JP2010169976A - 空間像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造でありながら、より自然な空間像を形成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１０では、映像信号に応じた２次元表示画像が表示部２によって生成される。表示部２における一群の画素２２に応じた表示画像光が、その一群の画素２２に対応する一の液体光学素子４１によって一括して波面変換され、かつ、一括して偏向される。このため、一の画素２２に対して一の液体光学素子４１を設けるようにした場合と比較した場合、表示部２におけるフレームレートを高めなくとも、より多くの異なった２次元の表示画像光が水平面内の異なる方向に向けてそれぞれ一度に射出されることとなる。
【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。

特許文献１には、複数の１次元表示装置と、各１次元表示装置からの表示パターンをそれぞれの配置方向と同一方向に偏向する偏向手段とを備えるようにした３次元表示装置が提案されている。この３次元表示装置によれば、複数の出力像が眼の残像効果により同時に認識され、両眼視差の作用により立体像として知覚可能であるとされている。しかしながら、各１次元表示装置からの放射光が球面波として放射されるので観察者の両眼の各々に対応した画像が相互に反対側の眼にも入射してしまい、実際には両眼視差が得られるどころか、２重の画像が認識される可能性が高いと考えられる。

これに対し特許文献２には、液晶表示素子と観測点との間に、１組の集光レンズと、それら１組の集光レンズに挟まれたピンホール部材とを配置するようにした３次元画像表示装置が開示されている。この３次元画像表示装置では、液晶表示素子の射出光を一方の集光レンズによってピンホール部材のピンホールの位置において最も小径となるように集光し、ピンホールを通過した光を他方の集光レンズ（例えばフレネルレンズ）によって平行光とするようになっている。このような構成によれば、観察者の左眼および右眼の各々に対応した画像が適切に振り分けられ両眼視差が得られるものと推測される。

また、上記の方法とは異なるものとして、ホログラフィ技術を利用して立体映像を生成する方法も存在する。ホログラフィ技術とは、物体からの光波を人工的に再現するものである。ホログラフィ技術を用いた立体映像は、光の干渉により生成された干渉縞を用い、その干渉縞に光が照明された際に生じる回折波面そのものを映像情報媒体として用いている。そのため、観察者が実世界において物体を観察しているときと同様の輻輳、調節などの視覚系生理反応が起き、眼精疲労の少ない映像を提供することができる。さらに、物体からの光波面が再現されているということは、映像情報を伝達する方向に対して連続性が確保されていることといえる。このため、観察者の視点が移動することにより、その移動に応じた異なる角度からの適切な映像を連続的に提示することが可能である。すなわち、ホログラフィ技術を利用した立体映像の生成方法は、運動視差が連続的に提供される映像提供の手法である。

上記のホログラフィ技術による立体映像の生成方法は、物体からの回折波面そのものを記録し、それを再生する方法であるので、極めて理想的な立体映像の表現方法であるといえる。

しかしながら、ホログラフィ技術では３次元空間情報を２次元空間における干渉縞として記録しており、その空間周波数は同じ物体を撮影した写真などの２次元空間の場合と比較すると極めて膨大な量になる。これは、３次元空間の情報を２次元空間に変換する際に、その情報が２次元空間上における密度に変換されていると考えることができる。そのために、ＣＧＨ（Computer Generated Hologram）による干渉縞を表示するデバイスに求め
られる空間分解能は極めて高く、また膨大な情報量が必要であることから、実時間ホログラムにより立体映像を実現することは、現状において技術的に困難である。その上、記録の際に使用する光はレーザ光のような位相の揃ったものでなければならず、自然光での記録（撮影）が不可能であるという問題もある。

また、特許文献２の３次元画像表示装置ついてはフーリエ変換光学系のような構成となっており、ピンホールもある程度の大きさ（直径）を有していることから、ピンホールの位置では空間周波数の高い成分（すなわち、解像度の高い成分）が、光軸と直交する面内において不均一に分布（周縁部により多く分布）しているものと考えられる。したがって、厳密な平行光を実現するためにはピンホールの直径を極めて小さくする必要がある。ところがピンホールの直径を小さくすればするほど得られる画像の明るさの低下や不均一化を招くうえ、ピンホールによって空間周波数の高い成分が除去されてしまうので解像度も劣化してしまうものと推定される。

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。本出願人も、このような光線再生法に基づく空間像表示を実現するための空間像表示装置を既に提案している（例えば特許文献３参照）。

特許第３０７７９３０号公報 特開２０００−２０１３５９号公報 特開２００７−８６１４５号公報

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

ところで、光線再生法によって自然な空間像を表示するには、通常の２次元ディスプレイにおいて通常の２次元画像を１フレーム表示する間に、およそ数十〜百以上の異なった２次元画像をそれぞれ異なる方向に向けて投影する必要がある。しかしながら、特許文献３などに開示した空間像表示装置では、１つの画素に対して１つの偏向素子を設けるようにしている。そのため、そのような空間像表示装置に搭載される２次元ディスプレイには、通常の２次元ディスプレイにおいて通常の２次元画像を１フレーム表示する間に、およそ数十〜百以上の異なった２次元画像を表示する能力が求められることとなる。すなわち、例えば毎秒１０００〜６０００フレーム以上という非常に高いフレームレートが必要となる。ところが、その様なハイフレームレートを有する２次元ディスプレイは高価であるうえ、複雑かつ大型な構成となりがちである。このため、２次元ディスプレイにおいてそのような高いフレームレートを必要とせず、よりコンパクト化された構造でありながら、より自然な空間像を表示することのできる空間像表示装置が望まれる。

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、簡素な構造でありながら、より自然な空間像を形成可能な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、２次元画像生成手段からの表示画像光を、少なくとも水平方向に並ぶ一群の画素を一単位として、水平方向に偏向する偏向手段とを備えるようにしたものである。

本発明の空間像表示装置では、２次元画像生成手段からの表示画像光のうち一群の画素に応じた表示画像光が、その一群の画素に対応する一の偏向手段によって一括して偏向される。すなわち、水平方向に並ぶ一群の画素がｎ個の画素からなる場合、それらに対応する一の偏向手段から、互いに異なる方向へ向かうｎ個の偏向された表示画像光が同時に射出される。このため、一の画素に対して一の偏向手段を設けるようにした場合と比較した場合、２次元画像生成手段における単位時間当たりのフレーム表示速度（フレームレート）を上げなくとも、より多くの異なった２次元画像が水平面内の異なる方向に向けてそれぞれ投影されることとなる。

本発明の空間像表示装置によれば、一群の画素に対して一の偏向手段を設け、一群の画素に応じた表示画像光を一括して偏向するようにしたので、２次元画像生成手段におけるフレームレートが従来と同程度であっても、より多くの２次元画像を適切な方向へ射出することができる。このため、簡素な構造でありながら、より自然な空間像を形成することが可能となる。

本発明における一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レンズアレイの構成を表す斜視図、および表示部の画素の配置を表す平面図である。 図１に示した第２レンズアレイの構成を表す斜視図である。 図１に示した波面変換偏向部における液体光学素子の構成を示す斜視図である。 図４に示した液体光学素子の動作を説明するための概念図である。 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。 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他の概念図である。

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。

図１〜図４を参照し、本発明における一実施の形態としての空間像表示装置１０について説明する。図１は、空間像表示装置１０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（２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂ）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に示した波面変換偏向部４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１０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、波面変換偏向部４、拡散板５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。

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にそれぞれ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にそれぞれ集光する。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表示画像光を水平面内において平行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｜と一致している。このため、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からの射出光も水平面内において平行光となる。

波面変換偏向部４は、１つの第２レンズアレイ３に対して１つもしくは複数設けられた液体光学素子４１を有しており、第２レンズアレイ３から射出された表示画像光に対し、波面変換および偏向を行うものである。具体的には、液体光学素子４１によって、第２レンズアレイ３から射出された表示画像光の波面を水平方向（Ｘ軸方向）および鉛直方向（Ｙ軸方向）の双方に並ぶ一群の画素２２を一単位として所定の曲率を有する波面に一括して変換すると共に、その表示画像光を水平面内（ＸＺ平面内）において一括して偏向する。ここで、液体光学素子４１を透過した表示画像光は、任意の観測点を基点として、この観測点から仮想物点までの光路長と等しい光路長となる位置に焦点を結ぶような曲率を有する波面に変換される。

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、内表面４４ＡＳ，４４ＢＳ（またはそれを覆う疎水性絶縁膜）に対する濡れ性（極性液体４３と内表面４４ＡＳ，４４ＢＳ（またはそれを覆う疎水性絶縁膜）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、例えば内表面４４ＡＳ，４４ＢＳを覆う疎水性絶縁膜の材料種を選択すること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（またはそれを覆う疎水性絶縁膜）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（またはそれを覆う疎水性絶縁膜）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、入射光をＸＺ平面内の所定の向きへ偏向可能となる。

また、電位Ｖａおよび電位Ｖｂの大きさの調整により界面４１Ｓの曲率が変わるようになっている。例えば、電位Ｖａ，Ｖｂ（Ｖａ＝Ｖｂとする）を、界面４１Ｓが水平面となる場合の電位Ｖmaxよりも低い値とすれば、例えば図５（Ａ）に表したように、電位Ｖ１，Ｖ２が零の場合の界面４１Ｓ₀（破線で表示）よりも曲率の小さな界面４１Ｓ₁（実線で表示）が得られる。このため、界面４１Ｓを透過する光に対して発揮する屈折力は、電位Ｖａおよび電位Ｖｂの大きさを変えることで調整可能である。すなわち、液体光学素子４１は、可変焦点レンズとして機能する。さらに、その状態で電位Ｖａと電位Ｖｂとが互いに異なる大きさ（Ｖａ≠Ｖｂ）となれば、界面４１Ｓは適度な曲率を有しつつ、傾斜した状態となる。例えば電位Ｖａのほうが大きい（Ｖａ＞Ｖｂ）場合には、図５（Ｂ）において実線で表した界面４１Ｓａが形成される。一方、電位Ｖｂのほうが大きい（Ｖａ＜Ｖｂ）場合には、図５（Ｂ）において破線で表した界面４１Ｓｂが形成される。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、液体光学素子４１は、入射光に対して適度な屈折力を発揮しつつ、その入射光を所定の向きへ偏向することが可能である。なお、図５（Ａ），５（Ｂ）では、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おり、液体光学素子４１が負の屈折力を発揮する場合に、界面４１Ｓ₁，４１Ｓａを形成したときの入射光の変化を表している。

拡散板５は、波面変換偏向部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。波面変換偏向部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。

＜空間像表示装置の動作＞
次に、空間像表示装置１０の動作について、図６および図７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１０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６は、空間像表示装置１０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表す概念図である。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。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、水平面内において平行光に変換される。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、水平方向の波面変換偏向部４および拡散板５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、波面変換偏向部４および拡散板５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として波面変換偏向部４へ向かう。第２レンズアレイ３において、表示画像光を平行光に変換し、焦点距離を無限大にすることで、光波が放射された点の位置情報のうち眼の焦点距離をあわせる際に生じる生理機能から得られる情報を一度消すことができる。図６では、第２レンズアレイ３から波面変換偏向部４へ向かう光の波面を、進行方向と直交する平行な波面ｒ０として示している。これにより、両眼視差・輻輳角からの情報と焦点距離からの情報とが一致しないことに起因する脳の混乱が緩和される。

表示部２の点ＣＬ１，ＣＲ１から放射された表示画像光は、第２レンズアレイ３を経たのち、それぞれ波面変換偏向部４の点ＣＬ２，ＣＲ２に到達する。波面変換偏向部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ると共に、各画素２２に応じた適切な焦点距離情報が付加され、そののち、拡散板５の点ＣＬ３，ＣＲ３に到達する。焦点距離情報は、平面状の波面ｒ０を、曲面状の波面ｒ１に変換することで付加される。これについては、のちに詳述する。

拡散板５に到達した表示画像光は、拡散板５によって垂直面内において拡散され、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ＣＬ３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ＣＲ３に到達するように、波面変換偏向部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。同時に、波面変換偏向部４は、自らの偏向角に同期して波面ｒ０を波面ｒ１に変換する動作を行うようにしてもよい。拡散板５から放射された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、それぞれ波面変換偏向部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たのち、拡散板５によって垂直面内において拡散され、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６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。

ここで、波面変換偏向部４の作用について図６に加えて図７を参照して説明する。波面変換偏向部４では、表示部２から第２レンズアレイ３を経て到達した表示画像光の波面ｒ０が、任意の観測点を基点として、この観測点から仮想物点までの光路長と等しい光路長となる位置に焦点を結ぶような曲率を有する波面ｒ１に変換される。例えば、図７に示したように、仮想物点Ｃを光源として発射された光の波面ＲＣが光路長Ｌ１を経て左眼IIＬに到達するとした場合、左眼IIＬでの波面ＲＣと波面ｒ１との曲率が互いに一致するように波面形成がなされる。この場合、点ＣＬ２と点ＣＬ１とを結ぶ直線上において、点ＣＬ２から仮想物点Ｃまでの光路長Ｌ２と等しい距離に波面ｒ１に対応する焦点ＣＣが存在するものと考えることができる。そこで、波面ｒ１を有する表示画像光が焦点ＣＣを光源として発射されたものとみなすとすると、その表示画像光の波面ｒ１が左眼IIＬに到達したときに、あたかも仮想物点Ｃを光源として発射された波面ＲＣであるかのように認識される。また、図７に示したように、拡散板５よりも観測者側に近い位置に仮想物点Ａが存在する場合、波面変換偏向部４で変換された波面ｒ１は仮想物点Ａにおいて焦点を結ぶこととなる。

なお、液体光学素子４１が負の屈折力のみを発揮する場合には、各液体光学素子４１に対応して正の屈折力を有するレンズ（正レンズ）を光軸上に別途設けるようにすればよい。すなわち、表示画像光を収束光としたい場合には、液体光学素子４１の界面４１Ｓを平面に近づけ、あるいは界面４１Ｓの曲率を小さくして正レンズの作用が強く表れるようにすればよい。一方、表示画像光を発散光としたい場合には、界面４１Ｓの曲率を大きくして正レンズの作用を弱めればよい。反対に、液体光学素子４１が正の屈折力のみを発揮する場合には、各液体光学素子４１に対応して負の屈折力を有するレンズ（負レンズ）を光軸上に別途設けるようにすればよい。

この結果、両眼視差・輻輳角からの情報と焦点距離からの情報との不一致から生じる脳の混乱は完全に解消される。

また、第２レンズアレイ３において表示部２から放射された表示画像光を水平面内において平行化することにより、次のような作用が得られる。両眼視差を確保するためには、左右それぞれの眼に対応した２種類の画像を送る必要がある。すなわち、左右の眼に対応するそれぞれの表示画像光は、互いに反対側の眼に入射してはならない。仮に、第２レンズアレイ３が存在せず、表示部２を光源とした球面波が放射されているとすると、たとえ波面変換偏向部４によって偏向させたとしても互いに反対側の眼にも不要な表示画像光が入射してしまう。その場合、両眼視差が発生せず、２重の画像として認識される。そこで、本実施の形態のように第２レンズアレイ３において表示部２からの表示画像光を平行光束に変換するようにすれば、表示画像光は扇状に広がることなく、よって、他方の眼に入射することなく目的とする一方の眼だけに到達させることができる。

このように、空間像表示装置１０Ａでは、表示部２が映像信号に応じた２次元の表示画像光を生成し、波面変換偏向部４の液体光学素子４１が、その表示画像光の偏向を行うと共に、その表示画像光の波面ｒ０を所望の曲率を有する波面ｒ１に変換する。これにより、以下の効果が得られる。すなわち、表示部２の表示画像光の波面ｒ０を波面ｒ１に変換することで、表示画像光が、両眼視差、輻輳角および運動視差に関する情報だけでなく、適切な焦点距離情報を含むものとなる。このため、観察者が、両眼視差、輻輳角および運動視差に関する情報と、適切な焦点距離情報との整合性を図ることができ、生理的な違和感を生ずることなく所望の立体映像を認識することができる。さらに、波面変換偏向部４において、上記の波面変換操作に加え、水平面内での偏向操作をも行うようにしたので、簡素かつコンパクトな構成を実現している。

また、波面変換偏向部４では、水平方向および鉛直方向の双方に並ぶ一群の画素２２に応じた表示画像光が、その一群の画素２２に対応する一の液体光学素子４１によって一括して波面変換され、かつ、一括して偏向される。このため、一の画素２２に対して一の液体光学素子４１を設けるようにした場合と比較すると、表示部２における単位時間当たりのフレーム表示速度（フレームレート）を高めなくとも、より多くの異なった２次元の表示画像光が水平面内の異なる方向に向けてそれぞれ一度に射出されることとなる。このため、簡素な構造を維持しつつ、より自然な空間像を形成することが可能となる。

さらに、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、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、本実施の形態では、表示画像光を波面変換偏向部４において水平方向に偏向するようにしたが、併せて、鉛直方向に表示画像光を偏向する他の偏向手段を配置してもよい。その場合には、他の偏向手段によって鉛直面内での偏向操作をも行うことができるので、観測者の両眼を結ぶ仮想線が水平方向から外れている場合（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。

以上、いくつかの実施の形態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、上記実施の形態では、偏向手段によって、２次元画像生成手段からの表示画像光を、水平方向（Ｘ軸方向）および鉛直方向（Ｙ軸方向）の双方に並ぶ一群の画素を一単位として波面変換および偏向するようにしたが、水平方向のみに配列された一群の画素を一単位として扱うようにしてもよい。この場合、空間像表示装置から射出される光線を平行光に近づけることが可能となり、結果としてボケの少ない空間像を表示することができる。

また、上記実施の形態では、偏向手段としての液体光学素子４１が、２次元画像生成手段からの表示画像光に対し波面変換操作と偏向操作とを同時に行うようにしたが、偏向操作のみを行うようにしてもよい。あるいは、液体光学素子４１の代わりに、波面変換操作を行う機構（波面変換部）と、偏向操作を行う機構（偏向部）とを別々に分離して設けるようにしてもよい。

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…波面変換偏向部、４１…液体光学素子、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。

Claims (8)

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２次元画像生成手段からの表示画像光を、少なくとも水平方向に並ぶ一群の画素を一単位として、水平方向に偏向する偏向手段と
   を備えた空間像表示装置。
2. 前記偏向手段は、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液体光学素子である請求項１に記載の空間像表示装置。
3. 前記偏向手段は、
   前記２次元画像生成手段からの表示画像光の波面を、任意の観測点を基点として、この観測点から仮想物点までの光路長と等しい光路長となる位置に焦点を結ぶような曲率を有する波面に変換する機能をも有する
   請求項１または請求項２に記載の空間像表示装置。
4. 前記２次元画像生成手段からの表示画像光を、画素単位で、または一群の画素を一単位として平行光に変換して射出するレンズアレイをさらに備えた請求項１に記載の空間像表示装置。
5. 前記レンズアレイは、鉛直方向の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と直交する面内において並列配置されたものである請求項４記載の空間像表示装置。
6. 鉛直方向に入射光を散乱させる異方性拡散板が、前記２次元画像生成手段と前記レンズアレイとの間、または前記レンズアレイの投影側に配置されている請求項４記載の空間像表示装置。
7. 前記極性液体は、前記一対の電極から隔離された接地電極と接している請求項１記載の空間像表示装置。
8. 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１記載の空間像表示装置。

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