JP2022115498A - ３次元映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型な３次元映像表示装置を提供する。【解決手段】３次元映像表示装置１は、投射型表示デバイス１０と、透過状態及びレンズ状態を切り替え可能な微小レンズが２次元状に配列された拡散スクリーン１２と、レンズ状態及び透過状態を切り替え可能な第１コリメートレンズ１３と、視点映像ｖ毎に配置され、レンズ状態及び透過状態を切り替え可能な結像レンズ１４と、結像レンズ１４が集光した各視点映像ｖの光を反射光として反射するミラー１５とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、複数の視点映像で構成された多視点映像を投射することで３次元映像を表示する３次元映像表示装置に関する。

従来、３Ｄメガネを用いた２眼方式を筆頭として、多種多様な３次元映像表示方式が提案されている。例えば、表示デバイスが多視点映像を表示スクリーンの背面から重畳投射することで、高密度な光線群を再生する３次元映像表示方式が提案されている(特許文献１，２)。

従来技術では、特殊なメガネが不要で、水平・垂直に視差を有する自然な３次元映像を再生できる。また、従来技術では、表示デバイスとしてプロジェクタなどの投射型表示デバイスを用いることで、大画面での３次元映像表示が可能である。

特開２０１７－６２２９５号公報 特開２０２０－６０７１１号公報

前記した従来技術では、投射型表示デバイスの筐体サイズ、及び、投射型表示デバイスから表示光学系までの投射距離が長くなるため、奥行き方向のサイズ（奥行きサイズ）が大きくなる。さらに、従来技術では、表示光学系において、結像レンズにより各視点映像を拡大して拡散スクリーンに投射するため、結像レンズと拡散スクリーンとの距離も長くなり、奥行きサイズが大きくなる。このような理由により、従来技術では、表示装置全体の奥行きサイズが大きくなってしまう。

以下、図１０を参照し、前記した奥行きサイズについて具体的に説明する。図１０に示すように、表示装置９は、複数台の投射型表示デバイス９０と、表示光学系９１とを備える。また、表示光学系９１は、コリメートレンズ９２と、結像レンズ９３と、拡散スクリーン９４とで構成されている。
なお、図１０では、多視点映像Ｖ、観察者αを図示すると共に、光線を点線矢印で図示した。以後、Ｘ軸方向が水平方向、Ｙ軸方向が垂直方向、Ｚ軸方向が奥行き方向を表すこととする。

投射型表示デバイス９０は、コリメートレンズ９２の焦点距離ｆ_１に配置する。また、投射型表示デバイス９０は、複数の視点映像ｖが２次元状に配列された多視点映像Ｖを投射する。結像レンズ９３は、各視点映像ｖと対応するように２次元状に配列する。多視点映像Ｖの光線は、コリメートレンズ９２により平行光に変換され、結像レンズ９３により単一の視点映像ｖとして出射される。そして、各視点映像ｖの光線は、結像レンズ９３の焦点距離ｆ_２に集光した後、拡大して拡散スクリーン９４に投射される。なお、ｄ_５はコリメートレンズ９２と結像レンズ９３との距離、ｄ_６は結像レンズ９３による視点映像ｖの集光面と拡散スクリーン９４との距離である。

拡散スクリーン９４は、入射する離散的な光線群を僅かに拡散し、連続的な輝度分布の光線群として出射する。図１１に示すように、拡散スクリーン９４として、微小な凸レンズ９５ａが２次元状に配列されたレンズアレイ９５を使用できる。なお、レンズアレイ９５のレンズサイズは、拡散スクリーン９４に入射する視点映像ｖの１画素の光線よりも小さくする必要がある。

ここで、拡散角θ_ｄは、以下の式（１）で表され、入射する視点映像ｖの光線の角度間隔と同一にすることが好ましい。なお、ｐ_ｄはレンズアレイ９５のレンズピッチ、ｆ_ｄはレンズアレイ９５の焦点距離である。

以上のように、表示装置９は、拡散スクリーン９４から射出された高密度な光線群が空間に光学像を結像するので、観察者αが３次元映像を知覚できる。さらに、表示装置９は、投射型表示デバイス９０及び表示光学系９１の組を増やすことで、３次元映像の表示サイズを拡大できる。

その一方、表示装置９では、拡散スクリーン９４上のある一点において、原理的に複数の視点映像ｖを重畳する必要がある。そのため、表示装置９では、結像レンズ９３と拡散スクリーン９４との距離を長くする必要があり、表示光学系９１の奥行きサイズが大きくなってしまう。さらに、表示装置９では、投射型表示デバイス９０を表示光学系９１の背面に配置するため、投射型表示デバイス９０の筐体サイズと投射距離（焦点距離ｆ_１）とが増大し、奥行きサイズが大きくなる。

以下、図１２を参照し、従来技術の別の構成例について説明する。図１２に示すように、表示装置９Ａは、表示光学系９１Ａとして、２枚のコンデンサーレンズ９６，９７をさらに備える。

コンデンサーレンズ９６は、結像レンズ９３の焦点距離ｆ_２に配置する。このコンデンサーレンズ９６が視点映像ｖの光を拡散スクリーン９４の所定位置に集光するので、その結果、全ての視点映像ｖが拡散スクリーン９４の同一領域に投射される。
コンデンサーレンズ９７は、各視点映像ｖの光を観察者αが位置する最適視聴距離Ｌに集光する。例えば、コンデンサーレンズ９７は、コンデンサーレンズ９６の焦点距離ｆ_３に配置する。

ここで、最適視聴距離Ｌは、以下の式（２）表される。なお、ｆ_４は、コンデンサーレンズ９７の焦点距離であり、ｆ_３≧ｆ_４である。

表示装置９Ａでは、最適視聴距離Ｌから離れても、観察者αが３次元映像を知覚することができる。さらに、表示装置９Ａでは、投射型表示デバイス９０及び表示光学系９１Ａの組を増やすことで、３次元映像の視域角を拡大できる。

その一方、表示装置９Ａでは、視点映像ｖを拡大して拡散スクリーン９４に投射するために、コンデンサーレンズ９６と拡散スクリーン９４との距離が長くなり、表示光学系９１の奥行きサイズが大きくなってしまう。さらに、表示装置９Ａでは、投射型表示デバイス９０の筐体サイズと投射距離（焦点距離ｆ_１）とが増大し、奥行きサイズが大きくなってしまう。

そこで、本発明は、小型な３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３次元映像表示装置は、複数の視点映像で構成された多視点映像を投射することで３次元映像を表示する３次元映像表示装置であって、投射手段と、拡散手段と、第１コリメートレンズと、結像レンズと、反射手段と、を備える構成とした。

かかる構成によれば、投射手段は、多視点映像を投射する。
拡散手段は、投射手段が投射した多視点映像の光を透過する透過状態と、投射手段の反対側からの反射光を拡散するレンズ状態と、を切り替え可能な微小レンズで構成されている。
第１コリメートレンズは、拡散手段が透過した多視点映像の光を平行光として出射するレンズ状態と、拡散手段の反対側からの反射光を透過する透過状態と、を切り替え可能である。
結像レンズは、視点映像毎に配置され、第１コリメートレンズが出射した平行光を視点映像の光として集光するレンズ状態と、第１コリメートレンズの反対側からの反射光を透過する透過状態と、を切り替え可能である。
反射手段は、結像レンズが集光した各視点映像の光を反射光として反射する。

すなわち、３次元映像表示装置では、拡散手段、第１コリメートレンズ及び結像レンズとして、レンズ状態及び透過状態を切り替え可能なレンズ／透過切替レンズを採用している。これにより、３次元映像表示装置は、奥行き方向で光線を折り返す反射型の構成を実現でき、従来技術と比べて奥行きサイズを半分程度に小型化できる。

本発明によれば、小型な３次元映像表示装置を提供できる。

第１実施形態において、レンズ／透過切替レンズの動作原理を説明する説明図であり、（ａ）はレンズ状態を表し、（ｂ）は透過状態を表す。 第１実施形態において、円偏光を用いたときのレンズ状態及び透過状態の切り替えを説明する説明図であり、（ａ）はレンズ状態を表し、（ｂ）は透過状態を表す。 第１実施形態において、直線偏光を用いたときのレンズ状態及び透過状態の切り替えを説明する説明図であり、（ａ）はレンズ状態を表し、（ｂ）は透過状態を表す。 第１実施形態に係る３次元映像表示装置の概略構成図であり、（ａ）は光線がミラーに入射するまでを表し、（ｂ）は光線がミラーで反射された後を表す。 第２実施形態に係る３次元映像表示装置の概略構成図であり、（ａ）は光線がミラーに入射するまでを表し、（ｂ）は光線がミラーで反射された後を表す。 第３実施形態に係る３次元映像表示装置の概略構成図であり、（ａ）は光線がミラーに入射するまでを表し、（ｂ）は光線がミラーで反射された後を表す。 第４実施形態に係る３次元映像表示装置の概略構成図であり、（ａ）は光線がミラーに入射するまでを表し、（ｂ）は光線がミラーで反射された後を表す。 第５実施形態において、焦点距離切替レンズの動作原理を説明する説明図であり、（ａ）は焦点距離が長い状態を表し、（ｂ）は焦点距離が短い状態を表す。 第５実施形態に係る３次元映像表示装置の概略構成図であり、（ａ）は光線がミラーに入射するまでを表し、（ｂ）は光線がミラーで反射された後を表す。 従来の表示装置の概略構成図である。 従来技術における拡散スクリーンを説明する説明図である。 従来の表示装置の概略構成図である。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。但し、以下に説明する各実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。また、同一の手段には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

（第１実施形態）
［レンズ／透過切替レンズの動作原理］
前記したように、第１実施形態に係る３次元映像表示装置１（図４）は、レンズ状態及び透過状態を切り替え可能なレンズ／透過切替レンズ１００を採用している。そこで、図１を参照し、レンズ／透過切替レンズ１００の動作原理を説明した後、３次元映像表示装置１の構成を説明する。

図１に示すように、レンズ／透過切替レンズ１００は、偏光回折レンズ１１０と、凸レンズ１２０とを備える。なお、図１では、図面を見やすくするため、水平方向に配列された３個のレンズ／透過切替レンズ１００を図示した。

偏光回折レンズ１１０は、偏光方向に応じて焦点距離の正負が変化するレンズである。例えば、偏光回折レンズ１１０は、周期的に配向された液晶ポリマーで構成できる（Optica, Vol. 2, No. 11, pp. 958-964, November 2015）。なお、偏光回折レンズ１１０は回折光学素子の一種であるため、原理的に波長により回折角度が変化し、色収差が生じる場合がある。そこで、色収差を防止するため、ＲＧＢの各波長において同一の回折角度を有する波長選択性を有する偏光回折レンズ１１０を用いることが好ましい。

凸レンズ１２０は、偏光回折レンズ１１０毎に配置されたものであり、例えば、一般的な凸レンズである。ここで、凸レンズ１２０は、偏光回折レンズ１１０の後段に配置する。なお、レンズ／透過切替レンズ１００は、凸レンズ１２０の代わりに、より薄型な回折レンズを用いてもよい（不図示）。

ここで、凸レンズ１２０の焦点距離をｆとする。また、右円偏光の光線が入射したときの偏光回折レンズ１１０の焦点距離を+ｆ、左円偏光の光線が入射したときの偏光回折レンズ１１０の焦点距離を-ｆとする。図１（ａ）に示すように、レンズ／透過切替レンズ１００に右円偏光の平行光が入射した場合、偏光回折レンズ１１０及び凸レンズ１２０の焦点距離が合算されて、レンズ／透過切替レンズ１００の焦点距離がｆ／２となる。従って、レンズ／透過切替レンズ１００は、レンズ状態となり、その焦点距離ｆ／２に集光する凸レンズとして機能する。

一方、図１（ｂ）に示すように、レンズ／透過切替レンズ１００に左円偏光の平行光が入射した場合を考える。この場合、偏光回折レンズ１１０の焦点距離が負のため、偏光回折レンズ１１０及び凸レンズ１２０の間でレンズ作用が相殺される。従って、レンズ／透過切替レンズ１００が透過状態となり、入射光が屈折することなく透過する。このように、レンズ／透過切替レンズ１００は、光線の偏光方向に応じて、レンズ状態と透過状態とを切り替えることができる。

続いて、図２を参照し、３次元映像表示装置１におけるレンズ／透過切替レンズ１００の使用方法を説明する。なお、図２では、レンズ／透過切替レンズ１００がレンズ状態のときに実線で図示し、透過状態のときに破線で図示した。また、図２では、図面を見やすくするため、偏光回折レンズ１１０及び凸レンズ１２０で構成されるレンズ／透過切替レンズ１００を１つの凸レンズとして図示した。

図２に示すように、レンズ／透過切替レンズ１００は、円偏光を用いて、光線の入射方向に応じてレンズ状態と透過状態を切り替える。前記と同様、レンズ／透過切替レンズ１００は、右円偏光の光線が入射したときにレンズ状態となり、左円偏光の光線が入射したときに透過状態となることとする。また、レンズ／透過切替レンズ１００では、入射光及び出射光の偏光方向が変化しないこととする。

図２(ａ)に示すように、右円偏光の光線が図面右側からレンズ／透過切替レンズ１００に入射した場合を考える。この場合、レンズ／透過切替レンズ１００がレンズ状態なので、入射した光線は、焦点距離に集光した後に発散し、ミラー１３０に到達する。このとき、光線の偏光方向は、右円偏光のまま維持される。

次に、図２（ｂ）に示すように、光線がミラー１３０で反射されることで、偏光方向が右円偏光から左円偏光に反転する。そして、左円偏光の光線が図面左側からレンズ／透過切替レンズ１００に入射する。この場合、レンズ／透過切替レンズ１００が透過状態なので、ミラー１３０からの反射光は、そのまま透過する。このように、レンズ／透過切替レンズ１００は、光線の入射方向に応じて、レンズ状態と透過状態とを切り替えることができる。

図３に示すように、レンズ／透過切替レンズ１００では、円偏光の代わりに、直線偏光を用いることもできる。ここで、レンズ／透過切替レンズ１００は、水平偏光の光線が入射したときにレンズ状態となり、垂直偏光の光線が入射したときに透過状態となることとする。また、１／４波長板１４０をレンズ／透過切替レンズ１００とミラー１３０との間に配置する。この１／４波長板１４０は、直線偏光を円偏光に変換するものである。

図３(ａ)に示すように、水平偏光の光線が図面右側からレンズ／透過切替レンズ１００に入射した場合を考える。この場合、レンズ／透過切替レンズ１００がレンズ状態なので、入射した光線は、焦点距離に集光した後に１／４波長板１４０で右円偏光に変換され、焦点距離に集光された後に発散し、ミラー１３０に到達する。

次に、図３（ｂ）に示すように、光線がミラー１３０で反射されることで、光線の偏光方向が右円偏光から左円偏光に反転する。そして、ミラー１３０からの反射光は、１／４波長板１４０で垂直偏光に変換された後、図面左側からレンズ／透過切替レンズ１００に入射する。この場合、レンズ／透過切替レンズ１００が透過状態なので、ミラー１３０からの反射光は、そのまま透過する。

［３次元映像表示装置の構成］
図４を参照し、第１実施形態に係る３次元映像表示装置１の構成について説明する。
３次元映像表示装置１は、複数の視点映像ｖで構成された多視点映像Ｖを投射することで、３次元映像を表示するものである。図４に示すように、３次元映像表示装置１は、投射型表示デバイス（投射手段）１０と、表示光学系１１とを備える。表示光学系１１は、拡散スクリーン（拡散手段）１２と、第１コリメートレンズ１３と、結像レンズ１４と、ミラー（反射手段）１５とを備える。

この３次元映像表示装置１は、図１０の表示装置９と光学的に等価な構成である。また、拡散スクリーン１２、第１コリメートレンズ１３及び結像レンズ１４は、図１及び図２のレンズ／透過切替レンズ１００と同様、レンズ状態及び透過状態を切り替え可能である。

本実施形態では、３次元映像表示装置１は、円偏光を用いて、レンズ状態と透過状態とを切り替えることとする（図１、図２参照）。本実施形態では、右円偏光が請求項に記載の第１偏光方向であり、右円偏光と反対の左円偏光が第２偏光方向である。

投射型表示デバイス１０は、例えば、多視点映像Ｖを投射する一般的なプロジェクタである。また、投射型表示デバイス１０は、多視点映像Ｖの光を右円偏光で出射する偏光板１０ａを備える。

ミラー１５は、結像レンズ１４が集光した各視点映像ｖの光を反射光として反射するものである。このとき、ミラー１５は、結像レンズ１４が集光した各視点映像ｖの光を反射光として反射する際、右円偏光を左円偏光に反転させる。例えば、ミラー１５は、その中心が投射型表示デバイス１０の光軸と一致するように、投射型表示デバイス１０から図１０のｆ_１＋（ｄ_５＋ｆ_２＋ｄ_６）／２に相当する距離に配置する。

拡散スクリーン１２は、投射型表示デバイス１０が投射した多視点映像Ｖの光を透過する透過状態と、投射型表示デバイス１０の反対側からの反射光を拡散するレンズ状態と、を切り替え可能な微小レンズで構成されたものである（図１１参照）。具体的には、拡散スクリーン１２は、投射型表示デバイス１０が右円偏光で投射した多視点映像Ｖの光に対して透過状態となる。一方、拡散スクリーン１２は、ミラー１５が左円偏光で反射した反射光に対してレンズ状態となる。つまり、拡散スクリーン１２は、図面右側から入射した光線に対して透過状態となり、図面左側から入射した光線に対してレンズ状態となる。例えば、拡散スクリーン１２は、その中心が投射型表示デバイス１０の光軸上になるように、投射型表示デバイス１０から図１０のｆ_１に相当する距離、すなわち、第１コリメートレンズ１３の焦点距離ｆ_１に配置する。

第１コリメートレンズ１３は、拡散スクリーン１２が透過した多視点映像Ｖの光を平行光として出射するレンズ状態と、拡散スクリーン１２の反対側からの反射光を透過する透過状態と、を切り替えるものである。具体的には、第１コリメートレンズ１３は、拡散スクリーン１２が右円偏光で透過した多視点映像Ｖの光に対してレンズ状態となる。一方、第１コリメートレンズ１３は、ミラー１５が左円偏光で反射した反射光に対して透過状態となる。つまり、第１コリメートレンズ１３は、図面右側から入射した光線に対してレンズ状態となり、図面左側から入射した光線に対して透過状態となる。例えば、第１コリメートレンズ１３は、その中心が投射型表示デバイス１０の光軸上になるように、投射型表示デバイス１０から図１０のｆ_１に相当する距離、すなわち、第１コリメートレンズ１３の焦点距離ｆ_１に拡散スクリーン１２と隣接するように配置する。ただし、図４では説明を簡単にするため拡散スクリーン１２と第１コリメートレンズ１３を離間して図示している。

結像レンズ１４は、視点映像ｖ毎に配置され、第１コリメートレンズ１３が出射した平行光を視点映像ｖの光として集光するレンズ状態と、第１コリメートレンズ１３の反対側からの反射光を透過する透過状態と、を切り替えるものである。具体的には、結像レンズ１４は、第１コリメートレンズ１３が右円偏光で出射した平行光に対してレンズ状態となる。一方、結像レンズ１４は、ミラー１５が左円偏光で反射した反射光に対して透過状態となる。つまり、結像レンズ１４は、図面右側から入射した光線に対してレンズ状態となり、図面左側から入射した光線に対して透過状態となる。例えば、４個の結像レンズ１４が垂直方向に配列されており、これら４個の結像レンズ１４の中心が投射型表示デバイス１０の光軸上になるように、投射型表示デバイス１０から図１０のｆ_１＋ｄ_５に相当する距離に配置する。

＜３次元映像の表示＞
以下、３次元映像表示装置１による３次元映像の表示について説明する。
図４（ａ）に示すように、投射型表示デバイス１０が、多視点映像Ｖの光を右円偏光で投射したこととする。この場合、多視点映像Ｖの光は、透過状態の拡散スクリーン１２を透過し、レンズ状態の第１コリメートレンズ１３により平行光に変換されて結像レンズ１４に入射する。そして、平行光となった多視点映像Ｖの光は、結像レンズ１４によって、各視点映像ｖの光として焦点距離ｆ_２に集光された後、発散光となってミラー１５に到達する。

次に、図４（ｂ）に示すように、ミラー１５で反射された視点映像ｖの光は、偏光方向が右円偏光から左円偏光に反転する。そして、視点映像ｖの反射光は、透過状態の結像レンズ１４及び第１コリメートレンズ１３を透過し、拡散スクリーン１２により拡散されて連続的な輝度分布の光線となり、３次元映像として表示される。

［作用・効果］
以上のように、第１実施形態に係る３次元映像表示装置１では、拡散スクリーン１２、第１コリメートレンズ１３及び結像レンズ１４として、レンズ状態及び透過状態を切り替え可能なレンズ／透過切替レンズ１００（図１）を採用している。これにより、３次元映像表示装置１は、奥行き方向で光線を折り返す反射型の構成を実現し、従来技術と比べて奥行きサイズを半分程度に小型化できる。

さらに、３次元映像表示装置１では、投射型表示デバイス１０を観察者α側に配置できるため、投射型表示デバイス１０の投射距離と視聴距離とのスペースを共用できる。これにより、３次元映像表示装置１では、装置全体を小型化ができる。

なお、３次元映像表示装置１は、直線偏光を用いて、レンズ状態と透過状態とを切り替えてもよい（図３参照）。
また、３次元映像表示装置１では、複数台の投射型表示デバイス１０を備えると共に、投射型表示デバイス１０毎に表示光学系１１を配列することで、３次元映像を拡大できる（不図示）。

（第２実施形態）
［３次元映像表示装置の構成］
図５を参照し、第２実施形態に係る３次元映像表示装置１Ａの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
図５に示すように、３次元映像表示装置１Ａでは、第１コリメートレンズ１３Ａが偏心レンズである点が、第１実施形態と異なる。

３次元映像表示装置１Ａは、投射型表示デバイス１０と、表示光学系１１Ａとを備える。表示光学系１１Ａは、拡散スクリーン１２と、第１コリメートレンズ１３Ａと、結像レンズ１４と、ミラー１５とを備える。なお、第１コリメートレンズ１３Ａ以外の各手段は、第１実施形態と同様のため、説明を省略する。

実際の設置環境においては、投射型表示デバイス１０を地面に直置きするなど、投射型表示デバイス１０を第１コリメートレンズ１３Ａの光軸から外して配置する場合がある。この場合、３次元映像表示装置１Ａは、第１コリメートレンズ１３Ａに向けて、多視点映像Ｖを上方向に投射する。この結果、多視点映像Ｖの投射角度と同一量だけ、３次元映像の視域が上方向にシフトする。この視域のシフト量を調整するため、３次元映像表示装置１Ａでは、第１コリメートレンズ１３Ａを使用する。

図５（ａ）に示すように、第１コリメートレンズ１３Ａは、拡散スクリーン１２が右円偏光で透過した多視点映像Ｖの光に対してレンズ状態となり、偏心レンズとして機能する。一方、第１コリメートレンズ１３Ａは、図５（ｂ）に示すように、ミラー１５が左円偏光で反射した反射光に対して透過状態となる。例えば、第１コリメートレンズ１３Ａは、投射型表示デバイス１０が第１コリメートレンズ１３Ａの焦点距離ｆ_１だけ離間するように配置する。

ここで、視域のシフト量は、第１コリメートレンズ１３Ａのレンズ中心ｃ_１と投射型表示デバイス１０の投射レンズ中心ｃ_２とを結んだ線分から地平面までのなす角度と同一になる。例えば、視域のシフト量を０にする場合、図５（ａ）に示すように、第１コリメートレンズ１３Ａの光軸と投射型表示デバイス１０の投射レンズの光軸とを一致させ、前記した線分を地平面と平行にすればよい。

［作用・効果］
以上のように、第２実施形態に係る３次元映像表示装置１Ａは、第１実施形態と同様、従来技術と比べて奥行きサイズを半分程度に小型化できる。
さらに、３次元映像表示装置１Ａは、偏心した第１コリメートレンズ１３Ａにより視域を制御できるので、投射型表示デバイス１０を第１コリメートレンズ１３Ａの光軸以外にも配置できる。これにより、３次元映像表示装置１Ａは、観察者αが３次元映像表示装置１Ａの中心付近で視聴する際にも、投射型表示デバイス１０が観察者αの邪魔になりにくい。

（第３実施形態）
［３次元映像表示装置の構成］
図６を参照し、第３実施形態に係る３次元映像表示装置１Ｂの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
図６に示すように、３次元映像表示装置１Ｂでは、第１コンデンサーレンズ１６及び第２コンデンサーレンズ１７を追加した点が、第１実施形態と異なる。

３次元映像表示装置１Ｂは、投射型表示デバイス１０と、表示光学系１１Ｂとを備える。表示光学系１１Ｂは、拡散スクリーン１２と、第１コリメートレンズ１３と、結像レンズ１４と、ミラー１５と、第１コンデンサーレンズ１６と、第２コンデンサーレンズ１７とを備える。

この３次元映像表示装置１Ｂは、図１２の表示装置９Ａと光学的に等価な構成である。また、第１コンデンサーレンズ１６及び第２コンデンサーレンズ１７は、図１のレンズ／透過切替レンズ１００と同様、レンズ状態及び透過状態を切り替え可能である。なお、第１コンデンサーレンズ１６及び第２コンデンサーレンズ１７以外の各手段は、第１実施形態と同様のため、説明を省略する。

第１コンデンサーレンズ１６は、拡散スクリーン１２が右円偏光で透過した多視点映像Ｖの光を透過する透過状態と、ミラー１５が左円偏光で反射した反射光を集光するレンズ状態と、を切り替えるものである。図６（ａ）に示すように、第１コンデンサーレンズ１６は、図面右側から入射した光線に対して透過状態となる。一方、第１コンデンサーレンズ１６は、図６（ｂ）に示すように、図面左側から入射した光線に対してレンズ状態となり、ミラー１５からの反射光を観察者αが位置する最適視聴距離Ｌに集光する。

ここで、第１コンデンサーレンズ１６は、拡散スクリーン１２と第１コリメートレンズ１３との間に配置すればよい。例えば、第１コンデンサーレンズ１６は、ｆ_３＝２・ｄ_１＋ｄ_２となるように、拡散スクリーン１２に隣接配置する。なお、ｆ_３が第２コンデンサーレンズ１７の焦点距離、ｄ_１がミラー１５と第２コンデンサーレンズ１７との距離、ｄ_２が第１コンデンサーレンズ１６と第２コンデンサーレンズ１７との距離を表す。

第２コンデンサーレンズ１７は、結像レンズ１４が右円偏光で集光した各視点映像ｖの光を集光するレンズ状態と、ミラー１５が左円偏光で反射した反射光を透過する透過状態と、を切り替えるものである。図６（ａ）に示すように、第２コンデンサーレンズ１７は、図面右側から入射した光線に対してレンズ状態となり、視点映像ｖの光をミラー１５の中央部半面に集光する。一方、第２コンデンサーレンズ１７は、図６（ｂ）に示すように、図面左側から入射した光線に対して透過状態となる。

ここで、第２コンデンサーレンズ１７は、結像レンズ１４とミラー１５との間に配置すればよい。例えば、第２コンデンサーレンズ１７は、結像レンズ１４の焦点距離ｆ_２に配置する。また、第２コンデンサーレンズ１７は、結像レンズ１４と隣接配置してもよい（不図示）。

［作用・効果］
以上のように、第３実施形態に係る３次元映像表示装置１Ｂは、第１実施形態と同様、従来技術と比べて奥行きサイズを半分程度に小型化できる。さらに、３次元映像表示装置１Ｂは、３次元映像の視域を制御すると共に、限られた光線情報を効率的に使用できる。

なお、３次元映像表示装置１Ｂは、第２実施形態と同様、偏心した第１コリメートレンズ１３Ａ（図５）を採用することもできる。
また、３次元映像表示装置１Ｂは、ミラー１５を除き、表示光学系１１Ｂの各手段を隣接配置してもよい。

（第４実施形態）
［３次元映像表示装置の構成］
図７を参照し、第４実施形態に係る３次元映像表示装置１Ｃの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
図７に示すように、３次元映像表示装置１Ｃでは、第２コリメートレンズ１８及び第３コンデンサーレンズ１９を追加した点が、第１実施形態と異なる。

３次元映像表示装置１Ｃは、投射型表示デバイス１０と、表示光学系１１Ｃとを備える。表示光学系１１Ｃは、拡散スクリーン１２と、結像レンズ１４と、ミラー１５と、第２コリメートレンズ１８と、第３コンデンサーレンズ１９とを備える。

ここで、第２コリメートレンズ１８及び第３コンデンサーレンズ１９は、前記したレンズ／透過切替レンズ１００ではなく、一般的な凸レンズ又は回折レンズである。なお、第２コリメートレンズ１８及び第３コンデンサーレンズ１９以外の各手段は、第１実施形態と同様のため、説明を省略する。

第２コリメートレンズ１８は、拡散スクリーン１２が透過した多視点映像Ｖの光を平行光として出射するものである。また、第２コリメートレンズ１８は、ミラー１５が反射した反射光を拡散スクリーン１２に出射する。ここで、第２コリメートレンズ１８は、第１コリメートレンズ１３の代わりに拡散スクリーン１２の後段に配置する。例えば、第２コリメートレンズ１８は、投射型表示デバイス１０が第２コリメートレンズ１８の焦点距離ｆ_１だけ離間するように配置する。

第３コンデンサーレンズ１９は、結像レンズ１４が集光した各視点映像ｖの光をミラー１５の中央部半面に集光するものである。また、第３コンデンサーレンズ１９は、ミラー１５が反射した反射光を第２コリメートレンズ１８に集光する。

ここで、第３コンデンサーレンズ１９は、結像レンズ１４とミラー１５との間に配置すればよい。例えば、第３コンデンサーレンズ１９は、ミラー１５に対してｆ_３＝２・ｄ_３＋ｄ_４となるように、結像レンズ１４の近傍に配置する。なお、ｆ_３が第３コンデンサーレンズ１９の焦点距離、ｄ_３が結像レンズ１４による視点映像ｖの集光面とミラー１５との距離、ｄ_４が結像レンズ１４による視点映像ｖの集光面と第３コンデンサーレンズ１９との距離を表す。結像レンズ１４と第３コンデンサーレンズ１９とを隣接配置した場合、ｄ_４＝ｆ_２となる。

＜３次元映像の表示＞
以下、３次元映像表示装置１Ｃによる３次元映像の表示について説明する。
図７（ａ）に示すように、投射型表示デバイス１０が、多視点映像Ｖの光を右円偏光で投射したこととする。この場合、多視点映像Ｖの光は、透過状態の拡散スクリーン１２を透過し、第２コリメートレンズ１８により平行光に変換されて結像レンズ１４に入射する。そして、平行光となった多視点映像Ｖの光は、結像レンズ１４によって各視点映像ｖの光として出射される。その後、各視点映像ｖの光は、第３コンデンサーレンズ１９によってミラー１５の中央部半面に集光される。

次に、図７（ｂ）に示すように、ミラー１５で反射された視点映像ｖの光は、偏光方向が右円偏光から左円偏光に反転する。そして、視点映像ｖの反射光は、第３コンデンサーレンズ１９によって、平行光に変換され、第２コリメートレンズ１８に入射する。その後、この平行光は、第２コリメートレンズ１８及び拡散スクリーン１２によって、第２コリメートレンズ１８の焦点距離ｆ_１（最適視聴距離）に集光される。

なお、図７（ｂ）において、第３コンデンサーレンズ１９が出射する平行光は、視点映像ｖ毎に進行方向が異なる。このため、第３コンデンサーレンズ１９と第２コリメートレンズ１８との距離が長い場合、視点映像ｖの光は、進行方向に僅かにシフトしながら、第２コリメートレンズ１８に重畳して投射される。その結果、３次元映像の視域に応じて、その表示領域が連続的にシフトする現象が生じる。この現象を防止するため、３次元映像表示装置１Ｃでは、拡散スクリーン１２と、結像レンズ１４と、第２コリメートレンズ１８と、第３コンデンサーレンズ１９とを隣接配置してもよい。

［作用・効果］
以上のように、第４実施形態に係る３次元映像表示装置１Ｃは、第１実施形態と同様、従来技術と比べて奥行きサイズを半分程度に小型化できる。
さらに、３次元映像表示装置１Ｃは、投射型表示デバイス１０の投射距離と最適視聴距離（焦点距離ｆ_１）とを等しくできるため、観察者αの近傍に投射型表示デバイス１０を配置する場合に有用である。

さらに、３次元映像表示装置１Ｃは、図６の３次元映像表示装置１Ｂと比べて、コンデンサーレンズを１枚減らし、構成をより簡易にできる。
さらに、３次元映像表示装置１Ｃは、第２コリメートレンズ１８及び第３コンデンサーレンズ１９がレンズ／透過切替レンズ１００（図１）でないため、偏光回折レンズ１１０の回折効率における光量低下を抑制し、光線の利用効率を高くできる。

なお、３次元映像表示装置１Ｃでは、第２コリメートレンズ１８が１枚であるため、複数組の投射型表示デバイス１０及び表示光学系１１Ｃを配置できない。このため、３次元映像表示装置１Ｃでは、高精細な１台の投射型表示デバイス１０を用いる場合、特に有用である。

（第５実施形態）
［焦点距離切替レンズの動作原理］
第５実施形態に係る３次元映像表示装置１Ｄ（図９）は、焦点距離を切り替え可能な焦点距離切替レンズを用いる点が、第１実施形態と異なる。そこで、焦点距離切替レンズの動作原理を説明した後、３次元映像表示装置１Ｄの構成を説明する。

図８に示すように、焦点距離切替レンズ２００は、図１のレンズ／透過切替レンズ１００と同様の原理で焦点距離を切り替えるものであり、偏光回折レンズ２１０と、凸レンズ２２０とを備える。

なお、偏光回折レンズ２１０及び凸レンズ２２０の構成自体は、図１と同様のため、詳細な説明を省略する。また、図８では、図面を見やすくするため、水平方向に配列された３個の焦点距離切替レンズ２００を図示した。

ここで、偏光回折レンズ２１０の焦点距離を±ｆ_ｇ、凸レンズ２２０の焦点距離をｆ_ｃとする（但し、｜ｆ_ｇ｜＞ｆ_ｃ）。図８（ａ）に示すように、焦点距離切替レンズ２００では、右円偏光が入射した場合、以下の式（３）で表される焦点距離ｆ_ａが長くなる。一方、図８（ｂ）に示すように、焦点距離切替レンズ２００では、左円偏光が入射した場合、以下の式（４）で表される焦点距離ｆ_ｂが短くなる。

このように、焦点距離切替レンズ２００は、光線の偏光方向に応じて、焦点距離を切り替えることができる。なお、焦点距離切替レンズ２００では、円偏光の代わりに、直線偏光を用いることもできる。

［３次元映像表示装置の構成］
図９を参照し、第５実施形態に係る３次元映像表示装置１Ｄの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
図９に示すように、３次元映像表示装置１Ｄは、第４コンデンサーレンズ２０を追加した点が、第１実施形態と異なる。

３次元映像表示装置１Ｄは、投射型表示デバイス１０と、表示光学系１１Ｄとを備える。表示光学系１１Ｄは、拡散スクリーン１２と、第１コリメートレンズ１３と、結像レンズ１４と、ミラー１５と、第４コンデンサーレンズ２０とを備える。

ここで、第４コンデンサーレンズ２０は、焦点距離切替レンズである。なお、第４コンデンサーレンズ２０以外の各手段は、第１実施形態と同様のため、説明を省略する。

第４コンデンサーレンズ２０は、結像レンズ１４が右円偏光で集光した各視点映像ｖの光をミラー１５に集光する焦点距離ｆ_ａ、及び、ミラー１５が左円偏光で反射した反射光を拡散スクリーン１２に集光するように、焦点距離ｆ_ａより短い焦点距離ｆ_ｂを切り替えるものである。なお、焦点距離ｆ_ａが請求項に記載の第１焦点距離であり、焦点距離ｆ_ｂが第２焦点距離である。

図９（ａ）に示すように、第４コンデンサーレンズ２０は、図面右側から光線が入射した場合には焦点距離ｆ_ａとなり、結像レンズ１４からの視点映像ｖの光をミラー１５の中央周部半面に集光する。一方、第４コンデンサーレンズ２０は、図９（ｂ）に示すように、図面左側から光線が入射した場合には焦点距離ｆ_ｂとなり、ミラー１５からの反射光を拡散スクリーン１２の外周部に集光する。

ここで、第４コンデンサーレンズ２０は、結像レンズ１４とミラー１５との間に配置すればよい。例えば、第４コンデンサーレンズ２０は、ミラー１５に対してｆ_ａ＝２・ｄ_３＋ｄ_４となるように、結像レンズ１４の近傍に配置する。なお、ｄ_３が結像レンズ１４による視点映像ｖの集光面とミラー１５との距離、ｄ_４が結像レンズ１４による視点映像ｖの集光面と第４コンデンサーレンズ２０との距離を表す。また、結像レンズ１４と第４コンデンサーレンズ２０とを隣接配置した場合、ｄ_４＝ｆ_２となる。

＜３次元映像の表示＞
以下、３次元映像表示装置１Ｄによる３次元映像の表示について説明する。
図９（ａ）に示すように、投射型表示デバイス１０が、多視点映像Ｖの光を右円偏光で投射したこととする。この場合、多視点映像Ｖの光は、透過状態の拡散スクリーン１２を透過し、第１コリメートレンズ１３により平行光に変換されて結像レンズ１４に入射する。そして、平行光となった多視点映像Ｖの光は、結像レンズ１４によって各視点映像ｖの光として出射される。その後、各視点映像ｖの光は、第４コンデンサーレンズ２０によってミラー１５の中央部半面に集光される。

次に、図９（ｂ）に示すように、ミラー１５で反射された視点映像ｖの光は、偏光方向が右円偏光から左円偏光に反転する。そして、視点映像ｖの反射光は、第４コンデンサーレンズ２０によって拡散スクリーン１２に入射すると共に、最適視聴距離Ｌに集光される。このとき、前記した式（２）でｆ_３＝ｆ_ａ、ｆ_４＝ｆ_ｂを代入することで、最適視聴距離Ｌを算出できる。

なお、第４コンデンサーレンズ２０と拡散スクリーン１２との距離を長くしたたため、視点映像ｖの光が拡散スクリーン１２の同一領域を照射していない。そこで、第４コンデンサーレンズ２０と拡散スクリーン１２とを隣接配置することで、視点映像ｖの光を拡散スクリーン１２の同一領域に照射できる。

［作用・効果］
以上のように、第５実施形態に係る３次元映像表示装置１Ｄは、第１実施形態と同様、従来技術と比べて奥行きサイズを半分程度に小型化できる。
さらに、３次元映像表示装置１Ｄは、図６の３次元映像表示装置１Ｂと比べて、コンデンサーレンズを１枚減らし、構成をより簡易にできる。

なお、３次元映像表示装置１Ｄは、第２実施形態と同様、偏心した第１コリメートレンズ１３Ａ（図５）を採用することもできる。

以上、本発明の各実施形態を詳述してきたが、本発明は前記した各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、各実施形態に係る３次元映像表示装置は、各光学素子が作用する時間的な順番を変更しなければ、各光学素子の配置を入れ替えてもよい。

１，１Ａ～１Ｄ ３次元映像表示装置
９，９Ａ 表示装置
１０ 投射型表示デバイス（投射手段）
１１，１１Ａ～１１Ｄ 表示光学系
１２ 拡散スクリーン（拡散手段）
１３，１３Ａ 第１コリメートレンズ
１４ 結像レンズ
１５ ミラー（反射手段）
１６ 第１コンデンサーレンズ
１７ 第２コンデンサーレンズ
１８ 第２コリメートレンズ
１９ 第３コンデンサーレンズ
２０ 第４コンデンサーレンズ
９０ 投射型表示デバイス
９１，９１Ａ 表示光学系
９２ コリメートレンズ
９３ 結像レンズ
９４ 拡散スクリーン
９５ レンズアレイ
９５ａ 凸レンズ
９６，９７ コンデンサーレンズ
１００ レンズ／透過切替レンズ
１１０ 偏光回折レンズ
１２０ 凸レンズ
１３０ ミラー
１４０ １／４波長板
２００ 焦点距離切替レンズ
２１０ 偏光回折レンズ
２２０ 凸レンズ
Ｖ 多視点映像
ｖ 視点映像
α 観察者

Claims (7)

1. 複数の視点映像で構成された多視点映像を投射することで３次元映像を表示する３次元映像表示装置であって、
   前記多視点映像を投射する投射手段と、
   前記投射手段が投射した多視点映像の光を透過する透過状態と、前記投射手段の反対側からの反射光を拡散するレンズ状態と、を切り替え可能な微小レンズで構成された拡散手段と、
   前記拡散手段が透過した多視点映像の光を平行光として出射するレンズ状態と、前記拡散手段の反対側からの反射光を透過する透過状態と、を切り替え可能な第１コリメートレンズと、
   前記視点映像毎に配置され、前記第１コリメートレンズが出射した平行光を前記視点映像の光として集光するレンズ状態と、前記第１コリメートレンズの反対側からの反射光を透過する透過状態と、を切り替え可能な結像レンズと、
   前記結像レンズが集光した各視点映像の光を前記反射光として反射する反射手段と、
   を備えることを特徴とする３次元映像表示装置。
2. 前記拡散手段の前記微小レンズ、前記第１コリメートレンズ及び前記結像レンズは、偏光方向に応じて焦点距離の正負が変化する偏光回折レンズと、前記偏光回折レンズ毎に配置された凸レンズとで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の３次元映像表示装置。
3. 前記投射手段は、前記多視点映像の光を所定の第１偏光方向で出射する偏光板、を備え、
   前記拡散手段は、前記投射手段が前記第１偏光方向で投射した多視点映像の光に対して透過状態となり、前記第１偏光方向と反対の第２偏光方向で前記反射手段が反射した反射光に対してレンズ状態となり、
   前記第１コリメートレンズは、前記拡散手段が前記第１偏光方向で透過した多視点映像の光に対してレンズ状態となり、前記反射手段が前記第２偏光方向で反射した反射光に対して透過状態となり、
   前記結像レンズは、前記第１コリメートレンズが前記第１偏光方向で出射した平行光に対してレンズ状態となり、前記反射手段が前記第２偏光方向で反射した反射光に対して透過状態となり、
   前記反射手段は、前記結像レンズが集光した各視点映像の光を前記反射光として反射する際、前記第１偏光方向を前記第２偏光方向に反転させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の３次元映像表示装置。
4. 前記第１コリメートレンズは、偏心レンズであることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の３次元映像表示装置。
5. 前記拡散手段と前記第１コリメートレンズとの間に配置され、前記拡散手段が前記第１偏光方向で透過した多視点映像の光を透過する透過状態と、前記反射手段が前記第２偏光方向で反射した反射光を集光するレンズ状態と、を切り替え可能な第１コンデンサーレンズと、
   前記結像レンズと前記反射手段との間に配置され、前記結像レンズが前記第１偏光方向で集光した各視点映像の光を集光するレンズ状態と、前記反射手段が前記第２偏光方向で反射した反射光を透過する透過状態と、を切り替え可能な第２コンデンサーレンズと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の３次元映像表示装置。
6. 前記第１コリメートレンズの代わりに前記拡散手段の後段に配置され、前記拡散手段が透過した多視点映像の光を平行光として出射する第２コリメートレンズと、
   前記結像レンズと前記反射手段との間に配置され、前記結像レンズが集光した各視点映像の光を前記反射手段に集光し、前記反射手段が反射した反射光を前記第２コリメートレンズに集光する第３コンデンサーレンズと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の３次元映像表示装置。
7. 前記結像レンズと前記反射手段との間に配置され、前記結像レンズが前記第１偏光方向で集光した各視点映像の光を前記反射手段に集光する第１焦点距離と、前記反射手段が前記第２偏光方向で反射した反射光を前記拡散手段に集光するように、前記第１焦点距離より短い第２焦点距離と、を切り替え可能な第４コンデンサーレンズ、
   をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の３次元映像表示装置。

Images