JP2001141913A - 像回転プリズムおよびこれを利用した立体画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内部１回反射型のプリズムでありながら、色
収差の発生を抑えることの可能な像回転プリズムを提供
すること。 【解決手段】 像回転プリズム１０は、低屈折率で低分
散の第１の材料で構成され、入射面１１が形成された第
１部材１０ａと、高屈折率で高分散の第２の材料で構成
され、入射面１１での屈折によって生じる収差を補償す
る第２部材１０ｂと、低屈折率で低分散の第３の材料で
構成され、入射面１１と対称となるように形成された出
射面１３が形成された第３部材１０ｃとを備えて、全体
として台形四角柱形状で形成される。そして、第２部材
１０ｂに対して第１部材１０ａと第３部材１０ｃとが接
合され、光を第１部材１０ａ、第２部材１０ｂ、第３部
材１０ｃを介して出射面１３より出射させるとともに、
入射面１１から出射面１３に導く過程で光をプリズム内
部で１回反射させるように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、像回転プリズム
およびこれを利用した立体画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光学系において像を回転させ
たり、反転させるための種々の像回転プリズムが知られ
ているが、従来の像回転プリズムは主としてマイクロフ
ィルムリーダーや顕微鏡等に利用されており、比較的光
束が平行に近い部分に用いられていた。

【０００３】図１０は、いわゆるドーブプリズムと呼ば
れる従来の像回転プリズム２００を示す図である。この
像回転プリズム２００は、一のガラス材料で形成された
全体として台形四角柱形状のプリズムである。この像回
転プリズム２００では、図１０に示すように台形形状に
おける２つの対称な傾斜面がそれぞれ光の入射面２０１
と出射面２０３となる。このような像回転プリズム２０
０は、入射光１ａがプリズム内に入射すると入射面２０
１にて角度αに応じて屈折し、プリズム内の反射面２０
２で１回反射して出射面２０３側に導かれる。そして、
出射面２０３にて角度αに応じて屈折し、再び元の光路
（入射光と同軸上の光路）に戻る出射光１ｂとなる。

【０００４】したがって、図１０に示す像回転プリズム
２００は、光路中に介挿されてプリズム内部にて１回反
射するように構成されているので、一定方向を向いてい
る画像を入射する場合に上下または左右方向を反転させ
たり、または、回転する像を入射する場合に該プリズム
を像の回転速度の１／２の速度で回転させることによ
り、常に一定の方向を向いた出射像（すなわち、像の回
転を打ち消した出射像）を得ることができる。

【０００５】ところで、図１０と同様の作用を示すプリ
ズムとして、プリズム内部にて多数回反射（例えば、５
回反射等）させるペチャンプリズム等が知られている。
しかし、このようなプリズムでは内部で多数回反射させ
るため、像の反転または回転作用を行うために必要な光
路長がかなり大きくなるので、プリズム自体が大型化
し、これを利用する装置の小型化を図ることは困難にな
る。

【０００６】一方、図１０の像回転プリズム２００では
入射光１ａに対して一定の角度を有する入射面２０１お
よび出射面２０３での屈折作用を利用し、プリズム内部
における１回反射を実現しているので、像の反転または
回転作用を行うために必要な光路長は他のプリズムに比
べて最短となる。このため、プリズム自体も小型化し、
これを利用する装置の小型化を図ることも可能になる点
で非常に有用である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような像回転プリズム２００を用いると、入射面２０１
および出射面２０３が入射光１ａおよび出射光１ｂの光
軸に対して一定の傾斜を有しているため、平行平板を光
路中に介挿する場合と同様に、屈折によって色収差が発
生する。どのような材料を用いて像回転プリズムを形成
しても色分散が生じ、入射面に対して斜め方向から光を
入射させると、色成分に応じて屈折する角度が異なるか
らである。従来では、比較的色分散の少ない材料を用い
て像回転プリズム２００を形成することで色収差を抑制
してきたが、像回転プリズム２００を使用する装置によ
ってはそれだけでは不十分である。

【０００８】つまり、図１０に示すように、入射面２０
１に対して斜め方向から入射することにより、光の分散
が発生し、入射光１ａに含まれる各波長成分に応じて屈
折する角度が異なることになる。図１０中、入射光１ａ
に含まれるスペクトル線であるｇ線（波長：４３５．８
ｎｍ）、ｄ線（波長：５８７．６ｎｍ）およびＣ線（波
長：６５６．３ｎｍ）の光について考えると、それぞれ
の光成分の屈折角はｇ線よりもｄ線、ｄ線よりもＣ線が
大きくなる。そして、このように分散した光成分はプリ
ズム内の媒質を互いに広がりつつ伝搬し、出射面２０３
からの出射光１ｂにおいては、Ｃ線とｄ線とは一の光路
上に一致せず、幅Ｌを有する色収差となって現れる。

【０００９】このような色収差は像回転プリズム２００
を回転させて像の表示方向を変えるにつれて発生する方
向が変わる性質のものである。また、像回転プリズム２
００を平行光束に近い部分に使用するときには収差の量
は特に問題とならないが、収束光または発散光の光路中
に使用するときには、色収差が大きくなって現れるため
問題となる。

【００１０】そこで、この発明は、上記課題に鑑みてな
されたものであって、内部１回反射型のプリズムであり
ながら、色収差の発生を抑えることの可能な像回転プリ
ズムを提供すること目的とし、さらに、これを利用した
立体画像表示装置を提供する。

【００１１】

【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に記載の発明は、像回転プリズムであっ
て、低屈折率で低分散の第１の材料で構成され、入射す
る光に対して所定の傾斜を有する入射面が形成された第
１部材と、高屈折率で高分散の第２の材料で構成され、
前記入射面での屈折によって生じる収差を補償する第２
部材と、低屈折率で低分散の第３の材料で構成され、前
記入射面と対称となるように形成された出射面が形成さ
れた第３部材とを備え、前記第２部材に対して前記第１
部材と前記第３部材とが接合され、前記光を前記第１部
材、前記第２部材、前記第３部材を介して前記出射面よ
り出射させるとともに、前記入射面から前記出射面に導
く過程で前記光を１回反射させるように構成されること
を特徴としている。

【００１２】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の像回転プリズムにおいて、全体として台形四角柱状に
形成され、前記第１部材と前記第３部材とがそれぞれ直
角三角柱状に形成されることを特徴としている。

【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の像回転プリズムにおいて、前記第２部材が、直方体状
に形成されることを特徴としている。

【００１４】請求項４に記載の発明は、請求項１ないし
請求項３のいずれかに記載の像回転プリズムにおいて、
前記第１部材と前記第３部材とが、屈折率がｎｄ＝１．
５１６８であり、アッベ数がνｄ＝６４．１２であるガ
ラス材料で形成され、前記第２部材が、屈折率がｎｄ＝
１．８０５１８であり、アッベ数がνｄ＝２５．４３で
あるガラス材料で形成されることを特徴としている。

【００１５】請求項５に記載の発明は、請求項１ないし
請求項３のいずれかに記載の像回転プリズムにおいて、
前記第１部材と前記第３部材とが、屈折率がｎｄ＝１．
５１６８であり、アッベ数がνｄ＝６４．１２であるガ
ラス材料で形成され、前記第２部材が、屈折率がｎｄ＝
１．８４６６６であり、アッベ数がνｄ＝２３．８２で
あるガラス材料で形成されることを特徴としている。

【００１６】請求項６に記載の発明は、請求項１ないし
請求項３のいずれかに記載の像回転プリズムにおいて、
前記第１部材と前記第３部材とが、屈折率がｎｄ＝１．
５１６８であり、アッベ数がνｄ＝６４．１２であるガ
ラス材料で形成され、前記第２部材が、屈折率がｎｄ＝
１．８３３５０であり、アッベ数がνｄ＝２１．００で
あるガラス材料で形成されることを特徴としている。

【００１７】請求項７に記載の発明は、所定の回転軸を
中心に回転走査するスクリーンに対して投影用画像を断
続的に投影することによって、残像効果を生じさせて表
示対象物の立体画像を表示する立体画像表示装置であっ
て、前記投影用画像を生成する画像生成手段と、前記画
像生成手段で生成された前記投影用画像を前記スクリー
ンに導く投影光学系とを備え、前記投影光学系が請求項
１ないし請求項６のいずれかに記載の像回転プリズムを
含むことを特徴としている。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照しつつ説明する。

【００１９】＜１．像回転プリズム＞図１および図２
は、この発明の実施の形態に係る像回転プリズム１０を
示す図であり、図１は光軸に対して垂直な方向（横方
向）から像回転プリズム１０を見た図であり、図２は像
回転プリズム１０の斜視図である。

【００２０】図１および図２に示すように、像回転プリ
ズム１０は、直角三角柱形状の第１部材１０ａと、直方
体形状の第２部材１０ｂと、直角三角柱形状の第３部材
１０ｃとがこの順で接合されて形成され、全体として台
形四角柱形状のプリズムとして構成される。つまり、第
３部材１０ｃは、第１部材１０ａと同一形状であって、
プリズム形成の際には第１部材１０ａの配置形態から左
右反転させた形態（すなわち、対称形態）を示すように
配置する。このように配置することで、直方体形状の第
２部材１９ｂにおいて所定の対向する２面に対して直角
三角柱形状の第１部材１０ａおよび第３部材１０ｃを接
合することができ、全体として台形四角柱形状のプリズ
ムが形成される。

【００２１】そして、第１部材１０ａは低屈折率で低分
散の材料で形成され、第２部材１０ｂは高屈折率で高分
散の材料で形成され、第３部材１０ｃは低屈折率で低分
散の材料で形成される。

【００２２】この像回転プリズム１０では、図１に示す
ように第１部材１０ａと第３部材１０ｃとによって形成
される台形形状の２つの対称な傾斜面がそれぞれ光の入
射面１１と出射面１３となる。入射面１１と出射面１３
とは、図１に示すように台形形状の下底面（反射面１
２）に対して所定角度αを成すように形成され、それぞ
れ傾斜方向の異なる対称な傾斜面として構成される。こ
のように入射面１１と出射面１３との傾斜をそれぞれ異
なる方向の対称な傾斜面とし、第１部材１０ａと第３部
材１０ｃとを同一材料で形成することで、入射光１ａと
出射光１ｂとの光の進行方向を一致させることができ
る。

【００２３】また、像回転プリズム１０においては、台
形形状の底面部分が反射面１２として作用するため、図
１に示すように、第１部材１０ａと第２部材１０ｂと第
３部材１０ｃとの入射光１ａに平行なそれぞれの面が一
体的な平面を形成し、その平面がプリズム内部での１回
反射を起こさせる反射面１２となる。

【００２４】このような像回転プリズム２００は、入射
光１ａがプリズム内に入射すると入射面１１にて角度α
に応じて屈折し、第１部材１０ａ中を進む。そして第１
部材１０ａと第２部材１０ｂとの境界１４にて再び屈折
して第２部材１０ｂ中に進入する。そして、反射面１２
で１回反射された光は第２部材１０ｂと第３部材１０ｃ
との境界１５にて屈折して第３部材１０ｃ中に進入し、
出射面１３から入射光１ａと同一方向に向かう出射光１
ｂが射出される。

【００２５】まず、入射光１ａが第１部材１０ａの入射
面１１から入射すると、図３に示すように、第１部材１
０ａを形成する媒質（低屈折率、低分散）に応じて、入
射光１ａに含まれるｇ線、ｄ線およびＣ線の各光成分が
屈折する。このとき、各光成分の屈折角はｇ線よりもｄ
線、ｄ線よりもＣ線が大きくなるが、第１部材１０ａは
低分散の材料で形成されるため、入射面１１にて生じる
色分散の発生量は比較的に小さなものに抑制される。換
言すれば、入射面１１での屈折によって生じる色収差の
発生量をなるべく小さくするために、入射面１１側に低
分散の材料を使用するのである。そして、各光成分は分
散した状態で第１部材１０ａの媒質中を進む。

【００２６】そして、第１部材１０ａと第２部材１０ｂ
との境界１４に達すると、各光成分は低屈折率、低分散
の媒質中から高屈折率、高分散の媒質中に進むことにな
るため、図４に示すように広がりつつある各光成分が互
いに収束する方向に進むことになる。つまり、境界１４
において、入射側の材料（第１部材１０ａの材料）より
も高屈折率の第２部材１０ｂに入射させることで、入射
面１１にて屈折した方向と逆方向に少しだけ光線を屈折
させる。そして、高屈折率材料をさらに高分散の材料で
構成することで、入射面１１での屈折時に発生する色収
差を補正するのである。

【００２７】このため、高屈折率、高分散の第２部材１
０ｂに入射することで、ｇ線、ｄ線およびＣ線の各光成
分は媒質に応じてそれぞれ異なる屈折角を示すことにな
り、結果的に各光成分が互いに収束する方向に進むこと
になるのである。そして、第１部材１０ａを低屈折率、
低分散の材料で形成するとともに、第２部材１０ｂを高
屈折率、高分散の材料で形成することで、入射面１１に
おいて生じた分散の影響を打ち消すように、境界１４に
おける屈折・分散作用を生じさせることが可能になり、
第２部材１０ｂは入射面１１での屈折によって生じた収
差を補償する機能を有することになる。

【００２８】そして、第２部材１０ｂ内部を各光成分が
進み、反射面１２にて反射されて第２部材１０ｂと第３
部材１０ｃとの境界１５に達する。

【００２９】第２部材１０ｂと第３部材１０ｃとの境界
１５においても屈折、分散が起こる。この境界１５にお
ける屈折によって、屈折光は、入射光の光軸に関して第
１部材１０ａ中を進む光と対称な方向に進む光となる。
この結果、入射面１１と対称的な傾斜を有する出射面１
３から出射される出射光１ｂが入射光１ａと同じ方向で
出射されることになる。

【００３０】ところで、境界１５においても屈折、分散
が生じるが、各光成分は第２部材１０ｂ中を進む過程に
おいて入射面１１にて生じた収差の影響がある程度補償
されているので、境界１５において屈折、分散が生じた
としても、出射光１ｂにおける収差を低減することは可
能である。

【００３１】ここで、この実施の形態における収差低減
の原理について説明する。図５は、収差低減の原理を示
す図であり、像回転プリズム１０での内部１回反射を考
えないようにするために示す図である。図５（ａ）は従
来の像回転プリズム２００（図１０）と同様の作用効果
を示し、図５（ｂ）は図１に示す像回転プリズム１０と
同様の作用効果を示す。

【００３２】まず、図５（ａ）に示すように、従来の像
回転プリズムではプリズム自体が一の材料で形成される
ため入射面２０１にて発生する光の分散はそのままの状
態でプリズム内を通過し、出射面２０３側から収差Ｌを
有する出射光となる。

【００３３】これに対し、図５（ｂ）に示すように、低
屈折率で低分散の材料で形成された第１部材１０ａと、
高屈折率で高分散の材料で形成された第２部材１０ｂ
と、低屈折率で低分散の材料で形成された第３部材１０
ｃとを接合させ、入射面１１から出射面１３に光を導く
と、入射面１１で生じた分散は、境界１４にて補償され
るようになり、第２部材１０ｂを通過する際に分散の影
響は低減される。そして、境界１５にて再び屈折、分散
が生じるため、出射光には収差Ｌ１が発生するが、図５
（ａ）の場合の収差Ｌと比較すると、図５（ｂ）の収差
Ｌ１は低減されている。

【００３４】これと同様の作用効果が、図１に示した像
回転プリズム１０に生じるのである。したがって、図１
に示す像回転プリズム１０の出射光１ｂに生じる収差Ｌ
１は、第２部材１０ｂにおいて、入射面１１での屈折に
よって生じる収差を補償するように構成されていること
から、従来の像回転プリズムで生じる収差Ｌ（図１０）
よりも低減される。

【００３５】なお、像回転プリズム１０に生じる収差Ｌ
１は、第１部材１０ａ、第２部材１０ｂおよび第３部材
１０ｃに選択される材料に応じて異なるものとなるが、
第１部材１０ａおよび第３部材１０ｃが比較的に低屈折
率で低分散の材料で形成され、第２部材１０ｂが比較的
に高屈折率で高分散の材料で形成されるという条件を満
たす限りにおいては、従来のように一の材料で形成した
場合よりも収差が抑制されることは上記説明より明らか
である。

【００３６】また、図１および図２に示した像回転プリ
ズム１０は、内部で１回反射を行って出射させるように
構成されているので、内部で多数回反射を行わせること
が必要なプリズムに比べて必要とする光路長を短くする
ことができるので、プリズム自体を小型化することも可
能である。

【００３７】したがって、この実施の形態における像回
転プリズム１０は、色収差が大きくなって現れることが
問題となる装置や小型化の必要のある装置であっても使
用することができ、色収差を抑制した像の反転作用や回
転作用を生じさせることが可能になる。

【００３８】ここで、入射面１１および出射面１３の角
度αを４５°等の比較的大きな角度に設定した場合、入
射面１１での屈折角は比較的小さくなるので、像の反転
作用または回転作用を生じさせるのに必要な光路長は多
少長くなる。

【００３９】これに対して、角度αを３０°に設定した
場合には、必要な光路長はほぼ最短となるので好ましい
のであるが、像回転プリズム１０のサイズを大きくする
ことなく形成しようとすると、入射面１１で生じる色収
差を補償するための第２部材１０ｂの幅（境界１４と境
界１５との間隔）が小さくなるため、色収差補正の効果
が低減する。しかしながら、この場合においても、従来
において発生する収差量の約半分以下には抑制すること
が可能であるので、それ以上の収差抑制を行う必要があ
る場合には光束の収束状態を工夫するようにすれば、像
の性能に問題とならない程度の収差に抑制することがで
きる。

【００４０】また、図６および図７に示すような像回転
プリズム２０を構成するようにすれば、光束の収束状態
を工夫することなく、良好に色収差を補正することが可
能である。図６および図７に示す像回転プリズム２０
は、直角三角柱形状の第１部材２０ａと、直方体形状よ
りも幅を厚くした第２部材２０ｂと、直角三角柱形状の
第３部材２０ｃとがこの順で接合されて形成され、第１
部材２０ａおよび第２部材２０ｂと第３部材２０ｃとを
接着させた後に入射面２１と出射面２３とを研磨するこ
とで、全体として台形四角柱形状のプリズムとして構成
されている。

【００４１】この像回転プリズム２０においても、第１
部材２０ａは低屈折率で低分散の材料で形成され、第２
部材２０ｂは高屈折率で高分散の材料で形成され、第３
部材１０ｃは低屈折率で低分散の材料で形成される。

【００４２】上記のような像回転プリズム２０による
と、第２部材２０ｂにおける境界２４と境界２５との間
隔を大きくすることができるので、入射面２１で生じる
色収差を良好に補償することができ、ほぼ完全に色収差
を補正することのできる像回転プリズム２０となる。

【００４３】次に、比較的に入手容易なガラス材料で像
回転プリズム１０（図１，図２）を構成する場合の具体
例について説明する。

【００４４】例えば、低屈折率で低分散の材料として、
屈折率ｎｄ＝１．５１６８でアッベ数νｄ＝６４．１２
（アッベ数は数値が小さいほど高分散）のガラス材料を
用い、第１部材１０ａおよび第３部材１０ｃを形成す
る。このガラス材料は比較的に入手が容易であるため像
回転プリズム１０を形成する場合に製作コストを低減す
ることができる。

【００４５】また、高屈折率で高分散の材料としては、
いくつかの候補が挙げられる。例えば、屈折率ｎｄ＝
１．８０５１８でアッベ数νｄ＝２５．４３のガラス材
料、屈折率ｎｄ＝１．８４６６６でアッベ数νｄ＝２
３．８２のガラス材料、または、屈折率ｎｄ＝１．８３
３５０でアッベ数νｄ＝２１．００のガラス材料を用い
て第２部材１０ｂを形成する。これらのガラス材料も比
較的に入手が容易であるため像回転プリズム１０を形成
する場合に製作コストを低減することができる。

【００４６】ここで、像回転プリズム１０において、入
射面１１および出射面１３の角度αを３０°に設定し、
入射光１ａの光束幅を約１５ｍｍとした条件の場合の収
差Ｌ１について比較検証する。

【００４７】従来の像回転プリズム２００において同条
件での収差Ｌ（図１０：ｇ線とＣ線との差）を測定する
とＬ＝０．１３ｍｍであった。

【００４８】これに対し、第１部材１０ａおよび第３部
材１０ｃを屈折率ｎｄ＝１．５１６８でアッベ数νｄ＝
６４．１２であるガラス材料で形成し、第２部材１０ｂ
を屈折率ｎｄ＝１．８０５１８でアッベ数νｄ＝２５．
４３であるガラス材料で形成することで構成された像回
転プリズム１０の場合には、色収差Ｌ１はＬ１＝０．０
７ｍｍとなり、従来の半分以下の収差量まで低減され
る。

【００４９】また、第１部材１０ａおよび第３部材１０
ｃを屈折率ｎｄ＝１．５１６８でアッベ数νｄ＝６４．
１２であるガラス材料で形成し、第２部材１０ｂを屈折
率ｎｄ＝１．８４６６６でアッベ数νｄ＝２３．８２で
あるガラス材料で形成することで構成された像回転プリ
ズム１０の場合には、色収差Ｌ１はＬ１＝０．０６ｍｍ
となり、この場合も従来の半分以下の収差量まで低減さ
れる。

【００５０】さらに、第１部材１０ａおよび第３部材１
０ｃを屈折率ｎｄ＝１．５１６８でアッベ数νｄ＝６
４．１２であるガラス材料で形成し、第２部材１０ｂを
屈折率ｎｄ＝１．８３３５０でアッベ数νｄ＝２１．０
０であるガラス材料で形成することで構成された像回転
プリズム１０の場合には、色収差Ｌ１はＬ１＝０．０５
ｍｍとなり、この場合も従来の半分以下の収差量まで低
減される。

【００５１】次に、上記と同様のガラス材料を使用し、
像回転プリズム２０（図６，図７）において、入射面２
１および出射面２３の角度αを３０°に設定し、入射光
１ａの光束幅を約１５ｍｍとした条件の場合の収差Ｌ１
について比較検証する。なお、像回転プリズム２０の第
２部材２０ｂの幅は、像回転プリズム１０（図１，図
２）の第２部材１０ｂよりも約６ｍｍ程度厚く形成され
ている。

【００５２】まず、第１部材２０ａおよび第３部材２０
ｃを屈折率ｎｄ＝１．５１６８でアッベ数νｄ＝６４．
１２であるガラス材料で形成し、第２部材２０ｂを屈折
率ｎｄ＝１．８０５１８でアッベ数νｄ＝２５．４３で
あるガラス材料で形成することで構成された像回転プリ
ズム２０の場合には、色収差Ｌ２はＬ２＝０．０４ｍｍ
となり、図１の像回転プリズム１０よりもさらに色収差
が抑制される。

【００５３】また、第１部材２０ａおよび第３部材２０
ｃを屈折率ｎｄ＝１．５１６８でアッベ数νｄ＝６４．
１２であるガラス材料で形成し、第２部材２０ｂを屈折
率ｎｄ＝１．８４６６６でアッベ数νｄ＝２３．８２で
あるガラス材料で形成することで構成された像回転プリ
ズム２０の場合には、色収差Ｌ２はＬ２＝０．０３ｍｍ
となり、さらに色収差が抑制される。

【００５４】そして、第１部材２０ａおよび第３部材２
０ｃを屈折率ｎｄ＝１．５１６８でアッベ数νｄ＝６
４．１２であるガラス材料で形成し、第２部材２０ｂを
屈折率ｎｄ＝１．８３３５０でアッベ数νｄ＝２１．０
０であるガラス材料で形成することで構成された像回転
プリズム２０の場合には、色収差Ｌ２はＬ２＝０．０１
ｍｍとなり、収束光または発散光の光路中に使用すると
きでも問題とならない程度の収差に抑制することができ
る。そして、この場合、最も色収差が抑制されることに
なり、最良の像回転プリズムとなる。

【００５５】なお、上記のような像回転プリズム１０
（若しくは２０）を構成することによって、出射光１ｂ
に生じる非点隔差も従来より１０％程度低減することが
できるという効果も有しており、この点においてもプリ
ズムを光路中に介挿することで生じる影響を軽減するこ
とが可能になる。

【００５６】＜２．立体画像表示装置＞次に、上述のよ
うな像回転プリズム１０（若しくは２０）を適用した装
置として立体画像表示装置を一例に挙げて説明する。

【００５７】図８は、この実施の形態における立体画像
表示装置１００の構成を示す図である。図８に示すよう
に回転部材３９の主面に対して垂直にスクリーン３８が
固定されている。回転部材３９はその中心位置を回転軸
として所定の角速度Ωで回転するように構成されてお
り、スクリーン３８は回転部材３９の回転と一体的に回
転軸Ｚを中心に回転する。したがって、スクリーン３８
のΩ方向への回転によって、スクリーン３８の移動軌跡
は一定の体積空間を形成する。

【００５８】回転部材３９の内部には投影ミラー３６お
よび３７（スクリーン光学系）が所定の角度をなして対
向して配設され、回転部材３９の回転とともにスクリー
ン３８の中心軸を含む垂直軸Ｚの回りに角速度Ωで回転
する。この回転する投影ミラー３６に対して白色光源３
１から発した光が、コリメータレンズ３２、ディジタル
・マイクロミラー・デバイス（以下、「ＤＭＤ」と呼
ぶ。）３３、像回転プリズム１０（若しくは２０）、投
影レンズ３５を介して入射する。

【００５９】ＤＭＤ３３は、スクリーン３８への投影用
画像となる表示対象物の断面画像を生成する画像生成手
段であり、１辺が２０μｍ程度の矩形の金属片（例えば
アルミニウム片）のミラーを１画素として１チップあた
り数十万枚の規模で平面に敷き詰めた構造を有し、各画
素直下に配置されたＳＲＡＭ出力の静電電界作用により
各ミラーの傾斜角を個々に±１０度で制御できるデバイ
スである。

【００６０】なお、ミラーの角度制御は、ＳＲＡＭ出力
の「１」、「０」に対応して、ＯＮ／ＯＦＦのバイナリ
制御であり、光源からの光が当たると、ＯＮ（またはＯ
ＦＦ）の方向を向いているミラーで反射した光だけがス
クリーンの方向に進み、ＯＦＦ（またはＯＮ）の方向を
向いているミラーで反射した光は有効な光路から外れス
クリーンの方向には進まない。このミラーのＯＮ／ＯＦ
Ｆ制御により、ＯＮ／ＯＦＦのミラー分布に対応した光
の像（断面画像）がスクリーン３８の方向に導かれるこ
とになる。

【００６１】このようなＤＭＤ３３は、一枚一枚のミラ
ーの偏向の応答性が約１０μｓｅｃであることと、画像
データの書き込みが一般的なＲＡＭとほぼ同様の方法で
できることから、１枚の画像を生成するのに要する時間
は１ｍｓあるいはそれ以下ときわめて高速である。仮に
１ｍｓであるとすると、残像効果を実現するために１／
１８ｓｅｃで１８０゜（すなわち毎秒９回転）の体積走
査を行う場合に生成できる断面像の数は約６０枚とな
る。したがって、例えば、画像生成手段としてＣＲＴを
使用した場合の断面画像の枚数と比較すると、はるかに
多くの断面画像をスクリーン３８上に投影でき、非回転
対称形状の立体の表現も可能になる。

【００６２】また、ＤＭＤ３３の特徴の１つである光の
利用効率の高さも、より明るい断面画像をスクリーン３
８上に投影することで残像効果を高めることに寄与し、
ＣＲＴ方式と比較して高品位の立体画像の表示を可能に
する。

【００６３】このようにしてＤＭＤ３３で生成された断
面画像は投影光学系に導かれる。投影光学系は、上述の
スクリーン光学系と、投影レンズ３５と、像回転プリズ
ム１０（若しくは２０）を備えており、断面画像は、こ
の投影光学系を介してスクリーン３８に投影されるので
ある。

【００６４】ここで、スクリーン３８および回転部材３
９の斜視概観図の一例を図９に示す。図９に示すように
回転部材３９は円盤形状をなし、その側面にモータＭＴ
の回転軸が接することによって回転駆動される。なお、
回転部材３９の中心軸にモータを直結したり、歯車やベ
ルトを介して駆動させるようにしても良い。

【００６５】また、図９においてはスクリーン３８に投
影される光は投影光学系の一部をなすプリズムなどの出
射部４０から出射される状態が示されている。

【００６６】図９に示すようにスクリーン３８がある回
転角度θ１にあるとき、θ１に対応した表示対象物の断
面画像Ｓ１（ＤＭＤ３３において生成）が、図８に示し
た投影ミラー３６と投影ミラー３７とを経由してスクリ
ーン３８上に投影される。そこから微小時間が経過して
スクリーン３８が回転し、その回転角度がθ２になった
とき、今度はθ２に対応した表示対象物の断面画像Ｓ２
（ＤＭＤ３３において生成）が、図８に示した投影ミラ
ー３６と投影ミラー３７とを経由してスクリーン３８上
に投影される。

【００６７】投影ミラー３６および投影ミラー３７はス
クリーン３８に対して一定の位置関係を保ったまま共に
回転するので、スクリーン３８上には回転にかかわらず
常に断面画像が投影され続ける。そして回転部材３９を
１８０゜回転させた時点で再び始めと同じ断面画像が現
れ、１回の体積走査が完了する。以上の動作を回転部材
３９の回転の速度を残像効果が起きるように十分に速
く、かつ投影する断面画像の枚数を十分に多くすること
によって、観察者は断面画像の包絡として表示対象物の
立体画像を視認できる。

【００６８】このように構成された立体画像表示装置１
００において、図８に示すようにＤＭＤ３３にて生成さ
れた断面画像をスクリーン３８に導く光路中に、上述し
た像回転プリズム１０（若しくは２０）が介挿されてい
る。

【００６９】スクリーン３８が取り付けられている回転
部材３９がある回転角度に位置する場合に、スクリーン
３８上に投影されている断面画像を基準像とし、仮に像
回転プリズム１０（若しくは２０）を用いないとする
と、回転部材３９が回転するにつれて、投影される断面
画像はスクリーン３８上で面内回転し、回転部材が１８
０゜回転したところで投影される断面画像は基準像に対
し上下が逆転した像になってしまう。この現象を防ぐた
めに、上述の像回転プリズム１０（若しくは２０）が設
けられているのである。

【００７０】既述のように、像回転プリズム１０（若し
くは２０）を光軸まわりに回転させると、入射画像に対
する出射画像が像回転プリズム１０（若しくは２０）の
角速度の２倍の角速度で回転して出射される性質があ
る。したがって、スクリーン３８が取り付けられている
回転部材３９の角速度の１／２の角速度で像回転プリズ
ムを回転させるように、図示しないプリズム回転手段を
設けることによって、スクリーン３８の回転にかかわら
ず常に正立した断面画像をスクリーン３８上に投影する
ことが可能になる。

【００７１】上記のような構成の立体画像表示装置１０
０においては、スクリーン３８に断面画像を投影する際
に、投影レンズ３５の役割によって光束がスクリーン３
８上に至るまでの間で、断面画像がスクリーン３８上に
適切な画像サイズで投影されるように構成されているた
め、ＤＭＤ３３で生成された断面画像はスクリーン３８
に投影されるときに、拡大表示されることもある。

【００７２】ここで、従来のような像回転プリズム２０
０（図１０）を用いていると、スクリーン３８に投影さ
れる断面画像の色収差も拡大されるため、画像の品質が
低下することになる。

【００７３】これに対し、上述したような像回転プリズ
ム１０（若しくは２０）を用いて立体画像表示装置１０
０を構成すると、色収差は抑制されるのでスクリーン３
８に対して断面画像が拡大表示されても色収差は目立つ
ことがなく、画像の品質も高品位なものとなる。その結
果、スクリーン３８の走査空間内に表示される立体画像
も品質の高い立体画像となる。

【００７４】また、図８に示すように、立体画像表示装
置１００を構成する場合に、各光学部品を設置するため
のスペースが必要となるが、内部１回反射型の上述した
像回転プリズム１０（若しくは２０）を用いることで、
像回転プリズム１０（若しくは２０）を設置するために
必要なスペースを最小限に抑えることができ、立体画像
表示装置１００の全体としての装置サイズをも小さくす
ることが可能になる。

【００７５】＜３．変形例＞以上、この発明の一実施形
態について説明したが、この発明は上記説明した内容の
ものに限定されるものではない。

【００７６】例えば、像回転プリズム１０（若しくは２
０）としては、全体として台形四角柱形状に形成される
場合について説明したが、これに限定されるものではな
い。なぜなら、像の反転作用や回転作用を行うために必
須でない部分については任意の形状に構成することがで
きるので、その場合には全体として台形四角柱形状とは
ならないこともあるからである。しかしながら、全体と
して台形四角柱形状に形成することは、全体のサイズを
最小にすることができるという点で有効である。

【００７７】また、像回転プリズム１０（若しくは２
０）を構成する場合の一例としてガラス材料を用いる形
態について説明したが、樹脂材料を用いて形成してもよ
い。例えば、低屈折率で低分散の材料としてアクリル等
を利用し、高屈折率で高分散の材料としてポリカーボネ
ートやスチレン等を利用することが考えられる。また、
樹脂材料以外のその他の材料であってもよい。

【００７８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
発明によれば、高屈折率で高分散の第２の材料で構成さ
れ、入射面での屈折によって生じる収差を補償する第２
部材に対して、低屈折率で低分散の第１の材料で構成さ
れ、入射光に対して所定の傾斜を有する入射面が形成さ
れた第１部材と、低屈折率で低分散の第３の材料で構成
され、入射面と対称となるように形成された出射面が形
成された第３部材とが接合され、光を第１部材、第２部
材、第３部材を介して出射面より出射させるとともに、
入射面から出射面に導く過程で光を１回反射させるよう
に構成されているため、色収差の発生を抑えることがで
きるとともに、必要とする光路長を最小限に抑えること
ができる。

【００７９】請求項２に記載の発明によれば、全体とし
て台形四角柱状に形成され、第１部材と第３部材とがそ
れぞれ直角三角柱状に形成されるため、プリズム自体を
最小限の大きさで構成することができる。

【００８０】請求項３に記載の発明によれば、第２部材
は直方体状に形成されるため、他の形状を採用する場合
に比べて製作コストの低廉化を図ることができる。

【００８１】請求項４に記載の発明によれば、第１部材
と第３部材とは、屈折率がｎｄ＝１．５１６８であり、
アッベ数がνｄ＝６４．１２であるガラス材料で形成さ
れ、第２部材は、屈折率がｎｄ＝１．８０５１８であ
り、アッベ数がνｄ＝２５．４３であるガラス材料で形
成されるため、色収差の発生を抑えることができるとと
もに、材料コストの低廉化を図ることもできる。

【００８２】請求項５に記載の発明によれば、第１部材
と第３部材とは、屈折率がｎｄ＝１．５１６８であり、
アッベ数がνｄ＝６４．１２であるガラス材料で形成さ
れ、第２部材は、屈折率がｎｄ＝１．８４６６６であ
り、アッベ数がνｄ＝２３．８２であるガラス材料で形
成されるため、色収差の発生を抑えることができるとと
もに、材料コストの低廉化を図ることもできる。

【００８３】請求項６に記載の発明によれば、第１部材
と第３部材とは、屈折率がｎｄ＝１．５１６８であり、
アッベ数がνｄ＝６４．１２であるガラス材料で形成さ
れ、第２部材は、屈折率がｎｄ＝１．８３３５０であ
り、アッベ数がνｄ＝２１．００であるガラス材料で形
成されるため、色収差の発生を最小限の程度まで抑制す
ることができるとともに、材料コストの低廉化を図るこ
とができる。

【００８４】請求項７に記載の発明によれば、スクリー
ンに投影される投影用画像における収差を抑制すること
ができ、品質の高い立体画像を表示することができる。
また、立体画像表示装置を小型化することも可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態に係る像回転プリズムを
示す図である。

【図２】この発明の実施の形態に係る像回転プリズムを
示す図である。

【図３】入射面でのｇ線、ｄ線およびＣ線の各光成分の
屈折を示す図である。

【図４】第１部材と第２部材との境界での屈折作用を示
す図である。

【図５】収差低減の原理を示す図である。

【図６】図１とは異なる構成の像回転プリズムを示す図
である。

【図７】図２とは異なる構成の像回転プリズムを示す図
である。

【図８】立体画像表示装置の構成を示す図である。

【図９】スクリーンおよび回転部材の斜視概観図の一例
を示す図である。

【図１０】従来の像回転プリズムを示す図である。

【符号の説明】 １０，２０ 像回転プリズム １０ａ，２０ａ 第１部材 １０ｂ，２０ｂ 第２部材 １０ｃ，２０ｃ 第３部材 １１，２１ 入射面 １２ 反射面 １３，２３ 出射面 ３８ スクリーン １００ 立体画像表示装置

フロントページの続き (72)発明者 吉井 謙 大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 Ｆターム(参考） 2H042 CA04 CA14 CA17

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 像回転プリズムであって、 低屈折率で低分散の第１の材料で構成され、入射する光
   に対して所定の傾斜を有する入射面が形成された第１部
   材と、 高屈折率で高分散の第２の材料で構成され、前記入射面
   での屈折によって生じる収差を補償する第２部材と、 低屈折率で低分散の第３の材料で構成され、前記入射面
   と対称となるように形成された出射面が形成された第３
   部材と、を備え、 前記第２部材に対して前記第１部材と前記第３部材とが
   接合され、前記光を前記第１部材、前記第２部材、前記
   第３部材を介して前記出射面より出射させるとともに、
   前記入射面から前記出射面に導く過程で前記光を１回反
   射させるように構成されることを特徴とする像回転プリ
   ズム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の像回転プリズムにおい
   て、 全体として台形四角柱状に形成され、前記第１部材と前
   記第３部材とがそれぞれ直角三角柱状に形成されること
   を特徴とする像回転プリズム。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の像回転プリズムにおい
   て、 前記第２部材は、直方体状に形成されることを特徴とす
   る像回転プリズム。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のいずれかに記
   載の像回転プリズムにおいて、 前記第１部材と前記第３部材とは、屈折率がｎｄ＝１．
   ５１６８であり、アッベ数がνｄ＝６４．１２であるガ
   ラス材料で形成され、 前記第２部材は、屈折率がｎｄ＝１．８０５１８であ
   り、アッベ数がνｄ＝２５．４３であるガラス材料で形
   成されることを特徴とする像回転プリズム。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項３のいずれかに記
   載の像回転プリズムにおいて、 前記第１部材と前記第３部材とは、屈折率がｎｄ＝１．
   ５１６８であり、アッベ数がνｄ＝６４．１２であるガ
   ラス材料で形成され、 前記第２部材は、屈折率がｎｄ＝１．８４６６６であ
   り、アッベ数がνｄ＝２３．８２であるガラス材料で形
   成されることを特徴とする像回転プリズム。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項３のいずれかに記
   載の像回転プリズムにおいて、 前記第１部材と前記第３部材とは、屈折率がｎｄ＝１．
   ５１６８であり、アッベ数がνｄ＝６４．１２であるガ
   ラス材料で形成され、 前記第２部材は、屈折率がｎｄ＝１．８３３５０であ
   り、アッベ数がνｄ＝２１．００であるガラス材料で形
   成されることを特徴とする像回転プリズム。
7. 【請求項７】 所定の回転軸を中心に回転走査するスク
   リーンに対して投影用画像を断続的に投影することによ
   って、残像効果を生じさせて表示対象物の立体画像を表
   示する立体画像表示装置であって、 前記投影用画像を生成する画像生成手段と、 前記画像生成手段で生成された前記投影用画像を前記ス
   クリーンに導く投影光学系と、を備え、 前記投影光学系は請求項１ないし請求項６のいずれかに
   記載の像回転プリズムを含むことを特徴とする立体画像
   表示装置。