JP3877704B2 - ３次元表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示用光学素子を備える３次元表示装置に係り、特に、モアレの発生を防止する３次元表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の透過型表示装置（例えば、液晶表示装置）を、観察者から見て異なった奥行き位置に配置することにより、観察者に３次元立体像を表示する３次元表示装置が知られている（下記特許文献１、特許文献２参照）。
これらの３次元表示装置に使用される透過型表示装置では、図１８に示すように、複数の画素１０の重心位置が周期的になるように、複数の画素１０が配置される。
そのため、前述の各特許文献に記載されている３次元表示装置では、各透過型表示装置の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するという問題点があった。
このモアレの発生を防止するために、前述の特許文献２には、複数の透過型表示装置の間に拡散板を配置することが記載されている。
【０００３】
なお、本願発明に関連する先行技術文献としては以下のものがある。
【特許文献１】
特開２００１−５４１４４号公報
【特許文献２】
特許第３３３５９９８号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の特許文献２に記載されているような拡散板を用いてモアレの発生を防止する方法は、画像がぼけ表示分解能が低下する、あるいは、光が拡散するので正面の輝度が暗くなってしまうという問題点があった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示用光学素子を備える３次元表示装置において、拡散板を使用することなく、モアレの発生を防止することが可能となる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
前述したモアレが発生する理由は、３次元表示装置に使用される表示用光学素子において、複数の画素の重心位置が周期的になるように、複数の画素が配置されていることに原因がある。
そこで、本発明では、３次元表示装置に使用される表示用光学素子において、複数配置される画素の重心位置が非周期的なるようにしたことを最も主要な特徴とする。
即ち、本発明は、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示用光学素子を備える３次元表示装置であって、前記各表示用光学素子は、複数の画素を有し、前記複数の表示用光学素子の少なくとも１つは、前記複数の画素の重心位置が非周期的になるように、前記複数の画素が配置されていることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明は、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示用光学素子を備える３次元表示装置であって、前記各表示用光学素子は、複数の画素を有するとともに、前記複数の画素は、前記複数の画素の重心位置が周期的になるように配置され、前記複数の表示用光学素子の少なくとも１つは、前記表示用光学素子の表示面側に配置され、前記複数の画素の重心位置を光学的に非周期的とするシフト光学系を備えることを特徴とする。
本発明の好ましい実施の形態では、前記シフト光学系が、凹凸を有する透明板、凹凸を有する透明板を組み合わせたもの、不均一な屈折率を有する透明板、あるいは、ファイバーのある端点の他表面への斜影がもう一方の端点と異なるファイバーを含むオプティカルファイバープレートであることを特徴とする。
本発明の好ましい実施の形態では、前記シフト光学系は、偏光を保存する。
【０００７】
また、本発明において、表示用光学素子の各画素は、発光素子からなる画素、あるいは、光学特性を制御することにより出射光を制御する画素である。
ここで、光学特性を制御することにより出射光を制御する画素は、散乱度、透過率、吸収率、または、複屈折率を制御することにより出射光を制御する画素である。
また、本発明において、前記各表示用光学素子に表示される２次元像は、前記観察者から見て異なった奥行き位置に配置されるそれぞれの表示用光学素子に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像であって、かつ、前記各表示用光学素子に表示される２次元像における前記観察者から見た輝度を、前記表示対象物体の奥行き位置に応じてそれぞれ独立に変化させることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［本実施の形態の３次元表示装置に適用される表示用光学素子の構造］
図１、図２は、本発明の実施の形態の３次元表示装置に適用される表示用光学素子の一例の各画素の配置状態の一例を示す図である。
図１、図２に示すように、同図に示す表示用光学素子は、複数の画素１０の重心位置が非周期的になるように、複数の画素１０を配置したことを特徴とする。
これにより、図１に示す表示用光学素子１１と、他の表示用光学素子を積層しても、図１に示す表示用光学素子１１および他の表示用光学素子の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するのを防止することが可能となる。
しかも、図１に示す表示用光学素子１１では、拡散板を使用しないので、画像がぼけ表示分解能が低下することもなく、あるいは、光が拡散して正面の輝度が暗くなることもない。
ここで、画素１０の重心位置とは、例えば、画素の形に切り抜いた紙を、一点で支持したときに、バランスがとれる点である。
【０００９】
図３は、本発明の実施の形態の３次元表示装置に適用される表示用光学素子の他の例を示す要部断面図である。
図３に示す表示用光学素子では、図１８に示すように、複数の画素１０の重心位置が周期的になるように、表示用光学素子１１の複数の画素１０が配置される。
しかしながら、図３に示す表示用光学素子では、表示用光学素子１１の前面にシフト光学系を配置し、観察者から見た場合に、表示用光学素子１１における複数の画素１０の重心位置が非周期的になるようにしたものである。
図３に示す表示用光学素子では、このシフト光学系として、凹凸を有する透明板２０が使用される。
表示用光学素子１１の画素１０から出射する光は、凹凸を有する透明板２０の表面を通るときに光線が曲げられるので、図３の実線に示すように、複数の画素１０の重心位置が周期的になるように、表示用光学素子の複数の画素１０が配置されていても、観察者には、図３の波線に示すように、複数の画素１０の重心位置が非周期的になるように、表示用光学素子１１の複数の画素１０が配置されているように感じられる。なお、図３において、実線は実際の画素１０の位置を示し、波線は、観察者に感じられる見かけ上の画素１０の位置を示す。
これにより、図３に示す表示用光学素子１１と、他の表示用光学素子を積層しても、図３に示す表示用光学素子１１および他の表示用光学素子の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するのを防止することが可能となる。
しかも、図３に示す表示用光学素子１１では、拡散板を使用しないので、画像がぼけ表示分解能が低下することもなく、あるいは、光が拡散して正面の輝度が暗くなることもない。
【００１０】
図４は、図３に示す表示用光学素子に使用されるシフト光学系の他の例を示す要部断面図である。
図４にシフト光学系は、凹凸を有する透明板２０と、凹凸を有する透明板２１とを組み合わせたものである。
図４に示す凹凸を有する透明板２０と、凹凸を有する透明板２１を使用することにより、複数の画素１０の重心位置が周期的になるように、表示用光学素子の複数の画素１０が配置されていても、観察者には、複数の画素１０の重心位置が非周期的になるように、表示用光学素子１１の複数の画素１０が配置されているように感じられる。
これにより、図４に示す表示用光学素子１１と、他の表示用光学素子を積層しても、図４に示す表示用光学素子１１および他の表示用光学素子の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するのを防止することが可能となる。
しかも、図４に示す表示用光学素子１１では、拡散板を使用しないので、画像がぼけ表示分解能が低下することもなく、あるいは、光が拡散して正面の輝度が暗くなることもない。
【００１１】
図５は、図３に示す表示用光学素子に使用されるシフト光学系の他の例を示す要部断面図である。
図５に示すシフト光学系は、不均一な屈折率を有する透明板２２である。
図５に示す不均一な屈折率を有する透明板２２を光が通過する際に、屈折率の変化により光線が曲げられるので、前述の図３の場合と同様、複数の画素１０の重心位置が周期的になるように、表示用光学素子の複数の画素１０が配置されていても、観察者には、複数の画素１０の重心位置が非周期的になるように、表示用光学素子１１の複数の画素１０が配置されているように感じられる。
これにより、図５に示す表示用光学素子１１と、他の表示用光学素子を積層しても、図５に示す表示用光学素子１１および他の表示用光学素子の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するのを防止することが可能となる。
しかも、図５に示す表示用光学素子１１では、拡散板を使用しないので、画像がぼけ表示分解能が低下することもなく、あるいは、光が拡散して正面の輝度が暗くなることもない。
なお、図５では、不均一な屈折率を有する透明板２２として、内部に、平板状の高屈折率部分２２ａを有する透明板を図示しているが、高屈折率部分２２ａは平板状である必要はなく、また、図５において、高屈折率部分２２ａは、低屈折率部分であってもよい。
即ち、図５に示す不均一な屈折率を有する透明板２２は、透明板の一方から入射される光が、図３、図４に示すような光路を通り、透明板の他方から出射されるものであればよい。
【００１２】
図６は、図３に示す表示用光学素子に使用されるシフト光学系の他の例を示す要部断面図である。
図６に示すシフト光学系は、ファイバーのある端点の他表面への斜影がもう一方の端点と異なるファイバーを含むオプティカルファイバープレート２３である。
図６に示すオプティカルファイバープレート２３では、オプティカルファイバープレート２３を構成する個々のファイバーの中で一部のファイバー（例えば、２３ａ，２３ｂ）が湾曲している。
そのため、図６の矢印Ａの位置から、ファイバー２３ａに入射する光は、矢印Ａとは異なる位置である、図６の矢印Ｂの位置から出射する。
図６に示すオプティカルファイバープレート２３を使用することにより、複数の画素１０の重心位置が周期的になるように、表示用光学素子の複数の画素１０が配置されていても、観察者には、複数の画素１０の重心位置が非周期的になるように、表示用光学素子１１の複数の画素１０が配置されているように感じられる。
これにより、図６に示す表示用光学素子１１と、他の表示用光学素子を積層しても、図６に示す表示用光学素子１１および他の表示用光学素子の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するのを防止することが可能となる。
しかも、図６に示す表示用光学素子１１では、拡散板を使用しないので、画像がぼけ表示分解能が低下することもなく、あるいは、光が拡散して正面の輝度が暗くなることもない。
なお、前述の説明において、画素とは、赤、緑、青のサブピクセルの集まりでも、あるいは、赤、緑、青の各サブピクセルであってもよい。
【００１３】
［実施の形態１］
図７は、本発明の実施の形態１の３次元表示装置の概略構成を示す模式図である。
本実施の形態では、図７に示すように、観察者１００の前面に、透過型表示装置（１０１，１０２）（透過型表示装置１０１が透過型表示装置１０２より観察者１００に近い）を配置する。
本実施の形態では、透過型表示装置１０１に、例えば、車両などの動画像を表示し、透過型表示装置１０２に、背景画像を表示することにより、観察者１００に奥行きのある画像を提示することが可能である。
本実施の形態では、透過型表示装置（１０１，１０２）の少なくとも１つが、前述の図１ないし図６に示す表示用光学素子で構成される。
ここで、透過型表示装置（１０１，１０２）としては、液晶表示装置（例えば、ツイストネマティック型液晶ディスプレイ、イン・プレイン型液晶ディスプレイ、ホモジニアス型液晶ディスプレイ、強誘電液晶ディスプレイ、ゲスト−ホスト型液晶ディスプレイ、高分子分散型液晶ディスプレイ、ホログラフィック高分子分散型液晶ディスプレイ、あるいはこれらの組み合わせ）、あるいは、ＥＬ表示装置などが使用される。
【００１４】
したがって、本実施の形態において、透過型表示装置（１０１，１０２）がＥＬ表示装置などの自発光型の表示装置の場合は、画素１０は、発光素子からなる画素となる。
また、本実施の形態において、透過型表示装置（１０１，１０２）が、液晶表示装置などの場合は、画素１０は、光学特性を制御することにより出射光を制御する画素となる。
ここで、光学特性を制御することにより出射光を制御する画素は、散乱度、透過率、吸収率、または、複屈折率を制御することにより出射光を制御する画素である。
本実施の形態において、透過型表示装置（１０１，１０２）が、液晶表示装置などの場合は、図７に示すように、観察者１００から見て最も後方に、光源１１０を配置する必要があるが、透過型表示装置１０２がＥＬ表示装置などの自発光型表示装置の場合は、光源１１０は必要ない。
このように、本実施の形態では、透過型表示装置（１０１，１０２）の少なくとも１つが、前述の図１ないし図６に示す表示用光学素子であるため、各透過型表示装置（１０１，１０２）の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するのを防止することが可能となる。
しかも、本実施の形態では、拡散板を使用しないので、画像がぼけ表示分解能が低下することもなく、あるいは、光が拡散して正面の輝度が暗くなることもない。
なお、本実施の形態において、透過型表示装置は２つに限定されるものではなく、２つ以上の透過型表示装置を使用することも可能である。
【００１５】
［実施の形態２］
図８は、本発明の実施の形態２の３次元表示装置の概略構成を示す模式図である。
本実施の形態では、図８に示すように、観察者１００の前面に、複数の透過型表示装置、例えば、透過型表示装置（１０１，１０２）（透過型表示装置１０１が透過型表示装置１０２より観察者１００に近い）と、種々の光学素子と、光源１１０を用いて光学系１０３を構築する。
透過型表示装置（１０１，１０２）としては、液晶表示装置（例えば、ツイストネマティック型液晶ディスプレイ、イン・プレイン型液晶ディスプレイ、ホモジニアス型液晶ディスプレイ、強誘電液晶ディスプレイ、ゲスト−ホスト型液晶ディスプレイ、高分子分散型液晶ディスプレイ、ホログラフィック高分子分散型液晶ディスプレイ、あるいはこれらの組み合わせ）、あるいは、ＥＬ表示装置などが使用される。
また、光学素子としは、例えば、レンズ、全反射鏡、部分反射鏡、曲面鏡、プリズム、偏光素子、波長板などを用いる。
図８に示す３次元表示装置は、透過型表示装置（１０１，１０２）として液晶表示装置を使用するものであり、そのため、光源１１０が、観察者１００から見て最も後方に配置された場合を示す。
【００１６】
本実施の形態の３次元表示装置は、前述の特許文献１に記載されているＤＦＤ（Depth Fused 3-D）方式の３次元表示装置である。
以下、図８〜図１３を用いて、ＤＦＤ方式の３次元表示装置の原理について説明する。
初めに、図９に示すように、観察者１００に提示したい３次元物体１０４を、観察者１００から見て、透過型表示装置（１０１，１０２）へ射影した像（以下、「２Ｄ化像」と呼ぶ。）である２Ｄ化像（１０５，１０６）を生成する。
この２Ｄ化像の生成方法としては、例えば、観察者１００の視線方向から３次元物体１０４をカメラ撮影した二次元像を用いる方法、あるいは別の方向から撮影した複数枚の二次元像から合成する方法、あるいはコンピュータグラフィックによる合成技術やモデル化を用いる方法など種々の方法がある。
この２Ｄ化像（１０５，１０６）を、図８に示すように、透過型表示装置１０１と透過型表示装置１０２との双方に、観察者１００の右眼と左眼を結ぶ線上の一点から見て重なるように、２Ｄ化像（１０７，１０８）として表示する。
これは、例えば、２Ｄ化像（１０５，１０６）の各々の中心位置や重心位置の配置と、各々の像の拡大／縮小率を制御することで可能となる。
前記構成を有する装置上で、観察者１００が見る像は、２Ｄ化像１０８を透過し、さらに２Ｄ化像１０７を透過した光によって生成される。
【００１７】
本実施の形態における重要な要点は、その観察者１００が見る像の輝度を、表示しようとする３次元物体１０４の輝度と同じになるように一定に保ちつつ、２Ｄ化像１０７と２Ｄ化像１０８の透過度の配分を変えることで、観察者１００の感じる像の奥行き位置を変えることである。
その変え方の一例を以下に述べる。
なお、ここでは、白黒図面であるため、分かりやすいように図面上では透過度が低い方を濃く示してある。
例えば、３次元物体１０４が透過型表示装置１０１上にある場合には、図１０に示すように、透過型表示装置１０１上の透過度を、２Ｄ化像１０７の輝度が３次元物体１０４の輝度に等しくなるように設定し、透過型表示装置１０２上の２Ｄ化像１０８の部分の透過度を、例えば、その透過型表示装置１０２の最大値とする。
次に、例えば、３次元物体１０４が観察者１００より少し遠ざかって、透過型表示装置１０１より透過型表示装置１０２側に少し寄った位置にある場合には、図１１に示すように、透過型表示装置１０１上の２Ｄ化像１０７の部分の透過度を少し増加させ、透過型表示装置１０２上の２Ｄ化像１０８の部分の透過度を少し減少させる。
【００１８】
また、例えば、３次元物体１０４が観察者１００よりさらに遠ざかって、透過型表示装置１０１より透過型表示装置１０２側にさらに寄った位置にある場合には、図１２に示すように、透過型表示装置１０１上の２Ｄ化像１０７の部分の透過度をさらに増加させ、透過型表示装置１０２上の２Ｄ化像１０８の部分の透過度をさらに減少させる。
さらに、例えば、３次元物体１０４が透過型表示装置１０２上にある場合には、図１３に示すように、透過型表示装置１０２上の透過度を、２Ｄ化像１０８の輝度が３次元物体１０４の輝度に等しくなるように設定し、透過型表示装置１０１上の２Ｄ化像１０７の部分の透過度を、例えば、透過型表示装置１０１の最大値とする。
このように表示することにより、人の生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示しているのが２Ｄ化像（１０７，１０８）であっても、観察者１００にはあたかも透過型表示装置（１０１，１０２）の中間に３次元物体１０４が位置しているように感じられる。
即ち、例えば、透過型表示装置（１０１，１０２）の２Ｄ化像（１０７，１０８）の部分の透過度をほぼ同じに設定した場合には、透過型表示装置（１０１，１０２）の奥行き位置の中間付近に３次元物体１０４があるように感じられる。
【００１９】
本実施の形態では、透過型表示装置（１０１，１０２）の少なくとも１つが、前述の図１ないし図６に示す表示用光学素子で構成される。
したがって、本実施の形態において、透過型表示装置（１０１，１０２）がＥＬ表示装置などの自発光型の表示装置の場合は、画素１０は、発光素子からなる画素となる。
また、本実施の形態において、透過型表示装置（１０１，１０２）が、液晶表示装置などの場合は、画素１０は、光学特性を制御することにより出射光を制御する画素となる。
ここで、光学特性を制御することにより出射光を制御する画素は、散乱度、透過率、吸収率、または、複屈折率を制御することにより出射光を制御する画素である。
なお、図８では、光源１１０が、観察者１００から見て最も後方に配置されるが、透過型表示装置１０２がＥＬ表示装置などの自発光型表示装置の場合は、光源１１０は必要ない。
このように、本実施の形態では、透過型表示装置（１０１，１０２）の少なくとも１つが、前述の図１ないし図６に示す表示用光学素子であるため、各透過型表示装置（１０１，１０２）の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するのを防止することが可能となる。
しかも、本実施の形態では、拡散板を使用しないので、画像がぼけ表示分解能が低下することもなく、あるいは、光が拡散して正面の輝度が暗くなることもない。
【００２０】
図１４は、図８に示す透過型表示装置（１０１，１０２）の一例の概略構成を示す模式図である。
図１４に示すように、透過型表示装置１０１は、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル２０１と、偏光板（２０３，２０３１）とを有し、透過型表示装置１０２は、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル２０２と、偏光板（２１３，２１３１）とを有する。
液晶表示パネル（２０１，２０２）の内部には、カラーフィルタ（図示せず）も設けられる。
液晶表示パネル（２０１，２０２）は、各画素単位で、偏光の方向を変化できるので、出射光の偏光方向と、出射側の偏光板の偏光方向により、出射する光の強度を変化でき、全体として光の透過度を変化させることができる。
したがって、液晶表示パネル（２０１，２０２）の各画素単位に、通過する光の偏光方向を制御することにより、液晶表示パネル２０１および液晶表示パネル２０２毎に、独立に透過度を変化させることができる。
ここで、透過型表示装置（１０１，１０２）上に表示される２Ｄ化像（１０７，１０８）は、カラー画像の二次元像である。
なお、図１４に示す３次元表示装置は、前述の実施の形態１の３次元表示装置にも適用可能である。
【００２１】
［実施の形態２の変形例］
図１５は、本発明の実施の形態２の３次元表示装置の変形例の概略構成を示す模式図である。
図１５に示す３次元表示装置では、透過型表示装置１０１が、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル２０１と偏光板２０３とを有し、透過型表示装置１０２が、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル２０２と偏光板２１３を有する。
即ち、図１５に示す３次元表示装置では、偏光板２０３と、偏光板２１３との間に、液晶表示パネル２０１と、液晶表示パネル２０２とが配置される。
また、偏光板２１３の後方（偏光板２１３の透過型表示装置１０１と反対の側）に、光源（バックライト）１１０が配置される。
液晶表示パネル（２０１，２０２）は、ツイストネマティック型液晶ディスプレイ、イン・プレイン型液晶表示装置、ホモジニアス型液晶表示装置、強誘電液晶表示装置、反強誘電液晶表示装置などから偏光板を取り除いた装置である。
また、液晶表示パネル（２０１，２０２）の内部には、カラーフィルタ（図示せず）も設けられる。
【００２２】
図１５に示す３次元表示装置でも、各透過型表示装置（１０１，１０２）に表示される２Ｄ化像（１０７，１０８）における、観察者１００から見た像の輝度を、図８〜図１３で説明たように変化させることにより、透過型表示装置（１０１，１０２）上、あるいは、透過型表示装置１０１と透過型表示装置１０２との間の任意の位置に、３次元立体像を表示することが可能である。
但し、本実施の形態では、偏光方向が、液晶表示パネル２０１と液晶表示パネル２１２とを通過する間に変化することを考慮して、各液晶表示パネル（２０１，２１２）の偏光方向の制御を行う必要がある。
前述の図１４に示すように、透過型表示装置１０１として、両側に偏光板（２０３，２０３１）を設けた液晶表示パネル２０１、および、透過型表示装置１０２として、両側に偏光板（２１３，２１３１）を設けた液晶表示パネル２０２を使用する場合には、光源１１０からの照射光の光路中に４枚の偏光板（２０３，２０３１，２１３，２１３１）が挿入されることになるので、全体としての透過度が低くなり、表示が暗くなる欠点がある。
これに対して、図１５に示す３次元表示装置では、液晶表示パネル（２０１，２０２）を、２枚の偏光板（２０３，２１３）で挟むようにしたので、表示が暗くなるのを防止することができる。
【００２３】
図１５に示す３次元表示装置において、従来のように、透過型表示装置１０１と透過型表示装置１０２との間にモアレを防止するための拡散板を配置すると、拡散板で偏光が解消する方向に変化するので、コントラストの低下など表示特性が劣化する。
しかしながら、図１５に示す３次元表示装置では、透過型表示装置（１０１，１０２）の少なくとも１つが、前述の図１ないし図６に示す表示用光学素子であり、図１５に示す３次元表示装置では、透過型表示装置１０１と透過型表示装置１０２との間にモアレを防止するための拡散板を配置する必要がないので、コントラストの低下などの表示特性が劣化することがない。
特に、図３〜図６に示す表示用光学素子のシフト光学系の材料として、複屈折率の小さい、あるいは、複屈折のない材料を用いると、シフト光学系により偏光が変化しない（即ち、シフト光学系が偏光を保存する）ので、コントラストの低下などの表示特性が劣化するのを防止することができる。
【００２４】
また、図１５に示す３次元表示装置では、液晶表示パネル（２０１，２０２）における輝度を実質的に大きな自由度で制御できる利点も有する。
すなわち、図１４に示す透過型表示装置（１０１，１０２）の場合には、光源１１０からの照射光は、各透過型表示装置（１０１，１０２）を通過する間に変化しない、あるいは減少するしかなく、各透過型表示装置（１０１，１０２）における輝度は、変化しない、あるいは、減少するしかない。
これに対して、図１５に示す３次元表示装置では、出射側の偏光板２０３までは、光量は実質的にほとんど変化せず、各液晶表示パネル（２０１，２０２）ではその偏光方向のみが変化している。
しかも、偏光方向は、各液晶表示パネル（２０１，２０２）でほぼ加算されて回転していくが、出射側の偏光板２０３の外から観察した場合、出射側の偏光板２０３の透過偏光方向を基準として０〜９０度までは各液晶表示パネル（２０１，２０２）の輝度は減少し、９０〜１８０度までは輝度は上昇し、１８０〜２７０度までは輝度は減少し、２７０〜３６０度までは輝度は上昇するというように輝度の上昇、減少を繰り返せる。
したがって、各液晶表示パネル（２０１，２０２）の輝度は、その直前の偏光可変装置の輝度に比べて、上昇することも、変化しないことも、減少することも可能となる。
但し、実際には、例えば、ツイストネマティック型液晶表示装置などにおいては、最大の角度変化が９０度である場合が多いため、これを考慮して設計を行う必要がある。
【００２５】
図１６は、本発明の実施の形態２の３次元表示装置の他の変形例の概略構成を示す模式図である。
図１６に示す３次元表示装置は、透過型表示装置１０１と透過型表示装置１０２との間にフロントライト１５０を配置したものである。
透過型表示装置１０１は、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル２０１と、偏光板（２０３，２０３１）とを有し、透過型表示装置１０２は、反射型の液晶表示装置であり、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル２０２と、偏光板２１３１と反射板２０５とを有する。
また、フロントライト１５０は、導光板１５１と、反射シート１５２と、光源（冷陰極蛍光灯）１５３とで構成される。
導光板１５１は、外部から入力される光は、そのまま通過するので、透過型表示装置１０２の反射板２０５で反射された光は、導光板１５１を通過して透過型表示装置１０１に入射される。
したがって、図１６に示す３次元表示装置でも、各透過型表示装置（１０１，１０２）に表示される２Ｄ化像（１０７，１０８）における、観察者１００から見た像の輝度を、図８〜図１３で説明たように変化させることにより、透過型表示装置（１０１，１０２）上、あるいは、透過型表示装置１０１と透過型表示装置１０２との間の任意の位置に、３次元立体像を表示することが可能である。
なお、図１６に示す３次元表示装置は、前述の実施の形態１の３次元表示装置にも適用可能である。
【００２６】
図１７は、本発明の実施の形態２の３次元表示装置の他の変形例の概略構成を示す模式図である。
図１７に示す３次元表示装置は、反射板２０５に代えて反射型偏光板２０６を使用し、かつ、内側の２つの偏光板（２０３１、２１３１）を省略した点で、図１６に示す３次元表示装置と相異する。
図１７に示す３次元表示装置でも、各透過型表示装置（１０１，１０２）に表示される２Ｄ化像（１０７，１０８）における、観察者１００から見た像の輝度を、図８〜図１３で説明たように変化させることにより、透過型表示装置（１０１，１０２）上、あるいは、透過型表示装置１０１と透過型表示装置１０２との間の任意の位置に、３次元立体像を表示することが可能である。
特に、導光板１５１、および、図３〜図６に示す表示用光学素子のシフト光学系の材料として、複屈折率の小さい、あるいは、複屈折のない材料を用いると、導光板１５１、およびシフト光学系により偏光が変化しないので、コントラストの低下などの表示特性が劣化するのを防止することができる。
なお、図１７に示す３次元表示装置は、前述の実施の形態１の３次元表示装置にも適用可能である。
【００２７】
また、前述の説明では、２Ｄ化像を表示する透過型表示装置の中で主に２つの透過型表示装置に関してのみ記述し、かつ観察者１００に提示する３次元物体が２つの透過型表示装置の間にある場合について説明したが、２Ｄ化像を表示する透過型表示装置の個数がこれよりも多く、あるいは提示する３次元物体の位置が異なる場合であっても、同様な構成が可能であることは明らかである。
さらに、本実施の形態における二次元像の表示面は、本発明の趣旨から見て、必ずしも平面である必要はなく、球面や楕円面や二次曲面や他の複雑な曲面であっても同様な効果が得られることは明らかである。
また、前述の説明では、例えば、３次元物体全体の奥行き位置を、各透過型表示装置（１０１，１０２）に表示した２Ｄ化像を用いて表現する場合について主に述べたが、本実施の形態の３次元表示装置は、前述の特許文献１に記載したように、３次元物体自体が有する奥行きを表現する方法及び装置としても使用できる。
同様に、本実施の形態の３次元表示装置は、前述の特許文献に記載したように、３次元物体自体が移動する場合にも使用できる。
２Ｄ化像が３次元的に移動する場合、２Ｄ化像の左右・上下方向への移動に関しては通常の二次元表示装置の場合と同様に各透過型表示装置（１０１，１０２）内での動画再生によって可能であり、奥行き方向への移動に関しては、前述の特許文献１に記載したように、透過型表示装置１０１、および透過型表示装置１０２に表示される２Ｄ化像（１０７，１０８）の輝度（観察者１００から見た輝度）の変化を時間的に行うことで、３次元像の動画を表現することが可能である。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００２８】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明によれば、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示用光学素子を備える３次元表示装置において、拡散板を用いることなく、モアレの発生を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の３次元表示装置に適用される表示用光学素子の一例の各画素の配置状態の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の３次元表示装置に適用される表示用光学素子の一例の各画素の配置状態の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の３次元表示装置に適用される表示用光学素子の他の例を示す要部断面図である。
【図４】図４は、図３に示す表示用光学素子に使用されるシフト光学系の他の例を示す要部断面図である。
【図５】図３に示す表示用光学素子に使用されるシフト光学系の他の例を示す要部断面図である。
【図６】図３に示す表示用光学素子に使用されるシフト光学系の他の例を示す要部断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１の３次元表示装置の概略構成を示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の概略構成を示す模式図である。
【図９】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１２】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１４】図８に示す透過型表示装置の概略構成を示す模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の変形例の概略構成を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の他の変形例の概略構成を示す模式図である。
【図１７】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の他の変形例の概略構成を示す模式図である。
【図１８】従来のフラットディスプレイの各画素の配置状態を示す図である。
【符号の説明】
１０…画素、１１…表示用光学素子、２０，２１…凹凸を有する透明板、２２…不均一な屈折率を有する透明板、２２ａ…高屈折率部分、２３…オプティカルファイバープレート、２３ａ，２３ｂ…ファイバー、１００…観察者、１０１，１０２…透過型表示装置、１０３…光学系、１０４…３次元物体、１０５，１０６，１０７，１０８…２Ｄ化像、１１０，１５３…光源、１５０…フロントライト、１５１…導光板、１５２…反射シート、２０１，２０２…液晶表示パネル、２０３，２１３，２０３１，２１３１…偏光板、２０５…反射板、２０６…反射型偏光板。
【発明の属する技術分野】
本発明は、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示用光学素子を備える３次元表示装置に係り、特に、モアレの発生を防止する３次元表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の透過型表示装置（例えば、液晶表示装置）を、観察者から見て異なった奥行き位置に配置することにより、観察者に３次元立体像を表示する３次元表示装置が知られている（下記特許文献１、特許文献２参照）。
これらの３次元表示装置に使用される透過型表示装置では、図１８に示すように、複数の画素１０の重心位置が周期的になるように、複数の画素１０が配置される。
そのため、前述の各特許文献に記載されている３次元表示装置では、各透過型表示装置の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するという問題点があった。
このモアレの発生を防止するために、前述の特許文献２には、複数の透過型表示装置の間に拡散板を配置することが記載されている。
【０００３】
なお、本願発明に関連する先行技術文献としては以下のものがある。
【特許文献１】
特開２００１−５４１４４号公報
【特許文献２】
特許第３３３５９９８号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の特許文献２に記載されているような拡散板を用いてモアレの発生を防止する方法は、画像がぼけ表示分解能が低下する、あるいは、光が拡散するので正面の輝度が暗くなってしまうという問題点があった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示用光学素子を備える３次元表示装置において、拡散板を使用することなく、モアレの発生を防止することが可能となる技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
前述したモアレが発生する理由は、３次元表示装置に使用される表示用光学素子において、複数の画素の重心位置が周期的になるように、複数の画素が配置されていることに原因がある。
そこで、本発明では、３次元表示装置に使用される表示用光学素子において、複数配置される画素の重心位置が非周期的なるようにしたことを最も主要な特徴とする。
即ち、本発明は、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示用光学素子を備える３次元表示装置であって、前記各表示用光学素子は、複数の画素を有し、前記複数の表示用光学素子の少なくとも１つは、前記複数の画素の重心位置が非周期的になるように、前記複数の画素が配置されていることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明は、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示用光学素子を備える３次元表示装置であって、前記各表示用光学素子は、複数の画素を有するとともに、前記複数の画素は、前記複数の画素の重心位置が周期的になるように配置され、前記複数の表示用光学素子の少なくとも１つは、前記表示用光学素子の表示面側に配置され、前記複数の画素の重心位置を光学的に非周期的とするシフト光学系を備えることを特徴とする。
本発明の好ましい実施の形態では、前記シフト光学系が、凹凸を有する透明板、凹凸を有する透明板を組み合わせたもの、不均一な屈折率を有する透明板、あるいは、ファイバーのある端点の他表面への斜影がもう一方の端点と異なるファイバーを含むオプティカルファイバープレートであることを特徴とする。
本発明の好ましい実施の形態では、前記シフト光学系は、偏光を保存する。
【０００７】
また、本発明において、表示用光学素子の各画素は、発光素子からなる画素、あるいは、光学特性を制御することにより出射光を制御する画素である。
ここで、光学特性を制御することにより出射光を制御する画素は、散乱度、透過率、吸収率、または、複屈折率を制御することにより出射光を制御する画素である。
また、本発明において、前記各表示用光学素子に表示される２次元像は、前記観察者から見て異なった奥行き位置に配置されるそれぞれの表示用光学素子に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像であって、かつ、前記各表示用光学素子に表示される２次元像における前記観察者から見た輝度を、前記表示対象物体の奥行き位置に応じてそれぞれ独立に変化させることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［本実施の形態の３次元表示装置に適用される表示用光学素子の構造］
図１、図２は、本発明の実施の形態の３次元表示装置に適用される表示用光学素子の一例の各画素の配置状態の一例を示す図である。
図１、図２に示すように、同図に示す表示用光学素子は、複数の画素１０の重心位置が非周期的になるように、複数の画素１０を配置したことを特徴とする。
これにより、図１に示す表示用光学素子１１と、他の表示用光学素子を積層しても、図１に示す表示用光学素子１１および他の表示用光学素子の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するのを防止することが可能となる。
しかも、図１に示す表示用光学素子１１では、拡散板を使用しないので、画像がぼけ表示分解能が低下することもなく、あるいは、光が拡散して正面の輝度が暗くなることもない。
ここで、画素１０の重心位置とは、例えば、画素の形に切り抜いた紙を、一点で支持したときに、バランスがとれる点である。
【０００９】
図３は、本発明の実施の形態の３次元表示装置に適用される表示用光学素子の他の例を示す要部断面図である。
図３に示す表示用光学素子では、図１８に示すように、複数の画素１０の重心位置が周期的になるように、表示用光学素子１１の複数の画素１０が配置される。
しかしながら、図３に示す表示用光学素子では、表示用光学素子１１の前面にシフト光学系を配置し、観察者から見た場合に、表示用光学素子１１における複数の画素１０の重心位置が非周期的になるようにしたものである。
図３に示す表示用光学素子では、このシフト光学系として、凹凸を有する透明板２０が使用される。
表示用光学素子１１の画素１０から出射する光は、凹凸を有する透明板２０の表面を通るときに光線が曲げられるので、図３の実線に示すように、複数の画素１０の重心位置が周期的になるように、表示用光学素子の複数の画素１０が配置されていても、観察者には、図３の波線に示すように、複数の画素１０の重心位置が非周期的になるように、表示用光学素子１１の複数の画素１０が配置されているように感じられる。なお、図３において、実線は実際の画素１０の位置を示し、波線は、観察者に感じられる見かけ上の画素１０の位置を示す。
これにより、図３に示す表示用光学素子１１と、他の表示用光学素子を積層しても、図３に示す表示用光学素子１１および他の表示用光学素子の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するのを防止することが可能となる。
しかも、図３に示す表示用光学素子１１では、拡散板を使用しないので、画像がぼけ表示分解能が低下することもなく、あるいは、光が拡散して正面の輝度が暗くなることもない。
【００１０】
図４は、図３に示す表示用光学素子に使用されるシフト光学系の他の例を示す要部断面図である。
図４にシフト光学系は、凹凸を有する透明板２０と、凹凸を有する透明板２１とを組み合わせたものである。
図４に示す凹凸を有する透明板２０と、凹凸を有する透明板２１を使用することにより、複数の画素１０の重心位置が周期的になるように、表示用光学素子の複数の画素１０が配置されていても、観察者には、複数の画素１０の重心位置が非周期的になるように、表示用光学素子１１の複数の画素１０が配置されているように感じられる。
これにより、図４に示す表示用光学素子１１と、他の表示用光学素子を積層しても、図４に示す表示用光学素子１１および他の表示用光学素子の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するのを防止することが可能となる。
しかも、図４に示す表示用光学素子１１では、拡散板を使用しないので、画像がぼけ表示分解能が低下することもなく、あるいは、光が拡散して正面の輝度が暗くなることもない。
【００１１】
図５は、図３に示す表示用光学素子に使用されるシフト光学系の他の例を示す要部断面図である。
図５に示すシフト光学系は、不均一な屈折率を有する透明板２２である。
図５に示す不均一な屈折率を有する透明板２２を光が通過する際に、屈折率の変化により光線が曲げられるので、前述の図３の場合と同様、複数の画素１０の重心位置が周期的になるように、表示用光学素子の複数の画素１０が配置されていても、観察者には、複数の画素１０の重心位置が非周期的になるように、表示用光学素子１１の複数の画素１０が配置されているように感じられる。
これにより、図５に示す表示用光学素子１１と、他の表示用光学素子を積層しても、図５に示す表示用光学素子１１および他の表示用光学素子の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するのを防止することが可能となる。
しかも、図５に示す表示用光学素子１１では、拡散板を使用しないので、画像がぼけ表示分解能が低下することもなく、あるいは、光が拡散して正面の輝度が暗くなることもない。
なお、図５では、不均一な屈折率を有する透明板２２として、内部に、平板状の高屈折率部分２２ａを有する透明板を図示しているが、高屈折率部分２２ａは平板状である必要はなく、また、図５において、高屈折率部分２２ａは、低屈折率部分であってもよい。
即ち、図５に示す不均一な屈折率を有する透明板２２は、透明板の一方から入射される光が、図３、図４に示すような光路を通り、透明板の他方から出射されるものであればよい。
【００１２】
図６は、図３に示す表示用光学素子に使用されるシフト光学系の他の例を示す要部断面図である。
図６に示すシフト光学系は、ファイバーのある端点の他表面への斜影がもう一方の端点と異なるファイバーを含むオプティカルファイバープレート２３である。
図６に示すオプティカルファイバープレート２３では、オプティカルファイバープレート２３を構成する個々のファイバーの中で一部のファイバー（例えば、２３ａ，２３ｂ）が湾曲している。
そのため、図６の矢印Ａの位置から、ファイバー２３ａに入射する光は、矢印Ａとは異なる位置である、図６の矢印Ｂの位置から出射する。
図６に示すオプティカルファイバープレート２３を使用することにより、複数の画素１０の重心位置が周期的になるように、表示用光学素子の複数の画素１０が配置されていても、観察者には、複数の画素１０の重心位置が非周期的になるように、表示用光学素子１１の複数の画素１０が配置されているように感じられる。
これにより、図６に示す表示用光学素子１１と、他の表示用光学素子を積層しても、図６に示す表示用光学素子１１および他の表示用光学素子の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するのを防止することが可能となる。
しかも、図６に示す表示用光学素子１１では、拡散板を使用しないので、画像がぼけ表示分解能が低下することもなく、あるいは、光が拡散して正面の輝度が暗くなることもない。
なお、前述の説明において、画素とは、赤、緑、青のサブピクセルの集まりでも、あるいは、赤、緑、青の各サブピクセルであってもよい。
【００１３】
［実施の形態１］
図７は、本発明の実施の形態１の３次元表示装置の概略構成を示す模式図である。
本実施の形態では、図７に示すように、観察者１００の前面に、透過型表示装置（１０１，１０２）（透過型表示装置１０１が透過型表示装置１０２より観察者１００に近い）を配置する。
本実施の形態では、透過型表示装置１０１に、例えば、車両などの動画像を表示し、透過型表示装置１０２に、背景画像を表示することにより、観察者１００に奥行きのある画像を提示することが可能である。
本実施の形態では、透過型表示装置（１０１，１０２）の少なくとも１つが、前述の図１ないし図６に示す表示用光学素子で構成される。
ここで、透過型表示装置（１０１，１０２）としては、液晶表示装置（例えば、ツイストネマティック型液晶ディスプレイ、イン・プレイン型液晶ディスプレイ、ホモジニアス型液晶ディスプレイ、強誘電液晶ディスプレイ、ゲスト−ホスト型液晶ディスプレイ、高分子分散型液晶ディスプレイ、ホログラフィック高分子分散型液晶ディスプレイ、あるいはこれらの組み合わせ）、あるいは、ＥＬ表示装置などが使用される。
【００１４】
したがって、本実施の形態において、透過型表示装置（１０１，１０２）がＥＬ表示装置などの自発光型の表示装置の場合は、画素１０は、発光素子からなる画素となる。
また、本実施の形態において、透過型表示装置（１０１，１０２）が、液晶表示装置などの場合は、画素１０は、光学特性を制御することにより出射光を制御する画素となる。
ここで、光学特性を制御することにより出射光を制御する画素は、散乱度、透過率、吸収率、または、複屈折率を制御することにより出射光を制御する画素である。
本実施の形態において、透過型表示装置（１０１，１０２）が、液晶表示装置などの場合は、図７に示すように、観察者１００から見て最も後方に、光源１１０を配置する必要があるが、透過型表示装置１０２がＥＬ表示装置などの自発光型表示装置の場合は、光源１１０は必要ない。
このように、本実施の形態では、透過型表示装置（１０１，１０２）の少なくとも１つが、前述の図１ないし図６に示す表示用光学素子であるため、各透過型表示装置（１０１，１０２）の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するのを防止することが可能となる。
しかも、本実施の形態では、拡散板を使用しないので、画像がぼけ表示分解能が低下することもなく、あるいは、光が拡散して正面の輝度が暗くなることもない。
なお、本実施の形態において、透過型表示装置は２つに限定されるものではなく、２つ以上の透過型表示装置を使用することも可能である。
【００１５】
［実施の形態２］
図８は、本発明の実施の形態２の３次元表示装置の概略構成を示す模式図である。
本実施の形態では、図８に示すように、観察者１００の前面に、複数の透過型表示装置、例えば、透過型表示装置（１０１，１０２）（透過型表示装置１０１が透過型表示装置１０２より観察者１００に近い）と、種々の光学素子と、光源１１０を用いて光学系１０３を構築する。
透過型表示装置（１０１，１０２）としては、液晶表示装置（例えば、ツイストネマティック型液晶ディスプレイ、イン・プレイン型液晶ディスプレイ、ホモジニアス型液晶ディスプレイ、強誘電液晶ディスプレイ、ゲスト−ホスト型液晶ディスプレイ、高分子分散型液晶ディスプレイ、ホログラフィック高分子分散型液晶ディスプレイ、あるいはこれらの組み合わせ）、あるいは、ＥＬ表示装置などが使用される。
また、光学素子としは、例えば、レンズ、全反射鏡、部分反射鏡、曲面鏡、プリズム、偏光素子、波長板などを用いる。
図８に示す３次元表示装置は、透過型表示装置（１０１，１０２）として液晶表示装置を使用するものであり、そのため、光源１１０が、観察者１００から見て最も後方に配置された場合を示す。
【００１６】
本実施の形態の３次元表示装置は、前述の特許文献１に記載されているＤＦＤ（Depth Fused 3-D）方式の３次元表示装置である。
以下、図８〜図１３を用いて、ＤＦＤ方式の３次元表示装置の原理について説明する。
初めに、図９に示すように、観察者１００に提示したい３次元物体１０４を、観察者１００から見て、透過型表示装置（１０１，１０２）へ射影した像（以下、「２Ｄ化像」と呼ぶ。）である２Ｄ化像（１０５，１０６）を生成する。
この２Ｄ化像の生成方法としては、例えば、観察者１００の視線方向から３次元物体１０４をカメラ撮影した二次元像を用いる方法、あるいは別の方向から撮影した複数枚の二次元像から合成する方法、あるいはコンピュータグラフィックによる合成技術やモデル化を用いる方法など種々の方法がある。
この２Ｄ化像（１０５，１０６）を、図８に示すように、透過型表示装置１０１と透過型表示装置１０２との双方に、観察者１００の右眼と左眼を結ぶ線上の一点から見て重なるように、２Ｄ化像（１０７，１０８）として表示する。
これは、例えば、２Ｄ化像（１０５，１０６）の各々の中心位置や重心位置の配置と、各々の像の拡大／縮小率を制御することで可能となる。
前記構成を有する装置上で、観察者１００が見る像は、２Ｄ化像１０８を透過し、さらに２Ｄ化像１０７を透過した光によって生成される。
【００１７】
本実施の形態における重要な要点は、その観察者１００が見る像の輝度を、表示しようとする３次元物体１０４の輝度と同じになるように一定に保ちつつ、２Ｄ化像１０７と２Ｄ化像１０８の透過度の配分を変えることで、観察者１００の感じる像の奥行き位置を変えることである。
その変え方の一例を以下に述べる。
なお、ここでは、白黒図面であるため、分かりやすいように図面上では透過度が低い方を濃く示してある。
例えば、３次元物体１０４が透過型表示装置１０１上にある場合には、図１０に示すように、透過型表示装置１０１上の透過度を、２Ｄ化像１０７の輝度が３次元物体１０４の輝度に等しくなるように設定し、透過型表示装置１０２上の２Ｄ化像１０８の部分の透過度を、例えば、その透過型表示装置１０２の最大値とする。
次に、例えば、３次元物体１０４が観察者１００より少し遠ざかって、透過型表示装置１０１より透過型表示装置１０２側に少し寄った位置にある場合には、図１１に示すように、透過型表示装置１０１上の２Ｄ化像１０７の部分の透過度を少し増加させ、透過型表示装置１０２上の２Ｄ化像１０８の部分の透過度を少し減少させる。
【００１８】
また、例えば、３次元物体１０４が観察者１００よりさらに遠ざかって、透過型表示装置１０１より透過型表示装置１０２側にさらに寄った位置にある場合には、図１２に示すように、透過型表示装置１０１上の２Ｄ化像１０７の部分の透過度をさらに増加させ、透過型表示装置１０２上の２Ｄ化像１０８の部分の透過度をさらに減少させる。
さらに、例えば、３次元物体１０４が透過型表示装置１０２上にある場合には、図１３に示すように、透過型表示装置１０２上の透過度を、２Ｄ化像１０８の輝度が３次元物体１０４の輝度に等しくなるように設定し、透過型表示装置１０１上の２Ｄ化像１０７の部分の透過度を、例えば、透過型表示装置１０１の最大値とする。
このように表示することにより、人の生理的あるいは心理的要因あるいは錯覚により、表示しているのが２Ｄ化像（１０７，１０８）であっても、観察者１００にはあたかも透過型表示装置（１０１，１０２）の中間に３次元物体１０４が位置しているように感じられる。
即ち、例えば、透過型表示装置（１０１，１０２）の２Ｄ化像（１０７，１０８）の部分の透過度をほぼ同じに設定した場合には、透過型表示装置（１０１，１０２）の奥行き位置の中間付近に３次元物体１０４があるように感じられる。
【００１９】
本実施の形態では、透過型表示装置（１０１，１０２）の少なくとも１つが、前述の図１ないし図６に示す表示用光学素子で構成される。
したがって、本実施の形態において、透過型表示装置（１０１，１０２）がＥＬ表示装置などの自発光型の表示装置の場合は、画素１０は、発光素子からなる画素となる。
また、本実施の形態において、透過型表示装置（１０１，１０２）が、液晶表示装置などの場合は、画素１０は、光学特性を制御することにより出射光を制御する画素となる。
ここで、光学特性を制御することにより出射光を制御する画素は、散乱度、透過率、吸収率、または、複屈折率を制御することにより出射光を制御する画素である。
なお、図８では、光源１１０が、観察者１００から見て最も後方に配置されるが、透過型表示装置１０２がＥＬ表示装置などの自発光型表示装置の場合は、光源１１０は必要ない。
このように、本実施の形態では、透過型表示装置（１０１，１０２）の少なくとも１つが、前述の図１ないし図６に示す表示用光学素子であるため、各透過型表示装置（１０１，１０２）の画素パターンが干渉して、モアレ（干渉縞）が発生するのを防止することが可能となる。
しかも、本実施の形態では、拡散板を使用しないので、画像がぼけ表示分解能が低下することもなく、あるいは、光が拡散して正面の輝度が暗くなることもない。
【００２０】
図１４は、図８に示す透過型表示装置（１０１，１０２）の一例の概略構成を示す模式図である。
図１４に示すように、透過型表示装置１０１は、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル２０１と、偏光板（２０３，２０３１）とを有し、透過型表示装置１０２は、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル２０２と、偏光板（２１３，２１３１）とを有する。
液晶表示パネル（２０１，２０２）の内部には、カラーフィルタ（図示せず）も設けられる。
液晶表示パネル（２０１，２０２）は、各画素単位で、偏光の方向を変化できるので、出射光の偏光方向と、出射側の偏光板の偏光方向により、出射する光の強度を変化でき、全体として光の透過度を変化させることができる。
したがって、液晶表示パネル（２０１，２０２）の各画素単位に、通過する光の偏光方向を制御することにより、液晶表示パネル２０１および液晶表示パネル２０２毎に、独立に透過度を変化させることができる。
ここで、透過型表示装置（１０１，１０２）上に表示される２Ｄ化像（１０７，１０８）は、カラー画像の二次元像である。
なお、図１４に示す３次元表示装置は、前述の実施の形態１の３次元表示装置にも適用可能である。
【００２１】
［実施の形態２の変形例］
図１５は、本発明の実施の形態２の３次元表示装置の変形例の概略構成を示す模式図である。
図１５に示す３次元表示装置では、透過型表示装置１０１が、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル２０１と偏光板２０３とを有し、透過型表示装置１０２が、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル２０２と偏光板２１３を有する。
即ち、図１５に示す３次元表示装置では、偏光板２０３と、偏光板２１３との間に、液晶表示パネル２０１と、液晶表示パネル２０２とが配置される。
また、偏光板２１３の後方（偏光板２１３の透過型表示装置１０１と反対の側）に、光源（バックライト）１１０が配置される。
液晶表示パネル（２０１，２０２）は、ツイストネマティック型液晶ディスプレイ、イン・プレイン型液晶表示装置、ホモジニアス型液晶表示装置、強誘電液晶表示装置、反強誘電液晶表示装置などから偏光板を取り除いた装置である。
また、液晶表示パネル（２０１，２０２）の内部には、カラーフィルタ（図示せず）も設けられる。
【００２２】
図１５に示す３次元表示装置でも、各透過型表示装置（１０１，１０２）に表示される２Ｄ化像（１０７，１０８）における、観察者１００から見た像の輝度を、図８〜図１３で説明たように変化させることにより、透過型表示装置（１０１，１０２）上、あるいは、透過型表示装置１０１と透過型表示装置１０２との間の任意の位置に、３次元立体像を表示することが可能である。
但し、本実施の形態では、偏光方向が、液晶表示パネル２０１と液晶表示パネル２１２とを通過する間に変化することを考慮して、各液晶表示パネル（２０１，２１２）の偏光方向の制御を行う必要がある。
前述の図１４に示すように、透過型表示装置１０１として、両側に偏光板（２０３，２０３１）を設けた液晶表示パネル２０１、および、透過型表示装置１０２として、両側に偏光板（２１３，２１３１）を設けた液晶表示パネル２０２を使用する場合には、光源１１０からの照射光の光路中に４枚の偏光板（２０３，２０３１，２１３，２１３１）が挿入されることになるので、全体としての透過度が低くなり、表示が暗くなる欠点がある。
これに対して、図１５に示す３次元表示装置では、液晶表示パネル（２０１，２０２）を、２枚の偏光板（２０３，２１３）で挟むようにしたので、表示が暗くなるのを防止することができる。
【００２３】
図１５に示す３次元表示装置において、従来のように、透過型表示装置１０１と透過型表示装置１０２との間にモアレを防止するための拡散板を配置すると、拡散板で偏光が解消する方向に変化するので、コントラストの低下など表示特性が劣化する。
しかしながら、図１５に示す３次元表示装置では、透過型表示装置（１０１，１０２）の少なくとも１つが、前述の図１ないし図６に示す表示用光学素子であり、図１５に示す３次元表示装置では、透過型表示装置１０１と透過型表示装置１０２との間にモアレを防止するための拡散板を配置する必要がないので、コントラストの低下などの表示特性が劣化することがない。
特に、図３〜図６に示す表示用光学素子のシフト光学系の材料として、複屈折率の小さい、あるいは、複屈折のない材料を用いると、シフト光学系により偏光が変化しない（即ち、シフト光学系が偏光を保存する）ので、コントラストの低下などの表示特性が劣化するのを防止することができる。
【００２４】
また、図１５に示す３次元表示装置では、液晶表示パネル（２０１，２０２）における輝度を実質的に大きな自由度で制御できる利点も有する。
すなわち、図１４に示す透過型表示装置（１０１，１０２）の場合には、光源１１０からの照射光は、各透過型表示装置（１０１，１０２）を通過する間に変化しない、あるいは減少するしかなく、各透過型表示装置（１０１，１０２）における輝度は、変化しない、あるいは、減少するしかない。
これに対して、図１５に示す３次元表示装置では、出射側の偏光板２０３までは、光量は実質的にほとんど変化せず、各液晶表示パネル（２０１，２０２）ではその偏光方向のみが変化している。
しかも、偏光方向は、各液晶表示パネル（２０１，２０２）でほぼ加算されて回転していくが、出射側の偏光板２０３の外から観察した場合、出射側の偏光板２０３の透過偏光方向を基準として０〜９０度までは各液晶表示パネル（２０１，２０２）の輝度は減少し、９０〜１８０度までは輝度は上昇し、１８０〜２７０度までは輝度は減少し、２７０〜３６０度までは輝度は上昇するというように輝度の上昇、減少を繰り返せる。
したがって、各液晶表示パネル（２０１，２０２）の輝度は、その直前の偏光可変装置の輝度に比べて、上昇することも、変化しないことも、減少することも可能となる。
但し、実際には、例えば、ツイストネマティック型液晶表示装置などにおいては、最大の角度変化が９０度である場合が多いため、これを考慮して設計を行う必要がある。
【００２５】
図１６は、本発明の実施の形態２の３次元表示装置の他の変形例の概略構成を示す模式図である。
図１６に示す３次元表示装置は、透過型表示装置１０１と透過型表示装置１０２との間にフロントライト１５０を配置したものである。
透過型表示装置１０１は、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル２０１と、偏光板（２０３，２０３１）とを有し、透過型表示装置１０２は、反射型の液晶表示装置であり、偏光可変装置として機能する液晶表示パネル２０２と、偏光板２１３１と反射板２０５とを有する。
また、フロントライト１５０は、導光板１５１と、反射シート１５２と、光源（冷陰極蛍光灯）１５３とで構成される。
導光板１５１は、外部から入力される光は、そのまま通過するので、透過型表示装置１０２の反射板２０５で反射された光は、導光板１５１を通過して透過型表示装置１０１に入射される。
したがって、図１６に示す３次元表示装置でも、各透過型表示装置（１０１，１０２）に表示される２Ｄ化像（１０７，１０８）における、観察者１００から見た像の輝度を、図８〜図１３で説明たように変化させることにより、透過型表示装置（１０１，１０２）上、あるいは、透過型表示装置１０１と透過型表示装置１０２との間の任意の位置に、３次元立体像を表示することが可能である。
なお、図１６に示す３次元表示装置は、前述の実施の形態１の３次元表示装置にも適用可能である。
【００２６】
図１７は、本発明の実施の形態２の３次元表示装置の他の変形例の概略構成を示す模式図である。
図１７に示す３次元表示装置は、反射板２０５に代えて反射型偏光板２０６を使用し、かつ、内側の２つの偏光板（２０３１、２１３１）を省略した点で、図１６に示す３次元表示装置と相異する。
図１７に示す３次元表示装置でも、各透過型表示装置（１０１，１０２）に表示される２Ｄ化像（１０７，１０８）における、観察者１００から見た像の輝度を、図８〜図１３で説明たように変化させることにより、透過型表示装置（１０１，１０２）上、あるいは、透過型表示装置１０１と透過型表示装置１０２との間の任意の位置に、３次元立体像を表示することが可能である。
特に、導光板１５１、および、図３〜図６に示す表示用光学素子のシフト光学系の材料として、複屈折率の小さい、あるいは、複屈折のない材料を用いると、導光板１５１、およびシフト光学系により偏光が変化しないので、コントラストの低下などの表示特性が劣化するのを防止することができる。
なお、図１７に示す３次元表示装置は、前述の実施の形態１の３次元表示装置にも適用可能である。
【００２７】
また、前述の説明では、２Ｄ化像を表示する透過型表示装置の中で主に２つの透過型表示装置に関してのみ記述し、かつ観察者１００に提示する３次元物体が２つの透過型表示装置の間にある場合について説明したが、２Ｄ化像を表示する透過型表示装置の個数がこれよりも多く、あるいは提示する３次元物体の位置が異なる場合であっても、同様な構成が可能であることは明らかである。
さらに、本実施の形態における二次元像の表示面は、本発明の趣旨から見て、必ずしも平面である必要はなく、球面や楕円面や二次曲面や他の複雑な曲面であっても同様な効果が得られることは明らかである。
また、前述の説明では、例えば、３次元物体全体の奥行き位置を、各透過型表示装置（１０１，１０２）に表示した２Ｄ化像を用いて表現する場合について主に述べたが、本実施の形態の３次元表示装置は、前述の特許文献１に記載したように、３次元物体自体が有する奥行きを表現する方法及び装置としても使用できる。
同様に、本実施の形態の３次元表示装置は、前述の特許文献に記載したように、３次元物体自体が移動する場合にも使用できる。
２Ｄ化像が３次元的に移動する場合、２Ｄ化像の左右・上下方向への移動に関しては通常の二次元表示装置の場合と同様に各透過型表示装置（１０１，１０２）内での動画再生によって可能であり、奥行き方向への移動に関しては、前述の特許文献１に記載したように、透過型表示装置１０１、および透過型表示装置１０２に表示される２Ｄ化像（１０７，１０８）の輝度（観察者１００から見た輝度）の変化を時間的に行うことで、３次元像の動画を表現することが可能である。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００２８】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明によれば、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示用光学素子を備える３次元表示装置において、拡散板を用いることなく、モアレの発生を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の３次元表示装置に適用される表示用光学素子の一例の各画素の配置状態の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の３次元表示装置に適用される表示用光学素子の一例の各画素の配置状態の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の３次元表示装置に適用される表示用光学素子の他の例を示す要部断面図である。
【図４】図４は、図３に示す表示用光学素子に使用されるシフト光学系の他の例を示す要部断面図である。
【図５】図３に示す表示用光学素子に使用されるシフト光学系の他の例を示す要部断面図である。
【図６】図３に示す表示用光学素子に使用されるシフト光学系の他の例を示す要部断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１の３次元表示装置の概略構成を示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の概略構成を示す模式図である。
【図９】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１２】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の表示原理を説明するための図である。
【図１４】図８に示す透過型表示装置の概略構成を示す模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の変形例の概略構成を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の他の変形例の概略構成を示す模式図である。
【図１７】本発明の実施の形態２の３次元表示装置の他の変形例の概略構成を示す模式図である。
【図１８】従来のフラットディスプレイの各画素の配置状態を示す図である。
【符号の説明】
１０…画素、１１…表示用光学素子、２０，２１…凹凸を有する透明板、２２…不均一な屈折率を有する透明板、２２ａ…高屈折率部分、２３…オプティカルファイバープレート、２３ａ，２３ｂ…ファイバー、１００…観察者、１０１，１０２…透過型表示装置、１０３…光学系、１０４…３次元物体、１０５，１０６，１０７，１０８…２Ｄ化像、１１０，１５３…光源、１５０…フロントライト、１５１…導光板、１５２…反射シート、２０１，２０２…液晶表示パネル、２０３，２１３，２０３１，２１３１…偏光板、２０５…反射板、２０６…反射型偏光板。
Claims (11)
- 観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示用光学素子を備える３次元表示装置であって、
前記各表示用光学素子は、複数の画素を有し、
前記複数の表示用光学素子の少なくとも１つは、前記複数の画素の重心位置が非周期的になるように、前記複数の画素が配置されていることを特徴とする３次元表示装置。 - 観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示用光学素子を備える３次元表示装置であって、
前記各表示用光学素子は、複数の画素を有するとともに、前記複数の画素は、前記複数の画素の重心位置が周期的になるように配置され、
前記複数の表示用光学素子の少なくとも１つは、前記表示用光学素子の表示面側に配置され、前記複数の画素の重心位置を光学的に非周期的とするシフト光学系を備えることを特徴とする３次元表示装置。 - 前記シフト光学系は、凹凸を有する透明板であることを特徴とする請求項２に記載の３次元表示装置。
- 前記シフト光学系は、凹凸を有する透明板を組み合わせたものであることを特徴とする請求項２に記載の３次元表示装置。
- 前記シフト光学系は、不均一な屈折率を有する透明板であることを特徴とする請求項２に記載の３次元表示装置。
- 前記シフト光学系は、ファイバーのある端点の他表面への斜影がもう一方の端点と異なるファイバーを含むオプティカルファイバープレートであることを特徴とする請求項２に記載の３次元表示装置。
- 前記シフト光学系は、偏光を保存することを特徴とする請求項２に記載の３次元表示装置。
- 前記画素は、発光素子からなる画素であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の３次元表示装置。
- 前記画素は、光学特性を制御することにより出射光を制御する画素であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の３次元表示装置。
- 前記画素は、散乱度、透過率、吸収率、または、複屈折率を制御することにより出射光を制御する画素であることを特徴とする請求項９に記載の３次元表示装置。
- 前記各表示用光学素子に表示される２次元像は、前記観察者から見て異なった奥行き位置に配置されるそれぞれの表示用光学素子に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像であって、かつ、前記各表示用光学素子に表示される２次元像における前記観察者から見た輝度を、前記表示対象物体の奥行き位置に応じてそれぞれ独立に変化させることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の３次元表示装置。
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