ＩＰ立体ディスプレイ
【課題】撮影側で取得された倒立像を正立像に変換でき、かつ、表示する画像の精細度を高めると共に、視域および奥行き再現範囲を拡大できるＩＰ立体ディスプレイを提供する。
【解決手段】ＩＰ立体ディスプレイ１は、基板２上に画像表示面であるＦＰＤ面４を構成する画素５としての光線指向型発光素子１０からの光線の射出方向を規定した。具体的には、ＩＰ立体ディスプレイ１において、撮影側で要素レンズアレイを介して被写体を撮影して取得した要素画像毎に仮想的な要素レンズ６を配置したときに、ＦＰＤ面４における各仮想的な要素レンズ６に相当する領域である要素画像表示領域７毎に、当該要素画像表示領域７内の各画素５が、要素画像表示領域７の中心に対して自身と点対称の位置にある画素５と仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光軸の方向と一致する方向の光線を射出するように光線指向型発光素子１０を配置した。
【解決手段】ＩＰ立体ディスプレイ１は、基板２上に画像表示面であるＦＰＤ面４を構成する画素５としての光線指向型発光素子１０からの光線の射出方向を規定した。具体的には、ＩＰ立体ディスプレイ１において、撮影側で要素レンズアレイを介して被写体を撮影して取得した要素画像毎に仮想的な要素レンズ６を配置したときに、ＦＰＤ面４における各仮想的な要素レンズ６に相当する領域である要素画像表示領域７毎に、当該要素画像表示領域７内の各画素５が、要素画像表示領域７の中心に対して自身と点対称の位置にある画素５と仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光軸の方向と一致する方向の光線を射出するように光線指向型発光素子１０を配置した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体ディスプレイに係り、空間像表示型の立体表示方式、特にインテグラル・フォトグラフィー（ＩＰ）を用いたＩＰ立体ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
図８（ａ）に示す従来型のＩＰ立体表示装置２０１は、表示パネル２０２と、要素レンズアレイ２０３とを備えている。表示パネル２０２は、例えば液晶パネルから構成され、そのスクリーン面２０４において水平および垂直方向に所定数のマトリクス状に所定の画素ピッチで配置された多数の画素２０５を備えている。要素レンズアレイ２０３は、要素レンズ２０６を所定のレンズピッチで並置して構成されている。なお、要素レンズ２０６は図８（ａ）に示すように縦横を揃えて配置する必要はなく、俵積み状態のデルタ配置であってもよい。図示は省略するが、ＩＰ立体表示装置２０１に対応したＩＰ立体撮影装置が、同様の要素レンズアレイを介して被写体（例えば円柱等）を撮影しておくことが、立体を表示するための前提となる。例えば、ＩＰ立体撮影装置の要素レンズの焦点距離は、ＩＰ立体表示装置２０１の要素レンズ２０６の焦点距離と同一であり、また、要素レンズアレイ２０３と表示パネル２０２との距離は、ＩＰ立体撮影装置の要素レンズアレイと撮影パネルとの距離に等しい。これにより、ＩＰ立体表示装置２０１において、各要素レンズ２０６が、当該要素レンズ２０６の領域に映る画像（要素画像）を空間上に投影し、それらが集められて、被写体の表示像（立体像）として、例えば円柱９０１、９０３や立方体９０２が表示される。
【０００３】
このＩＰ立体表示装置２０１の断面構造を図８（ｂ）に模式的に示す。なお、図８（ｂ）では、要素レンズ２０６からスクリーン面２０４までの距離ｇを要素レンズの焦点距離の値とした。このＩＰ立体表示装置２０１は、光学レンズを要素レンズ２０６として用いることによって画像表示面（スクリーン面２０４）に表示された映像について、表示面から周囲に射出された光線を平行光に変えて、光線の方位（方向）を制御するものである。
【０００４】
さらに、非特許文献１には、ＩＰ立体ディスプレイを、７６８０（水平：Ｈ）×４３２０（垂直：Ｖ）の画素数（スーパーハイビジョン）からなる動画対応の超高精細投射型ディスプレイの表示スクリーン上に、４００（Ｈ）×２５０（Ｖ）の個数からなる光学レンズ（以下、要素レンズとよぶ）を並置した要素レンズアレイを重ねた構造のものとして試作したことが記載されている。このＩＰ立体ディスプレイによれば、ディスプレイの観察時に立体観測用の特殊なメガネをかけなくても、上下、左右のいずれの方位からも立体映像を観測することが可能となっている。
【０００５】
このようなＩＰ立体ディスプレイには、大要、以下の（Ａ１）〜（Ａ３）に示す問題がある。
【０００６】
（Ａ１）解像度の問題
例えば、非特許文献１に開示された従来のＩＰ立体ディスプレイでは、解像度がまだ実用域のレベルになっていないため、今後、より一層、解像度を高める必要がある。ＩＰ立体ディスプレイは、立体画像の表示部分に多数の要素レンズ（光学レンズ）を並置した要素レンズアレイを重ね合わせた構造になっているため、解像度の上限がレンズピッチで規定されている。したがって、解像度を高めるためには、レンズピッチを小さくする必要がある。
【０００７】
（Ａ２）立体像の奥行き再現範囲の問題
ＩＰ立体ディスプレイでは、ディスプレイの奥行き方向の所定地点で解像度を高めることができたとしても、その所定地点の前後の解像度が低いために前後の画像がボケてしまうという問題もある。ＩＰ立体ディスプレイでは、生成される表示像の解像度（表示像の空間周波数）が、光学レンズを並置した要素レンズアレイ付近で最大であって、要素レンズアレイから離れるにしたがって低下する。よって、ＩＰ立体ディスプレイに精細度の高い立体像を表示させると、近景および遠景の表示画像の解像度が低下する。つまり、高精細な立体像の近景の画像と遠景の画像がボケてしまう。
【０００８】
（Ａ３）視域の問題
ＩＰ立体ディスプレイでは、上下左右いずれの方向においても、観察者の位置に応じた立体像を見ることができる。ただし、観察者が移動してディスプレイを視認できる範囲（視域）は、ある１つの要素画像からの光が、それに対応する１つの要素レンズにより放射される領域に限られる。ＩＰ立体ディスプレイでは、表示された立体画像の視域が例えば液晶ディスプレイ等の通常のＦＰＤ（flat panel display）に比べて狭いという問題がある。例えば非特許文献１に開示された従来のＩＰ立体ディスプレイの視域角は設計仕様として２８°、実測値として２４°であり、通常のＦＰＤ（例えば５０〜１７０°）に比べて格段に小さい。
【０００９】
ここで、前記（Ａ１）の問題として挙げたＩＰ立体ディスプレイの解像度を改善するためには、要素レンズのレンズピッチを小さくすることが必要である。一方、前記（Ａ３）の問題として挙げた視域を拡大するためには、レンズピッチを大きくする必要がある。つまり、解像度の改善と視域の拡大とはトレードオフの関係にある。
また、前記（Ａ３）の問題として挙げた視域を拡大するためには、要素レンズアレイから表示素子までの距離（要素レンズの焦点距離）を小さくする必要がある。一方、前記（Ａ２）の問題として挙げた立体画像の奥行き再現範囲を拡大するためには、要素レンズアレイから表示素子までの距離（要素レンズの焦点距離）を大きくする必要がある。つまり、視域の拡大と立体画像の奥行き再現範囲の拡大とはトレードオフの関係にある。
したがって、従来型のＩＰ立体ディスプレイでは、前記したように要素レンズを用いることにより生じる制約があるため、前記（Ａ１）〜（Ａ３）の問題を改善することが困難であった。
【００１０】
これに対し、例えば、要素レンズを用いることなく立体像を表示することができれば、要素レンズにまつわる制約がなくなるため、原理的には（Ａ１）〜（Ａ３）の問題を改善できる可能性が高い。
例えば、ＩＰ立体ディスプレイの技術の今後の発展により、画素からの光を集めるための光学レンズ（要素レンズ）を並置した要素レンズアレイを設けることなく、ＩＰ立体ディスプレイの画像表示面の画素としての表示素子を、光線指向型発光素子とし、この光線指向型発光素子から射出する光線の方向を画素毎に設定して、要素レンズを用いたときと同じ光線アレイを再現する技術が仮定される。このような架空のＩＰ立体ディスプレイによれば、要素レンズを用いなくても立体像を表示できることが期待できる。言い換えれば、光学レンズで投影される光線の方向と同様の方向を、各画素を構成する発光素子にそれぞれ設定しておくことで、従来と同様に立体像を表示することが可能であるといえる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−２１７０８号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】洗井淳、配野泰行、「スーパーハイビジョンを適用したインテグラル立体テレビ」、月刊ディスプレイ、2010年10月号、p.40-45
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、前記した架空のＩＰ立体ディスプレイには、次のような問題があった。つまり、前記した従来のＩＰ方式では、ＩＰ立体撮影装置において、被写体を、要素レンズアレイを介して撮影すると、被写体が倒立した像（倒立像）が要素画像として記録されるが、このような倒立像をそのまま、従来のＩＰ立体ディスプレイで表示すると、奥行きが反転した逆視像が表示される現象が生じることが分かっている（非特許文献１参照）。そして、この現象は、前記した架空のＩＰ立体ディスプレイにおいても同様に生じうるものである。
【００１４】
このような、逆視像の問題を改善する手法として、従来、次のような提案がなされている。
例えば、ＩＰ立体撮影装置で取得した情報を演算処理することによって倒立像を正立像に変換し、演算処理した後の情報をＩＰ立体表示装置に入力して、最終的に正しい奥行きの立体像を生成するＩＰ方式が開示されている（特許文献１参照）。
【００１５】
ここで、図９を参照して、特許文献１に開示された従来のＩＰ方式について説明する。図９（ａ）に示すように、従来のＩＰ方式では、観察者Ｏ側から、ＩＰ立体撮影装置３０１により、被写体Ｈを撮影すると、要素レンズアレイ３０２を構成する要素レンズ３０２１，…，３０２ｎの数だけ、撮影パネル３０３に被写体Ｈの像（以下、「要素画像」という。）３０４１，…，３０４ｎが撮影される。この各要素画像をそのまま表示すると、奥行きが反転してしまうため、従来のＩＰ方式では、ＩＰ立体撮影装置３０１は、反転処理手段３０５によって、演算処理により要素画像を点対称に変換することで、被写体Ｈの立体情報（複数の要素画像）を生成している。
【００１６】
一方、図９（ｂ）に示すＩＰ立体表示装置４０１は、表示パネル（表示素子）４０３により、図９（ａ）の撮影パネル３０３で撮影された要素画像３０４１，…，３０４ｎを点対称に変換した要素画像４０４１，…，４０４ｎを表示する。そして、観察者Ｏが、表示パネル４０３と平行に配置された、同一平面状に配列された複数の要素レンズ４０２１，…，４０２ｎからなる要素レンズアレイ４０２を介して表示パネル４０３を観察すると、奥行きが正しい立体像を視認することが可能になる。
【００１７】
また例えば、従来、ＩＰ立体撮影装置において、要素レンズに代えて屈折率分布レンズを用いることが提案されている（特許第３８３６５５０号公報参照）。この屈折率分布レンズは、中心から半径方向に離れるにしたがって屈折率が二乗特性で減少する媒体である。ここでは、ＩＰ立体撮影装置が、光の蛇行周期の３／４の長さの屈折率分布レンズを用いて各要素画像をそれぞれ点対称に反転することにより、倒立像を正立像に変換している。この方法によれば、撮影側で正立像を取得できるので、表示側で正しい奥行きの立体像を表示することが可能になる。
【００１８】
しかし、従来の演算処理により倒立像を正立像に変換する方式では以下に示す問題があった。ここで、ＩＰ方式により立体像を表示する技術において、表示される立体画像の解像度は、レンズアレイを構成するレンズの数つまり要素画像の数に依存する。つまり、解像度が高く、かつ、奥行き感のある立体像を表示するためには、撮影側および表示側において要素レンズの数を増やす必要がある。例えば、対角が５０インチのハイビジョン画像を表示しようとすると、撮影側および表示側において要素レンズの数が２００万個以上必要となる。このように、要素レンズの数つまり要素画像の数が増えると、演算処理の処理量が膨大となり、演算処理に相当な時間と手間がかかってしまうことになる。
【００１９】
また、従来の要素レンズに代えて屈折率分布レンズを用いて倒立像を正立像に変換する方式では以下に示す問題があった。
すなわち、従来のＩＰ立体撮影装置では、要素レンズに代えて屈折率分布レンズを用いる構成としているが、屈折率分布レンズの製作には高度な技術が要求され、また、屈折率分布レンズアレイとして使用するときも、要素レンズを２次元状態に整列させて使用する構成に比較して製造が容易ではなかった。
【００２０】
さらに、前記したように、ＩＰ方式において、解像度が高く、かつ、奥行き感のある立体像を表示するためには、屈折率分布レンズの数を増やす必要がある。例えば、対角が５０インチのハイビジョン画像を表示しようとすると、屈折率分布レンズの数が２００万個以上必要となる。そして、十分な奥行き感を得るためには、表示素子の画素のサイズがミクロンオーダーとなる。このような場合において、立体像を表示するためには、表示素子の画素のサイズに合わせて屈折率分布レンズのサイズも小さくする必要がある。しかし、屈折率分布レンズのサイズを小さくすると、所望の屈折率を得ることができるように設計することが困難、つまり、屈折率が滑らかに変化するように製造することが困難であり、その結果、屈折率を表示素子内で正しく制御することが困難であった。
【００２１】
本発明は、前記した問題点に鑑み創案されたものであり、屈折率分布レンズや演算処理によらずに、撮影側で取得された倒立像を正立像に変換することができ、かつ、表示する画像の精細度を高めることができると共に、視域および奥行き再現範囲を拡大できるＩＰ立体ディスプレイを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
前記した課題を解決するため、請求項１に記載のＩＰ立体ディスプレイは、インテグラル・フォトグラフィー（ＩＰ）方式により、要素レンズを複数並置した要素レンズアレイを介して前記被写体を撮影して取得した各要素画像を表示する画像表示面の画素からの光を集めて立体像を表示するＩＰ立体ディスプレイであって、基板上に前記画像表示面の画素としての発光素子を設け、前記要素レンズに対応する仮想的な要素レンズを、その焦点距離だけ前記基板から離間した位置に複数並置した仮想的な要素レンズアレイを配置したときに、前記画像表示面において、前記仮想的な要素レンズに相当する領域の画素群で構成される要素画像表示領域内の各前記画素が、当該要素画像表示領域の中心に対して自身と点対称の位置にある画素と前記仮想的な要素レンズの中心とを結ぶ光軸の方向と一致する方向の光線を射出するように、各前記画素としての各前記発光素子を配置したことを特徴とする。
【００２３】
かかる構成によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、原理的に高精細化が難しい光学レンズ（要素レンズ）を使用するのではなく、画素としての光線指向型発光素子を設け、画素毎に、発光素子からの光線の射出方向を規定し、この射出方向に光線を射出するように光線指向型発光素子を配置することとした。
従来は、表示パネルに表示された各要素画像を対応する要素レンズでそれぞれ投影して、これらを集めて、立体像を表示していた。
これに対して、本発明のＩＰ立体ディスプレイは、要素画像を構成する画素毎に、当該画素を構成する発光素子が射出する光線の方向が設定されているので、発光素子自体が、発光の方向に指向性を持っている。
そのため、光学レンズで投影される光線の方向と同様の方向を、要素画像を構成する各画素を構成する各発光素子にそれぞれ設定しておくことで、原理的に、従来と同様に立体像を表示できる。なお、「要素画像」とは、撮影側で、要素レンズを介して被写体を撮影することにより取得された画像をいうものである。
さらに、本発明のＩＰ立体ディスプレイは、画面表示面において、仮想的な要素レンズに相当する領域の画素群で構成される要素画像表示領域内の各画素が、当該要素画像表示領域の中心に対して自身と点対称の位置にある画素と仮想的な要素レンズの中心とを結ぶ光軸の方向と一致する方向の光線を射出するように、各画素としての各発光素子を配置したことで、屈折率分布レンズや演算処理によらずに、撮影側で取得された倒立像を正立像に変換することが可能となる。これにより、最終的に奥行きの正しい立体像を表示できる。
【００２４】
つまり、本発明のＩＰ立体ディスプレイは、従来のＩＰ立体表示装置の光学レンズに対応する仮想的な要素レンズを配置したことにより、画像表示面から射出される光線は、あたかもレンズで投影されたかのように集まって、立体像を表示できる。このようにして、光学レンズを用いることなく、従来のＩＰ立体表示装置と同様の立体像が再生可能となった。
さらに、本発明のＩＰ立体ディスプレイは、要素画像表示領域内の各画素が、要素画像表示領域の中心に対して自身と点対称の位置にある画素を仮想的な要素レンズによって投影したときの光線の方向を再現するように、各画素を構成する各発光素子からの光線の射出方向を設定した。これにより、屈折率分布レンズや演算処理によらずに、倒立像を正立像に変換して表示できる。
【００２５】
また、請求項２に記載のＩＰ立体ディスプレイは、請求項１に記載のＩＰ立体ディスプレイにおいて、前記発光素子は、少なくとも一部が柱状に形成されて柱頭の射出面から光線を射出するＬＥＤ素子であることを特徴とする。
【００２６】
かかる構成によれば、発光素子としてＬＥＤ素子を備え、このＬＥＤ素子の少なくとも一部が柱状に形成されているので、発光素子で形成する画素を微小化し、画素ピッチを小さくすることができる。また、半導体の微細化プロセスによって半導体結晶を成長させることで、ＬＥＤ素子の柱状の部分を形成し、太さや高さを制御した柱の柱頭を射出面にすることができる。
【００２７】
また、請求項１または請求項２に記載のＩＰ立体ディスプレイにおいて、前記画素は、ＲＧＢの３つの発光素子で構成されていてもよい。
【００２８】
かかる構成によれば、ＩＰ立体ディスプレイにおいて、画素は、ＲＧＢの３つの発光素子で構成されているので、従来のＩＰ立体表示装置と同様に、被写体の立体像をカラー表示できる。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１に記載の発明によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、光学レンズを備えずに立体像を表示できる。したがって、ＩＰ立体ディスプレイは、従来よりも、表示する画像の精細度を高めることができると共に、視域および奥行き再現範囲を拡大できる。
また、ＩＰ立体ディスプレイは、屈折率分布レンズや演算処理によらずに、撮影側で取得された倒立像を正立像に変換できるので、最終的に奥行きの正しい立体像を表示できる。
請求項２に記載の発明によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、画素として、指向性の高い柱状部を有するＬＥＤ素子を備え、画素ピッチを小さくすることができるので、解像度を高め、高精細な立体像を再生することができる。
請求項３に記載の発明によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、従来のＩＰ立体表示装置と同様に、被写体の立体像をカラー表示できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイの構成を模式的に示す概念図であり、（ａ）は、全体構成図、（ｂ）は、断面構造を示す。
【図２】架空のＩＰ立体ディスプレイの画像表示面における要素画像表示領域を模式的に示す概念図である。
【図３】架空のＩＰ立体ディスプレイにおいて画素としての光線指向型発光素子から射出される光線が仮想的な要素レンズに投影される様子を模式的に示す概念図であって、（ａ）は、要素画像表示領域における画素の配置を示し、（ｂ）は、（ａ）で示した画素と仮想的な要素レンズの中心とを繋ぐ光軸を示す。
【図４】本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイにおいて画素としての光線指向型発光素子から射出される光線の方向を模式的に示す概念図であって、（ａ）は、要素画像表示領域における画素の配置を示し、（ｂ）は、（ａ）で示した画素としての光線指向型発光素子から射出される光線の方向を示す。
【図５】本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイの構成を模式的に示す概念図である。
【図６】本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイに用いる光線指向型発光素子の構造の一例とその配置例を模式的に示す概念図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイにおいて画素としての光線指向型発光素子から射出される光線の方向を模式的に示す概念図であって、（ａ）は、要素画像表示領域における画素の配置を示し、（ｂ）は、（ａ）で示した画素としての光線指向型発光素子から射出される光線の方向を示す。
【図８】従来のＩＰ立体表示装置の構成を模式的に示す概念図であり、（ａ）は、全体構成図、（ｂ）は、断面構造を示す。
【図９】従来のＩＰ方式の概念を説明するための説明図であって、（ａ）は撮影時、（ｂ）は表示時の状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
［ＩＰ立体ディスプレイの概要］
まず、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイについて、従来の典型的なＩＰ立体ディスプレイである図８に示したＩＰ立体表示装置２０１と対比させながら図１を参照して説明する。
【００３２】
前記したように、図８（ａ）に示す従来型のＩＰ立体表示装置２０１は、光学レンズを要素レンズ２０６として用いることによって、画像表示面（スクリーン面２０４）に表示された映像について、図８（ｂ）に示すように、表示面から周囲に射出された光線を平行光に変えて、光線の方位（方向）を制御していた。
【００３３】
これに対して、図１（ａ）に示すＩＰ立体ディスプレイ１は、従来型のＩＰ立体表示装置２０１とは異なり、要素レンズ２０６を備えずに、ＩＰ方式により、要素画像から立体像を表示する方式のＩＰ立体ディスプレイである。
また、ＩＰ立体ディスプレイ１は、屈折率分布レンズや演算処理によらずに、撮影側で取得された倒立像を正立像に変換して、奥行きの正しい立体像を表示する方式のＩＰ立体ディスプレイである。
【００３４】
次に、ＩＰ立体ディスプレイ１の詳細な構造について図１（ｂ）および図４を参照（適宜図１（ａ）を参照）して説明する。以下のＩＰ立体ディスプレイ１の説明において、屈折率分布レンズや演算処理によらずに撮影側で取得された倒立像を正立像に変換する構造について、図２、４に示す前記従来技術で説明した架空のＩＰ立体ディスプレイとの対比説明を行い、光学レンズを用いずに立体像を表示する構造について、図８に示す従来型のＩＰ立体表示装置２０１との対比説明を行う。
【００３５】
［ＩＰ立体ディスプレイの構造］
図１（ｂ）に示すように、ＩＰ立体ディスプレイ１は、基板２上に画像表示面（ＦＰＤ面４）の画素５としての光線指向型発光素子１０を備えて構成されている。ＩＰ立体ディスプレイ１は、ＦＰＤ面４において水平および垂直方向に所定数のマトリクス状に配置された画素５を備えており、各画素５は、図示しない行ドライバおよび列ドライバにより、図示しない走査ラインおよびデータラインを介して駆動される。
【００３６】
このＩＰ立体ディスプレイ１は、光線指向型発光素子１０から射出する光線の方向が画素５毎に設定されている。つまり、画素５毎に光線を射出する方向を設定し、その方向に光線を射出するように画素５としての光線指向型発光素子１０が配置されている。図示は省略するが、従来のＩＰ立体表示装置２０１に対応したＩＰ立体撮影装置が、要素レンズアレイ２０３と同様のレンズアレイを介して被写体（例えば円柱等）を撮影しておくことが、ＩＰ立体ディスプレイ１にて立体を表示（表示）するための前提となる。
このＩＰ立体ディスプレイ１において、ＦＰＤ面４に設けられた各光線指向型発光素子１０から射出する光線はあたかもレンズで投影されたかのように集まって、例えば円柱９０１、９０３や立方体９０２の表示像（立体像）が表示される。このように、ＩＰ立体ディスプレイ１は、光線指向型発光素子１０からの発光の射出方向を限定することで、光学レンズを不要としたものである。
【００３７】
光線指向型発光素子１０は、発散光ではなく、指向性の高い光を発光する素子であり、特定の方向に光線を出射する。この光線指向型発光素子１０としては、例えば、少なくとも一部が柱状に形成されて柱頭の発光面から光線を射出するＬＥＤ素子を用いることができる。ＬＥＤ素子の材料は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｌＡｓＰからなるアレイから選択された１つであることが好ましい。光線指向型発光素子１０の構造の詳細については後記する。本発明の実施形態では、光線指向型発光素子１０は、後記する式（２）および式（３）において規定する特定の角度の方向（α１，θ１）には光線を射出するが、その他の方向には射出しないような指向性を有することとした。
【００３８】
この光線指向型発光素子１０は、通常のＩＰ立体ディスプレイにおいて要素画像を構成する画素数に相当する個数（縦横とも数百〜数千程度の個数）設けられている。一方、この画素の単位集団を要素画素アレイとして定義した場合、通常のＩＰ立体ディスプレイの要素レンズに相当する領域に要素画素アレイ（１つの単位構造）が並置される構造となる。この要素画素アレイを、前記要素レンズの個数分、タイル状に並置すると、光線指向型発光素子１０によってなるＩＰ立体ディスプレイ１が作製できる。
ここで、「要素画像」とは、通常のＩＰ立体撮影装置において、要素レンズを介して被写体を撮影することにより取得された画像をいうものである。
【００３９】
次に、発光素子１０からの光線の射出方向について従来技術と対比させつつ、数式を用いて適宜図１を参照しながら説明する。ここでは、まず、数式を用いるためにいくつかの前提を述べる。
【００４０】
発光素子の発光面を例えばｘｙ平面として、ｘｙ平面の原点に置かれた発光素子と、ｘｙ平面を底面とする半球の３次元空間を仮定する。また、発光面に対して垂直な例えばｚｘ平面において、発光面に対する法線方向である＋ｚ軸から発光面への回転角度をθ（−９０°≦θ≦９０°）で表す。この場合、＋ｚ軸がθ＝０°を示し、＋ｘ軸の方向がθ＝９０°、−ｘ軸の方向がθ＝−９０°となる。
また、発光面（ｘｙ平面）からの仰角をθ’とすると、θ’＝９０°−θの関係が成り立つ。また、ｚ軸の周りの回転角（方位角）をα（−１８０°＜α≦１８０°）で表すと、角度θおよび方位角αを用いて半球面上の位置を特定できる。
【００４１】
従来の典型的なＩＰ立体ディスプレイ（ＩＰ立体表示装置２０１）において、表示パネル２０２の表示素子（例えば発光素子）から放射される光線は、画素２０５の周囲に等方的なランバーシアン（Lambertian）分布の状態を示す。具体的には、発光面に対する法線方向（θ＝０）の光強度をＩ０として、方位角をαとした場合、ランベルトの余弦則を示すランバーシアンの光強度分布Ｉ（α，θ）は、次の式（１）により表すことができる。
【００４２】
Ｉ（α，θ）＝Ｉ０×ｃｏｓθ … 式（１）
【００４３】
すなわち、通常の発光素子から放出される発光の強度は、一般的に方位角αには依存せず、発光面に対する法線方向からの角度θ（あるいは仰角θ’）のみに依存しており、しかも等方的である。
【００４４】
一方、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１では、ある特定の方向のみに限定して発光を射出する画素５として、光線指向型発光素子１０を備える。すなわち、光線指向型発光素子１０は、次の式（２）に示すように、方位角αの値がα１であって、かつ、発光面に対する法線方向からの角度θの値がθ１をとるとき（あるいは仰角θ’の値θ１′が９０°−θ１をとるとき）に光を射出する。式（２）では、このときの光強度の値をＩｍａｘとした。また、光線指向型発光素子１０は、次の式（３）に示すように、方位角αの値がα１であっても角度θの値がθ１以外のときには光を射出しないこととした。
【００４５】
Ｉ（α１，θ１）＝Ｉｍａｘ … 式（２）
Ｉ（α，θ）＝０ （α＝α１，θ≠θ１）） … 式（３）
【００４６】
次に、式（２）および式（３）において規定した特定の方向（α１，θ１）について、前記従来技術で説明した架空のＩＰ立体ディスプレイと、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１と、を対比しながら説明する。なお、架空のＩＰ立体ディスプレイと、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１と、は、式（２）および式（３）において規定した特定の方向（α１，θ１）のみが異なるものであり、その他の構成は共通するものである。つまり、架空のＩＰ立体ディスプレイは、図１に示した本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１と同様の構成を備えるものである。ただし、以下の説明においては、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１と区別するため、便宜上、架空のＩＰ立体ディスプレイにおいて、ＩＰ立体ディスプレイ１に対応する構成に「’」をつけて表記することとする。
【００４７】
図１（ａ）に示すように、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’は、基板２’上に画像表示面（ＦＰＤ面４’）の画素５’としての光線指向型発光素子１０’を備えて構成されている。
【００４８】
この架空のＩＰ立体ディスプレイ１’における光線指向型発光素子１０’の光線の射出方向は、従来のＩＰ立体表示装置２０１の要素レンズ２０６によって規定されていた方向と同様の方向となっている。これにより、光線指向型発光素子１０による発光は、従来の要素レンズ２０６によって規定されていた方向にのみ射出させることができる。つまり、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’の光線指向型発光素子１０について、前記式（２）および式（３）において規定した特定の方向（α１，θ１）を、従来の要素レンズ２０６によって規定されていた方向と全く同じ方向としたことを意味する。
【００４９】
次に、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’における、画素５’としての光線指向型発光素子１０’からの光線の射出方向について、図２、図３を参照して詳しく説明する。なお、図２、図３は、それぞれ、図１に示すＩＰ立体ディスプレイ１’の一部を示している。
【００５０】
架空のＩＰ立体ディスプレイ１’は、要素画像表示領域毎に、要素画像表示領域内の各画素５’について、画素５’としての光線指向型発光素子１０’からの光線の射出方向を規定している。
まず、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’の要素画像表示領域について説明する。要素画像表示領域とは、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’のＦＰＤ面４’において、通常のＩＰ立体撮影装置で取得された要素画像アレイを構成する各要素画像を表示する領域のことである。従来のＩＰ立体表示装置２０１は、通常のＩＰ立体撮影装置が備える要素レンズアレイに相当する要素レンズアレイ２０３を備えるため、各要素レンズ２０６に相当する領域が、要素画像表示領域となる。
【００５１】
一方、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’は、通常のＩＰ立体撮影装置が備える要素レンズアレイに相当する要素レンズアレイを備えないため、図２に示すように、従来のＩＰ立体表示装置２０１の各要素レンズ２０６に相当する仮想的な要素レンズ６’を複数並置した仮想的な要素レンズアレイを配置した場合を仮定した。
【００５２】
この仮想的な要素レンズアレイは、図示しない通常のＩＰ立体撮影装置の要素レンズアレイ（図示せず）に対応して設けられるものであり、仮想的な要素レンズ６’の焦点距離だけ基板２から離間した位置に、仮想的な要素レンズ６’を複数並置してなるものを想定している。この仮想的な要素レンズ６’と基板２との位置関係は、図示しない通常のＩＰ立体撮影装置の要素レンズと、撮影板（いずれも図示せず）と、の位置関係に対応している。仮想的な要素レンズ６’の焦点距離や口径は、基本的に、基板２のサイズに応じて決められる。例えば、仮想的な要素レンズ６’と、基板２と、の距離は、図示しない通常のＩＰ立体撮影装置の要素レンズと、撮影板（いずれも図示せず）と、の距離と同一となり、また例えば、仮想的な要素レンズ６’の口径は、図示しない通常のＩＰ立体撮影装置の要素レンズの口径と同一となる場合もある。これは、撮影サイズと表示サイズとが同じ場合が考えられる。
【００５３】
そして、ＦＰＤ面４’において、この仮想的な要素レンズ６’に相当する領域の画素群（画素５’の集合）を、要素画像表示領域７’とした。
ここで、「仮想的な要素レンズ６’に相当する領域」とは、ＦＰＤ面４’上に仮想的に設定される領域であり、仮想的な要素レンズ６’と同軸上に位置し、仮想的な要素レンズ６’の面積と略同等の面積を有する領域をいう。この各要素画像表示領域７’に、図示しない通常のＩＰ立体撮影装置で取得された各要素画像が表示される。
【００５４】
なお、図２では、ＦＰＤ面４’において、全ての領域に画素５’を設ける場合における要素画像表示領域７’を例示している。この場合、仮想的な要素レンズ６’に相当する領域を含むように格子状に区分した各領域（図２において斜線で示した領域）の画素群（画素５’の集合）を要素画像表示領域７’としている。ただし、ＦＰＤ面４’において、仮想的な要素レンズ６’に相当する領域以外の部分に、画素５’を設けない場合は、仮想的な要素レンズ６’に相当する領域のみを、要素画像表示領域７’としてもよい。また、図２には示していないが、ＦＰＤ面４’において、各画素５’の駆動回路が配置されている部分は、要素画像表示領域から除くものとする。なお、図２では、９つの要素画像表示領域７’を表示しているが、前記したように、要素画像表示領域７’は、要素画像の数だけ規定されるものである。
【００５５】
次に、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’のＦＰＤ面４’において仮定された要素画像表示領域７’毎の光線指向型発光素子１０’による光線の射出方向について説明する。
図３（ａ）に示すように、要素画像表示領域７’には、通常のＩＰ立体ディスプレイにおいて要素画像を構成する画素数に相当する個数（縦横とも数百〜数千程度の個数）の画素５’としての光線指向型発光素子１０’が設けられている。
【００５６】
ここでは、図３（ｂ）を参照して、この画素５’のうち、図３（ａ）に示すＡの位置にある画素５’と、Ｂの位置にある画素５’と、Ｃの位置にある画素５’と、Ｄの位置にある画素５’と、Ｅの位置にある画素５’からの光線の射出方向について例にとって説明する。なお、以下の説明では、便宜上、図３（ａ）に示すＡの位置にある画素５’を「画素５Ａ’」と表記し、Ｂの位置にある画素５’を「画素５Ｂ’」と表記し、Ｃの位置にある画素５’を「画素５Ｃ’」と表記し、Ｄの位置にある画素５’を「画素５Ｄ’」と表記し、Ｅの位置にある画素５’を「画素５Ｅ’」と表記する。
【００５７】
前記したように、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’は、光線指向型発光素子１０について、前記式（２）および式（３）において規定した特定の方向（α１，θ１）を、従来の要素レンズアレイ２０３によって規定されていた方向と全く同じ方向としている。つまり、各画素５’によって、各仮想的な要素レンズ６’の中心を通る光線が再現されることになる。
したがって、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’では、図３（ｂ）に示すように、画素５Ａ’〜５Ｅ’から射出された光線は、それぞれ仮想的な要素レンズ６’の中心を通ることにより点対称に変換される。
【００５８】
このように、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’では、要素レンズを用いることなく、従来の要素レンズ２０６によって規定されていた光軸を再現できる。しかし、その一方で、従来の要素レンズ２０６によって規定されていた光軸を再現することで、従来のＩＰ立体ディスプレイ１と同様に、通常のＩＰ立体撮影装置で取得された要素画像アレイ（倒立像）をそのまま架空のＩＰ立体ディスプレイ１’で表示すると、倒立像を正立像に変換することができず、最終的に、奥行きが反転された逆視像が表示されることになるという問題がある。
【００５９】
そこで、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１では、倒立像を正立像に変換して最終的に正しい奥行きの立体像を表示できるように、光線指向型発光素子１０からの光線の射出方向（α１，θ１）を規定した。そして、この射出方向（α１，θ１）に光線を射出可能なように光線指向型発光素子１０を配置することとし、そのために、以下の（Ｂ１）〜（Ｂ３）を実行することとした。
【００６０】
（Ｂ１）
ＩＰ立体ディスプレイ１において、撮影側で取得された要素画像毎に、従来のＩＰ立体表示装置２０１の要素レンズ２０６に対応する仮想的な要素レンズ６を配置すると仮定し、この仮想的な要素レンズ６に相当する領域を含むように格子状に区分した各領域を要素画像表示領域７として仮定する。
例えば、この仮想的な要素レンズ６と、基板２と、の位置は、図示しない通常のＩＰ立体撮影装置の要素レンズと、撮影板（いずれも図示せず）と、の位置に対応していてもよい。また、例えば、仮想的な要素レンズ６の口径は、図示しない通常のＩＰ立体撮影装置の要素レンズの口径と同一であってもよい。
ここで、「仮想的な要素レンズ６に相当する領域」とは、ＦＰＤ面４上に仮想的に設定される領域であり、仮想的な要素レンズ６と同軸上に位置し、仮想的な要素レンズ６の面積と略同等の面積を有する領域をいう。
（Ｂ２）
要素画像表示領域７毎に、各画素５と、仮想的な要素レンズ６の中心と、を結ぶ光軸を求める。
（Ｂ３）
要素画像表示領域７内の各画素５が、要素画像表示領域７の中心に対して自身と点対称の位置にある画素５と、仮想的な要素レンズ６の中心と、を結ぶ光軸を再現するように、光線指向型発光素子１０を配置する。
この（Ｂ３）について、図４を参照して詳細に説明する。なお、図４は、図１に示すＩＰ立体ディスプレイ１の一部を示している。
【００６１】
図４（ａ）に示すように、要素画像表示領域７には、通常のＩＰ立体ディスプレイにおいて要素画像を構成する画素数に相当する個数（縦横とも数百〜数千程度の個数）の画素５としての光線指向型発光素子１０が設けられている。ここでは、図４（ｂ）を参照して、この画素５のうち、図４（ａ）に示すＡの位置にある画素５と、Ｂの位置にある画素５と、Ｃの位置にある画素５と、Ｄの位置にある画素５と、Ｅの位置にある画素５の、それぞれの光線の射出方向について例にとって説明する。なお、以下の説明では、便宜上、図４（ａ）に示すＡの位置にある画素５を「画素５Ａ」と表記し、Ｂの位置にある画素５を「画素５Ｂ」と表記し、Ｃの位置にある画素５を「画素５Ｃ」と表記し、Ｄの位置にある画素５を「画素５Ｄ」と表記し、Ｅの位置にある画素５を「画素５Ｅ」と表記する。
【００６２】
図４（ｂ）では、画素５Ａ〜５Ｅと仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光線を、光線ａ’〜ｅ’としてそれぞれ破線で示している。そして、画素５Ａ〜５Ｅとしての光線指向型発光素子１０から実際に射出される光線を光線ａ〜ｅとしてそれぞれ実線で示している。なお、画素５Ａと仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光線ａ’は、理由は後記するが、画素５Ａとしての光線指向型発光素子１０から実際に射出される光線ａと一致するため、ここでは実線で示している。
【００６３】
ここで、ＩＰ立体ディスプレイ１では、前記したように、要素画像表示領域７毎に、要素画像表示領域７内の各画素５から射出される光線の方向を規定し、その方向に光線を射出するように光線指向型発光素子１０を配置している。詳細には、ＩＰ立体ディスプレイ１では、要素画像表示領域７内の各画素５が、自身から見て要素画像表示領域７の中心に対して点対称となる位置にある画素５と仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光軸を再現するように、画素５としての光線指向型発光素子１０を配置している。
【００６４】
つまり、図４（ｂ）に示すように、画素５Ｂからみて要素画像表示領域７の中心に対して点対称となる位置にある画素５Ｅから、画素５Ｂと仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光線ｂ’と方向が一致する光線ｂが射出されるように、画素５Ｅとしての光線指向型発光素子１０を配置している。
一方、画素５Ｅからみて要素画像表示領域７の中心に対して点対称となる位置にある画素５Ｂから、画素５Ｅと仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光線ｅ’と方向が一致する光線ｅが射出されるように、画素５Ｂとしての光線指向型発光素子１０を配置している。
【００６５】
同様にして、画素５Ｃからみて要素画像表示領域７の中心に対して点対称となる位置にある画素５Ｄから、画素Ｃと仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光線ｃ’と方向が一致する光線ｃが射出されるように、画素５Ｄとしての光線指向型発光素子１０を配置している。
一方、画素５Ｄからみて要素画像表示領域７の中心に対して点対称となる位置にある画素５Ｃから、画素Ｄと仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光線ｄ’と方向が一致する光線ｄが射出されるように、画素５Ｃとしての光線指向型発光素子１０を配置している。
【００６６】
なお、画素５Ａは、要素画像表示領域７の中心に位置しているため、画素５Ａからみて要素画像表示領域７の中心に対して点対称の位置関係にある画素は、画素５Ａ自身となる。したがって、画素５Ａについては、画素Ａと仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光線ａ’と方向が一致する光線ａを射出するように、画素５Ａとしての光線指向型発光素子１０を配置している。
【００６７】
このように、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１は、実際には存在しない仮想的な要素レンズ６を設けたと仮定した場合に各画素５から射出される光線を、当該画素５と点対称の位置にある画素５によって再現することで、撮影側で取得された被写体の倒立像である各要素画像をそれぞれ点対称に変換して正立像とできる。これにより、最終的に正しい奥行きの立体像を表示できる。
【００６８】
但し、前記した図３、４に示した例は、あくまでも光線指向型発光素子１０’、１０による光の射出方向の説明を簡単にするために示したものであるので、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’あるいはＩＰ立体ディスプレイ１が表示する立体像と、ＩＰ立体表示装置２０１が表示する立体像の解像度が同一となる。そこで、ＩＰ立体ディスプレイ１が表示する立体像を、ＩＰ立体表示装置２０１が表示する立体像よりも高精細化するためには、次のようにすればよい。
すなわち、ＩＰ立体ディスプレイ１において、基板２の画素ピッチｐを図８（ａ）に示したＩＰ立体表示装置２０１の表示パネル２０２の画素ピッチｐよりも低減する。また、ＩＰ立体ディスプレイ１において、この低減した画素ピッチｐにて光線指向型発光素子１０を配置することとする。また、ＩＰ立体ディスプレイ１において、低減した画素ピッチｐに対応して縮小化した要素レンズを仮定し、その焦点距離に合わせて基板２から離間させて配置した要素レンズアレイを仮定する。そして、前記（Ｂ１）〜（Ｂ３）を実行すればよい。
【００６９】
以上のように、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１によれば、原理的に高精細化が難しい光学レンズ（要素レンズ）を使用することなく、光線指向型発光素子１０からの発光の射出方向を限定することで、立体像を表示することとした。また、要素画像表示領域７毎に、従来の典型的なＩＰ立体ディスプレイであるＩＰ立体表示装置２０１における要素レンズ２０６に対応する仮想的な要素レンズ６を仮定し、この仮想的な要素レンズ６の中心と各画素５とを結ぶ光軸を求めた。そして、各画素５が、要素画像表示領域７の中心に対し、自身と点対称となる位置にある画素５と仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光軸を再現する光線を射出するように、画素５としての光線指向型発光素子１０による光線の射出方向を規定し、この射出方向を実現できるように光線指向型発光素子１０を配置した。
【００７０】
これによれば、各要素画像表示領域７において、屈折率分布レンズや演算処理によらずに図示しないＩＰ立体撮影装置で取得された倒立像（要素画像アレイ）を、正立像に変換できる。このため、奥行きが反転した逆視像が表示されるのを回避できる。
さらに、従来の典型的なＩＰ立体ディスプレイであるＩＰ立体表示装置２０１にまつわる前記（Ａ１）解像度の問題、（Ａ２）立体像の奥行き再現範囲の問題、（Ａ３）視域の問題を、従来技術に比べて改善できる。このことについて、以下に説明する。
【００７１】
（Ａ１）解像度の問題
ＩＰ立体ディスプレイ１では、光学レンズを用いないので、従来の要素レンズアレイから表示素子までの距離（要素レンズの焦点距離）の制約を考慮する必要がない。このため、ＩＰ立体ディスプレイ１の画素ピッチｐ（図４（ｂ）参照）を従来のＩＰ立体表示装置２０１の画素ピッチｐ（図３（ｂ）参照）よりも小さくできる。このため、解像度を従来よりも高めることができる。
【００７２】
（Ａ２）立体像の奥行き再現範囲の問題
ＩＰ立体ディスプレイ１では、光学レンズを用いないので、従来の要素レンズアレイから表示素子までの距離（要素レンズの焦点距離）の制約を考慮せずに画素数（要素画像を構成する画素の個数）を増大できるため、奥行き再現範囲を拡大することが可能となる。すなわち、高精細な立体映像信号をＩＰ立体ディスプレイ１に入力した場合に、近景から遠景までの奥行き方向での立体再現範囲を拡大することが可能となる。
【００７３】
（Ａ３）視域の問題
ＩＰ立体ディスプレイ１では、光学レンズを用いないので、前記したように、実際には存在しない仮想的な要素レンズアレイを仮定し、この仮想的な要素レンズアレイからＦＰＤ面（表示素子）までの距離ｇの値として、現状の焦点距離よりも小さな距離を任意に設定できるので、視域を最大限に拡大できる。
具体的には、従来型のＩＰ立体表示装置２０１は、図８（ｂ）に示すように、視域角が、表示パネル２０２に表示される要素画像を構成する画素から放射されて、要素レンズアレイ２０３の中央に位置する要素レンズのレンズ中心を通過する２本の光軸のなす角で規定されている。
【００７４】
一方、ＩＰ立体ディスプレイ１は、視域角が、ＦＰＤ面４に表示される要素画像を構成する画素５から射出される交差しない２本の光線のなす角で規定されている。具体的に図４（ｂ）に示すＩＰ立体ディスプレイ１の視域角（画素５Ｂから射出される光線ｅと、画素５Ｅから射出される光線ｂとでなす角度）は、原理的に１８０°まで拡げることができる。すなわち、ＩＰ立体ディスプレイ１は、従来のＩＰ立体表示装置２０１（図３（ｂ）参照）よりも視域を拡大できるといえる。
【００７５】
［ＩＰ立体ディスプレイの構造の例］
ＩＰ立体ディスプレイ１の各要素画像を構成する画素５において、特定の方向だけに発光を射出させる方法については、様々な方法が考えられるが、ここでは、全体の形状が柱状に構成されたＬＥＤ等の発光素子自体を特定の方向に傾斜させることで発光の射出方向を特定する方法を用いた構造を例示する。この場合のＩＰ立体ディスプレイの構成を図５に模式的に示す。
【００７６】
図５に示したように、ＩＰ立体ディスプレイ１は、要素レンズアレイの形状をもつ多数の突起部３を有する基板２の上に、画素５としての光線指向型発光素子１０を並置している。図５において領域４０を拡大して示す図６にて突起部３の構造を示す。図６（ａ）は突起部の平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＸ−Ｘ線矢視における断面図である。ここでは、突起部３毎に一例として１７個の光線指向型発光素子１０（画素５）を設けた。実際には、発光素子の個数は、通常のＩＰ立体ディスプレイにおいて要素画像を構成する画素数に相当する個数（縦横とも数百〜数千程度の個数）である。一方、この画素の単位集団を要素画素アレイとして定義した場合、通常のＩＰ立体ディスプレイの要素レンズに相当する領域に要素画素アレイ（１つの単位構造）が並置される構造となる。この要素画像アレイを要素レンズの個数分、タイル状に並置すると、光線指向型発光素子によってなるＩＰ立体ディスプレイ１が作製できる。
なお、図６（ａ）には、光線指向型発光素子１０（画素５）と比較するため従来のＩＰ立体表示装置２０１における画素２０５の配置を破線で示す。
【００７７】
基板２は、従来の要素レンズアレイと同等の形状を有するガラスや石英の基板等、表面に結晶の方位等の異方性を有していないことが好ましい。すなわち、方位依存性のないアモルファス形状のガラスや石英の基板材料を用いることによって、各光線指向型発光素子１０の特性ばらつきを抑えることが可能となる。従来の無機系発光素子は、結晶基板上に発光素子を成長することで、基板と結晶方位の揃った発光素子を形成していたが、この実施形態では、基板２に例えばアモルファス状態のガラス基板を用いることによって、基板の結晶方位に縛られることなく微細な発光素子を成長させることが可能となる。なお、基板２は、結晶性基板であっても構わない。
【００７８】
基板２は、図５に示すように要素画像毎に並置された突起部３を有する。突起部３は、例えば図６（ｂ）に示すような半円球形状、またはドーム形状、あるいは断面視で扇型形状に形成されている。例えば、基板２をガラス基板とした場合、このガラス基板上に突起部３を形成する方法は、例えば公知のガラスのレンズの作製法を用いることができる。
【００７９】
光線指向型発光素子１０は、柱状の形状であって微細な口径の半導体の自発光素子からなる表示素子である。光線指向型発光素子１０は、図５に示すように円柱状に形成されている。なお、この円柱は、図示を省略するが、下からｎ型半導体層、半導体発光層、ｐ型半導体層が積層された構造であり、例えば円柱の側面にｐ型電極、円柱の底面部にｎ型電極を備える。
【００８０】
光線指向型発光素子１０の材質については、例えばＧａＮやＺｎＯ等の無機系のＬＥＤ素子が好適であるが、有機ＥＬ材料などの有機系発光材料の適用も可能である。なお、微細な素子を別工程で作製する際には、ＬＥＤ素子の場合にはＬＥＤウエハ上に作るが、有機ＥＬ材料の場合にはガラスの上に作る。
【００８１】
この光線指向型発光素子１０は、図６（ｂ）に示すように、画素毎に基板２の突起部３の表面の法線方向に立設している。つまり、個々の光線指向型発光素子１０は、その発光が取り出される射出口部分を、要素画像毎に並置された突起部３の表面から外部に向けた形で並置されている。
【００８２】
突起部３の外表面（凸面）に光線指向型発光素子１０を形成したので、図６（ａ）に示すように、素子が突起部３の外周（下周縁）に近づくにつれて密度が粗になる。一方、図示を省略するが仮に凹面に素子を形成すると、素子が凹面の外周（上周縁）に近づくにつれて密度が密になり、円柱間が近接してしまうため、分離が難しくなる。つまり、突起部３の外表面（凸面）に光線指向型発光素子１０を形成すると、製造し易くなるという利点がある。
【００８３】
光線指向型発光素子１０を製造する方法としては、公知の種々の微細加工技術を用いることができ、特に限定されない。例えば、基板２をガラス基板とした場合、このガラス基板上に半球状の突起部３を形成しておく。この突起部３上に発光素子を形成した場合には、ガラスは結晶基板と異なって方位無依存なので、ガラス面と垂直な方向に配位した電極や発光層が形成される。このような電極や発光層を、例えば集束イオンビーム（ＦＩＢ）等の機械的な微細加工技術によって、形状加工できる。この場合の発光素子の方位は、半球状の表面に垂直方向に向くため、半球形状の形状が担保されていれば、所定の角度の形成が可能である。
【００８４】
また、別の製造方法としては、半球状のガラス基板上に、別工程で作製した円柱の発光素子を機械的に並置することもできる。その場合、導電性のペーストなどによる化学的方法を用いて突起部３の表面に常に垂直方向になるように張り合わせる。また、ナノインプリントを使うことで、半導体発光層よりも上側の非発光の円柱部分（導波路部分）のみを各発光素子の上から形成することもできる。なお、突起部３の表面に、光線指向型発光素子１０を配置していく順番は特に限定されず、ナノインプリントの場合には、一括形成が可能である。
【００８５】
このように光線指向型発光素子１０を基板２の突起部３上に配置していくことによって、光線指向型発光素子１０について、特性ばらつきを招くことなく並置して配置することが可能となる。また、これによって、従来のＩＰディスプレイでは、観察者の観察できる角度範囲（視域）と立体ディスプレイで表示する再生像の空間周波数（解像度）の両立を図ることが難しかったのに対して、ＩＰ立体ディスプレイ１によれば、微細な光線指向型発光素子１０の数（画素数）に比例した形で再生像の空間周波数（解像度）を増加させることができるのに加えて、視域についても突起部３の形に見合う範囲で確保することが可能となる。
【００８６】
このようなＩＰ立体ディスプレイ１は、屈折率分布レンズや演算処理によらずに、ＩＰ立体撮影装置で取得された被写体の倒立像を正立像に変換できる。このため、観察方向からみて奥行きが反転した逆視像が表示されるのを回避できる。
また、前記したように、ＩＰ立体ディスプレイ１は、原理的に高精細化が難しい光学レンズ（要素レンズ）を使用することなく、光線指向型発光素子１０からの発光の射出方向を限定することで、立体像を表示することとした。これにより、ＩＰ立体ディスプレイ１では、従来の典型的なＩＰ立体ディスプレイであるＩＰ立体表示装置２０１にまつわる前記（Ａ１）解像度の問題、（Ａ２）立体像の奥行き再現範囲の問題、（Ａ３）視域の問題を、従来技術に比べて改善できる。
【００８７】
以上、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１について説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【００８８】
例えば、前記実施形態では、ＩＰ立体ディスプレイ１を単色表示型として構成したが、これに限定されるものではなく、カラー表示型として構成してもよい。以下、図７を参照してカラー表示型のＩＰ立体ディスプレイ１Ｂについて説明する。なお、ＩＰ立体ディスプレイ１Ｂは、ここでは図示を省略しているが、画素の構成以外は、図１に示すＩＰ立体ディスプレイ１と同様の構成を備えている。そして、図７は、図１に示すＩＰ立体ディスプレイ１の一部を示す図４と対応するものであり、図４と同様に、ＩＰ立体ディスプレイ１Ｂの一部を示すものである。
【００８９】
図７（ａ）に示すのは、カラー表示型のＩＰ立体ディスプレイ１Ｂである。ＩＰ立体ディスプレイ１Ｂは、画素５１が、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つの光線指向型発光素子１０で構成される点が、画素５が、１つの光線指向型発光素子１０で構成される図４（ａ）に示すＩＰ立体ディスプレイ１と相違する。つまり、ＩＰ立体ディスプレイ１Ｂは、１つの画素５１からＲＧＢ３原色の光を出力できるようになっている。
なお、図示は省略するが、ＲＧＢの３つの撮像素子で１つの画素を構成しているＩＰ立体撮影装置で被写体（例えば円柱等）を撮影しておくことが、ＩＰ立体ディスプレイ１Ｂで立体像を表示するための前提となる。
このようなＩＰ立体ディスプレイ１Ｂにおいて、画素５１としての光線指向型発光素子１０から射出される光線の方向は、次のように設定できる。
【００９０】
図７（ｂ）に示すように、図７（ａ）において要素画像表示領域７Ｂ内のＤ−Ｄ線上にある画素５１Ｂが、画素５１Ｂからみて、要素画像表示領域７Ｂの中心に対して点対称の位置にある画素５１Ｃと仮想的な要素レンズ６Ｂの中心とを繋ぐ光軸と一致する光線を再現するように、画素５１Ｂとしての光線指向型発光素子１０から射出される光線の方向を設定する。同様にして、図７（ｂ）に示すように、画素５１Ｃが、画素５１Ｃからみて要素画像表示領域７Ｂの中心に対して点対称の位置にある画素５１Ｂと仮想的な要素レンズ６Ｂの中心とを繋ぐ光軸と一致する光線を再現するように、画素５１Ｃとしての光線指向型発光素子１０から射出される光線の方向を設定する。
なお、画素５１Ａからみて要素画像表示領域７Ｂの中心に対して点対称の位置にある画素は、画素５１Ａ自身である。このため、画素５１Ａについては、画素５１Ａと仮想的な要素レンズ６Ｂの中心とを繋ぐ光軸と一致する光線を再現するように画素５１Ａとしての光線指向型発光素子１０から射出される光線の方向を設定する。
【００９１】
このようなＩＰ立体ディスプレイ１Ｂは、屈折率分布レンズや演算処理によらずに図示しないＩＰ立体撮影装置で取得された倒立像（要素画像アレイ）を、正立像に変換できるので、奥行きが反転した逆視像が表示されるのを回避できる。さらに、このＩＰ立体ディスプレイ１Ｂによれば、従来のカラー表示型のＩＰ立体表示装置と比較して、前記（Ａ１）〜（Ａ３）の問題を改善できる。詳細は前記実施形態において説明した通りである。
なお、ここでは、ＩＰ立体ディスプレイ１Ｂは、画素５１を、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つの光線指向型発光素子１０を並列して構成することとしたが、これに限定されるものではなく、画素５１を、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の４つの光線指向型発光素子１０をベイヤー配列にしたがって配置して構成することとしてもよい。
【００９２】
また、本実施形態では、光線指向型発光素子１０によって特定の方向だけに発光を射出させる方法について、全体の形状が柱状に構成されたＬＥＤ等の発光素子を、凸形状やドーム形状の突起部３を有した基板上に成長させることで、柱状の発光素子自体を特定の方向に傾斜させることとしたが、他の方法を用いることも可能である。
例えば、発光素子に段差を設けて、段差の高低差を利用して発光の射出方向を特定する方法を用いてもよい。
【符号の説明】
【００９３】
１、１Ｂ ＩＰ立体ディスプレイ
２ 基板
３ 突起部
４、４Ｂ ＦＰＤ面
５、５１ 画素
６、６Ｂ 仮想的な要素レンズ
７、７Ｂ 要素画像表示領域
１０ 光線指向型発光素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体ディスプレイに係り、空間像表示型の立体表示方式、特にインテグラル・フォトグラフィー（ＩＰ）を用いたＩＰ立体ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
図８（ａ）に示す従来型のＩＰ立体表示装置２０１は、表示パネル２０２と、要素レンズアレイ２０３とを備えている。表示パネル２０２は、例えば液晶パネルから構成され、そのスクリーン面２０４において水平および垂直方向に所定数のマトリクス状に所定の画素ピッチで配置された多数の画素２０５を備えている。要素レンズアレイ２０３は、要素レンズ２０６を所定のレンズピッチで並置して構成されている。なお、要素レンズ２０６は図８（ａ）に示すように縦横を揃えて配置する必要はなく、俵積み状態のデルタ配置であってもよい。図示は省略するが、ＩＰ立体表示装置２０１に対応したＩＰ立体撮影装置が、同様の要素レンズアレイを介して被写体（例えば円柱等）を撮影しておくことが、立体を表示するための前提となる。例えば、ＩＰ立体撮影装置の要素レンズの焦点距離は、ＩＰ立体表示装置２０１の要素レンズ２０６の焦点距離と同一であり、また、要素レンズアレイ２０３と表示パネル２０２との距離は、ＩＰ立体撮影装置の要素レンズアレイと撮影パネルとの距離に等しい。これにより、ＩＰ立体表示装置２０１において、各要素レンズ２０６が、当該要素レンズ２０６の領域に映る画像（要素画像）を空間上に投影し、それらが集められて、被写体の表示像（立体像）として、例えば円柱９０１、９０３や立方体９０２が表示される。
【０００３】
このＩＰ立体表示装置２０１の断面構造を図８（ｂ）に模式的に示す。なお、図８（ｂ）では、要素レンズ２０６からスクリーン面２０４までの距離ｇを要素レンズの焦点距離の値とした。このＩＰ立体表示装置２０１は、光学レンズを要素レンズ２０６として用いることによって画像表示面（スクリーン面２０４）に表示された映像について、表示面から周囲に射出された光線を平行光に変えて、光線の方位（方向）を制御するものである。
【０００４】
さらに、非特許文献１には、ＩＰ立体ディスプレイを、７６８０（水平：Ｈ）×４３２０（垂直：Ｖ）の画素数（スーパーハイビジョン）からなる動画対応の超高精細投射型ディスプレイの表示スクリーン上に、４００（Ｈ）×２５０（Ｖ）の個数からなる光学レンズ（以下、要素レンズとよぶ）を並置した要素レンズアレイを重ねた構造のものとして試作したことが記載されている。このＩＰ立体ディスプレイによれば、ディスプレイの観察時に立体観測用の特殊なメガネをかけなくても、上下、左右のいずれの方位からも立体映像を観測することが可能となっている。
【０００５】
このようなＩＰ立体ディスプレイには、大要、以下の（Ａ１）〜（Ａ３）に示す問題がある。
【０００６】
（Ａ１）解像度の問題
例えば、非特許文献１に開示された従来のＩＰ立体ディスプレイでは、解像度がまだ実用域のレベルになっていないため、今後、より一層、解像度を高める必要がある。ＩＰ立体ディスプレイは、立体画像の表示部分に多数の要素レンズ（光学レンズ）を並置した要素レンズアレイを重ね合わせた構造になっているため、解像度の上限がレンズピッチで規定されている。したがって、解像度を高めるためには、レンズピッチを小さくする必要がある。
【０００７】
（Ａ２）立体像の奥行き再現範囲の問題
ＩＰ立体ディスプレイでは、ディスプレイの奥行き方向の所定地点で解像度を高めることができたとしても、その所定地点の前後の解像度が低いために前後の画像がボケてしまうという問題もある。ＩＰ立体ディスプレイでは、生成される表示像の解像度（表示像の空間周波数）が、光学レンズを並置した要素レンズアレイ付近で最大であって、要素レンズアレイから離れるにしたがって低下する。よって、ＩＰ立体ディスプレイに精細度の高い立体像を表示させると、近景および遠景の表示画像の解像度が低下する。つまり、高精細な立体像の近景の画像と遠景の画像がボケてしまう。
【０００８】
（Ａ３）視域の問題
ＩＰ立体ディスプレイでは、上下左右いずれの方向においても、観察者の位置に応じた立体像を見ることができる。ただし、観察者が移動してディスプレイを視認できる範囲（視域）は、ある１つの要素画像からの光が、それに対応する１つの要素レンズにより放射される領域に限られる。ＩＰ立体ディスプレイでは、表示された立体画像の視域が例えば液晶ディスプレイ等の通常のＦＰＤ（flat panel display）に比べて狭いという問題がある。例えば非特許文献１に開示された従来のＩＰ立体ディスプレイの視域角は設計仕様として２８°、実測値として２４°であり、通常のＦＰＤ（例えば５０〜１７０°）に比べて格段に小さい。
【０００９】
ここで、前記（Ａ１）の問題として挙げたＩＰ立体ディスプレイの解像度を改善するためには、要素レンズのレンズピッチを小さくすることが必要である。一方、前記（Ａ３）の問題として挙げた視域を拡大するためには、レンズピッチを大きくする必要がある。つまり、解像度の改善と視域の拡大とはトレードオフの関係にある。
また、前記（Ａ３）の問題として挙げた視域を拡大するためには、要素レンズアレイから表示素子までの距離（要素レンズの焦点距離）を小さくする必要がある。一方、前記（Ａ２）の問題として挙げた立体画像の奥行き再現範囲を拡大するためには、要素レンズアレイから表示素子までの距離（要素レンズの焦点距離）を大きくする必要がある。つまり、視域の拡大と立体画像の奥行き再現範囲の拡大とはトレードオフの関係にある。
したがって、従来型のＩＰ立体ディスプレイでは、前記したように要素レンズを用いることにより生じる制約があるため、前記（Ａ１）〜（Ａ３）の問題を改善することが困難であった。
【００１０】
これに対し、例えば、要素レンズを用いることなく立体像を表示することができれば、要素レンズにまつわる制約がなくなるため、原理的には（Ａ１）〜（Ａ３）の問題を改善できる可能性が高い。
例えば、ＩＰ立体ディスプレイの技術の今後の発展により、画素からの光を集めるための光学レンズ（要素レンズ）を並置した要素レンズアレイを設けることなく、ＩＰ立体ディスプレイの画像表示面の画素としての表示素子を、光線指向型発光素子とし、この光線指向型発光素子から射出する光線の方向を画素毎に設定して、要素レンズを用いたときと同じ光線アレイを再現する技術が仮定される。このような架空のＩＰ立体ディスプレイによれば、要素レンズを用いなくても立体像を表示できることが期待できる。言い換えれば、光学レンズで投影される光線の方向と同様の方向を、各画素を構成する発光素子にそれぞれ設定しておくことで、従来と同様に立体像を表示することが可能であるといえる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００９−２１７０８号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】洗井淳、配野泰行、「スーパーハイビジョンを適用したインテグラル立体テレビ」、月刊ディスプレイ、2010年10月号、p.40-45
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、前記した架空のＩＰ立体ディスプレイには、次のような問題があった。つまり、前記した従来のＩＰ方式では、ＩＰ立体撮影装置において、被写体を、要素レンズアレイを介して撮影すると、被写体が倒立した像（倒立像）が要素画像として記録されるが、このような倒立像をそのまま、従来のＩＰ立体ディスプレイで表示すると、奥行きが反転した逆視像が表示される現象が生じることが分かっている（非特許文献１参照）。そして、この現象は、前記した架空のＩＰ立体ディスプレイにおいても同様に生じうるものである。
【００１４】
このような、逆視像の問題を改善する手法として、従来、次のような提案がなされている。
例えば、ＩＰ立体撮影装置で取得した情報を演算処理することによって倒立像を正立像に変換し、演算処理した後の情報をＩＰ立体表示装置に入力して、最終的に正しい奥行きの立体像を生成するＩＰ方式が開示されている（特許文献１参照）。
【００１５】
ここで、図９を参照して、特許文献１に開示された従来のＩＰ方式について説明する。図９（ａ）に示すように、従来のＩＰ方式では、観察者Ｏ側から、ＩＰ立体撮影装置３０１により、被写体Ｈを撮影すると、要素レンズアレイ３０２を構成する要素レンズ３０２１，…，３０２ｎの数だけ、撮影パネル３０３に被写体Ｈの像（以下、「要素画像」という。）３０４１，…，３０４ｎが撮影される。この各要素画像をそのまま表示すると、奥行きが反転してしまうため、従来のＩＰ方式では、ＩＰ立体撮影装置３０１は、反転処理手段３０５によって、演算処理により要素画像を点対称に変換することで、被写体Ｈの立体情報（複数の要素画像）を生成している。
【００１６】
一方、図９（ｂ）に示すＩＰ立体表示装置４０１は、表示パネル（表示素子）４０３により、図９（ａ）の撮影パネル３０３で撮影された要素画像３０４１，…，３０４ｎを点対称に変換した要素画像４０４１，…，４０４ｎを表示する。そして、観察者Ｏが、表示パネル４０３と平行に配置された、同一平面状に配列された複数の要素レンズ４０２１，…，４０２ｎからなる要素レンズアレイ４０２を介して表示パネル４０３を観察すると、奥行きが正しい立体像を視認することが可能になる。
【００１７】
また例えば、従来、ＩＰ立体撮影装置において、要素レンズに代えて屈折率分布レンズを用いることが提案されている（特許第３８３６５５０号公報参照）。この屈折率分布レンズは、中心から半径方向に離れるにしたがって屈折率が二乗特性で減少する媒体である。ここでは、ＩＰ立体撮影装置が、光の蛇行周期の３／４の長さの屈折率分布レンズを用いて各要素画像をそれぞれ点対称に反転することにより、倒立像を正立像に変換している。この方法によれば、撮影側で正立像を取得できるので、表示側で正しい奥行きの立体像を表示することが可能になる。
【００１８】
しかし、従来の演算処理により倒立像を正立像に変換する方式では以下に示す問題があった。ここで、ＩＰ方式により立体像を表示する技術において、表示される立体画像の解像度は、レンズアレイを構成するレンズの数つまり要素画像の数に依存する。つまり、解像度が高く、かつ、奥行き感のある立体像を表示するためには、撮影側および表示側において要素レンズの数を増やす必要がある。例えば、対角が５０インチのハイビジョン画像を表示しようとすると、撮影側および表示側において要素レンズの数が２００万個以上必要となる。このように、要素レンズの数つまり要素画像の数が増えると、演算処理の処理量が膨大となり、演算処理に相当な時間と手間がかかってしまうことになる。
【００１９】
また、従来の要素レンズに代えて屈折率分布レンズを用いて倒立像を正立像に変換する方式では以下に示す問題があった。
すなわち、従来のＩＰ立体撮影装置では、要素レンズに代えて屈折率分布レンズを用いる構成としているが、屈折率分布レンズの製作には高度な技術が要求され、また、屈折率分布レンズアレイとして使用するときも、要素レンズを２次元状態に整列させて使用する構成に比較して製造が容易ではなかった。
【００２０】
さらに、前記したように、ＩＰ方式において、解像度が高く、かつ、奥行き感のある立体像を表示するためには、屈折率分布レンズの数を増やす必要がある。例えば、対角が５０インチのハイビジョン画像を表示しようとすると、屈折率分布レンズの数が２００万個以上必要となる。そして、十分な奥行き感を得るためには、表示素子の画素のサイズがミクロンオーダーとなる。このような場合において、立体像を表示するためには、表示素子の画素のサイズに合わせて屈折率分布レンズのサイズも小さくする必要がある。しかし、屈折率分布レンズのサイズを小さくすると、所望の屈折率を得ることができるように設計することが困難、つまり、屈折率が滑らかに変化するように製造することが困難であり、その結果、屈折率を表示素子内で正しく制御することが困難であった。
【００２１】
本発明は、前記した問題点に鑑み創案されたものであり、屈折率分布レンズや演算処理によらずに、撮影側で取得された倒立像を正立像に変換することができ、かつ、表示する画像の精細度を高めることができると共に、視域および奥行き再現範囲を拡大できるＩＰ立体ディスプレイを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
前記した課題を解決するため、請求項１に記載のＩＰ立体ディスプレイは、インテグラル・フォトグラフィー（ＩＰ）方式により、要素レンズを複数並置した要素レンズアレイを介して前記被写体を撮影して取得した各要素画像を表示する画像表示面の画素からの光を集めて立体像を表示するＩＰ立体ディスプレイであって、基板上に前記画像表示面の画素としての発光素子を設け、前記要素レンズに対応する仮想的な要素レンズを、その焦点距離だけ前記基板から離間した位置に複数並置した仮想的な要素レンズアレイを配置したときに、前記画像表示面において、前記仮想的な要素レンズに相当する領域の画素群で構成される要素画像表示領域内の各前記画素が、当該要素画像表示領域の中心に対して自身と点対称の位置にある画素と前記仮想的な要素レンズの中心とを結ぶ光軸の方向と一致する方向の光線を射出するように、各前記画素としての各前記発光素子を配置したことを特徴とする。
【００２３】
かかる構成によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、原理的に高精細化が難しい光学レンズ（要素レンズ）を使用するのではなく、画素としての光線指向型発光素子を設け、画素毎に、発光素子からの光線の射出方向を規定し、この射出方向に光線を射出するように光線指向型発光素子を配置することとした。
従来は、表示パネルに表示された各要素画像を対応する要素レンズでそれぞれ投影して、これらを集めて、立体像を表示していた。
これに対して、本発明のＩＰ立体ディスプレイは、要素画像を構成する画素毎に、当該画素を構成する発光素子が射出する光線の方向が設定されているので、発光素子自体が、発光の方向に指向性を持っている。
そのため、光学レンズで投影される光線の方向と同様の方向を、要素画像を構成する各画素を構成する各発光素子にそれぞれ設定しておくことで、原理的に、従来と同様に立体像を表示できる。なお、「要素画像」とは、撮影側で、要素レンズを介して被写体を撮影することにより取得された画像をいうものである。
さらに、本発明のＩＰ立体ディスプレイは、画面表示面において、仮想的な要素レンズに相当する領域の画素群で構成される要素画像表示領域内の各画素が、当該要素画像表示領域の中心に対して自身と点対称の位置にある画素と仮想的な要素レンズの中心とを結ぶ光軸の方向と一致する方向の光線を射出するように、各画素としての各発光素子を配置したことで、屈折率分布レンズや演算処理によらずに、撮影側で取得された倒立像を正立像に変換することが可能となる。これにより、最終的に奥行きの正しい立体像を表示できる。
【００２４】
つまり、本発明のＩＰ立体ディスプレイは、従来のＩＰ立体表示装置の光学レンズに対応する仮想的な要素レンズを配置したことにより、画像表示面から射出される光線は、あたかもレンズで投影されたかのように集まって、立体像を表示できる。このようにして、光学レンズを用いることなく、従来のＩＰ立体表示装置と同様の立体像が再生可能となった。
さらに、本発明のＩＰ立体ディスプレイは、要素画像表示領域内の各画素が、要素画像表示領域の中心に対して自身と点対称の位置にある画素を仮想的な要素レンズによって投影したときの光線の方向を再現するように、各画素を構成する各発光素子からの光線の射出方向を設定した。これにより、屈折率分布レンズや演算処理によらずに、倒立像を正立像に変換して表示できる。
【００２５】
また、請求項２に記載のＩＰ立体ディスプレイは、請求項１に記載のＩＰ立体ディスプレイにおいて、前記発光素子は、少なくとも一部が柱状に形成されて柱頭の射出面から光線を射出するＬＥＤ素子であることを特徴とする。
【００２６】
かかる構成によれば、発光素子としてＬＥＤ素子を備え、このＬＥＤ素子の少なくとも一部が柱状に形成されているので、発光素子で形成する画素を微小化し、画素ピッチを小さくすることができる。また、半導体の微細化プロセスによって半導体結晶を成長させることで、ＬＥＤ素子の柱状の部分を形成し、太さや高さを制御した柱の柱頭を射出面にすることができる。
【００２７】
また、請求項１または請求項２に記載のＩＰ立体ディスプレイにおいて、前記画素は、ＲＧＢの３つの発光素子で構成されていてもよい。
【００２８】
かかる構成によれば、ＩＰ立体ディスプレイにおいて、画素は、ＲＧＢの３つの発光素子で構成されているので、従来のＩＰ立体表示装置と同様に、被写体の立体像をカラー表示できる。
【発明の効果】
【００２９】
請求項１に記載の発明によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、光学レンズを備えずに立体像を表示できる。したがって、ＩＰ立体ディスプレイは、従来よりも、表示する画像の精細度を高めることができると共に、視域および奥行き再現範囲を拡大できる。
また、ＩＰ立体ディスプレイは、屈折率分布レンズや演算処理によらずに、撮影側で取得された倒立像を正立像に変換できるので、最終的に奥行きの正しい立体像を表示できる。
請求項２に記載の発明によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、画素として、指向性の高い柱状部を有するＬＥＤ素子を備え、画素ピッチを小さくすることができるので、解像度を高め、高精細な立体像を再生することができる。
請求項３に記載の発明によれば、ＩＰ立体ディスプレイは、従来のＩＰ立体表示装置と同様に、被写体の立体像をカラー表示できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイの構成を模式的に示す概念図であり、（ａ）は、全体構成図、（ｂ）は、断面構造を示す。
【図２】架空のＩＰ立体ディスプレイの画像表示面における要素画像表示領域を模式的に示す概念図である。
【図３】架空のＩＰ立体ディスプレイにおいて画素としての光線指向型発光素子から射出される光線が仮想的な要素レンズに投影される様子を模式的に示す概念図であって、（ａ）は、要素画像表示領域における画素の配置を示し、（ｂ）は、（ａ）で示した画素と仮想的な要素レンズの中心とを繋ぐ光軸を示す。
【図４】本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイにおいて画素としての光線指向型発光素子から射出される光線の方向を模式的に示す概念図であって、（ａ）は、要素画像表示領域における画素の配置を示し、（ｂ）は、（ａ）で示した画素としての光線指向型発光素子から射出される光線の方向を示す。
【図５】本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイの構成を模式的に示す概念図である。
【図６】本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイに用いる光線指向型発光素子の構造の一例とその配置例を模式的に示す概念図である。
【図７】本発明の他の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイにおいて画素としての光線指向型発光素子から射出される光線の方向を模式的に示す概念図であって、（ａ）は、要素画像表示領域における画素の配置を示し、（ｂ）は、（ａ）で示した画素としての光線指向型発光素子から射出される光線の方向を示す。
【図８】従来のＩＰ立体表示装置の構成を模式的に示す概念図であり、（ａ）は、全体構成図、（ｂ）は、断面構造を示す。
【図９】従来のＩＰ方式の概念を説明するための説明図であって、（ａ）は撮影時、（ｂ）は表示時の状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
［ＩＰ立体ディスプレイの概要］
まず、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイについて、従来の典型的なＩＰ立体ディスプレイである図８に示したＩＰ立体表示装置２０１と対比させながら図１を参照して説明する。
【００３２】
前記したように、図８（ａ）に示す従来型のＩＰ立体表示装置２０１は、光学レンズを要素レンズ２０６として用いることによって、画像表示面（スクリーン面２０４）に表示された映像について、図８（ｂ）に示すように、表示面から周囲に射出された光線を平行光に変えて、光線の方位（方向）を制御していた。
【００３３】
これに対して、図１（ａ）に示すＩＰ立体ディスプレイ１は、従来型のＩＰ立体表示装置２０１とは異なり、要素レンズ２０６を備えずに、ＩＰ方式により、要素画像から立体像を表示する方式のＩＰ立体ディスプレイである。
また、ＩＰ立体ディスプレイ１は、屈折率分布レンズや演算処理によらずに、撮影側で取得された倒立像を正立像に変換して、奥行きの正しい立体像を表示する方式のＩＰ立体ディスプレイである。
【００３４】
次に、ＩＰ立体ディスプレイ１の詳細な構造について図１（ｂ）および図４を参照（適宜図１（ａ）を参照）して説明する。以下のＩＰ立体ディスプレイ１の説明において、屈折率分布レンズや演算処理によらずに撮影側で取得された倒立像を正立像に変換する構造について、図２、４に示す前記従来技術で説明した架空のＩＰ立体ディスプレイとの対比説明を行い、光学レンズを用いずに立体像を表示する構造について、図８に示す従来型のＩＰ立体表示装置２０１との対比説明を行う。
【００３５】
［ＩＰ立体ディスプレイの構造］
図１（ｂ）に示すように、ＩＰ立体ディスプレイ１は、基板２上に画像表示面（ＦＰＤ面４）の画素５としての光線指向型発光素子１０を備えて構成されている。ＩＰ立体ディスプレイ１は、ＦＰＤ面４において水平および垂直方向に所定数のマトリクス状に配置された画素５を備えており、各画素５は、図示しない行ドライバおよび列ドライバにより、図示しない走査ラインおよびデータラインを介して駆動される。
【００３６】
このＩＰ立体ディスプレイ１は、光線指向型発光素子１０から射出する光線の方向が画素５毎に設定されている。つまり、画素５毎に光線を射出する方向を設定し、その方向に光線を射出するように画素５としての光線指向型発光素子１０が配置されている。図示は省略するが、従来のＩＰ立体表示装置２０１に対応したＩＰ立体撮影装置が、要素レンズアレイ２０３と同様のレンズアレイを介して被写体（例えば円柱等）を撮影しておくことが、ＩＰ立体ディスプレイ１にて立体を表示（表示）するための前提となる。
このＩＰ立体ディスプレイ１において、ＦＰＤ面４に設けられた各光線指向型発光素子１０から射出する光線はあたかもレンズで投影されたかのように集まって、例えば円柱９０１、９０３や立方体９０２の表示像（立体像）が表示される。このように、ＩＰ立体ディスプレイ１は、光線指向型発光素子１０からの発光の射出方向を限定することで、光学レンズを不要としたものである。
【００３７】
光線指向型発光素子１０は、発散光ではなく、指向性の高い光を発光する素子であり、特定の方向に光線を出射する。この光線指向型発光素子１０としては、例えば、少なくとも一部が柱状に形成されて柱頭の発光面から光線を射出するＬＥＤ素子を用いることができる。ＬＥＤ素子の材料は、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＡｌＮ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｌＡｓＰからなるアレイから選択された１つであることが好ましい。光線指向型発光素子１０の構造の詳細については後記する。本発明の実施形態では、光線指向型発光素子１０は、後記する式（２）および式（３）において規定する特定の角度の方向（α１，θ１）には光線を射出するが、その他の方向には射出しないような指向性を有することとした。
【００３８】
この光線指向型発光素子１０は、通常のＩＰ立体ディスプレイにおいて要素画像を構成する画素数に相当する個数（縦横とも数百〜数千程度の個数）設けられている。一方、この画素の単位集団を要素画素アレイとして定義した場合、通常のＩＰ立体ディスプレイの要素レンズに相当する領域に要素画素アレイ（１つの単位構造）が並置される構造となる。この要素画素アレイを、前記要素レンズの個数分、タイル状に並置すると、光線指向型発光素子１０によってなるＩＰ立体ディスプレイ１が作製できる。
ここで、「要素画像」とは、通常のＩＰ立体撮影装置において、要素レンズを介して被写体を撮影することにより取得された画像をいうものである。
【００３９】
次に、発光素子１０からの光線の射出方向について従来技術と対比させつつ、数式を用いて適宜図１を参照しながら説明する。ここでは、まず、数式を用いるためにいくつかの前提を述べる。
【００４０】
発光素子の発光面を例えばｘｙ平面として、ｘｙ平面の原点に置かれた発光素子と、ｘｙ平面を底面とする半球の３次元空間を仮定する。また、発光面に対して垂直な例えばｚｘ平面において、発光面に対する法線方向である＋ｚ軸から発光面への回転角度をθ（−９０°≦θ≦９０°）で表す。この場合、＋ｚ軸がθ＝０°を示し、＋ｘ軸の方向がθ＝９０°、−ｘ軸の方向がθ＝−９０°となる。
また、発光面（ｘｙ平面）からの仰角をθ’とすると、θ’＝９０°−θの関係が成り立つ。また、ｚ軸の周りの回転角（方位角）をα（−１８０°＜α≦１８０°）で表すと、角度θおよび方位角αを用いて半球面上の位置を特定できる。
【００４１】
従来の典型的なＩＰ立体ディスプレイ（ＩＰ立体表示装置２０１）において、表示パネル２０２の表示素子（例えば発光素子）から放射される光線は、画素２０５の周囲に等方的なランバーシアン（Lambertian）分布の状態を示す。具体的には、発光面に対する法線方向（θ＝０）の光強度をＩ０として、方位角をαとした場合、ランベルトの余弦則を示すランバーシアンの光強度分布Ｉ（α，θ）は、次の式（１）により表すことができる。
【００４２】
Ｉ（α，θ）＝Ｉ０×ｃｏｓθ … 式（１）
【００４３】
すなわち、通常の発光素子から放出される発光の強度は、一般的に方位角αには依存せず、発光面に対する法線方向からの角度θ（あるいは仰角θ’）のみに依存しており、しかも等方的である。
【００４４】
一方、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１では、ある特定の方向のみに限定して発光を射出する画素５として、光線指向型発光素子１０を備える。すなわち、光線指向型発光素子１０は、次の式（２）に示すように、方位角αの値がα１であって、かつ、発光面に対する法線方向からの角度θの値がθ１をとるとき（あるいは仰角θ’の値θ１′が９０°−θ１をとるとき）に光を射出する。式（２）では、このときの光強度の値をＩｍａｘとした。また、光線指向型発光素子１０は、次の式（３）に示すように、方位角αの値がα１であっても角度θの値がθ１以外のときには光を射出しないこととした。
【００４５】
Ｉ（α１，θ１）＝Ｉｍａｘ … 式（２）
Ｉ（α，θ）＝０ （α＝α１，θ≠θ１）） … 式（３）
【００４６】
次に、式（２）および式（３）において規定した特定の方向（α１，θ１）について、前記従来技術で説明した架空のＩＰ立体ディスプレイと、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１と、を対比しながら説明する。なお、架空のＩＰ立体ディスプレイと、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１と、は、式（２）および式（３）において規定した特定の方向（α１，θ１）のみが異なるものであり、その他の構成は共通するものである。つまり、架空のＩＰ立体ディスプレイは、図１に示した本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１と同様の構成を備えるものである。ただし、以下の説明においては、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１と区別するため、便宜上、架空のＩＰ立体ディスプレイにおいて、ＩＰ立体ディスプレイ１に対応する構成に「’」をつけて表記することとする。
【００４７】
図１（ａ）に示すように、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’は、基板２’上に画像表示面（ＦＰＤ面４’）の画素５’としての光線指向型発光素子１０’を備えて構成されている。
【００４８】
この架空のＩＰ立体ディスプレイ１’における光線指向型発光素子１０’の光線の射出方向は、従来のＩＰ立体表示装置２０１の要素レンズ２０６によって規定されていた方向と同様の方向となっている。これにより、光線指向型発光素子１０による発光は、従来の要素レンズ２０６によって規定されていた方向にのみ射出させることができる。つまり、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’の光線指向型発光素子１０について、前記式（２）および式（３）において規定した特定の方向（α１，θ１）を、従来の要素レンズ２０６によって規定されていた方向と全く同じ方向としたことを意味する。
【００４９】
次に、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’における、画素５’としての光線指向型発光素子１０’からの光線の射出方向について、図２、図３を参照して詳しく説明する。なお、図２、図３は、それぞれ、図１に示すＩＰ立体ディスプレイ１’の一部を示している。
【００５０】
架空のＩＰ立体ディスプレイ１’は、要素画像表示領域毎に、要素画像表示領域内の各画素５’について、画素５’としての光線指向型発光素子１０’からの光線の射出方向を規定している。
まず、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’の要素画像表示領域について説明する。要素画像表示領域とは、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’のＦＰＤ面４’において、通常のＩＰ立体撮影装置で取得された要素画像アレイを構成する各要素画像を表示する領域のことである。従来のＩＰ立体表示装置２０１は、通常のＩＰ立体撮影装置が備える要素レンズアレイに相当する要素レンズアレイ２０３を備えるため、各要素レンズ２０６に相当する領域が、要素画像表示領域となる。
【００５１】
一方、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’は、通常のＩＰ立体撮影装置が備える要素レンズアレイに相当する要素レンズアレイを備えないため、図２に示すように、従来のＩＰ立体表示装置２０１の各要素レンズ２０６に相当する仮想的な要素レンズ６’を複数並置した仮想的な要素レンズアレイを配置した場合を仮定した。
【００５２】
この仮想的な要素レンズアレイは、図示しない通常のＩＰ立体撮影装置の要素レンズアレイ（図示せず）に対応して設けられるものであり、仮想的な要素レンズ６’の焦点距離だけ基板２から離間した位置に、仮想的な要素レンズ６’を複数並置してなるものを想定している。この仮想的な要素レンズ６’と基板２との位置関係は、図示しない通常のＩＰ立体撮影装置の要素レンズと、撮影板（いずれも図示せず）と、の位置関係に対応している。仮想的な要素レンズ６’の焦点距離や口径は、基本的に、基板２のサイズに応じて決められる。例えば、仮想的な要素レンズ６’と、基板２と、の距離は、図示しない通常のＩＰ立体撮影装置の要素レンズと、撮影板（いずれも図示せず）と、の距離と同一となり、また例えば、仮想的な要素レンズ６’の口径は、図示しない通常のＩＰ立体撮影装置の要素レンズの口径と同一となる場合もある。これは、撮影サイズと表示サイズとが同じ場合が考えられる。
【００５３】
そして、ＦＰＤ面４’において、この仮想的な要素レンズ６’に相当する領域の画素群（画素５’の集合）を、要素画像表示領域７’とした。
ここで、「仮想的な要素レンズ６’に相当する領域」とは、ＦＰＤ面４’上に仮想的に設定される領域であり、仮想的な要素レンズ６’と同軸上に位置し、仮想的な要素レンズ６’の面積と略同等の面積を有する領域をいう。この各要素画像表示領域７’に、図示しない通常のＩＰ立体撮影装置で取得された各要素画像が表示される。
【００５４】
なお、図２では、ＦＰＤ面４’において、全ての領域に画素５’を設ける場合における要素画像表示領域７’を例示している。この場合、仮想的な要素レンズ６’に相当する領域を含むように格子状に区分した各領域（図２において斜線で示した領域）の画素群（画素５’の集合）を要素画像表示領域７’としている。ただし、ＦＰＤ面４’において、仮想的な要素レンズ６’に相当する領域以外の部分に、画素５’を設けない場合は、仮想的な要素レンズ６’に相当する領域のみを、要素画像表示領域７’としてもよい。また、図２には示していないが、ＦＰＤ面４’において、各画素５’の駆動回路が配置されている部分は、要素画像表示領域から除くものとする。なお、図２では、９つの要素画像表示領域７’を表示しているが、前記したように、要素画像表示領域７’は、要素画像の数だけ規定されるものである。
【００５５】
次に、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’のＦＰＤ面４’において仮定された要素画像表示領域７’毎の光線指向型発光素子１０’による光線の射出方向について説明する。
図３（ａ）に示すように、要素画像表示領域７’には、通常のＩＰ立体ディスプレイにおいて要素画像を構成する画素数に相当する個数（縦横とも数百〜数千程度の個数）の画素５’としての光線指向型発光素子１０’が設けられている。
【００５６】
ここでは、図３（ｂ）を参照して、この画素５’のうち、図３（ａ）に示すＡの位置にある画素５’と、Ｂの位置にある画素５’と、Ｃの位置にある画素５’と、Ｄの位置にある画素５’と、Ｅの位置にある画素５’からの光線の射出方向について例にとって説明する。なお、以下の説明では、便宜上、図３（ａ）に示すＡの位置にある画素５’を「画素５Ａ’」と表記し、Ｂの位置にある画素５’を「画素５Ｂ’」と表記し、Ｃの位置にある画素５’を「画素５Ｃ’」と表記し、Ｄの位置にある画素５’を「画素５Ｄ’」と表記し、Ｅの位置にある画素５’を「画素５Ｅ’」と表記する。
【００５７】
前記したように、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’は、光線指向型発光素子１０について、前記式（２）および式（３）において規定した特定の方向（α１，θ１）を、従来の要素レンズアレイ２０３によって規定されていた方向と全く同じ方向としている。つまり、各画素５’によって、各仮想的な要素レンズ６’の中心を通る光線が再現されることになる。
したがって、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’では、図３（ｂ）に示すように、画素５Ａ’〜５Ｅ’から射出された光線は、それぞれ仮想的な要素レンズ６’の中心を通ることにより点対称に変換される。
【００５８】
このように、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’では、要素レンズを用いることなく、従来の要素レンズ２０６によって規定されていた光軸を再現できる。しかし、その一方で、従来の要素レンズ２０６によって規定されていた光軸を再現することで、従来のＩＰ立体ディスプレイ１と同様に、通常のＩＰ立体撮影装置で取得された要素画像アレイ（倒立像）をそのまま架空のＩＰ立体ディスプレイ１’で表示すると、倒立像を正立像に変換することができず、最終的に、奥行きが反転された逆視像が表示されることになるという問題がある。
【００５９】
そこで、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１では、倒立像を正立像に変換して最終的に正しい奥行きの立体像を表示できるように、光線指向型発光素子１０からの光線の射出方向（α１，θ１）を規定した。そして、この射出方向（α１，θ１）に光線を射出可能なように光線指向型発光素子１０を配置することとし、そのために、以下の（Ｂ１）〜（Ｂ３）を実行することとした。
【００６０】
（Ｂ１）
ＩＰ立体ディスプレイ１において、撮影側で取得された要素画像毎に、従来のＩＰ立体表示装置２０１の要素レンズ２０６に対応する仮想的な要素レンズ６を配置すると仮定し、この仮想的な要素レンズ６に相当する領域を含むように格子状に区分した各領域を要素画像表示領域７として仮定する。
例えば、この仮想的な要素レンズ６と、基板２と、の位置は、図示しない通常のＩＰ立体撮影装置の要素レンズと、撮影板（いずれも図示せず）と、の位置に対応していてもよい。また、例えば、仮想的な要素レンズ６の口径は、図示しない通常のＩＰ立体撮影装置の要素レンズの口径と同一であってもよい。
ここで、「仮想的な要素レンズ６に相当する領域」とは、ＦＰＤ面４上に仮想的に設定される領域であり、仮想的な要素レンズ６と同軸上に位置し、仮想的な要素レンズ６の面積と略同等の面積を有する領域をいう。
（Ｂ２）
要素画像表示領域７毎に、各画素５と、仮想的な要素レンズ６の中心と、を結ぶ光軸を求める。
（Ｂ３）
要素画像表示領域７内の各画素５が、要素画像表示領域７の中心に対して自身と点対称の位置にある画素５と、仮想的な要素レンズ６の中心と、を結ぶ光軸を再現するように、光線指向型発光素子１０を配置する。
この（Ｂ３）について、図４を参照して詳細に説明する。なお、図４は、図１に示すＩＰ立体ディスプレイ１の一部を示している。
【００６１】
図４（ａ）に示すように、要素画像表示領域７には、通常のＩＰ立体ディスプレイにおいて要素画像を構成する画素数に相当する個数（縦横とも数百〜数千程度の個数）の画素５としての光線指向型発光素子１０が設けられている。ここでは、図４（ｂ）を参照して、この画素５のうち、図４（ａ）に示すＡの位置にある画素５と、Ｂの位置にある画素５と、Ｃの位置にある画素５と、Ｄの位置にある画素５と、Ｅの位置にある画素５の、それぞれの光線の射出方向について例にとって説明する。なお、以下の説明では、便宜上、図４（ａ）に示すＡの位置にある画素５を「画素５Ａ」と表記し、Ｂの位置にある画素５を「画素５Ｂ」と表記し、Ｃの位置にある画素５を「画素５Ｃ」と表記し、Ｄの位置にある画素５を「画素５Ｄ」と表記し、Ｅの位置にある画素５を「画素５Ｅ」と表記する。
【００６２】
図４（ｂ）では、画素５Ａ〜５Ｅと仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光線を、光線ａ’〜ｅ’としてそれぞれ破線で示している。そして、画素５Ａ〜５Ｅとしての光線指向型発光素子１０から実際に射出される光線を光線ａ〜ｅとしてそれぞれ実線で示している。なお、画素５Ａと仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光線ａ’は、理由は後記するが、画素５Ａとしての光線指向型発光素子１０から実際に射出される光線ａと一致するため、ここでは実線で示している。
【００６３】
ここで、ＩＰ立体ディスプレイ１では、前記したように、要素画像表示領域７毎に、要素画像表示領域７内の各画素５から射出される光線の方向を規定し、その方向に光線を射出するように光線指向型発光素子１０を配置している。詳細には、ＩＰ立体ディスプレイ１では、要素画像表示領域７内の各画素５が、自身から見て要素画像表示領域７の中心に対して点対称となる位置にある画素５と仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光軸を再現するように、画素５としての光線指向型発光素子１０を配置している。
【００６４】
つまり、図４（ｂ）に示すように、画素５Ｂからみて要素画像表示領域７の中心に対して点対称となる位置にある画素５Ｅから、画素５Ｂと仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光線ｂ’と方向が一致する光線ｂが射出されるように、画素５Ｅとしての光線指向型発光素子１０を配置している。
一方、画素５Ｅからみて要素画像表示領域７の中心に対して点対称となる位置にある画素５Ｂから、画素５Ｅと仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光線ｅ’と方向が一致する光線ｅが射出されるように、画素５Ｂとしての光線指向型発光素子１０を配置している。
【００６５】
同様にして、画素５Ｃからみて要素画像表示領域７の中心に対して点対称となる位置にある画素５Ｄから、画素Ｃと仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光線ｃ’と方向が一致する光線ｃが射出されるように、画素５Ｄとしての光線指向型発光素子１０を配置している。
一方、画素５Ｄからみて要素画像表示領域７の中心に対して点対称となる位置にある画素５Ｃから、画素Ｄと仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光線ｄ’と方向が一致する光線ｄが射出されるように、画素５Ｃとしての光線指向型発光素子１０を配置している。
【００６６】
なお、画素５Ａは、要素画像表示領域７の中心に位置しているため、画素５Ａからみて要素画像表示領域７の中心に対して点対称の位置関係にある画素は、画素５Ａ自身となる。したがって、画素５Ａについては、画素Ａと仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光線ａ’と方向が一致する光線ａを射出するように、画素５Ａとしての光線指向型発光素子１０を配置している。
【００６７】
このように、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１は、実際には存在しない仮想的な要素レンズ６を設けたと仮定した場合に各画素５から射出される光線を、当該画素５と点対称の位置にある画素５によって再現することで、撮影側で取得された被写体の倒立像である各要素画像をそれぞれ点対称に変換して正立像とできる。これにより、最終的に正しい奥行きの立体像を表示できる。
【００６８】
但し、前記した図３、４に示した例は、あくまでも光線指向型発光素子１０’、１０による光の射出方向の説明を簡単にするために示したものであるので、架空のＩＰ立体ディスプレイ１’あるいはＩＰ立体ディスプレイ１が表示する立体像と、ＩＰ立体表示装置２０１が表示する立体像の解像度が同一となる。そこで、ＩＰ立体ディスプレイ１が表示する立体像を、ＩＰ立体表示装置２０１が表示する立体像よりも高精細化するためには、次のようにすればよい。
すなわち、ＩＰ立体ディスプレイ１において、基板２の画素ピッチｐを図８（ａ）に示したＩＰ立体表示装置２０１の表示パネル２０２の画素ピッチｐよりも低減する。また、ＩＰ立体ディスプレイ１において、この低減した画素ピッチｐにて光線指向型発光素子１０を配置することとする。また、ＩＰ立体ディスプレイ１において、低減した画素ピッチｐに対応して縮小化した要素レンズを仮定し、その焦点距離に合わせて基板２から離間させて配置した要素レンズアレイを仮定する。そして、前記（Ｂ１）〜（Ｂ３）を実行すればよい。
【００６９】
以上のように、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１によれば、原理的に高精細化が難しい光学レンズ（要素レンズ）を使用することなく、光線指向型発光素子１０からの発光の射出方向を限定することで、立体像を表示することとした。また、要素画像表示領域７毎に、従来の典型的なＩＰ立体ディスプレイであるＩＰ立体表示装置２０１における要素レンズ２０６に対応する仮想的な要素レンズ６を仮定し、この仮想的な要素レンズ６の中心と各画素５とを結ぶ光軸を求めた。そして、各画素５が、要素画像表示領域７の中心に対し、自身と点対称となる位置にある画素５と仮想的な要素レンズ６の中心とを結ぶ光軸を再現する光線を射出するように、画素５としての光線指向型発光素子１０による光線の射出方向を規定し、この射出方向を実現できるように光線指向型発光素子１０を配置した。
【００７０】
これによれば、各要素画像表示領域７において、屈折率分布レンズや演算処理によらずに図示しないＩＰ立体撮影装置で取得された倒立像（要素画像アレイ）を、正立像に変換できる。このため、奥行きが反転した逆視像が表示されるのを回避できる。
さらに、従来の典型的なＩＰ立体ディスプレイであるＩＰ立体表示装置２０１にまつわる前記（Ａ１）解像度の問題、（Ａ２）立体像の奥行き再現範囲の問題、（Ａ３）視域の問題を、従来技術に比べて改善できる。このことについて、以下に説明する。
【００７１】
（Ａ１）解像度の問題
ＩＰ立体ディスプレイ１では、光学レンズを用いないので、従来の要素レンズアレイから表示素子までの距離（要素レンズの焦点距離）の制約を考慮する必要がない。このため、ＩＰ立体ディスプレイ１の画素ピッチｐ（図４（ｂ）参照）を従来のＩＰ立体表示装置２０１の画素ピッチｐ（図３（ｂ）参照）よりも小さくできる。このため、解像度を従来よりも高めることができる。
【００７２】
（Ａ２）立体像の奥行き再現範囲の問題
ＩＰ立体ディスプレイ１では、光学レンズを用いないので、従来の要素レンズアレイから表示素子までの距離（要素レンズの焦点距離）の制約を考慮せずに画素数（要素画像を構成する画素の個数）を増大できるため、奥行き再現範囲を拡大することが可能となる。すなわち、高精細な立体映像信号をＩＰ立体ディスプレイ１に入力した場合に、近景から遠景までの奥行き方向での立体再現範囲を拡大することが可能となる。
【００７３】
（Ａ３）視域の問題
ＩＰ立体ディスプレイ１では、光学レンズを用いないので、前記したように、実際には存在しない仮想的な要素レンズアレイを仮定し、この仮想的な要素レンズアレイからＦＰＤ面（表示素子）までの距離ｇの値として、現状の焦点距離よりも小さな距離を任意に設定できるので、視域を最大限に拡大できる。
具体的には、従来型のＩＰ立体表示装置２０１は、図８（ｂ）に示すように、視域角が、表示パネル２０２に表示される要素画像を構成する画素から放射されて、要素レンズアレイ２０３の中央に位置する要素レンズのレンズ中心を通過する２本の光軸のなす角で規定されている。
【００７４】
一方、ＩＰ立体ディスプレイ１は、視域角が、ＦＰＤ面４に表示される要素画像を構成する画素５から射出される交差しない２本の光線のなす角で規定されている。具体的に図４（ｂ）に示すＩＰ立体ディスプレイ１の視域角（画素５Ｂから射出される光線ｅと、画素５Ｅから射出される光線ｂとでなす角度）は、原理的に１８０°まで拡げることができる。すなわち、ＩＰ立体ディスプレイ１は、従来のＩＰ立体表示装置２０１（図３（ｂ）参照）よりも視域を拡大できるといえる。
【００７５】
［ＩＰ立体ディスプレイの構造の例］
ＩＰ立体ディスプレイ１の各要素画像を構成する画素５において、特定の方向だけに発光を射出させる方法については、様々な方法が考えられるが、ここでは、全体の形状が柱状に構成されたＬＥＤ等の発光素子自体を特定の方向に傾斜させることで発光の射出方向を特定する方法を用いた構造を例示する。この場合のＩＰ立体ディスプレイの構成を図５に模式的に示す。
【００７６】
図５に示したように、ＩＰ立体ディスプレイ１は、要素レンズアレイの形状をもつ多数の突起部３を有する基板２の上に、画素５としての光線指向型発光素子１０を並置している。図５において領域４０を拡大して示す図６にて突起部３の構造を示す。図６（ａ）は突起部の平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＸ−Ｘ線矢視における断面図である。ここでは、突起部３毎に一例として１７個の光線指向型発光素子１０（画素５）を設けた。実際には、発光素子の個数は、通常のＩＰ立体ディスプレイにおいて要素画像を構成する画素数に相当する個数（縦横とも数百〜数千程度の個数）である。一方、この画素の単位集団を要素画素アレイとして定義した場合、通常のＩＰ立体ディスプレイの要素レンズに相当する領域に要素画素アレイ（１つの単位構造）が並置される構造となる。この要素画像アレイを要素レンズの個数分、タイル状に並置すると、光線指向型発光素子によってなるＩＰ立体ディスプレイ１が作製できる。
なお、図６（ａ）には、光線指向型発光素子１０（画素５）と比較するため従来のＩＰ立体表示装置２０１における画素２０５の配置を破線で示す。
【００７７】
基板２は、従来の要素レンズアレイと同等の形状を有するガラスや石英の基板等、表面に結晶の方位等の異方性を有していないことが好ましい。すなわち、方位依存性のないアモルファス形状のガラスや石英の基板材料を用いることによって、各光線指向型発光素子１０の特性ばらつきを抑えることが可能となる。従来の無機系発光素子は、結晶基板上に発光素子を成長することで、基板と結晶方位の揃った発光素子を形成していたが、この実施形態では、基板２に例えばアモルファス状態のガラス基板を用いることによって、基板の結晶方位に縛られることなく微細な発光素子を成長させることが可能となる。なお、基板２は、結晶性基板であっても構わない。
【００７８】
基板２は、図５に示すように要素画像毎に並置された突起部３を有する。突起部３は、例えば図６（ｂ）に示すような半円球形状、またはドーム形状、あるいは断面視で扇型形状に形成されている。例えば、基板２をガラス基板とした場合、このガラス基板上に突起部３を形成する方法は、例えば公知のガラスのレンズの作製法を用いることができる。
【００７９】
光線指向型発光素子１０は、柱状の形状であって微細な口径の半導体の自発光素子からなる表示素子である。光線指向型発光素子１０は、図５に示すように円柱状に形成されている。なお、この円柱は、図示を省略するが、下からｎ型半導体層、半導体発光層、ｐ型半導体層が積層された構造であり、例えば円柱の側面にｐ型電極、円柱の底面部にｎ型電極を備える。
【００８０】
光線指向型発光素子１０の材質については、例えばＧａＮやＺｎＯ等の無機系のＬＥＤ素子が好適であるが、有機ＥＬ材料などの有機系発光材料の適用も可能である。なお、微細な素子を別工程で作製する際には、ＬＥＤ素子の場合にはＬＥＤウエハ上に作るが、有機ＥＬ材料の場合にはガラスの上に作る。
【００８１】
この光線指向型発光素子１０は、図６（ｂ）に示すように、画素毎に基板２の突起部３の表面の法線方向に立設している。つまり、個々の光線指向型発光素子１０は、その発光が取り出される射出口部分を、要素画像毎に並置された突起部３の表面から外部に向けた形で並置されている。
【００８２】
突起部３の外表面（凸面）に光線指向型発光素子１０を形成したので、図６（ａ）に示すように、素子が突起部３の外周（下周縁）に近づくにつれて密度が粗になる。一方、図示を省略するが仮に凹面に素子を形成すると、素子が凹面の外周（上周縁）に近づくにつれて密度が密になり、円柱間が近接してしまうため、分離が難しくなる。つまり、突起部３の外表面（凸面）に光線指向型発光素子１０を形成すると、製造し易くなるという利点がある。
【００８３】
光線指向型発光素子１０を製造する方法としては、公知の種々の微細加工技術を用いることができ、特に限定されない。例えば、基板２をガラス基板とした場合、このガラス基板上に半球状の突起部３を形成しておく。この突起部３上に発光素子を形成した場合には、ガラスは結晶基板と異なって方位無依存なので、ガラス面と垂直な方向に配位した電極や発光層が形成される。このような電極や発光層を、例えば集束イオンビーム（ＦＩＢ）等の機械的な微細加工技術によって、形状加工できる。この場合の発光素子の方位は、半球状の表面に垂直方向に向くため、半球形状の形状が担保されていれば、所定の角度の形成が可能である。
【００８４】
また、別の製造方法としては、半球状のガラス基板上に、別工程で作製した円柱の発光素子を機械的に並置することもできる。その場合、導電性のペーストなどによる化学的方法を用いて突起部３の表面に常に垂直方向になるように張り合わせる。また、ナノインプリントを使うことで、半導体発光層よりも上側の非発光の円柱部分（導波路部分）のみを各発光素子の上から形成することもできる。なお、突起部３の表面に、光線指向型発光素子１０を配置していく順番は特に限定されず、ナノインプリントの場合には、一括形成が可能である。
【００８５】
このように光線指向型発光素子１０を基板２の突起部３上に配置していくことによって、光線指向型発光素子１０について、特性ばらつきを招くことなく並置して配置することが可能となる。また、これによって、従来のＩＰディスプレイでは、観察者の観察できる角度範囲（視域）と立体ディスプレイで表示する再生像の空間周波数（解像度）の両立を図ることが難しかったのに対して、ＩＰ立体ディスプレイ１によれば、微細な光線指向型発光素子１０の数（画素数）に比例した形で再生像の空間周波数（解像度）を増加させることができるのに加えて、視域についても突起部３の形に見合う範囲で確保することが可能となる。
【００８６】
このようなＩＰ立体ディスプレイ１は、屈折率分布レンズや演算処理によらずに、ＩＰ立体撮影装置で取得された被写体の倒立像を正立像に変換できる。このため、観察方向からみて奥行きが反転した逆視像が表示されるのを回避できる。
また、前記したように、ＩＰ立体ディスプレイ１は、原理的に高精細化が難しい光学レンズ（要素レンズ）を使用することなく、光線指向型発光素子１０からの発光の射出方向を限定することで、立体像を表示することとした。これにより、ＩＰ立体ディスプレイ１では、従来の典型的なＩＰ立体ディスプレイであるＩＰ立体表示装置２０１にまつわる前記（Ａ１）解像度の問題、（Ａ２）立体像の奥行き再現範囲の問題、（Ａ３）視域の問題を、従来技術に比べて改善できる。
【００８７】
以上、本発明の実施形態に係るＩＰ立体ディスプレイ１について説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【００８８】
例えば、前記実施形態では、ＩＰ立体ディスプレイ１を単色表示型として構成したが、これに限定されるものではなく、カラー表示型として構成してもよい。以下、図７を参照してカラー表示型のＩＰ立体ディスプレイ１Ｂについて説明する。なお、ＩＰ立体ディスプレイ１Ｂは、ここでは図示を省略しているが、画素の構成以外は、図１に示すＩＰ立体ディスプレイ１と同様の構成を備えている。そして、図７は、図１に示すＩＰ立体ディスプレイ１の一部を示す図４と対応するものであり、図４と同様に、ＩＰ立体ディスプレイ１Ｂの一部を示すものである。
【００８９】
図７（ａ）に示すのは、カラー表示型のＩＰ立体ディスプレイ１Ｂである。ＩＰ立体ディスプレイ１Ｂは、画素５１が、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つの光線指向型発光素子１０で構成される点が、画素５が、１つの光線指向型発光素子１０で構成される図４（ａ）に示すＩＰ立体ディスプレイ１と相違する。つまり、ＩＰ立体ディスプレイ１Ｂは、１つの画素５１からＲＧＢ３原色の光を出力できるようになっている。
なお、図示は省略するが、ＲＧＢの３つの撮像素子で１つの画素を構成しているＩＰ立体撮影装置で被写体（例えば円柱等）を撮影しておくことが、ＩＰ立体ディスプレイ１Ｂで立体像を表示するための前提となる。
このようなＩＰ立体ディスプレイ１Ｂにおいて、画素５１としての光線指向型発光素子１０から射出される光線の方向は、次のように設定できる。
【００９０】
図７（ｂ）に示すように、図７（ａ）において要素画像表示領域７Ｂ内のＤ−Ｄ線上にある画素５１Ｂが、画素５１Ｂからみて、要素画像表示領域７Ｂの中心に対して点対称の位置にある画素５１Ｃと仮想的な要素レンズ６Ｂの中心とを繋ぐ光軸と一致する光線を再現するように、画素５１Ｂとしての光線指向型発光素子１０から射出される光線の方向を設定する。同様にして、図７（ｂ）に示すように、画素５１Ｃが、画素５１Ｃからみて要素画像表示領域７Ｂの中心に対して点対称の位置にある画素５１Ｂと仮想的な要素レンズ６Ｂの中心とを繋ぐ光軸と一致する光線を再現するように、画素５１Ｃとしての光線指向型発光素子１０から射出される光線の方向を設定する。
なお、画素５１Ａからみて要素画像表示領域７Ｂの中心に対して点対称の位置にある画素は、画素５１Ａ自身である。このため、画素５１Ａについては、画素５１Ａと仮想的な要素レンズ６Ｂの中心とを繋ぐ光軸と一致する光線を再現するように画素５１Ａとしての光線指向型発光素子１０から射出される光線の方向を設定する。
【００９１】
このようなＩＰ立体ディスプレイ１Ｂは、屈折率分布レンズや演算処理によらずに図示しないＩＰ立体撮影装置で取得された倒立像（要素画像アレイ）を、正立像に変換できるので、奥行きが反転した逆視像が表示されるのを回避できる。さらに、このＩＰ立体ディスプレイ１Ｂによれば、従来のカラー表示型のＩＰ立体表示装置と比較して、前記（Ａ１）〜（Ａ３）の問題を改善できる。詳細は前記実施形態において説明した通りである。
なお、ここでは、ＩＰ立体ディスプレイ１Ｂは、画素５１を、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つの光線指向型発光素子１０を並列して構成することとしたが、これに限定されるものではなく、画素５１を、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の４つの光線指向型発光素子１０をベイヤー配列にしたがって配置して構成することとしてもよい。
【００９２】
また、本実施形態では、光線指向型発光素子１０によって特定の方向だけに発光を射出させる方法について、全体の形状が柱状に構成されたＬＥＤ等の発光素子を、凸形状やドーム形状の突起部３を有した基板上に成長させることで、柱状の発光素子自体を特定の方向に傾斜させることとしたが、他の方法を用いることも可能である。
例えば、発光素子に段差を設けて、段差の高低差を利用して発光の射出方向を特定する方法を用いてもよい。
【符号の説明】
【００９３】
１、１Ｂ ＩＰ立体ディスプレイ
２ 基板
３ 突起部
４、４Ｂ ＦＰＤ面
５、５１ 画素
６、６Ｂ 仮想的な要素レンズ
７、７Ｂ 要素画像表示領域
１０ 光線指向型発光素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インテグラル・フォトグラフィー（ＩＰ）方式により、要素レンズを複数並置した要素レンズアレイを介して前記被写体を撮影して取得した各要素画像を表示する画像表示面の画素からの光を集めて立体像を表示するＩＰ立体ディスプレイであって、
基板上に前記画像表示面の画素としての発光素子を設け、
前記要素レンズに対応する仮想的な要素レンズを、その焦点距離だけ前記基板から離間した位置に複数並置した仮想的な要素レンズアレイを配置したときに、前記画像表示面において、前記仮想的な要素レンズに相当する領域の画素群で構成される要素画像表示領域内の各前記画素が、当該要素画像表示領域の中心に対して自身と点対称の位置にある画素と前記仮想的な要素レンズの中心とを結ぶ光軸の方向と一致する方向の光線を射出するように、各前記画素としての各前記発光素子を配置した
ことを特徴とするＩＰ立体ディスプレイ。
【請求項２】
前記発光素子は、少なくとも一部が柱状に形成されて柱頭の射出面から光線を射出するＬＥＤ素子である
ことを特徴とする請求項１に記載のＩＰ立体ディスプレイ。
【請求項３】
前記画素は、ＲＧＢの３つの発光素子で構成されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＩＰ立体ディスプレイ。
【請求項１】
インテグラル・フォトグラフィー（ＩＰ）方式により、要素レンズを複数並置した要素レンズアレイを介して前記被写体を撮影して取得した各要素画像を表示する画像表示面の画素からの光を集めて立体像を表示するＩＰ立体ディスプレイであって、
基板上に前記画像表示面の画素としての発光素子を設け、
前記要素レンズに対応する仮想的な要素レンズを、その焦点距離だけ前記基板から離間した位置に複数並置した仮想的な要素レンズアレイを配置したときに、前記画像表示面において、前記仮想的な要素レンズに相当する領域の画素群で構成される要素画像表示領域内の各前記画素が、当該要素画像表示領域の中心に対して自身と点対称の位置にある画素と前記仮想的な要素レンズの中心とを結ぶ光軸の方向と一致する方向の光線を射出するように、各前記画素としての各前記発光素子を配置した
ことを特徴とするＩＰ立体ディスプレイ。
【請求項２】
前記発光素子は、少なくとも一部が柱状に形成されて柱頭の射出面から光線を射出するＬＥＤ素子である
ことを特徴とする請求項１に記載のＩＰ立体ディスプレイ。
【請求項３】
前記画素は、ＲＧＢの３つの発光素子で構成されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＩＰ立体ディスプレイ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−４６３５５（Ｐ２０１３−４６３５５Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８４８１４（Ｐ２０１１−１８４８１４）
【出願日】平成２３年８月２６日（２０１１．８．２６）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２６日（２０１１．８．２６）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
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