JPWO2002025369A1

JPWO2002025369A1 - 画像表示装置

Info

Publication number: JPWO2002025369A1
Application number: JP2002529309A
Authority: JP
Inventors: 大島　徹也; 金子　浩規; 辻　和隆; 有本　昭; 海老名　修; 谷津　雅彦
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-09-21
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2021-09-21
Also published as: TW578011B; JP4041397B2; WO2002025369A1

Abstract

従来の合わせ鏡群を用い、水平方向の鑑賞範囲が広い画像表示装置である。入射光が異方性拡散体を透過し、合わせ鏡群で反射された後に、異方性拡散体を透過して射出する様に、合わせ鏡群と異方性拡散体を配置して指向性反射スクリーンを構成する。異方性拡散体は、合わせ鏡群の稜線に平行な方向の幅と垂直な方向の幅が異なる微小レンズ群によって構成する。

Description

技術分野
本発明は、特に両眼視差を用いた立体視を特殊な眼鏡を着用することなく可能にする立体画像表示に好適な投射型の画像表示装置に関する。
背景技術
従来、両眼視差を用いた立体視を特殊な眼鏡を着用することなく可能にする投射型の画像表示装置として、画像投影手段と指向性の反射または透過スクリーンを組み合わせた装置が知られている。中でも、鑑賞者に対して水平方向の集光手段として合わせ鏡群を用いた指向性反射スクリーンについては、例えば、「三次元画像工学」大越孝敬著、朝倉書店２８頁及び９１〜９７頁に開示されている。
２面直交合わせ鏡群では、図７に示すように、水平方向には、光線は入射してきた方向に反射する。従って、図８に示すように、液晶プロジェクタ等の画像投影手段と指向性反射スクリーンを組み合わせた画像表示装置では、指向性反射スクリーンに照射された画像信号は、反射されると水平方向には画像投影手段の位置に集光する。このようなスクリーン反射特性を活かし、２個のプロジェクタを鑑賞者の右眼及び左眼の直上または直下に配置し、併せて両眼視差の原理に基づく立体画像信号となる一対の映像信号を照射することによって、特殊な眼鏡を着用することなく立体映像を鑑賞することができる。このような２面直交合わせ鏡群の水平方向の指向性に加え、鏡面に加えた凹凸や図９に示すような蒲鉾状レンズ群のレンズ効果によって垂直方向に拡散性を付加することで、垂直方向には充分な鑑賞範囲が得られることが知られている。
上記従来技術の画像表示装置では、スクリーンの水平方向の集光性が強いため、鑑賞範囲が極度に制限されるという問題があった。
本発明の目的は、水平方向の鑑賞範囲を拡張した画像表示装置及びそれに用いる指向性反射スクリーンを提供することにある。
発明の開示
本発明では、指向性反射スクリーンと、指向性反射スクリーンに画像を投影する画像投影手段とを含む画像表示装置において、指向性反射スクリーンは合わせ鏡群と異方性拡散体とを有し、合わせ鏡群と異方性拡散体とは画像投影手段からの入射光が異方性拡散体を透過し合わせ鏡群で反射された後に異方性拡散体を透過して射出するように配置されており、異方性拡散体は、前記合わせ鏡群の稜線に平行な方向の幅と垂直な方向の幅が異なる微小レンズ群を備えることによって前記目的を達成する。
微小レンズ群は、合わせ鏡群の稜線に平行な方向の幅が５〜５００μｍの範囲にあり、合わせ鏡群の稜線に垂直な方向の幅が５〜５００μｍの範囲にあることが好ましく、合わせ鏡群の稜線に平行な方向の幅と垂直な方向の幅の比が１．２〜５２の範囲にあることが好ましい。
指向性反射スクリーンからの反射光は、合わせ鏡の狭角が非直角であることに起因する合わせ鏡群の稜線に垂直な方向の広がり角（２δ）と異方性拡散体に起因する合わせ鏡群の稜線に垂直な方向の広がり角（θ_Ｈ０）の比２δ／θ_Ｈ０が０．７５〜１．２であることが好ましい。
合わせ鏡の狭角αの直角との差（｜９０−α｜）と当該合わせ鏡群が形成されている基体の屈折率ｎとの積と、異方性拡散体透過光の合わせ鏡群の稜線に垂直な方向の透過光束の半値全角θ_Ｈｄｆとの比（｜９０−α｜）×ｎ／θ_Ｈｄｆは、０．２１６〜０．３４５の範囲とするのが好ましい。合わせ鏡の狭角αは８９度〜９１度、微小レンズ群の合わせ鏡群の稜線に垂直な方向の幅をＰｈ、深さをＰｄ、屈折率をｎとして、｜α−９０｜（Ｐｈ／Ｐｄ）×ｎ／（ｎ−１）が９９〜１５８の範囲にあることが好ましい。
また、合わせ鏡の狭角は、６０〜８８度又は９２度〜１２０度の範囲とすることができる。その場合、合わせ鏡の狭角α、βが交互に配置され、両者の挟角差｜α−β｜と当該合わせ鏡群が形成されている基体の屈折率ｎとの積と、異方性拡散体透過光の合わせ鏡群の稜線に垂直な方向の透過光束の半値全角θ_Ｈｄｆとの比（｜β−α｜）×ｎ／θ_Ｈｄｆが０．１０８〜０．１７３の範囲にあることが好ましい。あるいは、合わせ鏡の狭角α、βが交互に配置され、微小レンズ群の合わせ鏡群の稜線に垂直な方向の幅をＰｈ、深さをＰｄ、屈折率をｎとして、｜α−９０｜（Ｐｈ／Ｐｄ）×ｎ／（ｎ−１）が９９〜１５８の範囲にあることが好ましい。
また、本発明では、入射光が拡散板を透過し、合わせ鏡群で反射された後に、拡散板を透過して射出する様に、合わせ鏡群と拡散板を配置して指向性反射スクリーンを構成し、拡散板に、垂直方向から入射した光を透過させるときに全ての方向に半値全角（強度がピーク値に対して半分の値となる広がり角度）で０．２度以上拡散させる性質をもたせ、かつ、指向性反射スクリーンからの射出光の合わせ鏡群の稜線と垂直方向における拡散範囲の半値全角を０．２度以上７度以下とすることにより前記目的を達成する。
また、入射光が拡散板を透過し、合わせ鏡群で反射された後に、拡散板を透過して射出する様に、合わせ鏡群と拡散板を配置して指向性反射スクリーンを構成し、拡散板に、垂直方向から入射した光を透過させるときに全ての方向に半値全角で０．２度以上拡散させる性質をもたせ、かつ、指向性反射スクリーンの合わせ鏡群の稜線と垂直方向の拡散範囲の半値全角θ_Ｈ（度）と指向性反射スクリーンと鑑賞位置間の距離Ｌ（ｍｍ）の関係が
θ_Ｈ≦２ｔａｎ^−１（３５／Ｌ）
を満たすように成すことにより前記目的を達成できる。
なお、特開平１１−２５８６９７号公報には、本発明と同じく水平方向の鑑賞範囲を広げるという目的をもった画像表示装置及びそれに用いる指向性反射スクリーンが開示されている。この公報では、本願の図１１に示すように、所謂垂直方向に拡散性をもつ蒲鉾状レンズの長さ方向が合わせ鏡の稜線に対し非直交となるように、蒲鉾状レンズ群と合わせ鏡群を貼り合わせて指向性反射スクリーンを構成することにより目的を達成している。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
本発明に係る立体画像表示装置用指向性反射スクリーンの構成例を図１に示す。本スクリーンは挟角が９０度の合わせ鏡群と拡散板からなる。この拡散板に垂直に入射した光線の透過光強度の角度分布を図２に示す。この拡散板では、図２に示すように合わせ鏡群の稜線方向及び稜線の垂直方向ともに拡散するが、合わせ鏡群の稜線方向で他方と比して大きく拡散している。この様な拡散特性を持つ拡散板と合わせ鏡群からなる指向性反射スクリーンに拡散板側から光線を照射すると、拡散板を透過し、合わせ鏡群で反射された後に再度拡散板を透過して射出されるが、このときの射出光線も合わせ鏡群の稜線方向には鏡面反射方向、稜線と垂直方向には光線入射方向を極大として図２の透過特性と同様な異方性を持って拡散反射されることとなる。このような反射特性をもつ指向性反射スクリーンを合わせ鏡群の稜線が鑑賞者の両眼を結ぶ方向に対して垂直となるようにして、図８に示すように水平方向に両眼間隔で配置された２台のプロジェクタからなる画像投影手段と組み合わせると、各プロジェクタから発する画像信号の鑑賞範囲は垂直方向に広く、水平方向にもある程度広がったものとなる。画像表示装置の鑑賞範囲は広い方が見易いために好適であることは言うまでもないが、眼鏡不要の立体画像表示装置において水平方向の鑑賞範囲は鑑賞者の両眼間隔以下にしなければならないという制約があるため、このような反射特性が最適となる。しかも本発明の指向性反射スクリーンでは全方向に拡散性を有する拡散板と直交合わせ鏡群を単純に一体化するため製造も容易である。
以下に指向性反射スクリーンの最適な拡散範囲について説明する。まず、鑑賞者の両眼を結ぶ方向、すなわち、合わせ鏡群の稜線に垂直の方向では、拡散範囲は大きいほど鑑賞者に良い鑑賞環境を提供できるために好適であるが、眼鏡不要立体画像表示装置においては、プロジェクタから発せられた画像信号の鑑賞範囲が鑑賞者の両眼間隔を超えると右眼用画像と左眼用画像が混合するいわゆるクロストークを生じ、立体視が困難となってしまう。従って、各画像信号の水平方向の鑑賞範囲は鑑賞者の両眼間隔とすると最適である。「設計者のための人体寸法データ集」、人間生活工学研究センター発行、７９頁によれば、人間の両眼間隔は４９ｍｍから７０ｍｍである。したがって、画像投影手段の水平方向の鑑賞範囲も４９ｍｍから７０ｍｍが好適である。本画像表示装置において、各画像信号の鑑賞者に対して水平方向の鑑賞範囲Ｒ_Ｈは、合わせ鏡群の稜線と垂直方向における拡散範囲の半値全角θ_Ｈ、スクリーン中心と鑑賞位置間の距離Ｌ、プロジェクタの出射光幅Ｗを用いて
Ｒ_Ｈ＝Ｗ＋２Ｌｔａｎ（θ_Ｈ／２）　　　　　　　　　　　　　　（１）
と表すことができ、従って、合わせ鏡群の稜線と垂直方向の拡散範囲の半値全角θ_Ｈは
θ_Ｈ＝２ｔａｎ^−１（（Ｒ_Ｈ−Ｗ）／２Ｌ）　　　　　　　　　　（２）
となる。ここで、θ_Ｈは（２）式に示すようにＲ_Ｈ，Ｗ，Ｌの関数であるが、θ_Ｈを最大とする条件のＲ_Ｈ＝７０ｍｍ、Ｗ＝０ｍｍを代入すると、以下のようにＬ（ｍｍ）のみの式で書き表すことができる。
θ_Ｈ≦２ｔａｎ^−１（３５／Ｌ）　　　　　　　　　　　　　　　（３）
また、本画像表示装置で常用される構成では、スクリーン中心と鑑賞位置間の距離Ｌは５００ｍｍから５０００ｍｍであり、出射光幅Ｗは１０ｍｍから３０ｍｍである。従って、スクリーンの稜線と垂直方向の拡散範囲の半値全角θ_Ｈは（２）式より０．２度から７度が好適である。このようなスクリーンの拡散範囲は、拡散板の拡散範囲によって規定されるため、拡散板自体が垂直方向から入射した光を透過させるときに全ての方向に半値全角で０．２度以上拡散してなくてはならない。
一方、鑑賞者に対して垂直方向は合わせ鏡の稜線方向に相当する。この方向においても、画像信号の鑑賞範囲Ｒ_Ｖと合わせ鏡群の稜線方向における拡散範囲の半値全角θ_Ｖの間に（２）式と同様
θ_Ｖ＝２ｔａｎ^−１（（Ｒ_Ｖ−Ｗ）／２Ｌ）　　　　　　　　　　（４）
が成り立つ。合わせ鏡の稜線方向の鑑賞範囲Ｒ_Ｖは１００ｍｍ〜１０００ｍｍ程度が好適である。従って、合わせ鏡群の稜線方向における拡散範囲の半値全角θ_Ｖは０．８度から９０度が好適である。
このような拡散板は、例えば透光性基材の表面に凹凸状の拡散面を形成することにより実現される。この場合、透過光は、拡散面において、屈折、回折等がなされ拡散される。また、凹凸の度合いにより水平、垂直方向の拡散範囲が決定される。さらに、拡散板の凹凸が非周期的に配列されていると投影画像との間でモアレ縞が発生せず好適な画像が得られる。なお、この様に凹凸がある拡散板における、拡散板への垂直方向からの入射は、凹凸の存在にとらわれずに拡散板全体を巨視的にとらえたときの垂直方向から入射となる。
本画像表示装置において、投射光の一部はスクリーンの表面で反射され合わせ鏡群に達しないため所望の指向特性が得られず、ノイズとなってしまう。このノイズ成分は、指向性反射スクリーンの光入射側表面を凹凸の拡散面とすると、拡散反射されて目立たなくなるため好適である。さらに、この拡散面上に可視光領域の反射率を低下させる薄膜層を形成することで上記迷光成分をさらに低減することができ、より好適である。
図３に示すように、合わせ鏡群の鏡面と拡散板の拡散面を単一の透光性基材の両面に形成すると、スクリーン内に不要な反射発生の原因となる界面が無く光学特性上最適である。しかしながら、工程上の理由などにより図３の様な単一基材上に形成することが困難な場合には、図４に示すように片面を平面とする２個の透光性基板の各表面に合わせ鏡群の鏡面と拡散板の拡散面を形成してもよい。この場合には、図４に示すように、２個の透光性基板の平面を合わせて構成すると、一体化しやすいため好適である。ここで、両者を図５に示すように接着剤を用いて一体化する場合には、接着剤の屈折率が２個の透光性基材のいずれか一方以上でかつ他方以下であると接着界面における反射が低減できるため好ましい。さらに、２個の透光性基材及び接着剤を同一の屈折率を有する材料で構成すれば、接着界面の反射を無くすことができさらに好適である。これらを構成する材料としては、加工性から鑑みてアクリル、ポリカーボネート、塩化ビニール、エポキシ等の透光性の樹脂材料が好ましい。
上記のように、本発明の指向性反射スクリーンでは画像入射側を拡散板とするとスクリーンの表面反射を目立たなくすることができる。このため、スクリーンを垂直方向に平面にしてもプロジェクタの鏡面反射像が無く画像表示装置として充分な画質が得られる。この場合に、図６に示すように、指向性反射スクリーンを、合わせ鏡群と拡散板の間に合わせ鏡群の稜線方向にのみ集光作用を有するレンズ体をさらに含ませて構成すると、反射光は合わせ鏡群の稜線に対して垂直方向に集光するため、スクリーンが垂直方向に平面であってもスクリーンの反射位置によらず鑑賞位置において反射光が重なる領域、すなわち全画面が鑑賞可能な領域が広がり、好適である。ここでレンズシートの焦点距離は、画像投影手段の射出レンズとスクリーン中心間の距離の半分とすると、スクリーンの反射位置によらず反射光が鑑賞位置で完全に重なるので、最適である。
また、これらの指向性反射スクリーンを図１０に示すように３個以上のプロジェクタと組み合わせ、かつ、各プロジェクタから投影位置に応じた視差画像を投射することで、鑑賞者が水平方向に動いた際に異なる２個のプロジェクタからの画像を鑑賞せしめ、広い水平位置にわたり立体視が可能な画像表示装置がえられる。このような立体画像表示装置は、多眼立体画像表示装置と呼ばれている。このような多眼立体画像表示装置に本発明の指向性反射スクリーンを用いると鑑賞者の水平方向に切れ間なく広い鑑賞範囲が得られるため特に有効である。この場合、画像表示手段の数は多いほど鑑賞範囲を広げることができ、好適である。しかしながら、本装置では画像投影手段の数と必要な画像の数が等しいため、画像投影手段の数を多くすると、必要な画像数が多くなる。このため特に動画像を表示する場合、多くの画像計算が必要となる。そこで、実際の画像投影手段は４〜８個が適当である。
ここまで本発明は立体画像表示装置についてのみ記したが、本発明は上記のごとき立体画像表示装置に限るものではない。すなわち、画像投影手段として複数のプロジェクタを用いず、プロジェクタが１個の場合には、限られた鑑賞位置において鑑賞者は画像を鑑賞できるアミューズメント等に好適な画像表示装置が得られることは言うまでもない。
以下、本発明の実施例を具体的に説明する。
＜実施例１＞
図３に構造を示した指向性反射スクリーンを用いて画像表示装置を構成した。透光性アクリル基材の１面に合わせ鏡群を形成する。この合わせ鏡において向かい合う鏡のなす角度（挟角）は９０度で、ピッチは０．１ｍｍである。さらにアクリル基材の反対面に異方性拡散面を形成する。異方性拡散面における拡散により、指向性反射スクリーン反射光の半値全角は水平方向で１．４度、垂直方向で１５．５度となるようにする。この指向性反射スクリーンを図８に示すように画像投影手段と組み合わせることで、画像投影手段の直上で特殊な眼鏡を必要とせず立体視可能な画像表示装置を得る。ここで、画像投影手段を構成する右眼用プロジェクタと左眼用プロジェクタの光出射位置の間隔は６５ｍｍ、各プロジェクタの出射光幅は１０ｍｍ、指向性反射スクリーンと画像投影手段の間隔は７００ｍｍである。本画像表示装置では、水平方向に６５ｍｍ、垂直方向に２００ｍｍという適切な鑑賞範囲が容易に形成できる。
＜実施例２＞
本発明の指向性拡散スクリーンに用いる異方性拡散面の一例について、図１３を用いて説明する。この異方性拡散面は、水平幅Ｐｈと垂直幅Ｐｖの異なる微小なレンズ群の集合体を備える。ここで、レンズの深さＰｄは一定のため水平方向と垂直方向でレンズの曲率が異なり、結果として拡散角度が水平方向と垂直方向で異なる。深さが水平幅及び垂直幅より小さい場合、水平及び垂直方向の透過光束の半値全幅がθ_Ｈｄｆ、θ_Ｖｄｆの場合、マイクロレンズの深さＰｄと水平幅Ｐｈ及び垂直幅Ｐｖの関係は異方性拡散体の屈折率ｎを用いて以下の式で表される。
Ｐｈ＝８（ｎ−１）Ｐｄ／（（π／１８０）×θ_Ｈｄｆ）　　　　（５）
Ｐｖ＝８（ｎ−１）Ｐｄ／（（π／１８０）×θ_Ｖｄｆ）　　　　（６）
従って、θ_Ｈｄｆ／θ_Ｖｄｆは、レンズの水平幅Ｐｈと垂直幅Ｐｖの比Ｐｈ／Ｐｖの逆数となる。ここで、θ_Ｖｄｆ／θ_Ｈｄｆは水平及び垂直方向の鑑賞範囲Ｒ_Ｈ、Ｒ_Ｖとプロジェクタの出射光幅Ｗを用いて
θ_Ｖｄｆ／θ_Ｈｄｆ〜（Ｒ_Ｈ−Ｗ）／（Ｒ_Ｖ−Ｗ）　　　　　　　（７）
と表され、Ｒ_Ｈ、Ｒ_Ｖ、Ｗの使用範囲４９〜７０ｍｍ、１００〜１０００ｍｍ、１０〜３０ｍｍを考慮するとＰｈ／Ｐｖ＝θ_Ｖｄｆ／θ_Ｈｄｆは１．２〜５２の範囲で用いることが好ましい。
ここで、指向性拡散スクリーン反射光束の半値全角θ_Ｖ、θ_Ｈの使用範囲０．８〜９０度、０．２〜７度及び、実施例３を考慮すると、異方性拡散体透過光束の半値全角θ_Ｖｄｆは０．７〜７８度、θ_Ｈｄｆは０．２〜６．１度の範囲で用いるのが好ましい。
また、レンズの幅Ｐｈ，Ｐｖが大きいと、スクリーンにザラツキが目立ち鑑賞者に不快感を与える。レンズ幅をさまざま変えたスクリーンを作製し調査したところ、水平方向の幅及び垂直方向の幅がともに５００μｍ以下であればザラツキは実用上問題とならず、さらに、１００μｍ以下とすると全く気にならないことが実験より明らかとなった。一方、水平方向あるいは垂直方向のレンズ幅を小さくして５μｍ未満になると、図２３に示したように、異方性拡散体の拡散特性が劣化し、透過強度は半値全角に対して大きな角度においても大きな値を示すことも判明した。このような角度特性を有する異方性拡散体を用いて指向性反射スクリーンを作製すると、室内照明等の外光が鑑賞位置に混入し画像のコントラスト比を著しく低下させる。このため、水平方向のレンズ幅及び垂直方向のレンズ幅はともに５μｍ以上であることが好ましい。すなわち、マイクロレンズの水平幅Ｐｈ、垂直幅Ｐｖは、ともに５〜５００μｍの範囲が好ましい。
微小レンズの形状は、図１３の例に示すように凸レンズであってもよいし、図１４に示すように凹レンズであってもよい。また、投射画像とスクリーンのモアレ発生を抑える等の目的で微小レンズをランダムに配列しても良い。さらに、図には示さないがレンズの幅さえもランダムであってもよい。この場合、ランダムなレンズの幅の平均値が上記幅の制約を満たしていることが重要である。これらの異方性拡散体は、通常の切削加工や米国特許第５，５３４，３８６号、第５，６０９，９３９号等に開示されている光学的手法で型を作製し、アクリル、ポリカーボネート、塩化ビニール、Ｐｏｌｙ（ｔｅｔｒａｆｌｏｕｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ−ｃｏ−ｈｅｘａｆｌｕｏｒｏｐｒｏｐｙｌｅｎ）（屈折率１．３３８）、Ｐｏｌｙ（ｐｅｎｔａｂｒｏｍｏｐｈｅｎｙｌ　ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）（屈折率１．７１）等からなる平板の基板に押し当てて作製できる。
このような異方性拡散体において、屈折率の使用範囲１．３３８〜１．７１、異方性拡散体透過光束の半値全角θ_Ｖｄｆ，θ_Ｈｄｆの使用範囲０．７〜７８度、０．２〜６．８度、マイクロレンズの水平幅Ｐｈ、垂直幅Ｐｖの使用範囲５〜５００μｍを考慮するとマイクロレンズの深さＰｄは９．３×１０^−３〜２０μｍの範囲が好ましい。
このように、水平幅Ｐｈと垂直幅Ｐｖの異なる微小なレンズ群の集合体によって異方性拡散面を形成すると、水平方向と垂直方向の鑑賞範囲を同時に最適設計することが容易になる。水平方向鑑賞範囲は、大きすぎると左右画像のクロストークが発生し、また、小さすぎると鑑賞範囲が制限され鑑賞しにくくなる。一方、垂直方向鑑賞範囲は、大きすぎると室内灯などの外光の混入によるコントラスト低下を招き、小さすぎると鑑賞範囲が制限されて鑑賞しにくくなる。
また、ピッチｐ、曲率半径ｒ、屈折率ｎの微小なレンズ群による表面反射光の拡散角と透過光の拡散角の比は、表面反射光の拡散角がａｒｃｔａｎ（ｐ／ｒ）≒２ｐ／ｒ、透過光の拡散角が２ａｒｃｔａｎ（ｐ（１−ｎ）／２ｒ）≒ｐ（１−ｎ）／ｒと計算されるため、２／（１−ｎ）となり、一般に樹脂の屈折率は約１．５であるためｎ＝１．５とすると４となる。従って、観測される表面反射強度の信号光に対する比は１／４に低減できる。これは、レンズ１軸に対してこのように計算されるため、２軸のマイクロレンズで鑑賞者の目に入る迷光強度は１／１６に低減できる。このように、微小なレンズ群の集合体は、スクリーン表面で反射される迷光を拡散し、不可視化する効果も有する。この効果のため、スクリーン表面に無反射コートが不要となる。
＜実施例３＞
実施例２で説明した異方性拡散体の透過特性と本発明の指向性反射スクリーンの反射特性との関係について説明する。
本発明の指向性反射スクリーンでは、合わせ鏡群の反射前後で異方性拡散体を２回透過することとなり、指向性反射スクリーンの反射光は、異方性拡散体の透過光より広がることとなる。実験の結果、合わせ鏡の稜線方向である垂直方向において指向性反射スクリーンの反射光束の半値全角θ_Ｖと、異方性拡散体の透過光束の半値全角θ_Ｖｄｆは図１５示すようになり以下の式で表されることが判った。
θ_Ｖ＝θ_Ｖｄｆ×１．１５　　　　　　　　　　　　　　　　　　（８）
一方、合わせ鏡の稜線方向と直交する水平方向では、合わせ鏡群の挟角が直角（９０度）の場合には、図１６に示すように指向性反射スクリーンの反射光幅θ_Ｈと、異方性拡散体の透過光幅θ_Ｈｄｆは垂直方向と同様に以下の式に従う。
θ_Ｈ＝θ_Ｈｄｆ×１．１５
≡θ_Ｈ０　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（９）
しかしながら、合わせ鏡群の挟角が直角でない場合には、反射光束の半値全角は（９）式より求められるθ_Ｈ０より大きな値となった。これは、図１７に示すように合わせ鏡の挟角αが９０度でない場合には初めに当たる面によって反射方向がわずかに異なり、２δ分だけ光線が広がることとなるためである。図１６に点線で示す合わせ鏡群の狭角αが非直角の場合の特性は、この成分が上乗せされた結果である。この２δと合わせ鏡群の挟角α（度）の関係は、図１８のようになり、次式に従う。
２δ＝４｜α−９０｜×ｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　（１０）
ここで、ｎは透光性基材の屈折率であり、図１８はアクリル材料（ｎ＝１．４９）の場合についての結果である。従って、合わせ鏡の挟角が非直角の場合、水平方向の指向性反射スクリーンの反射光幅θ_Ｈは、次式のようになる。
θ_Ｈ＝θ_Ｈ０＋２δ
＝θ_Ｈｄｆ×１．１５＋４｜α−９０｜×ｎ　　　　　　（１１）
＜実施例４＞
本実施例では、左右画像のクロストークを実用上問題ない範囲に抑えつつ、水平方向の鑑賞範囲を最大限に広げる設計手法及び、これに基づいて設計した立体画像表示装置の一例を説明する。
図８に示す本発明の立体画像表示装置の鑑賞位置（画像投影装置直上）における反射光強度分布を図１９に示す。
右眼用画像と、左眼用画像の反射光強度は、それぞれ鑑賞者の右目位置及び左目位置で最大値を有し広がりを持った分布をしている。そして、反射光束の半値全角を広げ水平鑑賞範囲Ｒ_Ｈを大きくすると右目用画像の裾野が左目位置に達し、また、左目用画像の裾野が右目位置に達し、各画像に反対眼用の画像が混入する、いわゆるクロストークを生じる。クロストークが生じると鑑賞者の立体視に著しく支障を生じる。このクロストークは２％以下に抑えれば実用上問題が生じない。具体的には、右目用画像の左目位置（Ａ点）における反射強度が右目位置の反射強度（ピーク値）に対して２％以下とすれば良い。このようにクロストークを抑えつつ、水平方向の鑑賞範囲は広いディスプレイ特性を実現するための指向性反射スクリーンの反射光特性は、反射光束のピーク強度に対して２％となる広がり角θ_Ｈ２％が半値全角θ_Ｈに対してできるだけ狭く抑え、両者の比ε（≡θ_Ｈ２％／θ_Ｈ）を極力小さくすることが好ましい。このような低いクロストークを保ったまま、反射光束の半値全角を広げるためには、合わせ鏡群の挟角を非直角とすればよい。
図２０に合わせ鏡群の挟角を変化させた場合の反射光強度の変化を示す。合わせ鏡群と組み合わせた異方性拡散体の水平拡散度は０．９７度、合わせ鏡群を形成した樹脂の屈折率は１．５である。ここで拡散角は、合わせ鏡群が直角の場合の指向性反射スクリーンの反射光の半値全角θ_Ｈ０で規格化してある。図２０（ａ）は挟角が直角の場合であり、図２０（ｂ）は狭角を８９．８５°と僅かに非直角とした場合である。合わせ鏡の狭角を非直角にした場合、直角の場合と比べると反射光は中心の最大値付近で平坦となり反射光幅は広がるが、反射強度の５０％点から裾野の形状はほぼ平行移動しており、非直角にしたとき、反射光幅の広がり方に比べて裾野の２％値の広がり方は小さくなる。
この状況をさらに明確にするために、反射光束のピーク強度に対して２％となる広がり角θ_Ｈ２％が半値全角θ_Ｈの比εと挟角非直交成分の広がり角２δを合わせ鏡群が直角の場合の指向性反射スクリーンの反射光束の半値全角θ_Ｈ０で規格化した２δ／θ_Ｈ０の関係を図２１に示す。図から２δ／θ_Ｈ０が大きくなるほどεが小さくなることが分かる。ここで、クロストークを抑えた最大の半値全角θ_Ｈは次式に従う。
θ_Ｈ＝θ_ＲＨ／ε　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１２）
ここでθ_ＲＨはスクリーンからみた２台のプロジェクタの間隔Ｒ_Ｈのなす角度で、プロジェクタとスクリーンの距離Ｌを用いて次式であらわされる。
θ_ＲＨ＝２ｓｉｎ^−１（Ｒ_Ｈ／２Ｌ）　　　　　　　　　　　　（１３）
原理上、このプロジェクタの間隔Ｒ_Ｈは鑑賞者の両眼間隔に設定されおり、また、（１２）式より水平鑑賞範囲は両眼間隔／εである。図２１から分かるように、合わせ鏡の挟角が９０度の場合（２δ＝０）に低いクロストークを実現しようとすると、ε＝２．５であることから水平鑑賞範囲は両眼間隔の半分にも満たなくなってしまう。しかしながら、合わせ鏡の挟角を非直交化するとε値に逆比例して反射光束の半値全角θ_Ｈを広げることができ、水平鑑賞範囲は広がる。図２１より、２δ／θ_Ｈ０が０．７５以上でεは２以下となり、水平鑑賞範囲は両眼間隔の半分以上を占めるようになり好適である。
図２０にもどり、図２０（ｃ）のようにさらに挟角と９０度の差を広げると反射光束の半値全角は広がるが中心に極小値を生じる（図２０（ｃ）の場合の合わせ鏡群狭角は８９．６°である）。このような反射光分布は鑑賞範囲内に不可視領域を生じるため問題となる。この反射光内の極小値と挟角非直交成分の広がり角２δの関係を図２２に示す。図２２の横軸は、２δを合わせ鏡群が直角の場合の指向性反射スクリーンの反射光束の半値全角θ_Ｈ０で規格化した２δ／θ_Ｈ０である。図から、反射光内極小値は２δ／θ_Ｈ０が０．８５以上で発生し、２δ／θ_Ｈ０が大きくなるに従い減少する。反射光内極小値は実用上７０％以上が許容範囲であり、そのため２δ／θ_Ｈ０は１．２以下にすると好適である。
すなわち、２δ／θ_Ｈ０比は０．７５〜１．２とすると好適である。この比を実現する各シートの仕様は、（９）、（１０）式より
２δ／θ_Ｈ０＝（４｜α−９０｜×ｎ）／（θ_Ｈｄｆ×１．１５）
＝３．４８｜α−９０｜×ｎ／θ_Ｈｄｆ　　　　　　　　（１４）
なので、｜α−９０｜×ｎ／θ_Ｈｄｆ比が０．２１６〜０．３４５が好適である。また、（１４）式のθ_Ｈｄｆに（５）式を代入すると
２δ／θ_Ｈ０＝３．４８｜α−９０｜×ｎ／｛８（ｎ−１）Ｐｄ／（（π／１８０）Ｐｈ）｝
＝７．５９×１０^−３｜α−９０｜（Ｐｈ／Ｐｄ）×ｎ／（ｎ−１）
（１５）
なので、｜α−９０｜（Ｐｈ／Ｐｄ）×ｎ／（ｎ−１）が９９〜１５８が好適である。ここで、実際に用いる合わせ鏡の挟角αは８９〜９１度の範囲とするのが好ましい。
以上を考慮して設計した、本発明の画像表示装置の指向性反射スクリーンについて図５を用いて説明する。透光性アクリル基材上に挟角αが８９．８度、ピッチ０．１ｍｍの合わせ鏡群を形成した。また、他の透光性アクリル基材（屈折率１．４９）上に垂直幅７．２μｍ、水平幅１００μｍ、深さ０．４３μｍの微小レンズ群によって透過光束の半値全角が水平０．９７度、垂直１３．４度の異方性拡散体を形成し、両者を平面側で貼り合わせた。ここで、アクリル基板の屈折率は１．４９であり、このスクリーンにおける２δ＝１．２度、θ_Ｈ０＝１．１度であり、２δ／θ_Ｈ０＝１．１で上記の好適な範囲にある。このスクリーンを図８に示すように画像投影手段と組み合わせることで、立体像表示装置を得る。ここで、画像投影手段を構成する右眼用プロジェクタと左眼用プロジェクタの光出射位置の間隔は６５ｍｍ、各プロジェクタの出射光幅は１０ｍｍ、指向性反射スクリーンと画像投影手段の間隔は７００ｍｍである。本画像表示装置ではクロストークが実質的気にならない水平鑑賞範囲３８ｍｍを得た。また、垂直鑑賞範囲は２００ｍｍである。
＜実施例５＞
ここまで説明してきた立体ディスプレイでは、１度に立体視できる人数は１人であった。本実施例では２人が同時に立体視可能なディスプレイについて説明する。
図５に構造を示した指向性反射スクリーンを用いて画像表示装置を構成した。１枚のアクリル基材の１面に合せ鏡群を形成する。この合わせ鏡の挟角は８５．５度で、ピッチは０．１ｍｍである。他の透光性アクリル基材（屈折率１．４９）上に垂直幅１４．３μｍ、水平幅１００μｍ、深さ０．８２μｍの微小レンズ群によって透過光束の半値全角が水平１．８３度、垂直１２．９度の異方性拡散体を形成しする。２枚の透光性アクリル基材を平面側で対向させ、貼り合わせることでスクリーン反射光束の半値全角は水平方向で２．１度、垂直方向で１４．８度となる本発明の指向性反射スクリーンを得る。ここで、接着剤は透光性でかつ、透光性基板材料と屈折率がほぼ一致しているものにすると、接着剤と基板との界面で反射が発生せず好適である。本スクリーンは実施例１の場合と比べて、合わせ鏡群と異方性拡散面を独立に形成できるため製造が容易なる。
このスクリーンを図１２に示すように画像投影手段と組み合わせることで、画像投影手段の両側２人で特殊な眼鏡を必要とせず立体視可能な画像表示装置を得る。ここでの複数人同時立体視を実現するための原理は、合わせ鏡の挟角を非直角とし、スクリーンからの反射光線が入射光に対して左右にずれた２方向に進ませ、結果としてプロジェクタの左右位置に鑑賞範囲を形成するもので、特開平１０−１８６５２２号公報記載の手法による。
ここで、画像投影手段を構成する右眼用プロジェクタと左眼用プロジェクタの光出射位置の間隔は６５ｍｍ、各プロジェクタの出射光幅は１０ｍｍ、反射スクリーンと画像投影手段の間隔は１５００ｍｍである。本画像表示装置では、水平方向には６５ｍｍ、垂直方向に４００ｍｍという適切な鑑賞範囲が容易に形成できるとともに、同時に２人が立体視可能な画像表示装置を得ることができる。
さらに複数人用立体ディスプレイにおいて、実施例４で説明した様な手法によりクロストークを抑えつつ水平鑑賞範囲を広げるには、合わせ鏡群を挟角が僅かに異なる２種類の合わせ鏡（挟角α，β）で構成すれば良い。すなわち、挟角がαとβの合わせ鏡群を交互に並べて合わせ鏡群を形成する。このように構成すると挟角αとβの合わせ鏡からの光線は一つの鑑賞範囲内で僅かにずれた位置に集光するため、１人用ディスプレイにおいて挟角を非直交にしたのと全く同様の効果が得られる。従って、（１０）式で書き表した２δを
２δ＝２｜α−β｜×ｎ　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１６）
と置き換えれば、実施例４と全く同様の議論ができることとなる。よって、（１４）、（１５）式は、複数人用ディスプレイでは以下の式に置き換わる。
２δ／θ_Ｈ０＝（２｜α−β｜×ｎ）／（θ_Ｈｄｆ×１．１５）
＝１．７４｜α−β｜×ｎ／θ_Ｈｄｆ
＝３．８０×１０^−３｜α−β｜（Ｐｈ／Ｐｄ）×ｎ／（ｎ−１）
（１７）
従って、｜α−β｜×ｎ／θ_Ｈｄｆ比は０．１０８〜０．１７３、｜α−β｜（Ｐｈ／Ｐｄ）×ｎ／（ｎ−１）は５０〜７９が好適である。
また、ここで用いる挟角が９０度に近い８８〜９２度の範囲では、光線の分離が少なく２人の鑑賞者が並ぶに困難である。また、６０度未満、１２０度以上の合わせ鏡では指向性反射効果が無くなる。従って、合わせ鏡挟角の使用範囲はいずれも６０〜８８度、９２度〜１２０度の範囲である。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明によれば、水平方向の鑑賞範囲の拡張した画像表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る指向性反射スクリーンの構造概略図である。
図２は、本発明に係る指向性反射スクリーンにおける拡散板の拡散特性を示す図である。
図３は、本発明に係る指向性反射スクリーンの構造概略図である。
図４は、本発明に係る指向性反射スクリーンの構造概略図である。
図５は、本発明に係る指向性反射スクリーンの構造概略図である。
図６は、本発明に係る画像表示装置の構造概略図（側面図）である。
図７は、合わせ鏡群の光線軌跡図である。
図８は、従来技術の画像表示装置の構造概略図（上面図）である。
図９は、従来技術の指向性反射スクリーンの構造概略図である。
図１０は、従来技術の画像表示装置の構造概略図（上面図）である。
図１１は、従来技術の指向性反射スクリーンの構造概略図である。
図１２は、従来技術の画像表示装置の構造概略図（上面図）である。
図１３は、本発明に係る異方性拡散体の構造概略図である。
図１４は、本発明に係る異方性拡散体の構造概略図である。
図１５は、本発明に係る指向性反射スクリーンの垂直方向の反射光束の半値全角と異方性拡散体透過光束の半値全角の関係を示す図である。
図１６は、本発明に係る指向性反射スクリーンの水平方向の反射光束の半値全角と異方性拡散体透過光束の半値全角の関係を示す図である。
図１７は、本発明に係る指向性反射スクリーンにおいて合わせ鏡群の挟角が非直交時の光線軌跡を示す図である。
図１８は、本発明に係る指向性反射スクリーンにおいて合わせ鏡群の挟角と挟角成分の広がり角の関係を示す図である。
図１９は、立体画像表示装置におけるクロストークを説明するための図である。
図２０は、本発明に係る指向性反射スクリーンにおいて合わせ鏡群の挟角が非直交時の反射強度の角度分布を示す図である。
図２１は、本発明に係る指向性反射スクリーンにおいて合わせ鏡群の挟角が非直交時の反射光束のピーク強度に対して２％となる広がり角／半値全角比εと２δ／θ_Ｈ０の関係を示す図である。
図２２は、本発明に係る指向性反射スクリーンにおいて合わせ鏡群の挟角が非直交時の反射光内極小値と２δ／θ_Ｈ０の関係を示す図である。
図２３は、マイクロレンズのレンズ幅が小さい場合の反射強度の角度分布を示す図である。

Claims

指向性反射スクリーンと、前記指向性反射スクリーンに画像を投影する画像投影手段とを含む画像表示装置において、
前記指向性反射スクリーンは合わせ鏡群と異方性拡散体とを有し、前記合わせ鏡群と前記異方性拡散体とは前記画像投影手段からの入射光が前記異方性拡散体を透過し前記合わせ鏡群で反射された後に前記異方性拡散体を透過して射出するように配置されており、前記異方性拡散体は、前記合わせ鏡群の稜線に平行な方向の幅と垂直な方向の幅が異なる微小レンズ群を備えることを特徴とする画像表示装置。
請求項１又は２記載の画像表示装置において、前記微小レンズ群は、前記合わせ鏡群の稜線に平行な方向の幅が５〜５００μｍの範囲にあり、前記合わせ鏡群の稜線に垂直な方向の幅が５〜５００μｍの範囲にあることを特徴とする画像表示装置。
請求項１又は２記載の画像表示装置において、前記微小レンズ群は、前記合わせ鏡群の稜線に平行な方向の幅と垂直な方向の幅の比が１．２〜５２の範囲にあることを特徴とする画像表示装置。
請求項１〜３のいずれか１項記載の画像表示装置において、前記指向性反射スクリーンからの反射光は、前記合わせ鏡の狭角が非直角であることに起因する前記合わせ鏡群の稜線に垂直な方向の広がり角（２δ）と前記異方性拡散体に起因する前記合わせ鏡群の稜線に垂直な方向の広がり角（θ_Ｈ０）の比２δ／θ_Ｈ０が０．７５〜１．２であることを特徴とする画像表示装置。
請求項１〜３のいずれか１項記載の画像表示装置において、前記合わせ鏡の狭角αの直角との差（｜９０−α｜）と当該合わせ鏡群が形成されている基体の屈折率ｎとの積と、前記異方性拡散体透過光の前記合わせ鏡群の稜線に垂直な方向の透過光束の半値全角θ_Ｈｄｆとの比（｜９０−α｜）×ｎ／θ_Ｈｄｆが０．２１６〜０．３４５の範囲にあることを特徴とする画像表示装置。
請求項１〜３のいずれか１項記載の画像表示装置において、前記合わせ鏡の狭角αは８９度〜９１度、前記微小レンズ群の前記合わせ鏡群の稜線に垂直な方向の幅をＰｈ、深さをＰｄ、屈折率をｎとして、｜α−９０｜（Ｐｈ／Ｐｄ）×ｎ／（ｎ−１）が９９〜１５８の範囲にあることを特徴とする画像表示装置。
請求項１〜３のいずれか１項記載の画像表示装置において、前記合わせ鏡の狭角が６０〜８８度又は９２度〜１２０度の範囲にあることを特徴とする画像表示装置。
請求項７記載の画像表示装置において、前記合わせ鏡の狭角α、βが交互に配置され、両者の挟角差｜α−β｜と当該合わせ鏡群が形成されている基体の屈折率ｎとの積と、前記異方性拡散体透過光の前記合わせ鏡群の稜線に垂直な方向の透過光束の半値全角θ_Ｈｄｆとの比（｜β−α｜）×ｎ／θ_Ｈｄｆが０．１０８〜０．１７３の範囲にあることを特徴とする画像表示装置。
請求項７記載の画像表示装置において、前記合わせ鏡の狭角α、βが交互に配置され、前記微小レンズ群の前記合わせ鏡群の稜線に垂直な方向の幅をＰｈ、深さをＰｄ、屈折率をｎとして、｜α−９０｜（Ｐｈ／Ｐｄ）×ｎ／（ｎ−１）が９９〜１５８の範囲にあることを特徴とする画像表示装置。
指向性反射スクリーンと該指向性反射スクリーンに画像を投影する画像投影手段を有し、上記指向性反射スクリーンは合わせ鏡群と拡散板を有し、該合わせ鏡群と該拡散板とは上記画像投影手段からの入射光が上記拡散板を透過し上記合わせ鏡群で反射された後に上記拡散板を透過して射出するように配置されており、上記指向性反射スクリーンから射出された光の方向に鑑賞位置があり、上記拡散板は、垂直方向から入射した光を透過させるときに、全ての方向に半値全角で０．２度以上拡散させる性質をもっており、上記指向性反射スクリーンの上記合わせ鏡群の稜線と垂直方向の拡散範囲の半値全角θ_Ｈ（度）と上記指向性反射スクリーンと鑑賞位置間の距離Ｌ（ｍｍ）の関係は
θ_Ｈ≦２ｔａｎ^−１（３５／Ｌ）
を満たしていることを特徴とする画像表示装置。
指向性反射スクリーンと該指向性反射スクリーンに画像を投影する画像投影手段を有し、上記指向性反射スクリーンは合わせ鏡群と拡散板を有し、該合わせ鏡群と該拡散板とは上記画像投影手段からの入射光が上記拡散板を透過し上記合わせ鏡群で反射された後に上記拡散板を透過して射出するように配置されており、上記指向性反射スクリーンから射出された光の方向に鑑賞位置があり、上記指向性反射スクリーンからの射出光の上記合わせ鏡群の稜線と垂直方向における拡散範囲の半値全角は０．２度以上７度以下であり、上記拡散板は、垂直方向から入射した光を透過させるときに、全ての方向に半値全角で０．２度以上拡散させる性質をもっていることを特徴とする画像表示装置。
請求項１０又は１１記載の画像表示装置において、上記指向性反射スクリーンからの射出光の拡散範囲は、上記合わせ鏡群の稜線方向の方が上記合わせ鏡群の稜線と垂直方向より大きいことを特徴とする画像表示装置。
請求項１０〜１２のいずれか１項記載の画像表示装置において、上記合わせ鏡群と上記拡散板は一つの透光性基材に形成されていることを特徴とする画像表示装置。
請求項１０〜１２のいずれか１項記載の画像表示装置において、上記合わせ鏡群が形成された投光性基材と上記拡散板がそれぞれ形成された透光性基材とが、上記合わせ鏡群と上記拡散板の表面側が互いに反対方向を向くように一体化されていることを特徴とする画像表示装置。
請求項１０〜１２、１４のいずれか１項記載の画像表示装置において、上記合わせ鏡群と上記拡散板の間に合わせ鏡群の稜線方向に集光作用を有するレンズ体をさらに有することを特徴とする画像表示装置。
請求項１０〜１５のいずれか１項記載の画像表示装置において、画像投影手段が２個以上の視差画像を投影し、鑑賞者に立体画像を提供することを特徴とする画像表示装置。