(57)【要約】【課題】光線間のクロストークを少なくして、且つ奥行き再現範囲が広い立体映像を再生することのできる立体像表示装置を提供する。【解決手段】立体像表示装置は、立体画像を再生するための光線を出力する光線再生装置と、前記光線再生装置から出力される前記光線を透過するように設けられ、複数の要素レンズを含んで構成されるレンズアレイスクリーンと、を具備する。前記要素レンズは、入射する直線状の光線を所定の広がり角の範囲内のみに拡散させて出力する。【選択図】図１
2019101115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体画像を再生するための光線を出力する光線再生装置と、
前記光線再生装置から出力される前記光線を透過するように設けられ、複数の要素レンズを含んで構成されるレンズアレイスクリーンと、
を具備する立体像表示装置であって、
前記要素レンズは、入射する直線状の光線を所定の広がり角の範囲内のみに拡散させて出力する、
ことを特徴とする立体像表示装置。
【請求項２】
前記レンズアレイスクリーンを構成する前記複数の要素レンズの開口数がすべて同じ値である、
ことを特徴とする請求項１に記載の立体像表示装置。
【請求項３】
前記光線再生装置から出力される隣接する光線間の角度間隔φと、前記レンズアレイスクリーンを構成する前記要素レンズによる光の広がり角θとの関係が、０．７φ≦θ≦１．３φである、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の立体像表示装置。
【請求項４】
前記角度間隔φと、前記広がり角θとが、ほぼ等しい、
ことを特徴とする請求項３に記載の立体像表示装置。
【請求項５】
前記レンズアレイスクリーンを構成する前記要素レンズによる光の広がり角θが、０．２度以上且つ２．０度以下である、
ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の立体像表示装置。
【請求項６】
前記レンズアレイスクリーンを構成する前記複数の要素レンズは、不規則的な位置に配置されている、
ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の立体像表示装置。
【請求項７】
前記レンズアレイスクリーンを構成する前記複数の要素レンズが、不均一なサイズを有する、
ことを特徴とする請求項１から６までのいずれか一項に記載の立体像表示装置。
【請求項８】
前記レンズアレイスクリーンは、第１の材質で作られたレンズ部と、第２の材質によって前記レンズ部以外の部分を充填した充填材部とからなる層として構成される、
ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか一項に記載の立体像表示装置。
【請求項９】
前記レンズアレイスクリーンは、所定の材質で作られたレンズ部と、第１の電極層と、液晶を充填した液晶層と、第２の電極層とを積層して構成される、
ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか一項に記載の立体像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特殊な眼鏡等を装着せずに立体画像を鑑賞するための技術が求められている。特殊な眼鏡が不要な裸眼立体表示技術の例が特許文献１および特許文献２に開示されている。特許文献１および特許文献２に記載された技術では、複数のプロジェクターを用いて、水平視差を有する立体画像をスクリーンに投射する。投射されるスクリーンは、垂直方向に大きな拡散特性を有し、水平方向には小さな拡散特性を有する。ここで、光の拡散に使用するフィルムとしては、例えばホログラフィック光学素子により、垂直方向と水平方向の拡散特性が異なるフィルムが使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０３５３５３号公報
【特許文献２】特開２０１０−０８１４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術において用いられるフィルムの光拡散特性は、特定の角度範囲のみに光を広げるものではなく、ある程度の広がり角度分布を伴う拡散特性である。したがって、光線間のクロストークが生じ、再生立体映像の奥行き再現特性が低下してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記の課題認識に基づいて為されたものであり、光線間のクロストークを少なくして、且つ奥行き再現範囲が広い立体映像を再生することのできる立体像表示装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［１］上記の課題を解決するため、本発明の一態様による立体像表示装置は、立体画像を再生するための光線を出力する光線再生装置と、前記光線再生装置から出力される前記光線を透過するように設けられ、複数の要素レンズを含んで構成されるレンズアレイスクリーンと、を具備する立体像表示装置であって、前記要素レンズは、入射する直線状の光線を所定の広がり角の範囲内のみに拡散させて出力する、ことを特徴とする。
【０００７】
［２］また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記レンズアレイスクリーンを構成する前記複数の要素レンズの開口数がすべて同じ値である、ことを特徴とする。
【０００８】
［３］また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記光線再生装置から出力される隣接する光線間の角度間隔φと、前記レンズアレイスクリーンを構成する前記要素レンズによる光の広がり角θとの関係が、０．７φ≦θ≦１．３φである、ことを特徴とする。
【０００９】
［４］また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記角度間隔φと、前記広がり角θとが、ほぼ等しい、ことを特徴とする。
【００１０】
［５］また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記レンズアレイスクリーンを構成する前記要素レンズによる光の広がり角θが、０．２度以上且つ２．０度以下である、ことを特徴とする。
【００１１】
［６］また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記レンズアレイスクリーンを構成する前記複数の要素レンズは、不規則的な位置に配置されている、ことを特徴とする。
【００１２】
［７］また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記レンズアレイスクリーンを構成する前記複数の要素レンズが、不均一なサイズを有する、ことを特徴とする。
【００１３】
［８］また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記レンズアレイスクリーンは、第１の材質で作られたレンズ部と、第２の材質によって前記レンズ部以外の部分を充填した充填材部とからなる層として構成される、ことを特徴とする。
【００１４】
［９］また、本発明の一態様は、上記の立体像表示装置において、前記レンズアレイスクリーンは、所定の材質で作られたレンズ部と、第１の電極層と、液晶を充填した液晶層と、第２の電極層とを積層して構成される、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光線再生装置から出力される光線を透過するようにレンズアレイスクリーンが設けられる。そして、レンズアレイスクリーンを構成する複数の要素レンズのそれぞれは、入射する直線状の光線を所定の広がり角の範囲内のみに拡散させて出力する。これにより、光線間のクロストークが少なくなり、奥行き再現範囲が広い立体映像を再生できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態による立体像表示装置１００の基本構成を示す概略図である。
【図２】同実施形態による立体像表示装置１００のさらに詳細な構成を示す概略図である。
【図３】同実施形態によるレンズアレイスクリーン５に各方向からの光線が投射された場合の光線の広がり方を示す概略図である。
【図４】同実施形態によるレンズアレイスクリーン５に入射する光線間の入射角度差と、スクリーン透過後の光線が成す立体像との関係を示す概略図である。
【図５】同実施形態のためのレンズアレイスクリーン５の第１の構成例を示す断面図である。
【図６】同実施形態のためのレンズアレイスクリーン５の第２の構成例を示す断面図である。
【図７】同実施形態のためのレンズアレイスクリーン５の第３の構成例を示す断面図である。
【図８】同実施形態におけるレンズアレイスクリーン５に関する光拡散特性を示すグラフである。
【図９】同実施形態によるレンズアレイスクリーン５を構成するマイクロレンズの拡散角度（θ）の分布が合成された光線に与える影響を示すグラフである。
【図１０】同実施形態によるレンズアレイスクリーン５において要素レンズを不規則的に配置する例を示す概略図である。
【図１１】同実施形態によるレンズアレイスクリーン５においてレンズ形成エリア６１ごとに異なるサイズのレンズを配置した例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
図１は、本実施形態による立体像表示装置１００の基本構成を示す概略図である。同図は、立体像表示装置１００および観察者６を上から見た図である。図示するように、立体像表示装置１００は、光線再生装置１とスクリーン３とを含んで構成される。
【００１８】
光線再生装置１は、立体映像を構成する光線を再生するものである。つまり、立体画像を再生するための光線を出力する。本実施形態による光線再生装置１は、多視点画像群表示部２を内部に備える。多視点画像群表示部２は、例えば、液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置を用いて構成される。なお「ＥＬ」は、エレクトロルミネセンス（Electroluminescence）の略である。多視点画像群表示部２は、配列された多数の多視点画像から成る多視点画像群を表示する。この多視点画像群は、例えば、予め撮影される。多視点画像群表示部２を平面視したとき、即ち図１における観察者６側から見たとき、多数の多視点画像が例えば正方配列あるいはデルタ配列されている。多視点画像群は、立体映像を再生するための画像である。多視点画像群表示部２が表示した多視点画像群の光線は、光学系などを通してスクリーン３に投射表示される。このとき、多視点画像群表示部２からの光線は、光線間でのクロストークが少なく直進性に優れた投射光線４として、スクリーン３へ投射される。なお、本図においては、各多視点画像からの投射光線を区別しやすくするため、多視点画像ごとに線種を変えて投射光線を示している。具体的には、図示する３つの多視点画像からの投射光線を、それぞれ、破線、実線、および一点鎖線で表している。
【００１９】
スクリーン３は、レンズアレイスクリーン５を含んで構成される。スクリーン３で拡散された光線を、観察者６が観察し、立体映像として認識する。レンズアレイスクリーン５は、微小なマイクロレンズ（要素レンズ）を密に配列したスクリーンである。このレンズアレイを構成するマイクロレンズは、例えばそれぞれが同じ開口数（Numerical Aperture，N.A.）を有しており、一定の角度範囲内に光線を広げる特性を有する。つまり、一例として、レンズアレイスクリーン５を構成する複数の要素レンズの開口数がすべて同じ値である。つまり、レンズアレイスクリーン５は、光線再生装置１から出力される光線を透過するように設けられ、複数の要素レンズを含んで構成される。また、レンズアレイスクリーン５を構成する要素レンズは、入射する直線状の光線を所定の広がり角の範囲内のみに拡散させて出力する。レンズアレイスクリーン５を通った投射光線４は、所望の角度範囲内に広がり、観察者６へ向かう。投射光線４の光線間隔に応じた光の広がり角をレンズアレイスクリーン５で実現するようにすることで、観察者６は光線の欠落のない立体像を観察することができる。レンズアレイスクリーン５における光の広がり角については、さらに後で説明する。
なお、開口数は、光学系の明るさや分解能を表す数値である。開口数ＮＡは、「NA＝N・sinθ」で表される。ここで、θは、物体からレンズに入射する光線の光軸に対する最大角度である。また、Ｎは、物体とレンズとの間の媒質の屈折率である。
【００２０】
図２は、立体像表示装置１００のさらに詳細な構成を示す概略図である。同図は、立体像表示装置１００および観察者６を上から見た図である。図示するように、立体像表示装置１００に含まれる光線再生装置１は、多視点画像群表示部２と、レンズアレイ７と、アパーチャーアレイ８と、集光レンズ９と、コリメーター（collimator）レンズ１０とを含んで構成される。
【００２１】
既に述べたように、多視点画像群表示部２は、多数の多視点画像を表示する。多視点画像群表示部２としては、単一のプロジェクター、複数のプロジェクター、または直視型表示パネルなどを使用することができる。直視型表示パネルを用いる場合には、液晶パネルや有機ＥＬパネルなどを使用することができる。
【００２２】
レンズアレイ７は、多視点画像群表示部２によって表示された複数の多視点画像を集光する。レンズアレイ７を構成する各要素レンズは、多視点画像群表示部２が表示する各多視点画像に対応している。つまり、レンズアレイ７を構成する各要素レンズは、各多視点画像が表示される位置に対応するように配置されている。多視点画像群表示部２から放射された各多視点画像の光線は、レンズアレイ７内の対応する要素レンズを通して、アパーチャーアレイ８内のアパーチャーに到達する。アパーチャーアレイ８は、多数のアパーチャーを平面状に配置したものである。アパーチャーアレイ８に含まれる各アパーチャーは、各多視点画像に対応している。つまり、アパーチャーアレイ８において、各アパーチャーは、レンズアレイ７内の要素レンズの位置に対応して設けられている。言い換えれば、レンズアレイ７の要素レンズの集光点にアパーチャーアレイ８のアパーチャーを設ける。これにより、光線の直進性を向上させることができる。アパーチャーアレイ８を透過した各多視点画像の光線は、集光レンズ９を通して、さらにコリメーターレンズ１０を通して、スクリーン３側に投射される。
【００２３】
つまり、レンズアレイ７は、各多視点画像の光線を、アパーチャーアレイ８内のアパーチャーに集光する作用を有する。
アパーチャーアレイ８は、多視点画像の光線の方向を所定の方向に揃える作用を有する。言い換えれば、アパーチャーアレイ８内の遮光部（アパーチャー以外の部分）は、各多視点画像の、当該所定方向以外の方向の成分を遮光する。つまり、アパーチャーアレイ８は、各多視点画像の光線の直進性を向上させる作用を有する。
そして、集光レンズ９およびコリメーターレンズ１０の組み合わせによる作用で、アパーチャーアレイ８を透過した光線がスクリーン３内の所望の位置に導かれる。
【００２４】
スクリーン３内のレンズアレイスクリーン５に含まれる１つの要素レンズに着目したとき、上記光学系の作用により、図示するように、その要素レンズには、多数の多視点画像の直進性の高い光線が、各多視点画像に固有の方向から到来する。
なお、コリメーターレンズ１０の作用により、各多視点画像からの光は、平行光としてスクリーン３に投射される。
【００２５】
レンズアレイスクリーン５に投射される多視点画像の１つの光線のサイズ（つまり投射される画像の1画素サイズ）に対して、レンズアレイスクリーン５の要素レンズ（マイクロレンズ）のサイズが小さくなるようにする。これにより、マイクロレンズによる画像の解像度の低下を防ぐことができる。
【００２６】
図２は、立体像表示装置１００および観察者６を上から見た図であり、多視点画像２１と２２と２３は、横方向に配置された複数の多視点画像である。言い換えれば、観察者６側の方向から見て、多視点画像群表示部２上で、多視点画像２１が最も右側に位置し、多視点画像２３が最も左側に位置し、多視点画像２２は、多視点画像２１と２３との中間に位置する。各多視点画像からの光線は、図示するように、レンズアレイスクリーン５の要素レンズを透過した際に所定の角度の範囲内で拡散される。同図では、１個の要素レンズ（マイクロレンズ）のみについて、要素レンズ透過後の各多視点画像の光線の進む方向および広がりを示しているが、他の要素レンズについても、各多視点画像の光線は同様に進行する。つまり、多視点画像からの光線は、水平方向に拡散される。また、同様に、多視点画像からの光線は、垂直方向にも拡散される。レンズアレイスクリーン５を透過した後の光線（レンズアレイスクリーン５よりも観察者６側）により、水平方向と垂直方向の両方に視差をもつ立体表示が為される。
【００２７】
次に、各方向からの光線がスクリーン３に投射された場合の光線の広がりについて説明する。
図３は、各方向からの光線がレンズアレイスクリーン５に投射された場合の光線の広がり方を示す概略図である。同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のそれぞれは、レンズアレイスクリーン５を通る、水平な平面または垂直な平面である断面における、光線の進行を示している。同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のそれぞれにおいて、各方向から、コリメーターレンズ１０の作用により、平行な光線がレンズアレイスクリーン５に投射される。そのときの光線の広がり角がθである。レンズアレイスクリーン５を構成する要素レンズ（マイクロレンズ）の開口数がＮＡであるとき、入射される平行光の、そのマイクロレンズによる広がり角θは、下の式（１）で表される。
【００２８】
【数１】
2019101115.tif 000003
【００２９】
なお、式（１）において、ｒはマイクロレンズの直径であり、ｆはマイクロレンズの焦点距離である。また、「ａｓｉｎ」は逆正弦関数（arcsine）を表す。
すべて同じ開口数のマイクロレンズを使用したレンズアレイスクリーン５に入射する光は、すべてほぼ一定の角度θで広がる。マイクロレンズとして焦点距離ｆの凸レンズを使った場合と、焦点距離が−ｆの凹レンズを使った場合とで、光線の広がり角は同じになる。レンズアレイスクリーン５による広がり角は、立体映像再生の光線間の角度間隔と同等の角度に設定することが好ましい。
【００３０】
図４は、レンズアレイスクリーン５に入射する光線間の入射角度の差（間隔）と、レンズアレイスクリーン５透過後の光線が成す立体像との関係を説明するための概略図である。図４も、図３と同様に、レンズアレイスクリーン５を通る、水平な平面または垂直な平面である断面における、光線の進行を示している。
図４（a）は、レンズアレイスクリーンに入射する、隣接する光線Ａおよび光線Ｂを示す。光線Ａと光線Ｂの入射角度の差（入射角度の間隔）は、φである。図４（a）におけるＡ´およびＢ´は、それぞれ、光線Ａおよび光線Ｂの進路である直線をレンズアレイスクリーンが設けられる位置の右側まで延長した線である。
図４（ｂ）は、レンズアレイスクリーン５が光線Ａおよび光線Ｂに広がりを生じさせた状態を示す。レンズアレイスクリーン５を構成するマイクロレンズアレイによる光の広がり角度がθであるとき、θ＝φとなるように装置を構成すると、レンズアレイスクリーン５を透過する光線の広がりは図４（ｂ）に示す通りとなる。つまり、図４（ｂ）においても、光線Ａと光線Ｂの入射角度の差はφである。そして、図４（ｂ）において、上記の直線Ａ´およびＢ´を、破線で表している。直線Ａ´とＢ´の成す角度はφである。光線Ａおよび光線Ｂは、それぞれ、レンズアレイスクリーン５を構成するマイクロレンズの透過後に、角度θの広がりを持つ。θ＝φとなるように装置を構成した場合には、図示するように、レンズアレイスクリーン５の透過後において、光線Ａと光線Ｂとが、両者間の隙間がないように広がる。つまり、図４（ｂ）に示す状況において、観察者６側から見て、光線が届かない領域をなくすことができる。これは、観察者６が多少動いても、レンズアレイスクリーン５の透過後における光線が適切に立体像を成すことを意味する。
【００３１】
一般的に、密な光線空間再生の立体像を再生する場合には、光線間の角度間隔は、０．２度以上且つ２．０度以下程度の範囲内にあることが一般的である。したがって、本実施形態においても、レンズアレイスクリーン５における光線の広がり角が、この範囲内に収まるようにする。つまり、レンズアレイスクリーンを構成する要素レンズによる光の広がり角θが、０．２度以上且つ２．０度以下であるようにする。一例として、例えば、レンズアレイスクリーン５を構成するマイクロレンズの直径を３００μｍ（マイクロメートル）とし、そのマイクロレンズの焦点距離を２０ｍｍ（ミリメートル）とする。そのマイクロレンズを用いた場合、広がり角θを約０．８６度とすることができ、上記範囲内に収まる。
【００３２】
前述の通り、図４に示した光線の広がりは、水平方向と垂直方向のどちらに対しても生じる。光線再生装置１から投射される光線の角度間隔が、水平方向と垂直方向とで異なっている場合は、両者の角度感覚に応じて、レンズアレイスクリーン５を構成するマイクロレンズの曲率を、垂直方向と水平方向で異ならせることができる。つまり、マイクロレンズによる光線の広がり角度を、垂直方向と水平方向とで個別に設定することができる。
【００３３】
レンズアレイスクリーン５の、形状、材質、製法は様々であり、適宜、選択することができる。以下では、レンズアレイスクリーン５の、形状、材質、製法の例を説明する。
レンズアレイスクリーン５を構成する要素レンズとして、開口数ＮＡが同じであれば、レンズの大きさ（直径）や焦点距離が異なる複数種類のレンズを用いてもよい。
レンズアレイスクリーン５を構成する個々の要素レンズの形状（平面視したときの形状）は、円形でもよく、また正方形や長方形や六角形などでもよい。要素レンズの形状を正方形や長方形や六角形とする場合には、レンズアレイスクリーン５内に非レンズ部分が生じないような、密配列のレンズアレイとすることが可能である。
また、要素レンズの形状を円形レンズとする場合、要素レンズの配列を正方配列としたりデルタ配列としたりすることができる。そのいずれの配列の場合も、レンズアレイスクリーン５の面内の非レンズ部分をマスクなどで遮光することができる。遮光のためのマスクは、例えば、印刷技術を用いて作成することができる。
また、要素レンズ（マイクロレンズ）の形状にかかわらず、要素レンズの配列を、規則正しい配列としてもよいし、不規則な配列としてもよい。要素レンズの配列を不規則にした場合には、表示画面におけるモアレ発生を抑制することができる。
また、レンズアレイスクリーン５を構成する要素レンズのサイズ（円形の場合の直径や、四角形あるいは六角形等の場合の辺のサイズ）を不均一としてもよい。この場合にも、表示画面におけるモアレ発生を抑制することができる。
レンズアレイスクリーン５を構成する要素レンズの材質は、例えば、ガラスやアクリル材質などを用いることができる。これらの材質を用いて、成形することにより、凸レンズや凹レンズなどの屈折タイプのレンズとすることができる。
もしくは、回折格子を形成した回折レンズをアレイ状に配置したものを、レンズアレイスクリーン５として使用することもできる。
レンズアレイスクリーンを構成する要素レンズ（マイクロレンズ）の作製には、金型を用いてもよい。金型は、切削やリソグラフィーなどにより製作することができる。この場合、金型をレンズアレイ形状の配置とする。そして、その金型をもとに、モールドやＵＶ硬化樹脂などにより、レンズアレイを製作することができる。なお「ＵＶ」は、紫外線（ultraviolet）を意味する。
【００３４】
金型を新規に製作せずに、本実施形態によるレンズアレイスクリーン５を実現する方法もある。
図５は、既存のマイクロレンズアレイを用いて実現した、本実施形態用のレンズアレイスクリーン５の構成例を示す断面図である。
図示する構成例では、既存のマイクロレンズアレイであるマイクロレンズアレイ３１に、アパーチャーアレイ３２を装着している。マイクロレンズアレイ３１を構成する個々のマイクロレンズの焦点距離はｆである。そして、アパーチャーのサイズ（直径）ｒを適切に調整することにより、所望の広がり角θを実現するようにする。つまり、所望の広がり角θが得られるように、式（１）で示した関係に基づいて、焦点距離ｆに合わせたアパーチャーサイズｒを定めることができる。
図５に示した構成により、金型を新規に製作せずに所定の広がり角θを実現することができる。つまり、金型を製作するために高額の費用をかける必要がない。
【００３５】
もしくは、既存のマイクロレンズアレイに対して、屈折率が異なる材質を組み合わせることで、本実施形態用のレンズアレイスクリーン５を実現することができる。
図６は、レンズアレイスクリーン５の構成例を示す断面図である。図示するように、このレンズアレイスクリーン５は、レンズ４１と充填材部４２とで構成される。つまり、レンズアレイスクリーン５は、第１の材質で作られたレンズ４１と、第２の材質によってレンズ部４１以外の部分を充填した充填材部４２とからなる層として構成される。レンズ４１は、平凸レンズであり、材質Ａを用いて形成され、その屈折率はｎ１である。また、レンズ４１以外の部分を充填する充填材部４２としては材質Ｂを用い、その屈折率はｎ２である。このように、レンズ４１と充填材部４２とを用いて合成されたレンズ系の焦点距離ｆは、下の式（２）により表される。
【００３６】
【数２】
2019101115.tif 000004
【００３７】
なお、式（２）において、Ｒはレンズの曲率半径である。レンズ４１および充填材部４２の材質を適宜選択することにより、焦点距離ｆを制御することができる。例えば、ＵＶ硬化樹脂などを使用し、材料と屈折率を選択することにより、焦点距離ｆを最適に調整できる。
一例として、レンズ４１用の材質Ａとして、屈折率１．６０の樹脂で形成された凸レンズ（直径５００μｍ、焦点距離３０００μｍ、曲率半径１８００μｍ)とする。また、充填材部４２用の材質Ｂとして、屈折率１．５３のＵＶ硬化樹脂を用いる。これらの材質を用いて図６に示す構造のレンズアレイを形成した場合、その合成レンズ系の焦点距離は２５．７ｍｍとなる。したがって、このレンズによる光の広がり角度を、１．１１度とすることができる。
このように、金型を新たに製作する必要がなく、充填する材質Ｂの屈折率を適切に選ぶことにより、システムに適した光線の広がり角を調整することができる。
【００３８】
レンズアレイスクリーン５の、さらに別の構成例について説明する。
図７は、レンズアレイスクリーン５の構成例を示す断面図である。同図において、５１は、マイクロレンズアレイである。マイクロレンズアレイ５１に光線が入射する側（同図における左側）には、偏光板５３を設ける。そして、マイクロレンズアレイ５１から出射する側（同図における右側）には液晶を充填した液晶層５２を設ける。この液晶層５２は、透明電極５４と５５とに挟まれる形で設けられる。そして、透明電極５４および５５に電圧を印加できるように、電圧源５６およびスイッチ５７を含む回路を設ける。つまり、このレンズアレイスクリーン５は、所定の材質で作られたマイクロレンズアレイ５１（レンズ部）と、透明電極５４（第１の電極層）と、液晶を充填した液晶層５２と、透明電極５５（第２の電極層）とを積層して構成される。
【００３９】
図７（ａ）はスイッチ５７が開いた状態であり、図７（ｂ）はスイッチ５７が閉じた状態である。スイッチ５７を閉じて透明電極５４および５５の間に電圧を印加することにより、液晶層５２の液晶を変調することができる。この変調により、液晶の配向が変化し液晶層５２の屈折率が変化する。なお、透明電極５４および５５の間に印加する電圧を可変とするようにしてもよい。液晶層の屈折率が変化することにより、前記の式（２）により、レンズの焦点距離が変化し、マイクロレンズアレイ５１による光線の広がり角度を調整制御することが可能となる。
【００４０】
図８は、本実施形態におけるレンズアレイスクリーン５が得ようとする光拡散特性を示すグラフである。このグラフは、レンズアレイスクリーン５を構成する１個のマイクロレンズに１本の細い光線が入射したときに、同マイクロレンズから出射する光の拡散特性を示す。同図において、横軸は、角度である。この角度は、マイクロレンズに入射する１本の光線の進行方向を０度として、同マイクロレンズによる拡散の角度である。縦軸は、上記の角度に応じた光の強度である。図示するように、レンズアレイスクリーン５を構成するマイクロレンズが得ようとする光拡散特性は、次の通りである。角度が−θ／２以上且つθ／２以下のとき、光の強度は一様である。また、角度が−θ／２以下またはθ／２以上のとき、光の強度は０である。このような光拡散特性が得られれば、レンズアレイスクリーン５を投下した光線間でのクロストークを最小にすることができ、且つ、観察者６の位置に依らずに立体映像を観察することが可能となる。これにより、立体映像の奥行き再現特性が向上する。
【００４１】
次に、レンズアレイスクリーン５を構成するマイクロレンズの特性の誤差が光線の広がり角度に与える影響について説明する。
レンズアレイスクリーン５を構成するマイクロレンズの開口数に誤差分布がある場合、その誤差量に応じて、光線の広がり角度分布にも影響が生じる。これまでの超多視点立体ディスプレイの開発例によると、両眼の瞳孔間隔(約６０ｍｍとする)の間に約２〜３視点が形成されるシステムにおいて、スムーズな視点移動が可能な立体表示が実現できている。文献［M. Kawakita, et.al. "3D image quality of 200-inch glasses-free 3D display system", Proc. SPIE 8288, Stereoscopic Displays and Applications XXIII, 82880B, IS&T/SPIE Electronic Imaging, 2012, Burlingame, California, United States, pp. 82880B-1-82880B-8 (2012)］にその記載がある。この例を参考として、両眼瞳孔間隔６０ｍｍの間に３つの光線（視点）を形成する場合は、観察位置での1つの光線の広がり幅は約２０ｍｍ以下であることが必要となる。瞳孔径を最大８ｍｍと仮定し、瞳孔に光線間のクロストークがない光線を入射するには、角度のクロストークがない部分が上記瞳孔径以上となるようにすることが望ましい。これを、次に図９により説明する。
【００４２】
図９は、レンズアレイスクリーン５を構成するマイクロレンズの拡散角度（θ）の分布が合成された光線に与える影響を示すグラフである。
図９（ａ）は、マイクロレンズによる拡散角度θが一定である場合の光線の拡散分布を示す。ここでは、例として、３個のマイクロレンズそれぞれからの３本の光線の拡散分布を縦に並べて示している。３本の光線の拡散分布は、同一の幅（角度θ）を有している。
図９（ｂ）は、図９（ａ）に示した３本の光線を合成した光線の拡散分布を示す。３本の光線の拡散分布の幅が同一であるため、合成後の光線の拡散分布も同一の幅を有している。なお、３本の光線を合成したことにより合成後の光線の強度は、各光線の強度の和で表される。
図９（ｃ）は、マイクロレンズによる拡散角度θが誤差分布を有する場合の光線の拡散分布を示す。図９（ａ）と同様に、３本の光線の拡散分布を縦に並べて示している。本例においては、３本の光線の拡散分布特性が異なる。つまり、３本の光線の拡散分布の幅（角度θ）が誤差を有し、それは所望の角度θに対して角度分布幅Δθである。
図９（ｄ）は、図９（ｃ）に示した３本の光線を合成した光線の拡散分布を示す。入射する光線の広がり角度に誤差を含むため、合成後の光線の分布は、図９（ｂ）のような分布とならず、ややなだらかな広がりを持つ。
【００４３】
合成後の光線の分布が図９（ｂ）に示すトップハット型分布であることが理想であるところ、角度分布幅Δθがある場合にも、図９（ｄ）に示す幅Ｅを充分に確保することが望まれる。なお、Ｅ＝θ−２Δθである。前述の通り、観察位置での1つの光線の広がり幅は約２０ｍｍ以下であることが求められ。瞳孔径が最大８ｍｍであることを考慮すると、光線間のクロストークがない光線を観察者の瞳孔に入射するには、Ｅの幅を、θに対して４割（約４割）以上とすることが望まれる。即ち、所望の角度θに対して、誤差量Δθの値は、目安としてθの３割（約３割）以下であることが望ましい。
【００４４】
つまり、光線再生装置１から出力される光線間の角度間隔φと、レンズアレイスクリーン５を構成するマイクロレンズによる光の広がり角θとの関係として、φ＝θ（φとθが同じ）、またはφ≒θ（φとθがほぼ同じ）であることが好ましい。
ただし、観察位置での1つの光線の広がり幅に対する要求や、ヒトの瞳孔径サイズ等を考慮すると、光線間のクロストークがない光線を観察者の瞳孔に入射するには、誤差量Δθを計算に入れて、少なくとも、０．７φ≦θ≦１．３φ、の条件を満たすことが望まれる。
【００４５】
次に、レンズアレイスクリーン５における要素レンズの配置例について説明する。要素レンズの配列に関して、要素レンズ（マイクロレンズ）の形状にかかわらず、不規則な配列としてもよいということを、既に述べた。ここでは、要素レンズを密に配置し、且つ、ランダムな配列とする例を説明する。
図１０は、レンズアレイスクリーン５において要素レンズをランダムに（あるいは、疑似的にランダムに）配置する例を示す概略図である。同図では、レンズアレイスクリーン５を平面視している。同図は、レンズアレイスクリーン５における、４個の要素レンズが配置された領域のみを切り出して示している。図示する範囲において、４個のレンズ形成エリア６１内が田の字型に配置されている。これら４個のレンズ形成エリア６１自体は正方配列で配列されている。図示する範囲外に、さらに多数のレンズ形成エリア６１が配置されていてよい。
【００４６】
図示するように、各々のレンズ形成エリア６１には、１個のレンズエリア６２が含まれる。図示する例では、レンズ形成エリア６１も、レンズエリア６２も、正方形の形状を有する。レンズ形成エリア６１の一辺の長さはａであり、レンズエリア６２の一辺の長さはｂ（ただし、ｂ＜ａ）である。図示する４個のレンズ形成エリア６１のうち、左上の１個を、第ｉ番目（ｉは自然数）のレンズ形成エリア６１とする。第ｉ番目のレンズ形成エリアの中心点６３の座標を（Ｘｉ，Ｙｉ）とする。第ｉ番目のレンズ形成エリア６１内の、レンズエリアの中心点６４の座標を（ｘｉ，ｙｉ）とする。要素レンズをランダムに配置するためには、レンズ形成エリアの中心点６３を基準としたときのレンズエリアの中心点６４の座標位置がランダムになるようにする。つまり、座標（Δｘｉ，Δｙｉ）がランダムになるようにする。ただし、Δｘｉ＝ｘｉ−Ｘｉであり、Δｙｉ＝ｙｉ−Ｙｉである。また、Δｘｉ，Δｙｉに関する制約として、｛−（ａ−ｂ）／２｝＜Δｘｉ，Δｙｉ＜｛（ａ−ｂ）／２｝である。この制約は、一辺がｂのレンズエリア６２の一部が、一辺がａのレンズ形成エリア６１の外に出ないための制約、言い換えれば他のレンズ形成エリア６１内のレンズエリア６２と重ならないための制約である。つまり、上記制約の範囲内で、ΔｘｉおよびΔｙｉの値をランダムに決めて、レンズアレイスクリーンを形成する。
【００４７】
具体的には、例えば、自然数ｉの値ごとに、乱数または疑似乱数を発生させて、ΔｘｉおよびΔｙｉの値を決める。そして、決められた座標値（Δｘｉ，Δｙｉ）にしたがって、第ｉ番目のレンズ形成エリア６１内のレンズエリア６２の位置を定める。そして、一例として、定められた座標値を用いて、コンピューター制御によりレンズアレイスクリーン５のための金型を製作する。
【００４８】
なお、レンズ形成エリア６１内であって、且つレンズエリア６２の外の部分（非レンズ部分）を遮光してもよい。
また、図１０に示した例では、レンズ形成エリア６１とレンズエリア６２がともに正方形であった。しかし、レンズ形成エリア６１やレンズエリア６２が円形状や長方形状であっても、同様の手法でランダムに配置されたレンズアレイスクリーン５を実現できる。例えば、レンズ形成エリア６１を円形にする場合には、その配列をデルタ配列とすることなどによってレンズ形成エリア６１を高密度にすると、レンズアレイスクリーン５全体の中のレンズエリア６２の割合を向上させることができる。
【００４９】
以上、例示説明したように、例えば、レンズアレイスクリーン５を構成する複数の要素レンズの配列を不規則にしてよい。つまり、複数の要素レンズを不規則的な位置に配置して良い。そして、この場合には、表示画面におけるモアレ発生を抑制することができる。
【００５０】
次に、レンズアレイスクリーン５内において、配置するレンズのサイズを変化させる例について説明する。
図１１は、レンズアレイスクリーン５においてレンズ形成エリア６１ごとに異なるサイズのレンズを配置した例を示す概略図である。同図は、レンズアレイスクリーン５を平面視したものであり、その一部分のみを示す。同図に示す領域には４個のレンズ形成エリア６１が含まれている。このレンズアレイスクリーン５では、一辺の長さがａである正方形のレンズ形成エリア６１を、多数配置している。
【００５１】
図における左上のレンズ形成エリア６１を第ｉ番目のレンズ形成エリアとする。第ｉ番目のレンズ形成エリア６１に含まれるレンズエリア６２のサイズはｂｉである。つまり、レンズエリア６２は、一辺の長さがｂｉの正方形である。また、左上のレンズ形成エリア６１を第ｊ番目のレンズ形成エリアとする。第ｊ番目のレンズ形成エリア６１に含まれるレンズエリア６２のサイズはｂｊである。本例のレンズアレイスクリーン５では、レンズ形成エリア６１ごとに、レンズエリア６２のサイズをランダムに設定する。そして、このとき、各要素レンズによる光の広がり角がθで一定となるように、要素レンズの焦点距離ｆを定める。式（１）に基づき、下の式（３）により、要素レンズのサイズと焦点距離との関係を定めることができる。
なお、図示する例では、レンズ形成エリア６１の中心点の位置と、レンズエリア６２の中心点の位置とを一致させている。
【００５２】
【数３】
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【００５３】
以上、図１１を参照しながら説明したように、レンズアレイスクリーン５を構成する複数の要素レンズが、不均一なサイズを有するようにしてもよい。レンズのサイズを不均一にすることにより、この場合にも、表示画面におけるモアレ発生を抑制することができる。
【００５４】
なお、図１０で示したようにレンズ形成エリア６１内におけるレンズエリア６２の位置を不規則に変えるとともに、同時に、図１１で示したように各々のレンズエリア６２のサイズを不均一にしてもよい。これにより、表示画面におけるモアレ発生を抑制することができる。
また、図１０および図１１を用いて説明した方法以外の方法で、レンズアレイスクリーン５上の要素レンズを不規則に配置するようにしてもよい。
【００５５】
以上説明した実施形態によれば、立体像表示装置１００は、光線再生装置１から投射される光線を透過させるレンズアレイスクリーン５を備える。レンズアレイスクリーン５を構成する複数の要素レンズは、入射する直線状の光線を所定の広がり角の範囲内のみに拡散させて出力する。これにより、光線間のクロストークが少なくなり、奥行き再現範囲が広い立体映像を再生できる。
【００５６】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、例えば、立体像を表示するための装置や、立体像を表示するサービスなどに利用することができる。ただし、本発明の利用範囲は、ここに例示したものには限られない。
【符号の説明】
【００５８】
１…光線再生装置
２…多視点画像群表示部
３…スクリーン
４…投射光線
５…レンズアレイスクリーン
６…観察者
７…レンズアレイ
８…アパーチャーアレイ
９…集光レンズ
１０…コリメーターレンズ
２１，２２，２３…多視点画像
３１…マイクロレンズアレイ
３２…アパーチャーアレイ
４１…レンズ（材質Ａ）
４２…充填材部（材質Ｂ）
５１…マイクロレンズアレイ（レンズ部）
５２…液晶層
５３…偏光板
５４，５５…透明電極
５６…電圧源
５７…スイッチ
６１…レンズ形成エリア
６２…レンズエリア
６３…レンズ形成エリアの中心点
６４…レンズエリアの中心点
１００…立体像表示装置
【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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【図１０】
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【図１１】
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