(57)【要約】【課題】アフォーカルな多重テレセントリック結像光学系で構成した従来の三次元画像表示装置は、装置のサイズが画面サイズに対して過大であり、また、レンズの収差により良好な像を得ることが難しい。【解決手段】プロジェクタ１００は偏心のある投影光学系を有し、全体としては水平方向及び垂直方向に二次元的に配置されて二次元画像投影装置アレイを構成しており、三次元画像形成に必要な指向性光線の方向を与える像形成をプロジェクタ１００で行うため、アフォーカル光学系の共通像面１８を共有レンズ１６付近に形成できるため、共有レンズ１６と垂直拡散板１７とを近接させて配置できる。また、プロジェクタ１００が備える偏心のある投影光学系１０３と共有レンズ１６により偏向機能を実現する。これにより、従来に比べて光路長や共有レンズ１６のサイズの縮小化が実現できる。【選択図】図１
2007309975.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元画像表示させるオブジェクトを複数の水平方向から投影した二次元画像群を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置する第１のステップと、
前記二次元画像群の各々に対して偏心した複数の結像光学系により前記水平方向及び垂直方向に拡大された拡大像を同一領域に形成する第２のステップと、
前記拡大像から発散する光線群に対して、前記水平方向には準平行光線であり、かつ、前記垂直方向には拡散光線となるような特定の表示方向を与える第３のステップと、
前記表示方向が与えられた前記光線群が空間に形成する交点として前記オブジェクトが発する光線を再現する第４のステップと
を含むことを特徴とする三次元画像表示方法。
【請求項２】
複数の画像発生源を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置し、前記複数の画像発生源を物体面とする複数のアフォーカル光学系で、前記複数の画像発生源で発生される各画像を、前記複数の画像発生源の個々の画像中心に対して偏心させて配置した偏心レンズアレイにより異なる水平表示角度範囲に表示し、前記複数のアフォーカル光学系の共通像面に配置される垂直方向拡散板で表示角度範囲を前記垂直方向にのみ広げてすべての画像に共通な垂直表示角度範囲を作ることで前記垂直方向の表示方向の違いを解消し、前記水平方向に表示方向の異なる多数の画像を表示可能にすると共に、前記複数のアフォーカル光学系の個々の射出瞳が前記水平方向に不連続にならないように二次元的に配置して、前記複数の画像発生源で発生される各画像間に水平表示角度範囲の連続性をもたせることを特徴とする三次元画像表示方法。
【請求項３】
異なる偏心量をもつ複数の偏心結像系を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置し、前記水平方向及び前記垂直方向に表示方向の異なる複数の画像を発生させ、前記複数の偏心結像系をアフォーカル光学系としてすべての画像を異なる水平表示角度範囲に表示し、前記複数のアフォーカル光学系の共通像面に配置される垂直方向拡散板で表示角度範囲を前記垂直方向にのみ広げて、前記複数のアフォーカル光学系の個々の射出瞳が前記水平方向に不連続にならないように二次元的に配置して、前記水平方向の表示角度範囲に連続性のある画像を前記偏心結像系の数だけ生成することを特徴とする三次元画像表示方法。
【請求項４】
三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、
各々偏心のある投影光学系を有し、前記オブジェクトからの光線を出射する二次元画像投影装置が複数台からなり、該複数台の二次元画像投影装置を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像投影装置アレイと、
個々の前記二次元画像投影装置が具備する前記投影光学系の内部に配置された開口が、個々の射出瞳が前記水平方向に連続性をもつように二次元的に配置された複数の前記開口からなる開口アレイと、
前記開口アレイの画像生成側に配置され、前記二次元画像投影装置アレイと組み合わせて複数のアフォーカル光学系を構成する像側のレンズを共通化した共有レンズと、
前記共有レンズに近接させて配置され、その近傍に像面を生成する垂直方向拡散板と、
を具備し、前記垂直方向拡散板で表示角度範囲を前記垂直方向にのみ広げてすべての画像に共通な垂直表示角度範囲を作ることで前記垂直方向の表示方向の違いを解消し、前記水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にすると共に、隣り合う画像間に水平表示角度範囲の連続性をもたせたことを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項５】
三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、
各々前記オブジェクトからの光線を出射する二次元画像表示装置が複数台からなり、該複数台の二次元画像表示装置を、偏心のある投影光学系を用いて水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像表示装置アレイと、
前記二次元画像表示装置アレイの画像生成側に光軸をシフトさせて配置された偏心レンズアレイと、
前記偏心レンズアレイの画像生成側に配置され、個々の射出瞳が前記水平方向に連続性をもつように二次元的に配置される開口アレイと、
前記開口アレイの画像生成側に配置され、前記偏心レンズアレイと組み合わせて複数のアフォーカル光学系を構成する像側のレンズを共通化した共有レンズと、
前記共有レンズに近接させて配置され、その近傍に像面を生成する垂直方向拡散板と、
を具備し、前記垂直方向拡散板で表示角度範囲を前記垂直方向にのみ広げてすべての画像に共通な垂直表示角度範囲を作ることで前記垂直方向の表示方向の違いを解消し、前記水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にすると共に、隣り合う画像間に水平表示角度範囲の連続性をもたせたことを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項６】
三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、
水平方向及び垂直方向に二次元的に配置される照明光学系アレイと、
前記照明光学系アレイの画像生成側に配置されており、各々前記オブジェクトからの光線を出射する二次元画像表示装置が複数台からなり、該複数台の二次元画像表示装置を、偏心のある投影光学系を用いて水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像表示装置アレイと、
前記二次元画像表示装置アレイの画像生成側に光軸をシフトさせて配置された偏心レンズアレイと、
前記偏心レンズアレイの画像生成側に配置され、該偏心レンズアレイと組み合わせて複数のアフォーカル光学系を構成する像側のレンズを共通化した共有レンズと、
前記共有レンズの画像生成側に近接させて配置され、その近傍の画像生成側に像面を生成する垂直方向拡散板と、
を具備し、前記垂直方向拡散板で表示角度範囲を前記垂直方向にのみ広げてすべての画像に共通な垂直表示角度範囲を作ることで前記垂直方向の表示方向の違いを解消し、前記水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にすると共に、前記共有レンズの焦点面に生じる光量分布が前記水平方向に不連続にならないように前記照明光学系アレイの光の出射角度を制御して、隣り合う画像間に水平表示角度範囲の連続性をもたせたことを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項７】
三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、
水平方向及び垂直方向に二次元的に配置される照明光学系アレイと、
前記照明光学系アレイの画像生成側に配置されており、各々前記オブジェクトからの光線を出射する二次元画像表示装置が複数台からなり、該複数台の二次元画像表示装置を、偏心のある投影光学系を用いて水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像表示装置アレイと、
前記二次元画像表示装置アレイの画像生成側に光軸をシフトさせて配置された偏心レンズアレイと、
前記偏心レンズアレイの画像生成側に配置され、光透過部が前記水平方向に連続性をもつように二次元的に配置される開口アレイと、
前記開口アレイの画像生成側に配置され、前記偏心レンズアレイと組み合わせて複数のアフォーカル光学系を構成する像側のレンズを共通化した共有レンズと、
前記共有レンズの画像生成側に近接させて配置され、その近傍の画像生成側に像面を生成する垂直方向拡散板と、
を具備し、前記垂直方向拡散板で表示角度範囲を前記垂直方向にのみ広げてすべての画像に共通な垂直表示角度範囲を作ることで前記垂直方向の表示方向の違いを解消し、前記水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にすると共に、前記共有レンズの焦点面に生じる光量分布が前記水平方向に連続的になるように前記照明光学系アレイの光の出射角度を制御して、隣り合う画像間に水平表示角度範囲の連続性をもたせたことを特徴とする三次元画像表示装置。
【請求項８】
前記画像面付近に凸レンズを配置することで水平視域幅を広げることを特徴とする請求項４乃至７のうちいずれか一項記載の三次元画像表示装置。
【請求項９】
画像表示の際に各画像毎に独立に光源を用意するのではなく、一つの光源の光を分岐光ファイバで複数に分岐して複数の画像表示に用いることを特徴とする請求項４乃至８のうちいずれか一項記載の三次元画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は三次元画像表示方法及び三次元画像表示装置に係り、特にホログラフィとは異なる原理に基づいて、いわゆる空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示方法及び三次元画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来実用化されている眼鏡なし二眼式立体ディスプレイや多眼式立体ディスプレイは、水平方向に観察位置を移動することにより生じる画像のとび、すなわち不連続な運動視差による不自然さや、いわゆる輻輳と調節の不一致に起因する眼精疲労の問題のために普及するには至っていない。
【０００３】
また、究極の三次元表示方式といわれるホログラフィ方式は、印刷技術としては実用化されているが、ディスプレイ技術としては電子的な表示デバイスの性能が決定的に不足しているために実用化には程遠いのが現実である。
【０００４】
しかし、従来の視差情報を用いながらも上記の輻輳と調節の不一致の問題を解決する超多眼と呼ばれる概念が通信・放送機構で行われた三次元表示に関する研究開発プロジェクトにより見出され（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）、この革新的概念を応用した自然な三次元ディスプレイの実用化研究が活発化している。
【０００５】
そのような研究の中でも、実際の物体が発する光を角度単位でサンプリングして得られる多数の光線群を空間に再現することにより、水平方向の滑らかな運動視差と眼精疲労の生じない三次元カラー動画表示を実現する高密度指向性表示方式は、自然で高画質な三次元ディスプレイの実用化が近い将来に可能であることを示唆するものである。この高密度指向性表示方式の技術内容は例えば特許文献２や非特許文献２に詳しく開示されている。
【０００６】
以下、従来例として特許文献２を引用し、高密度指向性表示方式による三次元画像表示技術の概要を説明する。図１９は特許文献２に開示された表示原理を引用した図である。同図において、複数の画像発生源がそれぞれ表示角度範囲３１を有し、これら複数の画像発生源を図１９（ａ）に示すように斜めに二次元配置し、さらに各画像の垂直方向の表示角度範囲を図１９（ｂ）に３４で示すように広げて、すべての画像に共通な垂直方向の表示角度範囲３５を発生させることにより、水平方向に高密度な画像表示を実現するものである。なお、図１９において、３２は個々の画像の水平表示角度、３３は垂直表示角度である。なお、このような斜めの二次元配置を利用した表示自体は、本従来例以前の多眼式立体表示として知られている（例えば、特許文献３、特許文献４参照）。
【０００７】
図２０は特許文献２における三次元ディスプレイの構成を示す引用図である。図２０（ａ）は三次元画像表示装置全体の模式図、図２０（ｂ）はその装置内の二次元画像表示装置アレイの平面図、図２０（ｃ）はその装置内のレンズアレイの平面図、図２０（ｄ）はその装置内の開口アレイの平面図である。また、図２１は同文献における三次元画像表示装置の構成図を引用した図である。図２１（ａ）は水平断面を示す模式図、図２１（ｂ）垂直断面を示す模式図である。
【０００８】
図２０及び図２１において、二次元画像表示装置アレイ４０は複数の二次元画像表示装置４１が斜めにずらして二次元配置された構成とされている。二次元画像表示装置アレイ４０からの光は、レンズアレイ４２、開口アレイ４４、共有レンズ１６を通過し、かつ、垂直方向拡散板４７により垂直方向に拡散されて共通像面４８に到る。４９は光軸である。レンズアレイ４２は図２０（ｃ）に示すように二次元画像表示装置４１に対応した位置に設けられた複数のレンズ４３からなる。また、開口アレイ４４は、図２０（ｄ）に示すように複数のレンズ４３に対応した位置に設けられた複数の開口４５からなる。
【０００９】
図２０及び図２１は、図１９で示される原理をマルチプロジェクション型の構成で実施する形態を示す図であり、多数の指向性画像を画面単位で多重化して表示するものである。すなわち、多数の二次元画像表示装置４１を用いた結像光学系（アフォーカルな多重テレセントリック結像光学系）を水平方向が一致しないように水平方向および垂直方向に二次元的に配置する、すなわち斜めにずらして二次元配置して、水平方向と垂直方向に表示方向が異なる複数の指向性画像を準平行光として発生させ、上記光学系の像面に配置した垂直方向拡散板４７を用いて垂直方向にのみ光を拡散させることにより、隣り合う指向性画像が水平方向に高い密度で並んで観察できるようにしたものである（高密度表示）。
【００１０】
上記従来例が開示される以前の多くの多眼式立体表示装置では、水平方向に表示方向の異なる画像を表示するために水平方向にのみ画像発生源を並べていたため、視点の数をたかだか１０視点程度しか表示できなかった。このため、視点によって画像が不連続に切り替わる問題、すなわち不連続な運動視差の問題や、上述した眼精疲労の問題があった。
【００１１】
しかし、上記従来例によれば、水平方向に加えて垂直方向にも画像発生源を配置することにより、多数の画像発生源を高い密度で配置することが可能となったため、画像の数を５０以上に増加させることができるようになった。しかも、両眼視差と輻輳のみを用いた多眼式立体表示に関する特許文献３や特許文献４記載の多眼式立体表示装置とは異なり、視点を仮定しないで多数の水平方向から平行投影した画像（指向性画像）を用いて光線を空間に集めることで、いわゆる空間像として表示することにより、前後の観察位置に依らない三次元表示を行うことも可能となった。
【００１２】
その結果、滑らかな運動視差をもつ三次元表示が実現されて物質の光沢感などの質感表現が可能になるとともに、単眼に複数の指向性画像が入射するように観察した場合には輻輳と調節の不一致による眼精疲労が生じないことも実験的に確認された。
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−２５８２１５号公報
【特許文献２】特許第３５７６５２１号公報
【特許文献３】特許第３５３３９０４号公報
【特許文献４】特開平１０−５０５６８９号公報
【非特許文献１】通信放送機構編、”高度三次元動画像遠隔表示プロジェクト最終報告書”（２００２）
【非特許文献２】高木康博、「６４眼式三次元カラーディスプレイとコンピューター合成した三次元物体の表示」、３次元画像コンファレンス２００２講演論文集、Ｐ８５−８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献２記載の上記従来例を用いて三次元画像表示装置を実用化するためには、なおいくつかの課題が残されている。第１の課題は装置のサイズに関するものであり、装置の小型化が難しいことである。すなわち、上記従来例のアフォーカルな多重テレセントリック結像光学系は光路長（図２０及び図２１における物体面である二次元画像表示装置アレイ４０から共通像面４８までの距離）が画面サイズに対する割合として大きく、表示装置の奥行き方向のサイズが過大になってしまうことである。
【００１５】
また、図２０又は図２１に示された共有レンズ４６を用いて指向性画像の進行方向を偏向させるため、画面サイズよりも大きい口径の共有レンズ４６を使用しなければならなくなる。その結果、装置の奥行きのみならず、幅と高さについても画面サイズに対して過大になる。
【００１６】
第２の課題は、画質に関するものであり、特に鮮明な像を得ることが難しいことである。共有レンズ４６の大きさは、図２１が示すように少なくとも共通像面４８上の画面サイズよりも大きいことが必要であるが、そのような大型の屈折型光学素子としては唯一の選択肢であるフレネルレンズを使用した場合、フレネルレンズ面で生じる収差により、像のぼけが生じる。
【００１７】
現在実用化されている殆どのフレネルレンズは拡散光の平行化といった単純な集光用途として設計されたものであり、点光源から発散する白色光を再び点像として集束させるという、結像用途として用いるのは適当でない。また複数のフレネルレンズを用いて収差特性を改善することも可能であるが、コストが上昇する。
【００１８】
また、この共有レンズ４６として用いるフレネルレンズは、このような像のぼけを生じさせるだけでなく、幾何学的形状の歪、すなわち歪曲収差（ディストーション）を発生させる。歪曲収差は画角の３乗に比例して急激に増大するため、フレネルレンズの中心軸から離れた位置で屈折する画像については、大きな歪が生じる。
【００１９】
このような画像の歪を減らすために画像処理による電気的な補正を行わなければならないが、よく知られているように、このような電気的補正は画質の劣化をもたらす。特に、高密度指向性表示においては、観察される三次元画像は観察者の瞳孔で一部が切り取られた複数の短冊状の指向性画像が連結された形で知覚されるため、上記の電気的補正が不完全な場合には指向性画像の滑らかな接続が困難になる。
【００２０】
また、このような電気的補正量をなるべく減らすために、個々の二次元画像表示装置４１をフレネルレンズの中心に対して回転対称であり、かつ、なるべく近付けて配置しなければならなくなるという別の課題も生ずる。これは実際の装置の光学設計や機械設計をより困難にする原因となる。
【００２１】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、従来の高密度指向性表示方式による三次元ディスプレイの装置サイズを実用的なサイズにコンパクト化すると共に、鮮明で歪のない、三次元画像が得られる三次元画像表示方法及び三次元画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するために、第１の発明の三次元画像表示方法は、三次元画像表示させるオブジェクトを複数の水平方向から投影した二次元画像群を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置する第１のステップと、二次元画像群の各々に対して偏心した複数の結像光学系により水平方向及び垂直方向に拡大された拡大像を同一領域に形成する第２のステップと、拡大像から発散する光線群に対して、水平方向には準平行光線であり、かつ、垂直方向には拡散光線となるような特定の表示方向を与える第３のステップと、表示方向が与えられた光線群が空間に形成する交点としてオブジェクトが発する光線を再現する第４のステップとを含むことを特徴とする。
【００２３】
また、上記の目的を達成するため、第２の発明の三次元画像表示方法は、複数の画像発生源を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置し、複数の画像発生源を物体面とする複数のアフォーカル光学系で、複数の画像発生源で発生される各画像を、複数の画像発生源の個々の画像中心に対して偏心させて配置した偏心レンズアレイにより異なる水平表示角度範囲に表示し、複数のアフォーカル光学系の共通像面に配置される垂直方向拡散板で表示角度範囲を垂直方向にのみ広げてすべての画像に共通な垂直表示角度範囲を作ることで垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示方向の異なる多数の画像を表示可能にすると共に、複数のアフォーカル光学系の個々の射出瞳が水平方向に不連続にならないように二次元的に配置して、複数の画像発生源で発生される各画像間に水平表示角度範囲の連続性をもたせることを特徴とする。
【００２４】
また、上記の目的を達成するため、第３の発明の三次元画像表示方法は、異なる偏心量をもつ複数の偏心結像系を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置し、水平方向及び垂直方向に表示方向の異なる複数の画像を発生させ、複数の偏心結像系をアフォーカル光学系としてすべての画像を異なる水平表示角度範囲に表示し、複数のアフォーカル光学系の共通像面に配置される垂直方向拡散板で表示角度範囲を垂直方向にのみ広げて、複数のアフォーカル光学系の個々の射出瞳が水平方向に不連続にならないように二次元的に配置して、水平方向の表示角度範囲に連続性のある画像を偏心結像系の数だけ生成することを特徴とする。
【００２５】
また、上記の目的を達成するため、第４の発明の三次元画像表示装置は、三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、各々偏心のある投影光学系を有し、オブジェクトからの光線を出射する二次元画像投影装置が複数台からなり、複数台の二次元画像投影装置を水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像投影装置アレイと、個々の二次元画像投影装置が具備する投影光学系の内部に配置された開口が、個々の射出瞳が水平方向に連続性をもつように二次元的に配置された複数の開口からなる開口アレイと、開口アレイの画像生成側に配置され、二次元画像投影装置アレイと組み合わせて複数のアフォーカル光学系を構成する像側のレンズを共通化した共有レンズと、共有レンズに近接させて配置され、その近傍に像面を生成する垂直方向拡散板とを具備し、垂直方向拡散板で表示角度範囲を垂直方向にのみ広げてすべての画像に共通な垂直表示角度範囲を作ることで垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にすると共に、隣り合う画像間に水平表示角度範囲の連続性をもたせたことを特徴とする。
【００２６】
また、上記の目的を達成するため、第５の発明の三次元画像表示装置は、三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、各々オブジェクトからの光線を出射する二次元画像表示装置が複数台からなり、複数台の二次元画像表示装置を、偏心のある投影光学系を用いて水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像表示装置アレイと、二次元画像表示装置アレイの画像生成側に光軸をシフトさせて配置された偏心レンズアレイと、偏心レンズアレイの画像生成側に配置され、個々の射出瞳が水平方向に連続性をもつように二次元的に配置される開口アレイと、開口アレイの画像生成側に配置され、偏心レンズアレイと組み合わせて複数のアフォーカル光学系を構成する像側のレンズを共通化した共有レンズと、共有レンズに近接させて配置され、その近傍に像面を生成する垂直方向拡散板とを具備し、垂直方向拡散板で表示角度範囲を垂直方向にのみ広げてすべての画像に共通な垂直表示角度範囲を作ることで垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にすると共に、隣り合う画像間に水平表示角度範囲の連続性をもたせたことを特徴とする。
【００２７】
また、上記の目的を達成するため、第６の発明の三次元画像表示装置は、三次元画像表示させるオブジェクトの発する光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現して、空間像としての三次元画像を表示する三次元画像表示装置であって、水平方向及び垂直方向に二次元的に配置される照明光学系アレイと、照明光学系アレイの画像生成側に配置されており、各々オブジェクトからの光線を出射する二次元画像表示装置が複数台からなり、複数台の二次元画像表示装置を、偏心のある投影光学系を用いて水平方向及び垂直方向に二次元的に配置した二次元画像表示装置アレイと、二次元画像表示装置アレイの画像生成側に光軸をシフトさせて配置された偏心レンズアレイと、偏心レンズアレイの画像生成側に配置され、偏心レンズアレイと組み合わせて複数のアフォーカル光学系を構成する像側のレンズを共通化した共有レンズと、共有レンズの画像生成側に近接させて配置され、その近傍の画像生成側に像面を生成する垂直方向拡散板とを具備し、垂直方向拡散板で表示角度範囲を垂直方向にのみ広げてすべての画像に共通な垂直表示角度範囲を作ることで垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数の画像を表示可能にすると共に、共有レンズの焦点面に生じる光量分布が水平方向に不連続にならないように照明光学系アレイの光の出射角度を制御して、隣り合う画像間に水平表示角度範囲の連続性をもたせたことを特徴とする。
【００２８】
また、上記の目的を達成するため、第７の発明の三次元画像表示装置は、第６の発明の構成に加えて、開口アレイを設けたものであり、共有レンズの焦点面に生じる光量分布が水平方向に連続的になるように照明光学系アレイの光の出射角度を制御して、隣り合う画像間に水平表示角度範囲の連続性をもたせたことを特徴とする。
【００２９】
更に、上記の目的を達成するため、第８の発明の三次元画像表示装置は、画像面付近に凸レンズを配置することで水平視域幅を広げることを特徴とする。また、第９の発明の三次元画像表示装置は、画像表示の際に各画像毎に独立に光源を用意するのではなく、一つの光源の光を分岐光ファイバで複数に分岐して複数の画像表示に用いることを特徴とする。
【００３０】
なお、第６乃至第８の発明の照明光学系アレイは、単一の光源と、前記水平方向及び垂直方向に二次元的に配置された複数の照明光学系と、前記単一の光源から出射した光を前記複数の照明光学系のそれぞれへ分岐して入射する分岐ファイバとからなる構成であってもよい。この場合は、コストダウンと装置の小型化を実現できる。
【００３１】
また、本発明は、三次元画像表示装置において、水平方向及び垂直方向に二次元的に配置される複数のマイクロディスプレイデバイスと、マイクロディスプレイデバイスの各々に対して異なる偏心量で投射レンズ光学系をシフトさせることにより投射方向を各々異なる方向に偏向させるレンズシフト機構と、前記投射レンズ光学系の内部に配置され、肉眼観察する際の画像が水平方向に連続性をもつように大きさを規定する開口絞りと、前記投射レンズ光学系と組み合わせて偏向された個々の光線をテレセントリックな状態に略平行化することにより指向性光線を生成するフレネルレンズと、フレネルレンズに近接して配置した垂直方向に屈折力を有するレンチキュラー面と、レンチキュラー面の近傍の同一エリアに前記投射レンズ光学系による多重像を結像させる像面とを具備し、前記レンチキュラー面で垂直方向にのみ前記指向性光線を拡散することにより垂直方向の表示方向の違いを解消し、水平方向に表示角度範囲の異なる多数のストライプ画像を肉眼観察可能にするとともに、ストライプ画像間に水平表示角度範囲の連続性をもたせて水平表示方向のとびをなくすことにより、継ぎ目のない像を網膜上に形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、共有レンズと垂直方向拡散板と共通像面とを極めて近接して配置することで、従来に比べて二次元画像投影装置から共通像面までの光路長や共有レンズのサイズの縮小化を実現したため、装置の奥行き方向が短縮されると共に、共有レンズのサイズが画面サイズと同等で済むため装置の幅と高さも短縮されることにより、すべての方向について装置を小型化でき、実用的な装置サイズで高密度指向性三次元画像表示を実現できる。
【００３３】
また、本発明によれば、像形成は二次元画像投影装置や二次元画像表示装置側で行うことで、共有レンズで生じる収差の影響を排除できるようにしたため、鮮明な三次元画像を観察できると同時に、共有レンズによる画像の歪（歪曲収差）が発生しなくなることにより、電気的歪補正を最小にでき、良好な三次元画像が観察できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
次に、本発明の最良の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明になる三次元画像表示装置の一実施の形態の構成図、図２は本発明になる三次元画像表示装置の一実施の形態の基本構成を示す図である。両図中、同一構成部分には同一符号を付してある。
【００３５】
図２（ａ）は装置全体の斜視図であり、図２（ｂ）は装置を構成するアレイ光学系の正面図を示す。図１及び図２において、三次元画像表示装置は、二次元画像表示装置アレイ１０、レンズアレイ１２、開口アレイ１４、共有レンズ１６、垂直方向拡散板１７からなる。また、１８は共通像面、１９は光軸である。
【００３６】
図２（ｂ）は上記のアレイ光学系の正面図であり、二次元画像表示装置アレイ１０は、複数の二次元画像表示装置１１が斜めにずらして二次元配置された構成とされている。レンズアレイ１２は、二次元画像表示装置１１に対応した位置に設けられた複数のレンズ１３からなる。また、開口アレイ１４は、複数のレンズ１３に対応した位置に設けられた複数の開口１５からなる。
【００３７】
図２の実施の形態と図２０の従来例とを比較すると分かるように、両者の光学系の構成要素は類似しており、マルチプロジェクションによる多重アフォーカル光学系である点で共通している。しかし、本実施の形態は特許文献２に開示された従来例と比較すると以下の相違点を有している。
【００３８】
すなわち、従来例では共有レンズ４６と垂直方向拡散板４７がフレネルレンズの焦点距離程度に離れて配置されており、垂直方向拡散板４７の位置に共通像面４８が設定されていたのに対し、本実施の形態では、共有レンズ１６と垂直方向拡散板１７と共通像面１８とがほぼ一体化されて配置されていることである。この相違点を以下により詳しく説明する。
【００３９】
図３は本発明の三次元画像表示装置の基本構成を示す上面図であり、図４はその側面図である。図３（ａ）及び図４（ａ）はアレイ光学系全体の光軸１９上に二次元画像表示装置１１がある場合の光線状態を示しており、図３（ｂ）及び図４（ｂ）は光軸１９から外れた位置に二次元画像表示装置１１がある場合の光線状態を示している。
【００４０】
これらの図において、斜線で示した領域は二次元画像表示装置１１に表示された画像からの光線が存在する領域を表している。また、この領域の境界付近の実線で示す光線は、個々の開口１５を通過する代表的な３本の光線を示している。すなわち、開口１５の中心を通過する１本の主光線（principal ray）と、開口１５の縁を通過する２本の外縁光線（marginal ray）である。
【００４１】
これらの主光線（principal ray）と外縁光線（marginal ray）の光路が示すように、二次元画像表示装置１１から発せられた発散光線は、共有レンズ１６付近の共通像面１８で収束する。すなわち、二次元画像表示装置１１と共有レンズ１６がほぼ結像関係にある。このことは、共有レンズ１６が結像に寄与しないことを意味する。ただし、共有レンズ１６で結像した後に再び発散する光線群により形成される三次元画像には、後に詳しく説明するように共有レンズ１６の寄与が存在する。
【００４２】
一方、従来例では、二次元画像表示装置４１と共有レンズ４６は結像関係にないため、共有レンズ４６による収差が画質に悪影響をもたらしている。このことを図１７及び図１８を用いて説明する。
【００４３】
図１７は従来例の構成における光線状態を示す上面図であり、図１８は従来例の構成における光線状態を示す側面図である。これらの図に示すように、二次元画像表示装置４１から発せられた主光線（principal ray）及び外縁光線（marginal ray）は、共有レンズ４６で屈折した後に垂直方向拡散板４７近傍の共通像面４８上で収束する。すなわち、二次元画像表示装置４１と垂直方向拡散板４７がほぼ結像関係にある。従って、共有レンズ４６で光が屈折することで生じる収差が共通像面４８に影響することになる。
【００４４】
共有レンズ４６の具体例としては、大型の光学素子が必要であることから、屈折光学系ではフレネルレンズ、反射光学系ではミラーということになる。いずれも非球面化することで球面収差を抑えることは可能であるが、コマ収差その他のザイデル収差を総合的に低減させることは実際上困難である。そして、共通像面４８上の収差状態が良好でない限り、後に詳しく説明するように空間像として形成される三次元画像の画質、特に解像感は良好なものになりえない。
【００４５】
ところで、かかる相違点はこのような画質の向上に寄与するだけでなく、装置のコンパクト性の向上にも寄与する。なぜなら、従来例である図１７が示すように共有レンズ４６と垂直方向拡散板４７が離れている場合に比べて、図３に示す本実施の形態では光路長が短縮されるからである。
【００４６】
例えば、図１７に示す従来例において、二次元画像表示装置４１をレンズアレイ４２の物体側焦点面付近に配置した場合、垂直方向拡散板４７と共有レンズ４６の距離は、アフォーカル光学系（無焦点光学系）の近軸関係からほぼ共有レンズ４６の焦点距離となる。この共有レンズ４６の焦点距離は、アフォーカル光学系の倍率に比例するため、大画面で表示させようとすれば、比較的大きなものにならざるを得ない。
【００４７】
共有レンズ４６の焦点距離の具体例を挙げると、例えば１インチの二次元画像表示装置４１（液晶表示素子（ＬＣＤ）などの投射型デバイス）を６０インチで投射する場合（すなわち、倍率６０倍）、レンズアレイ４２の焦点距離を１０ｍｍとすると、共有レンズ４６（フレネルレンズ）の焦点距離は６０倍の６００ｍｍになる。
【００４８】
一方、本実施の形態では、図３、図４に示したように、共有レンズ１６と垂直方向拡散板１７と共通像面１８とがほぼ一体化されて配置されるため、上記の従来例に比べて数百ミリメートル程度の光路長が短縮されることになり、装置の奥行き方向のコンパクト性改善に対して少なからぬ寄与があるといえる。
【００４９】
また、装置の奥行きのみならず幅と高さのコンパクト性に関しても、本実施の形態は従来例に比べて優位性をもつ。従来例では、図１７（ｂ）に示したように、光軸４９から外れた位置にある二次元画像表示装置４１から発せられる光は、共有レンズ４６の中心付近を通らずに周辺部で屈折されて共通像面４８で結像する。このことは、共通像面４８上の像サイズに比べて、共有レンズ４６のサイズが大きいことを意味する。一方、共通像面４８上の像サイズは、この共通像面４８から空間に平行投射される三次元画像のサイズにほぼ等しい。従って、三次元画像のサイズに対して、表示装置の幅と高さが大きくなることになる。
【００５０】
これに対して、本実施の形態では、図３（ｂ）に示したように、光軸１９から外れた位置にある二次元画像表示装置１１から出た光線が共有レンズ１６の中心を通過すると同時に像面が形成されるため、三次元画像サイズと共有レンズ１６のサイズがほぼ等しい。
【００５１】
具体例としては、先に述べた数値例において、フレネルレンズ（焦点距離６００ｍｍ）による最大屈折角を１５［ｄｅｇ］とすると、従来例では、幅、高さともに３２０ｍｍだけ三次元画像サイズよりも大きなフレネルレンズが必要になる。
【００５２】
第２の相違点は、多重結像系を構成するアレイ光学系の配置に関するものである。従来例では図２０又は図１７若しくは図１８が示すように、二次元画像表示装置アレイ４０における個々の二次元画像表示装置４１の各々の光軸（図示なし）、レンズアレイ４２における個々のレンズ４３の各々の光軸（一点破線で図示あり）、開口アレイ４４における個々の開口４５の各々の光軸（一点破線で図示あり）が互いに一致している。そして、これらの各々の光学系の光軸が共有レンズ４６の光軸４９に対して平行移動した構成となっている。このため、三次元表示に必要な画像の表示方向は、共有レンズ４６に対する平行移動量に比例した屈折を利用して与えられている。
【００５３】
これに対して、本実施の形態では、これらの個々の光学系の光軸は一致しておらず、平行偏心している。すなわち、図３又は図４が示すように、二次元画像表示装置１１の中心軸（図示なし）に対して、個々のレンズ１３の光軸（一点破線で図示あり）と個々の開口１５の光軸（一点破線で図示あり）がシフトしている。そして、これらの個々の光学系の絞り中心を通過する光線が共有レンズ１６の中心を通過する構成となっている。従って、三次元表示に必要な画像の表示方向は、共有レンズ１６で与えられるのではなく、偏心をもつ個々の光学系により最初から与えられているのである。なお、開口１５の位置は、レンズ１３の入射側、出射側、又はレンズ１３内に設けてもよい。
【００５４】
次に、上記の偏心した光学系について、図５を参照しながらより詳しく説明する。図５は偏心をもつ投射光学系アレイの実施形態を示す図である。同図中、図２〜図４と同一構成部分には同一符号を付してある。また、図５において、直交する２本の直線は、水平方向を表す水平軸２、それに垂直な方向を表す垂直軸３である。図５に示すように、本実施の形態では、画像発生源である二次元画像表示装置１１は、水平軸２に射影した位置が互いに一致しないように、斜めにずらして配置している。従来例である図２０の構成と異なり、これらの二次元画像表示装置１１に対して、個々のレンズ１３及び開口１５を異なる偏心量で水平方向及び垂直方向にシフトさせている。
【００５５】
次に、本発明を実施するためのディスプレイ光学系を更に詳しく説明する。まず、ディスプレイ内部の二次元画像結像光学系について説明した後に、ディスプレイ外部の三次元画像再生の実施形態について説明する。
〔ディスプレイ内部の二次元画像結像光学系の実施形態〕
図６は本発明の三次元画像表示装置の一実施の形態の内部の多重結像系の光線状態を示す上面図である。図６におけるレンズアレイ１３は、図２〜図４のレンズアレイ１３と異なり、開口アレイ１４の物体側及び像側の両側に多段のレンズ系として構成されている（後述する図７も同様）。これは、実際のプロジェクタの投射レンズは多段のレンズ系と開口絞りから構成されていることに対応するものである。
【００５６】
図６（ａ）は、アレイ光学系全体の中心軸（図示なし）が光軸１９と一致している場合を示す図である。これは、既に説明した図５における水平軸２上の光学系に相当する。図６（ａ）における５台の二次元画像表示装置１１に対して２本ずつ描かれた計１０本の光線は、開口１５の中心を通る主光線（principal ray）を示しており、二次元画像表示装置１１の結像の様子を示している。これらの光線は、共通像面１８で多重像を形成する。これが行われるのは、二次元画像表示装置１１の中心軸（一点破線で図示あり）と、レンズ１３及び開口１５の光軸（一点破線で図示あり）とをシフトさせることにより、瞳の伝播方向が変化するからである。
【００５７】
例えば、図６（ａ）における光軸１９上の二次元画像表示装置１１については、レンズ１３及び開口１５は光軸がシフトしておらず、従って、瞳は拡大されるのみで伝播方向は変化しない。しかし、この光軸１９上の二次元画像表示装置１１の上下に位置する別の二次元画像表示装置１１は、その光軸とレンズ１３及び開口１５の光軸とがシフトしており、従って瞳が拡大されると同時に伝播方向が変化する。
【００５８】
図６（ｂ）はアレイ光学系全体の中心軸（図示なし）が光軸１９からずれた場合を示す図である。これは、既に説明した図５における水平軸２上にない光学系に相当する。図６（ｂ）についても、図６（ａ）と同様に１０本の光線で開口１５の結像の様子が表現されている。図６（ａ）と同じ位置にある共通像面１８上に５台の二次元画像表示装置１１の瞳が重なって拡大されるように、レンズ１３と開口１５とを二次元画像表示装置１１に対して偏心させる。
【００５９】
なお、図６は上面図であるが、側面図の構成については、既に図４で説明したのと同様に、共通像面１８の共有レンズ１６に近接させて配置した垂直方向拡散板（レンチキュラーシート）１７により垂直方向にのみ光線の拡散を行う。これにより、開口１５を像側から眺めたときの像である射出瞳が垂直方向にのみ拡大され、図５のように二次元的に配置された二次元画像表示装置アレイ１１に共通の垂直表示角度範囲（図１９を参照）を発生させることができる。
【００６０】
ところで、このような偏心を行うためには、実用化されているプロジェクタの設置性の向上を目的として開発された公知のレンズシフト機構を利用することができる。かつてのレンズシフトは画像の歪や画像劣化を伴うものであったが、近年の光学設計技術の進歩により、水平方向及び垂直方向にレンズシフトを行っても、像質の低下が許容値以下であり、電気的な歪補正が不要な投射レンズを備えたプロジェクタが開発されており、本共同出願人も当該プロジェクタの製造・販売を行っている。
【００６１】
図９は投射光学系のレンズシフトを示す概念図である。図９（ａ）において、水平軸２と垂直軸３とが交わる原点に位置する黒で塗り潰された矩形は二次元画像表示装置１１を示している。また、この原点を中心とする実線の円はレンズ１３を示しており、その内部の破線の円は、許容される収差性能が得られる領域であるイメージサークル２１を示している。また、実線の矩形はレンズ１３の内部に設けられた開口１５を示している。図９（ａ）は平行偏心量が零、すなわちレンズシフトがない状態を示している。
【００６２】
図９（ｂ）はレンズ１３と開口１５がイメージサークル２１内で最大のレンズシフトが行われた状態を示す。このようなレンズシフトを行うことにより、あおり角に換算すると２０度を超えるものも実用化されている。本発明の三次元画像表示装置の実施の形態として使用すれば、全角で４０度を超える水平視域を得ることができ、画期的な三次元ディスプレイを実現することができる。
【００６３】
なお、このようなレンズシフト機構を利用する他、二次元画像表示装置１１に可動部を設けることにより、二次元画像表示装置１１をレンズ１３に対してシフトするように構成することもできる。あるいは、二次元画像表示装置１１の画素数に余裕がある場合には、表示デバイスの周辺領域にマージンを設けておき、画像処理によって画像中心を表示デバイスに対して電気的に偏心させることもできる。
〔ディスプレイ外部の三次元画像再生の実施形態〕
図７は本発明の三次元画像表示装置のスクリーン面から空間に射出される光線を図６で説明したディスプレイ内部の光学系と共に表した上面図である。図６で説明したのと同様に、図７（ａ）がアレイ光学系全体のシフトがない場合であり、図７（ｂ）がかかるシフトが存在する場合である。既に図４で説明したのと同様に、水平方向には光線を拡散しない垂直方向拡散板１７を共有レンズ１６に近接させて配置することにより、垂直方向にのみ光線の拡散を行う。
【００６４】
図７における共通像面１８付近に配置したスクリーンである共有レンズ１６（及び図示しない垂直方向拡散板１７）は、共通像面１８に形成された二次元画像表示装置１１の拡大像の大きさを変えることなく空間に投射する。すなわち、図７における５台の二次元画像表示装置１１の各々から２本ずつ射出された光線が、２本ずつ平行になるように、共有レンズ１６により屈折される。すなわち、共有レンズ１６は、上に述べたレンズシフトによって与えられた瞳の伝播方向を変えることなく、テレセントリック化するように構成する。
【００６５】
共有レンズ１６と垂直方向拡散板１７からなるスクリーンの実施形態としては、図８（ａ）、（ｂ）に示すように１枚で構成する場合と２枚で構成する場合の２通りの形態が考えられる。図８（ａ）は、共有レンズ１６と垂直方面拡散板１７を一体化したスクリーンとして構成した場合の例である。同図（ａ）は共有レンズ１６としてフレネルレンズを使用し、垂直方向拡散板１７としてレンチキュラーシートを使用した場合の図を示している。共通像面１８を裏面のフレネルレンズ面１６に一致させてテレセントリック化した後に、観察者側の垂直方向拡散板１７で表示方向の違いを解消する。
【００６６】
なお、垂直方向拡散板１７としては、レンチキュラーシートの他、ホログラフィックスクリーンを使用することができる。また、共有レンズ１６とレンズアレイ１２との間に平面鏡や凹面鏡を用いて折り曲げたカタディオプトリック光学系（反射屈折光学系）を構成することにより、装置の奥行きをスリム化することができる。
【００６７】
図８（ｂ）は、共有レンズ１６と垂直方向拡散板１７とを２枚で構成した場合の例である。垂直方向拡散板１７として図示するような両面に成形されたダブルレンチキュラーシートを使用することで、垂直方向に、より優れた拡散性をもたせることができる。このようなスクリーンとして実用化されているものとしては、リアプロジェクションテレビ用のフレネルレンチスクリーン等がある。
【００６８】
さて、このようなスクリーンにより水平方向についてはテレセントリックに、垂直方向については拡散状態となった光線により、三次元画像が形成されることになる。多数の光線を用いた三次元画像形成の原理は、学術的には公知であるにもかかわらず当業者の間ですら多くの誤解が生じているのが現状であり、また昔ながらの多眼式立体表示との違いを明確化する上でも有用と思われるため、以下に本発明の実施形態として三次元画像形成のしくみを説明する。
〔三次元画像形成に関する実施形態〕
図１０は三次元画像の形成のしくみを示す光線図（その１）である。図１０（ａ）では共通像面１８に多重化して形成された２個の点像からの平行光が異なる方向に進行する様子を示している。そして、これらの平行光は２本の平行光をペアとして２５組のペアが描画されており、隣り合うペア同士の角度刻みは０.５ｄｅｇである。２５組のペアを描画したのは、図２（ｂ）あるいは図５に例示したように、水平５、垂直５、計２５のアレイ光学系が共通像画１８上で重なって結像していることに対応している。
【００６９】
また、図の簡略化のために、図１０では主光線（principal ray）のみを描画しており、周りの外縁光線（marginal ray）については描かれていない。従って、実際には、図１０に描画された光線のそれぞれの周囲に共通像面１８を物体面として発散する光線が付随する。
【００７０】
さて、図１０（ａ）によれば、共通像面からの２５方向の平行光のペアが互いに交差する領域が存在する。これは光軸１９を対称軸とする二等辺三角形の領域であるが、この領域における光線の交点に着目すると、これらの交点を二次光源として２方向に光線が発散する、と考えることができる。そして、このような交点は、上記二等辺三角形の領域に多数存在する。
【００７１】
図１０（ｂ）は、共通像面１８上の点像の数が３個に増えた場合の２５方向の平行光を示す図である。この平行光は３本で１組を構成し、２５組が異なる方向に描画されている。ここでも光線の交点に着目する。２本の光線の交点からなる領域と、３本の光線の交点からなる領域があるが、光軸１９を対称軸とする二等辺三角形は、３本の光線から交点が形成されている領域である。そして、これらの交点を二次光源として３方向に光線が発散すると考えることができる。
【００７２】
図１１は、共通像面１８上の点像の数がさらに増えた場合の光線状態を示す図である。図１１（ａ）は５個の点像からの５本の平行光を１組とする２５組の平行光が描画されている。同図においても図１０の場合と同様に、５本の光線からなる交点が形成される二等辺三角形の領域が存在する。しかし、紙面の解像度の限界から５本の光線を分離して判読することはできず、あたかも多数の光束が空間の１点に収束しているかのように判読される。そして、このように収束する点が、奥行きの異なる位置に離散的に存在している。
【００７３】
図１１（ｂ）は９個の点像からの９本の平行光を１組とする２５組の平行光が描画されている。最早９本の光線からなる交点が形成される二等辺三角形の領域を判別することは困難であるが、少なくともこれらの交点が図１１（ａ）に比べてより密な間隔で配置されるようになることが分かる。
【００７４】
これらは少数の点像が共通像面に結像した例であるが、実際の画像、例えばＶＧＡ解像度（６４０×４８０画素）の画像の場合は、水平方向に６４０個の点像が存在することになる。そして、これらの点像を物体面として、６４０本の平行光を１組とする２５方向の光線により、２５本の光線からなる交点が高い密度で空間に生成されることになる。こうして空間に多数の光線の交点が形成されることになれば、共通像面１８上の点像を選択的に点灯させることにより、この交点を選択的に形成させることができるようになる。
【００７５】
図１２はこのような選択操作により、空間像の再生を行うしくみを示す図である。共有レンズ１６と近接する垂直方向拡散板１７付近に形成された共通像面１８からの多数の光線のうち、空間像（立方体や球として図示）の形成に寄与する光線のみを描画している。
【００７６】
図１２における立方体の空間像の側面の中心を表す点は、１６本の異なる光線の交点として構成されている。一方、図１２において円として図示される球体の空間像の表面の中心を表す点は、上記立方体の空間像とは光軸１９方向に異なる奥行き位置の交点で表現されている。
【００７７】
ところで、共有レンズ１６と垂直方向拡散板１７とから構成されるスクリーンに重なって結像される二次元画像表示装置１１の拡大像は、垂直方向にのみ射出瞳が拡大されるため、水平方向については観察者の目に上記拡大像の一部しか入射することができない。この点が、観察者の両眼のそれぞれに像を結像させる従来の多眼式立体表示と根本的に異なる。以下では、このような三次元画像を観察する眼球を一つの光学要素としてとらえ、眼球の網膜上にどのように像が形成されるかを説明する。
〔三次元画像の肉眼観察に関する実施形態〕
図１３は肉眼観察時の網膜像の形成の原理を示す上面図である。同図において、左端がこれまでに説明した共通像面を表しており、指向性画像３１、指向性画像３２、指向性画像３３は、この像面から水平方向に３つの方向でテレセントリックな画像が空間に射出されることを示している。
【００７８】
既に説明したように、図１３の左端の共通像面（図示なし）付近に配置した垂直方向拡散板１７により、垂直方向にのみ光線を広げるために、水平方向には射出瞳が拡大されない。このことは、水平方向に関してはプロジェクタ内部の表示デバイス（二次元画像表示装置１１）を、スクリーンを通さずに直視することに相当する。その結果、眼球３４に入射できるのは、二次元画像表示装置１１に表示された画像のうち、水平方向に狭い窓で切り取られた縦長の短冊状の画像となる。これが図１３では、指向性画像３１〜３３の一部として図示されている。これらの短冊状の画像（指向性画像３１〜３３の一部）が、網膜上で並んで合成されて、網膜像３５を形成する。
【００７９】
図１４は肉眼観察時の網膜上の像の一例を示す図（その１）である。図１４（ａ）は、先に説明した立方体の空間像３６と球の空間像３７をある観察位置で見たときの網膜上の像である。そして、図１４（ａ）に示す網膜像は、上に述べたように短冊状の画像が合成されたものであり、実際には図１４（ｂ）に示すように複数の短冊状の画像が接続されたものである。この短冊状の画像の例を図１５（ａ）〜（ｆ）に示す。
【００８０】
ここで、観察位置を固定して、二次元画像表示装置アレイ１０のうち二次元画像表示装置１１を１台ずつ順次点灯させていった場合においては、図１５（ａ）〜（ｆ）とほぼ同様な画像を肉眼観察することができる。
【００８１】
ここで、もしこれらの個々の短冊状の画像に僅かでも歪が存在した場合、すべての二次元画像表示装置１１を点灯させたときに、図１４のように滑らかに網膜像を接続することができなくなる。従来例では、既に図１８（ｂ）を参照しながら説明したように、共有レンズ４６の中心からはずれた位置で屈折することによる歪曲収差が共通像面４８で画像歪を生じさせていたため、画像処理による補正を行わざるを得なかった。
【００８２】
これに対し、本実施の形態では、かかる歪曲収差を抑えるべく、個々の二次元画像表示装置１１を拡大するためのレンズ１３（投射レンズ）で像形成を行い、共有レンズ（フレネルレンズ）１６の影響を排除したのである。この結果、鮮明な三次元画像を観察できると同時に、共有レンズ１６による画像の歪（歪曲収差）が発生しなくなることにより、電気的歪補正を最小にし、鮮明な像を表示しても継ぎ目を感じない三次元画像が観察できる。
【００８３】
以上の説明では、共通像面１８から射出される主光線同士が平行、すなわちテレセントリックであるとしてきた。念のため繰り返すと、図５に例示されるような２５台の二次元画像表示装置１１の各々に表示された２個の点光源からの光が、図１０（ａ）に示されるような２５組の平行光線を生成し、異なる二次元画像表示装置１１からの光線同士の交差領域（二等辺三角形の領域）が３次元画像を観察可能な範囲（視域）となる。
〔水平視域の拡大に関する実施形態〕
図１６（ａ）は、共通像面１８付近に凸レンズ２０を配置することにより、視域の拡大を図ったものである。図１６（ａ）と図１０（ａ）を比較すると明らかなように、図１６（ａ）の方が水平方向の視域、すなわち光軸１９に垂直な方向の観察範囲が拡大されていることが分かる。
【００８４】
ただし、このような凸レンズ２０を用いた水平視域拡大方法は、観察者の前後方向、すなわち光軸１９方向の観察範囲の犠牲を伴うものである。すなわち、図１６（ｂ）に示すように、共通像面１８からの距離がある一定の距離以上離れると、水平視域は拡大しなくなる。
【００８５】
しかしながら、実際の三次元表示装置においては、装置から離れた位置での三次元知覚は、装置の近くにおける三次元知覚ほどは重要でない。従って、凸レンズ２０を用いて三次元画像表示装置に近い位置での水平視域を拡大する実施形態は、実用面において有用な構成であると考えられる。なお、この凸レンズ２０は、共通像面１８に配置される共有レンズ（フレネルレンズ）１６と共通化して実施することができる。
【００８６】
次に、図１を参照しながら本発明を実施するための具体例を詳細に説明する。図１は本発明になる三次元画像表示装置の一実施の形態の上面方向からの構成図を示す。同図中、図２〜図５と同一構成部分には同一符号を付してある。側面図については既に図４で説明したため省略する。
【００８７】
図１において、ランプ光源１０１、照明光学系１０２、反射型液晶表示素子１１０、偏光ビームスプリッタ１１１及び投射レンズユニット１０３は、プロジェクタ１００を構成している。プロジェクタ１００は偏心のある投影光学系を有する二次元画像投影装置であり、全体としては水平方向及び垂直方向に二次元的に配置されて二次元画像投影装置アレイを構成している。投射レンズユニット１０３は、入射側の投射レンズ１１２、投射レンズ内部の開口絞り１１３、射出側の投射レンズ１１４からなる。反射型液晶表示素子１１０は図２の二次元画像表示装置１１に相当し、投射レンズユニット１０３は図２のレンズ１３及び開口１５に相当する。
【００８８】
図１の反射型液晶表示素子１１０には図示しない再生装置とドライブ回路により被写体の投影画像を表示させる。図１における反射型液晶表示素子１１０へのランプ光源１０１からの光の導入の仕方は、一般的な反射型液晶表示素子を用いたプロジェクタの光学系を用いることができる。図１においては照明光学系１０２として上記プロジェクタの光学系を１つのブロックで表している。以下に照明光学系１０２について簡単に説明する。
【００８９】
キセノンランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、あるいはレーザー光源等のランプ光源１０１からの照明光が、照明光学系１０２に入射すると、偏光膜と位相板のアレイからなる偏光変換素子（図示なし）によって偏光に交換されると共に、光学フィルタ（図示なし）によって紫外線と赤外線の成分をカットされる。そして、いわゆるインテグレータを構成する前段のフライアイレンズ及び後段のフライアイレンズによって均一照明が行われる。一般的なインテグレータ照明と同様に、キセノンランプ等のアーク像を後段のフライアイレンズに結像させる。そして、前段のフライアイレンズを物点とする光線がコリメータレンズによりテレセントリックな状態にされた後の光線が、照明光学系１０２の射出光線となる。
【００９０】
この照明光学系１０２からの射出光線は直線偏光（Ｓ偏光）とされており、Ｓ偏光の光線を反射しＰ偏光の光線を透過させる偏光ビームスプリッタ１１１によって反射され、反射型液晶表示素子１１０に垂直入射する。このとき、反射型液晶表示素子１１０の反射面と前段のフライアイレンズは結像関係にある。そして、反射型液晶表示素子１１０の液晶の作用により偏光の振動面が回転されて前述のＳ偏光がＰ偏光になった場合にのみ、反射型液晶表示素子１１０からの反射光が偏光ビームスプリッタ１１１を透過して投射レンズユニット１３の方向へ射出される。
【００９１】
また、図１では、反射型液晶表示素子１１０をＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の各原色光用の３枚を用いた３板式の光学系として描かれているが、単板式の光学系を用いてよりコンパクトな構成にすることも可能である。
【００９２】
この反射型液晶表示素子１１０は、高い解像度を有する反射型液晶表示素子であるＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）を使用することが好ましい。特に、本出願人が製造、販売するＬＣＯＳであるＤ−ＩＬＡ（登録商標）のうち、解像度が４０９６×２１６０画素のものを用いると、大画面で高解像度の三次元画像表示装置を好適に実現することができる。
【００９３】
勿論、反射型液晶表示素子１１０の替わりに、ＨＴＰＳ（High Temperature Poly-Silicon：高温ポリシリコンＴＦＴ液晶）に代表される透過型液晶あるいはＤＬＰ（Digital Light Processing：登録商標）などの他のマイクロディスプレイデバイス（Micro Display Device：ＭＤ）を用いることも可能である。その場合には、ランプ光源１０１および照明光学系１０２ならびに偏光ビームスプリッタ１１１を、各々のマイクロディスレイデバイスに適合するものに置き換えて実施すればよい。
【００９４】
反射型液晶表示素子１１０から出射される二次元画像の光線は、偏光ビームスプリッタ１１１をテレセントリックな状態で透過した後、入射側の投射レンズ１１２、投射レンズ内部の開口絞り１１３、射出側の投射レンズ１１４からなる投射レンズユニット１０３に入射する。この投射レンズユニット１０３は、反射型液晶表示素子１１０の拡大像を共有レンズ（フレネルレンズ）１６付近に結像させる。
【００９５】
なお、各々のプロジェクタ１００に対してランプ光源１０１を共通化して使用してもよい。ランプ光源１０１からの光パワーを分岐ファイバを用いて分岐するような構成とすれば、コストダウンと装置の小型化を図ることができる。
【００９６】
ところで、本発明の三次元画像表示方法は、三次元表示のコンテンツ（情報の内容）として、水平方向に関しては物体を様々な角度から平行投影法により撮影した画像を使用する。従来の多眼式による表示方法では水平・垂直ともに透視投影法で撮影した画像がしばしば使用されるが、本発明の実施には適さない。これは、既に図１０および図１１で説明したように、本発明の三次元画像表示方法が、物体（被写体あるいはＣＧ技術におけるオブジェクト）の発する光線を特定の視点から標本化した画像（視点画像）として表現するのではなく、物体の光線を角度単位で標本化することにより光線空間を再現するために準平行光線が必要となるからである。
【００９７】
なお、「準平行光線」という意味は、偏心した投射光学系の開口絞り中心を通る光線、すなわち主光線（principal ray）同士が平行（テレセントリック）な状態であることに加え、主光線（principal ray）の周りの外縁光線（marginal ray）についても発散角が小さいということである。発散角が小さいことは、既に図１２で説明したように、共有レンズ１６と垂直方向拡散板１７からなるスクリーンから離れた奥行き位置に空間像を形成する際に重要である。
【００９８】
このような発散角の小さなテレセントリック光線（準平行光線）を空間に投射させて、これらの光線の交点を空間の異なる奥行き範囲に形成することにより、三次元画像を表現することができる。
【００９９】
以上、詳述したように本実施の形態によれば、偏心をもつマルチプロジェクション光学系とフレネルレンズで構成する多重アフォーカル光学系に近接させて共通像面を配置して空間に多数の光線を投射して空間像を形成させるものである。
【０１００】
また、本実施の形態によれば、従来の高密度指向性表示方式による三次元画像表示装置がシンプルかつコンパクトな光学系で具現化できるようになると共に、広視域化と大画面化の両立が容易になる。更に、本実施の形態によれば、良好な収差特性をもち網膜像の不連続性が知覚されない自然な三次元映像を現在実用化されている表示デバイスを用いて実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の三次元画像表示装置の一実施の形態の構成図である。
【図２】本発明の三次元画像表示装置の一実施の形態の基本構成を示す図である。
【図３】本発明の三次元画像表示装置の基本構成を示す上面図である。
【図４】本発明の二次元画像表示装置の基本構成を示す側面図である。
【図５】偏心をもつ投射光学系アレイの実施形態を示す図である。
【図６】多重結像系部分の光線図である。
【図７】アフォーカルな投射光学系の光線図である。
【図８】三次元スクリーンの各例を示す斜視図である。
【図９】投射光学系のレンズシフトを示す概念図である。
【図１０】空間像の再生の原理を示す光線図（その１）である。
【図１１】空間像の再生の原理を示す光線図（その２）である。
【図１２】空間像の再生の原理を示す光線図（その３）である。
【図１３】肉眼観察時の網膜像の形成の原理を示す図である。
【図１４】肉眼観察時の網膜上の像の一例を示す図（その１）である。
【図１５】肉眼観察時の網膜上の像の一例を示す図（その２）である。
【図１６】凸レンズによる水平視域の拡大方法を示す図である。
【図１７】従来の三次元画像表示装置の一例における光線状態を示す上面図である。
【図１８】従来の三次元画像表示装置の一例における光線状態を示す側面図である。
【図１９】従来の三次元画像表示装置の一例の表示原理を示す図である。
【図２０】従来の三次元画像表示装置の一例の基本構成図である。
【図２１】従来の三次元画像表示装置の基本構成を示した上面図と側面図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０  二次元画像表示装置アレイ
１１  二次元画像表示装置
１２  レンズアレイ
１３  レンズ
１４  開口アレイ
１５  開口
１６  共有レンズ
１７  垂直方向拡散板
１８  共通像面
１９  光軸
２０  凸レンズ
２１  イメージサークル
３１、３２、３３  指向性画像
３４  眼球
３５  網膜像
１００  プロジェクタ（二次元画像投影装置）
１０１  ランプ光源
１０２  照明光学系
１０３  投射レンズユニット
１１０  反射型液晶表示素子
１１１  偏光ビームスプリッタ
１１２  入射側の投射レンズ
１１３  投射レンズ内部の開口絞り
１１４  射出側の投射レンズ
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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