特許 7557347 ３次元映像表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-18

(45)【発行日】2024-09-27

(54)【発明の名称】３次元映像表示装置

(51)【国際特許分類】

   H04N 13/307 20180101AFI20240919BHJP

   H04N 13/398 20180101ALI20240919BHJP

   G02B 3/00 20060101ALI20240919BHJP

   G02F 1/13 20060101ALI20240919BHJP

   G02B 30/50 20200101ALI20240919BHJP

【ＦＩ】

H04N13/307

H04N13/398

G02B3/00 A

G02F1/13 505

G02B30/50

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020190094

(22)【出願日】2020-11-16

(65)【公開番号】P2022079114

(43)【公開日】2022-05-26

【審査請求日】2023-10-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000004352

【氏名又は名称】日本放送協会

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 隼人

(72)【発明者】

【氏名】大村 拓也

(72)【発明者】

【氏名】岡市 直人

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 久幸

(72)【発明者】

【氏名】河北 真宏

【審査官】塚本 丈二

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－１９９４１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０７８７７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２０４４４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１８２３００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－００３５８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１３３０２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５１９３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／０２９５３０８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００２１７９６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｎ １３／３０－１３／３９８

Ｇ０２Ｂ ３／００

Ｇ０２Ｆ １／１３

Ｇ０２Ｂ ３０／５０

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の奥行き表示範囲に対応する要素画像群を時分割で表示する３次元映像表示装置であって、
要素画像で構成された前記要素画像群を表示する表示手段と、
二次元状に配列された要素レンズで構成され、前記要素レンズが凸レンズとして機能するレンズ状態又は前記要素画像の光を透過する透過状態を切り替え可能なレンズアレイと、を備え、
前記レンズアレイは、前記表示手段からの距離が異なるように、前記奥行き表示範囲毎に備えられ、
前記表示手段に近い前記レンズアレイは、前記表示手段から遠い前記レンズアレイより、前記要素レンズ同士の間隔が短く、かつ、前記要素レンズの焦点距離が短いことを特徴とする３次元映像表示装置。

【請求項2】

前記レンズアレイは、前記要素レンズとしての液晶レンズで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の３次元映像表示装置。

【請求項3】

それぞれの前記レンズアレイの前段に配置され、前記表示手段からの光の偏光方向を切り替える偏光切替素子、をさらに備え、
前記レンズアレイは、
前記要素レンズが、前記偏光方向に応じて焦点距離の正負が変化する偏光回折レンズと、前記偏光回折レンズ毎に配置された凸レンズとで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の３次元映像表示装置。

【請求項4】

前記表示手段と前記表示手段に最も近いレンズアレイとの間に配置され、前記表示手段からの光の偏光方向を切り替える偏光切替素子、をさらに備え、
前記レンズアレイは、２つ備えられ、
前記要素レンズが、前記偏光方向に応じて焦点距離の正負が変化する偏光回折レンズと、前記偏光回折レンズ毎に配置された凸レンズとで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の３次元映像表示装置。

【請求項5】

何れか一つの前記レンズアレイがレンズ状態となり、他の前記レンズアレイが透過状態となるように、前記レンズアレイの状態を時分割で切り替える切替制御手段と、
レンズ状態の前記レンズアレイに対応した奥行き表示範囲の前記要素画像群を前記表示手段に同期して表示させる映像切替手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の３次元映像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、所定の奥行き表示範囲毎に要素画像群を時分割で表示する３次元映像表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、３Ｄメガネを用いた二眼方式を筆頭として、多種多様な３次元映像表示方式が知られている。なかでも、光線再生により３次元映像を再生するライトフィールドディスプレイの１つとして、インテグラル方式が提案されている。

【0003】

このインテグラル方式は、表示デバイスの前面に多数の微小なレンズで構成されたレンズアレイを配置することで、水平・垂直に視差を有する自然な３次元映像を再生できる。また、インテグラル方式では、表示デバイスの画素密度やレンズアレイの設計により、３次元映像の表示特性が定まる。このインテグラル方式の課題として、３次元映像を深い奥行き位置で再生したとき、３次元映像の空間解像度が低下することが知られている。視域角を狭めることなく深い奥行位置で空間解像度を高くするには、レンズアレイのレンズピッチを長くし、焦点距離を長くすればよい。この場合、奥行きが浅い位置における３次元映像の空間解像度が低下するため、全ての奥行き表示範囲において空間解像度が高い３次元映像を再生することは困難である。

【0004】

そこで、前記した課題を解決するために、時分割表示技術を用いて、深い奥行き位置における３次元映像の空間解像度特性を向上させる従来技術が提案されている（例えば、非特許文献１）。この従来技術では、１枚のレンズアレイと複数台の液晶ディスプレイを使用し、各液晶ディスプレイに要素画像群をフレームシーケンシャルで順次表示する。すなわち、従来技術では、複数台の液晶ディスプレイとレンズアレイとの距離に応じて空間解像度が高くなる奥行き位置がそれぞれ異なることを利用し、各液晶ディスプレイで再生した３次元映像を時分割で表示する。これにより、従来技術では、広い奥行き表示範囲において空間解像度が高い３次元映像を再生できる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【文献】Applied Optics, Vol. 45, No. 18, June 2006

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、前記した従来技術では、光線が各液晶ディスプレイを通過する際、液晶ディスプレイの画素開口周辺の遮蔽部などにより光線の輝度が大きく低下するために、非常に明るいバックライトを使用しないと表示映像が暗くなるという課題がある。また、従来技術では、液晶ディスプレイごとに映像の再生装置が必要になるため、システムの構成が大規模化し、複雑になるという課題がある。

【0007】

そこで、本発明は、空間解像度が高く、輝度の低下を抑制し、構成が簡易な３次元映像表示装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記課題を解決するため、本発明に係る３次元映像表示装置は、所定の奥行き表示範囲に対応する要素画像群を時分割で表示する３次元映像表示装置であって、要素画像で構成された要素画像群を表示する表示手段と、二次元状に配列された要素レンズで構成され、要素レンズが凸レンズとして機能するレンズ状態又は要素画像の光を透過する透過状態を切り替え可能なレンズアレイと、を備える構成とした。

【0009】

かかる構成によれば、レンズアレイは、表示手段からの距離が異なるように、奥行き表示範囲毎に備えられている。そして、表示手段に近いレンズアレイは、表示手段から遠いレンズアレイより、要素レンズ同士の間隔が短く、かつ、要素レンズの焦点距離が短くなっている。すなわち、表示手段に近いレンズアレイは、レンズピッチ及び焦点距離が短いので、浅い奥行き位置において空間解像度が高い３次元映像を再生できる。一方、表示手段から遠いレンズアレイは、レンズピッチ及び焦点距離が長いので、深い奥行き位置において空間解像度が高い３次元映像を再生できる。

【0010】

従って、３次元映像表示装置では、異なる奥行き表示範囲で空間解像度が高くなる要素画像群を時分割表示することで、全ての奥行き表示範囲で空間解像度が高い３次元映像を再生できる。さらに、３次元映像表示装置では、表示手段が１台だけなので構成が簡易になり、表示手段から出射した要素画像群の光が他の表示手段を通過しないため、輝度の低下を抑制できる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、空間解像度が高く、輝度の低下を抑制し、構成が簡易な３次元映像表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１実施形態に係る３次元映像表示装置の概略構成図である。

【図2】従来の立体表示装置において、（ａ）はナイキスト周波数を説明する説明図であり、（ｂ）は観視空間周波数を説明する説明図である。

【図3】従来の立体表示装置において、最大空間周波数を説明する説明図である。

【図4】従来の立体表示装置において、視域角を説明する説明図である。

【図5】図１の３次元映像表示装置において、最大空間周波数を説明する説明図である。

【図6】第２実施形態に係る３次元映像表示装置の概略構成図である。

【図7】第２実施形態において、（ａ）はレンズ状態を説明する説明図であり、（ｂ）は透過状態を説明する説明図である。

【図8】第３実施形態に係る３次元映像表示装置の概略構成図である。

【図9】第３実施形態において、（ａ）は前段のレンズアレイをレンズ状態とする説明図であり、（ｂ）は後段のレンズアレイをレンズ状態とする説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。但し、以下に説明する各実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。また、同一の手段には同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。

【0014】

（第１実施形態）
［３次元映像表示装置の構成］
図１を参照し、第１実施形態に係る３次元映像表示装置１の構成を説明する。
３次元映像表示装置１は、所定の奥行き表示範囲に対応する要素画像群を時分割で表示するものである。図１に示すように、３次元映像表示装置１は、表示手段２と、レンズアレイ３（３_１，３_２）と、同期制御装置４とを備える。

【0015】

表示手段２は、要素画像で構成された要素画像群を表示する一般的な表示デバイスである。また、表示手段２は、後記する映像切替手段４１からの指令に応じて、後記するレンズ状態のレンズアレイ３に対応した奥行き表示範囲の要素画像群を時分割で表示する。例えば、表示手段２として、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（organic Electro Luminescence）ディスプレイなどの直視型表示デバイスを使用できる。本実施形態では、表示手段２は、後記する焦点距離ｆ_１，ｆ_２が一致する箇所に配置されている。

【0016】

レンズアレイ３は、二次元状に配列された要素レンズ３０で構成されたものである。また、レンズアレイ３は、後記する切替制御手段４０からの指令に応じて、レンズ状態又は透過状態を切り替え可能なレンズ／透過切替レンズアレイである。
なお、レンズ状態とは、要素画像の光に対して、各要素レンズ３０が凸レンズとして機能する状態のことである。また、透過状態とは、各要素レンズ３０が要素画像の光を透過する状態のことである。

【0017】

例えば、レンズアレイ３は、要素レンズ３０としての液晶レンズを二次元アレイ状に配列したものを使用できる。ここで、液晶レンズは、液晶がレンズ状の空間に封入されており、印加した電圧に応じて実効的な屈折率を変化させて、レンズ状態又は透過状態を切り替えることができる。また、液晶レンズは、入射光の偏光状態を変えることで、レンズ状態又は透過状態を切り替えてもよい。

【0018】

また、レンズアレイ３は、表示手段２からの距離が異なるように、奥行き表示範囲毎に備えられている。本実施形態では、表示手段２に近いレンズアレイ３_１、及び、表示手段２から遠いレンズアレイ３_２というように、２つのレンズアレイ３が備えられている。

【0019】

ここで、表示手段２に近いレンズアレイ３_１は、表示手段２から遠いレンズアレイ３_２より、レンズピッチ（要素レンズ３０同士の間隔）が短く、かつ、要素レンズ３０の焦点距離が短くなっている。図１に示すように、レンズアレイ３_１のレンズピッチｐ_１は、レンズアレイ３_２のレンズピッチｐ_２よりも短くなっている。ここでは、レンズピッチｐ_１がレンズピッチｐ_２の半分なので、レンズアレイ３_２に対してレンズアレイ３_１が２倍の個数の要素レンズ３０を備える。また、レンズアレイ３_１を構成する要素レンズ３０の焦点距離ｆ_１は、レンズアレイ３_２を構成する要素レンズ３０の焦点距離ｆ_２よりも短くなっている。

【0020】

なお、図１では、図面を見やすくするため、レンズアレイ３_１の要素レンズ３０が１２１２個、レンズアレイ３_２の要素レンズ３０が６個になっているが、多数の要素レンズ３０を備えてもよい（例えば、数百個以上）。

【0021】

同期制御装置４は、要素画像群の表示タイミングと、レンズ状態又は透過状態の切替タイミングをフレーム単位で同期させるものであり、切替制御手段４０と、映像切替手段４１とを備える。例えば、同期制御装置４は、視聴者Ａがフリッカーを知覚しない速度＝Ｎ×６０Ｈｚで切り替えを行う（但し、レンズアレイ３の個数Ｎ）。

【0022】

切替制御手段４０は、何れか一つのレンズアレイ３がレンズ状態となり、他のレンズアレイ３が透過状態となるように、レンズアレイ３の状態を時分割で切り替えるものである。本実施形態では、切替制御手段４０は、レンズアレイ３_１がレンズ状態でレンズアレイ３_２が透過状態の場合と、レンズアレイ３_１が透過状態でレンズアレイ３_２がレンズ状態の場合とを交互に切り替える。

【0023】

映像切替手段４１は、レンズ状態のレンズアレイ３に対応した奥行き表示範囲の要素画像群を表示手段２に同期して表示させるものである。ここで、映像切替手段４１は、レンズアレイ３_１がレンズ状態の場合、レンズアレイ３_１に対応した奥行き表示範囲の要素画像群を表示手段２に表示させる。また、映像切替手段４１は、レンズアレイ３_２がレンズ状態の場合、レンズアレイ３_２に対応した奥行き表示範囲の要素画像群を表示手段２に表示させる。なお、レンズアレイ３_１，３_２に対応した奥行き表示範囲の要素画像群は、予め記憶されていることとする。

【0024】

［３次元映像表示装置による時分割表示］
以下、３次元映像表示装置１による時分割表示の前提として、インテグラル方式の空間解像度特性について説明する。
最初に、インテグラル方式の空間解像度特性の理解を容易にするために、空間解像度特性を示す指標である最大空間周波数、ナイキスト周波数及び観視空間周波数を説明する。

【0025】

最大空間周波数β_ｍａｘ[cycles per radian(cpr)]は、以下の式（１）で表される。但し、β_ｎはナイキスト周波数[cpr]、βは観視空間周波数[cpr]である。また、ｍｉｎは、指定されたパラメータのうちの最小値を返す関数である。

【0026】

【数1】

【0027】

図２には、インテグラル方式を採用した従来の立体表示装置９を図示した。立体表示装置９は、要素画像群を表示する表示デバイス９０と、要素レンズ９１が二次元状に配列されたレンズアレイ９２とを備える。

【0028】

ナイキスト周波数β_ｎは、図２（ａ）に示すように、３次元映像Ｂが要素レンズ９１でサンプリングされることによる空間周波数を示し、以下の式（２）で表される。なお、ｐはレンズアレイ９２のレンズピッチ、Ｌは視聴者Ａからレンズアレイ９２までの視聴距離である。

【0029】

【数2】

【0030】

一方、観視空間周波数βは、図２（ｂ）に示すように、３次元映像Ｂが表示デバイス９０の画素でサンプリングされることによる空間周波数を示し、以下の式（３）で表される。なお、ｆはレンズアレイ９２の焦点距離、ｇは表示デバイス９０の画素ピッチ、ｚは３次元映像Ｂの奥行き位置である。また、奥行き位置ｚは、視聴者Ａの側が正である。

【0031】

【数3】

【0032】

図３には、画素ピッチｇ＝５０μｍ、レンズピッチｐ＝０．３ｍｍ、焦点距離ｆ＝１．５ｍｍ、視聴距離Ｌ＝２０００ｍｍのときの空間解像度特性のグラフの一例を図示した。奥行き位置の原点(ｚ＝０)は、レンズアレイ９２が位置する面（レンズアレイ面）である。但し、図３では、最大空間周波数β_ｍａｘの単位を[cycles per radian (cpr)]から[cycles per degree (cpd)]に変換している。

【0033】

図３に示すように、最大空間周波数β_ｍａｘは、３次元映像Ｂの奥行き位置ｚが浅いとき、ナイキスト周波数β_ｎとなる。一方、３次元映像Ｂの奥行き位置ｚが深くなると、ナイキスト周波数β_ｎよりも観視空間周波数βの影響が支配的になり、最大空間周波数β_ｍａｘが低下する。

【0034】

インテグラル３Ｄ映像の視域角について説明する。図４に示すように、インテグラル３Ｄ映像の視域角θは、レンズアレイ９２のレンズピッチｐと焦点距離ｆとによって決まり、以下の式（４）で表される。

【0035】

【数4】

【0036】

次に、３次元映像表示装置１による要素画像群の時分割表示について説明する。
ここで、表示手段２に近いレンズアレイ３_１をレンズ状態にした場合を考える。この場合、式（２）のナイキスト周波数β_ｎが高くなるため、浅い奥行き位置ｚでは、３次元映像Ｂの空間解像度が高くなる。一方、式（３）の観視空間周波数βが低くなるため、深い奥行き位置ｚでは、３次元映像Ｂの空間解像度が低くなる。

【0037】

また、レンズアレイ３_１をレンズ状態にした場合と比べて、表示手段２から遠いレンズアレイ３_２をレンズ状態にした場合を考える。浅い奥行き位置ｚで３次元映像Ｂの空間解像度が低くなる代わりに、深い奥行き位置ｚで３次元映像Ｂの空間解像度が高くなる。

【0038】

以上より、３次元映像表示装置１は、あるフレームにおいて、レンズアレイ３_１をレンズ状態にして、浅い奥行き位置ｚの３次元映像Ｂのみを再生する。そして、３次元映像表示装置１は、次のフレームにおいて、レンズアレイ３_２をレンズ状態にして、深い奥行き位置ｚの３次元映像Ｂのみを再生する。このようにして、３次元映像表示装置１では、要素画像群を時分割表示することで、全ての奥行き位置ｚにおいて、高い最大空間解像度で３次元映像Ｂを再生できる。

【0039】

なお、各レンズアレイ３で再生する３次元映像Ｂの視域角θは、同一にする必要がある。３次元映像Ｂの視域角θが異なる場合、最も視域角θが狭いレンズアレイ３と同一の視域角θになってしまい、光線再生が非効率的になる。図１の３次元映像表示装置１では、前記した式（４）に基づいて、以下の式（５）となるように、各レンズアレイ３_１，３_２のレンズピッチＰと焦点距離ｆを設定する必要がある。

【0040】

【数5】

【0041】

３次元映像表示装置１が再生する３次元映像Ｂの空間解像度特性と各レンズアレイ３の奥行き表示範囲とのグラフを図５に図示した。図５の例では、レンズアレイ３_１のレンズピッチｐ_１が０．３ｍｍで焦点距離ｆ_１が１．５ｍｍ、レンズアレイ３_２のレンズピッチｐ_２が０．６ｍｍで焦点距離ｆ_２が３．０ｍｍである。両レンズアレイ３で再生される３次元映像Ｂの視域角θは、式（４）より、約１１度である。また、表示手段２の画素ピッチｇが５０μｍ、視聴距離Ｌが２０００ｍｍである。

【0042】

前記した式（１）～式（３）より、レンズアレイ３_１の最大空間解像度β_ｍａｘ１とレンズアレイ３_２の最大空間解像度β_ｍａｘ２とを算出すると、最大空間解像度β_ｍａｘ１，β_ｍａｘ２の交点の奥行き位置ｚが－１６ｍｍと１９ｍｍとになる。このため、レンズアレイ３_１は、－１６～１９ｍｍの奥行き表示範囲Ｒ_１で３次元映像Ｂを再生する。また、レンズアレイ３_２は、奥行き表示範囲Ｒ_１より深い奥行き表示範囲Ｒ_２で３次元映像Ｂを再生する。

【0043】

なお、３次元映像表示装置１の奥行き表示範囲は、図５の例に限定されないことは言うまでもない。
また、３次元映像表示装置１は、奥行き表示範囲を３つ以上設定してもよい。この場合、３次元映像表示装置１では、奥行き表示範囲と同数のレンズアレイ３を備えると共に、各奥行き表示範囲に対応した要素画像群を表示手段２で時分割表示すればよい。

【0044】

［作用・効果］
以上のように、３次元映像表示装置１では、異なる奥行き表示範囲で空間解像度が高くなる要素画像群を時分割することで、全ての奥行き表示範囲で空間解像度が高い３次元映像Ｂを再生できる。さらに、３次元映像表示装置１では、表示手段２が１台だけなので構成が簡易になり、表示手段２から出射した要素画像群の光が他の表示手段を通過しないため、輝度の低下を抑制できる。

【0045】

（第２実施形態）
［３次元映像表示装置の構成］
図６を参照し、第２実施形態に係る３次元映像表示装置１Ｂの構成について、第１実施形態と異なる点を説明する。
３次元映像表示装置１Ｂは、偏光方向に応じて時分割で表示する点が、第１実施形態と異なる。図６に示すように、３次元映像表示装置１Ｂは、表示手段２と、レンズアレイ３Ｂ（３Ｂ_１，３Ｂ_２）と、同期制御装置４Ｂと、偏光切替素子５（５_１，５_２）とを備える。なお、表示手段２は、第１実施形態と同様のため、説明を省略する。

【0046】

まず、偏光切替素子５を説明する。
偏光切替素子５は、それぞれのレンズアレイ３の前段に配置され、表示手段２からの光の偏光方向を切り替えるものである。ここで、偏光切替素子５_１がレンズアレイ３Ｂ_１の前段に配置され、偏光切替素子５_２がレンズアレイ３Ｂ_２の前段に配置されている。また、偏光切替素子５は、後記する切替制御手段４０Ｂからの同期信号に応じて、偏光方向を水平偏光又は垂直偏光に切り替える。

【0047】

レンズアレイ３Ｂは、表示手段２からの距離が異なるように、奥行き表示範囲毎に備えられたものである。本実施形態では、表示手段２に近いレンズアレイ３Ｂ_１、及び、表示手段２から遠いレンズアレイ３Ｂ_２というように、２つのレンズアレイ３Ｂが備えられている。

【0048】

また、レンズアレイ３Ｂは、要素レンズ３０Ｂが、偏光回折レンズ３１と、凸レンズ３２とで構成されている。つまり、レンズアレイ３Ｂは、要素レンズ３０Ｂとしての偏光回折レンズ３１及び凸レンズ３２が二次元状に配列されている。ここで、表示手段２に近いレンズアレイ３Ｂ_１は、表示手段２から遠いレンズアレイ３Ｂ_２より、レンズピッチが短く、かつ、要素レンズ３０Ｂの焦点距離が短くなっている。例えば、レンズアレイ３Ｂ_２に対して、レンズアレイ３Ｂ_１は、２倍の個数の要素レンズ３０Ｂを備える。

【0049】

偏光回折レンズ３１は、偏光方向に応じて焦点距離の正負が変化するレンズである。例えば、偏光回折レンズ３１は、周期的に配向された液晶ポリマーで構成できる（Optica, Vol. 2, No. 11, pp. 958-964, November 2015）。また、偏光回折レンズ３１として、直線偏光の代わりに円偏光の方向に応じて焦点距離の正負が切り替わる偏光回折レンズを用いてもよい。このとき、偏光切替素子５は、表示手段２からの光を右円偏光または左円偏光に切替える。
凸レンズ３２は、偏光回折レンズ３１毎に配置されたものであり、例えば、一般的な凸レンズである。

【0050】

なお、レンズアレイ３Ｂは、前段に配置された偏光切替素子５と組み合わせることで、第１実施形態と同様にレンズ状態又は透過状態の切り替えが可能となっており、その詳細を後記する。

【0051】

同期制御装置４Ｂは、要素画像群の表示タイミングと、レンズ状態又は透過状態の切替タイミングとをフレーム単位で同期させるものであり、切替制御手段４０Ｂと、映像切替手段４１とを備える。なお、映像切替手段４１は、第１実施形態と同様のため、説明を省略する。

【0052】

切替制御手段４０Ｂは、何れか一つのレンズアレイ３Ｂがレンズ状態となり、他のレンズアレイ３Ｂが透過状態となるように、レンズアレイ３Ｂの状態を時分割で切り替えるものである。本実施形態では、切替制御手段４０Ｂは、映像切替手段４１と同期するように、レンズ状態又は透過状態の切替タイミングを示す同期信号を偏光切替素子５_１，５_２に出力する。これにより、切替制御手段４０Ｂは、レンズアレイ３Ｂ_１がレンズ状態でレンズアレイ３Ｂ_２が透過状態の場合と、レンズアレイ３Ｂ_１が透過状態でレンズアレイ３Ｂ_２がレンズ状態の場合とを切り替えることができる。

【0053】

［レンズ状態又は透過状態の切り替え］
図７を参照し、レンズアレイ３Ｂにおけるレンズ状態又は透過状態の切り替えを詳細に説明する。

【0054】

偏光回折レンズ３１は、入射する光線の偏光方向に応じて、焦点距離の正負が切り替わるという特徴がある。ここで、凸レンズ３２の焦点距離をｆとする。また、水平偏光の光線が入射したときの偏光回折レンズ３１の焦点距離を＋ｆとし、垂直偏光の光線が入射したときの偏光回折レンズ３１の焦点距離を－ｆとする。

【0055】

図７（ａ）に示すように、偏光切替素子５が入射光の偏光方向を水平偏光に切り替えた場合、入射光は、偏光回折レンズ３１及び凸レンズ３２で構成された要素レンズ３０Ｂの焦点距離ｆ／２に集光する。つまり、レンズアレイ３Ｂはレンズ状態となり、レンズアレイとして機能する。

【0056】

一方、図７（ｂ）に示すように、偏光切替素子５が入射光の偏光方向を垂直偏光に切り替えた場合、偏光回折レンズ３１の焦点距離が負のため、後段の凸レンズ３２との間でレンズ作用が相殺される。つまり、レンズアレイ３Ｂは透過状態となり、入射光が屈折することなく通過する。

【0057】

なお、３次元映像表示装置１Ｂでは、水平偏光の光線が入射したときの偏光回折レンズ３１の焦点距離を－ｆとし、垂直偏光の光線が入射したときの偏光回折レンズ３１の焦点距離を＋ｆとしてもよい。この場合、偏光切替素子５が入射光の偏光方向を水平偏光に切り替えた場合、レンズアレイ３Ｂは透過状態となり、入射光が屈折することなく通過する。一方、偏光切替素子５が入射光の偏光方向を垂直偏光に切り替えた場合、レンズアレイ３Ｂはレンズ状態となり、レンズアレイとして機能する。

【0058】

［作用・効果］
以上のように、３次元映像表示装置１Ｂは、偏光回折レンズ３１及び凸レンズ３２で構成されたレンズアレイ３Ｂと偏光切替素子５とを一組として、これらを複数組備えることで、多層のレンズ／透過切替レンズアレイを実現できる。その結果、３次元映像表示装置１Ｂは、第１実施形態と同様、全ての奥行き表示範囲で空間解像度が高い３次元映像Ｂを再生できる。さらに、３次元映像表示装置１Ｂでは、表示手段２が１台だけなので構成が簡易になり、表示手段２から出射した要素画像群の光が他の表示手段を通過しないため、輝度の低下を抑制できる。

【0059】

（第３実施形態）
［３次元映像表示装置の構成］
図８を参照し、第３実施形態に係る３次元映像表示装置１Ｃの構成について、第２実施形態と異なる点を説明する。
３次元映像表示装置１Ｃは、偏光切替素子５Ｃを１つのみ備える点が、第２実施形態と異なる。図８に示すように、３次元映像表示装置１Ｃは、表示手段２と、レンズアレイ３Ｃ（３Ｃ_１，３Ｃ_２）と、同期制御装置４Ｃと、偏光切替素子５Ｃとを備える。なお、表示手段２は、第２実施形態と同様のため、説明を省略する。

【0060】

まず、偏光切替素子５Ｃを説明する。
偏光切替素子５Ｃは、表示手段２と表示手段２に最も近いレンズアレイ３Ｃ_１との間に配置され、表示手段２からの光の偏光方向を切り替えるものである。なお、偏光切替素子５Ｃの構成自体は、第２実施形態と同様のため、これ以上の説明を省略する。

【0061】

レンズアレイ３Ｃは、２つ備えられている。ここで、表示手段２から遠いレンズアレイ３Ｃ_２は、表示手段２に近いレンズアレイ３Ｃ_１の後段に配置されている。また、第２実施形態と異なり、レンズアレイ３Ｃ_１，３Ｃ_２の間には、偏光切替素子が配置されていない。

【0062】

また、レンズアレイ３Ｃは、要素レンズ３０Ｃが、偏光回折レンズ３１と、凸レンズ３２とで構成されたものである。つまり、レンズアレイ３Ｃは、要素レンズ３０Ｃとしての偏光回折レンズ３１及び凸レンズ３２が二次元状に配列されている。ここで、表示手段２に近いレンズアレイ３Ｃ_１は、表示手段２から遠いレンズアレイ３Ｃ_２より、レンズピッチが短く、かつ、要素レンズ３０Ｃの焦点距離が短くなっている。なお、レンズアレイ３Ｃの構成自体は、第２実施形態と同様のため、これ以上の説明を省略する。

【0063】

同期制御装置４Ｃは、要素画像群の表示タイミングと、レンズ状態又は透過状態の切替タイミングとをフレーム単位で同期させるものであり、切替制御手段４０Ｃと、映像切替手段４１とを備える。なお、映像切替手段４１は、第１実施形態と同様のため、説明を省略する。

【0064】

切替制御手段４０Ｃは、一方のレンズアレイ３Ｃがレンズ状態となり、他方のレンズアレイ３Ｃが透過状態となるように、レンズアレイ３Ｃの状態を時分割で切り替えるものである。本実施形態では、切替制御手段４０Ｃは、映像切替手段４１と同期するように、レンズ状態又は透過状態の切替タイミングを示す同期信号を偏光切替素子５Ｃに出力する。これにより、切替制御手段４０Ｃは、レンズアレイ３Ｃ_１がレンズ状態でレンズアレイ３Ｃ_２が透過状態の場合と、レンズアレイ３Ｃ_１が透過状態でレンズアレイ３Ｃ_２がレンズ状態の場合とを切り替えることができる。

【0065】

［レンズ状態又は透過状態の切り替え］
図９を参照し、レンズアレイ３Ｃにおけるレンズ状態又は透過状態の切り替えを詳細に説明する。
図９の例ではレンズアレイ３Ｃへの入射光と射出光が同一となるように、レンズアレイ３Ｃ_１，３Ｃ_２の偏光回折レンズ３１が設計されていることとする。また、要素レンズ３０Ｃがレンズ状態又は透過状態に切り替わる原理は、第２実施形態と同様である。

【0066】

図９（ａ）に示すように、偏光切替素子５Ｃが入射光の偏光方向を水平偏光に切り替えた場合、前段のレンズアレイ３Ｃ_１がレンズ状態になり、後段のレンズアレイ３Ｃ_２が透過状態になることとする。つまり、３次元映像表示装置１Ｃでは、水平偏光の入射光に対して、前段のレンズアレイ３Ｃ_１がレンズアレイとして機能する。

【0067】

一方、図９（ｂ）に示すように、偏光切替素子５Ｃが入射光の偏光方向を垂直偏光に切り替えた場合、前段のレンズアレイ３Ｃ_１が透過状態になり、後段のレンズアレイ３Ｃ_２がレンズ状態になることとする。つまり、３次元映像表示装置１Ｃでは、垂直偏光の入射光に対して、後段のレンズアレイ３Ｃ_２がレンズアレイとして機能する。

【0068】

［作用・効果］
このように、３次元映像表示装置１Ｃは、２つのレンズアレイ３Ｃ_１，３Ｃ_２と、１つの偏光切替素子５Ｃとを備えることで、２層のレンズ／透過切替レンズアレイを実現できる。その結果、３次元映像表示装置１Ｃは、第２実施形態と同様、全ての奥行き表示範囲で空間解像度が高い３次元映像Ｂを再生できる。さらに、３次元映像表示装置１Ｃでは、表示手段２から出射した要素画像群の光が他の表示手段を通過しないため、輝度の低下を抑制できる。

【0069】

さらに、３次元映像表示装置１Ｃは、３層以上のレンズ／透過切替レンズアレイを実現できない代わりに、偏光切替素子５Ｃが１つだけでよいので、構成をより簡易にすることができる。

【0070】

以上、本発明の各実施形態を詳述してきたが、本発明は前記した各実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
レンズアレイにおいては、凸レンズの代わりに、より薄型な回折レンズを用いてもよい。
偏光切替素子としては、ＯＣＢ方式などの応答速度が高い液晶パネルを用いることができる。

【0071】

第１，２実施形態では、２つのレンズアレイを備え、各レンズアレイの奥行き表示範囲に対応した２つの要素画像群を時分割で表示すると説明したが、これに限定されない。例えば、３次元映像表示装置は、３つ以上のレンズアレイを備え、各レンズアレイの奥行き表示範囲に対応した３つ以上の要素画像群を時分割で表示してもよい。

【0072】

第１～３実施形態では、表示手段から遠いレンズアレイに対して、表示手段に近いレンズアレイが２倍の個数の要素レンズを備えることとして説明したが、これに限定されない。例えば、表示手段から遠いレンズアレイに対して、表示手段に近いレンズアレイは、３以上の整数倍の個数、又は、小数倍の個数の要素レンズを備えてもよい。

【符号の説明】

【0073】

１，１Ｂ，１Ｃ ３次元映像表示装置
２ 表示手段
３，３_１，３_２ レンズアレイ
３Ｂ，３Ｂ_１，３Ｂ_２ レンズアレイ
３Ｃ，３Ｃ_１，３Ｃ_２ レンズアレイ
４，４Ｂ，４Ｃ 同期制御装置
５，５_１，５_２ 偏光切替素子
５Ｃ 偏光切替素子
９ 立体表示装置
３０ 要素レンズ
４０，４０Ｂ，４０Ｃ 切替制御手段
４１ 映像切替手段
９０ 表示デバイス
９１ 要素レンズ
９２ レンズアレイ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】