシートを用いて多眼式立体表示方式を具現化した従来の装置の構成図である。
【図１４】反射型レンチキュラーシートを用いて多眼式立体表示方式を具現化した従来の装置の構成図である。
【図１５】パララックスバリアを用いて多眼式立体表示方式を具現化した従来の装置の構成図である。
【符号の説明】
１    個々の画像の表示角度範囲
２    水平表示角度
３    垂直表示角度
４    垂直方向に拡大された個々の画像の表示角度範囲
５    共有垂直表示角度範囲
１０，３０    二次元画像表示装置アレイ
１１，２１，３１    個々の二次元画像表示装置
１２，３２    レンズアレイ
１３，２２，３３，４３    個々のレンズ
１４，２３，３４    開口アレイ
１５，３５    個々の開口
１６，２４，３６    共有レンズ
１７，６４    垂直方向拡散板（一方向拡散板）
１８，２５，３７    共通像面
１９，２６    光軸
３８，８３    表示角度範囲
４０    面光源
４１    照明用レンズ
４２    透過型二次元画像表示装置
４４    面光源の像
４５    照明用レンズの焦点位置
４６    点光源
５０    シリンドリカルレンズ
５１    レンチキュラーシート
５２    シリンドリカルレンズの整列方向
６０    表示面
６１    表示面の一画素
６２，７０，９０    光源アレイ
６３，７２，８２    マイクロレンズ
６５，７１，８０，９１    個々の光源
７３    マイクロレンズの光軸
８１    光源の水平幅
９２    ピンホール
９３    光変調器アレイ
９４    光変調器
【図１】
0003576521.tif 000002
【図２】
0003576521.tif 000003
【図３】
0003576521.tif 000004
【図４】
0003576521.tif 000005
【図５】
0003576521.tif 000006
【図６】
0003576521.tif 000007
【図７】
0003576521.tif 000008
【図８】
0003576521.tif 000009
【図９】
0003576521.tif 000010
【図１０】
0003576521.tif 000011
【図１１】
0003576521.tif 000012
【図１２】
0003576521.tif 000013
【図１３】
0003576521.tif 000014
【図１４】
0003576521.tif 000015
【図１５】
0003576521.tif 000016