JP4871539B2 - 立体像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、立体像表示装置に関し、例えばテレビ、ビデオ、コンピュ−タモニタ、ゲ−ムマシンなどにおいて立体像表示を行うのに好適なものである。

従来、立体像を再生する立体像再生方式として様々な方式が試みられている。特に特殊な眼鏡などの装着を必要としない裸眼立体視方式は臨場感ある立体感が実現できることから次世代の映像情報提示装置として有望視されている。

一般的な裸眼立体視方式は右眼用の視差画像と左眼用の視差画像とをそれぞれ独立に観察者の対応する眼に提示する両眼視差方式によって、観察者に立体を認識させている。両眼に独立した視差画像情報を提示するためには画像表示装置とそこからの画像情報を左右それぞれの眼に指向させる指向性発生手段が必要となる。例えば、裸眼立体視方式として最も一般的な方法であるレンチキュラ方式においてはレンチキュラレンズアレイが上記指向性発生手段の作用をして、ＬＣＤ、ＰＤＰなどの画像表示装置と組み合わせることで、立体像表示装置を構成している。こうした従来の裸眼立体視方式については種々な文献に多く掲載され、広く知られている（非特許文献１）。

しかしながら、両眼視差方式による立体像認識は、眼の焦点調節機能による立体像認識位置と両眼視差による立体像認識位置との間に矛盾が生じるため、観察者は疲労や違和感を覚えることが少なくない。

そこで近年、両眼視差のみに頼らずその他の立体像知覚機能も満足する、より臨場感の高い３次元像再生方法（立体像再生方法）が提案されている（特許文献１〜３）。

特許文献１にて提案されている方式においては、多数の微小視差画像を微小角度ピッチで異なる方向に提示し、観察者の単眼に複数の視差画像が入射するように構成している。このように観察者の単眼に複数の視差画像を提示すると、観察者の眼の焦点調節が両眼視差で認識される立体像位置に導かれ立体像知覚における矛盾が解消されることから、観察者の疲労や違和感が軽減される。

また、観察者の観察位置の移動に対する視差変動（いわゆる運動視差）が正確に表現できるという効果もあり、総合的に立体像の質が向上する。このような立体表示は「超多眼領域」の立体表示と呼ばれており、従来より種々と紹介されている（非特許文献２、３）。
特開平１１−１０３４７４号公報号公報 特開２００２−２８７０８６号公報号公報 特開２００３−３０７７０９号公報号公報 「３次元ディスプレイ」（産業図書株式会社発行 増田千尋 著） "Hologramlike video images by 45−view tereosｃopiｃ display"，Proｃ． SPIE Vol． 3012， p．154−166， StereosｃopiｃDisplays and Virtual Reality Systems IV(1997) "3D display using interseｃtion of light beams"， Proｃ． SPIE Vol． 3957， p． 215−224， Stereosｃopiｃ Displays and Virtual Reality Systems VII(2000)

「超多眼領域」の立体像表示を良好に行うためにはいくつかの方法がある。例えば微小視差画像数を増やし、視差画像の提示方向をより細分化することが立体視する上で好ましい。しかしながら視差画像の提示方向を細分化しようとすると、個々の視差画像の解像度(画素数)が劣化してくる。

例えば、特許文献１を例に挙げてこの問題点を説明する。

特許文献１の図６の構成例を図２０に示す。

図２０において、半導体レーザ１１５からのレーザ光はレンズ系１１６を介して走査用のポリゴンミラー１１７に入射している。ポリゴンミラー１１７からの光束はｆ・θレンズ１１８そしてガルバノミラー１２１からなる光線形成手段に入射する、ガルバノミラー１２１で走査したレーザ光は入射位置により主走査方向に周期的に変化する偏向角で主走査方向に偏向する第１の円筒レンズアレイ１１９に入射する。

この第１の円筒レンズアレイ１１９にて偏向したレーザ光は副走査方向に拡散する第２の円筒レンズアレイ１２２からなる投影光学手段に入射している。

該装置においては、半導体レーザ１１５の駆動電流を変調する半導体レーザ光駆動回路１１３により、第１の円筒レンズアレイ１１９による偏向角に対応して、光線が変調され、複数の視差画像がその撮影方向に対応したそれぞれの方向に投射される。該装置において、立体画像の表示面上の解像度を上げ、立体画像の質を向上するためには、第１の円筒レンズアレイ１１９の主走査方向における偏向角の変化の周期を短くする必要がある。

第１の円筒レンズアレイ１１９の偏向角の変化の周期を短くすることは、第１の円筒レンズアレイ１１９のピッチ（1つのレンズアレイ幅）を小さくすることになる。その結果、特許文献２の図22において図示されるように、該レンズアレイを通過するレーザー光線はレンズによる拡散の影響を大きく受ける。

立体画像の表示面上の解像度(画素数)を向上させるには、該レンズアレイの偏向角周期を小さくすることが必要となる。

本発明は、高品質な超多眼を実現するために求められる、多くの微小視差画像を微小角度ピッチで多方向に提示することができる立体像表示装置の提供を目的とする。

この他、個々の視差画像を高い解像度で表示することができ、立体像の解像度や視点数、視点ピッチの関係を高い自由度で設定することが可能な立体像表示装置の提供を目的とする。

本発明の立体像表示装置は、視差画像情報に基づく光束を時系列的に出射する光変調手段と、
前記光変調手段からの光束で所定面上を２次元走査する走査手段と、
前記走査手段の光走査側に配置され、１次光出射点を形成する１次光出射部を、所定の方向に複数個配列して構成される１次光出射点配列手段を有し、
前記１次光出射点配列手段は、前記走査手段からの光束を、指向性があり、かつ互いに異なる複数の方向へ出射する光束とし、２以上の１次光出射点からの光束を交差させており、
前記１次光出射点配列手段の光出射側に配置され、前記複数の１次光出射部からの光束により前記１次光出射点よりも多くの２次光出射点を、前記１次光出射点の光源像として形成する光出射点多重化手段を有することを特徴としている。

本発明によれば、多くの微小視差画像を微小角度ピッチで多方向に提示することと、個々の視差画像を高い解像度で表示することとができる立体像表示装置が得られる。

はじめに、本発明の立体像表示装置における立体視の基本概念について説明する。本発明の立体像表示装置は、「超多眼領域」の立体像表示（立体表示）を効果的に実現している。尚、ここで言う立体表示とは、観察者に対して互いに異なる複数の画像をほぼ同時に観察させることにより、観察者に立体像を認識させることが可能な表示のことであり、実際に立体像を表示することでなくても構わない。また、「ほぼ同時」というのは勿論同時であっても構わないし、また観察者にとって残像が残っている時間内であれば同時でなくても構わない。具体的には１/６０秒以内であれば時間差があっても構わない。

「超多眼領域」の立体表示を実現する基本構成について図１（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

「超多眼領域」の立体表示を実現するための構成は、複数の（好ましくは３つ以上の）微小視差画像が微小角度ピッチで異なる複数の方向に提示されており、観察者の単眼に同時に空間内で交差した複数の微小視差画像情報の光束が入射することである。

図１（ａ）および（ｂ）はいずれも観察者１０１ａの単眼（瞳面）１０１に同時に複数（２つ）の微小視差画像情報に基づく光束が入射している状況を示している。

ただし、図１（ａ）と図１（ｂ）では、画像情報１０２ａの表示最小単位１０２（一般に画素と呼ばれる）からの光が高い指向性を持っている場合図１（ａ）とそうではない場合図１（ｂ）とを比較して示している。

図１（ａ）では、画素１０２からの光が高い指向性を持ち、観察者の単眼１０１に到達する時点においても元の画素と同等の光束径を保っており、光線状態のまま単眼１０１に入射している。この場合、観察者１０１ａは光線自体からその出射位置を特定する奥行き手がかりを得ることができない。なぜなら光束の断面積が画素位置１０２ｂ〜観察者位置１０１ｂにおいて大きく変化しないので、どの位置に眼１０１のピントを合わせても網膜像１０１ｃのボケ量が変化しないからである。

しかしながら、単眼１０１に複数の光線が異なる角度で入射している場合は、それら光線の交点位置Ｃに眼の焦点調節が合いやすくなる。なぜなら光線の交点位置Ｃに眼のピントを合わせた場合に、網膜像１０１Ｃの面積が最も小さくなる、つまり網膜像１０１Ｃのボケ量が最も小さくなるからである。このことは図１（ａ）中の面Ａ、Ｂ、Ｃでの光束断面積をそれぞれ調べると明らかである。

したがって、画素１０２からの光が高い指向性を持つ「光線」状態になっており、かつこれら「光線」が複数本、同時に単眼１０１内に入射する場合は、これら光線の交点位置Ｃに観察者１０１ａの眼の調節を誘導することが可能となる。

そして観察者は交点位置Ｃに像が存在していると認識する。

一方、図１（ｂ）に示すように、画素１０２からの光の指向性が低いと、観察者１０１ａの単眼１０１に到達する時点において光束径が元の画素１０２の数倍以上に拡がってしまう。この為拡散光状態で単眼１０１に入射する場合は、観察者１０１ａの眼１０１の調節は画素位置１０２ｂに合いやすくなる。なぜなら光束の断面積は画素位置１０２ｂにおいて最も小さくなるからである。

したがって、たとえ単眼１０１に複数の光線が異なる角度で入射している場合でも、それら光線Ｂ，Ｃの交点位置に観察者の眼の調節を誘導することは難しくなる。このことは図１（ｂ）中の面Ａ、Ｂ、Ｃでの光束断面積をそれぞれ調べると明らかである。

したがって図１（ｂ）に示すように、画素１０２からの光が指向性の低い「拡散光」状態になっている場合、たとえ複数の光束が単眼１０１内に同時に入射していても、これら光線の交点位置Ｂ、Ｃに観察者の眼の調節を誘導することは困難となる。

上記のことをふまえると「超多眼領域」の立体表示を実現するためには、次の４つの手段又は状態が必要となる。
（イ）指向性の高い光線を生成する「光線生成手段」
（ロ）微小角度ピッチで異なる方向に複数光線を出射させる「光線偏向手段」
（ハ）光線の出射角に応じて視差画像情報を反映した光学情報（強度、色など）を光線ごとに独立に付与する「光線変調手段」
（ニ）観察者から見た光線の光出射点が画像情報の画素と見なせる程度に高密度に配列されている「光出射点の高密度配列状態」
次に超多眼領域の立体像の表示を行う基本構成について説明する。

図２は、「超多眼領域」の立体像表示を実現するための基本構成の説明図である。

立体像表示装置１は光線生成手段１−１、光線偏向手段１−２、光線変調手段１−３（光変調手段）の３つの部分を有する表示部１ａを有している。光線生成手段１−１は観察者６の観察位置６ａまで光束断面積が大きく変化しない高い指向性を有する光束、すなわち光線を生成する。光線偏向手段１−２は光線ごとに異なる出射角を与える。光線変調手段１−３は視差画像情報を反映した光学情報（強度、色など）を光線ごとに独立に付与する。上記３つの手段は機能的に２つ、あるいは１つにまとめられる場合もある。これらの構成により立体像表示装置１は、任意の光学情報を付与された、高い指向性を有する光線を、微小角度ピッチで異なる方向に出射させている。このとき立体像表示装置１は光線が出射する光出射点を形成する光出射部（以下「光出射点」という。）を複数個配列した光出射部列（以下「光出射点列」という。）を形成している。

即ち立体像表示装置１は、光線が出射する複数の光出射点２ａ１〜２ａｎが一方向に配列された光出射点列２を形成し、これら光出射点列２は観察者６から見て画像情報の画素と見なせる程度に高密度に配列されている。したがって、観察者６が立体像表示装置１の方向を見るとき、観察者６は画像を認識することができるが、観察位置（観察方向）を変えると、その観察位置（光線の出射角）に応じて異なる視差画像情報が付与された光線が眼に入射してくる。このため観察位置の移動に対する視差変動(いわゆる運動視差)をも認識することができる。

また、観察位置６ａに到達する光線同士の間隔は眼の瞳孔径未満に設定されているため、この立体像表示装置１は光線の交点位置Ｃに眼の調節を誘導すること、すなわち超多眼領域の立体視を観察者に行わせることが可能となる。

次に、上記超多眼領域の立体表示の具体例を説明する。

まずパララックスバリア方式について説明する。

画像表示面の前にパララックスバリアと呼ばれる複数の縦長スリット開口を横方向（水平方向）に配列した集合体を配置して、画像の観察方向に指向性を持たせるパララックスバリア方式は、一般的な２眼式の立体表示装置で頻繁に採用されている。この方式は超多眼領域の立体表示にも拡張することができる。

図３(ａ)はパララックスバリア１２を画像表示手段１１の前に配置し、水平方向Ｈの複数へ指向性ある光束を放射し画像呈示を行う方法の平面図である。本方式により超多眼領域の立体表示を行う原理を部分拡大図３（ｂ）を用いて説明する。

画像表示手段（光線変調手段）１１の画像表現の最小単位である画素１１ａは図中の○で示したように画像表示手段１１の表面１１Ｃ上に高密度に配列され、それぞれ、しかるべき強度や色を有する画像情報光を発する。画像表示手段１１からの光束のうち観察者６に到達する光はパララックスバリア（光出射点配列手段）（光出射部配列手段）１２のスリット開口（光出射点）１２ａを通過した光に限定される。このスリット開口１２ａの水平幅は十分小さく設定されているので、スリット開口１２ａを通過した光は高い指向性を有し、光線のように振舞う。また、これら光線の出射方向は上記画素１１ａとスリット開口１２ａとの相対的位置関係によって一意的に決定し、どの光線同士も独立な関係を保持することになる。つまり、パララックスバリア方式によって上記超多眼表示を実現する場合、各構成は次のような役割を担う。

上記のような構成を有し、かつ光線の高指向性および、視差画像の呈示方向の微小な分解能があれば、超多眼領域の立体表示が可能となる。

次にレンチキュラ方式について説明する。

画像表示面の前にレンチキュラレンズと呼ばれる複数の縦長シリンドリカルレンズを横方向（水平方向）Ｈに配列した集合体を配置して、画像の観察方向に指向性を持たせるレンチキュラ方式は一般的な２眼式の立体表示装置で頻繁に採用されている。この方式は超多眼領域の立体表示にも拡張することができる。

図４（ａ）はレンチキュラレンズ（光出射点配列手段）１３を画像表示手段（光変調手段）１１の前に配置し、水平方向Ｈの複数へ指向性ある光束を放射して画像呈示を行う方法の平面図である。

本方式により超多眼領域の立体表示を行う原理を部分拡大図４(ｂ)を用いて説明する。

画像表示手段１１の画像表現の最小単位である画素１１ａは図中の○で示したように画像表示手段１１の表面１１ｃ上に高密度に配列され、それぞれ、しかるべき強度や色を有する画像情報光を発する。これらの画像情報光はレンチキュラレンズ１３に入射するが、その出射方向は画素１１ａとレンチキュラレンズ１３との相対的位置関係によって一意的に決定する。また、画像表示手段１１はレンチキュラレンズ１３を構成する各シリンドリカルレンズ（光出射点）１３ａの焦点距離ｆ前後だけレンチキュラレンズ１３からはなれて配置されており、レンチキュラレンズ１３からは略平行光が出射していく。つまりレンチキュラレンズ１３を通過した光は高い指向性を有し、光線のように振舞う。また、これら光線の出射方向は上記画素１１ａと個々のシリンドリカルレンズ１３ａとの相対的位置関係によって一意的に決定し、どの光線同士も独立な関係を保持することになる。つまり、レンチキュラレンズ方式によって上記超多眼表示を実現する場合、各構成は次のような役割を担う。

上記のような構成を有し、かつ光線の高指向性および、視差画像呈示方向の微小な分解能があれば、超多眼領域の立体表示が可能となる。

次にビーム偏向方式について説明する。

図４（ａ）に示すレンチキュラ方式では画像表示手段１１の前にレンチキュラレンズ（光出射点配列手段）１３と呼ばれる一方向にパワーを有する縦長シリンドリカルレンズ（光出射点）１３ａを複数配置して，画像の観察方向に指向性を発生させていた。

これに対し，ビーム偏向方式では、指向性ビームの走査とこれに同期したビームの強度変調により，画像表示手段１１に相当する視差画像を所定面１６ａ上に光の空間強度分布形成に置き換えた方式である。

図５（ａ）は、ビーム偏向方式の概念を示す平面図である。図５（ａ）において、１４はビームを発生するビーム光源で，ビームの強度変調機構を有している。ビーム光源１４で発生したビームは水平方向ビーム走査手段１５と鉛直方向ビーム走査手段１６とにより所定面上を２次元走査する。

これらの走査に同期して上記ビームの強度をビーム光源１４にて変調すれば，光の空間強度分布を形成することができる。

本方式においては上記のようなビーム生成手段１４と、レンチキュラレンズなどの指向性発生手段１３とを組み合わせて超多眼領域の立体表示装置を構成している。

図５（ａ）において１７はコリメーターレンズである。コリメーターレンズ１７に入射した光の水平方向成分Ｈを略平行光とする。

したがって、コリメーターレンズ１７の右側（光出射側）（光走査側）に配置したレンチキュラレンズ（光出射点配列手段）１３に対してはいずれのビームも（その水平成分は）垂直に入射する。レンチキュラレンズ１３に入射後のビームの挙動について拡大図5(b)を用いて説明する。レンチキュラーレ１３を構成する要素レンズ（シリンドリカルレンズ）（光出射点）１３ａに垂直入射するビームは時々刻々と走査されており、例えば図中Ｂｍ１の位置から順にＢｍ２、Ｂｍ３．．．Ｂｍ６というようにシリンドリカルレンズ１３ａへの入射位置を変化させる。これらはいずれも垂直入射光なので図示したようにシリンドリカルレンズ１３ａを出射した後、シリンドリカルレンズ１３ａの焦点位置１３ｂに集光し、そのあと再び独立なビームとなって各々の方向Ｂｍ１’、Ｂｍ２’．．．．Ｂｍ６’へと出射していく。その出射方向は要素レンズ１３ａへの入射位置によって一意的に決定し、どの光線同士も独立な関係を保持することになる。

ビーム偏向方式によって上記超多眼表示を実現する場合、各構成は次のような役割を担う。

上記のような装置構成を有し、かつ光線の高指向性および、視差画像呈示方向の微小な分解能があれば、超多眼領域の立体表示が可能となる。

尚、このビーム偏向方式の場合、鉛直方向Ｖにのみ光を拡散する一方向光拡散板１８をレンチキュラーレンズ１３の焦点位置１３ｂに配置すると、鉛直方向Ｖの観察域を拡大することができる。これは観察者による立体認識の感度が、両眼の並ぶ水平方向Ｈに関しては強く、鉛直方向Ｖに関しては弱いことを利用した情報低減手段である。

つまり鉛直方向Ｖの視差情報を廃棄し、かつ鉛直方向の観察域を確保する方法として有効である。

尚、上記のように一方向光拡散板１８をレンチキュラーレンズ１３の焦点位置１３ｂに配置した場合、一方向光拡散板１８上に形成されるビーム集光点の集合は観察者６から見て「画素」のように見なされ、これらの解像度がすなわち観察される各視差画像の解像度となる。

次に本発明の実施例１について説明する。

ここまで、超多眼領域の立体表示を行う方法について述べてきたが、本発明は前述した超多眼領域の立体表示を、より高精細に、あるいはより連続性を持って観察せしめる装置及び方法を提供している。その実施例１の具体例を以下に述べる。

図６は、本発明の実施例１の基本構成の概略図である。立体像表示装置１は光線生成手段１−１、光線偏向手段１−２、光線変調手段１−３の３つの部分を有している。光線生成手段１−１は観察位置まで光束断面積が大きく変化しない高い指向性を有する光束、すなわち光線を生成する。光線偏向手段１−２は光線ごとに異なる出射角を与える。光線変調手段１−３は視差画像情報を反映した光学情報（強度、色など）を光線ごとに独立に付与する。上記３つの手段は機能的に２つ、あるいは１つにまとめられる場合もある。これらの構成により立体像表示装置１は、任意の光学情報を付与された、高い指向性を有する光線を、微小角度ピッチで異なる方向に出射させることができる。

このとき立体像表示装置１は光線が出射する複数の光出射点（光出射部）２ａ１〜２ａｎが一方向に複数配列された光出射点列（光出射部列）２を形成し、これら光出射点列２は観察者６から見て画像情報の画素と見なせる程度に高密度に配列されている。

ここまでは、図２の従来の超多眼領域の立体表示装置の構成に等しい。

本実施例において特徴的なのは上記光出射点列２を空間内に互いに重畳しないで一方向に結像して多重化するための光出射点多重化手段（光出射部多重化手段）３を有し、１つの光出射点より複数の２次元光出射点（２次光出射部）を形成し、より高密度な高密度光出射点列（高密度光出射部列）４を形成していることにある。そして上記光出射点多重化手段３は高密度光出射点列４から放射する光について、高い指向性を維持し、かつ微小角度ピッチで異なる方向に出射させるよう構成されている。このため従来の超多眼表示装置と同様、観察位置（観察方向）を変えると、その観察位置（光線の出射角）に応じて異なる視差画像情報が付与された光線が眼に入射してくる。これによって観察位置において移動に対する視差変動(いわゆる運動視差)をも認識することができる。

ここで、１つの光出射点からの光束に基づいて形成される複数の２次光出射点は、互いに異なる位置に形成されており、さらに互いに異なるタイミング（好ましくは１/６０秒以内の小さな時間差）で形成される。

また、観察位置６ａに到達する光線同士の間隔は眼の瞳孔径未満に設定されているため、この立体像表示装置１は光線の交点位置（図１の位置Ｃ）に眼の調節を誘導すること、すなわち超多眼領域の立体視を観察者に行わせることが可能となる。

さらに本実施例においては観察者６が認識する高密度光出射点列４が光出射点多重化手段３によって高密度化されているので、観察者６が立体像表示装置１の方向を見るとき、観察者６は高精細な画像の画素として高密度光出射点列４を認識することができる。

次に、光出射点多重化手段３の構成について説明する。光出射点多重化手段３は実施例１の空間的光出射点多重化手段（空間的光出射部多重化手段）３−１（図７参照）と実施例２の時間的光出射点多重化手段（時間的光出射部多重化手段）３−２（図９参照）の２つが利用できる。

本実施例においてはいずれを用いても有効であり、かつ両方を併用することも有効である。以下に具体例を挙げながら説明する。

図８を用いて実施例１の空間的光出射点多重化手段３−１について説明する。

空間的光出射点多重化手段３−１は、光出射点多重化を空間的な多重化手段で行うものをいう。

本実施例においてこの空間的光出射点多重化手段３−１は光線の光出射点多重化を目的とするので、光学的な光路あるいは像の多重化手段をこれに用いることができる。そのような多重化手段には例えば、レンズアレイや複屈折素子、微小開口アレイ、回折格子アレイなどがある。図８はこのうちレンズアレイ（光学素子アレイ）による光出射点多重化手段３−１を示した概略図である。図６を用いて説明したように、まず立体像表示装置１により光線の光出射点列２が形成されている。

本実施例では空間的光出射点多重化手段３−１としてレンズアレイ３−１を配置して、これら光出射点列２に形成した光出射点の数を複数の２次光出射点に多重化して高密度光出射点列４を形成している。このとき重要なことは、レンズアレイ３−１の個々の要素レンズ３−１ａに対して、複数の光出射点２ａ１〜２ａｎから出射する光線が同時に入射するということが必要になる。

なぜなら、そのような構成が成立していれば、１つのレンズ（光学部材）３−１ａによって複数の光出射点像が形成され、これが複数のレンズにおいて達成されることにより高密度光出射点列４が実現するのである。

例えば、図９（ａ）のように１個の光出射点ｍ１から出射する光線がレンズアレイ３−１の３個の要素レンズ３−１ａ，３−１ｂ，３−１ｃに対して入射する時、１個の光出射点ｍ１の像が３個（２次光出射点）形成されることになり、３倍の光出射点多重化が実現する。ただし、図では最端部のみ２倍の光出射点多重化となっている。

つまり、ｍ個の光出射点からの光線が、それぞれレンズアレイ３−１の要素レンズｎ個に同時に入射する時、それぞれの要素レンズによりｎ個の光出射点をレンズアレイ３−１の像面位置３−１Ｐに形成することができる。

結果として、本実施例では多重化によりｍ点の光出射点が、２×ｎ１＋（ｍ−２）ｎ２（ｎ１＝２、ｎ２＝３）に多重化される。こうしたことをふまえ、より光出射点多重化の効率を高めた例を図１０に示す。この実施例においては最初の光出射点列２が形成されている位置にフィールド光学系８を配置し、1個の光出射点からの光線がレンズアレイ３−１のすべての要素レンズ３−１ａ〜３−１ｎに対して入射するよう構成している。このような構成をとることにより、図９（ｂ）に示すように、光出射点の多重化は常にすべての要素レンズ３−１ａ，３−１ｂ，３−１ｃで行われるようになる。この結果、最終的に得られる光出射点の像の個数ｍ×ｎ個を最大値として得ている。

このように、空間的光出射点多重化手段３−１はもともとｍ個の光出射点を、その光線入射位置に応じて光学的にｎ倍に多重化する手段であればよい。

一方、実施例２の時間的光出射点多重化手段３−２は、光出射点多重化を時間的な多重化手段で行うものをいう。そのような多重化手段には例えば、図１１のような振動レンズ３−２ａがある。この振動レンズ３−２ａは時系列的に光出射点形成と同期を取りながら光軸と垂直方向に振動（変位）しており、これにより光出射点２の像形成位置を多重化して、高密度光出射点列４を形成する。例えば振動の過程でｔ段階のレンズ位置をとることができ、かつ光出射点形成がそのｔ段階すべてに同期できるとすると、ｔ倍に多重化された光出射点が実現できる。

ただし、いずれの場合もこれら光出射点形成時間（レンズの振動周期）が人間の眼の残像許容時間より短い時間内で実行され、観察者からはこれらの光出射点形成がほぼ同時に起こっている現象と認識されることが望ましい。

上記振動レンズ３−２ａ以外にも、時間的光出射点多重化手段としては次のようなものがある。

まず図１２に示したように図１１のレンズ３−２ａの部分を（光学素子アレイ）レンズアレイ３−２ｂに置き換え、光出射点多重化の度合いをより高めたものが挙げられる。ｎ列のレンズアレイ３−２ｂで、振動の過程でｔ段階の位置をとることができ、かつ光出射点形成がそのｔ段階すべてに同期できるとすると、最大ｎ×t倍に多重化された光出射点より成る高密度光出射点列４が実現できる。

また、反射を利用した光学素子でも同様に時間的多重化手段を構成することができる。

図１３は回転ミラー３−２Ｃによる光出射点多重化を示している。

図１３（ａ）は回転ミラー３−２Ｃと光出射点２ａ１の関係の平面図を、図１３（ｂ）は側面図を示している。この変移可能な回転ミラー３−２Ｃはミラーを時系列的に光出射点列４と同期を取りながら回転運動させて光出射点の像形成位置を多重化する。

例えば運動の過程でｔ段階のミラー角度をとることができ、かつ光出射点形成がそのｔ段階すべてに同期できるとすると、ｔ倍に多重化された光出射点が実現できる。

もちろん光線方向と回転ミラー面との関係は図１３（ｂ）のような非垂直関係に限定されず、ミラー面に対する入射光線と反射光線が同一面内であっても良い。

さらに図１４に示したように図１３の回転ミラー３−２Ｃの部分を回転ミラーアレイ３−２ｄに置き換え、光出射点多重化の度合いをより高めたものが挙げられる。ｎ列の回転ミラーアレイ３−２ｄで、回転（もしくは振動）の過程でｔ段階の位置をとることができ、かつ光出射点形成がそのｔ段階すべてに同期できるとすると、最大ｎ×ｔ倍に多重化された光出射点が実現できる。

このように、時間的光出射点多重化手段３−２Ｃはもともとｍ個存在する光出射点が、観察者の残像許容時間内にt倍に多重化されるような手段であればよい。

尚、回転ミラーの代わりに振動ミラーを用いても良い。

実施例１、２のように光出射点多重化手段を設けることは以下に示すようなメリットがある。

◎光出射点の高密度化を容易に達成することができる。

背景技術にて示した特許文献３を例にあげて説明する。

上記の実施例において「超多眼領域」の立体表示を行うためには、光出射点である微小光学系アレイのピンホールピッチをより細かく、ピンホール数をより多く設定する方が、観察領域の広い滑らかな立体像表示を実現できる。

しかしながら、ピンホールピッチをより細かくすると、ピンホールに対応する画像表示パネル１０１上の分割画像の個々の領域も小さくする必要がある。画像を一方向拡散光学素子上に投影すると画像の解像度が劣化してしまう。また、ピンホール数をより多く設定すると、微小光学系アレイと画像表示パネルの両方のサイズを大きくする必要が生じる。

実施例１，２では上記ピンホールのような光出射点列の空間的特徴はそのままで、光出射点多重化手段の作用により実質的な光出射列のピッチや数を変化させることが可能である。

◎光出射点の密度と画像情報の解像度のバランスを最適化できる。

背景技術にて説明した特許文献３を例にあげて説明する。上記の実施例において「超多眼領域」の立体表示を行うためには、光出射点である微小光学系アレイのピンホールピッチをより細かく、ピンホール数をより多く設定する必要がある。なおかつ一方向拡散光学素子上に投影される視差画像の解像度が十分高い方が観察領域の広い滑らかな、かつ高精細な立体像表示を実現できる。

しかしながら、実際に装置を組む場合のピンホール（光出射点）ピッチと視差画像の解像度とのバランスに偏りが生じることがある。上記の場合、ピンホールピッチは最終的な観察瞳ピッチと相関があり、視差画像の解像度は画像表示パネルの解像度やサイズと相関があるので、一概に自由な設計を行うことが難しい。

実施例１，２では、画像表示パネルや微小光学系アレイの仕様はそのままで、光出射点多重化手段の作用により実質的な光線出射列のピッチや数、視差画像の解像度を変化させて最良バランスを選択することができる。

次に、光出射点多重化手段を用いた、より具体的な実施例について説明する。

図１５（ａ）〜（ｃ）は、ビーム偏向方式とレンズアレイより成る空間的光出射点多重化手段を用いた実施例３の概略図である。

図１５（ａ）は、図５（ａ）にて説明したビーム偏向方式の立体像表示装置に対し、レンズアレイ１９による空間的光出射点多重化手段により光出射点を多重化して高密度光出射点列を形成した例を示した図である。図５（ａ）のビーム偏向方式の立体像表示装置の一部であるレンチキュラレンズ（光出射点配列手段）１３から射出された光線に対し、空間的光出射点多重化手段であるレンズアレイ１９を配置する。レンズアレイ１９のそれぞれのレンズ１９ａには複数のレンチキュラ要素からの光線が入射するように配置する。

図５(ａ)の立体像表示装置によりｍ個の光出射点列２が形成される。

1個の光出射点から出射する光線が図１５(ａ)中のｎ個の空間的光出射点多重化手段１９の要素レンズ１９ａに入射する場合、ｍ×ｎ個に多重化された光出射点列４がレンズアレイ１９の像面位置１９ｂに形成される。

図１５（ａ）の光学系では、空間的光出射点多重化手段１９により形成された各光出射点からの光線の出射方向が、観察者６に対し広がった方向に向く。このため高密度光出射点列４を立体像表示の画素としてみなし観察を行った場合、観察視点では、光出射点からの光線が部分的にケラれる場合がある。結果として良好な立体像観察ができる視点位置が限定される。

図１５（ｂ）は図１５（ａ）の光学系に対して、フィールドレンズ１７−２を光学系に導入し、レンチキュラーレンズ１３とフィールドレンズ１７−２とでアフォーカル系を構築している。これにより、空間的光出射点多重化手段１９により形成された高密度光出射点列４の各光出射点１９ｂから、等角で光線が射出されるようにした光学系である。

レンチキュラレンズ１３とフィールドレンズ１７−２との構成によりアフォーカル系を構成する。これにより、フィールドレンズ１７−２の後焦点面位置１７−２ａに、レンチキュラレンズ１３の各要素レンズ１３ａに入射される光線数に等しい光出射点列が形成される。

この光出射点列を物面として空間的光出射点多重化手段（ここではレンズアレイ１９）を図１５（ｂ）のように配置することにより、空間的光出射点多重化手段１９の像面位置１９ｂに新たに高密度光出射点列４を形成することができる。

この様にして形成された高密度光出射点列４においては、フィールドレンズ１７−２の後焦点面位置に形成された光出射点列における光線の出射角度ピッチと光出射点間隔の関係を逆転した光出射点列が形成される。構築した立体像表示装置の出射角度ピッチが非常に細かいが、光出射点間隔が荒いのに対し、実際は出射角度ピッチは荒くても良い。細かい光出射点間隔が必要な場合等には、上記のように光出射点多重化手段１９を用いることにより、光出射点間隔と出射角度ピッチの関係、あるいは光出射点数と出射角度範囲の関係のバランスを調整した立体像表示装置の構築が可能となる。

新たに形成された高密度光出射点列４の位置に対応するレンズアレイ１９の像面位置１９ｂには一方向拡散板１８を挿入し、鉛直方向の光を拡散し、鉛直方向の観察域を確保する。空間的光出射点多重化手段１９により多重化された高密度光出射点列４から射出される光線が等角で射出されることにより、光線のケラレの問題が緩和される。より多くの光出射点からの光線がケラれることなく立体像を観察できる視点、つまりはケラレを生じずに立体像が良好に観察できる視点がより広く取れるようになる。

図１５（ｃ）は、図１５（ａ）の光学系に対し、フィールドレンズ１７−３を導入している。これにより、空間的光出射点多重化手段１９により形成された高密度光出射点列４の各光出射点からの光線の出射方向を、ある視点位置の方向に集光するように制御した光学系である。

レンチキュラレンズ１３により形成された光出射点列２からの光線を空間的光出射点多重化手段であるレンズアレイ１９により多重化している。その高密度光出射点列４の像形成位置１９ｂにフィールドレンズ１７−３を挿入することにより、射出される光線の方向を制御する。フィールドレンズ１７−３を導入することにより、各要素レンズアレイ１３ａを通過したそれぞれの光出射点群を構成する光線の出射方向を観察域のある一点に集中するようにする。その結果、図１５（ｃ）の視点位置近傍１９Ｃの様に、各要素レンズアレイ１３ａごとの対応する位置の２以上の光出射点から射出される全ての光線が観察域のある一点で水平方向について交わる（交差する）様に調整することができる。

これにより、立体像のより広範囲についての画像情報を含む光線が眼に入射することが可能な視点をより広い範囲で確保できる光学系となる。

さらに、図7は、図１５(ｃ)のフィールドレンズ１７−３の位置に周期的な光学素子からなるフィールドレンズ、例えばレンチキュラレンズ２１を導入することにより、共通領域の最大化を図った光学系である。周期的なフィールドレンズ２１を空間的光出射点多重化手段１９の像面位置１９ｂに挿入している。これにより、空間的光出射点多重化手段１９の各要素レンズ１９ａに対応する光出射点列ごとの出射方向をより細かく制御して、観察者の視点の共通領域を最大化する。

上記３つの光学素子、フィールドレンズ１７−３、レンズアレイ１９、一方向拡散板１８は機能的に２つ、あるいは１つにまとめられる場合もある。またそれぞれ同等の機能を持つ他の素子と置き換えても良い。

以上のように、従来の超多眼領域の立体表示装置により形成された光出射点に対して光出射点多重化手段１９を導入している。これにより、出射される光線の高い指向性および微小角度ピッチでの光線出射方向を維持し、かつより狭い光出射点間隔での高画素化された立体像表示を実現する。

図１６（ａ），（ｂ）は、ビーム偏向方式と振動レンズより成る時間的光出射点多重化手段
を用いた実施例４の概略図である。

図１６（ａ）は、図１１にて説明した振動レンズ３−２ａを用い、時系列的に光出射点形成と同期を取りながら振動させて光出射点の像形成性位置を多重化する立体表示装置を示す図である。

図５（ａ）にて説明したビーム偏向方式の立体像表示装置により形成される高密度光出射点列４に時間的光出射点多重化手段２０を作用させる。図１６（ａ）においては振動レンズ２０が３段階のレンズ位置を取ることにより多重化を実施している。これにより３倍に多重化された高密度光出射点列４が実現できる。

光出射点形成時間（レンズの振動周期）が人間の眼の残像許容時間より短い時間内で実行されることにより、観察者６にはこれらの光出射点形成がほぼ同時に起こっている現象と認識される。

図１６（ｂ）は、ビーム偏向方式と振動レンズアレイより成る時間的光出射点多重化手段を用いた概略図である。

図１６（ｂ）は、図１６（ａ）における振動レンズ２０を複数用いた振動レンズアレイ２４に置き換え、光出射点多重化の度合いをより高めた光学系の構成を示す図である。

複数のレンズアレイ要素２４ａに１つの光出射点からの光線を入射させることにより複数の光出射点像４を形成し、さらに、このレンズアレイ２４ａを時系列的に光出射点形成と同期を取りながら振動させることにより光出射点を多重化する。これにより、さらに高密度な光出射点多重化を実現する。

図１７（ａ）〜（ｃ）は、ビーム偏向方式と回転ミラーより成る時間的光出射点多重化手段を用いた実施例４の概略図である。

図１７（ａ）は、図１３にて説明した回転ミラー３−２Ｃを用い、時系列的に光出射点形成と同期を取りながら振動させて光出射点２の像形成性位置を多重化する立体表示装置を示す平面図である。

図１７（ｂ）は側面図である。入射される光線と回転ミラー２２により折り返される光線は図１７（ｂ）の様に必ずしも同一面内でなくても良い。図１７（ｃ）は回転ミラー２２の反射によって光線が折り返された後の、虚像である光出射点列４と観察者６の関係を示している。

ミラー２２が回転することにより、虚像である光出射点列４の位置が移動するため、見かけの光出射点数が増加し、光出射点間隔が減少する。回転においてt段階のミラー位置を取ることができ、かつ光出射点形成がそのt段階全てに同期できるとするとt段階に多重化された光出射点が形成される。

図１８（ａ），（ｂ）は、ビーム偏向方式と回転ミラーアレイより成る時間的光出射点多重化手段を用いた実施例４の概略図である。

図１８（ａ）は、図１７（ａ）における回転ミラー２２を回転ミラーアレイ２３に置き換え、光出射点多重化の度合いをより高めた様子を示す図である。

個々のミラー要素２３ａを独立して回転させることができるため、光出射点の空間的な多重化と時間的な多重化を同時に実現可能となる。

また、より広い立体像を表示しようとする場合には、本実施例の立体表示装置をタイリングにより並べることで実現しても良い。その際、立体像観察領域が適切に得られるように、フィールド光学系に偏心を持たせても良い。

また図１７（ｂ）の実施例においては、高密度光出射点列４の位置もしくはその直後に鉛直方向にのみ光を拡散する一方向拡散板１８を挿入した。これにより、鉛直方向の視差情報を廃棄して、鉛直方向の観察域を拡大し、立体画像を観察する際の立体像の見かけの画素数をより大きく取ろうとするアプローチ取る装置構成について記述した。鉛直視差情報をも表現しようとする立体表示装置に対しても本実施例は適用可能である。図１９は立体表示装置に対して空間的光出射点多重化手段としてレンズアレイ１９−２を組み合わせた。実施例５の概略図である。

図１９は図７の光学系に対応し、垂直視差情報を考慮した光学系を示す。

図１９において、２５はＩＰレンズであり、コリメートレンズ１７により整形された平行ビームを入射することにより、鉛直方向にも光線の広がりを持つ光出射点列２−２が、形成され立体像を表示することが可能となる。

この光出射点列２−２から射出される光線を空間的光出射点多重化手段であり、鉛直方向にもレンズの周期構造を持つ、２次元レンズアレイ１９-２に入射させることで光出射点列２−２を多重化した高密度光出射点列４−２を形成する。

そして鉛直方向にも光線方向を持つ多重化された高密度光出射点列４-２からの光線を鉛直方向にも集光効果を持つフィールドレンズ１７-３および周期的な集光効果のために用いられるＩＰレンズ２５-２を用いて光線の射出方向を制御する。

これにより、鉛直方向にも視差情報を持つ、高精細な立体像の表示を実現することが可能になる。

このような鉛直視差情報を考慮した立体表示装置への光出射点多重化手段の導入は、空間的光出射点多重化手段１９−２のみならず、時間的光出射点多重化手段および、その両方の機能を持つものについて、ここで紹介した以外の構成についても可能である。

以上各実施例によれば、「超多眼領域」の立体像表示を行う際において、多くの視差画像を微小角度ピッチで多方向に提示することと、個々の視差画像を高い解像度で表示することとが両立される。更に立体像の解像度や視点数、視点ピッチの関係が高い自由度で設定された立体像表示装置が得られる。

尚、各実施例において超多眼領域で立体表示するとは、観察者の各々の眼に複数の（好ましくは３つ以上の）視差画像を入射させることにより、それらの視差画像に基づく立体像を観察者に認識させることを言う。

超多眼立体視の説明図 従来の立体像表示装置の概略図 パララックス方式を用いた従来の立体像表示装置の原理説明図 レンチキュラ方式を用いた従来の立体像表示装置の原理説明図 ビーム偏向方式を用いた従来の立体像表示装置の原理説明図 本発明の実施例１の基本構成の概略図 本発明の実施例３の空間的光線多重手段を有する立体像表示装置の概略図 空間的多重手段にレンチキュラを用いた実施例１の概略図 空間的な光出射点多重手段の説明図 共通投影面を持つ本発明の実施例１の概略図 本発明の実施例２の時間的な光出射点多重手段の説明図 アレイ化された時間的な光出射点多重手段の説明図 回転ミラーによる時間的な光出射点多重手段の説明図 アレイ化された回転ミラーによる時間的な光出射点多重手段の説明図 本発明の実施例３の空間的な光出射点多重手段を有する立体像表示装置の概略 本発明の実施例４の時間的な光出射点多重手段を有する立体像表示装置の概略図 本発明の実施例４の回転ミラー方式の時間的な光出射点多重手段を有する立体像表示装置の概略図 本発明の実施例４の回転ミラーアレー方式の時間的な光出射点多重手段を有する立体像表示装置の概略図 垂直視差を考慮した本発明の実施例５の空間的な光出射点多重手段を有する立体像表示装置の概略図 従来の立体像表示装置の概略図

符号の説明

１０１ 眼球
１０２ 画像情報の表示最小単位
１−１ 光線生成手段
１−２ 光線偏向手段
１−３ 光線変調手段
１ 立体像表示装置
２ 光出射点列
３ 光出射点多重化手段
３−１ 空間的光出射点多重化手段
３−２ 時間的光出射点多重化手段
３−２ａ 振動レンズ
３−２ｂ 振動レンズアレイ
３−２ｃ 回転ミラー
３−２ｄ 回転ミラーアレイ
４ 高密度光出射点列
６ 観察者
１１ 画像表示手段
１２ パララックスバリア
１３ レンチキュラレンズ
１４ ビーム光源
１５ 水平方向ビーム走査手段
１６ 鉛直方向ビーム走査手段
１７ コリメータレンズ
１７−２ フィールドレンズ
１７−３ フィールドレンズ
１８ 一方向拡散板
１９ レンズアレイ
２０ 振動レンズ
２１ レンチキュラレンズ
２２ 回転ミラー
２３ 回転ミラーアレイ
２４ 振動レンズアレイ
２５ ＩＰ(インテグラルフォト)レンズ
２５−２ ＩＰ(インテグラルフォト)レンズ

Claims (9)

1. 視差画像情報に基づく光束を時系列的に出射する光変調手段と、
   前記光変調手段からの光束で所定面上を２次元走査する走査手段と、
   前記走査手段の光走査側に配置され、１次光出射点を形成する１次光出射部を、所定の方向に複数個配列して構成される１次光出射点配列手段を有し、
   前記１次光出射点配列手段は、前記走査手段からの光束を、指向性があり、かつ互いに異なる複数の方向へ出射する光束とし、２以上の１次光出射点からの光束を交差させており、
   前記１次光出射点配列手段の光出射側に配置され、前記複数の１次光出射部からの光束
   により前記１次光出射点よりも多くの２次光出射点を、前記１次光出射点の光源像として
   形成する光出射点多重化手段を有することを特徴とする立体像表示装置。
2. 超多眼領域で立体表示する立体像表示装置であることを特徴とする請求項１に記載の立体像表示装置。
3. 前記光出射点多重化手段は、光学系を有し、該光学系の変位によって、前記１次光出射点よりも多くの２次光出射点を形成することを特徴とする請求項１又は２の立体像表示装置。
4. 前記光出射点多重化手段は、複数の光学素子を配列した光学素子アレイを有し、
   前記光学素子アレイによって前記１次光出射点よりも多くの２次光出射点を形成することを特徴とする請求項１又は２の立体像表示装置。
5. 前記光出射点多重化手段は、複数の光学素子を一方向に配列した光学素子アレイを有し、
   １つの前記光学素子に対して、複数の前記１次光出射点からの光束が入射することによって、１つの前記光学素子ごとに、複数の２次光出射点が形成されることを特徴とする請求項１、２、４のいずれか１項に記載の立体像表示装置。
6. 前記光出射点多重化手段は、複数の光学素子を一方向に配列した光学素子アレイを有し、１つの前記光学素子に対して、すべての前記１次光出射点からの光束が入射することによって、１つの前記光学素子ごとに、すべての前記１次光出射点の数の２次光出射点が形成されることを特徴とする請求項１、２、４のいずれか１項に記載の立体像表示装置。
7. 前記光出射点多重化手段は、要素レンズを複数有するレンズアレイであり、
   前記１次光出射点配列手段により１次光出射点が形成される位置に配置されたフィールド光学系を有し、
   １個の１次光出射点からの光束が、前記レンズアレイのすべての要素レンズに入射することを特徴とする請求項１、２、４乃至６のいずれか１項に記載の立体像表示装置。
8. 前記光出射点多重化手段は、変位可能な光学素子又は変位可能な複数の光学素子を一方向に配列した変位可能な光学素子アレイを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の立体像表示装置。
9. 前記変位可能な光学素子は、振動レンズ又は振動ミラー又は回転ミラーから成ることを特徴とする請求項８の立体像表示装置。