(57)【要約】【課題】  高画質で違和感が少なく高い立体感の得られる三次元映像表示装置を提供すること。【解決手段】  二次元映像表示素子２と、前記二次元映像素子２の少なくとも１つの画素に対応すると共に前記画素に表示された映像の奥行き情報に基づき焦点距離を変更可能な単位レンズ要素が、二次元的に配置されたレンズアレイ３と、前記レンズアレイ３で結像された前記映像を投影する接眼レンズ６とを具備してなる三次元映像表示装置Ａ。【選択図】  図１
2006091333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元映像表示素子と、
前記二次元映像素子の少なくとも１つの画素に対応すると共に前記画素に表示された映像の奥行き情報に基づき焦点距離を変更可能な単位レンズ要素が、二次元的に配置されたレンズアレイと、
前記レンズアレイで結像された前記映像を投影する接眼レンズとを、
具備してなることを特徴とする三次元映像表示装置。
【請求項２】
前記レンズアレイは、少なくとも像側にテレセントリックであることを特徴とする請求項１に記載の三次元映像表示装置。
【請求項３】
前記レンズアレイは、マイクロレンズアレイであることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元映像表示装置。
【請求項４】
前記レンズアレイは、液晶レンズアレイであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の三次元映像表示装置。
【請求項５】
前記接眼レンズの焦点位置は、前記レンズアレイの可変焦点距離範囲内にあることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の三次元映像表示装置。
【請求項６】
前記二次元映像表示素子と前記レンズアレイとの間に第１中間結像レンズを有し、
前記第１中間結像レンズは、前記二次元映像表示素子に表示された映像を前記レンズアレイに投影することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の三次元映像表示装置。
【請求項７】
前記第１中間結像レンズは、拡大倍率を有することを特徴とする請求項６に記載の三次元映像表示装置。
【請求項８】
前記レンズアレイと前記接眼レンズとの間に配置された第２中間結像レンズを有し、
前記第２中間結像レンズは、前記レンズアレイで結像された前記二次元映像表示素子に表示された映像を、前記接眼レンズに投影することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の三次元映像表示装置。
【請求項９】
前記第２中間結像レンズは、拡大倍率を有することを特徴とする請求項８に記載の三次元映像表示装置。
【請求項１０】
前記第１中間結像レンズと、前記第２中間結像レンズと、前記接眼レンズの少なくとも１つのレンズがテレセントリック系を含むことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の三次元映像表示装置。
【請求項１１】
照明装置と、
前記二次元映像表示素子に表示された映像の出射側に設けられた偏光分離素子を有し、
前記偏光分離素子は、前記照明装置からの特定方向の偏光光束を反射して前記二次元映像表示素子に入射し、前記二次元映像表示素子で変調反射された光束を透過して前記二次元映像表示素子に表示された映像を前記レンズアレイに投影することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の三次元映像表示装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの偏向ミラーを有し、
前記二次元映像表示素子に表示された映像の光路を偏向して投影することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の三次元映像表示装置。
【請求項１３】
前記偏向ミラーの１つはコンバイナであり、
前記コンバイナを介して、前記二次元映像表示素子に表示された映像と、外界の実像とを重ねて観察可能にすることを特徴とする請求項１２に記載の三次元映像表示装置。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の三次元映像表示装置を、左眼用と右眼用に一組有し、
前記左眼用の前記二次元表示素子に左眼用の映像を表示し、前記右眼用の前記二次元表示素子に右眼用の映像を表示することを特徴とする三次元映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元映像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、映像を撮影する時に左眼用の映像と右眼用の映像とをそれぞれ撮影し、左眼及び右眼でそれぞれの映像を観察し、左眼と右眼の視差や輻輳角を利用して二次元映像から三次元映像を再現することが知られている。また、二次元の表示映像の各画素に対応する可変焦点レンズを配置して、各画素に表示された映像の奥行き情報に基づき可変焦点レンズの焦点距離を変更して結像映像に奥行きを与えること、あるいは各画素の発光面に入射端を持つ導波路を設け、導波路の長さによって映像に奥行きを与えることにより、二次元映像から三次元映像を再現することが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特表平１１−５１３１２９号公報
【特許文献２】特開２００３−２９５１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、両眼視差や輻輳角によって二次元映像から三次元映像を再現する場合、両眼視差や輻輳角による距離感と像の光学的距離感とが必ずしも一致せず、その差が大きくなったり観察時間が長くなったりすると、視覚的違和感を感じ眼の疲労や吐き気等を生じるという不具合がある。また、特許文献１の開示例は、可変焦点レンズを用いた三次元映像表示の基本的なアイデアは提案されているものの、二次元映像を用いて三次元映像を表示する具体的な構成の提案がほとんどなされておらず、高い立体感を実現する三次元映像表示装置として未完成である。また、特許文献２の開示例は、複数の長さの異なる導波路を各画素の発光面にそれぞれ配置して導波路の長さによって奥行きを与えるため、奥行きの分解能を上げるためには長さの異なる導波路を多数配置する必要がある。このため映像の奥行き方向の分解能を上げるには限界があり高画質の三次元映像を得ることが難しいと言う問題がある。
【０００４】
本発明は、上記課題に鑑みて行われたものであり、高画質で違和感が少なく高い立体感の得られる三次元映像表示装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は、二次元映像表示素子と、前記二次元映像素子の少なくとも１つの画素に対応すると共に前記画素に表示された映像の奥行き情報に基づき焦点距離を変更可能な単位レンズ要素が、二次元的に配置されたレンズアレイと、前記レンズアレイで結像された前記映像を投影する接眼レンズとを具備してなることを特徴とする三次元映像表示装置を提供する。
【０００６】
また、本発明にかかる三次元映像表示装置では、前記レンズアレイは、少なくとも像側にテレセントリックである構成が好ましい。
【０００７】
また、本発明にかかる三次元映像表示装置では、前記レンズアレイは、マイクロレンズアレイであることが好ましい。
【０００８】
また、本発明にかかる三次元映像表示装置では、前記レンズアレイは、液晶レンズアレイであることが好ましい。
【０００９】
また、本発明にかかる三次元映像表示装置では、前記接眼レンズの焦点位置は、前記レンズアレイの可変焦点距離範囲内にあることが好ましい。
【００１０】
また、本発明にかかる三次元映像表示装置は、前記二次元映像表示素子と前記レンズアレイとの間に第１中間結像レンズを有し、前記第１中間結像レンズは、前記二次元映像表示素子に表示された映像を前記レンズアレイに投影する構成が好ましい。
【００１１】
また、本発明にかかる三次元映像表示装置では、前記第１中間結像レンズは、拡大倍率を有することが好ましい。
【００１２】
また、本発明にかかる三次元映像表示装置は、前記レンズアレイと前記接眼レンズとの間に配置された第２中間結像レンズを有し、前記第２中間結像レンズは、前記レンズアレイで結像された前記二次元映像表示素子に表示された映像を、前記接眼レンズに投影する構成が好ましい。
【００１３】
また、本発明にかかる三次元映像表示装置では、前記第２中間結像レンズは、拡大倍率を有することが好ましい。
【００１４】
また、本発明にかかる三次元映像表示装置は、前記第１中間結像レンズと、前記第２中間結像レンズと、前記接眼レンズの少なくとも１つのレンズがテレセントリック系を含む構成が好ましい。
【００１５】
また、本発明にかかる三次元映像表示装置は、照明装置と、前記二次元映像表示素子に表示された映像の出射側に設けられた偏光分離素子を有し、前記偏光分離素子は、前記照明装置からの特定方向の偏光光束を反射して前記二次元映像表示素子に入射し、前記二次元映像表示素子で変調反射された光束を透過して前記二次元映像表示素子に表示された映像を前記レンズアレイに投影する構成が好ましい。
【００１６】
また、本発明にかかる三次元映像表示装置は、少なくとも１つの偏向ミラーを有し、前記二次元映像表示素子に表示された映像の光路を偏向して投影する構成が好ましい。
【００１７】
また、本発明にかかる三次元映像表示装置では、前記偏向ミラーの１つはコンバイナであり、前記コンバイナを介して、前記二次元映像表示素子に表示された映像と、外界の実像とを重ねて観察可能にする構成が好ましい。
【００１８】
また、本発明にかかる三次元映像表示装置は、前記三次元映像表示装置を、左眼用と右眼用に一組有し、前記左眼用の前記二次元表示素子に左眼用の映像を表示し、前記右眼用の前記二次元表示素子に右眼用の映像を表示することを特徴とする三次元映像表示装置を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高画質で違和感が少なく高い立体感の得られる三次元映像表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態に関し図面を参照しつつ説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１実施の形態にかかる双眼三次元映像表示装置の概略構成図である。図２は、図１の三次元映像表示装置の動作原理を説明する概略図である。図３は、図２に示す三次元映像表示装置の第１変形例の概略構成図である。図４は、図２に示す三次元映像表示装置の第２変形例の概略構成図である。図５は、本発明の第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置の概略構成図である。図６は、第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置の第１変形例の概略構成図を示す。図７は、第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置の第２変形例の概略構成図を示す。図８は、第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置の第３変形例の概略構成図を示す。図９は、本発明の第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置で双眼三次元映像表示装置を構成した概略構成図である。
【００２２】
（第１実施の形態）
図１および図２を参照しつつ、本発明の第１実施の形態にかかる三次元映像表示装置に関し説明する。
【００２３】
図１において、右眼用及び左眼用の一組の三次元映像表示装置Ａ（Ｒ）及びＡ（Ｌ）とから双眼三次元映像表示装置Ａが構成されている。右眼用三次元映像表示装置Ａ（Ｒ）と左眼用三次元映像表示装置Ａ（Ｌ）とは構成が同じであるため、以後右眼用の三次元映像表示装置Ａ（Ｒ）を代表として詳説する。
【００２４】
図１に示すように、三次元映像表示装置Ａ（Ｒ）は、表示用の映像を制御する三次元映像再生装置１を有し、これから送出される映像情報に基づき右眼用の映像を表示する二次元映像表示素子２（Ｒ）と、二次元映像表示素子２（Ｒ）の各画素の少なくとも１つに対応すると共に各画素に表示された映像に対応して三次元映像再生装置１から送出される奥行き情報（右眼距離情報）に基づき焦点距離を変更可能な単レンズ要素が、二次元的に配置された可変焦点マイクロレンズアレイ３（Ｒ）と、可変焦点マイクロレンズアレイ３（Ｒ）で焦点距離を変えて結像された映像４（Ｒ）を右眼５（Ｒ）に拡大投影する接眼レンズ６（Ｒ）から構成されている。
【００２５】
図２において、可変焦点マイクロレンズアレイ３（Ｒ）で三次元映像再生装置１からの奥行き情報に従って焦点距離を変えられて結像された映像４（Ｒ）は、可変焦点マイクロレンズアレイ３（Ｒ）の焦点距離範囲ａ面とｂ面の間隔ｄ１内に形成される。ａ面は接眼レンズ６（Ｒ）から最も遠い距離に、ｂ面は接眼レンズ６（Ｒ）に最も近い距離にある。一方、接眼レンズ６（Ｒ）の焦点面ｃは、ａ面とｂ面との間に位置するように構成され、右眼５（Ｒ）に拡大映像４’を投影する。
【００２６】
なお、焦点面ｃがａ面より可変マイクロレンズアレイ３（Ｒ）側に来るように接眼レンズ６（Ｒ）を構成すると、表示映像の内、無限遠の像が右眼６（Ｒ）に結像できなくなる。無限遠の像を右眼６（Ｒ）に結像するためには、接眼レンズ６（Ｒ）の焦点面ｃが、可変焦点マイクロレンズアレイ３（Ｒ）の焦点距離範囲ａ面とｂ面との間に位置するように接眼レンズ６（Ｒ）を構成しなければならない。ａ面、ｂ面の位置は可変焦点マイクロレンズアレイ３（Ｒ）の仕様によって変化する。また、ａ面とｂ面との間隔ｄ１は大きいほうが表示可能な奥行きの幅が広くなり、より深い奥行き感（高い立体感）を実現できる。
【００２７】
このようにして、三次元映像表示装置Ａ（Ｒ）、Ａ（Ｌ）を配置して、図１に示す双眼三次元映像表示装置Ａが構成されている。
【００２８】
本第１実施の形態では、両眼で観察される三次元映像再生装置１からの映像は、各画素の奥行き情報に応じた光学的距離（焦点距離）と左右映像の視差とにより高画質で高い立体感を有する三次元映像として観察者に認識される。実世界の視覚認識を構成する、色、明るさ、光学的距離、視差のうち、色と明るさは二次元映像表示素子３（Ｒ）、３（Ｌ）で、光学的距離は可変焦点マイクロレンズアレイ３（Ｒ）、３（Ｌ）による結像位置で、視差は左右映像で得られる。この結果、本第１実施の形態にかかる双眼三次元映像表示装置Ａは、三次元認識に関わる情報の欠落が無いため、違和感の無い高い立体感を有する三次元映像を表示することが可能となる。
【００２９】
なお、可変焦点マイクロレンズアレイ３（Ｒ）、３（Ｌ）は、各単位レンズ要素が少なくとも像側にテレセントリックであることが望ましい。像側テレセントリックにすることで、像の結像位置が変化しても像の大きさに変動を生じることが無い。像の大きさが変動すると隣接画素の表示距離（結像距離）が異なるとき、近距離に結像される画素の像が遠距離に結像される画素の像に重なって表示されるなどの問題を生じる。
【００３０】
また、接眼レンズ６を用いない構成では、視野を覆う大きさで三次元映像を表示するためには非常に大きな装置となる。
【００３１】
なお、本第１実施の形態にかかる三次元映像表示装置Ａ（Ｒ）、Ａ（Ｌ）は、Ａ（Ｒ）またはＡ（Ｌ）単体でも三次元映像を表示することが可能である。この場合、双眼三次元映像表示装置Ａに比べ両眼視差情報が不足する分立体感が落ちるものの、可変焦点マイクロレンズアレイで結像される表示映像が奥行き情報に基づき形成されているため従来の三次元映像表示装置に比べ高い立体感を得ることができる。
【００３２】
（第１実施の形態の第１変形例）
図３は、本第１実施の形態にかかる三次元映像表示装置の第１変形例を示す。本第１変形例は、二次元映像表示素子２（以後、左眼用および右眼用をまとめて記す。他の部材も同様とする。）と可変焦点マイクロレンズアレイ３との間に第１中間結像レンズ７を配置した点が異なっている。前述の第１実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し説明を省略する。
【００３３】
図３において、第１中間結像レンズ７は、二次元映像表示素子２の表示映像を拡大して可変焦点マイクロレンズアレイ３に投影する。
【００３４】
二次元映像表示素子２の単位画素は光の強弱のみを変調すればよいので、画素構造が比較的単純なため小型化が容易である。一方、可変焦点マイクロレンズアレイ３の単位レンズ要素は、平面内で屈折率分布を持たせる必要から二次元映像表示素子２の単位画素に比べ複雑な構造となり、二次元映像表示素子２ほどに小型化することが難しいことが考えられる。
【００３５】
本第１変形例では、第１中間結像レンズ７は、二次元映像表示素子２の単位画素を、可変焦点マイクロレンズアレイ３の単位レンズ要素とほぼ同じ大きさに拡大する構成としている。この結果、各画素に表示された映像を対応する単位レンズ要素に入射することが可能となり、異なる大きさの二次元映像表示素子２と可変焦点マイクロレンズアレイ３を組み合わせて三次元映像表示装置Ａを構成することが可能になる。
【００３６】
なお、第１中間結像レンズ７は、少なくとも像側にテレセントリックな構成である事が望ましい。像側テレセントリックにすることで可変焦点マイクロレンズアレイ３に二次元映像表示素子２からの光を効率よく入射させることができ光利用効率が向上するので明るい映像を表示することが可能となる。また、より好ましくは両側テレセントリック構成が望ましい。物体側テレセントリックとすれば、ダイクロイックプリズムを併用する３板式表示素子を二次元映像表示素子２に用いることが可能となる。
【００３７】
その他の作用、効果は、前述の第１実施の形態と同様であり説明を省略する。
【００３８】
（第１実施の形態の第２変形例）
図４は、本第１実施の形態にかかる三次元映像表示装置の第２変形例を示す。本第２変形例は、可変焦点マイクロレンズアレイ３（以後、左眼用及び右眼用をまとめて記す。他の部材も同様とする。）と接眼レンズ６との間に第２中間結像レンズ８を配置した点が異なっている。前述の第１実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し説明を省略する。
【００３９】
図４において、可変マイクロレンズアレイ３による像面４の可変焦点距離間隔ｄ１では高い立体感を得るには不十分な場合が考えられる。例えば、コストダウンのために二次元映像表示素子２や可変焦点マイクロレンズアレイ３を小さい素子で構成するような場合にこのような事が生じる虞がある。
【００４０】
本第２変形例では、第２中間結像レンズ８を像面４と接眼レンズ６との間に配置し、像面４を像面９に拡大投影することによって、可変焦点距離間隔をｄ１からｄ２に拡大することを可能にしている。このように像面４を像面９に拡大投影することによって、観察眼５から見た表示面積が拡大されると共に奥行き方向も拡大され、十分な奥行き表現が可能となり高い立体感を有する三次元映像を表示することが可能となる。
【００４１】
なお、第２中間結像レンズ８に加えて、更に別の中間結像レンズを連結配置しても良い。また、第２中間結像レンズ８を変倍可能にすることで像面９の像拡大率を光学的に可変することが可能となる。
【００４２】
なお、前述の第１変形例と本第２変形例を組み合わせて三次元映像表示装置を構成することも可能である。第１中間結像レンズと第２中間結像レンズを用いることによって、二次元表示素子２および可変焦点マイクロレンズアレイ３の選択の幅が広がり三次元映像表示装置の設計が容易となる。
【００４３】
その他の作用、効果は、前述の第１実施の形態と同様であり説明を省略する。
【００４４】
（第２実施の形態）
次に、本発明の第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置に関し図面を参照しつつ説明する。
【００４５】
図５は、本発明の第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置の概略構成図である。本第２実施の形態は、二次元映像表示素子に偏光制御式表示素子（ＬＣｏＳ：Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｎ  Ｓｏｌｉｃｏｎの略）を用いている。なお、第１実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し説明をする。
【００４６】
図５において、三次元映像表示装置Ｂは、照明装置１０と、照明装置１０からの特定方向に偏光された光束を反射して二次元映像表示装置１２へ入射し、二次元映像表示素子１２で偏光方向が変調され反射された光束を透過する偏光分離部２０ａを有する偏光分離素子２０が配置されている。偏光分離素子２０を透過、出射した光束は第１中間結像レンズ７を介して可変焦点マイクロレンズアレイ３に投影される。二次元映像表示素子１２の各画素の少なくとも１つに対応する可変焦点マイクロレンズアレイ３の単位レンズ要素は、三次元映像再生装置１（図１参照）から送出される奥行き情報に基づき焦点距離が変更され、二次元映像素子１２に表示された映像を結像する。可変焦点マイクロレンズアレイ３を出射した光束は、偏向ミラー１５で進行方向を変えられ、接眼レンズ６を介して観察眼５に拡大投影される。このようにして、第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置Ｂが構成されている。
【００４７】
本第２実施の形態では、二次元映像表示素子１２と可変マイクロレンズアレイ３の間に、偏光分離素子２０を配置し、照明装置１０を設けることによって、偏光制御式表示素子（ＬＣｏＳ）の使用を可能としている。
【００４８】
なお、偏向ミラー１５を光路に挿入することなく、第１実施の形態と同様に、接眼レンズ６を可変焦点マイクロレンズアレイ３の光線出射側に配置しても良い。
【００４９】
また、三次元映像表示装置Ｂにおける可変焦点マイクロレンズアレイ３の作用、効果は、第１実施の形態と同様であり説明を省略する。また、後述するように、本三次元映像表示装置Ｂを左眼用、右眼用に一組配置して双眼三次元映像表示装置を構成することができる。
【００５０】
また、可変焦点マイクロレンズアレイ３は、各単位レンズ要素が少なくとも像側にテレセントリックであることが望ましい。像側テレセントリックにすることで、像の結像位置が変化しても像の大きさが変動することが無い。
【００５１】
その他、作用、効果は第１実施の形態と同様であり説明を省略する。
【００５２】
（第２実施の形態の第１変形例）
図６は、第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置の第１変形例の概略構成図を示す。前述の第２実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し説明する。
【００５３】
図６において、本第１変形例では、三次元映像表示装置Ｃは、照明装置１０と、照明装置１０からの特定方向に偏光された光束を反射して二次元映像表示装置１２へ入射し、二次元映像表示素子１２で偏光方向が変調され反射された光束を透過する偏光分離部２０ａを有する偏光分離素子２０が配置されている。偏光分離素子２０を透過、出射した光束は第１中間結像レンズ７で可変焦点マイクロレンズアレイ３に投影される。第１中間結像レンズ７と可変焦点マイクロレンズアレイ３との間に、第１の偏向ミラー１５が配置され、略９０度光路が偏向される。二次元映像表示素子１２の各画素の少なくとも１つに対応する可変焦点マイクロレンズアレイ３の単位レンズ要素は、三次元映像再生装置１（図１参照）から送出される奥行き情報に基づき焦点距離が変更され、二次元映像素子１２に表示された映像を結像する。この映像は、第２中間結像レンズ８で拡大され、第２の偏向ミラー１６で光路を略９０度偏向され、接眼レンズ６を介して観察眼５に拡大投影される。このようにして、第１変形例にかかる三次元映像表示装置Ｃが構成されている。
【００５４】
本第１変形例では、二次元映像表示素子１２からの光束の出射光軸と観察眼５への入射光軸とが略平行に構成されるため、後述する双眼三次元映像表示装置を構成しやすくなる。また、光学系の光路を偏向ミラーにより折り曲げて構成するため、三次元映像表示装置をより小型化することも可能となる。
【００５５】
その他の作用、効果は、第２実施の形態と同様であり説明を省略する。
【００５６】
（第２実施の形態の第２変形例）
図７は、第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置の第２変形例の概略構成図を示す。本第２変形例では、第１変形例の第２の偏向ミラーをコンバイナ（光路結合素子）にした点が異なっている。その他第１変形例と同様の構成には同じ符号を付し説明する。
【００５７】
図７において、本第２変形例では、三次元映像表示装置Ｄは、照明装置１０と、照明装置１０からの特定方向に偏光された光束を反射して二次元映像表示装置１２へ入射し、二次元映像表示素子１２で偏光方向が変調され反射された光束を透過する偏光分離部２０ａを有する偏光分離素子２０が配置されている。偏光分離素子２０を透過、出射した光束は第１中間結像レンズ７で可変焦点マイクロレンズアレイ３に投影される。第１中間結像レンズ７と可変焦点マイクロレンズアレイ３との間に、第１の偏向ミラー１５が配置され、略９０度光路が偏向される。二次元映像表示素子１２の各画素の少なくとも１つに対応する可変焦点マイクロレンズアレイ３の単位レンズ要素は、三次元映像再生装置１（図１参照）から送出される奥行き情報に基づき焦点距離が変更され、二次元映像素子１２に表示された映像を結像する。可変焦点マイクロレンズアレイ３の結像は第２中間結像レンズ８で拡大され、接眼レンズ６の焦点位置近傍に結像され、接眼レンズ６及びコンバイナ（光路結合素子）１７を介して観察眼５に拡大投影される。コンバイナ１７は、接眼レンズ６からの出射光束を略９０度偏向して観察眼５に入射すると共に、外界の実像を透過して観察眼５に入射し、両者を重畳して観察可能にする。このようにして、第２変形例にかかる三次元映像表示装置Ｄが構成されている。
【００５８】
本第２変形例では、二次元映像表示素子１２からの光束の出射光軸と観察眼５への入射光軸とが略平行に構成され、コンバイナ１７により外界の実像と二次元映像表示素子１２に表示された映像を重ねて立体的に観察することが可能となる。また、光学系の光路をミラー要素により折り曲げて構成するため、後述する、双眼三次元映像表示装置による小型のシースルー型ヘッドマウンティングディスプレイを構成することが可能となる。
【００５９】
なお、コンバイナ１７として、ハーフミラー、ホログラム、または可変反射率鏡、あるいはこれらと液晶などの光学素子を組み合わせた光学部材を使用することができる。コンバイナ１７の種類は、外界の実像と二次元映像表示素子に表示される映像との合成目的に応じて選択すればよい。
【００６０】
その他の作用、効果は、第２実施の形態及び第１変形例と同様であり説明を省略する。
【００６１】
（第２実施の形態の第３変形例）
図８は、第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置の第３変形例の概略構成図を示す。本第３変形例では、可変焦点マイクロレンズアレイに反射型可変焦点マイクロレンズアレイを用いている。その他第２実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し説明する。
【００６２】
図８において、本第３変形例では、三次元映像表示装置Ｅは、照明装置１０を有し、照明装置１０から発せられた光束は偏光調整フィルタ１８によって特定方向に偏光され、偏光分離素子２０の偏光分離部２０ａで反射されて第１中間結像レンズ７を介して二次元映像表示装置１２上に集光される。二次元映像表示素子１２で偏光方向が変調され反射された光束は、再び第１中間結像レンズ７を介して、偏光分離素子２０に入射し偏光分離部２０ａを透過して偏光分離素子２０を出射し、偏向分離素子２０を挟んで二次元映像表示素子１２に対向する位置に配置された反射型可変焦点マイクロレンズアレイ２３に投影される。偏光分離素子２０から出射した光は、１／４波長板１９を透過して円偏光となり反射型可変焦点マイクロレンズアレイ２３に入射する。二次元映像表示素子１２の画素の少なくとも１つに対応する反射型可変焦点マイクロレンズアレイ２３の単位レンズ要素は、三次元映像再生装置１（図１参照）から送出された奥行き情報に基づき焦点距離を変更して二次元映像表示素子１２に表示された映像を結像する。反射型可変焦点マイクロレンズアレイ２３で反射され、焦点距離を調整された光束は、１／４波長板１９で入射光束とは偏向方向が９０度異なる直線偏光に変換され、偏光分離素子２０に入射し偏光分離部２０ａで第２中間結像レンズ８方向に反射され第２中間結像レンズ８で拡大され、接眼レンズ６を介して観察眼５に拡大投影される。このようにして、第３変形例にかかる三次元映像表示装置Ｅが構成されている。
【００６３】
なお、第１中間結像レンズ７は、フライアイレンズ等の焦点距離固定のマイクロレンズアレイを用いることで、レンズの全長を短くすることが可能となる。
【００６４】
本第３変形例では、反射型可変焦点マイクロレンズアレイ２３や第１中間結像レンズ７にフライアイレンズを用いることで、より小型の三次元映像表装置を構成することが可能となる。
【００６５】
なお、第２実施の形態の第２変形例のように、光路に偏向ミラーやコンバイナを配置することによって、三次元映像表示装置をより小型化することができると共に、シースルー型ヘッドマウンティングディスプレイ等を構成することも可能である。
【００６６】
その他の作用、効果は、第２実施の形態及び第２実施の形態の変形例と同様であり説明を省略する。
【００６７】
（ヘッドマウンティングディスプレイの構成例）
図９は、本発明の第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置で双眼三次元映像表示装置を構成した概略構成図である。本構成例では、第２実施の形態の第２変形例に示す三次元映像表示装置を用いてヘッドマウンティングディスプレイを構成した場合を示している。構成は第２変形例と同様であり同じ符号を付し説明を省略する。
【００６８】
図９において、三次元映像表示装置を右眼用Ｃ（Ｒ）と左眼用Ｃ（Ｌ）の一組を配置しヘッドマウンティングディスプレイを構成している。三次元映像再生装置１から右眼用Ｃ（Ｒ）と左眼用Ｃ（Ｌ）の表示映像情報が二次元映像表示素子２（Ｒ）、２（Ｌ）にそれぞれ送られると共に、各画素に対応する奥行き情報が可変焦点マイクロレンズアレイ３（Ｒ）、３（Ｌ）にそれぞれ送られて焦点距離がそれぞれ調整されて接眼レンズ６（Ｒ）、６（Ｌ）を介して観察眼５（Ｒ）、５（Ｌ）にそれぞれ拡大投影される。
【００６９】
本ヘッドマウンティングディスプレイでは、二次元映像表示素子２（Ｒ）、２（Ｌ）に表示され可変焦点マイクロレンズアレイ３（Ｒ）、３（Ｌ）で結像された映像は、奥行き情報と共に両眼視差情報も有しており、高画質で高い立体感を有する三次元映像を表示することが可能となる。
【００７０】
なお、接眼レンズ５（Ｒ）、５（Ｌ）に広角視野接眼レンズを用いることによって、視野を覆うようなサイズの三次元映像を表示することも可能である。
【００７１】
また、三次元映像表示装置に図７に示す三次元映像表示装置Ｄを用いることによって、シースルー型ヘッドマウンティングディスプレイを構成することも可能である。シースルー型ヘッドマウンティングディスプレイとすることによって、外界の実像に、違和感の無い三次元映像を重畳して表示することが可能となる。
【００７２】
なお、上述の実施の形態及び変形例では、二次元映像表示素子は自発光型または反射型のどちらを用いても良く、透過液晶、反射液晶、ＥＬデバイス、ＬＥＤデバイス等を用いることができる。また、可変焦点マイクロレンズアレイも透過型または反射型のどちらを用いても良く、液晶レンズアレイ、ＭＥＭＳレンズアレイ等を用いることができる。いずれの素子を用いるかは要求される設計仕様によって適宜使い分ければよい。
【００７３】
なお、上述の実施の形態は例に過ぎず、上述の構成や形状に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１実施の形態にかかる双眼三次元映像表示装置の概略構成図である。
【図２】図１の三次元映像表示装置の動作原理を説明する概略図である。
【図３】図２に示す三次元映像表示装置の第１変形例の概略構成図である。
【図４】図２に示す三次元映像表示装置の第２変形例の概略構成図である。
【図５】本発明の第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置の概略構成図である。
【図６】第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置の第１変形例の概略構成図を示す。
【図７】第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置の第２変形例の概略構成図を示す。
【図８】第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置の第３変形例の概略構成図を示す。
【図９】本発明の第２実施の形態にかかる三次元映像表示装置で双眼三次元映像表示装置を構成した概略構成図である。
【符号の説明】
【００７５】
１        三次元映像再生装置
２        二次元映像表示装置
３        可変焦点マイクロレンズアレイ
４        像面
５        観察眼
６        接眼レンズ
７        第１中間結像レンズ
８        第２中間結像レンズ
９        像面
１０      照明装置
１２      二次元映像表示装置
１５      偏向ミラー（第１の偏向ミラー）
１６      第２の偏向ミラー
１７      コンバイナ
１８      偏光調整フィルタ
１９      １／４波長板
２０      偏光分離素子
２３      反射型可変焦点マイクロレンズアレイ
Ａ        （双眼）三次元映像表示装置
Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ  三次元映像表示装置
【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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