JP2002023102A

JP2002023102A - 画像表示装置

Info

Publication number: JP2002023102A
Application number: JP2000200450A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Oshima; 徹也大島; Akira Arimoto; 昭有本; Hironori Kaneko; 浩規金子; Yoshiyuki Kaneko; 好之金子
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2000-07-03
Publication date: 2002-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】迷光がなく、全画面が鑑賞できる、非直交の
合わせ鏡群を含む水平方向に平板な指向性反射スクリー
ンを用いた画像表示装置を提供する。【解決手段】挟角が非直交の合わせ鏡群を含む水平方
向に平板な指向性反射スクリーンと、画像投影手段とを
備える画像表示装置であって、前記画像投影手段の出射
光束の水平広がり幅をＶ、前記指向性反射スクリーンの
シフト角をγ、投影画像の水平幅をＤとするとき、前記
画像投影手段と前記指向性反射スクリーンの中心との距
離Ｌが、下記式を満足する。Ｖ＞Ｄ²sinγ／４Ｌ×（（４Ｌ²＋Ｄ²）／（Ｄ²−4ＤＬ
sinγcosγ＋４Ｌ²cos ²γ））^1/2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像表示装置に係
わり、特に、両眼視差を用いた立体視を特殊な眼鏡を着
用することなく可能にする立体画像表示装置に好適な画
像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、両眼視差を用いた立体視を特殊な
眼鏡を着用することなく可能にする画像表示装置とし
て、画像投影手段と指向性の反射または透過スクリーン
を組み合わせた装置が知られている。中でも、鑑賞者に
対する水平方向の集光手段として合わせ鏡群を用いた指
向性反射スクリーンについては、例えば、「三次元画像
工学」大越孝敬著、朝倉書店２８頁および９１〜９７頁
に開示されている。２面直交合わせ鏡群３０では、図６
に示すように、水平方向において、入射した光線は、入
射方向に反射する。従って、図７に示すように、液晶プ
ロジェクター等の画像投影手段（２０ａ，２０ｂ）と、
指向性反射スクリーン１０を組み合わせた画像表示装置
では、指向性反射スクリーン１０に照射された画像は、
指向性反射スクリーン１０で反射されて、水平方向には
画像投影手段（２０ａ，２０ｂ）の位置に集光する。

【０００３】このようなスクリーン反射特性を活かし、
２個の画像投影手段（２０ａ，２０ｂ）を鑑賞者３の右
眼および左眼の直上または直下に配置し、併せて両眼視
差の原理に基づく立体画像となる一対の画像を照射する
ことによって、特殊な眼鏡を着用することなく立体画像
を鑑賞することができる。さらに、２面直交合わせ鏡群
の水平方向の指向性に加え、鏡面に加えた凹凸や蒲鉾状
レンズ群のレンズ効果によって垂直方向に拡散性を付加
することで、垂直方向には充分な鑑賞範囲が得られるこ
とが知られている。これらの画像表示装置において、画
像投影手段の出射光が指向性反射スクリーン１０の表面
で反射されて発生する迷光を、図８に示すように、指向
性反射スクリーン１０を垂直方向に凹面の構造として除
去する方法が特開平０９−１９５６４１号公報に開示さ
れている。

【０００４】また、これらの指向性反射スクリーン１０
を改良し、複数人で鑑賞可能な画像表示装置が特開平１
０−１８６５２２号公報に開示されている。この画像表
示装置において、指向性反射スクリーン１０を構成する
合わせ鏡群３１の挟角が９０度でないため、指向性反射
スクリーン１０で反射された光線は、図９に示すよう
に、水平方向の入射方向に対して±γ度ずれた２方向に
進む。従って、この指向性反射スクリーン１０と、２個
の画像投影手段（２０ａ，２０ｂ）組み合わせることに
より、図１０に示すように、鑑賞者（３ａ，３ｂ）の２
人が同時に鑑賞可能な画像表示装置が得られる。さら
に、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、複数の異なる
挟角成分が周期的に配置された合わせ鏡群を含む指向性
反射スクリーンを用いることにより、３人以上の鑑賞者
が同時に鑑賞可能な画像表示装置が得られる。これら複
数人で鑑賞可能な画像表示装置では、図１２に示すよう
に、指向性反射スクリーン１０が、画像投影手段２０と
指向性反射スクリーン１０の中心との距離を直径とする
円周上に位置する水平凹面の構造とした場合に、指向性
反射スクリーン上の各点から反射された光線は、鑑賞位
置（１，２）において、一点に集光することになる。こ
の鑑賞位置（１，２）では、指向性反射スクリーン１０
に投影された画像の光が全て通過するため全画面が鑑賞
可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来技術の、複数人で鑑賞可能な画像表示装置におい
て、全画面鑑賞のために指向性反射スクリーン１０を水
平凹面の構造とした場合に、前述した迷光を除去するた
めの垂直凹面の構造を加味すると、指向性反射スクリー
ン１０が２方向に湾曲した構造となるために、製造が困
難になるという問題点あった。一方、指向性反射スクリ
ーン１０が、垂直方向にのみ凹面で、水平方向には平板
の場合には、図１３に示すように、指向性反射スクリー
ン１０で反射した光線が、鑑賞位置（１，２）において
一点に集光せず、広がりを持つこととなる。この広がり
のため、鑑賞者が、指向性反射スクリーン上に投影した
全画像が鑑賞できず、指向性反射スクリーン上に投影し
た画像の一部分しか鑑賞できないという問題があった。
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、迷光がなく、全画面
が鑑賞できる、非直交の合わせ鏡群を含む指向性反射ス
クリーンを用いた画像表示装置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。

【０００６】

【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。即ち、本発明は、挟角が非直交の合
わせ鏡群を含む水平方向に平板な指向性反射スクリーン
と、画像投影手段とを備える画像表示装置であって、前
記指向性反射スクリーンと画像投影手段とは、前記画像
投影手段から投影され、前記指向性反射スクリーンの全
ての反射点から反射された光束の少なくとも一部が、少
なくとも２点で重なるように配置されていることを特徴
とする。

【０００７】また、本発明は、挟角が非直交の合わせ鏡
群を含む水平方向に平板な指向性反射スクリーンと、画
像投影手段とを備える画像表示装置であって、前記画像
投影手段の出射光束の水平広がり幅をＶ、前記指向性反
射スクリーンのシフト角をγ、投影画像の水平幅をＤと
するとき、前記画像投影手段と前記指向性反射スクリー
ンの中心との距離Ｌが、下記式を満足することを特徴と
する。Ｖ＞Ｄ²sinγ／４Ｌ×（（４Ｌ²＋Ｄ²）／（Ｄ²−4ＤＬ
sinγcosγ＋４Ｌ²cos ²γ））^1/2

【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。図１は、本
発明の実施の形態の画像表示装置の概略構成を示す上平
面図であり、同図(ａ)は全体図、同図（ｂ）は鑑賞位置
１付近の拡大図である。本実施の形態の画像表示装置
は、挟角が非直交の合わせ鏡群を含む指向性反射スクリ
ーン１０と画像投影手段２０とを備える。ここで、指向
性反射スクリーン上の各反射点を通る光束は、図１(ａ)
に示すように、画像投影手段２０の光出射位置で、投射
レンズの出射瞳径に応じて数十ｍｍ程度の水平広がり幅
（または出射光幅）Ｖを有し、指向性反射スクリーン上
で１点に集光され、入射時と同程度の広がり角をもって
反射される。本実施の形態では、鑑賞位置（１，２）
で、画像投影手段２０から投影され、指向性反射スクリ
ーン上の全ての反射点から反射された全ての光束の位置
が重なるように、指向性反射スクリーン１０と画像投影
手段２０とを配置する。これにより、本実施の形態の画
像表示装置では、鑑賞位置（１，２）において全画面が
鑑賞することが可能となる。

【０００９】ここで、『発明が解決しようとする課題』
の欄で説明した集光点の水平広がりについて説明する。
実際の画像投影手段２０では数十ｍｍ程度の出射光束の
水平広がり幅Ｖを、図中で点線で表したような無限小と
仮定した光線を、前記指向性反射スクリーン上の全ての
点に投影し、指向性反射スクリーンで反射された光線群
を仮定する。そして、この光線群が水平方向に最も狭く
集光された位置における水平広がり幅をδｘとして定義
する。なお、図１（ｂ）では、多数の反射光線のうち、
水平広がり幅δｘを決定する指向性反射スクリーン１０
の中心（Ｃ点）、および指向性反射スクリーン１０の両
端（Ｒ点，Ｌ点）を反射した光線のみを図示している。
この水平方向に最も狭く集光された位置が、本画像表示
装置の最適鑑賞位置となる。

【００１０】前述したように、画像投影手段２０から投
影され、前記指向性反射スクリーン上の全ての反射点か
ら反射される光束が重なる点が存在すれば、画像表示装
置において全画面が鑑賞可能となる。このためには、指
向性反射スクリーン上の任意の点で反射された光束の鑑
賞位置における水平広がり幅Ｗが、前記光線群の水平広
がり幅δｘより広ければ画像表示装置において全画面が
鑑賞可能となる。鑑賞位置における反射光束の水平広が
り幅Ｗは、指向性反射スクリーン上のいずれの位置で反
射されるかによって異なるが、多くの場合、鑑賞位置に
近い側の指向性反射スクリーン端部、鑑賞位置１におけ
るＲ点から反射される場合に最も狭くなる。このため、
Ｒ点から反射された光線の鑑賞位置における水平広がり
幅Ｗが前記集光点の広がり幅δｘよりも広ければ、全画
面が鑑賞可能な画像表示装置を得ることができる。

【００１１】以下、全画面が鑑賞可能な画像表示装置を
得るための前記画像投影手段２０出射光束の水平広がり
幅を、図１および数式を用いて定量的に説明する。ここ
では、指向性反射スクリーン１０による水平広がり効果
が無視できるものと仮定する。指向性反射スクリーン１
０に入射した光線は、図９に示すように、水平方向には
±γ度シフトした２方向に反射する。このシフト角γ
は、合わせ鏡の挟角をαとすると、下記（１）式で表さ
れる。

【数１】 γ＝｜９０−α｜×２・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）指向性反射スクリーン１０が水平方向には平面の場合、
画像投影手段２０に対して画像の水平幅をＤとすると集
光点の最小広がり幅δｘは、下記（２）式で表される。

【数２】 δｘ＝Ｄ²sinγ／４Ｌ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）ここで、Ｌは、画像投影手段２０と指向性反射スクリー
ン１０の中心間の距離である。

【００１２】一方、水平広がり幅Ｗは、光束が指向性反
射スクリーン上のどの位置で反射されるかによって異な
り、画像投影手段２０の出射光束の水平広がり幅Ｖ、画
像投影手段２０と指向性反射スクリーン上の反射点の距
離ａと、指向性反射スクリーン上の反射点と鑑賞位置の
距離ｂによって、下記（３）式のように表される。

【数３】Ｗ＝Ｖ×ｂ／ａ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）従って、指向性反射スクリーン上の全ての反射点で、下
記（４）が成り立てば、画像表示装置は全画面が鑑賞可
能となる。

【数４】Ｖ×ｂ／ａ＞δｘ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（４）鑑賞位置が直径をＬとし、画像投影手段２０と指向性反
射スクリーン１０の中心を通る円周上に位置することを
考慮し、図１中の鑑賞位置１における水平広がり幅Ｗの
指向性反射スクリーン上の水平反射位置依存性をＬ＝２
０００ｍｍ、Ｄ＝１０００ｍｍの場合について計算した
結果を図２に示す。なお、図２中の水平広がり幅Ｗは、
画像投影手段２０の出射光束の水平広がり幅Ｖを１とし
た相対値で示した。また、シフト角γが異なる場合につ
いても記した。図２から、水平広がり幅Ｗは、シフト角
γによらず鑑賞位置１に近い側の端点（Ｒ点）で反射さ
れた光束で最小となることがわかる。

【００１３】このＲ点で反射された光束の水平広がり幅
Ｗは、（３）式をもとに計算すると下記（５）式のよう
に表せる。

【数５】Ｗ＝Ｖ×（（Ｄ²−4ＤＬsinγcosγ＋４Ｌ²cos²γ）／（４Ｌ²＋Ｄ²））^1/2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）このため、全画面が鑑賞可能となるための画像投影手段
２０出射光束の水平広がり幅Ｖは、下記（６）式のよう
に表せる。

【数６】Ｖ＞δｘ／Ｗ＝Ｄ²sinγ／４Ｌ×（ＡＡ）^1/2 ＡＡ＝（４Ｌ²＋Ｄ²）／（Ｄ²−4ＤＬsinγcosγ＋４Ｌ²cos²γ）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（６）前記（６）式を用いて計算した本実施の形態の画像投影
手段２０の出射光束の水平広がり幅Ｖを図３に示す。図
３では、Ｌ＝２０００ｍｍ、Ｄ＝１０００ｍｍの場合に
ついて、シフト角γ依存性を示しており、斜線部が画像
表示装置において全画面が鑑賞可能となる出射光幅Ｖの
範囲である。

【００１４】一方、例えば、画像投影手段２０として、
出射光幅Ｖが２５ｍｍのプロジェクタを用いて、シフト
角γが１０度の指向性反射スクリーン１０に、水平幅Ｄ
が１ｍの画像を投射するシステムでは、前記（６）式よ
り、プロジェクタと指向性反射スクリーン１０との間の
距離Ｌを１．８５ｍ以上とすることで、左右２つの鑑賞
位置で全画面が鑑賞可能となる。また、同じプロジェク
タを用いて、シフト角γが２０度の指向性反射スクリー
ン１０とした場合は、前記（６）式より、プロジェクタ
と指向性反射スクリーン１０との間の距離Ｌを３．７ｍ
以上とすれば良い。この場合、画像サイズに比べて、鑑
賞位置と画像との距離が大きいため、より臨場感の高い
システムにするためには、出射光束の水平広がり幅Ｖが
大きいプロジェクタを用いる方が良く、例えば、Ｖが５
０ｍｍのプロジェクを用いれば、プロジェクタと指向性
反射スクリーン１０との間の距離Ｌが１．９ｍ以上であ
れば、前記（６）式を満たすので、より指向性反射スク
リーン１０に近い位置で全画面が鑑賞可能となる。

【００１５】また、前記（１）式から分かるように、水
平方向のシフト角γは合わせ鏡の挟角αによって異な
る。このため、複数の異なる挟角の合わせ鏡を含むよう
に指向性反射スクリーン１０を構成すると３箇所以上の
集光点を持ち、３人以上が同時に鑑賞可能な画像表示装
置を得る。ここで、各鑑賞位置で画像が均質であるため
には各挟角成分が均等に分散されていることが重要であ
る。このことを考慮すると、図１１（ａ）、（ｂ）に示
すように、指向性反射スクリーン１０の合わせ鏡群とし
て、複数の異なる狭角の合わせ鏡を周期的に配置させる
と、３人以上の鑑賞者が同時に鑑賞の画像表示装置を得
る。この場合、それぞれの挟角成分に対して、前記
（４）、（６）式の関係が成り立てば良い。

【００１６】以下、指向性反射スクリーン１０が複数の
挟角成分をもつ場合に、注目すべき挟角成分について以
下に記する。前述したように、シフト角γが大きい場合
には、より大きな射出光の水平広がり幅Ｖが要求され
る。従って、複数の異なる挟角成分が存在する場合、シ
フト角γが最大の挟角成分で前記（４）、（６）式の関
係が成り立てば、全ての挟角成分で前記関係を満たし、
全ての鑑賞位置で全画面が鑑賞可能となる。ここで、シ
フト角γが最大の挟角成分とは、（１）式から９０度と
の差分が最大となる挟角成分であり、この挟角成分につ
いて前記関係が成り立つように構成すれば、全鑑賞位置
において全画面が鑑賞可能な画像表示装置を得ることが
できる。例えば、出射光束の水平広がり幅Ｖが７５ｍｍ
のプロジェクタを用いて、シフト角γが１０度と３０度
であるような２種類の狭角成分を有する指向性反射スク
リーン１０に水平幅Ｄがｌｍの画像を投射するシステム
を考える。この場合、シフト角が大きい３０度の成分に
ついて考え、（６）式より、プロジェクタと指向性反射
スクリーン１０との間の距離Ｌを２．２ｍ以上とすれ
ば、シフト角１０度と３０度の左右各２箇所、計４箇所
の鑑賞位置で全画面が鑑賞可能となる。

【００１７】本実施の形態の画像表示装置の指向性反射
スクリーン１０は、図８に示すように、合わせ鏡群の稜
線方向に凹面としてあると、迷光を除去できるばかりで
なく鑑賞位置で反射光束が垂直方向に集光されるため好
適である。ここで、合わせ鏡群の稜線方向の凹面の曲率
半径は画像投影手段２０と指向性反射スクリーン１０の
中心の距離と一致させると、鑑賞位置において反射光束
が垂直方向でも集光されるため、さらに好適である。画
像投影手段２０と指向性反射スクリーン１０の中心の距
離は０．５〜１０ｍ程度であり、従って、合わせ鏡群の
稜線方向の凹面の曲率半径も０．５〜１０ｍ程度が好適
となる。本実施の形態の画像表示装置において、垂直方
向の鑑賞領域を拡張するために、図４に示すように、指
向性反射スクリーン１０として、垂直方向拡散手段１２
と合わせ鏡群１１を一体化させたものを使用すると好適
である。垂直方向拡散手段１２としては、蒲鉾状のレン
ズ群を用い、レンズ線が水平方向となるように配置すれ
ばよい。あるいは、１方向のみに回折し光線を広げるホ
ログラフィック素子を用いても良い。

【００１８】また、図７に示すように、２個の画像投影
手段（２０ａ，２０ｂ）を用い、かつ、２個の画像投影
手段（２０ａ，２０ｂ）の間隔を、概略鑑賞者３の両眼
間隔とし、さらに、２個の画像投影手段（２０ａ，２０
ｂ）２０から、両眼視差効果により立体視が可能となる
画像を投影させれば、前記鑑賞位置において、専用の眼
鏡を着用することなく立体視が可能な画像表示装置を得
ることができる。さらに、図５に示すように、３台以上
の複数台（図５中では４台）の画像投影手段（２０ａ，
２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）を用い、各画像投影手段（２
０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）からその位置に応じた
視差画像を投影させると、図７に示した画像表示装置よ
り水平方向に広い範囲で立体視が可能な画像表示装置を
得ることができる。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。

【００１９】

【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、非直交の合わせ鏡群
を含む水平方向に平板な指向性反射スクリーンを用いた
画像表示装置において、迷光がなく、全画面が鑑賞を鑑
賞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画像表示装置の概略構成
を示す上平面図である。

【図２】本発明の実施の形態の画像表示装置の鑑賞位置
における、反射光の水平広がり幅Ｗと指向性反射スクリ
ーン上の反射位置の関係を表すグラフである。

【図３】本発明の実施の形態の画像表示装置における、
画像投影手段の出射光束の水平広がり幅Ｖとシフト角γ
の関係を表すグラフである。

【図４】本発明の実施の形態の画像表示装置の他の例の
概略構成を示す側面図である。

【図５】本発明の実施の形態の画像表示装置の他の例の
概略構成を示す図である。

【図６】従来の合わせ鏡群の断面構造を示す断面図であ
る。

【図７】従来の画像表示装置の一例の概略構成を示す図
である。

【図８】従来の画像表示装置の概略構成を示す側面図で
ある。

【図９】従来の、挟角が非直交の合わせ鏡群を含む指向
性反射スクリーンにおける光線軌跡を説明するための図
である。

【図１０】従来の画像表示装置の他の例の概略構成を示
す図である。

【図１１】従来の、挟角が非直交の合わせ鏡群を含む指
向性反射スクリーンの他の例の断面構造を示す断面図で
ある。

【図１２】従来の画像表示装置の他の例の概略構成を示
す図である。

【図１３】従来の、挟角が非直交の合わせ鏡群を含む水
平方向に平板な指向性反射スクリーンを用いる画像表示
装置における、集光点の水平広がりを説明するための図
である。

【符号の説明】

１，２…鑑賞位置、３，３ａ，３ｂ…鑑賞者、１０…指
向性反射スクリーン、１１，３０，３１…合わせ鏡群、
１２…垂直方向拡散手段、２０，２０ａ〜２０ｄ…画像
投影手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者金子浩規茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者金子好之茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 5C061 AA06 AB12 AB16 AB17 AB24 5G435 AA01 BB02 BB17 CC11 DD05 DD06 GG01 GG46 LL15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】挟角が非直交の合わせ鏡群を含む水平方
向に平板な指向性反射スクリーンと、画像投影手段とを
備える画像表示装置であって、前記指向性反射スクリーンと画像投影手段とは、前記画
像投影手段から投影され、前記指向性反射スクリーンの
全ての反射点から反射された光束の少なくとも一部が、
少なくともある２点で重なるように配置されていること
を特徴とする画像表示装置。
【請求項２】挟角が非直交の合わせ鏡群を含む水平方
向に平板な指向性反射スクリーンと、画像投影手段とを
備える画像表示装置であって、前記画像投影手段の出射光束の水平広がり幅をＶ、前記
指向性反射スクリーンのシフト角をγ、投影画像の水平
幅をＤとするとき、前記画像投影手段と前記指向性反射
スクリーンの中心との距離Ｌが、下記式を満足すること
を特徴とする画像表示装置。Ｖ＞Ｄ²sinγ／４Ｌ×（（４Ｌ²＋Ｄ²）／（Ｄ²−4ＤＬ
sinγcosγ＋４Ｌ²cos ²γ））^1/2
【請求項３】前記指向性反射スクリーンの合わせ鏡群
は、複数の異なる狭角の合わせ鏡が周期的に配置されて
構成され、かつ、前記指向性反射スクリーンのシフト角
が、前記複数の異なる狭角の合わせ鏡のうち９０度との
差分が最も大きい挟角成分におけるシフト角であること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像表示
装置。