JP4706967B2

JP4706967B2 - 三次元画像表示装置

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Publication number: JP4706967B2
Application number: JP2005358719A
Authority: JP
Inventors: 晃也末廣; 博哉中村
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2025-12-13
Also published as: JP2007163734A

Description

本発明は、プロジェクターを用いた三次元画像表示装置に係り、特に水平表示方向に目の瞳孔径よりも狭い間隔で多数の指向性画像を高密度で表示することにより、視覚疲労のない自然な三次元画像の表示を実現する、超多眼方式の投射型三次元画像表示装置に関する。

自然な三次元画像表示の実現に向けて、従来より様々な研究開発が続けられている。特に、視覚疲労の原因である輻輳と調節の不一致の問題を解決する超多眼立体表示の原理が例えば特許文献１や非特許文献１に示されており、これらの文献に基づいた研究開発が盛んに行われている。その中でも、水平方向に滑らかな運動視差が得られる実用的な観察範囲（視域）を有し、かつ輻輳と調節の不一致による疲労の生じない三次元画像表示を可能とする高密度指向性表示方式は、自然な三次元ディスプレイの実用化が近い将来に可能であることを示唆するものである。この高密度指向性表示方式の技術内容は例えば特許文献２や非特許文献２に詳しく開示されている。

以下、従来例として特許文献２を引用し、高密度指向性表示方式による三次元画像表示装置の概要を説明する。
図１０は、従来例における図２に記載された三次元画像表示装置の構成図（その１）を引用した図である。図１０（ａ）は三次元画像表示装置全体の模式図、図１０（ｂ）はその装置内の二次元画像表示装置アレイの平面図、図１０（ｃ）はその装置内のレンズアレイの平面図、図１０（ｄ）はその装置内の開口アレイの平面図である。また、図１１は従来例における図３に記載された三次元画像表示装置の構成図（その２）を引用した図である。図１１（ａ）は水平断面を示す模式図、図１１（ｂ）垂直断面を示す模式図である。なお、図１０及び図１１において同一の構成要素には同一の符号を付している。

図１０及び図１１において、１０は二次元画像表示装置アレイ、１１は二次元画像表示装置アレイ１０を構成する個々の二次元画像表示装置、１２はレンズアレイ、１３はレンズアレイ１２を構成する個々のレンズ、１４は開口アレイ、１５は開口アレイ１４を構成する個々の開口、１６は共有レンズ、１７は垂直方向拡散板、１８は共通像面、１９は光軸である。

この従来例は、リアプロジェクション型（背面投射型）の構成例であり、複数の視差画像を画面単位で多重化して表示するものである。すなわち、多数の結像系（アフォーカル系）を変形二次元配置、すなわち水平方向が一致しないように水平方向および垂直方向に二次元的に配置して、水平方向と垂直方向に表示方向が異なる複数の視差画像を発生させ、垂直方向拡散板１７（レンチキュラー板）により垂直表示方向の違いを解消するものである。すべての視差画像が異なる水平表示方向をもつように結像系を配置することで、水平方向に表示方向の異なる視差画像を結像系の数だけ高密度に発生させることができる。

上記従来例が開示される以前の多眼式立体表示装置では、たかだか１０視差程度の数の視差画像しか表示できなかったが、上記従来例によれば、視差画像の数を５０視差以上に増加させることができるようになった。その結果、単眼に複数の視差画像が入射する超多眼状態が実現され、輻輳調節矛盾の問題が解決されるとともに、滑らかな運動視差を有する質感の高い三次元画像表示が実現可能となった。
特開２００２−２５８２１５特許第３５７６５２１号通信放送機構編:"高度立体動画像通信プロジェクト最終成果報告書"(1997) 高木康博「６４眼式三次元カラーディスプレイとコンピューター合成した三次元物体の表示」３次元画像コンファレンス2002講演論文集、P85-88

しかしながら、上記従来例を用いて三次元画像表示装置を実用化するためには、なおいくつかの課題が残されている。以下に残課題を述べる。
第１の課題は、二次元画像表示装置アレイ１０を構成するために必要な個々の二次元画像表示装置１１が非常に多数必要になることである。

例えば、観察者が立体視可能な観察範囲（すなわち視域）が30度（全角）の範囲内で表示する場合に必要な個々の二次元画像表示装置１１の数を考えてみる。単眼に複数の視差画像が同時に入射する状態である超多眼状態を実現するためには、観察距離にもよるが、指向性画像の角度刻みを0.2〜0.4度程度にして高密度で表示する必要がある。したがって、この表示に必要な指向性画像の数は、角度刻みを0.3度とすると、30÷0.3＝100となり、100個の二次元画像表示装置１１が必要になる。

この二次元画像表示装置１１として、ＨＴＰＳ（High Temperature Poly-Silicon:高温ポリシリコンＴＦＴ液晶）に代表される透過型液晶や、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）と呼ばれる反射型液晶、あるいはＤＬＰ（Digital Light Processing：登録商標）などのマイクロディスプレイデバイス（Micro Display Device：ＭＤ）を用いれば、多数の二次元画像表示装置アレイ１０を構成することは可能である。しかし、このようなマイクロデバイス用いたとしても、各々のマイクロデバイス、つまり二次元画像表示装置１１にはそれぞれ照明光学系やドライブ回路、信号再生装置等が必要となるので３次元画像表示装置の装置規模が大きくなり、またコスト的にも不利となる。二次元画像表示装置１１の個数及び二次元画像表示装置アレイ１０のアレイ数はできるだけ少ない方が望ましい。

そこで、個々の二次元画像表示装置１１の表示領域を複数の小領域に分割し、これら分割した各小領域をそれぞれ二次元画像表示画面とすることで、二次元画像表示装置１１の個数及び二次元画像表示装置アレイ１０のアレイ数を減らすことが考えられる。この場合、共通像面１８において、領域分割を行う前と同じ画面サイズの三次元画像を表示するためには、領域分割で表示領域が小さくなった割合分だけ投射光学系の倍率を上げなければならない。しかし、従来例では高倍率を実現することが容易ではない。これが第２の課題である。

以下にこの第２の課題の内容を詳細に説明する。
従来例の構成における共通像面１８での表示画面サイズは、二次元画像表示装置１１の画面サイズに図１０のレンズアレイ１２及び共有レンズ１６から構成される光学系（アフォーカル光学系または無焦点光学系ともいう）の倍率をかけたサイズとなるが、このアフォーカル光学系の倍率を十分に大きくすることが容易ではない。理由を以下に説明する。

従来例の三次元画像生成の原理は、図１０における二次元画像表示装置アレイ１０を構成する個々の二次元画像表示装置１１に表示された視差画像が、図１０のレンズアレイ１２と共有レンズ１６とから構成されるアフォーカル光学系によりそれぞれ拡大された後に、共通像面１８で１つに重ね合わされて、テレセントリックな（主光線同士が平行な）指向性画像の起点を形成することに基づいている。そして、三次元空間における空間像として形成される三次元画像は、これらの多数のテレセントリックな指向性画像からの光線群の交点の集合体として表現される。

従って、この三次元画像の表示画面サイズは、二次元画像表示装置１１（物体）のサイズにアフォーカル光学系で得られる倍率を掛け合わせたものである。
このアフォーカル系の倍率M_aは、レンズアレイ１２を構成する個々のレンズ１３の焦点距離をf ₁、共有レンズ１６の焦点距離をf ₂とすると下記数式１で算出される。

従って、このアフォーカル倍率M_aを大きくして大画面化を行うためには、上記数式１の分子である共有レンズ１６の焦点距離をf ₂を大きくするか、または分母である個々のレンズ１３の焦点距離をf ₁を小さくしなければならない。

数式１の分子である共有レンズ１６の焦点距離をf ₂を大きくすることを考えてみる。共有レンズ１６は、二次元画像表示装置１１を拡大する機能以外に、別の機能を有している。それは、二次元画像表示装置１１（または対応する個々のレンズ１３）と光軸１９との相対位置に応じた指向性を与えることにより、立体視可能な最大範囲、すなわち視域を規定する機能である。

この視域と焦点距離f ₂との関係は、無限遠物体からの平行光束を焦点距離f ₂のレンズで撮影する場合の半画角θと像高Xとの一般式と同様であり、下記数式２の関係となる。

従来例の場合、Xが物体高の最大値、すなわち二次元画像表示装置アレイ１０における光軸１９から最も離れた二次元画像表示装置１１の画像中心と光軸１９との距離である。そして、f ₂が共有レンズ１６の焦点距離、θが共有レンズ１６で屈折される平行光束の方向と光軸１９のなす角である。視域（視域角）は２θで与えられる。

数式２におけるXは二次元画像表示装置アレイ１０の大きさで決まる一定値であるから、共有レンズ１６の焦点距離f ₂を大きくする場合には、視域角２θが小さくなる。従って、倍率を上げるために数式１における分子である共有レンズ１６の焦点距離f ₂を大きくすると、視域角が狭くなってしまう。よって、焦点距離f ₂を大きくすることはできず、事実上、固定値となることがわかる。

例えば、個々の二次元画像表示装置１１として、サイズが２０ｍｍ×２０ｍｍ（対角長：約２８ｍｍ（約１．１インチ））の小型液晶パネルを図１０（ｂ）のような配置で水平１０個×垂直１０個、２００ｍｍ×２００ｍｍ程度の面積に並べた場合の例を説明する。

このとき、光軸１９から最も離れた小型液晶パネルの光軸１９からの距離、即ち最大の物体高Xは１４０ｍｍ程度である。視域角として２θ＝３０度を確保すると仮定すると、共有レンズ１６の焦点距離f ₂は数式２より、f ₂＝５２０ｍｍ程度となる。

数式１で算出されるアフォーカル倍率M_aを大きくして大画面化するために、数式１の分子を小さくする、すなわちレンズアレイ１２を構成する個々のレンズ１３の焦点距離f ₁を短くすることを考える。上記例の場合、小型液晶パネルの各々に対応する個々のレンズ１３のサイズは、有効径が３０ｍｍ程度のものが必要になるが、この口径の単レンズで実現できる最短の焦点距離は、たとえ屈折率が２程度の高屈折率材料を使用したとしても、f ₁＝１５ｍｍ程度が限界である。実際には、結像性能を保証できる程度の焦点距離はもう少し長くなるが、限界値としてf ₁＝１５ｍｍとして計算を行なう。このときのアフォーカル倍率M_aを数式１により算出すると、M_a＝３５倍となるから、１．１インチの小型液晶パネルの２次元表示画像が３５倍の３９インチ程度の画面サイズで共通像面１８に三次元画像表示することになる。

上記構成の従来例の三次元画像表示装置において、小型液晶パネル上の表示画面を複数の小領域に分割し、これら分割した各小領域をそれぞれ二次元画像表示画面とすることにより、二次元画像表示装置１１の個数及び二次元画像表示装置アレイ１０のアレイ数を減らす場合、アフォーカル倍率M_aはこれ以上大きくできないため、分割して領域が小さくなるのに比例して、共通像面１８に三次元画像表示する画面サイズが小さくなっていく。例えば、縦方向及び横方向をそれぞれ２分割した２×２分割の場合は約２０インチ、４×４分割の場合は約１０インチ、８×８分割の場合は約５インチとなる。前述したように、結像性能を保証するf ₁の値はもう少し大きいため、更にアフォーカル倍率M_aは小さくなり、従って表示画面サイズもさらに小さくなる。一般的なプロジェクション型ディスプレイの表示画面サイズとして２０インチ以下というのはかなり小さいサイズであるといえる。

上記したように、従来例の構成ではアフォーカル倍率M_aをレンズアレイ１２を短焦点化することでしか制御できないために、表示画面を大画面化することが容易ではない。そしてこの課題は、個々の二次元画像表示装置１１の表示領域を分割する場合は更に大きな課題となる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。
従来例のアフォーカル光学系の前段に、新たな光学系を構成要素として付加することによって解決する。

請求項１に係る三次元画像表示装置は、１つの二次元画像表示装置のみを用いて構成される。この１つの二次元表示装置の表示画面を、水平方向が一致しないように水平方向および垂直方向の位置が決定される小領域に分割し、この分割した小領域に複数の視差画像を表示する。第１の物体面であるこれらの複数の視差画像をアフォーカル光学系の前段に新たに配置した光学系（以下、これを前置光学系という）により所望の大きさに拡大して結像させ、これら拡大して結像された複数の視差画像を第２の物体面として前記アフォーカル光学系にリレーさせるように構成することを特徴とする。

この前置光学系は、第１の物体面である二次元表示素子上の複数の視差画像を拡大する投射レンズ群、そしてこの結像面に重ねて配置された光線偏向手段（フレネルレンズ）と拡散板とから構成される。フレネルレンズと拡散板の面付近で結像された複数の視差画像は、テレセントリックな光線状態になるようにフレネルレンズで屈折されるとともに、拡散板により射出瞳の大きさが拡大されて後段のアフォーカル光学系に入射される。

請求項２に係る三次元画像表示装置は、請求項１に係る三次元画像表示装置で用いる二次元表示装置を複数個使用することを特徴とする。従来例も二次元表示装置を複数個使用するが、本発明によればその個数は大幅に少なくて済む点が従来例と異なる。

また、これら複数の二次元画像表示装置の配置の仕方は、従来例のように水平方向と垂直方向が一致しないように並べる必要はなく、正方配置でよい。
本発明の概要は上に述べた通りであるが、これをより構成要件の形で簡潔に記載すれば、以下の（１）〜（２）のようになる。
（１）表示画面上に、この表示画面の画面サイズより小さい画面サイズの複数の画像を、それぞれの前記画像の水平位置が一致しないように水平方向および垂直方向に配置して表示する二次元画像表示手段と(110)、
前記二次元画像表示手段に表示される前記複数の画像をそれぞれ拡大投射する投射手段と（112〜114)、
前記投射手段によって拡大投射された前記複数の画像のそれぞれの画像光をテレセントリックになるように変換する光線偏向手段と(115)、
前記光線偏向手段の後段に配置される複数のレンズからなるレンズアレイであって、前記光線偏向手段を通過した前記複数の画像光に対応する各画像の画像中心と前記各レンズの光軸とが一致するように前記各レンズが配置されるレンズアレイと(12)、
前記光線偏向手段の近傍に配置される光拡散手段であって、前記二次元画像表示手段、前記投射手段、前記光線偏向手段及び前記レンズアレイからなる光学系の射出瞳を所定のサイズに拡大する光拡散手段と(116)、
前記レンズアレイの後段に配置される複数の開口部からなる開口アレイであって、前記射出瞳のサイズより小さいサイズの前記複数の開口部が、前記レンズアレイを構成する各レンズに対応して配置される開口アレイと(15)、
前記開口アレイの後段に配置され、前記レンズアレイと組み合わせてアフォーカル光学系を構成する共有レンズと(16)、
前記共有レンズの後段に配置される垂直拡散板と(17)、
を有することを特徴とする投射型三次元画像表示装置。
（２）１つの前記二次元画像表示手段と１つの前記投射手段とを対として、それぞれを複数用いることを特徴とする上記（１）に記載の投射型三次元画像表示装置。

本発明によれば、二次元画像表示装置内に複数の視差画像を表示させ、それらの視差画像を予め所望のサイズに拡大した後に、その拡大された視差画像をアフォーカル光学系にリレーさせることにより、従来実現が困難であった大画面化と広視域化とを両立させた三次元画像表示が可能となる。

また、二次元画像表示装置内に複数の視差画像を表示させることにより、二次元画像表示装置が1つで済むので、コストダウンと装置の小型化が可能となる。
更に、上記二次元画像表示装置を複数個用いた第二の発明によれば、上記各効果を維持しながら、より高解像度の三次元画像表示が可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の第１実施例の投射型三次元画像表示装置の上面方向からの概略図である。また図２は、同装置の側面方向からの概略図である。なお、図１及び図２において同一の構成要素には同一の符号を付している。

図１及び図２において、１０１はランプ光源、１０２は照明光学系、１１０は反射型液晶表示素子、１１１は偏光ビームスプリッタ、１１２は入射側の投射レンズ、１１３は投射レンズ内部の開口絞り、１１４は射出側の投射レンズ、１１５はフレネルレンズ、１１６は拡散板、１２はレンズアレイ、１３はレンズアレイ１２を構成する個々のレンズ、１４は開口アレイ、１５は開口アレイ１４を構成する個々の開口、１６は共有レンズ、１７は垂直方向拡散板、１８は像面、１９は光軸を表す。

薄い灰色で描かれた領域１２０は、反射型液晶表示素子１１０の光軸付近に表示された二次元画像からの光線のうち、開口絞りアレイ１４の光軸１９付近の開口を通過する光束を表す。そして、この薄い灰色の領域１２０の内部にある実線１２１は、この画像の端部からの主光線を表し、その上下に描かれた破線１２２は、主光線に付随する周縁光線を表す。

また、濃い灰色で描かれた領域１３０は、反射型液晶表示素子１１０の光軸から外れた位置に表示された画像からの光線のうち、開口絞りアレイ１４の光軸１９から外れた開口を通過する斜め方向の光束を表す。そして、この領域１３０の内部にある実線１３１は、画像の端部からの主光線を表し、その上下に描かれた破線１２２は周縁光線を表す。

図１の反射型液晶表示素子１１０は、素子の表示領域を複数の小領域に分割し、その分割したそれぞれの少領域毎に複数の視差画像を同時に表示する。図１は、図の簡略化のため、２つの視差画像だけを反射型液晶表示素子１１０に表示した場合例であるが、実際は反射型液晶表示素子１１０には少なくとも５０以上の視差画像を同時に表示させる。

図１の反射型液晶表示素子１１０に表示された２つの視差画像からの光線を薄い灰色の領域１２０と濃い灰色の領域１３０で示す。
薄い灰色の領域１２０は、反射型液晶表示素子１１０の光軸１９付近に表示させた二次元画像からの光線を示しており、光軸１９上に位置する図示しない観察者に対して垂直に入射するほぼ平行な指向線光線を示している。ほぼ平行とは、周縁光線１２２で示すように広がりを持っているため、完全な平行光束ではないという意味である。観察者の瞳には、この太い指向性光線のうち、瞳径で切り取られた一部の光束のみが入射する。

濃い灰色の領域１３０は、反射型液晶表示素子１１０の中心から外れた位置に表示させた二次元画像からの光線を示しており、図示しない観察者に対して斜めに入射する指向性光線を示している。図１では、わずか２本の指向性光線が大きな角度で交わっているが、実際には、前述したように、刻み角０．２度〜０．４度毎に少なくとも５０本以上の指向性光線が観察者に提示されることになる。これらの多数の指向性光線による三次元画像の形成の原理については非特許文献２等に記載されているため、説明を省略する。

図１における反射型液晶表示素子１１０へのランプ光源１０１からの光の導入の仕方は、一般的な反射型液晶表示素子を用いたプロジェクターの光学系と同様である。図１においては照明光学系１０２として上記プロジェクターの光学系を1つのブロックで表している。以下に照明光学系１０２の内部構成及び光線処理動作について簡単に説明する。

キセノンランプ等のランプ光源１０１からの自然光が、照明光学系１０２に入力されると、偏光膜と位相板のアレイからなる偏光変換素子によって偏光に変換されるとともに、光学フィルタによって紫外線と赤外線の成分がカットされる。そして、いわゆるインテグレータを構成する前段のフライアイレンズおよび後段のフライアイレンズによって均一照明が行われる。一般的なインテグレータ照明と同様に、キセノンランプ等のアーク像を後段のフライアイレンズに結像させる。そして、前段のフライアイレンズを物点とする光線がコリメータレンズによりテレセントリックな状態にされた後の光線が、照明光学系１０２の出力光線となる。

この照明光学系１０２からの出力光線は直線偏光（Ｓ偏光）されており、Ｓ偏光の光線を反射しＰ偏光の光線を透過させる偏光ビームスプリッタ１１１によって反射され、反射型液晶表示素子１１０に垂直入射する。このとき、反射型液晶表示素子１１０の反射面と前段のフライアイレンズは結像関係にある。そして反射型液晶表示素子１１０の液晶の作用により偏光の振動面が回転されて前述のＳ偏光がＰ偏光になった場合にのみ、反射型液晶表示素子１１０からの反射光が偏光ビームスプリッタ１１１を透過して投射レンズ１１２の方向へ射出される。なお、上記説明のＳ偏光とＰ偏光の関係は逆であっても良い。

また、図１は、図の簡略化のため、単板式の光学系として描かれているが、反射型液晶表示素子１１０をＲ，Ｇ、Ｂそれぞれ３枚用いた３板式の光学系とすることが好ましい。この３板式の光学系については、一般的なプロジェクターの光学系としてよく知られており、ここでは説明を省略する。

この反射型液晶表示素子１１０は、多数の視差画像を同時に表示できるように、高い解像度を有する反射型液晶表示素子であるＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）を使用することが好ましい。特に、本出願人が製造、販売するＬＣＯＳであるＤ−ＩＬＡ（登録商標）のうち、解像度が４０９６×２１６０のものを用いると、解像度ＱＶＧＡ（３２０×２４０）の視差画像の場合には少なくとも１００枚以上同時に表示させることができ、解像度ＶＧＡ（６４０×４８０）の視差画像を表示させる場合には少なくとも２０枚以上同時に表示させることができる。

なお、ＬＣＯＳの代わりに、ＤＬＰ（登録商標）やＨＴＰＳ（High Temperature Poly-Silicon:高温ポリシリコンＴＦＴ液晶）を用いることも可能である。その場合は、ランプ光源１０１および照明光学系１０２ならびに偏光ビームスプリッタ１１１を、各表示デバイスに適合するものに置き換えれば良い。

反射型液晶表示素子１１０から出射される二次元画像の光線は、偏光ビームスプリッタ１１１をテレセントリックな状態で透過した後、入射側の投射レンズ１１２、投射レンズ内部の開口絞り１１３、射出側の投射レンズ１１４からなる投射レンズ系により、フレネルレンズ１１５付近で結像される。この投射レンズ系は、一般のプロジェクター用に設計されたプロジェクションレンズをそのまま使用することができる。

反射型液晶表示素子１１０上に発生させる複数の視差画像は、図３に示すように斜めに配置する。垂直方向から測った傾斜角α[ラジアン]は、表示させる個々の視差画像１２０の数を水平m個、垂直n個とし、それぞれの画像のサイズを水平w_e、垂直h_eとしたとき、
下記数式３により算出することができる。

例えば、図３の場合はn = 8であり、個々の視差画像１２０のアスペクト比を
w_e: h_e= 16 : 9 に設定したとすると、傾き角αは 0.219[ラジアン]、即ち約12.5度となる。

なお、このような斜めの配置の仕方は、従来例における二次元画像表示装置アレイ１０の配置の仕方と同様である。しかし、従来例は個々の二次元画像表示装置１１を斜めに配置しているのに対して、本実施例では１つの反射型液晶表示素子１１０の２次元表示画面上に個々の視差画像１２０を斜めに配置している点で異なる。このような構成にすることにより、二次元画像表示装置１１の個数及び二次元画像表示装置アレイ１０のアレイ数を減らすことができ、それぞれの二次元画像表示装置１１それぞれに必要なドライブ回路や照明光源等が必要なくなるので製造コストを抑えることが可能となる。さらに、各視差画像１２０をより接近させて配置させることができるので、従来例に比較して装置を小型化することが可能となる。

反射型液晶表示素子１１０上に発生させた個々の視差画像１２０は、入射側の投射レンズ１１２および射出側の投射レンズ１１４により拡大されて、フレネルレンズ１１５付近に所望のサイズで結像させる。この拡大像のサイズ、すなわち個々の視差画像１２０の拡大サイズを水平w_p、垂直h_pとすると、この光学系の倍率をM_pとしてそれぞれ下記数式４及び数式５で表すことができる。

上記数式４および数式５において、前置光学系の拡大倍率M_pは、入射側投射レンズ１１２および射出側の投射レンズ１１４により任意の大きさに設定することができる。そしてこの前置光学系の拡大倍率M_pは、フレネルレンズ１１５の後段に配置したレンズアレイ１２と共有レンズ１６からなるアフォーカル光学系の倍率とは無関係である。従って、水平方向の観察範囲、すなわち視域角２θを狭めることなく、あるいは、レンズアレイ１２を短焦点化することで結像性能を劣化させることなく、共通像面１８に三次元画像表示する画面サイズを良好に拡大することが可能になる。

このアフォーカル倍率をM_aとし、垂直方向拡散板１７に表示する画面サイズを水平W 、垂直 Hとすると、下記数式６及び数式７で表すことができる。

ここで、フレネルレンズ１１５付近で結像された、反射型液晶表示素子１１０上の個々の視差画像１２０は、従来例と同様なアフォーカル光学系に入射させるのであるが、そのまま入射させたのでは不都合が生じる。それは、フレネルレンズ１１５を通して見た投射レンズ内部の開口絞りの大きさ、すなわち前置光学系の射出瞳が小さすぎることである。

上記問題の解決手法を以下に説明する。
図５はフレネルレンズ１１５で結像した画像を、レンズアレイ１２と共有レンズ１６からなるアフォーカル系に入射させた場合の光線状態を示す上面図である。図１との違いは、フレネルレンズ１１５の後に、拡散板１１６がないことである。拡散板１１６がないと、周縁光線１２２または１３２の拡がり角が小さいままのため、レンズアレイ１２と共有レンズ１６の共通焦点面に配置した開口アレイ１４上における光束径は、図５の破線（周縁光線）で示すように、個々の開口１５のサイズよりも小さくなってしまう。

図５に示す光線状態の場合に、垂直方向拡散板１８を通して光線を観察すると図６（ａ）に示すような状態となる。図６では、開口アレイ１４に８×８個の開口１５が設けられており、その光透過部から６４本の細長い指向性光線が垂直方向に拡散されていることを示している。これらの指向性光線のうち、代表的なものが図５に示す領域１２０および１３０である。

図６からわかるように、開口１５のサイズに比べて、指向性光線の水平方向の幅が小さいために、開口１５のサイズをいくらおおきくしても、指向性光線の幅を広げることはできない。これは、共通像面１８に表示される三次元画像が水平方向に滑らかに接続せず、画像のとびが生じることになる。

上記問題をさらに詳しく説明するために、反射型液晶表示素子１１０に図３に示すような８×８個の視差画像１２０を表示させた場合を考える。この視差画像１２０は直方体と球からなる３次元オブジェクトを水平方向に異なる６４方向から透視投影法で撮影またはＣＧ描画したものである。このような視差画像群からの光線が、図５に示すような光線状態、すなわち開口アレイ１４における光束径が開口サイズよりも小さい状態で、三次元表示させた場合、観察者には図７（ａ）に示すような画像が観察されることになる。

図７（ａ）に示す黒い帯状の部分は光の存在しない領域であり、これが画像のとびを表す。そして、これらの黒い帯と帯の間に短冊状の画像が７本見えているが、これが図３に示した複数の視差画像１２０のうち、７視差分の画像（の一部）である。この細長い短冊状の画像の水平幅を大きくすることができれば、図７（ｂ）のような画像が観察されることになる。さらに短冊状の画像の水平幅を大きくして隣り合う画像が接触する程度になれば図７（ｃ）のようになり、最終的に短冊状の画像が互いに重なり合うようにすれば、図７（ｄ）のような良好な画像が得られる。これらの視差画像１２０の出射角度の調整を個々の開口のサイズ１５または透過型二次元画像表示装置アレイの照明光学系により行い、水平方向の画像のとびをなくすのが従来例であった。

しかしながら、図５に示すような光線状態においては、開口サイズをどのように調整しても、画像のとびをなくすことはできない。開口サイズよりも光束径の方が小さいからである。また、照明光学系１０２をどのような出射角度にして反射型液晶表示素子１１０で照明しようとも、画像のとびをなくすことはできない。出射角度は、投射レンズ内部の開口絞り１１３で制限されているからである。

上記問題を解決するために本実施例では、図１に示すように、フレネルレンズ１１５の背後に拡散板１１６を配置することによって、出射角度を拡大する構成とした。拡散板１１６としては光を散乱させるタイプのものや、フライアイやレンチキュラーのような屈折させるタイプのもの、あるいは回折現象を利用したホログラフィックディフューザーなど、様々なタイプのものを使用することができる。短冊状画像の水平幅を拡大することが目的であるので、水平方向の拡散特性がより重要である。

図６（ｂ）は、拡散角度が小さい拡散板１１６を使用した場合の指向性光線の様子を示した図である。図６（ａ）に比べてわずかに出射角度が大きくなった様子を示している。このときに実際に観察される画像が図７（ｂ）である。黒い帯の部分が図７（ａ）に比べて細くなってはいるが、まだ画像のとびが残っている。

図６（ｃ）は、上記より拡散角度の大きい拡散板１１６を使用した場合の指向性光線の様子を示した図である。隣り合う指向性光線は互いに接触しており、一見これで十分であるように思われる。しかし、実際に観察される画像は図７（ｃ）に示すように、わずかに黒い筋が観察されてしまう。人間の目は画像の継ぎ目に大変敏感であるため、指向性光線を隣接させただけでは不十分である。

図６（ｄ）は、十分に大きい拡散角度を有する拡散板１１６を使用した場合の指向性光線の様子を示した図である。隣り合う指向性光線が互いに重ね合わせるようになった様子を示している。このときに実際に観察される画像が図７（ｄ）である。継ぎ目のない画像が得られていることがわかる。このような状態で、観察者が水平方向に移動すると、図３に示した６４枚の視差画像１２０を画像発生源とする指向性光線からの透視投影像が網膜上に結像されて空間の三次元像が知覚されることになる。

拡散版１１６の拡散角度を上記より更に大きくしていくと、光パワーの損失が生じるようになる。図８はこの問題を示した図である。拡散板１１６で拡散された光線の一部が開口アレイ１４でけられていることがわかる。このけられた光線の光量分だけ三次元画像が暗くなってしまうことになる。従って、拡散板１１６の拡散角度は開口アレイ１４のサイズにマッチするように設定する必要がある。すなわち、図１に示すような光線状態を実現できる拡散角度にするのが良い。

図１は、投射レンズ内部の開口絞り１１３で規定される周縁光線１２２または１３２が、ちょうど開口アレイ１４の個々の開口１５のエッジ部分を通過する場合の例である。これは、投射レンズ内部の開口絞り１１３と開口アレイ１４の個々の開口１５とが共役の関係、すなわち、投射レンズ内部の開口絞り１１３の像が個々の開口１５になることを意味している。

次に、第１実施例で得られる効果を維持しながら、より高解像度の三次元画像表示を実現する第２実施例について説明する。
図９は、本発明の第２実施例の投射型三次元画像表示装置の上面方向からの概略図である。なお、第１実施例の概略図と同一の構成要素には同一の符号を付している。

２枚の反射型液晶表示素子１１０ａと１１０ｂを水平にアレイ状に並べてマルチ投射光学系を構成し、それぞれの投射光学系から出射される指向性画像を共通像面１８上に結像させている。

またこの実施例は、ランプ光源１０１を共通化して使用する例である。すなわち、反射型液晶表示素子１１０ａに対しては、偏光ビームスプリッタ１１１ａで反射したＳ偏光を使用する。一方、反射型液晶表示素子１１０ｂに対しては、偏光ビームスプリッタ１１１ａで透過したＰ偏光を位相板１１７によりＳ偏光に変換して、偏光ビームスプリッタ１１ｂに入射させる。照明光学系１０２ａと１０２ｂは、それぞれの反射型液晶表示素子に対して均一照明が実現されるように設定する。このような構成とすれば、ひとつのランプ光源１０１で複数の投射光学系に光を供給できるので、コストを抑制することが可能となる。また装置を小型化することが可能となる。

図９において、射出側の投射レンズ１１４ａおよび１１４ｂ以降の光学部品は共通である。すなわち、フレネルレンズ１１５、拡散板１１６、レンズアレイ１２、開口アレイ１４、共有レンズ１６、垂直方向拡散板１７は共通である。

また、図９における投射光学系の配置の仕方は、図９に記載されたような水平方向のみではなく、垂直方向にも配置するなどして、マルチ投射の数を任意の数だけ増やすことが可能である。

これらの投射光学系は、従来例の２次元画像表示装置のように斜めに配置する必要はなく、正方配列でよい。これは図３に示すように、それぞれの投射光学系が有する２次元画像表示素子において視差画像１２０が斜めに配置されているからである。したがって本装置を製造する際に、従来例のように斜めに２次元画像表示装置をアッセンブリする必要が無いので、よりコンパクトにかつ容易にアッセンブリすることができる。

また図９に示す構成によれば、必要なデバイスの数を従来発明に比べて大幅に減らすことができる。例えば、４０９６×２１６０の反射型液晶表示素子を３板式で使用する場合には、３×４＝１２個の素子で８Ｋ４Ｋ解像度が可能であり、解像度６４０×４８０の１００視差程度の高密度指向性表示が実現できることになる。

以上説明した実施例によれば、二次元画像表示装置内に複数の視差画像を表示させ、それらの視差画像を予め所望のサイズに拡大した後に、その拡大された視差画像をアフォーカル光学系にリレーさせることにより、従来実現が困難であった大画面化と広視域化とを両立させた三次元画像表示が可能となる。

また、実施例１によれば二次元画像表示装置内に複数の視差画像を表示させることにより、二次元画像表示装置が1つで済むので、コストダウンと装置の小型化が可能となる。
更に、実施例２によれば上記二次元画像表示装置を複数個用いることにより、上記各効果を維持しながら、より高解像度の三次元画像表示が可能となる。

また、本実施例では上記に加えて以下に示す付加的な効果も得られる。
レンズアレイと二次元画像表示装置との間に前置光学系を設けることにより、レンズアレイと二次元画像表示装置の距離が従来よりも大きくなるので、レンズアレイが二次元画像表示装置の照明系の熱的影響を受けにくくなる。したがって、レンズアレイの耐熱性の要求が低くなり、安価で加工性の高いプラスチックレンズを使えるようになる。

また、上記プラスチックレンズが使用可能となれば、レンズアレイの非球面形状化や回折光学素子化が容易になり、光学系の各種収差が減少して三次元画像の品質が飛躍的に向上する。

また、本実施例では、二次元画像表示装置上に表示した複数の視差画像の位置を画像処理によって容易に微調整することができるため、レンズアレイの偏心公差の精度が低くて済み、製造コストを下げることが可能となる。

本発明の三次元画像表示装置の第１実施例の概略図（上面図）である。本発明の型三次元画像表示装置の第１実施例の概略図（側面図）である。反射型液晶表示素子上に発生させる複数の視差画像の一例を示す図である。レンズアレイの斜視図である。拡散板を使用しない場合の光線状態を示す図である。射出瞳の大きさと指向性光線の重なりの関係を示す図である。射出瞳の大きさと観察される指向性画像の関係を示す概念図である。射出瞳径が大きい場合に光量の損失が生じる様子を示す図である。本発明の三次元画像表示装置の第２実施例の概略図（上面図）である。従来例の構成図（その１）である。従来例の構成図（その２）である。

符号の説明

１０二次元画像表示装置アレイ
１１個々の二次元画像表示装置
１２レンズアレイ
１３個々のレンズ
１４開口アレイ
１５個々の開口
１６共有レンズ
１７垂直方向拡散板
１８共通像面
１９光軸
１０１ランプ光源
１０２照明光学系
１１０反射型液晶表示素子
１２０個々の視差画像
１１１偏光ビームスプリッタ
１１２入射側の投射レンズ群
１１３投射レンズ内部の開口絞り
１１４射出側の投射レンズ
１１５フレネルレンズ
１１６拡散板
１１７位相板

Claims

表示画面上に、この表示画面の画面サイズより小さい画面サイズの複数の画像を、それぞれの前記画像の水平位置が一致しないように水平方向および垂直方向に配置して表示する二次元画像表示手段と、
前記二次元画像表示手段に表示される前記複数の画像をそれぞれ拡大投射する投射手段と、
前記投射手段によって拡大投射された前記複数の画像のそれぞれの画像光をテレセントリックになるように変換する光線偏向手段と、
前記光線偏向手段の後段に配置される複数のレンズからなるレンズアレイであって、前
記光線偏向手段を通過した前記複数の画像光に対応する各画像の画像中心と前記各レンズの光軸とが一致するように前記各レンズが配置されるレンズアレイと、
前記光線偏向手段の近傍に配置される光拡散手段であって、前記二次元画像表示手段、前記投射手段、前記光線偏向手段及び前記レンズアレイからなる光学系の射出瞳を所定のサイズに拡大する光拡散手段と、
前記レンズアレイの後段に配置される複数の開口部からなる開口アレイであって、前記射出瞳のサイズより小さいサイズの前記複数の開口部が、前記レンズアレイを構成する各レンズに対応して配置される開口アレイと、
前記開口アレイの後段に配置され、前記レンズアレイと組み合わせてアフォーカル光学系を構成する共有レンズと、
前記共有レンズの後段に配置される垂直拡散板と、
を有することを特徴とする投射型三次元画像表示装置。
１つの前記二次元画像表示手段と１つの前記投射手段とを対として、それぞれを複数用いることを特徴とする請求項１に記載の投射型三次元画像表示装置。