JP4283339B2 - 立体画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は高品質、広視野な画像を表示できる立体画像表示装置に関する。

通常、ディスプレイや印刷物は平面上に配置された複数の画素から構成されているが、工夫をすることで立体的な情報（立体画像）として観察者に認識させることが可能であり、これにより臨場感や認識精度を向上させることができる。観察者は比較的近い場所にある物体の立体感を、右目と左目で見える画像の違いにより認識する。この右目と左目で見える画像の違いは立体視差と呼ばれる。従来からこの特性を利用し、右目及び左目に視点が異なる２つの画像（立体視差のある画像）をそれぞれ投影することにより、観察者に立体画像として認識させる各種の立体画像表示装置が提案されている。

しかしながら、立体画像表示装置を普及させるためには、鑑賞する際に不便でなく、長時間見ても疲労がないことが求められる。したがって、メガネなどの特殊な器具を用いる方法は特殊用途を除いて採用が難しい。これらの器具を用いずに立体画像を表示するためには、右目及び左目に異なる画像を見せるように工夫する必要がある。

図１０は、画像と観察者との位置関係を説明する斜視図である。８０は立体画像の表示画面であり、これはＹＺ平面上にある。観察者は、Ｘ軸方向に離れた鑑賞位置８１から表示画面８０を見る。８１ａ，８１ｂはそれぞれ観察者の右目及び左目の位置を示し、これらはＸＹ平面上にある。右目８１ａと左目８１ｂとでは表示画面８０を見る角度（視線角度）が異なる。従って、この視線角度の違いを利用して右目８１ａ及び左目８１ｂに対して異なる画像を表示することができれば、観察者は表示画面８０に表示された画像を立体画像として認識することができる。

図１１は、パララックスバリア方式による立体画像表示の原理を説明する図である。左右の目８１ａ，８１ｂの配置方向（Ｙ軸と平行な方向）に垂直な方向（Ｚ軸と平行な方向）に延びる多数の細いスリット（隙間）が形成された遮光バリア９０が、画面９１の前に配置されている。遮光バリア９０のスリットを介して、右目８１ａは画面９１のストライプＲのみを観察し、左目８１ｂは画像９１のストライプＬのみを観察する。そこで、ストライプＲに右目で見た画像をストライプ状に分割して配置し、ストライプＬに左目で見た画像をストライプ状に分割して配置すれば、左右の目８１ａ，８１ｂに立体視差のある画像を見せることができる。この方式は、遮光バリア９０により画像が暗くなるという問題がある。

この問題を解消する方式としてレンチキュラーレンズアレイを用いる方式が提案されており、これを図１２を用いて説明する。多数の円筒状のレンズ（レンチキュラーレンズ）をＺ軸と平行に並べたレンチキュラーレンズアレイ１００が、画面１０１の前に配置されている。Ｙ軸と平行な方向に配置された左右の目でレンチキュラーレンズアレイ１００を介して画面１０１を観察すると、左右の目は画面１０１上の異なる位置を観察する。従って、右目が見る位置に右目で見た画像をストライプ状に分割して配置し、左目が見る位置に左目で見た画像をストライプ状に分割して配置すれば、左右の目に立体視差のある画像を見せることができる。

パララックスバリア方式及びレンチキュラーレンズアレイ方式では、Ｙ軸方向における観察位置が制限されるという問題があるが、遮光バリア９０の１つのスリット又は１つのレンチキュラーレンズに対して多数の視点における画像を配置して、多数の視線角度に対応させることにより、この問題を緩和することが可能である。例えば、図１２に示すように、１つのレンチキュラーレンズに対して３つの視点における画像をストライプ状に分割して配置すると、眼球１０２ａは画面１０１のストライプＡのみを観察し、眼球１０２ｂは画面１０１のストライプＢのみを観察し、眼球１０２ｃは画面１０１のストライプＣのみを観察する。

この多数の視点における画像を用いる方法は、画面に対して左右の目が水平方向（Ｙ軸方向）に移動することには対応できるが、画面に対して左右の目がＸ軸回りに回転することには対応できず立体画像を表示することができない。

画像に対して左右の目が回転した場合でも立体画像を観察できる方法としてインテグラルフォトグラフィ方式が知られている。この方式では図１３に示すような微小なレンズ（マイクロレンズ）１１０を縦横方向に並べたマイクロレンズアレイが用いられる。マイクロレンズ１１０としてあらゆる方向に集光効果を有する円形レンズやフライアイレンズなどが用いられるので、全ての方向において、視線角度が異なれば異なる画像が見えるように構成できる。このようなマイクロレンズアレイを用いることにより、あたかも対象物が空間的に存在するかのように光線の再現を行うことができ、且つ、視線が回転した場合でも立体画像を表示することができる。このように、インテグラルフォトグラフィ方式は、立体画像に対する鑑賞位置の制約を改善できる。

特許文献１には、このようなインテグラルフォトグラフィ方式による立体画像表示装置に用いられるレンズアレイが開示されている。具体的には、レンズアレイを構成する各レンズ形状を非球面とすることで球面収差を低減し、各レンズのＦナンバーを大きくし且つレンズ周辺での光線の屈折角を小さくすることでレンズ収差を小さくし、これらの結果、立体画像の解像度劣化を抑制できることが開示されている。

一方、特許文献２にはレンチキュラーレンズアレイと、液晶などの電気光学効果を有する材料とを組み合わることで、２次元画像と立体画像との切り替えが可能な表示装置が開示されている。図１４はこの表示装置のレンチキュラーレンズアレイの一部分の概略構造を示した断面図である。透明ポリマー材料を成形して互いに平行な複数の円筒凹面が形成されたレンチキュラーレンズアレイ１２０と、透明な板１２３とが対向して配置されている。レンチキュラーレンズアレイ１２０の板１２３側の面（複数の円筒凹面が形成された面）には透明電極層１２１ａが形成されており、板１２３のレンチキュラーレンズアレイ１２０側の面には透明電極層１２１ｂが形成されている。そして、レンチキュラーレンズアレイ１２０と板１２３との間の空間は液晶材料１２２で満たされている。透明電極１２１ａ，１２１ｂ間に印加する電位差をオン／オフに切り替えることにより、レンチキュラーレンズアレイ１２０のレンズ作用を切り替えることができる。例えば、液晶材料１２２の屈折率とレンチキュラーレンズアレイ１２０の屈折率とが、“オフ”モードのときに同じになり、“オン”モードのときに異なるようにレンチキュラーレンズアレイ１２０の材料と液晶材料５６を選択する。この場合、“オフ”モードでは、レンチキュラーレンズアレイ１２０のレンズ作用が除去され、レンチキュラーレンズアレイ１２０及び液晶材料１２２の部分は単なる透明シートとして機能するので、通常の２次元の画像表示を行うことができる。一方、“オン”モードでは、液晶材料１２２とレンチキュラーレンズアレイ１２０との間に屈折率に差が生じ、レンズ作用が発生する。従って、レンチキュラーレンズに隣接する画素（図示せず）からの光が所定の方向に指向されるので、立体画像表示を行うことができる。

通常、レンチキュラーレンズアレイを用いた立体画像表示装置で２次元画像を表示するとその解像度が劣化する。ところが、図１４のレンチキュラーレンズアレイを用いた表示装置では、２次元画像を表示したときにレンチキュラーレンズアレイによる解像度の低下がない。また、表示画面を複数の領域に分割して異なる領域に２次元画像と立体画像とを同時に映すことが可能になる。
特開２００５−１８２０７３号公報 特表２０００−５０３４２４号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたマイクロレンズアレイおよび特許文献２に開示されたレンチキュラーレンズアレイでは、レンズを構成する２つの材料の屈折率の差による光の屈折効果を利用するので、材料の屈折率の波長依存性に起因する色収差が発生する。実用できる樹脂材料のアッベ数は大きいものでも５０〜６０程度であるので、１枚の屈折レンズのみでは色収差をなくすことは不可能である。従って、赤、緑、青の各色の光線の軌道にずれが生じ、上記のいずれの表示方式においても表示された立体画像において色ずれに伴う解像度の劣化が避けられない。

また、このような１枚の屈折レンズには、レンズの光軸に平行に入る光線の結像位置に対して、斜めに入る光線の結像位置がレンズに近い位置になる現象、いわゆる像面湾曲収差が存在する。図１２において、画面１０１の正面に対して左寄りの眼球１０２ｃに着目すると、眼球１０２ｃと画面１０１の最も右側の部分とを結ぶ光線１０３Ｒは、この光線１０３Ｒが通過するレンチキュラーレンズ１０４Ｒの光軸に対して非常に大きな角度をなしている。従って、この光線１０３Ｒの結像位置は、ストライプＣの表面よりもレンチキュラーレンズ１０４Ｒに近い位置にずれる。即ち、画面１０１の右側部分で画像のぼけが生じる。

特許文献１では、レンズのＦナンバーを大きくし、レンズ周辺での光線の屈折角を小さくすることで、球面収差、非点収差、コマ収差などの低減している。しかしながら、Ｆナンバーを大きくすると必然的に表示画像が暗くなるという問題が生じる。また、レンズ周辺での光線の屈折角を小さくすることにより、立体画像を良好に鑑賞できる角度範囲、いわゆる視野角が狭くなるという問題が生じる。

以上のように、従来の立体画像表示装置においては、レンズに起因する問題により、画像の解像度、画像の視野角、画像の明るさを同時に満足することが困難であった。

本発明は、画像の解像度、画像の視野角、画像の明るさを備えた立体画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の立体画像表示装置は、視点が異なる複数の原画像が合成されてなる合成画像と、複数のレンズからなるレンズアレイと、前記合成画像と前記レンズアレイとの間に配置され、同一の回折格子単位が繰り返されてなる回折素子アレイとを備える。前記回折素子アレイの前記回折格子単位は、前記レンズと対向するように、前記レンズの配置ピッチと同一ピッチで、前記レンズの配置方向に繰り返して配置されている。前記回折素子アレイは、第１材料からなる層と第２材料からなる層とを有し、前記第１材料からなる層と前記第２材料からなる層との界面に形成された段差ｄのブレーズ回折格子形状を含む。前記第１材料の屈折率及び前記第２材料の屈折率を可視光領域の任意の波長λの関数としてそれぞれｎ１（λ）及びｎ２（λ）で表示したとき、前記段差ｄとλ／｜ｎ１（λ）−ｎ２（λ）｜とが略同一であることを特徴とする。

本発明の立体画像表示装置は、色収差に伴う画像の色ずれが少ないため、高解像度で、視野角が広く、かつ明るい画像を表示することができる。

上記の本発明の立体画像表示装置において、前記第１材料及び前記第２材料はいずれも樹脂を含み、前記第２材料は樹脂と無機粒子とを含むコンポジット材料からなり、ｎ１（λ）＜ｎ２（λ）を満足することが好ましい。第１材料及び第２材料が樹脂を含み、第２材料がコンポジット材料からなることにより、立体画像表示装置の加工性及び生産性を向上できる。また、曲げや撓みに強いフレキシブルな立体画像装置を提供できる。

前記第２材料は接着性を有する紫外線硬化樹脂を含むことが好ましい。これにより、回折素子アレイの形成や、立体画像表示装置の組立が容易になる。

前記第１材料からなる層の一方の面に前記レンズアレイが形成され、他方の面に前記ブレーズ回折格子形状が形成されていることが好ましい。これにより、立体画像表示装置の部品点数と組立工数とを削減できる。

前記第１材料からなる層は、熱可塑性材料又は紫外線硬化材料からなり、金型を用いて成形されることが好ましい。これにより、レンズアレイを構成するレンズとブレーズ回折格子形状との位置精度が向上し、組立精度が向上する。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態１に係る立体画像表示装置の概略構成を図１に示す。１０は視点が異なる複数の原画像が合成されてなる画像表示部、１１は回折素子アレイ、１２はレンチキュラーレンズアレイである。図１では各要素が分離して記載されているが、それらの一部又は全てが密着していても良く、あるいは所定の間隔で離間していても良い。各要素の配置に応じてレンチキュラーレンズアレイ１２の形状や回折素子アレイ１１の形状を最適化すればよい。図示したように、画像表示部に平行な鉛直方向軸及び水平方向軸をそれぞれＺ軸及びＹ軸とし、Ｚ軸及びＹ軸に直交する軸をＸ軸とする。図１において、回折素子アレイ１１上に記載されたＺ軸と平行な複数本の縦線は、ブレーズ回折格子形状の段差が存在する位置を簡略化して示したものである。

図２は本実施の形態１の立体画像表示装置のＸＹ面と平行な面に沿った部分拡大断面図である。図２では、画像表示部１０、回折素子アレイ１１、レンチキュラーレンズアレイ１２が密着した立体画像表示装置の断面図を示している。本実施の形態１の立体画像表示装置は、Ｚ軸方向のどの位置でも同様の断面構造を有している。

画像表示部１０の上に、回折素子アレイ１１及びレンチキュラーレンズアレイ１２がこの順に配置されている。

レンチキュラーレンズアレイ１２の回折素子アレイ１１とは反対側の面には、その長手方向がＺ軸と平行である略円筒凸面からなるレンチキュラレンズ１２ａが、Ｙ軸方向に互いに密着して形成されている。

回折素子アレイ１１は、画像表示部１０側の基材１１ａと、レンチキュラーレンズアレイ１２側の被覆層１１ｂとからなる。基材１１ａは、第１材料からなり、そのレンチキュラーレンズアレイ１２側の表面に段差ｄのブレーズ回折格子形状が形成されている。被覆層１１ｂは、第２材料からなり、基材１１ａのブレーズ回折格子形状を覆うように基材１１ａに密着している。回折素子アレイ１１の画像表示部１０側の面とレンチキュラーレンズアレイ１２側の面とはいずれも平面であり且つ互いに平行である。

基材１１ａと被覆層１１ｂとの界面に設けられたブレーズ回折格子形状は、Ｙ軸方向に繰り返される回折格子単位を含む。回折格子単位は、レンチキュラーレンズアレイ１２のレンチキュラーレンズ１２ａと対向するように、レンチキュラーレンズ１２ａのＹ軸方向の配置ピッチと同一ピッチでＹ軸方向に繰り返して配置されている。１つの回折格子単位内において、回折格子の段差のＹ軸方向の配置間隔は、レンチキュラーレンズ１２ａの光軸１９の近傍では広く、光軸１９から離れるにしたがって狭くなる。回折格子の段差（深さ）は、Ｙ軸方向の位置にかかわらずｄで一定である。

以下に、回折素子アレイ１１の作用について図面を用いながら詳細に説明を行う。

図３は、基材１３０の表面に形成されたブレーズ回折格子形状１３１を覆うように被覆層１３２が形成された回折素子の断面図である。基材１３０の屈折率はｎ１’（λ）、被覆層１３２の屈折率はｎ２’（λ）とする。ここでλは波長であり、ｎ１’（λ）、ｎ２’（λ）は屈折率が波長λの関数であることを示している。

回折現象によって光を曲げ集光し結像させる場合、加工のロバスト性が高く、回折効率をはじめとする諸特性の波長依存性が小さい１次回折光を用いることが多い。波長λに対して１次回折効率が理論的に１００％になる条件は、ブレーズ回折格子形状１３１の段差をｄとすると、次式（１）で表される。

ｄ＝λ／｜ｎ１'（λ）−ｎ２'（λ）｜ ・・・（１）
式（１）の右辺がある波長帯域で一定値ｄになれば、その波長帯域での１次回折効率が波長によらず１００％になる。この条件から大きく外れると１次回折光以外の不要な回折光が発生し、画像のコントラストや解像度が劣化する。例えば、図３において被覆層１３２がない場合はｎ２’（λ）＝１となるので、式（１）の右辺は波長λが変化すると一定にはならない。通常の光学材料は高屈折率かつ高分散材料、もしくは低屈折率かつ低分散材料である。このような材料を基材１３０及び被覆層１３２に用いると、１次回折効率は段差ｄによらず極めて低下する。従って、基材１３０のブレーズ回折格子形状１３１を式（１）の条件を満足しない被覆層１３２で覆った回折素子を図１及び図２の回折格子アレイ１１として使用すると、フルカラーの立体画像表示を行った場合に０次回折光や２次回折光等の不要回折光によりかえって画像の解像度が劣化してしまう。重要なのは式（１）をほぼ満足する回折素子アレイを使用することである。そのためには、可視域全域で式（１）がほぼ成立するように、高屈折率かつ低分散材料と低屈折率かつ高分散材料とを組み合わせて回折素子アレイ１１を構成すればよい。可視光領域の全域で式（１）が成立することが理想的であるが、式（１）がほぼ成立すれば実用上問題はない。具体的には、可視光領域の全域において、ｄ／（λ／｜ｎ１’（λ）−ｎ２’（λ）｜）が０．８以上１．２以下、更に０．９以上１．１以下であることが好ましい。

球面形状や非球面形状の屈折レンズとこのような回折素子とを組み合わせることのメリットの一つは色収差を低減できることである。

図３に示すように、回折格子の段差のピッチがＰである回折素子に、波長λの光が回折素子の法線と平行に入射するとき、式（２）を満足すれば、出射光は全て回折角θの１次回折光となる。

ｓｉｎθ ＝λ／Ｐ ・・・（２）
ただし、図３はｎ２’（λ）＞ｎ１’（λ）の場合を図示しており、ｎ２’（λ）＜ｎ１’（λ）の場合は回折方向が左右反転する。図２も、基材１１ａ及び被覆層１１ｂの屈折率の大小関係に応じてブレーズ回折形状の傾く方向を反転させる必要がある。

式（２）より、波長λが長くなるほど回折角θは大きくなることがわかる。これにより、ブレーズ回折格子により集光を行う場合、波長λが長くなるほど集光位置はブレーズ回折格子に近づく。

一方、材料の屈折率は波長が長いほど低下するため、屈折レンズにより集光を行う場合、波長が長くなるほど集光位置は屈折レンズから離れる。このことから屈折レンズとブレーズ回折格子とを併用すれば、波長の違いに対する集光位置の変化が相殺され、色収差を低減することが可能となる。

球面形状や非球面形状の屈折レンズと図３のような回折素子とを組み合わせることのもう一つのメリットは広角化ができることである。

図４は屈折レンズの１つであるレンチキュラーレンズ１４０による結像について説明する図である。レンズ１４０の光軸１４１に対して平行にレンズ１４０に入射する平行光線１４２の集光位置に対して、レンズ１４０の光軸１４１に対して角度ωでレンズ１４０に入射する平行光線１４３の集光位置は、光軸１４１方向にδだけレンズ１４０側にずれる。入射角ωが変わると、集光位置は結像面１４５に沿って変化する。これはレンチキュラーレンズに限らず一般的な屈折レンズで発生する現象で、像面湾曲と呼ばれる。集光性が強いレンズほど像面湾曲は大きくなる傾向がある。このような特性をもつレンチキュラーレンズを備えたレンチキュラーレンズアレイを用いて図１２に示した立体画像表示を行うと、ボケが発生し画像の解像度が落ちる。特に視野角が拡大された画面を斜めから観察した場合に、表示画像の劣化度合いは顕著となる。

ところが、屈折レンズに集光性を有する回折素子を組み合わせた場合には、必要な集光機能の一部を回折素子に担わせることができるので、屈折レンズ単体の場合に比べて、屈折レンズに要求される集光機能は低くて済む。従って、図４の集光位置のずれ量δを小さくすることができる。即ち、像面湾曲を低減できる。これにより、Ｆナンバーを大きくしなくても低収差の光学系を実現することができるので、明るい画像表示装置を実現できる。

このように、本実施の形態１の立体画像表示装置は、上述の回折素子アレイ１１と、レンチキュラーレンズアレイ１２とを備えているので、高解像度で、視野角が広く、かつ明るい画像を表示することができる。

以下に本実施の形態１に対応する具体的な実施例を示す。

（実施例１）
複数の円筒状レンチキュラーレンズがＺ軸と平行に配置されたアクリル製のレンチキュラーレンズアレイ１２を用いた。レンチキュラーレンズのＹ軸方向の配置ピッチは２．５４ｍｍ（１／１０インチ）、焦点距離は４ｍｍであった。ＣＣＤカメラをＹ軸方向に２４ｍｍ間隔で１０個並べることにより、１０視点の位置から観察した画像を取り込み、合成して２次元画像を得た。この２次元画像をインクジェットプリンターで印刷し、画像表示部１０とした。その上に、回折素子アレイ１１とレンチキュラーレンズアレイ１２とを位置ずれがないように正確に配置し、立体画像表示装置を作成した。

回折素子アレイ１１は、片面に段差ｄが１５μｍのブレーズ回折格子形状が形成されたガラス製基材１１ａ（材料名：住田光学ガラス Ｋ−ＰＳＫ１００、ｄ線屈折率１．５９２、アッベ数６０．５）上に、ウレタンアクリレート系紫外線硬化樹脂（硬化後のｄ線屈折率１．５５５、アッベ数３８）からなる被覆層１１ｂを積層することにより作成した。本実施例１の回折素子アレイ１１においては、基材１１ａの材料（第１材料）であるガラスが高屈折率、低分散材料であり、被覆層１１ｂの材料（第２材料）である紫外線硬化樹脂が低屈折率、高分散材料であり、前記式（１）を可視光領域にてほぼ満足していた。可視光全域（波長４００〜７００ｎｍ）において１次回折効率は９６％以上であった。

紫外線硬化樹脂は接着性を有している。従って、紫外線硬化樹脂が硬化する前にレンチキュラーレンズアレイ１２とガラス製基材１１ａとを紫外線硬化樹脂を介して貼り合わせ、位置決めしてから紫外線硬化樹脂を硬化させた。これにより、硬化と同時にレンチキュラーレンズアレイ１２と回折素子アレイ１１との接着も行った。

このようにして作製した立体画像表示装置に対してＹ軸方向に視線を大きく動かしても、常に鮮明な立体画像を鑑賞することができた。

（実施例２）
複数の円筒状レンチキュラーレンズがＺ軸と平行に配置されたシクロオレフィン（日本ゼオン製ＺＥＯＮＥＸ４８０Ｒ）製のレンチキュラーレンズアレイ１２を用いた。レンチキュラーレンズのＹ軸方向の配置ピッチは２．５４ｍｍ（１／１０インチ）、焦点距離は４ｍｍであった。ＣＣＤカメラをＹ軸方向に２４ｍｍ間隔で１０個並べることにより、１０視点の位置から観察した画像を取り込み、合成して２次元画像を得た。この２次元画像をインクジェットプリンターで印刷し、画像表示部１０とした。その上に、回折素子アレイ１１とレンチキュラーレンズアレイ１２とを位置ずれがないように正確に配置し、立体画像表示装置を作成した。

回折素子アレイ１１の基材１１ａの材料（第１材料）として、ポリカーボネートを主成分とする樹脂と酸化亜鉛とを含む複合材料（ｄ線屈折率１．６８３、アッベ数１８．９、複合材料中の酸化亜鉛の含有率３０体積％、酸化亜鉛の平均粒径１０ｎｍ）を用い、片面に段差５．２μｍのブレーズ回折格子形状を形成した。

上記「ポリカーボネートを主成分とする樹脂」におけるポリカーボネートの含有率は９７重量％であった。但し、本発明はこれに限定されず、ポリカーボネートを９５重量％以上、更には９８重量％以上含むことが好ましい。また、主成分として含まれる樹脂として、本実施例２ではポリカーボネートを用いたが、所望の屈折率を有していればこれに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。また、本実施例２では無機粒子として酸化亜鉛を用いたが、所望の屈折率を有するものであればこれに限定されない。例えば、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化シリコン、酸化ニオブ、酸化セリウム、酸化インジウム、酸化スズ、酸化ハフニウム等の金属酸化物を用いることができる。

回折素子アレイ１１の被覆層１１ｂの材料（第２材料）として、シクロオレフィン系樹脂を主成分とする樹脂と酸化ジルコニウムとを含む複合材料（ｄ線屈折率１．７９６、アッベ数４１．９、複合材料中の酸化ジルコニウムの含有率５０体積％、酸化ジルコニウムの平均粒径１０ｎｍ）を用いた。この材料を基材１１ａのブレーズ回折格子形状が形成された面にバーコートによって塗布して被覆層１１ｂを形成した。

上記「シクロオレフィン系樹脂を主成分とする樹脂」におけるシクロオレフィン系樹脂の含有率は９２重量％であった。但し、本発明はこれに限定されず、シクロオレフィン系樹脂を９０重量％以上、更には９５重量％以上含むことが好ましい。また、主成分として含む樹脂として、本実施例２ではシクロオレフィン系樹脂を用いたが、所望の屈折率を有していればこれに限定されない。例えばポリエチレン、ポリスチレン等を用いてもよい。

本実施例２の回折素子アレイ１１においては、基材１１ａを構成する複合材料が低屈折率、高分散材料であり、薄膜層１１ｂを構成する複合材料が高屈折率、低分散材料であり、前記式（１）を可視光領域にてほぼ満足していた。

レンチキュラーレンズアレイ１２と回折素子アレイ１１とは所定厚みの紫外線硬化樹脂を介して貼り合わせた。

このようにして作製した立体画像表示装置に対してＹ軸方向に視線を大きく動かしても、常に鮮明な立体画像を鑑賞することができた。

本実施例２では回折素子アレイ１１およびレンチキュラーレンズアレイ１２がともに樹脂を主成分とする材料からなっているため、加工性がよく生産性を向上できる。また、曲げやたわみに強いフレキシブルな立体画像表示装置を実現できる。

（実施の形態２）
図５は本実施の形態２の立体画像表示装置のＸＹ面と平行な面に沿った部分拡大断面図である。本実施の形態２では、一方の面にレンチキュラレンズアレイが形成され、他方の面にブレーズ回折格子形状が形成された複合素子３１と、画像表示部１０とが、薄膜層３２を介して密着一体化されている。本実施の形態２の立体画像表示装置は、Ｚ軸方向のどの位置でも同様の断面構造を有している。

複合素子３１の前記一方の面に形成されたレンチキュラーレンズアレイには、その長手方向がＺ軸と平行である略円筒凸面からなるレンチキュラレンズ３１ａが、Ｙ軸方向に互いに密着して形成されている。

複合素子３１の前記他方の面（即ち画像表示部１０側の面）に形成されたブレーズ回折格子形状は、Ｙ軸方向に繰り返される回折格子単位からなる。回折格子単位は、レンチキュラーレンズアレイのレンチキュラーレンズ３１ａと対向するように、レンチキュラーレンズ３１ａのＹ軸方向の配置ピッチと同一ピッチでＹ軸方向に繰り返して配置されている。１つの回折格子単位内において、回折格子の段差のＹ軸方向の配置間隔は、レンチキュラーレンズ３１ａの光軸３９の近傍では広く、光軸３９から離れるにしたがって狭くなる。回折格子の段差（深さ）は、Ｙ軸方向の位置にかかわらずｄで一定である。

薄膜層３２は、複合素子３１のブレーズ回折格子形状を覆うように複合素子３１に密着している。複合素子３１は第１材料からなり、薄膜層３２は第２材料からなる。可視光領域において、第１材料と第２材料は前記式（１）をほぼ満足している。従って、複合素子３１と薄膜層３２との界面に形成された回折素子アレイは、実施の形態１で説明した回折素子アレイと同様の機能を有する。

図６は複合素子３１の製造における一工程を示した部分拡大断面図である。図６において４１，４２は射出成形の際に使用される樹脂金型を構成する上型及び下型である。複合素子３１を構成する第１材料として熱可塑性樹脂を用い、これを高温で溶融して液状にした後、型締めされた上型４１及び下型４２の間に射出する。樹脂より温度が低い上型４１及び下型４２により樹脂が複合素子３１の形状に成形され安定化され、冷却後、金型から取り出される。このような射出成形はレンズ製造方法として汎用されており、最も生産性が高く、高精度な形状を確保できる。上記において、複合素子３１を構成する第１材料として紫外線硬化樹脂を用いることもできる。この場合、紫外線を透過させる材料からなる上型４１及び下型４２を用いて紫外線硬化樹脂を硬化させれば良い。但し、複合素子３１の製造方法はこれに限るものではなく、例えば走行する長尺の材料の表面にローラーを用いて所望の形状を転写する方法（ロール成形）や、上下の金型に付与した形状を材料に転写する方法（プレス成形）などを用いることもできる。

本実施の形態２では、レンチキュラーレンズとブレーズ回折格子形状とが複合素子３１の表裏面にそれぞれ形成されている。従って、実施の形態１のように、レンチキュラーレンズとブレーズ回折格子形状とを別部品に形成する場合に比べて、部品点数及び組立工数を削減できる。また、レンチキュラーレンズとブレーズ回折格子形状との相対的な位置合わせが容易であり、組立精度が向上する。特に、図６において上型４１及び下型４２を枠型（図示せず）の中で位置合わせして射出成形すれば、一方の面のレンチキュラーレンズと他方の面のブレーズ回折格子形状との相対的位置精度を数μｍ以下の誤差で確保できる。従って、レンチキュラーレンズとブレーズ回折格子形状とを高精度に位置合わせすることができる。

本実施の形態２の立体画像表示装置は上記実施の形態１と全く同じ効果が得られ、従来のレンチキュラーレンズアレイを備えた立体画像表示装置において問題となっていた色収差と像面湾曲を低減し、高解像度で、視野角が広く、かつ明るい画像を表示することができる。

以下に本実施の形態２に対応する具体的な実施例を示す。

（実施例３）
一方の面に、複数の円筒状レンチキュラーレンズがＺ軸と平行に配置され、他方の面にブレーズ回折格子が形成されたポリカーボネート（ｄ線屈折率１．５８５、アッベ数２８）からなる複合素子３１を用いた。レンチキュラーレンズのＹ軸方向の配置ピッチは２．５４ｍｍ（１／１０インチ）、焦点距離は４ｍｍであった。ブレーズ回折素子の段差ｄは１５μｍであった。複合素子３１は、約２９０℃に加熱したポリカーボネート樹脂を温度１１０℃の金型内に射出し成形することで作成した。金型はバイトによる切削加工により作成した。

ＣＣＤカメラをＹ軸方向に２４ｍｍ間隔で１０個並べることにより、１０視点の位置から観察した画像を取り込み、合成して２次元画像を得た。この２次元画像をインクジェットプリンターで印刷し、画像表示部１０とした。画像表示部１０上に、薄膜層３２の材料として酸化ジルコニウムのナノ粒子を分散した紫外線硬化樹脂（硬化後のｄ線屈折率１．６２３、アッベ数４０）を付与し、この上に複合素子３１を画像表示部１０に対して位置ずれがないように正確に配置し、紫外線硬化樹脂を硬化させて立体画像表示装置を作成した。本実施例３においては、複合素子３１を構成する第１材料が低屈折率、高分散材料であり、薄膜層３２を構成する第２材料が高屈折率、低分散材料であり、前記式（１）を可視光領域にてほぼ満足していた。可視光全域（波長４００〜７００ｎｍ）において１次回折効率は９６％以上であった。

このようにして作製した立体画像表示装置に対してＹ軸方向に視線を大きく動かしても、常に立体画像として鮮明に鑑賞することができた。

（実施の形態３）
図７は本実施の形態３における立体画像表示装置を構成する電圧可変レンズアレイの部分拡大断面図である。第１透明基板５０の上に複合部材５３が積層されている。複合部材５３は、透明な第１材料からなる第１部材５１と、第１材料とは異なる第２材料からなる第２部材５２とを含む。第１部材５１の第１透明基板５０とは反対側の面には、Ｚ軸と平行な方向に延びる略円筒凹面からなるレンチキュラレンズがＹ軸方向に互いに密着して形成されたレンチキュラーレンズアレイが形成されている。各レンチキュラーレンズの表面にはブレーズ回折格子形状が形成されている。ブレーズ回折格子形状の溝は、第２材料からなる第２部材５２により埋められている。１つのレンチキュラーレンズにおいて、回折格子の段差のＹ軸方向の配置間隔は、レンチキュラーレンズの光軸５９の近傍では広く、光軸５９から離れるにしたがって狭くなる。回折格子の段差（深さ）は、Ｙ軸方向の位置にかかわらずｄで一定である。

第１透明基板５０の複合部材５３とは反対側に、所定の表示を行う表示素子（図示せず）が配置される。

可視光領域において、第１材料と第２材料とは前記式（１）をほぼ満足している。従って、第１部材５１と第２部材５２との界面に形成された回折素子アレイは、実施の形態１で説明した回折素子アレイと同様の機能を有する。

例えば、第１材料としてｄ線屈折率１．５８５、アッべ数２８のポリカーボネート、第２材料として酸化ジルコニウムのナノ粒子を分散した紫外線硬化樹脂（硬化後のｄ線屈折率１．６２３、アッベ数４０）を用い、ブレーズ回折格子の深さｄを１５μｍとしたとき可視光全域（波長４００〜７００ｎｍ）において１次回折効率は９６％以上である。

複合部材５３の第１透明基板５０とは反対側の面に、第２透明基板５４が対向している。複合部材５３及び第２透明基板５４の互いに対向する側の面には、それぞれ透明電極層５５ａ，５５ｂが形成されている。透明電極層５５ａと透明電極層５５ｂとの間の空間は液晶材料５６で満たされている。透明電極層５５ａと透明電極層５５ｂとの間の電位差を制御することにより、レンチキュラーレンズのレンズ作用を切り替えることができる。

液晶材料５６としては、例えば透明電極層５５ａと透明電極層５５ｂとの間に電位差を付与した場合（以下、この状態を「“オン”モード」という）にｄ線屈折率が１．７であり、透明電極層５５ａと透明電極層５５ｂとを同電位にした場合（以下、この状態を「“オフ”モード」という）にｄ線屈折率が１．５であるネマティック液晶を好ましく使用することができる。

液晶材料５６として上記のネマティック液晶を使用し、第１部材５１の材料としてｄ線屈折率１．５８５、アッべ数２８のポリカーボネートを使用した場合、“オフ”モードにおいては、液晶材料５６と第１部材５１とにより形成される屈折レンズは負の集光パワー（すなわち平行光を発散させる）を有する。一方、第１部材５１と第２部材５２との界面に形成されたブレーズ状回折格子による回折レンズは正の集光パワー（すなわち平行光を集束させる）を有する。従って、図７の電圧可変レンズアレイ全体は単なる透明な平行平板として機能し、観察者は、透明基板５０の下側に配された表示素子の表示をそのまま観察することができる。よって、“オフ”モードでは、表示素子に２次元画像を表示させることにより、本実施の形態の画像表示装置は通常の２次元画像表示装置として機能する。

一方、“オン”モードにおいては、液晶材料５６と第１部材５１との屈折率の大小関係が上記“オフ”モードと逆転し、液晶材料５６と第１部材５１とにより形成される屈折レンズは正の集光パワーを有する。これに、第１部材５１と第２部材５２との界面に形成されたブレーズ状回折格子による回折レンズの正の集光パワーが重畳される。従って、図７の電圧可変レンズアレイ全体は、正の集光パワーを有するレンズアレイとして機能する。よって、“オン”モードでは、透明基板５０の下側に配された表示素子に、視点が異なる複数の原画像が合成されてなる合成画像を表示させることにより、本実施の形態の画像表示装置は立体画像表示装置として機能する。

本実施の形態３の立体画像表示装置は上記実施の形態１，２と同様の効果が得られ、従来の液晶レンズを用いた立体画像表示装置にて問題となっていた色収差と像面湾曲を低減し、高解像度で、視野角が広く、かつ明るい画像を提供することができる。

図８Ａ〜図８Ｄは、図７に示した、内部に回折素子アレイを備えた電圧可変レンズアレイの製造方法を工程順に示した部分拡大断面図である。図８Ａ〜図８Ｄを用いて電圧可変レンズアレイの製造方法を説明する。

まず、図８Ａに示すように、第１透明基板５０上に第１部材５１を設ける。例えば、第１透明基板５０上に未硬化の第１材料を付与し、金型を押圧して第１材料の表面にレンチキュラーレンズ形状（略円筒凹面）とブレーズ回折格子形状溝を転写し、その後、第１材料を硬化させる。

次に、図８Ｂに示すように、第１部材５１のブレーズ回折格子形状溝に第２部材５２となる第２材料を充填する（埋め込む）。充填方法としては、例えば第１部材５１上に未硬化の第２材料を塗布後、スキージで余剰の第２材料を除去し、その後、第２材料を硬化させる方法を用いることができる。かくして、第１透明基板５０の上に複合部材５３が形成される。

第１材料及び第２材料としては、例えばポリカーボネート等の熱可塑性樹脂、アクリル系、エポキシ系、又はシリコン系などの紫外線硬化樹脂、あるいはこれらに無機材料を分散させたコンポジット材料などを用いることができる。第１材料及び第２材料は、可視光領域において前記式（１）をほぼ満足するように選択すれば良い。

次に、図８Ｃに示すように、複合部材５３上に透明電極層５５ａを形成し、更に液晶材料５６を塗布する。透明電極層５５ａとしては、例えばＩＴＯを主成分とした材料を用いることができる。液晶材料５６を塗布するに先立って透明電極層５５ａにラビング処理を行うことで、液晶材料５６の配向方向を制御する。

最後に、図８Ｄに示すように、片面に透明電極層５５ｂが形成された第２透明基板５４を、透明電極層５５ｂが液晶材料５６側になるようにして積層して、液晶材料５６を封止する。透明電極層５５ｂとしては、例えばＩＴＯを主成分とした材料を用いることができる。かくして、図７に示した電圧可変レンズアレイが完成する。

このように、本実施の形態３の立体画像表示装置を構成する電圧可変レンズアレイはブレーズ状回折格子からなる回折素子アレイを備えているが、従来の電圧可変レンズアレイとほとんど同様の製造方法で作成することができる。

図９に示すように、液晶材料５６と第２透明基板５４との間に、回折素子アレイが形成された第２複合部材７０を設けても良い。第２複合部材７０は、透明な第１材料からなる第１部材７１と、第１材料とは異なる第２材料からなる第２部材７２を含む。第１部材７１の第２透明基板５４とは反対側の面にはブレーズ回折格子形状が形成されている。ブレーズ回折格子形状の溝は、第２材料からなる第２部材７２により埋められている。１つのレンチキュラーレンズに対応する領域において、第２複合部材７０に形成された回折格子の段差のＹ軸方向の配置間隔は、レンチキュラーレンズの光軸５９の近傍では広く、光軸５９から離れるにしたがって狭くなる。透明電極層５５ｂは第２複合部材７０上に設けられている。このように、Ｘ軸方向に２層の回折素子アレイを配置することにより、更に良好な立体画像表示が可能になる。第１部材７１及び第２部材７２の材料及び第２複合部材７０の製造方法は、複合部材５３の場合と同様で良い。

図９では、Ｘ軸方向に２層の回折素子アレイを配置する例を示したが、Ｘ軸方向に３層以上の回折素子アレイを配置しても良い。

また、図９において、第１部材５１にはブレーズ回折格子形状を形成せず、回折素子アレイを第２複合部材７０のみに設けた電圧可変レンズアレイも使用することができる。この場合も、１層の回折素子アレイを備えるので図７に示した電圧可変レンズアレイと同様の効果を奏する。

以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。

本発明の立体画像表示装置は、色収差に伴う画像の色ずれが少ないため、高解像度で、視野角が広く、かつ明るい画像を表示することができる。このため、比較的小画面である携帯電話などの携帯機器用途から、大画面であるテレビ用途まで、立体画像表示が必要とされる各種表示装置に広範囲に利用でできる。また、動画用途のみならず、立体画像表示が要求される印刷物などの静止画用途にも利用することができる。

図１は、本発明の実施の形態１における立体画像表示装置の概略構成を示した斜視図である。 図２は、本発明の実施の形態１における立体画像表示装置の部分拡大断面図である。 図３は、ブレーズ回折格子形状が被覆層で覆われた回折素子の一部拡大断面図である。 図４は、レンチキュラーレンズに代表される屈折レンズの結像について説明する図である。 図５は、本発明の実施の形態２における立体画像表示装置の部分拡大断面図である。 図６は、本発明の実施の形態２における立体画像表示装置を構成する複合素子の製造における一工程を示した部分拡大断面図である。 図７は、本発明の実施の形態３における立体画像表示装置を構成する電圧可変レンズアレイの部分拡大断面図である。 図８Ａは、本発明の実施の形態３における立体画像表示装置を構成する電圧可変レンズアレイの製造方法の一工程を示す断面図である。 図８Ｂは、本発明の実施の形態３における立体画像表示装置を構成する電圧可変レンズアレイの製造方法の一工程を示す断面図である。 図８Ｃは、本発明の実施の形態３における立体画像表示装置を構成する電圧可変レンズアレイの製造方法の一工程を示す断面図である。 図８Ｄは、本発明の実施の形態３における立体画像表示装置を構成する電圧可変レンズアレイの製造方法の一工程を示す断面図である。 図９は、本発明の実施の形態３における立体画像表示装置を構成する別の電圧可変レンズアレイの部分拡大断面図である。 図１０は、従来の立体画像表示における画像と観察者との位置関係を説明する斜視図である。 図１１は、従来のパララックスバリア方式による立体画像表示を説明する図である。 図１２は、従来のレンチキュラーレンズ方式による立体画像表示を説明する図である。 図１３は、従来のインテグラルフォトグラフィ方式に用いられるマイクロレンズアレイを示す斜視図である。 図１４は、従来の液晶を用いたレンチキュラーレンズアレイの概略構造を示した部分拡大断面図である。

Claims (5)

1. 視点が異なる複数の原画像が合成されてなる合成画像と、複数のレンズからなるレンズアレイと、前記合成画像と前記レンズアレイとの間に配置され、同一の回折格子単位が繰り返されてなる回折素子アレイとを備えた立体画像表示装置であって、
   前記回折素子アレイの前記回折格子単位は、前記レンズと対向するように、前記レンズの配置ピッチと同一ピッチで、前記レンズの配置方向に繰り返して配置されており、
   前記回折素子アレイは、第１材料からなる層と第２材料からなる層とを有し、前記第１材料からなる層と前記第２材料からなる層との界面に形成された段差ｄのブレーズ回折格子形状を含み、
   前記第１材料の屈折率及び前記第２材料の屈折率を可視光領域の任意の波長λの関数としてそれぞれｎ１（λ）及びｎ２（λ）で表示したとき、前記段差ｄとλ／｜ｎ１（λ）−ｎ２（λ）｜とが略同一であることを特徴とする立体画像表示装置。
2. 前記第１材料及び前記第２材料はいずれも樹脂を含み、前記第２材料は樹脂と無機粒子とを含むコンポジット材料からなり、ｎ１（λ）＜ｎ２（λ）を満足する請求項１に記載の立体画像表示装置。
3. 前記第２材料は接着性を有する紫外線硬化樹脂を含む請求項２に記載の立体画像表示装置。
4. 前記第１材料からなる層の一方の面に前記レンズアレイが形成され、他方の面に前記ブレーズ回折格子形状が形成されている請求項１に記載の立体画像表示装置。
5. 前記第１材料からなる層は、熱可塑性材料又は紫外線硬化材料からなり、金型を用いて成形される請求項４に記載の立体画像表示装置。

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