JP2018101035A - 光学スクリーン、多視点映像表示装置および立体像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高解像度の映像を表示することが可能な光学スクリーンを提供する。【解決手段】光学スクリーン１は、マイクロレンズＬを２次元配列したレンズアレイ１０Ａと、複数の光ファイバーを束ねたファイバーオプティックプレート１１と、レンズアレイ１０Ａと同一の２次元配列でマイクロレンズＬを配列したレンズアレイ１０Ｂと、を備え、ファイバーオプティックプレート１１の光が入力する面から、レンズアレイ１０Ａの焦点距離近傍にレンズアレイ１０Ａを配置し、ファイバーオプティックプレート１１の光が出力する面から、レンズアレイ１０Ｂの焦点距離近傍にレンズアレイ１０Ｂを配置する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学スクリーン、ならびに、この光学スクリーンを備えた多視点映像表示装置および立体像表示装置に関する。

従来、入射光線を入射方向と同じ経路に反射する再帰性反射スクリーンや、入射光線をその入射角度に応じて特定の角度の方向に透過する光透過性スクリーンがある。このような特性を持つ指向性スクリーンは、複数のプロジェクタを使った投射型立体表示用のスクリーン等に応用されている（非特許文献１、非特許文献２参照）。

また、従来の指向性スクリーン技術には、コーナーキューブミラー方式、ビーズ方式、ホログラム方式がある。
コーナーキューブミラー方式は、３枚の平面鏡を直角に組み合わせた３面体キューブコーナー素子をアレイ状に配置し、入射光線を３つの鏡面で反射することで、光を入射方向にそのまま反射する方式である。
また、ビーズ方式は、入射した光が球状のガラスビーズの中に入るときに屈折し、球面上の一点で焦点を結び、ガラスビーズの裏にある反射膜により反射してガラスビーズを出るときに再度屈折することで、光を入射方向にそのまま反射する方式である。
また、ホログラム方式は、スクリーンに記録した干渉縞により光を回折させ、光の方向性を制御する方式である。

T. Okoshi, A.Yano, and Y. Fukumori,"Curved Triple-Mirror Screen for Projection-Type Three-Dimensional Display", Applied Optics, Vol.10, No.3, pp.482-489 (1971) Xinzhu Sang, Frank C. Fan, C. C. Jiang, Sam Choi, Wenhua Dou, Chongxiu Yu, and Daxiong Xu,"Demonstration of a large-size real-time full-color three-dimensional display", Optics Letters, Vol.34, No.24, pp.3803-3805 (2009)

従来のコーナーキューブミラー方式のスクリーンは、３つの鏡面を均等に配置するという３面体キューブコーナー素子の形状から、その製作が難しい。さらに、コーナーキューブミラー方式のスクリーンに高解像度の画像を表示するためには、サブｍｍ程度の微小な３面体キューブコーナー素子を製作する必要があるため、技術的に困難である。

また、従来のビーズ方式のスクリーンは、その特性がビーズ（球状レンズ）の光学的な特性に依存するため、画像を表示するためには、精度のよい高品質な球状レンズを精度よく配置する必要であり、製作が困難である。
また、ホログラム方式のスクリーンは、回折しない０次回折光や高次の回折光によって、観察者が不要な光を認識してしまうという問題がある。

そこで、本発明は、簡易な構成で高解像度の映像を表示することが可能な光学スクリーン、ならびに、この光学スクリーンを備えた多視点映像表示装置および立体像表示装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る光学スクリーンは、光を透過する透過型の光学スクリーンであって、マイクロレンズを２次元配列した第１レンズアレイと、複数の光ファイバーを束ねたファイバーオプティックプレートと、前記第１レンズアレイと同一の２次元配列でマイクロレンズを配列した第２レンズアレイと、を備え、前記ファイバーオプティックプレートの光が入射する面から、前記第１レンズアレイの焦点距離近傍に前記第１レンズアレイを配置し、前記ファイバーオプティックプレートの光が出射する面から、前記第２レンズアレイの焦点距離近傍に前記第２レンズアレイを配置した。

また、前記課題を解決するため、本発明に係る光学スクリーンは、光を反射する反射型の光学スクリーンであって、マイクロレンズを２次元配列したレンズアレイと、複数の光ファイバーを束ねたファイバーオプティックプレートと、光を反射する反射板と、を備え、前記ファイバーオプティックプレートの光が入射する面から、前記レンズアレイの焦点距離近傍に前記レンズアレイを配置し、前記ファイバーオプティックプレートの光が出射する面に、前記反射板を配置した。

かかる構成によれば、光学スクリーンは、ファイバーオプティックプレートの光の入射側と出射側とにレンズアレイが配置される。
このとき、ほぼ平行光とみなせる入射光は、レンズアレイ（第１レンズアレイ）によって、ファイバーオプティックプレートの光が入射する面に集光し、ファイバーオプティックプレート内を伝搬する。そして、ファイバーオプティックプレートから出射される光、あるいは、さらに反射板を介して反射し逆経路でファイバーオプティックプレートを伝搬してファイバーオプティックプレートから出射される光は、レンズアレイ（第２レンズアレイ）によって、ほぼ平行光となって出射される。
このファイバーオプティックプレートは微細な光ファイバーで構成されているため、光学スクリーンは、高解像度の映像を、劣化を抑えて表示することができる。

なお、光学スクリーンのファイバーオプティックプレートとレンズアレイとの距離を厳密な焦点距離としない構成や、光路上に拡散板を設けることで、光学スクリーンは、光線の指向性を保持しつつ、光線の広がりを調整することができる。

また、前記課題を解決するため、本発明に係る多視点映像表示装置は、多視点映像を表示する多視点映像表示装置であって、視点位置の異なる映像を表示する複数の表示装置と、前記複数の表示装置で表示される映像の光を透過する透過型の光学スクリーンと、を備える構成としてもよい。

また、前記課題を解決するため、本発明に係る多視点映像表示装置は、多視点映像を表示する多視点映像表示装置であって、視点位置の異なる映像を表示する複数の表示装置と、前記複数の表示装置で表示される映像の光を反射する反射型の光学スクリーンと、前記複数の表示装置と前記光学スクリーンとの間に配置され、前記表示装置で表示される映像の光を前記光学スクリーンで透過し、前記光学スクリーンから出射される光を反射するハーフミラーと、を備える構成としてもよい。

また、前記課題を解決するため、本発明に係る立体像表示装置は、立体像を表示する立体像表示装置であって、視点位置の異なる３次元モデルの被写体空間を仮想的に撮像した映像を表示する複数の表示装置と、前記表示装置で表示される映像の光を平行光に変換するコリメーターレンズと、前記コリメーターレンズで変換された平行光を透過する透過型の光学スクリーンと、を備える構成としてもよい。

また、前記課題を解決するため、本発明に係る立体像表示装置は、立体像を表示する立体像表示装置であって、視点位置の異なる３次元モデルの被写体空間を仮想的に撮像した映像を表示する複数の表示装置と、前記表示装置で表示される映像の光を平行光に変換するコリメーターレンズと、前記コリメーターレンズで変換された平行光を反射する反射型の光学スクリーンと、前記コリメーターレンズと前記光学スクリーンとの間に配置され、前記コリメーターレンズで変換された平行光を前記光学スクリーンで透過し、前記光学スクリーンから出射される光を反射するハーフミラーと、を備える構成としてもよい。

本発明は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
本発明によれば、レンズアレイと、微細な光ファイバーで構成されるファイバーオプティックプレートとを用いた簡易な構成で、指向性を保持して高解像度の映像を表示することができる。
また、本発明によれば、複数の表示装置と、レンズアレイおよびファイバーオプティックプレートを用いた光学スクリーンとを用いた簡易な構成で、高精細な多視点映像や立体像を表示することが可能になる。

本発明の第１実施形態に係る光学スクリーンの構造を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は分解斜視図である。 ＦＯＰを構成する光ファイバーの内部構造を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る光学スクリーンの光線方向の概要を説明するための説明図である。 本発明の第１実施形態に係る光学スクリーンの光線方向の詳細を説明するための説明図である。 本発明の第１実施形態に係る光学スクリーンの光線の広がり角を説明するための説明図である。 本発明の第１実施形態に係る光学スクリーンの光線の広がり角を説明するための説明図であって、（ａ）はＦＯＰとレンズアレイとの距離が焦点距離よりも長い場合、（ｂ）はＦＯＰとレンズアレイとの距離が焦点距離よりも短い場合を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光学スクリーンの構造を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は分解斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る光学スクリーンの光線方向および光線の広がりを説明するための説明図である。 本発明の第３実施形態に係る光学スクリーンの構造を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は分解斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る光学スクリーンの光線方向および光線の広がりを説明するための説明図である。 本発明の第４実施形態に係る光学スクリーンの構造を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は分解斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る光学スクリーンの光線方向を説明するための説明図である。 本発明の第４実施形態に係る光学スクリーンの光線の広がり角を説明するための説明図である。 本発明の第４実施形態に係る光学スクリーンの変形例の光線の広がり角を説明するための説明図である。 本発明の第４実施形態に係る光学スクリーンの変形例の光線の広がり角を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る光学スクリーンの光線の細線化を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る光学スクリーンの光線の細線化を説明するための説明図であって、（ａ）は光の入力側に遮蔽板を備えた構成、（ｂ）は光の出力側に遮蔽板を備えた構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る透過型の光学スクリーンを備えた多視点映像表示装置の構成を示す構成図である。 本発明の第４実施形態に係る反射型の光学スクリーンを備えた多視点映像表示装置の構成を示す構成図である。 本発明の第１実施形態に係る透過型の光学スクリーンを備えた立体像表示装置の構成を示す構成図である。 本発明の第４実施形態に係る反射型の光学スクリーンを備えた立体像表示装置の構成を示す構成図である。 本発明の第１実施形態に係る透過型の光学スクリーンを備えた立体像表示装置の変形例の構成を示す構成図である。 本発明の第４実施形態に係る反射型の光学スクリーンを備えた立体像表示装置の変形例の構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
≪光学スクリーン≫
〔第１実施形態〕
最初に、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る光学スクリーン１の構成について説明する。

光学スクリーン１は、光を透過する透過型スクリーンである。
この光学スクリーン１は、２枚のレンズアレイ１０（１０Ａ，１０Ｂ）とファイバーオプティックプレート（以下、ＦＯＰ）１１と、を備える。

光学スクリーン１は、図１（ａ）の側面図、図１（ｂ）の分解斜視図に示すように、ＦＯＰ１１を挟んで、光の入射側（背面側）にレンズアレイ（第１レンズアレイ）１０Ａ、光の出射側（正面側）にレンズアレイ（第２レンズアレイ）１０Ｂを、それぞれ予め定めた距離だけＦＯＰ１１から離間して配置して構成する。この予め定めた距離は、それぞれレンズアレイ１０Ａ，１０Ｂのおおよそ焦点距離であるが、厳密に焦点距離である必要はない。なお、レンズアレイ１０Ａ，１０ＢおよびＦＯＰ１１は、図示を省略した枠部材によって連結される。

レンズアレイ１０は、複数のマイクロレンズＬを平面上で所定の配列パターンで２次元配列したものである。
マイクロレンズＬの形状は、図１では円形で表しているが、非レンズ部分が生じないように、配列パターンに応じた正方形状、ハニカム形状等が好ましい。
また、マイクロレンズＬの大きさは、光学スクリーン１に表示する画像の１画素の大きさよりも小さいサイズとする。例えば、光学スクリーン１に表示する画像の１画素の大きさを１ｍｍ角とした場合、マイクロレンズＬの大きさは、それよりも十分小さいサイズ、例えば、０．５ｍｍ程度以下とする。

ＦＯＰ１１は、微小な径の光ファイバーを束にした光学デバイスである。図２に示すように、ＦＯＰ１１を構成する個々の光ファイバー（素線）ＦＢは、中心部のコアＣＯと、周辺部のクラッドＣＬと、最外周の吸収体ＬＡとで形成されている。
この光ファイバー（素線）ＦＢは、固有の開口数（Numerical Aperture：ＮＡ）で定められる最大受光角度θ_ｍａｘ以内の光でコアＣＯとクラッドＣＬとの境界面で全反射した光のみが伝搬され、全反射しない光は吸収体ＬＡで吸収される。
光ファイバーＦＢの素線の直径は、マイクロレンズＬの大きさよりも十分小さいサイズとする。例えば、マイクロレンズＬの大きさを０．５ｍｍ程度とした場合、光ファイバー（ファイバー素線）ＦＢの直径は、３μｍ〜１０μｍとする。

このように光学スクリーン１を構成することで、図３に示すように、光学スクリーン１は、背面からほぼ平行光線とみなせる光を入射されて、レンズアレイ１０Ａによって、入射光をＦＯＰ１１の端面Ａに照射する。そして、光学スクリーン１は、ＦＯＰ１１によって、光をファイバー素線内で伝搬させて端面Ｂから出射する。そして、光学スクリーン１は、レンズアレイ１０Ｂによって、ＦＯＰ１１の端面Ｂからの光を出射する。このとき、レンズアレイ１０Ａとレンズアレイ１０Ｂとの仕様を同一にして、個々のマイクロレンズＬの位置（配列）も同じとすれば、光学スクリーン１への入射光は、その入射角度の応じた方向の出射光として出力されることになる。

（光線の方向について）
ここで、図４を参照して、光学スクリーン１で入出射する光線の方向（指向性）について具体的に説明する。ここでは、レンズアレイ１０Ａの焦点距離をｆ_１、レンズアレイ１０ＡとＦＯＰ１１との距離をｍ_１、レンズアレイ１０Ｂの焦点距離をｆ_２、ＦＯＰ１１とレンズアレイ１０Ｂとの距離をｍ_２とする。
入射角度θ_１で光学スクリーン１に入射した光は、レンズアレイ１０Ａの個々のマイクロレンズＬの中心位置に対向するＦＯＰ１１の端面Ａの位置からｘの距離に集光する。この距離ｘは、以下の式（１）となる。

一方、ＦＯＰ１１の端面Ａに集光した光は、ＦＯＰ１１のファイバー素線内を伝搬し、端面Ｂから出射される。このとき、レンズアレイ１０Ｂから出射される光の出射角度θ_２は、以下の式（２）となる。

ここで、ｆ_１＝ｍ_１、ｆ_２＝ｍ_２、ｆ_１＝ｆ_２であれば、θ_１＝θ_２となり、光学スクリーン１は、入射した光を、入射角度と同じ出射角度で出射する。
もし、ｆ_１≠ｆ_２であれば、入射光と出射光の角度比は、以下の式（３）となる。

これによって、光学スクリーン１は、光の指向性を実現することができる。

（広がり角について）
次に、図５を参照して、光学スクリーン１で入出射する光線の広がり角について説明する。ここで、レンズアレイ１０Ａの焦点距離をｆ_１、レンズアレイ１０ＡとＦＯＰ１１との距離をｍ_１、レンズアレイ１０Ｂの焦点距離をｆ_２、ＦＯＰ１１とレンズアレイ１０Ｂとの距離をｍ_２とする。なお、ｆ_１≠ｍ_１（図５の例では、ｆ_１＜ｍ_１）、ｆ_２＝ｍ_２とする。

光学スクリーン１に入射した光（平行光）は、レンズアレイ１０Ａを介して、ＦＯＰ１１の端面Ａの１点に集光せず、幅（広がり）を持った光となる。また、ＦＯＰ１１の端面Ｂの光も幅（広がり）を持つため、レンズアレイ１０Ｂを介して出射される光線は、広がり角を持つ光となる。
ここで、ＦＯＰ１１への光の幅をｗとすると、指向性を持った光線の広がり角φは、おおよそ以下の式（４）となる。

このように、光学スクリーン１は、レンズアレイ１０ＡとＦＯＰ１１との距離を、レンズアレイ１０Ａの焦点距離近傍で焦点距離からずらして配置することで、ＦＯＰ１１内を伝搬する光の幅ｗが変化し、出射する光の指向性の広がり角φを制御することができる。

一般に光線再生方式による立体表示において、自然な運動視差を得るには、各光線間の角度ピッチは１度程度以下、もしくは、より理想的には０．２度程度以下が望ましい。表示システムの光線角度ピッチに応じて、レンズアレイ１０ＡとＦＯＰ１１との距離を調整し、光線の広がり角を設定すれば、なめらかな運動視差を得ることができる。ここで、レンズアレイ１０Ａのレンズピッチをｐとすると、前記式（４）のｗは、以下の式（５）となる。

そのため、前記式（４）は以下の式（６）となる。

ここで、ｆ_１＝ｆ_２とすると、以下の式（７）となる。

例えば、ｆ_１＝ｆ_２＝２ｍｍ、ｐ＝１ｍｍとし、光線の広がり角φがほぼ１度となる場合を式（７）により計算すると、以下の式（８）となる。

また同様に、光線の広がり角φがより理想的な角度として、ほぼ０．２度となる場合を式（７）により計算すると、以下の式（９）となる。

以上より、レンズアレイ１０ＡとＦＯＰ１１との距離は、おおよそ焦点距離の±５％以内、より理想的には、焦点距離の±１％以内とすることが好ましい。

なお、広がり角の制御は、レンズアレイ１０ＡとＦＯＰ１１との距離を焦点距離からずらす以外に、ＦＯＰ１１とレンズアレイ１０Ｂとの距離をレンズアレイ１０Ｂの焦点距離近傍で焦点距離からずらして配置することでも実現することができる。図６は、ＦＯＰ１１とレンズアレイ１０Ｂとの距離をレンズアレイ１０Ｂの焦点距離からずらして配置した場合において、光学スクリーン１に入射した光（平行光）が、広がりをもって出射する様子を示した図である。図６（ａ）は、ｆ_１＝ｍ_１、ｆ_２＜ｍ_２の状態、図６（ｂ）は、ｆ_１＝ｍ_１、ｆ_２＞ｍ_２の状態を示している。

この広がり角は、後記する図１８〜図２３で説明するように、光学スクリーン１を多視点映像表示装置２や立体像表示装置３に用いる場合に有効である。すなわち、光学スクリーン１に投射する複数のプロジェクタ２０（図１８）の数が少ない場合、光線に広がり角を持たせることで、光線間の隙間を埋めることができる。なお、この広がり角は、観察者が光線間の隙間や光線の重複を視認しない程度の角度に設定することが好ましい。

〔第２実施形態〕
次に、図７を参照して、本発明の第２実施形態に係る光学スクリーン１Ｂの構成について説明する。

光学スクリーン１Ｂは、光を透過する透過型スクリーンである。
この光学スクリーン１Ｂは、２枚のレンズアレイ１０（１０Ａ，１０Ｂ）とＦＯＰ１１と、拡散板１２と、を備える。具体的には、光学スクリーン１Ｂは、図７（ａ）の側面図、図７（ｂ）の分解斜視図に示すように、光の入射側（背面側）から、レンズアレイ１０Ａ、ＦＯＰ１１、拡散板１２、レンズアレイ１０Ｂの順に配置されて構成される。

レンズアレイ１０ＡとＦＯＰ１１とは予め定めた距離だけ離間し、拡散板１２とレンズアレイ１０Ｂとは予め定めた距離だけ離間している。この予め定めた距離は、それぞれレンズアレイ１０Ａ，１０Ｂのおおよそ焦点距離であるが、厳密に焦点距離である必要はない。また、ＦＯＰ１１と拡散板１２とは、ＦＯＰ１１の光の出射面と拡散板１２の光の入射面とで接している。図７（ｂ）は分解図であるため、ＦＯＰ１１と拡散板１２とを離間して図示している。なお、レンズアレイ１０Ａ、ＦＯＰ１１、拡散板１２およびレンズアレイ１０Ｂは、図示を省略した枠部材によって連結される。
拡散板１２以外の構成は、図１で説明した光学スクリーン１と同じものであるため、説明を省略する。

拡散板１２は、入射した光を拡散させて出射するものである。この拡散板１２は、ＦＯＰ１１の光の出射側に面して配置され、ＦＯＰ１１から出射される光を拡散して、レンズアレイ１０Ｂに出射する。
なお、この拡散板１２は、予め固定の拡散角特性を有する拡散板を用いてもよいし、拡散角特性を制御可能な拡散板を用いてもよい。拡散角特性を制御可能な拡散板としては、例えば、電圧の制御によって、拡散の度合いを変更できるポリマー分散型液晶を用いた拡散フィルムを用いることができる。また、拡散板１２は、垂直方向と水平方向とで異なる拡散角特性を有する拡散板を用いてもよい。

以上説明した光学スクリーン１Ｂの構成とすることで、図８に示すように、光学スクリーン１Ｂは、背面からほぼ平行光線とみなせる光を入射されることで、レンズアレイ１０Ａによって、入射光をＦＯＰ１１の端面Ａに集光する。そして、光学スクリーン１Ｂは、ＦＯＰ１１によって、光をファイバー素線内で伝搬させて端面Ｂから出射する。そして、光学スクリーン１Ｂは、拡散板１２によって、当該拡散板１２が有する分散度（拡散光の広がりを示す指標）で光を拡散させる。そして、光学スクリーン１Ｂは、レンズアレイ１０Ｂによって、拡散板１２からの出力光（拡散光）を出射する。このとき、レンズアレイ１０Ｂは、拡散板１２からの出力光の角度に応じた方向に光を出力することになる。
これによって、光学スクリーン１Ｂは、指向性のある光線に広がり角を持たせて出射することができる。

〔第３実施形態〕
次に、図９を参照して、本発明の第３実施形態に係る光学スクリーン１Ｃの構成について説明する。
光学スクリーン１Ｃは、光を透過する透過型スクリーンである。
この光学スクリーン１Ｃは、２枚のレンズアレイ１０（１０Ａ，１０Ｂ）と２枚のＦＯＰ１１（１１Ａ，１１Ｂ）と、を備える。なお、レンズアレイ１０（１０Ａ，１０Ｂ）およびＦＯＰ１１（１１Ａ，１１Ｂ）の個々の構成は、図１で説明した光学スクリーン１と同じものであるため説明を省略する。

光学スクリーン１Ｃは、図９（ａ）の側面図、図９（ｂ）の分解斜視図に示すように、光の入射側（背面側）から、レンズアレイ（第１レンズアレイ）１０Ａ、ＦＯＰ（第１ファイバーオプティックプレート）１１Ａ、ＦＯＰ（第２ファイバーオプティックプレート）１１Ｂ、レンズアレイ（第２レンズアレイ）１０Ｂの順に配置されて構成される。なお、レンズアレイ１０Ａ、ＦＯＰ１１Ａ、ＦＯＰ１１Ｂおよびレンズアレイ１０Ｂは、図示を省略した枠部材によって連結される。

レンズアレイ１０ＡとＦＯＰ１１Ａとは予め定めた距離だけ離間し、ＦＯＰ１１Ｂとレンズアレイ１０Ｂとは予め定めた距離だけ離間している。この予め定めた距離は、それぞれレンズアレイ１０Ａ，１０Ｂのおおよそ焦点距離であるが、厳密に焦点距離である必要はない。
また、ＦＯＰ１１ＡとＦＯＰ１１Ｂとは、予め定めた距離だけ離間している。ＦＯＰ１１ＡとＦＯＰ１１Ｂとを離間させることで、その離間距離とＦＯＰ１１の特性に応じて、光の広がり角を制御することができる。

ここで、図１０を参照して、光学スクリーン１Ｃの光線の方向について説明する。ここでは、レンズアレイ１０Ａの焦点距離をｆ_１、レンズアレイ１０ＡとＦＯＰ１１Ａとの距離をｍ_１、レンズアレイ１０Ｂの焦点距離をｆ_２、ＦＯＰ１１Ｂとレンズアレイ１０Ｂとの距離をｍ_２とする。なお、ｆ_１＝ｍ_１、ｆ_２＝ｍ_２とする。また、ＦＯＰ１１ＡとＦＯＰ１１Ｂとの距離をｄとする。

光学スクリーン１Ｃに入射した光（平行光）は、レンズアレイ１０Ａを介して、ＦＯＰ１１Ａの端面Ａに集光する。そして、その集光した光は、ＦＯＰ１１Ａの端面Ｂから出射される。この端面Ｂからの光は、ＦＯＰ１１Ａを構成する光ファイバーの開口数ＮＡに依存する光の最大の受光角度（最大受光角度）で出射される。
図２に示す光ファイバーＦＢにおいて、開口数ＮＡは、以下の式（１０）で表される。

ここで、ｎ_１は光ファイバーＦＢのコアＣＯの屈折率、ｎ_２はクラッドＣＬの屈折率、θ_ｍａｘは最大受光角度である。
すなわち、図１０に示すように、光学スクリーン１ＣのＦＯＰ１１Ａの端面Ｂから出射される光は、ＦＯＰ１１Ａの開口数ＮＡに応じて広がる。その広がり幅ｗは、ＦＯＰ１１Ａの最大受光角度θ_ｍａｘと、ＦＯＰ１１ＡおよびＦＯＰ１１Ｂの距離ｄとにより、以下の式（１１）で表される。

このように、ＦＯＰ１１Ａの端面Ｂから出射される光は、ＦＯＰ１１Ｂの端面Ｃにおいて、広がり幅ｗの光となる。そして、ＦＯＰ１１Ｂは、光を伝搬させて端面Ｄより出射する。この端面Ｄの光は広がりを持つため、図５で説明したのと同様に、端面Ｄからの光がレンズアレイ１０Ｂを介して出射される光線は、広がり角を持つ光となって出射される。
以上説明したように、光学スクリーン１Ｃは、ＦＯＰ１１ＡとＦＯＰ１１Ｂとの距離ｄと、ＦＯＰ１１Ａの特性（開口数ＮＡ）とにより、光の広がり角を制御することができる。

〔第４実施形態〕
次に、図１１を参照して、本発明の第４実施形態に係る光学スクリーン１Ｄの構成について説明する。

光学スクリーン１Ｄは、光を反射する反射型スクリーンである。
この光学スクリーン１Ｄは、レンズアレイ１０と、ＦＯＰ１１と、反射板１３と、を備える。具体的には、光学スクリーン１Ｄは、図１１（ａ）の側面図、図１１（ｂ）の分解斜視図に示すように、光が入射する側から、レンズアレイ１０、ＦＯＰ１１、反射板１３の順に配置されて構成される。

レンズアレイ１０とＦＯＰ１１とは予め定めた距離だけ離間している。この予め定めた距離は、レンズアレイ１０のおおよそ焦点距離であるが、厳密に焦点距離である必要はない。レンズアレイ１０とＦＯＰ１１との距離は、おおよそ焦点距離の±５％以内、より理想的には、焦点距離の±１％以内とすることが好ましい。
また、ＦＯＰ１１と反射板１３とは、ＦＯＰ１１の光の出射面で接している。図１１（ｂ）は分解図であるため、ＦＯＰ１１と反射板１３とを離間して図示している。なお、レンズアレイ１０、ＦＯＰ１１および反射板１３は、図示を省略した枠部材によって連結される。
反射板１３以外の構成は、図１で説明した光学スクリーン１と同じものであるため、説明を省略する。

反射板１３は、反射面において、光を反射させるものである。この反射板１３は、光を鏡面反射（正反射）させる一般的な鏡等であって、光の入射角と反射角とが、反射面に対して同じ角度となるように光を反射させる。すなわち、反射板１３は、ＦＯＰ１１が出射する光をＦＯＰ１１に反射させる。

以上説明した光学スクリーン１Ｄの構成とすることで、図１２に示すように、光学スクリーン１Ｄは、入射光を、レンズアレイ１０の個々のマイクロレンズＬの中心位置に対向するＦＯＰ１１の端面Ａの位置から入射角度に応じた位置に集光する。この集光位置は、図４で説明したとおりである。

ＦＯＰ１１の端面Ａに集光した光は、ＦＯＰ１１のファイバー素線内を伝搬し端面Ｂに到達する。ここまで伝搬した光は、端面Ｂに面した反射板１３によって反射され、再度、ＦＯＰ１１のファイバー素線内を伝搬し、入射方向と同じ反射光として、端面Ａから出射される。
これによって、光学スクリーン１Ｄは、反射型スクリーンとして、光の指向性を実現することができる。

なお、第１実施形態から第３実施形態の透過型の光学スクリーン１，１Ｂ，１Ｃ（図１，図７，図９）は、２枚のレンズアレイ１０を対向して配置する必要があるが、光学スクリーン１Ｄは、入射光と出射光とが同一のレンズアレイ１０を経由する。そのため、光学スクリーン１Ｄは、レンズの位置調整を行う必要がない。

（広がり角について）
次に、図１３を参照して、光学スクリーン１Ｄで入出射する光線の広がり角について説明する。ここで、レンズアレイ１０の焦点距離をｆ_１、レンズアレイ１０とＦＯＰ１１との距離をｍ_１とし、ｆ_１≠ｍ_１（図１３の例では、ｆ_１＜ｍ_１）とする。

光学スクリーン１Ｄに入射した光（平行光）は、レンズアレイ１０を介して、ＦＯＰ１１の端面Ａの１点に集光せず、幅（広がり）を持った光となる。また、ＦＯＰ１１の端面Ｂ、すなわち反射板１３への光も幅（広がり）を持つ。
そのため、反射板１３で反射され、ＦＯＰ１１を逆伝搬した光も幅を持ち、端面Ａから出射された光は、レンズアレイ１０によって、広がり角を持った光として出射される。

このように、光学スクリーン１Ｄは、レンズアレイ１０とＦＯＰ１１との距離を、レンズアレイ１０の焦点距離近傍で焦点距離からからずらして配置することで、ＦＯＰ１１内を伝搬する光の幅が変化し、出射する光の指向性の広がり角を制御することができる。

なお、光学スクリーン１Ｄは、図１４に示すように、レンズアレイ１０の焦点距離ｆ_１と、レンズアレイ１０とＦＯＰ１１との距離ｍ_１とが同じなるように配置し、ＦＯＰ１１と反射板１３との間に拡散板１２を設けた構成（光学スクリーン１Ｄ_２）とすることで、図７で説明した透過型の光学スクリーン１Ｂと同様に、出力光に広がり角を持たせることができる。

また、光学スクリーン１Ｄは、図１５に示すように、レンズアレイ１０の焦点距離ｆ_１と、レンズアレイ１０とＦＯＰ１１との距離ｍ_１とが同じなるように配置し、ＦＯＰ１１と反射板１３とを距離ｄだけ離間させた構成（光学スクリーン１Ｄ_３）とすることで、図９で説明した透過型の光学スクリーン１Ｃと同様に、出力光に広がり角を持たせることができる。

以上説明したように、本発明の実施形態に係る光学スクリーン１〜１Ｄは、レンズアレイ１０とＦＯＰ１１とを組み合わせた簡易な構成で実現することができる。また、本発明の実施形態に係る光学スクリーン１〜１Ｄは、ＦＯＰ１１の微細なファイバー素線によって、光を伝搬することができるため、高解像度の映像を、指向性を保持して表示することができる。

以上、本発明の実施形態に係る光学スクリーンの構成およびその作用について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。この光学スクリーン１〜１Ｄを、インテグラル立体方式等の光線再生型の立体表示を行うスクリーンとして利用する場合、奥行きの深い立体像を再現するため、光線幅を細くすることが好ましい。

（光線細線化について）
ここで、図１６，図１７を参照して、光学スクリーンにおける光線の細線化について説明する。

図１６に示すように、レンズアレイ１０とＦＯＰ１１とを用いた場合、ＦＯＰ１１の端面Ａへの最大受光角度を２θ_ｍａｘとしたとき、ＦＯＰ１１の端面Ａへの入射光の一部（２θ_ｍａｘ分）が入力され、ＦＯＰ１１の端面Ｂからは、入射光の一部（２θ_ｍａｘ分）が出射されることになる。
すなわち、光線の細線化は、ＦＯＰ１１の特性によって実現することができる。ここで、図２および前記式（１０）で説明したように、ＦＯＰ１１の最大受光角度は、ＦＯＰ１１の光ファイバーの開口数ＮＡに依存する。そこで、光学スクリーンの光線を細線化する場合には、最大受光角度から求められる開口数ＮＡの特性を有するＦＯＰ１１を用いればよい。

また、図１７に示すように、レンズアレイ１０（１０Ａ）への入射光、あるいは、レンズアレイ１０（１０Ｂ）からの出射光の一部を遮蔽して、光線を細線化することとしてもよい。
図１７（ａ）は、レンズアレイ１０Ａから、光の入射側にレンズアレイ１０Ａの焦点距離だけ離間して、遮蔽板１４を配置して構成した例である。また、図１７（ｂ）は、レンズアレイ１０Ｂから、光の出射側にレンズアレイ１０Ａの焦点距離だけ離間して、遮蔽板１４を配置して構成した例である。

遮蔽板１４は、予めレンズアレイ１０のマイクロレンズＬに対応する位置に、穴部Ｈを設けている。すなわち、遮蔽板１４は、マイクロレンズＬに対応する位置に２次元配列した穴部Ｈを設けた板部材である。この穴部Ｈは、マイクロレンズＬの形状と相似形状であることが好ましい。
なお、ここでは、遮蔽板１４の位置をレンズアレイ１０から焦点距離だけ離間して配置したが、隣接する穴部Ｈからの光の流入や、隣接する穴部Ｈへの光の流出が発生しなければ必ずしも厳密に焦点距離の位置に配置する必要はない。

以上説明した光学スクリーンは、多視点映像表示装置および立体像表示装置に応用することができる。以下、本発明の実施形態に係る光学スクリーンを用いた多視点映像表示装置および立体像表示装置について説明する。

≪多視点映像表示装置≫
まず、図１８を参照して、光学スクリーンを用いた多視点映像表示装置について説明する。
多視点映像表示装置２は、観察者の視点位置に応じて異なる映像（多視点映像）を表示するものである。図１８に示すように、多視点映像表示装置２は、光学スクリーン１と、複数のプロジェクタ２０（２１_１，２０_２，…，２０_ｎ）で構成される。
光学スクリーン１は、図１で説明したものと同じである。

複数のプロジェクタ（表示装置）２０は、それぞれ異なる視点位置で撮像した映像を表示するものである。この複数のプロジェクタ２０は、撮像時と表示時とで同じ配置とする。なお、プロジェクタ２０は、撮影した映像を表示する替わりに、ＣＧ等のよって生成された映像を表示することとしてもよい。
また、複数のプロジェクタ２０は、水平方向に直線的に配置したものであってもよいし、円弧上に配置したものであってもよい。また、複数のプロジェクタ２０は、水平方向および垂直方向に２次元に配列してもよい。

この複数のプロジェクタ２０が表示する映像を光学スクリーン１に照射することで、光学スクリーン１を介して、各プロジェクタ２０の光線が集光した位置で、観察者Ｏが、視点位置に対応した映像を観察することができる。
例えば、プロジェクタ２０_１が表示した映像を、観察者Ｏ_１の位置で観察することができる。これによって、観察者Ｏが、視点位置を変えることで、多視点の異なる映像を観察することができる。
また、ここでは、多視点映像表示装置２を、透過型の光学スクリーン１で構成したが、反射型の光学スクリーンを用いて構成してもよい。

図１９に、反射型の光学スクリーン１Ｄを用いて、多視点映像表示装置２Ｂを構成した例を示す。図１９に示すように、多視点映像表示装置２Ｂは、光学スクリーン１Ｄと、複数のプロジェクタ２０，２０，…と、ハーフミラー２１とで構成される。
光学スクリーン１Ｄは、図１１で説明したものと同じである。また、プロジェクタ２０は、図１８で説明したものと同じである。

ハーフミラー２１は、一方の面から入射される光を透過するとともに、他方の面から入射される光を反射するものである。
このハーフミラー２１は、複数のプロジェクタ２０，２０，…と、光学スクリーン１Ｄとの間に配置され、プロジェクタ２０からの光を透過して光学スクリーン１Ｄに出力し、光学スクリーン１Ｄからの光を観察者Ｏの方向に反射させる。
これによって、多視点映像表示装置２Ｂは、多視点映像表示装置２と同様に、観察者Ｏが、視点位置を変えることで、多視点の異なる映像を観察することができる。

なお、複数のプロジェクタ２０は、離散的な位置に配置されることになり、プロジェクタ２０の数が少ない場合、観察者Ｏは、それに対応する離散的な位置で映像を観察することになる。
その場合、多視点映像表示装置２（図１８）においては、図５や図６で説明したように、光学スクリーン１のレンズアレイ１０とＦＯＰ１１との距離を、レンズアレイ１０の焦点距離と異なるように配置すればよい。これによって、光線に広がりが発生し、光線間の隙間を埋めることができ、多視点映像表示装置２は、観察者Ｏの視点位置の切り替えに伴う映像の違和感を抑えることができる。
また、多視点映像表示装置２の光学スクリーン１を、光学スクリーン１Ｂ（図７）、１Ｃ（図９）に替えて構成しても、光線に広がりが発生し、光線間の隙間を埋めることができる。

また、多視点映像表示装置２Ｂ（図１９）においては、図１３で説明したように、光学スクリーン１Ｄのレンズアレイ１０とＦＯＰ１１との距離を、レンズアレイ１０の焦点距離と異なるように配置すれば、光線に広がりを発生させることができる。
また、多視点映像表示装置２Ｂの光学スクリーン１Ｄを、光学スクリーン１Ｄ_２（図１４）、１Ｄ_３（図１５）に替えて構成すれば、光線に広がりを発生させることができる。

≪立体像表示装置≫
次に、図２０を参照して、光学スクリーンを用いた立体像表示装置について説明する。
立体像表示装置３は、光線再生型の立体像を表示するものである。図２０に示すように、立体像表示装置３は、光学スクリーン１と、複数のプロジェクタ３０，３０，…と、コリメーターレンズ３１とで構成される。
光学スクリーン１は、図１で説明したものと同じである。

複数のプロジェクタ（表示装置）３０は、それぞれ異なる視点位置に対応した映像を表示するものである。この複数のプロジェクタ３０は、個々のプロジェクタ３０の位置に配置した仮想カメラで３次元モデルの被写体空間を仮想的に撮像（斜投影）した映像を表示する。
この複数のプロジェクタ３０は、被写体空間における仮想カメラと同じ位置にする。
また、複数のプロジェクタ３０は、水平方向に直線的に配置したものであってもよいし、円弧上に配置したものであってもよい。また、複数のプロジェクタ３０は、水平方向および垂直方向に２次元に配列してもよい。

コリメーターレンズ３１は、入射光を平行光に変換する光学系である。このコリメーターレンズ３１は、プロジェクタ３０から入射される光を平行光として光学スクリーン１に出射する。
この複数のプロジェクタ３０が表示する映像を、コリメーターレンズ３１を介して光学スクリーン１に照射することで、光学スクリーン１にはプロジェクタ３０ごとの平行光が集光する。また、光学スクリーン１からの出力光も平行光となる。
これによって、立体像表示装置３は、インテグラル立体方式の原理で、観察者Ｏに光線再生型の立体像を視認させることができる。

ここでは、立体像表示装置３を、光学スクリーン１で構成した例を示したが、光学スクリーン１を、光学スクリーン１と同じ透過型の光学スクリーンである光学スクリーン１Ｂ（図７）、１Ｃ（図９）に替えて構成してもよい。

また、ここでは、立体像表示装置３を、透過型の光学スクリーン１で構成したが、反射型の光学スクリーンを用いて構成してもよい。
図２１に、反射型の光学スクリーン１Ｄを用いて、立体像表示装置３Ｂを構成した例を示す。図２１に示すように、立体像表示装置３Ｂは、光学スクリーン１Ｄと、ハーフミラー２１と、複数のプロジェクタ３０，３０，…と、コリメーターレンズ３１とで構成される。

光学スクリーン１Ｄは、図１１で説明したものと同じである。また、ハーフミラー２１は、図１９で説明したものと同じである。また、プロジェクタ３０およびコリメーターレンズ３１は、図２０で説明したものと同じである。
これによって、立体像表示装置３Ｂは、立体像表示装置３と同様に、観察者Ｏに光線再生型の立体像を視認させることができる。

なお、複数のプロジェクタ２０は、離散的な位置に配置されることになり、プロジェクタ３０の数が少ない場合、観察者Ｏは、それに対応する離散的な位置で映像を観察することになる。
その場合、立体像表示装置３（図２０）においては、は、図５や図６で説明したように、光学スクリーン１のレンズアレイ１０とＦＯＰ１１との距離を、レンズアレイ１０の焦点距離と異なるように配置すればよい。これによって、光線に広がりが発生し、光線間の隙間を埋めることができ、立体像表示装置３は、観察者Ｏの視点位置の切り替えに伴う映像の違和感を抑えることができる。
また、立体像表示装置３の光学スクリーン１を、光学スクリーン１Ｂ（図７）、１Ｃ（図９）に替えて構成しても、光線に広がりが発生し、光線間の隙間を埋めることができる。

また、立体像表示装置３Ｂ（図２１）においては、図１３で説明したように、光学スクリーン１Ｄのレンズアレイ１０とＦＯＰ１１との距離を、レンズアレイ１０の焦点距離と異なるように配置すれば、光線に広がりを発生させることができる。
また、立体像表示装置３Ｂの光学スクリーン１Ｄを、光学スクリーン１Ｄ_２（図１４）、１Ｄ_３（図１５）に替えて構成すれば、光線に広がりを発生させることができる。

以上、本発明の実施形態に係る立体像表示装置３，３Ｂの構成例について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。
ここでは、プロジェクタ３０を用いたが、ディスプレイ（表示装置）を用いてもよい。具体的には、図２０に示したプロジェクタ３０群に替えて、図２２に示すように、ディスプレイ（表示装置）３２群を設ける。この場合、各ディスプレイ３２には、集光レンズ３３をその焦点位置だけ離して配置し、ディスプレイ３２の映像をコリメーターレンズ３１に出力すればよい。
ここで、ディスプレイ３２に表示する映像は、プロジェクタ３０が表示する映像と同様、個々のディスプレイ３２の位置に配置した仮想カメラで３次元モデルの被写体空間を仮想的に撮像（斜投影）した映像とする。

また、図２３に示すように、図２２の光学スクリーン１を反射型の光学スクリーン１Ｄに替えて、立体像表示装置３Ｄとして構成してもよい。
これによって、立体像表示装置３Ｃ，３Ｄは、インテグラル立体方式の原理で、観察者Ｏに光線再生型の立体像を視認させることができる。

なお、立体像表示装置３Ｃの光学スクリーン１を、図５や図６で説明したような配置としてもよい。また、立体像表示装置３Ｃの光学スクリーン１を、光学スクリーン１Ｂ（図７）、１Ｃ（図９）に替えて構成してもよい。
また、立体像表示装置３Ｄの光学スクリーン１Ｄを、図１３で説明したような配置としてもよい。また、立体像表示装置３Ｄの光学スクリーン１Ｄを、光学スクリーン１Ｄ_２（図１４）、１Ｄ_３（図１５）に替えて構成してもよい。
これによって、立体像表示装置３Ｃ，３Ｄは、観察者Ｏの視点位置の切り替えに伴う映像の違和感を抑えることができる。

１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 光学スクリーン
１０ レンズアレイ
１０Ａ 第１レンズアレイ
１０Ｂ 第２レンズアレイ
１１ ファイバーオプティックプレート（ＦＯＰ）
１１Ａ 第１ファイバーオプティックプレート
１１Ｂ 第２ファイバーオプティックプレート
１２ 拡散板
１３ 反射板
１４ 遮蔽板
２，２Ｂ 多視点映像表示装置
２０ プロジェクタ（表示装置）
２１ ハーフミラー
３，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ 立体像表示装置
３０ プロジェクタ（表示装置）
３１ コリメーターレンズ
３２ ディスプレイ（表示装置）
３３ 集光レンズ

Claims (10)

1. 光を透過する透過型の光学スクリーンであって、
   マイクロレンズを２次元配列した第１レンズアレイと、
   複数の光ファイバーを束ねたファイバーオプティックプレートと、
   前記第１レンズアレイと同一の２次元配列でマイクロレンズを配列した第２レンズアレイと、を備え、
   前記ファイバーオプティックプレートの光が入射する面から、前記第１レンズアレイの焦点距離近傍に前記第１レンズアレイを配置し、前記ファイバーオプティックプレートの光が出射する面から、前記第２レンズアレイの焦点距離近傍に前記第２レンズアレイを配置したことを特徴とする光学スクリーン。
2. 前記ファイバーオプティックプレートと前記第２レンズアレイとの間に、光を拡散する拡散板をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光学スクリーン。
3. 光を透過する透過型の光学スクリーンであって、
   マイクロレンズを２次元配列した第１レンズアレイと、
   複数の光ファイバーを束ねた第１および第２ファイバーオプティックプレートと、
   前記第１レンズアレイと同一の２次元配列でマイクロレンズを配列した第２レンズアレイと、を備え、
   前記第１ファイバーオプティックプレートの光が入射する面から、前記第１レンズアレイの焦点距離近傍に前記第１レンズアレイを配置し、前記第１ファイバーオプティックプレートの光が出射する面と前記第２ファイバーオプティックプレートの光が入射する面とを対向して離間させて配置し、前記第２ファイバーオプティックプレートの光が出射する面から、前記第２レンズアレイの焦点距離近傍に前記第２レンズアレイを配置したことを特徴とする光学スクリーン。
4. 前記マイクロレンズに対応する位置に穴部を設けた遮光板を、前記第１レンズアレイの光が入射する側、または、前記第２レンズアレイの光が出射する側に設けることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光学スクリーン。
5. 光を反射する反射型の光学スクリーンであって、
   マイクロレンズを２次元配列したレンズアレイと、
   複数の光ファイバーを束ねたファイバーオプティックプレートと、
   光を反射する反射板と、を備え、
   前記ファイバーオプティックプレートの光が入射する面から、前記レンズアレイの焦点距離近傍に前記レンズアレイを配置し、前記ファイバーオプティックプレートの光が出射する面に、前記反射板を配置したことを特徴とする光学スクリーン。
6. 前記ファイバーオプティックプレートと前記反射板との間に、光を拡散する拡散板をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の光学スクリーン。
7. 多視点映像を表示する多視点映像表示装置であって、
   視点位置の異なる映像を表示する複数の表示装置と、
   前記複数の表示装置で表示される映像の光を透過する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学スクリーンと、
   を備えることを特徴とする多視点映像表示装置。
8. 多視点映像を表示する多視点映像表示装置であって、
   視点位置の異なる映像を表示する複数の表示装置と、
   前記複数の表示装置で表示される映像の光を反射する請求項５または請求項６に記載の光学スクリーンと、
   前記複数の表示装置と前記光学スクリーンとの間に配置され、前記表示装置で表示される映像の光を前記光学スクリーンで透過し、前記光学スクリーンから出射される光を反射するハーフミラーと、
   を備えることを特徴とする多視点映像表示装置。
9. 立体像を表示する立体像表示装置であって、
   視点位置の異なる３次元モデルの被写体空間を仮想的に撮像した映像を表示する複数の表示装置と、
   前記表示装置で表示される映像の光を平行光に変換するコリメーターレンズと、
   前記コリメーターレンズで変換された平行光を透過する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学スクリーンと、
   を備えることを特徴とする立体像表示装置。
10. 立体像を表示する立体像表示装置であって、
    視点位置の異なる３次元モデルの被写体空間を仮想的に撮像した映像を表示する複数の表示装置と、
    前記表示装置で表示される映像の光を平行光に変換するコリメーターレンズと、
    前記コリメーターレンズで変換された平行光を反射する請求項５または請求項６に記載の光学スクリーンと、
    前記コリメーターレンズと前記光学スクリーンとの間に配置され、前記コリメーターレンズで変換された平行光を前記光学スクリーンで透過し、前記光学スクリーンから出射される光を反射するハーフミラーと、
    を備えることを特徴とする立体像表示装置。

Images