JP4871540B2 - 立体像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、立体像表示装置に関し、例えばテレビ、ビデオ、コンピュ−タモニタ、ゲ−ムマシンなどにおいて立体像表示を行うのに好適なものである。

従来、立体像を再生する立体像再生方式として様々な方式が試みられている。特に特殊な眼鏡などの装着を必要としない裸眼立体視方式は臨場感ある立体感が実現できることから次世代の映像情報提示装置として有望視されている。

一般的な裸眼立体視方式は右眼用の視差画像と左眼用の視差画像とをそれぞれ独立に観察者の対応する眼に提示する両眼視差方式によって、観察者に立体を認識させている。両眼に独立した視差画像情報を提示するためには画像表示装置とそこからの画像情報を左右それぞれの眼に指向させる指向性発生手段が必要となる。例えば、裸眼立体視方式として最も一般的な方法であるレンチキュラ方式においてはレンチキュラレンズアレイが上記指向性発生手段の作用をして、ＬＣＤ、ＰＤＰなどの画像表示装置と組み合わせることで、立体像表示装置を構成している。こうした従来の裸眼立体視方式については種々な文献に多く掲載され、広く知られている（非特許文献１）。

しかしながら、両眼視差方式による立体像認識は、眼の焦点調節機能による立体像認識位置と両眼視差による立体像認識位置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。

そこで近年、両眼視差のみに頼らずその他の立体像知覚機能も満足する、より臨場感の高い３次元像再生方法（立体像再生方法）が提案されている（特許文献１）。

特許文献１にて提案されている方式においては、多数の微小視差画像を微小角度ピッチで異なる方向に提示し、観察者の単眼に複数の視差画像が入射するように構成している。このように観察者の単眼に複数の視差画像を提示すると、観察者の眼の焦点調節が両眼視差で認識される立体像位置に導かれ立体像知覚における矛盾が解消されることから、観察者の疲労や違和感が軽減される。

また、観察者の観察位置の移動に対する視差変動(いわゆる運動視差)が正確に表現できるという効果もあり、総合的に立体像の質が向上する。このような立体表示は「超多眼領域」の立体表示と呼ばれており、従来より種々と紹介されている（非特許文献２、３）。
特開２００３−３０７７０９号公報号公報 「３次元ディスプレイ」（産業図書株式会社発行 増田千尋 著） "Hologramlike video images by 45−view tereoscopic display"，Proc． SPIE Vol． 3012， p．154−166， StereoscopicDisplays and Virtual Reality Systems IV(1997) "3D display using intersection of light beams"， Proc． SPIE Vol． 3957， p． 215−224， Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems VII(2000)

「超多眼領域」の立体像表示を良好に行うためにはいくつかの方法がある。例えば微小視差画像数を増やし、視差画像の提示方向をより細分化することが立体視する上で好ましい。しかしながら視差画像の提示方向を細分化しようとすると、個々の視差画像の解像度(画素数)が劣化してくる。このことを上述の特許文献１を例に挙げて説明する。

図２４は、特許文献１で開示されている立体像表示装置の概略図である。図２４において、画像表示パネル１０１には画像供給装置１１０から視差画像Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ４、Ｄ１〜Ｄ４に基づく画像信号が供給され、画像表示面１０１ａ上の表示領域に画像を表示させる。１０２はマイクロレンズアレイやピンホ−ルアレイなどの微小光学系アレイである。

上記画像表示パネル１０１の表示領域Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ４、Ｄ１〜Ｄ４の４段×４列の計１６個の領域に分割され、微小光学系アレイ１０２もまた上記分割数に対応する数の微小光学系（ピンホ−ル）１０２ａを有している。１０３は一方向拡散光学素子である。この一方向拡散光学素子１０３は、所定の１方向（表示装置への組み込み状態では鉛直方向Ｖ）にのみ光を拡散させる性質を持つ。具体的には周期構造が微小ピッチのシリンドリカルレンズを鉛直方向で繰り返されるようなレンチキュラレンズ板を用いている。１０４はリレ−光学系である。このリレ−光学系１０４は、立体像観察時の観察位置において観察瞳を形成する役割を持っており、ここでは水平方向Ｈにのみ光学的パワ−（１／焦点距離）を持つシリンドリカルレンズを用いている。

画像表示パネル１０１上の各視差画像は微小光学系アレイ１０２によって一方向拡散光学素子１０３上に重畳投影される。

しかしながらリレ−光学系１０４の結像作用により、微小光学系アレイ１０２上の個々のピンホ−ル１０２ａは、図中のように立体像観察時の観察瞳ＰＡ１´〜ＰＡ４´、ＰＢ１´〜ＰＢ４´、ＰＣ１´〜ＰＣ４´、ＰＤ１´〜ＰＤ４´となって結像する。ただし、一方向拡散光学素子１０３が鉛直方向Ｖの拡散作用を有していることと、リレ−光学系１０４が水平方向Ｈにのみ光学的パワ−を有していることから、上記観察瞳は図中のように水平方向幅が小さく、鉛直方向長さの長いものになっている。さらに特徴的なのは、画像表示パネル１０１の各表示領域Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ４、Ｄ１〜Ｄ４および微小光学系アレイ１０２の各ピンホ−ル１０２ａは図示されているように水平方向位置が微小間隔となるように斜め配置されている。このため結像した観察瞳群は水平方向Ｈについては微小間隔で並ぶ。その結果、観察者１０５は微小間隔で並んだ観察瞳を通して多数の微小視差画像（ＰＡ１´〜ＰＡ４´、ＰＢ１´〜ＰＢ４´、ＰＣ１´〜ＰＣ４´、ＰＤ１´〜ＰＤ４´）を微小角度ピッチで異なる方向から観察することができる。

例えば図２４において、表示領域Ａ１の画像は、観察瞳ＰＡ１´から観察され表示領域Ｂ１の画像は観察瞳ＰＢ１´から観察される。これが各表示領域の画像について対応している。さらに上記観察瞳間の水平方向Ｈの間隔を観察者の瞳孔径未満に設定すれば、観察者の単眼に複数の視差画像が入射する「超多眼領域」の立体表示が可能となる。ここで視差画像数を増やすために表示領域の数を増やすと、表示領域内の画素数が減少する。この為個々の視差画像の解像度が劣化してくる。

又、観察者の水平方向Ｈの観察幅を拡大させようとすると、画像表示パネル１０１の表示領域や微小光学系アレイ１０２のサイズもまた拡大せざるを得なく装置全体が大型化してくる。

本発明は、高品質な超多眼を実現するために求められる、多くの微小視差画像を微小角度ピッチで多方向に提示することと、個々の視差画像を高い解像度で表示することの両立を実現できる立体像表示装置の提供を目的とする。

この他本発明は、立体像の解像度や視点数、視点ピッチの関係を高い自由度で設定することができる立体像表示装置の提供を目的とする。

本発明の立体像表示装置は、視差画像情報に基づく光束を出射する画素を複数含む光変調手段と、
前記光変調手段の光出射側に配置され、１次光出射点を形成する１次光出射部を、所定の方向に複数個配列して構成される１次光出射点配列手段を有し、
前記１次光出射点配列手段は、前記光変調手段の各画素からの光束を、指向性があり、かつ互いに異なる複数の方向へ出射する光束とし、
前記１次光出射点配列手段の光出射側に配置され、前記複数の１次光出射部からの光束により前記１次光出射点よりも多くの２次光出射点を、前記１次光出射点の光源像として形成する光出射点多重化手段を有することを特徴としている。

本発明によれば、多くの微小視差画像を微小角度ピッチで多方向に提示することと、個々の視差画像を高い解像度で表示することとができる立体像表示装置が得られる。

はじめに、本発明の立体像表示装置における立体視の基本概念について説明する。本発明の立体像表示装置は、「超多眼領域」の立体像表示（立体表示）を効果的に実現している。尚、ここで言う立体表示とは、観察者に対して互いに異なる複数の画像をほぼ同時に観察させることにより、観察者に立体像を認識させることが可能な表示のことであり、実際に立体像を表示することでなくても構わない。また、「ほぼ同時」というのは勿論同時であっても構わないし、また観察者にとって残像が残っている時間内であれば同時でなくても構わない。具体的には１/６０秒以内であれば時間差があっても構わない。

「超多眼領域」の立体表示を実現する基本構成について図１（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

「超多眼領域」の立体表示を実現するための構成は、複数の微小視差画像が微小角度ピッチで異なる複数の方向に提示されており、観察者の単眼に同時に空間内で交差した複数の（好ましくは３つ以上の）微小視差画像情報に基づく光束が入射することである。

図１（ａ）および（ｂ）はいずれも観察者１０１ａの単眼（瞳面）１０１に同時に複数（２つ）の微小視差画像情報に基づく光束が入射している状況を示している。

ただし、図１（ａ）と図１（ｂ）では、画像情報１０２ａの表示最小単位１０２（一般に画素と呼ばれる）からの光が高い指向性を持っている場合図１（ａ）とそうではない場合図１（ｂ）とを比較して示している。

図１（ａ）では、画素１０２からの光が高い指向性を持ち、観察者の単眼１０１に到達する時点においても元の画素と同等の光束径を保っており、光線状態のまま単眼１０１に入射している。この場合、観察者１０１ａは光線自体からその出射位置を特定する奥行き手がかりを得ることができない。なぜなら光束の断面積が画素位置１０２ｂ〜観察者位置１０１ｂにおいて大きく変化しないので、どの位置に眼１０１のピントを合わせても網膜像１０１ｃのボケ量が変化しないからである。

しかしながら、単眼１０１に複数の光線が異なる角度で入射している場合は、それら光線の交点位置Ｃに眼の焦点調節が合いやすくなる。なぜなら光線の交点位置Ｃに眼のピントを合わせた場合に、網膜像１０１Ｃの面積が最も小さくなる、つまり網膜像１０１Ｃのボケ量が最も小さくなるからである。このことは図１（ａ）中の面Ａ、Ｂ、Ｃでの光束断面積をそれぞれ調べると明らかである。

したがって、画素１０２からの光が高い指向性を持つ「光線」状態になっており、かつこれら「光線」が複数本、同時に単眼１０１内に入射する場合は、これら光線の交点位置Ｃに観察者１０１ａの眼の調節を誘導することが可能となる。

そして観察者は交点位置Ｃに像が存在していると認識する。

一方、図１（ｂ）に示すように、画素１０２からの光の指向性が低いと、観察者１０１ａの単眼１０１に到達する時点において光束径が元の画素１０２の数倍以上に拡がってしまう。この為拡散光状態で単眼１０１に入射する場合は、観察者１０１ａの眼１０１の調節は画素位置１０２ｂに合いやすくなる。なぜなら光束の断面積は画素位置１０２ｂにおいて最も小さくなるからである。

したがって、たとえ単眼１０１に複数の光線が異なる角度で入射している場合でも、それら光線Ｂ，Ｃの交点位置に観察者の眼の調節を誘導することは難しくなる。このことは図１（ｂ）中の面Ａ、Ｂ、Ｃでの光束断面積をそれぞれ調べると明らかである。

したがって図１（ｂ）に示すように、画素１０２からの光が指向性の低い「拡散光」状態になっている場合、たとえ複数の光束が単眼１０１内に同時に入射していても、これら光線の交点位置Ｂ、Ｃに観察者の眼の調節を誘導することは困難となる。

上記のことをふまえると「超多眼領域」の立体表示を実現するためには、次の４つの手段又は状態が必要となる。
（イ）指向性の高い光線を生成する「光線生成手段」
（ロ）微小角度ピッチで異なる方向に複数光線を出射させる「光線偏向手段」
（ハ）光線の出射角に応じて視差画像情報を反映した光学情報（強度、色など）を光線ごとに独立に付与する「光線変調手段」
（ニ）観察者から見た光線の光出射点が画像情報の画素と見なせる程度に高密度に配列されている「光出射点の高密度配列状態」
次に超多眼領域の立体像の表示を行う基本構成について説明する。

図２は、「超多眼領域」の立体像表示を実現するための基本構成の説明図である。

立体像表示装置１は光線生成手段１−１、光線偏向手段１−２、光線変調手段１−３（光変調手段）の３つの部分を有する表示部１ａを有している。光線生成手段１−１は観察者６の観察位置６ａまで光束断面積が大きく変化しない高い指向性を有する光束、すなわち光線を生成する。光線偏向手段１−２は光線ごとに異なる出射角を与える。光線変調手段１−３は視差画像情報を反映した光学情報（強度、色など）を光線ごとに独立に付与する。上記３つの手段は機能的に２つ、あるいは１つにまとめられる場合もある。これらの構成により立体像表示装置１は、任意の光学情報を付与された、高い指向性を有する光線を、微小角度ピッチで異なる方向に出射させている。このとき立体像表示装置１は光線が出射する光出射点を形成する光出射部（以下「光出射点」という。）を複数個配列した光出射部列（以下「光出射点列」という。）を形成している。

即ち立体像表示装置１は、光線が出射する複数の光出射点２ａ１〜２ａｎが一方向に配列された光出射点列２を形成し、これら光出射点列２は観察者６から見て画像情報の画素と見なせる程度に高密度に配列されている。したがって、観察者６が立体像表示装置１の方向を見るとき、観察者６は画像を認識することができるが、観察位置（観察方向）を変えると、その観察位置（光線の出射角）に応じて異なる視差画像情報が付与された光線が眼に入射してくる。このため観察位置の移動に対する視差変動(いわゆる運動視差)をも認識することができる。

また、観察位置６ａに到達する光線同士の間隔は眼の瞳孔径未満に設定されているため、この立体像表示装置１は光線の交点位置Ｃに眼の調節を誘導すること、すなわち超多眼領域の立体視を観察者に行わせることが可能となる。

次に、上記超多眼領域の立体表示の具体例を説明する。

まずパララックスバリア方式について説明する。

画像表示面の前にパララックスバリアと呼ばれる複数の縦長スリット開口を横方向（水平方向）に配列した集合体を配置して、画像の観察方向に指向性を持たせるパララックスバリア方式は、一般的な２眼式の立体表示装置で頻繁に採用されている。この方式は超多眼領域の立体表示にも拡張することができる。

図３(ａ)はパララックスバリア１２を画像表示手段１１の前（光出射側）に配置し、水平方向Ｈの複数へ指向性ある光束を放射し画像呈示を行う方法の平面図である。本方式により超多眼領域の立体表示を行う原理を部分拡大図３(ｂ)を用いて説明する。

画像表示手段（光線変調手段）１１は画素を複数含む。そして画像表現の最小単位である画素１１ａは図中の○で示したように画像表示手段１１の表面１１Ｃ上に高密度に配列され、それぞれ、しかるべき強度や色を有する画像情報光を発する。画像表示手段１１からの光束のうち観察者６に到達する光はパララックスバリア（光出射点配列手段）（光出射部配列手段）（１次光出射点配列手段）１２のスリット開口（光出射点）１２ａを通過した光に限定される。このスリット開口１２ａの水平幅は十分小さく設定されているので、スリット開口１２ａを通過した光は高い指向性を有し、光線のように振舞う。また、これら光線の出射方向は上記画素１１ａとスリット開口１２ａとの相対的位置関係によって一意的に決定し、どの光線同士も独立な関係を保持することになる。つまり、パララックスバリア方式によって上記超多眼表示を実現する場合、各構成は次のような役割を担う。

上記のような構成を有し、かつ光線の高指向性および、視差画像の呈示方向の微小な分解能があれば、超多眼領域の立体表示が可能となる。

次にレンチキュラ方式について説明する。

画像表示面の前にレンチキュラレンズと呼ばれる複数の縦長シリンドリカルレンズを横方向（水平方向）Ｈに配列した集合体を配置して、画像の観察方向に指向性を持たせるレンチキュラ方式は一般的な２眼式の立体表示装置で頻繁に採用されている。この方式は超多眼領域の立体表示にも拡張することができる。

図４(ａ)はレンチキュラレンズ（光出射点配列手段）１３を画像表示手段（光変調手段）１１の前に配置し、水平方向Ｈの複数へ指向性ある光束を放射して画像呈示を行う方法の平面図である。

本方式により超多眼領域の立体表示を行う原理を部分拡大図４(ｂ)を用いて説明する。

画像表示手段１１の画像表現の最小単位である画素１１ａは図中の○で示したように画像表示手段１１の表面１１ｃ上に高密度に配列され、それぞれ、しかるべき強度や色を有する画像情報光を発する。これらの画像情報光はレンチキュラレンズ１３に入射するが、その出射方向は画素１１ａとレンチキュラレンズ１３との相対的位置関係によって一意的に決定する。

また、画像表示手段１１はレンチキュラレンズ１３を構成する各シリンドリカルレンズ（光出射点）１３ａの焦点距離ｆ前後だけレンチキュラレンズ１３からはなれて配置されており、レンチキュラレンズ１３からは略平行光が出射していく。つまりレンチキュラレンズ１３を通過した光は高い指向性を有し、光線のように振舞う。また、これら光線の出射方向は上記画素１１ａと個々のシリンドリカルレンズ１３ａとの相対的位置関係によって一意的に決定し、どの光線同士も独立な関係を保持することになる。つまり、レンチキュラレンズ方式によって上記超多眼表示を実現する場合、各構成は次のような役割を担う。

上記のような構成を有し、かつ光線の高指向性および、視差画像呈示方向の微小な分解能があれば、超多眼領域の立体表示が可能となる。

次にマルチプロジェクション方式について説明する。

図４（ａ）、（ｂ）のレンチキュラ方式では画像表示手段１１の前にレンチキュラレンズ１３と呼ばれる縦長シリンドリカルレンズ１３ａの集合体を配置して、画像の観察方向に指向性を発生させていた。これに対し、マルチプロジェクション方式では、画像表示手段１１およびレンチキュラレンズ１３を水平方向に複数に分割し、各々独立に画像投影を行って、複数の視差画像の表示を実現する方法である。図５は本方式の概念を示す平面図である。図５において、１９は画像表示手段アレイで、各々独立に異なる画像（複数画像１９ａ）を表示しうる。２０は画像投影手段アレイで、上記複数の各画像１９ａを所定の位置に投影する光学系（画像投影手段）２０ａの集合体となっている。図中２１は指向性発生手段アレイで、上記各々の画像投影手段２０ａの絞りとして作用する微小開口２１ａの集合体となっており、投影される画像１９ａの指向性を高める役割を担っている。超多眼表示において表示画像を形成する光に高い指向性が必要なことは、既に図１(ａ)と図１(ｂ)を用いて説明したとおりである。指向性発生手段アレイ２１の微小開口２１ａを通過した光は高い指向性を有し、光線のように振舞う。

また、これら光線の出射方向は上記画像表示手段アレイ１９上の画素１９ａと上記指向性発生手段アレイ２１の微小開口２１ａおよび画像投影手段アレイ２０の画像投影手段２０ａの画像投影手段２０ａとの相対的位置関係によって一意的に決定される。どの光線同士も独立な関係を保持することになる。つまり、マルチプロジェクション方式によって上記超多眼表示を実現する場合、各構成は次のような役割を担う。

上記のような装置構成を有し、かつ光線の高指向性および、視差画像呈示方向の微小な分解能があれば、超多眼領域の立体表示が可能となる。

次に本発明の実施例１について説明する。

ここまで、超多眼領域の立体表示を行う方法について述べてきたが、本発明は前述した超多眼領域の立体表示を、より高精細に、あるいはより連続性を持って観察せしめる装置及び方法を提供している。その実施例１の具体例を以下に述べる。

超多眼領域で立体表示するとは、観察者の各々の眼に複数の（好ましくは３つ以上の）視差画像を入射させることにより、それらの視差画像に基づく立体像を観察者に認識させることを言う。

図６は、本発明の実施例１の基本構成の概略図である。立体像表示装置１は光線生成手段１−１、光線偏向手段１−２、光線変調手段１−３の３つの部分を有している。光線生成手段１−１は観察位置まで光束断面積が大きく変化しない高い指向性を有する光束、すなわち光線を生成する。光線偏向手段１−２は光線ごとに異なる出射角を与える。光線変調手段１−３は視差画像情報を反映した光学情報（強度、色など）を光線ごとに独立に付与する。上記３つの手段は機能的に２つ、あるいは１つにまとめられる場合もある。これらの構成により立体像表示装置１は、任意の光学情報を付与された、高い指向性を有する光線を、微小角度ピッチで異なる方向に出射させることができる。

このとき立体像表示装置１は光線が出射する複数の光出射点（光出射部）２ａ１〜２ａｎが一方向に配列された光出射点列（光出射部列）２を形成し、これら光出射点列２は観察者６から見て画像情報の画素と見なせる程度に高密度に配列されている。

ここまでは、図２の従来の超多眼領域の立体表示装置の構成に等しい。

本実施例において特徴的なのは上記光出射点列２を空間内に互いに重量しないで一方向に結像して多重化するための光出射点多重化手段（光出射部多重化手段）３を有し、１つの光出射点より複数の２次光出射点（２次光出射部）を形成し、より高密度な高密度光出射点列（高密度光出射部列）４を形成していることにある。そして上記光出射点多重化手段３は高密度光出射点列４から放射する光について、高い指向性を維持し、かつ微小角度ピッチで異なる方向に出射させるよう構成されている。このため従来の超多眼表示装置と同様、観察位置（観察方向）を変えると、その観察位置（光線の出射角）に応じて異なる視差画像情報が付与された光線が眼に入射してくる。これによって観察位置において移動に対する視差変動(いわゆる運動視差)をも認識することができる。ここで、１つの光出射点からの光束に基づいて形成される複数の２次光出射点は、互いに異なる位置に形成されており、さらに互いに異なるタイミング（好ましくは１/６０秒以内の小さな時間差）で形成される。

また、観察位置６ａに到達する光線同士の間隔は眼の瞳孔径未満に設定されているため、この立体像表示装置１は光線の交点位置（図１の位置Ｃ）に眼の調節を誘導すること、すなわち超多眼領域の立体視を観察者に行わせることが可能となる。

さらに本実施例においては観察者６が認識する高密度光出射点列４が光出射点多重化手段３によって高密度化されているので、観察者６が立体像表示装置１の方向を見るとき、観察者６は高精細な画像の画素として高密度光出射点列４を認識することができる。

次に、光出射点多重化手段３の構成について説明する。光出射点多重化手段３は実施例１の空間的光出射点多重化手段（空間的光出射部多重化手段）３−１（図７参照）と実施例２の時間的光出射点多重化手段（時間的光出射部多重化手段）３−２（図９参照）の２つが利用できる。本実施例においてはいずれを用いても有効であり、かつ両方を併用することも有効である。以下に具体例を挙げながら説明する。

図７を用いて実施例１の空間的光出射点多重化手段３−１について説明する。

空間的光出射点多重化手段３−１は、光出射点多重化を空間的な多重化手段で行うものをいう。

本実施例においてこの空間的光出射点多重化手段３−１は光線の光出射点多重化を目的とするので、光学的な光路あるいは像の多重化手段をこれに用いることができる。そのような多重化手段には例えば、レンズアレイや複屈折素子、微小開口アレイ、回折格子アレイなどがある。図７はこのうちレンズアレイによる光出射点多重化手段３−１を示した概略図である。図６を用いて説明したように、まず立体像表示装置１により光線の光出射点列２が形成されている。

本実施例では空間的光出射点多重化手段３−１としてレンズアレイ（光学素子アレイ）３−１を配置して、これら光出射点列２に形成した光出射点の数を多重化して高密度光出射点列４を形成している。このとき重要なことは、レンズアレイ３−１の個々の要素レンズ（光学素子）３−１ａに対して、複数の光出射点２ａ１〜２ａｎから出射する光線が同時に入射するということが必要になる。

なぜなら、そのような構成が成立していれば、１つのレンズ３−１ａによって複数の光出射点像が形成され、これが複数のレンズにおいて達成されることにより高密度光出射点列４が実現するのである。

例えば、図７のように１個の光出射点（１次光出射点）２ａ１から出射する光線がレンズアレイ３−１の３個の要素レンズ３−１ａ１、３−１ａ２、３−１ａ３に対して入射する時、１個の光出射点２ａ１の像が３個（２次光出射点）形成されることになり、３倍の光出射点多重化が実現する。（ただし、図では最端部のみ２倍の光出射点多重化となっている）つまり、ｍ個の光出射点２ａ１〜２ａｍからの光線が、レンズアレイ３−１の要素レンズｎ個に同時に入射する時、ｍ×ｎ個の光出射点４をレンズアレイ３−１の像面位置に形成することができる。こうしたことをふまえ、より光出射点多重化の効率を高めた例を図８ に示す。この実施例においては最初の光出射点列２が形成されている位置にフィ−ルド光学系８を配置し、１個の光出射点２ａ１からの光線がレンズアレイ３−１のすべての要素レンズ３−１ａ１〜３−１ａｎに対して入射するよう構成している。

このような構成をとることにより、光出射点の多重化は常にすべての要素レンズで行われるようになり、最終的に得られる光出射点の像の個数ｍ×ｎ個を最大化する高密度光出射点列４を形成することができる。

このように、空間的光出射点多重化手段３−１はもともとｍ個の光出射点を、その光線入射位置に応じて光学的にｎ倍に多重化する手段であればよい。

一方、実施例２の時間的光出射点多重化手段３−２は、光出射点多重化を時間的な多重化手段で行うものをいう。そのような多重化手段には例えば、図９のような振動レンズ３−２ａがある。この振動レンズ３−２ａは時系列的に光出射点形成と同期を取りながら光軸と垂直方向に振動（変位）しており、これにより光出射点２ａ１の像形成位置を多重化して、複数の２次光出射点を形成し、高密度光出射点列４を形成する。例えば振動の過程でt段階のレンズ位置をとることができ、かつ光出射点形成がそのｔ段階すべてに同期できるとすると、t倍に多重化された光出射点が実現できる。ただし、いずれの場合もこれら光出射点形成時間（レンズの振動周期）が人間の眼の残像許容時間より短い時間内で実行され、観察者からはこれらの光出射点形成がほぼ同時に起こっている現象と認識されることが望ましい。

上記振動レンズ３−２ａ以外にも、時間的光出射点多重化手段としては次のようなものがある。まず図１０に示したように図９のレンズ３−２ａの部分をレンズアレイ（光学素子アレイ）３−２ｂに置き換え、光出射点多重化の度合いをより高めたものが挙げられる。ｎ列のレンズアレイ３−２ｂで、振動の過程でt段階の位置をとることができ、かつ光出射点形成がそのｔ段階すべてに同期できるとすると、最大ｎ×t倍に多重化された光出射点より成る高密度光出射点列４が実現できる。

また、反射を利用した光学素子でも同様に時間的多重化手段を構成することができる。図１１は回転ミラ−３−２Ｃによる光出射点多重化を示している。この変位可能な回転ミラ−３−２Ｃはミラ−を時系列的に光出射点形成と同期を取りながら回転運動させて光出射点の像形成位置を多重化して、高密度光出射点列４を形成する。

例えば運動の過程でt段階のミラ−角度をとることができ、かつ光出射点形成がそのｔ段階すべてに同期できるとすると、t倍に多重化された光出射点が実現できる。さらに図１２に示したように図１１の回転ミラ−３−２Ｃの部分を回転ミラ−アレイ３−２ｄに置き換え、光出射点多重化の度合いをより高めたものが挙げられる。ｎ列の回転ミラ−アレイ３−２ｄで、振動の過程でt段階の位置をとることができ、かつ光出射点形成がそのｔ段階すべてに同期できるとすると、最大ｎ×t倍に多重化された２次光出射点を有する高密度光出射点列４が実現できる。

このように、時間的光出射点多重化手段はもともとｍ個存在する光出射点が、観察者の残像許容時間内にt倍に多重化されるような手段であればよい。

尚、回転ミラ−の代わりに振動ミラ−を用いても良い。

次に光出射点多重化手段を用いた、より具体的な実施例について説明する。

図１３は図４（a）に示すレンチキュラ方式にレンズアレイより成る空間的光出射点多重化手段を用いた立体像表示装置の実施例３の説明図（平面図）である。

画像表示手段１１の画像表現の最小単位である画素は画像表示手段１１の表面上に高密度に配列され、それぞれ、しかるべき強度や色を有する画像情報光を発する。これらの画像情報光は画像表示手段１１の前面に配置されたレンチキュラレンズ１３（鉛直方向に長いシリンドリカルレンズの集合体）に入射するが、その出射方向は画素とレンチキュラレンズ１３との相対的位置関係によって一意的に決定する。

また、画像表示手段１１はレンチキュラレンズ１３を構成する各シリンドリカルレンズの焦点距離f前後だけレンチキュラレンズ１３からはなれて配置されており、レンチキュラレンズ１３からは略平行光が出射していく。

つまりレンチキュラレンズ１３を通過した光は高い指向性を有し、光線のように振舞う。このときの指向性はレンチキュラレンズ１３の焦点距離を変化させることで調整することができる。

しかしながら、前述したような「超多眼領域」の立体像表示を行うために、本実施例の場合、上記光線が観察者６に到達する位置での光線径が観察者の瞳孔径よりも小さくなるように調整している。

また、これら光線の出射方向は上記画素と個々のシリンドリカルレンズ１３aとの相対的位置関係によって一意的に決定し、どの光線同士も独立な関係を保持することになる（図４(b)参照）。

このように従来からある単純なレンチキュラ方式の構成でも、条件さえ満足していれば超多眼表示が可能となることは既に前述したとおりである。

本実施例においてはさらに、図１３に示すように空間的光出射点多重化手段であるレンズアレイ３−１を、図示したようにレンチキュラレンズ１３を構成する複数のシリンドリカルレンズ１３aからの出射光に同時に作用する位置に配置する。レンチキュラレンズ１３の各要素レンズ１３aの中心点は、この場合光線の光出射点列（２）とみなすことができ、レンズアレイ３−１の各要素レンズ３−１aはこれら光出射点２の像を図中の位置４aに結像し、高密度光出射点列４を形成することになる。観察者６が本装置を観察する場合は、上記高密度光出射点列４から光線が多方向に出射しているのを認識することになる。レンズアレイ３−１の各要素３−１aレンズにはレンチキュラレンズ１３の２〜３個の要素レンズ１３aからの出射光が入射するので、レンズアレイ３−１の各要素レンズ３−１aは１個につき２〜３個の光出射点像を結像する。

したがって、レンズアレイ３−１が５列のレンズで構成されている場合、図中位置４aに形成される光出射点数は１０〜１５個となる。もともとレンチキュラレンズ１３は図１３では５個の光出射点を生成していたので、レンズアレイ３−１は２〜３倍の光出射点多重化を実現していることになる。

次に、図１４を用いて光出射点多重化の効率を改善する方法を説明する。図１３ではレンズアレイ３−１の各要素レンズ１個３−１aつき、レンチキュラレンズ１３側の２〜３個の光出射点が対応していた。

しかし、図１４ではレンチキュラレンズ１３近傍にフィ−ルドレンズ１４を配置することで、レンチキュラレンズ１３側の全ての光出射点がレンズアレイ３−１の全ての要素レンズ３−１aに対応するように構成している。これはつまり、レンズアレイ３−１の全幅を装置全体の光学的な瞳とみなし、この瞳全体をレンチキュラレンズ１３からの出射光線がカバ−するようにフィ−ルドレンズ１４の光学的仕様を決定することで達成することができる。

この構成によれば、例えばレンチキュラレンズ１３が５列のシリンドリカルレンズ１３aで構成されており、レンズアレイ３−１が５列のレンズで構成されている場合、図中位置４aに形成される光出射点数は５×５＝２５個の高密度光出射点列４となる。図１３の例と比較すると光出射点多重化の効率が改善されていることがわかる。

さらに、図１５では観察域の調整を行っている。図１４の構成においては、高密度光出射点列４を形成したあとの光線群が、レンズアレイ３−１の外側になればなるほど外向きの角度が付いて光出射点を出射している。

つまり、レンズアレイ３−１の中心付近を通過した光線は図中の観察者６の位置に到達するが、レンズアレイ３−１の周辺部を通過した光線は観察者６の位置には到達しなくなる。これは観察者から見てレンズアレイ３−１の中心付近以外は暗く見えてしまうことを意味する。そこで、図１５ではさらに第２のフィ−ルドレンズ１５を挿入し、全ての光出射点から出射する光線を観察者６の方面に偏向させる工夫をしている。

この方法によれば、各光出射点から出射する光線の到達領域が常に観察者６の位置を中心として存在することになる（ただし、観察者６の位置は最も存在確率の高い表示装置中心に正対する位置であるとして考えている）。

尚、本実施例は水平方向のみに光学パワ−を持つシリンドリカルレンズのアレイであるレンチキュラレンズ１３による光線生成を前提として説明したが、これを水平方向と鉛直方向の双方に光学パワ−を有する蝿の目状のレンズアレイに置き換えて、水平視差のみではなく鉛直視差を発生させることもできる。

図１６は、マルチプロジェクション方式にレンズアレイより成る空間的光出射点多重化手段を用いた立体像表示装置の実施例４の説明図（平面図）である。

本実施例では複数の画像表示手段１１−１〜１１−５とそれぞれに対応する複数の投影手段１６が用いられる。ここでは５つの画像表示手段１１−１〜１１−５とこれに対応する５つの投影手段１６−１〜１６−５を用いている(以下、任意の画像表示手段を１１−ｘ、これに対応する投影手段を１６−xと表現する。)。

画像表現の最小単位である画素は画像表示手段１１−xの表面上に高密度に配列され、それぞれ、しかるべき強度や色を有する画像情報光を発する。これらの画像情報光は画像表示手段１１−xの前面に配置された投影手段１６−xによって拡大投影される。投影手段１６−xはそれぞれ指向性発生手段１７を有しており、投影手段１６−xを出射する光は高い指向性を有し光線のように振舞うことになる。

本実施例では指向性発生手段１７として小開口絞りを用いることで、指向性の高さを発生させている。

このときの指向性は小開口絞り１７の径を変化させることで調整することができる。

しかしながら、前述したような「超多眼領域」の立体像表示を行うために、本実施例の場合、上記光線が観察者６に到達する位置での光線径が観察者の瞳孔径よりも小さくなるように調整している。

また、これら光線の出射方向は上記画素と個々の投影手段１６−ｘとの相対的位置関係によって一意的に決定し、どの光線同士も独立な関係を保持することになる（図４(b)参照）。

本実施例においてはさらに、図１６に示すように空間的光出射点多重化手段であるレンズアレイ３−１を、図示したように複数の投影手段１６−ｘからの出射光に同時に作用する位置に配置する。投影手段１６−ｘ内の小開口絞り１７は、この場合光線の光出射点列（２）とみなすことができ、レンズアレイ３−１の各要素レンズ３−１aはこれら光出射点の像を図中の位置４aに結像し、高密度光出射点列４を形成することになる。観察者６が本装置を観察する場合は、上記高密度光出射点列４から光線が多方向に出射しているのを認識することになる。

レンズアレイ３−１の各要素レンズ３−１aには投影手段１６−xのうち２〜３個からの出射光が入射するので、レンズアレイ３−１の各要素レンズ３−１aは１個につき２〜３個の光出射点像を結像する。

したがって、レンズアレイ３−１が５列のレンズで構成されている場合、図中位置４aに形成される光出射点数は１０〜１５個となる。もともと投影手段１６−xは５台存在し、５個の光出射点を生成していたので、レンズアレイ３−１は２〜３倍の光出射点多重化を実現していることになる。

前記図１３〜図１５の実施例同様、本実施例においても図１７のようにフィ−ルドレンズ１４を投影手段１６−xの近傍に配置することで光出射点多重化の効率を改善することができる。

この構成によれば、例えば画像表示手段１１と投影手段１６の組が５列で構成されており、レンズアレイ３−１が５列のレンズで構成されている場合、図中位置４aに形成される光出射点数は５×５＝２５個となる。図１６の例と比較すると光出射点多重化の効率が改善されていることがわかる。

さらに、前記図１３〜図１５の実施例同様、本実施例においても、図１８のように第２のフィ−ルドレンズ１５を挿入しても良い。これにより全ての光出射点から出射する光線を観察者６の方面に偏向させ、各光出射点から出射する光線の到達領域が常に観察者６の位置を中心として存在するよう構成することができる。

本実施例ではすべて平面図を用いて説明を行ったが、光線偏向が全て水平方向のみに行われるとは限らない。側面図においても図１６〜１８と同様の光線生成を行うように構成し、水平方向と鉛直方向両方の視差を観察者に認識せしめることも可能である。しかしながら、水平方向と鉛直方向両方の視差情報を発生させるとなると、莫大な情報量の取り扱いが必要となってしまう。そこで、図１９に示すように、レンズアレイ３−１を水平方向のみに光学パワ−を持つシリンドリカルレンズのアレイで構成して、水平方向のみ光出射点多重化を行うという構成をとることもできる。この場合、図１９に示すように鉛直方向光拡散手段１８をレンズアレイ３−１の射出側の光路中に配置することで、鉛直方向の観察域を確保することができる。

図２０はマルチプロジェクション方式に振動レンズより成る時間的光出射点多重化手段を用いた立体像表示装置の実施例５の概略図である。

図９にて説明した振動レンズを用い、時系列的に光出射点形成と同期を取りながら振動させて光出射点の像形成性位置を多重化する立体表示装置を示す図である。

図１６にて説明したマルチプロジェクション方式の立体像表示装置により形成される高密度光出射点列４の形成手段として時間的光出射点多重化手段として振動レンズ１９を作用させる。図２０においては３段階のレンズ位置を取ることにより多重化を実施している。これにより３倍に多重化された高密度光出射点列４が実現できる。光出射点形成時間（レンズの振動周期）が人間の眼の残像許容時間より短い時間内で実行されることにより、観察者にはこれらの光出射点形成がほぼ同時に起こっている現象と認識される。

図２１はマルチプロジェクション方式に振動レンズアレイより成る時間的光出射点多重化手段を適用したものであり、図２０における振動レンズ１９を振動レンズアレイ２０に置き換え、光出射点多重化の度合いをより高めた光学系の構成を示す図である。

複数のレンズアレイ要素２０aに１つの光出射点からの光線を入射させることにより複数の光出射点像を形成し、さらに、この振動レンズアレイ２０を時系列的に光出射点形成と同期を取りながら振動させることにより光出射点を多重化する。これにより、さらに高密度な光出射点多重化を実現する。

図２２（a）〜図２２（ｃ）は、マルチプロジェクション方式に回転ミラ−より成る時間的光出射点多重化手段を用いた立体像表示装置の実施例６の概略図である。

図１１にて説明した回転ミラ−を用い、時系列的に光出射点形成と同期を取りながら振動させて光出射点の像形成性位置を多重化する立体表示装置を示す平面図である。図２２(b)は側面図である。入射される光線と回転ミラ−２０により折り返される光線は図２２(b)に示すように必ずしも同一面内でなくても良い。図２２(c)は回転ミラ−２２の反射によって光線が折り返された後の、虚像である高密度光出射点列４と観察者の関係を示している。回転ミラ−２２が回転することにより、虚像である光出射点位置が移動する。このため、見かけの光出射点数が増加し、光出射点間隔が減少する。回転においてt段階のレンズ位置を取ることができ、かつ光出射点形成がそのt段階全てに同期できるとするとt段階に多重化された光出射点が形成される。

図２３（a）、（b）は、マルチプロジェクション方式に回転ミラ−アレイより成る時間的光出射点多重化手段を用いたものである。

図２３（ａ），（ｂ）は図２２における回転ミラ−２３aを回転ミラ−アレイ２３に置き換え、個々の回転ミラ−２１aのサイズを減少し、装置構成をより薄型にした様子を示す図である。図２３(b)は回転ミラ−アレイ２３の反射によって光線が折り返された後の、虚像である高密度光出射点列４と観察者６の関係を示している。回転ミラ−２３aが回転することにより、虚像である光出射点位置が移動するため、見かけの光出射点数が増加し、光出射点間隔が減少する。回転においてt段階のレンズ位置を取ることができ、かつ光出射点形成がそのt段階全てに同期できるとするとt段階に多重化された光出射点が形成される。

以上、光出射点多重化手段を用いた具体的な実施例について説明したが、より広い立体像を表示しようとする場合には、本実施例の立体像表示装置をタイリングにより並べることで実現しても良い。その際、立体像観察領域が適切に得られるように、フィ−ルド光学系に偏心を持たせても良い。

以上、各実施例によれば、「超多眼領域」の立体像表示を行う際において、多くの視差画像を微小角度ピッチで多方向に提示することと、個々の視差画像を高い解像度で表示することとが両立された立体像表示装置が得られる。かつ立体像の解像度や視点数、視点ピッチの関係が高い自由度で設定された立体像表示装置が得られる。

尚、各実施例において、超多眼領域で立体表示するとは、観察者の各々の眼に複数の（好ましくは３つ以上の）視差画像を入射させることにより、それらの視差画像に基づく立体像を観察者に認識させることを言う。

超多眼立体視の説明図 従来の立体像表示装置の概略図 パララックス方式を用いた従来の立体像表示装置の原理説明図 レンチキュラ方式を用いた従来の立体像表示装置の原理説明図 ビ−ム偏向方式を用いた従来の立体像表示装置の原理説明図 本発明の実施例の基本構成の概略図 本発明の実施例１の空間的な光出射点多重手段にレンチキュラ−レンズを用いた立体像表示装置の概略図 図７の一部にフィ−ルドレンズを用いたときの概略図 本発明の実施例２の時間的な光出射点多重手段の説明図 アレイ化された時間的な光出射点多重手段の説明図 回転ミラ−による時間的な光出射点多重手段の説明図 アレイ化された回転ミラ−による時間的な光出射点多重手段の説明図 本発明の実施例３の空間的な光出射点多重手段を有する立体像表示装置の概略図 図１３の一部にフィ−ルドレンズを用いたときの概略図 図１３の一部にフィ−ルドレンズを用いたときの概略図 本発明の実施例４のマルチプロジェクション方式を用いた立体像表示装置の概略図 図１６の一部にフィ−ルドレンズを用いたときの概略図 図１６の一部にフィ−ルドレンズを用いたときの概略図 図１６の一部にフィ−ルドレンズと鉛直方向光拡散手段を用いたときの概略図 本発明の実施例のマルチプロジェクション方式と時間的な光出射点多重化手段を用いた立体像表示装置の実施例５の概略図 図２０の振動レンズの代わりに振動レンズアレイを用いたときの概略図 図２０の振動レンズの代わりに回転ミラ−を用いたときの立体像表示装置の実施例６の概略図 図２２の回転ミラ−の代わりに回転ミラ−アレイを用いたときの概略図 従来の立体像表示装置の概略図

符号の説明

１０１ 眼球
１０１a 観察者
１０２ 画像情報の表示最小単位
１−１ 光線生成手段
１−２ 光線偏向手段
１−３ 光線変調手段
１ 立体像表示装置
２ 光線の光出射点列
３ 光出射点多重化手段
３−１ 空間的光出射点多重化手段
３−２ 時間的光出射点多重化手段
３−２a 振動レンズ
３−２b 振動レンズアレイ
３−２ｃ 回転ミラ−
３−２ｄ 回転ミラ−アレイ
４ 高密度光出射点列
６ 観察者
１１ 画像表示手段
１２ パララックスバリア
１３ レンチキュラレンズ
１４ フィ−ルドレンズ
１５ フィ−ルドレンズ
１６ 投影手段
１７ 指南性発生手段
１８ 一方向拡散板手段
１９ 振動レンズ
２０ 振動レンズアレイ
２２ 回転ミラ−
２３ 回転ミラ−アレイ

Claims (9)

1. 視差画像情報に基づく光束を出射する画素を複数含む光変調手段と、
   前記光変調手段の光出射側に配置され、１次光出射点を形成する１次光出射部を、所定の方向に複数個配列して構成される１次光出射点配列手段を有し、
   前記１次光出射点配列手段は、前記光変調手段の各画素からの光束を、指向性があり、かつ互いに異なる複数の方向へ出射する光束とし、
   前記１次光出射点配列手段の光出射側に配置され、前記複数の１次光出射部からの光束により前記１次光出射点よりも多くの２次光出射点を、前記１次光出射点の光源像として形成する光出射点多重化手段を有することを特徴とする立体像表示装置。
2. 超多眼領域で立体表示する立体像表示装置であることを特徴とする請求項１に記載の立体像表示装置。
3. 前記光出射点多重化手段は、光学系を有し、該光学系の変位によって、前記１次光出射点よりも多くの２次光出射点を形成することを特徴とする請求項１又は２の立体像表示装置。
4. 前記光出射点多重化手段は、複数の光学素子を配列した光学素子アレイを有し、
   前記光学素子アレイによって前記１次光出射点よりも多くの２次光出射点を形成することを特徴とする請求項１又は２の立体像表示装置。
5. 前記光出射点多重化手段は、複数の光学素子を一方向に配列した光学素子アレイを有し、
   １つの前記光学素子に対して、複数の前記１次光出射点からの光束が入射することによって、１つの前記光学素子ごとに、複数の２次光出射点が形成されることを特徴とする請求項１、２、４のいずれか１項に記載の立体像表示装置。
6. 前記光出射点多重化手段は、複数の光学素子を一方向に配列した光学素子アレイを有し、１つの前記光学素子に対して、すべての前記１次光出射点からの光束が入射することによって、１つの前記光学素子ごとに、すべての前記１次光出射点の数の２次光出射点が形成されることを特徴とする請求項１、２、４のいずれか１項に記載の立体像表示装置。
7. 前記光出射点多重化手段は、要素レンズを複数有するレンズアレイであり、
   前記１次光出射点配列手段により１次光出射点が形成される位置に配置されたフィールド光学系を有し、
   １個の１次光出射点からの光束が、前記レンズアレイのすべての要素レンズに入射することを特徴とする請求項１、２、４乃至６のいずれか１項に記載の立体像表示装置。
8. 前記光出射点多重化手段は、変位可能な光学素子又は変位可能な複数の光学素子を一方向に配列した変位可能な光学素子アレイを有することを特徴とする請求項１又は２の立体像表示装置。
9. 前記変位可能な光学素子は、振動レンズ又は振動ミラー又は回転ミラーから成ることを特徴とする請求項８の立体像表示装置。