WO2012001996A1 - レンズ部品および画像表示装置 - Google Patents

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WO2012001996A1
WO2012001996A1 PCT/JP2011/051210 JP2011051210W WO2012001996A1 WO 2012001996 A1 WO2012001996 A1 WO 2012001996A1 JP 2011051210 W JP2011051210 W JP 2011051210W WO 2012001996 A1 WO2012001996 A1 WO 2012001996A1
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lens
image
unit
partial
display panel
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PCT/JP2011/051210
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多久島　道子
依田　潤
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住友電気工業株式会社
住友電工ファインポリマー株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133526—Lenses, e.g. microlenses or Fresnel lenses

Definitions

  • the present invention relates to an image display device capable of displaying an image toward each of a plurality of viewpoints, and a lens component included in the image display device.
  • An image display device capable of displaying an image toward each of a plurality of viewpoints displays different images for persons sitting in a driver seat and a passenger seat in a car navigation system, or the same person By displaying different images for each of the right eye and the left eye, it can be recognized as a stereoscopic image.
  • an apparatus including a display panel using liquid crystal or the like and a lenticular lens in which cylindrical lenses are arranged in parallel is known.
  • a liquid crystal display panel is used as the display panel, individual pixels are surrounded by a shielding region called a black matrix. Since the shielding area exists between the pixels in the display panel, a black area corresponding to the shielding area is generated on the image plane on which the image display apparatus displays an image.
  • Patent Document 1 intends to avoid deterioration in image quality due to the shielding region between pixels by providing an anisotropic scattering sheet between the liquid crystal display panel and the lenticular lens. It is said.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and is suitably used in an image display device capable of displaying a high-quality image toward each of a plurality of viewpoints, and the image display device.
  • An object is to provide a lens component.
  • a lens component according to one aspect of the present invention is a lens component that forms an image on an object plane on an image plane, and (1) K units each extending in a first direction and having a common configuration.
  • a lens comprising the K-number of unit lenses arranged in parallel in a minimum period P L in a second direction perpendicular to the first direction, (2) each K number of unit lenses, the minimum period of the second direction P includes M partial lens segmented within L, (3) each M portions lenses included in each unit lens is a parallel to the third direction perpendicular to both the first and second directions And having different optical axes, and images common points on the object plane at different positions on the image plane.
  • K and M are integers of 2 or more.
  • each of the M partial lenses included in each unit lens may have the same focal length. Further, in one lens component embodiments, each M portions lenses included in each unit lens may be equal to each other proportion in the minimum period P L in the second direction.
  • An image display device includes: (1) a plurality of unit pixel sets are two-dimensionally arranged on a plane parallel to both the first direction and the second direction perpendicular to each other; A display panel including N partial pixels, each of which is arranged along the second direction; and (2) forming an image on the object plane on the image plane with the display panel as an object plane; And a lens component provided with a unit lens corresponding to a unit pixel set.
  • N is an integer of 2 or more.
  • a shielding region exists between N partial pixels along the second direction in each of the plurality of unit pixel sets of the display panel, and the width of the shielding region in the second direction is May be equal to the interval in the second direction of the optical axis of each of the M partial lenses included in each unit lens of the lens component.
  • the width of each of the N partial pixels in the second direction may be equal to the width of the shielding region.
  • the M value is 2, and the light of each of the two partial lenses included in any unit lens near the center in the second direction among the K unit lenses of the lens component.
  • the intermediate position in the second direction of the axis may be equal to the central position of any unit pixel group near the center in the second direction among the plurality of unit pixel groups of the display panel.
  • each of the lens component and the display panel may have a mark for alignment when assembling the both.
  • an image can be displayed toward each of a plurality of viewpoints, and deterioration of the image quality of the image can be suppressed.
  • FIG. 10 is a diagram showing a light intensity distribution on the image plane A when the lens is shifted in the ⁇ Y direction with respect to the display panel 10 in the first comparative example. It is a diagram showing the directions of the optical beams from the partial pixels 22 R when to display panel 10 in the first comparative example lens shifts in the + Y direction. It is a figure which shows the light intensity distribution on the image surface A when a lens shifts to + Y direction with respect to the display panel 10 in a 1st comparative example. It is a diagram showing the directions of the optical beams from the partial pixels 22 R in this embodiment. It is a figure which shows the light intensity distribution on the image surface A in this embodiment. It is a figure which shows the calculation conditions of a 1st comparative example.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the principle of image display by the image display device 1 of the first comparative example.
  • the image display device 1 includes a lens component 10 and a display panel 20, and an image on the object plane is formed on an image plane A by the lens component 10 using the display panel 20 as an object plane.
  • the lens component 10 is a lenticular lens in which cylindrical lenses 11 1 to 11 K each extending in the X direction and having a common configuration are arranged in parallel in the Y direction as a unit lens at a constant period. K is an integer of 2 or more. The optical axes of the cylindrical lenses 11 1 to 11 K are parallel to the Z direction.
  • the lens component 10 has a generally flat plate shape, and the surface facing the display panel 20 is a flat surface, and the surface facing the image surface A is a convex surface. In the figure, the shape of the convex surface of the lens component 10 is shown.
  • the display panel 20 has a plurality of unit pixel groups 21 arranged two-dimensionally on an XY plane.
  • Each unit pixel group 21 includes two partial pixels 22 L and 22 R arranged along the Y direction.
  • the left eye portion pixels 22 L and the right eye portion pixels 22 R are disposed alternately in the Y direction.
  • the shielding region 23 called a black matrix is present between the left eye portion pixels 22 L and the right eye portion pixels 22 R.
  • FIGS. 2 and 3 are diagrams for explaining the relationship between the pixels of the display panel 20 and the image on the image plane A in the image display by the image display device 1 of the first comparative example.
  • the pixels of the image display device 1 are schematically shown.
  • the light intensity on the image plane A is shown in each area (a) of FIGS.
  • a partial pixel 22 L, 22 R each Y-direction width included in the unit pixel group 21 k and W P.
  • An incident-side principal plane of the lens component 10 the distance between the display panel 20 and L 2.
  • a triangle having the height distance L 2 and bottom portions pixel 22 L, 22 R in the Y-direction width, the image I L on the image plane A, the triangle having the height distance L 1 and the bottom of the Y-direction width of the I R are similar. Strictly speaking, there may be other members (glass, polarizing plate, adhesive, etc.) between the lens component 10 and the display panel 20.
  • the paraxial calculations lens thickness is assumed with a thickness of up uniformly lens tip regardless of the position, the distance L 2 is the sum of those dividing the thickness of each layer in the refractive index of each layer.
  • L 1 and L 2 are obtained by solving the ray matrix based on the thickness and refractive index of each member and the set position (observation position) of the image plane.
  • the left eye image I L corresponding to the left eye portion pixels 22 L in the Y-direction range represented by the following formula (1) is formed
  • the right-eye image I R corresponding to the right eye portion pixels 22 R are formed in the Y-direction range expressed by the following equation (2).
  • black areas I B corresponding to the shielding area 23 is formed in the Y-direction range expressed by the following equation (3).
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the lens component 10 of the image display apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 4 also shows the shape of the convex surface of the lens component.
  • Figure 4 area (a) and area (b) shows a lenticular lens 4A and 4B in which a plurality of cylindrical lenses arranged in parallel in the Y direction at a constant cycle P L having each extending in the X direction of the common structure .
  • This lenticular lens is the same as that included in the image display device 1 of the first comparative example.
  • the lenticular lens in area (b) in FIG. 4 is shifted by t in the Y direction with respect to the lenticular lens in area (a) in FIG.
  • each X-direction extends in the Mashimashi common has the configuration Y direction parallel arranged in the minimum period P L was the K unit lenses 11 Is provided.
  • Each unit lens 11 includes two partial lenses 12 1 and 12 2 that are divided within a minimum period P L in the Y direction.
  • Partial lens 12 1 in the range of 0 ⁇ P L 'in the minimum period P L corresponds to the solid lines in the area of FIG. 4 (a).
  • Partial lens 12 2 in the range of P L ' ⁇ P L in the minimum period P L corresponds to the solid lines in the area in Figure 4 (b).
  • each of the two partial lenses 12 1 and 12 2 included in each unit lens 11 has optical axes that are parallel to the Z direction and different from each other (optical axes that are separated from each other by t in the Y direction).
  • the common points on the object plane can be imaged at different positions on the image plane A (positions shifted from each other by ⁇ t (1 + L 1 / L 2 ) in the Y direction).
  • the following (8) condition represented by equation holds, crosstalk occurs partially overlapped each other and the left-eye image I L and right eye image I R on the image plane A. Therefore, when the condition expressed by the following equation (9) is satisfied, without crosstalk occurring, Y-direction width of the region I B becomes zero.
  • the left side represents the left boundary position of the black areas I B in FIG. 2
  • the right side represents the right boundary position of the black areas I B in FIG.
  • Equation (10) is obtained from the above equation (9).
  • the distance L 2 is several hundred ⁇ m to several mm, while the distance L 1 is sufficiently large, such as several hundred mm. Therefore, the equation (10) can be approximated by the following equation (11).
  • Each of the partial lenses 12 1 and 12 2 included in each unit lens 11 of the lens component 10 may have a spherical lens shape or an aspheric lens shape in the YZ section. .
  • the lens shapes of the partial lenses 12 1 and 12 2 can be obtained by solving the ray matrix. However, even if the lens shapes of the partial lenses 12 1 and 12 2 are different by about several percent from the solution of the ray matrix, there is no practical problem because the viewpoint can be sufficiently separated. However, from the viewpoint of uniformity of image quality in the Y direction on the image plane A, the partial lenses 12 1 and 12 2 included in each unit lens 11 may have the same focal length.
  • FIG. 5 is a diagram showing the trajectory of the light rays from the partial pixels 22 R when to display panel 10 in the first comparative example lens shifts in the -Y direction
  • FIG. 6 the display panel in the first comparative example 10 is a diagram showing a light intensity distribution on the image plane A when the lens is shifted in the ⁇ Y direction with respect to FIG.
  • Figure 7 is a diagram showing the trajectory of the light rays from the partial pixels 22 R when the shift lens is in the + Y direction with respect to the display panel 10 in the first comparative example
  • FIG. 8 the display panel 10 in the first comparative example FIG.
  • FIG. 6 is a diagram showing a light intensity distribution on the image plane A when the lens is shifted in the + Y direction. Further, FIG. 9 is a diagram showing the trajectory of the light rays from the partial pixels 22 R in the present embodiment, and FIG. 10 is a graph showing the light intensity distribution on the image plane A in this embodiment.
  • FIGS. 9 and as shown in FIG. 10 the right-eye image formed on the image plane A through a partial lens 12 one of the unit lenses 11 I R1 and the left-eye image and I L1, and the right-eye image I R2 and the left-eye image I L2 is formed on the image plane a through a partial lens 12 2 of the unit lenses 11 are formed in different regions on the image plane a ( Area (a) in FIG.
  • the first example, the second example, and the third example are specific examples of the present embodiment.
  • the lens is assumed to be a spherical lens.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating calculation conditions of the first comparative example.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a calculation result of the first comparative example.
  • the unit pixel set of Y-direction width P and 0.2 mm, the respective individual partial pixels included in the unit pixel group Y-direction width W P and 0.08 mm, the Y-direction width W B of the shielding region between each part of pixels included in the unit pixel group was 0.02 mm.
  • the distance L 1 between the exit side principal plane and the image plane of the lens is 350 mm
  • the distance L 2 between the incident-side principal plane and the display panel of the lens was 0.52 mm.
  • the lens thickness is 0.3 mm
  • the refractive index of the lens is 1.6
  • a polarizing plate and an adhesive exist between the lens and the display panel, but these are ignored.
  • the lens radius of curvature was calculated to be 0.31 mm by solving the ray matrix using the values of these parameters.
  • the width of the display panel in the Y direction is 32.2 mm, and the display panel includes 161 unit pixel sets.
  • the light intensity distribution on the image plane A when all of the partial pixels 22 L and 22 R included in the 161 unit pixel group of the display panel are illuminated is as shown in FIG. Become.
  • the light is present a region I B do not reach.
  • FIG. 13 is a diagram showing calculation conditions of the first embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a calculation result of the first embodiment.
  • the calculation conditions for parameters other than the unit lens shape are the same as the calculation conditions of the first comparative example.
  • the unit lens is a partial lens 12 1 corresponding to lens 13A of the first comparative example in a part of the lens 13B shifted by t / 2 in the -Y direction (left direction) , and a partial lens 12 2 corresponding to a part of the lens 13C shifted by t / 2 in the lens 13A of the first comparative example + Y direction (right direction).
  • the optical axes of the partial lenses 12 1 and 12 2 are parallel to the Z direction and are separated from each other by a distance t.
  • the Y-direction center positions of the optical axes of the partial lenses 12 1 and 12 2 included in the unit lens located at the center of the lens component coincide with the Y-direction center position of the unit pixel set located at the center of the display panel. .
  • partial lens 12 1 is present in the region of 0.05mm width -Y direction side, + Y direction side of the partial lens in the area of 0.1497mm width 12 2 exists.
  • the light intensity distribution on the image plane A when all of the partial pixels 22 L and 22 R included in the 161 unit pixel group of the display panel are illuminated is as shown in FIG. Become.
  • the light has disappeared region I B does not reach black streaks when observing the image disappears.
  • FIG. 14 there is a region where the light intensity changes stepwise depending on the position and the light intensity is low, but it is recognized by the human eye far more than the region observed as black when the light intensity is 0. Hateful.
  • FIG. 15 is a diagram showing calculation conditions of the second embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a calculation result of the second embodiment.
  • the calculation conditions for parameters other than the unit lens shape are the same as the calculation conditions of the first comparative example. That is, in the lens component 10 of the second example, the unit lens is a partial lens 12 1 corresponding to a part of the lens 15B shifted by t / 2 in the ⁇ Y direction (left direction) from the lens 15A of the first comparative example. When, and a partial lens 12 2 corresponding to a part of the lens 15C shifted by t / 2 in the lens 15A of the first comparative example + Y direction (right direction). In the first embodiment, the Y-direction width ratio of the partial lenses 12 1 and 12 2 is approximately 1: 3, whereas in the lens component 10 of the second embodiment, the partial lenses 12 1 and 12 2 The width ratio in the Y direction was 1: 1.
  • the light intensity distribution on the image plane A when all of the partial pixels 22 L and 22 R included in the 161 unit pixel group of the display panel are illuminated is as shown in FIG. Become.
  • the lens component according to the second embodiment has no discontinuous portion, so that it is easier to manufacture.
  • FIG. 17 is a diagram showing calculation conditions of the third embodiment.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating a calculation result of the third embodiment.
  • the unit lens is a partial lens 12 1 corresponding to lens 17A of the first comparative example in a part of the lens 17B shifted by t / 2 in the -Y direction (left direction), and a partial lens 12 2 corresponding to a part of the lens 17A of the first comparative example + Y direction lens 17C shifted (to the right) by t / 2.
  • the third embodiment as shown in FIG.
  • the Y-direction width P of the unit pixel set is set to 0.2 mm, and the exit side of the lens the distance L 1 between the main plane and an image plane and 350 mm, the distance L 2 between the incident-side principal plane and the display panel of the lens and 0.52mm, 0.1997mm the Y-direction width P L of the unit lens It was.
  • the each of partial pixels included in the unit pixel group Y-direction width W P and 0.05 mm, the shielding region between each part of pixels included in the unit pixel group the Y-direction width W B 0 Both were set equal to 0.05 mm.
  • the Y-direction width ratio of the partial lenses 12 1 and 12 2 was set to 1: 1.
  • the respective Y-direction width left eye image I L and black areas I B becomes equal to each other.
  • the light intensity distribution on the image plane A when all of the partial pixels 22 L and 22 R included in the 161 unit pixel group of the display panel are illuminated is shown in FIG. as shown, since the partial lens 12 1, 12 2 by superimposition of ⁇ t / 2 only for shifted right eye image I R and the left eye image I L, the intensity distribution of substantially uniform.
  • each unit pixel group of the display panel includes N partial pixels arranged in the Y direction. That is, N pictures are divided for each pixel, and the partial pixels constituting the first picture, the partial pixels constituting the second picture,. . . , The images of the respective viewpoints are distributed by the lens using the unit pixel group that is arranged in the order of the partial pixels constituting the Nth picture.
  • FIG. 19 is a diagram schematically illustrating the principle of image display by the image display device 2 of the second comparative example.
  • the image display device 2 includes a lens component 10 and a display panel 20, and an image on the object plane is formed on the image plane A by the lens component 10 using the display panel 20 as an object plane.
  • the lens component 10 is the same as that shown in FIG.
  • the display panel 20 has a plurality of unit pixel groups 21 arranged two-dimensionally on an XY plane. If the number of viewpoints is 3, the unit pixel set 21 includes a Y-direction are arranged along the three first partial pixel 22 1, the second partial pixel 22 2 and the third portion pixels 22 3. The partial pixels 22 1 , 22 2 , and 22 3 are sequentially arranged in the Y direction. Further, the shielding region 23 called a black matrix is present between the partial pixel 22 1 and the fractional pixel 22 2, present between the partial pixel 22 2 and the partial pixel 22 3.
  • the unit pixel group 21 k When the unit pixel group 21 k is to correspond to the cylindrical lens 11 k, first on an image plane A by the light emitted from the first portion pixels 22 1 of the unit pixel group 21 k undergoes a cylindrical lens 11 k Image I 1 is formed, and the second image I 2 is formed on the image plane A by the light emitted from the second partial pixel 22 2 of the unit pixel set 21 k passing through the cylindrical lens 11 k .
  • light emitted from the third portion pixels 22 3 of the unit pixel group 21 k is a third image I 3 is formed on the image plane a by passing through the cylindrical lens 11 k.
  • a stereoscopic image is visually recognized by the left and right eyes in the first and second image formation ranges on the image plane A, and by the left and right eyes in the second and third image formation ranges on the image plane A. Another stereoscopic image is visually recognized.
  • the black region I B corresponding to the shielding region 23 is used by using a lens component as shown in the area (c) of FIG. (observation black lines and become visible in the area at the time of) can be made narrow, or it is possible to eliminate the black areas I B.
  • the fourth example is a specific example of the embodiment in the case of the above three viewpoints.
  • the lens is assumed to be a spherical lens.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating calculation conditions of the second comparative example.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating a calculation result of the second comparative example.
  • the unit pixel set of Y-direction width P and 0.21 mm, the each of fractional pixel included in the unit pixel group Y-direction width W P and 0.056 mm, the Y-direction width W B of the shielding region between each part of pixels included in the unit pixel group was 0.014 mm.
  • the distance L 1 between the exit side principal plane and the image plane of the lens is 350 mm
  • the distance L 2 between the incident-side principal plane and the display panel of the lens was 0.39 mm.
  • the lens thickness is 0.2 mm
  • the refractive index of the lens is 1.6
  • a polarizing plate and an adhesive exist between the lens and the display panel, but these are ignored.
  • the lens radius of curvature was calculated to be 0.235 mm by solving the ray matrix using the values of these parameters.
  • the width of the display panel in the Y direction is 33.81 mm, and the display panel includes 161 unit pixel sets.
  • the light intensity distribution on the image plane A when all of the three partial pixels 22 1 to 22 3 included in the 161 unit pixel group of the display panel are illuminated is shown in FIG. It comes to be.
  • FIG. 22 is a diagram showing calculation conditions of the fourth embodiment.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating a calculation result of the fourth embodiment.
  • the calculation conditions for parameters other than the unit lens shape are the same as the calculation conditions of the second comparative example.
  • the unit lens is a part of the lens (reference numeral 22B) obtained by shifting the lens of the second comparative example (reference numeral 22A) by t / 2 in the -Y direction (left direction).
  • a partial lens 12 1 corresponding, with partial lens 12 2 corresponding to a part of the second comparative example of the lens (see reference numeral 22A) + Y direction (right direction) in t / 2 shifted by the lens (see reference numeral 22C) including.
  • the optical axes of the partial lenses 12 1 and 12 2 are parallel to the Z direction and are separated from each other by a distance t.
  • the Y-direction center positions of the optical axes of the partial lenses 12 1 and 12 2 included in the unit lens located at the center of the lens component coincide with the Y-direction center position of the unit pixel set located at the center of the display panel. .
  • the Y-direction width ratio of the partial lenses 12 1 and 12 2 was 1: 1.
  • the light intensity distribution on the image plane A when all of the partial pixels 22 1 to 22 3 included in the 161 unit pixel group of the display panel are illuminated is as shown in FIG. Become.
  • the light has disappeared region I B does not reach black streaks when observing the image disappears.
  • each partial lens included in the unit lens has a spherical lens shape, but the present invention can also be applied to a case of an aspheric lens shape.
  • the present invention can also be applied to a case of an aspheric lens shape.
  • FIG. 24 is a diagram showing a cross-sectional shape of an aspheric lens.
  • the optical axis coincides with the Z axis
  • the distance from the optical axis is r
  • the difference from the lens height when r 0 is ⁇ z
  • the shape of the convex surface of the aspherical lens is expressed by the following equation (12).
  • the c is a curvature
  • k is a conic coefficient
  • c 2m is an aspheric coefficient.
  • lens parameters c, k, c 2m can be optimized and determined using commercially available lens design software.
  • the number from the central unit pixel group to the outermost unit pixel group is N
  • the object height is, for example, N (P ⁇ P L ) + P / 2
  • the lens magnification may be L 1 / L 2 .
  • each partial lens included in the unit lens in the present embodiment has a part of the lenses that are shifted from each other by the Y-direction width t of the shielding region 23 in the case of the aspherical lens shape.
  • the parameters of the aspheric lens are calculated as follows. As shown in FIG. 25, a single-sided aspherical convex lens with a refractive index of 1.5 and a thickness of 0.5 mm, a single-sided flat surface with a refractive index of 1.6 and a thickness of 0.3 mm is a flat surface. In the lens system in close contact with the lens, the surface facing the glass surface in close contact with the lens is defined as the light source surface.
  • FIG. 26 is a diagram showing calculation conditions of the fifth embodiment.
  • FIG. 27 is a diagram illustrating a calculation result of the fifth example.
  • the calculation conditions for the parameters other than the unit lens shape are the same as the calculation conditions of the second embodiment.
  • each partial lens included in the unit lens has the aspherical lens shape as described above.
  • the light intensity distribution on the image plane A when all of the partial pixels 22 L and 22 R included in the 161 unit pixel group of the display panel are illuminated is as shown in FIG. Become. On the image plane A, between the right-eye image I R and the left eye image I L, the light has disappeared region I B does not reach black streaks when observing the image disappears.
  • FIG. 28 is a diagram illustrating a positional relationship between the unit lens and the unit pixel group at the center of the image display apparatus according to the present embodiment.
  • the virtual image is an image in which the image of the pixel set 21 k is formed on the imaging plane by the unit lens 11 k ⁇ 1 or 11 k + 1 adjacent to the unit lens 11 k corresponding to the pixel set 21 k .
  • the images are interchanged between the right and left. Accordingly, the intermediate position in the Y direction of each of the two partial lenses included in any unit lens near the center in the Y direction of the lens component 10 and the center in the Y direction of the display panel 20 are near.
  • the central position of any unit pixel set can be made equal to each other.
  • the position of the image is displayed by displaying an image when the lens component 10 and the display panel 20 are assembled.
  • a method of assembling the lens component and the display panel while checking can be adopted.
  • the lens component 10 has the mark 14 for alignment at the edge
  • the display panel 20 has the mark 24 for alignment at the edge.
  • a method of matching the mark 14 and the mark 24 with each other when assembling the display panel 20 can also be adopted.

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Abstract

　一実施形態のレンズ部品はＫ個の単位レンズを備える。Ｋ（≧２）個の単位レンズは、第１方向に延在し共通の構成を有し、第１方向に垂直な第２方向に最小周期ＰＬで並列配置されている。各単位レンズは、第２方向の最小周期ＰＬ内において区分されるＭ（≧２）個の部分レンズを含む。各単位レンズに含まれるＭ個の部分レンズそれぞれが、第１方向および第２方向の双方に垂直な第３方向に平行であって互いに異なる光軸を有し、物体面上の共通点を像面上の互いに異なる位置に結像する。

Description

レンズ部品および画像表示装置
　本発明は、複数の視点それぞれに向けて画像を表示することができる画像表示装置、および、この画像表示装置に含まれるレンズ部品に関するものである。
　複数の視点それぞれに向けて画像を表示することができる画像表示装置は、例えばカーナビゲーションシステムにおいて運転席および助手席それぞれに座っている者に対して互いに異なる画像を表示したり、あるいは、同一人物の右目および左目それぞれに対して互いに異なる画像を表示することで立体画像と認識させたりすることができる。
　このような画像表示装置として、液晶などを用いた表示パネルと、シリンドリカルレンズが並列配置されたレンチキュラレンズと、を備えるものが知られている。表示パネルとして液晶表示パネルが用いられる場合、ブラックマトリックスと呼ばれる遮蔽領域で個々の画素が囲まれている。表示パネルにおいて画素間に遮蔽領域が存在していることにより、画像表示装置が画像を表示する像面上では、遮蔽領域に対応する黒い領域が生じてしまう。
　この黒い領域が像面上の位置によっては認識されることとなり、画像内で黒い筋となって観察されるので、画質が低下する。そこで、特許文献１に開示された発明は、液晶表示パネルとレンチキュラレンズとの間に異方性散乱シートを設けることで、画素間の遮蔽領域に起因する画質の低下を回避することを図ろうとしている。
特開２００８－１３４６１７号公報
　しかしながら、特許文献１に開示された発明では、画像を形成するのに必要な光をも異方性散乱シートにより散乱させることになるので、これにより画質が低下する。
　本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、複数の視点それぞれに向けて高品質の画像を表示することができる画像表示装置、および、この画像表示装置において好適に用いられるレンズ部品を提供することを目的とする。
　本発明の一側面に係るレンズ部品は、物体面上の画像を像面上に結像するレンズ部品であって、（１）各々第１方向に延在し共通の構成を有するＫ個の単位レンズであり、第１方向に垂直な第２方向に最小周期ＰＬで並列配置された当該Ｋ個の単位レンズを備え、（２）Ｋ個の単位レンズそれぞれが、第２方向の最小周期ＰＬ内において区分されるＭ個の部分レンズを含み、（３）各単位レンズに含まれるＭ個の部分レンズそれぞれが、第１方向および第２方向の双方に垂直な第３方向に平行であって互いに異なる光軸を有し、物体面上の共通点を像面上の互いに異なる位置に結像することを特徴とする。ただし、Ｋ，Ｍは２以上の整数である。
　一実施形態のレンズ部品では、各単位レンズに含まれるＭ個の部分レンズそれぞれが、互いに等しい焦点距離を有していてもよい。また、一実施形態のレンズ部品では、各単位レンズに含まれるＭ個の部分レンズそれぞれが第２方向の最小周期ＰＬ内において占める割合が互いに等しくてもよい。
　本発明の別の一側面に係る画像表示装置は、（１）互いに垂直な第１方向および第２方向の双方に平行な面上に複数の単位画素組が２次元配列され、複数の単位画素組それぞれが第２方向に沿って配列されたＮ個の部分画素を含む表示パネルと、（２）表示パネルを物体面として該物体面上の画像を像面上に結像し、第２方向について単位画素組に対応して単位レンズが設けられている上記のレンズ部品と、を備えることを特徴とする。ただし、Ｎは２以上の整数である。
　一実施形態の画像表示装置では、表示パネルの複数の単位画素組それぞれにおいて第２方向に沿ってＮ個の部分画素の相互の間に遮蔽領域が存在し、遮蔽領域の第２方向での幅が、レンズ部品の各単位レンズに含まれるＭ個の部分レンズそれぞれの光軸の第２方向での間隔と等しくてもよい。また、一実施形態の画像表示装置では、表示パネルの複数の単位画素組それぞれにおいて、第２方向でのＮ個の部分画素の各幅と遮蔽領域の幅とが互いに等しくてもよい。
　一実施形態の画像表示装置では、Ｍ値が２であり、レンズ部品のＫ個の単位レンズのうち第２方向について中央付近にある何れかの単位レンズに含まれる２個の部分レンズそれぞれの光軸の第２方向での中間位置と、表示パネルの複数の単位画素組のうち第２方向について中央付近にある何れかの単位画素組の中央位置とが、互いに等しくてもよい。また、一実施形態の画像表示装置では、レンズ部品および表示パネルそれぞれが、両者を組み立てる際の位置合わせの為のマークを有していてもよい。
　本発明によれば、複数の視点それぞれに向けて画像を表示することができ、その画像の画質の劣化を抑制することができる。
第１比較例の画像表示装置１による画像表示の原理を模式的に示す図である。 第１比較例の画像表示装置１による画像表示における表示パネル２０の画素と像面Ａ上の像との関係を説明する図である。 第１比較例の画像表示装置１による画像表示における表示パネル２０の画素と像面Ａ上の像との関係を説明する図である。 本実施形態の画像表示装置のレンズ部品１０を説明する図である。 第１比較例における表示パネル１０に対しレンズが－Ｙ方向にシフトしたときの部分画素２２Ｒからの光線の軌跡を示す図である。 第１比較例における表示パネル１０に対しレンズが－Ｙ方向にシフトしたときの像面Ａ上の光強度分布を示す図である。 第１比較例における表示パネル１０に対しレンズが＋Ｙ方向にシフトしたときの部分画素２２Ｒからの光線の軌跡を示す図である。 第１比較例における表示パネル１０に対しレンズが＋Ｙ方向にシフトしたときの像面Ａ上の光強度分布を示す図である。 本実施形態における部分画素２２Ｒからの光線の軌跡を示す図である。 本実施形態における像面Ａ上の光強度分布を示す図である。 第１比較例の計算条件を示す図である。 第１比較例の計算結果を示す図である。 第１実施例の計算条件を示す図である。 第１実施例の計算結果を示す図である。 第２実施例の計算条件を示す図である。 第２実施例の計算結果を示す図である。 第３実施例の計算条件を示す図である。 第３実施例の計算結果を示す図である。 第２比較例の画像表示装置２による画像表示の原理を模式的に示す図である。 第２比較例の計算条件を示す図である。 第２比較例の計算結果を示す図である。 第４実施例の計算条件を示す図である。 第４実施例の計算結果を示す図である。 非球面レンズの断面形状を示す図である。 非球面レンズの最適化条件を示す図である。 第５実施例の計算条件を示す図である。 第５実施例の計算結果を示す図である。 本実施形態の画像表示装置の中央での単位レンズと単位画素組との位置関係を示す図である。 レンズ部品１０および表示パネル２０の組み立て時の位置合わせの為のマークを説明する図である。
　以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。初めに比較例の画像表示装置について説明した後に、実施形態の画像表示装置について説明する。また、説明の便宜のために図面においてＸＹＺ直交座標系を示している。
　図１は、第１比較例の画像表示装置１による画像表示の原理を模式的に示す図である。画像表示装置１は、レンズ部品１０および表示パネル２０を備え、表示パネル２０を物体面として該物体面上の画像をレンズ部品１０により像面Ａ上に結像する。
　レンズ部品１０は、各々Ｘ方向に延在し共通の構成を有するシリンドリカルレンズ１１１～１１Ｋが単位レンズとして一定周期でＹ方向に並列配置されたレンチキュラレンズである。Ｋは２以上の整数である。シリンドリカルレンズ１１１～１１Ｋそれぞれの光軸はＺ方向に平行である。レンズ部品１０は概略的には平板形状のものであって、表示パネル２０に対向する面が平面であり、像面Ａに対向する面が凸面となっている。同図ではレンズ部品１０の凸面の形状が示されている。
　表示パネル２０は、ＸＹ平面上に複数の単位画素組２１が２次元配列されたものである。各単位画素組２１は、Ｙ方向に沿って配列された２個の部分画素２２Ｌ，２２Ｒを含む。左目用部分画素２２Ｌと右目用部分画素２２ＲとはＹ方向に交互に配置されている。また、ブラックマトリックスと呼ばれる遮蔽領域２３が左目用部分画素２２Ｌと右目用部分画素２２Ｒとの間に存在する。
　単位画素組２１ｋがシリンドリカルレンズ１１ｋに対応しているとすると、単位画素組２１ｋの左目用部分画素２２Ｌから発した光がシリンドリカルレンズ１１ｋを経ることにより像面Ａ上に左目用像ＩＬが形成され、単位画素組２１ｋの右目用部分画素２２Ｒから発した光がシリンドリカルレンズ１１ｋを経ることにより像面Ａ上に右目用像ＩＲが形成される。そして、像面Ａ上の左目用像ＩＬの形成範囲にある左目ＥＬの網膜には左目用画像が結像され、像面Ａ上の右目用像ＩＲの形成範囲にある右目ＥＲの網膜には右目用画像が結像される。したがって、各単位画素組２１の左目用部分画素２２Ｌおよび右目用部分画素２２Ｒそれぞれに適切な画像データが与えられることにより、左目ＥＬおよび右目ＥＲにより立体画像が視認される。
　しかし、像面Ａ上には、左目用像ＩＬと右目用像ＩＲとの間に、遮蔽領域２３に対応する黒い領域ＩＢが生じてしまう。この黒い領域ＩＢが像面Ａ上の位置によっては認識されることとなり、立体画像内で黒い筋となって観察されるので、画質が低下する。
　図２および図３それぞれは、第１比較例の画像表示装置１による画像表示における表示パネル２０の画素と像面Ａ上の像との関係を説明する図である。図２及び図３それぞれのエリア（ｂ）には、画像表示装置１の画素が概略的に示されている。また、図２及び図３それぞれのエリア（ａ）には、像面Ａにおける光強度が示されている。図２に示すように、単位画素組２１ｋに含まれる部分画素２２Ｌ，２２ＲそれぞれのＹ方向幅をＷＰとする。単位画素組２１ｋに含まれる部分画素２２Ｌと部分画素２２Ｒとの間の遮蔽領域２３のＹ方向幅をＷＢとする。単位画素組２１ｋのＹ方向幅をＰ（＝２(ＷＰ＋ＷＢ)）とする。レンズ部品１０の出射側主平面と像面Ａとの間の距離をＬ１とする。レンズ部品１０の入射側主平面と表示パネル２０との間の距離をＬ２とする。
　部分画素２２Ｌ，２２ＲのＹ方向幅を底辺とし距離Ｌ２を高さとする三角形と、像面Ａにおける像ＩＬ，ＩＲのＹ方向幅を底辺とし距離Ｌ１を高さとする三角形とは、相似関係にある。なお、厳密には、レンズ部品１０と表示パネル２０との間には他の部材（ガラス、偏光板、接着剤など）が存在する場合がある。レンズ厚が位置によらず一様にレンズ先端までの厚さと仮定した近軸計算では、距離Ｌ２は各層の厚さを各層の屈折率で割ったものの和となる。Ｌ１，Ｌ２は、各部材の厚さ及び屈折率や設定した像面の位置（観察位置）に基づいて光線行列を解くことにより求められる。
　図２のエリア（ｂ）では、単位画素組２１ｋのＹ方向中心、および、単位画素組２１ｋに対応するシリンドリカルレンズ１１ｋのＹ方向中心は、何れもＹ＝０に位置している。このとき、図２のエリア（ａ）に示されるように、像面Ａ上において、左目用部分画素２２Ｌに対応する左目用像ＩＬは下記（１）式で表されるＹ方向範囲に形成され、右目用部分画素２２Ｒに対応する右目用像ＩＲは下記（２）式で表されるＹ方向範囲に形成される。また、遮蔽領域２３に対応する黒い領域ＩＢは下記（３）式で表されるＹ方向範囲に形成される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　図３のエリア（ｂ）では、単位画素組２１ｋのＹ方向中心はＹ＝０に位置しているのに対して、単位画素組２１ｋに対応するシリンドリカルレンズ１１ｋのＹ方向中心はＹ＝－ｔに位置している。このとき、図３のエリア（ａ）に示されるように、像面Ａ上において、左目用部分画素２２Ｌに対応する左目用像ＩＬは下記（４）式で表されるＹ方向範囲に形成され、右目用部分画素２２Ｒに対応する右目用像ＩＲは下記（５）式で表されるＹ方向範囲に形成される。また、遮蔽領域２３に対応する黒い領域ＩＢは下記（６）式で表されるＹ方向範囲に形成される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　すなわち、図２の場合と比較して図３の場合には、単位画素組２１ｋに対してシリンドリカルレンズ１１ｋがＹ方向に－ｔだけ移動していることにより、像面Ａ上において左目用像ＩＬ，右目用像ＩＲおよび黒い領域ＩＢは何れもＹ方向に－ｔ(１＋Ｌ１／Ｌ２) だけシフトすることになる。すなわち、像面Ａ上において図２では光強度０であった部分にも図３では光が到達する。
　図４は、本実施形態の画像表示装置のレンズ部品１０を説明する図である。図４でもレンズ部品の凸面の形状が示されている。図４のエリア（ａ）及びエリア（ｂ）は、各々Ｘ方向に延在し共通の構成を有する複数のシリンドリカルレンズが一定周期ＰＬでＹ方向に並列配置されたレンチキュラレンズ４Ａ及び４Ｂを示す。このレンチキュラレンズは、第１比較例の画像表示装置１に含まれるものと同様のものである。図４のエリア（ａ）のレンチキュラレンズに対して図４のエリア（ｂ）のレンチキュラレンズはＹ方向にｔだけシフトしている。
　図４のエリア（ｃ）に示される本実施形態のレンズ部品１０は、各々Ｘ方向に延在し共通の構成を有しＹ方向に最小周期ＰＬで並列配置されたＫ個の単位レンズ１１を備える。各単位レンズ１１は、Ｙ方向の最小周期ＰＬ内において区分される２個の部分レンズ１２１，１２２を含む。最小周期ＰＬ内の０～ＰＬ'の範囲にある部分レンズ１２１は図４のエリア（ａ）中の実線部分に相当する。最小周期ＰＬ内のＰＬ'～ＰＬの範囲にある部分レンズ１２２は図４のエリア（ｂ）中の実線部分に相当する。
　すなわち、各単位レンズ１１に含まれる２個の部分レンズ１２１，１２２それぞれは、Ｚ方向に平行であって互いに異なる光軸（Ｙ方向にｔだけ互いに離れている光軸）を有し、物体面上の共通点を像面Ａ上の互いに異なる位置（Ｙ方向に－ｔ(１＋Ｌ１／Ｌ２) だけ互いにシフトした位置）に結像することができる。これにより、遮蔽領域２３に対応する黒い領域ＩＢ（観察の際に黒い筋となって見える領域）を狭くすることができ、或いは、黒い領域ＩＢを無くすことができる。
　図２のエリア（ａ）および図３のエリア（ａ）それぞれに示された光強度分布から、下記（７）式で表される条件が成り立つとき、像面Ａ上において光が到達しない領域ＩＢが存在する。下記（８）式で表される条件が成り立つとき、像面Ａ上において左目用像ＩＬと右目用像ＩＲとが互いに一部重なってクロストークが生じる。したがって、下記（９）式で表される条件が成り立つ場合には、クロストークが生じることなく、領域ＩＢのＹ方向幅がゼロになる。なお、（７）式～（９）式それぞれにおいて、左辺は図２での黒い領域ＩＢの左側境界位置を表し、右辺は図３での黒い領域ＩＢの右側境界位置を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　上記（９）式から下記（１０）式が得られる。通常、距離Ｌ２は数百μｍ～数ｍｍであるのに対し、距離Ｌ１は数百ｍｍと十分大きい。したがって、（１０）式は下記（１１）式で近似され得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　なお、レンズ部品１０の各単位レンズ１１に含まれる部分レンズ１２１，１２２それぞれは、ＹＺ断面において、球面レンズ形状を有していてもよいし、非球面レンズ形状を有していてもよい。部分レンズ１２１，１２２それぞれのレンズ形状は、光線行列を解くことにより得られる。しかし、部分レンズ１２１，１２２それぞれのレンズ形状が光線行列の解から数％程度異なっていても、充分に視点分離が可能であるので実用上の問題はない。ただし、像面Ａ上におけるＹ方向の画質の一様性の観点から、各単位レンズ１１に含まれる部分レンズ１２１，１２２それぞれは互いに等しい焦点距離を有し得る。
　次に、図５～図１０を用いて第１比較例および本実施形態それぞれの画像表示装置の動作を説明する。図５は、第１比較例における表示パネル１０に対しレンズが－Ｙ方向にシフトしたときの部分画素２２Ｒからの光線の軌跡を示す図であり、図６は、第１比較例における表示パネル１０に対しレンズが－Ｙ方向にシフトしたときの像面Ａ上の光強度分布を示す図である。図７は、第１比較例における表示パネル１０に対しレンズが＋Ｙ方向にシフトしたときの部分画素２２Ｒからの光線の軌跡を示す図であり、図８は、第１比較例における表示パネル１０に対しレンズが＋Ｙ方向にシフトしたときの像面Ａ上の光強度分布を示す図である。また、図９は、本実施形態における部分画素２２Ｒからの光線の軌跡を示す図であり、図１０は、本実施形態における像面Ａ上の光強度分布を示す図である。
　第１比較例において、図５および図６に示されるように、表示パネル１０に対しレンズが－Ｙ方向にシフトしたとき（図４のエリア（ａ）の場合）、像面Ａ上の右目用像ＩＲ１および左目用像ＩＬ１も－Ｙ方向にシフトする。一方、図７および図８に示されるように、表示パネル１０に対しレンズが＋Ｙ方向にシフトしたとき（図４のエリア（ｂ）の場合）、像面Ａ上の右目用像ＩＲ２および左目用像ＩＬ２も＋Ｙ方向にシフトする。
　これに対して、本実施形態においては、図９および図１０に示されるように、単位レンズ１１のうちの部分レンズ１２１を経て像面Ａに形成される右目用像ＩＲ１および左目用像ＩＬ１と、単位レンズ１１のうちの部分レンズ１２２を経て像面Ａに形成される右目用像ＩＲ２および左目用像ＩＬ２とは、像面Ａ上において互いに異なる領域に形成される（図１０のエリア（ａ））。したがって、本実施形態では、像面Ａ上において、右目用像ＩＲ１と右目用像ＩＲ２とが重なった右目用像ＩＲが形成され、また、左目用像ＩＬ１と左目用像ＩＬ２とが重なった左目用像ＩＬが形成される（図１０のエリア（ｂ））。
　次に、第１比較例，第１実施例，第２実施例および第３実施例それぞれにおける像面Ａ上での光強度分布の計算例を説明する。第１実施例，第２実施例および第３実施例は、上記の本実施形態の具体的な例である。以下の計算例では、レンズは球面レンズであるとした。
　図１１は、第１比較例の計算条件を示す図である。図１２は、第１比較例の計算結果を示す図である。第１比較例では、図１１に示されるように、単位画素組のＹ方向幅Ｐを０.２ｍｍとし、単位画素組に含まれる各部分画素それぞれのＹ方向幅ＷＰを０.０８ｍｍとし、単位画素組に含まれる各部分画素の間の遮蔽領域のＹ方向幅ＷＢを０.０２ｍｍとした。
　レンズの出射側主平面と像面との間の距離Ｌ１を３５０ｍｍとし、レンズの入射側主平面と表示パネルとの間の距離Ｌ２を０.５２ｍｍとした。なお、レンズの厚さを０.３ｍｍとし、レンズの屈折率を１.６とし、レンズと表示パネルとの間に厚さ０.５ｍｍで屈折率１.５のガラスがあるものとして、距離Ｌ２を０.５２ｍｍ（＝0.3/1.6＋0.5/1.5）とした。また、実際にはレンズと表示パネルとの間に偏光板や接着剤が存在する場合があるが、これらを無視した。
　これらのパラメータの値を用いて光線行列を解くことにより、レンズの曲率半径は０.３１ｍｍと計算された。表示パネルのＹ方向幅を３２.２ｍｍとして、表示パネルが１６１個の単位画素組を備えるものとした。
　図１１中において、Ｙ＝８０Ｐ＝１６ｍｍに位置する最外単位画素組は、中央（Ｙ＝０）に位置する単位画素組から数えて８０番目の単位画素組である。像面Ａ上において各単位画素組から到達した像を視認範囲で概ね重ねるために、Ｙ＝８０Ｐに位置する８０番目の単位画素組の中心位置の像が、Ｙ＝８０ＰＬに位置する８０番目のレンズを通って、像面Ａ上のＹ＝０の位置に来るようにした。前述と同様の三角形の相似関係から、単位レンズのＹ方向幅ＰＬは０.１９９７ｍｍと計算された。
　第１比較例において、表示パネルの１６１個の単位画素組に含まれる部分画素２２Ｌ，２２Ｒの全てを光らせたときの像面Ａ上での光強度分布は、図１２に示されるようになる。像面Ａ上において、右目用像ＩＲと左目用像ＩＬとの間に、光が到達しない領域ＩＢが存在している。
　図１３は、第１実施例の計算条件を示す図である。図１４は、第１実施例の計算結果を示す図である。第１実施例では、図１３に示されるように、単位レンズ形状以外のパラメータについての計算条件は上記の第１比較例の計算条件と同じである。この第１実施例のレンズ部品１０では、単位レンズは、第１比較例のレンズ１３Ａを－Ｙ方向（左方向）にｔ／２だけシフトしたレンズ１３Ｂの一部に相当する部分レンズ１２１と、第１比較例のレンズ１３Ａを＋Ｙ方向（右方向）にｔ／２だけシフトしたレンズ１３Ｃの一部に相当する部分レンズ１２２とを含む。ｔ／２＝ＷＢ／２＝０.０１ｍｍである。
　部分レンズ１２１，１２２それぞれの光軸は、Ｚ方向に平行であって、互いに距離ｔだけ離れている。レンズ部品の中央に位置する単位レンズに含まれる部分レンズ１２１，１２２それぞれの光軸のＹ方向中心位置は、表示パネルの中央に位置する単位画素組のＹ方向中心位置と一致している。各単位レンズのＹ方向幅ＰＬ（０.１９９７ｍｍ）において、－Ｙ方向側の０.０５ｍｍ幅の領域に部分レンズ１２１が存在し、＋Ｙ方向側の０.１４９７ｍｍ幅の領域に部分レンズ１２２が存在する。
　第１実施例において、表示パネルの１６１個の単位画素組に含まれる部分画素２２Ｌ，２２Ｒの全てを光らせたときの像面Ａ上での光強度分布は、図１４に示されるようになる。像面Ａ上において、右目用像ＩＲと左目用像ＩＬとの間に、光が到達しない領域ＩＢがなくなっており、画像を観察したときの黒い筋がなくなる。なお、図１４では、光強度が位置によって階段状に変化していて光強度が低い領域があるが、光強度０で黒となって観察される領域より、人間の眼には遥かに認識されにくい。
　図１５は、第２実施例の計算条件を示す図である。図１６は、第２実施例の計算結果を示す図である。第２実施例では、図１５に示されるように、単位レンズ形状以外のパラメータについての計算条件は上記の第１比較例の計算条件と同じである。すなわち、第２実施例のレンズ部品１０では、単位レンズは、第１比較例のレンズ１５Ａを－Ｙ方向（左方向）にｔ／２だけシフトしたレンズ１５Ｂの一部に相当する部分レンズ１２１と、第１比較例のレンズ１５Ａを＋Ｙ方向（右方向）にｔ／２だけシフトしたレンズ１５Ｃの一部に相当する部分レンズ１２２とを含む。前の第１実施例では部分レンズ１２１，１２２のＹ方向幅比が略１：３であったのに対して、この第２実施例のレンズ部品１０では部分レンズ１２１，１２２のＹ方向幅比を１：１とした。
　第２実施例において、表示パネルの１６１個の単位画素組に含まれる部分画素２２Ｌ，２２Ｒの全てを光らせたときの像面Ａ上での光強度分布は、図１６に示されるようになる。像面Ａ上において、右目用像ＩＲと左目用像ＩＬとの間に、光が到達しない領域ＩＢがなくなっており、画像を観察したときの黒い筋がなくなる。また、第２実施例では、像面Ａ上の光強度分布はＹ＝０の位置を中心として対称となるので、より自然な画像が得られる。また、第２実施例のレンズ部品は、第１実施例と異なり不連続部分がなくなるので、製造がより容易になる。
　図１７は、第３実施例の計算条件を示す図である。図１８は、第３実施例の計算結果を示す図である。第３実施例のレンズ部品１０では、単位レンズは、第１比較例のレンズ１７Ａを－Ｙ方向（左方向）にｔ／２だけシフトしたレンズ１７Ｂの一部に相当する部分レンズ１２１と、第１比較例のレンズ１７Ａを＋Ｙ方向（右方向）にｔ／２だけシフトしたレンズ１７Ｃの一部に相当する部分レンズ１２２とを含む。第３実施例では、図１７に示されるように、第１比較例，第１実施例および第２実施例と同様に、単位画素組のＹ方向幅Ｐを０.２ｍｍとし、レンズの出射側主平面と像面との間の距離Ｌ１を３５０ｍｍとし、レンズの入射側主平面と表示パネルとの間の距離Ｌ２を０.５２ｍｍとし、単位レンズのＹ方向幅ＰＬを０.１９９７ｍｍとした。
　第３実施例では、単位画素組に含まれる各部分画素それぞれのＹ方向幅ＷＰを０.０５ｍｍとし、単位画素組に含まれる各部分画素の間の遮蔽領域のＹ方向幅ＷＢを０.０５ｍｍとして、両者を等しくした。また、部分レンズ１２１，１２２のＹ方向幅比を１：１とした。
　第１比較例において、単位画素組に含まれる各部分画素それぞれのＹ方向幅ＷＰと各部分画素の間の遮蔽領域のＹ方向幅ＷＢとを互いに等しくすると、像面Ａにおいて、右目用像ＩＲ、左目用像ＩＬおよび黒い領域ＩＢそれぞれのＹ方向幅も互いに等しくなる。これに対して、第３実施例では、表示パネルの１６１個の単位画素組に含まれる部分画素２２Ｌ，２２Ｒの全てを光らせたときの像面Ａ上での光強度分布は、図１８に示されるように、部分レンズ１２１，１２２により±ｔ／２だけシフトされた右目用像ＩＲおよび左目用像ＩＬの重ね合わせとなるので、略均一の強度分布となる。
　したがって、第３実施例では、第２実施例の効果に加えて、強度分布が一様でありより自然な画像が得られるという効果が得られる。また、さらに、像面Ａでの実質的な視認範囲（すなわち、光強度分布が略一様である範囲）は、第１実施例および第２実施例では、右目用像ＩＲに対してはＹ＝－５５ｍｍ～－１３ｍｍであって、左目用像ＩＬに対してはＹ＝＋１３ｍｍ～＋５５ｍｍであったのに対し、第３実施例では、右目用像ＩＲに対してはＹ＝－６５ｍｍ～０であって、左目用像ＩＬに対してはＹ＝０～＋６５ｍｍであり、それぞれ視認範囲を広くとることができる。
　なお、図１８のエリア（ａ）において、右目用像ＩＲおよび左目用像ＩＬそれぞれの中央付近に、局所的に強度の大きい部分が見られる。これは、＋Ｙ方向にシフトした部分レンズによる像と、－Ｙ方向にシフトした部分レンズによる像との切替部分で、レンズの球面収差により若干光強度分布が裾を引いて僅かなオーバーラップ（図１８のエリア（ｂ）中の点線で囲った部分）が生じたことに因る。しかしながら、人間の眼には、このような局所的な強度の変化は認識されにくい。この僅かなオーバーラップは、画素の幅やレンズのシフト量に若干の修正を加えることなどにより改善が可能である。
　これまで説明してきた比較例および実施形態では視点数が２であったが、本発明は一般に視点数が２以上である場合に適用可能である。視点数がＮである場合、表示パネルの各単位画素組はＹ方向に配列されたＮ個の部分画素を含む。すなわち、Ｎ枚の絵を画素毎に分割し、表示パネル上ではＹ方向に、１番目の絵を構成する部分画素、２番目の絵を構成する部分画素、．．．、Ｎ番目の絵を構成する部分画素の順に配置したものを単位画素組として、レンズによって各視点の像を振り分ける。
　次に、視点数が３である場合について説明する。図１９は、第２比較例の画像表示装置２による画像表示の原理を模式的に示す図である。画像表示装置２は、レンズ部品１０および表示パネル２０を備え、表示パネル２０を物体面として該物体面上の画像をレンズ部品１０により像面Ａ上に結像する。レンズ部品１０は、図１に示されたものと同様である。
　表示パネル２０は、ＸＹ平面上に複数の単位画素組２１が２次元配列されたものである。視点数が３である場合、各単位画素組２１は、Ｙ方向に沿って配列された３個の第１部分画素２２１，第２部分画素２２２および第３部分画素２２３を含む。部分画素２２１，２２２，２２３はＹ方向に順に配置されている。また、ブラックマトリックスと呼ばれる遮蔽領域２３が、部分画素２２１と部分画素２２２との間に存在し、部分画素２２２と部分画素２２３との間に存在する。
　単位画素組２１ｋがシリンドリカルレンズ１１ｋに対応しているとすると、単位画素組２１ｋの第１部分画素２２１から発した光がシリンドリカルレンズ１１ｋを経ることにより像面Ａ上に第１の像Ｉ１が形成され、単位画素組２１ｋの第２部分画素２２２から発した光がシリンドリカルレンズ１１ｋを経ることにより像面Ａ上に第２の像Ｉ２が形成され、また、単位画素組２１ｋの第３部分画素２２３から発した光がシリンドリカルレンズ１１ｋを経ることにより像面Ａ上に第３の像Ｉ３が形成される。そして、像面Ａ上の第１および第２の像の形成範囲にある左目・右目により立体画像が視認され、像面Ａ上の第２および第３の像の形成範囲にある左目・右目により他の立体画像が視認される。
　しかし、この場合にも、像面Ａ上には、第１の像Ｉ１と第２の像Ｉ２との間、および、第２の像Ｉ２と第３の像Ｉ３との間に、遮蔽領域２３に対応する黒い領域ＩＢが生じてしまう。この黒い領域ＩＢが像面Ａ上の位置によっては認識されることとなり、立体画像内で黒い筋となって観察されるので、画質が低下する。
　このような３視点の場合にも、既に説明した２視点の場合と同様に、図４のエリア（ｃ）に示されるようなレンズ部品を用いることにより、遮蔽領域２３に対応する黒い領域ＩＢ（観察の際に黒い筋となって見える領域）を狭くすることができ、或いは、黒い領域ＩＢを無くすことができる。
　次に、３視点の場合の第２比較例および第４実施例それぞれにおける像面Ａ上での光強度分布の計算例を説明する。第４実施例は、上記の３視点の場合の実施形態の具体的な例である。以下の計算例では、レンズは球面レンズであるとした。
　図２０は、第２比較例の計算条件を示す図である。図２１は、第２比較例の計算結果を示す図である。第２比較例では、図２０に示されるように、単位画素組のＹ方向幅Ｐを０.２１ｍｍとし、単位画素組に含まれる各部分画素それぞれのＹ方向幅ＷＰを０.０５６ｍｍとし、単位画素組に含まれる各部分画素の間の遮蔽領域のＹ方向幅ＷＢを０.０１４ｍｍとした。
　レンズの出射側主平面と像面との間の距離Ｌ１を３５０ｍｍとし、レンズの入射側主平面と表示パネルとの間の距離Ｌ２を０.３９ｍｍとした。なお、レンズの厚さを０.２ｍｍとし、レンズの屈折率を１.６とし、レンズと表示パネルとの間に厚さ０.４ｍｍで屈折率１.５のガラスがあるものとして、距離Ｌ２を０.３９ｍｍ（＝0.2/1.6＋0.4/1.5）とした。また、実際にはレンズと表示パネルとの間に偏光板や接着剤が存在する場合があるが、これらを無視した。
　これらのパラメータの値を用いて光線行列を解くことにより、レンズの曲率半径は０.２３５ｍｍと計算された。表示パネルのＹ方向幅を３３.８１ｍｍとして、表示パネルが１６１個の単位画素組を備えるものとした。
　図２０中において、Ｙ＝８０Ｐ＝１６.８ｍｍに位置する最外単位画素組は、中央（Ｙ＝０）に位置する単位画素組から数えて８０番目の単位画素組である。像面Ａ上において各単位画素組から到達した像を視認範囲で概ね重ねるために、Ｙ＝８０Ｐに位置する８０番目の単位画素組の中心位置の像が、Ｙ＝８０ＰＬに位置する８０番目のレンズを通って、像面Ａ上のＹ＝０の位置に来るようにした。前述と同様の三角形の相似関係から、単位レンズのＹ方向幅ＰＬは０.２０９８ｍｍと計算された。
　第２比較例において、表示パネルの１６１個の単位画素組に含まれる３個の部分画素２２１～２２３の全てを光らせたときの像面Ａ上での光強度分布は、図２１に示されるようになる。像面Ａ上において、像Ｉ１～像Ｉ３の間に、光が到達しない領域ＩＢが存在している。
　図２２は、第４実施例の計算条件を示す図である。図２３は、第４実施例の計算結果を示す図である。第４実施例では、図２２に示されるように、単位レンズ形状以外のパラメータについての計算条件は上記の第２比較例の計算条件と同じである。第４実施例のレンズ部品１０では、単位レンズは、第２比較例のレンズ（参照符号２２Ａ）を－Ｙ方向（左方向）にｔ／２だけシフトしたレンズ（参照符号２２Ｂ）の一部に相当する部分レンズ１２１と、第２比較例のレンズ（参照符号２２Ａ）を＋Ｙ方向（右方向）にｔ／２だけシフトしたレンズ（参照符号２２Ｃ）の一部に相当する部分レンズ１２２とを含む。ｔ／２＝ＷＢ／２＝０.００７ｍｍである。
　部分レンズ１２１，１２２それぞれの光軸は、Ｚ方向に平行であって、互いに距離ｔだけ離れている。レンズ部品の中央に位置する単位レンズに含まれる部分レンズ１２１，１２２それぞれの光軸のＹ方向中心位置は、表示パネルの中央に位置する単位画素組のＹ方向中心位置と一致している。部分レンズ１２１，１２２のＹ方向幅比を１：１とした。
　第４実施例において、表示パネルの１６１個の単位画素組に含まれる部分画素２２１～２２３の全てを光らせたときの像面Ａ上での光強度分布は、図２３に示されるようになる。像面Ａ上において、像Ｉ１～像Ｉ３の間に、光が到達しない領域ＩＢがなくなっており、画像を観察したときの黒い筋がなくなる。また、光強度が位置によって階段状に変化していて光強度が低い領域があるが、光強度０で黒となって観察される領域より、人間の眼には遥かに認識されにくい。
　これまで説明してきた比較例および実施形態では、単位レンズに含まれる各部分レンズが球面レンズ形状であったが、本発明は、非球面レンズ形状である場合にも適用可能である。単位レンズに含まれる各部分レンズを非球面レンズ形状とすることで、画素上１点から出た光を像面上なるべく径の小さい１点に結像させることができる。本実施形態では、レンズがＸ方向に延在しているので、像面Ａ上なるべく細い線に結像させることができる。
　次に、単位レンズに含まれる各部分レンズが非球面レンズ形状である場合について説明する。図２４は、非球面レンズの断面形状を示す図である。光軸をＺ軸に一致させ、光軸からの距離をｒとし、ｒ＝０のときのレンズ高さとの差をΔｚとすると、非球面レンズの凸面の形状は下記（１２）式で表される。ｃは曲率であり、ｋはコーニック係数であり、ｃ２ｍは非球面係数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　これらｃ，ｋ，ｃ２ｍのレンズパラメータは、市販されているレンズ設計ソフトを用いて最適化し決定することができる。最適化の際の条件として、中央単位画素組から最外単位画素組までの数をＮとし、物体高（レンズ中心から最も遠い発光点のＹ方向距離）を例えばＮ(Ｐ－ＰＬ)＋Ｐ／２ とし、レンズ倍率をＬ１／Ｌ２とすればよい。
　本実施形態における単位レンズに含まれる各部分レンズは、球面レンズ形状の場合と同様に、非球面レンズ形状の場合にも、遮蔽領域２３のＹ方向幅ｔだけ互いにシフトしたレンズの一部同士を組み合わせることにより、像面Ａ上において光を到達しない部分をなくすことができ、画像の質を高めつつ、画面上に現れる黒い筋を無くすことができる。
　非球面レンズのパラメータは以下のようにして計算される。図２５に示されるように、屈折率１.５で厚さ０.５ｍｍの平行平板ガラスに、屈折率１.６で厚さ０.３ｍｍの片面平面で片面非球面凸形状のレンズが、平面側で密着したレンズ系において、レンズと密着しているガラスの面に対向する面を光源面とする。物体高０、０.１２４ｍｍ（＝80*(0.2－0.1997)＋0.2/2）に対し、レンズ部品１０の出射側主平面と像面Ａとの間の距離Ｌ１を３５０ｍｍとし、レンズ部品１０の入射側主平面と表示パネル２０との間の距離Ｌ２を０.５２ｍｍとする。この条件の下で最適化することにより、ｃ＝３.１[mm-1]、ｋ＝－０.７６、ｃ４＝３.９、ｃ６＝－１４５.５ が得られた。なお、ｃ２およびｃ２ｍ（ｍ≧４）を０とした。
　次に、単位レンズに含まれる各部分レンズが非球面レンズである場合の第５実施例における像面Ａ上での光強度分布の計算例を説明する。
　図２６は、第５実施例の計算条件を示す図である。図２７は、第５実施例の計算結果を示す図である。第５実施例では、図２６に示されるように、単位レンズ形状（非球面レンズ形状の部分レンズを含むこと）以外のパラメータについての計算条件は上記の第２実施例の計算条件と同じである。この第５実施例では、単位レンズに含まれる各部分レンズを上記のような非球面レンズ形状とした。
　第５実施例において、表示パネルの１６１個の単位画素組に含まれる部分画素２２Ｌ，２２Ｒの全てを光らせたときの像面Ａ上での光強度分布は、図２７に示されるようになる。像面Ａ上において、右目用像ＩＲと左目用像ＩＬとの間に、光が到達しない領域ＩＢがなくなっており、画像を観察したときの黒い筋がなくなる。また、第５実施例では、像面Ａ上の光強度分布はＹ＝０の位置を中心として対称となるので、より自然な画像が得られる。また、第５実施例のレンズ部品は、不連続部分がなくなるので、製造がより容易になる。
　これまでの実施形態では、立体画像を視認させる場合について主に説明してきた。立体画像を表示する画像表示装置や、視点を非対称に振り分けることを目的としていない画像表示装置では、図２８に示されるように、画像表示装置の正面中央で見たときに、左右に均等に各視点の像が形成され得る。図２８は、本実施形態の画像表示装置の中央での単位レンズと単位画素組との位置関係を示す図である。
　図２８に示されるように、像面Ａ上において、Ｙ方向中央（Ｙ＝０）の位置に対して負の方向を右視点とし、正の方向を左視点とすると、表示パネル２０において中央の単位画素組２１ｋの中心がＹ＝０に位置する。画素と像とは互いに反転するので、負側に左目用部分画素２２Ｌが配置され、正側に右目用部分画素２２Ｒが配置されている必要がある。これが大きくずれると、両視点の外側の虚像の部分が見えてしまう。虚像は、画素組２１ｋの像が当該画素組２１ｋに対応する単位レンズ１１ｋの隣の単位レンズ１１ｋ－１又は１１ｋ＋１により結像面上に結像された像である。また、完全に右目用部分画素と左目用部分画素が入れ替わると、右と左とで像が入れ替わってしまう。したがって、レンズ部品１０のＹ方向について中央付近にある何れかの単位レンズに含まれる２個の部分レンズそれぞれの光軸のＹ方向での中間位置と、表示パネル２０のＹ方向について中央付近にある何れかの単位画素組の中央位置とが、互いに等しくされ得る。
　図２８に示されるような形態の単位レンズ１１と単位画素組２１との位置関係を得るためには、レンズ部品１０と表示パネル２０とを組み立てる際に画像を表示させることで当該画像の位置を確認しながらレンズ部品と表示パネルとを組み立てる方法を採用し得る。或いは、図２９に示されるように、レンズ部品１０が位置合わせの為のマーク１４を縁に有し、表示パネル２０が位置合わせの為のマーク２４を縁に有するようにして、レンズ部品１０と表示パネル２０とを組み立てる際にマーク１４とマーク２４とを互いに一致させる方法も採用し得る。
　１，２…画像表示装置、１０…レンズ部品、１１…単位レンズ、１２…部分レンズ、２０…表示パネル、２１…単位画素組、２２…部分画素、２３…遮蔽領域。

Claims (8)

  1. 　物体面上の画像を像面上に結像するレンズ部品であって、
    　各々第１方向に延在し共通の構成を有し、前記第１方向に垂直な第２方向に最小周期ＰＬで並列配置されたＫ個の単位レンズを備え、
    　前記Ｋ個の単位レンズそれぞれが、前記第２方向の最小周期ＰＬ内において区分されるＭ個の部分レンズを含み、
    　各単位レンズに含まれる前記Ｍ個の部分レンズそれぞれが、前記第１方向および前記第２方向の双方に垂直な第３方向に平行であって互いに異なる光軸を有し、前記物体面上の共通点を前記像面上の互いに異なる位置に結像する、
    　ことを特徴とするレンズ部品（ただし、Ｋ，Ｍは２以上の整数）。
  2. 　各単位レンズに含まれる前記Ｍ個の部分レンズそれぞれが、互いに等しい焦点距離を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のレンズ部品。
  3. 　各単位レンズに含まれる前記Ｍ個の部分レンズそれぞれが、前記第２方向の最小周期ＰＬ内において占める割合が互いに等しい、ことを特徴とする請求項１に記載のレンズ部品。
  4. 　互いに垂直な第１方向および第２方向の双方に平行な面上に複数の単位画素組が２次元配列され、前記複数の単位画素組それぞれが前記第２方向に沿って配列されたＮ個の部分画素を含む表示パネルと、
    　前記表示パネルを物体面として該物体面上の画像を像面上に結像し、前記第２方向について前記単位画素組に対応して前記単位レンズが設けられている請求項１～３の何れか１項に記載のレンズ部品と、
    　を備えることを特徴とする画像表示装置（ただし、Ｎは２以上の整数）。
  5. 　前記表示パネルの前記複数の単位画素組それぞれにおいて前記第２方向に沿って前記Ｎ個の部分画素の相互の間に遮蔽領域が存在し、
    　前記遮蔽領域の前記第２方向での幅が、前記レンズ部品の各単位レンズに含まれる前記Ｍ個の部分レンズそれぞれの光軸の前記第２方向での間隔と等しい、
    　ことを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
  6. 　前記表示パネルの前記複数の単位画素組それぞれにおいて、前記第２方向での前記Ｎ個の部分画素の各幅と前記遮蔽領域の幅とが互いに等しい、ことを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。
  7. 　Ｍ値が２であり、
    　前記レンズ部品の前記Ｋ個の単位レンズのうち前記第２方向について中央付近にある何れかの単位レンズに含まれる２個の部分レンズそれぞれの光軸の前記第２方向での中間位置と、前記表示パネルの前記複数の単位画素組のうち前記第２方向について中央付近にある何れかの単位画素組の中央位置とが、互いに等しい、
    　ことを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
  8. 　前記レンズ部品および前記表示パネルそれぞれが、両者を組み立てる際の位置合わせの為のマークを有する、ことを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
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