JP2009047952A - 画像投影用スクリーン及び三次元画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】臨場感あふれる高精度な三次元体画像を、空中に浮遊しているかのような感覚を損なわないで表示できる画像投影用スクリーンを得ることを目的とする。
【解決手段】かまぼこ状円筒レンズの複数を並置したレンチキュラーレンズアレイ１０、レンチキュラーレンズアレイ１０の平面側に接着され可視域において透明で剛直性を有する平面基板１１、可視域において透明な所定厚さの層の複数を互いの屈折率を異ならせて積層した構造で可視光を散乱する光散乱層１３、レンチキュラーレンズアレイ１０のレンズ面側と光散乱層との間に、レンチキュラーレンズアレイ１０の焦点距離と等しい長さの間隔を維持すべく配置され、レンチキュラーレンズアレイ１０のレンズ面の谷部分に対応する領域１２ｂでの屈折率がレンズ面の凸部分に対応する領域１２ａでの屈折率よりも低屈折率となるように形成されている透明なスペーサ基板１２を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像の三次元表示を行う投影型の三次元画像表示装置で用いる画像投影用スクリーンに関するものである。

三次元画像情報を表示する方式としては、古くから、両眼視差を含んだステレオ画像の右側画像を右眼で見て、左側画像を左眼で見る裸眼立体視平行法や、液晶シャッタ付きのメガネを用いて、或いは右眼と左眼それぞれで違うレンズを用いて見るステレオスコープ方式、更には赤青メガネを用いて赤と青の色違いの両眼視差絵を見るアナグリフ方式などが知られている。しかし、これらの方式で三次元画像を見る場合は、特殊な訓練や特殊なメガネが必要である。

近年、液晶技術の発展により、メガネ無しで三次元表示が可能な液晶表示装置が次々と発表されている。そのほとんどは、イメージスプリッター方式のメガネ無し三次元液晶表示装置である。具体的には、このメガネ無し三次元液晶表示装置は、液晶表示パネルへの画像光路を、パララックスバリアやレンチキュラーレンズを用いて液晶パネルの水平方向に隣り合う画素を観察者の左右の眼に周期的に振り分けることで、立体感を生じさせるようにした三次元画像表示装置である。

このように、このメガネ無し三次元液晶表示装置は、水平視差のみを有する三次元画像表示装置であり、観察者の右眼位置および左眼位置に供給される画像が、パララックスバリアやレンチキュラーレンズによって水平方向の視差を含んでいるので、観察者の右眼位置及び左眼位置が水平向からずれると立体感が破綻してしまうという問題を原理的に内包している。

そのため、液晶表示パネルとパララックスバリアやレンチキュラーレンズとを組み合わせた三次元画像表示装置では、長時間、三次元動画像の立体感を保ったまま立体視を行おうとすると、空間の定位置に、右眼位置および左眼位置を固定する必要がある。

右眼位置および左眼位置の水平方向からのズレに対しては、観察者の眼の位置や顔の位置をセンサーによって特定し、その位置のズレに合わせて、画像光路を制御修正する方法も考案されている。しかし、この方法では装置が大掛かりとなり、眼の位置や顔の位置をセンシングするために、マーカーを観察者に付けなければならないという煩わしさが生じる。

観察者の眼の位置を問題にしないで画像の三次元表示を可能にする方法として、Ｍ．Ｇ．Ｌｉｐｐｍａｎｎによって１９０８年に提案されたインテグラルフォトグラフィ（Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ）方式を発展させ、フィルムの代わりに、液晶表示パネルなどの二次元表示パネルを用い、それと、ピンホールやフライアイレンズアレイ（ハエの目レンズアレイ）とを組み合わせた三次元の表示方式が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

ところで、インテグラルフォトグラフィ方式によって滑らかな三次元画像を表示するには、１つのピンホール又は１つの凸レンズの中に異なる視差画像を配置する必要がある。例えば、水平方向および垂直方向でそれぞれ１０視差の画像を表現するには、１０×１０で１００画像が必要となる。したがって、二次元表示パネルの解像度は、三次元表示をする場合、１００分の１の解像度に低下してしまうという問題がある。

このような解像度の低下を防ぐために視差画像の数を少なくする方法はあるが、視差画像の数が少なくなればなるほど、滑らかな視差の移動が無くなり、立体感が低下する。そのため、立体感と解像度とを保持して、良好な三次元画像を得るためには、高解像度の二次元表示パネルを必要とする。

最近では、液晶表示パネルやプラズマディスプレイパネルの開発が進み、大型で高解像度の二次元表示パネルが開発されているが、そのような高解像度の二次元表示パネルを用いても、以下に示すように、インテグラルフォトグラフィ方式の高画質三次元画像表示を実現することは非常に困難である。

ここで、三次元画像の表示を、縦１５８．４ｍｍ、横２１１．２ｍｍである１０．４インチの液晶表示パネルで実現する場合を例に挙げて説明する。例えば、分解能１ｍｍつまり直径１ｍｍのピンホール又は凸レンズのアレイを用いて、縦１０視差、横１０視差の三次元画像を実現しようとすると、１０．４インチの液晶表示パネルの画素は、縦１５８４画素、横２１１画素が必要となり、このときの液晶表示パネルの画素ピッチは、２５４ｄｐｉ（ドット／インチ）となる。しかし、実用化されている液晶表示パネルの最高解像度が２００ｄｐｉ程度であることを考慮すると、液晶表示パネルやプラズマディスプレイパネルでインテグラルフォトグラフィ方式の高画質三次元画像表示を実現することは非常に困難であると言える。

また、液晶表示パネルやプラズマディスプレイパネルをインテグラルフォトグラフィ方式の高画質三次元画像表示に使用するためには、使用する凸レンズアレイやピンホールアレイの各凸レンズ又は各ピンホールを、直接これらの二次元表示パネルの画素に対応させる配置調整をしなければならいが、実際上、困難である（例えば、特許文献３参照）。すなわち、（特許文献３）では、投影型の三次元画像表示装置として、マルチプロジェクションタイプの立体映像表示装置が開示されているが、投影画像と凸レンズアレイ又はピンホールアレイのミスマッチングにより、十分な立体映像を得るに至っていない。

そこで、本出願人は、二次元表示パネルを使用せずに、投影画像を投射するスクリーンを使用した三次元画像表示装置を先に提案した（特許文献４）。この（特許文献４）に開示されるように、先に提案した投影型の三次元画像表示装置で用いる画像投射スクリーンは、エンボス型拡散板、ホログラム拡散板、ホログラムスクリーンを用いることができる。そして、三次元画像の表示を行うために、視点の画像情報を含む要素画像が発せられるように制御結像させる手段として、ピンホールアレイや、凸レンズアレイ（レンチキュラーレンズアレイ、フライアイレンズアレイ）を用いて、これらのスクリーンに投影する視点の画像情報を含む要素画像の分解能を、自然な三次元立体画像を得るために必要な２００ｄｐｉ以上とすることができるようにしている。
特開２００１−２７５１３４号公報 特許第３３５７９４４号公報 特開２００３−２７９８９４号公報 特開２００６−１３３４５５号公報

しかしながら、先に提案した画像投影用スクリーンでは、その後の検討結果、次のような問題点が見つかった。

まず、凸レンズアレイ（レンチキュラーレンズアレイ、フライアイレンズアレイ）を、ＰＭＭＡやポリカーボネート等の樹脂材料で作成する場合に、その形状ゆえに、凸レンズアレイ全体が反ってしまうことがあった。凸レンズアレイ全体が反ってしまい、その寸法安定性が確保できなければ、二次元投影画像を３次元画像に変換するための高精度な位置合わせが不可能となり、高精度な三次元立体画像を再現することが不可能となる。

その解決策として、投影した画像の結像面を拡散スクリーンとして、その位置で焦点距離を合わせた凸レンズアレイの形状が保持できるように、凸レンズアレイと拡散スクリーンとを重ね、その両側から十分な厚みを有するガラス板や、ＰＭＭＡやポリカーボネート等の透明樹脂板とフレームとで挟み付ける構造を採用したが、その結果、投影面周囲が鉄格子のようなフレームで覆われることになるので、三次元立体画像が空中に浮遊しているかのように見える、という感覚が著しく損なわれる表示となっていた。

また、凸レンズアレイにレンチキュラーレンズアレイを用いた場合、当該レンチキュラーレンズアレイから投影された画像に、レンチキュラーレンズ（凸レンズ）間の谷部分に沿ってホットバンドと呼ばれる輝線が生じてしまい、投影画像の質感を損なうので、レンズ焦点面に拡散スクリーン等を設置する必要があった。そのため、投影スクリーン全体の透明感が損なわれることになり、背景部が見えないという問題が生じた。

さらに、レンチキュラーレンズアレイを用いたインテグラルフォトグラフィ方式で画像を投影する場合に、レンチキュラーレンズアレイの各凸レンズにおいて、自凸レンズに対応する画像だけでなく、隣接する凸レンズに対応する画像も見えてしまう、いわゆるクロストークが発生するので、急激に画像がシフトしてしまい、三次元立体画像の臨場感が著しく損なわれるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、レンチキュラーレンズアレイを用いたインテグラルフォトグラフィ方式で画像を投影する場合に、ホットバンドおよびクロストークの発生を防止して、臨場感あふれる高精度な三次元体画像を、空中に浮遊しているかのような感覚を損なわないで表示できる画像投影用スクリーン及び三次元画像表示装置を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明にかかる画像投影用スクリーン及び三次元画像表示装置は、かまぼこ状円筒レンズの複数を並置したレンチキュラーレンズアレイと、前記レンチキュラーレンズアレイの平面側に接着され可視域において透明で剛直性を有する平面基板と、可視域において透明な所定厚さの層の複数を互いの屈折率を異ならせて積層した構造で可視光を散乱する光散乱層と、前記レンチキュラーレンズアレイのレンズ面側と前記光散乱層との間に、前記レンチキュラーレンズアレイの焦点距離と等しい長さの間隔を維持すべく配置される透明なスペーサ基板であって、前記レンチキュラーレンズアレイのレンズ面の谷部分に対応する第１の領域での屈折率が前記レンズ面の凸部分に対応する第２の領域での屈折率よりも低屈折率となるように形成されている透明なスペーサ基板とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、レンチキュラーレンズアレイは、剛直性を有する平面基板によって変形することなく平面配置状態を安定的に保持されているので、二次元投影画像を３次元画像に変換するための高精度な位置合わせが可能となり、高精度な三次元立体画像を再現することが可能となる。この場合に、光散乱層によって画像の質感を損なうホットバンドの発生が防止され、同時に、スペーサ基板に形成した第１の領域と第２の領域の屈折率差によって、インテグラルフォトグラフィ方式のクロストークの発生が防止される。したがって、臨場感あふれる高精度な三次元体画像を、空中に浮遊しているかのような感覚を損なわないで表示できるという効果を奏する。

以下に図面を参照して、本発明にかかる画像投影用スクリーン及び三次元画像表示装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による画像投影用スクリーンを表示部に備える投影型の三次元画像表示装置の要部である光学系の系統構成を示す図である。

図１に示す投影型の三次元画像表示装置は、光学系として、光源１と、偏光ビームスプリッタ２と、投影デバイス３と、投影レンズ４と、本実施の形態１による画像投影用スクリーン５とを備えている。

光源１が偏光ビームスプリッタ２に向けて出射する光６は、Ｐ波成分とＳ波成分との合成光である。この光源１としては、各色の色光を発光する発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）や、ハロゲンランプや有機エレクトロルミネセンス（ＥＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）などを用いることができる。特に、白色ＬＥＤは、ハロゲンランプの代替として最適である。

偏光ビームスプリッタ２は、光源１や投影デバイス３から入射する光のうち、Ｐ波成分を透過し、Ｓ波成分を反射する公知の光学部品である。図１に示す構成では、偏光ビームスプリッタ２は、光源１から入射する光のうち、Ｓ波成分を投影デバイス３に向けて反射する。この場合に透過するＰ波成分は不要光である。また、偏光ビームスプリッタ２は、投影デバイス３から入射する光のうち、Ｐ波成分を投影レンズ４に向けて透過し、Ｓ波成分を光源１に向けて反射するようになっている。

投影デバイス３は、図示しない制御装置の制御下に、その制御装置から与えられる投影画像情報７の投影形態を制御して、偏光ビームスプリッタ２を介して画像投影用スクリーン５に向けて出射する投影部である。この投影デバイス３としては、例えば、日本ビクター株式会社製のＤ−ＩＬＡ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｒｉｖｅ Ｉｍａｇｅ Ｌｉｇｈｔ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）や、日立製作所製のＬＳＭ１８ＨＤＡ０１Ｂ１パネルなどが使用できる。

なお、図示を省略した制御装置は、投影デバイス３の投影動作を管理する管理部、被写体像を撮影するカメラを備えた画像入力部、画像入力部から受け取ったカメラ撮影像を三次元画像情報に変換する演算部、その変換した三次元画像情報を投影画像情報７として投影デバイス３に出力する投影画像出力部などを備えている。

図２は、図１に示す画像投影用スクリーンの構成を説明する図である。図１および図２において、画像投影用スクリーン５は、レンチキュラーレンズアレイ１０と、平板基板１１と、スペーサ基板１２と、光散乱層１３とで構成されている。

レンチキュラーレンズアレイ１０は、かまぼこ状円筒レンズであるレンチキュラーレンズの多数個をシート基板上に並置した構成であり、背面側の平坦面が焦点面である。このレンチキュラーレンズアレイ１０は、ＰＭＭＡやポリカーボネート等の樹脂材料を用いてシート状基板上に作成することができる。このレンチキュラーレンズアレイ１０の平面側に、平板基板１１が接着され、レンズ曲面側に、スペーサ基板１２を介して光散乱層１３が配置されている。

平板基板１１は、可視域において透明で、かつ曲げ弾性率が２Ｇｐａ以上の剛直性を有する所定厚さの平板な基板である。この平板基板１１は、一般的に用いられる光学的に透明な樹脂材料、例えば、ポリメチルメタクリレートや、ポリカーボネート、ポリオレフィン、透明ＡＢＳなどを用いて作成することができる。また、この平板基板１１は、ガラスを用いて作成することができる。平板基板１１の屈折率は、レンチキュラーレンズアレイ１０の屈折率よりも低くなっている。

ポリメチルメタクリレートや、ポリカーボネート、ポリオレフィン、透明ＡＢＳなどの樹脂材料による成形体の曲げ弾性率は、概ね２Ｇｐａ以上である。したがって、これらの材料で作成された平板基板１１に、レンチキュラーレンズアレイ１０の平面側を貼り付ければ、レンチキュラーレンズアレイ１０が撓むことがないので、レンチキュラーレンズアレイ１０の配置面形状を変形の無い状態で平板基板１１上に保持することができる。

また、ガラス材料は、一般的に７０Ｇｐａ以上の曲げ弾性率を有しているので、光学的に透明で、かつ剛直性を提供することを目的とする平板基板１１の材料として最も相応しいと言える。

スペーサ基板１２は、レンチキュラーレンズアレイ１０の焦点距離と等しい長さの厚みを有し可視域において透明な基板であり、一方の板面がレンチキュラーレンズアレイ１０のレンズ面側に接着され、他方の板面が光散乱層１３に接着されている。接着する手段としては、エポキシ系、アクリル系、シリコーン系等に代表される光学的に透明な接着剤を用いるもよく、また光学的に透明な両面テープのような接着媒体を用いてもよい。

スペーサ基板１２は、図２に詳示するように、レンチキュラーレンズアレイ１０のレンズ面の凸部分に対応する領域１２ａと谷部分に対応する領域１２ｂとで構成されている。そして、凸部分に対応する領域１２ａの屈折率は、谷部分に対応する領域１２ｂよりも大きいが、レンチキュラーレンズアレイ１０の屈折率よりも低くなっている。

具体的には、凸部分に対応する領域１２ａでは、ほぼ一様の屈折率であるが、谷部分に対応する領域１２ｂでは、屈折率が凸部分に対応する領域１２ａよりも低い低屈折率層１２ｃで形成されている。低屈折率層１２ｃは、図２では、その層面をスペーサ基板１２の板面に平行にしてスペーサ基板１２の厚み方向に積層した構造を示してあるが、その層面をレンチキュラーレンズの長手方向に垂直にして谷部分の全長に渡って並べる構造でもよい。

スペーサ基板１２をこのような構造にしたのは、隣接凸レンズへの入射を防いでクロストーク発生の防止を図るためである。凸部分に対応する領域１２ａと、谷部分に対応する領域１２ｂとの屈折率の関係が上記の通りであれば、凸部分に対応する領域１２ａと谷部分に対応する領域１２ｂとの屈折率差が大きいほど、凸部分に対応する領域１２ａから谷部分に対応する領域１２ｂとの接合面に対してより小さい角度で入射する光線に対しても全反射を起こし易くなるので、クロストークを防ぐことが容易になる。

このスペーサ基板１２は、ガラス材料、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート、エポキシ樹脂等の可視光において透明な特性を持つ材料を組み合わせることで作成することができる。そして、谷部分に対応する領域１２ｂに積層形成する低屈折率層１２ｃの屈折率を低下させる方法としては、（１）フッ素原子を含むガラス材料を用いる方法、（２）エポキシ系、アクリル系、シリコーン系等に代表される様な光学的に透明な樹脂材料の分子構造中に、分子屈折の小さな原子団を導入した材料を用いる方法、（３）前記の光学的に透明な樹脂材料に、フッ素樹脂やシリコーン樹脂等のナノメートルオーダーの微粒子を分散することで形成した低い屈折率を持つ材料を用いる方法、などを挙げることができる。

光散乱層１３は、可視域において透明な所定厚さ（０．１μｍ〜１００μｍ）の層の複数を互いの屈折率を異ならせて、その層面をレンチキュラーレンズアレイ１０の配置面に平行にして積層した構造、または、その層面をレンチキュラーレンズの長手方向に垂直にしてその長手方向全長に渡って並べた構造である。光散乱層１３の屈折率は、レンチキュラーレンズアレイ１０の屈折率よりも低くなっている。この構造によれば、各層でのミクロな屈折現象の集合として、マクロ的には、入射された光線を散乱ないしは透過する機能が実現できる。

すなわち、この光散乱層１３は、特定の方向からの光線のみを散乱し、それ以外の方向からの光線に対しては殆ど透明となる光学異方性を有するので、レンチキュラーレンズアレイ１０を用いる場合に生ずるホットバンドを打ち消すことができる。

そして、特定の波長や特定の方向からの光線に対して選択的に透過ないしは散乱する機能を、隣接層間の屈折率差、各層の厚さ、積層数のバリエーションによって所望の状態に設定することができる。

なお、この光散乱層１３は、ガラス材料、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート、エポキシ樹脂などの可視光に対して透明な特性を有する材料を組み合わせて作成することができる。

以下、動作について説明する。まず、図３を参照して、図１に示した投影型の三次元画像表示装置の画像表示動作について説明する。なお、図３は、インテグラルフォトグラフィ方式の原理を説明する図である。

図３において、Ｍ．Ｇ．Ｌｉｐｐｍａｎｎによって１９０８年に提案されたインテグラルフォトグラフィ方式では、フライアイレンズアレイ２２を用いる。フライアイレンズアレイ２２は、ハエの複眼のように、多数の小さな１つの凸レンズ２３をシート基板上に配置したものである。

このフライアイレンズアレイ２２の平面側に形成される焦点位置に図示しないフィルムを配置し、フライアイレンズアレイ２２のレンズ面側から被写体光を露光することで、そのフィルムに１つの凸レンズ２３毎の小さな被写体像（図示例では再生画素画像２０）を記録する。

そして、現像したフィルムを、再び、フライアイレンズアレイ２２の焦点位置に配置して背面から光を照射し、フライアイレンズアレイ２２を通して観察することで、フィルムに記録した１つの凸レンズ２３毎の小さな被写体像から立体画像（図示例では三次元再生画像２７）を再生するという方式である。

つまり、図３に示すように、フライアイレンズアレイ２２のレンズ面側に表示素子２１を配置し、この表示素子２１に、１つの凸レンズ２３毎に対応させた再生要素画像２０を表示させ、それをフライアイレンズアレイ２２の平面側から観察する。そうすると、表示素子２１に表示させた再生要素画像２０の光路は、各１つの凸レンズ２３を介して元の画像表面の画素位置に対応する結像点２４に集合し、そこから光線２５のように発散する経路を取り、観察者の瞳２６に入射するので、立体感の有る三次元再生画像２７が再生される。

この場合、結像点２４は、空間に浮かんだ状態で存在するので、観察者は、見る角度を変えても、眼の位置を変えても、立体感の有る三次元再生画像２７を安定して見ることができる。

以上が（特許文献１，２）に開示されるインテグラルフォトグラフィ方式を発展させた内容であるが、この構成では、前記したように、最高解像度を２００ｄｐｉ以上にすることができないので、高画質の三次元画像表示を実現するのが困難であり、また表示素子２１に表示させる再生要素画像２０を１つの凸レンズ２３毎に正確に対応させることが困難である。

そこで、図１に示した投影型の三次元画像表示装置では、表示素子２１に表示させる１つの凸レンズ２３毎に対応させた再生要素画像２０を、投影デバイス３から画像投影用スクリーン５に投射するように構成し、画像投影用スクリーン５の上記した構成によって、投影デバイス３が投影する三次元立体画像を、立体感の有る三次元再生画像２７と同様の臨場感あふれる高精度な三次元映像８として、空中に浮遊しているかのような感覚を損なわないで表示できるようにしてある。

さて、図１において、光源１の射出光６は、偏光ビームスプリッタ２に入射すると、そのＳ波成分が界面２ａで反射して、投影デバイス３に入射する。投影デバイス３に入射したＳ波成分は、投影デバイス３の内部で、図示しない制御装置から与えられる投影画像情報７に従って変調され、投影デバイス３から偏光ビームスプリッタ２に向けて射出される。

この場合、投影デバイス３において変調を受けて投影画像情報７が付加されたＳ波成分は、変調の度合いに応じてＰ波成分を含んだ光に変換されるが、投影デバイス３において変調を受けないＳ波成分は、そのＳ波成分のままである。

その結果、投影デバイス３から偏光ビームスプリッタ２に向けて射出される光線のうち、投影画像情報７が付加されたＰ波成分は、偏光ビームスプリッタ２の界面２ａを透過し、投射レンズ４にて画像投影用スクリーン５の光散乱層１３に投影画像として結像される。レンチキュラーレンズアレイ１０の焦点距離と同じ長さ位置に在る光散乱層１３に結像された投影画像は、インテグラルフォトグラフィ方式のレイトレイス画像となっているので、レンチキュラーレンズアレイ１０、平面基板１１を通して空間に三次元映像８を結像することができる。

一方、投影デバイス３から偏光ビームスプリッタ２に向けて射出される光線のうち投影画像情報７が付加されず、偏光ビームスプリッタ２から入射したＳ偏光成分のままである光線は、偏光ビームスプリッタ２の界面２ａで反射して光源１に戻る経路を取るので、三次元映像８においては、対応する画像部分が「黒」の状態で表示される。

ここで、画像投影用スクリーン５のレンチキュラーレンズアレイ１０における各１つの凸レンズ２３は、直径が１．５ｍｍのものを使用したところ、画像投影用スクリーン５に投射され、結像された三次元映像８の解像度は２００ｄｐｉであった。これを、図３を参照して言えば、１つの凸レンズ２３に対応する再生要素画像２０は、１０×１０ピクセルの画像で構成されたことを示す。このように、水平方向および垂直方向の視差数がそれぞれ１０視野の滑らかな三次元立体画像を再生することができる。

そして、結像された投影画像の解像度が２００ｄｐｉ以下になると、前記したように自然な立体再生画像を得ることが難しくなる。しかし、画像投影用スクリーン５で用いるレンチキュラーレンズアレイ１０における各１つの凸レンズ２３は、直径が１．５ｍｍ以下のものを作成することができるので、投影デバイス３や図示しない制御装置でのデータ処理時間とのトレードオフになるが、レンチキュラーレンズアレイ１０における各１つの凸レンズ２３は、直径が１．５ｍｍ以下のものを使用し、２００〜７００ｄｐｉの解像度の再生要素画像２０を再生するようにすれば、できるだけ自然な三次元立体画像を得ることが可能になる。

次に、図４を参照して、画像投影用スクリーン５のレンチキュラーレンズアレイ１０を用いた場合に問題になるホットバンドおよびクロストークの防止動作について説明する。なお、図４は、図１に示す画像投影用スクリーンの動作を説明する図である。

図４において、光散乱層１３に対して鉛直線上付近に沿って投射される光線３０，３１は、光散乱層１３において散乱されてスペーサ基板１２内に入射する。図４では、スペーサ基板１２内に入射する散乱光として、左側に傾いた角度で入射する散乱光ａと、鉛直線上付近に沿って入射する散乱光ｂと、右側に傾いた角度で入射する散乱光ｃとが示されている。

光線３０のように、光線がレンチキュラーレンズアレイ１０のレンズ面の１つの凸部分に対応する領域１２ａの中央付近に入射する場合は、光散乱層１３において散乱されてスペーサ基板１２内に入射する散乱光ａ，ｂ，ｃのいずれも谷部分に対応する領域１２ｂに入射せず、光線３０が入射した凸部分に対応する領域１２ａに対応する１つの凸レンズ２３に入射し、その対応する１つの凸レンズ２３から光線３０ａ，３０ｂ，３０ｃとして射出される。

つまり、或る凸部分に対応する領域１２ａへの入射光線が、光散乱層１３による散乱光ａ，ｂ，ｃの全てが谷部分に対応する領域１２ｂに入射しない状況を作る入射光線３０の場合は、或る凸部分に対応する領域１２ａに入射した光線が、その凸部分に対応する領域１２ａに対応する１つの凸レンズ２３に隣接する凸レンズから射出されるクロストークの問題は生じない。

一方、光線３１のように、光線がレンチキュラーレンズアレイ１０のレンズ面の１つの凸部分に対応する領域１２ａの中央付近から外れて谷部分に対応する領域１２ｂの近くに入射する場合は、図示例で言えば、光散乱層１３において散乱されてスペーサ基板１２内に入射する散乱光ａ，ｂ，ｃのうち、散乱光ａ，ｂは対応する１つの凸レンズ２３に入射し、その対応する１つの凸レンズ２３から光線３１ａ，３１ｂとして射出されるが、散乱光ｃは、谷部分に対応する領域１２ｂに入射する。

この場合、低屈折率層１２ｃを設けずに、谷部分に対応する領域１２ｂの屈折率が凸部分に対応する領域１２ａ側と同じであると、谷部分に対応する領域１２ｂに入射する散乱光ｃは、隣りの凸レンズから光線３１ｃ’として射出されるので、クロストークの原因となるが、低屈折率層１２ｃを設けてあるので、谷部分に対応する領域１２ｂに入射する散乱光ｃは、谷部分に対応する領域１２ｂへの入射角と、低屈折率層１２ｃと凸部分に対応する領域１２ａとの屈折率差とに応じて全反射を起こし、谷部分に対応する領域１２ｂに入射する散乱光ｃの光路が、光線３１が入射した凸部分に対応する領域１２ａ側に引き戻される。これによって、散乱光ｃは、隣りの凸レンズから光線３１ｃ’として射出されず、光線３１ａ，３１ｂを射出した対応する１つの凸レンズ２３から光線３１ｃとして射出される。

このように、或る凸部分に対応する領域１２ａへの入射光線が、光散乱層１３による散乱光ａ，ｂ，ｃの一部が谷部分に対応する領域１２ｂに入射する状況を作る入射光線３１の場合は、或る凸部分に対応する領域１２ａに入射した光線が、その凸部分に対応する領域１２ａに対応する１つの凸レンズ２３に隣接する凸レンズから射出されるクロストークの発生が防止される。

以上のように、本実施の形態１によれば、透明な画像投影用スクリーン５では、レンチキュラーレンズアレイ１０の焦点位置に光散乱層１３を配置し、特定の波長光、特定の方向から光線を選択的に透過、散乱するようにしたので、レンチキュラーレンズアレイ１０を用いた場合に画像の質感を損なわせるホットバンドの発生を防止することができる。

また、透明な画像投影用スクリーン５では、レンチキュラーレンズアレイ１０と光散乱層１３との配置間隔をレンチキュラーレンズアレイ１０の焦点距離と同じ長さに維持すべく配置するスペーサ基板１２を、レンチキュラーレンズアレイ１０の凸部分に対応する領域１２ａと、谷部分に対応する領域１２ｂとで、屈折率が、「凸部分に対応する領域１２ａ」＞「谷部分に対応する領域１２ｂ」の関係となる構造に形成してあるので、レンチキュラーレンズアレイ１０を使用した場合に、或る凸レンズにおいて、自凸レンズに対応する画像だけでなく、隣りの凸レンズに対応する画像も見えてしまい、三次元立体画像の臨場感を著しく損なうクロストークの発生を防止することができる。

そして、レンチキュラーレンズアレイ１０は、透明で剛直性を有する平面基板１１に接着固定してあるので、レンチキュラーレンズアレイ１０は撓むことなく、安定的に平面上に配置される。したがって、二次元画像を三次元画像に変換するための高精度な位置合わせが可能になり、高精度な三次元の再現が行えるようになる。

したがって、本実施の形態１による画像投影用スクリーン５を表示部に備える図１に示す投影型の三次元画像表示装置では、投影デバイス３が投影する三次元立体画像を、臨場感あふれる高精度な三次元映像８として、空中に浮遊しているかのような感覚を損なわないで表示できるようになる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２による画像投影用スクリーンの構成を説明する図である。なお、図５では、図１、図２（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、本実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

図５に示すように、本実施の形態２による画像投影用スクリーン３５は、図１、図２（実施の形態１）に示した構成において、スペーサ基板１２に代えてスペーサ基板３６が設けられている。

スペーサ基板３６は、スペーサ基板１２と同様に、可視域において透明で、レンチキュラーレンズアレイ１０と光散乱層１３との配置間隔をレンチキュラーレンズアレイ１０の焦点距離と同じ長さに維持すべく配置してあるが、屈折率の態様がスペーサ基板１２とは異なっている。すなわち、本実施の形態２によるスペーサ基板３６の屈折率は、全体がほぼ一様にレンチキュラーレンズアレイ１０の屈折率よりも低い所定の屈折率になっている。

そして、本実施の形態２による画像投影用スクリーン３５は、平板基板１１の外面（光線出射側）および光散乱層１３の外面（光線入射側）に、円偏光フィルタ３７ａ，３７ｂがそれぞれ設けられている。

平板基板１１の外面（光線出射側）に配置される円偏光フィルタ３７ａは、右旋回コレステリック液晶材料３８ａと左旋回コレステリック液晶材料３９ａとが、レンチキュラーレンズアレイ１０のレンズピッチと１対１に対応する形態で、交互に配置される構成である。

また、光散乱層１３の外面（光線入射側）に配置される円偏光フィルタ３７ｂは、右旋回コレステリック液晶材料３８ｂと左旋回コレステリック液晶材料３９ｂとが、右旋回コレステリック液晶材料３８ａと左旋回コレステリック液晶材料３９ａと１対１の関係で、レンチキュラーレンズアレイ１０のレンズピッチと１対１に対応する形態で、かつ、円偏光フィルタ３７ａと１対１に対応する形態で、交互に配置される構成である。

右旋回コレステリック液晶材料３８ａ，３８ｂおよび左旋回コレステリック液晶材料３９ａ，３９ｂの長さは、それぞれ、レンズピッチの幅と同じ長さである。

この円偏光フィルタ３７ａ，３７ｂの構成によれば、レンズピッチ毎に、右旋回もしくは左旋回のどちらかの偏光成分だけが透過するものになるが、隣接するレンズピッチ間では、互いに逆の偏光成分だけを透過する。そして、隣接するレンズピッチ間での透過特性は、光線入射側（光拡散層１３側）と光線出射側（平板基板１１側）とで、１対１の関係になっている。

したがって、或るレンズピッチから、隣りのレンズピッチから入射した光線も出射されるというクロストークの発生を防止することができる。以下、図６を参照して具体的に説明する。なお、図６は、図５に示す画像投影用スクリーンの動作を説明する図である。

図６では、右旋回コレステリック液晶材料３８ｂに対して鉛直線上付近に沿って投射される光線４５に対する光路軌跡と、左旋回コレステリック液晶材料３９ｂに対して鉛直線上付近に沿って投射される光線４６に対する光路軌跡とが示されている。それぞれ、光散乱層１３において散乱されてスペーサ基板３６内に入射する。図６では、スペーサ基板３６内に入射する散乱光として、左側に傾いた角度で入射する散乱光ａと、鉛直線上付近に沿って入射する散乱光ｂと、右側に傾いた角度で入射する散乱光ｃとが示されている。

図６において、或るレンズピッチに対応する右旋回コレステリック液晶材料３８ｂに対して鉛直線上付近に沿って投射される光線４５は、その右旋回波成分が光散乱層１３において散乱されてスペーサ基板３６内に入射する。スペーサ基板３６内に入射する散乱光ａ，ｂ，ｃのうち、散乱光ａ，ｂは対応する１つの凸レンズ２３に入射し、散乱光ｃは隣りの凸レンズに入射する。

対応する１つの凸レンズ２３の出射端側には右旋回コレステリック液晶材料３８ａが設けられているので、光線４５の右旋回波成分である散乱光ａ，ｂは、その右旋回コレステリック液晶材料３８ａを通過でき、光線４５ａ，４５ｂが、対応する１つの凸レンズ２３からの出射光として出射される。

一方、隣りの凸レンズの出射端側には左旋回コレステリック液晶材料３９ａが設けられているので、光線４５の右旋回波成分である散乱光ｃは、隣りの凸レンズから光線４５ｃとして射出されるが、当該隣りの凸レンズに対応する左旋回コレステリック液晶材料３９ａを通過できず、光線４５ｃが、当該隣りの凸レンズからの出射光として出射されない。

また、或るレンズピッチに対応する左旋回コレステリック液晶材料３９ｂに対して鉛直線上付近に沿って投射される光線４６は、その左旋回波成分が光散乱層１３において散乱されてスペーサ基板３６内に入射する。スペーサ基板３６内に入射する散乱光ａ，ｂ，ｃのうち、散乱光ａ，ｂは対応する１つの凸レンズ２３に入射し、散乱光ｃは隣りの凸レンズに入射する。

対応する１つの凸レンズ２３の出射端側には左旋回コレステリック液晶材料３９ａが設けられているので、光線４６の左旋回波成分である散乱光ａ，ｂは、その左旋回コレステリック液晶材料３９ａを通過でき、光線４６ａ，４６ｂが、対応する１つの凸レンズ２３からの出射光として出射される。

一方、隣りの凸レンズの出射端側には右旋回コレステリック液晶材料３８ａが設けられているので、光線４６の右旋回波成分である散乱光ｃは、隣りの凸レンズから光線４６ｃとして射出されるが、当該隣りの凸レンズに対応する右旋回コレステリック液晶材料３８ａを通過できず、光線４６ｃが、当該隣りの凸レンズからの出射光として出射されない。

このように、或る１つの凸レンズ２３において、隣りの凸レンズに対応する画像が見えてしまうというクロストークの発生が防止される。

以上のように、本実施の形態２によれば、透明な画像投影用スクリーン３５では、レンチキュラーレンズアレイ１０と光散乱層１３との配置間隔をレンチキュラーレンズアレイ１０の焦点距離と同じ長さに維持すべく配置するスペーサ基板３６をほぼ一様な屈折率の可視域において透明の材料で構成し、当該画像投影用スクリーン３５の出射側および入射側に、右旋回コレステリック液晶材料３８ａ，３８ｂと左旋回コレステリック液晶材料３９ａ，３９ｂとが、レンチキュラーレンズアレイ１０のレンズピッチに対応する形態で交互に配置される円偏光フィルタ３７ａ，３７ｂをそれぞれ設けたので、レンチキュラーレンズアレイ１０を使用した場合に、或る１つの凸レンズ２３において、自凸レンズに対応する画像だけでなく、隣りの凸レンズに対応する画像も見えてしまい、三次元立体画像の臨場感を著しく損なうクロストークの発生を防止することができる。

そして、光散乱層１３が、実施の形態１にて説明したようにホットバンドの発生を防止する作用を営み、平面基板１１が、実施の形態１にて説明したようにレンチキュラーレンズアレイ１０を変形させることなく平面上に安定的に配置できる。

したがって、本実施の形態２による画像投影用スクリーン３５を表示部に備える図１に示す投影型の三次元画像表示装置では、投影デバイス３が投影する三次元立体画像を、臨場感あふれる高精度な三次元映像８として、空中に浮遊しているかのような感覚を損なわないで表示できるようになる。

そして、実施の形態１，２による画像投影用スクリーン５，３５を表示部に備える図１に示す投影型の三次元画像表示装置では、画像投影用スクリーン５，３５に２０°以上の仰角を与え、この２０°以上の仰角を与えた画像投影用スクリーン５，３５に対する投影デバイス３の投射角を垂直線から±１５°以内に設定することができる。

なお、実施の形態１，２において、レンチキュラーレンズアレイ１０のレンズ面とスペーサ基板５，３６との間、または、レンチキュラーレンズアレイ１０の平面側と平面基板１１との間には、反射防止膜を介在させてもよい。

また、実施の形態２において、円偏光フィルタ３７ａ，３７ｂは、それぞれ、反射防止膜で被覆してもよい。

以上のように、本発明にかかる画像投影用スクリーン及び三次元画像表示装置は、レンチキュラーレンズアレイを使用して臨場感あふれる高精度な三次元体画像を、空中に浮遊しているかのような感覚を損なわないで表示するのに有用であり、特に、映像技術分野、アミューズメント分野、エンターテイメント分野、インターネット分野、情報分野、マルチメディア分野、コミュニケーション分野、広告・宣伝分野、医療分野、芸術分野、教育分野、設計支援分野、シミュレーション分野、バーチャルリアリティ分野、などで使われる三次元表示、立体像再生装置の表示部で使用するのに適している。

本発明の実施の形態１による画像投影用スクリーンを表示部に備える投影型の三次元画像表示装置の要部である光学系の系統構成を示す図 図１に示す画像投影用スクリーンの構成を説明する図 インテグラルフォトグラフィ方式の原理を説明する図 図１に示す画像投影用スクリーンの動作を説明する図 本発明の実施の形態２による画像投影用スクリーンの構成を説明する図 図５に示す画像投影用スクリーンの動作を説明する図

符号の説明

１ 光源
２ 偏光ビームスプリッタ
３ 投影デバイス
４ 投影レンズ
５ 画像投影用スクリーン
６ 出射光
７ 投影画像情報
８ 三次元映像
１０ レンチキュラーレンズアレイ
１１ 平板基板
１２ スペーサ基板
１２ａ 凸部分に対応する領域
１２ｂ 谷部分に対応する領域
１２ｃ 低屈折率層
１３ 光散乱層
２０ 再生画素画像
２１ 表示素子
２２ フライアイレンズアレイ
２３ １つの凸レンズ
２４ 結像点
２５ 光線
２６ 観察者の瞳
２７ 三次元再生画像
３０ 凸部分に対応する領域１２ａへの入射光線
３１ 凸部分に対応する領域１２ａへの入射光線
３５ 画像投影用スクリーン
３６ スペーサ基板
３７ａ，３７ｂ 円偏光フィルタ
３８ａ，３８ｂ 右旋回コレステリック液晶材料
３９ａ，３９ｂ 左旋回コレステリック液晶材料

Claims (18)

1. かまぼこ状円筒レンズの複数を並置したレンチキュラーレンズアレイと、
   前記レンチキュラーレンズアレイの平面側に接着され可視域において透明で剛直性を有する平面基板と、
   可視域において透明な所定厚さの層の複数を互いの屈折率を異ならせて積層した構造で可視光を散乱する光散乱層と、
   前記レンチキュラーレンズアレイのレンズ面側と前記光散乱層との間に、前記レンチキュラーレンズアレイの焦点距離と等しい長さの間隔を維持すべく配置される透明なスペーサ基板であって、前記レンチキュラーレンズアレイのレンズ面の谷部分に対応する第１の領域での屈折率が前記レンズ面の凸部分に対応する第２の領域での屈折率よりも低屈折率となるように形成されている透明なスペーサ基板と、
   を備えていることを特徴とする画像投影用スクリーン。
2. かまぼこ状円筒レンズの複数を並置したレンチキュラーレンズアレイと、
   一方の板面が前記レンチキュラーレンズアレイの平面側に接着され、可視域において透明で剛直性を有する平面基板と、
   前記レンチキュラーレンズアレイの焦点距離と等しい長さの厚さを有し、一方の板面が前記レンチキュラーレンズアレイのレンズ面に接着される透明なスペーサ基板と、
   可視域において透明な所定厚さの層の複数を互いの屈折率を異ならせて積層した構造で可視光を散乱する光散乱層であって、一方の端面が前記スペーサ基板の他方の板面に接着される光散乱層と、
   前記平面基板の他方の板面に、前記レンチキュラーレンズアレイのレンズピッチ幅と同じ長さを有する右旋回波フィルタおよび左旋回波フィルタが前記レンチキュラーレンズアレイのレンズピッチの態様と１対１の関係で交互に配置される第１の円偏光フィルタと、
   前記光散乱層の他方の端面に、前記レンチキュラーレンズアレイのレンズピッチ幅と同じ長さを有する右旋回波フィルタおよび左旋回波フィルタが前記レンチキュラーレンズアレイのレンズピッチの態様と１対１の関係で、かつ前記第１の円偏光フィルタとも１対１の関係で交互に配置される第２の円偏光フィルタと、
   を備えていることを特徴とする画像投影用スクリーン。
3. 前記平面基板の屈折率は、前記レンチキュラーレンズアレイの屈折率よりも低いことを特徴とする請求項１または２に記載の画像投影用スクリーン。
4. 前記スペーサ基板における前記第２の領域での屈折率は、前記レンチキュラーレンズアレイの屈折率よりも低く、前記スペーサ基板における前記第１の領域での低屈折率は、屈折率の異なる複数層を、その層面を当該スペーサ基板の板面に平行にして当該スペーサ基板の厚さ方向に積み重ねる、または、その層面をかまぼこ状円筒レンズ長手方向に垂直にして前記谷部分の全長に渡って並べることで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の画像投影用スクリーン。
5. 前記スペーサ基板の屈折率は、前記レンチキュラーレンズアレイの屈折率よりも低いことを特徴とする請求項２に記載の画像投影用スクリーン。
6. 前記光散乱層の屈折率は、前記レンチキュラーレンズアレイの屈折率よりも低く、屈折率の異なる複数層を、その層面を前記レンチキュラーレンズアレイの配置面に平行にして積み重ねる、または、その層面をかまぼこ状円筒レンズの長手方向に垂直にしてその長手方向全長に渡って並べることで形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の画像投影用スクリーン。
7. 前記レンチキュラーレンズアレイのレンズ面と前記スペーサ基板との間、または、前記レンチキュラーレンズアレイの平面側と前記平面基板との間には、反射防止膜が介在していることを特徴とする請求項１または２に記載の画像投影用スクリーン。
8. 前記レンチキュラーレンズアレイと、前記平面基板と、前記スペーサ基板における前記第１の領域と、前記光散乱層とは、それぞれ、可視域において透明なガラスまたは樹脂材料を用いて形成され、前記スペーサ基板における前記第２の領域は、可視域において透明なガラスまたは樹脂材料もしくはセラミック材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の画像投影用スクリーン。
9. 前記レンチキュラーレンズアレイと、前記平面基板と、前記スペーサ基板と、前記光散乱層とは、それぞれ、可視域において透明なガラスまたは樹脂材料もしくはセラミック材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項２に記載の画像投影用スクリーン。
10. 前記第１および第２の円偏光フィルタにおける右旋回波フィルタおよび左旋回波フィルタは、ぞれぞれ、可視光域において円偏光の選択透過性を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の画像投影用スクリーン。
11. 前記可視光域において円偏光の選択透過性を有する材料は、コレステリック液晶材料であることを特徴とする請求項１０に記載の画像投影用スクリーン。
12. 前記第１および第２の円偏光フィルタは、それぞれ、反射防止膜で被覆されていることを特徴とする請求項２に記載の画像投影用スクリーン。
13. 前記反射防止膜の屈折率は、前記第１および第２の円偏光フィルタの屈折率よりも低いことを特徴とする請求項１２に記載の画像投影用スクリーン。
14. 前記第１および第２の円偏光フィルタの屈折率は、それぞれ、前記レンチキュラーレンズアレイの屈折率よりも低いことを特徴とする請求項２に記載の画像投影用スクリーン。
15. 前記第１および第２の円偏光フィルタの屈折率は、それぞれ、前記スペーサ基板の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項２に記載の画像投影用スクリーン。
16. 前記第１および第２の円偏光フィルタの屈折率は、それぞれ、前記光散乱層の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項２に記載の画像投影用スクリーン。
17. 像を撮影するカメラを備える画像入力部と、前記画像入力部が出力する撮影された像を三次元画像情報に変換する演算部と、前記演算部にて変換された三次元画像を投影画像として射出する投影部と、前記投影部が射出する投影画像を三次元画像として表示する表示部とを投影型の三次元画像表示装置において、
    前記表示部は、請求項１〜１６のいずれか一つに記載の画像投影用スクリーンを備えている、
    ことを特徴とする三次元画像表示装置。
18. 前記画像投影用スクリーンは、２０°以上の仰角が与えられ、前記投影部は、２０°以上の仰角が与えられた前記画像投影用スクリーンに対して垂直線から±１５°以内の投射角で前記投影画像を射出するように設定されていることを特徴とする請求項１７に記載の三次元画像表示装置。

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