(57)【要約】【課題】像の歪を押えて、２次元画像を奥行き感のある立体感の強い像として見ることができる曲面レンズおよび立体表示装置を提供すること。【解決手段】観察者の眼の左右方向である水平方向に対して斜めの一定方向に曲面的な変化が無く、この斜めの一定方向に直交する方向に曲面的な変化をする、充分広いひろがりを持った曲面をレンズ曲面とする曲面レンズと、曲面レンズから離れた位置で、曲面レンズからの距離が曲面レンズの焦点距離の１／４より短い位置に２次元表示画像を配置するように、２次元表示画像あるいは２次元表示画像の位置を保持する保持機構とを具備した表示装置であって、曲面レンズに対向した２次元表示画像を観察者に対面させることにより、観察者が曲面レンズを介して２次元表示画像を見えるようにした。【選択図】      図１
2006053166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかをレンズ曲面とする有効領域あるいは形状が矩形の曲面レンズであって、
前記境界面あるいは前記境界面の母曲面が前記矩形の一辺に対して斜めの一定方向に対して曲線的な変化が無く、前記斜めの一定方向に直交する方向に対して曲線的に変化することを特徴とする曲面レンズ。
【請求項２】
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかをレンズ曲面とする第１のレンズ曲面と、
前記第１のレンズ曲面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を前記第１のレンズ曲面に対向して配列してなる境界面をレンズ曲面とする第２のレンズ曲面とを多層に重ねた有効領域あるいは形状が矩形の曲面レンズであって、
前記第１のレンズ曲面の任意の各点における前記曲面レンズの矩形の一辺に平行な方向に対する曲線的な変化の成分と前記平行な方向に直交する方向に対する曲線的な変化の成分との両成分が互いに他方の成分に対して有意であることを特徴とする曲面レンズ。
【請求項３】
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかをレンズ曲面とする第１のレンズ曲面と、
前記第１のレンズ曲面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を前記第１のレンズ曲面に対向して配列してなる境界面をレンズ曲面とする第２のレンズ曲面とを多層に重ねた曲面レンズであって、
前記第１のレンズ曲面が、前記曲面レンズに正対する投影平面上の特定の一定方向に対しては曲線的な変化をし、前記投影面上にあって前記特定の一定方向に直交する方向に対して曲線的な変化が無いことを特徴とする曲面レンズ。
【請求項４】
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかを仮想配列面として、前記仮想配列面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を前記仮想配列面に沿って配列してなる境界面の第１のレンズ曲面と、
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかをレンズ曲面とする第２のレンズ曲面とのうち、
第１のレンズ曲面のみあるいは第１のレンズ曲面と第２のレンズ曲面の両方と、を有する曲面レンズ。
【請求項５】
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかを母曲面とするフレンネルレンズ形式の曲面を仮想配列面として、前記母曲面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を前記仮想配列面に沿って配列してなる境界面の第１のレンズ曲面と、
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかをレンズ曲面とする第２のレンズ曲面とのうち、
第１のレンズ曲面のみあるいは第１のレンズ曲面と第２のレンズ曲面の両方と、を有する曲面レンズ。
【請求項６】
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかをレンズ曲面とする有効領域あるいは形状が矩形の曲面レンズであって、
前記境界面あるいは前記境界面の母曲面の任意の各点における前記曲面レンズの矩形の一辺に平行な方向に対する曲線的な変化の成分と前記平行な方向に直交する方向に対する曲線的な変化の成分との両成分が互いに他方の成分に対して有意であることを特徴とする曲面レンズ。
【請求項７】
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式のレンズ曲面となる境界面を第１のレンズ曲面とし、
前記第１のレンズ曲面の母曲面における凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を配列してなる境界面を第２のレンズ曲面とし、
少なくとも第１のレンズ曲面と第２のレンズ曲面とを有する複数のレンズ曲面を多層に重ねた多層構造の曲面レンズ。
【請求項８】
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネル形式の境界面か、のいずれかである第１の曲面と、
前記第１の曲面である境界面の凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を配列してなる境界面である第２の曲面とのうち、
前記第１の曲面のみか、あるいは前記第１の曲面と前記第２の曲面との両曲面をレンズ曲面とする曲面レンズか、
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかを仮想配列面として、前記仮想配列面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を前記仮想配列面に沿って配列してなる境界面を少なくともレンズ曲面とする曲面レンズか、
あるいは単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかを母曲面とするフレンネルレンズ形式の曲面を仮想配列面として、前記母曲面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を前記仮想配列面に沿って配列してなる境界面を少なくともレンズ曲面とする曲面レンズか、
のいずれかの曲面レンズを、湾曲の深さが前記曲面レンズの焦点距離よりも充分短い範囲に湾曲させることを特徴とする曲面レンズ。
【請求項９】
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかの境界面をレンズ曲面とし、
前記レンズ曲面である境界面あるいは境界面の母曲面が特定の一定方向に対して曲線的に変化し、前記特定の一定方向に直交する方向に対して曲線的な変化をしない曲面レンズと、
前記曲面レンズに対向して配置する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、を具備し、
前記あるべき２次元表示画像が前記レンズ曲面から離れ、かつ前記レンズ曲面である境界面あるいは境界面の母曲面の曲線的に変化する特定の一定方向が前記あるべき二次元表示画像に対面する平面内の水平方向に対して傾いている表示装置であって、
前記あるべき２次元表示画像の前記レンズ曲面からの距離が前記曲面レンズの焦点距離の１／４より短いことを特徴とする表示装置。
【請求項１０】
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかの境界面をレンズ曲面とする曲面レンズと、
前記曲面レンズに対向して配置する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、を具備し、
前記曲面レンズのレンズ曲面である境界面あるいは境界面の母曲面の曲面変化において、あるべき２次元表示画像に対面する平面内の水平方向に対する曲線的な変化の成分と水平方向に直交する垂直方向に対する曲線的な変化の成分の両方が共に有意に共存し、前記垂直方向に対する曲線的な変化の成分のみが単独に存在することの無い表示装置であって、
前記あるべき２次元表示画像の置かれる位置は、前記レンズ曲面から離れ、前記レンズ曲面からの距離が曲面レンズの焦点距離の１／４より短い位置であることを特徴とする表示装置。
【請求項１１】
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかである境界面をレンズ曲面とする第１の曲面レンズ曲面と、
前記第１のレンズ曲面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を前記第１のレンズ曲面に対向して配列してなる境界面をレンズ曲面とする第２のレンズ曲面とが多層状に配置される曲面レンズと、
前記曲面レンズに対向して配置する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であって、
前記曲面レンズの前記第１のレンズ曲面である境界面か境界面の母曲面が、その大部分の領域において、あるべき２次元表示画像に対面する平面内の水平方向に対する曲線的な変化の成分と水平方向に直交する垂直方向に対する曲線的な変化の成分とのうち、水平方向に対する曲線的な変化の成分のみあるいは両方の成分と、を有し、
前記あるべき２次元表示画像の置かれる位置が、前記第１のレンズ曲面および前記第２のレンズ曲面から離れ、前記第１のレンズ曲面および前記第２のレンズ曲面からの距離が、前記第１のレンズ曲面によるレンズの焦点距離の１／４より短く、かつ前記曲面レンズが凸レンズの場合にあっては、前記曲面レンズの焦点距離の１／２より短く、曲面レンズが凸レンズの場合にあっては、前記曲面レンズの焦点距離より短い位置であることを特徴とする表示装置。
【請求項１２】
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかである境界面をレンズ曲面とする第１のレンズ曲面と、
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかを仮想配列面として、前記第１のレンズ曲面あるいは前記仮想配列面の凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を前記仮想配列面に沿って配列してなる境界面をレンズ曲面とする第２のレンズ曲面とのうち、少なくとも第２のレンズ曲面あるいは両方のレンズ曲面を有する曲面レンズと、
前記曲面レンズに対向して配置する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であって、
前記曲面レンズの前記仮想配列面あるいは前記仮想配列面と前記第１のレンズ曲面の両方は、大部分の領域において、少なくとも水平方向に対する曲線的な変化の成分を有し、
前記あるべき２次元表示画像の置かれる位置が、前記第１のレンズ曲面および前記第２のレンズ曲面から離れた位置で、前記曲面レンズが凸レンズの場合にあっては、前記曲面レンズの焦点距離の１／２より短く、曲面レンズが凸レンズの場合にあっては、前記曲面レンズの焦点距離より短い位置であることを特徴とする表示装置。
【請求項１３】
請求項８に記載の曲面レンズと、
前記曲面レンズに対向して配置する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であって、
あるべき２次元表示画像の置かれる位置が、前記レンズ曲面から離れた位置で、前記曲面レンズが凸レンズの場合では、前記曲面レンズの焦点距離の１／２より短く、曲面レンズが凸レンズの場合では、前記曲面レンズの焦点距離より短い位置であることを特徴とする表示装置。
【請求項１４】
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかである第１の曲面と、
前記第１の曲面である境界面あるいは境界面の母曲面の凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を配列してなる境界面である第２の曲面とのうち、
前記第１の曲面のみか、あるいは前記第１の曲面と前記第２の曲面との両曲面をレンズ曲面とする曲面レンズか、
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかを仮想配列面として、前記仮想配列面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を前記仮想配列面に沿って配列してなる境界面を少なくともレンズ曲面とする曲面レンズか、
あるいは単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかを母曲面とするフレンネルレンズ形式の曲面を仮想配列面として、前記母曲面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を前記仮想配列面に沿って配列してなる境界面を少なくともレンズ曲面とする曲面レンズか、
のいずれかの曲面レンズと、
前記曲面レンズに対向して配置する２次元表示画像を表示する表示素子と、前記表示素子と前記曲面レンズとの位置関係を保つ保持機構と、前記曲面レンズと前記表示素子とを覆う蓋を備え、
前記蓋を閉じた状態では前記曲面レンズと前記表示素子とが近接した状態に置き、前記蓋を開けた状態では前記曲面レンズと前記表示素子との間隔を離した状態に置くことを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屋内あるいは屋外に置かれる看板、案内板、表示塔等の表示装置をはじめテレビ受像機、パーソナルコンピュータのモニターなどの電子ディスプレイおよび映画などを含む映像システムに関し、特に、２次元画像を遠近感のある立体的な像として表示せしめる表示装置に関する。また、本発明は、この表示装置に用いるレンズ曲面を有する薄いフイルム状の曲面レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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周知で、大越孝敬著「三次元画像工学」に整理して提示されている。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。
【０００３】
また、別の例としてレンティキュラ板を用いた三次元画像がある。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２次元画像を短冊状（細長い長方形）に切って、横方向に並べた不連続な図柄の表示画像を配置して、右眼と左眼がそれぞれ別の方向から見た画像が見えるようにして、三次元画像として認識する方法である。
【０００４】
この方法ではレンティキュラ板を構成する円柱面レンズの１配列ピッチの間に複数の位置から見た表示画像を並べる必要があり、表示画像の位置精度が極めて厳しく要求される。このため、レンティキュラ板の焦点面にあたる裏面に印刷するなどしてこの要求性能を満たしている。
【０００５】
この従来から周知のレンティキュラ板三次元画像表示技術を以下ＬＳ表示技術と呼称する。
ＬＳ表示技術に用いる表示画像は短冊状の画像が縦縞状に連続して並べられ、画像全体は連続した図柄ではなく、図柄としては不連続な縦縞状の独立した画像が連続して連なった特殊な表示画像である。また表示画像を置く位置も焦点面に極近い位置に厳しい条件で置く事が要求される。
【０００６】
このＬＳ表示技術を用いる大形の看板・案内板は、特殊な画像を作る必要があること、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、大越孝敬著「三次元画像工学」には立体画像として示唆に富んだ概要として次のような記述がある。
【０００７】
「天眼鏡（虫眼鏡）を通して、片目で写真を見ると、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、眼の調節機能のみは有効であり、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。
【０００８】
この天眼鏡を通して見る表示画像はＬＳ表示技術の場合と異なり、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、特願平１１−２１８３１３号、特願平１１−３１９１７６号、特願２０００−５３９５４号、特願２０００−１５６６０８号、特願２０００−１６２２３１号、特願２０００−２２５５５７号、特願２０００−２３２５６４号で提示されている。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。
【０００９】
表示画像の前に置かれた、微小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、個々の微小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。
【００１０】
なお、ここで用いる表示画像は極一般に見られる写真のような連続した図柄からなる２次元表示画像であり、ＬＳ表示技術に用いるような不連続な縦縞状の独立した画像が連続して連ねて作られた特殊な表示画像のようなものではない。
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連続した図柄からなる２次元表示画像を指す。
【００１１】
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。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、虫眼鏡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、その現れ方はレンズの構成に大きく関与しているとの新たな知見が得られた。
【００１３】
本発明の目的は、この新たに得られた知見に基づいて、より強い立体感が現れる新たな表示装置を提供することであり、さらにこの新たな表示装置に用いる曲面レンズを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項１の発明は、単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかをレンズ曲面とする有効領域あるいは形状が矩形の曲面レンズであって、
上記境界面あるいは上記境界面の母曲面が上記矩形の一辺に対して斜めの一定方向に対して曲線的な変化が無く、上記斜めの一定方向に直交する方向に対して曲線的に変化することを特徴とする曲面レンズである。
【００１５】
請求項１の発明によれば、フレンネルレンズ形式の境界面をレンズ曲面とするレンズは母曲面をレンズ曲面とするレンズと等価である。したがってレンズ曲面はいずれも充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるので、曲面レンズは比較的面積の広い歪のあるレンズで、そのレンズの特性が場所の変化と共に急激に変化する部分も無く、比較的広い範囲を緩やかに変化するレンズとして働く。また、レンズ曲面が曲線的な変化をしない一定方向を眼の左右方向に対して斜めになるように曲面レンズを合せて表示画像を観る場合に、レンズ曲面の曲面的な変化をする方向が表示画面に対して斜めとなるので、レンズ曲面はいずれの場所でも観察者の眼の左右方向とこれに直交する上下方向の両方向に対して曲面的に変化する成分がある。また、上下方向に対する曲面的な変化のみとなる領域がない。
【００１６】
また、曲面レンズは一定方向にのみ曲面的な変化をする。
請求項２の発明は、単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかをレンズ曲面とする第１のレンズ曲面と、
上記第１のレンズ曲面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を上記第１のレンズ曲面に対向して配列してなる境界面をレンズ曲面とする第２のレンズ曲面とを多層に重ねた有効領域あるいは形状が矩形の曲面レンズであって、
上記第１のレンズ曲面の任意の各点における上記曲面レンズの矩形の一辺に平行な方向に対する曲線的な変化の成分と上記平行な方向に直交する方向に対する曲線的な変化の成分との両成分が互いに他方の成分に対して有意であることを特徴とする曲面レンズである。
【００１７】
請求項２の発明によれば、フレンネルレンズ形式の境界面をレンズ曲面とするレンズは母曲面をレンズ曲面とするレンズと等価である。したがって第１のレンズ曲面はいずれも比較的面積の広い歪のあるレンズで、そのレンズの特性が場所の変化と共に急激に変化する部分も無く、比較的広い範囲を緩やかに変化するレンズとして働く。この曲面レンズを一般に広く流布する矩形の表示画像に対して形状あるいは有効領域が矩形の曲面レンズを各々の一辺が互いに平行となるように対向して設置することが容易であり、この設置状態では第１のレンズ曲面は観察者の眼の左右方向とこれに直交する上下方向の両方向に対して曲面的な変化をすることになり、上下方向に対する曲面的な変化のみとなることが無い。
【００１８】
また、第２のレンズ曲面は面積が充分小さい微小曲面の集まりであり、これら微小曲面が独立した微小レンズとして作用し、各微小レンズの作る像が新たな画素となって表示画像の全体像を構成することになるので、微小レンズは全体像にとって拡大縮小機能が無く、像の位置のみを変えるのみの働きをする。
【００１９】
すなわち、第１のレンズ曲面で表示画像を左右上下方向の拡大あるいは縮小を生じさせると共にその位置を奥行き方向にも変えて変形させる。この第１のレンズ曲面の作る像を第２のレンズ曲面の各微小レンズにより奥行き方向の位置のみを更に大きく変形させる。
【００２０】
請求項３の発明は、単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかをレンズ曲面とする第１のレンズ曲面と、
上記第１のレンズ曲面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を上記第１のレンズ曲面に対向して配列してなる境界面をレンズ曲面とする第２のレンズ曲面とを多層に重ねた曲面レンズであって、
上記第１のレンズ曲面が、上記曲面レンズに正対する投影平面上の特定の一定方向に対しては曲線的な変化をし、上記投影面上にあって上記特定の一定方向に直交する方向に対して曲線的な変化が無いことを特徴とする曲面レンズである。
【００２１】
請求項３の発明によれば、フレンネルレンズ形式の境界面をレンズ曲面とするレンズは母曲面をレンズ曲面とするレンズと等価である。したがって第１のレンズ曲面はいずれも比較的面積の広い歪のあるレンズで、そのレンズの特性が場所の変化と共に急激に変化する部分が無く、比較的広い範囲を緩やかに変化するレンズとして働く。この曲面レンズを曲線的な変化をする特定の一定方向が眼の左右方向に対して平行になるか、斜めに傾いた方向になるように曲面レンズを配置し、この曲面レンズを介して表示画像を観る場合に、第１のレンズ曲面は、少なくとも観察者の眼の左右方向に対して曲面的な変化をし、特定の一定方向が眼の左右方向に対して斜めに傾いた方向に配置された場合では眼の左右方向に直交する上下方向に対しても曲面的な変化をする。また、いずれの場所でも上下方向に対する曲面的な変化のみとなることが無い。
【００２２】
また、第２のレンズ曲面は面積が充分小さい微小曲面の集まりであり、これら微小曲面が独立した微小レンズとして作用し、各微小レンズの作る像が新たな画素となって表示画像の全体像を構成することになるので、微小レンズは全体像にとって拡大縮小機能が無く、像の位置のみを変えるのみの働きをする。
【００２３】
すなわち、第１のレンズ曲面で表示画像を左右上下方向の拡大あるいは縮小を生じさせると共にその位置を奥行き方向にも変えて変形させる。この第１のレンズ曲面の作る像を第２のレンズ曲面の各微小レンズにより奥行き方向の位置のみを更に大きく変形させる。
【００２４】
請求項４の発明は、単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかを仮想配列面として、上記仮想配列面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を上記仮想配列面に沿って配列してなる境界面の第１のレンズ曲面と、単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかをレンズ曲面とする第２のレンズ曲面とのうち、
第１のレンズ曲面のみあるいは第１のレンズ曲面と第２のレンズ曲面の両方と、を有する曲面レンズである。
【００２５】
請求項４の発明によれば、第１のレンズ曲面は近似的に微小曲面が平面状に配列された仮想の境界面であるレンズ曲面Ｍと、仮想配列面と同じ形状でかつ同じ位置にある仮想の境界面であるレンズ曲面Ｎとで構成されるものと見なすことが出来る。なお、このレンズ曲面Ｎを挟む両側の材質は微小曲面の両側の材質と同じである。
【００２６】
また、フレンネルレンズ形式の境界面をレンズ曲面とするレンズでは母曲面をレンズ曲面とするレンズと等価である。したがって、このレンズ曲面Ｎと第２のレンズ曲面は同じ性質の形状をした曲面と見なせるので、これらを合成したレンズの等価的なレンズ曲面は単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面のレンズ曲面Ｐと見なすことができる。
【００２７】
したがって、この曲面レンズを眼に対して適切な方向に設定すれば、等価的なレンズ曲面Ｐは眼の左右方向に対する曲面的な変化のある曲面とすることが出来る。
請求項５の発明は、単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかを母曲面とするフレンネルレンズ形式の曲面を仮想配列面として、上記母曲面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を上記仮想配列面に沿って配列してなる境界面の第１のレンズ曲面と、
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかをレンズ曲面とする第２のレンズ曲面とのうち、
第１のレンズ曲面のみあるいは第１のレンズ曲面と第２のレンズ曲面の両方と、を有する曲面レンズである。
【００２８】
請求項５の発明によれば、フレンネルレンズ形式の仮想配列面は母曲面と同様の仮想配列面と見なすことが出来、第４の発明とまったく同じ作用をする。
請求項６の発明は、単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかをレンズ曲面とする有効領域あるいは形状が矩形の曲面レンズであって、
前記境界面あるいは前記境界面の母曲面の任意の各点における前記曲面レンズの矩形の一辺に平行な方向に対する曲線的な変化の成分と前記平行な方向に直交する方向に対する曲線的な変化の成分との両成分が互いに他方の成分に対して有意であることを特徴とする曲面レンズである。
【００２９】
請求項６の発明によれば、レンズ面は母曲面と同じ曲面のレンズ曲面と等価な働きをする。したがって、いずれのレンズ曲面も、比較的面積の広い歪のあるレンズで、そのレンズの特性が場所の変化と共に急激に変化する部分も無く、比較的広い範囲を緩やかに変化するレンズとして働く。そして、曲面レンズの矩形の一辺を眼の左右方向に平行に合せて表示画像を観れば、レンズ曲面は観察者の眼の左右方向とこれに直交する上下方向の両方向に対して曲面的な変化がある。また、上下方向に対する曲面的な変化のみとなる領域が無い。
【００３０】
請求項７の発明は、母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式のレンズ曲面となる境界面を第１のレンズ曲面とし、
上記第１のレンズ曲面の母曲面における凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を配列してなる境界面を第２のレンズ曲面とし、
少なくとも第１のレンズ曲面と第２のレンズ曲面とを有する複数のレンズ曲面を多層に重ねた多層構造の曲面レンズである。
【００３１】
請求項７の発明によれば、曲面レンズは母曲面と同じ曲面の曲面レンズと等価な働きをする。したがって、第１のレンズ曲面は、比較的面積の広い歪のあるレンズで、そのレンズの特性が場所の変化と共に急激に変化する部分も無く、比較的広い範囲を緩やかに変化するレンズとして働く。この曲面レンズを曲線的な変化をする方向が眼の左右方向に対して平行になるか、斜めに傾いた方向になるように配置し、この曲面レンズを介して表示画像を観ると、第１のレンズ曲面は、少なくとも観察者の眼の左右方向に対して曲面的に変化する成分を有することになる。
【００３２】
また、第２のレンズ曲面は面積が充分小さい微小曲面の集まりであり、これら微小曲面が独立した微小レンズとして作用し、各微小レンズの作る像が新たな画素となって表示画像の全体像を構成することになるので、微小レンズは全体像にとって拡大縮小機能が無く、像の位置のみを変えるのみの作用をする。
【００３３】
請求項８の発明は、単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネル形式の境界面か、のいずれかである第１の曲面と、
上記第１の曲面である境界面の凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を配列してなる境界面である第２の曲面とのうち、
上記第１の曲面のみか、あるいは上記第１の曲面と上記第２の曲面との両曲面をレンズ曲面とする曲面レンズか、
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかを仮想配列面として、上記仮想配列面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を上記仮想配列面に沿って配列してなる境界面を少なくともレンズ曲面とする曲面レンズか、
あるいは単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかを母曲面とするフレンネルレンズ形式の曲面を仮想配列面として、上記母曲面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を上記仮想配列面に沿って配列してなる境界面を少なくともレンズ曲面とする曲面レンズか、
のいずれかの曲面レンズを、湾曲の深さが上記曲面レンズの焦点距離よりも充分短い範囲に湾曲させることを特徴とする曲面レンズである。
【００３４】
請求項８の発明によれば、曲面レンズを湾曲させると、曲面レンズの部分部分が眼に対して傾き、この傾きによってレンズとしての働きが強まり、等価的に焦点距離が短くなったように作用する。この傾きは一様ではなく、傾きの度合いは眼に正対している部分が小さく、そこから離れて湾曲の端に近付くにしたがって大きくなる。
【００３５】
また、湾曲の深さが上記曲面レンズの焦点距離よりも充分短い範囲に制限されるので、曲面レンズの使用時に、焦点距離に対比しての対象物の置ける位置に対して制限を受ける範囲が限られる。
請求項９の発明は、単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかの境界面をレンズ曲面とし、
上記レンズ曲面である境界面あるいは境界面の母曲面が特定の一定方向に対して曲線的に変化し、上記特定の一定方向に直交する方向に対して曲線的な変化をしない曲面レンズと、
上記曲面レンズに対向して配置する２次元表示画像と、上記２次元表示画像と上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、を具備し、
上記あるべき２次元表示画像（２次元表示画像を具備している場合は、当該２次元画像、保持機構のみを具備している場合は、曲面レンズとの位置関係の対象となる２次元画像）が上記レンズ曲面から離れ、かつ上記レンズ曲面である境界面あるいは境界面の母曲面の曲線的に変化する特定の一定方向が上記あるべき二次元表示画像に対面する平面内の水平方向に対して傾いている表示装置であって、
上記あるべき２次元表示画像の上記レンズ曲面からの距離が上記曲面レンズの焦点距離の１／４より短いことを特徴とする表示装置である。
【００３６】
請求項９の発明によれば、フレンネルレンズ形式のレンズ曲面は母曲面と同じ曲面のレンズ曲面と等価な働きをする。したがって、曲面レンズはいずれも比較的面積の広い歪のあるレンズで、そのレンズの特性が場所の変化と共に急激に変化する部分は無く、比較的広い範囲を緩やかに変化するレンズとして働き、しかも、レンズ曲面が曲線的な変化をする方向が水平方向に対して傾いている。したがって観察者の眼の左右方向と上下方向の両方の方向に対して曲面的な変化をし、上下方向に対する曲面的な変化のみとなることが無い。
【００３７】
また、表示画像はレンズ曲面から離れて、レンズ曲面からの距離が曲面レンズの焦点距離の１／４より短い位置に置かれるので、曲面レンズが凸レンズの場合では像の拡大率は４／３倍以下に制限でき、曲面レンズが凹レンズの場合では０．８より小さく縮小されることが無い。
【００３８】
請求項１０の発明は、単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかの境界面をレンズ曲面とする曲面レンズと、
上記曲面レンズに対向して配置する２次元表示画像と、上記２次元表示画像と上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、を具備し、
上記曲面レンズのレンズ曲面である境界面あるいは境界面の母曲面の曲面変化において、あるべき２次元表示画像に対面する平面内の水平方向に対する曲線的な変化の成分と水平方向に直交する垂直方向に対する曲線的な変化の成分の両方が共に有意に共存し、上記垂直方向に対する曲線的な変化の成分のみが単独に存在することの無い表示装置であって、
上記あるべき２次元表示画像の置かれる位置は、上記レンズ曲面から離れ、上記レンズ曲面からの距離が曲面レンズの焦点距離の１／４より短い位置であることを特徴とする表示装である。
【００３９】
請求項１０の発明によれば、フレンネルレンズ形式のレンズ曲面は母曲面と同じ曲面のレンズ曲面と等価な働きをする。したがって、曲面レンズはいずれも比較的面積の広い歪のあるレンズで、そのレンズの特性が場所の変化と共に急激に変化する部分は無く、比較的広い範囲を緩やかに変化するレンズとして働き、しかもレンズ曲面は、観察者の眼の左右方向と上下方向に対して曲面的な変化をする成分が共存し、上下方向に対してのみ曲面的に変化することがない。
【００４０】
また、表示画像はレンズ曲面から離れて、レンズ曲面からの距離が曲面レンズの焦点距離の１／４より短い位置に置かれるので、曲面レンズが凸レンズの場合では像の拡大率は４／３倍以下に制限でき、曲面レンズが凹レンズの場合では０．８より小さく縮小されることが無い。
【００４１】
請求項１１の発明は、単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかである境界面をレンズ曲面とする第１の曲面レンズ曲面と、
上記第１のレンズ曲面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を上記第１のレンズ曲面に対向して配列してなる境界面をレンズ曲面とする第２のレンズ曲面とが多層状に配置される曲面レンズと、
上記曲面レンズに対向して配置する２次元表示画像と、上記２次元表示画像と上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であって、
上記曲面レンズの上記第１のレンズ曲面である境界面か境界面の母曲面が、その大部分の領域において、あるべき２次元表示画像に対面する平面内の水平方向に対する曲線的な変化の成分と水平方向に直交する垂直方向に対する曲線的な変化の成分とのうち、水平方向に対する曲線的な変化の成分のみあるいは両方の成分と、を有し、
上記あるべき２次元表示画像の置かれる位置が、上記第１のレンズ曲面および上記第２のレンズ曲面から離れ、上記第１のレンズ曲面および上記第２のレンズ曲面からの距離が、上記第１のレンズ曲面によるレンズの焦点距離の１／４より短く、かつ上記曲面レンズが凸レンズの場合にあっては、上記曲面レンズの焦点距離の１／２より短く、曲面レンズが凸レンズの場合にあっては、上記曲面レンズの焦点距離より短い位置であることを特徴とする表示装置である。
【００４２】
請求項１１の発明によれば、フレンネルレンズ形式のレンズ曲面は母曲面と同じ曲面のレンズ曲面と等価な働きをする。したがって、第１のレンズ曲面はいずれも比較的面積の広い歪のあるレンズで、そのレンズの特性が場所の変化と共に急激に変化する部分は無く、比較的広い範囲を緩やかに変化するレンズとして働き、しかも、この第１のレンズ曲面は少なくとも観察者の眼の左右方向に対して曲面的な変化をする成分を有している。また、眼の左右方向に直交する上下方向に対しても曲面的な変化をする成分が存在することがある。
【００４３】
第２のレンズ曲面は面積が充分小さい微小曲面の集まりであり、これら微小曲面が独立した微小レンズとして作用し、各微小レンズの作る像が新たな画素となって表示画像の全体像を構成することになるので、微小レンズは全体像にとって拡大縮小機能が無く、像の位置のみを変えるのみの作用をする。
【００４４】
また、表示画像は曲面レンズから離れて、曲面レンズからの距離が第１のレンズ曲面の焦点距離の１／４より短い位置に置かれるので、曲面レンズが凸レンズの場合では像の拡大率は４／３倍以下に制限でき、曲面レンズが凹レンズの場合では０．８より小さく縮小されることが無い。
【００４５】
さらにこの表示画像の位置は、曲面レンズが凸レンズの場合にあっては、曲面レンズの焦点距離の１／２より短い位置にあるので微小レンズの対応する像の拡大率を２倍以下に押えることが出来、曲面レンズが凹レンズの場合にあっては、上記曲面レンズの焦点距離より短い位置にあるので、微小レンズの対応する像の縮小の限度を１／２までに押えることが出来る。
【００４６】
請求項１２の発明は、単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかである境界面をレンズ曲面とする第１のレンズ曲面と、
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかを仮想配列面として、上記第１のレンズ曲面あるいは上記仮想配列面の凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を上記仮想配列面に沿って配列してなる境界面をレンズ曲面とする第２のレンズ曲面とのうち、少なくとも第２のレンズ曲面あるいは両方のレンズ曲面を有する曲面レンズと、
上記曲面レンズに対向して配置する２次元表示画像と、上記２次元表示画像と上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であって、
上記曲面レンズの上記仮想配列面あるいは上記仮想配列面と上記第１のレンズ曲面の両方は、大部分の領域において、少なくとも水平方向に対する曲線的な変化の成分を有し、
上記あるべき２次元表示画像の置かれる位置が、上記第１のレンズ曲面および上記第２のレンズ曲面から離れた位置で、上記曲面レンズが凸レンズの場合にあっては、上記曲面レンズの焦点距離の１／２より短く、曲面レンズが凸レンズの場合にあっては、上記曲面レンズの焦点距離より短い位置であることを特徴とする表示装置である。
【００４７】
請求項１２の発明によれば、第２のレンズ曲面は近似的に微小曲面が平面状に配列された仮想のレンズ曲面Ｍと、境界面を挟む両側の材質が微小曲面の両側の材質と同じで、かつ境界面の形状が仮想配列面と同じである仮想のレンズ曲面Ｎとで構成されるものと見なすことが出来る。
【００４８】
第１のレンズ曲面がフレンネルレンズ形式の境界面であっても、この境界面は母曲面と同様の滑らかな曲面と見なすことができる。したがって、仮想のレンズ曲面Ｎあるいは仮想のレンズ曲面Ｎと第１のレンズ曲面を統合したレンズの等価的なレンズ曲面Ｐは仮想配列面あるいは第１のレンズ曲面と類似の形状の曲面となる。したがってこのレンズ曲面Ｐは眼の左右方向に対して曲面的な変化をする。
【００４９】
また、仮想のレンズ曲面Ｍ上に配列された微小曲面による微小レンズはレンズ曲面で出来た像を上下左右方向には拡大縮小することなく前後方向に変形する。また、表示画像は曲面レンズから離れて、曲面レンズが凸レンズの場合にあっては、曲面レンズの焦点距離の１／２より短い位置にあるので像の拡大率を２倍以下に押えることが出来、曲面レンズが凹レンズの場合にあっては、上記曲面レンズの焦点距離より短い位置にあるので、像の縮小の限度を１／２までに押えることが出来る。
【００５０】
請求項１３の発明は、請求項８の曲面レンズと、
上記曲面レンズに対向して配置する２次元表示画像と、上記２次元表示画像と上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であって、
あるべき２次元表示画像の置かれる位置が、前記レンズ曲面から離れた位置で、上記曲面レンズが凸レンズの場合では、上記曲面レンズの焦点距離の１／２より短く、曲面レンズが凸レンズの場合では、上記曲面レンズの焦点距離より短い位置であることを特徴とする表示装置である。
【００５１】
請求項１３の発明によれば、曲面レンズは湾曲しているので、曲面レンズの部分部分が眼に対して傾き、この傾きは一様ではなく、傾きの度合いは眼に正対している部分が小さく、そこから離れて湾曲の端に近付くにしたがって大きくなる。この傾きによってレンズとしての働きが強まり、等価的に焦点距離が短くなったように作用する。
【００５２】
また、表示画像は曲面レンズから離れて、曲面レンズが凸レンズの場合にあっては、曲面レンズの焦点距離の１／２より短い位置にあるので像の拡大率を２倍以下に押えることが出来、曲面レンズが凹レンズの場合にあっては、上記曲面レンズの焦点距離より短い位置にあるので、像の縮小の限度を１／２までに押えることが出来る。
【００５３】
請求項１４の発明は、単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面か、
母曲面が単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであるフレンネルレンズ形式の境界面か、のいずれかである第１の曲面と、
上記第１の曲面である境界面あるいは境界面の母曲面の凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を配列してなる境界面である第２の曲面とのうち、
上記第１の曲面のみか、あるいは上記第１の曲面と上記第２の曲面との両曲面をレンズ曲面とする曲面レンズか、
単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかを仮想配列面として、上記仮想配列面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を上記仮想配列面に沿って配列してなる境界面を少なくともレンズ曲面とする曲面レンズか、
あるいは単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかを母曲面とするフレンネルレンズ形式の曲面を仮想配列面として、上記母曲面を構成する凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面を上記仮想配列面に沿って配列してなる境界面を少なくともレンズ曲面とする曲面レンズか、
のいずれかの曲面レンズと、
上記曲面レンズに対向して配置する２次元表示画像を表示する表示素子と、上記表示素子と上記曲面レンズとの位置関係を保つ保持機構と、上記曲面レンズと上記表示素子とを覆う蓋を備え、
上記蓋を閉じた状態では上記曲面レンズと上記表示素子とが近接した状態に置き、上記蓋を開けた状態では上記曲面レンズと上記表示素子との間隔を離した状態に置くことを特徴とする表示装置である。
【００５４】
請求項１４の発明によれば、蓋を開けて使用する状態になると、蓋が閉じられ表示素子に近接していた曲面レンズが湾曲するなり、位置を変えるなりして表示素子から、すなわち表示画像から離れる。この結果、曲面レンズと表示画像との間に適切な間隔が出来る。
【００５５】
【発明の実施の形態】
個々の実施の形態について詳細に説明する前に、レンズを介して両眼で見る像に立体感が現れる新たな知見について説明をする。なお、立体感とは表示画像に描かれた物体の相互の位置関係に前後関係を感じさせるものである。
【００５６】
虫眼鏡を介して２次元画像を片眼で観る像に立体感が現れ、これが眼の「調整」機能によることはすでに指摘され周知である。これを両眼で観ると一層強い立体感が現れる。このことは片眼でも立体感が現れる眼の「調整機能」による働き以外に別の働きが作用しているものと推定される。表示画像の１点を出た光は虫眼鏡のレンズ曲面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。レンズ曲面を通過する際、光は屈折により曲げられるが、その曲げられる量はレンズ曲面の傾きで異なる。レンズ曲面は曲面であるためにその場所により傾きが異なるので、眼の網膜にできる像に歪が生じ、しかも、左右の眼で歪も異なる。その結果、左右の眼の網膜に形成される像に違いが生じ、眼の「両眼視差」の働きが作用して立体感がより強く現れるものと理解される。
【００５７】
次にレンズ曲面の変化の方向と現れる立体感の強さの関係について得られた知見について説明する。
ある一定の方向にのみレンズ曲面が滑らかに曲線的に変化し、この一定方向に直交する方向に対しては曲線的な変化の無いレンズを用いた場合の立体感の現れ方について説明する。なお、この種の代表的なレンズが円筒面レンズあるいはかまぼこ形レンズとして周知のものである。
【００５８】
レンズ曲面の変化の無い方向を両眼の左右方向（以下この方向を眼の左右方向と呼称する）に一致するようにレンズを２次元表示画面に正対して置いた場合、現れる立体感は弱く、片眼で見る場合とほとんど同程度である。
レンズ曲面の変化する方向を眼の左右方向に合せてレンズを２次元表示画面に正対して置いた場合、片眼で観る場合に比べて強い立体感が現れる。
【００５９】
更に、レンズ曲面の変化する方向を眼の左右方向に対して４５度傾いた方向、すなわち眼の上下方向に対しても４５度傾いた方向に合せてレンズを２次元表示画面に正対して置いた場合には、レンズ曲面の変化する方向を眼の左右方向に合わせて置いた場合よりも更に立体感は強まる。傾ける方向を右斜め方向にしても、左斜め方向にしても同じように立体感は強まる。
【００６０】
レンズ曲面の変化する方向を眼の左右方向に合せて置いた状態からレンズを回転させ、眼の左右方向に対する曲線的変化の成分が減少すると共に眼の上下方向に対する曲線的変化の成分が増加していくにしたがって立体感は強まり、眼の左右方向の変化成分と眼の上下方向に対する変化成分が同程度となる眼の左右方向に対しておよそ４５度傾けた状態で強い立体感が現れる。この強い立体感は４５度の傾きでシャープに現れるのではなく、傾き角度が４５度前後の比較的広い幅の範囲で強く感じられる。更に回転させ眼の左右方向に対する曲線的変化の成分が減少し、眼の上下方向に対する曲線的変化の成分が増加していくと立体感は弱くなって行く。
【００６１】
以上を整理すると、眼の左右方向への曲面的変化が無い場合では立体感の発現は弱く、片眼で見る場合とほとんど同程度で、両眼で観る効果はほとんど現れない。両眼で強い立体感が現れるのは眼の左右方向に対して曲面的変化がある場合で、しかも眼の左右方向にのみ曲面的変化がある場合より、眼の左右方向と眼の上下方向の両方向に対する曲面的変化が共に存在する場合に立体感が強くなって現れ、眼の左右方向と眼の上下方向の両方向に対する曲面的変化が同程度の割合の場合に最も強い立体感となって感じられる。
【００６２】
当然のことながら、レンズの曲面的変化の程度が強いほど現れる立体感も強くなる。これと同時に歪も強くなる。なお、歪については後に詳しく説明する。
このレンズ曲面の変化の方向と左右の眼の方向との関連が立体感の発現の程度に大きく影響することが新たに得られた知見である。
【００６３】
ここで、レンズ曲面の眼の左右方向と眼の上下方向の両方向への曲面的変化が共に存在する場合に、眼の左右方向への曲面的変化のみしか存在しない場合に比較して立体感が強く現れる現象に対する解釈の一つについて説明する。
両眼で観る場合には奥行き方向にも変形したような３次元的な歪のある像となって観える。この変形の様子が眼の左右方向の曲線的変化しか存在しない場合では、表示画像に現されている図柄あるいは風景といったものを正面から正視しているような変形のある像となって見える。これに対して、眼の左右方向と眼の上下方向の両方向への曲線的変化が存在する場合では、斜め方向から観たような変形のある像となって見える。一般に、３次元の風景などでも斜めから眺める場合がより立体的な感じが強調される。また、遠近法などを適用して立体感を強調して描いた２次元の絵などでも正面から観た絵より斜めから観て描いた絵の方が立体感を強く感じる。特に上斜めから、あるいは下斜めから観たような画像の方が更に立体感が強調される。これと同様のことが作用していると考えると、この現象を納得できる。
【００６４】
以上の説明は、円筒面レンズを用いた場合であるが、レンズ曲面が単一の任意の凹面、あるいは単一の任意の凸面をレンズ曲面とする曲面レンズの場合でも同様に現れる現象である。また、凹レンズと凸レンズが繰り返すようなレンズ曲面の曲面レンズを用いた場合でも同様である。
【００６５】
左右の眼の網膜にできる像の違いにより立体感が強まる現象であり、これらのレンズ曲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の方が望ましい。このことについては具体的な実施の形態で詳しく説明する。
これらの曲面レンズを介して両眼で観る２次元表示画像の像には３次元的な歪みが生じる。
【００６６】
片眼で観る限り上下左右方向の歪、すなわち２次元的な歪のみしか感じられないが、両眼で観ると奥行き方向にも歪んだ３次元的な歪みが感じられるようになる。この３次元的な歪みは、歪の程度が極端に大きくない限り、注意深く意識的に観るなどしないと認識され難く、上下左右方向の２次元的な歪となって普通に認識される。
【００６７】
なお、描かれた物体の相互の位置関係に前後関係を感じさせる立体感と３次元的な歪とは観察者の受ける感覚では異質のものである。歪は描かれた個々の物体の形を変えるような変形であり、立体感は描かれた物体相互の前後の位置関係を表すものである。
【００６８】
本発明は、以上述べたレンズ曲面の曲面的変化の方向と眼の左右方向との関係を適切に設定することにより立体感をより強く発現させ、それと同時に相対的に歪を低減する方策を提供し、立体表示特性の良好な表示装置とこの表示装置に適用する曲面レンズを提供するもので、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。
【００６９】
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。
【００７０】
図１に示す実施の形態は曲面レンズの表示画像までの距離が観察者までの距離より充分小さく、曲面レンズと表示画像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。
【００７１】
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、奥行き方向と呼称する。通常、眼の左右は水平方向であり、眼の上下方向は垂直方向である。
【００７２】
背面板１２ａの四隅に取り付けられている各アーム１２b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。
【００７３】
さらに、柔軟性のある曲面レンズを用いることにより、曲面レンズ１０のアーム１２bへの取り付け位置の間隔をアーム相互の間隔より長く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。
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二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であり、表示画像は２次元である。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、液晶などの表示素子に対向して曲面レンズが置かれ、表示素子と曲面レンズ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。
【００７４】
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である。
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次元表示画像である。
【００７５】
図２は図１に示す第１の実施の形態の曲面レンズ１０の斜視図であり、図３は図１及び図２で曲面レンズの中央部に示す直線ａ―ａ’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である。
なお、以後において各種の実施の形態を説明するが、その多くは図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、曲面レンズのみが異なる。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一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。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ａ―ａ’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。
【００７６】
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。
曲面レンズ１０の表示画像１１に対面した外表面２０は平面で、その反対の観察者に対面した外表面は凸面２２と凹面２３が互いに繰り返す曲面で、レンズ曲面２１である。図２で凸面は灰色で、凹面は白色で示され、また凸面と凹面の境界は線で示されている。凸面と凹面のいずれも充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面で、凹面と凸面の境界においても両曲面は滑らかに接続している。
【００７７】
曲面レンズ１０の形状及び有効領域は共に矩形で、レンズ曲面は眼の左右方向に対して平行な一辺に対して右下方４５度の方向に対して曲線的な変化をし、これと直交する右上方４５度の方向には曲線的な変化をしていない。この条件ではレンズ曲面のいずれの場所においても曲面の曲線的な変化成分に眼の左右方向と眼の上下方向の両方の成分を有している。なお、曲線的な変化とは場所の変化に対する曲面の変化の割合が一定でない変化である。
【００７８】
以上の説明から明らかなように、曲面レンズは一定方向にのみ曲面的な変化をし、この一定方向に対して直交する方向に対しては変化しないか変化しても直線的に一定の割合でしか変化しないので、軸方向に対して直径が滑らかに変化するローラ等を通すことで、曲面レンズを容易に作ることが出来る。
【００７９】
このような表示装置において、表示画像１１を観察する観察者は、保持機構１２に支持されている表示画像を、曲面レンズ１０を介して見ることになる。
次に、曲面レンズの表示画像に対する位置関係について説明をする。まず、曲面レンズの焦点距離について説明する。
【００８０】
曲面レンズのレンズ曲面を構成する凸面あるいは凹面はいずれも充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面である。充分広いひろがりをもっているので、個々の凸面あるいは凹面の領域全体を光軸が一つで、焦点も一つの理想的な単一のレンズで近似することができない。すなわち、歪をもったレンズとして作用する。そこで充分遠くから到来した平行光線がレンズ曲面で屈折して一点に集まると見なせる部分領域を一つの小さな局所レンズとすると、曲面レンズはこの局所レンズが隙間無く並んだものと見なすことが出来る。以後、曲面レンズの焦点距離あるいはレンズ曲面の焦点距離とはこのような局所レンズの焦点距離のことを指し、曲面レンズあるいはレンズ曲面のあらゆる部分での個々の局所レンズの焦点距離を指している。なお、局所レンズの焦点が点となるのはレンズ曲面が球面の場合で、レンズ曲面が円筒面のような場合では円筒面の軸に平行な線状の焦線となる。この焦線も一般に焦点と呼称しており、ここでも焦線を焦点と呼称する。この場合、光軸も一本の線ではなく無限の直線の集まりである面になるがこれも光軸と呼称する。なお、焦点距離は光軸上のレンズ曲面から焦点までの距離と見なせる。また、曲面レンズは充分薄いと見なせるので、レンズ曲面からの距離を曲面レンズからの距離と見なすことが出来る。
【００８１】
表示画像は曲面レンズのレンズ曲面から離れ、かつ局所レンズの焦点よりは充分レンズ曲面に近い位置に置く。
以上の構成であるために曲面レンズを通して左の眼と右の眼の網膜に形勢される像に差が生じ、その結果本来の二次元の表示画像が奥行き感のある立体的な画像のように見える。このことを更に詳しく説明する。
【００８２】
左右方向に位置の異なる右の眼と左の眼には、表示画像の同じ点を出た光がレンズ上の異なる部分を通過して到達する。この光の通過点は眼の左右方向に異なる点である。ところが曲面レンズのレンズ曲面の変化する方向が表示画面に対して斜めになるので、レンズ曲面はいずれの場所でも観察者の眼の左右方向とこれに直交する上下方向の両方向に対して曲面的な変化をしている。
【００８３】
このレンズ曲面の眼の左右方向に対する曲面的な変化により、右の眼と左の眼に到達する光のレンズ曲面での屈折の度合いが異なり、左右の眼の網膜に形成されるそれぞれの像に差が生じ、眼の「両眼視差」の機能が作用して、表示画像の全体像に対して２次元の表示画像の中に描かれた個々の物体間に前後の位置関係があるかのような立体感が現れる。これと同時に、眼の左右方向とこれに直交する上下方向の両方向に対する曲面的な変化が存在することにより左右の眼で観る表示画像の全体像に３次元的な歪が生じる。
【００８４】
描かれた物体の相互の位置関係に前後関係を感じさせる立体感と３次元的な歪とは観察者の受ける感覚では異質のものである。歪は描かれた個々の物体の形を変えるような変形であり、立体感は描かれた物体相互の前後の位置関係を表すものである。
【００８５】
レンズ曲面の曲線的な変化は眼の左右方向と眼の上下方向の両方の成分があるので、表示画像を正面から観ているにも係わらず、斜めから見ているような変形を伴った像となり、より一層立体感が強まる。
この表示画像全体として奥行き感のある立体的な像としての見え方は、部分的な奥行き感のある歪よりは顕著に感じることが出来、歪をある程度に限定すれば、部分的な歪の立体感は極めて弱く、表示画像の全体像として描かれた物体相互の前後の位置関係を感じる立体感の中に埋没して違和感は無くなる。なお、歪自体の立体感は感じられ難くても、左右上下方向の歪はあるがままに認識される。
【００８６】
この第１の実施の形態では、レンズ曲面に上下方向に対する曲面的な変化のみとなる領域が無い。すなわち立体感の発現に寄与することなく歪のみをもたらすような曲面が無いので、不要な歪を排除できている。
より強い立体感を得るためには、レンズ曲面の屈折の度合いがその場所の変化とともにより曲線的に大きく変化することが重要であるが、これと同時にレンズ曲面と表示画像との距離が重要である。レンズ曲面で屈折しても表示画像までの距離が短いと屈折したことによる表示画像の位置の違いが小さくなる。したがって、表示画像はレンズ曲面から離れることが必須であり、それもある程度の距離を必要とする。
【００８７】
レンズ曲面の曲線的な変化の必要とされる度合いおよびレンズ曲面と表示画像との必要とされる間隔は観察者の位置にも関連してくる。観察者が表示装置から遠ければ遠いほど、レンズ曲面を出て左右の眼に到達する光は平行の度合いが強まる。この結果、表示画像の同じ一点を出て左右の眼に到達する光はレンズ曲面のより近い場所を通過することになる。このため屈折の差も小さくなり、左右の眼の網膜に作られる像の違いも小さくなる。その結果として立体感の発現力は弱まる。したがって、観察者が遠くから見る場合では近くから観る場合に比べて、レンズ曲面の曲線的な変化の強い曲面レンズを用いるか、表示画像とレンズ曲面との間隔を大きくする必要がある。
【００８８】
一方、表示装置の近くから見る場合は、両眼からの視線の角度が大きくなるために、表示画像の同じ点を出て両眼に到達する光のレンズ曲面を通過する場所の違いは大きくなる。したがってレンズ曲面の曲線的な変化が比較的弱くても、また、表示画像とレンズ曲面との距離が比較的小さくても効果的に立体感が発現する。以上の説明から明らかなように、表示画像と曲面レンズとの距離を調節することにより、観察者の表示装置からの距離の違いによる立体感の発現の度合いを調整することが出来る。
【００８９】
立体感を発現するには表示画像を曲面レンズからある程度離すことが必須である。立体感の発現力は表示画像を曲面レンズから離すほど強くなるが、表示画像の像の歪も強くなる。この歪は曲面レンズの各局所レンズの倍率が異なることによるもので、ここでレンズの像の歪について説明する。
【００９０】
局所レンズは理想的なレンズとして周知のレンズの公式が適用できる。
焦点距離ｆ、表示画像のレンズからの距離ｓ、レンズにより作られる像のレンズからの距離ｐとには次式の関係が成立する。
１／ｓ＋１／ｐ＝１／ｆ  ……  （１）
また、像の倍率ｍは次式で与えられる。
【００９１】
ｍ＝ｆ／（ｓ−ｆ）  ……  （２）
なお、焦点距離ｆは凸レンズの場合は正値で凹レンズの場合は負値をとり、レンズから表示画像のまでの距離ｓは常に正値で、像のレンズからの距離ｐは像がレンズに対して反対側にある場合は正値で、同じ側にある場合は負値とする。
【００９２】
倍率ｍが負の場合は正立の虚像となり、正の場合は倒立の実像となる。
表示装置として像は正立である必要があり、凸レンズの場合は表示画像を焦点よりもレンズに近い位置に置く必要がある。
表示画像の全体像が正立の像であるためには曲面レンズはあらゆる場所で局所レンズの倍率ｍは負値となる必要があり、凸レンズの領域では焦点よりもレンズに近い位置に置く必要がある。なお、この正立像の条件に関しては凹レンズの場合はその置く位置に特段の制限は無い。
【００９３】
局所レンズの倍率ｍの絶対値が１に近ければ近いほど表示画像の像に生じる歪は小さくなる。しかし両眼で観る全体像に立体感を感じる度合いは、凸レンズの場合では局所レンズの倍率ｍの絶対値が１より大きければ大きいほど強く、凹レンズの場合では局所レンズの倍率ｍの絶対値が１より小さければ小さいほど強くなる。したがって、歪みが気にならない範囲で、かつ全体像に立体感が感じられるような条件で使用することが肝要となる。
【００９４】
歪を小さくするには、倍率ｍを−１に近いのが好ましい。すなわち、凹面、凸面のいずれの場合も、表示画像は焦点よりレンズ曲面に近い位置で、焦点とレンズ曲面の中間位置よりレンズ曲面に近い位置に置くことが望ましい。
表示画像が焦点とレンズ曲面の中間位置に置かれた場合では、凸レンズの場合で倍率は−２倍になる。凹レンズの場合で倍率は−０.６６倍で、この場合縮小となる。さらに、表示画像がレンズから焦点距離の１／４のみ離れた位置に置かれた場合では、凸レンズでは倍率は４／３倍になり、凹レンズでは倍率は−０．８倍で縮小されることになる。
【００９５】
曲面レンズのあらゆる場所で、表示画像がレンズ曲面から局所レンズの焦点距離の１／４以下であれば、上記倍率より−１に近い値に制限され、表示画像の像の歪を制限できる。像の歪を制限することは表示装置として必須である。使用条件にもよるが、この程度の歪であれば、歪を許容して、比較的遠距離から見る場合でも立体感を感じることのできる表示装置として機能する。
【００９６】
図１に示す第１の実施の形態における曲面レンズは充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する凹面と充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する凸面が交互に配列された滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面をレンズ曲面としているが、単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であっても良いことはこれまでの説明で明白である。
【００９７】
本発明に係わる曲面レンズは、表示画像の同じ点を出た光がレンズ曲面の異なる点を通過してそれぞれ異なった屈折をして左右の各々の眼に到達させる働きをする。したがってレンズ曲面が凸面であろうが凹面であろうが、また曲面レンズが凸レンズであろうが凹レンズであろうがどちらでも良い。
【００９８】
レンズ曲面が凸面であろうが凹面であろうが、また、凹面と凸面が交互に配列された曲面であろうが、この曲面の曲面的な変化の方向を眼の左右の方向に合せて曲面レンズを介して表示画像を観ると、観える像に立体感が現れる。また、曲面の曲面的な変化が眼の左右方向と眼の上下方向との両方の成分が存在するように曲面レンズを合せて表示画像を観ることも出来、この場合には、更に強い立体感が現れる。
【００９９】
曲面レンズの形状あるいは有効領域が矩形であることは表示装置を構成する際に一般に矩形の形で流布している表示画像との整合性を考慮すると、レンズ曲面の曲面的変化の方向を眼の左右方向と関連付けて配置するために実用上極めて重要である。しかし、立体感の発現には直接関与はしない。しかしレンズ曲面を構成する凸面あるいは凹面が充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であることは重要である。
【０１００】
充分広いひろがりを持った曲面であるので、近軸光線のみが通過するような理想的なレンズではなく歪を持ったレンズとなる。また、レンズ曲面は滑らかな曲面であるので、作られる像が急激に変化する部分が無い。さらに、かつ緩やかに変化する曲面であるので、像に生じる歪も緩やかに変形する。このような曲面レンズはそのレンズの特性が場所の変化と共に急激に変化する部分も無く、比較的広い範囲を緩やかに変化するレンズと見なせるので、局所的な部分部分の変形を押えて、比較的広い範囲にわたって生じる変形により左右の眼の網膜上に作られる像に違いが生じる。立体感は部分的な歪によることなく、画面全体あるいは比較的広い範囲を緩やかに変化する変形によっても発現するので、全体像の部分部分に生じる歪を押えた比較的良質の立体感のある全体像が得られる。
【０１０１】
またレンズ曲面が単一の凸面、あるいは単一の凹面である場合は、凸面と凹面が交互に繰り返す曲面の場合に比較して緩やかに変化させることができ、歪も画像全体に対して緩やかに変化するので、歪の目立つ度合いの少ない立体感のある像が得られやすい。しかし、凸面と凹面が交互に繰り返す曲面の場合では、繰返し周期が多くなるにしたがって、部分的な歪が数多く繰り返すようになる。その結果、立体感は強まっても歪が目立つようになり、表示画像として必ずしも好ましいものではなくなる。凸面と凹面とが対となった繰り返し間隔が表示画像あるいは曲面レンズにおける有効領域の短辺の数分の一程度以下に押えるのが望ましく、悪くても高々拾分の一程度以下に押えておくのが適切であろう。また、凸面と凹面とが交互に繰り返すレンズ曲面で、一方の曲面の間隔と他方の曲面の間隔とが極端に異なるようなレンズ曲面も一部の部分でレンズ曲面の変化が強くなり、好ましくないことは明らかである。
【０１０２】
ここで第１の実施の形態で用いた凹面と凸面が交互に繰り返す曲面レンズの効果はレンズの厚みを薄くできることにある。凸面あるいは凹面のみからなる曲面レンズでの有効面積が広くなるにしたがって厚くなるレンズの厚みを制限できる。
【０１０３】
以上、両眼の網膜に形成される像に違いを生じさせる働きをするレンズ曲面の立体感発現について、歪との関連も含めて詳細に説明した。これらの説明はこの第１の実施の形態に限らず以後で説明する各種の実施の形態でも同様に成り立つ。
【０１０４】
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。違いは曲面レンズそのものにある。
図４は第２の実施の形態の表示装置に係わる曲面レンズを示す断面図である。断面図の切断面は第１の実施の形態で説明の切断面と同じである。図には断面図と共に表示装置を正面から正対してみた場合の正面図が描かれている。正面図を描く際の見る方向を断面図に矢印で示し、正面図には断面図の切断位置を線ａ−ａ’で示している。
【０１０５】
この曲面レンズは周知のフレンネルレンズ形式のレンズである。レンズの機能はレンズ曲面の形状に係わり、レンズの厚さに依存しないことに着目し、元となるレンズを屈折率の異なる材質の境界面の形状を保存して厚さを減じたエレメントに分け、このエレメントを隙間無く並べたものがフレンネルレンズ形式のレンズである。図４には元になるレンズの断面が点線で示してある。元のレンズのレンズ曲面４０とその延長されたレンズ曲面４１とを併せて母曲面と呼称する。
【０１０６】
曲面レンズは矩形であり、母曲面は円筒面で、円筒軸の方向が曲面レンズの矩形の一辺に対して斜めに４５度傾いて斜めになっている。
元のレンズは複数のエレメントｅ１からｅ２１に分けられ、各エレメントは元のレンズのレンズ曲面４０と平面４２の対応する部分の形状を保存しており、厚さをレンズの厚さから減じた形をしている。これらのエレメントの平面部を平らな一つの平面にそろえて並べたものが曲面レンズである。この曲面レンズの母曲面は円筒面であると同時に円筒軸が曲面レンズの一辺に対して傾いている。各エレメントはこの傾いた円筒軸に沿って切り取られた形をしており、各エレメントの境界を正面図に斜めの線として示している。
【０１０７】
フレンネルレンズ形式のレンズは母曲面をレンズ曲面とするレンズと等価な機能を果たす。したがって第２の実施の形態における曲面レンズは円筒面を曲面レンズの一辺に対して斜め４５度に傾けた曲面をレンズ局面としている曲面レンズと等価である。したがってレンズ曲面では曲面的な変化の方向が表示画面に対して斜めとなるので、レンズ曲面はいずれの場所でも観察者の眼の左右方向とこれに直交する上下方向の両方向に対して曲面的な変化がある。また、上下方向に対する曲面的な変化のみとなる領域は無い。
【０１０８】
以上の説明から明らかなように、第２の実施の形態は第１の実施の形態と同じように作用して同様の機能を果たす。
以上、母曲面を円筒面とし、円筒軸に沿って切断したエレメントを並べて構成したフレンネルレンズ形式の曲面レンズを用いて第２の実施の形態を説明したが、円筒軸の傾きは４５度である必要は無く、曲面レンズの一辺に対して斜めに傾いた状態であればよい。
【０１０９】
また、母曲面は円筒面に限定されず、第１の実施の形態の曲面レンズのレンズ曲面と同様の曲面あっても良い。更に、母曲面は単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面でもよく、また、充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面でもよい。なお、エレメントの大きさは自由であり、その形状も自由である。
【０１１０】
これらのレンズ曲面では曲面的な変化の方向を表示画面に対して斜めにして使用でき、レンズ曲面は観察者の眼の左右方向とこれに直交する上下方向の両方向に対して曲面的な変化をしている状態で使用できる。この結果、左右の眼の網膜に作られる像に差が生じるとともに、両眼で観る像に表示画像を斜め方向から観たような変形が生じ、より強い立体感が現れる。
【０１１１】
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。違いは曲面レンズそのものにある。
図５は第３の実施の形態の表示装置に係わる曲面レンズを示す断面図である。断面図の切断面は第１の実施の形態で説明の切断面と同じである。
【０１１２】
屈折率がｎ１の材質５０と屈折率がｎ２の材質５１の２層の層構造をしている。材質５０の外表面は空気に接した境界面Ａであり凸面と凹面とが交互に繰り返す滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面である。この境界面Ａは図１に示す第１の実施の形態における曲面レンズ１０のレンズ曲面と同じである。したがってここでは境界面Ａの詳細な説明は省略する。
【０１１３】
材質５０と材質５１との境界面Ｂは外表面Ａの凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面が平面状に配列された面である。材質５１の外表面Ｃは平面である。
レンズとして機能する面は屈折率の異なる境界面で、かつ曲面で無ければならない。したがってレンズ曲面は境界面Ａと境界面Ｂである。
【０１１４】
以上の説明から明らかなように曲面レンズは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面である第１のレンズ曲面と、第１のレンズ曲面を構成する凸面あるいは凹面に対して充分小さい面積の微小曲面を平面上に配列した第２のレンズ曲面とが多層に重ねられた構造をしている。
【０１１５】
第２のレンズ曲面を構成する微小曲面の個々はそれぞれ光軸をもつ独立した微小レンズとして作用する。微小レンズのレンズ曲面である微小曲面の面積形状は特に問わない、しかし、充分小さいことが要求される。曲面の形状は球面でも円筒面でもよい。このようなレンズ曲面をしたレンズの例としてはハエの眼レンズあるいはレンティキュラ板が周知である。
【０１１６】
微小レンズ自体は拡大あるいは縮小の機能があり、かつ像の位置を画像の位置からは離す機能があるが、しかしこれは個々の微小レンズの範囲内のことである。
各微小レンズは充分小さく、各微小レンズはそれそれ光軸を異にする独立したレンズであるので、各微小レンズの像が新たな画素となって表示画像の全体像を構成することになる。したがって微小レンズは全体像としては拡大縮小の機能が無く、像の位置のみを変えるのみの作用をする。すなわち、第２のレンズ曲面は上下左右方向の拡大縮小機能は無く、像の奥行き方向の位置を変えるのみの働きをする。
【０１１７】
一方、第１のレンズ曲面はすでに説明した第１の実施の形態での曲面レンズにおけるレンズ曲面と同様であり、このレンズ曲面の機能作用はすでに説明したとおりであり、詳細な説明は省略するが、レンズ曲面の場所による屈折量の違いにより左右の眼の網膜に形成される像に差を生じさせる働きをする。
【０１１８】
この曲面レンズの作る表示画像の全体像は、第１のレンズ曲面により形成された像を第２のレンズ曲面を介して観るのと等価である。
第１のレンズ曲面により形成された像は上下あるいは左右方向に部分部分で拡大あるいは縮小されると同時に奥行き方向の位置も変わってくる。すなわち上下左右方向の変形と奥行き方向の変形の両方が存在する。
【０１１９】
第２のレンズ曲面によって、この第１のレンズ曲面の作る像の奥行き方向の位置のみを更に大きく変形する。すなわち曲面レンズによる全体像は奥行き方向に大きく変形される結果、更に強い立体感が現れる。この際、第２のレンズ曲面によっては上下左右方向の変形は強調されないので、上下左右方向の歪を押えて立体感のみが強く現れるようになる。
【０１２０】
以上の説明から明らかなように、第２のレンズ曲面に第１のレンズ曲面の作る像の奥行き方向の位置を更に大きく変形する働きをさせ、より強い立体感を発現させようとするものであるから、第２のレンズ曲面の各微小レンズが対応する第１のレンズ曲面のレンズ部分は同種のレンズ、すなわち互いに対応する両方のレンズが共に凸レンズか、あるいは共に凹レンズであることが、レンズとしての機能を強めあうことから望ましい。しかし全ての領域で両方のレンズを同種に合せる必要は無く、部分的な領域での立体感が強まれば全体像の立体感の強まる傾向があるために、ある範囲で同種のレンズであれば立体感を強めることができる。
【０１２１】
また、微小レンズの焦点距離は一定である必要も無く、場所と共に変化しても良い。この際凸レンズから凹レンズに、その逆に凹レンズから凸レンズに変化しても良い。
以上、微小レンズについてレンズ曲面である微小曲面の面積形状、曲面の形状を始め、必要とするレンズの特性、及び機能について詳細に説明した。
【０１２２】
次に、レンズ曲面と表示画像との位置関係について説明する。
左右の眼の網膜に形成される像に差を生じさせる働きをする第１のレンズ曲面については上下左右方向の歪をある範囲に抑える必要から表示画像の置かれるべき位置をすでに説明した。表示画像の全体像に生じる上下左右方向の歪に関しては第２のレンズ曲面の影響は無い。このこともすでに説明した。したがって目に良く感じる上下左右方向の歪に関しては第１のレンズ曲面のみを考慮すれば良い。
【０１２３】
しかし、微小曲面すなわち微小レンズはレンズとしての機能があり、全体像の像としての良否に影響する問題がある。
微小レンズの像が拡大される場合は、対応する表示画像の一部分を拡大して自らの領域の光量として放出する。すなわち、自らが対応する領域の一部の光のみしか目に届かないことになる。したがって拡大率が大きいと、外部から観える像が暗くなる。また、振動などによる表示画像と曲面レンズの微小な位置ずれにより微小レンズの対応する画像部分が大きく変化して「ちらつき」が生じる。
【０１２４】
微小レンズの像が縮小される場合は、微小レンズの対応する表示画像の部分が本来代表すべき領域を越えて、隣の微小レンズの対応する部分の光まで当該の微小レンズを透過していくようになる。縮小の割合が更に進むと隣のさらに隣の微小レンズの対応する部分の光まで透過するようになる。このように微小レンズの像が縮小される場合は全体像がぼけることになる。縮小の度合いが進むとぼけの度合いも強くなる。
【０１２５】
表示画像を出て微小レンズを通過する光による像が拡大か、縮小かのいずれであるかは微小レンズすなわち第２のレンズ曲面のみでは定まらない。第１のレンズ曲面の影響も受ける。したがって表示の明るさを確保するなり、ぼけの度合いを制限するための条件は曲面レンズの焦点距離との関係で定める必要がある。ここで曲面レンズの焦点距離とは曲面レンズに含まれる全てのレンズ曲面を含む全レンズ曲面を考慮した焦点距離である。
【０１２６】
微小レンズを介して結ぶ像が拡大される場合、拡大率を２倍以下に押えれば、対応する領域の光量の少なくとも１／４以上が微小レンズを介して眼に届くことが出来る。
この条件を満たすには、表示画像と曲面レンズとの距離が曲面レンズの焦点距離の１／２より短くなければならない。
【０１２７】
微小レンズを介して結ぶ像が縮小される場合、縮小の度合いを１／２以下に押えれば、当該の微小レンズを通って目に届く光は長さ寸法で自らの２倍の領域、面積で自らの４倍の領域の光までに限定でき、ぼけの度合いを制限できる。この条件を満たすには、表示画像と曲面レンズとの距離が微小レンズの焦点距離より短くなければならない。
以上述べたレンズ曲面と表示画像との位置関係の説明、及び微小レンズについてレンズ曲面である微小曲面の面積形状、曲面の形状を始め、必要とするレンズの特性、及び機能の説明は、以後に説明する新たな実施の形態において、微小曲面を配列したレンズ曲面のある曲面レンズを用いる場合に同様に当てはまる。したがって、以後の実施の形態では微小レンズ等の詳しい説明とレンズ曲面と表示画像との位置関係の詳細な説明は省略する。  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。
【０１２８】
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。違いは曲面レンズそのものにある。
図６は第４の実施の形態の表示装置に係わる曲面レンズを示す断面図である。断面図の切断面は第１の実施の形態で説明の切断面と同じである。
【０１２９】
曲面レンズは屈折率がｎ１の材質６０と屈折率がｎ２の材質６１の２層の層構造をしている。材質６０の外表面は空気に接した境界面Ａであり、充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面である。この境界面Ａはすでに説明した第１の実施の形態での曲面レンズにおけるレンズ曲面と同様であり、このレンズ曲面の機能作用はすでに説明したとおりであり、詳細な説明は省略するが、レンズ曲面は場所により屈折の量が異なるので左右の眼の網膜に形成される像に差を生じさせる働きをする。
【０１３０】
材質６０と材質６１との境界面Ｂは外表面Ａの凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面が外表面Ａに沿うように配列された面である。この境界面Ｂは外表面Ａと同様の曲面である仮想配列面Ｖに沿って上記の微小曲面が配列されていると見なすことが出来、この仮想配列面Ｖを図中点線で示している。材質６１の外表面Ｃは平面である。
【０１３１】
図５に示す第３の実施の形態の曲面レンズとの違いは微小曲面を配列した境界面Ｂである。第３の実施の形態では微小曲面が平面状に配列されているのに対して第４の実施の形態では微小曲面が曲面に沿って配列されている。
レンズの特性の観点から、外表面Ａの曲面の曲率が比較的小さい場合、境界面Ｂは近似的に微小曲面が平面状に配列されたレンズ曲面Ｍと、境界面を挟む両側の材質が微小曲面の両側の材質と同じで、かつ境界面の形状が仮想配列面Ｖと同じであるレンズ曲面Ｎとで構成されるものと見なすことが出来る。この実施の形態では仮想配列面Ｖと空気と接した境界面Ａとが同じ曲面形状をしており、しかも仮想配列面Ｖと境界面Ａとが狭い間隔で重なっている。この場合、境界面Ａとレンズ曲面Ｎとの二つのレンズ曲面を統合したレンズとしての働きは屈折率ｎ２の材質が境界面Ａと同じ曲面をもって直接空気に接している仮想のレンズ曲面と見なすことができる。
【０１３２】
これは、同じ曲面を有する境界面が充分狭い間隔で多重に重ねられたレンズの特性は最も外側に位置する材質の屈折率相互で決定され、中に挟まれた材質の屈折率には影響されないことによる。
境界面Ａと仮想配列面Ｖとが間隔を大きく開けて重なる場合、あるいは微小曲面が境界面Ａと異なる曲面形状の仮想配列面に配列されるような場合でも、この仮想配列面と境界面Ａとが類似の曲面である限り、すなわち、両面が共に単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである限り、レンズ曲面Ｎと境界面Ａとの合成されたレンズの等価的なレンズ曲面は、単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかである境界面のレンズ曲面Ｐと見なすことが出来る。
【０１３３】
以上の説明から明らかなように、ここで改めて境界面Ａと仮想のレンズ曲面Ｎとの合成による仮想のレンズ曲面Ｐを第１のレンズ曲面とし、仮想のレンズ曲面Ｍを第２のレンズ曲面と見なすと第３の実施の形態での曲面レンズと同じように作用し機能することは容易に理解できる。
【０１３４】
この第４の実施の形態での曲面レンズは、微小曲面の集まりである境界面Ｂを第２のレンズ曲面と第１のレンズ曲面の二つのレンズ曲面としての役割を担っている。
次に、第５の実施の形態について図面を用いて詳しく説明する。
【０１３５】
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。違いは曲面レンズそのものにある。
図７は第５の実施の形態の表示装置に係わる曲面レンズを示す断面図である。断面図の切断面は第１の実施の形態で説明の切断面と同じである。
【０１３６】
曲面レンズは屈折率がｎ１の材質７０から構成され、外表面の一つである境界面Ａは、充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する仮想配列面Ｖに沿って、仮想配列面Ｖの凸面あるいは凹面の面積に対して極めて小さい面積の微小曲面が配列された曲面である。図中に仮想配列面Ｖを点線で示しており、この仮想配列面Ｖは図１に示す第１の実施の形態における曲面レンズ１０のレンズ曲面と同じである。また、残りの外表面Ｂは平面である。
【０１３７】
レンズの観点から、仮想配列面Ｖは緩やかに変化しているので、境界面Ａは仮想配列面Ｖと同じ形状の仮想のレンズ曲面Ｎと平面状に微小曲面が配列された仮想のレンズ曲面Ｍが２層に重なったものと近似することが出来る。
ここで改めて仮想のレンズ曲面Ｎを第１のレンズ曲面とし、仮想のレンズ曲面Ｍを第２のレンズ曲面と見なすと第３の実施の形態の場合と同じように作用し機能することは容易に理解できる。
【０１３８】
この第５の実施の形態での曲面レンズは外表面である一つの境界面Ａで性質の異なる第１のレンズ曲面および第２のレンズ曲面の二つのレンズ曲面としての機能を果たしている。
以上の説明から明らかなように、第５の実施の形態の曲面レンズは第４の実施の形態の曲面レンズとも同じ働きをしている。
【０１３９】
また、仮想配列面Ｖが第２の実施の形態のレンズ曲面と同じようなフレンネルレンズ形式の曲面であっても良いことは容易に理解される。
次に、第６の実施の形態について図面を用いて詳しく説明する。
第６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。違いは曲面レンズそのものにある。
【０１４０】
図８は第６の実施の形態の表示装置に係わる曲面レンズを示す断面図である。断面図の切断面は第１の実施の形態で説明の切断面と同じである。
屈折率がそれぞれｎ１とｎ４の厚さが一定の薄いフイルム状の材質８１と材質８４の間に、屈折率がそれぞれｎ２とｎ３の薄い材質８２と材質８３の２つの層が挟まれた、４層の層構造をしている。材質８１は凹凸を滑らかに繰り返して、その外表面Ａ及び材質８１と材質８２との境界面Ｂは凹面と凸面が交互に繰り返す滑らかな面である。材質８２と材質８３との境界面Ｃは外表面Ａと境界面Ｂの凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面が境界面Ｂと同じ曲面の仮想配列面Ｖに沿って配列された面である。なお、仮想配列面Ｖを点線で示してある。材質８３と材質８４との境界面Ｄと材質８４の外表面Ｅとは平面である。
【０１４１】
また、外表面Ａと境界面Ｂは図１に示す第１の実施の形態における曲面レンズ１０のレンズ曲面と同じ曲面をしている。
レンズとして機能する面は屈折率の異なる境界面で、かつ曲面で無ければならない。したがってレンズ曲面は空気と接した外表面である境界面Ａと境界面Ｂ、境界面Ｃである。
【０１４２】
外表面Ａと境界面Ｂとは同じ形状の曲面で、かつその間隔が狭いので、第４の実施の形態で説明したように、屈折率ｎ２の材質が同じ曲面をもって直接空気に接している仮想のレンズ曲面と見なすことができる。この仮想のレンズ曲面を第１のレンズ曲面とし、境界面Ｃを第２のレンズ曲面とみなせば第４の実施の形態の場合と同じように作用し機能することは容易に理解できる。
【０１４３】
この実施の形態では同一形状のレンズ曲面が狭い間隔で重なった例で説明したが、間隔が広い場合でも近似的に単一のレンズ曲面と見なすことも出来、また、曲面形状が異なる場合でも近似的な仮想の単一のレンズ曲面と見なすことが出来る。
【０１４４】
また、微小曲面が配列された曲面が多層に重なる場合も同様に仮想の単一のレンズ曲面と見なすことが出来る。
したがって、レンズ曲面が多層に重なって構成される曲面レンズにおいても、これらを必要に応じて統合して等価な一つのレンズ曲面と見なすことが出来る。したがって第１から第５の実施の形態で、各レンズ曲面は単一として説明したが、類似の曲面が複数存在する場合にも、等価なレンズ曲面に統合できるので、これまでに説明した作用機能を発揮することが出来ることは明らかである。
【０１４５】
また、これまで説明してきた実施の形態、および今後説明をする実施の形態では外表面の一つは平面としているが、これらを曲面としてレンズ曲面としても良いことは明白である。
次に、第７の実施の形態について図面を用いて詳しく説明する。
【０１４６】
第７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。違いは曲面レンズそのものにある。
図９は第７の実施の形態の表示装置に係わる曲面レンズを示す断面図である。断面図の切断面は第１の実施の形態で説明の切断面と同じである。
【０１４７】
曲面レンズは屈折率がｎ１の材質９１と屈折率がｎ２の材質とからなる２層構成となっており、材質９１の外表面Ａは第２の実施の形態におけるレンズ曲面と同じである。すなわちフレンネルレンズ形式のレンズ曲面をしている。材質９１と材質９２との境界面Ｂはフレンネルレンズ形式のレンズ曲面である外表面Ａの母曲面の凸面あるいは凹面のいずれに対しても面積が充分小さい微小曲面が平面状に配列された面である。材質９２の外表面Ｃは平面である。
【０１４８】
曲面レンズは矩形であり、外表面Ａの母曲線は第２の実施の形態におけるレンズ曲面と同じく円筒面で、円筒軸の方向が曲面レンズの矩形の一辺に対して斜めに４５度傾いて斜めになっていて、レンズ曲面のいずれの場所においても曲面の曲線的な変化成分に眼の左右方向と眼の上下方向の両方の成分を有している。
【０１４９】
境界面Ｂは図５に示す第３の実施の形態における第２のレンズ曲面と同じ曲面をしている。したがって外表面Ａは第３の実施例の第１のレンズ曲面を円筒曲面に置き換えたものと見なすことが出来る。
したがって、この第７の実施の形態は第３の実施の形態の場合と同じように作用し機能することは容易に理解できる。
【０１５０】
以上説明をしてきた第２の実施の形態から第７の実施の形態において曲面レンズの左右の眼の網膜像に違いをもたらすためのレンズ曲面は、また、フレンネルレンズ形式のレンズ曲面にあってはその母曲面は、特定の曲面に定めて説明をしたが、第１の実施の形態の場合と同じく、これらの曲面は単一の凹面あるいは単一の凸面のいずれか一方の充分広いひろがりを持った滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面であるか、あるいは充分広いひろがりを持った凹面と充分広いひろがりを持った凸面とが交互に配列されてなる滑らかで、かつ緩やかに変化する曲面のいずれかであればよいことは明らかである。
【０１５１】
次に、本発明を携帯電話機に適用した第８の実施の形態について図１０を用いて詳しく説明する。
図１０は使用状態にある携帯電話機を眼の左右方向に直交する切断面での断面図である。この断面図は単一の切断面ではなく、構成を明確にするために互いに平行な複数の切断面での断面図の主要な部分を重ねて表示している。
【０１５２】
図に示す携帯電話機はＡフレーム１０１とＢフレーム１０２の二つのフレームで構成され、互いに相手を保護する蓋の役割を担っている。未使用時にはこれらのフレームは閉じ、使用時に開ける開閉機構１０３を有している。
Ａフレームには液晶などの表示素子１０４が実装され、フレームが開かれた状態で使用者の顔に対面できるようになっている。
【０１５３】
Ｂフレームにはダイヤルボタン１０５などが実装されている。
表示素子１０４に対面して曲面レンズ１０６が置かれる。曲面レンズ１０６はこれまで第１から第７までの実施の形態で説明してきた曲面レンズである。曲面レンズ１０６はレンズ支持具１０７で開閉機構に繋がっている。また、曲面レンズ１０６は細い板状のバネである跳ね上げ機構１０８に接触している。
【０１５４】
携帯電話機が未使用の状態では、開閉機構１０３が回転し、ＡフレームとＢフレームが接近して曲面レンズ１０６を挟み込み、携帯電話機全体がコンパクトになる。この状態での曲面レンズ１０６と跳ね上げ機構１０８のＡフレームに対する位置を点線で示している。
【０１５５】
携帯電話機が使用される状態では開閉機構１０３が回転し、ＢフレームがＡフレームから離れるので、曲面レンズ１０６の拘束が解かれ、跳ね上げ機構１０８は元の形に戻り、曲面レンズ１０６は表示素子から離れた位置に移る。
これにより曲面レンズは、使用状態では表示画像から適切な距離のみ離れ、表示素子上の表示画像を立体感のある像として観ることが出来る。一方、未使用時には表示素子に近接した位置に置かれて携帯電話機を運び易いコンパクトな形にすることが出来る。
【０１５６】
なお、立体感が発現するには曲面レンズは表示画像から適切な距離のみ離すことが重要なことはすでに第１の実施の形態で説明したので、詳細な説明は省略する。
次に第８の実施の形態と同じく本発明を携帯電話機に適用した第９の実施の形態について図１１を用いて詳しく説明する。
【０１５７】
図１１は使用状態にある携帯電話機を眼の左右方向に直交する切断面での断面図である。この断面図は単一の切断面ではなく、構成を明確にするために互いに平行な複数の切断面での断面図の主要な部分を重ねて表示している。
第９の実施の形態は柔軟性のある曲面レンズ２０１を用いることと、曲面レンズの支持方法とが異なる以外は第９の実施の形態と同じである。すなわち、Ａフレーム１０１、Ｂフレーム、開閉機構１０３、表示素子１０４、ダイヤルボタン１０５、跳ね上げ機構１０８を備えている。
【０１５８】
柔軟性のある曲面レンズ２０１は、図中ｇで示す曲面レンズ２０１の一端をＡフレームに固定し、ｈで示す他の一端はフレームの表面に沿って移動できるような移動機構に接続した状態で、表示素子１０４に対面して置かれる。なお、移動機構は図では省略されている。曲面レンズ２０１は細い板状のバネである跳ね上げ機構１０８に接触している。
【０１５９】
携帯電話機が未使用の状態では、ＡフレームとＢフレームが接近して曲面レンズ２０１を挟み込み、携帯電話機全体がコンパクトになる。この状態での曲面レンズ２０１と跳ね上げ機構１０８のＡフレームに対する位置を点線で示している。
【０１６０】
携帯電話機が使用される状態ではＢフレームがＡフレームから離れるので、曲面レンズ２０１の拘束が解かれ、跳ね上げ機構１０８は元の形に戻る。この結果、曲面レンズ２０１は表示素子から離れた位置に移ろうとするが、曲面レンズ２０１の一端ｇはＡフレームに固定され、他の一端ｈはＡフレームに沿って移動する移動機構に接続されているので、この両端はＡフレームからの距離を変えることができず、曲面レンズは湾曲して持ち上がる。この結果、曲面レンズは表示画像から離れるのみにとどまらず、曲面レンズが湾曲する。
【０１６１】
使用時に曲面レンズが表示画像から離れることの効果と未使用時に運び易いコンパクトな形になることなどは第８の実施の形態と同様である。しかし曲面レンズが湾曲することが第８の実施の形態と大きく異なる。曲面レンズの湾曲は立体感の発現に大きな作用を及ぼす。
【０１６２】
本発明に係わる立体表示では、曲面レンズのレンズ曲面が左右の眼の網膜に形成される像に差を生じさせる重要な働きをする。この働きを強めるにはレンズ曲面の曲率を大きくすることである。この曲率を湾曲の度合いで制御できる。しかし、立体感の発現に対しては、この湾曲による曲率の変化の効果よりは、レンズの傾きによる効果の方がおおきい。湾曲によりレンズの部分部分が眼に対して傾いた状態となる。この傾きは一様ではなく、場所により傾きの度合いは異なる。このレンズが眼に対して傾くとレンズとしての働きが強まり、等価的に焦点距離が短くなったように作用する。
【０１６３】
湾曲によるレンズの傾きの度合いは眼に正対している部分が小さく、そこから離れて端に近付くにしたがって大きくなる特徴がある。したがって表示画像の中央部を湾曲の中央部に、表示画像の端部を湾曲の端部に対応させると、観ている表示画像の中央部分については歪の増加が押えられ、端に近付くにしたがって歪が大きくなるとともに、左右の眼に見える像の違いも大きくなる。
【０１６４】
感じられる立体感は像全体に違いが生じる必要は無く、中央部分は違いが小さく端に近付くにしたがって違いが大きくなるような場合でも、違い自体が大きくなれば立体感はより強く発現する。また、感じる歪は注視の対象である中央部に近いほど強く感じ、端の方ほど感じ方が弱い。したがって湾曲によって注視の対象である中央部の歪の増加を押えて立体感をより強く発現するようになる。これが湾曲の第１の効果である。
【０１６５】
平板状の曲面レンズでは斜めから観る場合、曲面レンズが観察者に斜めに対面することになる。この結果、曲面レンズの特性が等価的に強まり、全面に渡って歪が強まるので、視域が比較的狭い。しかし、曲面レンズが平板状で無く湾曲すると、広い範囲に居る観察者が同じような条件で、曲面レンズが観察者に正対することが出来、視域を拡大することができる。これが第２の効果である。
【０１６６】
この第９の実施の形態では、眼の左右方向ではなく、上下方向に湾曲をさせている。本来、左右方向に湾曲させるのが立体感の発現に効果的であるが、上下方向に湾曲させても、視線が斜め上、あるいは斜め下の方向に当たる部分では、視線に対して斜めの傾きがあり、左右の眼に形成される像の差が大きくなり、立体感が強まる。すなわち、どのような方向に湾曲させても立体感は強く感じるようになる。特に、比較的近い位置から観るような場合、両眼の間隔が効果的に作用して立体感が強まる。
【０１６７】
また、湾曲は凹面のみ、あるいは凸面のみに限定されることは無く、凹面と凸面が交互に繰り返すような湾曲であっても良い。
第９の実施の形態で説明した曲面レンズの湾曲の効果は、携帯電話機に限らず、パームトップ、ラップトップなどの携帯形の情報機器をはじめあらゆる表示素子を含む機器に適用できる。当然、第１から第７までの実施の形態の表示装置でも、曲面レンズを湾曲させることで同様の効果を得ることが出来る。
【０１６８】
なお、以上説明した曲面レンズの湾曲は、曲面レンズを構成する各レンズ曲面が湾曲面に沿って曲げられた状態であり、各レンズ曲面を構成する凹面あるいは凸面の面積が腕曲面の広がりに対して小さいと見なせるような場合は、各レンズ曲面を構成する凹面あるいは凸面を腕曲面に沿って配列したものと近似的に等価と見なすことができる。もちろん、予めレンズ曲面が仮想曲面に沿って曲がっている場合は、より複雑な仮想曲面に沿って曲げられたレンズ曲面と見なす必要があるのは当然である。
【０１６９】
第８と第９の実施の形態で、蓋を開けた使用する状態で曲面レンズが移動して、表示素子から離れる形態を説明したが、蓋を開けた使用状態で必ず移動する必要は無く、モード切り替えなどにより使用時でも表示素子に近接する場合があっても良い。このような措置ができれば、文字を読み取る際、あるいは表示画像を別の機器で読み取り、認証を行うなどの際に、表示画像に生じる歪を低減できる。
【０１７０】
【発明の効果】
以上説明してきたように，本発明には、以下のような効果がある。
請求項１の発明は、レンズ曲面が曲線的な変化をしない一定方向を眼の左右方向に対して斜めになるように曲面レンズを合せて表示画像を観ると、レンズ曲面がいずれの場所でも観察者の眼の左右方向とこれに直交する上下方向の両方向に対して曲面的な変化をすることになるので、左右の眼の網膜に作られる像に差が生じるとともに、両眼で観る像に表示画像を斜め方向から観たような変形が生じ、より強い立体感が現れる。しかも、この曲面レンズは比較的面積の広い歪のあるレンズで、そのレンズの特性が場所の変化と共に急激に変化する部分も無く、比較的広い範囲を緩やかに変化するレンズと見なせるので、局所的な部分部分の変形は押えられ、比較的広い範囲にわたる緩やかな変形となる。そのため、画像の部分部分に生じる歪を押えた良質の立体感のある全体像が得られる。
【０１７１】
また、立体感の発現に効力が無く、単なる上下方向の歪となる上下方向に対する曲面的な変化のみが存在する領域が無いので、不要な歪の発生を押えて良好な立体感のある像を表示することができる。
更に、レンズ曲面が滑らかな曲面の曲面レンズでは、軸方向に対して直径が滑らかに変化するローラ等を通すことで、曲面レンズを作ることが出来るので、安価な曲面レンズが得られ、フレンネルレンズ形式の曲面レンズでは、面積の大きい曲面レンズでも厚さを薄くできる。
請求項２の発明は、矩形の曲面レンズの一辺と矩形の表示画像の一辺を合せて表示装置とすることが容易で、この状態では、比較的面積の広い歪のあるレンズとして作用する第１のレンズ曲面はいずれの場所でも観察者の眼の左右方向とこれに直交する上下方向の両方向に対して曲面的な変化をすることになる。しかもそのレンズの特性が急激に変化することなく比較的広い範囲を緩やかに変化するレンズとして作用するので、局所的な部分部分の変形は押えられ、比較的広い範囲にわたる緩やかな変形により左右の眼の網膜像に違いが生じ、両眼で観る像に表示画像を斜め方向から観たような変形が生じ、両眼で観る全体像により強い立体感が現れる。しかもこの画像の部分部分に生じる歪は押えられ、良質の立体感のある全体像となる。
【０１７２】
第２のレンズ曲面によって、この第１のレンズ曲面の作る像の奥行き方向の位置のみを更に大きく変形する。すなわち曲面レンズによる全体像は奥行き方向に大きく変形される結果、立体感は更に強く現れる。この際、第２のレンズ曲面によっては上下左右方向の変形は強調されないので、歪を押えて立体感のみを強くすることが出来る。
【０１７３】
また、第１のレンズ曲面には上下方向に対する曲面的な変化のみが存在する領域が無いので、立体感の発現に効力のない上下方向の歪の発生が押えられ良好な立体感のある像を表示することができる。
更に、フレンネルレンズ形式の曲面レンズでは、面積の大きい曲面レンズでも厚さを薄くできる。
【０１７４】
請求項３の発明は、第１のレンズ曲面が曲線的な変化をする特定の一定方向が眼の左右方向に対して平行になるか、斜めに傾いた方向になるように曲面レンズを配置した状態で、この曲面レンズを介して表示画像を観ると、比較的面積の広い歪のあるレンズとして作用する第１のレンズ曲面はいずれの場所でも観察者の眼の左右方向に対して曲面的な変化をすることになる。しかもそのレンズの特性が急激に変化することなく比較的広い範囲を緩やかに変化するレンズとして作用するので、局所的な部分部分の変形は押えられ、比較的広い範囲にわたる緩やかな変形により左右の眼の網膜上の像に違いが生じ、全体像に立体感が現れ、しかも画像の部分部分に生じる歪が押えられた良質の立体感のある全体像が得られる。
【０１７５】
さらに特定の一定方向が眼の左右方向に対して斜めに傾いた方向に配置された場合では眼の左右方向に直交する上下方向に対しても曲面的な変化をするので、両眼で観る像に表示画像を斜め方向から観たような変形が生じ、より強い立体感が現れる。
【０１７６】
第２のレンズ曲面によって、この第１のレンズ曲面の作る像の奥行き方向の位置のみを更に大きく変形する。すなわち曲面レンズによる全体像は奥行き方向に大きく変形される結果、立体感は更に強く現れる。この際、第２のレンズ曲面によっては上下左右方向の変形は強調されないので、歪を押えて立体感のみを強くすることができる。
【０１７７】
また、第１のレンズ曲面には上下方向に対する曲面的な変化のみが存在する領域が無いので、立体感の発現に効力のない上下方向の歪の発生を押えて良好な立体感のある像を表示することができる。
更に、フレンネルレンズ形式の曲面レンズでは、面積の大きい曲面レンズでも厚さを薄くできる。
【０１７８】
請求項４の発明は、曲面レンズを眼に対して適切な方向に設定すれば、等価的に比較的面積の広い歪のあるレンズとして作用し、そのレンズの特性が場所の変化と共に急激に変化することなく、比較的広い範囲を緩やかに眼の左右方向に対して曲面的に変化するレンズ曲面Ｐと等価的に微小曲面が平面状に配列されたレンズ曲面Ｍとで構成されていると見なせるので、この曲面レンズを介して表示画像を観ると、局所的な部分部分の変形が押えられた、比較的広い範囲にわたる緩やかな変形により左右の眼の網膜上の像に違いが生じて、画像の部分部分に生じる歪が押えられた良質の立体感のある全体像が得られる。さらに後者のレンズ曲面Ｍにより像の左右上下方向の変形を強めることなく像の奥行き方向の変形を強めることが出来る。この結果、眼に感じ易い左右上下方向の変形を押えて、更により強い立体感を発現することができる。
【０１７９】
また、一つの境界面を、微小なレンズが配列されたレンズ曲面と、比較的なだらかで滑らかなレンズ曲面との性質の異なる２種類のレンズ曲面として機能させることが出来、製造工程を削減する効果もある。
請求項５の発明は、フレンネルレンズ形式の仮想配列面は母曲面と同様の仮想配列面と見なすことが出来、第４の発明とまったく同じ作用をし、まったく同じ効果が得られる。更に、フレンネルレンズ形式の曲面レンズでは、面積の大きい曲面レンズでも厚さを薄くできる。
【０１８０】
請求項６の発明は、一般に流布している矩形の表示画像の一辺に曲面レンズの矩形の一辺を合せて対向させ、その状態で表示画像を観ると、比較的面積の広い歪のあるレンズとして作用するレンズ曲面はいずれの場所でも観察者の眼の左右方向とこれに直交する上下方向の両方向に対して曲面的な変化をすることになる。しかもそのレンズの特性が急激に変化することなく比較的広い範囲を緩やかに変化するレンズとして作用するので、局所的な部分部分の変形は押えられ、比較的広い範囲にわたる緩やかな変形により左右の眼の網膜像に違いが生じる。その結果、画像の部分部分に生じる歪が押えられた良質の立体感のある全体像が得られる。また、左右方向とこれに直交する上下方向の両方向に対して曲面的な変化をしているので両眼で観る像に表示画像を斜め方向から観たような変形が生じ、より強い立体感が現れる。
【０１８１】
また、立体感の発現に効力が無く、単なる上下方向の歪となる上下方向に対する曲面的な変化のみが存在する領域が無いので、不要な歪の発生を押えて良好な立体感のある像を表示することができる。
また、フレンネルレンズ形式のレンズであるので、比較的曲率の大きいレンズでもレンズの厚さを薄くできる。
【０１８２】
請求項７の発明は、第１のレンズ曲面が曲線的な変化をする方向が眼の左右方向に対して平行になるように曲面レンズを配置してこの曲面レンズを介して表示画像を観ると、第１のレンズ曲面は観察者の眼の左右方向対して曲面的な変化をし、しかもその変化が急激に変化することなく比較的広い範囲を緩やかに変化するので、第１のレンズ曲面の作用により左右の眼には異なる像が形成される。その像は比較的広い範囲にわたる緩やかな変形しか伴わず、急激な変形は無い。したがって両眼で観える全体像は、局所的な部分部分に生じる歪が押えられた良質の立体感のある像となる。
【０１８３】
この第１のレンズ曲面による像には場所によって奥行き方向の位置が変わるが、第２のレンズ曲面によって、この第１のレンズ曲面の作る像の奥行き方向の位置のみを更に大きく変形する。すなわち曲面レンズによる全体像は奥行き方向に大きく変形される結果、更に強い立体感が現れる。この際、第２のレンズ曲面によっては上下左右方向の変形は強調されないので、歪を押えて立体感のみが強く現れる。
【０１８４】
請求項８の発明は、曲面レンズを湾曲させると、曲面レンズの部分部分が眼に対して傾き、その傾きの度合いは眼に正対している部分が小さく、そこから離れて端に近付くにしたがって大きくなる。傾きが大きいほどレンズとしての働きが強いので、表示画像などを観る際、湾曲の中央部分では歪の増加が押えられ、湾曲の端に近付くにしたがって歪は大きくなるが左右の眼に見える像の違いも大きくなる。表示画像の中央部を湾曲の中央部に、表示画像の端部を湾曲の端部に対応させると、感じとれる全体像としては歪を押えた状態で立体感の強い像とすることができる。
【０１８５】
また、曲面レンズが平板状で無く観察者に対して一つの凸面となるように湾曲させると、広い範囲に居る観察者が同じような条件で、正視する部分に対応する曲面レンズに正対することが出来、視域を拡大することができる。
請求項９の発明は、曲面レンズは比較的面積の広い歪のあるレンズとして作用し、レンズ曲面が観察者の眼の左右方向対して曲面的な変化をすることになるので、左右の眼の網膜に作られる像に差が生じて、両眼で観る全体像に立体感が現れる。また、眼の左右方向に直交する上下方向に対しても曲面的な変化をするので、両眼で観る像に表示画像を斜め方向から観たような変形が生じ、さらにより強い立体感が現れる。レンズ曲面は急激に変化する部分は無く、比較的広い範囲を緩やかに変化するので、局所的な部分部分の変形は押えられ、比較的広い範囲にわたる緩やかな変形による歪しかなく、歪の目立つのを押えた立体感のある全体像となって観える。
【０１８６】
さらに、レンズ曲面には上下方向に対する曲面的な変化のみが存在する領域が無いので、立体感の発現に効力のない上下方向の歪の発生を押えることができ、良好な立体感のある像を表示することができる。
また、曲面レンズの大部分の領域で、曲面レンズが凸レンズの場合では像の拡大率は４／３倍以下に制限でき、曲面レンズが凹レンズの場合では０．８より小さく縮小されることが無いので、発生する歪の程度を押えて良好な立体感のある像を表示することができる。
【０１８７】
更に、フレンネルレンズ形式の曲面レンズでは、面積の大きい曲面レンズでも厚さを薄くできる。
請求項１０の発明は、曲面レンズは比較的面積の広い歪のあるレンズとして作用し、レンズ曲面がいずれの場所でも観察者の眼の左右方向に対して曲面的な変化をすることになるので、左右の眼の網膜に作られる像に差が生じて、全体像に立体感が現れる。レンズ曲面は急激に変化する部分は無く、比較的広い範囲を緩やかに変化するので、局所的な部分部分の変形は押えられ、比較的広い範囲にわたる緩やかな変形による歪しかなく、歪の目立つのを押えることができる。
【０１８８】
さらに、眼の左右方向に直交する上下方向に対しても曲面的な変化の成分も存在するので、両眼で観る像に表示画像を斜め方向から観たような変形が生じ、さらにより強い立体感が現れる。
また、曲面レンズが凸レンズの場合では像の拡大率は４／３倍以下に制限でき、曲面レンズが凹レンズの場合では０．８より小さく縮小されることが無いので、発生する歪の程度が押えられ、良好な立体感のある像を表示することができる。
【０１８９】
更に、フレンネルレンズ形式の曲面レンズでは、面積の大きい曲面レンズでも厚さを薄くできる。
請求項１１の発明は、第１のレンズ曲面は、比較的面積の広い歪のあるレンズとして作用し、いずれの場所でも観察者の眼の左右方向対して曲面的な変化をすることになるので、左右の眼の網膜に作られる像に差が生じて、全体像に立体感が現れる。レンズ曲面は急激に変化する部分は無く、比較的広い範囲を緩やかに変化するので、局所的な部分部分の変形は押えられ、比較的広い範囲にわたる緩やかな変形による歪しかなく、歪の目立つのを押えることができる。
【０１９０】
さらに、眼の左右方向に直交する上下方向に対しても曲面的な変化の成分も存在する場合では、両眼で観る像に表示画像を斜め方向から観たような変形が生じるので、さらにより強い立体感が現れる。
この第１のレンズ曲面による像には場所によって奥行き方向の位置が変わるが、第２のレンズ曲面によって、この第１のレンズ曲面の作る像の奥行き方向の位置のみを更に大きく変形する。すなわち曲面レンズによる全体像は奥行き方向に大きく変形される結果、更により強い立体感が現れる。この際、第２のレンズ曲面によっては上下左右方向の変形は強調されないので、歪を押えて立体感のみが強まる。
【０１９１】
また、表示画像の位置を制限しているので、全体像の品質を一定の水準に保つことが出来る。すなわち、全体像に歪を生じさせる第１のレンズ曲面が凸レンズの場合では像の拡大率は４／３倍以下に制限でき、曲面レンズが凹レンズの場合では０．８より小さく縮小されることが無いので、発生する歪の程度を押えて良好な立体感のある像を表示することができる。
【０１９２】
さらに曲面レンズが凸レンズの場合には、微小曲面すなわち微小レンズの対応する像の拡大率を２倍以下に押えているので、微小レンズを透過して眼に到達する光量を高々１／４までに制限でき表示画面としての明るさを確保できる。曲面レンズが凹レンズの場合には、微小レンズの対応する像の縮小の限度を１／２までに押えているので、微小レンズを透過して眼に到達するのは自らの領域の長さで２倍、面積で４倍の領域までの光までである。したがって全体像のぼけの程度を制限できる。
【０１９３】
更に、フレンネルレンズ形式の曲面レンズでは、面積の大きい曲面レンズでも厚さを薄くできる。
請求項１２の発明は、第２のレンズ曲面は微小曲面が平面状に配列された仮想のレンズ曲面Ｍと、境界面の形状が仮想配列面と同じでその両側の材質が微小曲面と同じの仮想のレンズ曲面Ｎとで構成されるものと見なすことができ、仮想配列面と類似の形状を持つ第１のレンズ曲面とレンズ曲面Ｎとは、合成されて等価的なレンズ曲面Ｐと見なせる。この仮想のレンズ曲面Ｐは、大部分の領域で、眼の左右方向に対して曲面的な変化をすることになるので、左右の眼の網膜に作られる像に差が生じて、全体像に立体感が現れる。
【０１９４】
この仮想のレンズ曲面Ｐによる像は場所によって奥行き方向の位置が変わるが、仮想のレンズ曲面Ｍによって、この仮想のレンズ曲面Ｐの作る像を奥行き方向の位置のみを更に大きく変形する。この結果、更により強い立体感が現れる。この際、仮想のレンズ曲面Ｍによって上下左右方向の変形はないので、歪を押えて立体感のみが強まる。
【０１９５】
また、曲面レンズに対する表示画像の位置を制限して、曲面レンズが凸レンズの場合には、微小曲面すなわち微小レンズの対応する像の拡大率を２倍以下に押えているので、微小レンズを透過して眼に到達する光量を高々１／４までに制限でき、観る表示画面の明るさの下限を制限している。曲面レンズが凹レンズの場合には、微小レンズの対応する像の縮小の限度を１／２までに押えているので、微小レンズを透過して眼に到達するのは自らが対応する領域の長さで２倍、面積で４倍の領域までの光に限定される。このように全体像がぼける度合いを制限している。
【０１９６】
請求項１３の発明は、曲面レンズを湾曲させると、曲面レンズの部分部分が眼に対して傾き、その傾きの度合いは眼に正対している部分が小さく、そこから離れて端に近付くにしたがって大きくなる。傾きが大きいほどレンズとしての働きが強いので、表示画像などを観る際、表示画像の中央部分については歪の増加が押えられ、端に近付くにしたがって歪は大きくなるが左右の眼に見える像の違いも大きくなって、感じとれる全体像としては歪を押えた状態で立体感の強い像となる。
【０１９７】
また、曲面レンズが平板状で無く湾曲すると、広い範囲に居る観察者が同じような条件で、正視する部分に対応する曲面レンズに正対することが出来、視域を拡大することができる。
また、表示画像の位置を制限しているので、曲面レンズが凸レンズの場合には、微小曲面すなわち微小レンズの像の拡大率を２倍以下に押えているので、微小レンズを透過して眼に到達する光量を高々１／４までに制限でき表示画面としての明るさを確保できる。曲面レンズが凹レンズの場合には、微小レンズ像の縮小の限度を１／２までに押えているので、微小レンズを透過して眼に到達するのは微小レンズ自らが対応する領域の長さで２倍、面積で４倍の領域までの光に限定される。このように全体像がぼける度合いを制限している。
【０１９８】
請求項１４の発明は、使用時に曲面レンズと表示画像との間に適切な間隔が出来るので曲面レンズが有効に作用して左右の眼に出来る像に間隔の大きさに応じた違いが出来、立体感のある像として観ることが出来る。又使用しない状態では曲面レンズは表示素子に近接して位置するので、表示装置をコンパクトになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２次元表示画像に対面して、曲面レンズを配置して構成される第１の実施の形態における表示装置の斜視図である。また、曲面レンズの形態を変えた第２から第７までの実施の形態である表示装置の斜視図でもある。
【図２】第１の実施の形態における表示装置に用いる曲面レンズの斜視図である。
【図３】第１の実施の形態における表示装置に用いる曲面レンズの断面図である。
【図４】第２の実施の形態における表示装置に用いる曲面レンズの断面図と正面図である。この曲面レンズはフレンネルレンズ形式のレンズであり、母曲面も合せて示している。
【図５】第３の実施の形態における表示装置に用いる曲面レンズの断面図である。
【図６】第４の実施の形態における表示装置に用いる曲面レンズの断面図である。
【図７】第５の実施の形態における表示装置に用いる曲面レンズの断面図である。
【図８】第６の実施の形態における表示装置に用いる曲面レンズの断面図である。
【図９】第７の実施の形態における表示装置に用いる曲面レンズの断面図である。
【図１０】曲面レンズを表示素子に対面して配置した第８の実施の形態の携帯電話機である
【図１１】曲面レンズを表示素子に対面して配置した第９の実施の形態の携帯電話機である。
【符号の説明】
１０、１０６、２０１  曲面レンズ
１１  表示画像
１２  保持機構
１２ａ  背面板
１２b  アーム
２０    外表面
２２  凸面
２３  凹面
２１  レンズ曲面
４０  元のレンズのレンズ
４１  曲面元のレンズの延長されたレンズ曲面
４０  レンズ曲面
４２  平面
５０、５１、６０、６１、７０、８１、８２、８３、８４、９１、９２  材質１０１  Ａフレーム
１０２  Ｂフレーム
１０３  開閉機構
１０４  表示素子
１０５  ダイヤルボタン
１０７  レンズ支持具
１０８  跳ね上げ機構
ｅ１〜ｅ２１  元のレンズのエレメント
ｎ１、ｎ２  屈折率
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ  境界面
ｇ  曲面レンズの一端
ｈ  曲面レンズの他の一端
【図１】
2006053166.tif 000003
【図２】
2006053166.tif 000004
【図３】
2006053166.tif 000005
【図４】
2006053166.tif 000006
【図５】
2006053166.tif 000007
【図６】
2006053166.tif 000008
【図７】
2006053166.tif 000009
【図８】
2006053166.tif 000010
【図９】
2006053166.tif 000011
【図１０】
2006053166.tif 000012
【図１１】
2006053166.tif 000013