(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の発光画素を二次元状に並べて構成される二次元画像表示部と、
前記二次元画像表示部に対向して配置され表示すべき画像情報についての奥行き情報に基づき前記発光画素のうちの複数個の発光画素の発光領域に対応した前記二次元画像表示部からの表示波面を同時に波面制御する波面制御領域を走査する波面制御部とを有し、
前記波面制御領域の焦点距離をｆ、前記波面制御領域と前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、前記波面制御領域の径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、式 ｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦ Ｄｙ（ｓ−ｆ）
を満たす
波面制御型表示装置。
【請求項２】
前記波面制御部は液晶レンズ構造を有する
請求項１記載の波面制御型表示装置。
【請求項３】
前記液晶レンズ構造は微小液晶セルをマトリクス状に配列し、且つ前記微小液晶セルの屈折率を変化させる
請求項２記載の波面制御型表示装置。
【請求項４】
前記屈折率が変化する微小液晶セルは、前記波面制御領域内の前記微小液晶セルに隣接するセル間で段階的に変化する電圧を印加することにより前記液晶レンズ構造を呈する
請求項３記載の波面制御型表示装置。
【請求項５】
前記液晶レンズ構造は複数の液晶層が積層された積層構造を有する
請求項２記載の波面制御型表示装置。
【請求項６】
前記波面制御部の波面制御領域は線順次駆動される
請求項１記載の波面制御型表示装置。
【請求項７】
前記線順次駆動される前記波面制御領域は垂直方向よりも水平方向が長くなる領域とされる
請求項１記載の波面制御型表示装置。
【請求項８】
前記波面制御部の波面制御領域は点順次駆動される
請求項１記載の波面制御型表示装置。
【請求項９】
前記波面制御部の波面制御領域は、前記二次元画像表示部の表示面を区分した微小区分内の発光画素に対応して点順次駆動される
請求項８記載の波面制御型表示装置。
【請求項１０】
複数の発光画素を二次元状に並べて構成される二次元画像表示部と、
前記二次元画像表示部に対向して配置され表示すべき画像情報についての奥行き情報に基づき前記発光画素のうちの複数個の発光画素の発光領域に対応した前記二次元画像表示部からの表示波面を同時に波面制御する波面制御領域を走査する波面制御部とを有し、
前記波面制御領域の焦点距離をｆ、前記波面制御領域と前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、前記波面制御領域の径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、式 ｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦ Ｄｙ（ｓ−ｆ）
を満たす波面制御型表示装置を用いた撮像再生方法において、
撮像時に被写体についての画像情報と共に該被写体までの距離情報を信号化し、
再生時に、前記波面制御型表示装置により、前記画像情報とともに前記距離情報の値に応じた画像飛び出し距離を算出し、その算出された画像飛び出し距離に応じて波面制御を行う
撮像再生方法。
【請求項１１】
前記画像飛び出し距離は前記波面制御型表示装置の操作によって可変とされる
請求項１０記載の撮像再生方法。
【請求項１２】
複数の発光画素を二次元状に並べて構成される二次元画像表示部と、
前記二次元画像表示部に対向して配置され、表示すべき画像情報についての奥行き情報に基づき前記二次元画像表示部からの表示波面を波面制御する波面制御領域と前記奥行き情報に基づき前記二次元画像表示部からの表示波面を波面制御しない非波面制御領域とを有する波面制御部とを有し、
前記波面制御領域の焦点距離をｆ、前記波面制御領域と前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、前記波面制御領域の径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、式 ｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦ Ｄｙ（ｓ−ｆ）
を満たす
波面制御型表示装置。
【請求項１３】
複数の発光画素を二次元状に並べて構成される二次元画像表示部と、
前記二次元画像表示部に対向して配置され、表示すべき画像情報についての奥行き情報に基づき前記二次元画像表示部からの表示波面を波面制御する第１の波面制御領域と前記奥行き情報に基づき前記二次元画像表示部からの表示波面を前記第１の波面制御領域とは異なる制御で波面制御する第２の波面制御領域とを有する波面制御部とを有し、
前記第１，第２の波面制御領域の各々が、波面制御領域の焦点距離をｆ、波面制御領域と前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、波面制御領域の径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、式 ｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦ Ｄｙ（ｓ−ｆ）
を満たす
波面制御型表示装置。
【請求項１４】
画像情報と共に奥行き情報に基づく表示画面の波面制御を行う波面制御型表示装置において、
複数の発光画素を二次元状に並べて構成される二次元画像表示部と、
前記二次元画像表示部に対向して配置され表示すべき画像情報についての奥行き情報に基づき前記発光画素のうちの複数個の発光画素の発光領域に対応した前記二次元画像表示部からの表示波面を同時に波面制御する波面制御領域を走査する波面制御部とを有し、
前記波面制御領域の焦点距離をｆ、前記波面制御領域と前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、前記波面制御領域の径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、式 ｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦ Ｄｙ（ｓ−ｆ）
を満たし、
前記波面制御領域の法線方向は対応する前記発光画素の発光領域の光軸方向と角度を有するように制御される
波面制御型表示装置。
【請求項１５】
複数の発光画素を二次元状に並べて構成される二次元画像表示部と、
前記二次元画像表示部に対向して配置され表示すべき画像情報についての奥行き情報に基づき前記発光画素のうちの複数個の発光画素の発光領域に対応した前記二次元画像表示部からの表示波面を同時に波面制御する波面制御領域を走査する波面制御部と、
前記波面制御部からの表示波面を反射する鏡とを有し、
前記波面制御領域の焦点距離をｆ、前記波面制御領域と前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、前記波面制御領域の径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、式 ｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦ Ｄｙ（ｓ−ｆ）
を満たす
波面制御型表示装置。
【請求項１６】
前記鏡は平面状若しくは曲面状である
請求項１５記載の波面制御型表示装置。
【請求項１７】
前記鏡はマトリクス状に配列された複数の小鏡部からなり、各小鏡部の反射方向がそれぞれ制御される
請求項１５記載の波面制御型表示装置。
【請求項１８】
複数の発光画素を使用者の頭部を覆うドーム状若しくは円筒状に並べて構成される二次元画像表示部と、
前記二次元画像表示部に対向して配置され表示すべき画像情報についての奥行き情報に基づき前記発光画素のうちの複数個の発光画素の発光領域に対応した前記二次元画像表示部からの表示波面を同時に波面制御する波面制御領域を走査する波面制御部と有し、
前記波面制御領域の焦点距離をｆ、前記波面制御領域と前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、前記波面制御領域の径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、式 ｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦ Ｄｙ（ｓ−ｆ）
を満たす
波面制御型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は奥行き感を伴う立体画像を出力するための波面制御型表示装置とそのような波面制御型表示装置を用いた撮像再生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の立体画像を再生する技術としては、両眼視差方式、バリフォーカルミラー方式、ホログラフィ方式が知られている。両眼視差方式には、さらに眼鏡を使用する方式と使用しない方式が存在するが、いずれも左右眼用の画像を独立に左・右眼に入力し、人間の脳の生理的機能により立体感を生じさせるものである。眼鏡を使用する方式には、赤・青フィルタ方式、偏光フィルタ方式、時分割シャッタ式がある。赤・青フイルタ方式は、眼鏡の左右眼部に各々赤と青のフィルタを貼るとともに、左右眼用の画像を各々赤と青で表示することにより、左右眼用の画像を独立に眼に入力するものだが、カラー化が困難である。
【０００３】
偏光フィルタ方式は、眼鏡の左右眼部に異なる方向の偏光フィルタを貼るとともに、これに対応して２台のCRTに偏光フィルタを貼り、２台のCRT各々に左右眼用の画像を表示して、立体感を得るものである。また、時分割シャッタ方式は、インターレース付き画像表示の奇数・偶数フレームに各々左右眼用の画像を表示し、眼鏡の左右眼部をフレームの切り替えに同期させて開閉することにより左右画像を独立して各々の眼に入力して立体感を得るものである。
【０００４】
両方式はフルカラー動画表示が可能であるが、眼鏡を用いる方式共通の欠点として眼鏡を装着することの煩わしさがある。また、立体TV会議や立体TV電話等の人対人のサービスへの適用を考えると、互いに眼鏡をかけた不自然さを感じる欠点がある。
【０００５】
両眼視差方式における眼鏡を用いない方式としては、レンティキュラーレンズを用いるものがある。このレンティキュラーレンズを用いる場合では、かまぼこ形の凸レンズを多数並べたものを利用して、左右眼用の画像を独立して左右眼に入力するものだが、頭の位置を僅かに動かすことにより、画像の不連続性を感じたり、立体感が得られなくなるという欠点がある。バリフォーカルミラー方式は、映像系で焦点可変鏡の焦点を高周波で変化させ、この状態で撮像を行い、再生系で撮像系の焦点の変化に同期させて焦点を変化させ、これを観察すれば、焦点の合う面が奥行き方向に高速に変化しているので、立体像を見ることができる。本方式の欠点は、焦点の合う面と合わない面が重なって表示されるため、鮮明さに欠けることと、光学系の装置構成が大きくなることである。
【０００６】
ホログラフィ方式は、レーザー光を２分して一方を対象物に照射するとともに、他方を参照光として利用し、対象物の回折光との干渉縞をホログラムに記録し、再生系において参照光を照射することにより立体像を得るものである。このホログラフィ方式は、実体性は高いものの、カラー動画と実時間記録が難しく、被写体が自然物であり、大きなものであったりすると記録ができないという欠点がある。
【０００７】
また、この種の立体画像出力装置として、例えば特許第２５８５６１４号公報に記載される装置が知られており、この装置では発光素子からの光の焦点距離を制御する焦点可変凸レンズが各発光素子の前に配置され、色彩情報と共に伝送される距離情報によって焦点可変凸レンズを制御するように構成されている。また、他の立体画像出力装置としては、例えば特開平５−１４２５１１号公報に記載されるディスプレイ装置が知られており、このディスプレイ装置では平面型ディスプレイを形成する少なくとも１画素からなるドットごとに、ドットの前方に微小なレンズをそれぞれ設けた構造とされる。さらに、特開２０００−２６１８３３号公報に記載される三次元表示装置では、発光素子を縦横に配列した二次元カラーディスプレイ部と、その各発光素子に対応した位置に配設される焦点可変レンズを組み合わせて立体画像を表示するように構成している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特許第２５８５６１４号公報に記載される立体画像出力装置、特開平５−１４２５１１号公報に記載されるディスプレイ装置及び特開２０００−２６１８３３号公報に記載される三次元表示装置など各立体画像表示装置では、発光素子などからの光を画素ごと若しくは素子ごとに焦点可変レンズなど制御し、結像位置を変えて立体視を実現するように構成されている。
【０００９】
しかしながら、このような各立体画像表示装置では、発光素子などからの光を画素ごと若しくは素子ごとに制御するために、両眼視差を取るのが容易ではないと言う問題が生ずる。一般に両眼視差は両面に同時に像の光線が入ることで得られるが、微小レンズのようにその開口瞳が小さいものでは、両眼に同時に光線を入射させるのが困難であり、立体的な感覚を作り出す像の最大飛び出し距離も小さくなってしまう。更に、画像の高精細化を図った場合では、個々の画素自体のサイズも小さくなるが、同時に隣接する画素間のスペースも小さくなり、微小な焦点可変レンズを画素ごとに駆動するにはスペースが狭すぎることになる。このため焦点可変レンズを制御するための電極などに制約が生じ、画像の高精細化には実際上は限界がある。
【００１０】
そこで本発明は上述の技術的な課題に鑑み、画像の立体視に主要な機能を果たす両眼視差を容易にとれるような機構とし、且つ画像の高精細化にも寄与する表示装置とその表示装置に好適な撮像再生方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明の波面制御型表示装置は複数の発光画素を二次元状に並べて構成される二次元画像表示部と、前記二次元画像表示部に対向して配置され表示すべき画像情報についての奥行き情報に基づき前記発光画素のうちの複数個の発光画素の発光領域に対応した前記二次元画像表示部からの表示波面を同時に波面制御する波面制御領域を走査する波面制御部と有し、前記波面制御領域の焦点距離をｆ、前記波面制御領域と前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、前記波面制御領域の径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、式 ｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦ Ｄｙ（ｓ−ｆ）を満たすことを特徴とする。
【００１２】
前記波面制御型表示装置において、波面制御部は液晶レンズ構造とすることができ、このような液晶レンズ構造としては微小液晶セルをマトリクス状に配列し、且つ前記微小液晶セルの屈折率を変化させる構造であっても良い。また、本発明においては、波面制御部の波面制御領域は線順次若しくは点順次方式で駆動できる。
【００１３】
本発明の波面制御型表示装置によれば、二次元画像表示部で画像情報に基づく表示波面が生成され、その表示波面が波面制御部で制御される。本発明の波面制御型表示装置の波面制御部は、前記発光画素のうちの複数個の発光画素の発光領域に対応した波面制御領域を走査するように動作する。波面制御領域は表示波面の一部を同時に制御する領域であるが、複数個の発光画素の発光領域に対応することから、１つの発光画素あたりの領域よりは広い領域を制御することになる。前記式ｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦Ｄｙ（ｓ−ｆ）を満たす場合には、両眼視差をとることができ、両目の間の微小視差によって奥行き感が得られる画像が提供される。波面制御の方法については、例えば所要のレンズを用いる場合では屈折率や曲率を変化させてレンズの焦点位置を移動させる方法や、レンズの位置を移動させて二次元画像表示部との相対距離を変化させる方法が挙げられるが、例えば液晶レンズを用いた場合では印加する電圧を変えることで波面制御が可能であり、且つ走査も可能である。レンズの焦点距離を移動させる場合、例えば結像位置が当該表示装置よりも手前に制御された時に手前側に発光画素があるように映し出され、逆に結像位置が当該表示装置よりも奥側に制御された時に奥側に発光画素があるように映し出されることになる。
【００１８】
また、本発明は撮像再生方法にかかるものでもあり、本発明の撮像再生方法は、複数の発光画素を二次元状に並べて構成される二次元画像表示部と、前記二次元画像表示部に対向して配置され表示すべき画像情報についての奥行き情報に基づき前記発光画素のうちの複数個の発光画素の発光領域に対応した前記二次元画像表示部からの表示波面を同時に波面制御する波面制御領域を走査する波面制御部とを有し、前記波面制御領域の焦点距離をｆ、前記波面制御領域と前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、前記波面制御領域の径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、式 ｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦ Ｄｙ（ｓ−ｆ）を満たす波面制御型表示装置を用いた撮像再生方法において、撮像時に被写体についての画像情報と共に該被写体までの距離情報を信号化し、再生時に、前記波面制御型表示装置により、前記画像情報とともに前記距離情報の値に応じた画像飛び出し距離を算出し、その算出された画像飛び出し距離に応じて波面制御を行うことを特徴とする。
【００１９】
本発明の撮像再生方法では、三次元画像を表示するために、予め撮像時に被写体についての画像情報だけではなく該被写体までの距離情報をも記録する。その距離情報は再生時には波面制御部などの制御に使用されることから、被写体についての画像情報を三次元化できる。
【００２０】
本発明の更に他の波面制御型表示装置は、画像情報と共に奥行き情報に基づく表示画面の波面制御を行う波面制御型表示装置において、複数の発光画素を二次元状に並べて構成される二次元画像表示部と、前記二次元画像表示部に対向して配置され表示すべき画像情報についての奥行き情報に基づき前記発光画素のうちの複数個の発光画素の発光領域に対応した前記二次元画像表示部からの表示波面を同時に波面制御する波面制御領域を走査する波面制御部とを有し、前記波面制御領域の焦点距離をｆ、前記波面制御領域と前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、前記波面制御領域の径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、式 ｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦ Ｄｙ（ｓ−ｆ）を満たし、前記波面制御領域の法線方向は対応する前記発光画素の発光領域の光軸方向と角度を有するように制御されることを特徴とする。
【００２１】
この波面制御型表示装置では、波面制御領域の法線方向と前記発光画素の発光領域の光軸は同じ方向とはならず、所要の角度を以って交差する関係とされる。このため当該表示装置を見る者が認識可能な有効画角を広くとることができ、前述の三次元画像の表示機能と合わせて視野に広がる画像が表示されることになる。
【００２２】
本発明のまた更に他の波面制御型表示装置は、複数の発光画素を二次元状に並べて構成される二次元画像表示部と、前記二次元画像表示部に対向して配置され表示すべき画像情報についての奥行き情報に基づき前記発光画素のうちの複数個の発光画素の発光領域に対応した前記二次元画像表示部からの表示波面を同時に波面制御する波面制御領域を走査する波面制御部と、前記波面制御部からの表示波面を反射する鏡とを有し、前記波面制御領域の焦点距離をｆ、前記波面制御領域と前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、前記波面制御領域の径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、式 ｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦ Ｄｙ（ｓ−ｆ）を満たすことを特徴とする。
【００２３】
当該波面制御型表示装置によれば、前記鏡によって波面制御部からの波面制御された表示波面が反射されることになり、鏡で反射した画像を当該表示装置を見る者に表示することができる。鏡で反射させた場合でも、奥行き情報に基づいて処理された映像は見る者に対して奥行き感を伴って表示される。
【００２４】
さらに、本発明の波面制御型表示装置は、複数の発光画素を使用者の頭部を覆うドーム状若しくは円筒状に並べて構成される二次元画像表示部と、前記二次元画像表示部に対向して配置され表示すべき画像情報についての奥行き情報に基づき前記発光画素のうちの複数個の発光画素の発光領域に対応した前記二次元画像表示部からの表示波面を同時に波面制御する波面制御領域を走査する波面制御部と有し、前記波面制御領域の焦点距離をｆ、前記波面制御領域と前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、前記波面制御領域の径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、式 ｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦ Ｄｙ（ｓ−ｆ）を満たすことを特徴とする。
【００２５】
この波面制御型表示装置によれば、使用者の頭部を覆うドーム状若しくは円筒状に複数の発光画素が並べて構成され、画面の角度を大きくとることができ、且つ当該表示装置を作動させている状態での消費電力を大型スクリーン装置などと比較して大幅に抑えることも可能である。本発明の波面制御型表示装置では二次元画像表示部と該二次元画像表示部からの表示波面を同時に波面制御する波面制御領域を走査する波面制御部との組み合わせから、使用者の頭部に近い位置に表示部が存在していても、そこから比較的遠い位置に映像が映るように調整することもでき、且つ大画面のスクリーンと同等の臨場感を作り出すことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の波面制御型表示装置の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。先ず、図１は液晶レンズ構造を有する波面制御型表示装置の概略図であり、その主な構成要素は複数の発光画素を二次元状に並べて構成される二次元画像表示部１１と、前記二次元画像表示部に対向して配置され表示すべき画像情報についての奥行き情報に基づき複数個の前記発光画素の発光領域に対応した前記二次元画像表示部からの表示波面を同時に波面制御する波面制御領域１５を走査する波面制御部１２とからなる。
【００２７】
二次元画像表示部１１は面状に展開する複数の発光画素を有しており、発光画素が例えば半導体発光素子からなる構造であっても良く、その他のディスプレイ、例えば液晶表示装置（ＬＣＤ）、有機エレクトロルミネセント（ＥＬ）表示装置、電界発光（Field  Emission）表示装置、プラズマ・ディスプレイ・パネル（ＰＤＰ）表示装置、エレクトロクロミック表示装置、蛍光表示管を用いた表示装置、陰極線管（ＣＲＴ）を用いた表示装置などの種々の表示装置、プロジェクター、その他のデバイスを用いることができるが、波面制御部１２によって波面が制御可能な表示装置であれば特に限定されるものではない。
【００２８】
発光画素は例えば二次元画像表示部１１がアレイ状に配列される発光素子からなる場合では、その個々の発光素子又はカラー表示の場合には三原色に対応した三発光色の発光素子の組み合わせからなり、このような発光画素が表示部１１上に複数個並べられて当該二次元画像表示部１１が構成される。二次元画像表示部１１には所要の画像信号が供給されており、この画像信号は二次元画像表示部駆動回路１３に送られる。二次元画像表示部駆動回路１３は二次元画像表示部１１を駆動するための回路構成であり、クロック信号や必要な場合には同期信号を輝度信号、色差信号などから映像信号とともに二次元画像表示部１１に送る。本実施形態の波面制御型表示装置１０に供給される信号はこのような画像情報についての信号に加えて、三次元表示を実現するための奥行き情報についての信号が含まれる。
【００２９】
二次元画像表示部１１は液晶レンズ構造を有する波面制御部１２に対向する構造とされている。波面制御部１２はマトリクス状に配列された複数個の微小セル１６を有し、各微小セル１６に印加される電圧を変えることで、微小セル１６の屈折率を制御できる構造とされている。すなわち、微小セル１６は、それぞれ透明電極に挟まれた液晶構造を有しており、任意の範囲内の中心部付近の微小セル１６の屈折率を高くして周辺部の微小セル１６の屈折率を低くすることでレンズの如き機能を生じ、いわゆる液晶レンズとして機能する。このように液晶装置をレンズとして活用することは、例えば“ＭＯＤＥＬ  ＬＩＱＵＩＤ  ＣＲＹＳＴＡＬ  ＷＡＶＥＦＲＯＮＴ  ＣＯＲＲＥＣＴＯＲＳ”Ｇ．Ｄ．Ｌｏｖｅ ｅｔ  ａｌ．，２ｎｄ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ａｄａｐｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃｓ  ｆｏｒ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  ａｎｄ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，Ｄｕｒｈａｍ，１２−１６ｔｈ  Ｊｕｌｙ，１９９９の予稿にもＬＣレンズとしてその記載がある。
【００３０】
波面制御部１２の動作について説明すると、一例として中心部で屈折率が高くなり且つ周辺部で屈折率が低くなるような波面制御領域１５がその領域内の存在する微小セル１６を駆動することで形成され、その波面制御領域１５が当該波面制御部１２の全域を走査するように駆動される。走査方法は特に限定されるものではないが、インターレース方式、ノンインターレース方式の他、後述するような点順次や線順次など種々の方式を用いることができる。波面制御部１２上の波面制御領域１５は、１箇所に限らず微小セル１６に印加する電圧を工夫することで複数箇所同時に設けても良く、その場合には複数の波面制御領域が同時に制御される。波面制御領域１５は、その部分を透過する光に対するレンズとして機能する領域であり、当該波面制御領域１５を透過する表示波面の位相を屈折率によってずらして制御する領域である。波面制御領域１５が走査される際、これと同期して二次元画像表示部１１の発光画素も走査されるようにすることができる。すなわち、二次元画像表示部１１の発光画素を、波面制御部１２の走査方式に合せて、インターレース方式、ノンインターレース方式の他、後述するような点順次や線順次など種々の方式で走査し、発光している単数若しくは複数の発光画素と波面制御領域１５とが同期するような方式で動作させることが好ましい。また、波面制御部１２と二次元画像表示部１１の間の距離を画素毎或いは波面制御領域１５に応じて変化させるような構造をとっても良い。
【００３１】
この波面制御部１２の波面制御領域１５は、二次元画像表示部１１の複数個の発光画素の発光領域に対応したサイズとされ、二次元画像表示部１１の発光画素よりは十分に大きな領域とされている。これはレンズとして機能する領域のサイズ大きいほど、両眼視差の関係から画像の飛び出し量を大きくすることができることからであり、画素サイズよりは大きな波面制御領域１５を駆動することで、画像の飛び出し量の大きな立体映像を生成できる。波面制御領域１５の形状は、円形とすることができるが、正四角形状や、後述するような楕円形状、矩形状、菱形状などの他の形状であっても良い。
【００３２】
波面制御部１２には、波面制御部制御回路１４を介して波面制御領域１５を形成するための制御信号が供給される。波面制御部制御回路１４には三次元表示を実現するための奥行き情報についての信号が供給され、図示しない再生装置などからの信号に基づき所要の動作を行う。
【００３３】
本実施形態の波面制御型表示装置は、主な特徴の１つに両眼視差を大きくとることができると言う点がある。図２はこの両眼視差を説明するための模式図である。図２において、レンズ（波面制御領域）の位置を基準とし、レンズから像までの距離をｘ、レンズから表示装置を見る者までの距離をｙ、レンズの径をＤ、両眼の間の距離をＥ、そして表示装置を見る者の位置での像を見ることのできる範囲をｚとすると、像の位置を中心に左右の三角形が相似形となるので、次の式が成立する。
【００３４】
式１  Ｄ：ｘ  ＝  ｚ：（ｙ−ｘ）
【００３５】
ここで、両目で見ることのできる条件はｚ≧Ｅであるから、前記の式をｘについての式に変換すると、
【００３６】
式２  ｘ  ≦  Ｄ・ｙ（６５＋Ｄ）
【００３７】
で表される。
【００３８】
この式２を基礎としながら、最大飛び出し量（距離）ｘmax を求めた計算結果が図３である。この図３において、レンズから表示装置を見る者までの距離ｙを１ｍ、２ｍ、３ｍ、５ｍの各距離にした場合のレンズの直径（Ｄ）が大きくなるにしたがって最大飛び出し量（距離）ｘmaxも大きくなる傾向を示している。最大飛び出し量（距離）ｘmaxは立体表示をするための奥行き感を出すためのパラメーターであり、最大飛び出し量（距離）ｘmaxが大きい方が立体表示がし易いものとなる。レンズから表示装置を見る者までの距離ｙが同じ場合では、レンズの直径（Ｄ）が大きくなるほど最大飛び出し量（距離）ｘmaxが大きくなり、逆にレンズの直径（Ｄ）が小さくなるほど最大飛び出し量（距離）ｘmaxが小さくなる。例えば、レンズの直径（Ｄ）が１ｍｍ程度で結像した像を距離ｙが３ｍの位置で見た場合では、およそ４．５ｃｍまでの像の飛び出しが可能となり、両眼視差による奥行き感が得られることになる。大きなレンズを用いることで、飛び出し量は大きくなり、例えば、Ｄが３ｃｍ程度のレンズを使用した場合では、図３のグラフから、レンズから表示装置を見る者までの距離ｙが３ｍの場合、飛び出し量ｘは１ｍ程度となってかなり大きな視差が得られることになる。
【００３９】
ところで、両眼視差が可能である範囲は前記式２を満足する範囲である。この式２を波面制御領域（レンズ）の焦点距離をｆ、波面制御領域と二次元画像表示部の間の距離をｓとして書き改めた場合では、一般にｆ−１＝ｓ−１＋ｘ−１であることから、前記式２の条件は、
【００４０】
式３  ｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦  Ｄｙ（ｓ−ｆ）
【００４１】
に変換することができ、この式３を満たすように波面制御領域（レンズ）の焦点距離ｆ、波面制御領域と二次元画像表示部の間の距離ｓを設定すれば、奥行き感を伴う両眼視差が得られることになる。
【００４２】
図４と図５は発光点に対して比較的大きなサイズの波面制御領域を同期して走査して良好な両眼視差を得る構成を示す図である。前述のように、発光点若しくは発光画素のサイズに対して比較的大きなサイズの波面制御領域を結像に用いた場合では、その両眼視差を大きくすることが可能である。図４は点順次に発光点２４が水平方向に移動する例を示しており、水平方向に一列に発光ダイオード２０が並べられて発光ダイオード列を構成している。この発光ダイオード列に対向するようにレンズ２１が設けられており、このレンズ２１は機械的な方法、若しくは液晶レンズの場合は微小セルに印加する電圧を順次変化させることで、レンズが移動するような効果を持たせることができる。
【００４３】
この発光ダイオード列の中の発光点２４からの光はその射出側に位置するレンズ２１に入射し、そのレンズ２１の集光機能によって像２２が見る者の側に形成される。図４では、その見る者の左目２３Ｌと右目２３Ｒを模式的に示している。
【００４４】
発光ダイオード列の中の発光点２４は点順次に走査されており、発光点２４が水平方向である図中矢印方向に移動すると、これと同期する形で同じく水平方向にレンズ２１も移動する。図５は発光点２４の水平移動とレンズ２１の同期した移動を模式的に示す側面図であり、発光点２４が矢印方向に移動するのに伴ってレンズ２１も同方向に移動するように構成されている。
【００４５】
レンズ２１は本実施形態の波面制御領域に該当することから、このように発光点２４のサイズに比べて大きなサイズのレンズ２１を使用することで、両眼視差をとることが容易となり、三次元画像を良好に表示することが可能となる。また、発光ダイオード列をマトリクス状とした上で発光点２４及び対応する波面制御領域を同期させ、インターレース或いはノンインターレースなどの方式を用いて画面上の各点を順次走査することで動画にも対応した立体画像の表示が可能となる。
【００４６】
図６、図７及び図８は他の発光点の駆動方式を模式的に説明するための図である。図６の例では、発光点３１が垂直方向の概ね二列に亘っており、それそれ水平方向に移動するように走査される。各発光点３１の垂直列の中では、１つおきに発光点３１と非発光点３３を繰り返すパターンとされ、各発光点３１に対応した各波面制御領域３２の端部同士が非発光点３３上で接し、重なり、或いは近くに存在するように並べて配置される。移動方向において、２列の発光点３１の垂直列が平行移動するため、発光点３１は同じ水平列の発光点については、一方の発光点３１だけが光を出力するように構成される。換言すると、各波面制御領域３２の大きさを範囲として、水平方向、垂直方向に隣接する画素からの発光がないように制御される。また、２列の発光点３１の垂直列の間には非発光点３３だけの発光しない垂直列が存在するが、水平間隔が発光点及び非発光点の間隔よりも広く、直ぐに隣接する垂直列の各波面制御領域３２の端部同士が大きく重ならない場合には、隣接する２列の制直列を移動させるように走査しても良い。ここで発光点３１の移動とは発光する位置についての移動であり、発光している素子自体の移動ではない。また、各波面制御領域３２の移動とは、例えば液晶レンズとして機能する位置が変化することであり、液晶レンズを構成する微小セル自体の位置は変わらない。
【００４７】
このような構成の図６の波面制御型表示装置は、非発光点３３上にも広がるように延在され発光点３１のサイズに比べて大きなサイズの各波面制御領域３２を用いることで、両眼視差をとることが容易となり、三次元画像を良好に表示することが可能となる。また、発光点３１及び対応する波面制御領域３２を同期させて走査することで動画にも対応した立体画像の表示が可能となる。また、点順次駆動方式に比べて１つの発光画素にかかる時間を長くとることができ、仮にレンズ側である各波面制御領域３２の応答時間が長い場合でも十分な画像の再生が可能になる。この波面制御型表示装置の各波面制御領域３２を更に大きくした場合では、大きくされたサイズに応じた個数の画素を非発光点とするような制御を行えば良く、線順次駆動も水平方向の移動だけではなく、垂直方向や斜め方向などであっても良い。
【００４８】
図７の波面制御型表示装置は、図６の装置と同じく水平方向に移動する波面制御領域４２によって波面の制御を行う例であるが、波面制御領域４２は垂直方向を短軸とし水平方向を長軸とする楕円形状若しくは長方形状とされる。詳しくは、複数の波面制御領域４２は垂直方向に並ぶように形成され、発光点４１を中心に水平方向に隣接する非発光点４３までも範囲とするような領域であり、垂直方向では画素ごとに区分されている。
【００４９】
このような複数の波面制御領域４２は、順次矢印方向である水平方向に移動するように制御される。波面制御領域４２の形状から、当該波面制御領域４２は水平方向には大きなサイズのレンズを構成することになり、このため、両眼視差をとることが容易となり、三次元画像を良好に表示することが可能となる。また、発光点４１及び対応する波面制御領域４２を同期させて走査することで動画にも対応した立体画像の表示が可能となる。また、図６の駆動方法に比べて駆動信号を簡略なものにでき、周辺回路の簡素化も可能である。
【００５０】
図８は更に他の駆動方式で駆動される波面制御型表示装置の例を示す。本例は点順次駆動方式の１種であるが、波面制御部の波面制御領域は、二次元画像表示部の表示面を区分した微小区分内の発光画素に対応して点順次駆動される例である。微小区分は縦横２画素ずつの組からなる構成とされ、画面上はこのような微小区分がマトリクス状に配列される。図８において、点順次の駆動は（a）から（ｄ）まで、区分内の４つの点をN字状に順次点灯させていくように駆動されるものであり、区分内の４つの点のうちの１つは発光点５１とされ他の３点は非発光点５３とされる。
【００５１】
このような駆動方法によれば、（a）から（ｄ）までの４つの発光パターンで１周期となり、全発光画素に対する波面制御が行われる。なお、（a）から（ｄ）の順番は一例であり、（a）から（ｄ）までの発光パターンを異なる順序で走査しても良い。例えば、１周期の時間が６０分の１秒である場合、１パターンにかかる時間は２４０分の１秒で良いことになり、ミリ秒オーダーの応答速度の波面制御部を使用して十分な動作をすることになる。
【００５２】
なお、図８に示す例は４つの発光パターンで１周期が完了する例であるが、そのパターン数については任意に設定できるものであり、色毎の発光を行うようにすることもでき、ライン毎に異なる制御を行っても良い。また、画面を幾つかの部分に区切り、それぞれ異なる駆動方法を使用することもできる。例えば、遠近感が最も必要な画面上の或る区画には図７に示すような楕円パターンの波面制御領域を形成し、遠近感が重要でない区画には、円形状の波面制御領域を形成するような制御も可能である。
【００５３】
このような波面制御領域の駆動は、次に説明する液晶レンズを用いることで行われる。図９は当該波面制御型表示装置の波面制御部の構造例を示す図である。（a）は液晶レンズ部の断面図であり、（ｂ）は波面制御部の平面図である。
【００５４】
波面制御部６１は、液晶層６５を挟んで対向する一対の透明電極６３、６４と、液晶層６５と透明電極６３，６４間にそれぞれ配される配向膜などからなる微小セル６２を複数個マトリクス状に配列した構造を有しており、これらの微小セル６２が透明基板６６、６７の間に挟まれて形成される。各透明電極６３、６４には、信号線などが接続し或いは電極自体が信号線とされ、当該波面制御部６１は単純マトリクス構造或いは選択用のＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を備えたアクティブマトリクス構造となっている。
【００５５】
このように構成された波面制御部６１は、電圧を印加した場合に、その印加電圧に応じて液晶層６５部分の屈折率を変化させることができる。波面制御部６１は局所的に１つの箇所或いは複数箇所で同時に液晶レンズからなる波面制御領域６８として機能させるべく、一例として図９に示すように中心付近の微小セル６２の屈折率が高くなり、周辺側に近づくにつれて徐々に屈折率が低くなるような屈折率の分布を持った領域を有する。図示の例では、中心部分の屈折率ｎ６が最も高い屈折率とされ、７段階に順に屈折率が低くなり、最外部の屈折率ｎ０が最も低い屈折率を示す。図９に示す例では、中心側の屈折率が高く周辺部の屈折率が低いように構成されていて、液晶レンズとして凸レンズと同様に機能する。すなわち奥行き感としては見る者の奥側で結像される像を形成する。これとは逆に、中心側の屈折率が低く周辺部の屈折率が高いように構成される場合では、液晶レンズとして凹レンズと同様に機能する。中心部分の屈折率ｎ６を低めに設定した場合では、中心部分の屈折率ｎ６を高めに設定した場合に比べてより手前側で結像される像を形成できる。
【００５６】
液晶レンズとして機能する波面制御領域６８は波面制御部６１上で走査される。その走査方式は特に限定されるものではないが、図６乃至図８に示したような点順次駆動や線順次駆動、或いはこれらに順ずる駆動方式により波面制御領域６８を走査できる。
【００５７】
このような液晶レンズを強誘電性液晶（ＦＬＣ）材料にて構成した場合には、屈折率としてｎ＝１．４８９〜１．６６６の範囲で変化可能となる。これは複屈折によって光の電界方向または入射方向によって液晶の屈折率が異なることによる。図１０に示すように、液晶レンズの中心部分の屈折率をｎ＝１．４８９〜１．６６６とし、その周辺部分の屈折率をｎ＝１．４８９とする。このように中心部の屈折率が周辺部のそれより大きい場合、液晶中の光の速度ｖはｖ＝ｃ／ｎ（ｃは真空中の光速）になるため、中心を透過した光は周辺を通過した光に比べて遅れを生ずることになる。図１０に模式的に示すように、液晶レンズを構成する波面制御部７１は中心から外側に領域７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄの各領域が存在し、それぞれ屈折率がｎ３、ｎ２、ｎ１、ｎ０であれば、一例として領域７２ｄの屈折率ｎ０が１．４８９に設定され、領域７２ａの屈折率ｎ３が１．６６６に設定され、領域７２ｂ、７２ｃの各屈折率ｎ２、ｎ１はこれらの中間的な値を取る。このような屈折率の分布から波面制御部７１に入射する平面波は中心部側で屈折率が大きいために、出射側で球面波に変換され、焦点距離の位置に集光する。
【００５８】
ここで、中心部の領域７２ａの屈折率ｎ３が１．６６６に設定され、液晶層の厚みを２μｍとし、レンズの直径を１ｃｍとして焦点距離を算出すると、波面制御部７１の中心部と周辺部の位相差はΔφ＝０．７１×２πとなるので、焦点距離ｆは３．５ｘ１０３ｃｍとなる（ｆ＝πＤ２／４Δφλ）。
【００５９】
焦点距離が極めて長い場合、発光画素から波面制御部までの距離との関係によっては、最大飛び出し距離を大きくとることが困難となり、奥行き感を得ることが困難となる。そこで焦点距離を例えば１０ｃｍ以下までに短くする方法として液晶層を厚くする方法があり、そのための１つの手段として図１１に示すような多層構造にすることができる。図１１に示す多層構造の液晶装置は、透明な下側基体８１上にＩＴＯ膜などからなる下側透明電極８３が形成され、一方透明な上側基体８２の下部にＩＴＯ膜などからなる上側透明電極８４が形成され、これら下側透明電極８３と上側透明電極８４の間の空間には、中間層８６と液晶層８５が交互に繰り返し設けられている。
【００６０】
このような多層構造とすることで、各液晶層８５が２μｍと薄い場合でも、例えば１０００層重ねることで全体としての厚みが２０００μｍになり、焦点距離で例えばｆ＝３．５ｃｍと短くすることができる。したがって多層構造とすることで奥行き感を得ることが容易となる。多層構造の波面制御部を制御する際に、波面制御領域の中心部と周辺部で屈折率を等しくした場合、その焦点距離は無限遠方になることから、焦点距離ｆは３．５ｃｍ〜無限遠の範囲で可変となる。二次元画像表示部と波面制御部の間の距離をｓとし、ｓ＝５ｃｍの値を前述の式３に代入した場合には、画像の飛び出し距離ｘとして１１．７ｃｍ〜無限遠ｃｍまでの変化が可能であり、また、焦点距離を５ｃｍから無限遠まで変化させた場合では、画像の引っ込み距離がｘ＝マイナス無限遠から−５．０ｃｍまで変化できることになる。
【００６１】
図１２は配線方法と波面制御領域に印加する電圧の関係を示す図である。波面制御部は、水平方向を長手方向とする複数の帯状下側透明電極９１と、これらと垂直な方向を長手方向とする複数の帯状上側透明電極９２とを有しており、これらの電極９１、９２の間に液晶層９３が形成される。複数の帯状下側透明電極９１は下側透明基板９４上に形成され、帯状上側透明電極９２は上側透明基板９５の下に形成されている。この波面制御部は単純マトリクス構造とされ、上側透明電極９２の１つと帯状下側透明電極９１の１つが交差している領域が１つの微小セルとして機能する。液晶レンズとして機能する波面制御領域９６を形成するため、上側透明電極９２と下側透明電極９１に印加される電圧を徐々にＶ０、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４と五段階に変化させ、特に上側透明電極９２には五段階の正電圧を印加すると共に下側透明電極９１には五段階の負電圧が印加される。上側透明電極９２への五段階の正電圧は波面制御領域９６の中心側で高い電圧とされ周辺側で低い電圧とされる。また、下側透明電極９１への五段階の負電圧は波面制御領域９６の中心側で低い電圧とされ周辺側で高い電圧とされる。このため波面制御領域９６のほぼ中心部分の微小セルでは、最も高い電圧Ｖ４と最も低い電圧−Ｖ４の差電圧が液晶層９３に印加することになり、そこから順に外側に移るに従って徐々に印加電圧が低くなっている。液晶層９３は印加される電圧の大きさに応じて屈折率が変化するように構成されていることから、波面制御領域９６のほぼ中心部分の微小セルが最も高い屈折率ｎ８によって当該波面制御部を透過する光の波面を制御し、その中心の微小セルから周囲側の微小セルに行くに従って屈折率ｎ７〜ｎ０と徐々に低くされる。このようにして屈折率の分布が中心部で高く周辺部で低い凸レンズの如き分布となるため、波面制御領域９６は液晶レンズとして機能し、その波面を集光するように制御して、立体画像を表示させることができる。
【００６２】
波面制御部を液晶レンズを用いて構成する例については以上に説明したが、波面制御部を他の波面制御手段によって構成することも可能であり、そのような構成としては凹面鏡を用いることができる。図１３は凹面鏡を用いた波面制御型表示装置の例を示す図である。発光ダイオードなどからなる発光点１０１は、所定の間隔を空けてマトリクス状に配列されており、１つの発光点１０１に対応するように凹面鏡１０２が同様にマトリクス状に配列されている。各凹面鏡１０２は例えば合成樹脂材料などの比較的に柔らかい材料に銀、アルミニウムなどの反射率を高めるコーティングを施して構成される。各凹面鏡１０２には該凹面鏡１０２の反射波面を制御する凹面鏡制御部として圧電素子１０３がそれぞれ配設されており、これら圧電素子１０３が供給される信号に応じて凹面鏡１０１の曲率半径を変えるアクチュエーターとして作動する。例えば、或る発光点１０１に対する奥行き情報として、遠い位置にあるように像を表示するためには、対応する凹面鏡１０１の圧電素子１０３に信号を供給して該凹面鏡１０１の曲率半径を小さくして、像１０４の位置が凹面鏡１０１側に近づくように制御する。また、近い位置にあるように像を表示するためには、対応する凹面鏡１０１の圧電素子１０３に信号を供給して該凹面鏡１０１の曲率半径を大きくし、像１０４の位置が凹面鏡１０１から遠ざかり、見る者１０５に近づくように制御する。
【００６３】
なお、このような波面制御部を凹面鏡１０２によって構成する例においても、アクチュエーターとして作動する圧電素子１０３の代わりに、凹面鏡１０２と発光点１０１の間の相対距離を変化させるアクチュエーターを設けることも可能である。また、アクチュエーターで可動となる部材は凹面鏡１０２と発光点１０１のどちらであっても良い。
【００６４】
上述の如き波面制御型表示装置は、奥行き情報に基づく制御が行われるために、通常の画像情報に加えて奥行き情報も含んだ信号によって駆動される。従って、被写体についての撮像時に通常の画像情報に加えて奥行き情報も取り込む必要があり、このような奥行き情報も含めた情報で画像を表示することで、本発明にかかる波面制御型表示装置を立体画像表示装置として使用することができる。
【００６５】
図１４は撮像時の位置関係（ａ）と再生時の位置関係（ｂ）を示す模式図である。先ず、撮像時において、撮像位置１１１では所要の撮像素子または撮像管を用いて二次元画像情報としての光情報が電気信号に変換される。例えば、図１４のように、球状被写体１１３と筐体被写体１１２がそれぞれ撮像位置１１１までの距離が異なるように置かれている場合、それぞれの球状被写体１１３と筐体被写体１１２までの距離を各画素ごとに測定し、その距離データｘ１、ｘ２、…ｘｎも同時に信号化する。距離の測定は、例えば、赤外線を用いて測定することも可能であるが、輪郭のボケなどから計算して算出するようにしても良く、或いは波面の曲率を計測することで求めても良い。この距離情報と画像情報は合せて送られ、再生装置や記憶装置で再生若しくは記録される。このような距離情報を含む情報の記録は静止画に限らず動画も可能であり、情報処理の容易化のために複数の画素分をまとめて処理するような手法を用いることもできる。また、輪郭補正やその他の信号処理を含ませることも可能である。
【００６６】
再生時には、図１４の（ｂ）に示すように、本発明にかかる波面制御型表示装置１１４が再生に用いられる。波面制御型表示装置１１４はフラットパネル型であるが、前述の距離情報によって波面制御型表示装置１１４の波面制御部が作動して三次元画像を作成する。図１４の例では球状被写体の像１１５と筐体被写体の像１１６がそれぞれの距離情報に基づき再生される。
【００６７】
この時、見る者の好みで奥行き感を可変とすることも可能である。すなわち、当該表示装置を見る者と波面制御型表示装置１１４の間の距離をＺとし、波面制御型表示装置１１４が形成する像１１５、１１６までの距離をｙ１、ｙ２、…ｙｎとすると、ｙ＝ｘ−Ｚで表されることになり、ｙがマイナス符号の場合、画像が飛び出して表示され、ｙがプラス符号の場合、画像が引き込んで表示される。このような制御においては、ｙの値を変化させれば奥行き感を変えることができることを意味する。例えば、当該表示装置を見る者がリモコン操作によって、ｙの値を変化させるようにすることができ、その場合には見る者の好みで奥行き感を変えられることになる。
【００６８】
次に、本発明の波面制御型表示装置の幾つかの構成例について説明する。図１５及び図１６は制御パネル上にレンズが配される波面制御型表示装置１２０の例である。複数の発光画素を二次元状に並べて構成される二次元画像表示部は、シリコンなどの半導体、ガラス、セラミック、合成樹脂などの材料からなる基板１２５の表面上に、マトリクス状に３原色ＬＥＤモジュール１２２が形成された構成を有する。原色ＬＥＤモジュール１２２は、緑色発光ダイオード１２３Ｇと、青色発光ダイオード１２３Ｂと、赤色発光ダイオード１２３Ｒとからなる構成とされ、１つの発光画素を構成する。緑色発光ダイオード１２３Ｇと、青色発光ダイオード１２３Ｂと、赤色発光ダイオード１２３Ｒはそれぞれ直径０．３ｍｍ以内の範囲に並べられる。３原色ＬＥＤモジュール１２２は、１ｍｍピッチの間隔で配され、水平方向と垂直方向で１０２４個×１０００個のアレイを構成する。
【００６９】
このような基板１２５とマトリクス状に配列された３原色ＬＥＤモジュール１２２とからなる二次元画像表示部は、波面制御部を構成する制御パネル１２１に対向する。制御パネル１２１上には波面制御領域となる複数のレンズ１２４が配列されているが、各レンズ１２４は縦横方向に１つおきの画素に対応するように配列され、レンズ１２４の配置されない画素部分は非波面制御領域とされる。レンズ１２４は直径１ｍｍ程度であり、対応する３原色ＬＥＤモジュール１２２の光軸に合せて配される。波面制御部を構成する制御パネル１２１は、光の光軸方向である図中ｐ方向に動作可能であり、レンズ１２４と３原色ＬＥＤモジュール１２２の間の間隔ｓはアクチュエーターなどによって可変である。
【００７０】
このような波面制御型表示装置１２０は、レンズ２４の焦点距離をｆ、レンズ２４と前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、レンズ２４の直径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、前記式３すなわちｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦  Ｄｙ（ｓ−ｆ）を満足するように制御される。レンズ１２４と前記二次元画像表示部の間の距離ｓが可変であるため、レンズ１２４自体の焦点距離が可変でなくとも、結像位置を変化させることができ、３原色ＬＥＤモジュール１２２の点順次駆動と合せて制御パネル１２１を駆動してレンズ１２４の位置を制御することで、所要の立体画像を表示することができる。また、レンズ１２４の焦点距離ｆがレンズ１２４と前記二次元画像表示部の間の距離ｓよりも小さい場合、近くの被写体の像を表現するときは、レンズ１２４に対応した画素を用いて表示画面が形成され、遠くの被写体の像を表現するときは、レンズ１２４に対応しない画素を用いて表示画面が形成される。逆に、レンズ１２４の焦点距離ｆがレンズ１２４と前記二次元画像表示部の間の距離ｓよりも大きい場合、近くの被写体の像を表現するときは、レンズ１２４に対応しない画素を用いて表示画面が形成され、遠くの被写体の像を表現するときは、レンズ１２４に対応する画素を用いて表示画面が形成される。
【００７１】
なお、図１５、図１６の波面制御型表示装置１２０では、前記二次元画像表示部の発光手段を発光ダイオードのアレイとしているが、液晶表示装置や陰極線管などの他の表示装置を使用しても良い。
【００７２】
図１７及び図１８は制御パネル上にレンズが配される波面制御型表示装置１３０の例である。図１５、図１６の波面制御型表示装置１２０と同様に、複数の発光画素を二次元状に並べて構成される二次元画像表示部は、シリコンなどの半導体、ガラス、セラミック、合成樹脂などの材料からなる基板１３６の表面上に、マトリクス状に３原色ＬＥＤモジュール１３２が形成された構成を有する。原色ＬＥＤモジュール１３２は、緑色発光ダイオード１３３Ｇと、青色発光ダイオード１３３Ｂと、赤色発光ダイオード１３３Ｒとからなる構成とされ、１つの発光画素を構成する。緑色発光ダイオード１３３Ｇと、青色発光ダイオード１３３Ｂと、赤色発光ダイオード１３３Ｒはそれぞれ直径０．３ｍｍ以内の範囲に並べられる。３原色ＬＥＤモジュール１３２は、１ｍｍピッチの間隔で配され、水平方向と垂直方向で１０２４個×１０００個のアレイを構成する。
【００７３】
このような基板１３６とマトリクス状に配列された３原色ＬＥＤモジュール１３２とからなる二次元画像表示部は、波面制御部を構成する制御パネル１３１に対向する。制御パネル１３１上には波面制御領域となる複数のレンズが配列されているが、各レンズは焦点距離の長い第１レンズ１３４と焦点距離の短い第２レンズ１３５とからなり、第１レンズ１３４は縦横方向に１つおきの画素に対応するように配列され、その第１レンズ１３４が配列されない画素の光軸に合うように第２レンズ１３５が縦横方向に１つおきの画素に対応するように配列される。
第１レンズ１３４、第２レンズ１３５は直径１ｍｍ程度であり、それぞれ対応する３原色ＬＥＤモジュール１３２の光軸に合せて配される。波面制御部を構成する制御パネル１３１は、光の光軸方向である図中ｐ方向に動作可能であり、第１レンズ１３４、第２レンズ１３５と３原色ＬＥＤモジュール１３２の間の間隔ｓはアクチュエーターなどによって可変である。
【００７４】
このような波面制御型表示装置１３０は、図１５、図１６の波面制御型表示装置１２０と同様に、レンズの焦点距離をｆ、レンズと前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、レンズの直径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、前記式３すなわちｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦  Ｄｙ（ｓ−ｆ）を満足するように制御される。レンズと前記二次元画像表示部の間の距離ｓが可変であるため、レンズ自体の焦点距離が可変でなくとも、結像位置を変化させることができ、３原色ＬＥＤモジュール１３２の点順次駆動と合せて制御パネル１３１を駆動してレンズの位置を制御することで、所要の立体画像を表示することができる。
【００７５】
また、レンズの焦点距離ｆがレンズと前記二次元画像表示部の間の距離ｓよりも小さい場合、近くの被写体の像を表現するときは、第２レンズ１３５に対応した画素を用いて表示画面が形成され、遠くの被写体の像を表現するときは、第１レンズ１３４に対応する画素を用いて表示画面が形成される。逆に、レンズの焦点距離ｆがレンズと前記二次元画像表示部の間の距離ｓよりも大きい場合、近くの被写体の像を表現するときは、第１レンズ１３４に対応する画素を用いて表示画面が形成され、遠くの被写体の像を表現するときは、第２レンズ１３５に対応する画素を用いて表示画面が形成される。
【００７６】
なお、図１７、図１８の波面制御型表示装置１３０では、前記二次元画像表示部の発光手段を発光ダイオードのアレイとしているが、液晶表示装置や陰極線管などの他の表示装置を使用しても良いことも、前述の図１５、図１６の波面制御型表示装置１２０と同様である。
【００７７】
図１９及び図２０は液晶レンズを用いた波面制御型表示装置１４０の例である。図１５、図１６の波面制御型表示装置１２０と同様に、複数の発光画素を二次元状に並べて構成される二次元画像表示部は、シリコンなどの半導体、ガラス、セラミック、合成樹脂などの材料からなる基板１４５の表面上に、マトリクス状に３原色ＬＥＤモジュール１４２が形成された構成を有する。原色ＬＥＤモジュール１４２は、緑色発光ダイオード１４３Ｇと、青色発光ダイオード１４３Ｂと、赤色発光ダイオード１４３Ｒとからなる構成とされ、１つの発光画素を構成する。緑色発光ダイオード１４３Ｇと、青色発光ダイオード１４３Ｂと、赤色発光ダイオード１４３Ｒはそれぞれ直径０．３ｍｍ以内の範囲に並べられる。３原色ＬＥＤモジュール１４２は、１ｍｍピッチの間隔で配され、水平方向と垂直方向で１０２４個×１０００個のアレイを構成する。
【００７８】
このような基板１４５とマトリクス状に配列された３原色ＬＥＤモジュール１４２とからなる二次元画像表示部は、波面制御部を構成する液晶装置部１４８に対向する。液晶装置部１４８は一対の対向する透明基板１４１、１４７に挟まれた液晶層１４６を有し、液晶層１４６に印加する電圧を調整することで、レンズとして機能する波面制御領域１４４が形成される。波面制御領域１４４は各３原色ＬＥＤモジュール１４２の光軸上を中心に形成され、３原色ＬＥＤモジュール１４２の駆動方式に合わせてレンズを駆動するように制御される。
【００７９】
このような波面制御型表示装置１４０は、図１５、図１６の波面制御型表示装置１２０と同様に、レンズの焦点距離をｆ、レンズと前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、レンズの直径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、前記式３すなわちｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦  Ｄｙ（ｓ−ｆ）を満足するように制御される。液晶レンズ構造を用いるため、結像位置を変化させることができ、所要の立体画像を表示することができる。
【００８０】
なお、図１９、図２０の波面制御型表示装置１４０では、前記二次元画像表示部の発光手段を発光ダイオードのアレイとしているが、液晶表示装置や陰極線管などの他の表示装置を使用しても良いことも、前述の図１５、図１６の波面制御型表示装置１２０と同様である。
【００８１】
図２１及び図２２は液晶レンズを用いた波面制御型表示装置１５０の例である。図１５、図１６の波面制御型表示装置１２０と同様に、複数の発光画素を二次元状に並べて構成される二次元画像表示部は、所要の材料からなる基板１５５の表面上に、マトリクス状に３原色ＬＥＤモジュール１５２が形成された構成を有する。原色ＬＥＤモジュール１５２は、緑色発光ダイオード１５３Ｇと、青色発光ダイオード１５３Ｂと、赤色発光ダイオード１５３Ｒとからなる構成とされ、１つの発光画素を構成する。緑色発光ダイオード１５３Ｇと、青色発光ダイオード１５３Ｂと、赤色発光ダイオード１５３Ｒはそれぞれ直径０．３ｍｍ以内の範囲に並べられる。３原色ＬＥＤモジュール１５２は、１ｍｍピッチの間隔で配され、水平方向と垂直方向で１０２４個×１０００個のアレイを構成する。
【００８２】
このような基板１５５とマトリクス状に配列された３原色ＬＥＤモジュール１５２とからなる二次元画像表示部は、波面制御部を構成する液晶装置部１５８に対向する。液晶装置部１５８は一対の対向する透明基板１５１、１５７に挟まれた液晶層１５６を有し、液晶層１５６に印加する電圧を調整することで、レンズとして機能する波面制御領域１５４が形成される。波面制御領域１５４は、本例においては、複数の発光画素に亘るような大きな領域とされ、３原色ＬＥＤモジュール１５２の駆動方式に合わせてレンズを駆動しなが構成するように制御される。レンズとして機能する波面制御領域１５４が大きなサイズであることから、当該表示装置を見る者の両眼視差を大きくとることが可能である。
【００８３】
このような波面制御型表示装置１５０は、図１５、図１６の波面制御型表示装置１２０と同様に、レンズの焦点距離をｆ、レンズと前記二次元画像表示部の間の距離をｓ、レンズの直径をＤ、両眼の間の距離をＥ、当該表示装置を見る者と当該表示装置の間の距離をｙとすると、前記式３すなわちｆｓ（Ｅ＋Ｄ）≦  Ｄｙ（ｓ−ｆ）を満足するように制御される。液晶レンズ構造を用いるため、結像位置を変化させることができ、所要の立体画像を表示することができる。
【００８４】
なお、図２１、図２２の波面制御型表示装置１５０では、前記二次元画像表示部の発光手段を発光ダイオードのアレイとしているが、液晶表示装置や陰極線管などの他の表示装置を使用しても良いことも、前述の図１５、図１６の波面制御型表示装置１２０と同様である。
【００８５】
次に、図２３から図３１を参照して、見る者に対しての表示画面を大きくする手段の例について説明する。
【００８６】
図２３及び図２４はドーム型の波面制御型表示装置を構成した場合の図である。当該表示装置の表示部１８２は、中空なドーム状であり、その内部に見る者１８１が入ることのできるサイズに形成される。その表示部１８２の内側のディスプレイ表面１８３には、液晶レンズで構成された波面制御部がドーム状の内壁を構成するように形成され、その背面側に同じくドーム状の二次元表示装置が形成されている。この二次元表示装置としては、発光画素が例えば半導体発光素子からなる発光ダイオードアレイ構造であっても良く、その他のディスプレイ、例えば液晶表示装置（ＬＣＤ）、有機エレクトロルミネセント（ＥＬ）表示装置、電界発光（Field  Emission）表示装置、プラズマ・ディスプレイ・パネル（ＰＤＰ）表示装置、エレクトロクロミック表示装置、蛍光表示管を用いた表示装置、陰極線管（ＣＲＴ）を用いた表示装置などの種々の表示装置などであっても良い。このような構造のドーム型の波面制御型表示装置においては、見る者１８１が中心に居て立体画像を見ることができ、効率良く両眼視差を得ることができると言う利点も得られる。また、ドーム型の変形例として、水平方向に曲率を有する円筒形や蒲鉾型などの形状であっても良い。
【００８７】
また、表示部の形状が平面であっても、図２５に示すように光軸を傾けることで光線を人が居るところに集めることができる。図２５はその平面型表示装置の模式図であり、略平面状の画面表示部１６１は複数の発光点１６２をその表面に配列させた構造を有している。これに対する波面制御部としてレンズ１６３が設けられるが、その発光点１６２とレンズ１６３の位置関係は、レンズ１６３の中心点が見る者１６４と複数の発光点１６２を結ぶ線上に位置するように制御される。略平面状の画面表示部１６１の周辺部側にあるレンズ１６３ほど発光点１６２からの位置ずれが大きくなる。周辺部に行くほどレンズの焦点距離が中央部分とは異なってくるため、それを補正するような信号処理を行っても良い。また、見る者１６４の位置を検知して、その位置に集光するような装置を構成することも可能である。
【００８８】
図２６の波面制御型表示装置は、図２５の表示装置の変形例であり、、略平面状の画面表示部１７１は複数の発光点１７２をその表面に配列させた構造を有しているが、レンズ１７３が周辺部では大きく傾けられる例である。見る者１７４は光学的な有効画角を広くとらえることができ、特に立体視を図る場合に有利である。
【００８９】
図２７乃至図３０はプロジェクション型表示装置の例である。図２７は平面鏡１９０を配した例であり、三次元画像を表示する波面制御型表示装置１９１からの光線は平面鏡１９０の表面で反射して見る者１９２の目に至る。平面鏡１９０で三次元画像の光線を反射した場合であっても、奥行き感は失われることなく見る者１９２に届くことになる。
【００９０】
図２８のプロジェクション型表示装置の例は、凹面鏡２００を用いた例である。三次元画像を表示する波面制御型表示装置２０１からの光線は凹面鏡２００の表面で反射して見る者２０２の目に至る。凹面鏡２００の場合には、光を集光させることが可能である。
【００９１】
図２９、図３０はプロジェクション型表示装置の他の例である。鏡２１０は小さなマトリクス状に配列される微小ミラー２１１によって構成される。平面板２１２の手前に配置された複数の微小ミラー２１１は図示しないアクチュエーターによって向きを変えることができ、三次元画像を表示する波面制御型表示装置２１３からの光線を任意の位置に集光させることが可能である。この場合、見る者２１４の位置も微小ミラー２１１の集光位置に対応して自由に選択でき、また、各微小ミラー２１１を連続的に作動させることにより、多数の人が同時に見ることも可能となる。
【００９２】
図３１はパーソナルドーム型の波面制御型表示装置の例である。見る者２２１の頭を覆う形状の表示装置２２０を構成し、見る者２２１は当該表示装置２２０の下部側の端部２２２より頭部を表示装置２２０の内部に挿入して、三次元画像を見ることができる。このような構造の波面制御型表示装置においては、例えば２０インチ以下の小さい平面型ディスプレイを５０センチメートル以内の至近距離で見ることで、実質的に５０インチ以上のディスプレイを数メートル離れて見るのと同じ体験が得られることになる。当該波面制御型表示装置においては、製造コストを抑えることができ、視野角が広がり大画面と同様な臨場感を与えることができる。なお、パーソナルドーム型は、半球状や釣鐘状の形状に限定されず、円筒状や曲面状であっても良い。
【００９３】
【発明の効果】
本発明の波面制御型表示装置によれば、レンズなどの波面制御領域は複数個の発光画素の発光領域に対応することから、広い領域に亘って制御することになり、このような広い領域について波面制御することによって両眼視差が得られ易くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の波面制御型表示装置の一例を示すブロック図である。
【図２】両眼視差を説明するための模式図である。
【図３】レンズの直径と最大飛び出し距離の関係を示す図である。
【図４】本発明の波面制御型表示装置の一例における発光点が移動する点順次駆動方式を説明するための模式図である。
【図５】前記点順次駆動方式での走査方法を示す模式図である。
【図６】本発明にかかる波面制御型表示装置の擬似的な線順次駆動方式を説明するための模式図である。
【図７】本発明にかかる波面制御型表示装置の線順次駆動方式を説明するための模式図である。
【図８】本発明にかかる波面制御型表示装置の微小区画内の点順次駆動方式を説明するための模式図である。
【図９】本発明にかかる波面制御型表示装置の液晶レンズ構造を示す図であり、（ａ）は波面制御部の断面図であり、（ｂ）は波面制御部の平面図である。
【図１０】本発明にかかる波面制御型表示装置の液晶レンズ構造を示す断面図である。
【図１１】本発明にかかる波面制御型表示装置の多層構造の波面制御部を示す断面図である。
【図１２】本発明にかかる波面制御型表示装置の液晶レンズ構造であって、（ａ）は電極構造及び屈折率分布を示す平面図であり、（ｂ）は屈折率分布を示す断面図である。
【図１３】本発明にかかる波面制御型表示装置の凹面鏡を用いた構造を示す模式図である。
【図１４】本発明にかかる撮像再生方法を説明する図であって、（ａ）は撮像時のレイアウトであり、（ｂ）は再生時のレイアウトである。
【図１５】本発明にかかる波面制御型表示装置の一例の概略的な平面図である。
【図１６】図１５に示した波面制御型表示装置の例の概略的な断面図である。
【図１７】本発明にかかる波面制御型表示装置の他の一例の概略的な平面図である。
【図１８】図１７に示した波面制御型表示装置の例の概略的な断面図である。
【図１９】本発明にかかる波面制御型表示装置のさらに他の一例の概略的な平面図である。
【図２０】図１９に示した波面制御型表示装置の一例の概略的な断面図である。
【図２１】本発明にかかる波面制御型表示装置のまた更に他の一例の概略的な平面図である。
【図２２】図２１に示した波面制御型表示装置の例の概略的な断面図である。
【図２３】本発明にかかるドーム型波面制御型表示装置の例を示す斜視図である。
【図２４】本発明にかかるドーム型波面制御型表示装置の他の例を示す断面図である。
【図２５】本発明にかかる平面型波面制御型表示装置の例を示す模式図である。
【図２６】本発明にかかる平面型波面制御型表示装置の他の例を示す模式図である。
【図２７】本発明にかかるプロジェクション型波面制御型表示装置の例を示す断面図である。
【図２８】本発明にかかるプロジェクション型波面制御型表示装置の他の例を示す断面図である。
【図２９】本発明にかかるプロジェクション型波面制御型表示装置のさらに他の例の鏡部分を示す斜視図である。
【図３０】図２９のプロジェクション型波面制御型表示装置の例を示す断面図である。
【図３１】本発明にかかるパーソナルドーム型波面制御型表示装置の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１１  二次元画像表示部
１２  波面制御部
１３  二次元画像表示部駆動回路
１４  波面制御部駆動回路
１５  波面制御領域
１６  微小セル
２０  発光ダイオード
２１  レンズ
２４  発光点
３１  発光点
３２  波面制御領域
３３  非発光点
４１  発光点
４２  波面制御領域
４３  非発光点
５１  発光点
５２  波面制御領域
５３  非発光点
６１  波面制御部
６２  微小セル
６３  透明電極
６４  透明電極
６５  液晶層
７１  波面制御部
８１  下側基体
８２  上側基体
８３  下側透明電極
８４  上側透明電極
８５  液晶層
８６  中間層
９１  下側透明電極
９２  上側透明電極
９６  波面制御領域
１０１  発光点
１０２  凹面鏡
１０３  圧電素子
１２０  波面制御型表示装置
１２１  制御パネル
１２２  三原色ＬＥＤモジュール
１２４  レンズ
１２５  基板
１３０  波面制御型表示装置
１３２  三原色ＬＥＤモジュール
１３４  第１レンズ
１３５  第２レンズ
１３６  基板
１４０  波面制御型表示装置
１４２  三原色ＬＥＤモジュール
１４４  波面制御領域
１５０  波面制御型表示装置
１５２  三原色ＬＥＤモジュール
１５４  波面制御領域
１６１  画面表示部
１７１  画面表示部
１８２  表示部
１９０  平面鏡
１９１  波面制御型表示装置
２００  凹面鏡
２０１  波面制御型表示装置
２１０  鏡
２１３  波面制御型表示装置
２２０  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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【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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