JP2021051176A - 三次元映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インテグラル方式で表示する三次元映像の解像度を高め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、視点位置をずらした要素画像群を、要素画像の表示位置を同じにした二次元映像として予め定めた周期で表示する二次元映像表示手段１０と、前記周期で要素画像群の光の偏光を２つの偏光状態に切り替える偏光切替手段１１と、偏光切替手段１１の光の入射側または出射側のいずれかに配置した、要素画像群の個々の要素画像の表示位置に対応する位置に要素レンズを配列したレンズアレイ１２と、前記周期で偏光状態が切り替えられた要素画像群の光の出射方向を、偏光状態に応じて回折により異なる方向に平行移動させる偏光回折手段１３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、インテグラル方式をはじめとした空間像再生型の三次元映像表示方式は、水平方向および垂直方向の視差を再現できる利点がある。この方式は、多方面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。
特に、インテグラル方式の場合、三次元映像の画素数は、レンズアレイの要素レンズの数に相当する。そのため、三次元映像の解像度を向上させるには、レンズアレイを微細化する必要がある。

しかし、要素レンズのレンズピッチを細かくすると、レンズによる回折の影響が大きくなってしまうとともに、レンズアレイの背面から表示する要素画像の画素サイズも同時に微細化する必要がある。そのため、レンズアレイの微細化には限度がある。
そこで、従来は、三次元映像の高解像度化のために、三次元映像の一部分を表示するインテグラル方式のディスプレイを複数台組み合わせて表示する方式が提案されている（特許文献１参照）。この方式は、複数台のディスプレイが表示する要素画像群を拡大結合させることで、三次元映像の高解像度化を実現している。

特開２０１７−１５１２０２号公報

従来の方式は、三次元映像を高解像度化するために、複数のディスプレイを組み合わせるため、装置全体の規模が大きくなってしまう。そこで、三次元映像を高解像度化する新たな手法が望まれていた。
本発明は、このような要望に鑑みてなされたものであり、レンズアレイの要素レンズごとに時系列に異なる要素画像を表示することで、インテグラル方式で表示する三次元映像の解像度を高め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、インテグラル方式の三次元映像を表示する三次元映像表示装置であって、視点位置をずらした要素画像群を、要素画像の表示位置を同じにした二次元映像として予め定めた周期で表示する二次元映像表示手段と、前記周期で前記要素画像群の光の偏光を２つの偏光状態に切り替える偏光切替手段と、前記偏光切替手段の光の入射側または出射側のいずれかに配置した、前記要素画像群の個々の要素画像の表示位置に対応する位置に要素レンズを配列したレンズアレイと、前記周期で偏光状態が切り替えられた要素画像群の光の出射方向を、前記偏光状態に応じて回折により異なる方向に平行移動させる偏光回折手段と、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、視点位置をずらした要素画像群を、要素画像の表示位置を同じにした二次元映像として予め定めた周期、例えば、フレーム間隔で表示する。この要素画像群は、インテグラル方式で三次元映像を表示するための複数の要素画像を二次元配列した画像である。
そして、三次元映像表示装置は、偏光切替手段によって、要素画像群を表示する周期で、要素画像群の光の偏光を２つの偏光状態に切り替える。

また、三次元映像表示装置は、偏光切替手段の光の入射側または出射側のいずれかに配置し、要素画像群の個々の要素画像の表示位置に対応する位置に要素レンズを配列したレンズアレイによって、要素画像群を被写体の再生光に変換する。なお、この再生光は、周期的に偏光状態が異なっている。
そして、三次元映像表示装置は、偏光回折手段によって、予め定めた周期で偏光状態が切り替えられた要素画像群の光の出射方向を、偏光状態に応じて回折により異なる方向に平行移動させる。
これによって、三次元映像表示装置は、三次元映像の被写体を、レンズアレイのレンズ数を増加させて再生される被写体光として視認させることができ、三次元映像を高解像度化することができる。
例えば、三次元映像表示装置は、要素画像群を、予め定めた周期でレンズアレイのレンズピッチの１／２斜め方向のずれに対応した映像とし、偏光回折手段によって、その周期でレンズピッチの±１／４だけずらして要素画像群の光を平行移動させればよい。

また、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、インテグラル方式の三次元映像を表示する三次元映像表示装置であって、１／２画素斜め方向にずらした要素画像群を、要素画像の表示位置を同じにした二次元映像として予め定めた周期で表示する二次元映像表示手段と、前記周期で前記要素画像群の光の偏光を２つの偏光状態に切り替える偏光切替手段と、前記偏光切替手段の光の出射側に配置した、前記要素画像群の個々の要素画像の表示位置に対応する位置に要素レンズを配列したレンズアレイと、前記周期で偏光状態が切り替えられた要素画像群の光の出射方向を、前記偏光状態に応じて回折により±１／４画素斜め方向に平行移動させる偏光回折手段と、を備える構成とした。

かかる構成によって、三次元映像表示装置は、三次元映像の被写体を、要素画像の画素数を増加させた要素画像群で再生される被写体光として視認させることができ、三次元映像を高解像度化することができる。

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、視点位置の異なる要素画像群を、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、要素画像群を表示する表示装置を大型化することなく、三次元映像を高解像度化して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要素画像群を説明するための説明図であって、（ａ）は奇数フレーム、（ｂ）は偶数フレームの画像を示す。 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。 円形状の要素レンズで構成したレンズアレイの構成例を示す正面図である。 偏光回折素子の光線の回折を示す図であって、（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。 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。 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。 要素レンズの中心位置と、シフトした中心位置との関係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三次元映像表示装置において、三次元映像を高解像度化する効果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。 本発明の変形例に係る三次元映像表示装置の構成を示す平面図である。 要素レンズの中心位置と、シフトした中心位置との関係を説明するための説明図である。 要素レンズの中心位置と、２段階光線をシフトした位置との距離を説明するための説明図である。 レンズアレイの構成例を示す正面図であって、（ａ）は正方形形状の要素レンズで構成した図、（ｂ）は六角形の要素レンズをハニカム構造で構成した図、（ｃ）は横長の長方形形状の要素レンズで構成した図である。 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を示す図、（ｂ）は色収差の補正手法を示す図である。 本発明の他の変形例に係る三次元映像表示装置の構成を示す平面図である。 本発明の他の変形例に係る三次元映像表示装置で表示する要素画像群を説明するための説明図である。 本発明の他の変形例に係る三次元映像表示装置において、三次元映像を高解像度化する効果を説明するための説明図である。 本発明の他の変形例に係る三次元映像表示装置において、要素画像の高解像度化を説明するための説明図であって、（ａ）は要素画像の画素の光線経路を示し、（ｂ）は観察者から見た画素の視認位置を示す図である。

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。
≪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、インテグラル方式による三次元映像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、偏光切替手段１１と、レンズアレイ１２と、偏光回折手段１３と、を備える。

二次元映像表示手段１０は、視点位置をずらした要素画像群を、要素画像の表示位置を同じにした二次元映像として予め定めた周期で表示するものである。
この要素画像群は、インテグラル方式の要素画像Ｉを二次元配列した画像である。また、要素画像群は、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。

図３に示すように、二次元映像表示手段１０が表示する要素画像群は、視点位置の異なる要素画像を、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画像である。
また、二次元映像表示手段１０は、時系列にさらに視点位置の異なる要素画像群を表示する。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で表示する要素画像群（ＦＯ_０，０〜ＦＯ_{ｍ−１，ｎ−１}）と、図３（ｂ）に示す偶数フレームＦＥで表示する要素画像群（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要素画像の１／２相当分ずれた画像を表示する。
例えば、偶数フレームＦＥの要素画像ＦＥ_０，１は、奇数フレームＦＯの要素画像ＦＯ_０，０，ＦＯ_０，１，ＦＯ_１，０，ＦＯ_１，１の中間の画像である。
このように、二次元映像表示手段１０は、時系列で視点位置の異なる要素画像群において、配列位置が同じ要素画像を同じ表示位置に表示する。

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。

偏光切替手段１１は、二次元映像表示手段１０の要素画像群を表示する周期で、要素画像群の光の偏光を２つの偏光状態に切り替えるものである。
偏光切替手段１１は、偏光切替素子１１０と、切替制御手段１１１と、λ／４波長板１１２と、を備える。

偏光切替素子１１０は、二次元映像表示手段１０が表示する要素画像群の偏光を電気的に切り替えるものである。偏光切替素子１１０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１１１の制御により切り替える。
偏光切替素子１１０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１１０は、切替制御手段１１１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１１０によって偏光が変換された光は、λ／４波長板１１２に照射される。
なお、二次元映像表示手段１０が表示する映像（要素画像群）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１１０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１１１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１１０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１１１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１１１は、奇数フレームでは偏光切替素子１１０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１１０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１１１は、偏光切替素子１１０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１１２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１１２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１１２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１１２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１１１で偏光切替素子１１０への電圧の印加を行わない場合（偏光切替スイッチＳ１：ＯＦＦ）、要素画像群の光（水平偏光）は、偏光切替素子１１０をそのまま透過し、λ／４波長板１１２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１１１で偏光切替素子１１０への電圧の印加を行う場合（偏光切替スイッチＳ１：ＯＮ）、要素画像群の光（水平偏光）は、偏光切替素子１１０によって垂直偏光に変換され、λ／４波長板１１２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１１０、切替制御手段１１１およびλ／４波長板１１２は、光の偏光を時系列に切り替える偏光切替手段１１として機能する。
λ／４波長板１１２は、偏光切替素子１１０で切り替えられた偏光（右回り円偏光、左回り円偏光）の要素画像群の光を、レンズアレイ１２に照射する。

レンズアレイ１２は、要素画像群の個々の要素画像の表示位置に対応する位置に要素レンズ１２０を二次元配列したものである。例えば、図５に示すように、レンズアレイ１２は、円形状の要素レンズ１２０を、水平方向および垂直方向に予め定めた間隔で配列したものである。なお、要素レンズ１２０の位置は、二次元映像表示手段１０が表示する個々の要素画像Ｉの位置に対応する。

レンズアレイ１２（要素レンズ１２０）は、二次元映像表示手段１０の表示面から、要素レンズ１２０の焦点距離だけ離間して配置される。
要素レンズ１２０は、要素画像Ｉの光を平行光に変換し、被写体から発せられる光（被写体光）を再現するものである。例えば、要素レンズ１２０は、単レンズである微小な凸レンズで構成することができる。
このように、レンズアレイ１２の個々の要素レンズ１２０によって、要素画像Ｉの各画素の光が平行光となることで、観察者Ｍは、要素レンズ１２０ごとに、要素画像の１画素を観察することができる。
レンズアレイ１２は、要素画像Ｉの各画素の光を平行光として、偏光回折手段１３に照射する。

偏光回折手段１３は、レンズアレイ１２から入射した要素画像群の光（被写体光）の出射方向を、偏光状態に応じて回折により異なる方向に平行移動させるものである。偏光回折手段１３は、２つの偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂを備える。なお、偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂは、少なくともレンズアレイ１２全体を覆う大きさである。

偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂ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。
例えば、偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂは、図６（ａ）に示すように、右回り円偏光の光を垂直に入射した場合、入射光を予め設計した回折角φの方向に左回り円偏光に変換し、＋１次光として回折させる。また、偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂは、図６（ｂ）に示すように、左回り円偏光の光を垂直に入射した場合、入射光を予め設計した回折角φの方向に右回り円偏光に変換し、−１次光として回折させる。
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１３０ａ，１３０ｂ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１３０ａは、レンズアレイ１２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１３０ｂ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１３０ｂは、偏光回折素子１３０ａと同じ向きで平行に離間して配置され、偏光回折素子１３０ａで回折された光を、偏光状態に応じて、偏光回折素子１３０ａ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。
観察者Ｍは、この偏光回折素子１３０ｂによって回折された光を観察することになる。

偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂは、レンズアレイ１２から入射した光の偏光状態に応じて、要素画像Ｉの表示位置を、ｘ軸およびｙ軸の正または負の方向にそれぞれ要素レンズのレンズピッチの１／４だけずらした位置に表示するように光を回折する。
図２では、偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂによって、レンズアレイ１２から入射した光が、ｘ軸方向の要素レンズ１２０のピッチＤｘに対して、ｘ軸の正負の方向にそれぞれ時系列にＤｘ／４だけずれた光となる例を示している。

ここで、図７〜図９を参照して、偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂの位置関係について説明する。
偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂによる各要素画像の光線のシフト量は、偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂ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１３０ａ，１３０ｂ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１３０ａ，１３０ｂ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。
入射光の波長をλとし、図８に示すように、偏光回折素子１３０ａの回折ピッチをｐとしたとき、図７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７に示すように、偏光回折素子１３０ａと偏光回折素子１３０ｂ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１３０ａと偏光回折素子１３０ｂとの距離をＬ１としたとき、図７（ａ）に示すように、偏光回折素子１３０ａに垂直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１３０ｂに照射される。また、偏光回折素子１３０ｂに垂直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１３０ａに入射した進行方向と同じ方向に回折される。

また、図７（ｂ）に示すように、偏光回折素子１３０ａに垂直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１３０ｂに照射される。また、偏光回折素子１３０ｂに垂直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１３０ａに入射した進行方向と同じ方向に回折される。

ここで、図９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９は、要素レンズ１２０の中心位置（×印）と、本来、要素レンズ１２０の中心位置Ｃ（×印）に垂直に照射する光が回折されることでシフトした位置Ｃ_Ｏ（●印）およびＣ_Ｅ（○印）とをｘｙ平面上に示す図である。
位置Ｃ_Ｏ（●印）は、奇数フレームＦＯにおいてシフトされる位置に対応する。また、位置Ｃ_Ｅ（○印）の位置は、偶数フレームＦＥにおいてシフトされる位置に対応する。
奇数フレームＦＯと偶数フレームＦＥの要素映像を、均一の光線密度で視認するには、水平方向の要素レンズ１２０のピッチをＤｘ、垂直方向の要素レンズ１２０のピッチをＤｙとしたとき、中心位置Ｃに対して、水平方向に±Ｄｘ／４、垂直方向に±Ｄｙ／４だけずれた位置に、光線をシフトさせることが望ましい。

具体的には、Ｄｘ＝Ｄｙ＝１ｍｍとした場合、水平軸からの傾き角θ＝４５°、シフト量ｄ＝（√２）×Ｄｘ／４≒０．３５ｍｍ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１３０ａ，１３０ｂの回折ピッチｐと、偏光回折素子１３０ａと偏光回折素子１３０ｂ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＝１．５５ｍｍとすればよい。
以上説明したように三次元映像表示装置１を構成することで、三次元映像表示装置１は、時系列に要素画像群の位置を変えて表示することができる。これによって、三次元映像表示装置１は、要素レンズ１２０の数に対して、要素画像Ｉの数を倍にすることができ、三次元映像Ｔの解像度を向上させることができる。

この効果を、模式的に図１０を参照して説明する。
図１０に示すように、三次元映像表示装置１は、時系列に要素画像群の切り替えと光線の回折方向の切り替えとを行うことで、観察者Ｍが個々の要素レンズ１２０のレンズ中心を介して観察する要素画像Ｉの画素を切り替えることができる。これによって、三次元映像表示装置１は、物理的な１つの要素レンズ１２０に対して、偏光回折素子１３０ｂに仮想的な２つの要素レンズ１２０ｖを形成することができる。これは、要素レンズ１２０の数が倍になったことに相当し、三次元映像Ｔの解像度が向上することになる。

≪三次元映像表示装置の動作≫
次に、図１１を参照（構成については適宜図１，図２参照）して、本発明の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１１１は、偏光切替素子１１０の偏光切替の状態を、要素画像群のフレームごとに制御する。この切替制御手段１１１は、要素画像群のフレームが奇数フレームであれば、偏光切替素子１１０への電圧印加を行わないことで、偏光切替素子１１０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１１１は、要素画像群のフレームが偶数フレームであれば、偏光切替素子１１０への電圧印加を行うことで、偏光切替素子１１０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、要素画像群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１１０は、ステップＳ１で制御された偏光状態に応じて、要素画像群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１１２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１１２は、照射された要素画像群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、レンズアレイ１２の要素レンズ１２０は、ステップＳ４で変換された円偏光の拡散光を平行光とし、被写体光を再現する。
ステップＳ６において、偏光回折手段１３は、ステップＳ５で再現された被写体光を、偏光に応じた回折方向にシフトさせる。ここでは、偏光回折手段１３の偏光回折素子１３ａは、被写体光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１３の偏光回折素子１３０ｂは、偏光回折素子１３０ａで回折された被写体光をもとの出射方向に戻す。このように、偏光回折手段１３は、２枚の偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂによって、被写体光の偏光状態に応じて、要素画像の画素ごとの光を異なる位置にシフト（平行移動）させる。

そして、二次元映像表示手段１０が要素画像群を表示する間（ステップＳ７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による要素画像群の表示が終了した段階で（ステップＳ７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、解像度の高い三次元映像Ｔを視認させることができる。

≪変形例の三次元映像表示装置の構成≫
次に、図１２を参照して、本発明の変形例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、観察者に対して、インテグラル方式による三次元映像を視認させる映像を表示するものである。
図２で説明した三次元映像表示装置１は、要素画像の画素の光線を時系列に２つの方向にシフトさせることで、２倍の要素画像を表示するものであった。
三次元映像表示装置１Ｂは、要素画像の画素の光線を時系列に４つの方向にシフトさせることで、４倍の要素画像を表示するものである。

図１２に示すように、三次元映像表示装置１Ｂは、二次元映像表示手段１０と、偏光切替手段１１と、レンズアレイ１２と、偏光回折手段１３Ｂと、を備える。なお、二次元映像表示手段１０、偏光切替手段１１およびレンズアレイ１２は、図２で説明した三次元映像表示装置１と同じ構成であるため、説明を省略する。また、図１２では、光線として、要素画像Ｉに対応する要素レンズ１２０の光軸だけを図示している。

偏光回折手段１３Ｂは、レンズアレイ１２から入射した光（被写体光）を偏光状態に応じて回折するものである。
偏光回折手段１３Ｂは、二組の偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂおよび偏光回折素子１３１ａ，１３１ｂと、偏光切替素子１３２と、切替制御手段１３３と、を備える。

偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂは、図２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１３０ａ，１３０ｂで、１段階目の光線のシフトを行い、１組の偏光回折素子１３１ａ，１３１ｂで、２段階目の光線のシフトを行う。ここでは、偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂでシフトされた光軸の光線をＣ_１，Ｃ_２で示している。また、光軸Ｃ_１の光が偏光回折素子１３１ａ，１３１ｂでシフトされた光線をＣ_１１，Ｃ_１２で示し、光軸Ｃ_２の光が偏光回折素子１３１ａ，１３１ｂでシフトされた光線をＣ_２１，Ｃ_２２で示している。

偏光切替素子（第２偏光切替手段）１３２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１３２は、１組目の偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂと、２組目の偏光回折素子１３１ａ，１３１ｂとの間に配置され、偏光回折素子１３０ｂから入射する光の偏光を切替制御手段１３３の制御により切り替える。
偏光切替素子１３２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１３２は、切替制御手段１３３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１３２によって偏光が変換された光は、後段の偏光回折素子１３１ａに照射される。

切替制御手段（第２偏光切替手段）１３３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１３２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１３３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１３Ｂは、要素レンズ１２０の光軸を、時系列に光軸Ｃ_１１，Ｃ_１２，Ｃ_２１，Ｃ_２２の４つにシフトさせることができる。
この場合、図１３に示すように、レンズアレイ１２を正面視したとき、仮想的な要素レンズが均一に配置されているように、要素レンズ１２０の中心位置Ｃに対して、フレームごとに光線を斜め（水平軸から４５度）にシフトした光軸の位置Ｃ_１１，Ｃ_１２，Ｃ_２１，Ｃ_２２を仮想の要素レンズの中心位置とすることが望ましい。

そして、要素レンズ１２０のピッチを１ｍｍとした場合、図１４に示すように、要素レンズ１２０の中心位置Ｃと、偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂで１段目にシフトされる光軸の位置Ｃ_１，Ｃ_２との距離（シフト量）ΔＳ_１を０．３５ｍｍとする。また、位置Ｃ_１（Ｃ_２）と、偏光回折素子１３１ａ，１３１ｂで２段目にシフトされる光軸の位置Ｃ_１１，Ｃ_１２（Ｃ_２１，Ｃ_２２）との距離（シフト量）ΔＳ_２を０．１８ｍｍとする。
このように、光線をシフトさせるには、前記式（１），式（２）により、図１２に示した偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂの距離Ｌ１を１．５５ｍｍ、偏光回折素子１３１ａ，１３１ｂの距離Ｌ２を０．７８ｍｍとすればよい。

なお、このように、偏光状態によって、光線を４つにシフトさせるには、偏光切替素子１１０と偏光切替素子１３２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。

なお、二次元映像表示手段１０は、この偏光切替スイッチに同期して、視点位置をずらした４つの要素画像群を時系列に同じ表示位置に二次元映像として表示すればよい。この場合、それぞれの要素画像群は、要素レンズ１２０の１／８ピッチだけずらした画像とする。
これによって、偏光回折手段１３Ｂを備えた三次元映像表示装置１Ｂは、視点位置の異なる要素画像群を、４つのフレームＦ_４ｎ，Ｆ_４ｎ＋１，Ｆ_４ｎ＋２，Ｆ_４ｎ＋３で、順次、光線をシフトさせて表示することで要素画像の数を増加させて、三次元映像を表示することができる。
そして、三次元映像表示装置１Ｂは、三次元映像表示装置１よりもさらに解像度を向上させた三次元映像を観察者に視認させることができる。
なお、ここでは、光線を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。

この三次元映像表示装置１Ｂの動作は、図１１で説明した三次元映像表示装置１の動作において、偏光を切り替えるタイミングが異なるだけであるため、説明を省略する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。以下、種々の変形例について説明する。

（レンズアレイの要素レンズについて）
三次元映像表示装置１，１Ｂは、レンズアレイ１２として、図５に示した円形状の要素レンズ１２０を水平方向および垂直方向に配列したものを用いた。しかし、レンズアレイ１２の要素レンズの１２０の形状は、必ずしも円形状である必要はない。
例えば、図１５（ａ）に示すように、正方形形状の要素レンズ１２０Ｂを水平方向および垂直方向に配列したレンズアレイ１２Ｂを用いてもよい。
また、例えば、図１５（ｂ）に示すように、六角形形状の要素レンズ１２０Ｃを配列したハニカム構造のレンズアレイ１２Ｃを用いてもよい。
また、例えば、図１５（ｃ）に示すように、横長の長方形形状の要素レンズ１２０Ｄを水平方向および垂直方向に配列したレンズアレイ１２Ｄを用いてもよい。これによって、水平方向の三次元映像の品質を高めることができる。
なお、二次元映像表示手段１０は、要素レンズ１２０，１２０Ｂ，１２０Ｃ，１２０Ｄに対向する位置に要素画像を表示することはいうまでもない。

（色収差について）
図２に示した偏光回折手段１３を用いた場合、前記式（１），式（２）に示したように、要素画像Ｉの光線の回折のシフト量ｄには、波長依存性がある。そのため、表示する三次元映像Ｔに色収差が発生する。
例えば、偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂの回折ピッチｐ＝２．５μｍ、偏光回折素子１３０ａと偏光回折素子１３０ｂとの距離Ｌ１＝１．５５ｍｍの場合、可視領域を３６０〜８３０ｎｍとすると、光線は回折方向に０．３２ｍｍ広がる。この程度の拡がりであれば、視覚上問題はない。しかし、このような色収差が発生する場合、表示する三次元映像Ｔ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、二次元映像表示手段１０が表示する要素画像群は、予め色収差を補正しておくことが好ましい。

例えば、図１６（ａ）に示すように、要素画像Ｉのある画素ｐｘのＲＧＢの光が、偏光回折手段１３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１３ｂの同じ位置から出射するようにすればよい。すなわち、要素画像Ｉのある色（例えば、Ｇ）を基準として、要素画像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１６（ｂ）に示すように、画素ｐｘのＧ光を偏光回折手段１３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（４）で表される。

ここで、ｐは偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂの回折ピッチ、Ｌ１は偏光回折素子１３０ａと偏光回折素子１３０ｂ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（５）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。
なお、図１２で説明した三次元映像表示装置１Ｂにおいては、２段階のシフトを行うが、表示する要素画像群について、２段階のシフトに伴い発生する色収差を予め補正しておくことが好ましい。

（偏光回折素子の種類について）
ここでは、三次元映像表示装置１，１Ｂは、偏光回折手段１３，１３Ｂとして、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、±１次光として回折させるとともに、円偏光の向き（右回りまたは左回り）を変える偏光回折素子を用いた。
しかし、偏光回折手段１３，１３Ｂには、垂直偏光または水平偏光の入射光を、偏光状態に応じて、±１次光として回折させるとともに、直線偏光の向き（垂直または水平）を変える偏光回折素子を用いてもよい。
この場合、三次元映像表示装置１，１Ｂは、構成から、λ／４波長板１１２を省略することができる。

なお、このように、垂直偏光または水平偏光の入射光を、偏光状態に応じて、±１次光として回折させる偏光回折素子は、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）

（偏光回折素子の大きさ、形状について）
ここでは、三次元映像表示装置１，１Ｂは、偏光回折手段１３，１３Ｂとして、レンズアレイ１２全体を覆う大きさの偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂ，１３１ａ，１３１ｂを用いた。
しかし、偏光回折手段１３，１３Ｂは、１つの素子として構成する必要はなく、要素画像の大きさに対応した小面積の偏光回折素子を二次元配列して構成してもよい。このように、小面積の偏光回折素子を二次元配列する場合、タイリングのつなぎ目の影響を抑えるため、密に配列することが好ましい。
また、偏光回折素子は、レンズアレイ１２全体を覆うことができれば、矩形、円形等、任意の形状でよい。

（レンズアレイの配置について）
ここでは、レンズアレイ１２を、偏光切替手段１１と偏光回折手段１３との間に備える構成とした。しかし、レンズアレイは、二次元映像表示手段１０の表示面から、要素レンズ１２０の焦点距離だけ離間していれば、二次元映像表示手段１０と偏光切替手段１１との間に備えても構わない。また、レンズアレイ１２は、それぞれの要素レンズ１２０を、平凸レンズとし、平面側を偏光回折手段１３の偏光回折素子１３０ａの光の入射側または出射側に接するように構成してもよい。

（奥行き再現性の向上について）
三次元映像表示装置１は、要素レンズ１２０の１／４ピッチ（三次元映像表示装置１Ｂの場合は、１／８ピッチ）だけずれた要素画像群を時系列に表示することで、仮想的に要素レンズの数を増やして、三次元映像を高解像度化した。
しかし、仮想的に要素画像の画素数を増やすことで、三次元映像を高解像度化することとしてもよい。
この場合、図１７に示すように、三次元映像表示装置１（図２）と同様の構成で、レンズアレイ１２を、偏光回折手段１３よりも光の出射側（観察者Ｍ側）に配置し、三次元映像表示装置１Ｃとして構成すればよい。
そして、三次元映像表示装置１Ｃの二次元映像表示手段１０は、例えば、図１８に示す水平画素数２Ｗ×垂直画素数２Ｈの要素画像Ｉ_Ｌに対して、〇印で示す奇数行偶数列の画素を抽出した水平画素数Ｗ×垂直画素数Ｈの要素画像Ｉ_Ｏで構成された要素画像群を奇数フレームとして表示する。また、二次元映像表示手段１０は、要素画像Ｉ_Ｌに対して、×印で示す偶数行奇数列の画素を抽出した水平画素数Ｗ×垂直画素数Ｈの要素画像Ｉ_Ｅで構成された要素画像群を偶数フレームとして表示する。
すなわち、二次元映像表示手段１０は、１／２画素斜め方向にずらした要素画像群を、要素画像の表示位置を同じにした二次元映像として予め定めた周期、例えば、フレーム周期で表示する。
また、三次元映像表示装置１Ｃの偏光回折手段１３は、要素画像Ｉの光線のシフト量を、要素画像Ｉの画素の±１／４画素斜め方向にずらした量とする。

時系列に要素画像群の切り替えと光線の回折方向の切り替えとを行うことで、三次元映像表示装置１Ｃは、図１９に示すように、観察者Ｍが個々の要素レンズ１２０のレンズ中心を介して観察する要素画像Ｉの画素を切り替えることができる。これによって、三次元映像表示装置１Ｃは、１つの要素レンズ１２０で、２Ｗ×２Ｈ画素の要素画像として、観察者Ｍに視認させることができる。これは、要素画像の解像度が水平方向および垂直方向に倍になったことに相当し、三次元映像Ｔの解像度が向上することになる。

三次元映像表示装置１Ｃにより、解像度が倍となる状態を、図２０を参照して、要素画像を拡大して説明する。
図２０（ａ）は、要素画像Ｉの各画素（ｐｘ_１，ｐｘ_２，…）の光が、要素レンズ１２０のレンズ中心を通過する経路を示している。例えば、画素ｐｘ_１の光は、偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂで時系列に回折され、光線Ｌ_１１，Ｌ_１２となる。同様に、画素ｐｘ_２の光は、光線Ｌ_２１，Ｌ_２２となる。
逆に、要素レンズ１２０のレンズ中心を通過した光（光線Ｌ_１１，Ｌ_１２，Ｌ_２１，Ｌ_２２等）を観察者が視認した場合、図２０（ｂ）に示すように、観察者は、光線Ｌ_１１，Ｌ_１２，Ｌ_２１，Ｌ_２２等を逆方向に延長（図２０中、一点鎖線、二点鎖線）した画素位置を観察することになる。すなわち、本来、要素画像Ｉの画素ピッチｐ_ｇに対し、偏光回折素子１３０ａ，１３０ｂを介在させることで、画素ピッチは、仮想的にｖ_ｐｇ（＝ｐ_ｇ／２）となる。これによって、要素画像の解像度が倍になる。
このように、要素画像を高解像度化することで、三次元映像表示装置１Ｃは、三次元映像の奥行き再現性を高めることができる。

１，１Ｂ，１Ｃ 三次元映像表示装置
１０ 二次元映像表示手段
１１ 偏光切替手段
１１０ 偏光切替素子
１１１ 切替制御手段
１１２ λ／４波長板
１２ レンズアレイ
１２０ 要素レンズ
１３，１３Ｂ 偏光回折手段
１３０ａ，１３０ｂ 偏光回折素子
１３１ａ，１３１ｂ 偏光回折素子
１３２ 偏光切替素子（第２偏光切替手段）
１３３ 切替制御手段（第２偏光切替手段）

Claims (7)

1. インテグラル方式の三次元映像を表示する三次元映像表示装置であって、
   視点位置をずらした要素画像群を、要素画像の表示位置を同じにした二次元映像として予め定めた周期で表示する二次元映像表示手段と、
   前記周期で前記要素画像群の光の偏光を２つの偏光状態に切り替える偏光切替手段と、
   前記偏光切替手段の光の入射側または出射側のいずれかに配置した、前記要素画像群の個々の要素画像の表示位置に対応する位置に要素レンズを配列したレンズアレイと、
   前記周期で偏光状態が切り替えられた要素画像群の光の出射方向を、前記偏光状態に応じて回折により異なる方向に平行移動させる偏光回折手段と、
   を備えることを特徴とする三次元映像表示装置。
2. 前記要素画像群は、前記周期で前記レンズアレイのレンズピッチの１／２の所定方向のずれに対応した映像であって、前記偏光回折手段は、前記周期で前記所定方向に前記レンズピッチの±１／４ずらして前記要素画像群の光を平行移動させ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１または請求項２に記載の三次元映像表示装置。
4. 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、前記周期で前記要素画像群の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３に記載の三次元映像表示装置。
5. インテグラル方式の三次元映像を表示する三次元映像表示装置であって、
   １／２画素斜め方向にずらした要素画像群を、要素画像の表示位置を同じにした二次元映像として予め定めた周期で表示する二次元映像表示手段と、
   前記周期で前記要素画像群の光の偏光を２つの偏光状態に切り替える偏光切替手段と、
   前記偏光切替手段の光の出射側に配置した、前記要素画像群の個々の要素画像の表示位置に対応する位置に要素レンズを配列したレンズアレイと、
   前記周期で偏光状態が切り替えられた要素画像群の光の出射方向を、前記偏光状態に応じて回折により±１／４画素斜め方向に平行移動させる偏光回折手段と、
   を備えることを特徴とする三次元映像表示装置。
6. 前記偏光切替手段は、前記要素画像群の光の偏光状態を前記周期で右回り円偏光または左回り円偏光に切り替え、
   前記偏光回折手段は、前記偏光状態に応じて、前記要素画像群の光の回折させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の三次元映像表示装置。
7. 前記偏光切替手段は、前記要素画像群の光の偏光状態を前記周期で水平偏光または垂直偏光に切り替え、
   前記偏光回折手段は、前記偏光状態に応じて、前記要素画像群の光の回折させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の三次元映像表示装置。

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