JPWO2006001158A1 - 立体的二次元画像表示装置及び立体的二次元画像表示方法 - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、立体感を向上させたり、迫力を向上させたりできる立体的二次元画像表示装置及び立体的二次元画像表示方法を提供し、奥行き違いの表現力を高め、立体的二次元画像による臨場感をより一層向上させることである。
本発明においては、二次元画像を表示する画像表示面１１ａを備えた表示部１１と、画像表示面１１ａに離間配置され画像表示面１１ａから出射する光線を結像させて、立体的二次元画像１５を表示するマイクロレンズアレイ１３とを備えた立体的二次元画像表示装置１００であって、表示部１１と立体的二次元画像１５との間で、前記光線を屈折させることでマイクロレンズアレイ１３と立体的二次元画像１５との間の距離又は前記立体的二次元画像の倍率の少なくとも何れか一方を変化させる。

Description

本発明は、二次元画像を空間に浮き出させて結像させることにより、奥行き感を持たせた立体的二次元画像を表示させる立体的二次元画像表示装置及び立体的二次元画像表示方法に関する。

画像表示装置は、家庭用のテレビをはじめ、アミューズメント分野のゲーム機器、訓練分野のフライトシミュレータ、医療分野の手術支援システム、建築分野の景観シミュレーション、携帯電話の表示部等種々の分野で用いられている。近年、これらの分野で用いられる画像表示装置では、アミューズメント性や視認性を向上させるため、高臨場感の得られる立体表示技術の開発が試みられている。立体表示装置は、視差情報を用いたものと、奥行き情報を用いたものに大別することができる。視差情報を用いたものは、さらに、偏光メガネを用いるものと、用いないとものとに分けることができる。

例えば、視差情報方式で偏光メガネを用いないものには、レンチキュラーレンズ法があり、一画面に複数画面を潜像させ、一定幅の半円柱型レンズを水平方向につなぎ合わせた透過スクリーンを通して複数画面を見ることで、立体表現や動画表現を可能とする。具体的には、目視者の両目に対応した左右２枚の視差画像から交互に配列されたストライプ画像を、レンチキュラーレンズを用いて目視者の両目に供給して立体像を認識させている（例えば、特許文献１参照）。

ところが、レンチキュラーレンズ法は、一画面に複数の画面を潜像させるため、コンピュータ画像処理、レンチキュラーレンズ設計、レンズと画像との正確な組み合わせ作業が必要であり、高価になる傾向がある。また、奥行き情報を用いたものには三次元座標情報を全て表示する方式もあるが、情報量が多量となる。
これに対し、二次元画像をマイクロレンズアレイによって浮き出させて結像することで、簡単な構成で、あたかも立体画像が映し出されているように表示できる立体的二次元画像表示装置が提案されている。図１に示すように、この立体的二次元画像表示装置１は、立体像を含む二次元画像を平面状の画像表示面３ａに表示する表示部３と、画像表示面３ａに離間して配置され、複数のレンズからなるマイクロレンズアレイ５からなり、表示部３とは反対側に位置する空間に二次元画像の実像（結像）の結像面７を生成する。この立体的二次元画像表示装置１によれば、非常に簡単な構成で、臨場感を得ることができた。

特開平１０−２２１６４４号公報

しかしながら、上記した従来の立体的二次元画像表示装置は、マイクロレンズアレイと立体的二次元画像との間の距離（すなわち、浮き出し量）や、立体的二次元画像の大きさ（拡大・縮小率）が、マイクロレンズアレイに依存して固定されるため、浮き出し量を増やして立体感を向上させたり、立体的二次元画像を拡大して迫力を向上させたりすることができず、その結果、奥行き違いの表現力を高めて、立体的二次元画像による臨場感を向上させるのに限界があった。また、マイクロレンズアレイと立体的二次元画像との間の距離が固定なため、立体的二次元画像を短い距離で結像させたり、立体的二次元画像を縮小して表示することもできなかった。

本発明が解決しようとする課題としては、従来の立体的二次元画像表示装置では、浮き出し量を増やして立体感を向上させたり、立体的二次元画像を拡大して迫力を向上させたり、縮小して表示することができないという問題があることがそれぞれ一例として挙げられる。

本発明に係る請求項１記載の立体的二次元画像表示装置は、二次元画像を表示する画像表示面を備えた表示部と、前記画像表示面に離間配置され前記画像表示面から出射する光線を結像させて、立体的二次元画像を表示するマイクロレンズアレイとを備えた立体的二次元画像表示装置であって、前記表示部と前記立体的二次元画像との間で、前記光線を屈折させることで前記マイクロレンズアレイと前記立体的二次元画像との間の距離又は前記立体的二次元画像の倍率の少なくとも何れか一方を変化させることを特徴とする。

本発明に係る請求項１２記載の立体的二次元画像表示方法は、表示部の画像表示面に二次元画像を表示し、前記画像表示面に離間配置したマイクロレンズアレイによって、前記画像表示面から出射する光線を結像させて、立体的二次元画像を表示する画像表示方法であって、前記表示部と前記立体的二次元画像との間で、前記光線を屈折させることで前記マイクロレンズアレイと前記立体的二次元画像との間の距離又は前記立体的二次元画像の倍率の少なくとも何れか一方を変化させることを特徴とする。

従来の立体的二次元画像表示装置の概略構成図である。 本発明に係る立体的二次元画像表示装置の第１の実施の形態の概略構成図である。 マイクロレンズアレイの変形例を表す部分拡大図である。 凸レンズを設けた変形例の概略構成図である。 表示部とマイクロレンズアレイとの間に凸レンズを設けた変形例の概略構成図である。 表示部とマイクロレンズアレイとの間に凹レンズを設けた変形例の概略構成図である。 焦点可変レンズを備えた第２の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置の概略構成図である。 焦点可変レンズの正面視を（ａ）、断面を（ｂ）、直径方向の屈折率分布を（ｃ）に表した説明図である 固定レンズを液晶の外側に設けた構成を（ａ）、内側に設けた構成を（ｂ）に表した焦点可変レンズの変形例の説明図である。 前側レンズアレイ半体のレンズピッチを後側レンズアレイ半体より小さく設定した第３の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置の概略構成図である。 前側レンズアレイ半体のレンズピッチを後側レンズアレイ半体より大きく設定した第３の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置の概略構成図である。 前後面レンズのレンズピッチの組み合わせ例を（ａ）〜（ｃ）で表した説明図である。 第４の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置に用いられるマイクロレンズアレイと偏芯光学系の構成例を（ａ）（ｂ）に表した説明図である。 第５の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置のマイクロレンズアレイと偏芯量可変素子を（ａ）、偏芯量可変素子の屈折率分布を（ｂ）、偏芯量可変素子の構成を（ｃ）に表した説明図である。 周辺の見えを改善する付加レンズを備えた変形例の説明図である。 本発明による縁無しマルチ画面の作用説明図である。 表示部とマイクロレンズアレイ及び光線屈折手段との大小関係を表した説明図である。 表示部とマイクロレンズアレイとの間に固定焦点のレンズを設け、固定焦点のレンズを移動させるレンズ移動手段を備えた変形例の概略構成図である。

符号の説明

なお、図中の符号、１１は表示部、１１ａは画像表示面、１３，６１，７１，８１はマイクロレンズアレイ、 １５は立体的二次元画像、１７は光線屈折手段、４１は焦点可変レンズ、４３は液晶レンズ、６３は前側レンズアレイ半体、６５は後側レンズアレイ半体は、７３は偏芯光学系、８３は偏芯量可変素子、１００，２００，３００は立体的二次元画像表示装置である。

以下、本発明に係る立体的二次元画像表示装置及び立体的二次元画像表示方法の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図２は本発明に係る立体的二次元画像表示装置の第１の実施の形態の概略構成図、図３はマイクロレンズアレイの変形例を表す部分拡大図である。
本実施の形態による立体的二次元画像表示装置１００は、二次元画像を表示する画像表示面１１ａを備えた表示部１１と、画像表示面１１ａに離間配置されるマイクロレンズアレイ１３と、表示部１１と立体的二次元画像１５との間に配設される光線屈折手段１７とを備える。立体的二次元画像表示装置１００は、基本動作として、画像表示面１１ａから出射する光をマイクロレンズアレイ１３によって結像し、立体的二次元画像１５を表示する。

表示部１１は、画像表示面１１ａのフラットな図示しないカラー液晶表示装置（ＬＣＤ）、バックライト照明部及びカラー液晶駆動回路を備える。表示部１１には、ＬＣＤに代えて、例えば陰極線管、プラズマディスプレイ、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイなどが用いられても良い。カラー液晶駆動回路は、入力された映像信号に基づきＬＣＤへ表示駆動信号を出力し、奥行き感を持つ立体的な二次元画像を画像表示面１１ａに表示させる。

本実施の形態において、マイクロレンズアレイ１３は、少なくとも画像表示面１１ａの面積と同一の有効面積を有している。なお、後述するように、マイクロレンズアレイ１３、光線屈折手段１７は、画像表示面１１ａより大きい有効面積を有することが好ましい。
マイクロレンズアレイ１３は、例えば二枚のレンズアレイ半体１９、２１を一体化させてなる。各レンズアレイ半体１９、２１は、それぞれ透光性に優れたガラス又は樹脂からなる透明基板の両面に、複数のマイクロ凸レンズ２３を、アレイ状に配置して当該面上にレンズアレイ面を構成したものである。一面に形成された各マイクロ凸レンズ２３の光軸は、対向する位置に形成された他面のマイクロ凸レンズ２３の光軸と同一となるように調整されており、またレンズアレイ半体１９、２１間で隣り合うマイクロ凸レンズ２３同士の光軸も同一となるように重ね合わされている。なお、本明細書では、二枚のレンズアレイ半体の各々の面（合計四面）の何れの面にもレンズアレイ面が構成されたマイクロレンズアレイを利用した実施例を記載するが、マイクロレンズアレイの構成としてはこれに限られるものではない。

マイクロレンズアレイ１３は、表示部１１の画像表示面１１ａに対して所定距離（マイクロレンズアレイ１３の作動距離）だけ離れた位置に配置されている。このマイクロレンズアレイ１３は、表示部１１の画像表示面１１ａから出射した画像に対応する光を画像表示面１１ａと反対側の所定距離だけ離れた立体画像表示面２５上に結像させることにより、画像表示面１１ａに表示された画像を空間上の二次元平面である立体画像表示面２５上に表示する。この結像された画像は二次元画像であるが、その画像が奥行き感を持つものである場合やディスプレイ上の背景画像が黒くコントラストが強調されているような場合には、空間上に浮いて表示されることから、正面の観察者２７からは、あたかも立体画像が映し出されているように見える。つまり、立体画像表示面２５に表示される二次元画像は、立体的二次元画像１５として観察者２７に認識される。

この立体的二次元画像１５は、空間上に仮想的に設定される平面であって実体物ではなく、マイクロレンズアレイ１３の作動距離に応じて定義される空間上の１平面である。立体的二次元画像表示装置１００では、図示しない筐体の前面に、その立体画像表示面２５に表示される画像を正面から見ることができるように開口が設けられている。
マイクロレンズアレイ１３は、表示部１１から入射された画像に対応する光をレンズアレイ半体１９から入射させ、内部で一回反転させた後、レンズアレイ半体２１から出射させることが望ましい。これにより、マイクロレンズアレイ１３は、表示部１１に表示された二次元画像を立体画像表示面２５上に正立の立体的二次元画像１５として表示することができる。

なお、図示の例では、マイクロレンズアレイ１３は、レンズアレイ半体１９、２１を二枚一組で一体化したが、これに限るものではなく、一枚で構成してもよく、また二枚以上の複数枚で構成してもよい。但し、このような図３（ａ）に示す一枚のマイクロ凸レンズ２３ａを画像対応光が透過する場合、或いは図３（ｂ）に示す三枚のマイクロ凸レンズ２３ｂ、２３ｃ、２３ｄを画像対応光が透過する場合においても、入射させた光を内部で一回反転させた後、出射させるようにして、正立の立体的二次元画像１５として表示させる。

ところで、マイクロレンズアレイ１３のみの光学作用では、通常、表示部１１からマイクロレンズアレイ１３までの距離と、マイクロレンズアレイ１３から立体画像表示面２５までの距離は等距離である。また、マイクロレンズアレイ１３のみの光学作用では、通常、立体的二次元画像１５の表示倍率は等倍である。
本実施の形態では、表示部１１と立体画像表示面２５（立体的二次元画像１５）との間に、より具体的には、マイクロレンズアレイ１３と立体画像表示面２５との間に、光線屈折手段１７が設けられている。光線屈折手段１７は、光線を屈折することによりマイクロレンズアレイ１３と立体画像表示面２５との間の距離を変えるように働く。この光線屈折手段１７としては、レンズを好適に用いることができる。図示の例では凹レンズ２９が用いられている。このような凹レンズ２９が設けられることにより、本来、表示部１１からマイクロレンズアレイ１３までの距離と等しく設定されているマイクロレンズアレイ１３から立体画像表示面２５までの距離を、増大させることができる。これにより、浮き出し量を増やすことが可能となる。

また、光線屈折手段１７を用いることで、光線を屈折することにより立体的二次元画像１５の倍率を変えることができる。すなわち、光線屈折手段１７を用いることで、表示部１１と立体画像表示面２５との間の光線を屈折させて、マイクロレンズアレイ１３から立体画像表示面２５までの距離を変えたり、立体的二次元画像１５の倍率を変えたりする立体的二次元画像表示方法が可能となる。

したがって、この立体的二次元画像表示装置１００及び立体的二次元画像表示方法によれば、表示部１１と立体的二次元画像１５との間に、光線を屈折することによりマイクロレンズアレイ１３と立体的二次元画像１５との間の距離を変える光線屈折手段１７を配設したので、従来、マイクロレンズアレイに依存して固定されたマイクロレンズアレイ１３と立体的二次元画像１５との間の距離（すなわち、浮き出し量）を、光線屈折手段１７の追加によって変えることができる。これにより、浮き出し量を増やして立体感を向上させたり、逆に立体的二次元画像１５を短い距離で結像させて装置を薄型化することもできる。この結果、表現力を高め、立体的二次元画像１５による臨場感をより一層向上させることができる。

また、この立体的二次元画像表示装置１００及び立体的二次元画像表示方法によれば、光線屈折手段１７を配設したので、従来、マイクロレンズアレイに依存して固定された立体的二次元画像１５の倍率を、光線屈折手段１７の追加によって変えることができ、立体的二次元画像１５を拡大して迫力を向上させたり、逆に立体的二次元画像１５を縮小して筺体を小型化し、装置コストを低減することもできる。この結果、表現力を高め、立体的二次元画像１５による臨場感をより一層向上させることができる。

図４は凸レンズを設けた変形例の概略構成図、図５は表示部とマイクロレンズアレイとの間に凸レンズを設けた変形例の概略構成図、図６は表示部とマイクロレンズアレイとの間に凹レンズを設けた変形例の概略構成図である。
なお、図２の例では、光線屈折手段１７として凹レンズをマイクロレンズアレイ１３と立体的二次元画像１５との間に配設した場合を説明したが、この他、光線屈折手段１７は、凹レンズ以外に凸レンズ、平凹レンズ、平凸レンズ等の他のレンズを用いたり、或いは他の位置に設けてもよい。

すなわち、図４に示すように、マイクロレンズアレイ１３と立体的二次元画像１５ｂとの間に凸レンズ３１を設ければ、大面積の画像表示面１１ｂに表示させた二次元画像を縮小させた立体的二次元画像１５ｂとして結像させることができる。この変形例によれば、立体的二次元画像１５ｂを高精細に表示することができる。または、マイクロレンズアレイ１３と立体画像表示面２５ｂとの距離を短縮することができ、装置の薄型化が可能となる。さらに、凸レンズ３１によって集束される光線３３によって立体的二次元画像１５ｂが形成されるので、光線屈折手段１７を用いない場合に比べ、画像周辺部の視野角が改善されて、画像周辺部がはっきり見えるようになる。

また、図５に示すように、表示部１１とマイクロレンズアレイ１３との間で、マイクロレンズアレイ１３に近接させて凸レンズ３１を設ければ、画像表示面１１ａに表示させた二次元画像を、浮き出し量を増やしたり、拡大させたりした立体的二次元画像１５として結像させることができる。
さらに、図６に示すように、表示部１１とマイクロレンズアレイ１３との間で、表示部１１に近接させて凹レンズ２９を設ければ、画像表示面１１ａに表示させた二次元画像を、浮き出し量を増やしたり、拡大させたりした立体的二次元画像１５として結像させることができる。

なお、光線屈折手段１７としては、リング状にレンズを分割して形成したフレネルレンズを用いることが好ましい。フレネルレンズを用いることにより、大口径の光線屈折手段１７の厚みを薄くさせ、かつ、軽量化させることができる。
また、光線屈折手段１７は、立体的二次元画像表示装置１００に着脱自在に設けられてもよい。このような着脱構造とすることにより、凹レンズ２９や凸レンズ３１の別、或いは異なる曲率の光線屈折手段１７を選択的に装着でき、所望の浮き出し量や倍率への調整が可能となる。さらに、これら光線屈折手段１７である付加レンズ（凹レンズ２９、凸レンズ３１）は、マイクロレンズアレイ１３または表示面１１と近接させることが望ましい。

次に、本発明に係る立体的二次元画像表示装置の第２の実施の形態を説明する。
図７は焦点可変レンズを備えた第２の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置の概略構成図、図８は焦点可変レンズの正面視を（ａ）、断面を（ｂ）、直径方向の屈折率分布を（ｃ）に表した説明図、図９は固定レンズを液晶の外側に設けた構成を（ａ）、内側に設けた構成を（ｂ）に表した焦点可変レンズの変形例の説明図である。

この実施の形態による立体的二次元画像表示装置２００は、光線屈折手段が焦点可変レンズ４１からなる。焦点可変レンズ４１は、表示部１１とマイクロレンズアレイ１３との間、又はマイクロレンズアレイ１３と立体的二次元画像１５との間の少なくとも一方に配設することができる。本実施の形態では、焦点可変レンズ４１が、マイクロレンズアレイ１３と立体的二次元画像１５との間に設けられている。

焦点可変レンズ４１としては、所謂液晶レンズ４３を好適に用いることができる。液晶レンズ４３は、図８（ｂ）に示すように、平行に配置した基板４５、４７で液晶４９を密封したものであり、基板４５、４７の互いに対向する面には、図示しない電極と、配向膜が形成されている。電極は、図８（ａ）に示すように、例えば画面の中心から同心リング状に、かつ互いに対向するように、それぞれ形成されている。

この液晶レンズ４３にしきい値以上の電圧を印加すると、電子分極により分極している液晶分子は長軸の向きを電圧印加方向に変える。このため、図８（ｃ）に示すように、印加電圧の大きさを制御することにより、基板４５、４７に平行に配向していた液晶分子の長軸の向きを基板４５、４７に対して垂直方向に連続的に変えることができる。したがって、液晶分子の配向の方位に入射した光に対して、屈折率が連続的に変化する。このように、印加電圧により液晶分子の配向方向を制御させることにより、レンズの焦点距離を変化させることができる。また、印加電圧を逆向きにすることにより、凹凸形状を反転させることもできる。

したがって、このような液晶レンズ４３を光線屈折手段として備えた立体的二次元画像表示装置２００では、液晶レンズ４３の焦点距離を変化させることにより、画像表示面１１ａに表示させた二次元画像を、浮き出し量を増やしたり、拡大させたりした立体的二次元画像１５を立体画像表示面２５に結像させたり、逆に浮き出し量を減らしたり、縮小させたりした立体的二次元画像１５ｂを立体画像表示面２５ｂに結像させることができる。つまり、表示部１１に表示させる画像に同期させて、浮き出し量や倍率を変化させることができる。これにより、カラー液晶駆動回路からＬＣＤに入力される映像信号に基づき、液晶レンズ４３の印加電圧を同期させて制御し、浮き出し量や倍率を変化させることで、例えば接近動画像に対しては浮き出し量を増加させながら拡大表示させる一方、離反動画像に対しては浮き出し量を減少させながら縮小表示させて、奥行き違いの表現力を高め、比較的簡単な構成で、立体的二次元画像による臨場感をより一層向上させることができるようになる。

なお、液晶レンズ４３は、図９（ａ）に示すように、基板４５、４７の外面に固定レンズ５１を設けたり、図９（ｂ）に示すように、基板４５、４７の内面に固定レンズ５１を設けたり、或いはその双方に固定レンズ５１を設けてもよい。このような固定レンズ５１を付加することにより、より大きな屈折率分布が得られるようになるとともに、屈折率の変化をより滑らかに連続させることができるようになる。この場合、固定レンズ５１は、凸レンズ或いは凹レンズであってもよい。また、固定レンズ５１としてフレネルレンズを好適に用いることもできる。そして、特に固定レンズ５１を液晶４９側に設けることで、液晶層の厚みや配向に変化を与え、電極にパターンを形成せずに屈折率分布を発生させることも可能となる。

また、上記の実施の形態では焦点可変レンズ４１として液晶レンズ４３を用いた場合を例に説明したが、この他、焦点可変レンズとしては、可撓性材料（例えば透明ゴム板）等によって基板４５、４７に相当する部材を形成し、これらの間に媒質となる液体を封入した構成であってもよい。このような焦点可変レンズによれば、透明ゴム板に垂直な光軸を中心とした同心円部分の厚みを封入した液体によって連続的に変化させることで、透明ゴム板の面方位に入射した光に対して曲率を連続的に変化させることができる。

次に、本発明に係る立体的二次元画像表示装置の第３の実施の形態を説明する。
図１０は前側レンズアレイ半体のレンズピッチを後側レンズアレイ半体より小さく設定した第３の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置の概略構成図、図１１は前側レンズアレイ半体のレンズピッチを後側レンズアレイ半体より大きく設定した第３の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置の概略構成図である。なお、ここでレンズピッチとはマイクロレンズアレイを構成する各々のマイクロ凸レンズのうち、隣接するマイクロ凸レンズの中心点の距離を言う。

なお、本明細書中においては、表示部１１が図の左側に配置され、光線は左から右に伝搬する場合を例に説明している。ここで、説明の都合上、図面におけるレンズの左側を「レンズ前側」、レンズの右側を「レンズ後側」と称することとする。
この実施の形態による立体的二次元画像表示装置３００は、マイクロレンズアレイ６１が平行な二枚のレンズアレイ半体である前側レンズアレイ半体６３と、後側レンズアレイ半体６５とからなる。マイクロレンズアレイ６１は、一方のレンズピッチと他方のレンズピッチとが、光線を屈折することによりマイクロレンズアレイ６１と立体的二次元画像１５との間の距離を変える方向や、立体的二次元画像１５の倍率を変える方向にずれている。

すなわち、上記した第１、第２の実施の形態では、表示部１１と立体的二次元画像１５との間の光路に、光線屈折手段として、レンズや焦点可変レンズを設けて、光線を屈折させていたが、本実施の形態では、マイクロレンズアレイ６１の一対の前側レンズアレイ半体６３と後側レンズアレイ半体６５との各マイクロ凸レンズ２３のピッチをずらすことによって、光線を屈折させる。すなわち、本実施形態では、光線屈折手段としてレンズ等の新たな光学部品を付加するのではなく、レンズピッチをずらすことによってレンズを偏芯させ光線を屈折させている。

例えば図１０に示す構成では、前側レンズアレイ半体６３のレンズピッチＰ１を、後側レンズアレイ半体６５のレンズピッチＰ２より小さく設定している。このような構成によれば、マイクロレンズアレイ６１に光線を発散させる方向へ屈折させる働きを付与でき、その結果、レンズを新たに付加することなく、画像表示面１１ａに表示させた二次元画像を、浮き出し量を増やしたり、拡大させたりした立体的二次元画像１５として結像させることができる。

また、図１１に示す構成では、前側レンズアレイ半体６７のレンズピッチＰ３を、後側レンズアレイ半体６９のレンズピッチＰ４より大きく設定している。このような構成によれば、マイクロレンズアレイ７１に、光線を集束させる方向へ屈折させる働きを付与でき、その結果、レンズを新たに付加することなく、画像表示面１１ａに表示させた二次元画像を、浮き出し量を減らしたり、縮小させたりした立体的二次元画像１５ｂとして結像させることができる。

ここで、前側レンズアレイ半体６３と後側レンズアレイ半体６５とのレンズピッチは、例えばマイクロ凸レンズ２３の外径を異なる大きさに設定することで、ずらすことができる。また、マイクロ凸レンズ２３の曲率は、それぞれ一定でなくてもよい。
図１２は前後面レンズのレンズピッチの組み合わせ例を（ａ）〜（ｃ）で表した説明図である。

例えば図１２（ａ）〜（ｃ）に示す構成では、平行な二枚のレンズアレイ半体が、表示部１１から順次配設される前側レンズアレイ半体６３と後側レンズアレイ半体６５とを、近接するように配置して構成されている。そして、前側レンズアレイ半体６３における前後面と後側レンズアレイ半体６５における前後面の計四面のレンズアレイ面からなっている。

図１２（ａ）に示す構成では、前側レンズアレイ半体６３における前後面のレンズピッチが等しいとともに、後側レンズアレイ半体６５における前後面のレンズピッチが等しく、かつ前側レンズアレイ半体６３の後面と後側レンズアレイ半体６５の前面とのレンズピッチが異なるものとなっている。すなわち、それぞれの前後面におけるレンズピッチの大小関係は、図に示すようにレンズ前側（左側）から、Ａ＝Ａ＜Ｂ＝Ｂとなっている。つまり、レンズアレイ半体の、各々向かい合う二面のレンズアレイ面に配置されている凸レンズのレンズピッチが異なっており、残りの二面のレンズアレイ面に配置されている凸レンズのレンズピッチは各々のレンズアレイ半体で同一として構成されている。

図１２（ｂ）に示す構成では、前側レンズアレイ半体６３における前後面のレンズピッチが異なるとともに、後側レンズアレイ半体６５における前後面のレンズピッチが異なり、かつ前側レンズアレイ半体６３の後面と後側レンズアレイ半体６５の前面とのレンズピッチが等しいものとなっている。すなわち、それぞれの前後面におけるレンズピッチの大小関係は、図に示すようにレンズ前側（左側）から、Ａ＜Ｂ＝Ｂ＜Ｃとなっている。つまり、表示部から出射される光線の入射面に相当するレンズアレイ面と、出射面に相当するレンズアレイ面に配置されている凸レンズのレンズピッチが異なっており、他のレンズアレイ面に配置されている凸レンズのレンズピッチは同一として構成されている。

図１２（ｃ）に示す構成では、前側レンズアレイ半体６３における前後面、後側レンズアレイ半体６５における前後面の全てのレンズピッチが異なるものとなっている。すなわち、それぞれの前後面におけるレンズピッチの大小関係は、図に示すようにレンズ前側（左側）から、Ａ＜Ｂ＜Ｃ＜Ｄとなっている。つまり、二枚のレンズアレイ半体が有する各々のレンズアレイ面に配置した凸レンズのレンズピッチが全て異なって構成されている。

これらの構成によれば、マイクロレンズアレイ６１に、光線を発散させる方向へ屈折させる働きを付与でき、その結果、レンズを新たに付加することなく、浮き出し量を増やしたり、拡大させたりした立体的二次元画像１５を結像できる。
なお、図１２に示す構成例では、前後面におけるレンズピッチが大小関係を有するが、図１２（ａ）に比べて、図１２（ｂ），（ｃ）の方が、より多くの面のレンズピッチを設定できるので、より適したレンズを構成しやすい。また、マイクロレンズアレイ（前側後側レンズアレイ半体）は、レンズピッチがずれた状態で性能が出るように考慮されていることが望ましい。さらに、前後面におけるそれぞれのマイクロ凸レンズの曲率は一定でなくてもよく、それぞれ適した曲率に設定してもよい。

次に、本発明に係る立体的二次元画像表示装置の第４の実施の形態を説明する。
図１３は第４の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置に用いられるマイクロレンズアレイと偏芯光学系の構成例を（ａ）（ｂ）に表した説明図である。
この実施の形態による立体的二次元画像表示装置は、図１３（ａ）に示すように、マイクロレンズアレイ７１が、平行な二枚の前側レンズアレイ半体６３と後側レンズアレイ半体６５とを有し、かつ前側レンズアレイ半体６３と後側レンズアレイ半体６５との間には偏芯光学系７３が挟まれている。この偏芯光学系７３としては、例えばプリズムアレイ７５を好適に用いることができる。また、マイクロレンズアレイ７１の変形例としては、図１３（ｂ）に示すように、プリズムアレイ７５に代えてプリズム７７を用いてもよい。なお、マイクロレンズアレイ７１（前側後側レンズアレイ半体）は、偏芯光学系７３が挟まれている状態で性能が出るように考慮されていることが望ましい。

このような偏芯光学系７３を挟んだ構成によれば、前側レンズアレイ半体６３から偏芯光学系７３に入射した光線を屈折させて後側レンズアレイ半体６５へ出射させることができる。その結果、レンズアレイを偏芯させることと同じ効果が得られ、前側レンズアレイ半体６３と後側レンズアレイ半体６５のレンズピッチを変えることなく、立体的二次元画像１５の浮き出し量を増減させたり、倍率を変えたりすることができる。

次に、本発明に係る立体的二次元画像表示装置の第５の実施の形態を説明する。
図１４は第５の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置のマイクロレンズアレイと偏芯量可変素子を（ａ）、偏芯量可変素子の屈折率分布を（ｂ）、偏芯量可変素子の構成を（ｃ）に表した説明図である。
この実施の形態による立体的二次元画像表示装置は、図１４（ａ）に示すように、マイクロレンズアレイ８１が、平行な二枚の前側レンズアレイ半体６３と後側レンズアレイ半体６５とを有し、かつ前側レンズアレイ半体６３と後側レンズアレイ半体６５との間には偏芯量可変素子８３が挟まれている。

この偏芯量可変素子８３としては、上記の液晶レンズ４３と略同様の構成のものを用いることができる。すなわち、図１４（ｃ）に示すように、平行に配置した基板８５、８７で液晶４９が密封され、基板８５、８７の互いに対向する面に電極と、配向膜が形成される。電極ｒ０、ｒ１、ｒ２は、レンズアレイの配置に合わせて、かつ互いに対向するように、それぞれ形成される。この偏芯量可変素子８３に電圧を印加すると、電子分極により分極している液晶分子は長軸の向きを電圧印加方向に変える。このため、印加電圧の大きさを制御することにより、基板８５、８７に平行に配向していた液晶分子の長軸の向きを基板８５、８７に対して垂直方向に連続的に変えることができる。これにより、図１４（ｂ）に示すように、屈折率分布を、画面の中心から周辺に向かってノコギリ状になるように変化させることができる。

この偏芯量可変素子８３を備えた立体的二次元画像表示装置によれば、偏芯量可変素子８３の屈折率分布を変化させることにより、立体的二次元画像１５の浮き出し量を増やしたり、拡大させたり、逆に浮き出し量を減らしたり、縮小させたりすることができる。これにより、表示部１１に表示させる画像に同期させて、浮き出し量や倍率を変化させることができ、奥行き違いの表現力を高め、立体的二次元画像１５による臨場感をより一層向上させることができる。

図１５は周辺の見えを改善する付加レンズを備えた変形例の説明図である。
なお、上記した実施の形態による立体的二次元画像表示装置において、図１５（ａ）に示すように、立体的二次元画像１５を拡大表示させる構成のものでは、図１５（ｂ）に示すように、マイクロレンズアレイ１３及び光線屈折手段１７と立体的二次元画像１５との間にさらに凹レンズ９１を設けてもよい。このような構成とすることで、周辺に広がる光を正面へ屈折させ、浮き出し量は多少低下するものの周辺での見えを良好にすることができる。

図１６は本発明による縁無しマルチ画面の作用説明図である。
また、本発明に係る立体的二次元画像表示装置では、図１６（ａ）に示すように、周辺に広がる光によって立体的二次元画像１５を表示できるので、表示部１１、マイクロレンズアレイ１３、光線屈折手段１７等を接触させることなく、複数の立体的二次元画像１５を連続させることができ、特に図１６（ｂ）に示すようなマルチ画面９３の場合には画面境界における縁９３ａ、９３ｂを目立たなくし、滑らかに隣接した立体的二次元画像が繋げることができる。

図１７は表示部１１とマイクロレンズアレイ１３及び光線屈折手段１７との大小関係を表した説明図である。
さらに、本発明による立体的二次元画像表示装置は、図１７（ａ）に示すように表示部１１とマイクロレンズアレイ１３及び光線屈折手段１７との面積を同一とすると、光の取り込めない領域（図中、Ｘ印）が生じるため、図１７（ｂ）に示すように、マイクロレンズアレイ１３及び光線屈折手段１７を表示部１１より大きく形成し、光取り込み領域（図中、白丸印）を増大させることが好ましい。これにより、立体的二次元画像１５の周辺の明るさ低下を防止することができる。

なお、本発明の各実施の形態の中で示した、表示部、マイクロレンズアレイ等は、必ずしも互いに平行に設置されている必要はない。
なお、本発明の各実施の形態で示した例において、固定焦点のレンズ（フレネルレンズや凹レンズ、凸レンズ等）を用いた場合であっても、レンズそのものの位置を動かすことによって、焦点可変レンズ（液晶レンズ等）を用いた場合と同様に、表示される立体的二次元画像の浮き出し量や倍率を可変にすることもできる。

図１８は、表示部とマイクロレンズアレイとの間に固定焦点のレンズ（この図の例では、凸レンズ）を設け、この固定焦点のレンズを移動させるレンズ移動手段を備えた変形例の概略構成図である。図に示すように、表示部１１とマイクロレンズアレイ１３との間に凸レンズ３１を設け、図示しないレンズ移動手段により、凸レンズ３１の位置を前後（図中矢印で示すように）移動させることによって、表示される立体的二次元画像１５の浮き出し量や倍率を可変にすることができる。

本出願は、２００４年６月１４日出願の日本特許出願（特願２００４−１７５５４３）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

【０００２】
次元画像表示装置が提案されている。図１に示すように、この立体的二次元画像表示装置１は、立体像を含む二次元画像を平面状の画像表示面３ａに表示する表示部３と、画像表示面３ａに離間して配置され、複数のレンズからなるマイクロレンズアレイ５からなり、表示部３とは反対側に位置する空間に二次元画像の実像（結像）の結像面７を生成する。この立体的二次元画像表示装置１によれば、非常に簡単な構成で、臨場感を得ることができた。
［０００５］【特許文献１】特開平１０−２２１６４４号公報
［０００６］ しかしながら、上記した従来の立体的二次元画像表示装置は、マイクロレンズアレイと立体的二次元画像との間の距離（すなわち、浮き出し量）や、立体的二次元画像の大きさ（拡大・縮小率）が、マイクロレンズアレイに依存して固定されるため、浮き出し量を増やして立体感を向上させたり、立体的二次元画像を拡大して迫力を向上させたりすることができず、その結果、奥行き違いの表現力を高めて、立体的二次元画像による臨場感を向上させるのに限界があった。また、マイクロレンズアレイと立体的二次元画像との間の距離が固定なため、立体的二次元画像を短い距離で結像させたり、立体的二次元画像を縮小して表示することもできなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
［０００７］ 本発明が解決しようとする課題としては、従来の立体的二次元画像表示装置では、浮き出し量を増やして立体感を向上させたり、立体的二次元画像を拡大して迫力を向上させたり、縮小して表示することができないという問題があることがそれぞれ一例として挙げられる。
【課題を解決するための手段】
［０００８］ 本発明に係る請求項１記載の立体的二次元画像表示装置は、二次元画像を表示する画像表示面を備えた表示部と、前記画像表示面に離間配置され前記画像表示面から出射する光線を結像させて、正立等倍像の立体的二次元画像を表示するマイクロレンズアレイとを備えた立体的二次元画像表示装置であって、前記表示部と前記マイクロレンズアレイとの間、又は前記マ


２

【０００３】
イクロレンズアレイと前記立体的二次元画像との間の少なくともいずれか一方に前記光線を屈折させる光線屈折手段としてのレンズが配設され、前記レンズが配設されることにより前記光線を屈折させて、前記光線が結像する位置である立体画像表示面と前記マイクロレンズアレイとの間の距離を変え、かつ表示される前記立体的二次元画像の倍率を変えることを特徴とする。
［０００９］ 本発明に係る請求項１２記載の立体的二次元画像表示方法は、示部の画像表示面に二次元画像を表示し、前記画像表示面に離間配置したマイクロレンズアレイによって、前記画像表示面から出射する光線を結像させて、立体的二次元画像を表示する画像表示方法であって、前記表示部と前記立体的二次元画像との間で前記光線を屈折させて、前記光線が結像する位置である立体画像表示面と前記マイクロレンズアレイとの間の距離を変え、かつ表示される前記立体的二次元画像の倍率を変えることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
［００１０］［図１］従来の立体的二次元画像表示装置の概略構成図である。
［図２］本発明に係る立体的二次元画像表示装置の第１の実施の形態の概略構成図である。
［図３］マイクロレンズアレイの変形例を表す部分拡大図である。
［図４］凸レンズを設けた変形例の概略構成図である。
［図５］表示部とマイクロレンズアレイとの間に凸レンズを設けた変形例の概略構成図である。
［図６］表示部とマイクロレンズアレイとの間に凹レンズを設けた変形例の概略構成図である。
［図７］焦点可変レンズを備えた第２の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置の概略構成図である。
［図８］焦点可変レンズの正面視を（ａ）、断面を（ｂ）、直径方向の屈折率分布を（ｃ）に表した説明図である
［図９］固定レンズを液晶の外側に設けた構成を（ａ）、内側に設けた構成を（ｂ）に表した焦点可変レンズの変形例の説明図である。
［図１０］前側レンズアレイ半体のレンズピッチを後側レンズアレイ半体より小さく設定した第３の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置の概略構成図である。
［図１１］前側レンズアレイ半体のレンズピッチを後側レンズアレイ半体より大きく設定した第３の実施の形態に係る立体的二次元画像表示装置の概略構成図である。


３／１

Claims (14)

1. 二次元画像を表示する画像表示面を備えた表示部と、
   前記画像表示面に離間配置され前記画像表示面から出射する光線を結像させて、立体的二次元画像を表示するマイクロレンズアレイとを備えた立体的二次元画像表示装置であって、
   前記表示部と前記立体的二次元画像との間に、前記光線を屈折させる光線屈折手段を配設することで前記マイクロレンズアレイと前記立体的二次元画像との間の距離又は前記立体的二次元画像の倍率の少なくとも何れか一方を変化させることを特徴とする立体的二次元画像表示装置。
2. 前記光線屈折手段はレンズであり、
   前記表示部と前記マイクロレンズアレイとの間、又は前記マイクロレンズアレイと前記立体的二次元画像との間の少なくともいずれか一方に前記レンズが配設されていることを特徴とする請求項１に記載の立体的二次元画像表示装置。
3. 前記レンズが、フレネルレンズであることを特徴とする請求項２に記載の立体的二次元画像表示装置。
4. 前記レンズが、焦点可変レンズであることを特徴とする請求項２に記載の立体的二次元画像表示装置。
5. 前記レンズが、液晶レンズであることを特徴とする請求項２に記載の立体的二次元画像表示装置。
6. 前記レンズを移動させるレンズ移動手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の立体的二次元画像表示装置。
7. 二次元画像を表示する画像表示面を備えた表示部と、
   前記画像表示面に離間配置され前記画像表示面から出射する光線を結像させて、立体的二次元画像を表示するマイクロレンズアレイとを備えた立体的二次元画像表示装置であって、
   前記マイクロレンズアレイが少なくとも第一マイクロ凸レンズをアレイ状に配置した第一レンズアレイ面及び第二マイクロ凸レンズをアレイ状に配置した第二レンズアレイ面を有し、
   前記第一マイクロ凸レンズと前記第二マイクロ凸レンズとを偏芯させることにより前記光線を屈折させて前記マイクロレンズアレイと前記立体的二次元画像との間の距離又は前記立体的二次元画像の倍率の少なくとも何れか一方を変化させていることを特徴とする立体的二次元画像表示装置。
8. 前記第一マイクロ凸レンズのレンズピッチと前記第二マイクロ凸レンズのレンズピッチを非同一にすることにより前記第一マイクロ凸レンズと前記第二マイクロ凸レンズとを偏芯させていることを特徴とする請求項７に記載の立体的二次元画像表示装置。
9. 二次元画像を表示する画像表示面を備えた表示部と、
   前記画像表示面に離間配置され前記画像表示面から出射する光線を結像させて、立体的二次元画像を表示するマイクロレンズアレイとを備えた立体的二次元画像表示装置であって、
   前記マイクロレンズアレイは、少なくとも２枚のレンズアレイ半体を有すると共に、前記レンズアレイ半体の間に偏芯光学系を配置することで前記光線を屈折させて前記マイクロレンズアレイと前記立体的二次元画像との間の距離又は前記立体的二次元画像の倍率の少なくとも何れか一方を変化させていることを特徴とする立体的二次元画像表示装置。
10. 前記偏芯光学系が、偏芯量可変素子であることを特徴とする請求項９に記載の立体的二次元画像表示装置。
11. 前記マイクロレンズアレイは少なくとも第一レンズアレイ面を有する第一レンズアレイ半体及び第二レンズアレイ面を有する第二レンズアレイ半体とを有し、
    前記第一レンズアレイ面と前記第二レンズアレイ面とが相互に向かい合わせて構成されていることを特徴とする請求項８に記載の立体的二次元画像表示装置。
12. 前記マイクロレンズアレイは少なくとも第一レンズアレイ面を有する第一レンズアレイ半体及び第二レンズアレイ面を有する第二レンズアレイ半体とを有し、
    前記第一レンズアレイ面は前記マイクロレンズアレイの前記光線に対する入射面側に配置されており、前記第二レンズアレイ面は前記マイクロレンズアレイの前記光線の出射面側に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の立体的二次元画像表示装置。
13. 表示部の画像表示面に二次元画像を表示し、
    前記画像表示面に離間配置したマイクロレンズアレイによって、前記画像表示面から出射する光線を結像させて、立体的二次元画像を表示する画像表示方法であって、
    前記表示部と前記立体的二次元画像との間で、前記光線を屈折させることで前記マイクロレンズアレイと前記立体的二次元画像との間の距離又は前記立体的二次元画像の倍率の少なくとも何れか一方を変化させることを特徴とする立体的二次元画像表示方法。
14. 表示部の画像表示面に二次元画像を表示し、
    前記画像表示面に離間配置したマイクロレンズアレイによって、前記画像表示面から出射する光線を結像させて、立体的二次元画像を表示する画像表示方法であって、
    前記マイクロレンズアレイが少なくとも第一マイクロ凸レンズをアレイ状に配置した第一レンズアレイ面及び第二マイクロ凸レンズをアレイ状に配置した第二レンズアレイ面を有し、前記第一マイクロ凸レンズと前記第二マイクロ凸レンズとを偏芯させることにより前記光線を屈折させて前記マイクロレンズアレイと前記立体的二次元画像との間の距離又は前記立体的二次元画像の倍率の少なくとも何れか一方を変化させることを特徴とする立体的二次元画像表示方法。

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