JP2010230984A - ３次元映像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】レンズアレイを用いた空間像再生方式において、３次元画像を再生する際、どの奥行き位置においても３次元画像の各画素のボケの発生を従来に比して抑制可能な３次元画像表示装置を提供することにある。
【解決手段】本発明の３次元画像表示装置は、２次元平面画像である複数の要素画像における対応する画素を３次元空間で重ね、３次元画像を表示するインテグラルフォトグラフィ方式であり、複数の表示素子が配列し、画素が要素画像を表示する複数の分割領域に分割された２次元画像表示部と、２次元画像表示部の表示素子毎の光軸上に各々配置された焦点可変レンズと、焦点可変レンズの光の出射側で、分割領域各々と重なる位置にそれぞれ配置されたレンズと、分割領域における画素の位置及び焦点可変レンズの焦点距離とを制御して、空間における３次元画像の画素である、表示素子から出射される光の集光点を制御する表示制御部とを有する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の３次元画像表示装置は、２次元平面画像である複数の要素画像における対応する画素を３次元空間で重ね、３次元画像を表示するインテグラルフォトグラフィ方式であり、複数の表示素子が配列し、画素が要素画像を表示する複数の分割領域に分割された２次元画像表示部と、２次元画像表示部の表示素子毎の光軸上に各々配置された焦点可変レンズと、焦点可変レンズの光の出射側で、分割領域各々と重なる位置にそれぞれ配置されたレンズと、分割領域における画素の位置及び焦点可変レンズの焦点距離とを制御して、空間における３次元画像の画素である、表示素子から出射される光の集光点を制御する表示制御部とを有する。
【選択図】図１
Description
本発明は、画像等の可視像を３次元画像として空間に表示する３次元画像表示装置に関する。
物体を３次元表示する方式としては、数多くの方式が提案あるいは開発されている。
一般的な３次元画像表示装置として、２眼式立体画像表示方式がある（例えば、特許文献１参照）。この２眼式立体画像表示方式は、左眼用画像と右目用画像との２枚の間の視差画像を使用し、偏光メガネまたは偏光切換シャッターを装着し、それぞれの眼に対応した画像を、それぞれ対応する眼に提示し、３次元画像を観察者に表示する方式である。
この２眼式立体画像表示方式は、比較的少ない情報量で容易に３次元画像表示が可能であるという特徴を有するが、３次元画像を再生して表示した場合、観察者の両眼の眼球が移動あるいは回転し、視線の交差させる輻輳位置と、眼球のレンズが焦点を結ぶ焦点位置とが異なり、この位置の違いによる視覚疲労（例えば、３Ｄ酔い等）を引き起こすことが問題となっている。この視覚疲労を引き起こすという問題は、視差画像の提示のみにより、立体感を出す方式に共通の課題となっている。
一般的な３次元画像表示装置として、２眼式立体画像表示方式がある（例えば、特許文献１参照）。この２眼式立体画像表示方式は、左眼用画像と右目用画像との２枚の間の視差画像を使用し、偏光メガネまたは偏光切換シャッターを装着し、それぞれの眼に対応した画像を、それぞれ対応する眼に提示し、３次元画像を観察者に表示する方式である。
この２眼式立体画像表示方式は、比較的少ない情報量で容易に３次元画像表示が可能であるという特徴を有するが、３次元画像を再生して表示した場合、観察者の両眼の眼球が移動あるいは回転し、視線の交差させる輻輳位置と、眼球のレンズが焦点を結ぶ焦点位置とが異なり、この位置の違いによる視覚疲労（例えば、３Ｄ酔い等）を引き起こすことが問題となっている。この視覚疲労を引き起こすという問題は、視差画像の提示のみにより、立体感を出す方式に共通の課題となっている。
視覚疲労の少ない３次元画像表示装置としては、空間中に３次元画像を再生して表示させる方式が有効であり、すなわち、ホログラム表示方式や奥行き標本化方式が有効であるとされている。
このうち、ホログラムは、自然な３次元画像表示が行える可能性を有するが、被写体の干渉縞情報が必要であり、表示のための情報量が膨大であり、かつ表示するために超高精細の表示装置が必要となり、動画にて３次元画像を表示させるためには、情報量及び表示装置に課題が多く残っている（例えば、特許文献２参照）。
このうち、ホログラムは、自然な３次元画像表示が行える可能性を有するが、被写体の干渉縞情報が必要であり、表示のための情報量が膨大であり、かつ表示するために超高精細の表示装置が必要となり、動画にて３次元画像を表示させるためには、情報量及び表示装置に課題が多く残っている（例えば、特許文献２参照）。
一方、奥行き標本化方式は、物体の各奥行き位置（観察者と３次元画像表示装置との距離方向における位置）における２次元断面画像を、空間上に体積的に、すなわち奥行き方向に配置して表示するものである（例えば、特許文献３参照）。
この方式では、奥行きを持った３次元映像が３次元空間中に表示されて再現されるので、輻輳距離と焦点距離とが一致し、視覚疲労が上記２眼式立体画像表示方式に比較して少なく、また、観察者は観察位置の移動に合わせた自然な３次元映像が観察できる。
この奥行き標本化方式には、振動するミラーに映像を映し、３次元映像画像を表示するバリフォーカルミラー方式や、スクリーンが機械的に高速移動する移動スクリーン方式、回転する螺旋系のスクリーンを使用する方式などがある。
この方式では、奥行きを持った３次元映像が３次元空間中に表示されて再現されるので、輻輳距離と焦点距離とが一致し、視覚疲労が上記２眼式立体画像表示方式に比較して少なく、また、観察者は観察位置の移動に合わせた自然な３次元映像が観察できる。
この奥行き標本化方式には、振動するミラーに映像を映し、３次元映像画像を表示するバリフォーカルミラー方式や、スクリーンが機械的に高速移動する移動スクリーン方式、回転する螺旋系のスクリーンを使用する方式などがある。
また、液晶表示装置を用いることにより、機械的な駆動部を持たない方式が開発されている。例えば、液晶パネルを多数重ねて奥行き方向に配置し、ＣＲＴに表示された画像を、重ねられた液晶パネルの適当な奥行きにあるパネルで反射させて、３次元画像を体積的に表示する方式である。
焦点距離可変の液晶を用いた奥行き標本化方式もある。２次元表示装置に順次表示される各奥行きごとの画像を、その後にある数ｃｍ以上の直径をもつ、液晶焦点可変レンズの焦点距離を同期して変化させ、空間上に各再生像（再生画像）を体積的に表示する方式である。この方式の特長は機械的な駆動部と、観察者が着用する特殊なメガネとが不要であり、自然な３次元映像が表示できることである。
焦点距離可変の液晶を用いた奥行き標本化方式もある。２次元表示装置に順次表示される各奥行きごとの画像を、その後にある数ｃｍ以上の直径をもつ、液晶焦点可変レンズの焦点距離を同期して変化させ、空間上に各再生像（再生画像）を体積的に表示する方式である。この方式の特長は機械的な駆動部と、観察者が着用する特殊なメガネとが不要であり、自然な３次元映像が表示できることである。
しかしながら、特許文献３に示す奥行き標本化方式にあっては、空間において、奥行き画像を順次厚さ方向に表示していく時分割方式による表示である。
したがって、観察者の眼の残像時間内において、３次元画像の１フレームが完了しないと、すなわち奥行き方向の２次元画像が全て表示されないと、画像が欠けるフリッカーが知覚されてしまうことになる。
一方、１断面画像（２次元画像）の表示時間が短くなると、画像の輝度が低下してしまい、明瞭な３次元画像が得られなくなってしまう。
また、従来の奥行き標本化方式は、動画のビデオレート時間内に、奥行き方向に高速に多数の断面画像を表示する特殊な表示装置が必要となる。
したがって、観察者の眼の残像時間内において、３次元画像の１フレームが完了しないと、すなわち奥行き方向の２次元画像が全て表示されないと、画像が欠けるフリッカーが知覚されてしまうことになる。
一方、１断面画像（２次元画像）の表示時間が短くなると、画像の輝度が低下してしまい、明瞭な３次元画像が得られなくなってしまう。
また、従来の奥行き標本化方式は、動画のビデオレート時間内に、奥行き方向に高速に多数の断面画像を表示する特殊な表示装置が必要となる。
また、時間分割を用いずに、空間に３次元画像を再生する方式として、図１９に示すインテグラルフォトグラフィ方式がある。このインテグラルフォトグラフィ方式は、撮影において、微少なレンズアレイを介して、被写体を撮影して要素画像を得る。そして、インテグラルフォトグラフィ方式における表示において、要素画像２１０を表示し、レンズアレイ２１１を介して再生光２１２を観察することにより、観察者２１３は再生３次元画像２１４を観察することができる。
このインテグラルフォトグラフィ方式は、リアルタイムにて要素画像を撮影し、この要素画像により３次元画像を再生表示することができ、３次元テレビとしての可能性が高い点を特徴としている。
このインテグラルフォトグラフィ方式は、リアルタイムにて要素画像を撮影し、この要素画像により３次元画像を再生表示することができ、３次元テレビとしての可能性が高い点を特徴としている。
また、インテグラルフォトグラフィ方式は、すでに述べた２眼式立体画像表示方式で用いる特殊なメガネを必要とせず、水平方向及び垂直方向の双方に視差がある。かつ、インテグラルフォトグラフィ方式は、空中像再生方式であるため、実物を観察しているのと同様な自然な３次元画像の表示が可能となっている。
しかしながら、インテグラルフォトグラフィ方式は、図２０に示すように、一般的に要素画像２２１とレンズアレイ２２２との間隔を、ほぼレンズアレイ２２２の焦点距離ｇ・２２３と同様の間隔だけ離して設置されている。この図におけるレンズアレイ２２２を構成する各レンズの焦点距離はｇである。
上述した図２０における光学配置においては、要素画像からの光が平行光線に近い形で、各レンズアレイ２１１から出力される。
しかしながら、インテグラルフォトグラフィ方式は、図２０に示すように、一般的に要素画像２２１とレンズアレイ２２２との間隔を、ほぼレンズアレイ２２２の焦点距離ｇ・２２３と同様の間隔だけ離して設置されている。この図におけるレンズアレイ２２２を構成する各レンズの焦点距離はｇである。
上述した図２０における光学配置においては、要素画像からの光が平行光線に近い形で、各レンズアレイ２１１から出力される。
このため、要素画像からの平行光線の交点位置により、レンズアレイ２２２面からある奥行き位置に像が再生され、再生像の空間解像度は、レンズアレイ２２２の各レンズの大きさで制限される（図２０（ａ）〜（ｃ）参照）。そのため、従来のインテグラル方式で、解像度を向上するには、レンズアレイのサイズを微細化するしかなかった。しかし、このことは、同時に要素画像２２１の画素の微細化と、レンズアレイ２２２のサイズをさらに微細化するといった技術的に困難な技術開発が必要となる。
特に、レンズサイズの微細化を進めて、サブｍｍオーダーの径とすると、光の回折の影響が大きくなり、レンズから出射される光は平行光線ではなく、拡散した光となる傾向が強くなるため、レンズサイズの微細化には限界がある。
特に、レンズサイズの微細化を進めて、サブｍｍオーダーの径とすると、光の回折の影響が大きくなり、レンズから出射される光は平行光線ではなく、拡散した光となる傾向が強くなるため、レンズサイズの微細化には限界がある。
さらに、実際には要素画像の画素も有限な大きさを持ち、画素に対応した表示素子から出射される光も一般にコヒーレント光ではないため、現実には、十分な光の平行性を実現することはできない。
上述した特性のため、レンズアレイ２２２面の近傍と、レンズアレイ２２２面の近傍以外においては、以下に示すように、解像度が異なることになる。
すなわち、再生像がレンズアレイ面上あるいは近傍では、図２０（ａ）に示すように、各要素画像における対応する画素の交差する部分の誤差が小さいため、レンズの空間周波数で規定される解像度で画像が再生できる。
一方、レンズアレイ２２２面より奥にある３次元映像や手前に飛び出した３次元映像では、各要素画像における対応する画素の交差する部分の誤差が大きくなるため、図２０（ｂ）及び図２０（ｃ）に示すように画素がぼけて解像度が悪くなってしまうことになる。
上述した特性のため、レンズアレイ２２２面の近傍と、レンズアレイ２２２面の近傍以外においては、以下に示すように、解像度が異なることになる。
すなわち、再生像がレンズアレイ面上あるいは近傍では、図２０（ａ）に示すように、各要素画像における対応する画素の交差する部分の誤差が小さいため、レンズの空間周波数で規定される解像度で画像が再生できる。
一方、レンズアレイ２２２面より奥にある３次元映像や手前に飛び出した３次元映像では、各要素画像における対応する画素の交差する部分の誤差が大きくなるため、図２０（ｂ）及び図２０（ｃ）に示すように画素がぼけて解像度が悪くなってしまうことになる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、レンズアレイを用いた空間像再生方式において、３次元画像を再生する際に、どの奥行き位置においても３次元画像の各画素のボケの発生を従来方式に比して抑制可能な３次元画像表示装置を提供することにある。
［１］この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の一態様による３次元画像表示装置は、２次元平面画像である複数の要素画像における対応する画素を３次元空間において重ねることにより、３次元画像を表示するインテグラルフォトグラフィ方式の３次元画像表示装置であり、複数の表示素子が配列し、当該画素が前記要素画像を表示する複数の分割領域に分割されている２次元画像表示部と、該２次元画像表示部における前記表示素子毎の光軸上にそれぞれ配置された焦点可変レンズと、該焦点可変レンズの光の出射側において、前記分割領域各々と重なる位置にそれぞれ配置されたレンズと、前記分割領域における画素の位置及び前記焦点可変レンズの焦点距離とを制御することにより、前記空間における３次元画像の画素である、前記表示素子から出射される光の集光点を制御する表示制御部とを有することを特徴とする。
ここで、２次元画像表示部の各分割領域の表示素子から出射される光が、各分割領域の要素画像の対応する画素位置の表示素子の射出する光を、表示素子に対応した焦点可変レンズによって空間に再生する３次元画像の画素位置に集光させることで、上記要素画像を空間に３次元表示することが可能となる。また、各要素画像間の対応する画素の光を集光し、画素となる集光点にて合成するため、従来の平行光を用いた場合に比較して画素が大きくならずに、微細な画素を形成することができ、鮮明な３次元画像を表示することが可能となる。また、各複数の分割領域のそれぞれ対応する表示素子から、３次元画像の画素位置に対して集光されるため、従来に比較してより視域角（再生像を見ることのできる領域を示す角度）が大きくなり、３次元画像を観察することができる範囲を広げることができる。
ここで、２次元画像表示部の各分割領域の表示素子から出射される光が、各分割領域の要素画像の対応する画素位置の表示素子の射出する光を、表示素子に対応した焦点可変レンズによって空間に再生する３次元画像の画素位置に集光させることで、上記要素画像を空間に３次元表示することが可能となる。また、各要素画像間の対応する画素の光を集光し、画素となる集光点にて合成するため、従来の平行光を用いた場合に比較して画素が大きくならずに、微細な画素を形成することができ、鮮明な３次元画像を表示することが可能となる。また、各複数の分割領域のそれぞれ対応する表示素子から、３次元画像の画素位置に対して集光されるため、従来に比較してより視域角（再生像を見ることのできる領域を示す角度）が大きくなり、３次元画像を観察することができる範囲を広げることができる。
［２］本発明の一態様による３次元画像表示装置は、前記２次元画像表示部における表示素子が、設定された分解能に対応するグリッド間隔より小さい径を有する点光源である発光素子にて形成されていることを特徴とする。
ここで、点光源の大きさとしては、空間に表示する３次元画像の分解能となる画素より小さければ良い。そして、焦点可変レンズにより集光され、複数の要素画像の画素を重ね合わせて形成される３次元画像の画素が、３次元画像の分解能以下の大きさに表示することができ、高解像度化が図れる。
ここで、点光源の大きさとしては、空間に表示する３次元画像の分解能となる画素より小さければ良い。そして、焦点可変レンズにより集光され、複数の要素画像の画素を重ね合わせて形成される３次元画像の画素が、３次元画像の分解能以下の大きさに表示することができ、高解像度化が図れる。
［３］ 本発明の一態様による３次元画像表示装置は、前記２次元画像表示部が、設定された分解能に対応するグリッド間隔より小さい径を有する点光源と見なせる発光部と、透過型あるいは反射型であり前記発光部からの光を変調する表示素子が配列された表示素子アレイとから形成されている
ことを特徴とする。
ここで、点光源の大きさとしては、空間に表示する３次元画像の分解能となる画素より小さければ良い。そして、焦点可変レンズにより集光され、複数の要素画像の画素を重ね合わせて形成される３次元画像の画素が、３次元画像の分解能以下の大きさに表示することができ、高解像度化が図れる。
ことを特徴とする。
ここで、点光源の大きさとしては、空間に表示する３次元画像の分解能となる画素より小さければ良い。そして、焦点可変レンズにより集光され、複数の要素画像の画素を重ね合わせて形成される３次元画像の画素が、３次元画像の分解能以下の大きさに表示することができ、高解像度化が図れる。
［４］ 本発明の一態様による３次元画像表示装置は、前記分割領域と、前記分割領域の表示素子と対応して設けられた前記焦点可変レンズと、前記分割領域と平面視にて重なる位置に配置されたレンズと、前記分割領域に対応する可変焦点レンズを調整する前記表示制御部とが、１つの表示モジュールとして構成されていることを特徴とする。
２次元画像表示部を大面積にて作製する必要が無く、２次元画像表示部の表示素子の微細化を向上させることができ、より分解能を上げることができる。
また、モジュール数を増加させることで、要素画像の画素数を増加させることができ、再生立体像の多画素化（高精細化）と広視域化が可能となる。さらにモジュールを多数配列することで、大型のディスプレイが構成でき、大画面の立体像表示ができる。
また、分割領域毎に２次元画像表示部を作製するため、いずれかの表示素子が不良となった場合に、使用できなくなる部品のコストを低下させることができ、３次元画像表示装置の製造コストを低下させることができる。
２次元画像表示部を大面積にて作製する必要が無く、２次元画像表示部の表示素子の微細化を向上させることができ、より分解能を上げることができる。
また、モジュール数を増加させることで、要素画像の画素数を増加させることができ、再生立体像の多画素化（高精細化）と広視域化が可能となる。さらにモジュールを多数配列することで、大型のディスプレイが構成でき、大画面の立体像表示ができる。
また、分割領域毎に２次元画像表示部を作製するため、いずれかの表示素子が不良となった場合に、使用できなくなる部品のコストを低下させることができ、３次元画像表示装置の製造コストを低下させることができる。
［５］ 本発明の一態様による３次元画像表示装置は、前記焦点可変レンズに対して複数の点光源を設け、いずれの点光源を用いるかにより要素画像の表示される画素の位置を、２次元画像表示装置と平行な２次元平面上にて制御することを特徴とする。
ここで、３次元画像の画素の位置は、分割領域の表示素子の位置により、再生像の奥行き位置が決定されるが、複数の点光源のいずれかを用いることにより、一定の奥行き位置の２次元平面内での位置を微調整し、より精細な３次元画像を表示させることができる。
ここで、３次元画像の画素の位置は、分割領域の表示素子の位置により、再生像の奥行き位置が決定されるが、複数の点光源のいずれかを用いることにより、一定の奥行き位置の２次元平面内での位置を微調整し、より精細な３次元画像を表示させることができる。
［６］ 本発明の一態様による３次元画像表示装置は、前記表示制御部が、前記２次元画像表示部の各表示素子に対応する全ての焦点可変レンズの焦点距離を、予め設定された同一値とすることにより、前記２次元画像表示部に表示された画像を、当該２次元画像表示部からの距離が前記焦点距離である２次元表示平面に表示させることを特徴とする。
通常のテレビジョン受像器と同様に、２次元平面の画像を表示することができ、２次元画像及び３次元画像のいずれをも、１台のテレビにて鑑賞することができる。
通常のテレビジョン受像器と同様に、２次元平面の画像を表示することができ、２次元画像及び３次元画像のいずれをも、１台のテレビにて鑑賞することができる。
［７］ 本発明の一態様による３次元画像表示装置は、前記２次元表示平面の位置に配置され、光を透過させる透明な状態と、光を拡散させる状態とに切り換える拡散スクリーンをさらに有し、３次元画像を表示する際、前記拡散スクリーンを光を透過させる透明な状態とし、一方、２次元画像を表示する際、前記拡散スクリーンを光を拡散させる状態とすることを特徴とする。
通常のテレビジョン受像器と同様に、２次元平面の画像を表示することができ、２次元画像及び３次元画像のいずれをも、１台のテレビにて鑑賞することができる。
通常のテレビジョン受像器と同様に、２次元平面の画像を表示することができ、２次元画像及び３次元画像のいずれをも、１台のテレビにて鑑賞することができる。
この発明によれば、２次元画像表示部の表示素子毎に、焦点距離を制御できる焦点可変レンズを配置し、かつ、この焦点可変レンズアレイの前に、レンズをもしくはレンズアレイを配置した構造としたため、空間に３次元映像を再生する際、上記焦点可変レンズ各々の焦点距離を個々に制御することにより、表示素子からの光を、画素位置に対応させて空間の任意の奥行き位置に集光することができるようになり、従来のように平行光がぼけてかつ交差する位置がずれることが無くなり、３次元映像を従来に比較してより精細に表示することができる。
＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態による３次元画像表示装置の構成例を示す概略ブロック図である。
本実施形態による３次元画像表示装置は、空間への３次元画像の画素の表示座標を制御する表示制御部１０と、複数の表示素子２１が２次元平面上に配列して構成される２次元画像表示部１１と、焦点距離が可変である焦点可変レンズ２２が２次元平面上に複数配列して構成される焦点可変レンズアレイ１２と、焦点が固定である固定焦点レンズが２次元平面上に複数配列して構成される固定焦点レンズアレイ１３とを有している。以下の説明において、３次元空間のｙ軸を図面の上下方向とし、ｚ軸を図面の横方向とし、ｘ軸をｙ軸及びｚ軸が構成する平面に対して垂直方向とする。
ここで、２次元画像表示部１１、焦点可変レンズアレイ１２及び固定焦点レンズアレイ１３とはそれぞれの２次元平面が平行となるように配置されている。
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態による３次元画像表示装置の構成例を示す概略ブロック図である。
本実施形態による３次元画像表示装置は、空間への３次元画像の画素の表示座標を制御する表示制御部１０と、複数の表示素子２１が２次元平面上に配列して構成される２次元画像表示部１１と、焦点距離が可変である焦点可変レンズ２２が２次元平面上に複数配列して構成される焦点可変レンズアレイ１２と、焦点が固定である固定焦点レンズが２次元平面上に複数配列して構成される固定焦点レンズアレイ１３とを有している。以下の説明において、３次元空間のｙ軸を図面の上下方向とし、ｚ軸を図面の横方向とし、ｘ軸をｙ軸及びｚ軸が構成する平面に対して垂直方向とする。
ここで、２次元画像表示部１１、焦点可変レンズアレイ１２及び固定焦点レンズアレイ１３とはそれぞれの２次元平面が平行となるように配置されている。
本実施形態においては、画像を表示する２次元画像表示部１１の表示素子２１（２次元画像の画素に対応）毎に、その光軸上において焦点距離を可変できる焦点可変レンズ２２が重なるように、２次元画像表示部１１と、焦点可変レンズアレイ１２とを平行に配置している。３次元画像を表示する際に入力される、各画素を表示する空間の座標位置を示す画像データ（ｘ，ｙ，ｚ）に対応し、上記表示制御部１０が２次元画像表示部２において画素を表示する表示素子２１を選択し、焦点可変レンズ２２の焦点距離を制御し、空間に３次元画像の画素を焦点可変レンズ２２が集光して再生画像を表示する。
図２の平面図（図１のｚ軸方向から見た平面図）に示すように、２次元画像表示部１１における表示素子２１は、２次元平面上に格子状に配置されている。３次元空間内において、３次元画像を構成するための２次元画像である要素画像を表示するため、２次元画像表示部１１における表示素子２１は複数個、本実施形態においては２２５個の表示素子２１が２５個のグループとして、分割領域Ｂ１〜Ｂ９の９つのグループに分割されている。そして、図２における線Ａ−Ａにおける断面が図１の２次元画像表示部１１に対応している。各表示素子２１からなる１つの上記分割領域に１つの固定焦点レンズ２３が平面視（ｚ軸方向）にて重なるように、固定焦点レンズアレイ１３が焦点可変レンズアレイ１２と所定の距離を置いて、焦点可変レンズアレイ１２の光が射出される側に配置されている。
上述した構成により、２次元画像表示部１１の各表示素子２１から出射された光が、焦点可変レンズアレイ１２及び固定焦点レンズアレイ１３を介することにより、空間において３次元画像である再生像１４が生成される。本実施形態においては、空間の画素の集合が、表示される３次元の再生像を形成するとして説明する。
以上、図２では、分割領域を正方格子状に配列した構成で説明したが、例えば、上記分割領域を俵積み(デルタ配置)状など、あるいは多角形状に分割領域を配置する構成として形成してもよい。なお、分割領域の横方向の画素数は、水平方向の視差数に対応し、縦方向の画素数は垂直方向の視差数に対応している。この分割領域では、横方向の画素数と縦方向の画素数が等しい必要はない。例えば、水平方向の視差数を増加させる場合には、縦方向の画素数を減少させ、横方向の画素数を増加させた分割領域にすればよい。逆に、垂直方向の視差数を増加させる場合には、横方向の画素数を減少させ、縦方向の画素数を増加させた分割領域にすればよい。もちろん、横方向の画素のみ、縦方向の画素のみとしてもよい。
固定焦点レンズアレイは、一般的な丸い円状のレンズのみでなく、要素画像の形状に応じた各種形状のレンズが使用でき、例えば、要素画像の縦と横の画素数が異なる場合は、横方向と縦方向の曲率が異なるレンズも使用できる。また、横方向の画素のみとする要素画像の場合は、固定焦点レンズはシリンドリカル状のものが使用できる。
図２の平面図（図１のｚ軸方向から見た平面図）に示すように、２次元画像表示部１１における表示素子２１は、２次元平面上に格子状に配置されている。３次元空間内において、３次元画像を構成するための２次元画像である要素画像を表示するため、２次元画像表示部１１における表示素子２１は複数個、本実施形態においては２２５個の表示素子２１が２５個のグループとして、分割領域Ｂ１〜Ｂ９の９つのグループに分割されている。そして、図２における線Ａ−Ａにおける断面が図１の２次元画像表示部１１に対応している。各表示素子２１からなる１つの上記分割領域に１つの固定焦点レンズ２３が平面視（ｚ軸方向）にて重なるように、固定焦点レンズアレイ１３が焦点可変レンズアレイ１２と所定の距離を置いて、焦点可変レンズアレイ１２の光が射出される側に配置されている。
上述した構成により、２次元画像表示部１１の各表示素子２１から出射された光が、焦点可変レンズアレイ１２及び固定焦点レンズアレイ１３を介することにより、空間において３次元画像である再生像１４が生成される。本実施形態においては、空間の画素の集合が、表示される３次元の再生像を形成するとして説明する。
以上、図２では、分割領域を正方格子状に配列した構成で説明したが、例えば、上記分割領域を俵積み(デルタ配置)状など、あるいは多角形状に分割領域を配置する構成として形成してもよい。なお、分割領域の横方向の画素数は、水平方向の視差数に対応し、縦方向の画素数は垂直方向の視差数に対応している。この分割領域では、横方向の画素数と縦方向の画素数が等しい必要はない。例えば、水平方向の視差数を増加させる場合には、縦方向の画素数を減少させ、横方向の画素数を増加させた分割領域にすればよい。逆に、垂直方向の視差数を増加させる場合には、横方向の画素数を減少させ、縦方向の画素数を増加させた分割領域にすればよい。もちろん、横方向の画素のみ、縦方向の画素のみとしてもよい。
固定焦点レンズアレイは、一般的な丸い円状のレンズのみでなく、要素画像の形状に応じた各種形状のレンズが使用でき、例えば、要素画像の縦と横の画素数が異なる場合は、横方向と縦方向の曲率が異なるレンズも使用できる。また、横方向の画素のみとする要素画像の場合は、固定焦点レンズはシリンドリカル状のものが使用できる。
上記２次元画像表示部１１は、液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micromirror Device）など外部の点光源からの光を各表示素子２１が変調する構成や、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）、ＥＬ（Electro Luminescence）、ＦＥＤ（Field Emission Display）、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）など自発光するタイプの表示素子２１を有する構成（この場合、表示素子自体が点光源となる）のディスプレイパネルを用いることができる。ここで、点光源の大きさとしては、設定された３次元画像の分解能に対応するグリッド間隔より小さい径を有するサイズとする。これにより、焦点可変レンズ２２により集光した際、グリッド間隔より小さい画素を形成することができる。
また、詳細は後述するが、焦点可変レンズアレイ１２を構成する焦点可変レンズ２２としては、例えば、液晶を用いたり、Electrowetting技術（少量の油と水、そして電圧をかけると疎水性から親水性に変化する素材の層で形成された表示素子）のように液体の形状を電気的に制御する方法などを用いたりすることができる。
また、詳細は後述するが、焦点可変レンズアレイ１２を構成する焦点可変レンズ２２としては、例えば、液晶を用いたり、Electrowetting技術（少量の油と水、そして電圧をかけると疎水性から親水性に変化する素材の層で形成された表示素子）のように液体の形状を電気的に制御する方法などを用いたりすることができる。
次に、本実施形態による３次元画像の表示の原理を図３を用いて説明する。図３は空間に対する３次元画像の画素の表示処理について説明する概念図である。
３次元画像の再生に寄与する分割領域Ｂ１〜Ｂ９各々の表示素子２１から、この表示素子２１に対応する焦点可変レンズ２２に対し、画素を形成する光が出射される。この画素を形成する光は、各焦点可変レンズ２２を通過し、さらに固定焦点レンズ２３により、空間における画像データのｚ軸方向の位置にて集光し、３次元画像の画素を形成する。このとき、分割領域Ｂ１〜Ｂ９において、それぞれ１つの表示素子２１が３次元座標における同一の座標位置にて集光し、この９つの表示素子２１の出射する光が集光した座標位置を画素として３次元画像が表示されることになる。ここで、２次元画像表示装部１１の分割領域Ｂ１〜Ｂ９各々には、３次元画像である再生像を形成するために、それぞれ同様の２次元画像である要素画像が表示される。
３次元画像の再生に寄与する分割領域Ｂ１〜Ｂ９各々の表示素子２１から、この表示素子２１に対応する焦点可変レンズ２２に対し、画素を形成する光が出射される。この画素を形成する光は、各焦点可変レンズ２２を通過し、さらに固定焦点レンズ２３により、空間における画像データのｚ軸方向の位置にて集光し、３次元画像の画素を形成する。このとき、分割領域Ｂ１〜Ｂ９において、それぞれ１つの表示素子２１が３次元座標における同一の座標位置にて集光し、この９つの表示素子２１の出射する光が集光した座標位置を画素として３次元画像が表示されることになる。ここで、２次元画像表示装部１１の分割領域Ｂ１〜Ｂ９各々には、３次元画像である再生像を形成するために、それぞれ同様の２次元画像である要素画像が表示される。
後述するように、分割領域Ｂ１〜Ｂ９における表示素子２１の位置と、焦点可変レンズ２２の焦点距離とにより、３次元空間において画素３２、３３、３４各々の位置を設定する。すなわち、２次元画像表示部１１に表示された要素画像からの光、すなわち要素画像を表示している表示素子２１からの光は、焦点可変レンズ２２により、その集光性が制御され、固定焦点レンズ２３を通過し、焦点可変レンズ２２の集光性の制御に対応した奥行き位置（画素３３の座標位置）で最も集光する。
また、画素３３より近い座標位置に像再生する場合、２次元画像表示部１１の分割領域における表示素子２１の位置を変化させるとともに、焦点可変レンズ２２の焦点距離を、画素３３の場合に比較して短くすることにより、固定焦点レンズアレイ１３の表面に対して、画素３３の距離に比較して近い座標位置に画素３４が表示されることになる。
また、画素３３の座標位置より遠い座標位置に像再生する場合、２次元画像表示部１１の分割領域における表示素子２１の位置を変化させるとともに、焦点可変レンズ２２の焦点距離を、画素３３の場合に比較して長くすることにより、固定焦点レンズアレイ１３の表面に対して、画素３３の距離に比較して遠い座標位置に画素３２が表示されることになる。
また、画素３３より近い座標位置に像再生する場合、２次元画像表示部１１の分割領域における表示素子２１の位置を変化させるとともに、焦点可変レンズ２２の焦点距離を、画素３３の場合に比較して短くすることにより、固定焦点レンズアレイ１３の表面に対して、画素３３の距離に比較して近い座標位置に画素３４が表示されることになる。
また、画素３３の座標位置より遠い座標位置に像再生する場合、２次元画像表示部１１の分割領域における表示素子２１の位置を変化させるとともに、焦点可変レンズ２２の焦点距離を、画素３３の場合に比較して長くすることにより、固定焦点レンズアレイ１３の表面に対して、画素３３の距離に比較して遠い座標位置に画素３２が表示されることになる。
したがって、要素画像を表示する表示素子２１各々に対し、適切に焦点可変レンズの焦点距離を個々に制御することにより、３次元画像の画素毎に、任意の奥行き位置に画素を集光させて、３次元画像を結像させることができる。
本実施形態の場合、画素の座標位置に、分割領域Ｂ１〜Ｂ９それぞれの対応する表示素子２１からの光を同一の座標位置において集光する（絞り込む）ことにより、複数の表示素子２１からの光により３次元画像の１画素を表示するため、従来のように光が広がることがなく空間解像度（空間分解能）を高くすることができる。
また、１個の固定焦点レンズから出力される光線に注目した場合、３次元画像の結像位置の各画素に光が集光するため、観察者が観察する際、ｚ軸方向の位置に応じて眼の焦点調整が機能する点も、立体視の疲労を抑制できるため従来手法と異なる。
本実施形態の場合、画素の座標位置に、分割領域Ｂ１〜Ｂ９それぞれの対応する表示素子２１からの光を同一の座標位置において集光する（絞り込む）ことにより、複数の表示素子２１からの光により３次元画像の１画素を表示するため、従来のように光が広がることがなく空間解像度（空間分解能）を高くすることができる。
また、１個の固定焦点レンズから出力される光線に注目した場合、３次元画像の結像位置の各画素に光が集光するため、観察者が観察する際、ｚ軸方向の位置に応じて眼の焦点調整が機能する点も、立体視の疲労を抑制できるため従来手法と異なる。
次に、本実施形態における３次元画像表示装置におけるｚ軸方向の座標位置の制御方法を図４により説明する。図４は、焦点可変レンズ２２の制御した焦点距離と、空間に表示される画素の座標位置との関係を説明する概念図である。ここで、２次元画像表示部１１の各表示素子２１が、焦点可変レンズ２２に対し、平行光として光４１を出射し、焦点可変レンズ２２には、上記光４１が平行光として入射する場合について説明する。焦点可変レンズ２２の焦点距離ｆの制御は、図１の表示制御部１０が入力される各要素画像の画素データ（ｘ，ｙ，ｚ）により行う。
図４（ａ）に示すように、焦点可変レンズ２２の焦点距離をｆ、固定焦点レンズ２３の焦点距離ｇとし、焦点可変レンズ２２と固定焦点レンズ２３との間隔をｆ＋ｇとする。
このとき、要素画像からの平行光線４１は、固定焦点レンズ２３通過後も、平行光線である出力光４２として出力される。
図４（ａ）に示すように、焦点可変レンズ２２の焦点距離をｆ、固定焦点レンズ２３の焦点距離ｇとし、焦点可変レンズ２２と固定焦点レンズ２３との間隔をｆ＋ｇとする。
このとき、要素画像からの平行光線４１は、固定焦点レンズ２３通過後も、平行光線である出力光４２として出力される。
また、図４（ｂ）及び（ｃ）に示すように、焦点可変レンズ２２の焦点距離をｆからｆ’＝ｆ−Δｆへ可変させると、固定焦点レンズ２３を通過後、画素である光の集光点４３までの距離Ｌが次の式（１）及び（２）により求められる。
１／（ｇ−Δｆ）＋１／Ｌ＝１／ｇ …（１）
Ｌ＝−ｇ（ｇ−Δｆ）／Δｆ …（２）
ここで、図４（ｂ）の場合、焦点距離がｆからｆ−Δｆ（Δｆ＜０）へと短くなっており、図４（ｃ）の場合、焦点距離がｆからｆ−Δｆ（Δｆ＞０）へと長くなっている。
上記図４における焦点距離と、固定焦点レンズ２３から光の集光点４３（空間に表示される画素の座標値）までの距離Ｌとの関係の一例として、図５に焦点距離の変化分Δｆと、上記距離Ｌとの関係を示すグラフである。この図５においては、固定焦点レンズ２３の焦点距離をｇ＝５．２４ｍｍとしている。ここで、Δｆを０〜１ｍｍと変化させた場合、距離Ｌは∞から２２．２ｍｍと変化し、一方、Δｆを０〜−１ｍｍと変化させた場合、距離Ｌは∞から−２２．２ｍｍへと変化する。
したがって、図５に示されるように、焦点可変レンズ２２と固定焦点レンズ２３との間隔をｆ＋ｇとしたとき、焦点距離ｇを中心としてΔｆを制御し、焦点可変レンズ２２の焦点距離ｆ’を調整することにより、広い奥行き範囲においてｚ軸方向の位置を制御することができる。
１／（ｇ−Δｆ）＋１／Ｌ＝１／ｇ …（１）
Ｌ＝−ｇ（ｇ−Δｆ）／Δｆ …（２）
ここで、図４（ｂ）の場合、焦点距離がｆからｆ−Δｆ（Δｆ＜０）へと短くなっており、図４（ｃ）の場合、焦点距離がｆからｆ−Δｆ（Δｆ＞０）へと長くなっている。
上記図４における焦点距離と、固定焦点レンズ２３から光の集光点４３（空間に表示される画素の座標値）までの距離Ｌとの関係の一例として、図５に焦点距離の変化分Δｆと、上記距離Ｌとの関係を示すグラフである。この図５においては、固定焦点レンズ２３の焦点距離をｇ＝５．２４ｍｍとしている。ここで、Δｆを０〜１ｍｍと変化させた場合、距離Ｌは∞から２２．２ｍｍと変化し、一方、Δｆを０〜−１ｍｍと変化させた場合、距離Ｌは∞から−２２．２ｍｍへと変化する。
したがって、図５に示されるように、焦点可変レンズ２２と固定焦点レンズ２３との間隔をｆ＋ｇとしたとき、焦点距離ｇを中心としてΔｆを制御し、焦点可変レンズ２２の焦点距離ｆ’を調整することにより、広い奥行き範囲においてｚ軸方向の位置を制御することができる。
次に、本実施形態における３次元画像表示装置におけるｘ軸及びｙ軸の２次元平面上での画素の座標位置の制御方法を図６により説明する。図６は空間の３次元座標において、図１の表示制御部１０による３次元画像の画素の形成処理について説明する概念図である。
図６に示すように、再生像６１を座標（ｘ，ｙ，ｚ）に再生する場合について、焦点可変レンズ２２と固定焦点レンズ２３の焦点距離、レンズ位置の関係を示す。焦点可変レンズ２２の焦点距離ｆ’をｆ＋Δｆ、そのレンズ中心座標を（ｘｅ，ｙｅ，−ｇ−ｆ）とし、焦点可変レンズ２２の焦点の座標を（ｘｅ，ｙｅ，−ｇ＋Δｆ）とする。ただし、このとき要素画像の位置と焦点可変レンズ２２の中心位置座標は等しいものとする。また、固定焦点レンズ２３の焦点距離をｇ、固定焦点レンズ２３の中心座標を（ｘ０，ｙ０，０）とする。焦点可変レンズ２２と固定焦点レンズ２３は、ｇ＋ｆだけ距離をおいて配置されているとする。また、座標（０，０，０）は、２次元画像表示部１１の全表示素子の中心にある表示素子の座標である。
図６に示すように、再生像６１を座標（ｘ，ｙ，ｚ）に再生する場合について、焦点可変レンズ２２と固定焦点レンズ２３の焦点距離、レンズ位置の関係を示す。焦点可変レンズ２２の焦点距離ｆ’をｆ＋Δｆ、そのレンズ中心座標を（ｘｅ，ｙｅ，−ｇ−ｆ）とし、焦点可変レンズ２２の焦点の座標を（ｘｅ，ｙｅ，−ｇ＋Δｆ）とする。ただし、このとき要素画像の位置と焦点可変レンズ２２の中心位置座標は等しいものとする。また、固定焦点レンズ２３の焦点距離をｇ、固定焦点レンズ２３の中心座標を（ｘ０，ｙ０，０）とする。焦点可変レンズ２２と固定焦点レンズ２３は、ｇ＋ｆだけ距離をおいて配置されているとする。また、座標（０，０，０）は、２次元画像表示部１１の全表示素子の中心にある表示素子の座標である。
上記条件の場合における再生像６１の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は以下の式（３）〜（５）により表される。
ｘ＝ｘ０＋（ｘｅ−ｘ０）・ｇ／Δｆ …（３）
ｙ＝ｙ０＋（ｙｅ−ｙ０）・ｇ／Δｆ …（４）
ｚ＝−ｇ・（ｇ−Δｆ）／Δｆ …（５）
式（３）〜（５）の式から、座標（ｘ，ｙ，ｚ）に再生像を再生するためには、焦点可変レンズ２２の焦点距離の可変量Δｆを、上記式（５）を変形した以下の式（６）により求めて設定する。
Δｆ＝−ｇ２／（ｚ−ｇ） …（６）
ｘ＝ｘ０＋（ｘｅ−ｘ０）・ｇ／Δｆ …（３）
ｙ＝ｙ０＋（ｙｅ−ｙ０）・ｇ／Δｆ …（４）
ｚ＝−ｇ・（ｇ−Δｆ）／Δｆ …（５）
式（３）〜（５）の式から、座標（ｘ，ｙ，ｚ）に再生像を再生するためには、焦点可変レンズ２２の焦点距離の可変量Δｆを、上記式（５）を変形した以下の式（６）により求めて設定する。
Δｆ＝−ｇ２／（ｚ−ｇ） …（６）
また、座標（ｘ，ｙ，ｚ）に再生像を再生するための焦点可変レンズ２２の位置、すなわち２次元画像表示部１１における表示素子２１の座標位置は、以下の式（７）及び（８）により求めて設定する。
ｘｅ＝ｘ０＋−ｇ・（ｘ−ｘ０）／（ｚ−ｇ） …（７）
ｙｅ＝ｙ０＋−ｇ・（ｙ−ｙ０）／（ｚ−ｇ） …（８）
したがって、表示制御部１０は、入力される画像データの各画素の空間における座標位置（ｘ，ｙ，ｚ）を、空間の３次元座標に表示させる再生像６１の各画素の座標位置として、焦点距離の可変量Δｆと、２次元画像表示部１１における表示素子２１の座標位置を算出し、上記再生像６１が空間に表示されるよう、２次元画像表示部１１及び焦点可変レンズアレイ１２を制御する。
ｘｅ＝ｘ０＋−ｇ・（ｘ−ｘ０）／（ｚ−ｇ） …（７）
ｙｅ＝ｙ０＋−ｇ・（ｙ−ｙ０）／（ｚ−ｇ） …（８）
したがって、表示制御部１０は、入力される画像データの各画素の空間における座標位置（ｘ，ｙ，ｚ）を、空間の３次元座標に表示させる再生像６１の各画素の座標位置として、焦点距離の可変量Δｆと、２次元画像表示部１１における表示素子２１の座標位置を算出し、上記再生像６１が空間に表示されるよう、２次元画像表示部１１及び焦点可変レンズアレイ１２を制御する。
次に、従来例と本実施形態とにおける３次元映像の視域角について説明する。図７に示すように、従来の一般的な焦点可変レンズを使った３次元映像表示方式（特開２００４−１４４８７４）においては、表示素子２１各々に対応する焦点可変レンズ２２により、表示素子２１から出射される光を結像させ、空中に３次元の再生像における画素を表示させている。
しかしながら、図７の方式においては、空中に再生された３次元映像を観察できる視域角θと奥行きの飛び出し量ｆ’と以下の式（９）で示す関係にある。
θ＝２arctan（Ｄ／２ｆ’） …（９）
上記式（９）において、飛び出し量ｆ’は焦点可変レンズ２２の可変された焦点距離であり、Ｄは焦点可変レンズ２２の直径であり、表示素子２１の光を射出する面の開口径と同様である。
しかしながら、図７の方式においては、空中に再生された３次元映像を観察できる視域角θと奥行きの飛び出し量ｆ’と以下の式（９）で示す関係にある。
θ＝２arctan（Ｄ／２ｆ’） …（９）
上記式（９）において、飛び出し量ｆ’は焦点可変レンズ２２の可変された焦点距離であり、Ｄは焦点可変レンズ２２の直径であり、表示素子２１の光を射出する面の開口径と同様である。
上記式（９）から判るように、観察者が３次元映像を観察できる視域角θと奥行きの飛び出し量ｆ’（すなわち、焦点可変レンズ２２の可変される焦点距離）とは、トレードオフの関係を有しており、奥行きの飛び出し量（画像の表示の奥行き）を大きくすると、視域角θが狭く制限されるという課題がある。
すなわち、式（９）において、表示素子２１の径Ｄはサブμｍである一方、奥行きをつけるため飛び出し量ｆ’を大きく取ろうとすると、視域角θは小さくなり、３次元映像を観察できる位置（角度範囲）が限定されてしまう。
すなわち、式（９）において、表示素子２１の径Ｄはサブμｍである一方、奥行きをつけるため飛び出し量ｆ’を大きく取ろうとすると、視域角θは小さくなり、３次元映像を観察できる位置（角度範囲）が限定されてしまう。
そこで、本実施形態においては、図８に示すように、対応する表示素子毎にそれぞれ焦点可変レンズの焦点位置を調整し、複数の固定焦点レンズ２３により、再生像の画素を構成して再生する。すなわち、空間に表示される３次元の再生画像における各画素は、複数の表示素子２１から出射された光が対応する固定焦点レンズ２３により結像されることで、複数の結像された光により形成されている。
このため、本実施形態における画素の視域角θ’は、以下の式（１０）により表される。
θ’＝２arctan（Ｄ’／２Ｌ）
＝２arctan[Ｄ’Δｆ／｛２ｇ・（ｇ−Δｆ）] …（１０）
上記式（１０）において、ｇは固定焦点レンズ２３の焦点距離、Δｆは焦点可変レンズ２２の焦点距離の可変量、Ｄ’は固定焦点レンズアレイ１３の有効径（固定焦点レンズアレイ１３を構成する固定焦点レンズ２３の径を加算した数値）である。
このため、本実施形態における画素の視域角θ’は、以下の式（１０）により表される。
θ’＝２arctan（Ｄ’／２Ｌ）
＝２arctan[Ｄ’Δｆ／｛２ｇ・（ｇ−Δｆ）] …（１０）
上記式（１０）において、ｇは固定焦点レンズ２３の焦点距離、Δｆは焦点可変レンズ２２の焦点距離の可変量、Ｄ’は固定焦点レンズアレイ１３の有効径（固定焦点レンズアレイ１３を構成する固定焦点レンズ２３の径を加算した数値）である。
上記式（１０）より、再生像における各画素の形成に寄与する固定焦点レンズアレイ１３における固定焦点レンズ２３の数を増加させることにより、固定焦点レンズアレイ１３の有効径Ｄ’を大きくできる。
これにより、３次元の再生像における１画素の再生に寄与する要素画像の画素数（すなわち、表示素子数）を増加させることに相当する。したがって、再生像である３次元映像の画素数は低減するが、広い視域を確保することができる。
なお、再生像の再生に必要な要素画像の画素数、及び固定焦点レンズ数は、式（１０）にしたがい、必要な視域角θ’が確保できるように、Δｆに応じて調整することにより、効率的に２次元画像の画素数（すなわち、２次元画像表示部１１の表示素子２１の数）を利用でき、質の高い再生像が得られる。
これにより、３次元の再生像における１画素の再生に寄与する要素画像の画素数（すなわち、表示素子数）を増加させることに相当する。したがって、再生像である３次元映像の画素数は低減するが、広い視域を確保することができる。
なお、再生像の再生に必要な要素画像の画素数、及び固定焦点レンズ数は、式（１０）にしたがい、必要な視域角θ’が確保できるように、Δｆに応じて調整することにより、効率的に２次元画像の画素数（すなわち、２次元画像表示部１１の表示素子２１の数）を利用でき、質の高い再生像が得られる。
次に、本実施形態に用いる焦点可変レンズ２２について説明する。焦点可変レンズ２２には、液晶素子を用いた焦点可変レンズが利用できる。したがって、焦点可変レンズアレイ１２としては液晶ディスプレイを用いる。この液晶素子を用いた焦点可変レンズの一例としては、透明基板上に、透明電極を積層し、この透明電極が積層された２枚の透明基板を所定距離の空間を有するように対向させ、対向した空間に液晶を充填するものが使用できる。上記透明基板の材料としては、例えばガラスや高分子フィルム等を用いることができる。また、上記透明電極としては酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）膜に錫（Ｓｎ）をドープしたＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）膜などの透明導電性薄膜などが使用できる。
上述したように構成した対向した透明基板の透明電極において、各液晶素子の片側もしくは、両側の中心に透明電極のない穴を開口した構造により、各液晶素子における液晶分子の配向特性が、当該液晶素子の中心部分と周辺部分とで異なり、レンズ機能に相当する屈折率分布を持たせることが可能となる。
上述したように構成した対向した透明基板の透明電極において、各液晶素子の片側もしくは、両側の中心に透明電極のない穴を開口した構造により、各液晶素子における液晶分子の配向特性が、当該液晶素子の中心部分と周辺部分とで異なり、レンズ機能に相当する屈折率分布を持たせることが可能となる。
また、対向する透明基板に施す配向膜による液晶分子の配向処理に空間分布を持たせることでも、焦点可変レンズは形成できる。上記配向膜は各液晶素子における液晶分子の配向方向を制御するものである。この配向膜の材料としては、透明基板がガラスである場合は、たとえば、ＳｉＯ２やポリイミド、あるいはポリビニールアルコール（ＰＶＡ）などの高分子膜が使用でき、また、透明基板が高分子フィルムなどの場合は、変成ＰＶＡやナイロンエポキシ−有機チタン系などが使用できる。
上記配向処理方法としては、配向膜表面を布などで一方向にこすることによるラビング配向処理や、光配向方法、斜方蒸着法や延伸高分子膜を利用する方法、グレーティング法、外場印加法、温度勾配法等が使用できる。これらの配向処理により、液晶分子が基板にアンカリングされ、液晶素子における液晶分子の方向性を３次元的に制御することができる。
上記配向処理方法としては、配向膜表面を布などで一方向にこすることによるラビング配向処理や、光配向方法、斜方蒸着法や延伸高分子膜を利用する方法、グレーティング法、外場印加法、温度勾配法等が使用できる。これらの配向処理により、液晶分子が基板にアンカリングされ、液晶素子における液晶分子の方向性を３次元的に制御することができる。
上述した配向膜また配向膜の少なくとも一つは、配向処理を場所により異なるものとする。つまり場所により液晶分子が配向膜にアンカリング（液晶分子の配列を規制）される方向を変化させ、その変化としては周期構造をもった回折格子とし、たとえばフレネルゾーンプレート状またはシリンドリカルレンズ状とする。この場合に使用する液晶としては、ネマティック液晶、コレステリック液晶、スメクティック液晶、強誘電性液晶、二周波駆動型液晶またはこれらの液晶の混合液晶が用いられる。液晶分子の配向の違いは、液晶分子が有する複屈折特性により、配向処理をされた部分を通過する光に対する屈折率の違いとなり、位相型の回折格子となる。その回折パターンがフレネルゾーンプレート状またはシリンドリカルレンズ状であるため、回折型レンズとなり、上記配向処理をされた部分を透過する光を集光することになる。
上述した液晶素子以外にも、液体の形状を変化させて、焦点可変レンズの機能を有する素子も利用することができる。
例えば、Electrowetting素子（電気湿潤現象を用い、液体レンズの曲率を制御するレンズ素子）など、液体と基板間への印加電圧を調整することにより、液体と基板表面の接触角を制御し、液体レンズの曲率を制御する方法なども使用できる。
さらには、レンズやピンホールなどの素子を機械的に高速にｚ軸方向（奥行き方向）に移動する素子を利用し、透過的に焦点距離を可変する素子も利用することが可能である。
また、この焦点可変レンズとして、高分子などで形成された高分子アクチュエーター（圧電アクチュエーター）により、ガラスあるいはゲル状の液体などにより形成されたレンズを変形させることにより、焦点距離を可変とする光学素子も使用することができる。
上述してきた焦点可変レンズは、円形状や四角形状のレンズなどのいずれの形状のレンズも使用することができる。また、レンズの焦点距離の制御方向が一方向のみであるレンズ、いわゆるシリンドリカル状のレンズを用いてもよい。
また、上述した焦点可変レンズを、通常の固定焦点レンズと組み合わせたものも、本実施形態の焦点可変レンズとして使用できる。一般に焦点可変レンズの焦点可変範囲は、デバイスの性能や構成、焦点距離を制御する駆動電圧などにより限定される。このため、通常の固定焦点のレンズと、焦点可変レンズとを組み合わせて使用することにより、焦点の可変範囲を調整することができる。
例えば、Electrowetting素子（電気湿潤現象を用い、液体レンズの曲率を制御するレンズ素子）など、液体と基板間への印加電圧を調整することにより、液体と基板表面の接触角を制御し、液体レンズの曲率を制御する方法なども使用できる。
さらには、レンズやピンホールなどの素子を機械的に高速にｚ軸方向（奥行き方向）に移動する素子を利用し、透過的に焦点距離を可変する素子も利用することが可能である。
また、この焦点可変レンズとして、高分子などで形成された高分子アクチュエーター（圧電アクチュエーター）により、ガラスあるいはゲル状の液体などにより形成されたレンズを変形させることにより、焦点距離を可変とする光学素子も使用することができる。
上述してきた焦点可変レンズは、円形状や四角形状のレンズなどのいずれの形状のレンズも使用することができる。また、レンズの焦点距離の制御方向が一方向のみであるレンズ、いわゆるシリンドリカル状のレンズを用いてもよい。
また、上述した焦点可変レンズを、通常の固定焦点レンズと組み合わせたものも、本実施形態の焦点可変レンズとして使用できる。一般に焦点可変レンズの焦点可変範囲は、デバイスの性能や構成、焦点距離を制御する駆動電圧などにより限定される。このため、通常の固定焦点のレンズと、焦点可変レンズとを組み合わせて使用することにより、焦点の可変範囲を調整することができる。
＜第２の実施形態＞
次に、図面を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図９は、本実施形態による３次元画像表示装置の構成例を示す概略ブロック図である。第２の実施形態の構成において、図１に示す第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。以下、第２の実施形態が第１の実施形態と異なる構成及び動作について説明する。
第１の実施形態にて説明したように、固定焦点レンズアレイ１３の固定焦点レンズ２３毎に対応して要素画像を表示するため、固定焦点レンズ２３の数が３次元画像の画素数、すなわち分解能となる。したがって、２次元画像表示部１１は、高精細な再生画像を得るため、すなわち画素を形成するため、多くの表示素子を有することが必要となる。
次に、図面を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。図９は、本実施形態による３次元画像表示装置の構成例を示す概略ブロック図である。第２の実施形態の構成において、図１に示す第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。以下、第２の実施形態が第１の実施形態と異なる構成及び動作について説明する。
第１の実施形態にて説明したように、固定焦点レンズアレイ１３の固定焦点レンズ２３毎に対応して要素画像を表示するため、固定焦点レンズ２３の数が３次元画像の画素数、すなわち分解能となる。したがって、２次元画像表示部１１は、高精細な再生画像を得るため、すなわち画素を形成するため、多くの表示素子を有することが必要となる。
上述した理由により、１台の２次元画像表示部１１を１枚の平面ディスプレイにより構成すると、精細な３次元の再生像を再生する際に、再生画像の画素数が不足する。このため、図９に示すように、２次元画像表示部１１を多くのマイクロディスプレイ９１を用いて、固定焦点レンズアレイ１３における固定焦点レンズ２３毎に、すなわち図２で示した分割領域（Ｂ１〜Ｂ９）毎に表示ブロック１００として構成してもよい。
マイクロディスプレイ９１各々には、それぞれマイクロディスプレイ駆動回路９２（表示素子２１及び焦点可変レンズ２２の焦点制御を行う）が備えられており、独立に画像表示が可能な構成とされている。
マイクロディスプレイ９１各々には、それぞれマイクロディスプレイ駆動回路９２（表示素子２１及び焦点可変レンズ２２の焦点制御を行う）が備えられており、独立に画像表示が可能な構成とされている。
上記各マイクロディスプレイ９１に表示される映像は、図示しない表示制御部１０から出力される外部同期信号９３により調相されている（すなわち、同期が取られている）。
また、表示制御部１０は、外部装置から入力される、画像データにおける各画素の空間での座標位置（ｘ，ｙ，ｚ）から、空間の３次元座標に表示させる再生像の各画素の座標位置として、焦点距離の可変量Δｆと、マイクロディスプレイ９１における表示素子２１の座標位置を算出する。
そして、表示制御部１０は、表示素子２１の座標位置に対応するマイクロディスプレイ９１に、その表示素子の座標位置と、各表示素子に対応する焦点可変レンズ２２の可変量Δｆとを送信し、表示タイミングに外部同期信号９３を出力する。
各マイクロディスプレイ駆動回路９２は、入力される要素画像のマイクロディスプレイ９１における座標位置と可変量Δｆとにより、座標位置に対応した表示素子２１の制御、及び当該表示素子に対応した焦点可変レンズ２２の制御を、マイクロディスプレイ９１条の表示素子２１毎に行う。
また、表示制御部１０は、外部装置から入力される、画像データにおける各画素の空間での座標位置（ｘ，ｙ，ｚ）から、空間の３次元座標に表示させる再生像の各画素の座標位置として、焦点距離の可変量Δｆと、マイクロディスプレイ９１における表示素子２１の座標位置を算出する。
そして、表示制御部１０は、表示素子２１の座標位置に対応するマイクロディスプレイ９１に、その表示素子の座標位置と、各表示素子に対応する焦点可変レンズ２２の可変量Δｆとを送信し、表示タイミングに外部同期信号９３を出力する。
各マイクロディスプレイ駆動回路９２は、入力される要素画像のマイクロディスプレイ９１における座標位置と可変量Δｆとにより、座標位置に対応した表示素子２１の制御、及び当該表示素子に対応した焦点可変レンズ２２の制御を、マイクロディスプレイ９１条の表示素子２１毎に行う。
そして、マイクロディスプレイ９１における表示素子２１から射出される光は、第１の実施形態と同様に、焦点可変レンズ２２と固定焦点レンズ２３を介して、３次元画像の再生像の画素として空間に結像される。そして、第１の実施形態と同様に、固定焦点レンズ２３各々に対応して、マイクロディスプレイ９１に表示される２次元画像の各画素が、表示素子２１から出射される光を空間にて画素として結像し、複数の２次元画像の画素で形成される空間の画素によって３次元の再生像が表示される。
上述したように、本実施形態においては、１台のマイクロディスプレイ９１に対し、１個の固定焦点レンズ２３が対応する構成を用いることができる。
この構成により、マイクロディスプレイ９１毎の表示画像の画質の違い（マイクロディスプレイ９１間におけるの表示素子の位置のバラツキなど）を、３次元画像表示した際、固定焦点レンズ毎のムラとして補正することができ、再生する３次元の再生像の画質低下を抑制することができる。
この構成により、マイクロディスプレイ９１毎の表示画像の画質の違い（マイクロディスプレイ９１間におけるの表示素子の位置のバラツキなど）を、３次元画像表示した際、固定焦点レンズ毎のムラとして補正することができ、再生する３次元の再生像の画質低下を抑制することができる。
また、上述したように、マイクロディスプレイ９１を複数、すなわち固定焦点レンズ２３の数のマイクロディスプレイ９１を用いて２次元画像表示部１１を構成した場合、各マイクロディスプレイ９１の間の間隙を補正処理する必要がある。
この場合は、図１０に示すように、離散的に２次元に配置されたマイクロディスプレイ９１の各表示素子から出射した光を、リレー結像光学機構１０１を介して焦点可変レンズアレイ１２の焦点可変レンズ２２に入力する構成とする。この構成により、焦点可変レンズアレイ１２は、第１の実施形態と同様に、間隙なく焦点可変レンズ２２が配置されたレンズアレイ構造とすることができる。
この場合は、図１０に示すように、離散的に２次元に配置されたマイクロディスプレイ９１の各表示素子から出射した光を、リレー結像光学機構１０１を介して焦点可変レンズアレイ１２の焦点可変レンズ２２に入力する構成とする。この構成により、焦点可変レンズアレイ１２は、第１の実施形態と同様に、間隙なく焦点可変レンズ２２が配置されたレンズアレイ構造とすることができる。
すなわち、上記リレー結像光学機構１０１は、複数のレンズから構成されており、上記焦点可変レンズアレイ１２の各焦点可変レンズ２２に対し、マイクロディスプレイ９１における表示素子２１各々から出射された光が、それぞれ対応する焦点可変レンズ２２に入力する光路を構成する。
上述したリレー結像光学機構１０１の例としては、テレセントリックな４ｆ結像光学系が使用できる。これにより、マイクロディスプレイ９１に表示された要素画像を、歪曲の少ない像として、各表示素子２１から出射される光が、精度よく焦点可変レンズアレイ１２における対応する焦点可変レンズ２２に入力させることができる。
上述したリレー結像光学機構１０１の例としては、テレセントリックな４ｆ結像光学系が使用できる。これにより、マイクロディスプレイ９１に表示された要素画像を、歪曲の少ない像として、各表示素子２１から出射される光が、精度よく焦点可変レンズアレイ１２における対応する焦点可変レンズ２２に入力させることができる。
＜第３の実施形態＞
次に、図面を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。図１１は、本実施形態による３次元画像表示装置の構成例を示す概略ブロック図である。第３の実施形態は、点光源１１０及び固定焦点レンズアレイ１３間における２次元画像表示部１１及び焦点可変レンズアレイ１２の配置に関するものであり、他の構成及び動作については第１の実施形態及び第２の実施形態の構成及び動作と同様である。
本発明においては、点光源１１０と固定焦点レンズアレイ１３との間において、焦点可変レンズアレイ１２と、２次元画像表示部１１との配置関係は、どちらを固定焦点レンズアレイ１３側に設けても良い。
すなわち、すでに説明した第１の実施形態及び第２の実施形態に記載したように、点光源１１０からの光の進行方向において、２次元画像表示部１１の後に、焦点可変レンズアレイ１２があるか、もしくは、図１１のように、点光源１１０が配置され、次段に焦点可変レンズアレイ１２が配置され、その次段に液晶素子のように光を変調するタイプの２次元画像表示部１１が配置され、その次段に固定焦点レンズアレイ１３を配置しても良い。
次に、図面を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。図１１は、本実施形態による３次元画像表示装置の構成例を示す概略ブロック図である。第３の実施形態は、点光源１１０及び固定焦点レンズアレイ１３間における２次元画像表示部１１及び焦点可変レンズアレイ１２の配置に関するものであり、他の構成及び動作については第１の実施形態及び第２の実施形態の構成及び動作と同様である。
本発明においては、点光源１１０と固定焦点レンズアレイ１３との間において、焦点可変レンズアレイ１２と、２次元画像表示部１１との配置関係は、どちらを固定焦点レンズアレイ１３側に設けても良い。
すなわち、すでに説明した第１の実施形態及び第２の実施形態に記載したように、点光源１１０からの光の進行方向において、２次元画像表示部１１の後に、焦点可変レンズアレイ１２があるか、もしくは、図１１のように、点光源１１０が配置され、次段に焦点可変レンズアレイ１２が配置され、その次段に液晶素子のように光を変調するタイプの２次元画像表示部１１が配置され、その次段に固定焦点レンズアレイ１３を配置しても良い。
上述した図１１の配置の場合、点光源１１０は、焦点可変レンズ２２および２次元画像表示部１１の１画素に１個の割合で配置してもよい。ここで、点光源１１０としては、発光素子の径の大きさが微小な方が、集光点１１１を小さくできるため、空間にて画素を複数の表示素子２１から出射される光を結像する場合、複数の光が結像されて形成される画素の大きさをより小さくできるため、再生像の解像度を向上するために有効である。例えば、点光源１１０の径としては表示素子２１の径に比較して十分に小さくすることが必要である。
また、図１２に示すように、点光源１１０の後に、光を平行光とする照明光学系１２０を点光源１１０と焦点可変レンズアレイ１２との間に、表示素子２１毎に設ける構成としても良い。
そして、上記照明光学系１２０により、各点光源１１０から出射される光が平行光とされ、２次元画像表示部１１において照明光学系１２０に対応する表示素子２１に入力される。この構成によれば、表示素子２１により変調されて出射される光が焦点可変レンズ２２に入射されることになる。
そして、上記照明光学系１２０により、各点光源１１０から出射される光が平行光とされ、２次元画像表示部１１において照明光学系１２０に対応する表示素子２１に入力される。この構成によれば、表示素子２１により変調されて出射される光が焦点可変レンズ２２に入射されることになる。
また、さらに他の構成として、図１３に示すように、２次元画像表示部１１に対して１つあるいは複数個の点光源１１０を１個もしくは複数個有し、点光源１１０が出射する光を平行光に変換し、２次元画像表示部１１の各表示素子２１に対して入射させる照明光学系１２１を有する構造でもよい。
ここで、図１３に示すように、２次元画像表示部１１に対して１つ、あるいは要素画像を表示する領域（固定焦点レンズ２３に対応する２次元画像表示部１１の表示素子範囲）毎に、上記照明光光学系１２１を設ける構成とし、対応して配置されている表示素子２１に対して平行光を入射させるようにしても良い。
ここで、図１３に示すように、２次元画像表示部１１に対して１つ、あるいは要素画像を表示する領域（固定焦点レンズ２３に対応する２次元画像表示部１１の表示素子範囲）毎に、上記照明光光学系１２１を設ける構成とし、対応して配置されている表示素子２１に対して平行光を入射させるようにしても良い。
＜第４の実施形態＞
次に、図面を参照して、本発明の第４の実施形態について説明する。図１４は、本実施形態による３次元画像表示装置の構成例を示す概略ブロック図である。第４の実施形態は、点光源１１０の配置に関するものであり、他の構成及び動作については第１の実施形態から第３の実施形態のいずれかの構成及び動作と同様である。
２次元画像表示部１１の表示素子２１の１素子に対し、複数個（図においてはｘ方向に４行及びｙ方向に４列の格子状配置により、４×４＝１６個）の点光源１１０を配置し、表示素子２１毎に設けられた複数の点光源１１０において、複数の点光源１１０のいずれかを発光する点光源１１０として選択し、選択した点光源１１０を点灯させることにより、表示素子２１を透過する光に傾きを与えることができる。
次に、図面を参照して、本発明の第４の実施形態について説明する。図１４は、本実施形態による３次元画像表示装置の構成例を示す概略ブロック図である。第４の実施形態は、点光源１１０の配置に関するものであり、他の構成及び動作については第１の実施形態から第３の実施形態のいずれかの構成及び動作と同様である。
２次元画像表示部１１の表示素子２１の１素子に対し、複数個（図においてはｘ方向に４行及びｙ方向に４列の格子状配置により、４×４＝１６個）の点光源１１０を配置し、表示素子２１毎に設けられた複数の点光源１１０において、複数の点光源１１０のいずれかを発光する点光源１１０として選択し、選択した点光源１１０を点灯させることにより、表示素子２１を透過する光に傾きを与えることができる。
そして、焦点可変レンズ２２を上記傾きを与えられた光が透過することにより、集光点１１１の位置をｘ，ｙ平面（２次元平面）上において、光の傾きの角度と結像する奥行きの距離とに応じた距離だけ、２次元平面内方向に移動させることができる。
そして、集光点１１１から出射される光を結像する点を画素として、固定焦点レンズ２３が３次元の再生像を形成する。
この構成においては、背面の点光源１１０の選択により、再生像１４３のｘ，ｙ２次元平面内の画素位置（光の結像位置）の微調整を可能とすることができる。
そして、集光点１１１から出射される光を結像する点を画素として、固定焦点レンズ２３が３次元の再生像を形成する。
この構成においては、背面の点光源１１０の選択により、再生像１４３のｘ，ｙ２次元平面内の画素位置（光の結像位置）の微調整を可能とすることができる。
＜第５の実施形態＞
次に、図面を参照して、本発明の第５の実施形態について説明する。図１５は、本実施形態による３次元画像表示装置の構成例を示す概略ブロック図である。第５の実施形態は、３次元画像表示装置において、３次元画像を表示させるか、あるいは２次元画像を表示させるかの切り替えを行う構成に関するものであり、他の構成及び動作については第１の実施形態から第４の実施形態のいずれかの構成及び動作と同様である。
図１５（ａ）に示すように、光の進行方向において、２次元画像表示部１１の次段に、光の偏光方向を、第１の偏光方向（たとえばｐ相）及び第２の偏光方向（例えばｓ相）に切り替えることができる偏光変換素子１５１が設けられている。例えば、本実施形態における偏光変換素子１５１は、電圧が印加されない場合（図１５（ａ））、第１の偏光方向であり、電圧が印加された場合（図１５（ｂ））、第２の偏光方向となる。ここで、表示制御部１０は、観察者が３次元画像を表示する、あるいは２次元画像を表示するかの選択制御を切り換えスイッチにより行うことにより、電圧の印加の制御を行う。
次に、図面を参照して、本発明の第５の実施形態について説明する。図１５は、本実施形態による３次元画像表示装置の構成例を示す概略ブロック図である。第５の実施形態は、３次元画像表示装置において、３次元画像を表示させるか、あるいは２次元画像を表示させるかの切り替えを行う構成に関するものであり、他の構成及び動作については第１の実施形態から第４の実施形態のいずれかの構成及び動作と同様である。
図１５（ａ）に示すように、光の進行方向において、２次元画像表示部１１の次段に、光の偏光方向を、第１の偏光方向（たとえばｐ相）及び第２の偏光方向（例えばｓ相）に切り替えることができる偏光変換素子１５１が設けられている。例えば、本実施形態における偏光変換素子１５１は、電圧が印加されない場合（図１５（ａ））、第１の偏光方向であり、電圧が印加された場合（図１５（ｂ））、第２の偏光方向となる。ここで、表示制御部１０は、観察者が３次元画像を表示する、あるいは２次元画像を表示するかの選択制御を切り換えスイッチにより行うことにより、電圧の印加の制御を行う。
そして、図１５（ａ）に示すように、偏光変換素子１５１に対して電圧が印加されていない場合、偏光変換素子１５１は、入射する光を第１の偏光方向に偏光方向を変換させる。この第１の偏光方向により光が入射した場合、焦点可変レンズ２２は、例えば、上記第１の偏光方向に対して、焦点の調節機能（焦点距離を可変量Δｆにて可変する機能）が有効に働く構成となっている。また、固定焦点レンズ２３も、この第１の偏光方向に対し、ある焦点距離を有する。
一方、図１５（ｂ）に示すように、偏光変換素子１５１に対して電圧が印加されている場合、偏光変換素子１５１は、光の偏光方向を上記第１の偏光方向に対し、逆位相の第２の偏光方向に、入射される光の偏光方向を変換する。この第２の偏光方向の光が入射した場合、全ての焦点可変レンズ２２の焦点距離が制御にかかわらず一定値となる。また、固定焦点レンズ２３もこの第２の偏光方向においては、レンズ機能として働かない特性、すなわちガラス基板となる特性を持つ材料により構成する。
上述した構成により、上記偏光変換素子１５１の電気的な制御により、本実施形態の３次元画像表示装置に、図１５（ａ）の場合は３次元画像を表示し、図１５（ｂ）の場合は２次元画像を表示させることができる。
一方、図１５（ｂ）に示すように、偏光変換素子１５１に対して電圧が印加されている場合、偏光変換素子１５１は、光の偏光方向を上記第１の偏光方向に対し、逆位相の第２の偏光方向に、入射される光の偏光方向を変換する。この第２の偏光方向の光が入射した場合、全ての焦点可変レンズ２２の焦点距離が制御にかかわらず一定値となる。また、固定焦点レンズ２３もこの第２の偏光方向においては、レンズ機能として働かない特性、すなわちガラス基板となる特性を持つ材料により構成する。
上述した構成により、上記偏光変換素子１５１の電気的な制御により、本実施形態の３次元画像表示装置に、図１５（ａ）の場合は３次元画像を表示し、図１５（ｂ）の場合は２次元画像を表示させることができる。
上述した構成と同様に、３次元画像と２次元画像を切り替え表示する別の構成を図１６に示す。焦点可変レンズアレイ１２における焦点可変レンズ２２の焦点距離を制御し、焦点可変レンズ２２で集光する点の位置を、固定焦点レンズ２３から、固定焦点レンズ２３の焦点距離ｇの２倍の位置に制御する。この制御も、観察者が３次元画像または２次元画像のいずれを表示させるかを、スイッチにより選択することにより、表示制御部１０が焦点可変レンズ２２の焦点距離の制御を行う。
このとき、固定焦点レンズ２３で結像される画素の位置は、固定焦点レンズアレイ１３から２ｇの距離に、倍率１倍で結像されることになる。例えば、集光点１ａの画素が座標点１ａ’に表示され、集光点１ｂの画素が座標点１ｂ’、…、集光点２ｃの画素が座標点２ｃ’に表示される。
この倍率１倍にて結像される画素数としては、２次元画像表示部１１の表示素子２１の数と同じ数の画素が、固定焦点レンズアレイ１３から２ｇの距離におけるｘ、ｙ２次元平面上に再生される。
このとき再生される画像が通常の２次元画像が再生されるように画素制御することで、３次元画像を表示する場合と２次元画像を表示する場合に切り替えることができる。
このとき、固定焦点レンズ２３で結像される画素の位置は、固定焦点レンズアレイ１３から２ｇの距離に、倍率１倍で結像されることになる。例えば、集光点１ａの画素が座標点１ａ’に表示され、集光点１ｂの画素が座標点１ｂ’、…、集光点２ｃの画素が座標点２ｃ’に表示される。
この倍率１倍にて結像される画素数としては、２次元画像表示部１１の表示素子２１の数と同じ数の画素が、固定焦点レンズアレイ１３から２ｇの距離におけるｘ、ｙ２次元平面上に再生される。
このとき再生される画像が通常の２次元画像が再生されるように画素制御することで、３次元画像を表示する場合と２次元画像を表示する場合に切り替えることができる。
また、図１７に示すように、焦点可変レンズアレイ１２における全ての焦点可変レンズ２２の焦点距離を一定となるように制御し、焦点可変レンズ２２による集光点１ａ〜２ｃの位置を、固定焦点レンズ２３から距離Ａの位置に設定する。このとき、固定焦点レンズ２３を介して再生される結像点の位置は、固定焦点レンズアレイ１３から距離Ａ離れた２次元平面上になる。この制御も、観察者が３次元画像または２次元画像のいずれを表示させるかを、スイッチにより選択することにより、表示制御部１０が焦点可変レンズ２２の焦点距離の制御を行う。
このとき、各焦点可変レンズ２２の集光点１ａ〜２ｃ間の距離が一定になるように、距離Ａを設定することにより、２次元平面状に２次元画像を表示することができる。このとき２次元画像表示部１１には、２次元画像再生時に正しい２次元画像が再生されるように表示する。
このとき、各焦点可変レンズ２２の集光点１ａ〜２ｃ間の距離が一定になるように、距離Ａを設定することにより、２次元平面状に２次元画像を表示することができる。このとき２次元画像表示部１１には、２次元画像再生時に正しい２次元画像が再生されるように表示する。
図１６及び図１７で説明した３次元画像及び２次元画像の表示を切り替える構成の場合、図１８に示すように、電気的にスクリーンの拡散度を制御できる拡散変調スクリーン１８１を、２次元画像を表示する際に画素が結像する２次元平面に配置させる構成としても良い。３次元画像を表示する場合、拡散変調スクリーン１８１を透明にし、奥行き方向に画素を表示可能とし、一方、２次元画像を表示する場合、拡散変調スクリーン１８１の拡散度を上げて拡散状態にする。この制御も、観察者が３次元画像または２次元画像のいずれを表示させるかを、スイッチにより選択することにより、表示制御部１０が焦点可変レンズ２２の焦点距離の制御とともに、拡散変調スクリーン１８１の拡散度の制御を行う。
上述した本実施形態において、表示制御部１０は、２次元画像の表示を行う際、２次元画像表示部１１の表示素子２１の領域を分割し、分割した領域毎に要素画像を表示させることはせずに、通常の２次元ディスプレイと同様に全面にて２次元画像の表示を行う。また、各表示素子２１には図示しない点光源から平行光が入射されている。
上述した本実施形態において、表示制御部１０は、２次元画像の表示を行う際、２次元画像表示部１１の表示素子２１の領域を分割し、分割した領域毎に要素画像を表示させることはせずに、通常の２次元ディスプレイと同様に全面にて２次元画像の表示を行う。また、各表示素子２１には図示しない点光源から平行光が入射されている。
また、図１における表示制御部１０の座標位置を演算する機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより座標位置の演算を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
上述したように、本発明の各実施形態は、従来のように、３次元映像を観察するための特殊な眼鏡を用いる必要がなく、静止画及び動画による自然な３次元映像を表示するディスプレイとして用いることができる３次元画像表示装置である。
例えば、本発明の各実施形態は、将来の３次元映像放送時代の家庭用ディスプレイとして、また、医療やゲーム、教育など３次元映像を必要する用途に用いることができる。
例えば、本発明の各実施形態は、将来の３次元映像放送時代の家庭用ディスプレイとして、また、医療やゲーム、教育など３次元映像を必要する用途に用いることができる。
１ａ，１ｂ，１ｃ，２ａ，２ｂ，２ｃ，４３，１１１…集光点
１０…表示制御部
１１…２次元画像表示部
１２…焦点可変レンズアレイ
１３…固定焦点レンズアレイ
１４，６１，１４３…再生像
２１…表示素子
２２…焦点可変レンズ
２３…固定焦点レンズ
３２，３３，３４…画素
１１０…点光源
９１…マイクロディスプレイ
９２…マイクロディスプレイ駆動回路
９３…外部同期信号
１００…表示ブロック
１２０…照明光学系
１５１…偏光変換素子
１８１…拡散変調スクリーン
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８，Ｂ９…分割領域
１０…表示制御部
１１…２次元画像表示部
１２…焦点可変レンズアレイ
１３…固定焦点レンズアレイ
１４，６１，１４３…再生像
２１…表示素子
２２…焦点可変レンズ
２３…固定焦点レンズ
３２，３３，３４…画素
１１０…点光源
９１…マイクロディスプレイ
９２…マイクロディスプレイ駆動回路
９３…外部同期信号
１００…表示ブロック
１２０…照明光学系
１５１…偏光変換素子
１８１…拡散変調スクリーン
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８，Ｂ９…分割領域
Claims (7)
- ２次元平面画像である複数の要素画像における対応する画素を３次元空間において重ねることにより、３次元画像を表示するインテグラルフォトグラフィ方式の３次元画像表示装置であり、
複数の表示素子が配列し、当該画素が前記要素画像を表示する複数の分割領域に分割されている２次元画像表示部と、
該２次元画像表示部における前記表示素子毎の光軸上にそれぞれ配置された焦点可変レンズと、
該焦点可変レンズの光の出射側において、前記分割領域各々と重なる位置にそれぞれ配置されたレンズと、
前記分割領域における画素の位置及び前記焦点可変レンズの焦点距離とを制御することにより、前記空間における３次元画像の画素である、前記表示素子から出射される光の集光点を制御する表示制御部と
を有することを特徴とする３次元画像表示装置。 - 前記２次元画像表示部における表示素子が、設定された分解能に対応するグリッド間隔より小さい径を有する点光源である発光素子にて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の３次元画像表示装置。
- 前記２次元画像表示部が、
設定された分解能に対応するグリッド間隔より小さい径を有する点光源と見なせる発光部と、
透過型あるいは反射型であり前記発光部からの光を変調する表示素子が配列された表示素子アレイと
から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の３次元画像表示装置。 - 前記分割領域と、前記分割領域の表示素子に対応して設けられた前記焦点可変レンズと、前記分割領域と平面視にて重なる位置に配置されたレンズと、前記分割領域に対応する可変焦点レンズを調整する前記表示制御部とが、１つの表示モジュールとして構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の３次元画像表示装置。
- 前記焦点可変レンズに対して複数の点光源を設け、いずれの点光源を用いるかにより要素画像の表示される画素の位置を、２次元画像表示部と平行な２次元平面上にて制御することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の３次元画像表示装置。
- 前記表示制御部が、前記２次元画像表示部の各表示素子に対応する全ての焦点可変レンズの焦点距離を、予め設定された同一値とすることにより、前記２次元画像表示部に表示された画像を、当該２次元画像表示部からの距離が前記焦点距離である２次元表示平面に表示させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の３次元画像表示装置。
- 前記２次元表示平面の位置に配置され、光を透過させる透明な状態と、光を拡散させる状態とに切り換える拡散スクリーンをさらに有し、
３次元画像を表示する際、前記拡散スクリーンを光を透過させる透明な状態とし、一方、２次元画像を表示する際、前記拡散スクリーンを光を拡散させる状態とすることを特徴とする請求項６に記載の３次元画像表示装置。
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