JP3720685B2 - 画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は特殊なメガネを必要としないで立体画像を観察することができる画像表示装置に関し、特に、CRTやLCDなどの画像表示素子にストライプ状に分割された２視点以上の視差画像を所定の順番で交互に並べた合成視差画像を表示し、該画像表示素子の前面のレンチキュラーレンズなどからなる光学系で画像光をマスクパターンに集光し、所定の視差画像光だけを透過させ、さらにマスクパターンの前面に配置された光学系でマスクパターンを透過した視差画像光を観察面上の所定の視点位置に集めることで立体画像を表示するようにしたものであり、例えば、テレビ、ビデオ、コンピューターモニタ、ゲームマシンなどにおいて立体表示を行うのに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりCRTやLCDなどの画像表示素子にストライプ状に分割された２視点以上の視差画像を所定の順番で交互に並べた合成ストライプ視差画像を表示し、視差画像からの表示光を画像表示素子の前面に配置された光学部材において視差画像の対応する視点位置だけに表示光を導いて立体画像表示をする方法としてパララックスバリアやレンチキュラー方式が知られている。
【０００３】
また照明光源からの光を所定の開口部・遮光部を有するマスクパターンを透過させ該透過光束をパターン化し、該パターン化した光束が観察者の右眼・左眼に分離されて入射する様にパターン化された光学系により指向性を与え、該パターン化された光学系と観察者の間に透過型の画像表示素子を設け、該画像表示素子に右眼・左眼に対応した視差画像を交互にストライプ状に合成して表示する事を特徴とする立体画像表示方法及び装置が、例えば特開平９−３１１２９４号公報で提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
パララックスバリアやレンチキュラー方式では、合成ストライプ視差画像として垂直方向に細長い視差画像を交互に表示した縦ストライプ合成視差画像を用い視差画像の視点への方向づけは、縦ストライプ画像の画素位置と画像表示素子の前面に置かれるパララックスバリアや、レンチキュラーレンズによっている。これらの方法で画像表示素子としてCRTやLCDなどの離散的画素をもつ画像表示素子を用いると画素と画素の間にある所謂ブラックマトリックスの部分に対応して観察面で表示光が達しない暗部が生じ、実効的な観察領域の水平方向の巾を狭めることになる。
【０００５】
特開平９−３１１２９４号公報で提案されている方法では画像表示素子としてLCDなどの透過型の画像表示素子を用い、表示光の左右眼の位置への方向づけは、画像表示素子の後ろ側にある光学系で照明光に方向づけを行うものであり、LCDなどの透過型の画像表示素子の拡散や画素構造による回折などで表示光の方向が乱されるとクロストークを生じる場合があった。
【０００６】
本発明は、視点への画像表示光の方向づけを水平方向において、マスク部材の前後に配置した光学系を利用することにより、ストライプ画像の水平方向の位置に無関係に行われ画像表示素子の画素と画素の間の所謂ブラックマトリックスによって観察面に表示光が達しない暗部が生じることもなく、また画像表示素子の散乱や画素構造による回折の影響も原理的に受けることがなく、立体画像を良好に観察することができる画像表示装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の画像表示装置は、互いに異なる左眼用視差画像と右眼用視差画像各々を水平方向に長い複数のストライプ画像に分割し、該複数のストライプ画像を交互に垂直方向に並べて合成した合成視差画像を複数の画素で表示する画像表示素子を有し、前記左眼用視差画像を観察者の左眼に、前記右眼用視差画像を前記観察者の右眼に導く立体画像表示装置であって、
前記画像表示素子側から順に、第２光学系、市松状に配列された開口部と遮光部を有するマスク部材、第１光学系を備えており、
前記第２光学系が、水平方向に所定の第２の周期で、垂直方向に第３の周期で配列された、水平方向及び垂直方向に屈折力を有する複数の第２レンズを有する第２レンズアレイを有し、
前記第１光学系が、水平方向に所定の第１の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第１レンズを有する第１レンズアレイとを有し、
所定の水平断面内において、前記左眼の位置、右眼の位置と前記複数の画素とを結ぶ直線上に、前記第１レンズの頂点、前記開口部の中心又は前記遮光部の中心、前記第２レンズの頂点が位置するように構成されていることを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明の画像表示装置は、互いに異なる左眼用視差画像と右眼用視差画像各々を水平方向に長い複数のストライプ画像に分割し、該複数のストライプ画像を交互に垂直方向に並べて合成した合成視差画像を複数の画素で表示する画像表示素子を有し、前記左眼用視差画像を観察者の左眼に、前記右眼用視差画像を前記観察者の右眼に導く立体画像表示装置であって、
前記画像表示素子側から順に、第２光学系、市松状に配列された開口部と遮光部を有するマスク部材、第１光学系を備えており、
前記第２光学系が、水平方向に所定の第２の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第２レンズを有する第２レンズアレイと、垂直方向に第３の周期で配列された、垂直方向に屈折力を有する複数の第３レンズを有する第３レンズアレイを有し、
前記第１光学系が、水平方向に所定の第１の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第１レンズを有する第１レンズアレイとを有しており、
ここで、垂直断面内において、前記第３レンズアレイは、前記複数の画素の像を前記マスク部材の位置に結像しており、
所定の水平断面内において、前記左眼の位置、右眼の位置と前記複数の画素とを結ぶ直線上に、前記第１レンズの頂点、前記開口部の中心又は前記遮光部の中心、前記第２レンズの頂点が位置するように構成することを特徴としている。
【００１０】
請求項３の発明の画像表示装置は、互いに異なる左眼用視差画像と右眼用視差画像各々を水平方向に長い複数のストライプ画像に分割し、該複数のストライプ画像を交互に垂直方向に並べて合成した合成視差画像を複数の画素で表示する画像表示素子を有し、前記左眼用視差画像を観察者の左眼に、前記右眼用視差画像を前記観察者の右眼に導く立体画像表示装置であって、
前記画像表示素子側から順に、第２光学系、市松状に配列された開口部と遮光部を有するマスク部材、第１光学系を備えており、
前記第２光学系が、水平方向に所定の第２の周期で、垂直方向に第３の周期で配列された、水平方向及び垂直方向に互いに異なる屈折力を有する複数のトロイダルレンズを有する第２レンズアレイを有し、
前記第１光学系が、水平方向に所定の第１の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第１レンズを有する第１レンズアレイとを有しており、
ここで、垂直断面内において、前記第２レンズアレイは、前記複数の画素の像を前記マスク部材の位置に結像しており、
所定の水平断面内において、前記左眼の位置、右眼の位置と前記複数の画素とを結ぶ直線上に、前記第１レンズの頂点、前記開口部の中心又は前記遮光部の中心、前記トロイダルレンズの頂点が位置するように構成することを特徴としている。
【００１１】
請求項４の発明の画像表示装置は、互いに異なる左眼用視差画像と右眼用視差画像各々を複数のストライプ画像に分割し、該複数のストライプ画像を交互に垂直方向に並べて合成した合成視差画像を複数の画素で表示する画像表示素子を有し、前記左眼用視差画像を観察者の左眼に、前記右眼用視差画像を前記観察者の右眼に導く立体画像表示装置であって、
前記画像表示素子側から順に、第２光学系、市松状に配列された開口部と遮光部を有するマスク部材、第１光学系を備えており、
前記第２光学系が、水平方向に所定の第２の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第２レンズを有する第２レンズアレイと、垂直方向に第３の周期で配列された、垂直方向に屈折力を有する複数の第３レンズを有する第３レンズアレイを有し、
前記第１光学系が、水平方向に所定の第１の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第１レンズを有する第１レンズアレイとを有しており、
所定の水平断面内において、前記左眼の位置、右眼の位置と前記複数の画素すべてとを結ぶ直線上に、前記第１レンズの頂点、前記開口部の中心又は前記遮光部の中心、前記第２レンズの頂点が位置するように構成されていることを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１を説明する要部斜視図である。Hは水平方向（横方向）、Vは垂直方向（縦方向）、LAは光軸方向を示している。画像表示素子１には、後述する２視点又は２視点以上の視差画像から合成された合成水平ストライプ視差画像が表示される。２は横レンチキュラーレンズであり、垂直方向Vに屈折力を有している。３は第１の縦レンチキュラーレンズであり、水平方向Hに屈折力を有している。４は市松開口マスク，５は第２の縦レンチキュラーレンズであり、水平方向Hに屈折力を有している。ここで横レンチキュラーレンズ２と第２の縦レンチキュラーレンズ５は第２の光学系の一要素を構成している。又、第１の縦レンチキュラーレンズ３は第１の光学系の一要素を構成している。
【００２５】
図２は、画像表示素子１に表示する合成水平ストライプ視差画像の説明図である。図２（A）は右眼用の視差画像、図２（B）は左眼用の視差画像である。
【００２６】
観察者の左右各々の眼に対応する視差画像１０，１１を水平方向に長いストライプ画像（１０−１，１０−２…，１１−１，１１−２…）に分割して交互に垂直方向に並べて合成水平ストライプ視差画像１２を合成する。この実施形態では水平ストライプ画像への分割は、画像表示素子１（図１など）の水平走査線ごとの分割とする。
【００２７】
実施形態１では合成水平ストライプ視差画像の奇数ラインが左眼用の視差画像（１１−１，１１−３，１１−５…）偶数ラインを右眼用の視差画像 （１０−２，１０−４，１０−６…）であるとする。
【００２８】
図１に戻って本実施形態の光学原理を説明する。画像表示素子１上に表示される合成水平ストライプ視差画像の各画素水平ライン１１−１，１０−２，１１−３，１０−４…には、横レンチキュラーレンズ２を構成する水平方向に細長く垂直方向にだけ曲率を持つ１つのシリンドリカルレンズ２が対応しており垂直断面内（V−LA断面内）では図４に示すように、画像表示素子１の各画素1aからの画素表示光は，市松開口マスク４上に結像される。
【００２９】
水平方向には各画素から発せられる画像表示光は図３に示すように、第２の縦レンチキュラーレンズ５により市松マスク４上に集光される。
【００３０】
市松開口マスク４は、第２の縦レンチキュラーレンズ５を構成する垂直方向に細長く水平方向にだけ曲率を持つシリンドリカルレンズ5aの焦点面に配置される。
【００３１】
該第２の縦レンチキュラーレンズ５を構成するシリンドリカルレンズ5aの焦点距離をｆh2とすると各画素1aからの画像表示光は、該シリンドリカルレンズ5aへの水平方向の入射角aHに対して各シリンドリカルの中心から
fH2*tAN(AH)だけ水平方向にずれた位置で市松開口マスク４と交わる。
【００３２】
市松開口マスク４の開口4aおよび遮蔽の水平方向の１ラインは、該合成水平ストライプ視差画像の１水平ラインと対応しており水平方向には１開口と１遮蔽のペアが該第１の縦レンチキュラーレンズ３を構成するシリンドリカルレンズ3aの１つと対応している。
【００３３】
合成水平ストライプ視差画像１２の右眼用ライン（合成水平ストライプ視差画像の偶数ライン１０−２，１０−４，…）の各画素からの画像表示光のうち、観察者の右眼Erの位置に向かう光は市松開口マスク４の開口部4aに第２の縦レンチキュラーレンズ５により集められ、観察者の左眼Elの位置に向かう画像表示光は、市松開口マスク４の遮蔽部4bで遮光されるように市松開口マスク４上の水平偶数ラインの開口と遮蔽部の配列は規定されている。
【００３４】
市松開口マスク４の水平奇数ラインの開口と遮蔽の配列は水平偶数ラインの開口と遮蔽部の配列と開口と遮蔽部の位置が入れ替わるように設定され、全体で開口部と遮蔽部が市松状になるようになっている。
【００３５】
市松マスク４を透過した画像表示光は、第１の縦レンチキュラーレンズ３で観察者の左右の眼に投射される。
【００３６】
市松開口マスク４は第１の縦レンチキュラーレンズ３の焦点面になっており、市松開口マスク４の開口位置と第１の縦レンチキュラーレンズ３により予め定められた距離にいる観察者の左眼Elには左眼用の視差画像表示光
（１０−２，１０−４…）だけが、右眼Erには右眼用の視差画像表示光
（１１−１，１１−３…）だけが達する。
【００３７】
次に第１の縦レンチキュラーレンズ３、横レンチキュラーレンズ２、市松開口マスク４、第２の縦レンチキュラーレンズ５を用いた本発明の立体画像表示装置における設計パラメータを好適に設定した場合の互いの関係について説明する。
【００３８】
図３は、本実施形態の画像表示装置（立体画像表示装置）を画像表示素子１の右眼用画像ライン（偶数ライン）を含む水平断面で切った断面図（V−LA断面）であり既出の図と同一部材については同一の記号を付す。
【００３９】
本発明の画像表示装置では、水平方向の作用と垂直方向の光学作用は分離して考える事が出来、図３を使った説明は、水平方向の作用に関するものである。
【００４０】
図３では右眼Erに向かう画像表示光を実線、左眼Elに向かう画像表示光を破線で示している。
【００４１】
図１，図２から明らかなようにこれら２つの光線群を含む面は画像表示素子１の走査線の巾で垂直方向にずれている。
【００４２】
本実施形態では観察者の左右眼の位置と画像表示素子１の水平画素ライン上の各画素を結ぶ直線上に第１の縦レンチキュラーレンズ３を構成するシリンドリカルレンズ3aの頂点、市松開口マスク４の開口4aまたは遮光部4bの中心、第２の縦レンチキュラーレンズ５を構成するシリンドリカルレンズ5aの頂点が位置するように構成することが望ましい。
【００４３】
この条件が崩れていても市松マスク４と第１のレンチキュラーレンズ３の関係が保たれていれば立体画像の表示は可能だが配置によっては画像表示素子１からの光の利用効率が悪くなり、さらに画素の一部が暗くなる可能性がある。
【００４４】
図３のように本発明の画像表示装置を構成するとき第１の縦レンチキュラーレンズ３および第２の縦レンチキュラーレンズ５の各シリンドリカルレンズは左右の眼の位置であるEl,Er２点と画像表示素子１の水平画素ライン上の各画素をむすんだとき、各直線群が交わる面（交差面）S1，S2，…Snに配置すれば良い。
【００４５】
図３では第１の縦レンチキュラーレンズ３からみて１番目の交差面S2に第２の縦レンチキュラーレンズ５を配置し，２番目の交差面S1に画像表示素子１を配置したことになる。横レンチキュラーレンズ２は、これらの条件とは無関係に後述する垂直方向の条件に適し、それ以外の部材と干渉しない位置に配置することが出来る。
（図３では横レンチキュラーレンズ２を画像表示素子１と第２の縦レンチキュラーレンズ５の間に配置している）
市松マスク４は、第１の縦レンチキュラーレンズ３と第２のレンチキュラーレンズ５の間で左眼Elと画像表示素子１の各画素を結ぶ直線群（破線）と右眼Erと画像表示素子１の各画素を結ぶ直線群（実線）の間隔が等分となる面に配置される。以上のように配置されているとき本発明の画像表示装置の水平方向に関する設計パラメータの関係は以下のようになる。
【００４６】
Nd*HL1/E=Lhd/(Lhd+Lh0)…（H1）
Hd/HL1=(Lh0+Lhd)/Lh0…（H2）
NL2*HL1/E=LhL2/(LhL2+Lh0)…（H3）
HL2/HL1=(Lh0+LhL2)/Lh0…（H4）
H1/E=Lh1/(Lh1+Lh0)…（H5）
H1/HL1=(Lh0+Lh1)/Lh0…（H6）
H1*Lh1a/Lh1=HL1*Lh1B/Lh1…（H7）
Lh1a+Lh1B=Lh1…（H8）
Hm/H1=L H1a/Lh1…（H9）
ｆH2＝LhL2-Lh1a…（H1０）
ｆH1＝Lh1a …（H1１）
ただしHL1,HL2は，第１，第２の縦レンチキュラーレンズ３，５のピッチ，Hd,Hmは画像表示素子１の水平方向の画素ピッチおよび市松マスク４の開口または遮蔽の水平方向の巾、
H1は、第１の縦レンチキュラーレンズ３からみて前述の光線群の第１番目の交差面での交点間の水平ピッチ，Nd，NL2は，各々画像表示素子１および第２の縦レンチキュラーレンズ５が配置される位置について第１の縦レンチキュラーレンズ３からみて前述の光線群の第Nd番目の交差面、第NL2番目の交差面に配置されることを示す正の整数であり、
Lhd,LhL2 は、各々第２の縦レンチキュラーレンズ５および画像表示素子１の第１の縦レンチキュラーレンズ３からの光学換算距離，Lh0は観察者から第１の縦レンチキュラーレンズ３までの光学換算距離，Lh1は、第１の縦レンチキュラーレンズ３からみて前述の光線群の第１番目の交差面までの距離，Lh1a,Lh1Bは、該第１の光学系からマスク部材までの光学換算距離および市松マスク４から第１の交差面までの光学換算距離，ｆH1，ｆH2は各々第１，第２の縦レンチキュラーレンズ３，５を構成する個々のシリンドリカルレンズ3a，5aの焦点距離である。以上の関係式を各設計パラメータが満足しているとき右眼と左眼に表示光の良好な分離が起こる。
【００４７】
ここで第２の縦レンチキュラーレンズ５は、図３で示す実施形態では第１番目の交差面S2に配置されているが式（H6）から式（H9）までの関係式は、第２の縦レンチキュラーレンズ５が第１番目の交差面S2に置かれるか否かに関わらず成立が要求される。
【００４８】
尚、式（h1）〜（h11）は厳密に成立する必要はなく、略等しい
（±２０％以内）ければ良い。以下の各式においても同様である。
【００４９】
図１１に画像表示素子１および第２の縦レンチキュラーレンズ５を第１の縦レンチキュラーレンズ３からみて前述の光線群の第４番目の交差面S1および第２番目S3の交差面に置く構成例を示す（Nｄ＝４，NL2＝２の場合）。図３と同一の部材には、同一の符番を付す。この構成例でも前述の式（h1）から式 （h9）までの関係式が成立している場合に右眼と左眼に表示光の良好な分離が起こる。
【００５０】
ここで説明したように本発明では、第２の縦レンチキュラーレンズ５と画像表示素子１を配置する位置に自由度があり、例えば画像表示素子１がLCD等であり、画像が実際に表示される液晶層等が所定の厚さの基板ガラスなどで挟まれており、第２の縦レンチキュラーレンズ５や横レンチキュラーレンズ２などの部材を該画像表示素子１のすぐ近くには、配置できない場合でも良好な立体画像表示が行える配置がある。
【００５１】
なお画像表示素子１からの画像光の利用効率を高く設定する必要が無い場合は、前記の関係式を必ずしもすべて満たしていなくても又は一部であっても立体画像の表示は可能である。その場合Hm:E=Lh1a:Lh0 と前述の式（h11）および後述される垂直方向の関係式を満たしていれば良い。
【００５２】
次に本実施形態における垂直方向（V−LA断面）の関係式の説明を図４を用いて行う。
【００５３】
図４は、本実施例の画像表示装置を横から観た概略図（V−LA断面図）であり既出の図と同一部材については同一の記号を付す。横レンチキュラーレンズ２を構成する個々のシリンドリカルレンズ２ａは画像表示素子１の１水平ラインに対応し、垂直断面において該水平ラインを市松マスク４上の開口4aおよび遮光部4bから構成される１つの水平の列上に結像する。
【００５４】
このような光学作用が良好に働くためには立体画像表示装置の垂直方向に関する設計パラメータの関係は以下のようになる。
【００５５】
Vd:Vm=LV1:LV2 …（V1）
2・Vd:VL=LV1+LV2:LV2…（V2）
1/LV1+1/LV2=1/fV…（V3）
ここでVdは、画像表示素子１の画素の垂直方向ピッチ、Vmは、市松マスク４の開口部4aまたは遮光部4bの垂直方向の巾，LV1は，画像表示素子１から横レンチキュラーレンズ２までの光学換算距離，LV2は、横レンチキュラーレンズ２から市松マスク４までの光学換算距離，fVは、横レンチキュラーレンズ２を構成するシリンドリカルレンズ２ａの焦点距離。
【００５６】
式（V1）は、画像表示素子１上の１水平ストライプ画像が市松マスク４上の１水平列上に過不足ない巾で結像されるための条件であり、式（V3）は、該結像のために必要な横レンチキュラーレンズを構成する水平方向に細長い個々のシリンドリカルレンズ２の垂直方向（V−LA断面内）の焦点距離を規定する条件である。式（V2）は、画像表示素子１上の１水平ストライプ画像からでた画像光が該横レンチキュラーレンズ２の該水平ストライプ画像に対応していない水平方向に細長いシリンドリカルレンズ２を通っても左右の反転が起こらずクロストークが生じないための条件である。
【００５７】
さらに垂直断面において観察者の眼Eと市松マスク４の各開口の中心、横レンチキュラーレンズ２を構成する個々のシリンドリカルレンズ２の中心および画像表示素子１の画素の中心が一直線上に並ぶ構成にすると画像光の利用効率が高くまた横レンチキュラー２の横筋が目立たなくすることが出来る。
【００５８】
この様に本発明の画像表示装置を構成するには式（V1）から式（V3）に加え、市松マスク４から観察者までの光学換算距離LV0とすると
Vd :VL=LV0+LV1+LV2:LV0+LV2…（V4）
が成り立っていることが好ましい。
【００５９】
前述の様に本発明では垂直方向と水平方向の関係式は、独立であり、横レンチキュラーレンズ２は、式（V1）から式（V4）が成立し、他の部材と干渉しない位置に自由に配置する事ができる。
【００６０】
また第２の縦レンチキュラーレンズ５と横レンチキュラーレンズ２の作用を横方向と縦方向に屈折力のある１枚のマイクロレンズアレイで実現することも可能である。
【００６１】
図５は、マイクロレンズアレイ６を用いた本発明の実施形態を示す概略図であり、前出の図１と同一部材には同一の符番を付す。
【００６２】
マイクロレンズアレイ６は、垂直方向と水平方向の曲率が基本的には異なる（同一であっても良い。）トロイダルレンズを水平および垂直方向に並べて構成されるマイクロレンズアレイであり、該マイクロレンズの水平方向の列は、前記画像表示素子１の水平方向の画素列に対応している。該トロイダルレンズの垂直方向の曲率は画像表示素子１の画素を市松マスク４上に結像する様に設定され、水平方向の曲率は、該画像表示素子からの平行光束を市松マスク４上に結像するように設定されている。
【００６３】
マイクロレンズ６の水平方向のピッチおよび垂直方向のピッチは、第１および第２の縦レンチキュラーレンズ３，５と横レンチキュラーレンズ２で構成する場合の第１の縦レンチキュラーレンズ３のピッチおよび横レンチキュラーレンズ２のピッチと各々同様の関係を満たすように決めればよいが、
マイクロレンズアレイ６を用いる場合には、画像表示素子１から第２の縦レンチキュラーレンズ５までの光学的距離と画像表示素子１から横レンチキュラーレンズ２までの光学的距離は画像表示素子１からマイクロレンズアレイ６までの光学的距離にまた第２のレンチキュラーレンズ５から市松マスク４までの光学的距離と横レンチキュラーレンズ２から市松マスク４までの光学的距離は、
マイクロレンズアレイ６から市松マスク４までの光学的距離に各々縮退されることになる。
【００６４】
さらに第１および第２の光学系としてホログラム光学素子等を用いる事もできる。例えば第１の光学系として本実施形態で示した第１の縦レンチキュラーレンズ３を構成するシリンドリカルレンズと同じ光学パワー（水平方向の焦点距離がｆh1で垂直方向の光学パワーを持たない）を持つ要素ホログラム光学素子を周期HL1で水平方向に並べたホログラム光学素子を第１の光学系として、
また第２の光学系として図５で説明したマイクロレンズアレイ６と同じ水平、垂直方向の焦点距離を持つ要素ホログラム光学素子を水平、垂直方向にマイクロレンズアレイ６と同じ周期で並べたホログラム光学素子を用いることができる。
（実施形態２）
図６は、本発明の実施形態２のを説明図である。前出の図１と同一部材には同一符番を付す。本実施形態が実施形態１と異なる点は、視差数を２から２より大きな数N（２以上の整数）に増やしたことでありこの例では特にN＝３の場合について説明する。
【００６５】
図７は、画像表示素子１に表示する合成水平ストライプ視差画像を示す説明図である。
【００６６】
図７（A）,（B）,(C)は順に第１，２，３の視点に対応する対応する視差画像10a10b,10cであり、図７(D)は各視差画像10a,10b,10cを水平方向に長いストライプ画像に分割して交互に垂直方向に並べて構成した合成水平ストライプ視差画像１２である。この実施形態でも水平ストライプ画像への分割は、画像表示素子１の水平走査線ごとの分割とする。
【００６７】
実施形態２ではｋを０以上の整数としたとき合成水平ストライプ視差画像の３ｋ＋１ラインが第１の視点E１，３ｋ＋２ラインが第２の視点E２，３（ｋ＋１）ラインが第３の視点E３用のそれぞれ視差画像であるとする。
【００６８】
図８は、実施形態２に用いる市松マスク４の遮蔽部と開口部の構成を示す図であり，ｋを０以上の整数としたとき３（ｋ＋１）水平ラインは、第３の視点および画像表示素子１上の３（ｋ＋１）ラインに表示された水平ストライプ画像10cに対応し，３ｋ＋２水平ラインは第２の視点および画像表示素子１上の３ｋ＋２ラインに表示された水平ストライプ画像１０Bに対応し，３ｋ＋１水平ラインは第１の視点および画像表示素子１上の３ｋ＋１ラインに表示された水平ストライプ画像１０Aに対応する。
【００６９】
市松マスク４を構成する開口部と遮光部の水平方向の巾は、図８に示すように開口部の水平巾をHmとしたとき遮光部の巾はHm・（N―１）となっている（この実施例ではN＝３なので２・Hm）。
【００７０】
横レンチキュラーレンズ２を構成する水平方向に細長く垂直方向に光学的パワーを持つシリンドカルレンズ2aの垂直方向の巾（横レンチキュラーレンズ２の垂直方向のピッチ）は、図９に示すように画像表示素子１の３走査線の組の垂直方向の巾および市松マスク４を構成する開口部および遮光部からなる水平列の３列の垂直方向の巾にほぼ等しい値を持つ。
【００７１】
横レンチキュラーレンズ２を構成するシリンドリカルレンズ２のうち第ｋ＋１番目のシリンドリカルレンズは、該合成水平ストライプ視差画像の３ｋ＋１，３ｋ＋２および３（ｋ＋１）番目の３視差の水平ストライプ視差画像の組に対応し、また市松マスク４を構成する開口部と遮光部からなる水平列の内，３ｋ＋１，３ｋ＋２および３（ｋ＋１）番目の列に対応する。
【００７２】
第３ｋ＋１番目，３ｋ＋２番目，３（ｋ＋１）番目の水平ストライプ視差画像は、横レンチキュラーレンズ２のｋ＋１番目のシリンドリカルレンズにより市松マスク４の第３（ｋ＋１），３ｋ＋２，３ｋ＋１番目の開口部および遮光部からなる水平列の上に結像される。
【００７３】
実施形態２で説明した設計バラメータの垂直方向の関係式
（V1）から（V4）に相当する関係式は、視点数をNとしたとき、
Vd:Vm=LV1:LV2 …（V1N）
2・N・Vd:VL=LV1+LV2:LV2…（V2N）
1/LV1+1/LV2=1/fV…（V3N）
N・Vd:VL=LV0+LV1+LV2:LV0+LV2…（V4N）
となる。（パラメータを表す記号の定義は，Vm以外、実施例１で説明したものと同一とする。
【００７４】
Vmはマスクパターンの開口の垂直方向の巾で遮蔽部は
（N―１）・Vmとなる
（図８，図９参照）
次に図９を用いて本実施形態２の光学作用について説明する。
【００７５】
合成水平ストライプ視差画像１の第１の視点E1に対応する水平ライン（合成水平ストライプ視差画像の3k+1ライン）の各画素１０Aからの画像表示光のうち、視点E1の位置に向かう光は市松開口マスク４の開口部に横レンチキュラーレンズ２により集められ、視点E2,E3の位置に向かう画像表示光は、市松開口マスク４の遮蔽部で遮光されるように市松開口マスク４上の3k+2，3( k+1)水平ラインの開口と遮蔽部の配列は規定されている。
【００７６】
市松開口マスク４の３ｋ＋２および３ｋ＋１ラインの開口と遮蔽の配列は水平偶数ラインの開口と遮蔽部の配列と開口と遮蔽部の水平方向にHmずれるように設定され，３ｋ＋２列は、視点E2に向かう画像光を３（ｋ＋１）列は、視点E3に向かう画像光だけを透過させるようにそれぞれ構成されている。
【００７７】
市松マスク４を透過した画像表示光は、第１の縦レンチキュラーレンズ３で視点E1,E2またはE3に投射される。
【００７８】
市松開口マスク４は第１の縦レンチキュラーレンズ３の焦点面になっており、市松開口マスク４の開口位置と第１の縦レンチキュラーレンズ３により予め定められた距離にある視点位置に対応する視差画像表示光だけが達してN視点の立体画像の表示が行われる。
【００７９】
図１０は、水平方向（H−LA断面）の作用に関するものである。
【００８０】
本実施形態では観察面で等しい眼間間隔Eづつ離れて位置する３視点E1,E2,E3と画像表示素子１の水平画素ライン上の各画素を結ぶ直線上に第１の縦レンチキュラーレンズ３を構成するシリンドリカルレンズ3aの頂点、市松開口マスク４の開口または遮光部の中心、第２の縦レンチキュラーレンズ５を構成するシリンドリカルレンズ5aの頂点が位置するように構成することが望ましい。
【００８１】
このように本発明の画像表示装置を構成するとき第１の縦レンチキュラーレンズ３および第２の縦レンチキュラーレンズ５は３視点E1,E2,E3と画像表示素子１の水平画素ライン上の各画素をむすぶ直線群が交わる面（交差面）に配置すれば良いことになる。
【００８２】
図１０では第１の縦レンチキュラーレンズ３からみて1番目の交差面に第２の縦レンチキュラーレンズ５を配置し，2番目の交差面に画像表示素子１を配置したことになる。なお等間隔離れて並ぶN視点と画像表示素子１の各画素を結ぶ線群が交差する面は、隣り合う２視点と画像表示素子の各画素とを結ぶ線群が交差する面と同一面である。
【００８３】
実施形態１で説明した設計パラメータの関係式（H1）から（H9）に相当する関係式は，N視点の場合でも形を変えずそのまま成り立つが、交差面の数え方は隣り合う２視点と画像表示素子の各画素を結ぶ線群が交差する面で縦レンチキュラーレンズ３から見て何番目かを表す数と考え直し（Nd，NL2など），Lh1a,Lh1Bは、第１の光学系からマスク部材までの光学換算距離および市松マスクから第２の交差面までの光学換算距離と考え直す。
【００８４】
またHmを市松マスク４の開口部の水平巾と定義し直し、該遮光部の水平巾は
（N―１）・Hmと設定する。
【００８５】
Nd*HL1/E=Lhd/(Lhd+Lh0)…（H1）
Hd/HL1=(Lh0+Lhd)/Lh0…（H2）
NL2*HL1/E=LhL2/(LhL2+Lh0)…（H3）
HL2/HL1=(Lh0+LhL2)/Lh0…（H4）
H1/E=Lh1/(Lh1+Lh0)…（H5）
H1/HL1=(Lh0+Lh1)/Lh0…（H6）
H1*Lh1a/Lh1=HL1*Lh1B/Lh1…（H7）
Lh1a+Lh1B=Lh1…（H8）
Hm/H1=Lh1a/Lh1…（H9）
なお本実施形態２に置いても実施形態１で説明したように画像表示素子１および第２の縦レンチキュラーレンズ５を配置する位置に自由度があり、第２の縦レンチキュラーレンズ５や横レンチキュラーレンズ２などの光学部材を画像表示素子１から本実施形態の画像表示装置を構成するうえで支障が無い程度に離して配置する事が可能である。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、本発明は、視点への画像表示光の方向づけを水平方向において、
マスク部材の前後に配置した光学系を利用することにより、ストライプ画像の水平方向の位置に無関係に行われ画像表示素子の画素と画素の間の所謂ブラックマトリックスによって観察面に表示光が達しない暗部が生じることもなく、また画像表示素子の散乱や画素構造による回折の影響も原理的に受けることがなく、
立体画像を良好に観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の要部斜視図
【図２】本発明の実施形態１の画像表示素子に表示される合成水平視差画像の説明図
【図３】本発明の実施形態１の水平方向の働きを説明するための水平断面図
【図４】本発明の実施形態１の垂直方向の働きを説明するための垂直断面図
【図５】本発明の実施形態１の別形態を示す斜視図
【図６】本発明の実施形態２の要部斜視図
【図７】本発明実施形態２の画像表示素子に表示される合成水平視差画像の説明図
【図８】本発明の実施形態２のマスクパターンの説明図
【図９】本発明の実施形態２の垂直方向の働きを説明するための垂直断面図
【図１０】本発明の実施形態２の水平方向の働きを説明するための水平断面図
【図１１】本発明の実施形態１の図３で説明した構成と第２の縦レンチキュラーレンズおよび画像表示素子の配置位置を変えた例での水平方向の働きを説明するための水平断面図
【符号の説明】
１ 画像表示素子
２ 横レンチキュラーレンズ
３ 第１の縦レンチキュラーレンズ
４ マスク部材
５ 第２の縦レンチキュラーレンズ
６ マイクロレンズアレイ
１０，１１ 視差画像
１２ 合成ストライプ画像
２a，3a，5a シリンドリカルレンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は特殊なメガネを必要としないで立体画像を観察することができる画像表示装置に関し、特に、CRTやLCDなどの画像表示素子にストライプ状に分割された２視点以上の視差画像を所定の順番で交互に並べた合成視差画像を表示し、該画像表示素子の前面のレンチキュラーレンズなどからなる光学系で画像光をマスクパターンに集光し、所定の視差画像光だけを透過させ、さらにマスクパターンの前面に配置された光学系でマスクパターンを透過した視差画像光を観察面上の所定の視点位置に集めることで立体画像を表示するようにしたものであり、例えば、テレビ、ビデオ、コンピューターモニタ、ゲームマシンなどにおいて立体表示を行うのに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりCRTやLCDなどの画像表示素子にストライプ状に分割された２視点以上の視差画像を所定の順番で交互に並べた合成ストライプ視差画像を表示し、視差画像からの表示光を画像表示素子の前面に配置された光学部材において視差画像の対応する視点位置だけに表示光を導いて立体画像表示をする方法としてパララックスバリアやレンチキュラー方式が知られている。
【０００３】
また照明光源からの光を所定の開口部・遮光部を有するマスクパターンを透過させ該透過光束をパターン化し、該パターン化した光束が観察者の右眼・左眼に分離されて入射する様にパターン化された光学系により指向性を与え、該パターン化された光学系と観察者の間に透過型の画像表示素子を設け、該画像表示素子に右眼・左眼に対応した視差画像を交互にストライプ状に合成して表示する事を特徴とする立体画像表示方法及び装置が、例えば特開平９−３１１２９４号公報で提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
パララックスバリアやレンチキュラー方式では、合成ストライプ視差画像として垂直方向に細長い視差画像を交互に表示した縦ストライプ合成視差画像を用い視差画像の視点への方向づけは、縦ストライプ画像の画素位置と画像表示素子の前面に置かれるパララックスバリアや、レンチキュラーレンズによっている。これらの方法で画像表示素子としてCRTやLCDなどの離散的画素をもつ画像表示素子を用いると画素と画素の間にある所謂ブラックマトリックスの部分に対応して観察面で表示光が達しない暗部が生じ、実効的な観察領域の水平方向の巾を狭めることになる。
【０００５】
特開平９−３１１２９４号公報で提案されている方法では画像表示素子としてLCDなどの透過型の画像表示素子を用い、表示光の左右眼の位置への方向づけは、画像表示素子の後ろ側にある光学系で照明光に方向づけを行うものであり、LCDなどの透過型の画像表示素子の拡散や画素構造による回折などで表示光の方向が乱されるとクロストークを生じる場合があった。
【０００６】
本発明は、視点への画像表示光の方向づけを水平方向において、マスク部材の前後に配置した光学系を利用することにより、ストライプ画像の水平方向の位置に無関係に行われ画像表示素子の画素と画素の間の所謂ブラックマトリックスによって観察面に表示光が達しない暗部が生じることもなく、また画像表示素子の散乱や画素構造による回折の影響も原理的に受けることがなく、立体画像を良好に観察することができる画像表示装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の画像表示装置は、互いに異なる左眼用視差画像と右眼用視差画像各々を水平方向に長い複数のストライプ画像に分割し、該複数のストライプ画像を交互に垂直方向に並べて合成した合成視差画像を複数の画素で表示する画像表示素子を有し、前記左眼用視差画像を観察者の左眼に、前記右眼用視差画像を前記観察者の右眼に導く立体画像表示装置であって、
前記画像表示素子側から順に、第２光学系、市松状に配列された開口部と遮光部を有するマスク部材、第１光学系を備えており、
前記第２光学系が、水平方向に所定の第２の周期で、垂直方向に第３の周期で配列された、水平方向及び垂直方向に屈折力を有する複数の第２レンズを有する第２レンズアレイを有し、
前記第１光学系が、水平方向に所定の第１の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第１レンズを有する第１レンズアレイとを有し、
所定の水平断面内において、前記左眼の位置、右眼の位置と前記複数の画素とを結ぶ直線上に、前記第１レンズの頂点、前記開口部の中心又は前記遮光部の中心、前記第２レンズの頂点が位置するように構成されていることを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明の画像表示装置は、互いに異なる左眼用視差画像と右眼用視差画像各々を水平方向に長い複数のストライプ画像に分割し、該複数のストライプ画像を交互に垂直方向に並べて合成した合成視差画像を複数の画素で表示する画像表示素子を有し、前記左眼用視差画像を観察者の左眼に、前記右眼用視差画像を前記観察者の右眼に導く立体画像表示装置であって、
前記画像表示素子側から順に、第２光学系、市松状に配列された開口部と遮光部を有するマスク部材、第１光学系を備えており、
前記第２光学系が、水平方向に所定の第２の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第２レンズを有する第２レンズアレイと、垂直方向に第３の周期で配列された、垂直方向に屈折力を有する複数の第３レンズを有する第３レンズアレイを有し、
前記第１光学系が、水平方向に所定の第１の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第１レンズを有する第１レンズアレイとを有しており、
ここで、垂直断面内において、前記第３レンズアレイは、前記複数の画素の像を前記マスク部材の位置に結像しており、
所定の水平断面内において、前記左眼の位置、右眼の位置と前記複数の画素とを結ぶ直線上に、前記第１レンズの頂点、前記開口部の中心又は前記遮光部の中心、前記第２レンズの頂点が位置するように構成することを特徴としている。
【００１０】
請求項３の発明の画像表示装置は、互いに異なる左眼用視差画像と右眼用視差画像各々を水平方向に長い複数のストライプ画像に分割し、該複数のストライプ画像を交互に垂直方向に並べて合成した合成視差画像を複数の画素で表示する画像表示素子を有し、前記左眼用視差画像を観察者の左眼に、前記右眼用視差画像を前記観察者の右眼に導く立体画像表示装置であって、
前記画像表示素子側から順に、第２光学系、市松状に配列された開口部と遮光部を有するマスク部材、第１光学系を備えており、
前記第２光学系が、水平方向に所定の第２の周期で、垂直方向に第３の周期で配列された、水平方向及び垂直方向に互いに異なる屈折力を有する複数のトロイダルレンズを有する第２レンズアレイを有し、
前記第１光学系が、水平方向に所定の第１の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第１レンズを有する第１レンズアレイとを有しており、
ここで、垂直断面内において、前記第２レンズアレイは、前記複数の画素の像を前記マスク部材の位置に結像しており、
所定の水平断面内において、前記左眼の位置、右眼の位置と前記複数の画素とを結ぶ直線上に、前記第１レンズの頂点、前記開口部の中心又は前記遮光部の中心、前記トロイダルレンズの頂点が位置するように構成することを特徴としている。
【００１１】
請求項４の発明の画像表示装置は、互いに異なる左眼用視差画像と右眼用視差画像各々を複数のストライプ画像に分割し、該複数のストライプ画像を交互に垂直方向に並べて合成した合成視差画像を複数の画素で表示する画像表示素子を有し、前記左眼用視差画像を観察者の左眼に、前記右眼用視差画像を前記観察者の右眼に導く立体画像表示装置であって、
前記画像表示素子側から順に、第２光学系、市松状に配列された開口部と遮光部を有するマスク部材、第１光学系を備えており、
前記第２光学系が、水平方向に所定の第２の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第２レンズを有する第２レンズアレイと、垂直方向に第３の周期で配列された、垂直方向に屈折力を有する複数の第３レンズを有する第３レンズアレイを有し、
前記第１光学系が、水平方向に所定の第１の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第１レンズを有する第１レンズアレイとを有しており、
所定の水平断面内において、前記左眼の位置、右眼の位置と前記複数の画素すべてとを結ぶ直線上に、前記第１レンズの頂点、前記開口部の中心又は前記遮光部の中心、前記第２レンズの頂点が位置するように構成されていることを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１を説明する要部斜視図である。Hは水平方向（横方向）、Vは垂直方向（縦方向）、LAは光軸方向を示している。画像表示素子１には、後述する２視点又は２視点以上の視差画像から合成された合成水平ストライプ視差画像が表示される。２は横レンチキュラーレンズであり、垂直方向Vに屈折力を有している。３は第１の縦レンチキュラーレンズであり、水平方向Hに屈折力を有している。４は市松開口マスク，５は第２の縦レンチキュラーレンズであり、水平方向Hに屈折力を有している。ここで横レンチキュラーレンズ２と第２の縦レンチキュラーレンズ５は第２の光学系の一要素を構成している。又、第１の縦レンチキュラーレンズ３は第１の光学系の一要素を構成している。
【００２５】
図２は、画像表示素子１に表示する合成水平ストライプ視差画像の説明図である。図２（A）は右眼用の視差画像、図２（B）は左眼用の視差画像である。
【００２６】
観察者の左右各々の眼に対応する視差画像１０，１１を水平方向に長いストライプ画像（１０−１，１０−２…，１１−１，１１−２…）に分割して交互に垂直方向に並べて合成水平ストライプ視差画像１２を合成する。この実施形態では水平ストライプ画像への分割は、画像表示素子１（図１など）の水平走査線ごとの分割とする。
【００２７】
実施形態１では合成水平ストライプ視差画像の奇数ラインが左眼用の視差画像（１１−１，１１−３，１１−５…）偶数ラインを右眼用の視差画像 （１０−２，１０−４，１０−６…）であるとする。
【００２８】
図１に戻って本実施形態の光学原理を説明する。画像表示素子１上に表示される合成水平ストライプ視差画像の各画素水平ライン１１−１，１０−２，１１−３，１０−４…には、横レンチキュラーレンズ２を構成する水平方向に細長く垂直方向にだけ曲率を持つ１つのシリンドリカルレンズ２が対応しており垂直断面内（V−LA断面内）では図４に示すように、画像表示素子１の各画素1aからの画素表示光は，市松開口マスク４上に結像される。
【００２９】
水平方向には各画素から発せられる画像表示光は図３に示すように、第２の縦レンチキュラーレンズ５により市松マスク４上に集光される。
【００３０】
市松開口マスク４は、第２の縦レンチキュラーレンズ５を構成する垂直方向に細長く水平方向にだけ曲率を持つシリンドリカルレンズ5aの焦点面に配置される。
【００３１】
該第２の縦レンチキュラーレンズ５を構成するシリンドリカルレンズ5aの焦点距離をｆh2とすると各画素1aからの画像表示光は、該シリンドリカルレンズ5aへの水平方向の入射角aHに対して各シリンドリカルの中心から
fH2*tAN(AH)だけ水平方向にずれた位置で市松開口マスク４と交わる。
【００３２】
市松開口マスク４の開口4aおよび遮蔽の水平方向の１ラインは、該合成水平ストライプ視差画像の１水平ラインと対応しており水平方向には１開口と１遮蔽のペアが該第１の縦レンチキュラーレンズ３を構成するシリンドリカルレンズ3aの１つと対応している。
【００３３】
合成水平ストライプ視差画像１２の右眼用ライン（合成水平ストライプ視差画像の偶数ライン１０−２，１０−４，…）の各画素からの画像表示光のうち、観察者の右眼Erの位置に向かう光は市松開口マスク４の開口部4aに第２の縦レンチキュラーレンズ５により集められ、観察者の左眼Elの位置に向かう画像表示光は、市松開口マスク４の遮蔽部4bで遮光されるように市松開口マスク４上の水平偶数ラインの開口と遮蔽部の配列は規定されている。
【００３４】
市松開口マスク４の水平奇数ラインの開口と遮蔽の配列は水平偶数ラインの開口と遮蔽部の配列と開口と遮蔽部の位置が入れ替わるように設定され、全体で開口部と遮蔽部が市松状になるようになっている。
【００３５】
市松マスク４を透過した画像表示光は、第１の縦レンチキュラーレンズ３で観察者の左右の眼に投射される。
【００３６】
市松開口マスク４は第１の縦レンチキュラーレンズ３の焦点面になっており、市松開口マスク４の開口位置と第１の縦レンチキュラーレンズ３により予め定められた距離にいる観察者の左眼Elには左眼用の視差画像表示光
（１０−２，１０−４…）だけが、右眼Erには右眼用の視差画像表示光
（１１−１，１１−３…）だけが達する。
【００３７】
次に第１の縦レンチキュラーレンズ３、横レンチキュラーレンズ２、市松開口マスク４、第２の縦レンチキュラーレンズ５を用いた本発明の立体画像表示装置における設計パラメータを好適に設定した場合の互いの関係について説明する。
【００３８】
図３は、本実施形態の画像表示装置（立体画像表示装置）を画像表示素子１の右眼用画像ライン（偶数ライン）を含む水平断面で切った断面図（V−LA断面）であり既出の図と同一部材については同一の記号を付す。
【００３９】
本発明の画像表示装置では、水平方向の作用と垂直方向の光学作用は分離して考える事が出来、図３を使った説明は、水平方向の作用に関するものである。
【００４０】
図３では右眼Erに向かう画像表示光を実線、左眼Elに向かう画像表示光を破線で示している。
【００４１】
図１，図２から明らかなようにこれら２つの光線群を含む面は画像表示素子１の走査線の巾で垂直方向にずれている。
【００４２】
本実施形態では観察者の左右眼の位置と画像表示素子１の水平画素ライン上の各画素を結ぶ直線上に第１の縦レンチキュラーレンズ３を構成するシリンドリカルレンズ3aの頂点、市松開口マスク４の開口4aまたは遮光部4bの中心、第２の縦レンチキュラーレンズ５を構成するシリンドリカルレンズ5aの頂点が位置するように構成することが望ましい。
【００４３】
この条件が崩れていても市松マスク４と第１のレンチキュラーレンズ３の関係が保たれていれば立体画像の表示は可能だが配置によっては画像表示素子１からの光の利用効率が悪くなり、さらに画素の一部が暗くなる可能性がある。
【００４４】
図３のように本発明の画像表示装置を構成するとき第１の縦レンチキュラーレンズ３および第２の縦レンチキュラーレンズ５の各シリンドリカルレンズは左右の眼の位置であるEl,Er２点と画像表示素子１の水平画素ライン上の各画素をむすんだとき、各直線群が交わる面（交差面）S1，S2，…Snに配置すれば良い。
【００４５】
図３では第１の縦レンチキュラーレンズ３からみて１番目の交差面S2に第２の縦レンチキュラーレンズ５を配置し，２番目の交差面S1に画像表示素子１を配置したことになる。横レンチキュラーレンズ２は、これらの条件とは無関係に後述する垂直方向の条件に適し、それ以外の部材と干渉しない位置に配置することが出来る。
（図３では横レンチキュラーレンズ２を画像表示素子１と第２の縦レンチキュラーレンズ５の間に配置している）
市松マスク４は、第１の縦レンチキュラーレンズ３と第２のレンチキュラーレンズ５の間で左眼Elと画像表示素子１の各画素を結ぶ直線群（破線）と右眼Erと画像表示素子１の各画素を結ぶ直線群（実線）の間隔が等分となる面に配置される。以上のように配置されているとき本発明の画像表示装置の水平方向に関する設計パラメータの関係は以下のようになる。
【００４６】
Nd*HL1/E=Lhd/(Lhd+Lh0)…（H1）
Hd/HL1=(Lh0+Lhd)/Lh0…（H2）
NL2*HL1/E=LhL2/(LhL2+Lh0)…（H3）
HL2/HL1=(Lh0+LhL2)/Lh0…（H4）
H1/E=Lh1/(Lh1+Lh0)…（H5）
H1/HL1=(Lh0+Lh1)/Lh0…（H6）
H1*Lh1a/Lh1=HL1*Lh1B/Lh1…（H7）
Lh1a+Lh1B=Lh1…（H8）
Hm/H1=L H1a/Lh1…（H9）
ｆH2＝LhL2-Lh1a…（H1０）
ｆH1＝Lh1a …（H1１）
ただしHL1,HL2は，第１，第２の縦レンチキュラーレンズ３，５のピッチ，Hd,Hmは画像表示素子１の水平方向の画素ピッチおよび市松マスク４の開口または遮蔽の水平方向の巾、
H1は、第１の縦レンチキュラーレンズ３からみて前述の光線群の第１番目の交差面での交点間の水平ピッチ，Nd，NL2は，各々画像表示素子１および第２の縦レンチキュラーレンズ５が配置される位置について第１の縦レンチキュラーレンズ３からみて前述の光線群の第Nd番目の交差面、第NL2番目の交差面に配置されることを示す正の整数であり、
Lhd,LhL2 は、各々第２の縦レンチキュラーレンズ５および画像表示素子１の第１の縦レンチキュラーレンズ３からの光学換算距離，Lh0は観察者から第１の縦レンチキュラーレンズ３までの光学換算距離，Lh1は、第１の縦レンチキュラーレンズ３からみて前述の光線群の第１番目の交差面までの距離，Lh1a,Lh1Bは、該第１の光学系からマスク部材までの光学換算距離および市松マスク４から第１の交差面までの光学換算距離，ｆH1，ｆH2は各々第１，第２の縦レンチキュラーレンズ３，５を構成する個々のシリンドリカルレンズ3a，5aの焦点距離である。以上の関係式を各設計パラメータが満足しているとき右眼と左眼に表示光の良好な分離が起こる。
【００４７】
ここで第２の縦レンチキュラーレンズ５は、図３で示す実施形態では第１番目の交差面S2に配置されているが式（H6）から式（H9）までの関係式は、第２の縦レンチキュラーレンズ５が第１番目の交差面S2に置かれるか否かに関わらず成立が要求される。
【００４８】
尚、式（h1）〜（h11）は厳密に成立する必要はなく、略等しい
（±２０％以内）ければ良い。以下の各式においても同様である。
【００４９】
図１１に画像表示素子１および第２の縦レンチキュラーレンズ５を第１の縦レンチキュラーレンズ３からみて前述の光線群の第４番目の交差面S1および第２番目S3の交差面に置く構成例を示す（Nｄ＝４，NL2＝２の場合）。図３と同一の部材には、同一の符番を付す。この構成例でも前述の式（h1）から式 （h9）までの関係式が成立している場合に右眼と左眼に表示光の良好な分離が起こる。
【００５０】
ここで説明したように本発明では、第２の縦レンチキュラーレンズ５と画像表示素子１を配置する位置に自由度があり、例えば画像表示素子１がLCD等であり、画像が実際に表示される液晶層等が所定の厚さの基板ガラスなどで挟まれており、第２の縦レンチキュラーレンズ５や横レンチキュラーレンズ２などの部材を該画像表示素子１のすぐ近くには、配置できない場合でも良好な立体画像表示が行える配置がある。
【００５１】
なお画像表示素子１からの画像光の利用効率を高く設定する必要が無い場合は、前記の関係式を必ずしもすべて満たしていなくても又は一部であっても立体画像の表示は可能である。その場合Hm:E=Lh1a:Lh0 と前述の式（h11）および後述される垂直方向の関係式を満たしていれば良い。
【００５２】
次に本実施形態における垂直方向（V−LA断面）の関係式の説明を図４を用いて行う。
【００５３】
図４は、本実施例の画像表示装置を横から観た概略図（V−LA断面図）であり既出の図と同一部材については同一の記号を付す。横レンチキュラーレンズ２を構成する個々のシリンドリカルレンズ２ａは画像表示素子１の１水平ラインに対応し、垂直断面において該水平ラインを市松マスク４上の開口4aおよび遮光部4bから構成される１つの水平の列上に結像する。
【００５４】
このような光学作用が良好に働くためには立体画像表示装置の垂直方向に関する設計パラメータの関係は以下のようになる。
【００５５】
Vd:Vm=LV1:LV2 …（V1）
2・Vd:VL=LV1+LV2:LV2…（V2）
1/LV1+1/LV2=1/fV…（V3）
ここでVdは、画像表示素子１の画素の垂直方向ピッチ、Vmは、市松マスク４の開口部4aまたは遮光部4bの垂直方向の巾，LV1は，画像表示素子１から横レンチキュラーレンズ２までの光学換算距離，LV2は、横レンチキュラーレンズ２から市松マスク４までの光学換算距離，fVは、横レンチキュラーレンズ２を構成するシリンドリカルレンズ２ａの焦点距離。
【００５６】
式（V1）は、画像表示素子１上の１水平ストライプ画像が市松マスク４上の１水平列上に過不足ない巾で結像されるための条件であり、式（V3）は、該結像のために必要な横レンチキュラーレンズを構成する水平方向に細長い個々のシリンドリカルレンズ２の垂直方向（V−LA断面内）の焦点距離を規定する条件である。式（V2）は、画像表示素子１上の１水平ストライプ画像からでた画像光が該横レンチキュラーレンズ２の該水平ストライプ画像に対応していない水平方向に細長いシリンドリカルレンズ２を通っても左右の反転が起こらずクロストークが生じないための条件である。
【００５７】
さらに垂直断面において観察者の眼Eと市松マスク４の各開口の中心、横レンチキュラーレンズ２を構成する個々のシリンドリカルレンズ２の中心および画像表示素子１の画素の中心が一直線上に並ぶ構成にすると画像光の利用効率が高くまた横レンチキュラー２の横筋が目立たなくすることが出来る。
【００５８】
この様に本発明の画像表示装置を構成するには式（V1）から式（V3）に加え、市松マスク４から観察者までの光学換算距離LV0とすると
Vd :VL=LV0+LV1+LV2:LV0+LV2…（V4）
が成り立っていることが好ましい。
【００５９】
前述の様に本発明では垂直方向と水平方向の関係式は、独立であり、横レンチキュラーレンズ２は、式（V1）から式（V4）が成立し、他の部材と干渉しない位置に自由に配置する事ができる。
【００６０】
また第２の縦レンチキュラーレンズ５と横レンチキュラーレンズ２の作用を横方向と縦方向に屈折力のある１枚のマイクロレンズアレイで実現することも可能である。
【００６１】
図５は、マイクロレンズアレイ６を用いた本発明の実施形態を示す概略図であり、前出の図１と同一部材には同一の符番を付す。
【００６２】
マイクロレンズアレイ６は、垂直方向と水平方向の曲率が基本的には異なる（同一であっても良い。）トロイダルレンズを水平および垂直方向に並べて構成されるマイクロレンズアレイであり、該マイクロレンズの水平方向の列は、前記画像表示素子１の水平方向の画素列に対応している。該トロイダルレンズの垂直方向の曲率は画像表示素子１の画素を市松マスク４上に結像する様に設定され、水平方向の曲率は、該画像表示素子からの平行光束を市松マスク４上に結像するように設定されている。
【００６３】
マイクロレンズ６の水平方向のピッチおよび垂直方向のピッチは、第１および第２の縦レンチキュラーレンズ３，５と横レンチキュラーレンズ２で構成する場合の第１の縦レンチキュラーレンズ３のピッチおよび横レンチキュラーレンズ２のピッチと各々同様の関係を満たすように決めればよいが、
マイクロレンズアレイ６を用いる場合には、画像表示素子１から第２の縦レンチキュラーレンズ５までの光学的距離と画像表示素子１から横レンチキュラーレンズ２までの光学的距離は画像表示素子１からマイクロレンズアレイ６までの光学的距離にまた第２のレンチキュラーレンズ５から市松マスク４までの光学的距離と横レンチキュラーレンズ２から市松マスク４までの光学的距離は、
マイクロレンズアレイ６から市松マスク４までの光学的距離に各々縮退されることになる。
【００６４】
さらに第１および第２の光学系としてホログラム光学素子等を用いる事もできる。例えば第１の光学系として本実施形態で示した第１の縦レンチキュラーレンズ３を構成するシリンドリカルレンズと同じ光学パワー（水平方向の焦点距離がｆh1で垂直方向の光学パワーを持たない）を持つ要素ホログラム光学素子を周期HL1で水平方向に並べたホログラム光学素子を第１の光学系として、
また第２の光学系として図５で説明したマイクロレンズアレイ６と同じ水平、垂直方向の焦点距離を持つ要素ホログラム光学素子を水平、垂直方向にマイクロレンズアレイ６と同じ周期で並べたホログラム光学素子を用いることができる。
（実施形態２）
図６は、本発明の実施形態２のを説明図である。前出の図１と同一部材には同一符番を付す。本実施形態が実施形態１と異なる点は、視差数を２から２より大きな数N（２以上の整数）に増やしたことでありこの例では特にN＝３の場合について説明する。
【００６５】
図７は、画像表示素子１に表示する合成水平ストライプ視差画像を示す説明図である。
【００６６】
図７（A）,（B）,(C)は順に第１，２，３の視点に対応する対応する視差画像10a10b,10cであり、図７(D)は各視差画像10a,10b,10cを水平方向に長いストライプ画像に分割して交互に垂直方向に並べて構成した合成水平ストライプ視差画像１２である。この実施形態でも水平ストライプ画像への分割は、画像表示素子１の水平走査線ごとの分割とする。
【００６７】
実施形態２ではｋを０以上の整数としたとき合成水平ストライプ視差画像の３ｋ＋１ラインが第１の視点E１，３ｋ＋２ラインが第２の視点E２，３（ｋ＋１）ラインが第３の視点E３用のそれぞれ視差画像であるとする。
【００６８】
図８は、実施形態２に用いる市松マスク４の遮蔽部と開口部の構成を示す図であり，ｋを０以上の整数としたとき３（ｋ＋１）水平ラインは、第３の視点および画像表示素子１上の３（ｋ＋１）ラインに表示された水平ストライプ画像10cに対応し，３ｋ＋２水平ラインは第２の視点および画像表示素子１上の３ｋ＋２ラインに表示された水平ストライプ画像１０Bに対応し，３ｋ＋１水平ラインは第１の視点および画像表示素子１上の３ｋ＋１ラインに表示された水平ストライプ画像１０Aに対応する。
【００６９】
市松マスク４を構成する開口部と遮光部の水平方向の巾は、図８に示すように開口部の水平巾をHmとしたとき遮光部の巾はHm・（N―１）となっている（この実施例ではN＝３なので２・Hm）。
【００７０】
横レンチキュラーレンズ２を構成する水平方向に細長く垂直方向に光学的パワーを持つシリンドカルレンズ2aの垂直方向の巾（横レンチキュラーレンズ２の垂直方向のピッチ）は、図９に示すように画像表示素子１の３走査線の組の垂直方向の巾および市松マスク４を構成する開口部および遮光部からなる水平列の３列の垂直方向の巾にほぼ等しい値を持つ。
【００７１】
横レンチキュラーレンズ２を構成するシリンドリカルレンズ２のうち第ｋ＋１番目のシリンドリカルレンズは、該合成水平ストライプ視差画像の３ｋ＋１，３ｋ＋２および３（ｋ＋１）番目の３視差の水平ストライプ視差画像の組に対応し、また市松マスク４を構成する開口部と遮光部からなる水平列の内，３ｋ＋１，３ｋ＋２および３（ｋ＋１）番目の列に対応する。
【００７２】
第３ｋ＋１番目，３ｋ＋２番目，３（ｋ＋１）番目の水平ストライプ視差画像は、横レンチキュラーレンズ２のｋ＋１番目のシリンドリカルレンズにより市松マスク４の第３（ｋ＋１），３ｋ＋２，３ｋ＋１番目の開口部および遮光部からなる水平列の上に結像される。
【００７３】
実施形態２で説明した設計バラメータの垂直方向の関係式
（V1）から（V4）に相当する関係式は、視点数をNとしたとき、
Vd:Vm=LV1:LV2 …（V1N）
2・N・Vd:VL=LV1+LV2:LV2…（V2N）
1/LV1+1/LV2=1/fV…（V3N）
N・Vd:VL=LV0+LV1+LV2:LV0+LV2…（V4N）
となる。（パラメータを表す記号の定義は，Vm以外、実施例１で説明したものと同一とする。
【００７４】
Vmはマスクパターンの開口の垂直方向の巾で遮蔽部は
（N―１）・Vmとなる
（図８，図９参照）
次に図９を用いて本実施形態２の光学作用について説明する。
【００７５】
合成水平ストライプ視差画像１の第１の視点E1に対応する水平ライン（合成水平ストライプ視差画像の3k+1ライン）の各画素１０Aからの画像表示光のうち、視点E1の位置に向かう光は市松開口マスク４の開口部に横レンチキュラーレンズ２により集められ、視点E2,E3の位置に向かう画像表示光は、市松開口マスク４の遮蔽部で遮光されるように市松開口マスク４上の3k+2，3( k+1)水平ラインの開口と遮蔽部の配列は規定されている。
【００７６】
市松開口マスク４の３ｋ＋２および３ｋ＋１ラインの開口と遮蔽の配列は水平偶数ラインの開口と遮蔽部の配列と開口と遮蔽部の水平方向にHmずれるように設定され，３ｋ＋２列は、視点E2に向かう画像光を３（ｋ＋１）列は、視点E3に向かう画像光だけを透過させるようにそれぞれ構成されている。
【００７７】
市松マスク４を透過した画像表示光は、第１の縦レンチキュラーレンズ３で視点E1,E2またはE3に投射される。
【００７８】
市松開口マスク４は第１の縦レンチキュラーレンズ３の焦点面になっており、市松開口マスク４の開口位置と第１の縦レンチキュラーレンズ３により予め定められた距離にある視点位置に対応する視差画像表示光だけが達してN視点の立体画像の表示が行われる。
【００７９】
図１０は、水平方向（H−LA断面）の作用に関するものである。
【００８０】
本実施形態では観察面で等しい眼間間隔Eづつ離れて位置する３視点E1,E2,E3と画像表示素子１の水平画素ライン上の各画素を結ぶ直線上に第１の縦レンチキュラーレンズ３を構成するシリンドリカルレンズ3aの頂点、市松開口マスク４の開口または遮光部の中心、第２の縦レンチキュラーレンズ５を構成するシリンドリカルレンズ5aの頂点が位置するように構成することが望ましい。
【００８１】
このように本発明の画像表示装置を構成するとき第１の縦レンチキュラーレンズ３および第２の縦レンチキュラーレンズ５は３視点E1,E2,E3と画像表示素子１の水平画素ライン上の各画素をむすぶ直線群が交わる面（交差面）に配置すれば良いことになる。
【００８２】
図１０では第１の縦レンチキュラーレンズ３からみて1番目の交差面に第２の縦レンチキュラーレンズ５を配置し，2番目の交差面に画像表示素子１を配置したことになる。なお等間隔離れて並ぶN視点と画像表示素子１の各画素を結ぶ線群が交差する面は、隣り合う２視点と画像表示素子の各画素とを結ぶ線群が交差する面と同一面である。
【００８３】
実施形態１で説明した設計パラメータの関係式（H1）から（H9）に相当する関係式は，N視点の場合でも形を変えずそのまま成り立つが、交差面の数え方は隣り合う２視点と画像表示素子の各画素を結ぶ線群が交差する面で縦レンチキュラーレンズ３から見て何番目かを表す数と考え直し（Nd，NL2など），Lh1a,Lh1Bは、第１の光学系からマスク部材までの光学換算距離および市松マスクから第２の交差面までの光学換算距離と考え直す。
【００８４】
またHmを市松マスク４の開口部の水平巾と定義し直し、該遮光部の水平巾は
（N―１）・Hmと設定する。
【００８５】
Nd*HL1/E=Lhd/(Lhd+Lh0)…（H1）
Hd/HL1=(Lh0+Lhd)/Lh0…（H2）
NL2*HL1/E=LhL2/(LhL2+Lh0)…（H3）
HL2/HL1=(Lh0+LhL2)/Lh0…（H4）
H1/E=Lh1/(Lh1+Lh0)…（H5）
H1/HL1=(Lh0+Lh1)/Lh0…（H6）
H1*Lh1a/Lh1=HL1*Lh1B/Lh1…（H7）
Lh1a+Lh1B=Lh1…（H8）
Hm/H1=Lh1a/Lh1…（H9）
なお本実施形態２に置いても実施形態１で説明したように画像表示素子１および第２の縦レンチキュラーレンズ５を配置する位置に自由度があり、第２の縦レンチキュラーレンズ５や横レンチキュラーレンズ２などの光学部材を画像表示素子１から本実施形態の画像表示装置を構成するうえで支障が無い程度に離して配置する事が可能である。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、本発明は、視点への画像表示光の方向づけを水平方向において、
マスク部材の前後に配置した光学系を利用することにより、ストライプ画像の水平方向の位置に無関係に行われ画像表示素子の画素と画素の間の所謂ブラックマトリックスによって観察面に表示光が達しない暗部が生じることもなく、また画像表示素子の散乱や画素構造による回折の影響も原理的に受けることがなく、
立体画像を良好に観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の要部斜視図
【図２】本発明の実施形態１の画像表示素子に表示される合成水平視差画像の説明図
【図３】本発明の実施形態１の水平方向の働きを説明するための水平断面図
【図４】本発明の実施形態１の垂直方向の働きを説明するための垂直断面図
【図５】本発明の実施形態１の別形態を示す斜視図
【図６】本発明の実施形態２の要部斜視図
【図７】本発明実施形態２の画像表示素子に表示される合成水平視差画像の説明図
【図８】本発明の実施形態２のマスクパターンの説明図
【図９】本発明の実施形態２の垂直方向の働きを説明するための垂直断面図
【図１０】本発明の実施形態２の水平方向の働きを説明するための水平断面図
【図１１】本発明の実施形態１の図３で説明した構成と第２の縦レンチキュラーレンズおよび画像表示素子の配置位置を変えた例での水平方向の働きを説明するための水平断面図
【符号の説明】
１ 画像表示素子
２ 横レンチキュラーレンズ
３ 第１の縦レンチキュラーレンズ
４ マスク部材
５ 第２の縦レンチキュラーレンズ
６ マイクロレンズアレイ
１０，１１ 視差画像
１２ 合成ストライプ画像
２a，3a，5a シリンドリカルレンズ
Claims (4)
- 互いに異なる左眼用視差画像と右眼用視差画像各々を水平方向に長い複数のストライプ画像に分割し、該複数のストライプ画像を交互に垂直方向に並べて合成した合成視差画像を複数の画素で表示する画像表示素子を有し、前記左眼用視差画像を観察者の左眼に、前記右眼用視差画像を前記観察者の右眼に導く立体画像表示装置であって、
前記画像表示素子側から順に、第２光学系、市松状に配列された開口部と遮光部を有するマスク部材、第１光学系を備えており、
前記第２光学系が、水平方向に所定の第２の周期で、垂直方向に第３の周期で配列された、水平方向及び垂直方向に屈折力を有する複数の第２レンズを有する第２レンズアレイを有し、
前記第１光学系が、水平方向に所定の第１の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第１レンズを有する第１レンズアレイとを有し、
所定の水平断面内において、前記左眼の位置、右眼の位置と前記複数の画素とを結ぶ直線上に、前記第１レンズの頂点、前記開口部の中心又は前記遮光部の中心、前記第２レンズの頂点が位置するように構成されていることを特徴とする画像表示装置。 - 互いに異なる左眼用視差画像と右眼用視差画像各々を水平方向に長い複数のストライプ画像に分割し、該複数のストライプ画像を交互に垂直方向に並べて合成した合成視差画像を複数の画素で表示する画像表示素子を有し、前記左眼用視差画像を観察者の左眼に、前記右眼用視差画像を前記観察者の右眼に導く立体画像表示装置であって、
前記画像表示素子側から順に、第２光学系、市松状に配列された開口部と遮光部を有するマスク部材、第１光学系を備えており、
前記第２光学系が、水平方向に所定の第２の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第２レンズを有する第２レンズアレイと、垂直方向に第３の周期で配列された、垂直方向に屈折力を有する複数の第３レンズを有する第３レンズアレイを有し、
前記第１光学系が、水平方向に所定の第１の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第１レンズを有する第１レンズアレイとを有しており、
ここで、垂直断面内において、前記第３レンズアレイは、前記複数の画素の像を前記マスク部材の位置に結像しており、
所定の水平断面内において、前記左眼の位置、右眼の位置と前記複数の画素とを結ぶ直線上に、前記第１レンズの頂点、前記開口部の中心又は前記遮光部の中心、前記第２レンズの頂点が位置するように構成することを特徴とする画像表示装置。 - 互いに異なる左眼用視差画像と右眼用視差画像各々を水平方向に長い複数のストライプ画像に分割し、該複数のストライプ画像を交互に垂直方向に並べて合成した合成視差画像を複数の画素で表示する画像表示素子を有し、前記左眼用視差画像を観察者の左眼に、前記右眼用視差画像を前記観察者の右眼に導く立体画像表示装置であって、
前記画像表示素子側から順に、第２光学系、市松状に配列された開口部と遮光部を有するマスク部材、第１光学系を備えており、
前記第２光学系が、水平方向に所定の第２の周期で、垂直方向に第３の周期で配列された、水平方向及び垂直方向に互いに異なる屈折力を有する複数のトロイダルレンズを有する第２レンズアレイを有し、
前記第１光学系が、水平方向に所定の第１の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第１レンズを有する第１レンズアレイとを有しており、
ここで、垂直断面内において、前記第２レンズアレイは、前記複数の画素の像を前記マスク部材の位置に結像しており、
所定の水平断面内において、前記左眼の位置、右眼の位置と前記複数の画素とを結ぶ直線上に、前記第１レンズの頂点、前記開口部の中心又は前記遮光部の中心、前記トロイダルレンズの頂点が位置するように構成することを特徴とする画像表示装置。 - 互いに異なる左眼用視差画像と右眼用視差画像各々を複数のストライプ画像に分割し、該複数のストライプ画像を交互に垂直方向に並べて合成した合成視差画像を複数の画素で表示する画像表示素子を有し、前記左眼用視差画像を観察者の左眼に、前記右眼用視差画像を前記観察者の右眼に導く立体画像表示装置であって、
前記画像表示素子側から順に、第２光学系、市松状に配列された開口部と遮光部を有するマスク部材、第１光学系を備えており、
前記第２光学系が、水平方向に所定の第２の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第２レンズを有する第２レンズアレイと、垂直方向に第３の周期で配列された、垂直方向に屈折力を有する複数の第３レンズを有する第３レンズアレイを有し、
前記第１光学系が、水平方向に所定の第１の周期で配列された、水平方向に屈折力を有する複数の第１レンズを有する第１レンズアレイとを有しており、
所定の水平断面内において、前記左眼の位置、右眼の位置と前記複数の画素すべてとを結ぶ直線上に、前記第１レンズの頂点、前記開口部の中心又は前記遮光部の中心、前記第２レンズの頂点が位置するように構成されていることを特徴とする画像表示装置。
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