JP3782773B2

JP3782773B2 - 立体画像表示装置

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Publication number: JP3782773B2
Application number: JP2002355059A
Authority: JP
Inventors: 敏行須藤; 裕西原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2006-06-07
Anticipated expiration: 2022-12-06
Also published as: JP2004184938A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ビームを走査して立体画像を表示する立体画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、立体画像を表示する方法として様々な方式が試みられている。これらのうち、両眼視差を用いて観察者に立体視を行わせる方法（偏光メガネ方式、レンチキュラ方式など）は広く利用されているが、眼の調節機能による立体認識と両眼視差による立体認識との間に矛盾が生じるため、観察者は疲労や違和感を覚えることが少なくない。
【０００３】
そこで、両眼視差のみに頼らず、眼のその他の立体認識機能を満足する３次元画像の表示方法がいくつか試みられている。
【０００４】
そのうちの１つとして非特許文献１にて紹介されたものが挙げられる。すなわち、この非特許文献１の第３章８節「超多眼領域の立体視覚に開する研究」では、単眼の瞳孔に複数の視差画像が入射する程度に視差の刻み角が細かい多視点画像を表示する「超多眼領域」の立体表示下においては、観察者の眼の焦点調節が、両眼視差によって誘導される擬似的な立体像の近傍に導かれ、観察者の疲労や違和感が軽減される、とされている。
【０００５】
つまり、従来行われている２視点からの視差画像を両眼に対して呈示する立体表示方法を、ｎ視点からの視差画像をｎ視点に対して呈示する方法に拡張し、かつｎ個の視点の隣り合う２点間距離を観察者の瞳孔よりも小さくした場合、「単眼視差効果」により眼が疲れにくい立体表示となる、という見解が示されている。
【０００６】
さらに、非特許文献１の第３章６節「集束化光源列（ＦＬＡ）による多眼立体デイスプレイの研究開発」では、上記理論を実践する具体例が示されている。本明細書に添付した図１８には、この具体例の構成を示している。図１８中の１０１はＦＬＡ（集束化光源列：Focused Light Array ）であり、図１９に示すような構成を有する。
【０００７】
ＦＬＡ１０１は、図１９（ａ）のように、半導体レーザなどの光源（Light Source）１０１ａからの光を光学系（Beam Shaping Optics ）１０２により細い光束に整形するものを、図１９（ｂ）に示すように、円弧状に並べ、すべての光束を円の中心（焦点ＦＰ）に集光させるものである。
【０００８】
こうして形成された焦点（Focal Point ）ＦＰは、図１８に示すように、光学系（Objective lens, Imaging lens）１０２，１０５により垂直拡散板（Vertical Diffuser ）１０６に再結像し、走査系（VerticalScanner,Horizontal Scanner ）１０３，１０４により２次元的に高速走査され、２次元的な画像１０８を形成する。走査の周期が観察者１０７の眼の残像許容時間内（約１／５０秒以内）であればフリッカーのない画像観察が可能となる。
【０００９】
ある瞬間における焦点は、２次元画像の個々の画素を構成しており、各画素は元の光源の数だけ異なる方向に光線を出射する輝点と考えられる。どの方向に光線を出射させるかは、発光させる光源を選択することで決定することができる。この光線の出射方向は非常に小さな角度だけ異なっているので、観察位置では観察者の瞳に２本以上の異なる光線が入射するような条件になっている。つまり、上記構成によれば、観察者の単眼に複数の視差画像光が入射する「超多眼領域」の立体表示が可能となり、観察者の眼の焦点調節が立体像近傍に導かれ、観察者の疲労や違和感が軽減される。
【００１０】
ところが、この方法では、視点の数だけ光源およびそれに付随する駆動回路等を用意しなければならず装置が複雑化する。そこで、特許文献１には、光源およびそれに付随する駆動回路を１つとし、かつ上記方法と同様にして多視点立体画像を表示する装置が提案されている。
【００１１】
図２０には、特許文献１にて提案の立体画像表示装置の概念図である。図中の１１１は変調信号発生器、１１２はビーム走査の開始タイミング検出のためのスタートセンサ、１１３は半導体レーザ駆動回路、１１４はモータ制御回路、１１５は半導体レーザ（光源）、１１６はコリメータレンズ、１１７はレーザービームを主走査方向にて走査するポリゴンミラー、１１８はｆθレンズ、１１９はレーザービームを主走査方向にて偏向する第１の円筒レンズアレイ、１２１はレーザービームを副走査方向にて走査するガルバノミラー、１２０はガルバノミラー１２１を回転させるモータ、１２２はレーザービームを縦方向に拡散させる第２の円筒レンズアレイ、１２３は観察者である。
【００１２】
この立体画像表示装置の基本構成は、図１８に示した立体画像表示装置同様であるが、レーザー光源１１５が１つになっていることと、レーザービームの走査によって２次元画像情報を形成すべき面の近傍に、主走査方向に周期的構造を有する円筒レンズアレイ１１９を配置していることが、図１８の装置と異なる。
【００１３】
このような構成の場合、レーザービームが円筒レンズアレイ１１９に入射する位置によってビームの射出方向が変化し、円筒レンズアレイ１１９上を主走査方向にレーザービームが走査するだけで光線の偏向が多数回繰り返される。
【００１４】
図２１はこの様子を説明する図である。円筒レンズアレイ１１９に垂直に入射したレーザービームａは、円筒レンズの高画角位置に入射するため、円筒レンズの焦点を通過した後、ａ’の方向に偏向される。そして、微小時間経過後にレーザービームｂが同じ円筒レンズの図中の位置に入射すると、ビームはより小さい偏向角で偏向され、ｂ’の方向に出射する。同様にして、レーザーピームｃ，ｄは図中ｃ’，ｄ’の方向に偏向される。
【００１５】
したがって、図１８に示した立体画像表示装置では、元の光源の数だけ輝点（画素）が形成されたが、図２０に示す立体画像表示装置では、単一のレーザービームの走査によって同等数の輝点（画素）が形成される。
【００１６】
【非特許文献１】
「高度立体動画像通信プロジェクト最終成果報告書」
平成９年通信・放送機構発行
【特許文献１】
特開平１１−１０３４７４号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１にて提案の立体画像表示装置にも次のような不都合が存在する。
【００１９】
すなわち、第２の円筒レンズアレイ１２２の位置に形成される、光線偏向点の集合で形成される２次元画像情報の水平方向解像度は、円筒レンズアレイ１１９における円筒レンズのピッチに反比例する。このため、解像度を高めるためには円筒レンズのピッチを小さくすればよいが、円筒レンズのピッチを小さくするにも製造上の限界がある。
【００２０】
しかも、円筒レンズのピッチが小さいと、相対的に水平幅の広いレーザービームが入射した場合と同じ現象が起こる。つまり、図２２に示すように、円筒レンズ１１９ａから射出したレーザービームＬは焦点を通過した後に拡がってしまい、観察者位置では単眼よりも広い水平幅を有するビームとなってしまう。このため、「超多眼領域」の立体表示が不可能となってしまう。
【００２１】
本発明は、光源数が最小限でよく、かつ観察位置での光ビームの水平幅が拡がらないように抑制しながらも、高い水平方向解像を実現可能な立体画像表示装置を提供することを目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の立体画像表示装置は、光源からの光ビームを走査するビーム走査手段と、ビーム走査手段により走査されて異なる位置に入射した光ビームを１つの集光点に向かうように偏向する偏向素子が、複数設けられた偏向素子アレイと、光ビームを入射する偏向素子が異なるごとに互いに異なる視差を持った視差画像を表示するよう変調するビーム変調手段とを有する。そして、偏向素子アレイにおいて、複数の偏向素子を、水平方向において上記集光点が偏向素子の水平方向での配置数よりも多い数形成されるように配置している。しかも、第１の視差画像が表示される第１観察領域における水平方向の幅、第１観察領域に対して水平方向で隣り合い、第２の視差画像が表示される第２観察領域における水平方向の幅、及び第１観察領域と第２観察領域との水平方向の間隔が、それぞれ２ｍｍ以下となり、各偏向素子が光ビームの径よりも大きくなるように、偏向素子アレイを構成している。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１には、本発明の実施形態である立体画像表示装置の光学構成を示している。
【００２４】
図中の１はビーム走査ユニットである。このビーム走査ユニット１は、光源１ａと、光源１ａからの光束を指向性の高いビーム形状とするための光学系（図示せず）や、光ビームを偏向走査する走査デバイス１ｂや、この走査デバイス１ｂを所定のタイミングで駆動するとともに光源１を変調駆動する駆動回路（ビーム変調手段）１ｃを含んでおり、光ビームを定められた走査領域内で２次元方向に走査することができる。
【００２５】
また、ビーム走査ユニット１には、パーソナルコンピュータ、ビデオ、ＤＶＤプレーヤー等の画像情報供給装置１１が接続されている。ビーム走査ユニット１に内蔵された上記駆動回路は、画像情報供給装置１１から入力された、互いに視差を持った複数の画像情報に応じて光源から射出される光ビームの強度を変調する。光ビームを変調するタイミングについては後述する。
【００２６】
光源としては半導体レーザやＬＥＤなどが用いられ、これにビーム形成のためのレンズ等と、光ビームを高速に偏向走査できるポリゴンミラー，ガルバノミラー，ＡＯＭ（音響光学素子），ＭＥＭＳ（Microelectromechanical System）などのデバイスが組み合わされてビーム走査ユニット１が構成されている。
【００２７】
２は光ビームの方向を補正するための補正光学系であり、一般的にはｆθレンズが用いられる。
【００２８】
３は光ビームが装置内の所望の光路を辿るようにその方向を調整する役目を有するフィールド光学系である。
【００２９】
４はそれぞれが光ビームの偏向作用を有する偏向素子を複数設けた偏向素子アレイである。この偏向素子アレイ４は、光ビームの入射位置に応じて光ビームを偏向させる方向が異なる偏向素子４ａが周期的に並べられたものである。偏向素子アレイ４を構成する各偏向素子４ａは、図２に示すように、時間差を持って異なる位置に入射した複数の光ビームが同一の集光点Ｐに向かうように偏向させる作用を有する。このような偏向素子としては、ホログラムや回折格子などがある。また、図３に示すように、一般的なレンズ（凸レンズ）を偏向素子４ａとして使用してもよい。さらに、図４に示すように、焦点ＦＰを有する凹面ミラーを偏向素子４ａとして用いてもよい。
【００３０】
図５は偏向素子アレイ４の正面図である。本実施形態では、水平方向に４つの偏向素子４ａが並べられて１つの偏向素子列を形成し、この偏向素子列が垂直方向に４段設けられている。すなわち、偏向素子アレイ４は４つの偏向素子列（Ａ列，Ｂ列，Ｃ列，Ｄ列）が集まって形成され、計１６個の偏向素子Ａ１〜Ｄ４を有する。図中のＰＡ１，ＰＡ２，…ＰＤ４は、各偏向素子が形成する光ビームの集光点であり、画素に相当する。
【００３１】
但し、ここで説明する偏向素子アレイは模式的なものであり、実際には、例えば、水平方向に１０個の偏向素子４ａが並んだ偏向素子列が、垂直方向に１０段設けられ、計１００個の偏向素子４ａが設けられる。
【００３２】
前述した通り、ビーム走査ユニット１は光ビームを２次元的に走査する。その走査領域は、偏向素子アレイ４の全領域に一致する。例えば、ビームの走査の主走査方向が水平方向である場合、光ビームの入射位置はＡ列の偏向素子の最上部を水平方向に移動し、複数の偏向素子Ａ１〜Ａ４を横切る。このとき副走査方向は鉛直方向となり、光ビームの入射位置は水平走査のたびにビーム入射高さを順次変化させていき、最終的にはＤ列の偏向素子の最下部を水平方向に移動する。
【００３３】
このような走査は、テレビのブラウン管等における電子線のラスタースキャンのような手法によって実現することができる。
【００３４】
また、図５に示すように、本実施形態においては、４つの偏向素子列（Ａ列，Ｂ列，Ｃ列，Ｄ列）の各偏向素子列は、その偏向素子列を構成する偏向素子によって形成される集光点の水平方向位置が、他の偏向素子列を構成する偏向素子によって形成される集光点の水平方向位置とは重複しないように、他の偏向素子列に対して水平方向にシフトして配置されている。この配置についての詳しい説明は後述する。
【００３５】
なお、前述したように、偏向素子４ａとして凸レンズを使用した場合、偏向素子アレイ４は、図６に示すようなレンズアレイとなる。また、偏向素子４ａとして凹面ミラーを使用した場合、偏向素子アレイ４は、図７に示すようなミラーアレイとなる。
【００３６】
１０はリレー光学系であり、後述する垂直方向拡散部材５で拡散する光の成分や垂直方向拡散部材５を通過する光の水平成分を本装置の正面方向に存在する観察者６の方向に導く役割を有する。
【００３７】
垂直方向拡散部材５は、光ビームを垂直方向に拡散させる役割を有する光学素子であり、本実施形態では、垂直方向に極めて微小な周期構造を有するレンチキュラーレンズが用いられている。この周期構造はピッチが非常に細かく、光ビームの入射位置に関わらず、該光ビームをその水平方向についての指向性は不変のまま、垂直方向にのみ拡散させる。
【００３８】
次に、光ビームの水平成分の光路について図８を用いて説明する。図８は、本装置を、偏向素子アレイ４の複数段ある偏向素子列のうちＡ列の部分で水平方向にカットして上方から見た様子を示している。なお、他の偏向素子列の部分でカットした場合も同様である。
【００３９】
また、図８においては、偏向素子アレイ４として凸レンズアレイを使用している。図中の点線ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２は光ビームの光路を示しており、いずれも異なる時刻における光路である。また、図８においては、観察者６側から見て右側（図中の上側）を「右」とし、同様に左側（図中の下側）を「左」とする。
【００４０】
光ビームがａ１で示す光路を通るとき、この光ビームは偏向素子アレイ４の偏向素子Ａ２の右端付近に入射する。光ビームは偏向素子Ａ２によって左方向に偏向され、集光点ＰＡ２を通過してリレー光学系１０および垂直方向拡散部材５の左端付近に入射する。
【００４１】
一方、光ビームがａ２で示す光路を通るとき、この光ビームは偏向素子アレイ４の偏向素子Ａ２の左端付近に入射する。光ビームは偏向素子Ａ２によって右方向に偏向され、集光点ＰＡ２を通過してリレー光学系１０および垂直方向拡散部材５の右端付近に入射する。
【００４２】
偏向素子Ａ２上での光ビームの走査過程では、ａ１とａ２の間の光路も発生し得るため、本実施形態では、ａｌ→ａ２での光ビームの走査過程で集光点ＰＡ２を偏向中心とした垂直方向拡散部材５上を２次元的に走査するような光ビームの偏向走査を実現することができる。
【００４３】
同様にして、偏向素子Ａ１上での光ビームの走査過程で、光ビームがｂ１→ｂ２の光路を通るときも、集光点ＰＡ１を偏向中心とした垂直方向拡散部材５上での光ビームの偏向走査を実現することができる。
【００４４】
したがって、光ビームが偏向素子アレイ４に入射する位置に応じて、つまりは光ビームが入射する偏向素子が異なるごとに、ビーム走査ユニット１内の駆動回路１ｃによって光源１ａから射出される光ビームの強度を変調すれば、垂直方向拡散部材５上に互いに視差を持った１６個の２次元画像を形成することができる。
【００４５】
次に、観察者が位置すべき観察位置での光ビームの状態について説明する。垂直方向拡散部材５に到達した光ビームの垂直成分は拡散し、水平成分は素通し状態となる。ただし、リレー光学系１０の作用により、光はいずれも観察者の存在する方向に導かれる。特に、水平成分については、リレー光学系１０の結像作用により、集光点ＰＡ１は結像領域ＰＡ１’に、集光点ＰＡ２は結像領域ＰＡ２’にというように、各集光点は高いに水平方向にて異なる結像領域に空中結像する。
【００４６】
このような集光点の結像関係はＡ列の偏向素子列に限らず、すべての段の偏向素子列について成立する。ただし、前述したように、偏向素子アレイ４の段毎の集光点の水平方向位置が、互いに重複しないように配置されている。具体的には、図５に示すように、各偏向素子列内での集光点間の水平方向ピッチが△ＨＡであるとき、各偏向素子列の集光点は、他の偏向素子列の集光点に対して△Ｈだけ水平方向にシフトしている。この△Ｈは、△ＨＡ／（偏向素子列の段数）で決まる値となっており、これにより全集光点の水平方向間隔は等ピッチとなる。
【００４７】
なお、本実施形態では、上述した集光点の水平方向シフト量を得るために、各偏向素子列を他の偏向素子列に対してシフトさせているが、各偏向素子列における偏向素子４ａの形状を工夫することにより、各偏向素子列をシフトさせずに（つまり、垂直方向に揃えて並べて）、各偏向素子列の集光点のみが、他の偏向素子列の集光点に対してシフトさせることも可能である。
【００４８】
図５に示したような集光点の配置とリレー光学系１０および垂直方向拡散部材５の作用によりもたらされる、瞳結像状態を図示すると図９のようになる。
【００４９】
偏向素子Ａ１の集光点ＰＡ１は、リレー光学系１０の作用により結像領域ＰＡ１’に結像する。ここで、集光点ＰＡ１から射出した光ビームは垂直方向拡散板５の作用により垂直方向に拡散されるため、結像領域ＰＡ１’は、図９に示すように、垂直方向に細長い形状となる。また、偏向素子Ａ１の集光点ＰＡ１に対して水平方向にて最も近い偏向素子Ｂ１の集光点ＰＢ１は、リレー光学系１０の作用により、結像領域ＰＡ１’に隣り合う結像領域ＰＢ１’に結像する。この結像領域ＰＢ１’も、結像領域ＰＡ１’と同様に、垂直方向に細長い形状となる。他の集光点に対応する結像領域も、同様に垂直方向に細長い形状となる。
【００５０】
さらに、偏向素子Ｂ１の集光点ＰＢ１に対して水平方向にて最も近い偏向素子Ｃ１の集光点ＰＣ１は、結像領域ＰＢ１’に隣り合う結像領域ＰＣ１’に結像し、偏向素子Ｃ１の集光点ＰＣ１に対して水平方向にて最も近い偏向素子Ｄ１の集光点ＰＤ１は、結像領域ＰＣ１’に隣り合う結像領域ＰＤ１’に結像する。また、偏向素子Ｄ１の集光点ＰＤ１に対して集光点ＰＣ１以外で水平方向にて最も近い偏向素子Ａ２の集光点ＰＡ２は、結像領域ＰＤ１’に隣り合う結像領域ＰＡ２’に結像する。
【００５１】
このようにして、多数の垂直方向に細長い結像領域（つまりは瞳）がほぼ等ピッチで水平方向に並ぶことになる。例えば、偏向素子アレイ４に１００個の偏向素子４ａが設けられている場合、１００個の結像領域が水平方向に並ぶ。
【００５２】
次に、本実施形態において立体画像を再生する方法について説明する。前述した通り、光ビームは個々の集光点を偏向中心として偏向走査され、光ビームの時間的な強度変調を行うことにより、垂直方向拡散部材５上に２次元画像を形成することができる。このとき、図９からも分かるように、集光点ＰＡ１を中心として偏向走査された光ビームによって、、垂直方向拡散部材５上に形成される画像の全貌を観察するためには、観察者６の眼を観察領域（瞳）ＰＡ１’上に置いて垂直方向拡散部材５の方向を見る必要があり、その他の観察領域からはこの画像を観察することはできない．
同様にして、その他の集光点を中心として偏向走査された光ビームによって垂直方向拡散部材５上に形成される２次元画像の全貌を観察するためには、それぞれ対応する観察領域上に観察者６の眼を置いて垂直方向拡散部材５の方向を見る必要がある。言い換えれば、複数の異なる２次元画像を観察可能な位置がすべて水平方向に独立分離して存在していることになる。これは、立体画像の再生に利用できる性質である。
【００５３】
例えば、図１０に示すように、３次元物体を視点ＰＡｌ’，ＰＢｌ’，…を順に移動していくカメラで撮影し、それぞれの視点と関連づけられた視差画像の集合を形成して、上記光ビームで垂直方向拡散部材５上に形成される２次元画像として用いればよい。上記カメラで撮影された複数の視差画像の情報は、前述した画像情報供給装置１１に格納され、所定のタイミングでビーム走査ユニット１の駆動回路１ｃに供給される。駆動回路１ｃは、画像情報供給装置１１から入力された視差画像情報に基づいて、光ビームを走査する偏向素子４ａが異なるごとに異なる視差画像を表示させるよう、光源１ａから射出される光ビームの変調を行う。
【００５４】
集光点ＰＡ１を中心とした光ビームの走査で形成される画像としては視点ＰＡ１’で撮影した視差画像を、集光点ＰＢ１を中心とした光ビームの走査で形成される画像としては視点ＰＢ１’で撮影した視差画像を、…というように対応する視差画像を形成するべく光ビームの強度変調を行う。
【００５５】
それぞれの視差画像は、対応する観察領域からしか観察されないので、観察領域に応じた視差画像の分離表示が可能となり、観察者は両眼視差により立体視を行うことができる。但し、光ビームの走査および変調がきわめて高速に行われ、視差画像の表示はすべて観察者の眼でフリッカーが感じられない程度に高速に行われることが前提である。
【００５６】
さらにこのとき、隣り合う観察領域の間隔が、観察者の瞳孔径よりも小さければ、「超多眼領域」の立体表示が可能となり、観察者の眼の焦点調節が立体像近傍に導かれ、観察者の疲労や違和感が軽減される。本実施形態では、この条件を満たすために、各観察領域の水平幅を一般の観察者の瞳孔径に基づいて２ｍｍ以下となるよう光学系を最適化し、さらに隣り合う観察領域間の間隔もまた２ｍｍ以下となるよう設定する。
【００５７】
前述したように、従来の立体画像表示装置（図２０参照）において「超多眼領域」の立体表示を行おうとする場合に画像の解像度を高くしようとすると、円筒レンズアレイ１１９のピッチを小さくする必要があるが、これにより、図２２に示すように、焦点ＦＰを通過した後のビームが拡がり、観察位置では単眼よりも広い水平幅を有するビームとなってしまうことにより、「超多眼領域」の立体表示が不可能となってしまう。
【００５８】
しかし、本実施形態の立体画像表示装置によれば、このような問題は解決する。本実施形態では、図５に示すように、偏向素子アレイ４において、偏向素子４ａを水平方向と垂直方向の両方向に分割配置することにより、偏向素子４ａの水平方向配置数（４個）よりも多い数（１６領域）の観察領域を形成するようにしている。これにより、多くの観察領域数を確保した上で１個の偏向素子４ａの水平方向幅（つまりは偏向素子４ａ間の水平方向ピッチ）を広くとることができる。
【００５９】
例えば、水平方向幅が１００ｍｍである偏向素子アレイ４に１００個の偏向素子を配置して１００個の集光点を形成する場合、従来の方法では、各偏向素子の水平幅は１ｍｍになるのに対し、本実施形態によれば、偏向素子を水平方向に１０個、垂直方向に１０段設けることにより、各偏向素子４ａの水平方向幅を１０ｍｍとすることができる。
【００６０】
これにより、例えば凸レンズで偏向素子４ａを構成した場合、光ビームの径に対する偏向素子の大きさを大きくすることができ、図２２で示したような不都合を避けることが可能となる。
【００６１】
また、本実施形態においては、集光点ＰＡ１，ＰＢ１，…がそれぞれすべて観察領域ＰＡ１’，ＰＢ１’…にて瞳となって空中結像することを前提として説明をしてきたが、「超多眼領域」の立体表示を行う場合は、光ビームが水平方向に拡がることなく指向性を持ったまま観察者の瞳孔に入射し、かつ集光点通過後の光線が観察者の単眼に複数入射する状況であれば、必ずしも瞳の結像が成立していなくても立体画像再生は可能である。図１１および図１２を用いてこのことを説明する。
【００６２】
図１１には、集光点が観察領域に瞳となって結像している場合の立体画像再生の様子を示している。２次元画像を形成した後の光線（水平方向には拡がっていないが、垂直方向には拡がっている）は、観察領域ＰＡ１’，ＰＢ１’に収束するように到達している。このときに再生される立体画像は、図示したように、平面視での光線の交点（実際には光線ごとに時間差を持っているので、観察者は残像効果により交点として認識できる）の集合として表現される。上述したように、観察領域ＰＡ１’とＰＢ１’の間隔は十分に小さく、観察者の瞳孔径以下なので、観察者は単眼のみでこれらの交点を認識することができる。
【００６３】
一方、図１２には、集光点が観察領域に瞳となって結像していない場合の立体画像再生の様子を示している。結像しない原因としてはリレー光学系１０の収差がある。しかし、２次元画像を形成した後の光線の出射方向さえ正しく定めれば、図示したように、光線の交点を正しく立体画像位置に形成することが可能である。このときの２次元画像の内容は図１１とは異なるが、リレー光学系１０を通る光線の挙動さえ把握しておけば、適当な２次元画像を形成することができる。
【００６４】
そして、上記交点を形成した後の光線が観察者の単眼に複数本入射すれば、観察者は単眼のみでもこれら交点を認識することができる。つまり、集光点の像が瞳として正しく結像していなくても、光線が水平方向に拡がったりせずに指向性を持ったまま観察者の瞳に入射し、かつ交点形成後の光線が観察者の単眼に複数入射する状況であれば、観察者は「超多眼領域」の立体画像を認識することが可能である。
【００６５】
なお，本実施形態においては、図１０に示したように、移動カメラによる多視点画像入力で視差画像を形成する場合について説明したが、各視点に配置した複数のカメラを用いて一度に複数の視差を持った２次元画像を撮影入力してもよいし、コンピューターグラフィックを用いて仮想的なカメラで人工的に複数の視差を持った２次元画像を取得してもよい。
【００６６】
次に、本実施形態の構成部材について変更が可能であることについて説明する。まず、リレー光学系１０は、本実施形態では凸レンズで構成したが、図１３に示すように、凹面ミラー１０’などの反射光学素子を用いることもできる。この場合、垂直方向拡散部材５’は凹面ミラー１０’に沿って曲面形状に形成する。なお、図１３では、フィールド光学系３から光源側の部材および光路を省略して示している。
【００６７】
ただし、この場合は、垂直方向拡散部材５’を凹面ミラー１０’の前に配置すると、垂直方向拡散部材５’を光線が２度通過することになり、ぼけが発生してしまう。このため、図１４に示すように，凹面ミラー１０’の表面に垂直方向の微細な凹凸またはレンチキュラレンズの周期構造を形成し、凹面ミラー１０’の表面上で光線を垂直方向に拡散させるようにするとよい。
【００６８】
また、反射光学素子を使用することにより、再生される立体画像の形成領域と光ビーム走査ユニット１などの主要部品の配置領域とが干渉しやすいので、フロントプロジェクターシステムのように、垂直方向について偏心した光学配置とすることが望ましい。
【００６９】
さらに、偏向素子アレイ４についてもいくつかのバリエーションが考えられる。例えば、図１５に示すように、上記実施形態におけるフィールド光学系３と偏向素子アレイ４とを一体化したハイブリット偏向素子アレイ４’を用いることが可能である。ハイブリット偏向素子アレイ４’を用いることで、部品数を減らし、組立時の位置決め精度を高めることができる。
【００７０】
また、偏向素子アレイ４を凹面ミラー等の反射光学素子で構成することも可能である。この場合は、図７に示すような凹面ミラーアレイ４を用いることになる。この凹面ミラーアレイ４についてもフィールド光学系３の役目を持たせて１つの光学部材として一体化することができる。この場合は、図１６に示すように、凹面ミラーアレイに全体的な凹面形状をもたせた複合凹面ミラーアレイ４”を用いる。この複合凹面ミラーアレイ４”は、例えば図１７に示すように、曲率中心Ｏａを中心とした半径Ｒａの凹面ミラーと、曲率中心Ｏｂを中心とした半径Ｒｂ（＜Ｒａ）の凹面ミラーとを合成したような構成とする。
【００７１】
上記実施形態に示したように透過型の光学系では、光学系の厚みが大きくなるなどの問題で、再生する立体画像を大きくしようとすると装置が大型化してしまうが、上記のような反射光学系を用いることにより、装置の小型化を図りつつ、再生する立体画像の大型化が可能である。また、反射光学系を用いることにより、色収差の発生も抑えることができる。
【００７２】
また、上記実施形態では、単色の光ビームを走査して単色画像を形成する場合について説明したが、Ｒ，Ｇ，Ｂ３色の光ビームを走査してフルカラー画像を形成するようにしてもよい。
【００７３】
さらに、以上説明した各実施形態は、以下に示す各発明を実施した場合の一例であり、下記の各発明は上記各実施形態に様々な変更や改良が加えられて実施されるものである。
【００７４】
〔発明１〕光源からの光ビームを走査するビーム走査手段と、
前記ビーム走査手段により走査されて異なる位置に入射した光ビームを１つの集光点に向かうように偏向する偏向素子が、複数設けられた偏向素子アレイと、
前記光ビームを、入射する偏向素子が異なるごとに視差を持った画像を表示するよう変調するビーム変調手段とを有し、
前記偏向素子アレイにおいて、前記複数の偏向素子が、水平方向において前記集光点が前記偏向素子の水平方向での配置数よりも多い数形成されるように配置されていることを特徴とする立体画像表示装置。
【００７５】
〔発明２〕前記偏向素子アレイに、水平方向に複数配置された前記偏向素子の列が垂直方向に複数段設けられており、
前記各偏向素子列を構成する偏向素子により形成される前記集光点の水平方向位置が、他の偏向素子列を構成する偏向素子により形成される前記集光点の水平方向位置に対してシフトしていることを特徴とする発明１に記載の立体画像表示装置。
【００７６】
発明２によれば、最小の数の光源で多くの観察位置を得ることができるとともに、各偏向素子の水平方向幅を十分に確保して観察位置に到達する光束の水平幅が拡がらないように抑制することができ、「超多眼領域」の立体表示に好適である。
【００７７】
〔発明３〕前記各偏向素子列を構成する偏向素子により形成される前記集光点の水平方向位置が、前記集光点の水平方向の配置ピッチよりも小さい量、他の偏向素子列を構成する偏向素子により形成される前記集光点の水平方向位置に対してシフトしていることを特徴とする発明２に記載の立体画像表示装置。
【００７８】
発明３によれば、画素に相当する集光点の水平方向ピッチを細密化することができ、立体画像の水平方向解像度を上げることができる。これにより、「超多眼領域」の立体表示が可能となる。
【００７９】
〔発明４〕前記各偏向素子列が他の偏向素子列に対して水平方向にシフトしていることを特徴とする発明２又は３に記載の立体画像表示装置。
【００８０】
〔発明５〕前記各偏向素子が凸レンズで構成されていることを特徴とする発明１から４のいずれかに記載の立体画像表示装置。
【００８１】
〔発明６〕前記各偏向素子が凹面ミラーで構成されていることを特徴とする発明１から４のいずれかに記載の立体画像表示装置。
【００８２】
〔発明７〕前記各偏向素子が回折光学素子で構成されていることを特徴とする発明１から４のいずれかに記載の立体画像表示装置。
【００８３】
〔発明８〕前記各集光点からの光ビームをそれぞれ異なる観察領域に向かわせる光学系を有することを特徴とする発明１から７のいずれかに記載の立体画像表示装置。
【００８４】
〔発明９〕前記各集光点からの光ビームを垂直方向に拡散させる光拡散手段を有することを特徴とする発明１から８のいずれかに記載の立体画像表示装置。
【００８５】
〔発明１０〕発明１から９のいずれかに記載の立体画像表示装置と、この立体画像表示装置に、前記光ビームによって表示される、互いに視差を持った複数の画像情報を供給する画像情報供給装置とを有することを特徴とする立体画像表示システム。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、最小の光源数で、立体画像を観察可能な位置を増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である立体画像表示装置の構成を示す斜視図。
【図２】上記立体画像表示装置に用いられる偏向素子アレイの偏向素子の作用を示す説明図。
【図３】上記立体画像表示装置に用いられる偏向素子アレイの偏向素子（凸レンズ）の作用を示す説明図。
【図４】上記立体画像表示装置に用いられる偏向素子アレイの偏向素子（凹面ミラー）の作用を示す説明図。
【図５】上記偏向素子アレイの正面図。
【図６】上記偏向素子（凸レンズ）アレイの斜視図。
【図７】上記偏向素子（凹面ミラー）アレイの斜視図。
【図８】上記立体画像表示装置における光学作用を示す平面図。
【図９】上記立体画像表示装置における偏向素子アレイにより形成される集光点と観察領域とを示す概念図。
【図１０】上記立体画像表示装置により表示される視差画像の取得を説明する図。
【図１１】上記集光点からの光ビームが観察領域で結像する様子を示す図。
【図１２】上記集光点からの光ビームが観察領域で結像していない様子を示す図。
【図１３】上記立体画像表示装置の変形例を示す図。
【図１４】図１３の変形例に用いられる光学部材を説明する図。
【図１５】上記立体画像表示装置の変形例を示す図。
【図１６】上記立体画像表示装置の変形例を示す図。
【図１７】図１６の変形例に用いられる偏向素子アレイを説明する図。
【図１８】従来の立体画像表示装置の説明図。
【図１９】図１８の立体画像表示装置に用いられる光源アレイを説明する図。
【図２０】従来の立体画像表示装置の説明図。
【図２１】図２０の立体画像表示装置の光学作用を説明する図。
【図２２】図２０の立体画像表示装置において偏向素子が小さくなった場合の不都合を説明する図。
【符号の説明】
１ビーム走査ユニット
２補正光学系
３フィールド光学系
４，４’，４” 偏向素子アレイ
４ａ偏向素子
５，５’ 垂直方向拡散部材
６観察者
１０，１０’ リレー光学系
Ｐ，ＰＡ１〜ＰＤ４集光点
ＰＡ１’〜ＰＤ４’ 観察領域

Claims

光源からの光ビームを走査するビーム走査手段と、
前記ビーム走査手段により走査されて異なる位置に入射した光ビームを１つの集光点に向かうように偏向する偏向素子が、複数設けられた偏向素子アレイと、
前記光ビームを、入射する偏向素子が異なるごとに互いに異なる視差を持った視差画像を表示するよう変調するビーム変調手段とを有し、
前記偏向素子アレイにおいて、前記複数の偏向素子は、水平方向において前記集光点が前記偏向素子の水平方向での配置数よりも多い数形成されるように配置されており、
かつ、第１の視差画像が表示される第１観察領域における水平方向の幅、前記第１観察領域に対して水平方向で隣り合い、第２の視差画像が表示される第２観察領域における水平方向の幅、及び前記第１観察領域と前記第２観察領域との水平方向の間隔が、それぞれ２ｍｍ以下となり、前記各偏向素子が前記光ビームの径よりも大きくなるように、前記偏向素子アレイが構成されていることを特徴とする立体画像表示装置。
前記偏向素子アレイに、水平方向に複数配置された前記偏向素子の列が垂直方向に複数段設けられており、
各偏向素子列を構成する偏向素子により形成される前記集光点の水平方向位置が、他の偏向素子列を構成する偏向素子により形成される前記集光点の水平方向位置に対してシフトしていることを特徴とする請求項１に記載の立体画像表示装置。
前記各偏向素子列を構成する偏向素子により形成される前記集光点の水平方向位置が、前記集光点の水平方向の配置ピッチよりも小さい量だけ、他の偏向素子列を構成する偏向素子により形成される前記集光点の水平方向位置に対してシフトしていることを特徴とする請求項２に記載の立体画像表示装置。
前記各偏向素子列が他の偏向素子列に対して水平方向にシフトしていることを特徴とする請求項２又は３に記載の立体画像表示装置。
前記各偏向素子が凸レンズで構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の立体画像表示装置。
前記各偏向素子が凹面ミラーで構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の立体画像表示装置。
前記各偏向素子が回折光学素子で構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の立体画像表示装置。
前記各集光点からの光ビームをそれぞれ異なる観察領域に向かわせる光学系を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の立体画像表示装置。
前記各集光点からの光ビームを垂直方向に拡散させる光拡散手段を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の立体画像表示装置。
請求項１から９のいずれか１つに記載の立体画像表示装置と、
この立体画像表示装置に、前記光ビームによって表示される、互いに視差を持った複数の画像情報を供給する画像情報供給装置とを有することを特徴とする立体画像表示システム。