(57)【要約】【課題】２次元画像を奥行き感のある立体画像として見る立体表示装置に用いる曲面レンズについて、より大画面の立体表示装置を比較的薄い形状で実現できる曲面レンズを提供する。【解決手段】曲面レンズを、広がり面積の小さい小凸レンズと小凹レンズとを交互に配列したマイクロレンズアレイ面Ｃ（部分２２に含まれる）を二つの広がり面積の大きいフレンネルレンズ面Ａ，Ｂで挟む構造とし、屈折率の異なる固体部材が相互に接した境界面をマイクロレンズアレイ面Ｃとする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の滑らかな凸面又は単一の滑らかな凹面を母曲面とする少なくとも２以上のフレンネルレンズ面と、前記２以上のフレンネルレンズ面のうち第１及び第２のフレンネルレンズ面の面積に対して充分小さい面積の小凸レンズと小凹レンズとを交互に配列してなるマイクロレンズアレイ面とを具備する曲面レンズ。
【請求項２】
前記マイクロレンズアレイ面が滑らかである請求項１に記載の曲面レンズ。
【請求項３】
前記マイクロレンズアレイ面が前記第１及び第２のフレンネルレンズ面で挟まれ、屈折率の異なる二つの固体部材の境界面である請求項１又は請求項２に記載の曲面レンズ。
【請求項４】
前記マイクロレンズアレイ面の焦点距離が前記第１又は／及び第２のフレンネルレンズ面の焦点距離にほぼ等しい請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の曲面レンズ。
【請求項５】
前記の第１のフレンネルレンズ面において母曲面の変化が最大である第１の方向と、前記の第２のフレンネルレンズ面において母曲面の変化が最大である第２の方向とが、ほぼ並行である請求項１乃至請求４のいずれか１項に記載の曲面レンズ。
【請求項６】
前記の第１のフレンネルレンズ面において母曲面の変化が最大である第１の方向と、前記の第２のフレンネルレンズ面において母曲面の変化が最大である第２の方向とが、ほぼ直交する請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の曲面レンズ。
【請求項７】
前記第１又は第２のフレンネルレンズ面の段差の間隔が不規則に又は／及び前記マイクロレンズアレイ面の前記小凸レンズ若しくは前記小凹レンズのいずれか一方あるいは両方の寸法若しくは位置が不規則に配置されている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の曲面レンズ。
【請求項８】
単一の滑らかな凸面又は単一の滑らかな凹面を母曲面とするフレンネルレンズ面と、前記フレンネルレンズ面の面積に対して充分小さい面積の小凸レンズと小凹レンズとを交互に配列してなるマイクロレンズアレイ面とを具備し、前記マイクロレンズアレイ面が屈折率の異なる二つの固体部材の境界面で、前記フレンネルレンズ面の段差に対応する位置に段差を有し、前記フレンネルレンズ面に沿って配置されている曲面レンズ。
【請求項９】
前記マイクロレンズアレイ面を形成する小凸レンズと小凹レンズとがフレンネルレンズ面の段差に対応する位置を除き滑らかに連なる請求項８に記載の曲面レンズ
【請求項１０】
前記マイクロレンズアレイ面の焦点距離が前記フレンネルレンズ面の焦点距離にほぼ等しい請求項８又は至請求項９に記載の曲面レンズ。
【請求項１１】
前記フレンネルレンズ面の段差の間隔が不規則に又は／及び前記マイクロレンズアレイ面の前記小凸レンズ若しくは前記小凹レンズのいずれか一方あるいは両方の寸法若しくは位置が不規則に配置されている請求項８乃至請求項１０のいずれか１項に記載の曲面レンズ。
【請求項１２】
前記フレンネルレンズ面における法線が特定方向の直線とのなす角度が前記フレンネルレンズ面のいずれの点においても鋭角か鈍角かの一方となる請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の曲面レンズ。
【請求項１３】
単一の滑らかな凸面あるいは単一の滑らかな凹面のいずれかを母曲面とするフレンネルレンズ面と、小凸レンズと小凹レンズとを交互に配列してなり、互いに隣り合う前記小凸レンズと前記小凹レンズとの接合点の一部あるいは全部が両レンズの曲面の接線が一致しない不連続接合の状態にあって、前記小凸レンズと前記小凹レンズの短辺が前記フレンネルレンズ面の短辺の１／５００以下であるマイクロレンズアレイ面とを具備する曲面レンズ。
【請求項１４】
前記フレンネルレンズ面の周縁部の局所焦点距離が中央部の局所焦点距離より大きい請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の曲面レンズ。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の曲面レンズと、前記曲面レンズに対向して配置された２次元表示画像と、前記２次元表示画像と前記曲面レンズとの位置関係を保つ保持機構のうち、少なくとも一方あるいは両方とを具備する表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は曲面レンズ及び表示装置に関する。詳しくは、２次元画像を立体的な画像に見せるために複数のレンズ面を組み合わせた曲面レンズ及びその曲面レンズを用いた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
写真、印刷物などの２次元画像を立体的な画像として見る方法としてすでに幾つかの方法が提示されている。（例えば非特許文献１参照）
【０００３】
代表的な例としては、対象とする物体を異なる２方向から撮影した写真（あるいは描画像）をそれぞれ個別に左眼と右眼でみるもので、両眼視差により立体感を感じ取るものである。この方法では左右の眼でそれぞれ別の画像が見て取れるように作られた装置を覗き込む必要があり、通常の看板、案内板としては適性に欠けている。
【０００４】
また、別の例としてレンティキュラ板を用いて２次元画像を３次元画像として見る方法がよく知られている。これは、かまぼこ状（半円柱状）の縦長のレンズを横方向に多数配列したレンティキュラ板の焦点面である裏面に、複数の異なる方向から見た連続的な図柄の２次元画像を短冊状（細長い長方形）に切って、異なる方向の図柄の短冊を横方向に順に並べることを繰り返した不連続な図柄の表示画像を配置して、レンティキュラ板を構成する小円柱面レンズを介して右眼あるいは左眼で見る図柄が特定の方向から見た図柄の短冊状図柄の集まりとなり、しかも右眼と左眼で見える図柄が異なる方向から見た図柄となるようにすることで三次元画像として認識する方法である。
【０００５】
この方法における表示画像は、画像全体は連続した一つの図柄ではなく、それぞれが独立した短冊状の図柄が連続して連なった縦縞状の不連続な特殊な画像である。この短冊状の図柄の置く位置は、奥行き方向に対してはレンティキュラ板の焦点面に極めて近い位置に精度良く配置する必要があり、左右方向に対してもレンティキュラ板を構成する小円柱面レンズとの位置関係で厳しい位置精度が要求される。このように特殊な画像を作る必要があること、また、画像とレンズとの位置合わせに厳しい条件が課せられるなどで、高価であり、取り替えも容易ではない等の欠点がある。さらに、左眼に見える短冊状図柄と右眼に見える短冊状図柄とが異なる位置から見た図柄に峻別される必要があり、観察者の表示装置からの距離、表示装置を見る視角などが限定される欠点がある。
【０００６】
さらに、立体画像について示唆に富んだ次のような記述がある。「天眼鏡（虫眼鏡）を通して、片眼で写真を見ると、適切な位置関係で、片眼の画像に、意外なほど強い立体感が現れる。」この理由として、同書に概要が次のように説明されている。「片眼であるから眼の「両眼視差」、「輻輳」は機能を果たさないが、眼の調節機能だけは有効であり、虚像の位置が実際の画像のある位置から移った結果、平面か立体かの手がかりを失い、経験に基づき立体と脳が判断する。」すなわち、像が実際の画像の位置から移った位置に出来ると、錯覚により脳が立体的に感じ取ってしまう現象であると説明されている。（非特許文献１参照）
【０００７】
この天眼鏡を通して見る表示画像は画像全体が一つの図柄として連続する普通に見られる写真などの二次元画像である。いわゆる通常見られる写真、絵の類のものである。この天眼鏡（虫眼鏡）を通して、片眼で見る際に現れる眼の調節機能による立体感の発現の現象を利用した立体表示装置が、本発明の発明者により提示されている。これらの詳細な説明は省略するが、概要は以下のとおりである。（例えば特許文献１参照）
【０００８】
表示画像の前に置かれた、小さなレンズを一面に配列したマイクロレンズアレイを介して見ると、個々の小さなレンズの作る像が新たな画素となって合成され、表示画像の位置から離れた所に全体像を形成する結果、左右上下方向に歪みの無い立体的な表示を行うものである。なお、ここで用いる表示画像は一般によく見られる写真のような連続した図柄からなる２次元表示画像である。すなわち二つの地点から見たそれぞれの２次元表示画像を合成して作成したものではなく、一つの地点から見た２次元表示画像である。以後、特に断らない限り、表示画像あるいは２次元表示画像と呼称する場合は、ごく一般に見られる写真のような一つの地点から見た連続した図柄からなる２次元表示画像を指す。
【０００９】
上述のマイクロレンズアレイによる立体表示は虫眼鏡を通して片眼で見る際に現れる眼の調節機能によることを原理としていた。
【００１０】
ところが、虫眼鏡すなわちレンズを介して左右の両眼で見る像には、片眼で見る像に比較してより強い立体感が現れ、その現れ方は用いる曲面レンズの構成に大きく関与する。このような曲面レンズを利用した新たな立体表示装置が、本発明の発明者により提示されている。これらの詳細は省略するが、本発明に係わる部分の概要は以下のとおりである。（特許文献２参照）
【００１１】
２次元表示画像の前に置かれた曲面レンズを介して見ると、表示画像の１点を出た光は曲面レンズの異なった場所を通って左右のそれぞれの眼に到達する結果、左右の眼の網膜に形成される像に違いが生じ、「両眼視差」の働きが作用して立体感が現れる。ここで現れる立体感は、曲面レンズのレンズ面を構成する凸面あるいは凹面は充分広いひろがりを持った曲面でも、また凹面と凸面が比較的狭い間隔で繰り返す曲面の場合でも発現する。しかも、充分広いひろがりを持った曲面のレンズ曲面と比較的狭い間隔で小凹面と小凸面が繰り返す曲面のレンズ曲面とを多層に重ねた場合には、両方のレンズ曲面が相乗的に作用してより強い立体感が発現することが提示されている。さらに充分広いひろがりを持った曲面のレンズ曲面をフレンネルレンズ形式のレンズ曲面とすることで曲面レンズの厚さを薄くすることが提示されている。
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−４２８０５号公報（段落００５３〜０１２２、図１〜図７等）
【特許文献２】国際公開  ＷＯ２００４／０１１９６６Ａ１号公報（１８頁〜５５頁、図１〜図１６等）
【非特許文献１】「三次元画像工学」  大越孝敬著、朝倉書店発行、１９９１年７月１０日初版発行（９頁等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は上記特許文献２に記載の発明である、充分広い広がりを持った曲面のレンズ曲面と比較的狭い間隔で小さな面積の小凹面と小凸面が繰り返すレンズ曲面とを多層に重ねた構造の曲面レンズを基にして、曲面レンズ及び表示装置としての性能をさらに改善することを主な目的とする。すなわち、フレンネルレンズ面と凸レンズと凹レンズが交互に配列されるマイクロレンズアレイ面とにより構成される曲面レンズを用いる立体表示装置において、立体感の発現力の強化、画面の大型化、装置の薄型化のできる曲面レンズを提供するものである。
【００１４】
本発明の第１の目的は、より広い表示画面に対しても適用できる曲面レンズを提供し、大画面の立体表示装置を比較的薄い形状で実現することである。
第２の目的は、より立体感が強く発現され、かつ生じる像の歪みによる違和感を低減できる曲面レンズを提供し、立体感が強く、画質の良い表示装置を実現することにある。
第３の目的は、フレンネルレンズ曲面、あるいは狭い間隔で小凹面と小凸面が繰り返すレンズ曲面に起因して生じるモアレ縞を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の曲面レンズは、例えば図２及び図３に示すように、単一の滑らかな凸面又は単一の滑らかな凹面を母曲面とする少なくとも２以上のフレンネルレンズ面と、２以上のフレンネルレンズ面のうち第１及び第２のフレンネルレンズ面Ａ，Ｂの面積に対して充分小さい面積の小凸レンズｉ１〜ｉ４と小凹レンズｉ１’〜ｉ４’とを交互に配列してなるマイクロレンズアレイ面Ｃとを具備する。
【００１６】
ここにおいて、単一の滑らかな凸面とは凸面だけからなるレンズの曲面の接線が一致しない不連続接合の無い面であり、場所により曲率が変化する面も単一の凸面と見なす。また、単一の滑らかな凹面とは凹面だけからなるレンズの曲面の接線が一致しない不連続接合の無い面であり、場所により曲率が変化する面も単一の凹面と見なす。充分小さい面積とは、相対的に面積の広いフレンネルレンズ面による像の歪みの範囲に対して個々の小レンズによる像の歪の範囲が充分小さく、互いの歪みが影響し合うことを無視できる程度に小さい小レンズの面積を言い、例えば面積比で１／１００以下が好ましく、さらに表示画像上で一つの点と見なせる画素程度の微小面積であることがより好ましい。交互に配列とは、一方向だけに交互に配列され、これと直交する方向には凸面又は凹面が滑らかに連なる場合もある。また、直交する二方向に凸部と凹部が交互に配列される場合や、不規則な形状の凸面と凹面が、凸面の隣は凹面、凹面の隣は凸面と交互に不規則に配列される場合もある。また、ハニカム構造の隣接格子点に凸部又は凹部が交互に配列される場合もある。なお、凸面と凹面の間のごく狭い領域に平面が介在し、両曲面を滑らかに接続する場合も凸面と凹面の交互配列と見なす。
【００１７】
このように構成すると、少なくとも二つのフレンネルレンズ面があるために、フレンネルレンズ面が単独の場合に比較して個々のフレンネルレンズ面の母曲面の曲率を小さくすることができ、より広い有効面積の曲面レンズを得ることができる。すなわち、二つのフレンネルレンズ面を用いることで総合的に母曲面の湾曲を少なくできる最も効率の良い構成をとれる。しかも二つのフレンネルレンズ面の母曲面がいずれの方向に変化していても、両フレンネルレンズ面の立体感の発現力は互いに強調し合うことができる。さらに、小さな面積の小凸レンズと小凹レンズとが配列されるマイクロレンズアレイ面を併用することにより、立体感の発現力をさらに強め合うと共に、小凸レンズ及び小凹レンズの面積が小さいために、フレンネルレンズ面とマイクロレンズアレイ面による歪の影響が相互に強め合うことが無い。
【００１８】
また、マイクロレンズアレイ面を凸レンズと凹レンズが交互に配列される異種交互配列の場合には、小凸レンズあるいは小凹レンズが連続して配列される同種連続配列の場合に比して、立体感の発現力が一段と強くなる。異種交互配列の場合に強い立体感となる理由としては、凹と凸とが並ぶので両目の像の差が大きくでき、また同種連続配列の場合と異なり曲面が急激に変化する程度が小さいために局所的な歪みが小さく、画質が良好なことによると解釈することもできる。
【００１９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の曲面レンズにおいて、例えば図３に示すように、マイクロレンズアレイ面Ｃが滑らかである。
このように構成すると、フレンネルレンズ面とマイクロレンズアレイ面はともに滑らかであるため、この曲面レンズを通して見える像が急激に歪むことがなく、滑らかで違和感が少ない。
【００２０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の曲面レンズにおいて、例えば図３に示すように、マイクロレンズアレイ面Ｃが第１及び第２のフレンネルレンズ面Ａ，Ｂで挟まれ、屈折率の異なる固体部材２０，３０の境界面である。
【００２１】
このように構成すると、二つのフレンネルレンズ面を曲面レンズの表と裏の空気に接した外表面に形成できるので、これらのフレンネルレンズ面は共に屈折率比の大きい面となる。他方、マイクロレンズアレイ面は屈折率比の小さい固体部材の接する境界面である。また、マイクロレンズアレイ面では、個々の小凸レンズと小凹レンズは面積が小さいためその曲率は必然的に大きくなる。したがって、マイクロレンズアレイ面の曲率の大きい小レンズを、曲率が小さく空気に接する二つのフレンネルレンズ面で挟む構成で、マイクロレンズアレイ面の小レンズとフレンネルレンズ面の焦点距離を同程度にすることができる。これにより、フレンネルレンズ面とマイクロレンズアレイ面が共に効果的に作用でき、立体感の発現力が相乗的に作用し、より強力な立体感が得られると共に、フレンネルレンズとマイクロレンズアレイとを別部品とすること無く一体構造形の曲面レンズを得ることができる。
【００２２】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の曲面レンズにおいて、マイクロレンズアレイ面Ｃの焦点距離が第１又は／及び第２のフレンネルレンズ面Ａ，Ｂの焦点距離にほぼ等しい。
【００２３】
ここにおいて、焦点距離がほぼ等しいとは、フレンネルレンズ面の焦点距離とマイクロレンズアレイ面の小レンズの焦点距離が桁が違うまで異なる事は無く、高々数倍程度の違いまでのことを指している。また、フレンネルレンズ面は面積が広く、その位置により焦点距離が変わる。すなわち、局所に対応した局所焦点距離があって、局所毎にこの値が変化する。このような値に幅のある局所焦点距離を含めて一括して焦点距離と称するものとする。また、焦点距離は凸レンズに正値を凹レンズに負値をあてる場合があるが、レンズの強さを表すものとして焦点距離は全て正値として扱う。
このように構成すると、フレンネルレンズ面とマイクロレンズアレイ面が共に効果的に作用するので、双方の立体感の発現力が相乗的に作用し、より強力な立体感が得られる。
【００２４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求４のいずれか１項に記載の曲面レンズにおいて、第１のフレンネルレンズ面Ａにおいて母曲面の変化が最大である第１の方向と、前記の第２のフレンネルレンズ面Ｂにおいて母曲面の変化が最大である第２の方向とが、ほぼ並行である。
【００２５】
ここにおいて、ほぼ並行とは、製造上のばらつきを含め実質的に並行であることをいう。
このように構成すると、二つのフレンネルレンズ面のレンズ特性は一つの方向に強め合うので、個々のフレンネルレンズ面の曲率を小さくすることができる。同等のレンズ特性を呈する単一のフレンネルレンズ面の場合に比べてレンズの有効面積を拡大でき、フレンネルレンズの段差の間隔を等しくすると段差の側壁が低くでき、段差の側壁の高さを等しくする場合はエレメントの幅を大きくできるなどレンズの製造が容易になる。また、二つのフレンネルレンズ面で母曲面の変化が最大である方向が一致しており、段差が並ぶ方向も一致するので、表側と裏側の有効なレンズ面と段差の側壁による無効ゾーンが渾然一体となって有効なレンズ面と無効ゾーンとが繰り返す基本周期が小さくなる。段差の間隔が不規則な場合には、この不規則性がさらに助長される。これらの効果でモアレ縞を小さくできる。
【００２６】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求４のいずれか１項に記載の曲面レンズにおいて、第１のフレンネルレンズ面Ａにおいて母曲面の変化が最大である第１の方向と、第２のフレンネルレンズ面Ｂにおいて母曲面の変化が最大である第２の方向とが、ほぼ直交する。
【００２７】
ここにおいて、ほぼ直交とは、製造上のばらつきを含め実質的に直交することをいう。
このように構成すると、二つのフレンネルレンズ面が大きく変化する方向が互いに直交しているので両レンズ面の特性を同程度にすれば、この曲面レンズを通して見る像はあらゆる方向にほぼ同じように拡大あるいは縮小して歪みの少ない像として見える。両面のレンズの特性を自由に選べるので、縦横比の異なる表示画面に適切な曲面レンズが得易くなる等の自由度が得られる。また、また両フレンネルレンズとも立体感を発現でき、これらが共に作用してより強い立体感が現れる。この場合、個々のフレンネルレンズ面の曲率を小さくできるので、有効面積の大きい曲面レンズができる。また、段差の側壁の高さも小さくすることもでき、モアレ縞を低減できる。また、エレメントの境界にできる側壁の高さを所定の高さ以下にすることでエレメントの幅を大きくできフレンネルレンズ面の製作が容易になる。
【００２８】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求６のいずれか１項に記載の曲面レンズにおいて、例えば図２及び図３に示すように、第１又は第２のフレンネルレンズ面Ａ，Ｂの段差の間隔が不規則に又は／及びマイクロレンズアレイ面Ｃの小凸レンズｉ１〜ｉ５若しくは小凹レンズｉ１’〜ｉ５’のいずれか一方あるいは両方の寸法若しくは位置が不規則に配置されている。
このように構成すると、フレンネルレンズ面の段差の間隔が不規則になり、有効なレンズ面と側壁による無効ゾーンが不規則に並ぶためにモアレ縞を低減することができる。または、マイクロレンズアレイ面における小レンズの不規則性のためにモアレ縞を低減することができる。
【００２９】
また、上記課題を解決するために、請求項８に記載の曲面レンズは、例えば図１０に示すように、単一の滑らかな凸面又は単一の滑らかな凹面を母曲面とするフレンネルレンズ面Ｂ”’と、フレンネルレンズ面Ｂ”’の面積に対して充分小さい面積の小凸レンズｔと小凹レンズｔ’とを交互に配列してなるマイクロレンズアレイ面Ｄ”’とを具備し、マイクロレンズアレイ面Ｄ”’が屈折率の異なる二つの固体部材５０，５２の境界面で、フレンネルレンズ面Ｂ”’の段差に対応する位置に段差を有しフレンネルレンズ面Ｂ”’に沿って配置されている。
【００３０】
ここにおいて、フレンネルレンズ面に沿って配置されるとは、フレンネルレンズ面からの距離が比較的短く、マイクロレンズアレイ面もフレンネルレンズ面の段差に対応した位置で段差が存在し、例えばマイクロレンズアレイ面の段差の大きさが少なくともフレンネルレンズ面の段差の大きさの１／３を確保できるような位置に配置されることを指す。なお、マイクロレンズアレイ面のフレンネルレンズ面からの距離については、ある程度ばらつきがあってもよい。
【００３１】
このように構成すると、マイクロレンズアレイ面は湾曲した面となり、この面に並ぶ小レンズは湾曲と共に傾くことになる。この傾きによって小凸レンズと小凹レンズの特性が場所と共に変化することになる。この結果、この湾曲自体が右眼と左眼の網膜像に第３の強い差異を生じさせ、これにフレンネルレンズ面による第１の差異と、マイクロレンズアレイ面の個々の小レンズによる（湾曲と共に傾かない状態でも生じる）第２の差異とが加わっていっそう強い立体感を発現する。
【００３２】
また、請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の曲面レンズにおいてマイクロレンズアレイ面Ｄ”’を形成する小凸レンズｔと小凹レンズｔ’とがフレンネルレンズ面Ｂ”’の段差に対応する位置を除き滑らかに連なる。
このように構成すると、フレンネルレンズ面とマイクロレンズアレイ面はともに滑らかであるため、この曲面レンズを通して見える像が急激に歪むことがなく、滑らかで違和感の少ない見易い像となる。
【００３３】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項８又は請求項９に記載の曲面レンズにおいて、マイクロレンズアレイ面Ｄ”’の焦点距離がフレンネルレンズ面Ｂ”’の焦点距離にほぼ等しい。
このように構成すると、フレンネルレンズ面とマイクロレンズアレイ面が共に効果的に作用でき、立体感の発現力が相乗的に作用し、より強力な立体感が得られる。
【００３４】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項８乃至請求項１０のいずれか１項に記載の曲面レンズにおいて、フレンネルレンズ面の段差の間隔が不規則に又は／及びマイクロレンズアレイ面Ｃの小凸レンズ若しくは小凹レンズのいずれか一方あるいは両方の寸法若しくは位置が不規則に配置されている。
このように構成すると、フレンネルレンズ面の段差の間隔が不規則になり有効なレンズ面と側壁の無効ゾーンが不規則に並ぶためにモアレ縞を低減することができる。または、マイクロレンズアレイ面における小レンズの不規則性のためにモアレ縞を低減することができる。
【００３５】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の曲面レンズにおいて、例えば図５に示すように、フレンネルレンズ面Ｂ’における法線が特定方向の直線とのなす角度がフレンネルレンズ面Ｂ’のいずれの点においても鋭角か鈍角かの一方となる。図５では、フレンネルレンズ面Ｂ’のエレメントＢ９’における任意の点ｇの法線ｈが特定方向を上下方向としたときの特定方向の直線ｑとのなす角度θがフレンネルレンズ面のいずれの点においても鋭角となる。
【００３６】
ここにおいて、特定方向の直線とのなす角度とは、特定方向のあらかじめ定めた一方の向きを表す半直線から同じ周りに法線までを測った角度を言う。
このように構成するとフレンネルレンズ面はいずれの場所でも特定方向に対して向きが同じとなる。すなわちフレンネルレンズ面は特定方向に対して同じ向きに傾いている。これによりフレンネルレンズ面での反射光を特定の向きに向けることができる。例えば、フレンネルレンズ面を上下方向の下向きにすると、頭上後方からの照明光を眼より下の方向に反射して照明光の影響を排除できるごときである。またフレンネルレンズ面は傾いているためレンズの特性が強まり、より強く立体感を発現できる。
【００３７】
また上記を解決するために、請求項１３に記載の曲面レンズは、例えば図６に示すように、単一の滑らかな凸面あるいは単一の滑らかな凹面のいずれかを母曲面とするフレンネルレンズ面Ａ’と、小凸レンズｊ１〜ｊ６と小凹レンズｊ１’〜ｊ６’とを交互に配列してなり、互いに隣り合う小凸レンズと小凹レンズとの接合点の一部あるいは全部が両レンズの曲面の接線が一致しない不連続接合の状態にあって、小凸レンズｊ１〜ｊ６と小凹レンズｊ１’〜ｊ６’の短辺がフレンネルレンズ面Ａ’の短辺の長さの１／５００以下であるマイクロレンズアレイ面Ｃ’とを具備する。
【００３８】
ここにおいて、短辺とは、対象物において最も離れた２点を結ぶ直線を長辺とし、この長辺に直交する面に投影される対象物の長さである。
このように構成すると、レンズ曲面が急激に変化して像が大きく歪む部分は、歪みの少ない小凸レンズと小凹レンズの像の境界部に当る細い領域に限られ、個々の小凸レンズと個々の小凹レンズの像の短辺はフレンネルレンズ面の短辺の長さの１／５００程度と小さく、この曲面レンズを通して見る表示画面に対しては一点と見なしうる程度に小さく、この像の大きく歪む部分はこれらに比較してさらに小さくなるので、歪みとして目立たなくできる。このように小凸レンズと小凹レンズの不連続接合による大きな歪みは表示画像の全体像に対する歪みとしての影響を排除できる。このため不連続接合が許容できるので、縦も横も比較的小さい小レンズの寸法や位置を不規則に並べる構成又は曲率半径が同じで大きさの異なる小レンズを配列する構成などが可能になり、小凸レンズと小凹レンズを滑らかに連ねて並べる必要が無く、マイクロレンズアレイ面を製造することが容易になり、モアレ縞を低減できる曲面レンズの供給が容易になる。
【００３９】
また、請求項１４に記載の発明は、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の曲面レンズにおいて、フレンネルレンズ面の周縁部の局所焦点距離が中央部の局所焦点距離より大きい。
【００４０】
ここにおいて、局所焦点距離とは、フレンネルレンズ面の焦点距離が面の位置によって局所的に変化する場合に、局所的な位置における焦点距離をいう。
このように構成すると、曲面レンズの中央部では左右の眼の網膜像に大きな違いが生じる結果、全体像に大きな立体感が発現する。一方周縁部では像の拡大率あるいは縮小率が小さくなるため、斜め方向から見る際に表示画像の最外枠である直線状の線が歪んで見える度合いを低減でき、また周縁部では不必要に湾曲することを排除できているので、有効面積の広い曲面レンズが得られる。
【００４１】
また、上記課題を解決するために、請求項１５に記載の表示装置は、例えば図１に示すように、請求項１乃至請求項１５のいずれか１項に記載の曲面レンズ１０と、曲面レンズ１０に対向して配置された２次元表示画像１１と、２次元表示画像１１と曲面レンズ１０との位置関係を保つ保持機構１２ｂのうち、少なくとも一方あるいは両方とを具備する。
【００４２】
ここにおいて、２次元表示画像とは、典型的にはごく一般によく見られる写真のような一つの地点から見た連続した図柄からなる２次元表示画像であり、平面だけに限らず、湾曲した状態の２次元表示画像も含まれる。また、部分的にはモザイク的でも遠方から見て連続的に見える２次元表示画像も含まれる。
このように構成すると、表示装置は本発明による曲面レンズを用いて構成されるので、立体感の発現力が強く、広い有効面積の曲面レンズを使用することにより、立体感の発現力が強く、広い面積の表示画面を奥行き寸法の小さい装置で実現できる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明の１態様によれば、２以上のフレンネルレンズ面を用いることにより、より広く薄い表示画面に対しても適用できる曲面レンズを提供し、かつ、曲面レンズを表示画面に近づけて置けるので大画面の立体表示装置を比較的薄い形状で実現することができる。
【００４４】
また、本発明によれば、凸レンズと凹レンズが交互に配列されるマイクロレンズアレイ面をフレンネルレンズ面と組み合わせて用いることにより、立体感の発現力を強化でき、かつ生じる像の歪みによる違和感を低減できる曲面レンズを提供でき、画質の良い立体画像表示装置の実現が可能になる。また、フレンネルレンズ面に沿ってかかるマイクロレンズアレイ面を配置する態様では、一層強く立体感を発現できる。
【００４５】
また、本発明の他の態様によれば、フレンネルレンズ曲面を構成するエレメントの配列に、あるいはマイクロレンズアレイ面の構成要素の小凹面と小凸面の配列に不規則性を導入することにより、モアレ縞を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下に、図面を参照しながら本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００４７】
図１は、本発明の第１の実施の形態における表示装置を示す斜視図である。
図１において、表示装置は、曲面レンズ１０と、表示する図柄を描いた表示画像１１と表示画像１１を保持する背面板１２ａと背面板１２ａの四隅に取り付けられたアーム１２ｂとを備える。曲面レンズ１０はアーム１２ｂに取り付けられている。背面板１２ａとアーム１２ｂとで表示画像１１と曲面レンズ１０の相対的な位置関係を保持する保持機構１２を構成する。
【００４８】
図１に示す実施の形態は曲面レンズ１０の表示画像１１までの距離が観察者までの距離より充分小さく、曲面レンズ１０と表示画像１１とで一つの表示装置と見なし得るような形態である。表示画像１１は通常の紙に描かれた連続した図柄からなる平面状の２次元表示画像で、背面板１２ａの四隅に取り付けられているアーム１２ｂの長さはいずれも同じで、平板状の曲面レンズ１０は表示画像１１に平行に置かれた状態となっている。
【００４９】
なお、図中に示す矢印は空間的な方向を示し、観察者が真直ぐ垂直に立てられた平面状の表示画像の正面に正対する方向を方向ｚとし、この方向ｚに直交する平面にあって観察者の両眼を結ぶ方向を方向ｘ、方向ｚと方向ｘに対して直交する方向を方向ｙとして示している。特殊な場合を除き一般には真直ぐ立った観察者が観察者に正対した垂直に立てられた表示画像を見ることから、以後これらの方向ｘ、方向ｙ、方向ｚをそれぞれ眼の左右方向、眼の上下方向、奥行き方向とも呼称する。また、眼の左右方向を水平方向、眼の上下方向を垂直方向とも呼称する。なお、以後に示す図において示す太い矢印はここに説明する空間的な方向を示している。
【００５０】
背面板１２ａの四隅に取り付けられている各アーム１２ｂには長さを調節する機構があり、長さを変える事によって曲面レンズ１０と表示画像１１との間隔を可変にでき、また曲面レンズ１０を表示画像１１に対して斜めに傾けることも出来る。さらに、背面板１２ａよりも縦横とも長い可撓性のある曲面レンズを用いて、曲面レンズ１０のアーム１２ｂへの取り付け位置を四隅とすることにより曲面レンズ１０を湾曲した状態で表示画像１１に対面して置くことも出来る。
【００５１】
図１に示す第１の実施の形態では、表示画像を紙に描かれた平面状の２次元表示画像とする表示装置として説明したが、ＴＶ受像機、パーソナルコンピュータのモニター、あるいは携帯電話なども本発明に係わる表示装置とすることが可能であり、これらは通信画像又は放送画像の受信手段をも備えている。表示画像１１は一地点から見た連続した図柄からなる２次元表示画像である。これらの表示装置では電子的に制御されて画像を表示するブラウン管、液晶などの表示画面が表示画像１１に該当し、表示画面１１に対向して曲面レンズ１０が置かれ、表示画面１１と曲面レンズ１０の相対的な位置関係を保持する保持機構１２は両者を固定する筐体あるいはフレームと呼称される機構部に対応することになる。これらの電子的な表示装置では表示画像１１は画素と呼称する小さな画像領域が配列されて厳密には不連続な図柄であるが、観察者は個々の画素を識別できず一つの連続した図柄として見ている。このような表示画像も本発明では連続した図柄の２次元表示画像に含まれる。
【００５２】
また、スクリーンに投影される映写機などの表示装置もこのスクリーンの前に曲面レンズを置けば、スクリーンと曲面レンズの位置関係を保持する機構を必然的に伴うので本発明に係わる表示装置に含まれる。また、２次元表示画像は２次元の面に描かれた画像であり、平面に描かれた画像を湾曲させたようなものも２次元表示画像に含まれる。
【００５３】
図２は図１に示す第１の実施の形態に用いる曲面レンズ１０の構成を概念的に示す斜視図であり、図３は図１及び図２で曲面レンズの中央部に示す直線α―α’を含むｘ軸とｚ軸に平行でｙ軸に垂直な平面を切断面とした断面図及び小レンズ面の形状を説明するための図面で、図３（ａ）に断面の一部分を示している。
【００５４】
なお、以後において各種の実施の形態を説明するが、その全ては図１に示す第１の実施の形態の表示装置と装置構成は同じで、曲面レンズだけが異なる。したがって、以後において「装置構成は第１の実施の形態の表示装置と同じ」とした場合は、曲面レンズを除き、その他の表示画像１１及び背面版１２ａとアーム１２ｂから構成される保持機構１２などは全て第１の実施の形態の表示装置と同一の構成で同様の機能を果たしているものとする。また曲面レンズと表示画面との位置関係も同じで、曲面レンズの保持機構１２への取り付けも同様である。違いは曲面レンズそのものにある。
【００５５】
また、当該する実施の形態での曲面レンズの断面図の説明で「第１の実施の形態で説明の水平切断面」とした場合は図１で曲面レンズの中央部に示す直線α―α’を含むｘ軸とｚ軸に平行でｙ軸に垂直な平面を切断面としている。また、当該する実施の形態での曲面レンズの断面図の説明で「第１の実施の形態で説明の垂直切断面」とした場合は図１で曲面レンズの中央部に示す直線β―β’を含むｙ軸とｚ軸に平行でｘ軸に垂直な平面を切断面としている。
【００５６】
図２と図３により第１の実施の形態における曲面レンズを詳しく説明する。
図２は曲面レンズ１０の構成を概念的に示している。曲面レンズ１０の表示画像１１に対面した外表面Ａと、その反対の観察者に対面した外表面Ｂはフレンネルレンズ面である。なお、以後において曲面レンズの表示画像１１に向いた側の外表面を裏面あるいは裏外表面とも呼称する。また、この反対側の観察者に向いた側の外表面を表側あるいは表外表面とも呼称する。これらのフレンネルレンズ面Ａ，Ｂを各エレメントＡ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４（図３参照）が段差をもって配列されることで表現している。ここではエレメントの数を限定して、しかも幅の異なるエレメントが不規則に並ぶことを表現した概念図であるが、実際はより微細な幅のエレメントが多数配列される。各エレメントの境界には段差が生じ側壁が見えている。この見える側壁をグレー色で塗り潰して示している（図２参照）。エレメントの幅が段差の間隔でもある。
【００５７】
外表面Ａのフレンネルレンズ面は部材２０と空気との境界面であり、外表面Ｂのフレンネルレンズ面は部材２１と空気との境界面である。部材２０と部材２１で挟まれた部分２２（図２に太線で模式的に示す）にもレンズ面が存在する。この部分２２は接着剤３０であり、接着剤３０と部材２０の境界面にレンズ面が存在し、このレンズ面は多数の小さなレンズ面を凹凸交互に配列しているマイクロレンズアレイ面Ｃである。図２では詳細に示されていないが、詳細は図３で説明する。
【００５８】
図３は曲面レンズ１０の断面の一部を拡大して示してある。この図３を用いてフレンネルレンズ面とマイクロレンズアレイ面をさらに詳細に説明する。
フレンネルレンズ面Ａが形成された部材２０はフレンネルレンズ面Ａと反対側の面Ｃに小さな小凹面ｉ１’〜ｉ４’と小凸面ｉ１〜ｉ４とが交互に配列された曲面が構成されている。一方、フレンネルレンズ面Ｂが形成された部材２１のフレンネルレンズ面Ｂと反対側の面は平面である。この部材２１の平面と部材２０の小凹面と小凸面とが交互に配列された面Ｃとは接着剤３０により相互に張り合わされている。部材２０の小凹面と小凸面とが交互に配列された面とこの接着剤３０との境界面がマイクロレンズアレイ面Ｃとなり、各小凹面ｉ１’〜ｉ４’と小凸面ｉ１〜ｉ４が小レンズである。
【００５９】
構造的な凹面あるいは凸面は見方により凹面にもなり凸面にもなる。ここでは部材２０の外側に向かって出張っている部分を凸面、内部に向かって引込んでいる部分を凹面とみなして説明するが、以後の説明で特に断る必要のない場合は部材を適宜選んで外側に向かって出張っている部分を凸面、内部に向かって引込んでいる部分を凹面とみなして説明する。また、部材２０の屈折率をｎ１と接着剤３０の屈折率をｎ２とすると、ｎ１とｎ２の大小関係によって構造的な凸面あるいは凹面は凸レンズにも凹レンズにもなる。以後の説明では、構造的な凸面とした部分を光学的にも凸レンズとし構造的な凹面とした部分を光学的にも凹レンズとして説明をする。なお、接着剤３０と部材２０は、マイクロレンズアレイ面の小レンズの焦点距離がフレンネルレンズ面の焦点距離にほぼ等しくなるように、屈折率を適切に選定してある。
【００６０】
フレンネルレンズ面ＡとＢの母曲面をそれぞれａ，ｂとして点線である太線で示している。フレンネルレンズ面Ａを構成するエレメントのレンズ面Ａ１〜Ａ５はそれぞれ母曲面の要素ａ１〜ａ５に対応する。また、フレンネルレンズ面Ｂを構成するエレメントのレンズ面Ｂ１〜Ｂ５はそれぞれ母曲面の要素ｂ１〜ｂ５に対応する。フレンネルレンズ面は母曲面の各要素が切断面（細い点線で示す）に沿って平行移動した面である。
母曲面は紙面に垂直なｙ方向に対しては変化せず、ｘ方向に対してのみｚ方向にあたるレンズの厚さが変化する。このような母曲面の典型的な例が円筒面で、この場合も円筒面である。フレンネルレンズ面Ａ，Ｂを構成するエレメントＡ１〜Ａ５，Ｂ１〜Ｂ５のレンズ面も当然をｙ方向に対しては変化せず、ｘ方向に対してのみｚ方向にあたるレンズの厚さが変化する。
【００６１】
フレンネルレンズ面Ａ，Ｂは隣り合うエレメントの境界面で不連続となり段差が生じ、このレンズを斜めから見ると、この段差の側壁部分が無効ゾーンとなる。斜めから見る度合いが強いほど無効ゾーンのレンズ面に対する割合が増大する。このことが図２に良く表れている。また、フレンネルレンズ面Ａとフレンネルレンズ面Ｂのエレメントの幅すなわち段差の間隔は不規則である。例えば、エレメントの幅を数種類定めて、これらの中から不規則に選びつつエレメントの幅を不規則に変えている。
【００６２】
次にマイクロレンズアレイ面について説明する。
マイクロレンズアレイ面Ｃ３１は太線で示す小凸面ｉ１〜ｉ４と小凹面ｉ１’〜ｉ４’が交互に配列されている。これらの小曲面は小レンズｉ１〜ｉ４，ｉ１’〜ｉ４’でもあり、これらのレンズは円筒面レンズで、各レンズを中心軸Ｏを合わせて配置した図が図３（ｂ）に示されている。この図から明らかなように、これらはいずれも中心角が等しく、レンズ面の端部における勾配は等しい。従ってこれらの小レンズｉ１〜ｉ４，ｉ１’〜ｉ４’が連なったマイクロレンズアレイ面Ｃは滑らかな曲面である。また、これらの小レンズは曲率半径が異なり、焦点距離は違ってくる。ここで滑らかな曲面とはレンズの曲面の接線が一致しない不連続接合の無い面である。また、小凸レンズと小凹レンズとの間に充分小さい平面が介在し、これらが滑らかに連なる場合も。小凸レンズと小凹レンズが交互に配列されている状態に含まれる。
【００６３】
マイクロレンズアレイ面Ｃには、中心角は同じであるが、半径が異なる円筒面を配列するので、幅の異なる小レンズが不規則に配列されている。具体的には幾種類かの幅の異なるすなわち中心角の異なる円筒面を用意し、その中から不規則に選びながら凸面の次は凹面、凹面の次は凸面となるように、凸面と凹面を交互に配列したものである。
【００６４】
以上説明した第１の実施の形態では滑らかなマイクロレンズアレイ面Ｃが二つのフレンネルレンズ面Ａ，Ｂに挟まれて存在する。二つのフレンネルレンズ面Ａ，Ｂの母曲面はいずれも曲面レンズ１０の面積一杯に広がる単一の凸面をなし、フレンネルレンズ面Ａ，Ｂは共に単一の凸レンズとして機能する。一方、マイクロレンズアレイ面Ｃはフレンネルレンズ面Ａ，Ｂの面積に比して充分小さい面積の小凸レンズｉ１〜ｉ４と小凹レンズｉ１’〜ｉ４’を交互に配列した滑らかな面である。
ここで単一の凸面とは凸面だけからなる面で、場所により曲率が変化する面も単一の凸面に含まれる。また、単一の凹面とは凹面だけからなる面で、場所により曲率が変化する面も単一の凹面に含まれる。
【００６５】
以上第１の実施の形態について、その構成を説明した。以下に作用を説明する。
本発明は、曲面レンズを介して見る２次元表示画像の左右の眼にできる網膜像に違いが生じ、これを受けて脳が過去の経験に照らして勝手に立体的な像と理解するもので、両眼で見ることで立体感が強く感じられることからも、両眼視差に基づいている。立体感を強く感じるためには、左右の眼にできる網膜像に大きな違いを生じさせる必要があり、これに伴って見える像に歪みも大きくなる。この歪みをいかに小さく感じさせるかが課題の一つである。
【００６６】
この第１の実施の形態では、歪みが画面全体に及ぶような大きな広がりもつレンズ曲面と等価なフレンネルレンズ面Ａ，Ｂと、このフレンネルレンズ面Ａ，Ｂに比較して充分小さい小レンズ面を多数配列したマイクロレンズアレイ面Ｃとを多層に重ねることで双方の立体感を発現する機能が相乗的に強まる。歪みについては、一方は画面全体に及ぶ大きい範囲に広がる歪みとなり、他方は小さな領域に限定される歪みとなる。両者が領域的に異なることで、歪みが互いに強調し合うことを避けている。
【００６７】
特に、大きな広がりをもつレンズ曲面による歪は表示画像の全体の歪みに関わり、この歪みを低減する事は重要である。このための手段の一つが画面全体をほぼ一様に拡大させるか縮小させることである。一様に拡大、縮小しないまでも場所によって拡大したり縮小したりしないことである。拡大部分と縮小部分が共存すると像の歪が強く感じられるのでこれを避けることである。画面全領域に対して拡大、縮小の一方だけに限定し、拡大率あるいは縮小率が場所と共に変化しても、その変化が緩やかであることが効果的である。
【００６８】
第１の実施の形態ではフレンネルレンズ面Ａ，Ｂを単一の凸面のレンズ面と等価とすることで画面全領域に対して拡大の一方だけとなるようにして、歪みを低減している。
さらに拡大あるいは縮小が水平方向あるいは垂直方向に限定される方が斜め方向の歪みを伴う場合より歪による違和感が少ない。なお、最近のＴＶ受像機では水平方向が広いワイド画面が多くなってきている。このような画面では水平方向だけを歪ませるのであれば、拡大するよりは縮小する方が、また垂直方向だけを歪ませるのであれば、縮小するより拡大する方が違和感は少ない。
【００６９】
第１の実施の形態では、二つのフレンネルレンズ面は眼の左右方向すなわち水平方向に変化し、垂直方向に変化しない構成である。このため、斜め方向の歪みを伴わず表示画像の歪みを感じる度合いが少なくなっている。しかも眼の左右方向にレンズ面が変化しているので左右の眼の網膜像に大きな違いが生じ立体感が強く現れる。
【００７０】
一方、マイクロレンズアレイ面Ｃは滑らかな曲面で、これらの小さな曲面ｉ１〜ｉ４，ｉ１’〜ｉ４’は中心角が同じであるが、曲率半径すなわち幅が異なる。幅は異なるが中心角は同じなのでこれらの小さい曲面の端における接線はすべて等しい。すなわち、小さな小凹面ｉ１’〜ｉ４’と小凸面ｉ１〜ｉ４の境界でも曲面は滑らかに接続している。マイクロレンズアレイ面Ｃは滑らかで、曲面の勾配が急激に変化する事が無いので、大きな歪みを除去でき、画質を良くできる。また小凹レンズｉ１’〜ｉ４と小凸レンズｉ１〜ｉ４が交互に並ぶために強い立体感が現れる。さらにレンズの変化の方向は眼の左右方向であり、左右の網膜像に大きな差が生じ、これによっても発現する立体感が強められる。
【００７１】
この第１の実施の形態では、歪を感じないようにする手段として、個々の歪を狭い領域に限定して歪を目立たなくする手段にマイクロレンズアレイ面Ｃを用い、画像全体がほぼ一様に近い形で歪むようにして歪を目立たなくする手段にフレンネルレンズ面Ａ，Ｂを用い、しかもこれら両レンズ面が相乗的に作用してより強く立体感が現れるようにしている。
【００７２】
次に表示装置としての画面の大きさに対する課題について説明する。
表示画像１１の一辺の長さＬはレンズ曲面の直径（２ｒ）を超えて大きくできない。
実際には円筒面の直径一杯まで使用することはできず、中心角で９０°（左右それぞれ４５°）まで、さらに望ましくは中心角で６０°（左右それぞれ３０°）までなど、中心角が大きい位置ではレンズ曲面の変化が大きくなり過ぎることなどから制限をおいて使用する必要がある。
【００７３】
これらの制限下では、中心角９０°までの場合でＬ≦１．４１４×ｒとなり、許容できる表示画像の一辺の長さは半径の１．４１４倍までにかぎられる。また、中心角６０°の場合でＬ≦ｒと半径の長さまでと制限される。さらに斜め方向から見る場合を考慮すると両脇に余裕を持たせることが必要で、表示できる画像の幅はこれ以上に制限を受ける。
【００７４】
この表示画面の寸法に対する制約は、必要とされる像の倍率、すなわち曲面レンズと表示画面との距離にも関連する。ここで、フレンネルレンズ面と平面とで構成される平凸レンズによりフレンネルレンズ面の有効領域がどの程度になるかを概観する。レンズ面であるフレンネルレンズ面の母曲面は半径ｒの円筒面で、すべてのレンズ面が頂点近傍の近軸光線とみなしうる領域と近似して説明を進める。
【００７５】
像の倍率ｍはレンズの屈折率をｎとすると次式（（式１）及び（式２））が成立する。
ｍ＝ｆ／（ｄ＋ｆ）・・・・（式１）
１／ｆ＝（ｎ−１）／ｒ・・・・（式２）
【００７６】
ここでｆは焦点距離で、凸レンズ面は正、凹レンズ面は負の値となる。ｍは像の倍率で正の場合は正立像、負の場合は倒立像となる。ｄは表示画像のレンズ曲面からの距離で常に負値とする。また、ｒはレンズ面の曲率半径で、凸レンズ面では正、凹レンズ面では負の値となる。像の倍率ｍとレンズと表示画像との距離ｄを決めると、焦点距離ｆは定まる。この結果、曲率半径ｒが定まる。
【００７７】
ここで、具体的な数値を適用して例示してみる。
レンズ面を形成する部材の屈折率ｎ、立体感の発現程度に直接関連する倍率ｍ、および表示画像とレンズ曲面との距離ｄをそれぞれｎ＝１．５，ｍ＝１．１，ｄ＝−３ｃｍとすると、焦点距離は３３ｃｍとなり、半径ｒは１６．５ｃｍとなる。したがって中心角９０°の場合で表示画像の寸法が３３ｃｍまで、中心角６０°の場合で表示画像の寸法が１６．５ｃｍまでに限定され、これは意外と小さな値である。
【００７８】
また、レンズがフレンネルレンズ形式ではなくバルクレンズとしてレンズの厚さを試算すると、中心角９０°の場合で４．８３ｃｍ、中心角６０°の場合で２．２１ｃｍと大変厚いものになる。この厚さから本発明に関わる表示装置においてレンズの形式がフレンネルレンズで無ければならないことが良く理解できる。なお、例えば図５よりエレメントの幅を小さくしていけば、フレンネルレンズにすることによりレンズの厚さを充分に減少できることがわかる。
上記のｄ＝―３ｃｍは対角１４インチから２５インチ程度の一般に広く行き渡っているＴＶ受像機を想定した値で、またｍ＝１．１も立体感を発現するに必要な値の限度近くの小さな値を想定している。このｍの値についてはさらに大きくすることで立体感を強めることもあり、その場合には表示画像の一辺の幅はさらに制約を受ける。
【００７９】
以上から、表示画面の面積を大きくする場合にフレンネルレンズ面の有効面積が極めて重要な問題になることが解る。
上述のように表示画像１１の一辺の大きさが比較的小さい値に限定される。これを避けるには曲面レンズ１０を表示画像１１から離せば必要とされる焦点距離も大きくでき、より大面積の曲面レンズを使用できるが、装置の奥行き寸法が厚くなるなども問題が顕在化してくる。
【００８０】
表示画像１１から曲面レンズ１０までの距離を変えずに有効範囲を拡大するための対策として、母曲面の曲率半径が２倍のフレンネルレンズ面を２層に重ねることである。さらに大形の画面になるとさらに多くのフレンネルレンズ面を重ねる事も必要になる。ここで重要なことは多層に重ねることと、重ねるのはフレンネルレンズ面で無ければならないことである。フレンネルレンズ面でなければレンズを薄くできず、レンズの全面を表示画像に近づけることができない。
【００８１】
この曲率半径が２倍のフレンネルレンズ面を２層に重ねることで、焦点距離は元の１層のフレンネルレンズ面と同程度に保って有効領域をほぼ２倍に拡大でき、比較的広い表示画面の表示装置を実現する上で極めて有効である。
フレンネルレンズ面は屈折率の小さい空気との接触面を活用するのが常用手段である。なぜなら、レンズ厚を低減するための手段であり、所定の特性を得るためにわざわざ屈折率の比較的似た材質の境界面をレンズ面とすることはあり得ないからである。
曲面レンズの外表面である表と裏とをフレンネルレンズ化することは比較的容易で、単一のレンズとして表示装置への適用が容易になり、曲面レンズの厚さも薄くできる。
【００８２】
第１の実施の形態では、互いに曲面の変化する方向が水平方向である二つのフレンネルレンズ面Ａ，Ｂを用いており、両方のレンズの特性が重畳し総合的にレンズの特性が強くなる。また、曲面レンズの空気と接する表と裏の屈折率比の大きい外表面をフレンネルレンズ面としているので、個々のフレンネルレンズ面のレンズ特性を強くできる。また、単一のフレンネルレンズ面で同じレンズ特性を得る場合に比べて個々のフレンネルレンズ面の曲率を大きく低減でき、曲面レンズの有効面積を広くできる、しかもフレンネルレンズ化で薄い局面レンズを構成できる。これらにより薄型で大面積の表示装置が実現できる。
【００８３】
フレンネルレンズ面Ａ，Ｂにおいては各エレメントＡ１〜Ａ５，Ｂ１〜Ｂ５の境界に段差があり、この段差の側壁は斜めから見る場合に無効ゾーンとなる。無効ゾーンが有効なレンズ面と交互に並ぶことになる。この無効ゾーンの範囲が広くなると表示画像１１が認識できなくなり有効な視野角を規制することになる。また、この無効ゾーンが規則的に繰り返されることによってモアレ縞が生じる。このモアレ縞は表示品質を左右する。
【００８４】
モアレ縞は、規則的に配列された表示画素による表示画像を、規則的に配列された配列要素を介してみる場合に生じる濃淡縞であり、表示画質に大きく影響する。
モアレ縞は周知であるから詳細な説明は省略するが、表示画像１１側の配列要素と、ここで対象としている曲面レンズ１０を構成する配列要素との相互関係で発生する。表示画像側の配列要素は液晶表示素子などの画素であり、曲面レンズではフレンネルレンズ面のエレメント、あるいはマイクロレンズアレイ面の小レンズなどである。
【００８５】
モアレ縞は表示素子の配列要素の配列ピッチと曲面レンズ１０の配列要素の配列ピッチとが同程度の場合に強く現れる。また、表示素子の配列要素の無効ゾーンと曲面レンズでの配列要素の無効ゾーンが大きいほどモアレ縞は強く現れる。無効ゾーンが無い場合はモアレ縞は生じない。
配列ピッチが大きく異なる場合はモアレ縞は発生してもほとんど無視することができる。
【００８６】
モアレ縞を低減する手段の一つは、表示素子の配列要素あるいは曲面レンズの配列要素のいずれか一方、あるいは両方を不規則に配列して規則性を排除することである。他の一つは互いの配列ピッチを大きく離すことである。
【００８７】
母曲面の曲率半径を２倍程度に大きくしたフレンネルレンズ面を２層重ねると１層当たりの無効ゾーンは約１／２にでき、レンズ面に対する割合も約１／２になる。しかし、両フレンネルレンズ面Ａ，Ｂの曲面変化の方向が一致する場合、エレメントＡ１〜Ａ５，Ｂ１〜Ｂ５の配列方向も一致するので、一方の無効ゾーンが他方の有効なレンズ面の部分を無効にしてしまう。したがって総合的に見ると無効ゾーンの有効なレンズ面に対する割合も大差ないことになる。
【００８８】
しかし、２層にすることにより有効なレンズ面と無効ゾーンの繰り返す頻度が２倍になり、より狭いピッチでエレメントを並べたと同じような効果が得られ、モアレ縞を低減することも可能になる。
【００８９】
第１の実施の形態では、フレンネルレンズの側壁による無効ゾーンと有効なレンズ曲面との並びが不規則となるように、フレンネルレンズ面Ａ，Ｂを構成するエレメントＡ１〜Ａ５，Ｂ１〜Ｂ５の幅を不規則に変えて並べている。しかも二つのフレンネルレンズ面Ａ，Ｂではこの不規則な並びが同じではなくそれぞれ異なる。二つのフレンネルレンズ面Ａ，ＢのエレメントＡ１〜Ａ５，Ｂ１〜Ｂ５は並ぶ方向は一致しているので、これら二つの面での無効ゾーンと有効ゾーンが渾然一体となり、不規則性がさらに強められ、また繰り返す基本周期も１／２になり、表示画像の画素の周期に対して大きく周期を異にすることもでき、モアレ縞の発生を大きく低減できる。
また、マイクロレンズアレイ面は幅の異なる小レンズが不規則に並んでおり、これによってもモアレ縞が低減できる。
【００９０】
第１の実施の形態では、広がりの大きいレンズとして機能するフレンネルレンズ面Ａ，Ｂが広がりの小さいレンズを配列したマイクロレンズアレイ面Ｃを挟んだ構成を採っている。
【００９１】
広がりの大きいレンズと広がりの小さいレンズにより両眼の網膜に形成される像に違いを生じさせるのであるから、両レンズのレンズとしての特性を、すなわち焦点距離を同程度として両方のレンズが共に作用して機能する必要がある。
広がりの小さいレンズが表示画像１１の画素と同程度にまで小さくなると広がりの小さいレンズによる歪みを歪みとして知覚し難くなるので、レンズとしての特性を強めて立体感の発現力を高めるために、広がりの大きなレンズに対比して焦点距離を小さくする事など、両レンズの焦点距離を変えることがあるが、その場合も桁が違う程度まで大きな違いを持たせることは無い。高々数倍程度として両レンズの各々がそれぞれに機能して作用しあうようにする。したがって、焦点距離が数倍程度の違いまでは同程度と言える。また、焦点距離に極性を持たせ凸レンズは正値、凹レンズは負値とすることがあるが、これらはレンズの公式等に当てはめる場合などであり、一般にはレンズの強さを表すものとして凸レンズでも凹レンズでも正値を用いている。特に断らない場合は焦点距離は全て正値として扱う。すなわち、焦点距離とは焦点距離の絶対値を指す。
【００９２】
大きいレンズは表示画面一杯の広がり、例えば長さ数十センチメートルに対して、小さいレンズでは表示画素と同程度、例えば長さ数百ミクロンメートルとおおよそ１０００倍程度も異なることもある。これは一つの例であり、広がりの小さなレンズの歪みが目立たないようにする場合には広がりの大きいレンズと広がりの小さいレンズとでは長さで１００倍の桁から１０００倍の桁までの違いがある。このような広がり面積に違いのある曲面を同程度の曲率半径の曲面で構成することは難しく、曲率半径の比も広がり面積の比と同程度にならざるを得ない。このような構造上の条件の下で、同程度の焦点距離のレンズ面を実現するには大きなレンズは空気と接する境界面をレンズ面とし、小さなレンズ面は比較的屈折率が類似した部材相互の接合面をレンズ面とすることである。
【００９３】
上記条件を満たすのに、第１の実施の形態で示すように、二つのフレンネルレンズ面Ａ，Ｂでマイクロレンズアレイ面Ｃを挟む構造が表示装置に用いる曲面レンズ１０に最も適した構造である。すなわち、空気に接する必要のあるフレンネルレンズ面Ａ，Ｂは外表面を用い、互いに比較的似かよった屈折率の材質の境界面をレンズ面とすべきマイクロレンズアレイ面Ｃは内部に構成でき、これらのレンズ面を一体化した曲面レンズ１０を構成できるからである。
【００９４】
次に、第２の実施の形態について図面を用いて詳しく説明する。
第２の実施の形態の表示装置の装置構成は第１の実施の形態の表示装置と同じである。違いは曲面レンズにある。
【００９５】
第２の実施の形態では、曲面レンズの表外表面と裏外表面が共にフレンネルレンズ面であることは第１の実施の形態と同様である。しかし、第１の実施の形態での表と裏のフレンネルレンズ曲面は共に眼の左右方向に対して変化し、これと直交する眼の上下方向に対しては変化していないのに対して、第２の実施の形態では、表と裏のフレンネルレンズ曲面は共に眼の上下方向に対しては変化し、これと直交する眼の左右方向に対して変化していない。
また、両フレンネルレンズ曲面に挟まれてマイクロレンズアレイ面が存在することも第１の実施の形態と同じであるが、フレンネルレンズ曲面を構成するエレメントの配置やマイクロレンズアレイ面を構成する小レンズの曲率半径が異なるなどの違いがある。
【００９６】
図４、図５、図６により第２の実施の形態における曲面レンズを詳しく説明する。
図４は曲面レンズ１０の構成を概念的に示す斜視図である。
図５と図６はそれぞれ第２の実施の形態の表示装置に係わる曲面レンズ１０を示す垂直断面図と水平切断面である。垂直断面図と水平断面図の切断面の位置や方向はそれぞれ第１の実施の形態で説明の垂直切断面及び水平切断面と同じである。
【００９７】
まず、図４で曲面レンズ１０の構成の概要を説明する。
表示画像１１に対面した裏外表面Ａ’と、その反対の観察者に対面した表外表面Ｂ’はフレンネルレンズ面であることを各エレメントＡ１’〜Ａ１４’，Ｂ１’〜Ｂ１４’（図５参照）が段差をもって配列されることで表現している。ここではエレメントの数を限定して、各エレメントがｙ方向に並んでいることを示す概念図であるが、実際はより幅の細いエレメントが数多く配列され、エレメントの幅は小さい。
【００９８】
外表面Ａのフレンネルレンズ面は部材４０と空気との境界面であり、外表面Ｂのフレンネルレンズ面は部材４１と空気との境界面である。部材４０と部材４１で挟まれた部分４２（図４に太線で模式的に示す）にもレンズ面が存在する。この部分４２は接着剤４３であり、接着剤４３と部材４０の境界面にレンズ面が存在し、このレンズ面は多数の小さなレンズ面を凹凸交互に配列しているマイクロレンズアレイ面Ｃ’である。図４では詳細は示されていないが、詳細は図６で説明する。
また、図４にフレンネルレンズ面Ｂ’のエレメントＢ１’〜Ｂ１４’の境界部にある側壁が見えている。この見える側壁をグレー色で塗り潰して示している。
【００９９】
図５と図６により曲面レンズ１０をさらに詳しく説明する。
図５において、フレンネルレンズ面Ａ’とフレンネルレンズ面Ｂ’の母曲面をそれぞれａ’，ｂ’として点線の太線で示している。フレンネルレンズ面Ａを構成するエレメントのレンズ面Ａ１’〜Ａ１４’はそれぞれ母曲面の要素ａ１’〜ａ１４’に対応する。また、フレンネルレンズ面Ｂ’を構成するエレメントのレンズ面Ｂ１’〜Ｂ１４’はそれぞれ母曲面の要素ｂ１’〜ｂ１４’に対応する。フレンネルレンズ面は母曲面の各要素が切断面（細い点線で示す）に沿って平行移動した面である。
【０１００】
部材４０の外表面であるフレンネルレンズ面Ａ’と部材４１の外表面であるフレンネルレンズ面Ｂ’に挟まれた部分４２には接着剤４３であり、接着剤４３と部材４０の境界面にマイクロレンズアレイ面Ｃ’が存在する。なお、接着剤４３と部材４０は、マイクロレンズアレイ面の小レンズの焦点距離がフレンネルレンズ面の焦点距離にほぼ等しくなるように、屈折率を適切に選定してある。
【０１０１】
母曲面ａ’，ｂ’は紙面に垂直なｘ方向に対しては変化せず、ｙ方向に対してのみｚ方向にあたるレンズの厚さが変化する。このような母曲面の典型的な例が円筒面である。ここではフレンネルレンズ面Ａ’とフレンネルレンズ面Ｂ’は共に中心軸が紙面に垂直な円筒面で、凸レンズである。
【０１０２】
フレンネルレンズ面Ａ’，Ｂ’は隣り合うエレメントの境界面で不連続となり段差が生じ、このレンズを斜めから見ると、この段差部分の側壁部分が無効ゾーン（図４にグレー部分で示す）となる。斜めから見る度合いが強いほど無効ゾーンのレンズ面に対する割合が増大する。このことが図４に良く表れている。
フレンネルレンズ面Ａ’とフレンネルレンズ面Ｂ’を構成するエレメントＡ１’〜Ａ１４’，Ｂ１’〜Ｂ１４’の幅、すなわちエレメントの配列ピッチは一様である。段差の間隔も一様である。
【０１０３】
フレンネルレンズ面Ｂ’を構成する各エレメントＢ１’〜Ｂ１４’のレンズ面の向きは特殊な条件を満たしている。すなわち、各エレメントのレンズ面は上下方向に対して下向きに傾いている。
フレンネルレンズ面Ｂ’上の任意の点ｇ（図５ではエレメントＢ９’上に任意の点を設定）における法線ｈが特定方向（図５では特定方向を上下方向としている）を表す直線ｑの下向きの半直線とのなす角度θがフレンネルレンズ面のいずれの場所においても鋭角となり、上下方向の下向きに傾いている。ここにおいて、特定方向の直線とのなす角度とは、特定方向（図５で上下方向）のあらかじめ定めた向き（図５で下向き）を表す半直線から同じ周り（図５で時計方向）で法線までを測った角度を言う。
【０１０４】
以上を一般的に表現すると、フレンネルレンズ面における法線が特定方向の直線とのなす角度がフレンネルレンズ面のいずれの点においても鋭角か鈍角かの一方となると、フレンネルレンズ面はいずれの場所でも特定方向の特定の向きに傾く。
【０１０５】
このように構成すると、フレンネルレンズ面はいずれの場所でも特定方向に対して向きが同じとなる。すなわちフレンネルレンズ面は特定方向に対して同じ向きに傾いている。これによりフレンネルレンズ面での反射光を特定の向きに向けることができる。例えば、フレンネルレンズ面を上下方向の下向きに傾けると、頭上後方からの照明光を眼より下の方向に反射して照明光の影響を排除できるごときである。またフレンネルレンズ面は傾いているためレンズの特性が強まり、より強く立体感を発現できる。
【０１０６】
以上のことはフレンネルレンズ面Ｂ’に対応する母曲面ｂ’は頂点を含まないことを指している。一方、フレンネルレンズ面Ａ’は対応する母曲面が頂点ｅを含んでおり、ごく一般的なフレンネルレンズ面である。この頂点ｅは母曲面ａ’の要素ａ７’に示されている。
【０１０７】
次に、マイクロレンズアレイ面の構成を図６を用いて詳細に説明する。
図６において、フレンネルレンズ面Ａ’が形成された部材４０のフレンネルレンズ面Ａ’と反対側の面Ｃ’には小さな小凹面ｊ１’〜ｊ６’と小凸面ｊ１〜ｊ６とが交互に配列されている。面Ｃ’を構成する小凹面ｊ１’〜ｊ６’と小凸面ｊ１〜ｊ６は共に紙面に垂直なｙ方向に対しては変化が無く、ｘ方向に対して曲面が変化する。すなわち、ｙ方向に平行な平面を切断面とする垂直断面図では面Ｃ’は直線となって見え、マイクロレンズアレイ面Ｃ’の凹凸が明示されない。
【０１０８】
一方、フレンネルレンズ面Ｂ’が形成された部材４１のフレンネルレンズ面Ｂ’に対する反対側の面は平面Ｄ’である。この部材４１の平面と部材４０の小凹面と小凸面とが交互に配列された面とは接着剤４３により相互に張り合わされている。
この接着剤４３と部材４０の小凹面ｊ１’〜ｊ６’と小凸面ｊ１〜ｊ６が交互に配列された面との境界面Ｃ’がマイクロレンズアレイ面となる。
フレンネルレンズ面Ａ’とフレンネルレンズ面Ｂ’は共に紙面に垂直なｙ方向に対して変化し、ｘ方向にたいしては変化しないので、図６では直線となって見えている。
【０１０９】
次にマイクロレンズアレイ面について説明する。
マイクロレンズアレイ面Ｃは太線で示す小凸レンズｊ１〜ｊ６と小凹レンズｊ１’〜ｊ６’が交互に配列されている。これらの小レンズｊ１〜ｊ６およびｊ１’〜ｊ６’のレンズ面は紙面に垂直なｙ方向に平行な中心軸を有する円筒面で、曲率半径はすべて等しい。中心角の等しい小凹レンズと小凸レンズが対（ｊ１とｊ１’，ｊ２とｊ２’等）をなしている。中心角の異なる対の種類は複数あり、これらが不規則に選ばれて境界を接しながら配列されている。対と対の接合部（図中に黒点で示す）ではレンズ曲面の接線は不連続的に変化する。このレンズ曲面を構成する小レンズｊ１〜ｊ６，ｊ１’〜ｊ６’は曲率半径がすべて等しいため焦点距離はすべて等しい。
【０１１０】
以上説明した第２の実施の形態ではマイクロレンズアレイ面Ｃ’が二つのフレンネルレンズ面Ａ’，Ｂ’に挟まれて存在する。二つのフレンネルレンズ面Ａ’，Ｂ’の母曲面ａ’，ｂ’はいずれも曲面レンズ１０の面積一杯に広がる単一の凸面をなし、ｙ方向、すなわち眼の上下方向に対して変化し、ｘ方向、すなわち眼の左右方向に対しては変化の無い面で、フレンネルレンズ面Ａ’，Ｂ’も母曲面ａ’，ｂ’と同様の特徴を持った凸面を有する単一の凸レンズとして機能する。
【０１１１】
一方、マイクロレンズアレイ面Ｃ’はフレンネルレンズ面Ａ’，Ｂ’の面積に比して充分小さい面積の小凸レンズｊ１〜ｊ６と小凹レンズｊ１’〜ｊ６’とを交互に配列した面で、小凸レンズｊ１〜ｊ６と小凹レンズｊ１’〜ｊ６’の焦点距離が等しい特徴を有している。
【０１１２】
以上第２の実施の形態について、その構成を説明した。以下に作用を説明する。
第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同じく、二つのフレンネルレンズ面Ａ’，Ｂ’でマイクロレンズアレイ面Ｃ’を挟む構造をしている。しかも二つのフレンネルレンズ面Ａ’，Ｂ’は単一の凸あるいは凹のレンズ面と等価な大きな広がりを持つレンズ面で空気に接する外表面を用い、マイクロレンズアレイ面Ｃ’は曲面レンズ１０の面積に比較して充分小さい面積の小凹面ｊ１’〜ｊ６’と小凸面ｊ１〜ｊ６とが交互に配列されたレンズ面で、互いに比較的似かよった屈折率の部材の境界面を用いている。このため第１の実施の形態と同じく、フレンネルレンズ面Ａ’，Ｂ’とマイクロレンズアレイ面Ｃ’とを多層に重ねることで双方の立体感を発現する機能が互いに相乗的に強めあう。一方、歪みについてはフレンネルレンズ面Ａ’，Ｂ’による画面全体に及ぶような大きい歪みとマイクロレンズアレイ面Ｃ’の小レンズによる小さな範囲に限定される小さな歪みとが領域的に異なることで、互いの歪みが強調し合うことを避けている。
【０１１３】
第２の実施の形態では、マイクロレンズアレイ面の小凸レンズと小凹レンズとの接合点の一部が両レンズの曲面の接線が一致しない不連続接合の状態にあってレンズ曲面の接線は不連続的に変化する。このためこの部分の像が歪む。この歪みによる画質への影響を低減するためには、個々の小凸レンズと個々の小凹レンズの像がこの曲面レンズを通して見る表示画面に対しては一点あるいは細い線（長辺が長い場合）と見なしうる程度に小さくすれば、例えば、一辺を対比して１／５００程度以下に小さくすれば、この像の大きく歪む部分はこれら小レンズの像に比較してさらに小さくなるので、歪みとして目立たなくできる。
【０１１４】
この第２の実施の形態では、二つのフレンネルレンズ面Ａ’，Ｂ’においてレンズ曲面の変化する方向は垂直方向であり、水平方向である第１の実施の形態の場合と異なる。レンズ曲面の変化する方向は垂直方向であっても、表示画像１１及び曲面レンズ１０に広がりがあるために左右の眼の視線に左右方向の差が生じ、左右の目にできる網膜像に違いが現れ、立体感が発現する。
この垂直方向にレンズ曲面を変化させることの利点は、最近多く見られるワイドＴＶ等の横に長い画像に対して縦方向に拡大する方がレンズによる歪みに対する違和感が少なくなることである。また、このような画像では縦方向が短いので縦方向にレンズ曲面が変化する曲面レンズを用いる事がレンズの有効面積に対する制限が緩和でき、装置の大型化ができる効果も大きい。
【０１１５】
第２の実施の形態では、二つのフレンネルレンズ面Ａ’，Ｂ’を用いており、単一のフレンネルレンズ面で同じ程度のレンズ特性を得る場合に比べて、個々のフレンネルレンズ面の曲率を大きく低減でき、曲面レンズ１０の有効面積を広くできる、しかもフレンネルレンズ化で薄い曲面レンズを構成できる。また、二つのフレンネルレンズ面Ａ’，Ｂ’で曲面レンズ１０のレンズ特性も強められ、曲面レンズ１０を表示画面１１近くに置くことができる。
これらにより薄型で大面積の表示装置が実現できる。
【０１１６】
二つのフレンネルレンズ面Ａ’，Ｂ’のエレメントＡ１’〜Ａ１４’，Ｂ１’〜Ｂ１４’の並ぶ方向は一致するので、これら二つの面での無効ゾーンと有効ゾーンが渾然一体となり、繰り返す基本周期も１／２になって、表示画像１１の画素の周期に対して大きく周期を異にすることもでき、モアレ縞の発生を低減できる。
【０１１７】
マイクロレンズアレイ面Ｃ’は、第１の実施の形態では曲率半径が変わり、中心角を等しくした小曲面を配列した滑らかな曲面であったが、第２の実施の形態では中心角が異なり、局率半径が同じ小曲面ｊ１〜ｊ６，ｊ１’〜ｊ６’を配列して、個々の小曲面の幅を不規則に変えてある。このため小曲面の接合部で接線が不連続的に変化して滑らかではない。このため個々の小曲面ｊ１〜ｊ６，ｊ１’〜ｊ６’によるレンズの焦点距離はいずれの小レンズでも同じで、マイクロレンズアレイ面Ｃ’が画面全体のどこでも一様なレンズ特性を呈する。
【０１１８】
ただし、接線が急激に変化する部分で比較的大きな歪みが生じる。この歪みを歪みと感じさせないように、個々の小レンズの大きさを表示画像の画素と同程度、場合によっては画素の数倍程度の大きさに限定している。この程度の大きさになると個々の小レンズの像は画像全体の像の新たな画素と見なしうるようになり、画素内部の歪みは歪みとして感じられなくなる。一方、このようにマイクロレンズアレイ面Ｃ’を構成する小レンズの面積が小さくなっても立体感の発現力は発揮でき、フレンネルレンズ面面Ａ’，Ｂ’とマイクロレンズアレイ面Ｃ’とが相乗的に作用しあってより強く立体感を感じることができる。
なお、マイクロレンズアレイ面Ｃ’を構成する小レンズｊ１〜ｊ６，ｊ１’〜ｊ６’の幅は不規則であるので、モアレ縞の発生を低減できる。
【０１１９】
次に、第３の実施の形態について図面を用いて詳しく説明する。
第３の実施の形態の表示装置の装置構成は第１の実施の形態の表示装置と同じである。違いは曲面レンズにある。
【０１２０】
第３の実施の形態では、曲面レンズの表外表面と裏外表面が共にフレンネルレンズ面であることは第１および第２の実施の形態と同様である。しかし、第１の実施の形態での表と裏のフレンネルレンズ面は共に眼の左右方向に対してのみ変化し、第２の実施の形態では、表と裏のフレンネルレンズ面は共に眼の上下方向に対してはのみ変化するのに対して、第３の実施の形態では表のフレンネルレンズ面は眼の上下方向に対してのみ変化し、裏のフレンネルレンズ面は眼の左右方向に対してのみ変化する。
また、両フレンネルレンズ面に挟まれてマイクロレンズアレイ面が存在することも第１および第２の実施の形態と同じであるが、フレンネルレンズ面の構成及びマイクロレンズアレイ面の構成が異なる。
【０１２１】
図７、図８、図９により第３の実施の形態における曲面レンズを詳しく説明する。
図７は曲面レンズ１０の構成を概念的に示す斜視図である。
図８と図９はそれぞれ第３の実施の形態の表示装置に係わる曲面レンズ１０の垂直断面図の一部分と水平切断面の一部分とを示している。垂直断面図と水平断面図の切断面の位置、方向はそれぞれ第１の実施の形態で説明の垂直切断面と水平切断面と同じである。
【０１２２】
まず、図７で曲面レンズ１０の構成の概要を説明する。
表示画像１１に対面した裏外表面Ａ”と、その反対の観察者に対面した表外表面Ｂ”はフレンネルレンズ面であることを各エレメントＡ１”〜Ａ４”，Ｂ１”〜Ｂ４”（図８，図９参照）が段差をもって配列されることで表現している。ここではエレメントの数を限定して、表外表面Ｂ”では各エレメントＢ１”〜Ｂ４”がｙ方向に並び、表外表面Ａ”では各エレメントＡ１”〜Ａ４”がｘ方向に並んでいることを示す概念図であるが、実際はより細い幅のエレメントが数多く配列される。従って段差の間隔も狭くなる。
【０１２３】
外表面Ａ”のフレンネルレンズ面は部材４０’と空気との境界面であり、外表面Ｂ”のフレンネルレンズ面は部材４１’と空気との境界面である。部材４０’と部材４１’で挟まれた部分４２’（図７に太線で模式的に示す）にもレンズ面が存在する。この部分４２’は接着剤４３’であり、接着剤４３’と部材４０’の境界面及び接着剤４３’と部材４１’の境界面にマイクロレンズアレイ面Ｃ”，Ｄ”が存在し、これらのマイクロレンズアレイ面Ｃ”，Ｄ”は多数の小さなレンズ面が配列されている。これらのマイクロレンズアレイ面Ｃ”，Ｄ”は図７では詳細は示されていないが、図９で詳しく説明する。
【０１２４】
図８と図９により曲面レンズをさらに詳しく説明する。
図８において、部材４０’の外表面Ａ”はフレンネルレンズ面であり、部材４１’の外表面Ｂ”はフレンネルレンズ面である。部材４０’の外表面Ａ”の反対側の面Ｃ”はマイクロレンズアレイ面を形成する面である。また、部材４１’の外表面Ｂ”の反対側の面Ｄ”もまたマイクロレンズアレイ面を形成する面である。面Ｃ”と面Ｄ”は共にｙ方向には面が変化しないことから直線で示されている。部材４０’と部材４１’は接着剤４３’により接合されている。なお、接着剤４３’、部材４０’および部材４１’は、マイクロレンズアレイ面の小レンズの焦点距離がフレンネルレンズ面の焦点距離にほぼ等しくなるように、屈折率を適切に選定してある。
【０１２５】
フレンネルレンズ面Ｂ”の母曲面をｂ”として点線の太線で示している。フレンネルレンズ面Ｂ”を構成するエレメントのレンズ面Ｂ１”〜Ｂ４”はそれぞれ母曲面ｂ”の要素ｂ１”  〜ｂ４”に対応する。母曲面ｂ”は紙面に垂直なｘ方向に対しては変化せず、ｙ方向に対してのみｚ方向に当るレンズの厚さが変化する単一の凸面である。このような母曲面ｂ”の典型的な例が円筒面である。ここでは中心軸が紙面に垂直な円筒面である。従ってフレンネルレンズ面Ｂ”は凸レンズとして機能する。
フレンネルレンズ面Ｂを”構成するエレメントＢ１”〜Ｂ４”はその幅、すなわち配列ピッチが一様である。
【０１２６】
次に、図９によりフレンネルレンズ面Ａ”とマイクロレンズアレイ面の構成を詳しく説明する。
図９において、部材４０’の外表面Ａ”はフレンネルレンズ面であり、部材４１’の外表面Ｂ”もフレンネルレンズ面である。部材４０’の外表面Ａ”の反対側の面Ｃ”と部材４１’の外表面Ｂ”の反対側の面Ｄ”はともにマイクロレンズアレイ面を形成する面である。
【０１２７】
まず、面Ｃ”と面Ｄ”のマイクロレンズアレイ面について説明する。
マイクロレンズアレイ面Ｃ”の小レンズは部材４０’と接着剤４３’の屈折率と小レンズの曲率とにより凹レンズとなるか凸レンズとなるかの違いが生じ、また焦点距離も違ってくる。マイクロレンズアレイ面Ｄ”の小レンズもまた部材４１’と接着剤４３’の屈折率と小レンズの曲率とにより同様の違いが生じる。
【０１２８】
面Ｃ”と面Ｄ”のマイクロレンズアレイ面の小レンズは凹レンズと凸レンズとが交互に配列されることは明白で、マイクロレンズアレイ面Ｃ”は太線で示す小凸レンズｋ１〜ｋ８と小凹レンズｋ１’〜ｋ８’が交互に配列されている。これらの小レンズｋ１〜ｋ８およびｋ１’〜ｋ８’のレンズ面は紙面に垂直な方向であるｙ方向に平行な中心軸を有する円筒面で、曲率半径はすべて等しい。また円弧であるレンズ面の中心角もすべて等しい。従ってこれらの小レンズｋ１〜ｋ８，ｋ１’〜ｋ８’の接合部において小凸レンズｋ１〜ｋ８と小凹レンズｋ１’〜ｋ８は滑らかに接している。また、小レンズは曲率半径がすべて等しいため焦点距離もすべて等しい。
【０１２９】
マイクロレンズアレイ面Ｄ”は太線で示す小凸レンズｓ１、ｓ２と小凹レンズｓ１’、ｓ２’が交互に配列されている。これらの小凸レンズｓ１、ｓ２および小凹レンズｓ１’、ｓ２’のレンズ面は紙面に垂直な方向であるｙ方向に平行な中心軸を有する円筒面で、曲率半径はすべて等しい。また円弧であるレンズ面の中心角もすべて等しい。従ってこれらの小レンズｓ１〜ｓ２，ｓ１’〜ｓ２’の接合部において凸レンズｓ１〜ｓ２と凹レンズｓ１’〜ｓ２’は滑らかに接している。また、小レンズは曲率半径がすべて等しいため焦点距離もすべて等しい。
【０１３０】
マイクロレンズアレイ面Ｄ”を構成する小レンズｓ１〜ｓ２，ｓ１’〜ｓ２’はマイクロレンズアレイ面Ｃ”の小レンズｋ１〜ｋ８，ｋ１’〜ｋ８’に比較して曲率半径が大きく、配列ピッチも大きい。すなわち、マイクロレンズアレイ面Ｄ”の小レンズはマイクロレンズアレイ面Ｃ”の小レンズよりもその広がりが広い。
【０１３１】
以上説明した第３の実施の形態では二つのマイクロレンズアレイ面Ｃ”，Ｄ”が二つのフレンネルレンズ面Ａ”，Ｂ”に挟まれて存在する。
二つマイクロレンズアレイ面Ｃ”，Ｄ”はフレンネルレンズ面Ａ”，Ｂ”の面積に比して、それぞれ充分小さい面積の小凸レンズｋ１〜ｋ８，ｓ１〜ｓ２と小凹レンズｋ１’〜ｋ８’，ｓ１’〜ｓ２’とを交互に配列した面で、二つマイクロレンズアレイ面Ｃ”，Ｄ”の違いは小レンズの広がり範囲が異なることである。これら二つマイクロレンズアレイ面Ｃ”，Ｄ”はそれぞれ面Ｃ”，Ｄ”を形成する境界両側の部材４０’，４３’と４１’，４３’の屈折率を変えてレンズの特性を同程度にする。
【０１３２】
次にフレンネルレンズ面について説明する。
フレンネルレンズ面の一つＡ”ははｘ方向、すなわち眼の左右方向に対して変化し、ｙ方向、すなわち眼の上下方向に対しては変化の無い面で、他方のフレンネルレンズ面Ｂ”は逆にｙ方向、すなわち眼の上下方向に対して変化し、ｘ方向、すなわち眼の左右方向に対しては変化の無い面である。これら二つのフレンネルレンズ面Ａ”，Ｂ”の母曲面ａ”，ｂ”はいずれも曲面レンズ１０の面積いっぱいに広がる単一の滑らかな凸面をなしている。
【０１３３】
図９では、部材４１’の外表面Ｂ”はフレンネルレンズ面であるが、ｘ方向には面が変化しないことから直線で示されている。
部材４０‘の外表面Ａ”はフレンネルレンズ面であり、ｘ方向に対して面が変化する。したがって、このフレンネル面Ａ”が段差のある面として示されている。
フレンネルレンズ面Ａ”の母曲面をａ”として点線の太線で示している。フレンネルレンズ面Ａ”を構成するエレメントのレンズ面Ａ１”〜Ａ４”はそれぞれ母曲面の要素ａ１”〜ａ４”に対応する。母曲面ａ”はｙ方向に対しては変化せず、ｘ方向に対してのみｚ方向にあたるレンズの厚さが変化する単一の凸面である。母曲面ａ”は中心軸が紙面に垂直な円筒面である。従ってフレンネルレンズ面Ａ”は凸レンズとして機能する。
【０１３４】
フレンネルレンズ面Ａ”を構成するエレメントＡ１”〜Ａ４”の幅、すなわちエレメントの配列ピッチはエレメント毎に異なる。これらのエレメントは幅の異なる複数の種類があり、これらの複数の種類のエレメントから不規則に選ばれて順に並べている。
【０１３５】
以上第３の実施の形態について、その構成を説明した。以下に作用を説明する。
第３の実施の形態では、第１および第２の実施の形態と同じく、二つのフレンネルレンズ面Ａ”，Ｂ”でマイクロレンズアレイ面Ｃ”，Ｄ”を挟む構造をしている。しかも二つのフレンネルレンズ面Ａ”，Ｂ”は、単一の凸レンズと等価な大きな広がりを持つレンズ面で、共に空気に接する外表面である。マイクロレンズアレイ面Ｃ”，Ｄ”はそれぞれ、曲面レンズ１０の面積に比較して充分小さい面積の小凸面ｋ１〜ｋ８，ｓ１〜ｓ２と小凹面ｋ１’〜ｋ８’，ｓ１’〜ｓ２’とが交互に配列されたレンズ面で、互いに比較的似かよった屈折率の固体部材の境界面を用いている。このため第１および第２の実施の形態と同じく、フレンネルレンズ面Ａ”，Ｂ”とマイクロレンズアレイ面Ｃ”，Ｄ”とを多層に重ねることで双方の立体感を発現する機能が相乗的に強まり、歪みについては画面全体に及ぶような大きい歪みと小さな範囲に限定された小さな歪みとなって両者の広がる範囲を異にして、歪みが互いに強調し合うことが避けられている。
【０１３６】
しかし、この第３の実施の形態では、二つのフレンネルレンズ面Ａ”，Ｂ”の変化する方向が互いに直交し、一方のＡ”が水平方向に対して他方のＢ”が垂直方向で、両方とも水平方向である第１の実施の形態あるいは両方とも垂直方向である第２の実施の形態の場合と異なる。
【０１３７】
したがって両フレンネルレンズのレンズ特性を同程度にすれば、この曲面レンズを通して見る像は直交する両方向に対して拡大あるいは縮小の程度を同じ程度にでき、歪みの少ない像として見ることができる。また、両フレンネルレンズＡ”，Ｂ”とも立体感を発現でき、これらが共に作用してより強く立体感が現れる。
また、同じ程度の立体感を単独のフレンネルレンズ面で実現する場合に比較して各フレンネルレンズ面はその曲率を小さくできるので、有効面積の大きい曲面レンズを使用することができ、大画面の表示装置を作ることができる。さらに、個々のフレンネルレンズ面Ａ”，Ｂ”の曲率を小さくできるので、フレンネルレンズ面Ａ”，Ｂ”を構成するエレメントＡ１”〜Ａ４”の幅が等しい場合はフレンネルレンズ面Ａ”，Ｂ”を構成するエレメントの境界にできる側壁の高さも小さくできる。この結果、モアレ縞を低減できる。また、段差の側壁の高さを等しくする場合はエレメントの幅、すなわち段差の間隔を大きくでき、フレンネルレンズ面の作成が容易になる。
【０１３８】
この第３の実施の形態では、フレンネルレンズ面Ａ”は幅を不規則に変えたエレメントＡ１”〜Ａ４”を水平方向に並べ、フレンネルレンズ面Ｂ”は同じ幅のエレメントＢ１”〜Ｂ４”を垂直方向に並べている。これは、ＴＶ受像機などのように画像をカラー表示する表示画素の並びが水平方向に赤、緑、青と変化しつつ並べられ、垂直方向には各色の画素がほとんど隙間無く直線状に配列されている場合を想定しての構成である。表示画素は垂直方向にはほとんど隙間無く配列するためフレンネルレンズ面のエレメントが規則的に並んでモアレ縞はほとんど生じない。しかし、水平方向には赤を例にとると緑と青の部分が無効な隙間、無効ゾーンとなるため、フレンネルレンズ面のエレメントを不規則に並べてモアレ縞の発生を低減している。
【０１３９】
マイクロレンズアレイ面は、第１および第２の実施の形態では単一のレンズ面であったが、この第３の実施の形態ではマイクロレンズアレイ面が２層の構成である。
各マイクロレンズアレイ面Ｃ”，Ｄ”を構成する小さい面積の小凸面ｋ１〜ｋ８，ｓ１〜ｓ２と小凹面ｋ１’〜ｋ８’，ｓ１’〜ｓ２’の広がり面積が異なっている。
したがってマイクロレンズアレイ面Ｃ”，Ｄ”で生じる立体感も両方の効果が作用してより強い立体感が得られる。その際各マイクロレンズアレイ面Ｃ”及びＤ”の小レンズｋ１〜ｋ８，ｋ１’〜ｋ８’及びｓ１〜ｓ２，ｓ１’〜ｓ２’で生じる歪みの範囲が異なるので、互いが強め合うことがなく、画質を大きく損なうことなく立体感を強めることができる。
【０１４０】
以上、第１から第３の実施の形態では、マイクロレンズアレイ面は１層、あるいは２層を例としたが、さらに多くの層で構成しても良い。その際マイクロレンズアレイ面の小レンズの広がり面積を各層毎に変えることで、各層で生じる歪みの範囲を変えることができ、画質の劣化が強め合うことを防止できる。
【０１４１】
また、マイクロレンズアレイ面の構成を各実施の形態で変えて示したが、これらは互いに他の実施の形態においてマイクロレンズアレイ面を相互に入れ替えできることは明らかである。
【０１４２】
以上の実施の形態で、マイクロレンズアレイ面は接着剤との境界面として説明したが、接着剤に限定されず、屈折率が異なる固体相互の境界面であればよい。空気との境界面とは異なり、大きい曲率の曲面を比較的大きな焦点距離のレンズ面にできるからである。なお、固体には可撓性のある部材等も含まれ、気体および液体を除く部材である。
また、マイクロレンズアレイ面の部分は屈折率の異なる部材の層を多層に重ねて所望の屈折率比のマイクロレンズアレイ面を形成しても良い。
【０１４３】
以上示した実施の形態のマイクロレンズアレイ面の小レンズはいずれも水平方向に対してレンズ面が変化し、垂直方向に変化のない円筒面レンズとしたが、垂直方向や斜め方向に変化する円筒面でも良く、縦と横の両方向に短い小面積のレンズが並ぶ場合でもよい。当然個々の小レンズの面積が異なっても良い。要は小レンズである凸レンズ面と凹レンズ面が交互に配列されれば良い。
【０１４４】
次に、第４の実施の形態について図面を用いて詳しく説明する。
第４の実施の形態の表示装置の装置構成は第１の実施の形態の表示装置と同じである。違いは曲面レンズにある。
【０１４５】
図１０、図１１により第４の実施の形態における曲面レンズを詳しく説明する。
図１０は曲面レンズ１０の構成を概念的に示す斜視図で、曲面レンズの一部を図示してある。
図１１は第４の実施の形態の表示装置に係わる曲面レンズ１０を示す水平切断面である。水平切断面の切断面の位置、方向は第１の実施の形態で説明の水平切断面の位置、方向と同じである。
【０１４６】
まず、図１０で曲面レンズ１０の構成の概要を説明する。
第４の実施の形態では、フレンネルレンズ面と類似の曲面上に小レンズが配列される。屈折率がｎ１’である部材５０の表示画像１１に対面した側に当たる裏の面Ｃ”’と観察者に対面した側に当たる表の面Ｄ”’は、それぞれ小さい面積の小凸面ｔ，ｗと小凹面ｔ’，ｗ’が、それぞれフレンネルレンズ面の形状をした配列面ｕ，ｖ（ｕは図１１を参照、ｖは図示されない）に沿って交互に配列されたマイクロアレイ面である。裏の面Ｃ”’は小曲面ｗ、ｗ’を配列面ｖに沿って配列した面で、この配列面ｖは眼の上下方向にのみ変化し、表の面Ｄ”’は小曲面ｔ，ｔ’を配列面ｕに沿って配列した面でこの配列面ｕは眼の左右方向にのみ変化している。
【０１４７】
部材５０の一方の表面が小曲面ｗ，ｗ’からなる裏の面Ｃ”’で、他方の表面が小曲面ｔ，ｔ’からなる表の面Ｄ”’である。裏の面Ｃ”’における小曲面ｗ，ｗ’と表の面Ｄ”’における小曲面ｔ，ｔ’の違いは各曲面の幅、すなわち配列ピッチにある。裏の面Ｃ”’における小曲面ｗ，ｗ’が表の面Ｄ”’における小曲面ｔ，ｔ’より曲面としての広がり面積が大きい。
屈折率ｎ１’の部材５０の裏側と表側の表面にはそれぞれ屈折率ｎ２’の部材５１と屈折率ｎ３’の部材５２で覆われている。部材５１と部材５２はそれぞれ小曲面ｗ，ｗ’とｔ，ｔ’による窪みを埋めて小曲面の配列面ｖとｕとほぼ同じ形状をした滑らかな表面を形成している。
【０１４８】
空気に接する部材５１の表面Ａ”’と空気に接する部材５２の表面Ｂ”’はそれぞれ面Ｃ”’と面Ｄ”’の小曲面の配列面ｖとｕと形状はほとんど同じである。したがって面Ａ”’と面Ｂ”’は小曲面の配列面ｖとｕを母曲面とするフレンネルレンズ面とみなすことができる。また、部材５０と部材５１との境界である面Ｃ”’と部材５０と部材５２との境界である面Ｄ”’とを形成する小曲面ｗ，ｗ’とｔ，ｔ’はそれぞれ小レンズとして機能し、面Ｃ”’と面Ｄ”’はマイクロレンズアレイ面である。
【０１４９】
水平断面図である図１１を用いて曲面レンズをさらに詳しく説明する。
部材５０の表面Ｄ”’は曲面レンズ１０の全域を単一の凸面で覆う広がりのある仮想面ｕ上に、この曲面レンズ１０の広がり面積に比較して充分小さい面積の小凸面Ｔと小凹面Ｔ’とを交互に配列し、これらの小曲面Ｔ，Ｔ’が配列された仮想面ｕを一定のピッチｈ１で並んだ切断面で切断し、切断された各エレメントを平行移動させて並べた構造をしている。図中に切断面を点線で示している。
【０１５０】
また仮想面ｕが点線の太線で示され、小凸面Ｔと小凹面Ｔ’が仮想面ｕに沿って交互に並んでいる様子が示されている。仮想面ｕはｙ方向に平行な中心軸を有する円筒面で、曲面レンズ１０の広がり面であるｘ−ｙ平面のｘ方向に対して曲面が変化し、紙面に垂直なｙ方向に対しては変化しない。これを平行移動した小凸面ｔと小凹面ｔ’もｙ方向に対しては変化せず、ｘ方向に対してレンズの厚みがｚ方向に変化する。このｘ方向に対しての変化が図１１の水平断面図に表されている。
【０１５１】
一方、部材５０の表面Ｄ”’の反対側に当たる面Ｃ”’は曲面レンズ１０の全域を単一の凸面で覆う広がりのある仮想面ｖ（図示されていない）上に、この曲面レンズ１０の広がり面積に比較して充分小さい面積の小凸面Ｗと小凹面Ｗ’とを交互に配列し、これらの小曲面Ｗ、Ｗ’が配列された仮想面ｖを一定のピッチｈ２で並んだ切断面で切断し、切断された各エレメントを平行移動させて並べた構造をしている。これらの様子の概要が図１０に示されている。
【０１５２】
仮想面ｖはｘ方向に平行な中心軸を有する円筒面で、曲面レンズ１０の広がり面であるｘ−ｙ平面のｘ方向に対しては曲面は変化せず、ｙ方向に対して変化する面である。軸が直線の細長い円筒面の小凸面と小凹面をｘ軸に垂直な面に平行させながら仮想面ｖに沿って曲げながら並べられている。
仮想面ｖはｙ方向に対して変化する曲面であるから、この仮想面ｖに沿って並ぶ小凸面Ｗと小凹面Ｗ’もｙ方向に対しては変化する。また、仮想面ｖに並ぶ小凸面Ｗと小凹面Ｗ’は水平面上でｘ方向に対して変化する（小凸面ｗと小凹面ｗ’からなる曲面として現れる）。このｘ方向に対しての変化の様子が図１１の水平断面図に示されている。以上の説明から明らかなように小凸面ｗと小凹面ｗ’はｘ方向に対してもｙ方向に対しても曲面が変化する。
【０１５３】
面Ｃ”’と面Ｄ”’の違いを小曲面を並べる方向で整理すると、細長い円筒面である小曲面ｔ，ｔ’が仮想面ｕの変化する方向に並べられるか、小曲面ｗ，ｗ’が仮想面ｖの変化する方向に直交した変化の無い方向に並べられるかの違いである。
部材５０の表面Ｃ”’と表面Ｄ”’はそれぞれ部材５１と部材５２で覆われ、各エレメントに対応する部材の表面を平行移動させてつなぎあわせると小曲面Ｗ，Ｗ’とＴ，Ｔ’を配列した仮想面ｖ，ｕとなる。したがって部材５１の外表面Ａ”’および部材５２の外表面Ｂ”’はそれぞれ仮想面ｖと仮想面ｕを母曲面とするフレンネルレンズ面とみなすことができる。
【０１５４】
屈折率ｎ１’の部材５０の表面Ｃ”’は屈折率ｎ２’の部材５１との屈折率の大小関係で小凹面と小凸面が凸レンズか凹レンズのいずれかになり、小凸レンズと小凹レンズが交互に並んだマイクロレンズアレイ面になる。なお、部材５０と部材５１は、マイクロレンズアレイ面の小レンズの焦点距離がフレンネルレンズ面の焦点距離にほぼ等しくなるように、屈折率を適切に選定してある。
屈折率ｎ１’の部材５０の表面Ｄ”’もまた屈折率ｎ３’の部材５２との屈折率の大小関係で小凹面と小凸面が凸レンズか凹レンズのいずれかになり、小凸レンズと小凹レンズが交互に並んだマイクロレンズ面になる。なお、部材５２は、マイクロレンズアレイ面の小レンズの焦点距離がフレンネルレンズ面の焦点距離にほぼ等しくなるように、部材５０の屈折率と対比して屈折率を適切に選定してある。
【０１５５】
表面Ｄ”’の小レンズｔ，ｔ’は曲面上を次々と並べて配列される結果、マイクロレンズアレイのレンズとしての特性が強められる。また表面Ｃ”’の個々の小レンズは直線状に並ぶが、個々の小レンズｗ，ｗ’は配列面ｖに沿って曲げられるのでマイクロレンズアレイのレンズとしての特性が強められる。
【０１５６】
以上の説明から明らかなように小凸レンズｔ，ｗと小凹レンズｔ’，ｗ’とを交互に配列してなるマイクロレンズアレイ面Ｃ”’，Ｄ”’がフレンネルレンズ面Ａ”’，Ｂ”’に沿って配置され、マイクロレンズアレイ面Ｃ”’，Ｄ”’の個々の小レンズｗ，ｗ’とｔ，ｔ’が場所と共に傾き、レンズとしての特性が場所とともに変化する。
その結果、右目と左眼の網膜像にマイクロレンズアレイ面Ｃ”’，Ｄ”’に基づいて第３の差異が生じ、フレンネルレンズ面Ａ”’，Ｂ”’による差異と、マイクロレンズアレイ面Ｃ”’，Ｄ”’の小凸面ｔ、ｗと小凹面ｔ’，ｗ’の個々による差異とが重なってより強く立体感を発現する。
また、マイクロレンズアレイ面Ｃ”’，Ｄ”’はフレンネルレンズ面Ａ”’，Ｂ”’と共に滑らかであるため、この曲面レンズ１０を通して見える像が急激に歪むことがなく、違和感の少ない見易い像として見ることができる。
【０１５７】
さらに、マイクロレンズアレイ面Ｃ”’，Ｄ”’が固体部材５０と５１，５０と５２の相互に接する境界面であるため、空気に接する曲率の大きいフレンネルレンズ面Ａ”’，Ｂ”’のレンズ特性とマイクロレンズアレイ面Ｃ”’，Ｄ”’の小曲面ｗ，ｗ’とｔ，ｔ’のレンズ特性とを同程度にすることが可能で、フレンネルレンズとマイクロレンズアレイとを別部品とすること無く一体構造の曲面レンズが構成でき、立体感の発現力の強い表示装置が得られる。
【０１５８】
第１から第４の実施の形態において、フレンネルレンズ面は二つとし、この二つのフレンネルレンズ面でマイクロレンズアレイ面を挟む構造として示したが、フレンネルレンズ面は三つでも、それ以上の複数でも良い。複数のフレンネルレンズ面の中から少なくとも二つを選んでマイクロレンズアレイ面を挟む構造として、これに残りのフレンネルレンズ面を組み合わせる形態とすることもできる。フレンネルレンズ面が三つの場合は二つづつの２組に分け、それぞれの組でマイクロレンズアレイ面を挟む構造として、これらを組み合わせて一つの曲面レンズとすることでも良い。その際、一方の組だけマイクロレンズアレイ面を挟み、他方の組を挟まないこともできる。
【０１５９】
なお、この第４の実施の形態では、マイクロレンズアレイ面が曲面状に曲がる効果で立体感が強まる。このためフレンネルレンズ面を一つにすることでもき、フレンネルレンズ面とマイクロレンズアレイ面をそれぞれ一つとする構成も実用的になる。
【０１６０】
第１から第４の実施の形態において二つのフレンネルレンズ面の組み合わせ方を変えている。曲面の変化が同じ方向で水平方向のもの、垂直方向のもの、また互いに直交して一方が水平方向、他方が垂直方向のものなどである。曲面の変化の方向を一つの方向に限定すれば、レンズ曲面が作り易くなり、また限定した変化の方向を眼の左右方向あるいは眼の上下方向に合わせれば斜めに歪むことが無く違和感が少なくなるなどの利点はあるが、基本的にはレンズ曲面の変化の方向は自由で、この場合も有効面積を拡大することも、立体感を強めることも、さらに歪みの感じ方を低減することもできる。特に、ある特定の方向には曲面が大きく変化し他の方向に変化が少ない場合は、近似的に大きく変化する方向だけを変化方向と見なすと、この方向を眼の左右あるいは上下方向に合わせることで歪みに対する違和感を大幅に低減できる。
【０１６１】
第１から第４の実施の形態において、フレンネルレンズ面はいずれも凸レンズとしたが、凹レンズであっても良い。しかし、表側と裏側のフレンネルレンズ面は共に凸レンズであるか同じ凹レンズで無ければならない。そうでなければ互いに効果を相殺するか、像の縦と横の倍率を大きく変えてしまうなどの弊害をもたらすからである。
また、第１から第４の実施の形態を説明するための各図で、マイクロレンズアレイ面の小凸レンズと小凹レンズはフレンネルレンズ面のエレメントの幅より小さく描いているが、逆に小凸レンズと小凹レンズがエレメントの幅より大きい場合もある。
【０１６２】
次に、第５の実施の形態について説明する。
第５の実施の形態の表示装置の装置構成は第１の実施の形態の表示装置と同じである。違いは曲面レンズにある。
この第５の実施の形態における曲面レンズもフレンネルレンズ面とマイクロレンズアレイ面とを有する。フレンネルレンズ面のレンズ特性を中央部では大きく周縁部では小さくする事で、周縁部の歪みを低減し、併せてレンズとしての有効面積を拡大する。
第１から第４の実施の形態では、フレンネルレンズ面は全て円筒面としてきた。円筒面および球面のレンズでは全ての場所で曲率あるいは曲率半径は等しい。にもかかわらず、光軸から離れるに従ってレンズとしての特性が強まる。これはレンズ曲面が傾いていることに起因する。このため周縁部において像が大きく歪むことになる。
【０１６３】
曲面レンズに正しく対面した充分遠くの１点から曲面レンズに到達する光は近似的に全て光軸に平行とみなすことができる。光軸は凸面では曲面の最も突出した点を、凹面では最も引っ込んだ点を通る。これらの点が頂点である。フレンネルレンズ面に頂点が無い場合は、局面レンズの有効領域の外に光軸があることになる。
凸レンズ面では光軸に平行に進んできた光がレンズ面で屈折し、１点に集まる。また、凹レンズ面では光軸に平行に進んできた光りがレンズ面で屈折し、あたかも１点から放射されるように拡散する。この１点に集まる点あるいは１点から放射される点が焦点で、レンズ曲面からこの焦点までの距離が焦点距離である。なお、焦点はレンズ曲面の両側にある。
レンズの頂点近傍では近似的に焦点の位置および焦点距離を一定とみなせる。この前提の下でレンズの法則が広く周知され、曲率あるいは曲率半径でレンズの特性を記述されるものとしている。
【０１６４】
第１の実施の形態の説明では、この前提の下に周知のレンズの式を適用して近似的に概要を説明した。しかし、表示装置に用いる曲面レンズのフレンネルレンズ面では広がり面が広大であり、場所毎にレンズ面は光軸に対して傾く結果、同じ曲率、同じ曲率半径のレンズ曲面でも場所毎に焦点位置と焦点距離が異なる。しかし場所を限った狭い領域では近似的に一定と見なせる。このような局所的な焦点と焦点距離が局所焦点、局所焦点距離である。この局所焦点距離はレンズ面の曲率半径だけで単純に表すことはできず、レンズ曲面の光軸に対する傾きにも依存する。局所焦点の位置は場所毎に異なり、局所焦点距離も場所毎に異なる。この局所的な部分の像の倍率はこの局所焦点距離を用いて周知のレンズの式を用いて決めることができる。
【０１６５】
場所のいかんに関わらず局所焦点距離が一定となるようにフレンネルレンズ面の曲面形状を定めることもできる。このような曲面は断面図で円筒面を表す円弧と比較すると頂点から離れるに従って円弧よりも曲線の変化が少ない形状である。このような曲面は単純な数式で表現はできないが、比較的容易に定めることができる。
【０１６６】
曲面レンズの周縁部では、特に斜め方向から見る際に表示画像の最外枠である直線状の線が歪んで見えることの違和感がある。これらの歪みは、フレンネルレンズ面の周縁部の局所焦点距離を中央部の局所焦点距離より大きくすることで立体感の発現力をほとんど損なうことなく、緩和することができる。
【０１６７】
立体感の発現に大きく寄与する曲面レンズの中央部ではレンズ面の湾曲が強く、局所焦点距離は小さいので全体像に大きな立体感が発現する。立体感の発現に寄与の少ない周縁部ではレンズ面の湾曲が弱まり、像の拡大率あるいは縮小率が小さくなるため、像の歪みも少なくなり、斜め方向から見る際に表示画像の最外枠である直線状の線の歪も低減できる。また、フレンネルレンズ面の周縁部では不必要に大きく湾曲することを排除できているので、曲面レンズの有効面積を広くでき、大形の表示装置を実現できる。
【０１６８】
この第５の実施の形態では、フレンネルレンズ面の曲率、すなわち母曲面の曲率が場所により変わる形態を説明した。このようにフレンネルレンズ面の母曲面は一つの曲率の曲面である必要はなく、曲率の異なる２以上の凸面が連なる滑らかな凸面か、または曲率の異なる２以上の凹面が連なる滑らかな凹面であれば良い。
【０１６９】
第１から第４の実施の形態における表示装置について、曲面レンズ１０と表示画像１１の位置関係について説明する。曲面レンズ１０の焦点距離は曲面レンズ１０を構成する各レンズ曲面のレンズとしての特性が加味されて定まる。フレンネルレンズ面は比較的広く、マイクロレンズアレイ面の小凸レンズおよび小凹レンズは比較的小さい、このため場所毎に局所焦点距離が変わる。見える像は当然正立像でなければならないから、曲面レンズ１１のレンズ面は表示画像１１に対して局所焦点距離よりも近い位置に置く必要がある。また、像の歪みを小さくするためには、曲面レンズをさらに表示画面１１に近づけることが必要になる。一方、立体感は曲面レンズを表示画像から離して局所焦点に近づけるほど強くなる。どの位置に置くかは許容できる歪みの程度と発現する立体感の程度の兼ね合いで決まる。しかし、局所焦点の近傍に置くことはあまりにも歪みが大きく実用的でない。
【産業上の利用可能性】
【０１７０】
本発明は、２次元画像を奥行き感のある立体的な像として表示せしめる表示装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１７１】
【図１】本発明の第１の実施の形態における表示装置の斜視図である。
【図２】第１の実施の形態における曲面レンズの構成を概念的に示す斜視図である。
【図３】第１の実施の形態における曲面レンズの構成を概念的に示す水平断面図及び小レンズ面の形状を説明するための図面である。（ａ）は曲面レンズの水平断面図、（ｂ）は小レンズ面の説明図である。
【図４】第２の実施の形態における曲面レンズの構成を概念的に示す斜視図である。
【図５】第２の実施の形態における曲面レンズの構成を概念的に示す垂直断面図である。
【図６】第２の実施の形態における曲面レンズの構成を概念的に示す水平断面図である。
【図７】第３の実施の形態における曲面レンズの構成を概念的に示す斜視図である。
【図８】第３の実施の形態における曲面レンズの構成を概念的に示す垂直断面図である。
【図９】第３の実施の形態における曲面レンズの構成を概念的に示す水平断面図である。
【図１０】第４の実施の形態における曲面レンズの構成を概念的に示す斜視図である。
【図１１】第４の実施の形態における曲面レンズの構成を概念的に示す水平断面図である。
【符号の説明】
【０１７２】
１０  曲面レンズ
１１  表示画像
１２  保持機構
１２ａ  保持機構の背面板
１２ｂ  保持機構のアーム
２０  曲面レンズを構成する部材
２１  曲面レンズを構成する部材
２２  部材２０と部材２１で挟まれた部分
３０  曲面レンズを構成する接着剤
４０，４０’  曲面レンズを構成する部材
４１，４１’  曲面レンズを構成する部材  
４２  部材４０と部材４１で挟まれた部分
４２’  部材４０’と部材４１’で挟まれた部分
４３，４３’  接着剤
５０  曲面レンズを構成する部材
５１  曲面レンズを構成する部材
５２  曲面レンズを構成する部材
Ａ，Ａ’，Ａ”，Ａ”’  フレンネルレンズ面（曲面レンズの外表面）
Ｂ，Ｂ’，Ｂ”，Ｂ”’  フレンネルレンズ面（曲面レンズの外表面）
Ｃ，Ｃ’，Ｃ”，Ｃ”’  マイクロレンズアレイ面（部材の境界面）
Ｄ，Ｄ’，Ｄ”，Ｄ”’  マイクロレンズアレイ面（部材の境界面）
ａ，ａ’，ａ”，ａ”’  フレンネルレンズ面の母曲面
ｂ，ｂ’，ｂ”，ｂ”’  フレンネルレンズ面の母曲面
Ａ１〜Ａ５，Ａ１’〜Ａ１４’，Ａ１”〜Ａ４”  フレンネルレンズ面を構成するエレメント
ａ１〜ａ５，ａ１’〜ａ１４’，ａ１”〜ａ４”  フレンネルレンズ面のエレメントに対応する母曲面の要素
Ｂ１〜Ｂ５，Ｂ１’〜Ｂ１４’，Ｂ１”〜Ｂ４”  フレンネルレンズ面を構成するエレメント  
ｂ１〜ｂ５，ｂ１’〜ｂ１４’，ｂ１”〜ｂ４”  フレンネルレンズ面のエレメントに対応する母曲面の要素
ｉ１〜ｉ４，ｉ１’〜ｉ４’  小曲面あるいは小レンズ面
ｊ１〜ｊ６，ｊ１’〜ｊ６’  小曲面あるいは小レンズ面
ｋ１〜ｋ８，ｋ１’〜ｋ８’  小曲面あるいは小レンズ面
ｓ１，ｓ２，ｓ１’  ，ｓ２’  小曲面あるいは小レンズ面
ｔ，ｔ’，ｗ，ｗ’  小曲面あるいは小レンズ面
Ｔ，Ｔ’，Ｗ，Ｗ’  仮想面における小曲面
ｍ  像の倍率  
ｎ、ｎ１，ｎ２，ｎ１’〜ｎ３’  屈折率  
ｆ  焦点距離
ｄ  表示画像のレンズ曲面からの距離
ｒ  レンズ面の曲率半径  
ｇ  母曲面の任意の点
ｈ  母曲面の任意の点ｇにおける法線
ｑ  曲面レンズの法線
θ  母曲面の任意の点ｇにおける法線ｈの特定方向（上下方向）となす角度
ｅ  母曲面の頂点
ｕ，ｖ  小レンズを配列する仮想面
ｈ１，ｈ２  母曲面を切断する切断面の間隔
【図１】
2006030229.tif 000003
【図３】
2006030229.tif 000004
【図５】
2006030229.tif 000005
【図６】
2006030229.tif 000006
【図８】
2006030229.tif 000007
【図９】
2006030229.tif 000008
【図１０】
2006030229.tif 000009
【図１１】
2006030229.tif 000010
【図２】
2006030229.tif 000011
【図４】
2006030229.tif 000012
【図７】
2006030229.tif 000013