JP2010169847A - 空間像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実在感に優れ、かつ高精細な空間像の形成が可能な空間像表示装置を提供する。
【解決手段】空間像表示装置１０Ａは、複数の画素２２を有し映像信号に応じた２次元表示画像を生成する表示部２と、画素２２の各々に対応して設けられ、画素２２の各々を通過する光を集光する複数のマイクロレンズ１１からなる第１レンズアレイ１と、この第１レンズアレイ１を通過して集光された光を平行光もしくは収束光に変換して射出する第２レンズアレイ３とを備える。表示部２の各画素２２を透過する光は、第１レンズアレイ１１によって集光されたのち、第２レンズアレイ３に向かう。このため、各画素２２から第２レンズアレイ３に入射する光は、あたかも点光源から射出された光のように振る舞い、第２レンズアレイ３において平行光または収束光に容易に変換される。
【選択図】図１

Description

本発明は、空間に物体の立体映像を表示する空間像表示装置に関する。

立体映像の生成は、人間の持つ認識生理機能を利用することにより実現されるものである。すなわち、観察者は、左右の眼に入る画像のズレ（両眼視差）や輻輳角からの認識、眼の水晶体の焦点距離を眼の毛様体やチン小体を使って調節する際に起こる生理機能（焦点距離調整機能）からの認識、および運動したときに見える画像の変化による認識（運動視差）に基づき、脳で総合的に処理する過程で立体を認識している。上記の認識生理機能のうち「両眼視差」や「輻輳角」を利用した従来の立体映像の生成方法としては、例えば、左右、色の異なる眼鏡をかけて左右の眼にそれぞれ異なる画像（視差画像）を送る方法や、液晶シャッタの付いたゴーグルをかけて液晶シャッタを高速に切り替えて左右の眼に視差画像を送る方法などがある。また、２次元表示装置に左右のそれぞれの眼に対応した画像を映しこれをレンチキュラーレンズで左右のそれぞれの眼に振り分けることによって立体画像を表現する方法も存在する。さらに、レンチキュラーレンズを用いる方法に類似したものとして、液晶ディスプレイ表面にマスクを設け右眼には右眼用の画像が左眼には左眼用の画像が見えるようにすることによって立体像を表現する方法も開発されている。

ところが、上記のような特別な眼鏡やゴーグルを使用して視差画像を得る方法は、観察者にとって非常に煩わしいものである。一方、レンチキュラーレンズを用いる方法等では、１つの２次元画像表示装置の領域を右眼用の領域と左眼用の領域とに分割する必要があるので、高精細な画像の表示には適さないという問題がある。

そこで、近年、光線再生法に基づく空間像表示装置の検討が進められている（例えば非特許文献１参照）。光線再生法とは、ディスプレイから放射される多数本の光線で空間像を表現しようとするものであり、理論的には、裸眼観察であっても正確な運動視差情報と焦点距離情報とを観察者に提供し、比較的、眼精疲労の少ない空間像が得られるものである。

高木康博，「立体映像とフラットパネル型立体表示技術」，光学，第３５巻，第８号，２００６年，ｐ．４００−４０６

しかしながら、上記の光線再生法であっても、実際には、ディスプレイの表示面から（それと垂直な方向へ）離れた位置に認識させるような空間像を得ようとした場合、ディスプレイの表示面からの距離が大きくなるほどその空間像の実在感や精細度が劣化してしまう。これは、ディスプレイの表示面に表示される２次元表示画像が、それぞれ有限の大きさを有する複数の画素によって構成されているため、観察者の眼に発散光として到達するからであると考えられる。以下、図１２および図１３を参照して上記の現象について詳細に説明する。

図１３（Ａ）および図１４（Ａ）は、光線再生法に基づく空間像を観察者が認識している理想的な状態を表す概念図である。図１３（Ａ）では、ある空間像を構成する任意の点像Ｚ１を所定の位置に形成する場合を考える。点像Ｚ１を形成するには、ディスプレイＤＰ上の複数の画素（ここでは３つの画素ＰＸ１〜ＰＸ３を代表して表す）から、点像Ｚ１を配置したい位置を通過するように光線Ｌ１〜Ｌ３をそれぞれ放射すればよい。放射された光線Ｌ１〜Ｌ３は、観察者の瞳Ｐを通して網膜Ｒに到達する。このとき、観察者の眼は、瞳Ｐを通過した各光線Ｌ１〜Ｌ３が網膜Ｒ上の一点に集まるように、眼に備わっている焦点距離可変レンズ（レンズ体）の焦点距離を自動的に調節する。調節された焦点距離は、空間像が配置された場所に実際に実物体が配置された場合と一致するので、観察者は、空間像（点像Ｚ１）が、空間像を配置しようとした位置に配置されているかのように認識することができる。この際、画素ＰＸ１〜ＰＸ３が広がりを持たない点光源であれば、光線Ｌ１〜Ｌ３は、例えば図１４（Ａ）に表したように、その点光源ＬＳ１から自らの焦点距離ＦＬだけ離れた位置にある投影レンズＬＮを通過する光線Ｌ１〜Ｌ３は、その太さが変わらない平行光Ｌｐをそれぞれ形成する。

ところが実際には、画素ＰＸ１〜ＰＸ３から放射された光線Ｌ１〜Ｌ３はそれぞれ発散光を形成する。これは、先に述べたように、各画素ＰＸ１〜ＰＸ３が有限の広がりを有する光源、すなわち点光源の集まりであることに起因する。具体的には図１４（Ｂ）に表したように、有限領域に広がる光源ＬＳ２から自らの焦点距離ＦＬだけ離れた位置にある投影レンズＬＮを通過する光線Ｌ１〜Ｌ３は、その太さが徐々に太くなる発散光Ｌｄを形成する。一般に、発散光Ｌｄの発散の度合いは、有限領域の光源の面積によって変わり、その面積が小さいほど平行光束に近づき、面積が大きいほど放射される光束の発散の度合いが大きくなる。したがって、この場合、各画素ＰＸ１〜ＰＸ３の占有面積にもよるが、観察者は、例えば図１３（Ｂ）に示したように点像Ｚ１そのものが有限の領域に広がるぼやけた像であると認識してしまう。その結果、複数の点像Ｚ１が集まって構成される空間像も精細度に欠けるものとなる。あるいは、光線Ｌ１〜Ｌ３が発散光を形成することによって、図１３（Ｃ）に示したように、観察者は、より鮮明な点像を求めてディスプレイＤＰ上の画素Ｇ１〜Ｇ３そのものを見てしまうこととなる。この場合、単にディスプレイＤＰ上に３つの異なる点像が認識されるだけである。このように、ディスプレイ上の画素からの光線が発散光を形成する場合には、空間像がぼやけてしまうか、空間像を認識することができなくなってしまう、という問題が起こる。この問題は、特に、空間像を、ディスプレイの表示面から離れた位置に認識させる場合に顕著となる。したがって、より奥行きのある空間像を観察者が認識できるような技術が求められる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、実在感に優れ、かつ、高精細な空間像を形成することのできる空間像表示装置を提供することにある。

本発明の空間像表示装置は、複数の画素を有し映像信号に応じた２次元表示画像を生成する２次元画像生成手段と、画素の各々に対応して設けられ、画素の各々を通過する光を集光する複数の第１のレンズからなる第１のレンズアレイと、この第１のレンズアレイを通過して集光された光を平行光もしくは収束光に変換して射出する第２のレンズアレイとを備えるようにしたものである。ここで、「第１のレンズ」が「画素の各々に対応して設けられ」とは、１つの画素に対して１つの第１のレンズが配置される場合に限らず、１つの画素に対して複数の第１のレンズが配置される場合をも含む概念である。

本発明の空間像表示装置では、２次元画像生成手段の各画素を通過する光が第１のレンズアレイによって集光されたのち、第２のレンズアレイに向かう。このため、第２のレンズアレイに入射する光が、あたかも点光源から射出された光のように振る舞うので、第１のレンズアレイによって集光された光は、第２のレンズアレイによって容易に平行光もしくは収束光に変換されて射出される。よって、観察者の眼には、平行光または収束光によって形成される空間像が認識される。

本発明の空間像表示装置によれば、２次元画像生成手段の各画素を通過する光を、発散した状態ではなく平行光または収束光として観察者の眼に到達させることができる。このため、観察者は、実在感（奥行き感）に優れ、かつ、高精細な立体映像を認識することができる。

本発明における第１の実施の形態としての空間像表示装置の一構成例を表す概略図である。 図１に示した第１レンズアレイ１の構成を表す斜視図、および表示部２の画素２２の配置を表す平面図である。 図１に示した第２レンズアレイ３の構成を表す斜視図である。 図１に示した偏向部４における液体光学素子４１の構成を示す斜視図である。 図１に示した空間像表示装置において立体映像を観測する際の動作を説明するための概念図である。 第１の変形例としての液体光学素子４１Ａの構成を示す斜視図である。 第２の変形例としての第１レンズアレイ１Ａの斜視構成、およびその透過光の進行する様子を表す概念図である。 第３の変形例としての空間像表示装置１０Ｂの、水平面内における一構成例を表す概略図である。 図８に示した拡散板の斜視構成、およびその透過光の進行する様子を表す概念図である。 第４の変形例としての第１レンズアレイ１Ｂの斜視構成、およびその透過光の進行する様子を表す概念図である。 本発明における第２の実施の形態としての空間像表示装置の一構成例を表す概略図である。 図１１に示した空間像表示装置におけるレンズユニットの一構成例を表す概略図である。 光源と、レンズを透過する光の広がりとの関係を説明するための概念図である。 ディスプレイからの光線の種類と、観察者が認識する像との関係を説明するための概念図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（第１および第２のレンズアレイの間に２次元画像生成手段が配置された例）
２．第２の実施の形態（第１のレンズアレイよりも光源側に２次元画像生成手段が配置された例）

［第１の実施の形態］
まず、図１〜図４を参照し、本発明における第１の実施の形態としての空間像表示装置１０（後述の変形例や第２の実施の形態との区別のため、これ以降、空間像表示装置１０Ａと表記する）について説明する。図１は、空間像表示装置１０Ａの、水平面内における一構成例を表すものである。図２（Ａ）は、図１に示した第１レンズアレイ１の斜視構成を表し、図２（Ｂ）は、図１に示した表示部２のＸＹ平面での画素２２の配置を表している。図３は、図１に示した第２レンズアレイ３の斜視構成を表すものである。図４は、図１に示した偏向部４（後述）の具体的な構成を表すものである。

＜空間像表示装置の構成＞
図１に示したように、空間像表示装置１０Ａは、光源（図示せず）の側から、第１レンズアレイ１、画素２２（後述）を複数有する表示部２、第２レンズアレイ３、偏向部４、を順に備えている。

第１レンズアレイ１は、光軸（Ｚ軸）と直交する面（ＸＹ平面）に沿ってマトリクス状に並ぶ複数のマイクロレンズ１１（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）を有している（図２（Ａ））。マイクロレンズ１１は、それぞれ光源からのバックライトＢＬを集光し、対応する各画素２２へ向けて射出するものである。マイクロレンズ１１は、レンズ面が球面であり、光軸を含む水平面（ＸＺ平面）を通過する光の焦点距離と、光軸を含み水平面と直交する面（ＹＺ平面）を通過する光の焦点距離とが互いに一致するものである。全てのマイクロレンズ１１は、互いに等しい焦点距離ｆ１１を有することが望ましい。バックライトＢＬとしては、蛍光灯などの拡散光をそのまま用いてもよいが、そのような拡散光をコリメータレンズなどによって平行化した平行光を用いることが望ましい。第２レンズアレイ３において平行光もしくは収束光に変換し易くなるからである。なお、第２レンズアレイ３の構成や機能の詳細については後述する。バックライトＢＬとして拡散光をそのまま第１レンズアレイ１へ入射する場合、光源と第１レンズアレイ１との間隔を大きくするほど、第１レンズアレイ１へ入射する直前のバックライトＢＬの平行度が高くなる。反対に、光源と第１レンズアレイ１との間隔を小さくするほど、第１レンズアレイ１へ入射するバックライトＢＬの平行度は低くなる。このような第１レンズアレイ１へ入射するバックライトＢＬの平行度は、第２レンズアレイ３からの射出光の平行度に反映される。そのため、用途に応じて（すなわち、表示する空間像の仮想位置と表示部との距離に応じて）第２レンズアレイ３からの射出光の平行度を調整すればよい。

表示部２は、映像信号に応じた２次元表示画像を生成するものであり、具体的にはバックライトＢＬが照射されることにより表示画像光を射出するカラー液晶デバイスである。表示部２は、第１レンズアレイ１の側からガラス基板２１と、それぞれ画素電極および液晶層を含む複数の画素２２と、ガラス基板２３とが順に積層された構造を有している。ガラス基板２１およびガラス基板２３は透明であり、いずれか一方には赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の着色層を有するカラーフィルタが設けられている。このため、画素２２は、赤色を表示する画素２２Ｒと、緑色を表示する画素２２Ｇと、青色を表示する画素２２Ｂとに分類される。この表示部２では、例えば、図２（Ｂ）に示したように、Ｘ軸方向においては画素２２Ｒと、画素２２Ｇと、画素２２Ｂとが順に繰り返し配置される一方、Ｙ軸方向においては同色の画素２２が揃うように配置されている。本明細書では、便宜上、Ｘ軸方向に並ぶ画素２２を行と呼び、Ｙ軸方向に並ぶ画素２２を列と呼ぶ。

各画素２２は、ＸＹ平面においてＹ軸方向に延在する矩形状をなしており、Ｙ軸方向に並ぶ一群のマイクロレンズ１１ａ〜１１ｃからなるマイクロレンズ群１２（図２（Ａ））に対応して設けられている。すなわち、第１レンズアレイ１と表示部２とは、マイクロレンズ群１２のマイクロレンズ１１ａ〜１１ｃを通過した光が各画素２２の有効領域内のスポットＳＰ１〜ＳＰ３に集光するような位置関係となっている（図２（Ａ）および図２（Ｂ））。例えば、マイクロレンズ群１２_nのマイクロレンズ１１ａ〜１１ｃを通過した光は、画素２２Ｒ_nのスポットＳＰ１〜ＳＰ３に集光する。同様に、マイクロレンズ群１２_n+1からの光は画素２２Ｒ_n+1に集光し、マイクロレンズ群１２_n+2からの光は画素２２Ｒ_n+2に集光する。なお、１つのマイクロレンズ１１に対応して１つの画素２２が配置されていてもよいし、２または４以上のマイクロレンズ１１に対応して１つの画素２２が配置されていてもよい。

第２レンズアレイ３は、第１レンズアレイ１および表示部２を通過して集光された光を水平面内において平行光もしくは収束光に変換して射出するものである。具体的には、第２レンズアレイ３は、いわゆるレンチキュラーレンズであり、例えば図３に示したように、Ｙ軸に沿った軸を中心とした円柱面を各々有する複数のシリンドリカルレンズ３１がＸ軸方向に並ぶように配置されたものである。したがって、シリンドリカルレンズ３１は、光軸（Ｚ軸）を含む水平面において屈折力を発揮する。図１では、Ｘ軸方向に沿って並ぶ９列の画素２２ごとに１つのシリンドリカルレンズ３１が設けられているが、この数はこれに限定されるものではない。また、シリンドリカルレンズ３１は、Ｙ軸から所定の角度θ（θ＜４５°）だけ傾いた軸を中心とした円柱面を有するものとしてもよい。全てのシリンドリカルレンズ３１は、互いに等しい焦点距離ｆ３１を有することが望ましい。また、第１レンズアレイ１と第２レンズアレイ３との距離ｆ１３は、各々の焦点距離の合計、すなわちマイクロレンズ１１の焦点距離ｆ１１とシリンドリカルレンズ３１の焦点距離ｆ３１との合計｜ｆ１１＋ｆ３１｜と一致し、もしくはその合計よりも大きい。距離ｆ１３が｜ｆ１１＋ｆ３１｜と一致する場合には、バックライトＢＬが平行光であれば、シリンドリカルレンズ３１からの射出光も平行光となる。一方、距離ｆ１３が｜ｆ１１＋ｆ３１｜よりも大きい場合には、バックライトＢＬが平行光であれば、シリンドリカルレンズ３１からの射出光は収束光となる。

偏向部４は、複数の液体光学素子４１を有しており、それによって第２レンズアレイ３から射出された光を、画素２２ごとに、または一群の画素２２を一単位として水平面内（ＸＺ平面内）において偏向するものである。

図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に、液体光学素子４１の具体的な斜視構成を表す。図４（Ａ）に示したように、液体光学素子４１は、光軸（Ｚ軸）上において、互いに屈折率および界面張力の異なる透明な無極性液体４２および極性液体４３が、銅などからなる一対の電極４４Ａ，４４Ｂの間に挟まれるように配置されたものである。一対の電極４４Ａ，４４Ｂは、それぞれ、透明な底板４５および天板４６と絶縁性のシール部４７を介して接着され、固定されている。電極４４Ａ，４４Ｂは、それぞれの外表面と接続された端子４４ＡＴ，４４ＢＴを介して外部電源（図示せず）と接続されている。天板４６は、酸化インジウム錫（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの透明な導電材料によって構成され、接地電極として機能する。電極４４Ａ，４４Ｂはそれぞれ制御部（図示せず）と接続されており、所定の大きさの電位に設定できるようになっている。なお、電極４４Ａ，４４Ｂと異なる側面（ＸＺ平面）は図示しないガラス板などで覆われており、無極性液体４２および極性液体４３が完全に密閉された空間に封入された状態となっている。無極性液体４２および極性液体４３は、その閉空間において互いに溶解せずに分離して存在し、界面４１Ｓを形成している。

電極４４Ａ，４４Ｂの内表面（互いの対向面）４４ＡＳ，４４ＢＳは、疎水性絶縁膜によって覆われていることが望ましい。この疎水性絶縁膜は、極性液体４３に対して疎水性（撥水性）を示す（より厳密には無電界下において無極性液体４２に親和性を示す）と共に、電気的絶縁性に優れた性質を有する材料からなるものである。具体的には、フッ素系の高分子であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられる。但し、電極４４Ａと電極４４Ｂとの電気的絶縁性をより高めることを目的として、電極４４Ａおよび電極４４Ｂと上記の疎水性絶縁膜との間に例えばスピン・オン・グラス（ＳＯＧ）などからなる他の絶縁膜を設けるようにしてもよい。

無極性液体４２は、ほとんど極性を有さず、かつ、電気絶縁性を示す液体材料であり、例えばデカン、ドデカン、ヘキサデカンもしくはウンデカンなどの炭化水素系材料のほか、シリコンオイルなどが好適である。無極性液体４２は、電極４４Ａと電極４４Ｂとの間に電圧を印加しない場合において、底板４５の表面を全て覆う程度に十分な容量を有していることが望ましい。

一方、極性液体４３は、極性を有する液体材料であり、例えば水のほか、塩化カリウムや塩化ナトリウムなどの電解質を溶解させた水溶液が好適である。極性液体４３に電圧を印加すると、疎水性絶縁膜に対する濡れ性（極性液体４３と疎水性絶縁膜との接触角）が無極性液体４２と比べて大きく変化する。極性液体４３は、接地電極としての天板４６と接している。

一対の電極４４Ａ，４４Ｂと底板４５および天板４６とに囲まれるように封入された無極性液体４２および極性液体４３は、互いに混在することなく分離し、界面４１Ｓを形成する。なお、無極性液体４２および極性液体４３は互いにほぼ同等の比重を有するように調整されており、無極性液体４２と極性液体４３との位置関係は封入する順序で決定される。無極性液体４２および極性液体４３は透明であることから、界面４１Ｓを透過する光は、その入射角と無極性液体４２および極性液体４３の屈折率とに応じて屈折する。

この液体光学素子４１では、電極４４Ａ，４４Ｂの間に電圧が印加されていない状態（電極４４Ａ，４４Ｂの電位がいずれも零である状態）では、図４（Ａ）に示したように、界面４１Ｓは、極性液体４３の側から無極性液体４２へ向けて凸の曲面をなす。内表面４４ＡＳに対する無極性液体４２の接触角４２θＡ、および内表面４４ＢＳに対する無極性液体４２の接触角４２θＢは、内表面４４ＡＳ，４４ＢＳを覆う疎水性絶縁膜の材料種によって調整することができる。ここで、無極性液体４２が極性液体４３よりも大きな屈折率を有していれば、液体光学素子４１は負の屈折力を発揮する。これに対し、無極性液体４２が極性液体４３よりも小さな屈折率を有していれば、液体光学素子４１は正の屈折力を発揮する。例えば、無極性液体４２が炭化水素系材料またはシリコンオイルであり、極性液体４３が水または電解質水溶液であれば、液体光学素子４１が負の屈折力を発揮することとなる。界面４１ＳはＹ軸方向においては一定の曲率を有し、その曲率はこの状態（電極４４Ａ，４４Ｂの間に電圧を印加しない状態）が最大となる。

電極４４Ａ，４４Ｂの間に電圧が印加されると、例えば図４（Ｂ）に表したように界面４１Ｓの曲率が小さくなり、ある一定以上の電圧を印加すると平面となる。すなわち、接触角４２θＡ，４２θＢがいずれも直角（９０°）となる。この現象は以下のように推察される。すなわち、電圧印加により、内表面４４ＡＳ，４４ＢＳ（またはそれを覆う疎水性絶縁膜の表面）に電荷が蓄積され、その電荷のクーロン力によって、極性を有する極性液体４３が内表面４４ＡＳ，４４ＢＳ（または疎水性絶縁膜）へ引き寄せられる。すると、極性液体４３が内表面４４ＡＳ，４４ＢＳ（または疎水性絶縁膜）と接触する面積を拡大する一方、無極性液体４２が内表面４４ＡＳ，４４ＢＳ（または疎水性絶縁膜）と接触する部分から極性液体４３によって排除されるように移動（変形）し、結果として界面４１Ｓが平面に近づくこととなる。なお、図４（Ｂ）は、電極４４Ａの電位（Ｖａとする）と電極４４Ｂの電位（Ｖｂとする）とが互いに等しい（Ｖａ＝Ｖｂ）場合を示している。電位Ｖａと電位Ｖｂとが異なる場合には、例えば図４（Ｃ）に表したように、Ｘ軸およびＺ軸に対して傾斜した平面（Ｙ軸に対しては平行な面）となる（４２θＡ≠４２θＢ）。なお、図４（Ｃ）は、電位Ｖａよりも電位Ｖｂが大きい（接触角４２θＡよりも接触角４２θＢが大きい）場合を示している。この場合、例えば電極４４Ａ，４４Ｂと平行に進行して液体光学素子４１へ入射した入射光φは、界面４１ＳにおいてＸＺ平面内で屈折し、偏向される。したがって、電位Ｖａおよび電位Ｖｂの大きさを調整することで、入射光φをＸＺ平面内の所定の向きへ偏向可能となる。

＜空間像表示装置の動作＞
次に、空間像表示装置１０Ａの動作について、図５を参照して説明する。

一般に、観測者は、ある物体上の物点を観測するとき、その物点を点光源として発射される球面波を観測することにより、３次元空間の固有な場所に存在する「点」として認識している。通常、自然界においては物体から発射される波面は同時に進行し、かつ常に連続的に、ある波面形状を伴って観測者に到達する。ところが、現状ではホログラフィ技術を除いては、空間の各点における光波の波面を同時かつ連続的に再現することは困難である。しかしながら、ある仮想物体があって、その仮想の各点からの光波が発射され、それぞれの光波が観測者に到達する時刻が多少不正確であっても、また連続的に到達するのではなく間歇的な光信号として到達しても、人の眼にはこの積分作用があることによって、不自然な感覚を感じることなく仮想物体を観測することができる。本実施の形態の空間像表示装置１０Ａでは、この人の眼の積分作用を利用して空間各点の波面を時系列的に順序立てて高速に形成することにより、従来よりも自然な３次元画像を形成することができる。

空間像表示装置１０Ａでは、以下のようにして空間像を表示することができる。図５は、空間像表示装置１０Ａを使用して観測者Ｉ，ＩＩが立体映像としての仮想物体IMGを観測している状態を上方から眺めた場合の概念図である。以下、その動作原理を説明する。

例えば、仮想物体IMGにおける任意の仮想物点（例えば仮想物点Ｂ）の映像光波は次のように形成される。まず、左右それぞれの眼に対応した２種類の画像を表示部２に表示する。その際、光源からバックライトＢＬ（ここでは図示せず）を第１レンズアレイ１に照射し、複数のマイクロレンズ１１を透過する光を、それぞれに対応する画素２２へ向けて集光させる。例えば、図２（Ａ）に示したように、マイクロレンズ群１２_nのマイクロレンズ１１ａ〜１１ｃを通過した光を、画素２２Ｒ_nのスポットＳＰ１〜ＳＰ３に集光させる。各画素２２に到達した光は、表示画像光として発散しながら第２レンズアレイ３へ向かう。各画素２２からの表示画像光は、第２レンズアレイ３を通過する際、平行光もしくは収束光に変換される。当然、２つの画像を同時に表示することは不可能であるので、それぞれの画像は順次表示されて最終的にそれぞれ左右の眼に順次送られる。例えば、仮想物点Ｃに対応することとなる画像は、表示部２における点ＣＬ１（左眼用）および点ＣＲ１（右眼用）にそれぞれ表示される。その際、表示部２における点ＣＬ１（左眼用）および点ＣＲ１（右眼用）に位置する画素２２に対し、それぞれに対応するマイクロレンズ１１から収束光が照射される。表示部２から射出される表示画像光は、第２レンズアレイ３、水平方向の偏向部４を順次透過したのち観測者ＩＩの左眼IIＬおよび右眼IIＲに各々到達する。同様に、観測者Ｉに対する仮想物点Ｃの画像は表示部２における点ＢＬ１（左眼用）および点ＢＲ１（右眼用）にそれぞれ表示され、第２レンズアレイ３、水平方向の偏向部４を順次透過したのち観測者Ｉの左眼IＬおよび右眼IＲに各々到達する。この動作は人の眼の積分効果の時定数内に高速に行われるので、観測者Ｉ，ＩＩは画像が順次送られてきていることを認識することはなく、仮想物点Ｃを認識することができる。

第２レンズアレイ３から射出された表示画像光は、水平面内において平行光または収束光として偏向部４へ向かう。偏向部４の点ＣＬ２，ＣＲ２に到達した光波は水平面内において所定方向へ偏向され、それぞれ観測者ＩＩの左眼IIＬおよび右眼IIＲへ向かって放射される。ここで、例えば、偏向角が観測者ＩＩの左眼IIＬに向いたときに表示画像光の波面が点ＣＬ２に到達し、偏向角が観測者ＩＩの右眼IIＲに向いたときに表示画像光の波面が点ＣＲ２に到達するように、偏向部４による偏向角に同期して表示部２が画像光を送り出すようにする。偏向部４からの表示画像光の波面が観測者ＩＩの左眼IIＬおよび右眼IIＲに到達することにより、観測者ＩＩは仮想物体IMG上の仮想物点Ｃを３次元空間中の一点として認識することができる。仮想物点Ｂについても同様に、表示部２の点ＢＬ１，ＢＲ１から放射された画像光は、第２レンズアレイ３を経たのち、それぞれ偏向部４の点ＢＬ２，ＢＲ２に到達する。点ＢＬ２，ＢＲ２に到達した光波は水平面内において所定方向へ偏向され、それぞれ観測者ＩＩの左眼IIＬおよび右眼IIＲへ向かって放射される。なお、図５では、表示部２の点ＢＬ１，ＢＲ１において、観測者Ｉに対する仮想物点Ｃの画像を表示すると共に観測者ＩＩに対する仮想物点Ｂの画像を表示する様子を表しているが、これらは同時に表示されるのではなく、互いに異なるタイミングで表示される。

このように、空間像表示装置１０Ａでは、バックライトＢＬを、第１レンズアレイ１の各マイクロレンズ１１によって対応する各画素２２の有効領域内のスポットに一旦集光させたのち、表示部２からの表示画像光を第２レンズアレイ３へ向けて発散させている。このため、第２レンズアレイ３に入射する表示画像光は、あたかも点光源から射出された光のように振る舞う。表示部２からの表示画像光は、第２レンズアレイ３によって水平面内において平行光もしくは収束光に変換される。したがって、表示画像光を、水平面内において発散した状態ではなく平行光または収束光として観察者の眼に到達させることができる。このため、観察者は、実在感（奥行き感）に優れ、かつ、高精細な立体映像（空間像）を認識することができる。特に、第２レンズアレイ３によって水平面内において平行光に変換するようにした場合には、空間像表示装置１０Ａに対する観察者の相対位置が特定されることがないので、より多くの観察者が同時に高精細な立体映像（空間像）を認識することができる。また、偏向部４において液体光学素子４１を用いるようにしたので、ガラス板などの偏向板を用いる場合よりもコンパクトな構成を実現することができる。

（変形例１）
次に、本実施の形態における第１の変形例（変形例１）について説明する。本実施の形態では、第２レンズアレイ３をレンチキュラーレンズによって構成し、水平面内においてのみ表示画像光の平行化を行うようにした。これに対し、本変形例では、等方的な屈折力を有する球面レンズを複数配置することによって第２レンズアレイ３を構成する。さらに、偏向部４を、図６に表した液体光学素子４１Ａによって構成する。液体光学素子４１Ａは、Ｙ軸に沿って対向する一対の電極４８Ａ，４８Ｂをさらに備えたことを除き、他は液体光学素子４１と同様の構成を有するものである。電極４８Ａ，４８Ｂは、それぞれ、銅などからなり、シール部４９を介して底板４５、天板４６、電極４４Ａ，４４Ｂの各々と絶縁されている。電極４８Ａ，４８Ｂは、それぞれの外表面と接続された端子４８ＡＴ，４８ＢＴを介して外部電源（図示せず）と接続されている。液体光学素子４１Ａでは、電極４４Ａ，４４Ｂの間に電圧を印加するのに加え、電極４８Ａ，４８Ｂの間にも電圧を印加することにより、界面４１ＳがＹ軸に対しても傾斜することとなる。したがって、電極４８Ａの電位および電極４８Ｂの電位の大きさを調整することで、入射光φをＹＺ平面における所定の向きにも（鉛直方向にも）偏向可能となる。そうした場合には、観測者の両眼を結ぶ仮想線が水平方向から外れている（傾いている）場合（例えば観測者が寝転んだ姿勢をとった場合）であっても、左右の眼に対して所定の画像が到達することとなるので立体視が可能となる。

（変形例２）
次に、図７参照して、上記第１の実施の形態における第２の変形例（変形例２）について説明する。本変形例は、第１レンズアレイ１の代わりに第１レンズアレイ１Ａを備えるようにしたものである。図７は、第１レンズアレイ１Ａの斜視構成と共に、第１レンズアレイ１Ａを透過した光の進行する様子（光軸と直交する面での光の広がりの変化）を表している。

図７に示したように、第１レンズアレイ１Ａにおけるマイクロレンズ１１Ａは、光軸を含む第１の平面（ＸＺ平面）における焦点位置ＣＰ１と、光軸を含む第２の平面（ＸＹ平面）における焦点位置ＣＰ２とが互いに異なるものである。すなわち、マイクロレンズ１１Ａのレンズ面は楕円球状を有しており、そのマイクロレンズ１１Ａを透過する光は、ＸＺ平面においては焦点位置ＣＰ１に焦点を結び、ＸＹ平面においては焦点位置ＣＰ２に焦点を結ぶようになっている。この場合、例えば焦点位置ＣＰ１または焦点位置ＣＰ２において画素２２を通過するようにする。但し、各画素２２の有効領域内にマイクロレンズ１１からの光の外縁（透過領域）が収まるのであれば、画素２２の位置は特に限定されない。

本変形例の場合、マイクロレンズ１１Ａによって鉛直方向に表示画像光が拡散されるので、観察者が画面の上下方向（鉛直方向）に多少ずれた位置に立っていたとしても、観察者は空間像を視認することができる。なお、上記第１の実施の形態の構成であっても、第２レンズアレイ３がレンチキュラーレンズであるので、鉛直方向においてマイクロレンズ１１によって定まる発散角が得られる。しかしながら、そのマイクロレンズ１１によって定まる発散角が小さく、観察者が空間像を認識することができる空間像表示装置１０Ａと観察者との相対位置の許容範囲（観察可能範囲）が十分に確保できない場合もある。そこで、本変形例のように、レンズ面が楕円球状をなすマイクロレンズ１１Ａを用いることで、鉛直方向における観察可能範囲をやや広げることができる。

（変形例３）
次に、図８および図９を参照して、本実施の形態における第３の変形例（変形例３）としての空間像表示装置１０Ｂについて説明する。図８は、空間像表示装置１０Ｂの、水平面内における一構成例を表すものである。

空間像表示装置１０Ｂは、偏向部４の投影側に拡散板５をさらに備えるようにしたものである。図９は、図８に示した拡散板５の斜視構成と共に、拡散板５を透過した光の進行する様子（光軸と直交する面での光の広がりの変化）を表している。拡散板５は、偏向部４からの光を鉛直方向（Ｙ軸方向）のみに拡散させるものである。偏向部４からの光は、Ｘ軸方向には拡散しないようになっている。このような拡散板５としては、例えばレンズ拡散板（米国Luminit，LLC社；型番LSD40×0.2など）を用いるとよい。あるいは、例えば図３に示した第２レンズアレイ３のように、複数のシリンドリカルレンズが配列されたレンチキュラーレンズを用いてもよい。但し、この場合、シリンドリカルレンズはＸ軸に沿った軸を中心とした円柱面を有するものとし、それらをＹ軸方向に配列させるようにする。さらに、シリンドリカルレンズの円柱面の曲率をなるべく大きくし、Ｙ軸方向の単位長さあたりのレンチキュラーレンズの数を大きくするほうがよい。なお、ここでは、拡散板５は、第２レンズアレイ３の投影側に配置されているが、第１レンズアレイ１と第２レンズアレイ３との間に配置するようにしてもよい。

本変形例では、拡散板５によって鉛直方向に表示画像光を拡散するようにしたので、変形例２と同様に、観察者が画面の上下方向（鉛直方向）に多少ずれた位置に立っていたとしても、観察者は空間像を視認することができる。その場合の鉛直方向における観察可能範囲は、変形例２よりもさらに広げることが可能である。

（変形例４）
次に、図１０を参照して、本実施の形態における第４の変形例（変形例４）としての第１レンズアレイ１Ｂについて説明する。図１０は、第１レンズアレイ１Ｂの斜視構成と共に、第１レンズアレイ１Ｂを透過した光の進行する様子（光軸と直交する面での光の広がりの変化）を表している。

図１０に示したように、第１レンズアレイ１Ｂは、鉛直方向（Ｙ軸方向）に沿った軸を中心とした円柱面を各々有する複数のシリンドリカルレンズ１２がＸ軸方向に並列配置されたものである。シリンドリカルレンズ１２は、水平面内（ＸＺ平面）においてのみバックライトＢＬを集光するように機能する。すなわち、シリンドリカルレンズ１２を透過する光は、ＸＺ平面においては焦点位置ＣＰ１に焦点を結ぶようになっている。この場合、例えば焦点位置ＣＰ１において画素２２を通過するようにする。但し、各画素２２の有効領域内にシリンドリカルレンズ１２からの光の外縁（透過領域）が収まるのであれば、画素２２の位置は特に限定されない。

本変形例においても、上記第１の実施の形態と同様の効果が得られる。なお、この場合においても、上記変形例３における拡散板５を併せて設けるようにすれば、変形例３と同様の効果が得られる。また、本変形例の第１レンズアレイ１Ｂは、マイクロレンズアレイ１１，１１Ａを有する第１レンズアレイ１，１Ａと比べ、より簡便かつ高精度に製作可能である。すなわち、各シリンドリカルレンズ１２におけるＸＺ平面の断面形状は一定であるので、金型を作製する際にはＹ軸に沿って切削し、Ｙ軸方向に延在する溝を形成すればよい。これに対し、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の双方に複数配列されたマイクロレンズアレイ１１，１１Ａの金型を作製するにはＮＣ旋盤等を用いて１つ１つのレンズ面を個別に作製する必要がある。このため、煩雑であるうえ、マイクロレンズアレイ１１，１１Ａ同士の相対位置の誤差が生じやすい。

［第２の実施の形態］
次に、図１１および図１２を参照して、本発明における第２の実施の形態としての空間像表示装置１０Ｃについて説明する。図１１は、空間像表示装置１０Ｃの全体構成を表す概略図である。図１２は、図１１に示した破線に囲まれた領域の一部を拡大したものである。

空間像表示装置１０Ｃは、いわゆるリアプロジェクタ型ディスプレイであり、筐体６０の内部に投射光学ユニット６１と、反射ミラー６２と、レンズユニット６３とを備えたものである。この空間像表示装置１０Ｃでは、投射光学ユニット６１の内部に２次元表示画像を生成する表示部（図示せず）を有しており、その表示部から射出された表示画像光が反射ミラー６２を経由してレンズユニット６３へ到達するようになっている。図１２に、レンズユニット６３の水平面内における一構成例を示す。図１２に示したように、レンズユニット６３は、投射光学ユニット６１の側から、フレネルレンズ７、第１レンズアレイ１、第２レンズアレイ３、偏向部４が順に配置されたものである。フレネルレンズ７は、投射光学ユニット６１から反射ミラー６２を経て入射される表示画像光を平行光に変換するものである。なお、第１レンズアレイ１、第２レンズアレイ３および偏向部４は、上記第１の実施の形態のものと同様であるので、説明を省略する。投射光学ユニット６１からの表示画像光は、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各色光が合成されずに分離された状態で射出され、画素２２Ｒ，画素２２Ｇおよび画素２２Ｂの各々に対応したマイクロレンズ１１に各色光が分離されたまま入射するようになっている。各マイクロレンズ１１から射出された表示画像光は集光したのち第２レンズアレイ３へ入射し、第２レンズアレイ３によって平行光もしくは収束光に変換されて偏向部４へ向かう。偏向部４に到達した表示画像光は、適切な方向へ偏向され、観察者に到達することとなる。

このように、表示部を第１レンズアレイ１と第２レンズアレイ３との間ではなく、第１レンズアレイ１の入射側に配置するようにした場合であっても、上記第１の実施の形態と同様の効果が得られる。

なお、本実施の形態では、第１レンズアレイ１と第２レンズアレイ３との間の結像点の近傍に、鉛直方向に光を拡散させる拡散板（異方性拡散板）や、鉛直方向および水平方向の双方に光を拡散させる拡散板（等方性拡散板）を配置するようにしてもよい。その場合、鉛直方向における観察可能範囲を広げることができ、観察者が画面の上下方向（鉛直方向）に多少ずれた位置に立っていたとしても、観察者は空間像を視認することができる。また、本実施の形態においても、上記第１の実施の形態に示した第１〜第４の変形例をそれぞれ適用することが可能であり、同様の効果が得られる。

以上、いくつかの実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態等では、表示デバイスとして液晶デバイスを利用した例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば有機ＥＬ素子、プラズマ発光素子、フィールドエミッション（ＦＥＤ）素子、あるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）などの自発光素子をアレイ状に配設したものを表示デバイスとして適用することもできる。このような自発光型の表示デバイスを用いた場合には、バックライト用の光源を別途設ける必要がないので、より簡素な構成を実現することができる。また、上記実施の形態等で説明した液晶デバイスは透過型のライトバルブとして機能するものであるが、ＧＬＶ（グレーティングライトバルブ）やＤＭＤ（デジタルマルチミラー）などの反射型のライトバルブを表示デバイスとして用いることも可能である。

また、上記第１の実施の形態における変形例１では、表示画像光を偏向部４において水平方向の偏向および鉛直方向の偏向を同時に行うようにしたが、水平方向の偏向と、鉛直方向の偏向とを別の手段によって個別に行うようにしてもよい。

１０…空間像表示装置、１…第１レンズアレイ、１１…マイクロレンズ、１２…マイクロレンズ群、２１…ガラス基板、２２…画素、２３…ガラス基板、３…第２レンズアレイ、４…偏向部、４１…偏向素子、４１Ｓ…界面、４２…無極性液体，４３…極性液体、４４Ａ，４４Ｂ…電極、４５…底板、４６…天板、４７…シール部、５…拡張板、６０…筐体、６１…投射光学ユニット、６２…反射ミラー、６３…レンズユニット、７…フレネルレンズ。

Claims (13)

1. 複数の画素を有し、映像信号に応じた２次元表示画像を生成する２次元画像生成手段と、
   前記画素の各々に対応して設けられ、前記画素の各々を通過する光を集光する複数の第１のレンズからなる第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイを通過して集光された光を平行光もしくは収束光に変換して射出する第２のレンズアレイと
   を備えた空間像表示装置。
2. 前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとの距離は、各々の焦点距離の合計と一致し、もしくはその合計よりも大きい請求項１記載の空間像表示装置。
3. 前記第１のレンズアレイに入射する光を平行光に変換する光平行化手段をさらに備えた請求項１記載の空間像表示装置。
4. 前記２次元画像生成手段は、光軸上において、前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとの間に位置する液晶パネルである
   請求項１記載の空間像表示装置。
5. 前記２次元画像生成手段は、光軸上において、前記第１のレンズアレイの入射側に位置する
   ことを特徴とする請求項１記載の空間像表示装置。
6. 前記第１のレンズは、光軸を含む第１の平面における焦点位置と、光軸を含むと共に前記第１の平面と直交する第２の平面における焦点位置とが互いに異なる
   請求項１記載の空間像表示装置。
7. 前記第２のレンズアレイは、光軸と直交する第１の方向に沿った軸を中心とした円柱面を各々有する複数のシリンドリカルレンズが光軸および前記第１の方向の双方と直交する第２の方向に並列配置されたものである
   請求項１記載の空間像表示装置。
8. 前記第１の方向に入射光を散乱させる異方性拡散板が、
   前記第１のレンズアレイと前記第２のレンズアレイとの間、または前記第２のレンズアレイの投影側に配置されている
   請求項７記載の空間像表示装置。
9. 前記第１のレンズアレイは、前記第１の方向に沿った軸を中心とした円柱面を各々有する複数のシリンドリカルレンズが前記第２の方向に並列配置されたものである
   請求項７記載の空間像表示装置。
10. 前記第１のレンズアレイを通過した光が集光する位置に、光軸と直交する面において前記第１のレンズアレイを通過した光を等方的に拡散させる等方性拡散板が配置されている
    請求項５記載の空間像表示装置。
11. 前記第２のレンズアレイから射出された光を、画素単位で、または一群の画素を一単位として水平面内において偏向する複数の液体光学素子をさらに備え、
    前記液体光学素子は、一対の電極と、光軸上において前記一対の電極間に封入され、互いに異なる屈折率を有すると共に分離された状態を保つ極性液体および無極性液体とを含む
    請求項１記載の空間像表示装置。
12. 前記極性液体は、前記一対の電極と隔離された接地電極と接している請求項１１記載の空間像表示装置。
13. 前記一対の電極の対向面は、無電界下において前記無極性液体に親和性を示す絶縁膜によって覆われている請求項１１記載の空間像表示装置。

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