JP2017062295A - 立体画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全方向に視差を有する立体画像（静止画像および動画像）を再生することのできる立体画像表示装置を提供する。【解決手段】表示装置（１１，１２）が、多視点画像を表示する。第１結像部（１３）が、表示装置によって表示される複数の多視点画像を結像させる。投射結像光学系（１５，１６）が、複数の多視点画像の各々に対応し、多視点画像を投射する。第２結像部（１７）が、投射結像光学系から投射される複数の多視点画像を結像させる。なお、投射結像光学系は、複数の多視点画像が第２結像部において重畳するように多視点画像を投射する。光方向制御光学系（１８）が、第２結像部を透過した光線の方向を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示に関する。本発明は、特に立体画像表示装置に関する。

従来技術による投射型立体表示システムとして、複数のプロジェクターから、垂直方向に大きな拡散特性を有するスクリーンに映像を投射し、水平方向の視差による立体表示を行う方式が提案されている。特許文献１および特許文献２には、複数のプロジェクターを配置して立体表示を行うための装置等が記載されている。

特開２０１４−０３５３５３号公報 特開２０１０−０８１４４０号公報

特許文献１や特許文献２に記載されている方式では、プロジェクターユニットのサイズの制限により、横方向の視点間隔を密にできないという問題があった。具体的には、プロジェクターを横に並べるためには、プロジェクターとプロジェクターとの間隔を数十センチメートル空けて、設置せざるを得ない状況であった。また、このような横方向の間隔を回避するために、プロジェクターユニットを斜め配列にして、スクリーンに縦方向に大きく拡散するフィルムを使用し、水平のみの視差の立体表示を実現していた。

しかしながら、より質の高い立体表示を行うためには、水平方向および垂直方向の両方の視差を持つ自然な立体表示が求められる。水平方向および垂直方向の視差を有する立体像を実現するには、投射表示する多視点画像群を、高密度且つ多画素で表示する必要がある。

本発明は、上記の課題認識に基づいて行なわれたものであり、多視点画像群を高密度且つ多画素で表示することにより、全方向に視差を有する立体画像（静止画像および動画像）を再生することのできる立体画像表示装置を提供しようとするものである。

［１］上記の課題を解決するため、本発明の一態様による立体画像表示装置は、多視点画像を表示する表示装置と、前記表示装置によって表示される複数の多視点画像を結像させる第１結像部と、前記複数の多視点画像の各々に対応し、前記多視点画像を投射する投射結像光学系と、前記投射結像光学系から投射される複数の多視点画像を結像させる第２結像部と、前記第２結像部を透過した光線の方向を制御する光方向制御光学系と、を具備し、前記投射結像光学系は、前記複数の多視点画像が前記第２結像部において重畳するように前記多視点画像を投射する、ことを特徴とする。

［２］また、本発明の一態様は、上記の立体画像表示装置において、前記第１結像部における前記複数の多視点画像のうちの隣接しあう２つの多視点画像の光線同士が、前記光方向制御光学系の透過後になす角度が１度以下となるような配置間隔で、前記第１結像部における前記多視点画像を配置した、ことを特徴とする。

［３］また、本発明の一態様は、上記の立体画像表示装置において、前記第１結像部は、拡散スクリーンを有しており、前記投射結像光学系は、レンズアレイとアパーチャーアレイとで構成される、ことを特徴とする。

［４］また、本発明の一態様は、上記の立体画像表示装置において、前記第２結像部は、垂直方向の光拡散特性と水平方向の光拡散特性が異なる拡散スクリーンを有する、ことを特徴とする。

［５］また、本発明の一態様は、上記の立体画像表示装置において、前記光方向制御光学系は、垂直方向の焦点距離と水平方向の焦点距離とが異なるレンズである、ことを特徴とする。

［６］また、本発明の一態様は、上記の立体画像表示装置において、複数台の前記表示装置を具備し、複数台の前記表示装置は、その表示方向側から見て、縦方向の配列の方向と横方向の配列の方向とが略直交する直交格子状配置、横方向の配列位置が１行おきに同じである千鳥状配置、または、横方向の配列位置が１行ごとに所定量シフトしていくシフト状配置、のいずれかの配置で並べられている、ことを特徴とする。

［７］また、本発明の一態様は、上記の立体画像表示装置において、前記第１結像部における前記複数の多視点画像は、縦方向の配列の方向と横方向の配列の方向とが略直交する直交格子状配置、横方向の配列位置が１行おきに同じである千鳥状配置、または、横方向の配列位置が１行ごとに所定量シフトしていくシフト状配置、のいずれかの配置で並べられている、ことを特徴とする。

［８］また、本発明の一態様は、上記の立体画像表示装置において、複数台の前記表示装置を具備し、ある表示装置が表示する範囲である前記第１結像部上の領域と、隣接する他の表示装置が表示する範囲である前記第１結像部上の領域とは、少なくとも一部が重複している、ことを特徴とする。

［９］また、本発明の一態様は、上記の立体画像表示装置において、前記表示装置と前記第１結像部と前記投射結像光学系との組である投射結像光学ユニットを複数具備し、前記複数の投射結像光学ユニットから投射される光を合成する合成光学系、をさらに具備し、前記第２結像部は、前記合成光学系で合成された光による像を結像する、ことを特徴とする。

［１０］また、本発明の一態様は、上記の立体画像表示装置において、少なくとも３組の前記投射結像光学ユニットを具備し、前記投射結像光学ユニットがそれぞれ赤色画像と緑色画像と青色画像とを投射することにより、前記第２結像部上にカラー画像を結像させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、第１結像部では、高密度かつ高精細な多視点画像群を結像する。そして、投射結像光学系は、第１結像部で結像した上記の多視点画像群を第２結像部に重畳投射する。これにより、全方向に視差を持つ立体画像を再生することが可能となる。

本発明の第１実施形態による立体画像表示装置の構成、および光線の光路を示す概略図である。 同実施形態による複数のプロジェクターの配置パターンの例を示す概略図である。 同実施形態による第１結像面に表示される複数の多視点画像の配列のパターン例を示す概略図である。 第２実施形態による立体画像表示装置の構成、および光線の光路を示す概略図である。 第３実施形態による立体画像表示装置の構成、および光線の光路を示す概略図である。 第４実施形態による立体画像表示装置の構成、および光線の光路を示す概略図である。 第５実施形態による立体画像表示装置の構成、および光線の光路を示す概略図である。 実施形態の変形例４における多視点画像の配置間隔について説明するための概略図である。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態による立体画像表示装置の構成と、表示のための光線の光路を示す概略図である。なお、本実施形態の説明において、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸で構成される直交座標系を用いる場合がある。ｘ軸は、水平方向であって且つ画像の投射面に平行な方向であり、観察者側から投射面を見たときに向かって右側を正方向とする。ｙ軸は、鉛直方向であって、上側を正方向とする。ｚ軸は、水平方向であって且つ画像の投射面と垂直な方向であり、画像を投射する投射器側から観察者側に向かう方向を正方向とする。同図は、立体画像表示装置を上方向から（ｙ軸の正側から負側を）平面視した場合の構成を示している。また、同図中に、ｘ軸およびｚ軸の正方向を、それぞれ矢印とともに示している。

同図に示すように、立体画像表示装置１は、画像表示装置１２と、第１結像面１３と、多視点画像投射光学系１５と、第２結像面１７と、光方向制御光学系１８とを含んで構成される。立体画像表示装置１を構成するこれらの要素は、観察者から見て遠い側から、画像表示装置１２、第１結像面１３、多視点画像投射光学系１５、第２結像面１７、光方向制御光学系１８の順に配置される。観察者は、光方向制御光学系１８から出力される光を見て、立体画像を認識する。
以下で、これら各部について個別に説明する。

プロジェクター１１は、投射型ディスプレイ装置である。１つのプロジェクター１１は、複数の多視点画像の群を投射する。これらの多視点画像群の配置については、後述する。なお、プロジェクター１１が投射する多視点画像は、外部から入力される。これらの多視点画像群は、立体画像表示装置１が最終的に出力する立体画像（インテグラル画像）を基に、計算によっても求めることができるものである。もしくは、水平および垂直に移動するカメラや複数台のカメラで、多方向から実物体を撮影した多視点画像群でもよい。カメラで撮影した多視点画像が離散的で数が少ない場合は、画像処理により内挿補間して中間の多視点画像を生成し、画像数を増加してもよい。もしくは、実写やコンピュータグラフィックスの３次元モデルから生成された多視点画像群でもよい。なお、プロジェクター１１が、静止画の多視点画像を投射するようにしてもよいし、動画の多視点画像を投射するようにしてもよい。また、プロジェクター１１が、カラー画像を投射するようにしてもよいし、単色画像を投射するようにしても良い。カラー画像を投射する場合には、画素ごとにＲＧＢの各色を割り当てるようにしてもよいし、時分割でＲＧＢの各色の画像を出力するようにしても良い。時分割による方式を用いる場合には、小型のプロジェクター１１を用いて且つ高精細な画像を出力することができる。

画像表示装置１２は、複数のプロジェクター１１を配置して構成される。つまり、画像表示装置１２は、複数の多視点画像を表示する。
なお、プロジェクター１１（投射型表示装置）の代わりに直視型表示装置を用いても良い。また、画像表示装置１２を、プロジェクター１１で構成する代わりに、単一の高精細な２次元画像表示装置を用いて構成するようにしても良い。

第１結像面１３は、画像表示装置１２から出力される複数の多視点画像を結像させるためのスクリーンである。第１結像面１３を「第１結像部」とも呼ぶ。上記の画像表示装置１２は、画像を投射することにより、この第１結像面１３に高密度な画像を合成表示する。この第１結像面１３には、複数の多視点画像１４が所定の配置により結像表示されている。なお、この第１結像面１３には拡散スクリーンを配置して、結像画像を拡散させるようにしてもよい。ただし、画像表示装置１２内のプロジェクター１１からの投射光が並行光に近い状態である場合には、この拡散スクリーンを省くことができる。

多視点画像投射光学系１５は、第１結像面１３に形成されている各々の多視点画像１４を投射する。なお、多視点画像投射光学系１５は、内部に複数の投射光学系１６を配置して構成されている。
投射光学系１６は、多視点画像投射光学系１５内に配置される光学系（レンズ等）であり、各々の多視点画像１４に対応して一式の投射光学系１６が設けられている。各々の投射光学系１６は、多視点画像１４を拡大投射し、第２結像面１７上に結像させる。
つまり、多視点画像投射光学系１５は、複数の多視点画像１４の各々に対応し、多視点画像１４を投射するものである。例えば、レンズアレイとアパーチャーアレイとを用いて多視点画像投射光学系１５を構成するようにする。

なお、多視点画像投射光学系１５は、すべての多視点画像が第２結像面１７に重畳して結像するように、調整されている。また、第１結像面１３における個々の多視点画像１４が、第２結像面１７において結像する各要素画像内での画素に対応する。第２結像面１７上においてすべての多視点画像の画角やレジストレーションが合うように、投射光学系１６が設定されている。また、これらの多視点画像には画像補正処理がなされている。

第２結像面１７は、多視点画像投射光学系１５から投射される多視点画像を結像させるためのスクリーンである。第２結像面１７を「第２結像部」とも呼ぶ。第２結像面１７上には、拡散スクリーンを使用できる。この拡散スクリーンに関しては、垂直方向と水平方向の光拡散特性が同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。垂直方向と水平方向の光拡散特性が異なっている場合、水平方向の視域と垂直方向の視域が異なる立体画像を出力できるように制御することができる。第２結像面１７上には、多数の要素画像が結像する。第１結像面１３における多視点画像の数が、第２結像面１７における各要素画像で再生される立体像の光線数に相当する。

光方向制御光学系１８は、第２結像面１７を透過した光の方向を制御するために設けられる光学系である。つまり、光方向制御光学系１８の作用により、所望の方向に光線を再生するように、装置を構成する。再生された光は立体像として、観察者によって観察される。
光方向制御光学系１８として、通常、垂直方向と水平方向とで焦点距離が同一であるレンズを用いる。ただし、光方向制御光学系１８として、垂直方向の焦点距離と水平方向の焦点距離とが異なるレンズを用いてもよい。垂直方向と水平方向の焦点距離が異なる場合、出力する画像は、垂直方向または水平方向のいずれかに広がる。

図２は、本実施形態における複数のプロジェクターの配置パターンの例を示す概略図である。同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、観察者側から画像表示装置１２を見たときのプロジェクター１１の配置の例である。言い換えれば、同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、ｚ軸の正側から負側を見たときのプロジェクター１１の配置の例である。即ち、同図における横の方向がｘ軸の方向（右側がｘ軸の正の方向）であり、同図における縦の方向がｙ軸の方向（上側がｙ軸の正の方向）である。同図（ａ）は直交格子状配置のパターンを示し、同図（ｂ）は千鳥状配置のパターンを示し、同図（ｃ）はシフト状配置のパターンを示す。各パターンにおいて、配置されている長方形の箱が、それぞれプロジェクター１１に相当する。また、個々のプロジェクター１１のサイズは、すべて同一である。

同図（ａ）の直交格子状配置パターンでは、画像を投射する側を正面視したときに、同じ行にある複数のプロジェクター１１の上端および下端の縦方向の位置がそろっている。また、同じ列にある複数のプロジェクター１１の左端および右端の横方向の位置がそろっている。なお、直交格子状配置パターンの特殊な形態として正方格子状配置パターンとしてもよい。

同図（ｂ）の千鳥状配置パターンでは、画像を投射する側を正面視したときに、同じ行にある複数のプロジェクター１１の上端および下端の縦方向の位置がそろっている。また、奇数行目にある複数のプロジェクター１１の左端および右端の横方向の位置がそろっている。同様に、偶数行目にある複数のプロジェクター１１の左端および右端の横方向の位置がそろっている。しかしながら、奇数行目にあるプロジェクター１１の左端および右端の横方向の位置と、偶数行目にあるプロジェクター１１の左端および右端の横方向の位置とは、互いにずれている。つまり、各プロジェクター１１の左端および右端の横方向の位置が、一行おきにそろっている。
このようにプロジェクターを千鳥状に配置することにより、例えば同図（ａ）のように直交格子状に配置する場合に比べて、最終的に出力される立体画像において、観察者に、プロジェクターの境界が認識されにくくなるという効果が得られる。つまり、出力される立体画像の質が向上する。プロジェクターの境界が観察者に認識され得る要因は、例えば、１台のプロジェクターから投射される画像の中央部分と周辺部分とで明度の差がある場合や、第１結像面１３や第２結像面１７の拡散板の光拡散特性などである。

同図（ｃ）のシフト状配置パターンでは、画像を投射する側を正面視したときに、同じ行にある複数のプロジェクター１１の上端および下端の縦方向の位置がそろっている。また、プロジェクターの左端および右端の位置が、第ｎ行目、第ｎ＋１行目、第ｎ＋２行目、・・・（ｎは自然数）において、少しずつシフトしていく。つまり、１行分のｘ軸方向のシフト量をαとした場合、第ｎ行目の中のあるプロジェクター１１の左端のｘ軸方向の位置（ｘ座標値）をｘ＝ｘ_０とした場合、第ｎ＋１行目の中には、左端のｘ軸方向の位置がｘ＝ｘ_０＋αであるプロジェクターが存在する。また、第ｎ＋２行目の中には、左端のｘ軸方向の位置がｘ＝ｘ_０＋２αであるプロジェクターが存在する。そして、第ｎ＋３行目以後においても同様である。
このようにプロジェクターをシフト状に配置することにより、例えば同図（ａ）のように直交格子状に配置する場合に比べて、最終的に出力される立体画像において、観察者に、プロジェクターの境界が認識されにくくなるという効果が得られる。その理由は、上の千鳥状の配置に関して述べたことと同様である。

つまり、立体画像表示装置１は、複数台のプロジェクター１１を具備する。そして、これら複数台のプロジェクター１１は、その表示方向側（投射方向側）から見て、縦方向の配列の方向と横方向の配列の方向とが略直交する直交格子状配置、横方向の配列位置が１行おきに同じである千鳥状配置、または、横方向の配列位置が１行ごとに所定量シフトしていくシフト状配置、のいずれかの配置で並べるようにすることができる。

プロジェクター１１が投射する画像のサイズは、設計により適宜定めるようにする。一例として、１台のプロジェクター１１が第１結像面１３上に投射する画像（その画像は複数の多視点画像を含む）のサイズは、対角線長において数インチ（例えば５インチ）程度である。なお、１インチは約２．５４センチメートルに相当する。また、一例として、１台のプロジェクター１１が第１結像面１３上に投射する画像は、横３８４０画素×縦２１６０画素（いわゆる「４ｋ」）程度の解像度を有する。

次に、第１結像面１３に表示される多視点画像群の配列について説明する。
図３は、第１結像面１３に表示される複数の多視点画像１４の配列のパターン例を示す概略図である。同図は、観察者側から第１結像面を見た場合の正面図であり、横方向がｘ軸方向に、縦方向がｙ軸方向にそれぞれ対応する。同図において、破線で囲って示す領域３１および３３は、それぞれ、異なるプロジェクター１１によって投射され得る画像の表示範囲である。ここでは、便宜上、領域３１を表示範囲とするプロジェクターをプロジェクター１１−１とし、領域３３を表示範囲とするプロジェクターをプロジェクター１１−２とする。領域３１と領域３３とは、一部が互いに重なり合っている。具体的には、図示する例では、領域３１と領域３３とは、それぞれ５行４列の多視点画像の領域を含み、各領域内では多視点画像は直交格子状配置パターンを成している（図２（ａ）に示したパターン）。そして、領域３１の第４列と領域３３の第１列とが、重なり合っている。また、領域３１の各行と領域３３の各行とは、その上端および下端の縦方向の位置が合っている。また、プロジェクター１１−１によって表示される多視点画像（多視点画像１４−１とする）をハッチングパターン有りで示す。そして、プロジェクター１１−２によって表示される多視点画像（多視点画像１４−２とする）をハッチングパターンなし（つまり白色）で示している。そして、同図に例示する配置パターンでは、領域３１内の第４列において、第１行と第３行と第５行の多視点画像のみが、プロジェクター１１−１によって投射される多視点画像１４−１である。そして、領域３３内の第１列（領域３１内の第４列と重なる位置）において、第２行と第４行の多視点画像のみが、プロジェクター１１−２によって投射される多視点画像１４−２である。つまり、同図に例示するパターンにおいては、異なるプロジェクター１１−１と１１−２による表示領域の一部のみが重なり合っており、そしてその重なった領域において、両プロジェクターによる多視点画像が交互に配置されている。

つまり、立体画像表示装置１は、複数台のプロジェクターを具備し、それらのうちの一部がプロジェクター１１−１および１１−２である。そして、ある表示装置（プロジェクター１１−１）が表示する範囲である第１結像面上の領域（領域３１）と、隣接する他の表示装置（プロジェクター１１−２）が表示する範囲である第１結像面上の領域（領域３３）とは、少なくとも一部が重複している。

なお、図３に示した配列パターンは、プロジェクター１１からの投射画像の表示範囲を密に並べるためのパターンの一例である。多視点画像の配列のパターンは任意である。ただし、各プロジェクター１１からの投射画像の表示範囲は、隣接する他のプロジェクター１１からの投射画像の表示範囲との間の隙間が小さくなるようにすることが望ましい。

なお、多視点画像群の縦方向および横方向の数は、設計等により適宜定めればよい。多視点画像群の配列において、横方向（ｘ軸方向）の多視点画像群の数を多くすることは有効である。この場合、最終的に出力される立体画像の、横方向（水平方向）の視域を広くとることができるようになる。

［第２実施形態］
次に第２実施形態について説明する。なお、上述の実施形態と共通の事項については説明を省略する場合があり、本実施形態特有の事項を中心に説明する。
図４は、第２実施形態による立体画像表示装置の構成と、表示のための光線の光路を示す概略図（斜視図）である。同図に示すように、立体画像表示装置２は、画像表示装置４２と、第１結像面４３と、多視点画像投射光学系４５と、第２結像面４７と、光方向制御光学系４８とを含んで構成される。観察者は、光方向制御光学系４８から出力される光を見て、立体画像を認識する。

画像表示装置４２は、（Ｍ×Ｎ）個のプロジェクター４１を含む表示装置である。画像表示装置４２において、プロジェクター４１は、横方向にＭ個、縦方向にＮ個、正面視した場合に全体として直交格子状に配置される。

プロジェクター４１は、小型のプロジェクターであり、複数の多視点画像を第１結像面４３に投射表示する。各プロジェクター４１は、（Ｐ×Ｑ）個の多視点画像を投射表示する。各プロジェクター４１から投射される多視点画像は、横方向にＰ個、縦方向にＱ個、直交格子状に配置されているものである。

第１結像面４３は、画像表示装置４２から投射される複数の多視点画像を結像させるためのスクリーンである。上記の通り、横方向にＭ個、縦方向にＮ個の合計（Ｍ×Ｎ）個のプロジェクター４１のそれぞれから、横方向にＰ個、縦方向にＱ個の合計（Ｐ×Ｑ）個の多視点画像が投射表示される。第１結像面４３上には、横方向に（Ｐ×Ｍ）個、縦方向に（Ｑ×Ｎ）個の、合計（Ｐ×Ｍ×Ｑ×Ｎ）個の多視点画像が形成される。
図４において、個々の多視点画像４４は、第１結像面４３上の四角形として示されている。

多視点画像投射光学系４５は、各々の多視点画像４４に対応した投射光学系４６を直交格子状に配置して成るものである。多視点画像投射光学系４５は、上記の（Ｐ×Ｍ×Ｑ×Ｎ）個の多視点画像を拡大投影し、第２結像面４７上に結像させる。このとき、多視点画像投射光学系４５は、すべての多視点画像を第２結像面４７上で重畳させる。つまり、各多視点画像の中心位置や画角がすべてそろうように調整されている。
第２結像面４７には、拡散スクリーンが設けられている。

光方向制御光学系４８（レンズ）は、第２結像面４７から出力される光の光線方向を制御するレンズである。
多視点画像投射光学系４５に含まれ各多視点画像に対応した投射光学系４６の光軸と、光方向制御光学系４８の光軸とはシフトしているので、レンズシフト方式で投射結像するようにする。あるいは、多視点画像投射光学系４５の後に大きなコンデンサーレンズを設けて、投射結像方向を制御してもよい。

光方向制御光学系４８の焦点距離を、ほぼ、多視点画像投射光学系４５の焦点から第２結像面４７までの光路長に設定すると、光方向制御光学系４８を透過する光は、ほぼ平行光線として再生される。このとき、多視点画像４４の数（Ｐ×Ｍ×Ｑ×Ｎ）に相当する方向に光線を再生するいわゆるインテグラル立体視の状態での光線再生となり、水平に（Ｐ×Ｍ）方向、垂直に（Ｑ×Ｎ）方向の光線を再生する立体表示となる。
もしくは、光方向制御光学系４８の焦点距離を、各多視点画像４４からの光が観察者の位置近辺に集光するように設定すれば、いわゆる多眼立体視の状態に近い光線再生となり、水平方向に（Ｐ×Ｍ）視点、垂直方向に（Ｑ×Ｎ）視点の立体表示となる。
もしくは、光線再生をインテグラル立体と多眼立体の中間状態に設定してもよい。なお、本方式では、第２結像面４７に設けられる拡散スクリーンの拡散特性が、立体像の解像度や輝度むらに影響を与えるために、各表示方式に応じて、スクリーンの垂直と水平方向の拡散特性を適宜設定することで、画質を向上させることができる。

なお、本実施形態において、プロジェクター４１の配置のしかたは直交格子状配置には限られない。図２に示した千鳥状配置やシフト状配置等にしてもよい。また、本実施形態において、第１結像面４３において結像する多視点画像の配列のしかたは、任意である。

［第３実施形態］
次に第３実施形態について説明する。なお、前述の実施形態と共通の事項については説明を省略する場合があり、本実施形態特有の事項を中心に説明する。
図５は、第３実施形態による立体画像表示装置の構成と、表示のための光線の光路を示す概略図である。同図に示すように、立体画像表示装置３は、プロジェクター５１と、レンズ系５２と、第１結像面５３と、多視点画像投射光学系５５と、コンデンサーレンズ５６と、第２結像面５７と、光方向制御光学系５８とを含んで構成される。観察者は、光方向制御光学系５８から出力される光を見て、立体画像を認識する。

プロジェクター５１は、複数の多視点画像を投射する。
レンズ系５２は、プロジェクター５１からの投射光を屈折させる。プロジェクター５１による投射光は、レンズ系５２を経由することにより並行光に近い状態で第１結像面５３に入力される。
第１結像面５３は、レンズ系５２からの光を結像させるためのスクリーンである。第１結像面５３上には、複数の多視点画像５４が結像する。

第１結像面５３に到達する光が上記のように並行光である場合、または並行光に近い状態である場合、第１結像面５３上に拡散スクリーンを設ける必要がない。したがって、拡散スクリーンを透過させずに直接、多視点画像投射光学系５５に光を入射できるため、解像度の低下や光量のロスなどを防ぐことができる。

多視点画像投射光学系５５は、多視点画像５４を投射する。
コンデンサーレンズ５６は、多視点画像投射光学系５５からの投射光の投射結像方向を制御する。
第２結像面５７は、コンデンサーレンズ５６からの光を結像させるためのスクリーンである。この第２結像面５７には、拡散スクリーンを用いる。
光方向制御光学系５８は、第２結像面から出力される光の光線方向を制御する。
なお、本実施形態では、第２結像面５７の拡散スクリーンの後に光方向制御光学系５８を配置しているが、この拡散スクリーンの前に光方向制御光学系５８を配置してもよく、同じ効果を出すことができる。

なお、本実施形態において、プロジェクター５１の配置のしかたは直交格子状配置には限られない。図２に示した千鳥状配置やシフト状配置等にしてもよい。また、本実施形態において、第１結像面５３において結像する多視点画像の配列のしかたは、任意である。

［第４実施形態］
次に第４実施形態について説明する。なお、前述の実施形態と共通の事項については説明を省略する場合があり、本実施形態特有の事項を中心に説明する。
図６は、第４実施形態による立体画像表示装置の構成と、表示のための光線の光路を示す概略図である。同図に示すように、立体画像表示装置４は、第１結像投射光学系６１と、第２結像投射光学系６２と、合成光学系６３と、第２結像面６７と、光方向制御光学系６８とを含んで構成される。観察者は、光方向制御光学系６８から出力される光を見て、立体画像を認識する。

第１結像投射光学系６１と第２結像投射光学系６２は、それぞれ、プロジェクターと第１結像面と多視点画像投射光学系とを少なくとも含むものである。例えば、第１結像投射光学系６１と第２結像投射光学系６２とが、それぞれ、第３実施形態において説明したプロジェクター５１と、レンズ系５２と、第１結像面５３と、多視点画像投射光学系５５と、コンデンサーレンズ５６とを含むように構成する。なお、第１実施形態や第２実施形態などで説明した構成による第１結像投射光学系６１と第２結像投射光学系６２としてもよい。第１結像投射光学系６１と第２結像投射光学系６２とは、それぞれ、内部のプロジェクターから投射した複数の多視点画像を、内部の第１結像面で結像させて、内部の多視点画像投射光学系を経由して出射させる。これらの第１結像投射光学系６１と第２結像投射光学系６２からの光線は、合成光学系６３を経由して第２結像面６７に到達する。

つまり、立体画像表示装置４は、プロジェクター（表示装置）と第１結像面と多視点画像投射結像光学系との組である投射結像光学ユニット（第１結像投射光学系６１や第２結像投射光学系６２）を複数具備する。そして、合成光学系６３は、これら複数の投射結像光学ユニットから投射される光を合成する。そして、第２結像面６７は、合成光学系６３で合成された光による像を結像する。

合成光学系６３は、第１結像投射光学系６１および第２結像投射光学系６２からの多視点画像の投射光を合成して、第２結像面６７で結像させるための光学系である。例えば、ハーフミラーを用いて合成光学系６３を実現する。図示する構成においては、第１結像投射光学系６１から投射された多視点画像は、合成光学系６３（ハーフミラー）を透過して第２結像面６７に到達する。また、第２結像投射光学系６２から投射された多視点画像は、合成光学系６３（ハーフミラー）で反射して第２結像面６７に到達する。なお、第１結像投射光学系６１と第２結像投射光学系６２の出力光の偏光方向を、それぞれ水平と垂直にそろえておけば合成光学系６３に偏光ビームスプリッタが使用でき、効率よく合成できる。

第１結像投射光学系６１から投射される多視点画像と、第２結像投射光学系６２から投射される多視点画像とは、第２結像面６７において、重畳する。両者が正しく重なり合うように、各光学系は調整される。
光方向制御光学系６８は、第２結像面６７において合成結像した像を、立体再生する。

本実施形態による立体画像表示装置は、複数の結像投射光学系からの多視点画像の投射光を合成表示している。このような構成により、単一の結像投射光学系を用いる場合に比べて多視点画像の重畳数が増加するため、表示の輝度むらを低減したり、滑らかな運動視差が得られたり、奥行きの深い立体像を表示したりといったことを効果的に行える。

［第５実施形態］
次に第５実施形態について説明する。なお、前述の実施形態と共通の事項については説明を省略する場合があり、本実施形態特有の事項を中心に説明する。
図７は、第５実施形態による立体画像表示装置の構成と、表示のための光線の光路を示す概略図である。同図に示すように、立体画像表示装置５は、第１結像投射光学系７１と、第２結像投射光学系７２と、第３結像投射光学系７３と、合成光学系７４と、第２結像面７７と、光方向制御光学系７８とを含んで構成される。観察者は、光方向制御光学系７８から出力される光を見て、立体画像を認識する。立体画像表示装置５は、前実施形態における立体画像表示装置４と同様に、複数の結像投射光学系から投射される光を、合成光学系で合成し、第２結像面で結像させる。前実施形態における立体画像表示装置４が２系統の結像投射光学系からの光を合成していたのに対して、本実施形態の立体画像表示装置５においては、第１結像投射光学系７１と第２結像投射光学系７２と第３結像投射光学系７３の３系統からの光を合成光学系７４で合成する。合成光学系７４としてはハーフミラーや偏光ビームスプリッタを用いる。図示するように、立体画像表示装置５は２個の合成光学系７４を備える。そして、第１結像投射光学系７１および第２結像投射光学系７２からの光を、第１の合成光学系７４が合成する。そして、この合成された光と、第３結像投射光学系７３からの光とを、第２の合成光学系７４が合成する。こうして合成された第１結像投射光学系７１と第２結像投射光学系７２と第３結像投射光学系７３からの投射画像は、第２結像面で重畳して結像する。そして、光方向制御光学系７８は、第２結像面７７において合成結像した像を、立体再生する。

つまり、立体画像表示装置５は、プロジェクター（表示装置）と第１結像面と多視点画像投射結像光学系との組である投射結像光学ユニット（第１結像投射光学系７１や第２結像投射光学系７２や第２結像投射光学系７３）を複数具備する。そして、合成光学系７４は、これら複数の投射結像光学ユニットから投射される光を合成する。そして、第２結像面７７は、合成光学系７４で合成された光による像を結像する。

本実施形態による立体画像表示装置は、複数（３系統）の結像投射光学系からの多視点画像の投射光を合成表示している。このような構成により、単一の結像投射光学系を用いる場合に比べて多視点画像の重畳数が増加するため、表示の輝度むら低減したり、滑らかな運動視差が得られたり、奥行きの深い立体像を表示したりといったことを効果的に行える。

また、立体画像表示装置５において、光の色の三原色を、これら３系統の結像投射光学系の各々に対応させるようにしても良い。具体的には、例えば、第１結像投射光学系７１からは赤色（Ｒ）チャネルの画像を投射し、第２結像投射光学系７２からは緑色（Ｇ）チャネルの画像を投射し、第３結像投射光学系７３からは青色（Ｂ）チャネルの画像を投射するようにする。このように構成することにより、各チャネルの画素を高精細に保ちながら、且つ時分割方式を用いた場合のフレームレート（Ｒ・Ｇ・Ｂの各チャネルを一巡する周期の逆数）の低下を避けながら、三原色の混合によるカラー立体画像を表示することが可能となる。このときは、合成光学系７４としては、光の波長に帯域に応じて光の透過と屈折を行うダイクロイックミラーを用いる。
また、各原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）について、複数の結像投射光学系を割り当てても良い。

つまり、これらの場合、立体画像表示装置５は、少なくとも３組の投射結像光学ユニット（結像投射光学系）を具備する。そして、これらの投射結像光学ユニットが、それぞれ赤色画像と緑色画像と青色画像とを投射することにより、第２結像面７７上にカラー画像を結像させる。

以上、複数の実施形態を説明したが、本発明はさらに次のような変形例でも実施することが可能である。
［変形例１］図３において第１結像面上での多視点画像群の配置を例示した。同図では直交格子状に多視点画像を配置するパターンを示し、そのパターンについて説明した。上述した各実施形態において、多視点画像群を直交格子状に配置する代わりに、例えば、千鳥状に配置したり、シフト状に配置したりするようにしても良い。そのために、プロジェクター１１等から投射する画像内で、適切に多視点画像を配置するようにする。なお、ここでの「千鳥状」あるいは「シフト状」といった言葉の意味は、図２においてプロジェクターの配置に関して述べた「千鳥状」あるいは「シフト状」の意味と同様である。本変形例では、最終的に出力される立体画像において、観察者が明るさのムラ等を認識しにくくなる。つまり、最終的に出力される立体画像の質が向上する。
つまり、第１結像面における複数の多視点画像は、縦方向の配列の方向と横方向の配列の方向とが略直交する直交格子状配置、横方向の配列位置が１行おきに同じである千鳥状配置、または、横方向の配列位置が１行ごとに所定量シフトしていくシフト状配置、のいずれかの配置とすることができる。

［変形例２］図３において例示した多視点画像群の配置のしかたに代えて、上述した各実施形態において、多視点画像群をランダムに（または疑似ランダムに）配置するようにしても良い。本変形例においては、隣接（ないしは近接）する多視点画像同士の、縦方向の間隔および横方向の間隔がそれぞれ一定ではなくランダムである（または疑似的にランダムである、あるいはランダム性が高い）ように、多視点画像群を配置する。こうすることにより、多視点画像の配置についての規則性が小さくなり、最終的に出力される立体画像において、観察者が明るさのムラ等を認識しにくくなる。つまり、最終的に出力される立体画像の質が向上する。

［変形例３］上述した各実施形態およびその変形例において、各多視点画像の画素数や画素サイズを不均一とする。これにより、多視点画像についての規則性が小さくなり、最終的に出力される立体画像において、観察者が明るさのムラ等を認識しにくくなる。つまり、最終的に出力される立体画像の質が向上する。

［変形例４］この変形例では、第１結像面において結像する多視点画像を密に配置するようにする。
図８は、変形例４における多視点画像の配置間隔について説明するための概略図（断面図）である。第３実施形態の場合を例にとり、図示するように、多視点画像の配置間隔（ピッチ）をｐとする。隣接しあうこれら２つの多視点画像が、多視点画像投射光学系５５およびコンデンサーレンズ５６を通して第２結像面５７で結像し、さらに光方向制御光学系５８を透過した後に、両者光線がなす角度をθとする。また、多視点画像投射光学系５５の主点から光方向制御光学系５８の主点までの距離をＬとする。ｐに対してＬが充分に長い場合、ｐとＬとθの関係は、θ＝２ａｔａｎ（ｐ／２Ｌ）と表せる。つまり、ｐ＝２Ｌ・ｔａｎ（θ／２）である。ここで、ｔａｎ（）は正接関数であり、ａｔａｎ（）は逆正接関数である。θが所定の角度以下のときに、高密度に光線を再生することができる。具体的には、θを１度（degree）以下としたときに、第２結像面５７と観察者の間の距離(視距離)が１ｍ（メートル）の場合、第２結像面５７の面内のある１点からの観察者の両眼の間隔内(約６ｃｍ（センチメートル）)に再生される角度の異なる光線数は３本以上となり、光線が高密度であり、観察者の動きに応じたなめらかな運動視差のある立体像を再生できる。
つまり、本変形例では、上に示した式にしたがって、θが1度以下になるようにｐを定め、多視点画像群がこの条件を満たして第１結像面上に配置されるように構成する。つまり、第１結像面における複数の多視点画像のうちの隣接しあう２つの多視点画像の光線同士が、光方向制御光学系の透過後になす角度が１度以下となるような配置間隔で、第１結像面における多視点画像を配置する。即ち、プロジェクターは、そのような多視点画像の配置で画像の投射を行う。その結果として、高品質の立体像を再生することができる。
なお、ここでは第３実施形態を例にとって説明したが、他の実施形態において同様に大典画像群の配置間隔を定めるようにしてもよい。

なお、上に述べた各実施形態および変形例の構成のうち、技術的に組み合わせることのできるものは、組み合わせて実施するようにしてもよい。
以上、この発明の実施形態およびその変形例について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

本発明は、画像（静止画像や動画像）を表示する装置として利用可能である。例えば、本発明を立体テレビ受像機として利用可能である。

１，２，３，４，５ 立体画像表示装置
１１，１１−１，１１−２，４１，５１ プロジェクター（表示装置）
１２，４２ 画像表示装置（表示装置）
１３，４３，５３ 第１結像面（第１結像部）
１４，１４−１，１４−２，４４，５４ 多視点画像
１５，４５，５５ 多視点画像投射光学系
１６，４６，５６ 投射光学系
１７，４７，５７，６７，７７ 第２結像面（第２結像部）
１８，４８，５８，６８，７８ 光方向制御光学系
５２ レンズ系
５６ コンデンサーレンズ
６１，７１ 第１結像投射光学系
６２，７２ 第２結像投射光学系
６３，７４ 合成光学系
７３ 第３結像投射光学系

Claims (10)

1. 多視点画像を表示する表示装置と、
   前記表示装置によって表示される複数の多視点画像を結像させる第１結像部と、
   前記複数の多視点画像の各々に対応し、前記多視点画像を投射する投射結像光学系と、
   前記投射結像光学系から投射される複数の多視点画像を結像させる第２結像部と、
   前記第２結像部を透過した光線の方向を制御する光方向制御光学系と、
   を具備し、
   前記投射結像光学系は、前記複数の多視点画像が前記第２結像部において重畳するように前記多視点画像を投射する、
   ことを特徴とする立体画像表示装置。
2. 前記第１結像部における前記複数の多視点画像のうちの隣接しあう２つの多視点画像の光線同士が、前記光方向制御光学系の透過後になす角度が１度以下となるような配置間隔で、前記第１結像部における前記多視点画像を配置した、
   ことを特徴とする請求項１に記載の立体画像表示装置。
3. 前記第１結像部は、拡散スクリーンを有しており、
   前記投射結像光学系は、レンズアレイとアパーチャーアレイとで構成される、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の立体画像表示装置。
4. 前記第２結像部は、垂直方向の光拡散特性と水平方向の光拡散特性が異なる拡散スクリーンを有する、
   ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の立体画像表示装置。
5. 前記光方向制御光学系は、垂直方向の焦点距離と水平方向の焦点距離とが異なるレンズである、
   ことを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の立体画像表示装置。
6. 複数台の前記表示装置を具備し、
   複数台の前記表示装置は、その表示方向側から見て、縦方向の配列の方向と横方向の配列の方向とが略直交する直交格子状配置、横方向の配列位置が１行おきに同じである千鳥状配置、または、横方向の配列位置が１行ごとに所定量シフトしていくシフト状配置、のいずれかの配置で並べられている、
   ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の立体画像表示装置。
7. 前記第１結像部における前記複数の多視点画像は、縦方向の配列の方向と横方向の配列の方向とが略直交する直交格子状配置、横方向の配列位置が１行おきに同じである千鳥状配置、または、横方向の配列位置が１行ごとに所定量シフトしていくシフト状配置、のいずれかの配置で並べられている、
   ことを特徴とする請求項１から６までのいずれか一項に記載の立体画像表示装置。
8. 複数台の前記表示装置を具備し、
   ある表示装置が表示する範囲である前記第１結像部上の領域と、隣接する他の表示装置が表示する範囲である前記第１結像部上の領域とは、少なくとも一部が重複している、
   ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか一項に記載の立体画像表示装置。
9. 前記表示装置と前記第１結像部と前記投射結像光学系との組である投射結像光学ユニットを複数具備し、
   前記複数の投射結像光学ユニットから投射される光を合成する合成光学系、
   をさらに具備し、
   前記第２結像部は、前記合成光学系で合成された光による像を結像する、
   ことを特徴とする請求項１から８までのいずれか一項に記載の立体画像表示装置。
10. 少なくとも３組の前記投射結像光学ユニットを具備し、
    前記投射結像光学ユニットがそれぞれ赤色画像と緑色画像と青色画像とを投射することにより、前記第２結像部上にカラー画像を結像させる、
    ことを特徴とする請求項９に記載の立体画像表示装置。

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