JPH05100206A

JPH05100206A - デイスプレイ装置

Info

Publication number: JPH05100206A
Application number: JP3290770A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Kato; 幾雄加藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1991-10-09
Filing date: 1991-10-09
Publication date: 1993-04-23

Abstract

(57)【要約】【目的】立体表示を意図してディスプレイ装置を構成
する場合、レンズとドットとの間の光路長の変化に応じ
て２次元ディスプレイのドットの輝度を変化させ、輝度
を一定に調整することが可能である。【構成】２次元ディスプレイＤＰのドット２ａ，２
ｂ，２ｃの前方には、各ドット２ａ，２ｂ，２ｃに対応
させて微小レンズ１ａ，１ｂ，１ｃが設けられ、ドット
２ａ，２ｂ，２ｃと微小レンズ１ａ，１ｂ，１ｃとの間
には、これらの間の光路長Ｓ１を変化させるための光路
長変化層４０が設けられている。光路長変化層４０によ
り微小レンズ１ａ，１ｂ，１ｃとドット２ａ，２ｂ，２
ｃとの光路長Ｓ１を変化させる場合には、変化させた光
路長Ｓ１の値を基に拡大率を計算し、これに基づいてド
ット２ａ，２ｂ，２ｃの輝度を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、コンピュータ，テレビ
受信機などに利用されるディスプレイ装置およびそれを
用いた３次元ディスプレイ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、コンピュータ・グラフィックスの
表示に見られるように３次元画像（立体画像をも含む）
を表示する技術へのニーズが高まっており、例えば文献
「画像ラボ１９９０年１１月第２０頁〜第２４頁」
に開示されているように、実際に両眼視差を用いた方式
のものが３次元ディスプレイ装置として多く利用されて
いる。なお、両眼視差を用いた方式は、メガネ方式とメ
ガネ無し方式とに大別されている。メガネ無し方式は、
例えば文献「テレビジョン学会誌第４４巻，第５号，
第５９１頁〜第５９７頁，１９９０年」に示されている
ように、その一般性からテレビ受信機としての利用が考
えられている。

【０００３】一方、メガネ方式には、メガネに単純な偏
光板や色フィルターなどを用いる方法と、メガネにシャ
ッター機能を持つ方法と、メガネに２次元ディスプレイ
を持つ方法などがある。

【０００４】メガネ方式では、単純な偏光板を持つ方法
が一般的であり、アイマックス社の様な大画面スクリー
ンに偏光の違う２つの像を投影する方法や、ソニーテク
トロニクス社の様な２次元ディスプレイの前面に偏光フ
ィルタのシャッタを設け、偏光方向を変化させた時分割
駆動を行なった方法等がある。

【０００５】また、メガネ方式において、２次元ディス
プレイをメガネに持つものは、例えば文献「画像ラボ
１９９１年１月第２９頁〜第３３頁」や文献「画像ラ
ボ１９９１年１月第２０頁〜第２３頁」に示されてい
るように、頭部搭載型ディスプレイ（ＨＭＤ）ともいわ
れ、最近の人工現実感の研究により注目されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た各種方式のディスプレイ装置は、そのほとんどが両眼
視差のみを利用した３次元ディスプレイとなっており、
両眼視差のみの情報で所謂錯覚を利用して立体表示して
いるので、目の調節機構（ピント調節等の機構）と輻輳
機構（物体を注視する運動機構）とが一致しない場合が
多く、一般に２０分以上ディスプレイを見続けると、目
の疲労が蓄積するという欠点があった。図１６はこの様
子を説明するための図であり、例えば、画面２１０上
に、２つの像Ｐ１，Ｐ２が所定間隔Ｚだけ隔てて表示さ
れており、この２つの像Ｐ１，Ｐ２を人間の目２０１，
２０２で両眼視するとき、目２０１，２０２の調節機構
は、目２０１，２０２から画面２１０までの実際の距離
Ｌ１にピントを合わすが、目２０１，２０２の輻輳機構
は、一方の目２０１が像Ｐ２の方に向き，他方の目２０
２が像Ｐ１の方に向くように目２０１，２０２を制御す
るので、注視点は、これらの交差位置ＣＬＳとなり、図
１６の例では、実際の画面よりも手前となる。従って、
ピントを合わす距離Ｌ１と注視点ＣＬＳまでの距離Ｌ２
とが一致せず、これにより目の疲労が生ずると考えら
れ、画面を長く見続けると、Ｌ１とＬ２との差が大きい
程、目の疲労の蓄積も大きくなると考えられる。

【０００７】本発明は、目の疲労が少なく臨場感に富ん
だ立体画像を容易に表示することの可能なディスプレイ
装置およびそれを用いた３次元ディスプレイ装置を提供
することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載のディスプレイ装置は、２次元ディス
プレイを形成する少なくとも１画素からなるドットごと
に、ドットの前方に微小なレンズがそれぞれ設けられて
おり、さらに、前記微小なレンズと前記ドットとの光路
長を変化させる手段，または前記微小なレンズの焦点距
離を変化させる手段と、前記光路長または焦点距離の変
化に応じて前記ドットの輝度を変化させる手段とがさら
に設けられていることを特徴としている。

【０００９】また、請求項２記載のディスプレイ装置
は、２次元ディスプレイを形成するドットの前方にディ
スプレイ全面に作用する少なくとも１枚以上のレンズが
設けられており、さらに、前記レンズと前記ドットとの
光路長を変化させる手段，またはレンズの焦点距離を変
化させる手段と、前記光路長または焦点距離の変化に応
じて２次元ディスプレイのドットの輝度を変化させる手
段とが設けられていることを特徴としている。

【００１０】また、請求項３記載のディスプレイ装置
は、２次元ディスプレイを形成する少なくとも１画素か
らなるドットごとに、ドットの前方に微小なレンズがそ
れぞれ設けられており、さらに、前記微小なレンズと前
記ドットとの光路長を変化させる手段，または前記微小
なレンズの焦点距離を変化させる手段とを有し、前記ド
ットと前記光路長を変化させる手段との間に，または前
記ドットと前記微小なレンズとの間に、近傍の他の部分
よりもドットの表示光の拡散率の高い層，または透過率
の低い層，または偏光を変化させる層が設けられ、前記
層とドットとの間には、ドットごとにさらに第２の微小
なレンズが設けられていることを特徴としている。

【００１１】また、請求項４記載のディスプレイ装置
は、前記第２の微小なレンズとドット，または第２の微
小なレンズと前記層との間に、さらに、光路長を変化さ
せる手段が設けられているかまたは前記第２の微小なレ
ンズの焦点距離を変化させる手段が設けられていること
を特徴としている。

【００１２】

【作用】請求項１記載のディスプレイ装置では、２次元
ディスプレイを形成する少なくとも１画素からなるドッ
トごとに、ドットの前方に微小なレンズがそれぞれ設け
られており、微小なレンズと前記ドットとの光路長を変
化させるか，または微小なレンズの焦点距離を変化させ
る際に、光路長または焦点距離の変化に応じてドットの
輝度を変化させ、輝度を一定に調整することができる。

【００１３】請求項２記載のディスプレイ装置では、２
次元ディスプレイを形成するドットの前方にディスプレ
イ全面に作用する少なくとも１枚以上のレンズが設けら
れており、レンズとドットとの光路長を変化させるか，
またはレンズの焦点距離を変化させる際に、光路長また
は焦点距離の変化に応じて２次元ディスプレイのドット
の輝度を変化させ、輝度を一定に調整することができ
る。

【００１４】請求項３記載のディスプレイ装置では、ド
ットと光路長を変化させる手段との間に，または光路長
を変化させる手段と微小なレンズとの間に、近傍の他の
部分よりもドットの表示光の拡散率の高い層，または透
過率の低い層，または偏光を変化させる層が設けられて
おり、前記層とドットとの間には、ドットごとにさらに
第２の微小なレンズが設けられているので、輝度を一定
に調整する場合においても輝度の低下を有効に防止する
ことができる。

【００１５】請求項４記載のディスプレイ装置では、請
求項３記載のディスプレイ装置において、前記第２の微
小なレンズとドット，または第２の微小なレンズと前記
層との間に、さらに、光路長を変化させる手段が設けら
れているかまたは前記第２の微小なレンズの焦点距離を
変化させる手段が設けられているので、輝度を高輝度に
維持する場合において像の輪郭のぼけを防止することが
できる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１，図２は本発明に係るディスプレイ装置の第
１の実施例の正面図，断面図である。図１，図２のディ
スプレイ装置において、２次元ディスプレイＤＰには、
１画素からなるドット２ａ，２ｂ，２ｃが形成され、ま
た２次元ディスプレイＤＰには前面ガラス３が設けられ
ている。さらにこのディスプレイ装置では、２次元ディ
スプレイＤＰの各ドット２ａ，２ｂ，２ｃの前方に、各
ドット２ａ，２ｂ，２ｃに対応させて微小なレンズ１
ａ，１ｂ，１ｃが設けられている。なお、２次元ディス
プレイＤＰが液晶ディスプレイの場合、各ドット２ａ，
２ｂ，２ｃは、それぞれ電極５０ａ，５０ｂ，５０ｃに
より、光の出射が制御されるようになっている。また、
２次元ディスプレイＤＰの前面ガラス３上には、微小な
レンズ１ａ，１ｂ，１ｃとドット２ａ，２ｂ，２ｃとの
光路長を変化させるための層４０が設けられている。こ
の層４０は、例えばネマチック液晶４１と、透明電極４
２，４３とから構成されており、透明電極４２，４３に
電圧を印加することにより、ネマチック液晶４１の屈折
率を変化させ、微小レンズ１ａ，１ｂ，１ｃとドット２
ａ，２ｂ，２ｃとの間の光路長を変化させるようになっ
ている。

【００１７】ところで、このような構成において、例え
ばドット２ｂに着目すると、ドット２ｂと微小レンズ１
ｂとの間の光路長Ｓ１がレンズの焦点距離ｆ以下である
ときに、観察者の目５からは、ドット２ｂを符号４で示
すように、拡大された正立虚像として見ることができ、
また、透明電極４２，４３の印加電圧を変化させて光路
長Ｓ１を変化させることにより、虚像４のレンズ１ｂに
対する距離Ｓ２を変化させることができる。この際、虚
像４のレンズ１ｂに対する距離Ｓ２が所定のものである
ときには、観察者の目からはドット１ｂ全体の正立虚像
４を見ることができるが、この状態から光路長Ｓ１を変
化させると、正立虚像４の見かけ上の倍率（角倍率）が
変化し、倍率が拡大される場合には、観察者の目５から
は、ドット２ｂの一部分の正立虚像４だけが見えること
になる。すなわち、レンズ１ｂの面積と比べて小さい面
積のドット２ｂの部分だけが見える。換言すれば、観察
者に見えるドット２ｂの面積部分が変化することにな
る。

【００１８】いま、例えば、レンズ１ｂ（薄膜レンズと
する）の焦点距離ｆを１０mmとし、層４０の厚さを３mm
とし、レンズ１ｂの径ｄを１mm，観察者の目５とレンズ
１ｂとの距離ｅを１００mmとする。図１の構成におい
て、レンズ１ｂと正立虚像４との距離Ｓ２は、レンズ１
ｂの焦点距離ｆと、ドット２ｂとレンズ１ｂとの距離Ｓ
１とにより、

【００１９】

【数１】１／Ｓ２＝−１／ｆ＋１／Ｓ１

【００２０】として求まるので、実際のレンズ１ｂとド
ット２ｂとの距離Ｓ２を約８mmとし、液晶４１の屈折率
を約１．５として、Ｓ１が９．５２３８mmとなるように
透明電極４２，４３への印加電圧を決定すると、Ｓ２は
２００mmとなり、角倍率Γは７．７倍になる。また、Ｓ
１が９．８７６５mmとなるように電圧を変化させると、
Ｓ２は８００mmとなり、角倍率Γは９．９倍になる。

【００２１】このとき、微小なレンズ１ｂが１mm四方の
正方形の輪郭を有しているとすると、微小なレンズ１ｂ
に見えるドット２ｂの部分の大きさは、Ｓ２＝２００mm
のときには１／７．７＝１３０μｍ四方となり、Ｓ２＝
８００mmのときには１／９．９＝１０１μｍ四方とな
る。

【００２２】１つのドット２ｂの全面積が１３０μｍ四
方の正方形のものである場合には、Ｓ２が２００mmのと
きには、観察者には、ドット２ｂの全部分が見えるが、
透明電極４２，４３への印加電圧を変化させてＳ２を８
００mmに変化させると、観察者には、１３０μｍ四方の
ドット２ｂのうち１０１μｍ四方の一部の部分だけが見
えることになり、観察者にとって、このドット２ｂの残
りの部分，すなわち１３０×１３０−１０１×１０１＝
６６９９平方μｍの部分は不要な部分となる。この際
に、ドット２ｂの全面積から光が出射されているときに
は、上記不要な部分からの光は観察者にとって余分な光
となり、フレア光を増加させて画像品質を低下させる原
因にもなり、また、４割程度の余分な電流が消費されて
いることになる。

【００２３】本願の発明者は、ドット２ｂの全面積から
常に光を出射させるのではなく、角倍率Γに応じて、光
を出射するドット２ｂの部分，すなわちドット２ｂの実
質的な大きさを変化させることにより、上記のような問
題を解決することができることを見出した。

【００２４】すなわち、２次元ディスプレイＤＰが例え
ば液晶ディスプレイの場合には、図３（ａ），（ｂ），
（ｃ），図４（ａ），（ｂ），図５に示すように、ドッ
ト２ｂの電極５０ｂを複数に分割し、分割された各電極
を個別に制御すれば良い。

【００２５】例えば、図３（ａ）では、電極５０ｂを、
１０１平方μｍの第１の電極部分５１ｂと、その周辺の
第２の電極部分５２ｂとの２つに分割し、Ｓ２が２００
mmで角倍率Γが７．７倍となるときには、微小なレンズ
１ｂに見えるドット２ｂの部分の大きさはドット２ｂの
全面，すなわち１３０μｍ四方となるので、上記第１の
電極部分５１ｂのみならず第２の電極部分５２ｂをも用
いるように制御し、ドット２ｂ全体から光が出射される
ようにドット２ｂを付勢する。この状態から光路長を変
化させて、Ｓ２を８００mmにし角倍率Γを９．９倍にす
るときには、微小なレンズ１ｂに見えるドット２ｂの部
分の大きさは、このドットの一部，すなわち１０１μｍ
四方となるので、上記第１の電極部分５１ｂのみを用い
るように制御することにより、ドット２ｂの必要な部分
のみから光が出射されるようにドット２ｂを付勢する。

【００２６】このように、ドットの電極を複数に分割
し、光路長の変化に応じて、分割された各電極を制御し
て、ドット２ｂの大きさを実質的に変化させることによ
り、ドット２ｂの不要な部分からの余分なフレア光の発
生を防止し、画像品質が低下するのを抑え、さらには消
費電力を削減することができる。他のドット２ａ，２ｃ
の電極５０ａ，５０ｃについても、上記電極５０ｂと同
様の構成にすることにより、これらのドット２ａ，２ｃ
の大きさをも実質的に変化させることができる。

【００２７】また、電極２ｂを２分割する際、図３
（ａ）のかわりに、図３（ｂ），（ｃ）のような配置に
２分割することもできる。さらに、図４（ａ），（ｂ）
は電極５０ｂをさらに細かく（例えば５３ｂ，５４ｂ，
５５ｂの３つの電極部分に）分割した場合を示す図であ
り、電極の分割数を増加させる程、電極構造は複雑にな
るが、ドットの実質的な大きさをより細かく制御するこ
とができる。また、図５は電極５０ｂを５６ｂ，５７
ｂ，５８ｂのようにストライプ状に３分割した場合を示
す図であり、ストライプ状に分割することにより、電極
の分割数を増加させた場合でも、簡単な構造のものにす
ることができる。

【００２８】図６は図１，図２のディスプレイ装置と同
じ部品構成となっているが、ドット２ａ，２ｂ，２ｃと
微小なレンズ１ａ，１ｂ，１ｃとの光路長がレンズ１
ａ，１ｂ，１ｃの焦点距離よりも大きくなっているディ
スプレイ装置の断面図であって、図６のディスプレイ装
置では、観察者の目５からはドット２ｂを符号６で示す
ように倒立実像として見ることができる。このようなデ
ィスプレイ装置の場合にも、光路長が焦点距離ｆの２倍
の値よりも小さいときには、ドット２ｂの実像は拡大さ
れ、観察者にはドット２ｂの一部分だけが見えることに
なるので、上述した例と同様に、光路長の変化に応じて
ドット２ｂの実質的な大きさを変化させることにより、
余分なフレア光を防止し、画像品質の低下を抑えること
ができる。

【００２９】図７は本発明に係るディスプレイ装置の第
２の実施例の断面図である。なお図７において図２と同
様の箇所には同じ符号を付している。図７のディスプレ
イ装置では、２次元ディスプレイＤＰの前面ガラス３の
前方に、焦点可変レンズとしての微小なレンズ１１ａ，
１１ｂ，１１ｃが設けられている。微小なレンズ１１
ａ，１１ｂ，１１ｃは、図７の例では、ドット２ａ，２
ｂ，２ｃに対応した位置に円形の穴１２ａ，１２ｂ，１
２ｃが穿設された電極１３と、平行電極１４と、電極１
３，１４間に封入された液晶材料１５とから構成されて
おり、電極１３，１４間の電圧により液晶材料１５に不
均一な電界を生じさせ液晶レンズとして機能させて、電
圧を変化させることによる液晶分子の配向の変化によっ
て、焦点可変なレンズ効果をもたせるようになってい
る。

【００３０】このような構成のディスプレイ装置では、
例えばレンズ１１ｂの焦点距離を、レンズ１１ｂとドッ
ト２ｂとの光路長以上に設定することにより、第１の実
施例の場合と同様に、拡大して見えるドット２ｂの正立
虚像４をレンズ１１ｂの後方に作ることができる。ま
た、この焦点距離を変化させることにより、虚像４の位
置を変化させることができ、これに伴ない拡大率（角倍
率）も変化する。

【００３１】これにより、第１の実施例で説明したと同
様の問題が生じるので、この第２の実施例においても、
第１の実施例と同様に、例えばドット２ｂの電極５０ｂ
を図３，図４，図５のように分割制御するなどして、ド
ット２ｂの実質的な大きさを変化させることにより、目
で見えない余分なドットの部分の影響を減少することが
できる。

【００３２】しかしながら、電極５０ｂを非常に細かく
細分化して制御したとしても、拡大率が７．７倍から
９．９倍に変化すると、１mm²の微小レンズを通したド
ットの輝度は、元の２次元ディスプレイにおける輝度１
／（７．７×７．７）から１／（９．９×９．９）に変
化する。このため、均一な輝度で虚像の位置を変化させ
て表示すると、目からの距離が遠くなればなるほど輝度
が小さくなり、実際の画像の情報を忠実に表現すること
ができなくなる。

【００３３】このような問題に対し、本願の発明者は、
微小なレンズによる拡大率（角倍率）のほぼ２乗に比例
させて、２次元ディスプレイのドットの輝度を増加させ
ることにより、前記微小なレンズによる虚像の位置の変
化に関係なく、微小なレンズを通してドットの輝度の均
一な画像を得られることができることを見出した。

【００３４】また、拡大率の２乗に比例して連続的に輝
度を変化させることができないときも、これにほぼ近い
値で段階的に輝度を変化させることにより、輝度を虚像
の位置の変化によらずほぼ一定の値にできることを見出
した。

【００３５】具体的には、上記拡大率は、レンズの焦点
距離ｆと、レンズとドットとの光路長Ｓ１と、レンズと
目との距離ｅとにより求まる。従って、ｅを一定とすれ
ば、微小なレンズの焦点距離ｆを変化させるときは焦点
距離ｆの値を、また微小なレンズとドットとの光路長Ｓ
１を変化させる場合には、光路長Ｓ１の値を基に拡大率
を計算し、これに基づいて輝度を変化させれば良い。図
８，図９は輝度を変化させる輝度制御部の構成例を示す
図である。

【００３６】図８の輝度制御部１３０は、微小なレンズ
の焦点距離ｆを変化させる場合に適用され、レンズと目
との距離ｅを検知する距離検知部１３１と、距離検知部
１３１で検知された距離ｅが設定される距離設定部１３
２と、微小なレンズの焦点距離ｆが逐次取込まれ、例え
ば所定の時間間隔で更新される焦点距離記憶部１３３
と、距離設定部１３２に設定されている距離ｅと焦点距
離記憶部１３３に記憶されている現時点での焦点距離と
に基づいて拡大率を計算する拡大率計算部１３４と、拡
大率計算部１３４で計算された拡大率に基づき輝度を変
化させる輝度調整部１３５とを有している。このような
構成の輝度制御部１３０を設けることによって、輝度を
虚像の位置によらずにほぼ一定の値に自動調整すること
が可能となる。

【００３７】一方、図９の輝度制御部１４０は、微小な
レンズとドットとの間の光路長を変化させる場合に適用
され、レンズと目との距離ｅを検知する距離検知部１３
１と、距離検知部１３１で検知された距離ｅが設定され
る距離設定部１３２と、微小なレンズとドットとの間の
光路長が逐次取込まれ、例えば所定の時間間隔で更新さ
れる光路長記憶部１４３と、光路長距離設定部１３１に
設定されている距離ｅと光路長記憶部１４３に記憶され
ている現時点での光路長とに基づいて拡大率を計算する
拡大率計算部１４４と、拡大率計算部１４４で計算され
た拡大率に基づき輝度を変化させる輝度調整部１３５と
を有している。このような構成の輝度制御部１４０を設
けることによって、輝度を虚像の位置によらずにほぼ一
定の値に自動調整することが可能となる。

【００３８】なお、図８，図９の構成例では、例えば、
距離ｅの情報についても加味しているが、この情報がな
い場合であっても、輝度の調整を行なうことはできる。
しかしながら、距離ｅの情報をもさらに加味することに
より、より輝度の均一な画像を得ることができる。

【００３９】また、多階調表示するときは、この均一な
ドットの輝度を与える元の２次元ディスプレイの輝度を
基に、多段階に輝度を変化させることにより、虚像位置
を変化させると同時に、輝度の多階調表示も可能にな
る。これらを組み合わせて計算した輝度で表示すること
により、６４階調程度の２次元ディスプレイの表示を行
う場合でも、十分な階調表示が可能となる。

【００４０】このように、図１，図２のディスプレイ装
置については、光路長の変化に応じてドットの輝度を変
化させる図９に示したような輝度制御部をさらに設ける
ことによって、正立虚像の位置が変化する場合にも、こ
の変化によらずに、微小なレンズを通してドットの輝度
をほぼ一定の均一なものにすることができる。

【００４１】また、図６のディスプレイ装置について
は、光路長の変化に応じてドットの輝度を変化させる図
９に示したような輝度制御部をさらに設けることによっ
て、倒立実像の位置が変化する場合にも、この変化によ
らずに、微小なレンズを通してドットの輝度をほぼ一定
の均一なものにすることができる。

【００４２】また、図７のディスプレイ装置について
は、焦点距離の変化に応じてドットの輝度を変化させる
図８のような輝度制御部をさらに設けることによって、
焦点距離が変化する場合にも、この変化によらずに、微
小なレンズを通してドットの輝度をほぼ一定の均一なも
のにすることができる。

【００４３】なお、上記第１および第２の実施例では、
２次元ディスプレイの１画素からなるドットごとに微小
レンズが設けられているが、これらの微小レンズは、必
ずしも１画素からなるドットごとに対応したものである
必要はない。例えば、図１０のように、Ｒ（赤），Ｇ
（緑），Ｂ（青）のＲＧＢ３画素を新たにドット２ｅと
して規定し、このＲＧＢ３画素からなるドット２ｅごと
に微小レンズ１ｅが設けられていてもよい。このとき、
色相情報を、ＲＧＢの３画素があってはじめて精度良く
表示できるので、カラー表示の場合には、ＲＧＢの各画
素それぞれに微小レンズを設けた場合と比べて、性能に
大きな変化がなく、レンズの直径を大きくできる分だけ
微小なレンズを作成し易い。

【００４４】あるいは、図１１のように、ＲＧＢ３画素
からなるドットの４つの組２ｆ，２ｇ，２ｈ，２ｉを新
たに１ドットとして、このドットごとに微小レンズ１ｆ
が設けられていてもよい。この場合には、細線や輪郭の
情報の表示精度はいくらか低くなるものの、レンズの直
径をさらに大きくすることができるため、微小なレンズ
を作りやすくなる。さらに、４つの組を１ドットとする
かわりに、３×３＝９組で１ドットとすることもでき
る。

【００４５】図１２は本発明に係るディスプレイ装置の
第３の実施例の断面図である。図１２のディスプレイ装
置では、２次元ディスプレイＤＰの前方には画面全体に
作用するレンズ１７が設けられ、また、２次元ディスプ
レイＤＰの前面ガラス３上には、光路長を変化させるた
めの層２３が設けられている。なお、この層２３は、例
えば図２に示す層４０と同様の構成になっている。

【００４６】このような構成のディスプレイ装置では、
レンズ１７とドット１８ａ乃至１８ｉとの光路長がレン
ズ１７の焦点距離以下に設定されていると、観察者の目
５からは符号２０ａ乃至２０ｉに示すような正立虚像を
見ることができる。このとき、図１，図２のディスプレ
イ装置と同様に、層２３により画面全体にわたって光路
長を変化させて、画面全てのドット１８ａ乃至１８ｉの
虚像２０ａ乃至２０ｉの位置を変化させることができ
る。また、層２３が１ドットごとに光路長を変化させる
よう構成されているときには、１ドットごとに光路長を
変化させて、１ドットごとに虚像２０ａ乃至２０ｉの位
置を変化させることもできる。

【００４７】しかしながら、図１２の構成では、画面全
体にわたり光路長を変化させたとき、画面全体の虚像２
０ａ乃至２０ｉの位置の変化に従って画面全体の虚像２
０ａ乃至２０ｉの見かけ上の倍率も変化する。このた
め、虚像２０ａ乃至２０ｉの位置を変化させて表示する
と画面の輝度が距離によって変化して表示される。

【００４８】従って、この場合にも、上述した第１の実
施例と同様に、図９に示すような輝度制御部をさらに設
け、拡大倍率の２乗に比例した値，またはそれに近い値
で、元の２次元ディスプレイの輝度を変化させることに
より、ドットの虚像の位置が変化しても、それによって
輝度が変化しない表示ができる。また、輝度が均一にな
る値を基に、多階調表示も可能である。

【００４９】このように上述した各実施例のディスプレ
イ装置では、光路長または焦点距離の変化に応じてドッ
トの輝度を変化させるようにしており、これによって、
微小レンズを通してみるドットの輝度を均一なものにす
ることができるが、その反面、微小レンズを通してみる
ドットの輝度が全体に小さくなるという問題があった。

【００５０】図１３は本発明に係るディスプレイ装置の
第４の実施例の断面図である。図１３のディスプレイ装
置は、図２に示すディスプレイ装置をさらに改良したも
のであり、このディスプレイ装置では、光路長を変化さ
せる層２４０が２次元ディスプレイＤＰの前面ガラス３
上ではなく、２次元ディスプレイＤＰの前方に微小レン
ズ１ａ，１ｂ，１ｃと２次元ディスプレイＤＰとの間に
配置されている。さらに、光路長を変化させる層２４０
の２次元ディスプレイＤＰ側には、近傍の他の部分より
も光の拡散率の高い拡散層２５０が設けられ、この拡散
層２５０と２次元ディスプレイＤＰとの間には、各ドッ
ト２ａ，２ｂ，２ｃに対応した第２の微小レンズ２６１
ａ，２６１ｂ，２６１ｃが設けられている。

【００５１】第２の微小レンズ２６１ａ，２６１ｂ，２
６１ｃの焦点距離をｆ’とし、第２の微小レンズ２６１
ａ，２６１ｂ，２６１ｃとドット２ａ，２ｂ，２ｃとの
間の光路長をＳ１’，第２の微小レンズ２６１ａ，２６
１ｂ，２６１ｃと拡散層２５０との間の光路長をＳ２’
とするとき、光路長Ｓ１’が焦点距離ｆ’よりも小さい
場合には、第２の微小レンズ２６１ａ，２６１ｂ，２６
１ｃは、所定面積の大きさのドット２ａ，２ｂ，２ｃの
光を拡散層２５０にこの面積よりも小さな面積で集光さ
せ、拡散層２５０にドット２ａ，２ｂ，２ｃに対応した
ドット２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃを生じさせる機能
を有している。

【００５２】このような構成のディスプレイ装置におい
て、拡散層２５０，微小レンズ２６１ａ，２６１ｂ，２
６１ｃが設けられていない場合には、観察者の目により
２次元ディスプレイＤＰを観察したときに目の焦点の合
う面がドット２ａ，２ｂ，２ｃ付近となるが、拡散層２
５０が設けられている場合には、目の焦点の合う面がこ
の拡散層２５０に調節される。従って、この場合には、
観察者は、拡散層２５０に集光されたドット２７０ａ，
２７０ｂ，２７０ｃを微小レンズ１ａ，１ｂ，１ｃによ
り拡大して見ることができる。換言すれば、図２に示し
たディスプレイ装置においては、前述のように、微小レ
ンズ１ａ，１ｂ，１ｃにより、ドット２ａ，２ｂ，２ｃ
自体の虚像を観察者に直接見せると、ドット２ａ，２
ｂ，２ｃ自体が拡大され、実際のドットの一部分しかみ
えなくなり、またドットの輝度が総体的に小さくなって
しまうが、図１３のディスプレイ装置では、ドット２
ａ，２ｂ，２ｃをより小さな面積のものに集光して光量
を十分に確保した高輝度のドット２７０ａ，２７０ｂ，
２７０ｃを拡散層２５０に生じさせ、この小さな面積の
高輝度のドット２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃを微小レ
ンズ１ａ，１ｂ，１ｃにより拡大して見せるようになっ
ているので、ドットの輝度の低下を有効に防止すること
ができる。この際、ドットの像位置は、光路長を変化さ
せる層２４０により、変化させることができる。

【００５３】なお、いま場合、光路長Ｓ１’が焦点距離
ｆ’よりも小さく設定されているので、拡散層２５０上
には、ドット２ａ，２ｂ，２ｃの実像が結像されるわけ
ではなく、従って、ドット２７０ａ，２７０ｂ，２７０
ｃは多少ぼける。また、光路長Ｓ１’が焦点距離ｆ’よ
り大きい場合においても、（１／Ｓ２＝１／Ｓ１−１／
ｆ）の関係が成立しなければ、拡散層２５０上に実像は
結像されない。但し、光路長Ｓ１’が焦点距離ｆ’より
も大きいときには、光路長Ｓ１’が焦点距離ｆ’よりも
小さい場合に比べて、集光の効率が良く、さらにはぼけ
具合いも減少するという利点がある。さらに、（１／Ｓ
２＝１／Ｓ１−１／ｆ）の関係が成立するとき、またこ
の関係に近い位置関係にあるときには、ドット２ａ，２
ｂ，２ｃの実像またはそれに近い像がドット２７０ａ，
２７０ｂ，２７０ｃとして得られ、高輝度光量が得られ
ると同時に、ぼけの少ない輪郭の明瞭なドットが形成さ
れる。これによって、ディスプレイ装置としての品質を
向上させることができ、拡散層２５０が完全拡散面に近
い性質のものであっても、これに実像が結像されるの
で、観察者にはっきりと観察させることができる。

【００５４】また、微小レンズ２６１ａ，２６１ｂ，２
６１ｃに結像関係（１／Ｓ２＝１／Ｓ１−１／ｆ）が成
立するときは、拡散層２５０がなくても、ドット２ａ，
２ｂ，２ｃの実像が空中像として拡散層２５０の面に結
ばれ、微小レンズ１ａ，１ｂ，１ｃによってこれの虚像
が表示されることにより、結果として、ドット２ａ，２
ｂ，２ｃの虚像を観測者に見せることができる。このと
きは、微小レンズ２６１ａ，２６１ｂ，２６１ｃと微小
レンズ１ａ，１ｂ，１ｃがそれぞれ２群２枚のレンズと
して作用しており、微小レンズ２６１ａ，２６１ｂ，２
６１ｃの結像関係を満たす限りは拡散板がある場合と同
様の効果が認められる。

【００５５】図１４は本発明のディスプレイ装置の第５
の実施例の断面図であり、図１３のディスプレイ装置を
さらに改良した構成のものとなっている。すなわち、図
１４のディスプレイ装置では、図１３のディスプレイ装
置において、２次元ディスプレイＤＰの前面ガラス上
に、光路長を変化させる層２４０と同様な構造の光路長
を変化させる層３００が設けられており、この層３００
によってドット２ａ，２ｂ，２ｃと拡散層２５０との間
の光路長を変化させることができる。

【００５６】このような構成のディスプレイ装置では、
いま例えば、拡散層２５０にドット２ａ，２ｂ，２ｃの
実像としてドット２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃが結像
されている状態で、光路長を変化させる層２４０により
微小レンズ１ａ，１ｂ，１ｃと拡散層２５０との間の光
路長をさせると、観察者が見るドット２７０ａ，２７０
ｂ，２７０ｃの実像の拡大率が変化し、これに伴ないド
ット２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃの輝度も変化する。
このような場合、実像としてのドット２７０ａ，２７０
ｂ，２７０ｃの輝度を高輝度の一定の状態に保つのに光
路長を変化させる層３００を活用する。すなわち、光路
長を変化させる層２４０によって微小レンズ１ａ，１
ｂ，１ｃと拡散層２５０との間の光路長を変化させるに
伴ない、光路長を変化させる層３００によってドット２
ａ，２ｂ，２ｃと拡散層２５０との間の光路長を所定量
変化させることにより、実像としてのドット２７０ａ，
２７０ｂ，２７０ｃの結像倍率を変化させることがで
き、この結果、ドット２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃの
光量を高輝度に維持することができ、かつ、表示に不要
な余分な光を減少させることができる。

【００５７】但し、光路長を変化させる層３００により
ドット２ａ，２ｂ，２ｃと拡散層２５０との間の光路長
を変化させると、拡散層２５０に結像されていたドット
２ａ，２ｂ，２ｃの実像の位置がずれ、輪郭のぼけが生
じ始めるので、ドット２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃの
光量と輪郭のぼけ量とを互いに比べながら、ドット２
ａ，２ｂ，２ｃと拡散層２５０との間の光路長を変化さ
せるのが良い。なお、ドット２ａ，２ｂ，２ｃと拡散層
２５０との間の層３００による光路長の変化に伴なう実
像の位置変動を防止したい場合には、層３００の他に
も、微小レンズ２６１ａ，２６１ｂ，２６１ｃと拡散層
２５０との間に、光路長を変化させる層（図示せず）を
さらに設ければ良く、このときには、これら２つの層の
制御により、実像関係を保ったまま、ドット２７０ａ，
２７０ｂ，２７０ｃの大きさを層３００の変化により変
化させることができる。

【００５８】上記例では、拡散層２５０上にドット２
ａ，２ｂ，２ｃの実像が結像される場合について説明し
たが、拡散層２５０上に実像が結ばれない場合であって
も，特にＳ１＜ｆの関係の場合であっても、層３００に
よって集光力を変化させることができるので、ドット２
７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃの輝度変化にも使用するこ
とができるので、層３００を設けることは効果的であ
る。

【００５９】なお、図１３，図１４のディスプレイ装置
においては、目の焦点を調節する手段として拡散層２５
０を設けたが、これのかわりに、透過率の低い層，例え
ば色フィルタ等を設けても良いし、あるいは、偏光を変
化させる層を設けても良く、拡散層２５０を設ける場合
と同様の効果を得ることができる。また、これらの層
は、光路長を変化させる層２４０と微小レンズ１ａ，１
ｂ，１ｃとの間に設けられていても良い。

【００６０】また、微小レンズ１ａ，１ｂ，１ｃと拡散
層２５０との間に、光路長を変化させる層２４０を設け
て微小レンズ１ａ，１ｂ，１ｃと拡散層２５０との間の
光路長を変化させるかわりに、例えば微小レンズ１ａ，
１ｂ，１ｃを焦点距離可変の液晶レンズ等で構成し、微
小レンズ１ａ，１ｂ，１ｃの焦点距離を変化させるよう
にしても良い。また、図１４の構成において、光路長を
変化させる層３００のかわりに、第２の微小レンズ２６
１ａ，２６１ｂ，２６１ｃを焦点距離可変のレンズで構
成しても良い。

【００６１】また、上述した各実施例において、図２，
図６，図７，図１２，図１３，図１４のディスプレイ装
置が、各ドットごとに光路長，または焦点距離を変化さ
せずに、ドットよりも広い領域，例えば、図１において
１列分，あるいは１行分のドット全域にわたって光路
長，または焦点距離を変化させるようには構成されてい
るときには、広い領域でのゆるやかな立体感を与える用
途に適している。具体的には、遠景，中景，近景の３種
類だけの変化しか与えないで良いような場合には、これ
らの構成を用いることにより、遠景用領域の全てのドッ
トに対して、光路長，または焦点距離を遠景用に同じに
設定し、近景用領域の全てのドットに対して、光路長，
または焦点距離を近景用に同じに設定することができ
る。

【００６２】一方、これらのディスプレイ装置が、各ド
ットごとに光路長，または焦点距離を変化させることが
可能な構成となっているときには（但し、図１２は不
可）、画面の微細にわたって光路長，または焦点距離を
変化させるような用途に適しており、この場合には、ド
ットごとに立体感を得ることができる。

【００６３】しかしながら、上記いずれの場合において
も、各ドットに対応した微小レンズまたは２次元ディス
プレイＤＰ全面に作用するレンズの焦点距離，または、
これらのレンズとドットとの間にある層の屈折率を所定
の値に容易に設定できるので、表示する画像情報に従っ
て、上記焦点距離または屈折率を決定することにより、
２次元ディスプレイＤＰを用いる場合にも３次元表示が
可能となり、３次元ディスプレイ装置に上記ディスプレ
イ装置のいずれかを適用することにより、両眼視差によ
る立体視の場合にも注視点の距離に像を結像すること
で、目の疲労を軽減することができる。

【００６４】図１５（ａ），（ｂ）はこの様子を説明す
るための図である。例えば、２次元画面２１０上に、２
つの像Ｐ１，Ｐ２が所定間隔Ｚだけ隔てて表示されてお
り、この２つ像Ｐ１，Ｐ２を観察する場合に、図１５
（ａ）では一方の目２０１で像Ｐ２を見させる状態を示
し、図１５（ｂ）では他方の目２０２で像Ｐ１を見させ
る場合が示されている。目２０１，２０２の輻輳機構
は、図１６に示したと同時に、一方の目２０１が像Ｐ２
の方に向き、他方の目２０２が像Ｐ１の方に向くように
目２０１，２０２を制御するので、注視点は、これらの
交差位置ＣＬＳとなり、図１５（ａ），（ｂ）の例で
は、実際の画面２１０よりも手前となる。このような場
合に、本発明によるディスプレイ装置をそれぞれ左眼
用，右眼用として取付け、このディスプレイ装置を画面
２１０の画像情報に従って制御することにより、画面２
１０の像Ｐ１，Ｐ２の位置（いまの場合、実像位置）を
注視点ＣＬＳの位置まで移動させることができるので、
これにより、目２０１，２０２の調節機構は、目２０
１，２０２から注視点ＣＬＳまでの距離Ｌ２にピントを
合わすよう目２０１，２０２を制御する。この結果、目
の輻輳と調節を一致させることができて、目の疲労を軽
減することができる。

【００６５】また、上記例とは反対に、注視点ＣＬＳが
目２０１，２０２から画面２１０までの実際の距離Ｌ１
よりも遠い距離となるような像が画面２１０上に表示さ
れるときには、画面２１０の像の虚像が表示されるよう
ディスプレイ装置を構成し、注視点に虚像が表示される
ようにディスプレイ装置を制御することによって、同様
にして、目の輻輳と調節を一致させることができて、疲
労を軽減することができる。

【００６６】

【発明の効果】以上に説明したように請求項１記載のデ
ィスプレイ装置によれば、２次元ディスプレイを形成す
る少なくとも１画素からなるドットごとに、ドットの前
方に微小なレンズがそれぞれ設けられており、微小なレ
ンズと前記ドットとの光路長を変化させるか，または微
小なレンズの焦点距離を変化させる際に、光路長または
焦点距離の変化に応じてドットの輝度を変化させるよう
にしているので、光路長または焦点距離が変化する場合
にも、輝度を一定に調整することができて、さらには、
このディスプレイ装置を用いて３次元ディスプレイを構
成する場合、光路長または焦点距離を適宜変化させて像
位置を適宜変化させることにより、目の疲労が少なく臨
場感に富んだ立体画像を容易に表示することができる。

【００６７】また、請求項２記載のディスプレイ装置に
よれば、２次元ディスプレイを形成するドットの前方に
ディスプレイ全面に作用する少なくとも１枚以上のレン
ズが設けられており、レンズとドットとの光路長を変化
させるか，またはレンズの焦点距離を変化させる際に、
光路長または焦点距離の変化に応じて２次元ディスプレ
イのドットの輝度を変化させるようにしているので、光
路長または焦点距離が変化する場合にも、輝度を一定に
調整することができて、さらには、このディスプレイ装
置を用いて３次元ディスプレイを構成する場合、光路長
または焦点距離を適宜変化させて像位置を適宜変化させ
ることにより、目の疲労が少なく臨場感に富んだ立体画
像を容易に表示することができる。

【００６８】また、請求項３記載のディスプレイ装置に
よれば、ドットと光路長を変化させる手段との間に，ま
たは光路長を変化させる手段と微小なレンズとの間に、
近傍の他の部分よりもドットの表示光の拡散率の高い
層，または透過率の低い層，または偏光を変化させる層
が設けられており、前記層とドットとの間には、ドット
ごとにさらに第２の微小なレンズが設けられているの
で、輝度を一定に調整する場合においても輝度の低下を
有効に防止することができる。

【００６９】また、請求項４記載のディスプレイ装置で
は、請求項３記載のディスプレイ装置において、前記第
２の微小なレンズとドット，または第２の微小なレンズ
と前記層との間に、さらに、光路長を変化させる手段が
設けられているかまたは前記第２の微小なレンズの焦点
距離を変化させる手段が設けられているので、輝度を高
輝度に維持する場合において像の輪郭のぼけを防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るディスプレイ装置の第１の実施例
の正面図である。

【図２】本発明に係るディスプレイ装置の第１の実施例
の断面図である。

【図３】（ａ），（ｂ），（ｃ）はドットの電極の分割
構成例を示す図である。

【図４】（ａ），（ｂ）はドットの電極の分割構成例を
示す図である。

【図５】ドットの電極の分割構成例を示す図である。

【図６】図１のディスプレイ装置の変形例を示す図であ
る。

【図７】本発明に係るディスプレイ装置の第２の実施例
の断面図である。

【図８】輝度制御部の構成例を示す図である。

【図９】輝度制御部の構成例を示す図である。

【図１０】複数画素に対応させて微小レンズを配置した
構成を示す図である。

【図１１】複数画素に対応させて微小レンズを配置した
構成を示す図である。

【図１２】本発明に係るディスプレイ装置の第３の実施
例の断面図である。

【図１３】本発明に係るディスプレイ装置の第４の実施
例の断面図である。

【図１４】本発明に係るディスプレイ装置の第５の実施
例の断面図である。

【図１５】（ａ），（ｂ）は本発明によって目の輻輳と
調節とを一致させる原理を説明するための図である。

【図１６】目の輻輳と調節との一般的な関係を説明する
ための図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ微小なレンズ２ａ，２ｂ，２ｃドット３前面ガラス４正立虚像５観察者１１ａ，１１ｂ，１１ｃ微小なレンズ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ円形の穴１３，１４電極１５液晶材料１７，１９レンズ１８ａ乃至１８ｉドット２０ａ乃至２０ｉ正立虚像２３層１３０，１４０輝度制御部１３１距離検知部１３２距離設定部１３３焦点距離記憶部１３４，１４４拡大計算部１３５輝度制御部１４３光路長記憶部２５０拡散層２６１ａ，２６１ｂ，２６１ｃ第２の微小レンズ２７０ａ，２７０ｂ，２７０ｃドット３００光路長を変化させる
層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２次元ディスプレイを形成する少なくと
も１画素からなるドットごとに、ドットの前方に微小な
レンズがそれぞれ設けられており、さらに、前記微小な
レンズと前記ドットとの光路長を変化させる手段，また
は前記微小なレンズの焦点距離を変化させる手段と、前
記光路長または焦点距離の変化に応じて前記ドットの輝
度を変化させる手段とがさらに設けられていることを特
徴とするディスプレイ装置。
【請求項２】２次元ディスプレイを形成するドットの
前方にディスプレイ全面に作用する少なくとも１枚以上
のレンズが設けられており、さらに、前記レンズと前記
ドットとの光路長を変化させる手段，またはレンズの焦
点距離を変化させる手段と、前記光路長または焦点距離
の変化に応じて２次元ディスプレイのドットの輝度を変
化させる手段とが設けられていることを特徴とするディ
スプレイ装置。
【請求項３】２次元ディスプレイを形成する少なくと
も１画素からなるドットごとに、ドットの前方に微小な
レンズがそれぞれ設けられており、さらに、前記微小な
レンズと前記ドットとの光路長を変化させる手段，また
は前記微小なレンズの焦点距離を変化させる手段を有
し、前記ドットと前記光路長を変化させる手段との間
に，または前記光路長を変化させる手段と前記微小なレ
ンズとの間に、近傍の他の部分よりもドットの表示光の
拡散率の高い層，または透過率の低い層，または偏光を
変化させる層が設けられており、前記層とドットとの間
には、ドットごとにさらに第２の微小なレンズが設けら
れていることを特徴とするディスプレイ装置。
【請求項４】請求項３記載のディスプレイ装置におい
て、前記第２の微小なレンズとドット，または第２の微
小なレンズと前記層との間に、さらに、光路長を変化さ
せる手段が設けられているかまたは前記第２の微小なレ
ンズの焦点距離を変化させる手段が設けられていること
を特徴とするディスプレイ装置。