JP5176718B2 - 空間像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の視野角に対応する複数の光線を空間中に多数放射することで３次元的な空間像を形成する装置、特に、少なくとも２次元表示装置とレンチキュラーレンズとを備えた空間像表示装置に関する。

従来より、観察者の両眼に視差のある画像を見せることで立体視を実現する２眼式の立体表示装置が知られている。一方、人間が持つ立体知覚機能には、両眼視差、輻輳、生理的調整および運動視差の４つが知られているが、２眼式では両眼視差を満足するものの、その他の知覚機能との間に認識の不一致や矛盾が生じることが多い。こういった不一致や矛盾は実世界ではありえないため、脳が混乱し疲労を引き起こすと言われている。

そこで、より自然な立体視を実現する方法として空間像方式の開発が進められている。空間像方式では、放射方向の異なる複数の光線を空間中に放射することで、複数の視野角に対応した空間像を形成する。空間像方式では、人間が持つ立体知覚機能のうち、両眼視差、輻輳および運動視差を満足させることができる。特に、極めて細かく細分化された視野角に対してそれぞれ適した画像を空間中に表示させることができれば、人間の焦点調整機能である生理的調整も含めたすべての立体知覚機能を満足させることができ、自然な立体像を感じさせることができる。空間像を形成する方法としては、複数の視野角に対応した画像を高速に時分割で切り替えて表示するような、「時分割方式」での表示方法が知られている。時分割方式を実現するものとしては、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用して作成されたマイクロ偏向ミラーアレイを用いたものが知られている。これは、時分割された画像光をマイクロ偏向ミラーアレイによって画像の切り替えタイミングに同期して偏向させるものである。

空間像方式としてはまた、液晶ディスプレイなどの２次元表示装置とレンチキュラーレンズとを組み合わせた方式が知られている（非特許文献１，２および特許文献１，２参照）。この方式では、２次元表示装置の１つの表示面内に複数の視野角に対応する画像を同時に詰め込んで一度に表示すると共に、その複数の視野角に対応する画像を、レンチキュラーレンズを介して適切な方向に偏向して放射することで複数の視野角に対応した空間像を形成する。これは、上述の時分割方式とは異なり、１つの表示面内で複数の視野角に対応する画像を分割して同時に表示しているので、「面分割方式」と呼ばれる。

ここで、レンチキュラーレンズとは、例えば複数のシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）を互いの円筒軸（中心軸）が略平行となるように並列配置して全体としてシート状（板状）に構成されたものである。上述の面分割方式では、レンチキュラーレンズを構成するシリンドリカルレンズの焦点面を２次元表示装置の表示面に一致するように配置する。２次元表示装置とレンチキュラーレンズとの最も単純な組み合わせ方としては、シリンドリカルレンズの円筒軸と２次元表示装置の縦方向とを平行に設定する方法がある。この方法の場合、２次元表示装置の表示面は通常、水平方向（横方向）および垂直方向（縦方向）に配置された多数の画素で構成されているので、水平方向に配置された所定数の複数の画素に１つのシリンドリカルレンズを対応させて「３次元画素」が構成される。「３次元画素」とは、空間像を表示するための画素の１つの単位であり、２次元表示装置の所定数の複数の画素からなる画素群が１つの「３次元画素」として設定される。シリンドリカルレンズの円筒軸から各画素までの水平距離で、その画素から出射される光のシリンドリカルレンズ通過後の水平進行方向（偏向角）が決まるので、３次元画素として用いた水平画素数と同じだけの水平表示方向が得られる。この構成方法では、水平表示方向を多くすると、３次元表示の水平方向の解像度が極端に低下するとともに、３次元表示の水平・垂直の解像度にアンバランスが生じるという問題点が指摘されている。特許文献１には、この問題点を解決するために、シリンドリカルレンズの円筒軸を２次元表示装置の縦方向に対して傾斜して配置する方法が提案されている。

図１３（Ａ）は、特許文献１で提案されている表示方式の一例を示している。図１３（Ａ）において、２次元表示装置１０１は、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の画素１０２を複数有している。画素１０２は、水平方向には同一色のものが配列され、垂直方向にはＲ，Ｇ，Ｂの３色が周期的に現れるように配列されている。レンチキュラーレンズ１０３は、複数のシリンドリカルレンズ１０４を有している。レンチキュラーレンズ１０３は、画素１０２の垂直配列方向に対して傾けて配置されている。この表示方式では、水平方向にＭ個、垂直方向にＮ個、計Ｍ×Ｎ個の画素１０２で１つの３次元画素を構成し、Ｍ×Ｎ個の水平表示方向を実現する。このとき、レンチキュラーレンズ１０３の傾き角をθとすると、
θ＝ｔａｎ−１（ｐx／Ｎｐy）とすることで、３次元画素内のすべての画素１０２について、シリンドリカルレンズ１０４の円筒軸に対する水平距離を異なる値に設定することができる。ここで、ｐxは各色の画素１０２の水平方向のピッチであり、ｐyは各色の画素１０２の垂直方向のピッチである。

図１３（Ａ）の例では、Ｎ＝２、Ｍ＝７／２として、７個の画素１０２を用いて１つの３次元画素を構成し、７個の水平表示方向を実現している。図１３（Ａ）において画素１０２に付している１〜７の番号はその７個の水平表示方向に対応することを示している。このようにレンチキュラーレンズ１０３を傾けて用いることで、水平方向の画素１０２のみでなく、垂直方向の画素１０２をも用いて、１つの３次元画素を構成することができ、３次元表示の水平方向の解像度の低下を抑え、水平・垂直方向の解像度のバランスを向上できることが提案されている。

しかしながら、図１３（Ａ）に示した表示方式では、１つの３次元画素につき、１つの水平表示方向には１つの色の画素１０２しか対応させていない。このため、１つの３次元画素内では１つの水平表示方向にＲ，Ｇ，Ｂの３原色を同時に表示できない。そのため、３つの３次元画素を組み合わせることで、１つの水平表示方向につきＲ，Ｇ，Ｂの３原色を表示している。図１３（Ｂ）では、７個の水平表示方向のうち４番目の水平表示方向についての表示色を３次元画素ごとに示している。図１３（Ｂ）に示すように、斜め方向に３つの３次元画素を組み合わせて用いることで１つの水平表示方向にＲ，Ｇ，Ｂの３原色を同時に表示し、フルカラー表示を実現している。この表示方式では、水平表示方向によって３次元画素の表示色が変化するため、３次元像に色むらが生じるという問題点が指摘されている。さらに、各色の画素１０２の画素構造に依存して水平表示方向に対して最大強度が変化するため、網膜像に水平方向の強度むらが生じる問題もある。特許文献２には、画素１０２の配列やレンチキュラーレンズ１０３の傾き角θを工夫することで、上述の特許文献１に記載の表示方式による問題点を改善する方法が提案されている。

平山雄三，「平置き型立体ディスプレイシステム」，光学，第３５巻，２００６年，ｐ．４１６−４２２ Y.Takaki，「Density directional display for generating natural three-dimensional images」，Proc.IEEE，２００６年，第９４巻，ｐ．６５４−６６３ 米国特許第６，０６４，４２４号明細書 特開平２００５−３０９３７４号公報

しかしながら、従来の時分割方式を用いる空間像表示装置では、コストや製造適性の点で、大面積の表示装置を実現することが難しいという問題がある。また、例えばマイクロ偏向ミラーアレイを用いた場合、すべてのマイクロミラーを精度良く同期させて偏向させるためには、個々のマイクロミラーを非常に高い精度でそれぞれ独立して制御する必要があり、制御が難しいという問題がある。

また、従来の面分割方式を用いる空間像表示装置では、２次元表示装置の表示面内に３次元情報（多数の視野角に対応する画像）を同時に詰め込んでいることを特徴としている。２次元表示装置の限られた画素数に対して３次元情報を詰め込むのであるから、表示される３次元画像（空間像）の精細度は、必ず、２次元表示装置が表示し得る２次元画像の精細度より劣ることになる。しかも、空間像の鑑賞可能な領域を増やそうと思えば思うだけ、また、鑑賞者の動きに対して自然で滑らかな空間像を表示しようと思えば思うだけ、その精細度は２次元表示装置の精細度に比較して極端に劣化してしまうといった問題がある。これを回避するために、３次元情報を一度に全部２次元表示装置に詰め込むのではなく、人間の眼の持つ積分効果を利用して、少しずつ違った３次元情報を入れ込んだ２次元表示装置の画像を高速に切り替えながら時分割で表示するという方法が考えられる。これは時分割方式と面分割方式とを組み合わせた表示方法と言えるが、それを現実的に実現する具体的な手法はまだ開発されていない。

また、シリンドリカルレンズの円筒軸を２次元表示装置の縦方向に対して傾斜して配置する方法の場合、縦方向に対して平行に配置した場合に比べてシリンドリカルレンズの大きさに対する画素の見掛けの大きさが大きくなる。この場合、シリンドリカルレンズを介して１つの画素から放射される光線の発散角が大きくなる。一方、多数の光線を空間に放射して空間像を表示する場合、ボケの少ない空間像を表示するためには一本一本の光線が細く発散角の少ない光線である必要がある。このため、シリンドリカルレンズを傾斜して配置する方法の場合、表示される空間像がボケるという問題がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、従来に比べて高精細な立体表示を容易に実現することができるようにした空間像表示装置を提供することにある。

本発明の空間像表示装置は、ｐ色（ｐは１以上の整数）の画素を複数有し、各画素が、縦方向および横方向の格子目上に２次元配列されることにより平面状の表示面が形成され、かつ、縦方向には同一色の画素が複数配列され、横方向には一定周期ごとに同じ色が現れるようにｐ色の画素が周期的に複数配列された２次元表示部と、複数のシリンドリカルレンズが並列配置されて全体として板状に構成され、２次元表示部の表示面に対して全体として対向配置されると共に、シリンドリカルレンズによって２次元表示部の各画素からの表示画像光を偏向して空間中に放射するレンチキュラーレンズと、レンチキュラーレンズまたは２次元表示部の少なくとも一方を表示面に平行（略平行）な面内で往復移動させることで、各シリンドリカルレンズと２次元表示部の各画素との相対的な位置関係を周期的に変化させ、各シリンドリカルレンズによる任意の画素からの表示画像光の放射方向を周期的に変位させる変位手段と、３次元映像の１フレーム分に対応する画像を２次元表示部に時分割で表示させる制御を行うと共に、２次元表示部における時分割表示のタイミングと変位手段による相対的な位置関係を変化させるタイミングとを同期させる制御を行う制御手段とを備え、レンチキュラーレンズが、各シリンドリカルレンズの長手方向、または、互いに隣り合う各シリンドリカルレンズ間の境界線の方向が２次元表示部の縦方向の軸に対して平行（略平行）となるように配置されているものである。

なお、本発明の空間像表示装置において、構成要素が「直交」または「平行」となる部分に関しては、厳密に「直交」または「平行」でなくても、目標とする適切な表示品質が満たされる範囲内で概ね「直交」または「平行」であればよい。例えば製造誤差程度の角度ずれがあっても構わない。
また、本発明の空間像表示装置において、「シリンドリカルレンズ」とは、必ずしも完全な円筒状のレンズである必要はなく、略円筒状のレンズであれば良い。例えば、屈折力を有する方向の断面が必ずしも完全に円形（円弧）である場合に限らず、非円形なものであっても良い。例えばレンズの収差を考慮して円形から故意に形状を変形させた非円形であっても良い。さらに、屈折率に分布を施すことによってレンズ効果をもたせた例えばGRIN(GRaded-INdex)レンズのようなものであっても良い。

本発明の空間像表示装置では、ｐ色の画素を複数有する２次元表示部に対して、レンチキュラーレンズとを適切に組み合わせたことで、同時刻に、複数の視野角に対応する複数の光線が面分割で空間中に放射される。特に、各シリンドリカルレンズの長手方向、または、互いに隣り合う各シリンドリカルレンズ間の境界線の方向が２次元表示部の縦方向の軸に対して平行となるようにレンチキュラーレンズが配置されていることで、シリンドリカルレンズを傾斜して配置した場合に比べて、シリンドリカルレンズを介して１つの画素から放射される光線の発散角が小さくなる。これにより、ボケの少ない空間像が表示される。また、本発明の空間像表示装置では、各シリンドリカルレンズと２次元表示部の各画素との相対的な位置関係が周期的に変化することで、各シリンドリカルレンズによる任意の画素からの表示画像光の放射方向が周期的に変位する。そして、３次元映像の１フレーム分に対応する画像が、２次元表示部の各画素ごとに時分割で表示されると共に、２次元表示部における時分割表示のタイミングと変位手段による相対的な位置を変位させるタイミングとが同期制御される。すなわち、本発明の空間像表示装置では、面分割方式と時分割方式とを組み合わせた立体表示がなされる。これにより、従来に比べて高精細な立体表示が実現される。

本発明の空間像表示装置において、変位手段が、レンチキュラーレンズまたは２次元表示部を２次元表示部の横方向と平行（略平行）な方向に往復移動させるようになされていることが好ましい。また、制御手段は、２次元表示部の横方向の各色についての画素ピッチをｐx、レンチキュラーレンズと２次元表示部との相対的な基準位置をｘoとして、各シリンドリカルレンズと２次元表示部の各画素との相対的な位置ｘiを、次の関係式（１）に従って変位させると共に、２次元表示部における時分割表示のタイミングを、関係式（１）に従って変位するタイミングに同期させる制御を行うことが好ましい。なお、この関係式は厳密に満たしていなくても、目標とする適切な表示品質が満たされる範囲内で概ね満たしていればよい。
ｘi＝ａ0・ｉ＋ｘo
ただし、
ｉ＝０，……，（ｍｐ−１） ｍは１以上の整数
ａ0＝ｐx／ｍ
……（１）

このような所定の関係式を満足するように適切な制御を行うことで、空間像の明るさの強度むらと色むらとが抑制され、より良好な空間像表示が行える。

本発明の空間像表示装置によれば、２次元表示部の画素配列の縦方向の軸に対して各シリンドリカルレンズの長手方向、または、互いに隣り合う各シリンドリカルレンズ間の境界線の方向が平行となるようにレンチキュラーレンズを配置して面分割で複数の視野角に対応する複数の光線を空間中に放射するようにしたので、シリンドリカルレンズを傾斜して配置した場合に比べて、１つの画素から放射される光線の発散角を小さくでき、ボケの少ない空間像を表示することができる。また、本発明の空間像表示装置によれば、レンチキュラーレンズの各シリンドリカルレンズと２次元表示部の各画素との相対的な位置関係を周期的に変化させ、各シリンドリカルレンズによる任意の画素からの表示画像光の放射方向を周期的に変位させることで、３次元映像の１フレーム分に対応する画像を、２次元表示部の各画素ごとに時分割で表示させるようにしたので、面分割方式と時分割方式とを組み合わせた立体表示を実現できる。この場合において、レンチキュラーレンズまたは２次元表示部を全体的に移動させることで時分割表示を実現するようにしたので、例えばマイクロ偏向ミラーアレイの個々のマイクロミラーを時分割で独立に同期制御するような場合に比べて、同期制御も容易となる。これにより、従来に比べて高精細な立体表示を容易に実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る空間像表示装置の外観の概略構成を示している。図１にはまた、ある画素（３次元画素１１）から放射される光線の状態を示している。図２は、その光線を上方から見た状態を示している。図３は、本実施の形態に係る空間像表示装置の構成を回路要素も含めて全体的に示したものである。

本実施の形態に係る空間像表示装置は、２次元表示装置とレンチキュラーレンズ２とを備えている。２次元表示装置は、例えば液晶表示パネル等の表示デバイスからなる２次元表示部１を有している。レンチキュラーレンズ２は、複数のシリンドリカルレンズ２Ａが互いの円筒軸が略平行となるように並列配置されて全体として板状に構成されている。レンチキュラーレンズ２は、２次元表示部１の表示面１Ａに対して全体として略平行となるように対向配置されている。また、各シリンドリカルレンズ２Ａの焦点面が２次元表示部１の表示面１Ａに一致するように対向配置されている。また、レンチキュラーレンズ２は、シリンドリカルレンズ２Ａの円筒軸が２次元表示部１の縦方向（Ｙ方向）に対して平行となるようにして配置されている。レンチキュラーレンズ２は、２次元表示部１からの表示画像光を各画素ごとに偏向して放射するようになっている。

２次元表示部１は、ｐ種類（ｐ色（ｐは１以上の整数））の画素１０を複数有し、各画素１０が、互いに略直交する縦方向（Ｙ方向）および横方向（Ｘ方向）の格子目上に２次元配列されることにより平面状の表示面１Ａが形成されている。２次元表示部１はまた、縦方向には同一色の画素１０が複数配列され、横方向には一定周期ごとに同じ色が現れるようにｐ色の画素１０が周期的に複数配列されている。このような２次元表示部１としては、例えば液晶表示デバイスを用いることができる。液晶表示デバイスは、一対のガラス基板間に、各画素１０に形成された画素電極が挟まれた構造（図示せず）となっている。また、これら一対のガラス基板間には、さらに液晶層など（図示せず）が設けられている。その他、２次元表示部１を有する２次元表示装置としては、プラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、プロジェクションディスプレイ等のディスプレイでストライプタイプのものが適している。また、本実施の形態では、２次元表示部１での映像表示のフレームレートは通常の３０Ｈｚや６０Ｈｚよりも早いフレームレートで使うことが好ましいので、ハイフレームレートでも表示できるディスプレイが望ましい。

図５は、２次元表示部１の画素１０の構成列とレンチキュラーレンズ２の配置例とをより具体的に示している。２次元表示部１とレンチキュラーレンズ２は、２次元表示部１の同一色の画素１０で構成されている縦列の方向（Ｙ方向）とレンチキュラーレンズ２の円筒軸Ｙ１とが平行となるように配置されている。

図５の例では、２次元表示部１の画素１０が、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の３種類（ｐ＝３）の画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂで構成されている。図５において、ｐxは２次元表示部１の横方向（Ｘ方向）の各色についての画素ピッチを示し、ｐyは縦方向（Ｙ方向）の各色についての画素ピッチを示している。本実施の形態において、「３次元画素」とは、空間像を表示するための画素の１つの単位であり、２次元表示部１の所定数の複数の画素からなる画素群が１つの「３次元画素」として設定される。より具体的には、縦方向に１個の画素と横方向にｐ×Ｍ個の画素１０とからなる計ｐ×Ｍ個（Ｍは１以上の整数）の画素群が「３次元画素」として設定される。「３次元画素」は空間像を表示するときに像を構成する概ね最小の画素になる。本実施の形態において、１つの３次元画素１１から同時刻に放射される放射方向のそれぞれ異なる光線数ν０は、
ν０＝Ｍ・ｐ
を満足する。図５の例では、横方向にＭ＝２が設定されている。本実施の形態においては、レンチキュラーレンズ２のピッチが３次元画素１１のＸ方向の長さと等しいことが好ましい。すなわち、レンチキュラーレンズ２における各シリンドリカルレンズ２ＡのＸ方向のピッチｐrが、
ｐr＝ｐ・ｐx・Ｍ
を満足する値となっていることが好ましい。なお、この関係式は厳密に満たしていなくても、目標とする適切な表示品質が満たされる範囲内で概ね満たしていればよい。

本実施の形態において、レンチキュラーレンズ２はそれぞれ相等しいシリンドリカルレンズ２Ａが所定の間隔で並行に並んだ構成をしている。また、本実施の形態において、各々のシリンドリカルレンズ２Ａの焦点位置は、２次元表示部１の表示面１Ａに概ね一致するようにレンチキュラーレンズ２を配置するのが望ましい。しかし、故意に焦点面から前後にずらして配置することも可能である。そのずれ量の詳細は省略するが、例えば空間像表示装置の方式として、大きくは、光線再生方式にするか、または、多眼方式にするかによる。ここで、表示面１Ａというのは、液晶ディスプレイであれば液晶の色フィルタが配置されている面、また有機ＥＬディスプレイやプラズマディスプレイであれば発光面、そしてプロジェクションディスプレイであればスクリーン面を指す。

本実施の形態において、シリンドリカルレンズ２Ａは、円筒軸Ｙ１を有する円筒状のレンズとして説明するが、必ずしも完全な円筒状のレンズである必要はなく、略円筒状のレンズであっても良い。すなわち、本実施の形態において、シリンドリカルレンズ２Ａとしては、その形状が、カマボコ形状をしており、その円の一部の形状をした部分は概ね円形（円弧）である。ただ、例えばレンズの収差を考慮して、屈折力を有する方向の断面が円形から故意に形状をずらした非円形であっても良い。さらに、屈折率に分布を施すことによってレンズ効果をもたせた例えばGRIN(GRaded-INdex)レンズのようなものであっても良い。また、通常のレンチキュラーレンズ２は、カマボコ状でカマボコの板の面は平面である。しかし、レンチキュラーレンズ２をディスプレイの表示面１Ａに近接して配置できるような場合には、カマボコの板の面も平面ではなく概ね円形にすることも可能である。その様な場合としては、例えば、プロジェクションディスプレイの場合などは表示面１Ａはスクリーンで、通常はスクリーン面はむき出しの場合が多いので、レンチキュラーレンズ２を表示面１Ａに近接して配置することが可能である。いずれの場合においても、レンチキュラーレンズ２を、各シリンドリカルレンズ２Ａの長手方向、または、互いに隣り合うシリンドリカルレンズ間の境界線の方向が、２次元表示部１の縦方向Ｙの軸に対して平行となるように配置すれば良い。ここでいう「長手方向」または「境界線の方向」は、シリンドリカルレンズ２Ａを完全な円筒状のレンズとした場合には、シリンドリカルレンズ２Ａの円筒軸（長手方向の中心軸）Ｙ１と同じ方向となる。

また、本実施の形態において、像の観察者が、空間像表示装置による空間像を観察するときは、観察者の両眼を結ぶ線の方向が２次元表示部１の縦方向Ｙと概ね垂直な方向になるような姿勢で見るのが望ましい。ただ、この姿勢は、寝転んで見ない限り通常一般的なテレビ等のディスプレイの観察姿勢であり、観察者に特別な姿勢を要求するものではない。

本実施の形態に係る空間像表示装置は、レンチキュラーレンズ２または２次元表示部１の少なくとも一方を表示面１Ａに略平行な面内で往復移動させることで、各シリンドリカルレンズ２Ａと２次元表示部１の各画素１０との相対的な位置関係を周期的に変化させ、各シリンドリカルレンズ２Ａによる任意の画素１０からの表示画像光の放射方向を周期的に変位させる変位手段を備えている。また、３次元映像の１フレーム分に対応する画像を２次元表示部１の各画素１０ごとに時分割で表示させる制御を行うと共に、２次元表示部１における時分割表示のタイミングと変位手段による相対的な位置を変位させるタイミングとを同期させる制御を行う制御手段を備えている。

図３には、その制御を行うための回路要素を示している。図３に示したように、この空間像表示装置は、２次元表示部１内の各画素１０へ映像信号に基づく駆動電圧を供給するＸドライバ（データドライバ）３３と、２次元表示部１内の各画素１０を図示しない走査線に沿って線順次駆動するＹドライバ（ゲートドライバ）３４と、これらＸドライバ３３およびＹドライバ３４を制御するタイミング制御部（タイミング・ジェネレータ）３１と、外部からの映像信号を処理して時分割映像信号を生成する映像信号処理部３０（シグナル・ジェネレータ）と、この映像信号処理部３０からの時分割映像信号を記憶するフレームメモリである映像メモリ３２とを備えている。

映像信号処理部３０は、外部から供給される映像信号に基づいて、１つの被写体に対する複数の視野角（偏向角）に応じて時分割で切り替えられる時分割映像信号を生成し、映像メモリ３２へ供給するものである。また、この映像信号処理部３０は、時分割映像信号の切り替えのタイミングに同期してＸドライバ３３、Ｙドライバ３４および圧電素子制御部３５が動作するように、所定の制御信号をタイミング制御へ供給するようになっている。なお、このような時分割映像信号は、例えば図４に示したように、表示対象とする撮像対象物４を様々な角度（視野角に対応）から撮像することによって予め作成しておくようにしてもよい。

この空間像表示装置はまた、上記「変位手段」の一具体例に対応する圧電素子２１を備えている。なお、図３の例では、圧電素子２１をレンチキュラーレンズ２に設けているが、この空間像表示装置では、レンチキュラーレンズ２と２次元表示部１との相対位置を変位させるように、相対的に移動させれば良いため、２次元表示部１に圧電素子２１を設けるようにしても良い。またはレンチキュラーレンズ２と２次元表示部１との双方に設けるようにしても良い。

この空間像表示装置はまた、圧電素子２１による相対位置変位動作の制御を行うための圧電素子制御部３５を備えている。この圧電素子制御部３５は、タイミング制御部３１によるタイミング制御に従って、相対位置変位動作の制御信号Ｓ１を圧電素子２１へ供給するようになっている。
ここで、タイミング制御部３１および圧電素子制御部３５が、上記「制御手段」の一具体例に対応する。

圧電素子２１は、例えばレンチキュラーレンズ２の側面に配設されており、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料を含んで構成される。この圧電素子２１は、制御信号Ｓ１に従って、２次元表示部１とレンチキュラーレンズ２との間の相対位置が、Ｘ−Ｙ平面内のＸ軸方向に沿って往復運動をするように変位させるものである。なお、圧電素子２１によるこのような相対位置変位動作の詳細については、後述する。

次に、以上のように構成された空間像表示装置の動作を説明する。

この空間像表示装置では、図３に示したように、映像信号処理部３０から供給される時分割映像信号に基づき、Ｘドライバ３３およびＹドライバ３４から画素電極への駆動電圧（画素印加電圧）が供給される。具体的には、２次元表示部１が例えば液晶表示デバイスである場合、Ｙドライバ３４から２次元表示部１内の１水平ライン分のＴＦＴ素子のゲートへ画素ゲートパルスが印加され、それと共にＸドライバ３３からその１水平ライン分の画素電極へ、時分割映像信号に基づく画素印加電圧が印加される。これにより、バックライトが図示しない液晶層で変調され、表示画像光が２次元表示部１内の各画素１０から発散されるため、その結果、時分割映像信号に基づく２次元表示画像が画素１０単位で生成される。

また、２次元表示部１から放射された表示画像光は、レンチキュラーレンズ２で概ね平行光束に変換されて射出される。この際、圧電素子制御部３５から供給される制御信号Ｓ１に基づき、圧電素子２１は、時分割映像信号の切り替えに応じて２次元表示部１とレンチキュラーレンズ２との間の相対位置をＸ−Ｙ平面内で変位させる。例えばレンチキュラーレンズ２がＸ軸方向に沿って往復運動をするように変位させる。すると、時分割映像信号が切り替えられる度に、各々の持つ視野角に対応してそれらの相対位置関係がずれることになる。したがって、表示画像光が両眼視差および輻輳角に関する情報を含むものとなり、これにより観察者が見る角度（視野角）に応じて適切な表示画像光の平行光束が射出されるため、観察者が見る角度に応じた所望の立体映像の表示がなされる。

この空間像表示装置では、１つの被写体に対し、複数の視野角に応じた映像信号（時分割映像信号）が時分割で切り替えられるため、従来の単純な面分割方式のように１枚の２次元映像の中に複数の視野角（偏向角）に対応した映像を含ませる必要がなくなり、２次元表示の場合と比べた画質の劣化（精細度の低下）が最小限に抑えられる。また、従来のようなＭＥＭＳ技術等を用いずに製造することが可能であるため、簡易に得ることができる。さらに、全体としては平面形状の表示装置とすることができるため、コンパクト（薄型）な構成となる。

以上のように本実施の形態では、２次元表示部１とレンチキュラーレンズ２との相対位置を変位動作させながら、その変位動作に同期した時分割の画像を２次元表示部１から、レンチキュラーレンズ２を介して投影し、空間像を表示することを１つの特徴としている。

図６には、その２次元表示部１から時分割の画像を投影（表示）する目安となるタイミングを示してある。２次元表示部１から投影されるタイミングは、２次元表示部１とレンチキュラーレンズ２の相対位置に対して設定される。相対位置であるから、実際に移動するのは、レンチキュラーレンズ２であってもよいし、２次元表示部１の表示面１Ａであってもよい。図６の例では、固定されたレンチキュラーレンズ２に対し２次元表示部１の表示面１Ａが横方向（Ｘ方向に）に略平行移動したときの例を示してある。また、図６の例では、２次元表示部１の画素１０が、３原色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）、３種類の画素１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂで構成されている（ｐ＝３）。また、縦方向に１個、横方向にｐ×Ｍ＝３×２個、合計６個の画素群で３次元画素１１が構成されている。

まず、図６のＴ１に示すように、２次元表示部１の位置ｘ０が、２次元表示部１から画像を投影する１つのタイミングであったとする。
すると、本実施の形態によれば、上述の関係式（Ａ）においてｎ・Ｎがｐの整数倍であるときは、２次元表示部１から画像が投影される他の位置のタイミングは次式（１）に基づいて決定される。なお、この関係式は厳密に満たしていなくても、目標とする適切な表示品質が満たされる範囲内で概ね満たしていればよい。
ｘi＝ａ0・ｉ＋ｘo
ただし、
ｉ＝０，……，（ｍｐ−１） ｍは１以上の整数
ａ0＝ｐx／ｍ
……（１）

本実施の形態において、制御手段は、レンチキュラーレンズ２と２次元表示部１との相対的な基準位置をｘoとして、各シリンドリカルレンズ２Ａと２次元表示部１の各画素１０との相対的な位置ｘiを概ね上記関係式（１）に従って変位させると共に、２次元表示部１における時分割表示のタイミングを、関係式（１）に従って変位するタイミングに同期させる制御を行う。

図６には、上記関係式（１）のときを例に、ｘ0の相対位置も含め、２次元表示部１から画像が投影される他の位置のタイミング、すなわち、式（１）を式（１）のｉに関してわかりやすく表形式でまとめたものであり、それぞれのｉでの２次元表示部１の位置を、レンチキュラーレンズ２の位置を固定しレンチキュラーレンズ２の位置を基準として図示してある。図６の例は、ｐ＝３，ｍ＝２，Ｍ＝２のときの例である。ｍ＝２であるから、ｉ＝０，１，２，３，４，５となり、その結果、３行２列の表となっている。

図６において、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６は、画像が投影されるタイミング（時刻）を示す。すなわち、図６の図中に振ってあるタイミングＴ１→Ｔ２，…→Ｔ６の順番にレンチキュラーレンズ２をスキャン（相対位置を変位）させている。この例では、１周期Ｔ１〜Ｔ６を繰り返して３次元映像表示の１フレーム期間に相当するスキャンを行っている。このとき、１つの任意の「３次元画素」１１に含まれる「Ｒ画素１０Ｒ」に注目し、画素１０とレンチキュラーレンズ２の中心軸Ｙ１との距離をＸs軸上にスキャンごとにその履歴を保存しながら棒線マークをプロットした図も図６に付加してある。すべての場合をスキャンすると最終的にはＴ６のようになる。図７に、図６の最終タイミングＴ６での状態を改めて拡大して示す。

図７を見てわかるように、本実施の形態による条件式（１）によれば、任意の「３次元画素」１１のいま注目している画素１０（ここではＲ画素１０Ｒ）のレンチキュラーレンズ２の中心軸Ｙ１からの距離関係は、Ｘs軸上の幅ｘwの中に等間隔（Δｘw）に、
（Ｍ・ｍ・ｐ）本並ぶことがわかる。

このレンチキュラーレンズ２の中心軸Ｙ１からの距離関係が、Ｘs軸上に等間隔に並ぶことのメリットについて説明する。その前に、理解を助けるために、レンチキュラーレンズ２と２次元表示部１の表示面１Ａ上の１つの発光点Ｐ１との相対位置と、発光点Ｐ１から投影される光線の偏向方向との関係について説明をする。

図１０（Ａ），（Ｂ）に示したように、発光点Ｐ１をレンチキュラーレンズ２（のシリンドリカルレンズ２Ａ）の焦点距離の位置（有効焦点距離：ｆ）に配置すると、発光点Ｐ１から放射された光はレンチキュラーレンズ２の中心線Ｙ１（シリンドリカルレンズ２Ａの円筒軸）と垂直な方向には概ね、平行な帯状の光束が偏向角φの方向に放射される。今、レンチキュラーレンズ２の中心軸線を発光点Ｐ１があるＹ’−Ｘs面（すなわち、２次元表示部１の表示面１Ａ）上へ、その投影線を投影したとき、発光点Ｐ１から投影線Ｙ’までの距離をｘsとすると、偏向角φのタンジェントは、概ね、次式（２）で表される。
ｔａｎφ＝ｘs／ｆ ……（２）

この式（２）を見ると、偏向角φのタンジェントは、発光点Ｐ１から中心線Ｙ１を発光点面上に投影した線Ｙ’までの距離ｘsに比例していることがわかる。図７には、このｘsをわかりやすく図示している。本実施の形態では、２次元表示部１の各画素１０がＸ，Ｙ方向に格子状に並んでおり、レンチキュラーレンズ２の中心軸Ｙ１はそのＹ軸に対して平行に配置される。そして、Ｘs軸は、図７に示すようにレンチキュラーレンズ２の中心軸Ｙ１（の投影線Ｙ’）に対して垂直な方向に配置され、原点Ｏはレンチキュラーレンズ２の中心線とｘsが交わる点に配置されている。こうすると、各画素１０からレンチキュラーレンズ２の中心線Ｙ１までの距離ｘsは、各画素からＸs軸に下ろした垂線とＸs軸上の原点Ｏまでの距離となることがわかる。そして、このｘsの値は偏向角φのタンジェントに比例した値となる。

レンチキュラーレンズ２の中心軸Ｙ１からの距離関係が、Ｘs軸上に等間隔に並べば、式（２）を見てわかるように、偏向角φのタンジェントはｘsに比例するので、偏向角φのタンジェントも上記スキャンの結果、等間隔に並ぶことがわかる。すなわち、本実施の形態の定めるタイミングで２次元表示部１から画像を投影すれば、任意の２次元表示部１上に構成される任意の「３次元画素」の、ある種類の画素１０（ここではＲ画素１０Ｒ）から投影される光線の偏向角φのタンジェントが等間隔に、
（Ｍ・ｍ・ｐ）本だけ並ぶことがわかる。これは、１つの３次元画素１１から３次元映像表示の１フレーム期間に放射される放射方向のそれぞれ異なる光線数ν、または３次元映像表示の１フレーム期間に１つの３次元画素により生成される視点数νに対応する。

その様子を図１、図２に図示してある。図１、図２には、空間像表示装置の任意の３次元画素１１のある種類の画素１０（例えばＲ画素１０Ｒ）から放射される光線の様子を示している。空間像は、空間像表示装置から任意の距離Ｌの場所（Ｘ’−Ｙ''面上）で鑑賞するとし、鑑賞者は距離Ｌを保ったまま自由に画面と平行に移動できるものとする（今は説明をしやすくするために、鑑賞者は便宜上距離Ｌを保ったまま左右のみ移動可能としているが、距離Ｌは任意であるので、この説明のあとは、もちろん、鑑賞者は前後左右に移動して鑑賞することが可能である）。レンチキュラーレンズ２の中心線Ｙ１と２次元表示部１の表示面１Ａとに垂直な線（Ｚ軸）を考え、２次元表示部１の表示面１Ａと交差する点と鑑賞者が移動する線との交差する点をそれぞれＯ、Ｏ’とする。本実施の形態による相対位置タイミングで「３次元画素」１１のある種類の画素１０（例えば、Ｒ画素１０Ｒ）を発光させると、今、レンチキュラーレンズ２を止めて考えると、図２に示すように、発光点がＸ軸に等間隔に並ぶ、すると上述の式（２）より偏向角φのタンジェントが等間隔に並ぶ。そしてまた、Ｏからｘsの位置での発光点Ｐ１から放射された光線は鑑賞者のＬだけ離れたＸ’軸上のＯ’からｘ’だけ離れた次式（３）で示す点に到達する。ここで、ｆはレンチキュラーレンズ２（のシリンドリカルレンズ２Ａ）の焦点距離（有効焦点距離）である。
ｘ’＝Ｌ・ｔａｎφ＝Ｌ・ｘs／ｆ＝ｘs・Ｌ／ｆ ……（３）

式（３）を見てわかるように、Ｘ軸上の発光点Ｐ１の位置が等間隔に並ぶと、それに対応して距離Ｌだけ離れた鑑賞者のＸ’軸に到達したとき到達点の位置も等間隔に並ぶことがわかる。鑑賞者から見たときの明るさは鑑賞者の眼の瞳に入る光線数に比例するから、Ｘ’軸に到達したとき到達点の位置も等間隔に並ぶということは、鑑賞者はそのＸ’軸上のどの位置から鑑賞しても光の強度は同じであるということ、すなわち光の強度むらが発生しないということを意味している。今は、例えばＲ画素１０Ｒについて考察したが、この考察はすべての種類の画素１０についても同様に言えることである。

図９（Ａ）は、図６に示した相対位置タイミングを実現するためのスキャン方法を時系列で示したものである。図９（Ａ）の例では、図６の図中に振ってあるタイミングＴ１→Ｔ２，…→Ｔ６の順番に相対位置を変位させる動作を繰り返している。この例では、１周期Ｔ１〜Ｔ６を繰り返して３次元映像表示の１フレーム期間に相当するスキャンを行っている。

図８は、２次元表示部１とレンチキュラーレンズ２との相対移動（スキャン動作）の第２の動作例を示している。また、図９（Ｂ）には、図８に示した相対位置タイミングを実現するためのスキャン方法を時系列で示している。本実施の形態によれば、式（１）のタイミングの順序には特に制約はない。従って、スキャンシステムの特性や都合によってタイミングの順序は決定されるのが一般的である。また、前述の式で示しているのは、２次元表示部１とレンチキュラーレンズ２の相対位置関係であるので、実際に可動させるのは、２次元表示部１であってもよいし、レンチキュラーレンズ２であってもよい。

図６および図９（Ａ）の動作例では、１フレーム期間内で、タイミングＴ１→Ｔ２，…→Ｔ６の順番に、式（１）で表される相対位置ｘiが、ｘo→ｘ1，…→ｘ5と順番に変位するようにスキャン動作する。一方、図８および図９（Ｂ）の動作例では、１フレーム期間内で、タイミングＴ１→Ｔ２→Ｔ３→Ｔ４→Ｔ５→Ｔ６の順番に、式（１）で表される相対位置ｘiが、ｘo→ｘ2→ｘ4→ｘ5→ｘ3→ｘ1と変則的に変位するようにスキャン動作している。

さらに図９（Ｃ）は、２次元表示部１とレンチキュラーレンズ２との相対移動の第３の動作例を示している。図９（Ｃ）の例では、あるフレーム期間内では、図６および図９（Ａ）の動作例と同様に、タイミングＴ１→Ｔ２，…→Ｔ６の順番に、式（１）で表される相対位置ｘiが、ｘo→ｘ1，…→ｘ5と順番に変位するようにスキャン動作する。続くフレーム期間内では、タイミングＴ１→Ｔ２，…→Ｔ６の順番に、式（１）で表される相対位置ｘiが、ｘ5→ｘ4，…→ｘoと順番に変位するようにスキャン動作する。以降は、この２種類のスキャン動作を繰り返すような動作をする。

なお、図９（Ａ）〜（Ｃ）を見てわかるように、２次元表示部１の２次元フレーム間隔ｔr（２次元映像表示の１フレーム期間）は、空間像表示装置が所定の光線数の光線で表示される空間像を表示するための一定の時間間隔、すなわち３次元映像表示の１フレーム期間（３次元フレーム間隔）がｔ3Dであるとすると、
ｔ3D＝ｑ・（ｍ・ｔr） ｑは１以上の整数
の関係を満足することが望ましい。

また、本実施の形態において、光線数ν（＝Ｍ・ｍ・ｐ）、または視点数νを得るために２次元表示部１において３次元映像表示の１フレーム期間内に時分割で表示される２次元画像の総枚数ｇは、
ｇ＝ｍ
の関係式を満足することが好ましい。

以上により、本実施の形態に係る空間表示装置において、レンチキュラーレンズ２と２次元表示部１との相対位置を変位させるタイミングと、２次元表示部１から映像を時分割で表示するタイミングとを適切に同期制御することで、鑑賞者は光強度むらのない空間像を鑑賞できることを説明した。

次に、本実施の形態に係る空間表示装置によれば色むらを抑制できることを説明する。
本実施の形態による１つの３次元画素１１を利用して所望の色を再現するためには、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の画素１０が、各色について所定の光量で発光し混色された状態で鑑賞者に到達する必要がある。各色の画素１０からの色を混色する方法としては、時間的にパラレルに各色の画素１０を発光させ混色する方法と、人の眼の持つ積分機能を利用して短時間にシリアルに各色の画素１０を所定の光量で発光させ混色する方法とがある。本実施の形態では、主としてパラレルとシリアルとを混在させて利用するが、３次元画素１１を利用して各色の画素１０の光を混色させて所望の色を再現させるための特徴的なポイントは、１つの３次元画素１１からある所定の偏向方向に放射される光線に注目すると、上で説明した３次元フレーム間隔ｔ3Dの間に、Ｒ，Ｇ，Ｂすべての種類の画素１０から同等に所定の偏向方向に所定の光量で光線が放射される必要がある、ということである。

本実施の形態によれば、１つの３次元画素１１からある所定の偏向方向に放射される光線に注目すると、３次元フレーム間隔ｔ3Dの間に、Ｒ，Ｇ，Ｂすべての種類の画素１０から同等に所定の偏向方向に所定の光量で光線が放射され、色むらが抑制される。

このことを図１１を参照して説明する。なお、図１１は、図８および図９（Ｂ）の動作例を基にしている。いま、画素１０がＲ，Ｇ，Ｂの３種類であるとすると、３次元フレーム間隔ｔ３Ｄの間に、ある注目する偏向角の方向にＲ，Ｇ，Ｂのすべての画素１０からの光線が放射されればよい。例えば図１１に示したある偏向角φ１に注目すると、１つの「３次元フレーム」を構成するスキャンのタイミングＴ１の状態ではＲ画素１０Ｒから光線が放射され、タイミングＴ２ではＢ画素１０Ｂ、タイミングＴ３ではＧ画素１０Ｇからそれぞれ光線が放射されることがわかる。

また、他の偏向角φ２に注目すると、１つの「３次元フレーム」を構成するタイミングＴ４の状態ではＧ画素１０Ｇから光線が放射され、タイミングＴ５ではＢ画素１０Ｂ、タイミングＴ６ではＲ画素１０Ｒからそれぞれ光線が放射されることがわかる。

以上の例で示したように本実施の形態によれば、３次元フレーム間隔の間に、Ｒ，Ｇ，Ｂのすべての種類の画素１０から同等に所定の偏向方向に光線が放射される。従って、色むらを抑制することができる。

次に、本実施の形態に係る空間表示装置によれば各色の画素１０からレンチキュラーレンズ２を介して放射される光線の発散角を最小に抑えることができることを説明する。

まず、説明を簡単にするために一般的な原理的な説明をすると、今、もし画素１０が面積を伴わない点光源であって、その画素１０が収差のない凸レンズの焦点位置に精度よく配置されていれば、画素１０からレンズを介して放射される光線は発散角がゼロの平行光線となる。しかしながら、画素１０が有限の面積を持っていれば、発散角をゼロにすることはできず、有限の発散角を持った光線が放射されることになる。なぜなら、有限の面積を持った画素１０を、無数の点光源が有限の画素内に配置されたものであると考えると、それぞれの点光源からの光線は発散角がゼロの平行光であってもそれぞれの点光源の位置によって光線がレンズから放射される偏向角度は異なることになる。そして、画素全体を考えると、画素１０はそのような点光源の集まりであるから、画素１０からレンズを介して放射される光線は様々な偏向角を持った平行光の集まりであると考えてよく、従って画素１０の面積によって発散角が有限の光線が放射されることになるのである。ところで、画素１０の中の点光源の偏向角度はその点光源とレンズの焦点位置との距離による。すなわち、点光源がレンズの焦点位置から離れると偏向角度も大きくなるのである。このため、画素面積が有限な場合は、画素面積が大きい程、画素１０からレンズを介して放射される光線の発散角は大きくなる。

以上の一般的な原理を踏まえ、本実施の形態に係る空間表示装置によれば、画素１０からレンチキュラーレンズ２を介して放射される光線の発散角を最小に抑えることができることを、図１２（Ａ），（Ｂ）を利用しながら説明する。図１２（Ａ），（Ｂ）の上図では、２次元表示部１における画素１０（３次元画素１１）の配列とそれに対するレンチキュラーレンズ２の配置を示してある。図１２（Ａ）上図は本実施の形態に係る空間表示装置での配置である。図１２（Ｂ）上図は従来例の構成での配置であり、レンチキュラーレンズ２が、シリンドリカルレンズ２Ａの中心軸（円筒軸）Ｙ１が２次元表示部１の縦方向Ｙに対して角度θだけ傾斜するように配置されている。本実施の形態に係る空間表示装置では、レンチキュラーレンズ２は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の中心軸Ｙ１の方向が観察者の顔の中心軸と平行な向きに配置してある。図１２（Ａ），（Ｂ）上図に示したように、３次元画素１１の横方向の長さは同じにして、一つの３次元画素１１からの全体の発散角度が、双方の配置例とも同一になるようなレンチキュラーレンズ２を選んだとする。このとき、一つの画素、ここでは一つのＲ画素１０Ｒに注目しそのＲ画素１０Ｒから放射される光線の光強度の放射角依存性を示したのが、図１２（Ａ），（Ｂ）の下図である。

本実施の形態に係る空間表示装置によれば、一つのＲ画素１０Ｒから放射される光線の放射角範囲（図１２（Ａ）下図）は、従来例による放射角度範囲（図１２（Ｂ）下図）よりも小さいことがわかる。すなわち、本実施の形態によれば、３次元画素１１から放射される光線の発散角を小さくすることができる。本実施の形態に係る空間表示装置では、多数本の光線で空間に像を表示する。従って、ボケの少ない空間像を表示するためには一本一本の光線が細く発散角の少ない光線である必要がある。この点において、本実施の形態によれば、簡便に発散角の小さい光線を放射することができるので、ボケの少ない空間像を表示することが可能となる。また、本実施の形態に係る空間表示装置では、レンチキュラーレンズ２におけるシリンドリカルレンズ２Ａの中心線の方向が観察者に対して縦方向であることから、装置を上下方向から見るときの可視域が広がる。上下方向から観察したときも、レンチキュラーレンズ２の配置により、表示される画像がレンチキュラーレンズ２の効果によって水平方向へのずれがない。このため、空間像を認識できる領域が拡大できる。

ところで、何故、従来ではシリンドリカルレンズ２の配置を縦方向にすることができなかったのかを簡単に説明する。本実施の形態に係る空間表示装置では、レンチキュラーレンズ２が、シリンドリカルレンズ２Ａの中心軸Ｙ１の方向が観察者の顔の中心軸と平行な向きに配置してある。これは、通常のストライプタイプの２次元ディスプレイに対しては、ディスプレイの同一種類の画素が並ぶ方向と同一な方向になることを意味する。図１２（Ｂ）上図は従来タイプの配置であるが、従来タイプでは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の中心軸の方向とストライプタイプの２次元ディスプレイの同一種類の画素が並ぶ方向とは故意に一致させないようしにている。これは、縦方向に複数の色が混ざって見えるようにし、色を消すためである。すなわち、図１２（Ｂ）上図の構成ではレンチキュラーレンズ２からの同一偏向角の方向には色々な色が混ざって放射されるようになっており、このため縦方向の色消しの効果がある。これに対し、本実施の形態に係る空間表示装置では、同一偏向方向は同一色となり、同一色が縦方向に一列に並んで見える。また、レンチキュラーレンズ２は通常の虫眼鏡と同様に画素サイズを拡大して見せる効果がある。このため、このままでは、空間表示装置として表示するとそれぞれ色の異なる縦縞のラインが並んで見えてしまう。しかしながら、本実施の形態では、レンチキュラーレンズ２と２次元ディスプレイの相対位置関係を高速に変化させ、時間的に色を混ぜ合わせているので、実際には色の付いた縦縞のラインは見えることはない。このように、本実施の形態によれば、従来では実現できなかった配置にレンチキュラーレンズ２を配置することが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態の空間像表示装置によれば、２次元表示部１の画素配列の縦方向の軸に対して各シリンドリカルレンズ２Ａの長手方向、または、互いに隣り合う各シリンドリカルレンズ２Ａ間の境界線の方向が平行となるようにレンチキュラーレンズ２Ａを配置して面分割で複数の視野角に対応する複数の光線を空間中に放射する。これにより、シリンドリカルレンズ２Ａを傾斜して配置した場合に比べて、１つの画素から放射される光線の発散角を小さくした状態で、同時刻に複数の視野角に対応する複数の光線を面分割で空間中に放射することができ、ボケの少ない空間像を表示することができる。また、各シリンドリカルレンズ２Ａと２次元表示部１の各画素１０との相対的な位置関係が周期的に変化することで、各シリンドリカルレンズ２Ａによる任意の画素１０からの表示画像光の放射方向が周期的に変位する。そして、３次元映像の１フレーム分に対応する画像が、２次元表示部１の各画素１０ごとに時分割で表示されると共に、２次元表示部１における時分割表示のタイミングと変位手段による相対的な位置を変位させるタイミングとが同期制御される。すなわち、本実施の形態の空間像表示装置によれば、面分割方式と時分割方式とを組み合わせた立体表示を実現できる。また、レンチキュラーレンズ２または２次元表示部１を全体的に移動させることで時分割表示を実現するようにしたので、例えばマイクロ偏向ミラーアレイの個々のマイクロミラーを時分割で独立に同期制御するような場合に比べて、同期制御も容易となる。これにより、従来に比べて高精細な立体表示を容易に実現することができる。さらに、所定の関係式を満足するような適切な同期制御を行うことで、空間像の明るさの強度むらと色むらとが抑制され、より良好な空間像表示を行うことができる。

本実施の形態の空間像表示装置によれば、レンチキュラーレンズ２に対して２次元表示部１の表示面１Ａが平行な状態を保持しつつ、レンチキュラーレンズ２と２次元表示部１とが相対的に左右に微小に平行移動する。こうすることによって、単位時間あたりに空間像表示装置から放射される光線数を増大させることが可能となるという効果が生まれ、観察者にとっては２次元表示部１の表示面１Ａよりも、３次元として表示された空間像の方に眼の焦点を合わせやすくなる。これにより、輻輳と焦点調節の不一致が解消されやすくなり、より自然な空間像を観察することができる。

本発明の一実施の形態に係る空間像表示装置の概略構成を、１つの３次元画素から放射される光線の状態と共に示した外観図である。 図１に示した光線を上方から見た状態を示す説明図である。 本発明の一実施の形態に係る空間像表示装置の全体構成を示すブロック図である。 映像信号の作成方法の一例を説明するための模式図である。 本発明の一実施の形態に係る空間像表示装置における２次元表示部の画素の構成列とレンチキュラーレンズの配置例とを示す説明図である。 ２次元表示部とレンチキュラーレンズとの相対移動の第１の動作例を、赤色の画素に着目して３次元の１フレーム期間内で時分割で示した説明図である。 図６におけるタイミングＴ６での表示状態をより詳しく示した説明図である。 ２次元表示部とレンチキュラーレンズとの相対移動の第２の動作例を、赤色の画素に着目して３次元の１フレーム期間内で時分割で示した説明図である。 ２次元表示部とレンチキュラーレンズとの相対変位量とその相対移動のタイミングとを示すものであり、（Ａ）は第１の動作例、（Ｂ）は第２の動作例、（Ｃ）は第３の動作例に対応する説明図である。 任意の発光点（画素）からの光線の偏向角について説明するための鳥瞰図（Ａ）および側方断面図（Ｂ）である。 本発明の一実施の形態に係る空間像表示装置によって色むらが抑制されることを示す説明図である。 シリンドリカルレンズの配置方向の違いによる放射光線の光強度の違いを示すものであり、（Ａ）はシリンドリカルレンズの円筒軸が縦方向である場合、（Ｂ）は円筒軸が斜め方向である場合の光強度を示す説明図である。 （Ａ）は２次元表示装置とレンチキュラーレンズとを組み合わせた従来の立体表示装置の一例を示す平面図、（Ｂ）はある１つの表示方向に表示される画素の状態を示す説明図である。

符号の説明

１…２次元表示部、１Ａ…表示面（発光面）、２…レンチキュラーレンズ、２Ａ…シリンドリカルレンズ、４…撮像対象物、１０（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）…画素、１１…３次元画素、２１…圧電素子、３０…映像信号処理部、３１…タイミング制御部、３２…映像メモリ、３３…Ｘドライバ、３４…Ｙドライバ、３５…圧電素子制御部、５０…放射面、Ｐ１…発光点、Ｓ１…制御信号、Ｘ…２次元表示部の横方向の軸、Ｙ…２次元表示部の縦方向の軸、Ｙ１…レンチキュラーレンズの中心軸（円筒軸）、Ｘs…レンチキュラーレンズの中心軸（円筒軸）に垂直な軸、Ｙ’…レンチキュラーレンズの中心軸を２次元表示部の表示面に投影した軸、Ｌ…２次元表示部の表示面から任意の観察位置までの距離、Ｘ’…２次元表示部の表示面から距離Ｌの場所での横方向の軸、Ｙ''…２次元表示部の表示面から距離Ｌの場所での縦方向の軸。

Claims (7)

1. ｐ色（ｐは１以上の整数）の画素を複数有し、前記各画素が、縦方向および横方向の格子目上に２次元配列されることにより平面状の表示面が形成され、かつ、縦方向には同一色の画素が複数配列され、横方向には一定周期ごとに同じ色が現れるように前記ｐ色の画素が周期的に複数配列された２次元表示部と、
   複数のシリンドリカルレンズが並列配置されて全体として板状に構成され、前記２次元表示部の表示面に対して全体として対向配置されると共に、前記シリンドリカルレンズによって前記２次元表示部の各画素からの表示画像光を偏向して空間中に放射するレンチキュラーレンズと、
   前記レンチキュラーレンズまたは前記２次元表示部の少なくとも一方を前記表示面に平行な面内で往復移動させることで、前記各シリンドリカルレンズと前記２次元表示部の各画素との相対的な位置関係を周期的に変化させ、前記各シリンドリカルレンズによる任意の画素からの表示画像光の放射方向を周期的に変位させる変位手段と、
   ３次元映像の１フレーム分に対応する画像を前記２次元表示部に時分割で表示させる制御を行うと共に、前記２次元表示部における時分割表示のタイミングと前記変位手段による前記相対的な位置関係を変化させるタイミングとを同期させる制御を行う制御手段と
   を備え、
   前記レンチキュラーレンズが、前記各シリンドリカルレンズの長手方向、または、互いに隣り合う前記各シリンドリカルレンズ間の境界線の方向が前記２次元表示部の縦方向の軸に対して平行となるように配置されている空間像表示装置。
2. 前記２次元表示部における縦方向に１個の画素と横方向にｐ×Ｍ個の画素とからなる計ｐ×Ｍ個（Ｍは１以上の整数）の画素群を「３次元画素」としたとき、
   １つの前記３次元画素から３次元映像表示の１フレーム期間内に放射される放射方向のそれぞれ異なる光線数ν、または３次元映像表示の１フレーム期間内に１つの前記３次元画素により生成される視点数νが、
   ν＝Ｍ・ｍ・ｐ
   (ただし、ｍは１以上の整数)
   の関係式を満足する請求項１に記載の空間像表示装置。
3. １つの前記３次元画素から同時刻に放射される放射方向のそれぞれ異なる光線数ν０が、
   ν０＝Ｍ・ｐ
   の関係式を満足する請求項２に記載の空間像表示装置。
4. 前記光線数ν、または前記視点数νを得るために前記２次元表示部において３次元映像表示の１フレーム期間内に時分割で表示される画像の総枚数ｇが、
   ｇ＝ｍ
   の関係式を満足する請求項２に記載の空間像表示装置。
5. 前記２次元表示部の横方向の各色についての画素ピッチをｐxとしたとき、
   前記レンチキュラーレンズにおける前記各シリンドリカルレンズの横方向のピッチｐrが、
   ｐr＝ｐ・ｐx・Ｍ
   を満足する値である請求項１または２に記載の空間像表示装置。
6. 前記変位手段が、前記レンチキュラーレンズまたは前記２次元表示部を前記２次元表示部の前記横方向と平行な方向に往復移動させるようになされ、
   前記制御手段は、前記２次元表示部の横方向の各色についての画素ピッチをｐx、前記レンチキュラーレンズと前記２次元表示部との相対的な基準位置をｘoとして、前記各シリンドリカルレンズと前記２次元表示部の各画素との相対的な位置ｘiを、
   ｘi＝ａ0・ｉ＋ｘo
   ただし、
   ｉ＝０，……，（ｍｐ−１） ｍは１以上の整数
   ａ0＝ｐx／ｍ
   ……（１）
   の関係式（１）に従って変位させると共に、前記２次元表示部における時分割表示のタイミングを、前記関係式（１）に従って変位するタイミングに同期させる制御を行う
   請求項１または２に記載の空間像表示装置。
7. 前記２次元表示部における２次元映像表示の１フレーム期間（２次元フレーム間隔）をｔr、前記光線数ν本の光線を表示する３次元映像表示の１フレーム期間（３次元フレーム間隔）をｔ3Dとしたとき、
   ｔ3D＝ｑ・（ｍ・ｔr）
   （ただしｑは１以上の整数）
   の関係を満足する請求項２に記載の空間像表示装置。

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