JP6030578B2 - 光源制御装置及び映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ディスプレイ等の映像表示装置、該映像表示装置に用いられる光源制御装置に関するものであり、特に、映像の立体表示において、特殊な眼鏡を使用することなく、且つ複数人で自由な位置での観察を行うことができる映像表示装置及び光源制御装置に関するものである。

近年、立体映像を表示する方式として、眼鏡を用いて、右眼用と左眼用との視差画像をそれぞれ視聴者の右眼又は左眼のみに時分割で見せることにより、立体視を実現する方式が実用化されている。しかし、この方式では、視聴者は、常に眼鏡をかけねばならず、非常に煩わしいという欠点があった。

それに対して、視聴者が眼鏡等を用いずとも、立体視を可能にする方式として、パララックスバリア方式やレンチキュラレンズ方式が知られている。

パララックスバリア方式は、例えば、ディスプレイの前面にバリアを設置することにより、視聴者の左右の眼に届く光線を画素毎に空間分割する方式である。このパララックスバリア方式では、ディスプレイ上に映像を表示する際、左眼に対応した画素には左眼用の視差画像が表示され、右眼に対応した画素には右眼用の視差画像が表示されるように、映像を合成して全面に表示することにより、裸眼での立体視を実現する。

一方、レンチキュラレンズ方式は、例えば、ディスプレイの前面にレンチキュラレンズアレイを設置することにより、視聴者の左右の眼に届く光をレンズの屈折作用により空間分割する方式である。その他の映像の表示方法については、パララックスバリア方式と同一である。

これらの方式は、原理も単純であり、容易に立体視を行う環境を構築できるが、欠点として、以下の３点を挙げることができる。

１点目は、前述のように、ディスプレイの画素がそれぞれ左眼用及び右眼用に割り振られるため、視聴者が見る映像は、ディスプレイ本来の解像度に対して、少なくとも１／２に低下してしまう、という点である。

２点目は、ディスプレイと、バリア又はレンチキュラレンズアレイとの位置関係により立体映像を視聴できる最適位置が限定されてしまう、という点である。これについて、開口部を広げれば、視聴範囲は拡大するが、今度は左眼用の映像と右眼用の映像とが分離されなくなり、クロストークが生じてしまう。このクロストークと視聴範囲とはトレードオフの関係にあるため、視聴者は、自由な位置で３Ｄ映像を視聴することができないという欠点がある。さらに、視聴位置が限定される欠点に関連して、左右の眼に入る視差映像の対応が逆になってしまうという逆視の欠点もある。

３点目は、通常の２次元映像と立体映像とを切り替えて表示できない点である。

上記の課題を解決するために、特許文献１の立体画像表示装置では、面光源と透過型ディスプレイとの間に、開口部と遮蔽部とが並んだマスクパターンと、レンチキュラレンズとを配置することにより、２次元映像と立体映像とを切り替えて表示することを可能としている。このとき、立体映像の表示方法は、レンチキュラレンズ方式に準ずる。

また、特許文献２の立体画像表示装置は、特許文献１の構成に加えて、撮像装置等を用いることによって視聴者の瞳位置を検出し、市松模様のマスクパターン配置を最適化する手段を備えている。結果として、視聴者が良好な立体映像を観察できる範囲を拡大する。

さらに、パララックスバリア方式やレンチキュラレンズ方式と異なる立体視の方式も提案されている。例えば、特許文献３では、レンズアレイと、各レンズに付随する複数の光源と、光線を垂直方向に拡散する光学素子と、映像表示用透過型ディスプレイとから構成される立体映像表示装置が開示されている。

この立体映像表示装置では、レンズアレイは、複数のシリンドリカルレンズを、各シリンドリカルレンズの光軸を水平方向に少しずつずらしながら、ディスプレイの縦方向に重ねた構成となっている。このレンズアレイには、入射面側に、例えば複数のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源が付随しており、それら複数光源のうち発光する光源を選択することにより、射出される光線の方向を変えることができる。また、シリンドリカルレンズの内部に絞りを設けることにより、射出される光線は、絞りによって水平方向の幅が決まる光線となる。上記のレンズアレイを用いることにより、水平方向に幅を持った光線を、水平偏向角の制御を行いつつ射出することができる。

また、光線を垂直方向に拡散する光学素子を用いて、レンズアレイから射出される水平方向の偏向を制御した複数の光線を、映像表示用透過型ディスプレイの高さ以上に拡散することにより、映像表示用透過型ディスプレイ全体を照射することができる。

また、偏向した各光線について、映像表示用透過型ディスプレイ全体を照射する条件を満たしつつ、映像表示用透過型ディスプレイの視聴者の瞳位置に射出瞳を形成するようにすることにより、視聴者の視点位置のみで映像表示用透過型ディスプレイに映る映像を視聴できるようになる。

さらに、視聴者の左右瞳位置に射出瞳を時分割で形成し、且つそれに同期して映像表示用透過型ディスプレイに左右の視差映像を表示することにより、眼鏡無しでの立体視を実現することができる。

上記の方式では、視聴範囲内の任意の位置に射出瞳を形成できるため、撮像装置等を用いた視聴者の瞳位置検出と併用して射出瞳を動的に変更することにより、パララックスバリア方式やレンチキュラレンズ方式に比べて、視聴範囲の制限が少なくなるという利点がある。また、時分割による立体映像表示のため、２次元映像表示時に比べて解像度の低下もない。

しかしながら、上記の特許文献１の立体画像表示装置では、前述の２次元映像表示と立体映像表示との切り替えの問題はクリアしているが、立体映像の表示方式がレンチキュラレンズ方式を基にしているため、その他の２つの欠点である解像度の低下及び視聴位置の制限については依然として残ったままである。

上記の２つの欠点のうち視聴範囲の問題については、上記の特許文献２の立体画像表示装置では、ある程度改善はしているものの、完全な自由視点とはいかず、特に奥行き方向への視聴位置の変化に対応できない。

一方、特許文献３の立体画像表示装置では、時分割方式を採用しているため、解像度の低下も生じず、また、射出瞳位置を自由に制御できるため、視聴範囲もパララックスバリア方式やレンチキュラレンズ方式に比べると、格段に改善している。

しかしながら、この方式にも、以下の３点の欠点がある。

１点目は、映像表示用透過型ディスプレイを縦拡散した複数の光線が照射する際、縦拡散した光線間の境界に輝度ムラが生じてしまうという問題である。

２点目は、レンズアレイに付随する光源として、現在はＬＥＤが用いられるが、ＬＥＤでは、光源の大きさによる配置密度の限界がある。これにより、光線を偏向可能な水平角が飛び飛びの離散的な値になってしまう。

３点目は、光線を縦拡散する際に、映像表示用透過型ディスプレイの高さ分だけ光線が拡散するように拡散する光学素子から映像表示用透過型ディスプレイまで距離をとらないといけない点である。この点については、反射光学系を使うことにより、光学素子から映像表示用透過型ディスプレイまでの距離を短くできる可能性もあるが、光学系が複雑になってしまうため、現実的ではない。

特開平９−３１１２９５号公報 特開２００２−１８２１５３号公報 特表２００５−５２７８５２号公報

本発明の目的は、眼鏡等を用いずとも、２次元映像表示と同じように制約なく立体映像を視聴できる映像表示装置及び該映像表示装置に用いられる光源制御装置を提供することである。

本発明の一局面に従う光源制御装置は、所定の第１の軸方向における光線の向きを制御する光源制御装置であって、平行光線を任意の位置から前記第１の軸方向に対して直交する第２の軸方向に沿って射出する光源ユニットと、前記光源ユニットの前記平行光線の射出位置を制御する光源制御部と、前記光源ユニットから射出される前記平行光線を偏向する１つ以上の偏向素子と、前記偏向素子により偏向された光線を、前記第１の軸方向及び前記第２の軸方向に対して直交する第３の軸方向に拡散する第１の拡散素子とを備え、前記偏向素子は、前記第１の軸方向に対して斜めに傾けて配置され、自身の光軸方向に対して直交する第１の素子方向と、前記光軸方向及び前記第１の素子方向の双方に対して直交する第２の素子方向とで異なる偏向作用を有する。

上記の光源制御装置を用いた映像表示装置により、視聴者は、眼鏡等を用いずとも、２次元映像表示と同じように制約なく立体映像を視聴できるようになる。

本発明の実施の形態１における映像表示装置の構成を模式的に示す概略斜視図 図１に示す面光源の構成を示す概略斜視図 図１に示す映像表示装置の上面図 図１に示す映像表示装置の側面図 図１に示す偏向素子の一例の構成を示す斜視図 図５に示すシリンドリカルレンズの光学特性を説明するための模式図 図１に示す映像表示装置におけるシリンドリカルレンズの設置状態を示す斜視図 水平状態から傾き角θだけ傾けたシリンドリカルレンズに平行光が入射した場合のシリンドリカルレンズからの射出光を模式的に示す図 図１に示すスリットの構成を示す断面図 図１に示すスリットの構成を示す斜視図 図１に示す垂直拡散板の一例の構成を示す模式図 図１１に示すレンチキュラレンズの第１の拡散状態を示す模式図 図１１に示すレンチキュラレンズの第２の拡散状態を示す模式図 図１に示す映像表示装置のシリンドリカルレンズと映像表示用透過型ディスプレイとに対する制約条件を説明するための模式図 図１に示す映像表示装置のシリンドリカルレンズと視点位置とに対する制約条件を説明するための模式図 図１に示す映像表示装置の映像表示用透過型ディスプレイによる立体視の概念図 図１に示す映像表示装置において面光源とマスクパターン部とを用いた場合に、任意の位置から複数の平行光線を射出する光源ユニットの構成を示す概略斜視図 図１に示すマスクパターン部により生成されるマスクパターンの一例を示す図 図１に示す実施の形態１の構成のうち、面光源、マスクパターン部、シリンドリカルレンズ、及び映像表示用透過型ディスプレイのみを抜き出した上面図 視点位置に集光する光線となる平行光線を射出するために、マスクパターン部により生成されるマスクパターンの形状の一例を示す図 図２０に示すマスクパターンからシリンドリカルレンズへ入射する平行光線を示す図 ｘｚ座標に投影した光線が射出瞳を形成している場合の光線経路を示す模式図 図２２に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイにおけるの光線の状態を示す図 図２２に示す構成に垂直拡散板を追加した場合の光線経路を示す模式図 図２２に示す構成に垂直拡散板を追加した場合にシリンドリカルレンズの右端から射出される光線による視聴位置への光線経路を示す模式図 図２５に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイにおける光線の状態を示す図 図２５に示す構成に垂直拡散板をさらに追加した場合の光線経路を示す模式図 図２７に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイにおける光線の状態を示す図 図２７に示す構成を用いて映像表示用透過型ディスプレイ全体を照射した場合の光線経路を示す模式図 図２９に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイにおける光線の状態を示す図 左側の視点位置に射出瞳を形成する場合の平行光線パターン及び光線経路を示す模式図 右側の視点位置に射出瞳を形成する場合の平行光線パターン及び光線経路を示す模式図 図１に示す映像表示装置における射出瞳の形成可能範囲を示す模式図 図１に示す映像表示装置において時分割による立体映像の提示方法を説明するための模式図 本発明の実施の形態２における映像表示装置の構成を模式的に示す概略斜視図 実施の形態２における奥行きを短くする構成を説明するための概念図 図３５に示す偏向素子アレイの構成の一例を説明するための模式図 図３５に示すスリットの構成を示す斜視図 図３５に示す映像表示装置において偏向素子アレイの右端から２本の光線が射出される場合の光線経路を示す模式図 図３９に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイにおける光線の状態を示す図 図３５に示す映像表示装置において偏向素子アレイから３本の平行光線が射出される場合の光線経路を示す模式図 図４１に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイにおける光線の状態を示す図 時分割による立体映像を提示する場合に使用される入射軌跡パターンの一例を示す図 図４３に示す入射軌跡パターンを用いた場合の図３５に示す映像表示装置の光線経路を示す模式図 複数の視聴者に対して時分割による立体映像を提示する場合に使用される入射軌跡パターンの一例を示す図 図４５に示す入射軌跡パターンを用いた場合の図３５に示す映像表示装置の光線経路を示す模式図 図３９に示す光線経路に輝度の減衰状態を付加した模式図 図４０に示す光線の状態に輝度の減衰状態を付加した図 図４１に示す光線経路に輝度の減衰状態を付加した模式図 図４２に示す光線の状態に輝度の減衰状態を付加した図 図３５に示す映像表示装置における光源制御部によるマスクパターン部の開口量の制御例の一例を示す図 図５１に示すマスクパターン部の開口量の制御例に対応するディスプレイの輝度の状態を示す図 本発明の実施の形態３における映像表示装置の構成を模式的に示す概略斜視図 図５３に示す映像表示装置において偏向素子アレイの右端から２本の光線が射出される場合の光線経路を示す模式図 図５４に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイにおける光線の状態を示す図 図５３に示す映像表示装置において偏向素子アレイから複数の平行光線が射出される場合の光線経路を示す模式図 図５６に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイにおける光線の状態を示す図 偏向素子アレイの小さい傾き角θと光線の偏向範囲との関係を説明するための模式図 偏向素子アレイの大きい傾き角θと光線の偏向範囲との関係を説明するための模式図 本発明の実施の形態４における映像表示装置の構成を模式的に示す概略斜視図 図６０に示す上下ミラーによる光源利用効率の向上効果を説明するための模式図 本発明の実施の形態５における映像表示装置の構成を模式的に示す概略斜視図 図６２に示すフィールドレンズを通る光線の経路を示す平面図 図６２に示すフィールドレンズによる視聴範囲の拡大効果を説明するための模式図 本発明の実施の形態６における映像表示装置の構成を模式的に示す概略斜視図 図６５に示すミラー及びレンズの構成を示す模式図 本発明の実施の形態７における映像表示装置の構成を模式的に示す概略斜視図

以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される構成要素、構成要素の配置などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。本発明は、特許請求の範囲だけによって限定される。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。

（実施の形態１）
まず、図１〜図３４を用いて、本発明の実施の形態１における映像表示装置の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における映像表示装置の構成を模式的に示す概略斜視図である。

図１において、映像表示装置１００は、光源制御装置１２０と、映像表示用透過型ディスプレイ１０７と、同期制御部１０９と、映像表示装置制御部１１０とを備える。光源制御装置１２０は、平行光線を射出する面光源１０１と、マスクパターン部１０２と、偏向素子１０３と、スリット１０４と、垂直拡散板（第１の垂直拡散板）１０５と、垂直拡散板（第２の垂直拡散板）１０６と、光源制御部１０８とを備え、後述するｘ軸方向（第１の軸方向）における光線の向きを制御する。

面光源１０１と、マスクパターン部１０２とから光源ユニットが構成され、光源ユニット（マスクパターン部１０２）は、後述するｘ軸方向（第１の軸方向）に対して直交するｚ軸方向（第２の軸方向）に沿って複数の平行光線をマスクパターン部１０２の任意の位置から射出する。

以上の構成により、本実施の形態では、以下に説明するように、視聴者１１１は、眼鏡等を用いずとも、２次元映像表示と同じように制約なく立体映像を視聴できるようになる。

図２は、図１に示す面光源１０１の構成を示す概略斜視図である。図３は、図１に示す映像表示装置１００の上面図であり、図４は、図１に示す映像表示装置１００の側面図である。ここで、図２〜図４を用いて、以降の説明に使用する映像表示装置１００の座標系を定義する。

本実施の形態では、面光源１０１として、幅ｗ１、高さｈ１の矩形領域全体（図２中のハッチング領域）から平行光線を射出する面光源を用いる。以降の説明では、面光源１０１の平行光線の射出部である矩形領域（光線射出面）の中心を原点とし、平行光線の射出方向をｚ軸の正方向、面光源１０１の高さ方向と平行で且つ視聴者１１１から見て上方向をｙ軸の正方向、面光源１０１の幅方向と平行で且つ視聴者１１１から見て右方向をｘ軸の正方向とする。また、面光源１０１について、光線射出面のｚ座標上の位置をｚ座標の基準として考えることとし、面光源１０１の光線射出面のｚ座標ｚ１＝０とする。

面光源１０１は、例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）のような発光面積の小さい光源（図示省略）と、凸レンズ（図示省略）とを備え、凸レンズの焦点位置に光源を設置することにより、凸レンズを介して面積を持った平行光線を射出する。その際、面光源１０１は、凸レンズと光源との組を複数並べることにより実現してもよい。また、装置の薄型化のため、凸レンズとして、フレネルレンズのように、凸レンズと同様の光学特性を有する光学素子を用いてもよい。

なお、面光源１０１から射出される平行光は、完全な平行光でなくともよく、視聴者１１１が映像表示用透過型ディスプレイ１０７に映る立体映像を視聴する時に、左右の画像領域が混ざり、クロストークが発生して立体視に障害が起こらない範囲ならば、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。

図３及び図４は、光源制御装置１２０を備えた映像表示装置１００の上面図と側面図に、図２を用いて説明した座標系を書き加えた図である。図３において、視聴者１１１の片方の目の視点位置を３０１で示す。各構成要素について、以下、本実施の形態における形状と大きさを説明する。

マスクパターン部１０２は、幅ｗ２、高さｈ２の矩形領域を有し、マスクパターン部１０２の厚みはt２である。矩形領域の入射面のｚ座標をｚ２とすると、ｚ２≧ｚ１である。マスクパターン部１０２は、例えば、液晶パネルのような透過型ディスプレイで構成される。透過型ディスプレイを用いる場合、各画素の透過率を変化させることにより、マスクパターン部１０２は、複数の平行光線を射出可能に構成され、矩形領域中の任意の領域を、平行光線を透過する開口部と平行光線を遮蔽する遮蔽部とに動的に切り替え、所望の形状のマスクパターンを生成し、マスクパターンの開口部から平行光線を射出することができる。すなわち、マスクパターン部１０２は、開口部と遮光部とを有し、開口部の位置及び形状を任意に変更可能に構成され、平行光線を矩形領域の射出面の任意の位置から射出し、任意パターンの平行光線を射出することができる。

図５は、図１に示す偏向素子１０３の一例の構成を示す斜視図である。本実施の形態では、偏向素子１０３として、例えば、レンズ幅方向のみに曲率を持つ平凸シリンドリカルレンズを用いる。偏向素子１０３は、幅ｃｗ、高さｃｈの矩形領域を有し、偏向素子（以下、シリンドリカルレンズともいう）１０３の厚みはｔ３である。

なお、本実施の形態では、平凸シリンドリカルレンズを用いて説明するが、種々のシリンドリカルレンズ、例えば、両凸、平凹、又は両凹シリンドリカルレンズでもよく、また、シリンドリカルフレネルレンズのように光学特性の同一な薄型レンズを用いてもよい。さらには、平行光線を所定の軸方向において偏向することができる光学素子であれば、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。

図６は、図５に示すシリンドリカルレンズ１０３の光学特性を説明するための模式図であり、上段はレンズ幅方向の断面図であり、下段はレンズ高さ方向の断面図である。シリンドリカルレンズ１０３は、レンズ内の一方向にのみ曲率を持ったレンズであり、シリンドリカルレンズ１０３の幅をｃｗ、高さをｃｈとした場合、この図では、光軸ＯＡの方向に直交する幅方向（第１の素子方向）にのみ曲率を有し、光軸ＯＡの方向及び幅方向に直交する高さ方向（第２の素子方向）には曲率を有していない。なお、シリンドリカルレンズ１０３のレンズ有効径は、幅ｃｗと等しいものとする。

上記のように、シリンドリカルレンズ１０３は、自身の光軸方向に対して直交する第１の素子方向と、光軸及び第１の素子方向の双方に対して直交する第２の素子方向とで異なる偏向作用を有し、ｘ軸方向（水平方向）に対して斜めに傾けて配置されている。したがって、シリンドリカルレンズ１０３の平行光線の入射位置を変更することにより、シリンドリカルレンズ１０３から射出する光線のｘ軸方向（水平方向）における向きを変更することができる。

図６の上段のレンズ幅方向の断面図において、レンズ主平面に対して垂直に入射した光は、レンズの屈折作用により偏向され、焦点ＦＰに集光する。このとき、シリンドリカルレンズ１０３の焦点距離をｆ１とすると、焦点距離は、シリンドリカルレンズ１０３における光線射出側の主平面１０３ａから焦点ＦＰまでの光軸方向における距離である。幅方向の偏向角φは、図６の上段のように、入射面と反対側の焦点までの距離ｆ１と、幅ｃｗにより決まる。したがって、レンズローカル座標系において、レンズ幅中心を原点とした場合の、ある幅方向位置ｌでの偏向角φは、以下の式（１）で表される。なお、実際のレンズにおいては、射出された光線は、収差の影響により焦点からずれた位置を通るため、多少の誤差を含む。

φ＝ｔａｎ^−１（ｌ／ｆ１） … （１）

一方、シリンドリカルレンズ１０３は、高さ方向に曲率を持たないため、図６の下段のレンズ高さ方向の断面図に示すように、シリンドリカルレンズ１０３に平行に入射した光は、高さ方向には偏向されない。なお、図６の下段では、平凸のシリンドリカルレンズ１０３の曲率を持たない平面から平行光線を入射しているが、反対側の曲面から平行光線を入射する構成であってもよい。

図７は、図１に示す映像表示装置１００におけるシリンドリカルレンズ１０３の設置状態を示す斜視図である。シリンドリカルレンズ１０３における矩形領域の幅方向がｙ軸に平行で且つ高さ方向がｘ軸に平行になるように、シリンドリカルレンズ１０３を設置した状態を水平状態とした場合、図７のように、シリンドリカルレンズ１０３は、水平状態からｘ軸を基準として傾き角θ（０≦θ＜２π［ｒａｄ］）だけ傾けて設置される。

図８は、水平状態から傾き角θだけ傾けたシリンドリカルレンズ１０３に平行光が入射した場合の、シリンドリカルレンズ１０３からの射出光を模式的に示す図である。また、図８の左側上段はシリンドリカルレンズ１０３の正面図であり、左側下段はシリンドリカルレンズ１０３の上面図であり、右側はシリンドリカルレンズ１０３の側面図であり、左側上段の正面図に示す丸点ＩＰが光の入射位置を示す。

シリンドリカルレンズ１０３が傾き角θだけ傾けて設置されると、ｘ軸方向への偏向角φ’は、傾き角θを考慮すると、下記の式（２）で表され、また、ｙ軸方向への偏向角φ”は、下記の式（３）で表される。

φ’＝ｔａｎ^−１（ｌ×ｓｉｎθ／ｆ１） … （２）
φ”＝ｔａｎ^−１（ｌ×ｃｏｓθ／ｆ１） … （３）

ここで、再び図７を参照して、上記の座標系における斜めに傾けたシリンドリカルレンズ１０３のｘ軸に平行な方向の長さをｗ３、ｙ軸に平行な長さをｈ３とすると、ｘ＝±（ｗ３／２）におけるシリンドリカルレンズのｙ軸方向の長さｈｃは、下記の式（４）を満たすものとする。

ｈｃ＝ｃｗ／ｃｏｓθ … （４）

ここで、上記のように配置されたシリンドリカルレンズ１０３の矩形領域の入射面のｚ座標をｚ３とすると、ｚ３≧（ｚ２＋ｔ２）である。

上記のように配置されたシリンドリカルレンズ１０３では、同一のｘ座標位置（水平位置）において、ｙ軸方向（垂直方向）における平行光線の入射位置を変化させることにより、ｘ軸方向（水平方向）における光線の向きを変化させることができる。

図９は、図１に示すスリット１０４の構成を示す断面図であり、図１０は、図１に示すスリット１０４の構成を示す斜視図である。スリット１０４は、幅ｗ４、高さｈ４の矩形領域を有し、スリット１０４の厚みはｔ４である。スリット１０４の矩形領域の入射面のｚ座標をｚ４、シリンドリカルレンズ１０３の光線射出面から見た主平面１０３ａのｚ座標をｚ３’とすると、ｚ４は（ｚ３’＋ｆ１）に近い値となるように設定される。

スリット１０４は、斜めに傾けたシリンドリカルレンズ１０３に対応して、斜めに配置された開口部１０４ａ（白色部分）を有しており、残りのハッチング部分が遮蔽部１０４ｂとなる。このようなスリット１０４がレンズ焦点位置に設置されている。

ここで、シリンドリカルレンズ１０３の性質として、例えば、内部反射等により迷光ＳＬが生じ、この迷光ＳＬの影響を取り除くために、スリット１０４を設置する。具体的には、偏向素子１０３として、シリンドリカルレンズやシリンドリカルフレネルレンズを用いる場合、レンズに入射する平行光線は、レンズの屈折作用で偏向した後、一旦レンズ焦点に集光する。したがって、図９及び図１０に示すように、シリンドリカルレンズ１０３の焦点位置付近にのみ幅ＳＷの開口部１０４ａを有するスリット１０４を設置すれば、シリンドリカルレンズ１０３に平行に入射した光を失わずに迷光を取り除くことができる。

なお、シリンドリカルレンズ１０３により偏向した光線は、理論的には、レンズ焦点位置を通過するが、実際には収差等の影響により焦点から少しずれた位置を通過する。よって、スリット１０４の開口部１０４ａの幅ＳＷは、実用上問題ない程度の大きさにする必要がある。

垂直拡散板１０５は、シリンドリカルレンズ１０３によりｘ方向（水平方向）における向きが変化された光線をｙ方向（垂直方向）にのみ拡散する。垂直拡散板１０５は、スリット１０４を通過した光線のみを拡散する位置に配置され、幅ｗ５、高さｈ５の矩形領域を有し、その厚みはｔ５である。垂直拡散板１０５の矩形領域の入射面のｚ座標をｚ５とすると、ｚ５≧ｚ４＋ｔ４である。

図１１は、図１に示す垂直拡散板１０５の一例の構成を示す模式図である。本実施の形態では、例えば、垂直拡散板１０５として、図１１に示すレンチキュラレンズ８０１を用いる。レンチキュラレンズ８０１の拡散は、ｙ軸方向に平行な方向のみに発生するものとする。

なお、本実施の形態では、垂直拡散板１０５として、レンチキュラレンズを用いて説明するが、この例に特に限定されず、入射光線を１方向のみに拡散することができる光学素子であれば、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。また、垂直拡散板１０５の拡散方向は、厳密には1方向でなくともよく、視聴位置における立体映像の視聴時に、左右の画像領域が混ざり、クロストークが発生して立体視に障害が起こらない特性を有している光学素子であれば、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。

図１１に示すように、レンチキュラレンズ８０１は、拡散方向に配列された複数の微小な平凸シリンドリカルレンズ８０２から構成され、一方向に光線を拡散する。レンチキュラレンズ８０１の平面側から垂直な平行光線が入射した場合、平行光線は、一度、シリンドリカルレンズ８０２の焦点距離ｆ２だけ離れた位置に集光し、その後、拡散していく。このときの拡散角ψ１は、シリンドリカルレンズ８０２の曲率と材質とから決まる。なお、図１１では、レンチキュラレンズ８０１の平面側から光が入射しているが、曲面側から光が入射した場合でも、同様の拡散効果を持つ。

図１２は、図１１に示すレンチキュラレンズ８０１の第１の拡散状態を示す模式図であり、図１３は、図１１に示すレンチキュラレンズ８０１の第２の拡散状態を示す模式図である。レンチキュラレンズ８０１のレンズピッチ（平凸シリンドリカルレンズ８０２の配置ピッチ）が十分に細かい場合、レンチキュラレンズ８０１による拡散は、図１２に示すように、ある範囲内において隙間なく拡散していると見なせる。以降、レンチキュラレンズ８０１による拡散を図１２で表す。

一方、レンチキュラレンズ８０１に入射する光線がレンズ平面に対して垂直でない場合、拡散範囲は、入射光線とレンチキュラレンズ８０１との成す角度によって変化する。例えば、図１３に示すように、光線が下方から斜めにレンチキュラレンズ８０１に入射した場合、拡散範囲は斜め上方へ移動する。

垂直拡散板１０６は、垂直拡散板１０５により拡散された光線をさらにｙ方向（水平方向）のみに拡散する。垂直拡散板１０６は、幅ｗ６、高さｈ６の矩形領域を有し、その厚みはｔ６である。垂直拡散板１０６の矩形領域の入射面のｚ座標をｚ６、垂直拡散板１０５に用いられるレンチキュラレンズ８０１の光線射出面から見た主平面のｚ座標をｚ５’（図１１参照）とすると、ｚ６≧（ｚ５’＋ｆ２）である。

本実施の形態では、例えば、垂直拡散板１０６としても、図１１に示すレンチキュラレンズ８０１を用いる。垂直拡散板１０６に用いられるレンチキュラレンズ８０１の拡散は、ｙ軸方向に平行な方向のみに発生するものとする。

但し、垂直拡散板１０６に用いるレンチキュラレンズ８０１の拡散角ψ２は、垂直拡散板１０５に用いるレンチキュラレンズの拡散角ψ１と同じでなくともよい。このとき、垂直拡散板１０６に用いるレンチキュラレンズ８０１の光線射出面から見た焦点距離をｆ３とする。

なお、本実施の形態では、垂直拡散板１０６としても、レンチキュラレンズ８０１を用いて説明するが、この例に特に限定されず、入射光線を１方向のみに拡散することができる光学素子であれば、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。また、垂直拡散板１０６の拡散方向も、厳密には1方向でなくともよく、視聴位置における立体映像の視聴時に、左右の画像領域が混ざり、クロストークが発生して立体視に障害が起こらない特性を有している光学素子であれば、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。

映像表示用透過型ディスプレイ１０７は、例えば、液晶パネルのような透過型ディスプレイで構成され、垂直拡散板１０６から射出される拡散光を用いて画像を表示する。映像表示用透過型ディスプレイ１０７は、幅ｗ７、高さｈ７の矩形表示領域を有し、その厚みはｔ７である。映像表示用透過型ディスプレイ１０７の矩形表示領域の入射面のｚ座標をｚ７、垂直拡散板１０６に用いられるレンチキュラレンズ８０１の光線射出面から見た主平面のｚ座標をｚ６’とすると、ｚ７は（ｚ６’＋ｆ３）に近い値となるように設定される。

光源制御部１０８は、同期制御部１０９からの制御信号に従って面光源１０１及びマスクパターン部１０２を制御することにより、マスクパターン部１０２の平行光線の射出位置を制御する。例えば、光源制御部１０８は、マスクパターン部１０２が透過型ディスプレイから構成されている場合、マスクパターン部１０２の開口部と遮蔽部との形状を制御し、所望のマスクパターンを生成するように面光源１０１及びマスクパターン部１０２を制御する。このように、光源制御部１０８は、マスクパターン部１０２の開口部の位置を変化させることにより、マスクパターン部１０２から射出される平行光線の射出位置を変化させる。

上記のように、光源制御部１０８がマスクパターン部１０２の平行光線の射出位置を制御することにより、シリンドリカルレンズ１０３の平行光線の入射位置を制御することができるので、平行光線の射出位置に応じてｘ軸方向（水平方向）における光線の向きを制御することができ、ｘ軸方向（水平方向）における光線の向きが制御された光線を、垂直拡散板１０５、１０６によりｙ軸方向（垂直方向）に拡散することができる。この結果、ｘ軸方向（水平方向）における向きを制御しながら、ｙ軸方向（垂直方向）に拡散する光線を射出することができる。

また、光源制御部１０８は、透過型ディスプレイから構成されたマスクパターン部１０２の開口部と遮光部との位置を変更する際に生じる画面遷移時に、面光源１０１からの平行光線の照射を停止し、マスクパターン部１０２の画面遷移が終了した後に、面光源１０１からの平行光線の照射を再開することが好ましい。この場合、画面遷移時に不安定な光線が射出されることを防止することができる。

同期制御部１０９は、光源制御部１０８と映像表示装置制御部１１０とが同期して動作するように、光源制御部１０８と映像表示装置制御部１１０を制御する。例えば、同期制御部１０９は、マスクパターン部１０２により生成されるマスクパターンに同期させて映像表示用透過型ディスプレイ１０７に表示する映像を決定するように、映像表示装置制御部１１０を制御する。

光源制御部１０８は、例えば、同期制御部１０９からの制御信号に従い、垂直拡散板１０６から射出される拡散光の集光位置を時分割で切り替えることにより、拡散光の集光位置が視聴者の左眼と右眼とになるように、マスクパターン部１０２の平行光線の射出位置を制御する。

映像表示装置制御部１１０は、例えば、同期制御部１０９からの制御信号に従い、光源制御部１０８による集光位置の切り替えと同期して、集光位置に対応した視差映像を表示するように、映像表示用透過型ディスプレイ１０７を制御することにより、映像表示用透過型ディスプレイ１０７に表示する映像を制御する。

視聴者１１１は、映像表示用透過型ディスプレイ１０７を視聴する者である。視聴者の片目の視点位置のｘ座標及びｙ座標がｚ軸上にあるとき、視点位置のｚ座標をｚ８とする。このとき、ｚ８≧ｚ７＋ｔ７である。

なお、本実施の形態において、面光源１０１と、マスクパターン部１０２と、傾いた偏向素子１０３と、スリット１０４と、垂直拡散板１０５と、垂直拡散板１０６と、映像表示用透過型ディスプレイ１０７とは、各矩形領域の幅方向がｘ軸に平行で、且つ高さ方向がｙ軸に平行になるように配置され、さらにｚ軸が矩形領域の中心を通るように配置されているが、光源制御装置１２０から最終的に出力される光線の向きを所定の軸方向に対して制御することにより、視聴者が立体視を行うことができる配置方法であれば、上記の配置方法に限定されない。

また、各部の形状においても、光源制御装置１２０から最終的に出力される光線の向きを所定の軸方向に対して制御することにより、視聴者が立体視を行うことができる形状であれば、矩形に限定されない。

次に、本実施の形態における傾いたシリンドリカルレンズ１０３と映像表示用透過型ディスプレイ１０７とについて、視聴者１１１が映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面全体を観察できるためには、以下の条件が成り立つ必要がある。

図１４は、図１に示す映像表示装置のシリンドリカルレンズ１０３と映像表示用透過型ディスプレイ１０７とに対する制約条件を説明するための模式図であり、図１５は、図１に示す映像表示装置のシリンドリカルレンズ１０３と視点位置とに対する制約条件を説明するための模式図である。

偏向素子として使用する傾いたシリンドリカルレンズ１０３のｘ軸方向端の座標（ｗ３／２）から射出可能な最大水平偏向角をφ’_ＭＡＸとしたとき、映像表示用透過型ディスプレイ１０７のｘ軸方向の画面端の座標（ｗ７／２）と、傾いたシリンドリカルレンズ１０３のｘ軸方向端の座標（ｗ３／２）とにおいて、図１４に示すように、制約条件として、以下の式（５）が成り立つ。

ｗ３／２≧ｗ７／２＋（ｚ７−ｚ３’）ｔａｎφ’_ＭＡＸ … （５）

上記（５）式を満たすことにより、映像表示用透過型ディスプレイ１０７のｘ軸方向における両端座標を通る光線が存在することになる。

また、視点位置３０１のｚ座標ｚ８について、偏向した光線が視点位置３０１で射出瞳を形成するには、傾いたシリンドリカルレンズ１０３のｘ軸方向のレンズ幅端であるｘ軸方向の端座標（ｗ３／２）において、図１５に示すように、以下の式（６）が成り立つ必要がある。

φ’_ＭＡＸ≧ｔａｎ^−１（ｗ３／２（ｚ８−ｚ３’）） … （６）

したがって、上記式（６）を満たすように、視聴者の視点位置３０１を定める。なお、式（５）、式（６）において使用している偏向角φ’_ＭＡＸについて、理論値は、式（２）から求められるが、実際のレンズでは、収差による誤差から、式（２）の値と必ずしも一致しない。よって、実際には、実測値を用いて条件式（５）、式（６）を定める必要がある。また、面光源１０１、マスクパターン部１０２、スリット１０４、垂直拡散板１０５、及び垂直拡散板１０６についても、光線が各構成要素の有効範囲を通過するように、適切にｘ軸方向の幅を設定する必要がある。

図１６は、上記の構成を用いた場合の、図１に示す映像表示装置１００の映像表示用透過型ディスプレイ１０７による立体視の概念図である。本実施の形態の映像表示装置１００では、上記の構成により、映像表示用透過型ディスプレイ１０７から射出される縦ストライプ状の光線の射出瞳を各視聴者１１１ａ、１１１ｂの左右視点位置に同時に形成できるため、結果として、複数人の視聴者が同時に裸眼立体映像を視聴できる。

次に、図１６に示す立体視を実現するための光源制御装置１２０の射出瞳形成方法について説明する。図１７は、図１に示す映像表示装置において面光源１０１とマスクパターン部１０２とを用いた場合に、任意の位置から複数の平行光線を射出する光源ユニットの構成を示す概略斜視図であり、図１８は、マスクパターン部１０２により生成されるマスクパターンの一例を示す図である。

図１７に示すように、光源制御部１０８は、面光源１０１及びマスクパターン部１０２を制御し、面光源１０１は、幅ｗ１、高さｈ１の矩形領域全体から平行光線を射出し、マスクパターン部１０２は、図１８に示すマスクパターンＭＰを生成し、中央部の縦長四角形の開口部ＯＰから平行光線ＰＬが射出される。すなわち、図１８に示す例では、マスクパターン部１０２として用いる透過型ディスプレイに、中央部の平行光線ＰＬのみを通すようなマスクパターンＭＰが表示され、このマスクパターンＭＰでは、中央の白線部分のみが開口部ＯＰとなり、その他のハッチング部分は遮蔽部となる。したがって、平行光源である面光源１０１の光線射出部に透過型ディスプレイからなるマスクパターン部１０２を設置した場合、画面中央の開口部ＯＰからのみ平行光線ＰＬが射出される。このように、マスクパターンの開口部の形状は、光源制御部１０８がマスクパターン部１０２を制御することにより、任意の形状に変えることができる。

次に、図１９〜図３０を用いて、光源ユニットから射出される平行光線を制御し、任意位置に射出瞳を形成する方法について説明する。ここからは、構成の一部を抜き出して各構成要素の役割について説明していく。

図１９は、図１に示す実施の形態１の構成のうち、面光源１０１、マスクパターン部１０２、シリンドリカルレンズ（偏向素子）１０３、及び映像表示用透過型ディスプレイ１０７のみを抜き出した上面図である。なお、以降の図において、簡単のため、スリット１０４の図示は省略する。

まず、上記の式（５）、（６）を満たすように、ｗ３、ｗ７、ｚ３’、ｚ７、ｚ８を設定したとき、ｘｚ平面に投影した光線について考える。この場合、図１９のように、シリンドリカルレンズ１０３から射出された各光線が、映像表示用透過型ディスプレイ１０７上のすべてのｘ座標を通り、且つそれら各光線をｘｚ平面に投影した場合、視点位置３０１に集光する光線となる平行光線の射出方法が存在する。

図２０は、視点位置３０１に集光する光線となる平行光線を射出するために、マスクパターン部１０２により生成されるマスクパターンの形状の一例を示す図であり、図２１は、図２０に示すマスクパターンからシリンドリカルレンズ１０３へ入射する平行光線を示す図である。

上記の視点位置３０１に集光する光線となる平行光線の射出方法が、図２０に示すマスクパターンＭＰ１をマスクパターン部１０２に設定した場合に射出される平行光線であるとする。マスクパターンＭＰ１は、斜めに傾いた長四角形の開口部ＯＰ1を有し、開口部ＯＰ1から平行光線が射出される。このとき、図２１に示すように、開口部ＯＰ1から射出された平行光線ＰＬ１は、斜めに傾いているシリンドリカルレンズ１０３の中心軸ＣＡに対して時計回りにさらに傾けられた状態で、シリンドリカルレンズ１０３へ入射する。

図２２は、ｘｚ座標に投影した光線が射出瞳を形成している場合の光線経路を示す模式図であり、図２３は、図２２に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイ１０７における光線の状態を示す図である。

ここで、図２２の左側上段は、図２１と同様に、シリンドリカルレンズ１０３に入射する平行光線ＰＬ１を示すシリンドリカルレンズ１０３の正面図であり、左側下段は、面光源１０１、マスクパターン部１０２、シリンドリカルレンズ１０３、スリット１０４及び映像表示用透過型ディスプレイ１０７のみを抜き出した上面図であり、右側上段は、面光源１０１、マスクパターン部１０２、シリンドリカルレンズ１０３、スリット１０４及び映像表示用透過型ディスプレイ１０７のみを抜き出した側面図である。なお、図２２では、図示を容易にするために、複数の光線のうち５本の光線ＰＬ２を代表して図示している。

図２２の左側上段に示すシリンドリカルレンズ１０３に入射した平行光線ＰＬ１は、シリンドリカルレンズ１０３により偏向されて光線ＰＬ２として射出され、図２２の左側下段に示すように、ｘｚ座標平面においては、光線ＰＬ２は、水平方向（ｘ軸方向）において視点位置３０１に収束している。

ｘｚ座標に投影した光線ＰＬ２が視点位置３０１で射出瞳を形成している場合、垂直方向（ｙ軸方向）の光線ＰＬ２の射出方向を見ると、図２２の右側上段に示すように、垂直方向の光線ＰＬ２は、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の全面を照射せず、且つ映像表示用透過型ディスプレイ１０７の通過した後に視点位置３０１にも収束しない。

このとき、視点位置３０１から映像表示用透過型ディスプレイ１０７を見た場合、図２３に示すように、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面中央部ＢＰしか明るく見えない。そこで、シリンドリカルレンズ１０３と映像表示用透過型ディスプレイ１０７との間のｚ座標ｚ５の位置に、レンチキュラレンズ８０１を用いた垂直拡散板１０５を設置する。

図２４は、図２２に示す構成に垂直拡散板１０５を追加した場合の光線経路を示す模式図である。シリンドリカルレンズ１０３と映像表示用透過型ディスプレイ１０７との間のｚ座標ｚ５の位置に垂直拡散板１０５を設置し、ｙ軸方向（垂直方向）に縦拡散する光線が、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面高さ方向を覆って縦ストライプ状に照射するように、ｚ座標ｚ５、ｚ７、拡散角ψ１を適切に設定する。この結果、図２４の右側上段に示すように、垂直拡散板１０５により縦拡散された拡散光ＰＬ３は、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の全面を照射できる。

次に、シリンドリカルレンズ１０３の右端から射出される光線について考える。図２５は、図２２に示す構成に垂直拡散板１０５を追加した場合にシリンドリカルレンズ１０３の右端から射出される光線による視聴位置への光線経路を示す模式図であり、図２６は、図２５に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイ１０７における光線の状態を示す図である。

図２５の左側上段に示すように、シリンドリカルレンズ１０３の右端から光線ＰＬ４が射出される場合、垂直拡散板１０５により縦拡散された拡散光ＰＬ５によって、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の右端は、全ての高さ方向の位置が照射されるが、図２５の右側上段に示すように、依然として、視点位置３０１には集光していない。このときの視点位置３０１から映像表示用透過型ディスプレイ１０７を見た場合、図２６に示すように、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面右上の一部分ＢＰしか明るく見えない。そこで、最後に垂直拡散板１０５と映像表示用透過型ディスプレイ１０７との間の座標ｚ６の位置に、レンチキュラレンズ８０１を用いた垂直拡散板１０６を設置する。

図２７は、図２５に示す構成に垂直拡散板１０６を追加した場合の光線経路を示す模式図であり、図２８は、図２７に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイ１０７における光線の状態を示す図である。

図２７の左側上段に示すように、シリンドリカルレンズ１０３の右端から射出される光線ＰＬ４について考えた場合、垂直拡散板１０５による縦拡散により映像表示用透過型ディスプレイ１０７の右端は、全ての高さにおいて拡散光ＰＬ５により照射され、さらに、垂直拡散板１０６の縦拡散により、映像表示用透過型ディスプレイ１０７上の画面右端における全ての位置から視点位置３０１に進む光線ＰＬ６が存在する。このとき、視点位置３０１から映像表示用透過型ディスプレイ１０７を見た場合、図２８に示すように、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面右端の全ての高さ位置にある縦ストライプ領域ＢＬが照射されて見える。

図２９は、図２７に示す構成を用いて映像表示用透過型ディスプレイ１０７全体を照射した場合の光線経路を示す模式図であり、図３０は、図２９に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイ１０７における光線の状態を示す図である。

上記の垂直拡散板１０５及び垂直拡散板１０６を付加した構成において、シリンドリカルレンズ１０３の全位置から射出されるライン状の平行光線ＰＬ１の光線経路を図示したものが図２９である。視点位置３０１から映像表示用透過型ディスプレイ１０７を見た場合、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の表示面全体から視点位置３０１に進む光線ＰＬ６が存在するため、図３０に示すように、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面全体ＢＡが照射されて見える。

なお、ここまでの説明では、垂直拡散板１０５、１０６による縦拡散は、理想的な垂直のみへの拡散を行うと仮定して説明してきた。しかし、実際の縦拡散は、垂直拡散板１０５、１０６に入射する光線のｘ軸方向の偏向角に応じて、縦方向の拡散角が大きくなるほど、拡散光がｘ軸方向にカーブする。よって、例えば、映像表示用透過型ディスプレイ１０７のｘ軸方向の画面端全体を照射するには、光線射出位置を理論式から算出される射出位置に対して微調整する必要がある。また、集光位置について、光源制御装置１２０から射出される光線は、幅を持った光線であるため、射出瞳は一点に集中するわけではなく、所定の大きさを有する。この領域の大きさは、面光源１０１から射出される光線の平行度やマスクパターン部１０２の開口部の大きさで決まる。

以上、図１９〜図３０を用いて、面光源１０１とマスクパターン部１０２とから構成される光源ユニットから射出される光を制御し、射出瞳を形成する方法について説明した。

次に、射出瞳を任意の位置に形成する方法について説明する。今までは、ｚ軸上に視点位置があるものとしてきたが、実際にはこれに限定されない。図３１は、左側の視点位置に射出瞳を形成する場合の平行光線パターン及び光線経路を示す模式図であり、図３２は、右側の視点位置に射出瞳を形成する場合の平行光線パターン及び光線経路を示す模式図である。

図３１に示すように、左側の視点位置３０１に射出瞳を形成する場合、マスクパターン部１０２は、平行光線ＰＬを射出するためのマスクパターンを生成し、マスクパターンの開口部から平行光線ＰＬが射出され、シリンドリカルレンズ１０３に入射する。ここで、平行光線ＰＬは、中心軸ＣＡより下側に入射され、且つ左側へ行くほど中心軸ＣＡに近接するように入射される。したがって、平行光線ＰＬは、左側へ行くほど偏向角が小さくなるようにシリンドリカルレンズ１０３により偏向され、左側の視点位置３０１に射出瞳が形成される。

一方、図３２に示すように、右側の視点位置３０１に射出瞳を形成する場合、マスクパターン部１０２は、平行光線ＰＲを射出するためのマスクパターンを生成し、マスクパターンの開口部から平行光線ＰＲが射出され、シリンドリカルレンズ１０３に入射する。ここで、平行光線ＰＲは、中心軸ＣＡより上側に入射され、且つ右側へ行くほど中心軸ＣＡに近接するように入射される。したがって、平行光線ＰＲは、右側へ行くほど偏向角が小さくなるようにシリンドリカルレンズ１０３により偏向され、右側の視点位置３０１に射出瞳が形成される。

上記のように、本実施の形態では、マスクパターン部１０２のマスクパターンを制御してシリンドリカルレンズ１０３に照射される平行光線の照射位置を変えることにより、射出瞳の形成位置を変えることができる。

また、本実施の形態では、マスクパターン部１０２は、任意形状のマスクパターンを形成することができるので、図３１に示す平行光線ＰＬ及び図３２に示す平行光線ＰＲを同時に射出することができ、２視点同時に射出瞳を形成することもできる。これにより、複数人同時に映像を提示することも可能である。このときの射出瞳の形成可能範囲について、図３３を用いて説明する。図３３は、射出瞳の形成可能範囲を示す模式図である。

本実施の形態の構成が式（５）を満たす場合、映像表示用透過型ディスプレイ１０７のｘ方向の画面端座標（ｗ７／２）から水平方向の偏向角度φ’_ＭＡＸで光線を射出することが可能である。このことより、視聴可能範囲ＶＡは、図３３のハッチング領域となる。このとき、最短視聴距離Ｖ_ＭＩＮは、下記の式（７）となる。

Ｖ_ＭＩＮ＝ｗ７／（２ｔａｎφ’_ＭＡＸ） … （７）

ここで、最短視聴距離Ｖ_ＭＩＮは、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の解像度で決まる最適視聴距離Ｖｄよりも短いことが望ましい。

最後に、視聴者への立体映像の提示方法について説明する。図３４は、図１に示す映像表示装置１００において時分割による立体映像の提示方法を説明するための模式図である。視聴者へ立体映像を提示する場合、同期制御部１０９は、光源制御部１０８と映像表示装置制御部１１０とを同期制御する。映像表示装置制御部１１０は、映像表示用透過型ディスプレイ１０７に、視聴者がちらつきを感じない時分割速度で、左眼用の視差画像ＬＩと右眼用の視差画像ＲＩとを切り替えて表示する。光源制御部１０８は、視差画像の切替に同期して、視聴者の左瞳位置３０１Ｌに射出瞳を形成する左眼用マスクパターンと、視聴者の右瞳位置３０１Ｒに射出瞳を形成する右眼用マスクパターンとを切り替えるようにマスクパターン部１０２を制御する。この結果、視聴者は、裸眼で立体映像を視聴可能となる。

以上、図１〜図３４を用いて、実施の形態１について説明した。したがって、上記の構成により、本実施の形態では、奥行きを現在販売されているディスプレイ程度に保ちながら、表示画像の解像度の低下及び輝度ムラ等の画質劣化を発生させることなく、眼鏡無しで複数人が同時に立体映像を視聴することができ、また、視聴範囲の制約が少ない立体映像を表示することができるとともに、２次元映像表示と立体映像表示とを簡単に切り替えることができる。この結果、視聴者は、眼鏡等を用いずとも、２次元映像表示と同じように制約なく立体映像を視聴できるようになる。

なお、映像表示装置１００は、拡散光の幅を視聴者の瞳孔距離以上に広げることが好ましい。この場合、視聴者がより明るい映像を視聴することができる。

また、映像表示装置１００は、拡散光によって形成されるストライプ状の光線の幅を視聴者の瞳孔距離以上に広げ、且つ映像表示用透過型ディスプレイ１０７に表示する映像として、集光位置に関わらず、同一の映像を表示することが好ましい。この場合、時分割による集光位置制御であっても、明るい２次元映像を表示することができる。

また、マスクパターン部１０２は、透過型ディスプレイの開口部を全面開口部にすることが好ましい。この場合、拡散光の方向制御範囲内において、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の映像が視聴可能となる。

（実施の形態２）
次に、図３５〜図５２を用いて、本発明の実施の形態２における映像表示装置の構成について説明する。図３５は、本発明の実施の形態２における映像表示装置の構成を模式的に示す概略斜視図である。

図３５において、映像表示装置２００は、光源制御装置２２０と、映像表示用透過型ディスプレイ１０７と、同期制御部１０９と、映像表示装置制御部１１０とを備える。光源制御装置２２０は、平行光線を射出する面光源１０１と、マスクパターン部１０２と、偏向素子アレイ２０３と、スリット２０４と、垂直拡散板１０５と、垂直拡散板１０６と、光源制御部１０８とを備える。

本実施の形態は、実施の形態１よりも装置の奥行きを短くするための構成を採用しており、その構成を実現するための概念図を図３６に示す。図３６は、実施の形態２における奥行きを短くする構成を説明するための概念図である。

図３６の上段は、実施の形態１における第１の垂直拡散板１０５、第２の垂直拡散板１０６及び映像表示用透過型ディスプレイ１０７を抜き出した側面図である。ここで、垂直拡散板１０５によって縦拡散された光が映像表示用透過型ディスプレイ１０７の縦方向全体を照射するためには、垂直拡散板１０５の拡散角ψ１から垂直拡散板１０５と映像表示用透過型ディスプレイ１０７との間の距離（ｚ７−ｚ５）を決める必要がある。この距離を短くするには、実施の形態１の構成の場合、垂直拡散板１０５の拡散角ψ１を大きくする必要があるが、拡散角ψ１を大きくするには、実施の形態１で垂直拡散板１０５として用いたレンチキュラレンズ８０１の特性上の限界がある。

そこで、本実施の形態では、図３６の下段に示すように、ｙ軸方向（垂直方向）において垂直拡散板１０５から射出される光線の数（光線の射出位置の数）を増加することにより、映像表示用透過型ディスプレイ１０７全体を照射しながら、垂直拡散板１０５と映像表示用透過型ディスプレイ１０７との間の距離（ｚ７’−ｚ５）を、実施の形態１の距離（ｚ７−ｚ５）に比べて短くすることができる。なお、ｙ軸方向において垂直拡散板１０５から射出される光線の位置を増加した場合、明るさのムラを軽減するために、縦拡散した各光線が映像表示用透過型ディスプレイ１０７を照射する際に、光線が重なる重なり領域ＯＬを有することが望ましい。

上記の構成を採用するため、本実施の形態の構成は、基本的には実施の形態１と同じであるが、偏向素子１０３及びスリット１０４がそれぞれ偏向素子アレイ２０３及びスリット２０４に置き換わっている点が実施の形態１と異なっており、以下、この点について詳細に説明し、その他の点は実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は省略する。

図３７は、図３５に示す偏向素子アレイ２０３の構成の一例を説明するための模式図である。図３７の左側上段に示すように、本実施の形態における偏向素子アレイ２０３は、幅ｃｗ、高さｃｈの矩形領域を有し、その厚みがｔ３である複数の偏向素子１０３を、ｘ軸を基準として傾き角θだけ傾けて並べて配置した光学素子アレイである。本実施の形態では、偏向素子１０３として、例えば、実施の形態１と同じくレンズ幅方向のみに曲率を持つシリンドリカルレンズを用いる。

上記のように構成された偏向素子アレイ２０３は、図３７の右側上段に示すように、光学機能面として、幅ｗ９、高さｈ９の矩形領域を有し、偏向素子アレイ２０３の中心は、偏向素子１０３の高さ方向の中心線上にある。なお、本実施の形態では、偏向素子アレイ２０３を構成する偏光素子として、平凸シリンドリカルレンズを用いて説明するが、種々のシリンドリカルレンズ、例えば、両凸、平凹、又は両凹シリンドリカルレンズでもよく、また、シリンドリカルフレネルレンズのように光学特性の同一な薄型レンズを用いてもよい。さらには、平行光線を所定の軸方向において偏向することができる光学素子であれば、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。

ここで、水平から傾き角θだけ傾いた各シリンドリカルレンズ１０３に入射した光線の偏向角は、式（２）、式（３）と同一である。偏向素子アレイ２０３の矩形領域の入射面のｚ座標をｚ９とすると、ｚ９≧（ｚ２＋ｔ２）である。

図３８は、図３５に示すスリット２０４の構成を示す斜視図である。スリット２０４は、幅ｗ１０、高さｈ１０の矩形領域を有し、その厚みはｔ１０である。スリット２０４の矩形領域の入射面のｚ座標をｚ１０、偏向素子アレイ２０３の光線射出面から見た主平面のｚ座標をｚ９’とすると、ｚ１０は（ｚ９’＋ｆ１）に近い値となるように設定される。

図３８に示すように、スリット２０４は、偏向素子アレイ２０３の斜めに傾けた各シリンドリカルレンズ１０３に対応して、斜めに配置された複数の開口部２０４ａ（白色部分）を有しており、残りのハッチング部分が遮蔽部２０４ｂとなる。このようなスリット１０４がレンズアレイとなる偏向素子アレイ２０３の各焦点位置に設置されている。

なお、偏向素子アレイ２０３により偏向した光線は、理論的には、各レンズ焦点位置を通過するが、実際には収差等の影響により焦点から少しずれた位置を通過する。よって、スリット２０４の開口部２０４ａの幅は、実用上問題ない程度の大きさにする必要がある。

以降、垂直拡散板１０５のｚ座標をｚ１１としたとき、ｚ１１≧ｚ１０＋ｔ１０であり、垂直拡散板１０６のｚ座標ｚ１２としたとき、ｚ１２≧ｚ１１＋ｔ５であり、映像表示用透過型ディスプレイ１０７のｚ座標ｚ１３としたとき、ｚ１３≧ｚ１２＋ｔ６であり、視点位置３０１のｚ座標ｚ１４としたとき、ｚ１４≧ｚ１３＋ｔ７であるものとする。

なお、本実施の形態において、偏向素子アレイ２０３と、スリット２０４とは、各矩形領域の幅方向がｘ軸に平行で、且つ高さ方向がｙ軸に平行になるようにし、さらに矩形領域の中心をｚ軸が通るように配置されるが、光源制御装置２２０から最終的に出力される光線の向きを所定の軸方向に対して制御することにより、視聴者が立体視を行う映像表示装置において、装置全体のｚ軸方向の長さを短くすることができれば、上記の設置方法に特に限定されず、種々の変更が可能である。

また、形状においても、光源制御装置２２０から最終的に出力される光線の向きを所定の軸方向に対して制御することにより、視聴者が立体視を行う映像表示装置において、装置全体のｚ軸方向の長さを短くすることができれば、上記の矩形に特に限定されず、種々の形状を採用することが可能である。

次に、本実施の形態において、傾いた偏向素子アレイ２０３と映像表示用透過型ディスプレイ１０７とについて、視聴者が映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面全体を観察できるためには、以下の条件が成り立つ必要がある。

偏向素子アレイ２０３中の偏向素子１０３として使用する、傾いたシリンドリカルレンズの光線射出面から見た主平面ｚ座標をｚ９’とし、偏向素子アレイ２０３のｘ軸方向の端座標（ｗ９／２）から射出可能な最大水平偏向角をφ’_ＭＡＸとしたとき、映像表示用透過型ディスプレイ１０７のｘ軸方向の画面端座標（ｗ７／２）と、偏向素子アレイ２０３のｘ軸方向の端座標（ｗ９／２）とにおいて、条件として、以下の式（８）が成り立つ。

ｗ９／２≧ｗ７／２＋（ｚ１３−ｚ９’）ｔａｎφ’_ＭＡＸ … （８）

上記（８）式を満たすことにより、映像表示用透過型ディスプレイ１０７のｘ軸方向における両端座標を通る光線が存在することになる。

また、視点位置３０１のｚ座標ｚ１４について、偏向した光線が視点位置３０１で射出瞳を形成するには、偏向素子アレイ２０３のｘ軸方向のレンズ幅端であるｘ軸方向の端座標（ｗ９／２）において、以下の式（９）が成り立つ必要がある。

φ’_ＭＡＸ≧ｔａｎ^−１（ｗ９／２（ｚ１４−ｚ９’）） … （９）

したがって、上記(９)式を満たすように、視聴者の視点位置３０１を定める。なお、式(８)、式(９)において使用している偏向角φ’_ＭＡＸについて、理論値は、式（２）から求められるが、実際のレンズでは、収差による誤差から、式（２）の値と必ずしも一致しない。よって、実際には、実測値を用いて条件式（８）、式（９）を定める必要がある。また、面光源１０１、マスクパターン部１０２、スリット２０４、垂直拡散板１０５、及び垂直拡散板１０６についても、光線が各構成要素の有効範囲を通過するように、適切にｘ軸方向幅を設定する必要がある。

次に、図３９〜図４２を用いて、偏向素子アレイ２０３を用いた実施の形態２の詳細について説明する。図３９は、図３５に示す映像表示装置において偏向素子アレイ２０３の右端から２本の光線が射出される場合の光線経路を示す模式図であり、図４０は、図３９に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイにおける光線の状態を示す図であり、図４１は、図３５に示す映像表示装置において偏向素子アレイ２０３から３本の平行光線が射出される場合の光線経路を示す模式図であり、図４２は、図４１に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイにおける光線の状態を示す図である。

まず、式(８)及び式(９)を満たすように、ｗ７、ｗ９、ｚ９’、ｚ１３、ｚ１４を設定したとき、ｘｚ平面で考えた場合、偏向素子アレイ２０３から射出された各光線が、映像表示用透過型ディスプレイ１０７におけるすべてのｘ座標を満たすように通り、且つ各光線をｘｚ平面に投影した場合に、視点位置３０１に集光する光線となる平行光線の射出方法が存在する。

上記の条件を満たすように、各構成要素を配置した場合に、映像表示用透過型ディスプレイ１０７のｘ軸方向の右端を通る光線を射出した場合を図３９に示す。この場合と、実施の形態１における同様の例を示す図２７との違いは、以下の二点である。

一点目は、図３９の左側上段の偏向素子アレイ２０３から射出する光線数が２つになり、２本の平行光線Ｐ１、Ｐ２が射出されている点である。これは、偏向素子アレイ２０３上のｘ座標ｈ１におけるシリンドリカルレンズの本数が増えたことにより、図３９の左側下段の上面図において、ｘｚ平面に写像した図中に矢印で示す光線経路を射出可能な位置が増えたためである。

二点目は、図３９の右側上段の側面図に示すように、ｘ座標ｈ１において光線の射出位置が増加し、垂直拡散板１０５と映像表示用透過型ディスプレイ１０７との間の距離が短くなった点である。このため、垂直拡散板１０５の拡散角ψ１が実施の形態１と同一の場合、図２４で説明したようなｙ軸方向に縦拡散する光線が映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面高さ方向を覆うような距離（ｚ１３−ｚ１１）を、実施の形態１における同様の距離（ｚ７−ｚ５）と比べた場合、以下の式（１０）の関係が成り立つ。

ｚ１３−ｚ１１＜ｚ７−ｚ５ … （１０）

これにより、構成全体の奥行きが短くなっても、図４０に示すように、視点位置３０１から見た映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面右端の縦ストライプ領域ＢＬが明るくなる。

上記のように、偏向素子アレイ２０３では、複数のシリンドリカルレンズが斜めに傾けて配置されているので、各シリンドリカルレンズにおいて、ｘ座標位置（入射水平位置）と、中心軸ＣＡ１、ＣＡ２からの距離とが同一になる位置が複数存在するので、複数のシリンドリカルレンズにおける特定のｘ座標位置（水平位置）から、同一の水平偏向角を持った複数の平行光線を射出することができる。また、偏向素子アレイ２０３では、同一のｘ座標位置（水平位置）において、ｙ軸方向（垂直方向）における平行光線の入射位置を変化させることにより、ｘ軸方向（水平方向）における向きを同時に変化させた複数の光線を射出することができる。

上記の光線を偏向素子アレイ２０３の全位置から射出される光線に変更した場合の光線経路を図示したものが図４１である。偏向素子アレイ２０３の全位置から射出される光線として、図４１の左側上段に示すように、例えば、３本のライン状の平行光線ＰＬ１〜ＰＬ３が偏向素子アレイ２０３から射出される場合、視点位置３０１から映像表示用透過型ディスプレイ１０７を見ると、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の表示面全体から視点位置３０１に進む光線が存在するため、図４２に示すように、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面全体ＢＡが照射されて見える。

なお、集光位置について、光源制御装置２２０から射出される光線は、幅を持った光線であるため、射出瞳は一点に集中するわけではなく、所定の大きさを有する。この領域の大きさは、面光源１０１から射出される光線の平行度やマスクパターン部１０２の開口部の大きさで決まる。

次に、視聴者への立体映像の提示方法について説明する。図４３は、時分割による立体映像を提示する場合に使用される入射軌跡パターンの一例を示す図であり、図４４は、図４３に示す入射軌跡パターンを用いた場合の図３５に示す映像表示装置２００の光線経路を示す模式図である。

視聴者へ立体映像を提示する場合、同期制御部１０９は、光源制御部１０８と映像表示装置制御部１１０とを同期制御し、映像表示装置制御部１１０は、映像表示用透過型ディスプレイ１０７に、視聴者がちらつきを感じない時分割速度で、左眼用の視差画像と右眼用の視差画像とを切り替えて表示する。

このとき、光源制御部１０８は、視差画像の切替に同期して、視聴者の左瞳位置３０１Ｌに射出瞳を形成する左眼用マスクパターンと、視聴者の右瞳位置３０１Ｒに射出瞳を形成する右眼用マスクパターンとを時分割で切り替えるようにマスクパターン部１０２を制御する。このマスクパターンの切り替えにより、図４３に示すように、３本のライン状の左目用平行光線ＬＰ１〜ＬＰ３と、３本のライン状の右目用平行光線ＲＰ１〜ＲＰ３とが偏向素子アレイ２０３から時分割で射出される。

次に、図４４に示すように、左目用平行光線ＬＰ１〜ＬＰ３は、視聴者の左瞳位置３０１Ｌに射出瞳を形成する光線ＬＰとなり、右目用平行光線ＲＰ１〜ＲＰ３は、視聴者の右瞳位置３０１Ｒに射出瞳を形成する光線ＲＰとなり、視聴者は、裸眼で立体映像を視聴可能となる。

次に、複数の視聴者への立体映像の提示方法について説明する。図４５は、複数の視聴者に対して時分割による立体映像を提示する場合に使用される入射軌跡パターンの一例を示す図であり、図４６は、図４５に示す入射軌跡パターンを用いた場合の図３５に示す映像表示装置２００の光線経路を示す模式図である。

複数の視聴者へ立体映像を提示する場合、同期制御部１０９は、光源制御部１０８と映像表示装置制御部１１０とを同期制御し、映像表示装置制御部１１０は、映像表示用透過型ディスプレイ１０７に、複数の視聴者がちらつきを感じない時分割速度で、左眼用の視差画像と右眼用の視差画像とを切り替えて複数の視聴者に対して同時に表示する。

このとき、光源制御部１０８は、視差画像の切替に同期して、第１の視聴者の左瞳位置３０１Ｌに射出瞳を形成するとともに、第２の視聴者の左瞳位置３０２Ｌに射出瞳を形成する左眼用マスクパターンと、第１の視聴者の右瞳位置３０１Ｒに射出瞳を形成するとともに、第２の視聴者の右瞳位置３０２Ｒに射出瞳を形成する右眼用マスクパターンとを時分割で切り替えるようにマスクパターン部１０２を制御する。

上記のように、マスクパターンが切り替えられる結果、図４５に示すように、左眼用マスクパターンにより、第１の視聴者用の３本のライン状の左目用平行光線Ｌ１１〜Ｌ１３と、第２の視聴者用の３本のライン状の左目用平行光線Ｌ２１〜Ｌ２３とが同時に偏向素子アレイ２０３から射出され、また、右眼用マスクパターンにより、第１の視聴者用の３本のライン状の右目用平行光線Ｒ１１〜Ｒ１３と、第２の視聴者用の３本のライン状の右目用平行光線Ｒ２１〜Ｒ２３とが同時に偏向素子アレイ２０３から射出される。したがって、第１の視聴者用の左目用平行光線Ｌ１１〜Ｌ１３及び第２の視聴者用の左目用平行光線Ｌ２１〜Ｌ２３と、第１の視聴者用の右目用平行光線Ｒ１１〜Ｒ１３及び第２の視聴者用の右目用平行光線Ｒ２１〜Ｒ２３とを偏向素子アレイ２０３から時分割で射出することができる。

次に、図４６に示すように、第１の視聴者用の左目用平行光線Ｌ１１〜Ｌ１３は、第１の視聴者の左瞳位置３０１Ｌに射出瞳を形成する光線ＬＰ１となり、第１の視聴者用の右目用平行光線Ｒ１１〜Ｒ１３は、第１の視聴者の右瞳位置３０１Ｒに射出瞳を形成する光線ＲＰ1となり、第１の視聴者が裸眼で立体映像を視聴可能になる。また、第２の視聴者用の左目用平行光線Ｌ２１〜Ｌ２３は、第２の視聴者の左瞳位置３０２Ｌに射出瞳を形成する光線ＬＰ２となり、第２の視聴者用の右目用平行光線Ｒ２１〜Ｒ２３は、第２の視聴者の右瞳位置３０２Ｒに射出瞳を形成する光線ＲＰ２となり、第２の視聴者も裸眼で立体映像を視聴可能になる。この結果、複数の視聴者が裸眼で同時に立体映像を視聴することができる。

なお、上記の説明では、ある水平領域の輝度分布は、図４０に示す映像表示用透過型ディスプレイ１０７の正面図のように、画面の高さによらず、全て均一であるとしてきたが、実際には、拡散点の中心からの距離に応じて輝度が減衰する。図４７は、図３９に示す光線経路に輝度の減衰状態を付加した模式図であり、図４８は、図４０に示す光線の状態に輝度の減衰状態を付加した図である。なお、図４７及び図４８では、輝度の高い部分が白くなり、輝度の低い部分が黒くなるように図示している。

図４７に示すように、垂直拡散板１０５から射出される拡散光ＰＢ１、ＰＢ２は、拡散点の中心からの距離に応じて輝度が減衰するため、図４８に示すように、映像表示用透過型ディスプレイ１０７上の縦ストライプ領域ＢＬでは、拡散光ＰＢ１の中心部Ｂ１及び拡散光ＰＢ２の中心部Ｂ２の輝度が最も高くなり、中心部Ｂ１、Ｂ２から離れるほど輝度が低下し、ある水平領域内での縦方向の輝度変化が不連続になってしまう。一方、人間の眼は、輝度の不連続性に敏感なため、縦方向の輝度変化が輝度ムラとして認識されてしまう。これを避けるには、輝度変化が滑らかになるように、垂直拡散板１０５の拡散特性を選択する必要がある。

図４９は、図４１に示す光線経路に輝度の減衰状態を付加した模式図であり、図５０は、図４２に示す光線の状態に輝度の減衰状態を付加した図である。

まず、連続したパターンとして、図４９のように３本のライン状の平行光線ＰＬ１〜ＰＬ３を入射する場合を考える。このときの映像表示用透過型ディスプレイ１０７での輝度変化は、図５０に示す状態となる。偏向素子アレイ２０３の中央に入射した平行光線ＰＬ２は、図５０の点線で囲んだ四角形の領域ＳＡのように拡散する。このとき、四角形の領域ＳＡは、平行光線ＰＬ２に対応する位置からの距離に応じて、図４８を用いて説明したように、減衰していく。

一方、図５０の破線で囲んだ丸部分Ａ１、Ａ２のように、偏向素子アレイ２０３のシリンドリカルレンズ毎の境界において、水平方向に大きな輝度差が生じてしまう領域が生じる。これは、垂直拡散板１０５の特性に関わらず、必ず生じてしまう。

そこで、水平方向の輝度の不連続を軽減するために、光源制御部１０８は、マスクパターン部１０２の開口量をマスクパターン上の垂直方向位置に応じて段階的に変化させることにより、垂直拡散板１０５から射出される光線の拡散分布を均一化する。図５１は、光源制御部１０８によるマスクパターン部１０２の開口量の制御例の一例を示す図であり、図５２は、図５１に示すマスクパターン部１０２の開口量の制御例に対応する映像表示用透過型ディスプレイ１０７の輝度の状態を示す図である。

図５１に示すように、光源制御部１０８は、マスクパターンの開口部の垂直方向（ｙ方向）における中間部の輝度が最も高く、中間部から離れるほど輝度が低下するように、マスクパターン部１０２の開口部の開口量を制御する。

上記のように、マスクパターン部１０２の開口部の開口量を制御することにより、図５２に示すように、偏向素子アレイ２０３のシリンドリカルレンズ毎の境界に対応する破線で囲んだ丸部分Ａ１、Ａ２における水平方向の輝度差がなくなり、映像表示用透過型ディスプレイ１０７上の水平方向輝度の不連続性を軽減することができるため、結果として、視聴者が輝度ムラを感じにくくするようにできる。

以上、図３４〜図５２を用いて、実施の形態２について説明した。したがって、上記の構成により、本実施の形態では、実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、実施の形態１よりも装置の奥行きを短くすることができるので、装置の奥行きを現在販売されている薄型ディスプレイと同等にすることができ、さらに、輝度ムラ等の画質劣化を防止することができる。

（実施の形態３）
次に、図５３〜図５９を用いて、本発明の実施の形態３における映像表示装置の構成について説明する。図５３は、本発明の実施の形態３における映像表示装置の構成を模式的に示す概略斜視図である。

図５３において、映像表示装置３００は、光源制御装置３２０と、映像表示用透過型ディスプレイ１０７と、同期制御部１０９と、映像表示装置制御部１１０とを備える。光源制御装置２２０は、平行光線を射出する面光源１０１と、マスクパターン部１０２と、偏向素子アレイ２０３と、スリット２０４と、垂直拡散板１０５と、垂直拡散板１０６と、２枚の左右ミラー３０３と、光源制御部１０８とを備える。

本実施の形態は、実施の形態２よりも装置全体の左右幅を短くするための構成を採用しており、基本的には、実施の形態２と同じであるが、左右ミラー３０３が追加された点が実施の形態２と異なっている。

本実施の形態において、左右ミラー３０３は、映像表示装置３００（光源制御装置３２０）の左側面及び右側面に配置され、偏向素子アレイ２０３から射出される光線を装置の内側に反射するミラーである。左右ミラー３０３は、幅ｗ１５、高さｈ１５の矩形領域を有し、その厚みがｔ１５である。左右ミラー３０３は、ｙｚ平面に対して矩形領域が平行になるように、スリット２０４と映像表示用透過型ディスプレイ１０７との間の左側面及び右側面に設置される。その際、矩形領域の内の反射面のｘ座標をｘ１５とし、反射面の面光源１０１側のｚ座標をｚ１５とすると、以下の条件式（１１）〜（１３）を満たすように、左右ミラー３０３を設置する。なお、ｘ１５の符号は、装置の左右のどちらに左右ミラー３０３を取り付けるかで決まる。

ｗ１５＝ｚ１４−ｚ１０ … （１１）
ｘ１５＝±ｗ１０／２ … （１２）
ｚ１５＝ｚ１０ … （１３）

上記の実施の形態１、２では、式（５）及び式（８）が制約条件となり、偏向素子１０３又は偏向素子アレイ２０３の幅方向の大きさと比べ、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の幅方向の大きさは小さかった。しかしながら、本実施の形態では、左右ミラー３０３を用いることにより、上記制約を取り除くことが可能となる。これにより、例えば、現在市販されている薄型テレビジョンのような外形に対し、映像表示装置３００の映像表示面がほぼ同じ大きさとなる構成にすることも可能である。

但し、面光源１０１、マスクパターン部１０２、偏向素子アレイ２０３、スリット２０４、垂直拡散板１０５、垂直拡散板１０６、及び映像表示用透過型ディスプレイ１０７については、光線が各構成要素の有効範囲を通過するように、適切に、ｘ軸方向の幅と、ｙ軸方向の高さとを設定する必要がある。

なお、本実施の形態において、左右ミラー３０３は、各矩形領域の幅方向がｚ座標に平行で、且つ高さ方向がｙ軸に平行になるよう配置するものとしているが、光源制御装置３２０から最終的に出力される光線の向きを所定の軸方向に対して制御することにより、視聴者が立体視を行う映像表示装置において、装置のｘ軸方向の長さを短くすることができれば、上記の設置方法に特に限定されず、種々の変更が可能である。

また、左右ミラー３０３の形状も、光源制御装置３２０から最終的に出力される光線の向きを所定の軸方向に対して制御することにより、視聴者が立体視を行う映像表示装置において、装置のｘ軸方向の長さを短くすることができれば、上記の矩形に特に限定されず、種々の形状を採用することが可能である。

次に、上記の条件を満たすように、左右ミラー３０３を含む各構成要素を配置した場合に、映像表示用透過型ディスプレイ１０７のｘ軸方向の右端を通る光線を射出した場合を図５４に示す。図５４は、図５３に示す映像表示装置において偏向素子アレイ２０３の右端から２本の光線が射出される場合の光線経路を示す模式図であり、図５５は、図５４に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイ１０７における光線の状態を示す図である。

図５４と、実施の形態２における同様の例を示す図３９との違いは、以下の通りである。すなわち、実施の形態２の場合は、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面右端を通り、且つ視点位置３０１を通る光線を射出するには、条件式（８）により、偏向素子アレイ２０３におけるｘ座標が（ｗ７/２）よりも大きい位置から光線を射出しなければならなかった。

しかしながら、本実施の形態では、左右ミラー３０３を装置の左右に設けることにより、図５４に示すように、偏向素子アレイ２０３におけるｘ座標が（ｗ７/２）よりも小さい位置から射出した光線Ｐ１、Ｐ２が、左右ミラー３０３によって反射され、視点位置３０１に到達する。これにより、構成全体の幅方向の長さが短くなっても、図５５に示すように、視点位置３０１から見た映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面右端の縦ストライプ領域ＢＬが明るくなる。

上記の光線を偏向素子アレイ２０３の全位置から射出される光線に変更した場合の光線経路を図示したものが図５６である。図５６は、図５３に示す映像表示装置において偏向素子アレイから複数の平行光線が射出される場合の光線経路を示す模式図であり、図５７は、図５６に示す構成を用いたときの映像表示用透過型ディスプレイにおける光線の状態を示す図である。

図５６の左側下段では、偏向素子アレイ２０３から射出した後、直接、視点位置３０１を通る光線ＰＬ１を実線で示し、左右ミラー３０３によって反射された後に、視点位置３０１を通る光線ＰＬ２を破線で示している。図５６の左側上段に示すように、上記の複数のライン状の平行光線ＰＬ１、ＰＬ２が偏向素子アレイ２０３から射出される場合、視点位置３０１から映像表示用透過型ディスプレイ１０７を見ると、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の表示面全体から視点位置３０１に進む光線が存在するため、図５７に示すように、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面全体ＢＡが照射されて見える。

なお、集光位置について、光源制御装置３２０から射出される光線は、幅を持った光線であるため、射出瞳は一点に集中するわけではなく、所定の大きさを有する。この領域の大きさは、面光源１０１から射出される光線の平行度やマスクパターン部１０２の開口部の大きさで決まる。

次に、本実施の形態において、偏向素子アレイ２０３の構成要素であるシリンドリカルレンズの、ｘ軸からの傾き角θの望ましい範囲について説明する。図５８は、偏向素子アレイ２０３の小さい傾き角θと光線の偏向範囲との関係を説明するための模式図であり、図５９は、偏向素子アレイ２０３の大きい傾き角θと光線の偏向範囲との関係を説明するための模式図である。

図５８と図５９とでは、偏向素子アレイ２０３の傾き角θが異なり、図５８に比べて、図５９の方が、偏向素子アレイ２０３を構成するシリンドリカルレンズの傾き角θが大きい。このとき、矢印で表したシリンドリカルレンズのｙ軸方向の長さｈｃ１、ｈｃ２は、式（４）のｈｃで表される。

ここで、図５８の下段に、上段のｙ軸方向の長さｈｃ１に対応した、偏向素子アレイ２０３のｘ座標位置における光線の水平偏向可能範囲（図中のハッチング領域）を示しており、水平偏向可能範囲は、φ’_ＭＡＸに従う。一方、図５９のように、レンズ傾き角θが大きくなり、シリンドリカルレンズのｙ軸方向の長さｈｃ２が、偏向素子アレイ２０３の高さｈ９よりも大きくなった場合、下段に示す点線で囲まれた部分ＤＡのように、偏向できない範囲が生じる。この点線で囲まれた部分ＤＡは、上段の丸で囲んだ部分に対応する。

上記のように、偏向素子アレイ２０３において偏向できない領域が生じるということは、図３３の斜線で示した視聴可能領域ＶＡ内においても、画面全体を視聴できない領域が生じるということである。これを避けるためには、図５８に示すように、レンズ傾き角θが大きくなりすぎないよう制限を設ける必要がある。

上記の条件を満たすには、シリンドリカルレンズのｙ軸方向の長さｈｃが偏向素子アレイ２０３の高さｈ９よりも小さくなる必要があり、下記の式（１４）を満たす必要がある。

θ≦ｃｏｓ^−１（ｃｗ／ｈ９） … （１４）

さらに言うと、垂直拡散板１０５による拡散時の縦方向の明るさムラを抑えるには、偏向素子アレイ２０３の同一ｘ座標上に、光線を射出できる位置が２点あることが好ましい。この条件を満たすには、シリンドリカルレンズのｙ軸方向の長さｈｃの２倍の長さが偏向素子アレイ２０３の高さよりも小さくなる必要があり、下記の式（１５）を満たす必要がある。

θ≦ｃｏｓ^−１（２ｃｗ／ｈ９） … （１５）

上記の式（１４）は、最低条件であり、実用上は、式（１５）を満たすことがより望ましい。

次に、偏向素子アレイ２０３の傾き角θの下限について説明する。最短視聴距離Ｖ_ＭＩＮと、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の解像度から決まる最適視聴距離Ｖｄとについて、視聴者が最適な映像を視聴するには、下記の式（１６）を満たす必要がある。

Ｖｄ≧Ｖ_ＭＩＮ … （１６）

ここで、最短視聴距離Ｖ_ＭＩＮは、図２２から、映像表示用透過型ディスプレイ１０７のｘ方向の画面端座標（ｗ７／２）から水平方向の偏向角度φ’_ＭＡＸで決まる。偏向角度φ’_ＭＡＸは、式（２）で表せるため、式（２）をｔａｎφ’_ＭＡＸでまとめると、下記の式（１７）となる。

ｔａｎφ’_ＭＡＸ＝（ｃｗ／２ｆ１）ｓｉｎθ … （１７）

また、図３３から、最短視聴距離Ｖ_ＭＩＮを、偏向角度φ’_ＭＡＸで表すと、下記の式（１８）となる。

Ｖ_ＭＩＮ＝ｗ７／（２ｔａｎφ’_ＭＡＸ） … （１８）

上記の式（１６）〜（１８）から、偏向素子アレイ２０３の傾き角θの下限は、下記の式（１９）となる。

θ≧ｓｉｎ^−１（（ｆ１×ｗ７）／（ｃｗ×Ｖｄ）） … （１９）

したがって、偏向素子アレイ２０３の傾き角θは、下記の式を満たすことが好ましい。

ｓｉｎ^−１（（ｆ１×ｗ７）／（ｃｗ×Ｖｄ））≦θ≦ｃｏｓ^−１（ｃｗ／ｈ９） … （２０）

この場合、視聴者は、視聴領域内において映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面全体を視聴することができるとともに、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の解像度に適した最適な映像を視聴することができる。

以上、図５３〜図５９を用いて、実施の形態３における奥行きを短くする構成について説明した。なお、本実施の形態では、実施の形態２に対して、左右ミラー３０３を追加したが、実施の形態１に対しても、左右ミラー３０３を追加することにより、上記と同様に、装置全体の左右幅を短くすることができる。

（実施の形態４）
次に、図６０及び図６１を用いて、本発明の実施の形態４における映像表示装置の構成について説明する。図６０は、本発明の実施の形態４における映像表示装置の構成を模式的に示す概略斜視図である。

図６０において、映像表示装置４００は、光源制御装置４２０と、映像表示用透過型ディスプレイ１０７と、同期制御部１０９と、映像表示装置制御部１１０とを備える。光源制御装置４２０は、平行光線を射出する面光源１０１と、マスクパターン部１０２と、偏向素子アレイ２０３と、スリット２０４と、垂直拡散板１０５と、垂直拡散板１０６と、２枚の左右ミラー３０３と、２枚の上下ミラー４０１と、光源制御部１０８とを備える。

本実施の形態は、実施の形態３よりも光源の利用効率を上げるための構成を採用しており、基本的には、実施の形態３と同じであるが、上下ミラー４０１が追加されている点が実施の形態３と異なっている。

本実施の形態において、上下ミラー４０１は、映像表示装置４００（光源制御装置４２０）の上面及び下面に配置され、偏向素子アレイ２０３から射出される光線を装置の内側に反射するミラーである。上下ミラー４０１は、幅ｗ１６、高さｈ１６の矩形領域を有し、その厚みがｔ１６である。上下ミラー４０１は、ｘｚ平面に対して矩形領域が平行になるように、スリット２０４と映像表示用透過型ディスプレイ１０７との間の上面及び下面に設置される。その際、矩形領域の内の反射面のｙ座標をｙ１６とし、反射面の面光源１０１側のｚ座標をｚ１６とすると、以下の条件式（２１）〜（２３）を満たすように、上下ミラー４０１を設置する。なお、ｙ１６の符号は、装置の上下のどちらに上下ミラー４０１を取り付けるかで決まる。

ｗ１６＝ｚ１４−ｚ１０ … （２１）
ｙ１６＝±ｈ１０／２ … （２２）
ｚ１６＝ｚ１０ … （２３）

但し、面光源１０１、マスクパターン部１０２、偏向素子アレイ２０３、スリット２０４、垂直拡散板１０５、垂直拡散板１０６、及び映像表示用透過型ディスプレイ１０７については、光線が各構成要素の有効範囲を通過するように、適切に、ｘ軸方向の幅と、ｙ軸方向の高さとを設定する必要がある。

なお、本実施の形態において、上下ミラー４０１は、各矩形領域の幅方向がｚ座標に平行で、且つ高さ方向がｘ軸に平行になるよう配置するものとしているが、光源制御装置４２０から最終的に出力される光線の向きを所定の軸方向に対して制御することにより、視聴者が立体視を行う映像表示装置において、装置の光源利用効率を上げることができれば、上記の設置方法に特に限定されず、種々の変更が可能である。

また、上下ミラー４０１の形状も、光源制御装置４２０から最終的に出力される光線の向きを所定の軸方向に対して制御することにより、視聴者が立体視を行う映像表示装置において、装置の光源利用効率を上げることができれば、上記の矩形に特に限定されず、種々の形状を採用することが可能である。

次に、上記の条件を満たすように、上下ミラー４０１を含む各構成要素を配置した場合と、上下ミラー４０１を配置しなかった場合との違いについて、映像表示用透過型ディスプレイ１０７のｘ軸方向の中央部を通る光線を例に説明する。図６１は、図６０に示す上下ミラー４０１による光源利用効率の向上効果を説明するための模式図である。

図６１の上段は、上下ミラー４０１を配置しなかった場合の側面図である。上下ミラー４０１を配置しなかった場合、図の丸で囲んだ部分のように、垂直拡散板１０５で縦拡散した光の一部が映像表示用透過型ディスプレイ１０７を通らない。一方、図６１の下段は、本実施の形態のように、上下ミラー４０１を配置した場合の側面図である。図６１の下段に示すように、上下ミラー４０１をつけた場合、上記のような光はなくなる。したがって、上下ミラー４０１によって反射された光は、垂直拡散板１０６によって拡散されるため、最終的に視点位置を通過する光線が増えることになる。

以上、図６０及び図６１を用いて、実施の形態４における光源の利用効率を高める構成について説明した。なお、本実施の形態では、実施の形態３に対して上下ミラー４０１を追加したが、実施の形態１、２に対しても、上下ミラー４０１を追加することにより、上記と同様に、光源の利用効率を上げることができる。

（実施の形態５）
次に、図６２〜図６４を用いて、本発明の実施の形態５における映像表示装置の構成について説明する。図６２は、本発明の実施の形態５における映像表示装置の構成を模式的に示す概略斜視図である。

図６２において、映像表示装置５００は、光源制御装置５２０と、映像表示用透過型ディスプレイ１０７と、同期制御部１０９と、映像表示装置制御部１１０とを備える。光源制御装置５２０は、平行光線を射出する面光源１０１と、マスクパターン部１０２と、偏向素子１０３と、スリット１０４と、垂直拡散板１０５と、垂直拡散板１０６と、フィールドレンズ５０１と、光源制御部１０８とを備える。

本実施の形態は、実施の形態１よりも視聴範囲を広げるための構成を採用しており、基本的には、実施の形態１と同じであるが、フィールドレンズ５０１が追加されている点が実施の形態１と異なっている。

本実施の形態において、フィールドレンズ５０１は、垂直拡散板１０６と映像表示用透過型ディスプレイ１０７との間に配置され、垂直拡散板１０６により拡散された拡散光の進行方向を変更する。フィールドレンズ５０１は、幅ｗ１７、高さｈ１７の矩形領域を有し、その厚みがｔ１７である。したがって、フィールドレンズ５０１の入射面のｚ座標をｚ１７とすると、ｚ１７≧（ｚ６＋ｔ６）を満たし、映像表示用透過型ディスプレイ１０７のｚ座標をｚ１８とすると、ｚ１８≧ｚ１７＋ｔ１７を満たす。

フィールドレンズ５０１としては、例えば、フレネルレンズを用いるが、通常のレンズでもよく、また、ｘ軸方向にのみ曲率を有するシリンドリカルレンズやシリンドリカルフレネルレンズでもよい。さらには、光線を所定の軸方向において偏向することができる光学素子であれば、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。

図６３は、図６２に示すフィールドレンズ５０１を通る光線の経路を示す平面図である。図６３に示すように、レンズ偏向方向に対して様々な角度で入射した光のうち、レンズ主点ＬＭを通る光は直進し、それ以外の光は主平面ＭＦから焦点距離ｆ３だけ離れた位置で集光する。なお、実際には、収差の影響により、集光位置は、ある程度の大きさをもつ。

なお、本実施の形態において、フィールドレンズ５０１は、矩形領域の幅方向がｘ軸に平行で、且つ高さ方向がｙ軸に平行になり、さらに矩形領域の中心をｚ軸が通るように配置するものとしているが、光源制御装置５２０から最終的に出力される光線の向きを所定の軸方向に対して制御することにより、視聴者が立体視を行う映像表示装置において、視聴範囲を広げることができれば、上記の設置方法に特に限定されず、種々の変更が可能である。

また、フィールドレンズ５０１のｚ座標の位置についても、垂直拡散板１０６と映像表示用透過型ディスプレイ１０７との間としているが、同様に目的を満たす設置位置であれば、これに限定されない。

さらに、フィールドレンズ５０１の形状も、光源制御装置５２０から最終的に出力される光線の向きを所定の軸方向に対して制御することにより、視聴者が立体視を行う映像表示装置において、視聴範囲を広げることができれば、上記の矩形に特に限定されず、種々の形状を採用することが可能である。

次に、図６４を用いて、フィールドレンズ５０１による視聴範囲の拡大効果について説明する。図６４は、図６２に示すフィールドレンズ５０１による視聴範囲の拡大効果を説明するための模式図である。図６４の左側は、フィールドレンズ５０１を設置しない場合の上面図であり、右側は、垂直拡散板１０６と映像表示用透過型ディスプレイ１０７との間にフィールドレンズ５０１を設置した場合の上面図である。

図６４の左側に示すように、フィールドレンズ５０１を設置しない場合、視聴可能範囲ＢＡ１（図中のハッチング領域）は、偏向素子１０３の最大水平偏向角φ’_ＭＡＸにより決まる。一方、本実施の形態のように、フィールドレンズ５０１を設置した場合、図６４の右側に示すように、光線は、フィールドレンズ５０１を通る際、ｘ軸方向において原点方向へさらに偏向される。これにより、視聴可能範囲ＢＡ２（図中のハッチング領域）が拡大し、さらに、最小視聴距離も短くなる。

上記の構成により、本実施の形態では、フィールドレンズ５０１を垂直拡散板１０６と映像表示用透過型ディスプレイ１０７との間に配置し、垂直拡散板１０６により拡散された拡散光の進行方向を変更して偏向素子１０３の最大水平偏向角φ’_ＭＡＸより大きな角度で拡散光を集光することができるので、拡散光の照射可能範囲を拡大して視聴者が立体視を行うことができる視聴可能範囲を拡大することができるとともに、最小視聴距離を短縮することができる。

以上、図６２〜図６４を用いて、実施の形態５における視聴範囲の拡大について説明した。なお、本実施の形態では、実施の形態１に対してフィールドレンズ５０１を追加したが、実施の形態２〜４に対しても、フィールドレンズ５０１を追加することにより、上記と同様に、視聴範囲を広げることができる。

（実施の形態６）
次に、図６５及び図６６を用いて、本発明の実施の形態６における映像表示装置の構成について説明する。図６５は、本発明の実施の形態６における映像表示装置の構成を模式的に示す概略斜視図である。

図６５において、映像表示装置６００は、光源制御装置６２０と、映像表示用透過型ディスプレイ１０７と、同期制御部１０９と、映像表示装置制御部１１０とを備える。光源制御装置６２０は、レーザ光源６０１と、反射方向を制御可能なミラー６０２と、レンズ６０３と、偏向素子１０３と、スリット１０４と、垂直拡散板１０５と、垂直拡散板１０６と、光源制御部１０８とを備える。レーザ光源６０１と、ミラー６０２と、レンズ６０３とから光源ユニットが構成され、光源ユニットは、複数の平行光線を射出面から射出可能に構成され、射出面の任意の位置から平行光線を射出する。

本実施の形態は、別の光源ユニットを採用しており、基本的には、実施の形態１と同じであるが、平行光線を射出する面光源１０１とマスクパターン部１０２とから実現していた光線射出位置を指定可能な光源ユニットを、レーザ光源６０１と、反射方向を制御可能なミラー６０２と、レンズ６０３とから構成される光源ユニットに置き換えている。

レーザ光源６０１は、レーザ光をミラー６０２へ射出する。ミラー６０２は、レンズ６０３の焦点位置に配置され、レーザ光源６０１から入射されたレーザ光の反射方向を変更可能に構成されている。本実施の形態では、ミラー６０２として、例えば、ガルバノミラーを用いるが、これに限定されず、入射する光線を映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面書き換えレートよりも高速に、指定した角度に反射することが可能なデバイスであればよい。

レンズ６０３は、ミラー６０２からのレーザ光を平行光線に変換して偏向素子１０３へ射出する。本実施の形態では、例えば、フレネルレンズを用いるが、これに限定されず、例えば、通常の球面レンズであってもよい。

光源制御部１０８は、レーザ光源６０１及びミラー６０２を制御して、ミラー６０２の反射面の角度を変化させることにより、レーザ光の反射方向を変化させ、レンズ６０３から射出される平行光線の射出位置を変化させる。具体的には、光源制御部１０８は、ミラー６０２の動作パターンを制御し、ミラー６０２は、レンズ６０３上の任意の位置に光線を射出させ、レンズ６０３は、任意形状のパターンで平行光線を偏向素子１０３へ射出する。

本実施の形態において、レンズ６０３は、幅ｗ１８、高さｈ１８の矩形領域を有し、その厚みがｔ１８である。レンズ６０３の入射面のｚ座標をｚ１８とすると、ｚ１８＝０を満たすものとする。このとき、偏向素子１０３のｚ座標をｚ１９とすると、ｚ１９≧ｚ１８＋ｔ１８となる。なお、偏向素子１０３よりもｚ座標が大きい構成要素については、実施の形態１の配置に順ずる。

図６６は、図６５に示すミラー６０２及びレンズ６０３の構成を示す模式図である。なお、図６６では、レーザ光源６０１の図示を省略しているが、レーザ光源６０１については、ミラー６０２からレンズ６０３の指定領域内に光線を射出可能となるように、レーザ光源６０１とミラー６０２との相対位置関係を決めればよい。

ここで、レンズ６０３の光線入射側の焦点位置に、ミラー６０２の反射点ＲＥを置くことにより、ミラー６０２から射出された全ての光線は、レンズ６０３を通過後、レンズ６０３の射出側の平面に対して垂直な平行光線となる。このとき、ミラー６０２の向きを変化させて光線の射出方向を制御することにより、レンズ６０３の射出側の平面の任意の位置からレンズ主平面に垂直な平行光線を射出可能となる。

上記の構成により、本実施の形態でも、実施の形態１における図１５のような平行光線を射出することができるので、視聴者１１１は、実施の形態１と同様に、視点位置で映像表示用透過型ディスプレイ１０７に映る映像を視聴できる。また、立体視についても、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の左右視差映像の表示タイミングに合わせて、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の画面書き換えレートよりも高速にミラー６０２の向きを変化させ、左右眼位置で射出瞳を形成すれば、実施の形態１と同様に、立体視が可能である。すなわち、上記のような光源ユニットを用いることにより、本実施の形態でも、実施の形態１で用いた光源ユニットと同様に、視聴者が立体視を実現できる。

なお、本実施の形態では、実施の形態１と異なる光源ユニットの例を説明したが、実施の形態２〜５に対しても、上記と同様の光源ユニットを用いて、上記と同様の効果を奏することができる。

また、ミラー６０２の反射点ＲＥは、ミラー６０２の向きによって微小に変化するが、その際は、変化する範囲の重心付近を反射点ＲＥと定めればよい。

また、本実施の形態において、レンズ６０３は、矩形領域の幅方向がｘ軸に平行で、且つ高さ方向がｙ軸に平行になり、さらに矩形領域の中心をｚ軸が通るように配置するものとしているが、光源制御装置６２０から最終的に出力される光線の向きを所定の軸方向に対して制御することにより、視聴者が立体視を行う映像表示装置において、視聴範囲を広げることができれば、上記の設置方法に特に限定されず、種々の変更が可能である。

さらに、レンズ６０３の形状も、光源制御装置６２０から最終的に出力される光線の向きを所定の軸方向に対して制御することにより、視聴者が立体視を行う映像表示装置において、視聴範囲を広げることができれば、上記の矩形に特に限定されず、種々の形状を採用することが可能である。

（実施の形態７）
次に、図６７を用いて、本発明の実施の形態７における映像表示装置の構成について説明する。図６７は、本発明の実施の形態７における映像表示装置の構成を模式的に示す概略斜視図である。

図６７において、映像表示装置７００は、光源制御装置７２０と、映像表示用透過型ディスプレイ１０７と、同期制御部１０９と、映像表示装置制御部１１０と、撮像装置７０１と、視点位置計測部７０２と、光線射出位置決定部７０３とを備える。光源制御装置７２０は、平行光線を射出する面光源１０１と、マスクパターン部１０２と、偏向素子１０３と、スリット１０４と、垂直拡散板１０５と、垂直拡散板１０６と、光源制御部１０８とを備える。

本実施の形態は、実施の形態１に対して、視聴者１１１の視点位置を計測することにより、視聴者１１１の移動に合わせてマスクパターン部１０２のマスクパターンを変更し、動的に射出瞳形成位置を変更する点が異なる点である。このため、本実施の形態は、基本的には、実施の形態１と同じであるが、撮像装置７０１、視点位置計測部７０２及び光線射出位置決定部７０３が追加されている点が実施の形態１と異なっている。

撮像装置７０１は、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）又はＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と、レンズとを備えたカメラであり、映像表示装置７００の視聴可能範囲の撮影を行い、撮影画像を視点位置計測部７０２へ出力する。

視点位置計測部７０２は、例えば、撮像装置７０１から取得した撮像画像に写る一人以上の人物（例えば、視聴者１１１）の左右瞳位置を検出し、左右の視点位置として視聴者１１１の左右瞳位置を光線射出位置決定部７０３に送る。

光線射出位置決定部７０３は、視聴者１１１の左右の視点位置に射出瞳を形成するための光線射出位置を決定し、光源ユニットの形態に合わせて、光線射出位置に光線を射出するための情報を光源制御部１０８に送る。例えば、光線射出位置決定部７０３は、実施の形態１における光源ユニットの場合、光線射出位置を決定するマスクパターンを光源制御部１０８に送り、また、実施の形態６における光源ユニットの場合、ミラー動作パターンを作成して光源制御部１０８に送る。

上記の構成により、本実施の形態では、移動した視聴者１１１の左右瞳位置に応じて、射出瞳形成位置を変更することができるので、視聴者１１１が移動しても、立体視を実現できる。

なお、本実施の形態では、実施の形態１に対して、撮像装置７０１と、視点位置計測部７０２と、光線射出位置決定部７０３を追加したが、実施の形態２〜６に対しても、撮像装置７０１と、視点位置計測部７０２と、光線射出位置決定部７０３とを追加することにより、上記と同様に、動的に射出瞳の形成位置を変更できる。

また、視点位置計測部７０２は、視聴者の左右瞳位置に加えて、視聴者の視線方向を計測することが好ましい。この場合、計測した視線方向に適した映像を表示することができる。

また、視点位置計測部７０２は、視聴者の左右瞳位置に加えて、視聴者の注視位置を計測し、光源制御部１０８は、視点位置計測部７０２により計測された視聴者の注視位置に応じて、映像表示用透過型ディスプレイ１０７の注視点以外の画面の輝度が低下するように、面光源１０１又はレーザ光源６０１を制御することが好ましい。

この場合、視点位置計測部７０２により計測された注視位置と人間の視覚特性とから、映像表示用透過型ディスプレイ１０７に表示される映像が視聴者に対して違和感を与えない程度に、注視点以外の画面の輝度を低下することができるので、装置の消費電力を低減することができる。

また、視点位置計測部７０２は、視聴者の左右瞳位置に加えて、視聴者の注視位置を計測し、光源制御部１０８は、視点位置計測部７０２により計測された視聴者の注視位置から、視聴者が映像表示用透過型ディスプレイ１０７の方向を向いているか否かを判断し、視聴者が映像表示用透過型ディスプレイ１０７の方向を向いていない場合に、面光源１０１又はレーザ光源６０１から射出する光線の出力を下げることが好ましい。

この場合、視聴者が映像表示用透過型ディスプレイ１０７の方向を向いていない場合に、面光源１０１又はレーザ光源６０１から射出する光線の出力を下げることができるので、画面全体の輝度を落とすことにより、装置の消費電力を低減することができる。

また、視点位置計測部７０２は、視聴者の左右瞳位置に加えて、視聴者の注視位置を計測し、光源制御部１０８は、視点位置計測部７０２により計測された視聴者の注視位置から、視聴者が映像表示用透過型ディスプレイ１０７の方向を向いているか否かを判断し、視聴者が映像表示用透過型ディスプレイ１０７の方向を向いていない場合に、面光源１０１又はレーザ光源６０１から射出する平行光線をオフにすることが好ましい。

この場合、視聴者が映像表示用透過型ディスプレイ１０７の方向を向いていない場合に、面光源１０１又はレーザ光源６０１から射出する光線をオフにすることができるので、装置の消費電力をより低減することができる。

上記の各実施の形態から本発明について要約すると、以下のようになる。即ち、本発明に係る光源制御装置は、所定の第１の軸方向における光線の向きを制御する光源制御装置であって、平行光線を任意の位置から前記第１の軸方向に対して直交する第２の軸方向に沿って射出する光源ユニットと、前記光源ユニットの前記平行光線の射出位置を制御する光源制御部と、前記光源ユニットから射出される前記平行光線を偏向する１つ以上の偏向素子と、前記偏向素子により偏向された光線を、前記第１の軸方向及び前記第２の軸方向に対して直交する第３の軸方向に拡散する第１の拡散素子とを備え、前記偏向素子は、前記第１の軸方向に対して斜めに傾けて配置され、自身の光軸方向に対して直交する第１の素子方向と、前記光軸方向及び前記第１の素子方向の双方に対して直交する第２の素子方向とで異なる偏向作用を有する。

この光源制御装置においては、自身の光軸方向に対して直交する第１の素子方向と、光軸方向及び第１の素子方向の双方に対して直交する第２の素子方向とで異なる偏向作用を有する偏向素子が、第１の軸方向に対して斜めに傾けて配置されているので、偏向素子の平行光線の入射位置を変更することにより、偏向素子から射出する光線の第１の軸方向における向きを変更することができる。ここで、平行光線の射出位置を制御することにより、偏向素子の平行光線の入射位置を制御することができるので、平行光線の射出位置に応じて第１の軸方向における光線の向きを制御することができ、第１の軸方向における光線の向きが制御された光線を、第３の軸方向に拡散することができる。

したがって、上記の光源制御装置は、第１の軸方向、例えば、水平方向における向きを制御しながら、第３の軸方向、例えば、垂直方向に拡散する光線を射出することができるので、この光源制御装置と、画像を表示する表示部とを用いて映像表示装置を構成した場合、表示部から射出される縦ストライプ状の光線の射出瞳を複数の視聴者の左右視点位置に同時に形成することができる。この結果、複数の視聴者は、眼鏡等を用いずとも、２次元映像表示と同じように制約なく立体映像を視聴できるようになる。

上記光源制御装置は、前記光源制御装置の左側面及び右側面に配置され、前記偏向素子から射出される光線を装置の内側に反射する第１のミラーをさらに備えることが好ましい。この場合、装置全体の左右幅を短くすることができる。

前記光源制御装置の上面及び下面に配置され、前記偏向素子から射出される光線を装置の内側に反射する第２のミラーをさらに備えることが好ましい。この場合、光源の利用効率を向上することができる。

前記光源ユニットは、レーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光を入射され、前記レーザ光の反射方向を変更可能に構成されたミラーと、前記ミラーからのレーザ光を平行光線に変換するレンズとを含み、前記ミラーは、前記レンズの焦点位置に配置され、前記光源制御部は、前記ミラーを制御して前記レーザ光の反射方向を変化させることにより、前記レンズから射出される平行光線の射出位置を変化させることが好ましい。

この場合、ミラーを制御してレーザ光の反射方向を変化させることにより、レンズから射出される平行光線の射出位置を変化させているので、レンズの射出側の任意の位置からレンズ主平面に垂直な平行光線を射出することができる。

前記光源ユニットは、前記平行光線を射出する面光源と、開口部と遮光部とを有し、前記開口部の位置を任意に変更可能に構成されたマスクパターン部とを備え、前記光源制御部は、前記マスクパターン部の前記開口部の位置を変化させることにより、前記マスクパターン部から射出される平行光線の射出位置を変化させるようにしてもよい。

この場合、マスクパターン部の開口部の位置を変化させることにより、マスクパターン部の任意の位置からマスクパターン部の主面に垂直な平行光線を射出することができる。

前記光源制御部は、前記マスクパターン部の前記開口部の開口量を段階的に変化させることにより、前記第１の拡散素子から射出される光線の拡散分布を均一化することが好ましい。

この場合、上記の光源制御装置と、画像を表示する表示部とを用いて映像表示装置を構成することにより、表示部上の輝度の不連続性を軽減することができ、視聴者が輝度ムラを感じることを抑制することができる。

前記偏向素子は、前記第１の素子方向にのみ曲率を有するシリンドリカルレンズを含むことが好ましい。この場合、簡略な構成により、平行光線の射出位置に応じて、第１の軸方向における平行光線の向きを変化させることができる。

前記偏向素子は、前記第１の素子方向にのみ曲率を有する複数のシリンドリカルレンズをアレイ状に配置した偏向素子アレイを含むようにしてもよい。この場合、複数のシリンドリカルレンズから複数の平行光線を射出させ、第１の拡散素子から射出される光線の数を増加させることができるので、第１の拡散素子の拡散角を大きくすることなく、装置の奥行きを短くすることができる。

前記シリンドリカルレンズと前記第１の拡散素子との間に配置され、前記シリンドリカルレンズから射出される光線のうち、前記シリンドリカルレンズの焦点位置近傍を通る光線のみを通過させるスリットをさらに備えることが好ましい。この場合、シリンドリカルレンズにおける内部反射等によって発生する迷光の影響を取り除くことができる。

前記第１の拡散素子は、前記スリットを通過した光線のみを拡散する位置に配置されることが好ましい。この場合、不要な迷光が除去された光線を拡散することができるので、立体映像の表示に適した光線を生成することができる。

前記第１の拡散素子により拡散された光線をさらに前記第３の軸方向に拡散する第２の拡散素子をさらに備えることが好ましい。この場合、第１の拡散素子により拡散された光線をさらに第３の軸方向に拡散することができるので、上記の光源制御装置と、画像を表示する表示部とを用いて映像表示装置を構成することにより、表示部の画面全体を均一に照射することができる。

前記マスクパターン部は、透過型ディスプレイを含むことが好ましい。この場合、透過型ディスプレイの任意の領域を開口部と遮蔽部とに動的に切り替え、所望の形状のマスクパターンを生成し、マスクパターンの開口部から平行光線を射出することができる。

前記光源制御部は、前記透過型ディスプレイの開口部と遮光部との位置を変更する際に生じる画面遷移時に、前記面光源からの前記平行光線の照射を停止し、前記透過型ディスプレイの画面遷移が終了した後に、前記面光源からの前記平行光線の照射を再開することが好ましい。この場合、画面遷移時に不安定な光線が射出されることを防止することができる。

本発明に係る映像表示装置は、上記のいずれかの光源制御装置と、前記第１の拡散素子により拡散された光線をさらに前記第３の軸方向に拡散する第２の拡散素子と、前記第２の拡散素子から射出される拡散光を用いて画像を表示する表示部とを備え、前記光源制御部は、前記拡散光が前記表示部を通過した後に視聴者の視点位置に集光するように、前記光源ユニットから射出される前記平行光線の射出位置を制御する。

この映像表示装置においては、拡散光が画面全体を均一に照射し、この拡散光が表示部を通過した後に、視聴者の視点位置に集光するように、光源ユニットから射出される平行光線の射出位置を制御しているので、表示部から射出される縦ストライプ状の光線の射出瞳を複数の視聴者の左右視点位置に同時に形成することができ、複数の視聴者は、眼鏡等を用いずとも、２次元映像表示と同じように制約なく立体映像を視聴できるようになる。

前記表示部の映像表示画面を基準に水平方向及び垂直方向を定め、前記偏向素子の焦点距離をｆ１、前記偏向素子が曲率を有する方向の長さをｃｗ、前記表示部の垂直方向の長さをＨ、前記表示部の水平方向の長さをＷ、前記表示部の解像度から予め決定される適視距離をＶｄとしたとき、前記偏向素子の水平方向に対する傾き角θは、下記式を満たすことが好ましい。

ｓｉｎ^−１（（ｆ１×Ｗ）／（ｃｗ×Ｖｄ））≦θ≦ｃｏｓ^−１（ｃｗ／Ｈ）

この場合、視聴者が視聴領域内において表示部の映像表示画面全体を視聴することができるとともに、表示部の解像度に適した映像を視聴することができる。

上記映像表示装置は、前記表示部を制御する表示制御部と、前記光源制御部と前記表示制御部との同期動作を制御する同期制御部とをさらに備え、前記光源制御部は、前記拡散光の集光位置を時分割で切り替えることにより、前記拡散光の集光位置が視聴者の左眼と右眼とになるように、前記光源ユニットの前記平行光線の射出位置を制御し、前記表示制御部は、前記光源制御部による前記集光位置の切り替えと同期して、前記集光位置に対応した視差映像を表示するように、前記表示部を制御することが好ましい。

この場合、拡散光の集光位置が視聴者の左眼と右眼とになるように、平行光線の射出位置を制御し、集光位置の切り替えと同期して、集光位置に対応した視差映像を表示しているので、表示部から射出される縦ストライプ状の光線の射出瞳を複数の視聴者の左右視点位置に同時に形成することができ、複数の視聴者は、眼鏡等を用いずとも、２次元映像表示と同じように制約なく立体映像を視聴できるようになる。

上記映像表示装置は、視聴者の左右瞳位置を計測する計測部と、前記計測部により計測された左右瞳位置に応じて前記光源ユニットの光線射出位置を決定する決定部とをさらに備え、前記光源制御部は、前記決定部により決定された光線射出位置から前記平行光線が射出されるように、前記光源ユニットの前記平行光線の射出位置を制御することが好ましい。

この場合、移動した視聴者の左右瞳位置に応じて、射出瞳形成位置を変更することができるので、視聴者が移動しても、立体視を実現できる。

上記映像表示装置は、前記第２の拡散素子と前記表示部との間に配置され、前記第２の拡散素子により拡散された拡散光の進行方向を変更する進行方向変更素子をさらに備えることが好ましい。この場合、拡散光の進行方向を変更することにより、拡散光の照射可能範囲を拡大することができるので、視聴者が立体視を行うことができる視聴範囲を拡大することができるとともに、最小視聴距離を短縮することができる。

上記映像表示装置は、前記拡散光の幅を視聴者の瞳孔距離以上に広げることが好ましい。この場合、視聴者がより明るい映像を視聴することができる。

前記マスクパターン部は、前記開口部を全面開口部にすることが好ましい。この場合、拡散光の方向制御範囲内において、表示部の映像が視聴可能となる。

上記映像表示装置は、前記拡散光によって形成されるストライプ状の光線の幅を視聴者の瞳孔距離以上に広げ、且つ前記表示部に表示する映像として、集光位置に関わらず、同一の映像を表示することが好ましい。この場合、時分割による集光位置制御であっても、明るい２次元映像を表示することができる。

前記計測部は、視聴者の左右瞳位置に加えて、視聴者の視線方向を計測することが好ましい。この場合、計測した視線方向に適した映像を表示することができる。

前記計測部は、視聴者の左右瞳位置に加えて、視聴者の注視位置を計測し、前記光源制御部は、前記計測部により計測された視聴者の注視位置に応じて、前記表示部の注視点以外の画面の輝度が低下するように、前記光源ユニットを制御することが好ましい。

この場合、計測部により計測された注視位置と人間の視覚特性とから、表示部に表示される映像が視聴者に対して違和感を与えない程度に、注視点以外の画面の輝度を低下することができるので、装置の消費電力を低減することができる。

前記計測部は、視聴者の左右瞳位置に加えて、視聴者の注視位置を計測し、前記光源制御部は、前記計測部により計測された視聴者の注視位置から、視聴者が前記表示部の方向を向いているか否かを判断し、視聴者が前記表示部の方向を向いていない場合に、前記光源ユニットから射出する光線の出力を下げることが好ましい。

この場合、視聴者が表示部外の方向を向いている場合に、光源ユニットから射出する光線出力を下げることができるので、画面全体の輝度を落とすことにより、装置の消費電力を低減することができる。

前記計測部は、視聴者の左右瞳位置に加えて、視聴者の注視位置を計測し、前記光源制御部は、前記計測部により計測された視聴者の注視位置から、視聴者が前記表示部の方向を向いているか否かを判断し、視聴者が前記表示部の方向を向いていない場合に、前記光源ユニットから射出する前記平行光線をオフにすることが好ましい。

この場合、視聴者が表示部外の方向を向いている場合に、光源ユニットから射出する平行光線をオフにすることができるので、装置の消費電力をより低減することができる。

本発明に係る光源制御装置及び映像表示装置は、眼鏡等を用いずとも、２次元映像表示と同じように制約なく立体映像を視聴できるので、ディスプレイ等の映像表示装置、該映像表示装置に用いられる光源制御装置に利用することができる。

Claims (15)

1. 所定の第１の軸方向における光線の向きを制御する光源制御装置であって、
   平行光線を任意の位置から前記第１の軸方向に対して直交する第２の軸方向に沿って射出する光源ユニットと、
   前記光源ユニットの前記平行光線の射出位置を制御する光源制御部と、
   前記光源ユニットから射出される前記平行光線を偏向する１つ以上の偏向素子と、
   前記偏向素子により偏向された光線を、前記第１の軸方向及び前記第２の軸方向に対して直交する第３の軸方向に拡散する第１の拡散素子とを備え、
   前記偏向素子は、自身の光軸方向に対して直交する第１の素子方向の偏向作用と、前記光軸方向及び前記第１の素子方向の双方に対して直交する第２の素子方向の偏向作用とが異なり、かつ、前記第１の素子方向が前記第１の軸方向に対して斜めに傾けて配置される、ことを特徴とする光源制御装置。
2. 前記光源制御装置の左側面及び右側面に配置され、前記偏向素子から射出される光線を装置の内側に反射する第１のミラーをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光源制御装置。
3. 前記光源制御装置の上面及び下面に配置され、前記偏向素子から射出される光線を装置の内側に反射する第２のミラーをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源制御装置。
4. 前記光源ユニットは、
   レーザ光源と、
   前記レーザ光源からのレーザ光を入射され、前記レーザ光の反射方向を変更可能に構成されたミラーと、
   前記ミラーからのレーザ光を平行光線に変換するレンズとを含み、
   前記ミラーは、前記レンズの焦点位置に配置され、
   前記光源制御部は、前記ミラーを制御して前記レーザ光の反射方向を変化させることにより、前記レンズから射出される平行光線の射出位置を変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光源制御装置。
5. 前記光源ユニットは、
   前記平行光線を射出する面光源と、
   開口部と遮光部とを有し、前記開口部の位置を任意に変更可能に構成されたマスクパターン部とを備え、
   前記光源制御部は、前記マスクパターン部の前記開口部の位置を変化させることにより、前記マスクパターン部から射出される平行光線の射出位置を変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光源制御装置。
6. 前記光源制御部は、前記マスクパターン部の前記開口部の開口量を段階的に変化させることにより、前記第１の拡散素子から射出される光線の拡散分布を均一化することを特徴とする請求項５に記載の光源制御装置。
7. 前記偏向素子は、前記第１の素子方向にのみ曲率を有するシリンドリカルレンズを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光源制御装置。
8. 前記偏向素子は、前記第１の素子方向にのみ曲率を有する複数のシリンドリカルレンズをアレイ状に配置した偏向素子アレイを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光源制御装置。
9. 前記シリンドリカルレンズと前記第１の拡散素子との間に配置され、前記シリンドリカルレンズから射出される光線のうち、前記シリンドリカルレンズの焦点位置近傍を通る光線のみを通過させるスリットをさらに備えることを特徴とする、請求項７又は８に記載の光源制御装置。
10. 前記第１の拡散素子は、前記スリットを通過した光線のみを拡散する位置に配置されることを特徴とする請求項９に記載の光源制御装置。
11. 前記第１の拡散素子により拡散された光線をさらに前記第３の軸方向に拡散する第２の拡散素子をさらに備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の光源制御装置。
12. 請求項１〜１０のいずれかに記載の光源制御装置と、
    前記第１の拡散素子により拡散された光線をさらに前記第３の軸方向に拡散する第２の拡散素子と、
    前記第２の拡散素子から射出される拡散光を用いて画像を表示する表示部とを備え、
    前記光源制御部は、前記拡散光が前記表示部を通過した後に視聴者の視点位置に集光するように、前記光源ユニットから射出される前記平行光線の射出位置を制御することを特徴とする映像表示装置。
13. 前記表示部の映像表示画面を基準に水平方向及び垂直方向を定め、前記偏向素子の焦点距離をｆ１、前記偏向素子が曲率を有する方向の長さをｃｗ、前記表示部の垂直方向の長さをＨ、前記表示部の水平方向の長さをＷ、前記表示部の解像度から予め決定される適視距離をＶｄとしたとき、前記偏向素子の水平方向に対する傾き角θは、下記式を満たすことを特徴とする請求項１２に記載の映像表示装置。
    ｓｉｎ^−１（（ｆ１×Ｗ）／（ｃｗ×Ｖｄ））≦θ≦ｃｏｓ^−１（ｃｗ／Ｈ）
14. 前記表示部を制御する表示制御部と、
    前記光源制御部と前記表示制御部との同期動作を制御する同期制御部とをさらに備え、
    前記光源制御部は、前記拡散光の集光位置を時分割で切り替えることにより、前記拡散光の集光位置が視聴者の左眼と右眼とになるように、前記光源ユニットの前記平行光線の射出位置を制御し、
    前記表示制御部は、前記光源制御部による前記集光位置の切り替えと同期して、前記集光位置に対応した視差映像を表示するように、前記表示部を制御することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の映像表示装置。
15. 視聴者の左右瞳位置を計測する計測部と、
    前記計測部により計測された左右瞳位置に応じて前記光源ユニットの光線射出位置を決定する決定部とをさらに備え、
    前記光源制御部は、前記決定部により決定された光線射出位置から前記平行光線が射出されるように、前記光源ユニットの前記平行光線の射出位置を制御することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の映像表示装置。

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