JP2013205663A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストかつ容易に超多視差の画像を生成できる。
【解決手段】本実施形態に係る画像表示装置は、発光源、光変調部、第１偏向素子アレイおよび第２偏向素子アレイを含む。発光源は、光を出射する。変調部は、画像が観測される観測位置および観測位置に対応する出射角度で決まる変調画素を２次元配列した変調画素群に含まれる各変調画素に対し、光の強度及び光の色を変調して変調画素に対応するビームを生成する。第１偏向素子アレイは、変調画素群のｍ列分の第１変調画素群ごとにビームを偏向して第１偏向ビームを生成する、変調画素の縦方向と平行な母線を有する第１偏向素子が、複数並列する。第２偏向素子アレイは、第１変調画素群のｎ行分の第２変調画素群ごとに第１偏向ビームを偏向して第２偏向ビームを生成する、第１偏向素子の母線に対してｔａｎ^−１（α×ｍ／ｎ）の値で表される角度に傾斜した母線を有する第２偏向素子が、複数並列する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、画像表示装置に関する。

旧来のブラウン管モニターから液晶パネルに代表されるフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）への移行が急速に進み、業務用モニターやパソコン用ディスプレイばかりでなく民生用のテレビといった、ほとんどすべての画像表示装置がＦＰＤに置き換わりつつある。同時に、フルハイビジョン（１９２０画素×１０８０画素）など映像の高画質化が図られている。このような状況で、新たな機能として３次元（３Ｄ）表示についても盛んに開発が進められ、家庭においても３Ｄ放送および３Ｄ表示を再生できるビデオディスクなどを楽しめるようになっている。
このような３Ｄ放送を視聴する手段として、専用メガネを着用して視聴する方式や、レンチキュラーレンズやパララックスバリアなど特殊なディスプレイによって専用メガネを着用しないで視聴する方式がある。

米国特許第６，８０１，２４３号明細書

しかしながら、専用メガネを着用しない場合は、ＦＰＤの解像度と視差数との関係から視差数の増加には限界があり、立体視できる観測位置（視聴領域）が限られる。視差数の増加を図るため、レンチキュラーレンズの母線を斜めにする手法もあるが、この手法を適用したディスプレイに縦線を表示させるとギザギザに見えることがある。また、視差間のクロストークが大きくなったり、一部の画素がレンチキュラーレンズを構成する各素子の境界線上に重なってしまい、出射するビームが迷光となって画質や立体感を損ねたりまたは色ずれやムラをおこしたりしてしまうことがある。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、低コストかつ容易に超多視差の画像を表示することができる画像表示装置を提供することを目的とする。

本実施形態に係る画像表示装置は、発光源、光変調部、第１偏向素子アレイおよび第２偏向素子アレイを含む。発光源は、光を出射する。変調部は、画像が観測される観測位置および該観測位置に対応する出射角度で決まる変調画素を２次元配列した変調画素群に含まれる各変調画素に対し、前記光の強度及び該光の色を変調して該変調画素に対応するビームを生成する。第１偏向素子アレイは、前記変調画素群のうちのｍ列分（ｍは自然数）の第１変調画素群ごとに前記ビームを偏向して第１偏向ビームを生成する、前記変調画素の縦方向と平行な母線を有する第１偏向素子が、複数並列する。第２偏向素子アレイは、前記第１変調画素群のうちのｎ行分（ｎは自然数）の第２変調画素群ごとに前記第１偏向ビームを偏向して第２偏向ビームを生成する、前記第１偏向素子の母線に対してｔａｎ^−１（α×ｍ／ｎ）の値（αは変調画素間隔の横の縦に対する比の値）で表される角度に傾斜した母線を有する第２偏向素子が、複数並列する。

第１の実施形態に係る画像表示装置を示すブロック図。 第１の実施形態に係る画像表示装置の具体的な構成の一例を示す図。 光源および光変調部の変形例を示す図。 第１の実施形態に係る変調画素と第１偏向素子アレイとの位置関係を示す図。 本実施形態に係る偏向素子の変形例を示す図。 第１偏向素子アレイを通過した第１偏向ビームと第２偏向素子アレイとの位置関係を示す図。 第１および第２偏向素子アレイによる変調画素の偏向の様子を示す図。 別方向からみた第１および第２偏向素子アレイによる変調画素の偏向の様子を示す図。 第２の実施形態に係る変調画素と第１偏向素子アレイとの位置関係を示す図。 第１の変形例に係る画像表示装置を示す図。 第２の変形例に係る画像表示装置を示す図。 第３の変形例に係る画像表示装置に用いるスリットの一例を示す図。 第４の変形例に係る画像表示装置での変調画素を圧縮する幅の設定例を示す図。 画素ずらし素子の第１の別例を示す図。 画素ずらし素子の第２の別例を示す図。

３Ｄ表示の画像を視聴する手段として、液晶シャッターや偏光素子などを内蔵したメガネを利用した方式は、ＦＰＤとの親和性が高いことから実用化が進み、現在でも数多くの製品が世に出ている。メガネを利用する方式としては、ＦＰＤにおいて左眼用と右眼用との２Ｄ画像が時分割または画素ごとに交互に表示され、左眼用画像が左眼に、右眼用画像が右眼に入るようにメガネにて切り替えるという方式である。ＦＰＤのフレームレートを従来の２倍にする必要性や、左右の画像が混じらないように分離する必要性以外に技術的な負担は比較的小さいが、以下に記すようなデメリットも存在する。
３Ｄ表示の視聴には専用メガネの着用が必須であり、いわゆる”ながら見”や２Ｄと３Ｄとの頻繁な切り替えに適さず、メガネを着用しないユーザ（視聴者）にとって３Ｄ表示は２重にぼけた画像と見えてしまう。これは言ってみれば２Ｄ表示と３Ｄ表示との間の互換性がメガネなしでは保てないということであり、本格的な３Ｄ放送の普及を妨げる一因となる。また、３Ｄ表示を視聴するために専用メガネを着用する煩わしさもある。さらに、視聴者の位置にかかわらず左眼および右眼に見える画像は変化しないため、運動視差（視聴位置の移動に伴って見える画像が変化すること）が得らない。
これらのデメリットを回避するため、レンチキュラーやパララックスバリアといった技術に基づくディスプレイが開発され、メガネなしでの視聴や、多視差化による運動視差の獲得もできる。しかし、この方式は視差数の増加とともに使用されるＦＰＤの解像度の増加が必要となってしまうため、視差数の増加には限界がある。視差数が少ないと自然な立体視のできない視聴領域が増加するので、視聴領域が限られるという制約が生じる。
本実施形態によれば、上述の問題を解決し、低コストかつ容易に超多視差の３次元画像を表示することができる。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る画像表示装置について詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、同一の参照符号を付した部分は同様の動作をおこなうものとして、重複する説明を適宜省略する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る画像表示装置について図１のブロック図を参照して説明する。
第１の実施形態に係る画像表示装置１００は、光源１０１、光変調部１０２、第１偏向素子アレイ１０３、第２偏向素子アレイ１０４および拡散部１０５を含む。

光源１０１は、例えば、ＬＤ（レーザダイオード：Laser Diode）などの発光素子であり、光を出射する。低消費電力の観点から、ＬＥＤ（発光ダイオード：Light-Emitting Diode）や有機ＥＬおよびＬＤを用いることが望ましい。さらに、色再現性、ビームの小径化、ビームの出射角度および幅などの調整による視差生成の最適化の観点からはＬＤが望ましい。いずれの場合も、光変調部１０２に入射する光は、ビームの広がり角度が小さい指向性の高いものが望ましい。
なお、個体レーザ、ガスレーザ、あるいはＳＨＧ（Second Harmonic Generation）の利用や、ハロゲンランプ、水銀ランプなど一般的な汎用プロジェクタで用いられるような発光素子を利用してもよい。

光変調部１０２は、例えば、ＳＬＭ（空間光変調器：Spatial Light Modulator）であり、フラットパネルタイプの液晶表示パネル（ＬＣＯＳなど）を用いればよい。光変調部１０２は、光源１０１から光を受け取り、光を変調して、変調画素に対応したビームを生成する。

第１偏向素子アレイ１０３は、第１偏向素子として例えばシリンドリカルレンズを複数並列させることによりシート状にした、いわゆるレンチキュラーレンズである。第１偏向素子アレイ１０３、光変調部１０２から入射した変調画素に対応したビームを偏向する。偏向されたビームは、第１偏向ビームともいう。第１偏向素子アレイ１０３の詳細については、図４を参照して後述する。

第２偏向素子アレイ１０４は、第１偏向素子とほぼ同様に、第２偏向素子としてシリンドリカルレンズを複数並列させてシート状にしたレンズであるが、第１偏向素子アレイ１０３と異なる点は、第２偏向素子の母線は、第１偏向素子アレイ１０３の母線に対して一定角度傾斜している点である。第２偏向素子アレイ１０４は、第１偏向素子アレイ１０３から入射した第１偏向ビームをさらに偏向する。第２偏向素子アレイ１０４により偏向されたビームを第２偏向ビームともいう。第２偏向素子アレイ１０４の詳細については、図６を参照して説明する。

拡散部１０５は、例えば異方性拡散板であり、縦方向への光の拡散角度が大きく、横方向への光の拡散角度が小さいまたは横方向へ光が拡散しないような材質で形成される。第２偏向素子アレイ１０４から入射した第２偏向ビームが拡散部１０５を通過することにより、外部の観測位置において視差画像が生成される。よって、ユーザがこの観測位置において視差画像（３次元画像）を視聴することができる。

次に、第１の実施形態に係る画像表示装置の具体的な構成の一例について図２を参照して説明する。
奥行き方向の奥から順（図２中、＋ｚ方向）に、光源１０１、光変調部１０２、第１偏向素子アレイ１０３、第２偏向素子アレイ１０４および拡散部１０５が配置される。図２に示すように、それぞれが１枚の平板で形成される場合を想定する。なお、第１偏向素子アレイ１０３、第２偏向素子アレイ１０４および拡散部１０５の厚さは、自身の形状を保持できる強度であれば、薄いほうが好ましい。但し、厚さが薄い場合は、ガラスなどの基板に積層して貼り合わせることにより強度を高め、自身の形状を保持できるようにしてもよい。

次に、光源１０１および光変調部１０２の変形例について図３を参照して説明する。
光源１０１および光変調部１０２の変形例として、プロジェクタがある。プロジェクタ３０１は、光源１０１、２次元空間光変調器３０２および投影レンズ３０３を含む。プロジェクタ３０１は、２次元空間光変調器３０２を通過した光を投影レンズ３０３により２次元画像のビームとして外部に投影する。投影レンズ３０３より投影された２次元画像のビーム３０４は、第１偏向素子アレイ１０３に入射し、図１に示すように、第２偏向素子アレイ１０４、拡散部１０５へと順に入射する。

なお、図示しないが、ビームをスキャンすることにより２次元画像の投影と同じ効果を得るスキャンタイプのプロジェクタであってもよい。また、投影レンズ３０３は複数のレンズ群により形成されてもよい。さらに、画素ごとの入射角度の違いを調整したり違いをなくしたりするために、投影レンズ３０３と第１偏向素子アレイ１０３との間に、フレネルレンズなどのレンズまたはプリズムアレイなどの偏向部材を配置してもよい。また、２次元空間光変調器３０２は複数であってもよく、例えばカラー化のために赤、緑、青に対応した３枚構成としてプリズムなどと組み合わせる場合がある。

次に、光変調部１０２で変調画素に対応するビームと第１偏向素子アレイ１０３との位置関係を図４を参照して説明する。
図４は、第１偏向素子アレイ１０３と、この第１偏向素子アレイ１０３に入射する変調画素に対応するビームとの一部分を示す。太線で囲まれた領域は、表示部（図示せず）で表示される１画素を示し、以下では表示画素４０１と呼ぶ。表示画素４０１内にある８行８列（６４個）の領域は、光変調部１０２で光が変調された変調画素４０２を示す。変調画素４０２は、画像が観測される観測位置および観測位置に対応する出射角度で決まり、表示すべき画像に応じて、光強度および色が設定される。便宜上、６４個の変調画素４０２に１から６４までの番号を付す。
また、破線で示される曲線は、第１偏向素子アレイ１０３を構成する第１偏向素子のうち、第１偏向素子４０３−１から第１偏向素子４０３−３までのそれぞれの表面形状の輪郭を示す。本実施形態では、各偏向素子４０３としてシリンドリカルレンズを用いるので、破線はシリンドリカルレンズの表面形状の輪郭を示す。１つの第１偏向素子４０３の大きさは、横方向（図４中、ｘ軸方向）は変調画素４０２の８画素分（８列分）の大きさであり、縦方向（図４中、ｙ軸方向）は表示画素４０１の全領域の縦１列分の大きさである。すなわち、全体の表示画素の領域が、１０８０行１９２０列の表示画素（１９２０×１０８０個の表示画素）で形成される場合、１つの第１偏向素子４０３は、１０８０行１列の表示画素の領域に対応する大きさとなる。

さらに、第１偏向素子間の境界線（例えば、第１偏向素子４０３−１と第１偏向素子４０３−２との間の線）は、表示画素４０１間の境界の縦線と一致する。また、第１偏向素子の母線は表示画素４０１を形成する変調画素の縦方向と平行である。本実施形態で用いるシリンドリカルレンズは、両面が凸であっても、片面が凸であってもよい。また、凸となる面が光変調部１０２に対向する側にあっても、第２偏向素子アレイ１０４に対向する側にあってもよい。さらに、凸レンズではなく凹レンズにより同様の特性を得てもよい。

なお、本実施形態では特に断らない限り、視差数が６４、変調画素が８行８列で形成され、かつ変調画素の画素間隔が一定で縦横同じ場合を想定して説明するが、これに限られない。例えば、視差数が１４４（変調画素が１２×１２個）などでもよいし、どのような場合でもよい。

次に、本実施形態に係る偏向素子の変形例を図５を参照して説明する。
シリンドリカルレンズの代わりに、図５に示すようなプリズムを用いてもよい。第１偏向素子アレイ１０３として、プリズム５０１−１からプリズム５０１−３までを隣接して配置することで、レンチキュラーレンズと同様の効果を得ることができる。なお、２面以上のプリズムでもよいし、回折格子でもよいし、その他の形状でもよい。表示画素４０１を構成する６４個の変調画素４０２の横幅を圧縮して第２偏向素子アレイ１０４に入射するような偏向効果が得られればよい。但し、プリズムの面数と表示画素４０１の１画素分に対応する変調画素の列数が同じでないまたは倍数でない場合は、変調画素がプリズムの面の境界と重なってしまい、意図しない不要光の発生を招く可能性がある。よって、プリズムを用いる場合は、プリズムの面数と表示画素４０１の１画素に対応する変調画素の列数が同じまたは倍数であることが望ましい。図５の例では、変調画素と対向しないプリズムの面数が２面であり、表示画素４０１の１画素に対応する６４個の変調画素の列数は８列である。よって、変調画素の列数がプリズムの面数の倍数（４倍）であるため、不要光の発生を抑制できる。

次に、第１の実施形態に係る第１偏向素子アレイ１０３を通過した第１偏向ビームと第２偏向素子アレイ１０４との位置関係を図６を参照して説明する。
第１偏向素子アレイ１０３を通過した変調画素のビームは、８行８列の画素の横幅（列方向）が圧縮されて８行１列、すなわち縦１列の第１偏向ビームに偏向される。図６において、数字を記載する便宜上、画素ビームは正方形のマスで表されるが、実際には横幅が圧縮されている。以下、特に断らないが同様に表される場合がある。

図６に示す変調画素４０２の１つの番号の位置には、８列分の変調画素のビームが重複する。例えば、図６の変調画素の番号１の位置には、図４における変調画素の番号１、９、１７、２５、３３、４１、４９および５７の変調画素のビームが重複し、番号８の位置には、変調画素の番号８、１６、２４、３２、４０、４８、５６および６４の変調画素のビームが重複する。このとき、番号の大小が入れ替わらないように均等にずれるのであれば、重複にずれが生じてもよい。ずれが生じる場合は、ずれ量はできるだけ小さい方が望ましい。

図６に示す破線は、第２偏向素子アレイ１０４の各偏向素子６０１の輪郭を示す。第２偏向素子６０１は、母線が第１偏向素子の母線に対して角度が４５度傾いており、かつ表示画素４０１が第２偏向素子間の境界を超えないように配置される。

すなわち、第１偏向素子４０３の母線と表示画素４０１間のｙ軸方向の境界線とは平行であるので、第２偏向素子６０１の母線が第１偏向素子４０３の母線に対して傾く角度（すなわち、角度θ_ｒ）は、図６では４５度である。また、番号１から番号８までに関する変調画素のビームの入射位置の組が１つの第２偏向素子の領域内にあり、第２偏向素子間の横方向（ｘ軸方向）の間隔と第１偏向素子間の横方向（ｘ軸方向）の間隔とが同一である。

なお、表示画素が８行８列の変調画素で形成されずにｎ行ｍ列（ｎ、ｍは異なる自然数）の変調画素で形成される場合は、第２偏向素子６０１の母線が第１偏向素子の母線に対して傾く角度θ_ｒは、（１）式で表せる。
θ_ｒ＝ｔａｎ^−１（ｍ／ｎ） （１）
但し、ｍ＝ｎとすれば、変調画素が第２偏向素子の境界をまたがずに、かつ表示画素間隔と変調画素間隔との縦横比を同一とすることができるため、ｍ＝ｎの場合が望ましい。ここで、画素間隔とは、画素ピッチを指す。また、変調画素間隔が縦横で異なる場合は、その比率に応じて傾く角度も変化する。つまり、変調画素間隔の横の縦に対する比の値をαとする場合には、角度θ_ｒは以下の（２）式で表せる。
θ_ｒ＝ｔａｎ^−１（α×ｍ／ｎ） （２）
製造誤差や調整ずれなどで角度に誤差が生じた場合であっても、変調画素が第２偏向素子の境界をまたがないように配置可能で、かつ最終的に拡散部１０５から出射する変調画素のビームの横方向の並び順が、ほとんどずれない範囲であれば構わない。

なお、第２偏向素子アレイ１０４は、通常はシリンドリカルレンズで構成されるレンチキュラーレンズが用いられるが、第１偏向素子アレイ１０３と同様に、両面が凸であっても片面が凸であってもよい。また、凸となる面が光変調部１０２に対向する側にあっても、拡散部１０５に対向する側にあってもよいし、凹レンズによって同様の特性を得てもよい。さらに、第２偏向素子アレイ１０４から出射される画素のビームの広がり角を抑制して、画素のビームどうしの水平方向の重なりを抑制するために、シリンドリカルレンズの代わりに、表示画素４０１の１画素に対応する変調画素の列数が同じになるような面数を片面に有するプリズムよい。また、回折格子でもよいし、その他の形状でもよい。すなわち、変調画素の番号１から番号８の位置に入射した変調画素のビームが、それぞれ異なる方向に偏向されればよい。

次に、第１偏向素子アレイおよび第２偏向素子アレイによる変調画素の偏向の様子を図７および図８を参照して説明する。
図７は、光の進行方向（ユーザが映像などを視聴する方向、図７ではｚ軸の正から負に向かう方向）から見た場合の表示画素１単位における８行８列に配列された変調画素のビームの偏向の様子を説明する。なお、変調画素の偏向の様子における、画素の大きさ、角度およびアスペクト比などは実際の画素とは異なる。

図７（ａ）は、８行８列の変調画素のビームが、第１偏向素子に入射する位置での並び方を示す。
図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す変調画素のビームの並び方で第１偏向素子に入射して第１偏向素子を通過した第１偏向ビームの、第２偏向素子に入射する位置での並び方を示す。図７（ｂ）に示すように、横方向の画素が重複され縦１列（８行１列）となる。例えば、番号１の位置には、図７（ａ）における上から１番目の番号の横列である１、９、１７、２５、３３、４１、４９および５７の変調画素のビームが重複する。同様に、番号８の位置には、図７（ａ）における８、１６、２４、３２、４０、４８、５６および６４の変調画素のビームが重複する。このとき、番号の大小が入れ替わらないように均等にずれるのであれば、重複にずれが生じてもよい。ずれが生じる場合は、ずれ量はできるだけ小さい方が望ましい。

図７（ｃ）は、第２偏向素子を通過した変調画素のビーム（第２偏向ビーム）の拡散部１０５に入射する位置での並び方を示す。
第２偏向素子アレイ１０４を通過した第２偏向ビームは、偏向されて各行ごとに異なった出射角度を与えられる。つまり、図７（ｂ）の番号１の位置にある８個の変調画素のビームは、第２偏向素子により図７（ｃ）の最も右側に偏向される。さらに、第２偏向素子が第１偏向素子の母線に対して４５度斜めに配置されるため、横方向と同等の角度で縦方向にも偏向を受ける。よって、縦方向の画素の位置が反転し、変調画素の全行の中で一番下に出射される。加えて、図７（ｂ）の番号１の位置にある各変調画素のビームは、第１偏向素子によってそれぞれ横方向（ｘ軸方向）の角度差がつけられている。よって、第２偏向素子の出射位置において、角度差に対応した横方向（図７では、ｘ軸方向）の角度を有して出射する。すなわち、図７（ｃ）では、一番右下の１行８列の変調画素群７０１において、変調画素のビームが右から左に向かって、１、９、１７、２５、３３、４１、４９及び５７と順に配置されることになる。

このように、第２偏向素子アレイ１０４から出射される第２偏向ビームは、入射する第１偏向ビームの変調画素のビームと第２偏向素子アレイを形成する第２偏向素子との相対位置および入射する変調画素のビームの入射角に応じた出射角を有する。例えば本実施形態では、変調画素の番号１から６４までが順に角度を変えて表示画素の１画素から出射され、６４視差が生成される。なお、通常は、第２偏向素子アレイ１０４によって縦方向にも偏向を受けるため、拡散部１０５によって縦方向に変調画素のビームを拡散させることが必要である。また、第２偏向素子アレイ１０４と拡散部１０５との間に、横方向（ｘ軸方向）の母線を有するレンチキュラーレンズ等を設置して縦方向の偏向を相殺することで、拡散部１０５に要求される性能を緩和してもよい。

次に、第１偏向素子アレイ１０３および第２偏向素子アレイ１０４における変調画素の偏向の様子をｙ軸方向から見た場合を図８に示す。
図８では、一番左側の矢印８０１が図７（ａ）に示す変調画素のビームの縦方向（ｙ軸方向）の中心線に対応する。すなわち、図８の１番上の矢印（番号５７から６４の変調画素）の位置には、図７（ａ）の最も右側の１列が並ぶ。
続いて、矢印８０２は、矢印８０１の変調画素のビームが第１偏向素子アレイ１０３を通過した際の各列の変調画素のビームの中心線を表す。矢印８０２は、１つの番号の位置に８列分の変調画素のビームが重複しており、これは図７（ｂ）の状態に対応する。
矢印８０３は、矢印８０２の変調画素のビームが第２偏向素子アレイ１０４を通過した際の各列の変調画素群の中間線を示す。具体的には、例えば、１番上の矢印８０３は、変調画素の番号１から５７までの変調画素（１、９、１７、２５、３３、４１、４９、５７）の中間線（２５と３３との中間）を示す。同様に、上から２番目の矢印８０３は、変調画素の番号２から５８までの中間線を示す。

なお、横方向のビームの配列が、図７（ｃ）に示されるように隙間なく一定間隔となるようにするには、第１偏向素子アレイ１０３を構成する第１偏向素子および第２偏向素子アレイ１０４を構成する第２偏向素子をレンズと等価と考える場合に、横方向の開口数（ＮＡ）が（３）式の関係を有する必要がある。
ｓｉｎ^−１（ＮＡ_１）×（ｎ−１）＝ｓｉｎ^−１（ＮＡ_２） （３）
ここで、ＮＡ_１は、第１偏向素子アレイ１０３を構成する第１偏向素子に入射する変調画素のビームの最も外側のビーム中心を基準にした開口数であり、ＮＡ_２は、第２偏向素子アレイ１０４を構成する第２偏向素子に入射する変調画素のビームの最も外側のビーム中心を基準した開口数である。ｎは、ｎ行ｍ列である変調画素のビームの行数であり、本実施形態ではｎ＝８である。

図８に示す角度で説明すると、第１偏向素子アレイおよび第２偏向素子アレイのそれぞれの偏向素子は、（４）式から（６）式までに示す関係を有する。
θ_１＝ｓｉｎ^−１（ＮＡ_１） （４）
θ_２＝ｓｉｎ^−１（ＮＡ_２） （５） かつ、
θ_１×７＝θ_２ （６）
なお、（３）式において等号からずれがある場合、すなわち以下の（７）式を満たす場合は、変調画素のビームの横方向の角度間隔に一部広すぎる箇所が生じる。
ｓｉｎ^−１（ＮＡ_１）×（ｎ−１）＜ｓｉｎ^−１（ＮＡ_２） （７）
逆に、以下の（８）式の場合は、変調画素のビームの横方向の角度間隔に一部狭すぎる箇所が生じることになる。
ｓｉｎ^−１（ＮＡ_１）×（ｎ−１）＞ｓｉｎ^−１（ＮＡ_２） （８）
いずれの場合も、２θ_１／（ｎ−１）以下のずれであれば、変調画素のビーム１画素分以上の間隔が空き過ぎてしまったり、隣接する変調画素のビームとの並び順が逆転してしまったりするような破綻が生じないため許容される範囲となる。

図１に示されるようなＦＰＤを利用した場合や、図３に示されるようなプロジェクタを利用した場合、第１偏向素子アレイ１０３と光変調部１０２との間、あるいは光源１０１と光変調部１０２との間に、レンズやフレネルレンズ、プリズムなどを設ける。これにより、画面の中心から離れるほど入射角が大きくなるように設定することができ、視差を生成する際に画面中央に向けて配向して視域を最適化することができる。
特に図２に示されるようなプロジェクタを利用した場合、第１偏向素子アレイ１０３に入射するビームの入射角が、変調画素の位置により異なることがあるため、視差生成を適正に行いにくい可能性もある。このような場合にも同様に、第１偏向素子アレイ１０３と光変調部１０２との間に、レンズやフレネルレンズ、プリズム等を設けることにより、入射角を変調画素の位置によらず一定にしたり、または画面の中心から離れるほど入射角が大きくなるように設定したりことができる。その結果、画素位置によらず視差生成を適正に行うことができ、画面中央に向けて配向して視域を最大化することができる。

さらに、光変調部１０２、第１偏向素子アレイ１０３および第２偏向素子アレイ１０４の位置関係を、画面中央からの距離に応じて表示画素ごとにずらすように調整してもよい。また、第１偏向素子アレイ１０３や第２偏向素子アレイ１０４のレンズ、プリズムの形状を画面中央からの距離に応じて調整してもよい。これらの調整によっても、上述した同様の効果を得ることができる。なお、第１偏向素子アレイ１０３と光変調部１０２との間にフレネルレンズを用いる際には、フレネルレンズの偏向素子の境界と表示画素の境界とを一致させることが望ましい。これにより、フレネルレンズの分割境界が観察されユーザが違和感を生じるような不都合を防ぐことができる。

以上に示した第１の実施形態によれば、変調画素の境界と母線が平行な第１偏向素子アレイと、表示画素１画素を形成するｎ行ｍ列の変調画素に基づいて、第１偏向素子の母線に対してｔａｎ^−１（ｍ／ｎ）の値で表される角度傾斜した母線を有する第２偏向素子アレイとを設け、変調画素のビームを第１偏向素子アレイおよび第２偏向素子アレイの順に通過させることで、低コストかつ容易に超多視差の３次元画像を表示することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、第２偏向素子アレイとして、第２偏向素子の母線が表示画素の２画素分の周期で鋸状（ジグザグ状）となる第２偏向素子を並列させる点が第１の実施形態と異なる。こうすることで、画素の横方向に対する圧縮度が小さくてすむので、画像表示装置の設計仕様に応じて、低コストかつ容易に超多視差の立体画像を生成することができる。

第２の実施形態に係る第１偏向素子アレイを通過した第１偏向ビームと第２偏向素子アレイとの位置関係について図９を参照して説明する。
第１偏向素子アレイは第１の実施形態とほぼ同一であるが、変調画素の横方向の圧縮度が小さい。図９に示すように、変調画素９０１は第１偏向素子アレイによって横幅が圧縮されるが、第１の実施形態に係る第１偏向素子アレイ１０３のように、変調画素が縦一列に重複するのではなく、それぞれの変調画素９０１の大きさが縮小する程度に横方向に圧縮される。なお、図９ではそれぞれの変調画素が重複していないが、変調画素が重複するように横方向に圧縮してもよい。

第２偏向素子アレイは、第１偏向素子アレイの母線に対して第２偏向素子アレイの母線が傾斜した第２偏向素子９０２が複数並列することにより形成されるレンチキュラーレンズである。第２偏向素子の母線の方向は一方向の直線ではなく、表示画素４０１ごとに切り替わる。すなわち、図９の例では、第２偏向素子９０２の母線は、縦方向（−ｙ方向）の表示画素４０１ごとにθ_ｒ、−θ_ｒ、θ_ｒと反転し、鋸状に形成される。第２偏向素子９０２の母線の方向が切り替わる周期、すなわちジグザグの周期は、表示画素４０１の縦の２画素分の長さである。
ここで、第２偏向素子アレイに入射する表示画素４０１の１画素に対応する第１偏向ビーム（６４個の変調画素９０１）の幅をｗとし、１つの第２偏向素子９０２の幅をｐとし、表示画素１画素がｎ行ｍ列の変調画素で形成される場合を想定する。この場合、第２偏向素子９０２の母線は、第１偏向素子の母線に対して、（９）式に示す角度θ_ｒで傾斜すればよい。
θ_ｒ≦ｔａｎ^−１｛ｍ×（ｐ−ｗ）／（ｎ×ｐ）｝ （９）
（９）式を満たす角度であれば、変調画素９０１が第２偏向素子アレイを構成するシリンドリカルレンズ間の境界線と重なることがなく、出射するビームが迷光となって画質や立体感を損なったりあるいは色ずれやムラを起こしたりすることを防止できる。なお、ｍ＝ｎとすれば、表示画素間隔と変調画素間隔との縦横比を同一とすることができるため、より望ましい。

以上に示した第２の実施形態によれば、第２偏向素子アレイを表示画素の大きさの周期でジグザグ状の形状とすることにより、すべての変調画素を有効に利用することができ、画像表示装置の設計仕様に応じて、低コストかつ容易に超多視差の３次元画像を表示することができる。

（本実施形態の第１の変形例）
第１の変形例では、液体を用いて２次元画像（２Ｄ画像）と３次元画像（３Ｄ画像）との切り替えをおこなう。
第１の変形例に係る画像表示装置について図１０を参照して説明する。
第１の変形例に係る画像表示装置１０００は、第１偏向素子アレイ１０３と第２偏向素子アレイ１０４とが共に平面と凹凸面とを有し、第１偏向素子アレイ１０３と第２偏向素子アレイ１０４との凹凸面を対向するよう配置する。第１偏向素子アレイ１０３と第２偏向素子アレイ１０４との間隙１００１に、双方の材料の屈折率と同等の屈折率を有する物質を入れると、双方の光学的偏向効果をなくすことができる。すなわち、この物質を入れることにより視差生成の効果がなくなり、いわゆる２Ｄ画像と３Ｄ画像との切り替えを行なうことができる。画像表示装置１０００に入れる物質は、例えば液体であり、シリコーンオイル、光学顕微鏡の液浸で利用されるいわゆる光学オイル（イマージョンオイル）やグリセリン、アニソールを間隙１００１に挿入すればよい。なお、凹凸面を対向させるだけではなく、凹凹面を対向させてもよいし、凸凸面を対向させるようにしてもよい。
以上に示した第１の変形例によれば、２Ｄ画像と３Ｄ画像とを容易に切り替えることができる。

（本実施形態の第２の変形例）
上述の実施形態において、第１偏向素子アレイと第２偏向素子アレイとは別個のシートを想定しているが、第２の変形例では、１枚のシートで第１偏向素子アレイと第２偏向素子アレイとの効果を有するように形成する。
第２の変形例に係る画像表示装置について図１１を参照して説明する。
第２の変形例に係る画像表示装置１１００は、図１１に示す偏向素子アレイ１１０１の両面に、第１偏向素子アレイと第２偏向素子アレイとの効果を有するように凹凸を形成する。このような構成により、第１偏向素子アレイと第２偏向素子アレイとの位置関係は、１枚のシートの両面に凹凸を形成する際に決定される。よって、第１偏向素子アレイと第２偏向素子アレイとを別個に形成してそれぞれの位置関係を調整するよりも容易に位置関係を調整することができ、製造時の負荷を軽くすることができる。
以上に示した第２の変形例によれば、１枚のシートの両面にそれぞれ第１偏向素子アレイと第２偏向素子アレイとの効果を有するように凹凸面を形成することで、画像表示装置の構成の簡素化および低コスト化を図ることができる。

（本実施形態の第３の変形例）
上述した第１偏向素子アレイによって表示画素単位で変調画素の横幅を圧縮しても、想定しない方向に光が漏れて迷光となってしまう場合があり、表示品質を損なう可能性がある。このような場合には、第１偏向素子アレイと第２偏向素子アレイの間隙に、表示画素の縦列ごとに複数の光学的スリットもしくは絞りを配置する。この構成により迷光を遮断することができる。
第３の変形例に係る画像表示装置に用いるスリットの一例を図１２に示す。
図１２に示すように、縦縞のスリット状のマスク１２０１を、例えば図９における変調画素９０１がない領域を通過する光を遮断するように設ければよい。また、各表示画素４０１の領域を囲むような仕切り板を用いてもよい。

さらに、視差間のクロストークを減らし、隣接する視差の光が重なって観察されないようにするために、この光学的スリットもしくは絞りをさらに細かくして、変調画素のビームとビームとの間に挿入してもよい。ビームとビームとの間とは、図９では、第２偏向素子アレイに入射する第１偏向ビームの入射位置である番号と番号との、間の位置を示す。ビームを遮断する面積が大きいほど観察される画像の明るさは低下するが、変調画素のビームの大きさを小さくすることができるので、その分だけ視差間のクロストークを低減できる。
以上に示した第３の変形例によれば、スリット状のマスクまたは絞りを用いることで迷光を抑制することができ、視差間のクロストークを低減することができる。

（本実施形態の第４の変形例）
第４の変形例では、ビームの照射位置の能動的に替えることができる画素ずらし素子を配置することで、視差数を増加させることができる。
画素ずらし素子は、第１偏向素子アレイと光変調部との間、または第１偏向素子アレイと第２偏向素子アレイの間隙に配置される。画素ずらし素子は、変調画素の位置を高速で切り替えることができる。例えば、画素ずらし素子を光変調部１０２と第１偏向素子アレイ１０３との間に設ける場合を想定する。変調画素間隔の２分の１の間隔で横方向あるいは縦方向にずらせば、例えば図９に示す変調画素の番号の間に、さらに変調画素のビームを入射させることができ、視差数をほぼ２倍に増加することができる。

また、第４の変形例における変調画素を圧縮する幅の設定例について図１３に示す。
図１３は、第２偏向素子アレイと、第１偏向素子アレイを通過し第２偏向素子アレイに入射する第１偏向ビームとの位置関係を示す。図１３に示す変調画素１３０１は、第１偏向素子アレイによって、第１偏向ビーム（変調画素）の横幅の表示画素単位の圧縮度をさらに２倍に圧縮するとともに、画素ずらし素子により圧縮した横幅と同じ距離だけずらされる。この場合、図１３中の斜線部の領域１３０２にも変調画素１３０１のビームを入射するようにすれば、視差数を２倍に増やせる。但し、表示したいフレームレート（１秒間に表示するフレーム数）の２倍の周波数で切り替える必要がある。

また、画素ずらし素子は様々な構成により行なうことができる。
画素ずらし素子の別例を図１４および図１５に示す。画素ずらし素子の構成の第１の別例として、図１４に示すように、平行平板１４０１の角度を変化させて変調画素のビームの光路を平行移動させる素子を用いてもよい。
また、画素ずらし素子の構成の第２の別例として、図１５に示すように、一般に偏光インテグレーター１５００と呼ばれる、偏光を利用して光路を平行移動させる素子を用いてもよい。具体的には、リターダー１５０１は、ビームをＳ偏光またはＰ偏光に切り替える。偏光ビームスプリッター１５０２は、Ｐ偏光をそのまま通過させ、Ｓ偏光を反射させるので、ビームの光路を切り替えることができる。特に偏光インテグレーター１５００は、可動部分がないという利点がある。なお、画素ずらし素子として、光変調部１０２自身を振動させるボイスコイルやピエゾアクチュエータなどの素子を用いてもよい。
以上に示した第４の変形例によれば、画素ずらし素子を配置することで、視差数を増加させることができる。

なお、上述した実施形態において、カラー表示のために変調画素がＲＧＢに分解される場合で、図３に示されるようなプロジェクタ型の投影を利用するときには、各変調画素のＲＧＢが同軸に重なっていることが望ましい。但し、隣接する変調画素とオーバーラップすることがなければ、ＲＧＢはずれていてもよい。その際、色ずれやむらの観察を防止するために、ＲＧＢそれぞれの変調画素の形状を斜めにするなど、１つの変調画素のＲＧＢ要素が常にそろって観察されるようにすればよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００，１０００，１１００・・・画像表示装置、１０１・・・光源、１０２・・・光変調部、１０３，１０４・・・偏向素子アレイ、１０５・・・拡散部、３０１・・・プロジェクタ、３０２・・・２次元空間光変調器、３０３・・・投影レンズ、３０４・・・ビーム、４０１・・・表示画素、４０２，９０１，１３０１・・・変調画素、４０３・・・第１偏向素子、５０１・・・プリズム、６０１，９０２・・・第２偏向素子、７０１・・・変調画素群、８０１，８０２，８０３・・・矢印、１００１・・・間隙、１１０１・・・偏向素子アレイ、１２０１・・・マスク、１３０２・・・領域、１４０１・・・平行平板、１５００・・・偏光インテグレーター、１５０１・・・リターダー、１５０２・・・偏光ビームスプリッター。

Claims (11)

1. 光を出射する発光源と、
   画像が観測される観測位置および該観測位置に対応する出射角度で決まる変調画素を２次元配列した変調画素群に含まれる各変調画素に対し、前記光の強度及び該光の色を変調して該変調画素に対応するビームを生成する変調部と、
   前記変調画素群のうちのｍ列分（ｍは自然数）の第１変調画素群ごとに前記ビームを偏向して第１偏向ビームを生成する、前記変調画素の縦方向と平行な母線を有する第１偏向素子が、複数並列する第１偏向素子アレイと、
   前記第１変調画素群のうちのｎ行分（ｎは自然数）の第２変調画素群ごとに前記第１偏向ビームを偏向して第２偏向ビームを生成する、前記第１偏向素子の母線に対してｔａｎ^−１（α×ｍ／ｎ）の値（αは変調画素間隔の横の縦に対する比の値）で表される角度に傾斜した母線を有する第２偏向素子が、複数並列する第２偏向素子アレイと、を具備することを特徴する画像表示装置。
2. 前記第１偏向素子アレイおよび前記第２偏向素子アレイは、該第１偏向素子アレイの開口数ＮＡ_１と該第２偏向素子アレイの開口数ＮＡ_２とが、前記ｎ行分の前記第１偏向ビームについて、ｓｉｎ^−１（ＮＡ_１）×（ｎ−１）＝ｓｉｎ^−１（ＮＡ_２）の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 光を出射する発光源と、
   画像が観測される観測位置および該観測位置に対応する出射角度で決まる変調画素を２次元配列した変調画素群の各変調画素に対し、前記光の強度及び該光の色を変調して該変調画素に対応するビームを生成する変調部と、
   前記変調画素群のうちのｍ列分（ｍは自然数）の第１変調画素群ごとに前記ビームを偏向して第１偏向ビームを生成する、前記変調画素の縦方向と平行な母線を有する第１偏向素子が、複数並列する第１偏向素子アレイと、
   前記第１変調画素群のうちのｎ行分（ｎは自然数）の第２変調画素群ごとに前記第１偏向ビームを偏向して第２偏向ビームを生成する、前記第１偏向素子の母線に対して第１角度傾斜し、かつ前記ｎ行ごとに該第１角度の傾斜が反転した鋸状の母線を有する第２偏向素子が複数並列する第２偏向素子アレイと、を具備することを特徴とする画像表示装置。
4. 前記第１偏向ビームの幅をｗとし、前記第２偏向素子の幅をｐと定義する場合、前記第１角度は、θ_ｒ≦ｔａｎ^−１｛ｍ×（ｐ−ｗ）／（ｎ×ｐ）｝であることを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
5. 前記光変調部と前記第１偏向素子アレイとの間隙に前記光の照射位置及び該光の角度を変化させる画素ずらし素子をさらに具備するか、または前記第１偏向素子アレイと前記第２偏向素子アレイとの間隙に、前記第１偏向ビームの照射位置および該第１偏向ビームの角度を変化させる画素ずらし素子をさらに具備し、
   前記第１偏向素子アレイは、前記画素ずらし素子に応じて前記第１偏向ビームの幅を調整することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の画像表示装置。
6. 前記ｍの値と前記ｎの値とが等しいことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
7. 前記第１偏向素子アレイおよび前記第２偏向素子アレイは、シリンドリカルレンズ、プリズムおよび回折格子のいずれか１つにより形成されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
8. 前記第１偏向素子アレイおよび前記第２偏向素子アレイは、第１面に該第１偏向素子アレイを配置し、該第１面に対向する第２面に該第２偏向素子アレイを配置した平板で形成されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の画像表示装置。
9. 前記第１偏向素子アレイと前記第２偏向素子アレイとの間隙に、該第１偏向素子アレイおよび該第２偏向素子アレイと同等の屈折率を有する物質を入れることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の画像表示装置。
10. 前記第１偏向素子アレイと前記第２偏向素子アレイとの間隙に、光学的スリットおよび絞りのいずれか１つをさらに具備することを特徴する請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の画像表示装置。
11. 前記第２偏向ビームの拡散角度を調整し、該第２偏向ビームにより前記観測位置において視差画像を生成する拡散部をさらに具備することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の画像表示装置。

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