JP2020148871A - 三次元映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多視点映像を従来よりも高密度に表示して三次元映像を表示することが可能な三次元映像表示装置を提供する【解決手段】三次元映像表示装置１は、時間方向に予め定めた周期で視点位置をずらした多視点映像を同じ表示位置に二次元映像として表示する二次元映像表示手段１０と、前記周期で前記多視点映像を構成する視点映像ごとに回折により映像光の光軸をシフトさせて重畳結像させる光軸切替結像手段２０と、光軸切替結像手段２０によって重畳結像された映像光を予め定めた範囲に拡散して三次元映像を表示する表示光学系３０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、三次元映像を表示する三次元映像表示装置に関する。

近年、３Ｄメガネを用いた二眼式をはじめとして、多様な三次元映像表示方法が提案されている。特に、光学的な三次元映像を再現する光線再生型の三次元映像表示方法は、特別なメガネを用いずに、滑らかな運動視差を有する三次元映像を表示できるという利点がある。しかし、この方法では、多方向に光線を再生するため、非常に多くの映像情報が必要になる。

そこで、従来、複数台の映像表示装置（プロジェクタ等）を用いた三次元映像表示方法が提案されている（特許文献１，２参照）。
これら従来の三次元映像表示方法では、複数台の映像表示装置から、水平方向および垂直方向に視差を有する映像（多視点映像）をスクリーン全面に背面投射し、視点方向に応じた光線群を再生する。
このように、従来の三次元映像表示方法は、映像表示装置の台数を増やして表示する多視点映像の視点数を増やすことで再生光線の本数を増やし、三次元映像の視域や奥行き再現範囲などの表示特性を向上させている。

特開２０１０−８１４４０号公報 特開２０１７−６２２９５号公報

従来の三次元映像表示方法は、光線の本数を増やすことで、表示特性を向上させることは可能である。
しかし、従来の方法で再生光線の本数を増やすためには、多視点映像の視点数を増やすため、多視点映像を表示するための表示装置が大型化するという問題があった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、多視点映像を従来よりも高密度に表示して三次元映像を表示することが可能な三次元映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、本発明に係る三次元映像表示装置は、三次元映像を表示する三次元映像表示装置であって、二次元映像表示手段と、光軸切替結像手段と、表示光学系と、
を備える構成とした。

かかる構成において、三次元映像表示装置は、二次元映像表示手段によって、時間方向に予め定めた周期、例えば、フレーム間隔で、視点位置をずらした多視点映像を同じ表示位置に二次元映像として表示する。この多視点映像は、空間的に視点位置の異なる視点映像を二次元配列するとともに、時間方向でさらに視点位置が異なる視点映像を二次元配列した映像である。
そして、三次元映像表示装置は、光軸切替結像手段によって、視点位置の異なる多視点映像の周期で、多視点映像を構成する視点映像ごとに回折により映像光の光軸をシフトさせて重畳結像させる。これによって、光軸切替結像手段は、視点位置の異なる多視点映像が同じ表示位置に表示されていても、異なる表示位置に表示されているように、映像光を結像させることができる。
そして、三次元映像表示装置は、表示光学系によって、光軸切替結像手段で重畳結像された映像光を予め定めた範囲に拡散する。これによって、観察者は、視点位置に応じた映像光の光線により三次元映像を視認することができる。また、映像光を拡散することで、観察者は、離散的な再生光線を連続した映像光として視認することができる。

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、視点位置の異なる多視点映像を、同じ表示位置で時系列に切り替えて表示することができる。そのため、本発明は、多視点映像を表示する表示装置を大型化することなく視点数を増加させて、三次元映像を表示することができる。

本発明の実施形態に係る三次元映像表示装置の斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る三次元映像表示装置の構成を示す平面図である。 二次元映像表示手段が表示する多視点映像を説明するための説明図であって、（ａ）は奇数フレーム、（ｂ）は偶数フレームの映像を示す。 偏光切替手段による偏光状態を切り替える例を説明するための説明図であって、（ａ）は右回り円偏光の生成、（ｂ）は左回り円偏光の生成を示す。 偏光回折素子の回折ピッチとシフト量との関係を説明するための説明図である。 一組の偏光回折素子による偏光状態と回折方向との関係を説明するための説明図であって、（ａ）は入射する光が右回り円偏光の場合、（ｂ）は入射する光が左回り円偏光の場合を示す。 光軸のシフト量を説明するための説明図である。 偏光回折素子と集光レンズとの位置関係を説明するための説明図である。 偏光回折素子の大きさを説明するための説明図である。 偏光回折素子を複数の素子で構成する場合の例を示す図であって、（ａ）は素子を密に配置した例、（ｂ）は素子を矩形形状とし間隔を開けて配置した例、（ｃ）は素子を円形状とし間隔を開けて配置した例を示す。 偏光回折素子による色収差を説明するための説明図である。 色収差の補正手法を説明するための説明図であって、（ａ）は色収差が発生する仕組み、（ｂ）は色収差の補正手法を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る三次元映像表示装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る三次元映像表示装置の構成を示す平面図である。 一組の偏光回折素子による偏光状態と回折方向との関係を説明するための説明図であって、（ａ）は入射する光が垂直偏光の場合、（ｂ）は入射する光が水平偏光の場合を示す。 偏光回折素子の配置位置の変形例として結像レンズと偏光回折素子とを密着させた図であって、（ａ）は視点映像の入射側に結像レンズを配置した例、（ｂ）は視点映像の入射側に偏光回折素子を配置した例を示す。 一組の偏光回折素子を多段に配置した偏光回折手段の変形例を示す構成図である。 一組の偏光回折素子を多段に配置した場合の多視点映像の視点位置を説明するための説明図である。

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。
≪第１実施形態：三次元映像表示装置の構成≫
まず、図１，図２を参照して、本発明の第１実施形態に係る三次元映像表示装置１の構成について説明する。

三次元映像表示装置１は、観察者Ｍに対して、水平方向および垂直方向に視差を有する三次元映像Ｔを視認させる映像を表示するものである。
図１に示すように、三次元映像表示装置１は、二次元映像表示手段１０と、光軸切替結像手段２０と、表示光学系３０と、を備える。

二次元映像表示手段１０は、時間方向に予め定めた周期で視点位置をずらした多視点映像を同じ表示位置に二次元映像として表示するものである。
この多視点映像は、水平方向および垂直方向の異なる視点位置の映像である。また、多視点映像は、時系列において、予め定めた周期、例えば、フレーム周期で視点位置が異なる。
光軸切替結像手段２０は、視点位置をずらした多視点映像を表示する周期で、多視点映像を構成する視点映像ごとに回折により映像光の光軸をシフトさせて重畳結像させるものである。この光軸切替結像手段２０は、二次元映像表示手段１０で表示される多視点映像の個々の視点映像を時系列に切り替えて結像し、重畳して表示光学系３０に照射する。
表示光学系３０は、光軸切替結像手段２０から背面照射される多視点映像を三次元映像Ｔとして表示するものである。

以上のように、三次元映像表示装置１は、二次元映像表示手段１０で表示する多視点映像の表示位置を時系列に切り替えて表示するため、二次元映像表示手段１０を大型化することなく、三次元映像Ｔの再生光線数を増やすことができる。
以下、図２を参照して、三次元映像表示装置１の各構成について詳細に説明する。
なお、以降の説明において、視線の水平方向をｘ方向、垂直方向をｙ方向、奥行き方向をｚ方向として説明する。

＜二次元映像表示手段＞
図２に示すように、二次元映像表示手段１０は、多視点映像の個々の視点映像Ｉを、二次元映像として表示する。なお、表示する視点映像Ｉの間は隙間があってもよいが、当該隙間は、黒映像の表示、または、遮光を行うこととする。
この二次元映像表示手段１０は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、マイクロＬＥＤディスプレイ等の直視型ディスプレイで構成することができる。また、拡散投射するプロジェクタ等も、レンズと組み合わせることで、二次元映像表示手段１０として構成することができる。
二次元映像表示手段１０が表示する多視点映像は、図３に示すように、視点位置の異なる視点映像を、垂直方向（ｙ方向）にｍ個（ｍ≧２）、水平方向（ｘ方向）にｎ個（ｎ≧２）ずつ二次元配列した映像である。

また、二次元映像表示手段１０は、時系列に視点位置の異なる多視点映像を表示する。具体的には、二次元映像表示手段１０は、図３（ａ）に示す奇数フレームＦＯで表示する多視点映像（ＦＯ_０，０〜ＦＯ_{ｍ−１，ｎ−１}）と、図３（ｂ）に示す偶数フレームＦＥで表示する多視点映像（ＦＥ_０，０〜ＦＥ_{ｍ−１，ｎ−１}）とは、垂直方向および水平方向にそれぞれ視点位置が視点映像の１／２相当分ずれた映像を表示する。
例えば、偶数フレームＦＥの視点映像ＦＥ_０，１は、奇数フレームＦＯの視点映像ＦＯ_０，０，ＦＯ_０，１，ＦＯ_１，０，ＦＯ_１，１の中間の視点映像である。
このように、二次元映像表示手段１０は、時系列の視点位置の異なる多視点映像を、同じ表示位置に表示する。

なお、二次元映像表示手段１０は、多視点映像を単一の画面で表示する高精細で大型の表示装置を用いてもよいし、視点映像Ｉを単一の画面で表示する表示装置を同一平面上に複数配列して構成してもよい。
また、視点映像Ｉの形状は、長方形（例えば、アスペクト比１６：９）に限定されず、正方形形状や、円形状であっても構わない。

＜光軸切替結像手段＞
図２に示すように、光軸切替結像手段２０は、偏光切替手段２１と、結像手段２２と、偏光回折手段２３と、集光レンズ２４と、を備える。

偏光切替手段２１は、二次元映像表示手段１０が表示する多視点映像の偏光を時系列に切り替えるものである。偏光切替手段２１は、偏光切替素子２１０と、切替制御手段２１１と、λ／４波長板２１２と、を備える。

偏光切替素子２１０は、二次元映像表示手段１０が表示する多視点映像の偏光を電気的に切り替えるものである。偏光切替素子２１０は、二次元映像表示手段１０の前面に配置され、二次元映像表示手段１０が出射する光の偏光を、切替制御手段２１１の制御により切り替える。
偏光切替素子２１０には、例えば、液晶偏光ローテータ等を用いることができる。
この偏光切替素子２１０は、切替制御手段２１１の電圧制御によって、平常時は水平偏光の光をそのまま透過させ、電圧印加時は水平偏光の光を垂直偏光に変換する。
偏光切替素子２１０によって偏光が変換された光は、λ／４波長板２１２に照射される。
なお、二次元映像表示手段１０が表示する多視点映像として、一方向に偏光していない映像を用いる場合は、二次元映像表示手段１０と偏光切替素子２１０との間に偏光子を挿入して、一方向に偏光した光に変換すればよい。

切替制御手段２１１は、二次元映像表示手段１０が表示する映像のフレームに同期して、時間分割で偏光切替素子２１０の偏光切替状態を電圧制御により切り替えるものである。なお、切替制御手段２１１は、垂直ブランキング期間で偏光切替の制御を行う。
例えば、切替制御手段２１１は、奇数フレームでは偏光切替素子２１０への電圧の印加を行わず（偏光切替スイッチＳ１：ＯＦＦ）、偶数フレームにおいて偏光切替素子２１０への電圧の印加を行う（偏光切替スイッチＳ１：ＯＮ）。
これによって、切替制御手段２１１は、偏光切替素子２１０に照射される光を、フレームごとに、水平偏光または垂直偏光に切り替えることができる。

λ／４波長板２１２は、入射光に対して１／４波長の位相差を生じさせて、直線偏光を円偏光に変換するものである。ここでは、λ／４波長板２１２は、光学軸に対して４５°傾けて水平偏光を入射するように配置する。
これによって、λ／４波長板２１２は、入射した直線偏光である水平偏光を、右回り円偏光に変換する。また、λ／４波長板２１２は、入射した直線偏光である垂直偏光を、左回り円偏光に変換する。

すなわち、図４（ａ）に示すように、切替制御手段２１１で偏光切替素子２１０への電圧の印加を行わない場合（偏光切替スイッチＳ１：ＯＦＦ）、視点映像の光（水平偏光）は、偏光切替素子２１０をそのまま透過し、λ／４波長板２１２によって右回り円偏光に変換される。また、図４（ｂ）に示すように、切替制御手段２１１で偏光切替素子２１０への電圧の印加を行う場合（偏光切替スイッチＳ１：ＯＮ）、視点映像の光（水平偏光）は、偏光切替素子２１０によって垂直偏光に変換され、λ／４波長板２１２によって、左回り円偏光に変換される。
このように、偏光切替素子２１０、切替制御手段２１１およびλ／４波長板２１２は、光の偏光を時系列に切り替える偏光切替手段２１として機能する。
λ／４波長板２１２は、偏光切替素子２１０で切り替えられた偏光（右回り円偏光、左回り円偏光）の多視点映像を、結像手段２２に照射する。

結像手段２２は、偏光切替素子２１０およびλ／４波長板２１２で偏光された多視点映像を、個々の視点映像に分離して、結像させるものである。
結像手段２２は、λ／４波長板２１２の前面に配置され、それぞれに視点映像Ｉに対向する位置に結像レンズ２２０を二次元状に配列した結像レンズ群として構成される。

結像レンズ２２０は、入射光を結像するレンズであって、例えば、凸レンズで構成することができる。なお、結像レンズ２２０の形状は、視点映像Ｉの形状に合わせて、矩形形状であってもよいし、円形状であってもよい。
結像手段２２は、個々の視点映像Ｉの偏光状態が切り替えられた光を偏光回折手段２３に出射する。

偏光回折手段２３は、結像レンズ２２０から入射した光を偏光状態に応じて回折して、光軸をシフトさせるものである。偏光回折手段２３は、２つの偏光回折素子２３０（２３０ａ，２３０ｂ）と、０次光遮断手段２３１と、を備える。

偏光回折素子２３０（２３０ａ，２３０ｂ）は、右回り円偏光または左回り円偏光の入射光を、偏光状態に応じて、異なる方向に±１次光として回折させるものである。
この偏光回折素子２３０は、右回り円偏光または左回り円偏光の入射光の偏光状態に応じて、回折格子の溝方向を上下方向としたとき、左右方向に入射光を回折させる。なお、円偏光の偏光状態に応じて、回折方向を変える偏光回折素子２３０には、公知の素子を用いればよい。例えば、特開２００８−２３３５３９号公報、特開２０１６−１３６１６５号公報、特開２００６−１０６７２６号公報等で開示されている偏光回折素子を用いることができる。

偏光回折素子２３０ａは、結像レンズ２２０から入射した光を、偏光状態に応じて回折することで、偏光回折素子２３０ｂの異なる位置に＋１次光または−１次光として出射するとともに、偏光状態を切り替えるものである。
偏光回折素子２３０ｂは、偏光回折素子２３０ａと同じ向きで平行に離間して配置され、偏光回折素子２３０ａで回折された光を、偏光状態に応じて、偏光回折素子２３０ａに入射した光の方向に戻すとともに、偏光状態を切り替えるものである。
偏光回折素子２３０ｂは、回折後の光を０次光遮断手段２３１に出射する。
偏光回折素子２３０ａおよび偏光回折素子２３０ｂは、多視点映像のそれぞれの視点映像Ｉが集光する位置の間隔を、視点映像Ｉのピッチ（映像中心間隔）の１／２となるように配置される。なお、偏光回折素子２３０ａおよび偏光回折素子２３０ｂの配置については、あとで詳細に説明する。

０次光遮断手段２３１は、偏光回折素子２３０ａおよび偏光回折素子２３０ｂで偏光変化しなかった０次光を、偏光回折素子２３０ａおよび偏光回折素子２３０ｂの後段の光路上において遮断するものである。この０次光遮断手段２３１には、例えば、円偏光のみを透過させる円偏光板を用いることができる。
なお、０次光遮断手段２３１は、円偏光板に限定されず、０次光が照射される領域のみを遮光する遮光板で構成してもよい。
これによって、偏光回折手段２３は、入射される視点映像Ｉの光を、右回り円偏光または左回り円偏光の偏光状態に応じて、＋１次光または−１次光として、視点映像Ｉのピッチの１／２間隔で光軸をシフトさせて後段の集光レンズ２４に集光させる。例えば、図２において、視点映像Ｉのｘ方向（水平方向）のピッチをＤｘとした場合、集光レンズ２４に集光する位置の間隔はＤｘ／２となる。

集光レンズ（集光手段）２４は、偏光回折手段２３で回折された光を表示光学系３０の全面に照射するものである。例えば、集光レンズ２４は、凸レンズを用いることができる。
この集光レンズ２４は、結像レンズ２２０から、結像レンズ２２０の焦点距離だけ離間した位置に配置される。
集光レンズ２４は、結像手段２２から出射され、偏光回折手段２３で光軸がシフトされた視点映像Ｉの光を重畳して表示光学系３０に照射する。

＜表示光学系＞
図２に示すように、表示光学系３０は、視域形成レンズ３１と、スクリーン３２と、を備える。

視域形成レンズ３１は、光軸切替結像手段２０から背面照射される光線の方向を変化させて、画面全体の映像を観察できる領域（有効視域）を制御するものである。例えば、視域形成レンズ３１は、凸レンズ、フレネルレンズ等で構成することができる。なお、視域形成レンズ３１は、スクリーン３２の前面または背面のどちらにあっても構わない。

スクリーン３２は、光軸切替結像手段２０から背面照射される多視点映像の光を、進行方向を保ったまま予め定めた範囲に拡散させるものである。なお、予め定めた範囲とは、予め規定される光線間隔の角度であって、例えば、０．２度から２度程度である。このスクリーン３２は、一般的な拡散板で構成することができる。例えば、スクリーン表面を微小なレンズ構造としたものや、スクリーンに微小な開口アレイを形成したものを、スクリーン３２とすることができる。
このスクリーン３２は、多視点映像の光である離散的な入射光線を拡散することで光線間を補間する。

≪偏光回折素子の配置≫
次に、偏光回折素子２３０（２３０ａ，２３０ｂ）の配置について、より詳細に説明する。

（２枚の偏光回折素子の位置関係）
まず、図５〜図７を参照して、偏光回折素子２３０ａと偏光回折素子２３０ｂとの位置関係について説明する。
偏光回折素子２３０ａおよび偏光回折素子２３０ｂによる各視点映像の光線のシフト量は、偏光回折素子２３０の回折格子溝のピッチ（回折ピッチ）および傾き角と、偏光回折素子２３０ａおよび偏光回折素子２３０ｂの距離とによって特定することができる。なお、ここでは、偏光回折素子２３０に物理的に形成された溝のピッチを回折ピッチとして説明するが、回折に周期性を有する素子であれば、その周期が回折ピッチである。
図５に示すように、偏光回折素子２３０の回折ピッチをｐ、入射光の波長をλとしたとき、図６に示すように、１次光の回折角φは、以下の式（１）で表すことができる。

また、図６に示すように、偏光回折素子２３０ａと偏光回折素子２３０ｂとの距離をＬ１としたとき、回折のシフト量ｄは、以下の式（２）で表すことができる。

すなわち、偏光回折素子２３０ａと偏光回折素子２３０ｂとの距離をＬ１としたとき、図６（ａ）に示すように、偏光回折素子２３０ａに入射した右回り円偏光は、左回り円偏光に変換され、−１次光として進行方向を変えて、シフト量ｄだけシフトした後、偏光回折素子２３０ｂに照射される。また、偏光回折素子２３０ｂに入射した左回り円偏光は、右回り円偏光に変換され、＋１次光として、偏光回折素子２３０ａに入射した進行方向と同じ方向に回折される。

また、図６（ｂ）に示すように、偏光回折素子２３０ａに入射した左回り円偏光は、右回り円偏光に変換され、＋１次光として進行方向を変えて、シフト量ｄだけシフトした後、偏光回折素子２３０ｂに照射される。また、偏光回折素子２３０ｂに入射した右回り円偏光は、左回り円偏光に変換され、−１次光として、偏光回折素子２３０ａに入射した進行方向と同じ方向に回折される。
この光線のシフト量ｄは、図２の偏光回折素子２３０で回折されずに集光レンズ２４に照射する位置（０次光の照射位置）に対するずれ量である。

ここで、図７を参照して、光線のシフト量ｄについてさらに説明する。図７は、回折されずに集光レンズ２４に照射する位置（×印）と、回折されて集光レンズ２４に照射する位置（●印および○印）とをｘｙ平面上に示す図である。
●印の位置は、奇数フレームＦＯの視点映像の中心位置に対応する。また、○印の位置は、偶数フレームＦＥの視点映像の中心位置に対応する。
奇数フレームＦＯと偶数フレームＦＥの視点映像を、均一の光線密度で視認するには、×印の位置に対して、水平方向に±Ｗ／４、垂直方向に±Ｈ／４だけずれた位置に、それぞれの視点映像を照射することが望ましい。
具体的には、Ｗ×Ｈ＝２４．４ｍｍ×１３．８ｍｍとした場合、水平軸からの傾き角θ＝２９．５°、シフト量ｄ＝７．０ｍｍとすればよい。
この場合、式（１）、式（２）から、以下の式（３）の関係を満たすように、偏光回折素子２３０の回折ピッチｐと、偏光回折素子２３０ａと偏光回折素子２３０ｂとの距離Ｌ１を定めればよい。

例えば、波長λ＝５５０ｎｍ（予め定めた基準色〔例えば、緑色〕の波長）、回折ピッチｐ＝２．５μｍとしたとき、距離Ｌ１＝３１．０ｍｍとすればよい。

（偏光回折素子と集光レンズとの位置関係）
次に、図８を参照して、偏光回折素子２３０と集光レンズ２４との位置関係について説明する。
結像レンズ２２０側の偏光回折素子２３０ａは、少なくとも視点映像Ｉの画素の光線をすべて同じ回折ピッチ内に透過させる位置に配置する必要がある。すなわち、視点映像Ｉの画素ピッチをｇ、偏光回折素子２３０ａの回折ピッチをｐ、結像レンズ２２０の焦点距離をｆとしたとき、偏光回折素子２３０ａと集光レンズ２４との距離Ｌ２は、以下の式（４）の関係を満たす必要がある。なお、偏光回折素子２３０ｂも同様の条件を満たす必要がある。

例えば、４Ｋ解像度（水平３８４０画素×垂直２１６０画素）で、５×５視点の多視点映像を表示する場合を例に具体的に説明する。
視点映像Ｉの大きさを２４．４ｍｍ×１３．８ｍｍとした場合、画素ピッチｇは、３１．８μｍ（＝２４．４／３８４０×５）となる。ここで、結像レンズ２２０の焦点距離ｆ＝８６．８ｍｍ、回折ピッチｐ＝２．５μｍとした場合、前記式（４）より、偏光回折素子２３０ａと集光レンズ２４との距離Ｌ２は、６．８２ｍｍ（＝８６．８×２．５／３１．８）より大きければよい。
例えば、偏光回折素子２３０ｂと集光レンズ２４との距離Ｌ３＝１０．０ｍｍとして、Ｌ２＝４１．０ｍｍ（＝Ｌ１＋Ｌ３＞６．８２ｍｍ）とすることで、図７に示すように、多視点映像をシフトさせることができる。

（偏光回折素子の大きさ）
次に、図９を参照して、偏光回折素子２３０の大きさについて説明する。ここでは、偏光回折素子２３０の水平方向（ｘ方向）の大きさについて説明する。また、ここでは、二次元映像表示手段１０が多視点映像として視点映像Ｉを隙間なく表示するものとする。
図９に示すように、水平方向の大きさがＷの視点映像Ｉは、偏光回折素子２３０ａにおいて、水平方向の大きさがｗ１の範囲に透過するとともに回折される。また、偏光回折素子２３０ａから出射される光は、偏光回折素子２３０ｂにおいて、水平方向の大きさがｗ２の範囲に透過するとともに回折される。

ここで、視点映像Ｉは隙間なく表示されているため、視点映像Ｉの水平方向のピッチ（映像中心間隔）は、視点映像Ｉの水平方向の大きさＷと等しい。そのため、集光レンズ２４に集光する光は水平方向にＷ／２間隔となる。
このとき、結像レンズ２２０の焦点距離をｆ、偏光回折素子２３０ａと集光レンズ２４との距離をＬ２、偏光回折素子２３０ｂと集光レンズ２４との距離をＬ３としたとき、ｗ１およびｗ２は、以下の式（５）で表す大きさとなる。

この場合、水平方向の視点映像Ｉの数をｎとしたとき、偏光回折素子２３０ａの水平方向の大きさはｎ×Ｗ−（Ｗ−ｗ１）、偏光回折素子２３０ｂの水平方向の大きさはｎ×Ｗ−（Ｗ／２−ｗ２）となる。
なお、垂直方向においても、視点映像Ｉの垂直方向の大きさに応じて、水平方向の同様に偏光回折素子２３０ａ，２３０ｂの大きさを求めることができる。
例えば、前記した具体例で、ｆ＝８６．８ｍｍ、Ｌ２＝４１．０ｍｍ、Ｌ３＝１０．０ｍｍとし、４Ｋ解像度（水平３８４０画素×垂直２１６０画素）で、５×５視点の多視点映像の視点映像Ｉの大きさを水平２４．４ｍｍ×垂直１３．８ｍｍで表示したとする。
この場合、偏光回折素子２３０ａは、水平１０９．１ｍｍ×垂直６１．７ｍｍ以上、偏光回折素子２３０ｂは、水平１１２．６ｍｍ×垂直６３．７ｍｍ以上の大きさが必要となる。

なお、偏光回折素子２３０（２３０ａ，２３０ｂ）は、１枚で形成された素子を用いる必要はなく、図１０（ａ）に示すように、偏光回折素子２３０ａ，２３０ｂよりも小さい偏光回折素子ｅ１を二次元配列して構成した偏光回折素子２３０_１を用いてもよい。
この場合、偏光回折素子ｅ１は視点映像Ｉの大きさとし、視点映像Ｉの境界が偏光回折素子ｅ１の境界に対応するようにする。

また、偏光回折素子２３０は、図９に示したｗ１，ｗ２で示した範囲を少なくとも偏光回折する素子であればよい。そのため、偏光回折素子２３０は、図１０（ｂ）に示すように、偏光回折を行う領域に対応して互いに離間して配置した矩形形状の偏光回折素子ｅ２を二次元配列して構成した偏光回折素子２３０_２を用いてもよい。また、偏光回折素子２３０は、図１０（ｃ）に示すように、偏光回折を行う領域に対応して互いに離間して配置した円形状の偏光回折素子ｅ３を二次元配列して構成した偏光回折素子２３０_３を用いてもよい。
偏光回折素子２３０_２，偏光回折素子２３０_３は、偏光回折素子ｅ２同士、偏光回折素子ｅ３同士を、それぞれ図示を省略した枠で固定すればよい。

（色収差について）
次に、図１１および図１２を参照して、色収差について説明する。
図２に示す偏光回折素子２３０を用いた場合、前記式（１），式（２）に示したように、視点映像Ｉの光線のシフト量ｄには、波長依存性がある。そのため、集光レンズ２４に照射する位置において色収差が発生する。
例えば、視点映像Ｉの大きさをＷ×Ｈ＝２４．４ｍｍ×１３．８ｍｍ、偏光回折素子２３０の回折ピッチｐ＝２．５μｍ、偏光回折素子２３０ａと偏光回折素子２３０ｂとの距離をＬ１＝３１．３ｍｍとする。この場合、図１１に示すように、集光レンズ２４に照射する位置（奇数フレームＦＯの●印、偶数フレームＦＥの○印）において、可視領域を３６０〜８３０ｎｍとして、光線が回折方向に６．４ｍｍ広がる。
しかし、この色収差は、奇数フレームＦＯと偶数フレームＦＥとで重ならない。そのため、三次元映像表示装置１は、多視点映像の映像光を、三次元映像を再生するための光線情報として、効率よく利用することができる。

なお、このような色収差が発生する場合、表示する三次元映像にも、配色パターン等によって、色収差による色にじみが発生する場合がある。そのため、表示する多視点映像は、予め色収差を補正しておくことが好ましい。
例えば、図１２（ａ）に示すように、視点映像Ｉのある画素ｐｘのＲＧＢの光が、偏光回折素子２３０によって回折された場合、ＲＧＢのそれぞれの波長に応じて回折する量が異なる。
この場合、画素の光が、偏光回折素子２３０ｂの同じ位置から出射するようにすればよい。すなわち、視点映像Ｉのある色（例えば、Ｇ）を基準として、視点映像Ｉの他の色の表示位置をシフトさせればよい。
具体的には、図１２（ｂ）に示すように、画素ｐｘのＧ光を偏光回折素子２３０によってＥだけシフトさせる。このシフト量Ｅは、以下の式（６）で表される。

ここで、ｐは偏光回折素子２３０の回折ピッチ、Ｌ１は偏光回折素子２３０ａと偏光回折素子２３０ｂとの距離、λ_ｅは基準波長（例えば、Ｇ光の波長；５５０ｎｍ）である。
そして、他の色（例えば、Ｒ，Ｂ）については、基準波長の色を含んだ画素（ここでは、ｐｘ）から、以下の式（７）に示すΔＥだけシフトした画素（ｐｘｒ，ｐｘｂ）の色として表示する。なお、λは基準波長以外の色（Ｒ，Ｂ）の波長を示す。

これによって、三次元映像表示装置１は、色収差の発生を抑えて、観察者に三次元映像を視認させることができる。

≪三次元映像表示装置の動作≫
次に、図１３を参照（構成については適宜図１，図２参照）して、本発明の第１実施形態に係る三次元映像表示装置１の動作について説明する。
ステップＳ１において、切替制御手段２１１は、偏光切替素子２１０の偏光切替の状態を、多視点映像のフレームごとに制御する。この切替制御手段２１１は、多視点映像のフレームが奇数フレームであれば、偏光切替素子２１０への電圧印加を行わないことで、偏光切替素子２１０を、水平偏光をそのまま通過させる状態に切り替える。また、切替制御手段２１１は、多視点映像のフレームが偶数フレームであれば、偏光切替素子２１０への電圧印加を行うことで、偏光切替素子２１０を、水平偏光を垂直偏光とする状態に切り替える。

ステップＳ２において、二次元映像表示手段１０は、多視点映像をフレームごとに表示する。
ステップＳ３において、偏光切替素子２１０は、ステップＳ１で制御された偏光状態に応じて、多視点映像の直線偏光を水平偏光または垂直偏光に切り替える。
ステップＳ４において、λ／４波長板２１２は、ステップＳ３で切り替えられえた直線偏光を円偏光に変換する。このλ／４波長板２１２は、照射された多視点映像が水平偏光であれば右回り円偏光に変換し、垂直偏光であれば左回り円偏光に変換する。
ステップＳ５において、結像手段２２は、個々の結像レンズ２２０によって、多視点映像を個々の視点映像に分離し結像する。

ステップＳ６において、偏光回折手段２３は、ステップＳ５で分離された個々の視点映像の偏光に応じた回折方向に光軸をシフトさせる。ここでは、偏光回折手段２３の偏光回折素子２３０ａは、視点映像の偏光状態に応じて、入射光を＋１次光または−１次光として出射する。そして、偏光回折手段２３の偏光回折素子２３０ｂは、偏光回折素子２３０ａで回折された視点映像をもとの出射方向に戻す。このように、偏光回折手段２３は、２枚の偏光回折素子２３０ａ，２３０ｂによって、視点映像の偏光状態に応じて、光軸を異なる位置にシフトさせる。
なお、このとき、０次光遮断手段２３１は、偏光回折素子２３０ｂから出射される０次光を遮断する（動作として図示せず）。

ステップＳ７において、集光レンズ２４は、個々の視点映像を表示光学系３０に背面照射して重畳表示する。
そして、二次元映像表示手段１０が多視点映像を表示する間（ステップＳ８でＮｏ）、三次元映像表示装置１は、ステップＳ１に戻って動作を継続する。
一方、二次元映像表示手段１０による多視点映像の表示が終了した段階で（ステップＳ８でＹｅｓ）、三次元映像表示装置１は動作を終了する。
以上の動作によって、三次元映像表示装置１は、観察者Ｍに対して、水平方向および垂直方向に視差を有する三次元映像を視認させることができる。

以上説明したように、三次元映像表示装置１は、視点位置の異なる多視点映像を二次元映像表示手段１０に表示する際に、時系列でさらに視点位置をずらした多視点映像を表示する。そのため、三次元映像表示装置１は、二次元映像表示手段１０が表示する画素数を増やすことなく、多視点映像の視点数を増加させることができる。
これによって、三次元映像表示装置１は、多視点映像の再生光線を高密度に表示して、高精細な三次元映像を表示することができる。

≪第２実施形態：三次元映像表示装置の構成≫
次に、図１４を参照して、本発明の第２実施形態に係る三次元映像表示装置１Ｂの構成について説明する。

三次元映像表示装置１Ｂは、三次元映像表示装置１（図２）と同様、観察者に対して、水平方向および垂直方向に視差を有する三次元映像を視認させる映像を表示するものである。
三次元映像表示装置１Ｂは、二次元映像表示手段１０と、光軸切替結像手段２０Ｂと、表示光学系３０と、を備える。
二次元映像表示手段１０および表示光学系３０は、図２で説明した三次元映像表示装置１の構成と同じであるため、説明を省略する。

光軸切替結像手段２０Ｂは、偏光切替手段２１Ｂと、結像手段２２と、偏光回折手段２３Ｂと、集光レンズ２４と、を備える。
結像手段２２および集光レンズ２４は、図２で説明した光軸切替結像手段２０の構成と同じであるため、説明を省略する。

偏光切替手段２１Ｂは、二次元映像表示手段１０が表示する多視点映像の偏光を時系列に切り替えるものである。この偏光切替手段２１Ｂは、偏光切替手段２１（図２）からλ／４波長板２１２を省略して構成している。
これによって、偏光切替手段２１Ｂは、二次元映像表示手段１０が表示する光を、フレームごとに、水平偏光または垂直偏光に切り替えることができる。

偏光回折手段２３Ｂは、結像レンズ２２０から入射した光を偏光状態に応じて回折させ、光軸をシフトさせるものである。偏光回折手段２３Ｂは、２つの偏光回折素子２３０Ｂ（２３０Ｂａ，２３０Ｂｂ）と、０次光遮断手段２３１Ｂと、を備える。
偏光回折素子２３０Ｂは、直線偏光（水平偏光または垂直偏光）の入射光を、偏光状態に応じて、異なる方向に±１次光として回折させる素子である。
なお、偏光回折素子２３０Ｂは、特開２００８−２３３５３９号公報や以下の参考文献１に開示されている既知の偏光回折素子を用いればよい。
（参考文献１：ｈｔｔｐ：//ｏｐｔｉｋ.ｎａｇａｏｋａｕｔ.ａｃ.ｊｐ/ａｚｏ＿ｄｙｅ＿ｄｏｐｅｄ.ｈｔｍｌ）
偏光回折素子２３０Ｂは、垂直偏光の光を水平偏光に変換するともに−１次光として進行方向を変え、水平偏光の光を垂直方向に変換するとともに＋１次光として進行方向を変える素子である。

すなわち、図１５（ａ）に示すように、偏光回折素子２３０Ｂは、偏光回折素子２３０Ｂａによって、垂直偏光の光を水平偏光に変換するともに−１次光として進行方向を変え、偏光回折素子２３０Ｂｂによって、水平偏光の光を垂直偏光に変換するともに＋１次光として進行方向を変えることで、光軸をシフトさせる。
また、図１５（ｂ）に示すように、偏光回折素子２３０Ｂは、偏光回折素子２３０Ｂａによって、水平偏光の光を垂直偏光に変換するともに＋１次光として進行方向を変え、偏光回折素子２３０Ｂｂによって、垂直偏光の光を水平偏光に変換するともに−１次光として進行方向を変えることで、光軸をシフトさせる。

０次光遮断手段２３１Ｂは、偏光回折素子２３０Ｂａおよび偏光回折素子２３０Ｂｂにおいて、偏光変化しなかった０次光を遮断するものである。この０次光遮断手段２３１Ｂは、０次光が照射される領域のみを遮光する遮光板を用いることができる。
このように、三次元映像表示装置１Ｂは、偏光回折素子２３０Ｂを用いることで、三次元映像表示装置１（図２）からλ／４波長板２１２を省略して、三次元映像表示装置１と同様の効果を奏することができる。
なお、三次元映像表示装置１Ｂの動作は、偏光状態が異なるだけで、三次元映像表示装置１と同様の動作であるため、説明を省略する。
以上、本発明の実施形態に係る三次元映像表示装置１の構成および動作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。

（変形例１）
図２に示した三次元映像表示装置１では、光軸切替結像手段２０において、結像手段２２（結像レンズ２２０）と、偏光回折素子２３０ａとを離間して構成した。
しかし、図１６に示すように、結像レンズ２２０を平凸レンズで構成し、結像レンズ２２０の平面側と偏光回折素子２３０ａとを密着して構成してもよい。
例えば、図１６（ａ）に示すように、結像レンズ２２０を平凸レンズとし、凸面側を視点映像Ｉからの照射面とし、平面に偏光回折素子２３０ａを密着して光軸切替結像手段２０Ｃを構成してもよい。
また、結像レンズ２２０と偏光回折素子２３０ａとを密着する場合、結像レンズ２２０と偏光回折素子２３０ａとの配置を前後逆にして、図１６（ｂ）に示すように、光軸切替結像手段２０Ｄを構成してもよい。
この図１６に示した光軸切替結像手段２０Ｃ，２０Ｄは、偏光切替手段２１、０次光遮断手段２３１の図示を省略している。
なお、図１４に示した三次元映像表示装置１Ｂにおいても、光軸切替結像手段２０Ｂの構成を、図１６に示した構成としてもよい。

（変形例２）
図２，図１４に示した三次元映像表示装置１，１Ｂでは、偏光回折手段２３は、偏光回折素子２３０（２３０Ｂ）を２枚配置することで、光軸を２つの方向にシフトさせるものであった。
しかし、偏光回折手段２３は、偏光回折素子２３０（２３０Ｂ）の２枚を１組として多段に構成することで、光軸を４以上の方向にシフトさせてもよい。

図１７に、偏光回折素子２３０を例として、２枚の偏光回折素子２３０ａ，２３０ｂを１組として、２段構成した偏光回折手段２３Ｃの構成例を示す。なお、図１７では、視点映像Ｉに対応する結像レンズ２２０の光軸だけを図示する。
図１７に示すように、偏光回折手段２３Ｃは、４つの偏光回折素子２３０（２３０ａ，２３０ｂ，２３０ｃ，２３０ｄ）と、０次光遮断手段２３１と、偏光切替素子２３２と、切替制御手段２３３と、を備える。
偏光回折素子２３０は、図１で説明した素子と同じものであるため、説明を省略する。なお、ここで、１組の偏光回折素子２３０ａ，２３０ｂで、１段階目の光軸のシフトを行い、１組の偏光回折素子２３０ｃ，２３０ｄで、２段階目の光軸のシフトを行う。
０次光遮断手段２３１は、偏光変化しなかった０次光を遮断するもので、図２で説明したものと同じである。

偏光切替素子２３２は、入射光の偏光を電気的に切り替えるものである。偏光切替素子２３２は、１組目の偏光回折素子２３０ａ，２３０ｂと、２組目の偏光回折素子２３０ｃ，２３０ｄとの間に配置され、偏光回折素子２３０ｂから入射する光の偏光を切替制御手段２３３の制御により切り替える。
偏光切替素子２３２には、例えば、液晶偏光ローテータ等を用いることができる。
この偏光切替素子２３２は、切替制御手段２３３の電圧制御によって、平常時は円偏光の光をそのまま透過させ、電圧印加時は右回り円偏光の光を左回り円偏光に変換し、左回り円偏光の光を右回り円偏光に変換する。
偏光切替素子２３２によって偏光が変換された光は、後段の偏光回折素子２３０ｃに照射される。

切替制御手段２３３は、二次元映像表示手段１０（図２）が表示する映像のフレームに同期して、時間分割で偏光切替素子２３２の偏光切替状態を電圧制御により切り替えるものである。なお、切替制御手段２３３は、垂直ブランキング期間で偏光切替の制御を行う。
これによって、偏光回折手段２３Ｃは、結像レンズ２２０の光軸を、時系列に光軸Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４の４つにシフトさせることができる。

なお、このように、偏光状態によって、光軸を４つにシフトさせるには、偏光切替素子２１０（図２）と偏光切替素子２３２とで、偏光切替スイッチＳ１，Ｓ２を切り替える必要がある。
例えば、以下の表１の偏光切替スイッチの状態に示すように、Ｆ_４ｎ（ｎは０以上の整数；以下同じ）フレームにおいては、偏光切替スイッチＳ１をＯＦＦ、偏光切替スイッチＳ２をＯＦＦにする。また、Ｆ_４ｎ＋１フレームにおいては、偏光切替スイッチＳ１をＯＦＦ、偏光切替スイッチＳ２をＯＮにする。また、Ｆ_４ｎ＋２フレームにおいては、偏光切替スイッチＳ１をＯＮ、偏光切替スイッチＳ２をＯＦＦにする。また、Ｆ_４ｎ＋３フレームにおいては、偏光切替スイッチＳ１をＯＮ、偏光切替スイッチＳ２をＯＮにする。

これによって、偏光回折手段２３Ｃを備えた三次元映像表示装置１，１Ｂは、図１８に示すように、視点位置の異なる４つのフレームＦ_４ｎ，Ｆ_４ｎ＋１，Ｆ_４ｎ＋２，Ｆ_４ｎ＋３を、順次、光軸をシフトさせて表示することで視点数を増加させて、三次元映像を表示することができる。
なお、ここでは、光軸を２段階シフトさせる例を示したが、この段数は、３段以上であっても構わない。

（変形例３）
図２，図１４に示した三次元映像表示装置１，１Ｂでは、視点映像Ｉの水平方向および垂直方向のそれぞれのピッチの１／２を光軸のシフト量とした。
しかし、例えば、三次元映像の水平方向の画質を重点的に高めたければ、水平方向のみに光軸をシフトさせてもよい。また、三次元映像の垂直方向の画質を重点的に高めたければ、垂直方向のみに光軸をシフトさせてもよい。

１，１Ｂ 三次元映像表示装置
１０ 二次元映像表示手段
２０，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ 光軸切替結像手段
２１，２１Ｂ 偏光切替手段
２１０ 偏光切替素子
２１１ 切替制御手段
２１２ λ／４波長板
２２ 結像手段（結像レンズ群）
２２０ 結像レンズ
２３，２３Ｂ，２３Ｃ 偏光回折手段
２３０，２３０Ｂ 偏光回折素子
２３１，２３１Ｂ ０次光遮断手段
２３２ 偏光切替素子（第２偏光切替手段）
２３３ 切替制御手段（第２偏光切替手段）
２４ 集光レンズ（集光手段）
３０ 表示光学系
３１ 視域形成レンズ
３２ スクリーン

Claims (7)

1. 三次元映像を表示する三次元映像表示装置であって、
   時間方向に予め定めた周期で視点位置をずらした多視点映像を同じ表示位置に二次元映像として表示する二次元映像表示手段と、
   前記周期で前記多視点映像を構成する視点映像ごとに回折により映像光の光軸をシフトして重畳結像させる光軸切替結像手段と、
   前記光軸切替結像手段によって重畳結像された映像光を予め定めた範囲に拡散して前記三次元映像を表示する表示光学系と、
   を備えることを特徴とする三次元映像表示装置。
2. 前記光軸切替結像手段は、
   前記周期で、前記視点映像ごとに映像光の偏光状態を切り替える偏光切替手段と、
   前記多視点映像を個々の視点映像に分離して結像させる結像手段と、
   前記視点映像の映像光を前記偏光状態に応じて異なる方向に回折させて光軸をシフトさせる偏光回折手段と、
   前記偏光回折手段で光軸をシフトした前記視点映像ごとの映像光を重畳して前記表示光学系に照射する集光手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の三次元映像表示装置。
3. 前記偏光切替手段は、前記多視点映像の映像光を前記周期で右回り円偏光または左回り偏光に偏光状態を切り替え、
   前記偏光回折手段は、円偏光の偏光状態に応じて、光軸をシフトさせることを特徴とする請求項２に記載の三次元映像表示装置。
4. 前記偏光切替手段は、前記多視点映像の映像光を前記周期で水平偏光または垂直偏光に偏光状態を切り替え、
   前記偏光回折手段は、直線偏光の偏光状態に応じて、光軸をシフトさせることを特徴とする請求項２に記載の三次元映像表示装置。
5. 前記偏光回折手段は、一組の偏光回折素子を対向して配置し、一方の偏光回折素子で＋１次光として回折させた光を他方の偏光回折素子で−１次光として回折させ、一方の偏光回折素子で−１次光として回折させた光を他方の偏光回折素子で＋１次光として回折させることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の三次元映像表示装置。
6. 前記偏光回折手段は、前記一組の偏光回折素子を多段に配置し、各組の偏光回折素子の間に、予め定めた周期で映像光の偏光状態を切り替える第２偏光切替手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の三次元映像表示装置。
7. 前記偏光回折手段は、前記偏光回折素子による回折後の光路上に０次光を遮断する０次光遮断手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の三次元映像表示装置。

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