JP2007240965A - 立体表示ディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】薄型で光の利用効率がよく、かつ、多視点に対応できる高速光方向制御バックライトおよびこれを用いた直視型立体表示ディスプレイ、ならびに高速光方向制御が可能な投写光学系およびこれを用いた投写型立体表示ディスプレイを提供する。
【解決手段】直視型では、３次元線型空間結像光学系を有するバックライトシステム15に空間光変調器型の画像表示デバイス22を組合わせてなり、ｎ視点インテグラルフォトグラフィーの指向性画像を、時間分割で光の方向を変化させて、高速にｎ枚表示する。また、投写型では、プロジェクションディスプレイにおいて、スクリーンからの出射光の方向を時間分割で切り替える手段を有する。この手段は、１個またはｍ個の画像表示デバイス22と拡大投写光学系（例：焦点距離f₂のレンズ５）とからなる。
【選択図】図６

Description

本発明は、立体表示ディスプレイに関し、詳しくは、時間分割、又は、時間分割と空間分割の併用型、方向性画像表示インテグラルフォトグラフィーの直視型立体ディスプレイ及び、プロジェクション型立体表示ディスプレイに関する。なお、本明細書において、「IP」は「インテグラルフォトグラフィー」を意味する。

近年、３次元表示ディスプレイへの関心が高まるにつれ、よりリアルな立体表示システムが要求されるようになってきた。提案されている多くの方式の中でも、ホログラムのように、レーザ光を必要とせず、ディスプレイの解像度も光の波長オーダである必要もなく、かつ、カラー化が容易でメガネも不要、広視野化の可能性が高いものに、多視点型立体表示方式がある。

これは、基本となる２視点（２眼式）から、多視点（多眼式）、そして、視点数を多くし、非常にリアルな立体表示を可能にする、インテグラルフォトグラフィー（略号：IP）技術を用いた方式のことである（例えば非特許文献１〜５）。
なお、下記諸文献のうち、非特許文献１〜５以外は、後述の発明の開示の項中で参考文献として挙げられるものであり、非特許文献６はOCB、非特許文献７〜１０はFLC、非特許文献１１、１２はDMD、非特許文献１３はルミスティ、特許文献１は３次元線型空間結像光学系に関する文献である。
特願２００５−２００９６９（公開番号未発番） M.G.Lippman：Epreuves reversibles donnant la sensation du relief. J.de phys.,7,4th series(November 1908),821-825 H.E.Ives：Optical properties of a Lippman lenticulated sheet. J. Opt.Soc.Am.,21(March 1931),171-176 A.P.Sokolov："Autostereoscopy and integral photography by Professor Lippman’s method",Izd.MGU,Moscow State University Press,1911 C.B.Burckhardt and E.T.Doherty：Beaded plate recording of integral photographs. Appl.Opt.,8,No.11(November 1969),2329-2331 R.L.DeMontebello：Wide-angle integral photography-The integram system. Proc.1977 SPIE Annu.Tech.Conf.,San Diego,Seminar 10,No.120-08(August 1977),Tech.Digest 73-91 Y.Yamaguchi,T.Miyashita and T.Uchida：SID’93 Digest,p.277-281(1993) Meyer,R.B："Ferroelectric Liquid Crystals"：A Review.Mol.Cryst.&Liq.Cryst.,40,p.33(1977) Meyer,R.B.,Lieb▲e▼rt,L.Strzelecki,L.and Keller,P.："Ferroelectric Liquid Crystals",J.Phys.(France),36 p.L 69(1975) Clark,N.A.and Lagerwall,S.T.："Submicrosecond Bistable Electro-Optic Switching in Liquid Crystals",Appl.Phys.Lett.,36,p.899(1980) Clark,N.A.,Handschy,M.A.and Lagerwall,S.T.："Ferroelectric Liquid Crystal Electro-Optics Using the Surface Stabilized Structure",Mol.Cryst.&Liq.Cryst.,94,p.213(1983) R.N.Thomas,J.Guldberg,H.C.Nathanson and P.R.Malmberg：IEEE Transactions on Electron Devices,ED-22(1975) P.G.Serafimovich,B.H.Cheong,P.S.Ahn,J.K.Shin and S.H.Kim："DMD Illumination Using Diffractive Optical Elements",SID 2005 Digest of technical papers Vol.36-I p.902-905 沖田ら:住友化学1991-Ｉ，p.37-48

ＩＰ技術を用いた方式では、上述のように、視点数を多くすればするほど、リアルな立体表示が可能になるが、その分、ディスプレイに要求される画素数が多くなり、非常に高価なものになる。画素数を一定と考え視点数を多くとるとその分、一方向の表示画像の解像度が劣化する（ｎ視点に対し、１／ｎの解像度）。これは、多視点の表示を空間分割のみによって行っているためである。

よって、この問題を解決する方法として、時間分割を利用して、多視点の方向性画像を表示する方式が考えられる。これは、高速表示ディスプレイを用いて、ディスプレイ（プロジェクションの場合はスクリーン）からの光の方向を制御し、ある瞬間に、ある視点の方向性画像を表示し、高速に切り替えることによって、１フレーム表示時間内に、多視点の方向性画像をシーケンシャルに表示する方式である。この場合、解像度は劣化しないが、ｎ視点に対し、ｎ倍速の高速表示ディスプレイと、高速光方向制御システムが必要となる。

直視型の場合、高速表示用の液晶ディスプレイとしてはOCB（非特許文献６）やFLC（非特許文献７〜１０）等が考えられるが、薄型で光の利用効率がよく、かつ、多視点に対応できる高速光方向制御システムとしてのバックライトが現在存在しない。また、プロジェクションシステムの場合、高速画像表示デバイスとして、LCDやLCOSタイプとしては、OCBやFLCのモードがあり、その他DMDタイプのもの（非特許文献１１，１２）が存在するが、高速光方向制御が可能な投射光学系が現在存在しない。

そこで、本発明の第１の目的は、薄型で光の利用効率がよく、かつ、多視点に対応できる高速光方向制御バックライトを提供することである。また、第２の目的は、プロジェクション用として、高速光方向制御が可能な投写光学系を提供することである。
上述の技術は、空間分割を時間分割に変えることによって、多視点のインテグラルフォトグラフィーを実現する方式に関するものであるが、よりリアルな立体表示ディスプレイを目的とした場合、視点数をできるだけ多く、かつ、解像度も上げる必要もある。この場合、上述の時間分割のみによる方式では、画像表示デバイスの高速応答特性の限界が、視点数を決めてしまう。そこで、画素数は多くなるが、空間分割方式と、時間分割方式を併用することが考えられる。

本発明の第３の目的は、第１の目的の高速光方向制御バックライトを用い、画像表示ディスプレイに空間分割方式を採用して、時間分割方式と空間分割方式を併用した、インテグラルフォトグラフィー方式の立体表示ディスプレイ（直視型）を提供することである。
第４の目的は、第３の目的のプロジェクションシステムバージョンであり、第２の目的の高速光方向制御が可能な投射光学系に複数の光学エンジンまたはプロジェクタを用い、時間分割と空間分割を併用したインテグラルフォトグラフィー方式の立体表示ディスプレイ（投写型）を提供することである。

前記目的を達成するための本発明は、以下のとおりである。
本発明（１）は、３次元線型空間結像光学系を有するバックライトである（：請求項１）。
本発明（１−２）は、３次元線型空間結像光学系を有するバックライトと、該バックライトからの出射光の方向を制御する手段とを有することを特徴とするバックライトシステムである（：請求項２）。

本発明（２）は、本発明（１−２）のバックライトシステムに空間光変調器型の画像表示デバイスを組合わせてなり、ｎ視点インテグラルフォトグラフィーの指向性画像を、時間分割で光の方向を変化させて、高速にｎ枚表示することを特徴とする立体表示ディスプレイである（：請求項３）。ここで、「高速に」とは、定量的には、毎秒60ｎ枚の画像表示を意味し、「ｎ」は２以上の整数であり、「指向性」は「方向性」と同義である（以下同じ）。

本発明（３）は、本発明（２）において、前記画像表示デバイスに、インテグラルフォトグラフィーによる空間分割方式が組合わされてなり、時間分割でｎ視点、空間分割でｍ視点の表示を行うことを特徴とする立体表示ディスプレイである（：請求項４）。ここで、「ｍ」は２以上の整数である（以下同じ）。
本発明（３−２）は、本発明（３）において、前記時間分割の方向と、前記空間分割の方向が互いにほぼ直交することを特徴とする立体表示ディスプレイ（詳しくは、時間分割方向・空間分割方向直交併用型インテグラルフォトグラフィー立体表示ディスプレイ）である（：請求項５）。

本発明（４）は、プロジェクションディスプレイにおいて、スクリーンからの出射光の方向を時間分割で切り替える手段を有することを特徴とするプロジェクション立体表示ディスプレイである（：請求項６）。
本発明（５）は、本発明（４）において、前記切り替える手段が、ｎ視点インテグラルフォトグラフィーの指向性画像を、時間分割で光の方向を変化させて、高速にｎ枚表示する、１個の画像表示デバイスと拡大投写光学系とからなることを特徴とするプロジェクション立体表示ディスプレイ（詳しくは、時間分割シーケンシャルインテグラルフォトグラフィー方式プロジェクション立体表示ディスプレイ）である（：請求項７）。

本発明（６）は、本発明（５）において、前記１個に代えてｍ個としてなり、該ｍ個の画像表示デバイスの各々がｎ視点インテグラルフォトグラフィーの指向性画像を、時間分割で光の方向を変化させて、高速にｎ枚表示することにより、時間分割でｎ視点、空間分割でｍ視点の表示を行うことを特徴とする立体表示ディスプレイ（詳しくは、時間分割・空間分割併用型シーケンシャル・インテグラルフォトグラフィー方式プロジェクション立体表示ディスプレイ）である（：請求項８）。

本発明によれば、薄型で光の利用効率がよく、かつ、多視点に対応できる高速光方向制御バックライトが得られる。また、プロジェクション用として、高速光方向制御が可能な投写光学系が得られる。また、前記高速光方向制御バックライトを用い、画像表示ディスプレイに空間分割方式を採用して、時間分割方式と空間分割方式を併用した、インテグラルフォトグラフィー方式の立体表示ディスプレイ（直視型）が得られる。また、前記高速光方向制御が可能な投射光学系に複数の光学エンジンまたはプロジェクタを用い、時間分割と空間分割を併用したインテグラルフォトグラフィー方式の立体表示ディスプレイ（投写型）が得られる。

〔直視型について〕
本発明（１）ないし（１−２）の３次元線型空間結像光学系（特許文献１）の例を図１に示す。同図の（ａ）は等倍の場合で、焦点距離fのレンズ３を２枚、互いの光軸10を一致させ、距離2f離して配置した光学系であり、（ｂ）は拡大の場合で、焦点距離f₁,f₂のレンズ（第１レンズ，第２レンズ）４，５を、互いの光軸10を一致させ、距離f₁+f₂離して配置した光学系である。図１（ａ）の左側のレンズ３から左方に距離fの位置にある立体グリッドは、物体に対する３次元座標を表す物体グリッド１であり、右側のレンズ３から右方に距離fの位置にある立体グリッドは、結像に対する３次元座標を表す結像グリッド２である（図１（ｂ）でも同様）。この光学系は、物体グリッド１の一点から出た光の位置と方向を、結像グリッド２に、光軸対称変換した状態で、再生するものである。よって、物体グリッド１の任意の点の光線の位置と方向は、結像グリッド２の光線の位置と方向において、光軸10に関し対称変換すると完全に一致するものである。

今、図１（ａ）の物体グリッド１上の一点Ａに着目する。この点Ａに入射する光線の方向を、図に示すように光軸方向に対し左右に変化させたとする。結像グリッド２上の点Ａ´（点Ａに対応する点）では、点Ａへの入射方向が、光軸10に対し対称変換され、点Ａ´での出射方向となるため点Ａ´でも図に示す様に、光軸10に対して左右に光線の方向が変化する。点Ａへの光軸10に対する光の入射角を±θ₁とすると、点Ａ´からの光の出射角は−（±θ₁）である。

図１（ｂ）に示される拡大の場合も同様に、第１レンズ４から左方に距離f₁の位置にある物体グリッド１上の一点Ｂへの光の入射角を変化させ、光軸方向に左右に光線を変化させると、第２レンズ５から右方に距離f2の位置にある結像グリッド２上の点Ｂ´（点Ｂに対応する点）でも出射光は光軸10に対し、左右対称に変化することになる。
点Ｂへの入射角を±θ₂とすると出射角は−（±θ₃）であり、θ₂とθ₃の関係は次式で表される。

図１（ａ），（ｂ）に示す画像表示デバイス面６には、バックライトの場合、単なる開口が存在するだけであり、結像面７がバックライトの出射面である。リアまたはフロントのプロジェクションシステムの場合は、画像表示デバイス面６にLCD、LCOS、DMD等のデバイスの面が存在し、結像面７にはスクリーンの面が存在する。
上述の議論より、図１（ａ），（ｂ）に示す画像表示デバイス面６で平行光の入射角を変化させると、結像面７でも平行光になり、（１）式で記述される関係で光の方向は変化する。

図１に示す３次元線型空間結像光学系は、画像表示デバイス面６を非常に大きな角で斜めに傾けても、（θ₄,θ₅を大きくしても、）結像面７では台形歪が全く発生せず、超薄型リアプロジェクションシステムに適した光学系である。
この特性を、バックライトシステムに応用すると、３次元線型空間結像光学系を有する薄型バックライトシステムが実現することになる。この薄型バックライトシステムは通常のバックライトのように導光板や拡散板によって光出力を制御しているものではなく、結像を用いて、光出力を制御しているため、光方向制御性において、非常にすぐれた特性が得られる。

図２に薄型バックライトシステム用の３次元線型空間結像光学系の例を示す。これは、図１において第２レンズ５に代えて、これと光学的に等価な第２レンズ機能用反射鏡８とし、その光の当たる部分のみを用いたものである。結像面７は、光軸とほぼ平行となるよう、倍率f₂／f₁と、画像表示デバイス面６の傾きθ₅を設定する。
図１（ｂ）における、拡大倍率f₂／f₁と、θ₅、θ₆の関係は、次式となる。この関係は、図２でも同様に成立する。

画像表示デバイス面６に仮に画像表示デバイスの面が実在するとして、画素を考えると、画像表示デバイス上の画素の縦と横の比率であるアスペスト比は、結像面７では変化するが、バックライトに用いる場合、この問題は存在しない。
図３に、３次元線型空間結像光学系を有する光方向制御薄型バックライトシステムの内部構造を示す。これは、図２において結像面７にプリズムシート９を設置し、バックライト出射面の法線方向を中心に出射光の方向を可変としたものである。画像表示デバイス面６にはレンズ11（：焦点距離f_D）が設置されている。レンズ11の主平面は、画像表示デバイス面６と一致し、かつ、レンズ11の中心（節）は、３次元線型空間結像系の光軸10上に位置する。光の方向を切り替える手段として例えば複数のLED(超高輝度LED）12が、画像表示デバイス面６に設置したレンズ11の前方焦点面13に設置されている。なお、14はレンズ11の光軸である。

よって、いずれか１つの超高輝度LED12から出射した光は、レンズ11によってほぼ平行光となり、３次元線型空間結像光学系へ入射される。この平行光の方向は、LED12の位置とレンズ11の中心（節）位置を結ぶ直線の方向となる。よって、複数のLED12を、図示のように紙面に対し手前から斜め奥側への順に設置し、この設置順と同じ順番に１つずつ発光させると、３次元線型空間結像光学系へ入射する平行光の方向が図示のように変化し、結像面７にあるプリズムシート９によって、方向を変えられた出射平行光の方向も、図示のように変化する。図より明らかなように、出射平行光の方向は、LED12の設置位置によって設計できる。

図３の構造を筐体内に実装してなるバックライト（薄型バックライトまたは薄型バックライトシステム）15を図４に示す。バックライト15の出射面16は、図３では裏向きに描いたが、図４では表向きに描いた。
筐体内部のLED12（図４では隠れて見えない）を順次１つずつ発光させると、ほぼ平行な光がプリズムシート９の全面から出射し、プリズムシート９の法線方向を中心に左右に変化する。

すなわちこのバックライト15は、３次元空間結像光学系を有する時間分割光方向制御バックライトである。これを、インテグラルフォトグラフィーに用いるためには、出射光に集光機能を付加する必要がある。なぜなら、指向性画像間のクロストークをなくすために、各指向性画像可視域を分離しなければならないからである。図４に示すバックライト15は、左右方向のみの指向性画像表示を考えているので、左右方向のみの集光機能として、図５に示すように、プリズムシート９の上にフレネルシリンドリカルレンズ17を追加配置する。

プリズムシート９からの出射光はほぼ平行光であったため、フレネルシリンドリカルレンズ17の焦点面18にほぼライン状に集光することになる。ただし、LED12（図３参照）の発光部の大きさが、デルタ関数のような点ではなく、有限の大きさを持っているため、この集光したラインは幅をもつこととなる。これが、図５に示す指向性画像可視領域＃１〜＃９の個々における左右方向の幅となる。この幅の大きさの制御はLED12（図３参照）の発光部の大きさや、各LEDランプのホモジェナイザの大きさ等で設計可能である。指向性画像可視領域＃１〜＃９は、９個の超高輝度LED12（図３参照）のそれぞれに対応しており、１つずつ順次発光させると、バックライト出射面であるフレネルシリンドリカルレンズ17全面から出た光は、指向性画像可視領域＃１、＃２、＃３、…、＃９の、対応する１つの領域に集まり、かつ、順次光の集まっている１つの領域が、＃１、＃２、＃３、…＃９の順（可視領域シーケンス19の順）に変化してゆくことになる。

もっとも、図５に示すバックライト15は、左右方向の光の制御はできているが、上下方向に対しては平行光のままであるため、このバックライト15の上に高速画像表示液晶ディスプレイを設置しても、見ている正面の１部のみが見え、ディスプレイの上下は、目に光が入らないため、見えないことになる。よって、上下方向のみに光を拡散するフィルムが必要である。左右方向の拡散は、各指向性画像のクロストークを発生させるため、拡散フィルムに左右方向の拡散特性が無いことが望ましい。レンティキュラレンズシートによる拡散も考えられるが、プリズムシート９やフレネルシリンドリカルレンズ17とのモアレが発生し、好ましくはない。よって、理想形態としては光を一方向にのみ拡散させる一方向拡散フィルム（D-film）を、その一方向（光拡散方向）を図５の上下方向に一致させて上下方向拡散用として、プリズムシート９上に配置した形態が考えられる。このD-filmとしてはルミスティ（非特許文献１３）が挙げられる。このD-filmを上下方向拡散用フィルムとして使用した例を図６に示す。図中の20は、プリズムシート９（図４参照）上にフレネルシリンドリカルレンズ17（図５参照）を配置し、さらにその上に前記D-filmを上下方向拡散用フィルムとして配置してなる３層構造膜である。図６に示す時間分割光方向制御バックライトは、D-filmによってディスプレイの上下が見えるようになっただけでなく、上下の視野角も拡大している。さらにこのD-filmは、バックライトのプリズムシート９とフレネルシリンドリカルレンズ17のモアレもなくす役目も果たしている。

図６中の20（プリズムシート９の上にフレネルシリンドリカルレンズ17を積層し、さらにこの上にD-filmを積層したもの）の上に、空間光変調器型高速画像表示ディスプレイ（OCBやFLC等の液晶ディスプレイ）を設置したものが本発明（２）の立体表示ディスプレイに相当する。図６の指向性画像可視領域（＃１〜＃９）を選択する超高輝度LED12（図３参照）を順次１つずつ発光させ、これに同期させて、ディスプレイで対応する指向性画像を順次高速に表示するようにすると、指向性画像可視領域（＃１〜＃９）でディスプレイを観ている人には、立体映像が見えることになる。さらに、この観測者が視線移動を、指向性画像可視領域（＃１〜＃９）内で行った場合、移動に伴う立体映像変化が見られるため、よりリアルな立体視を感じることができる。以上が、本発明（１）、（１−２）のバックライト（またはバックライトシステム）及び本発明（２）の立体表示ディスプレイについての説明である。

本発明のバックライトシステムを用いた立体表示ディスプレイは、従来のようにパララックスバリアやレンティキュラレンズシステムに要求される画素との位置合わせが不要であり、製作が容易である。さらにパララックスバリアのような光を吸収するスリットは存在しないため、光の利用効率もよい。加えて、視点数の変更においても、超高輝度LEDの数や位置を変えるだけで対応可能であるため、設計に対する自由度も大きい。

次に、本発明（３）、（３−２）の立体表示ディスプレイについて説明する。
立体表示ディスプレイは、視点数が多い方がよりリアルな立体表示を実現できるものである。本発明（１）ないし（１−２）のバックライトないしバックライトシステムを用いた本発明（２）の立体表示ディスプレイは、ｎ視点インテグラルフォトグラフィーの方向性（指向性）画像を、時間分割で光の方向を変化させて、高速にｎ枚表示するものであるが、視点数ｎの上限値は、用いる高速表示ディスプレイのデバイスの応答速度の限界により、決まってしまう。そこで、この時間分割のみによるｎの上限値を超えるために、本発明（３）、（３−２）の立体表示ディスプレイは、時間分割方式と空間分割方式を併用するものである。

今、時間分割ｎ視点、空間分割ｍ視点の場合、トータルの視点数はｎ×ｍ視点となる。この場合、画素数一定と考えると、指向性（方向性）画像の解像度は１／ｍとなっている。その一例として図７に、横方向時間分割・縦方向空間分割併用型IP-LCD（例：横９視点×縦５視点＝トータル４５視点）を示す。図７のバックライトシステム15は図６のそれと同じものであり、横方向の指向性画像可視領域＃１〜＃９を時間分割で高速に切り替える働きをする。

このバックライトシステム15の上に設置してある空間分割縦方法多眼LCD21（例：縦５視点）は、レンティキュラレンズ方式の縦方向のみのIPディスプレイである。よって、バックライトシステム15の内部の１つの指向性画像可視領域＃１に対応する超高輝度LEDが発光すると、縦に細長い領域＃１内で、縦方向の指向性画像が、それぞれ領域ａ〜ｅ内で５視点分同時に表示されることになる。次の瞬間に領域＃２に対応するLEDの発光に同期させて、領域＃２内の領域ａ〜ｅに対応する縦５視点分の指向性画像を表示すると、当該＃２内の領域ａ〜ｅ内で、それぞれに対応する指向性画像を見ることができる。このプロセスを＃１〜＃９の順に高速に繰り返し、次のフレームの＃１〜＃９の表示を同様に行い、動画立体表示を行うものである。

図７の例では、４５視点分のIPを５視点分の画素数で実現しており、空間分割のみで４５視点分表示する従来型IPと比較して、時間分割分の９倍の解像度が実現することになる。また、この例のように、縦と横のそれぞれ直交した方向の片方を空間分割（又は時間分割）とし、もう片方を時間分割（又は空間分割）とすること（本発明（３−２）に該当）により、簡単な構造で、時間分割方式と空間分割方式を併用できる長所を有している。

次に、図７Ａは、横方向空間分割（３視点）、横方向時間分割（３視点）の例を、１画素分の構造のみ示したものである。レンティキュラレンズ31〜34の焦点距離は全て同じfであり、レンティキュラレンズ31と32及び33と34の主平面間距離はfであり、レンティキュラレンズ32と33の主平面と、LCDの画素51、52、53の画素面は、ほぼ同一平面内に設置する。横方向（または縦方向）のみに、時間分割と空間分割を併用する場合に必要な超高輝度LEDの数は、表示しようとする視点数と同数、すなわち時間分割数×空間分割数（この例では３×３＝９個）となる。

LCDの１画素中には、空間分割の３視点分の３画素51、52、53が存在する。これら３画素51、52、53のそれぞれの画素面は、３つの領域に分かれており、図に示す領域41〜43、44〜46、47〜49である。LCDのデバイスとしては領域41〜43に対し分かれているわけではないが、LEDの光が集光して通過する位置が異なる。領域44〜46、47〜49に対しても同様である。よって図７Ａの場合LED９個の集光する位置が、領域41〜49で存在する画素は３つ（集光する領域41〜43を合わせた領域が画素51、同様に集光する領域44〜46を合わせた領域が画素52、同様に集光する領域47〜49を合わせた領域が画素53）である。駆動は、左から領域41、44、47に対応してLED３つを同時に発光させ、当該各領域に対応する指向性画像をLCDの空間分割３画素で同時に表示する。次の瞬間に領域42、45、48に対応するLED３つを同時に発光させ、当該各領域に対応する指向性画像をLCDの空間分割３画素で同時に表示する。最後の瞬間に領域43、46、49に対応するLED３つを同時に発光させ、当該各領域に対応する指向性画像をLCDの空間分割３画素で同時に表示する。以上のプロセスを１フレームと考え、動画表示を行うと、横方向９視点分のIPを、通常の３倍速のデバイスを用い、３視点分の画素数で実現できることになる。

図７Ａに例示した方式（空間分割と時間分割の併用を、同じ方向（横と横、又は縦と縦）に適用する方式）は、図７に例示した方式（空間分割と時間分割を直交する方向である縦と横あるいは横と縦に適用する方式）に比べ、レンティキュラレンズ４枚の位置合わせと、‘時間分割数×空間分割数’分の超高輝度LEDが必要であり、より複雑な構造となっているが、横方向のみにできるだけ多くの視点数を必要とする用途や、デバイスの応答速度があまり高速でない場合の一方向の視点数確保には、威力を発揮できる方式である。

以上で、直視型についての説明を終える。
〔投写（プロジェクション）型について〕
次に、本発明（４）、（５）のプロジェクション立体表示ディスプレイの説明を行う。これらは、プロジェクション型に時間分割シーケンシャルインテグラルフォトグラフィー方式を適用したものであり、その一例を図８に示す。図ではプロジェクション立体表示ディスプレイをなす光学系の展開状態を示した。時間分割視点数分だけの超高輝度LED12が、同一平面内の一方向（この例では横方向）に並んだ５視点の領域A〜Eにそれぞれ１個ずつ（計５個）設置してある。

画像表示デバイス22は、焦点距離f₁のレンズ４の主平面に設置してある。レンズ４は２枚構成であり、この２枚のレンズの間に画像表示デバイス22が存在する。画像表示デバイス22の面とLED12の設置領域A〜Eが乗る平面とは平行であり、これら二面間の距離はa₁である。領域A〜Eのうち中央の領域Cがレンズ４の光軸上に位置する。
焦点距離f₂のレンズ５はプロジェクションシステムの拡大結像系（本発明（５）、（６）にいう拡大投写光学系に該当）であり、実際は複数のレンズで構成される。レンズ５の光軸はレンズ４の光軸と一致しており、レンズ４，５の主平面は互いに平行で、主平面間距離は、b₁(=a₂)である。このとき、a_1、b_1、f₁の関係は次式となる。

焦点距離f₃のフレネルレンズ23はリアプロジェクションシステムのスクリーン面に存在する。フレネルレンズ23の光軸は焦点距離ｆ₂のレンズ５の光軸と一致しており、レンズ５，23の主平面は互いに平行で、主平面間距離はb₂(=a₃)である。このとき、a₂、b_2、f₂の関係は次式となる。

今、（３）式に注目すると、５つの超高輝度LED12の像が焦点距離f₁のレンズ４の働きによって、焦点距離f₂のレンズ５の主平面に結像する。この結像する領域A’〜E’を点線丸印で示した。時間分割の場合、５つの超高輝度LED12は、ある瞬間には１つのみ発光しているため、領域A’〜E’のうちいずれか１つのみに光が集光し、そこにLED12の像が結像する。なお、このシステムに用いる超高輝度LED12の発光面はホモジェナイズされているものとする。領域A’〜E’のうちいずれか１つに集光した光は、焦点距離f₁のレンズ４全体を通過するため、レンズ４の主平面上に設置した画像表示デバイス22で表示した画像情報の全てを有している。

次に（４）式に注目すると、画像表示デバイス22で表示した画像情報は焦点距離f₂のレンズ５の働きによって、焦点距離f₃のフレネルレンズ23の主平面上に拡大結像する。図より明らかなように、５つの領域A〜Eのうちのいずれに位置するLED12が発光しても、該発光した光は焦点距離f₁のレンズ４の主平面上の、画像表示デバイスで表示している画像情報を対応する領域A’〜E’上のLED結像を介して、焦点距離f₃のフレネルレンズ23の主平面上の同じ位置に、拡大結像させうる。

時間分割の場合、ある瞬間の１つのみのLED12がA→B→C→D→Eの順に発光し、この発光に同期して、画像表示デバイス22は、対応する指向性（方向性）画像を表示する。これら指向性画像の拡大結像位置は、５つのLED12全てに対応して、同じ位置のフレネルレンズ23の主平面上に乗る。
さて、ここで、焦点距離f₃のフレネルレンズ23の主平面から右方に距離b₃だけ離れた位置に、フレネルレンズ23の主平面と平行に延在する仮想平面25を考え、a₃、b₃、f₃の関係を次式とする。

（５）式は、焦点距離f₂のレンズ５の主平面上にある領域A´〜E´内のLED12結像を、仮想平面25上に結像する働きを示している。このLED12の第２の結像の領域A’’〜E’’を、仮想平面25上の点線丸印で示した。
前記第２の結像も、焦点距離f₂のレンズ５の主平面上の領域A’〜E’に結像したLED12の第１の結像同様、画像表示デバイス22で表示し、スクリーン面に対応するフレネルレンズ23の主平面上に拡大結像した画像情報の全てを含んでいる。この仮想平面25上でLED12の第２の結像が結像する領域A’’〜E’’が、指向性（方向性）画像可視領域A’’〜E’’となる。なぜなら、領域A’’〜E’’のいずれにおいてもフレネルレンズ23の主平面上に拡大結像した画像情報の全てを含んでいるため、この領域の中に、人間の目を置くと、水晶体の働きによって、網膜上に、フレネルレンズ23の主平面上に拡大結像した画像情報が結像するからである。

次に、図８に示すシステム（立体表示ディスプレイ）の駆動について説明する。最初の瞬間に領域AのLED12のみが発光し、これに同期して画像表示デバイス22は、指向性（方向性）画像可視領域A’’で見るべき指向性（方向性）画像を表示する。上述の光学系メカニズムによって、指向性（方向性）画像可視領域A’’の中に存在する人間の目にはフレネルレンズ23の主平面上に拡大結像した指向性（方向性）画像が見えることになる。なお、領域AのLED12のみが発光している瞬間には、その他の領域B’’〜E’’では何も見えない。

次の瞬間には、領域AのLED12は消えて、領域BのLED12のみ発光し、これに同期して画像表示デバイスは、指向性（方向性）画像可視領域B’’で見るべき指向性（方向性）画像を表示する。領域AのLED12発光時と同じ光学メカニズムによって、指向性（方向性）画像可視領域B’’の中に存在する人間の目にはフレネルレンズ23の主平面上に拡大結像した指向性（方向性）画像が見えることになる。なお、領域BのLED12のみが発光している瞬間には、その他の領域A’’、C’’〜E’’では何も見えない。

同様なプロセスを、次の瞬間に領域CのLED12、その次の瞬間に領域DのLED12、最後の瞬間に領域EのLED12に対し、行う。領域A〜EのLED12に対するプロセス全体で動画立体映像の１フレームとして、毎秒６０フレーム程度で表示すると、画像表示デバイス１枚のみでプロジェクションシステムによる大画面の、横方向５視点の動画IPを見ることができる。
なお、図８では、横方向のみの時間分割IPに特化させているため、上下視野角を広げるべく上下方向（図８では紙面に垂直な方向）のみの拡散を行う一方向拡散フィルム（D-film）24を、スクリーン面であるフレネルレンズ23の出射面に付加してある。この一方向拡散フィルム24は、レンティキュラレンズからなるものでも機能するが、フレネルレンズとのモアレを回避するには、マイクロレンズ構造等のような構造（表面凹凸形状）をもたないものが望ましく、その望ましい例としては、前述のルミスティが挙げられる。

以上が図８に示すシステムの説明であるが、時間分割視点の方向は横（左右）方向に限らず、縦（上下）方向にも可能である。さらに、超高輝度LED12を、横一列あるいは縦一列とするのでなく、２次元配列として、フレネルレンズ23の拡散板をとれば（一方向拡散フィルム24を取り除けば）、縦と横（上下左右）の時間分割視点IPがプロジェクションシステムで可能となる。

次に、本発明（６）のプロジェクション立体表示ディスプレイについて説明する。これは、時間分割視点切替方式と空間分割方式の併用により、より多くの視点数を実現するものであり、その一例を図９に示す。このものは、光学的メカニズムと駆動方法の点では基本的に図８に例示したシステムと同じであるが、時間分割のみでなく空間分割方式の併用として、複数の画像表示デバイスを同時に駆動して表示している点で図８のものと異なる。

すなわち図９の例では、３つの画像表示デバイス22₁,22₂,22₃を用い、それぞれが横方向５視点の時間分割IPを図８で説明したのと同じ光学的メカニズムと駆動方法で実現しており、空間的に３並列で同時に横３視点分を表示してゆくため、時間分割の横５視点Ｘ空間分割の横３視点＝トータル横１５視点分のIPを３つの画像表示デバイス22₁,22₂,22₃で実現している。

次に、駆動方法について説明する。最初の瞬間に領域A,F,KのLED12のみが同時に発光する。この時、画像表示デバイス22₁,22₂,22₃は、それぞれ、指向性（方向性）画像可視領域A’’、F’’、K’’で見るべき指向性（方向性）画像を表示する。図８で説明したのと同じ光学的メカニズムによって、指向性（方向性）画像可視領域A’’、F’’、K’’の中に存在する人間の目には、フレネルレンズ23の主平面上に拡大結像した指向性（方向性）画像がそれぞれの領域で別々に見えることになる。なお、領域A,F,KのLED12のみが発光している瞬間は、その他（領域A’’,F’’,K’’以外）の領域B’’〜E’’、G’’〜J’’、L’’〜O’’では、何も見えない。

次の瞬間には、領域A,F,KのLED12は消えて領域B,G,LのLED12のみが発光し、これに同期して画像表示デバイス22₁,22₂,22₃は、それぞれ、指向性（方向性）画像可視領域B’’,G’’,L’’で見るべき指向性（方向性）画像を表示する。領域A,F,KのLED12の発光時と同じ光学メカニズムによって、指向性（方向性）画像可視領域B’’,G’’,L’’の中に存在する人間の目には、それぞれフレネルレンズ23の主平面上に拡大結像した指向性（方向性）画像が見えることになる。なお、領域B,G,LのLED12のみが発光している瞬間には、その他（領域B’’,G’’,L’’以外）の領域A’’,C’’〜E’’,F’’,H’’〜J’’,K’’,M’’〜O’’では何も見えない。

同様なプロセスを、次の瞬間に領域C,H,MのLED12、その次の瞬間に領域D,I,NのLED12、最後の瞬間に領域E,J,OのLED12に対し行う。以上の５段階のプロセス全体で動画立体映像の１フレームとして、毎秒６０フレーム程度で表示すると、３個のみの画像表示デバイス22で、プロジェクションシステムによる大画像の横方向１５視点の動画IPを見ることができる。

なお、図９では、横方向のみの時間分割・空間分割併用型IPに特化させているため、上下視野角を広げるべく上下方向のみの拡散を行う一方向拡散フィルム（D-film）24を、スクリーン面であるフレネルレンズ23の出射面に付加してある。この一方向拡散フィルム24は、レンティキュラレンズからなるものでも機能するが、フレネルレンズとのモアレを回避するには、マイクロレンズ構造等のような構造（表面凹凸形状）をもたないものが望ましく、その望ましい例としては、前述のルミスティが挙げられる。

以上が図９に示すシステムの説明であるが、時間分割視点の方向及び、空間分割視点の方向は、横（左右）方向に限らず、縦（上下）方向としてもよく、組み合わせは自由である。
なお、フレネルレンズ23に付加する一方向拡散フィルム24の光拡散方向は、視点の並ぶ方向と垂直方向に設計しないと、指向性（方向性）画像のクロストークの原因となる。視点が上下左右に２次元に配列される場合、クロストークを避けるために、一方向拡散フィルム24は付加しない方が望ましい。

以上で、本発明（６）の時間分割・空間分割併用型IP方式プロジェクション立体表示ディスプレイの説明を終える。

３次元線型空間結像光学系の例を示す概略図であり、（ａ）は等倍の場合、（ｂ）は拡大の場合である。 薄型バックライトシステム用の３次元線型空間結像光学系の例を示す概略図である。 ３次元線型空間結像光学系を有する光制御型バックライトシステムの内部構造の例を示す概略図である。 図３の構造を筐体内に実装した形態を示す概略図である。 図４のバックライトのプリズムシート上にフレネルシリンドリカルレンズを配置した形態を示す概略図である。 本発明（２）の立体表示ディスプレイに用いるバックライトの例を示す概略図である。 横方向時間分割・縦方向空間分割併用型ＩＰ‐ＬＣＤの例（本発明（３）、（３−２）の例；横９視点×縦５視点＝トータル４５視点）を示す概略図である。 本発明（３）において、空間分割方向と時間分割方向とが同じ方向である例の一画素分のシステムを示す概略図である。 本発明（４）、（５）の立体表示ディスプレイの例を示す概略図である。 本発明（６）の立体表示ディスプレイの例を示す概略図である。

符号の説明

１ 物体グリッド
２ 結像グリッド
３ レンズ（：焦点距離f）
４ レンズ（第１レンズ：焦点距離f₁）
５ レンズ（第２レンズ：焦点距離f₂）
６ 画像表示デバイス面
７ 結像面
８ 第２レンズ機能用反射鏡
９ プリズムシート
10 光軸（３次元線型空間結像光学系の光軸）
11 レンズ（画像表示デバイス面に設置したレンズ：焦点距離f_D）
12 LED（超高輝度LED）
13 レンズ(11)の前方焦点面
14 レンズ(11)の光軸
15 バックライト（またはバックライトシステム；薄型）
16 バックライト(15)の出射面
17 フレネルシリンドリカルレンズ
18 フレネルシリンドリカルレンズの焦点面
19 可視領域シーケンス
20 ３層構造膜（上下方向拡散用D-film＋フレネルシリンドリカルレンズ(17)＋プリズムシート(9)）
21 空間分割縦方向多眼ＬＣＤ（例：縦５視点）
22 画像表示デバイス
23 フレネルレンズ
24 一方向拡散フィルム（D-film）
25 仮想平面
31、32、33、34 レンティキュラレンズ
41、42、43、44、45、46、47、48、49 領域
51、52、53 画素

Claims (8)

1. ３次元線型空間結像光学系を有するバックライト。
2. ３次元線型空間結像光学系を有するバックライトと、該バックライトからの出射光の方向を制御する手段とを有することを特徴とするバックライトシステム。
3. 請求項２に記載のバックライトシステムに空間光変調器型の画像表示デバイスを組合わせてなり、ｎ視点インテグラルフォトグラフィーの指向性画像を、時間分割で光の方向を変化させて、高速にｎ枚表示することを特徴とする立体表示ディスプレイ。
4. 前記画像表示デバイスに、インテグラルフォトグラフィーによる空間分割方式が組合わされてなり、時間分割でｎ視点、空間分割でｍ視点の表示を行うことを特徴とする、請求項３に記載の立体表示ディスプレイ。
5. 前記時間分割の方向と、前記空間分割の方向が互いにほぼ直交することを特徴とする請求項４に記載の立体表示ディスプレイ。
6. プロジェクションディスプレイにおいて、スクリーンからの出射光の方向を時間分割で切り替える手段を有することを特徴とするプロジェクション立体表示ディスプレイ。
7. 前記切り替える手段が、ｎ視点インテグラルフォトグラフィーの指向性画像を、時間分割で光の方向を変化させて、高速にｎ枚表示する、１個の画像表示デバイスと拡大投写光学系とからなることを特徴とする請求項６に記載のプロジェクション立体表示ディスプレイ。
8. 前記１個に代えてｍ個としてなり、該ｍ個の画像表示デバイスの各々がｎ視点インテグラルフォトグラフィーの指向性画像を、時間分割で光の方向を変化させて、高速にｎ枚表示することにより、時間分割でｎ視点、空間分割でｍ視点の表示を行うことを特徴とする請求項７に記載の立体表示ディスプレイ。

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