JP2008116733A - 立体画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大型化することなく、高画質で奥行き感のある立体画像を表示することのできる立体画像表示装置を提供する。
【解決手段】 水平及び垂直の各方向にそれぞれ複数の領域に区分された空間光変調素子により、照明ランプの光を空間変調して領域ごとの画像光を出射する。空間光変調素子より出射された各画像光の光路を、光路変更素子によって、水平方向に並ぶ画像光の群それぞれが互いに一つの領域に対応する画像光分ずつ水平方向にずれるように変更し、それぞれ複数の投影素子によって垂直拡散スクリーンに投影する。一枚の空間光変調素子から複数の画像が得られるので、隣り合う投影素子の光軸どうしのピッチを決める際の制約が軽減され、高画質で奥行き感のある立体画像を表示することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、立体の静止画像や動画像を投影して表示する立体画像表示装置に関する。

従来から、光を投射して画像を生成し、スクリーン等に表示するプロジェクタがある。一般的に、プロジェクタは白色ランプを光源とし、この白色ランプから発せられた光を例えば液晶表示素子等の変調素子で変調して画像光を生成し、各種のレンズを用いてその生成された画像光をスクリーン等に投影する。また、上記液晶表示素子が複数設けられ、あるいはプロジェクタ自体が複数設けられ、それぞれの液晶表示素子やプロジェクタで視差のある画像を生成して投射レンズにより投射させることにより、立体画像を表示する装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

高画質、高精細で、自然な立体画像を表示するためには、各プロジェクタからそれぞれ投射される個々の画像同士のずれ量や、各プロジェクタの光軸同士のピッチを極力小さくする必要がある。
特開２００２−２５８２１５号公報（図４）

しかし、各々のプロジェクタから独立した画像を投影するためには、プロジェクタごとに空間光変調素子を用いる必要がある。このため、高画質で奥行き感のある立体画像を表示するために隣り合うプロジェクタの光軸同士のピッチを極力小さくする必要があるものの、各プロジェクタの空間光変調素子が占める空間によって、そのピッチとして取り得る最小値が制限されるという問題があった。また、プロジェクタごとの空間光変調素子を駆動するためのドライブ回路や光源なども必要となることから、プロジェクタのサイズが大きくなり、コスト高にもつながるという問題もあった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、大型化することなく、高画質で奥行き感のある立体画像を表示することのできる立体画像表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る立体画像表示装置は、光源と、水平及び垂直の各方向にそれぞれ複数の領域に区分され、前記光源の光を空間変調して前記領域ごとの画像光を出射する空間光変調素子と、前記空間光変調素子より出射された各画像光の光路を、水平方向に並ぶ画像光の群それぞれが互いに一つの領域に対応する画像光分ずつ水平方向にずれるように変更する光路変更素子と、前記光路変更素子より出射された前記領域ごとの画像光をそれぞれ個別に入射してスクリーンに投影する複数の投影素子とを具備する。

この発明によれば、一つの空間光変調素子を用いて複数の画像光が得られるので、従来のようにプロジェクタごとに空間光変調素子を用いて同等の画質を得る場合に比べ、空間光変調素子を駆動するドライブ回路や光源などの部品の点数を減らすことができるとともに、隣り合う投影素子の光軸どうしのピッチを決める際の制約が軽減され、大型化することなく、高画質で奥行き感のある立体画像を表示することができる。さらに、空間光変調素子の各列の領域に対応する各画像光が投影光学系に入射する位置が、一列ごとに水平方向に一つの領域に対応する画像光分ずつずれるので、投影画像の水平方向における数が増え、それだけ高画質で奥行き感のある立体画像が得られる。

本発明において、光路変更素子は、例えば、入射光の光軸に対してそれぞれ傾けて配置され、かつ前記光軸の方向に互いにずらして配置された複数の光反射面を有するミラーなどによって構成される。

さらに、本発明において、スクリーンは、複数の投影素子より出射された画像光をそれぞれ垂直方向に拡散して、水平方向に連続的な視点の画像として投影する垂直拡散スクリーンなどによって構成される。

また、本発明において、前記空間光変調素子は複数であり、前記光路変更素子は、前記複数の空間光変調素子より出射された各画像光の光路を、空間光変調素子ごとに水平方向に並ぶ画像光の群それぞれが互いに一つの領域に対応する画像光分ずつ水平方向にずれるように変更するものとしてもよい。

この発明によれば、投影画像の水平方向における数を、一つの空間光変調素子のサイズの制約を受けることなく増やすことができ、それだけ高画質で奥行き感のある立体画像を表示することができる。

以上のように、本発明によれば、大型化することなく、高画質で奥行き感のある立体画像を表示することのできる立体画像表示装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る立体画像表示装置の概略を示す斜視図である。同図に示すように、この立体画像表示装置１０は光線再生法を用いて立体画像の表示を行う装置である。この立体画像表示装置１０は、土台となるベース１と、ベース１の上にそれぞれ設けられた基板保持部３、プロジェクタベース５及びスクリーン枠７と、プロジェクタベース５に設けられたプロジェクタ部９と、基板保持部３に保持され、プロジェクタ部９を駆動及び制御する回路が実装された基板１１と、スクリーン枠７に保持され、プロジェクタ部９から投射される複数の画像光をそれぞれ垂直方向（Ｚ方向）に拡散して、水平方向（Ｙ方向）に連続的な視点の画像が投影される垂直拡散スクリーン１２と、図示しない冷却ファンなどで構成される。

光線再生法では、画像を撮像するときに複数のカメラが用いられ、そのカメラごとに担当する撮像範囲が設定され、各カメラによって撮像されたそれぞれ視差のある画像が用意される。そして、当該視差の角度やそれに伴う屈折率等が計算され、その計算結果に基づき各画像が加工され、この加工処理により得られたそれぞれの画像が合成されることで１つの立体画像フレームが生成される。この実施の形態では、その複数のカメラによって撮像された個々の画像に対応する画像光がプロジェクタ部９から垂直拡散スクリーン１２に向けて投射され、垂直拡散スクリーン１２においてそれぞれ垂直方向に長い縦ラインの画像の連続として投影されるようになっている。

次に、プロジェクタ部９の構成を図２及び図３を用いて説明する。図２は図１のプロジェクタ部９を拡大して示す斜視図、図３はそのプロジェクタ部９の構成を模式的に示した図である。

これらの図に示すように、プロジェクタ部９は、光源である照明ランプ２１、ダイクロイックミラー２３、空間光変調素子２５（２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ）、反射光学系２７、拡大・テレセントリック光学系２９、光路変更素子３１、及び投影光学系３３を備えている。なお、図１及び図２において、ダイクロイックミラー２３の図示は省略されている。

照明ランプ２１は、白色光を出射するランプであり、具体的には例えば超高圧水銀ランプなどが用いられている。ダイクロイックミラー２３は、照明ランプ２１より入射した白色光を青、緑、赤の三原色に色分解して反射光学系２７に入射するためのミラーである。

空間光変調素子２５（２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ）は、ダイクロイックミラー２３より入射した青、緑、赤ごとの光を変調して画像光を生成する光変調素子であり、この実施の形態では、反射型の液晶素子が用いられている。以降、青、緑、赤の色ごとに空間光変調素子を区別しない場合には、空間光変調素子の符号として２５を用いることとする。

空間光変調素子２５の全体の領域はそれぞれ共通に、垂直方向（Ｚ方向）にｎ個、水平方向（Ｙ方向）にｍ個の計（ｎ×ｍ）個に区分され、区分されたそれぞれの領域の画像が投影光学系３３の個々の投影素子３３ａから投影されることとしている。ここで、垂直、水平の向きは空間光変調素子２５に表示される画像の向きとも一致している。空間光変調素子２５のそれぞれの領域には投影光学系３３の個々の投影素子３３ａから投射されるべき異なる画像が表示されるように、基板１１に実装された回路によって、空間光変調素子２５への各領域ごとの画像データの供給が制御されるようになっている。空間光変調素子２５の各領域と投影光学系３３の各投影素子３３ａとの位置的な関係については後で説明する。

なお、この実施形態では、図４に示すように、ｎ＝３、ｍ＝３とされ、一つの空間光変調素子２５で計９個の画像光を生成するものとしている。投影素子３３ａは立体画像における一つの画素に相当するので、高画質な立体画像を得るためには投影素子の数はできるだけ多い方がよい。したがって、ｎ、ｍとも３以外の数としてもよい。

空間光変調素子２５としては、反射型の液晶表示素子の他に、透過型の液晶表示素子、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）等を用いることもできる。この場合には、空間光変調素子は青、緑、赤ごとに用意せずに一つでよく、ダイクロイックミラー２３及び反射光学系２７は不要である。

反射光学系２７は、青、緑、赤の空間光変調素子２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂによってそれぞれ空間変調された三原色の光をクロスプリズムによって合成する光学系である。

拡大・テレセントリック光学系２９は、反射光学系２７より入射した画像光を拡大し、平行光にして光路変更素子３１に入射するための光学系である。

光路変更素子３１は、拡大・テレセントリック光学系２９より入射した、空間光変調素子２５の各領域の画像光をそれぞれ、投影光学系３３の対応する位置の投影素子３３ａに入射されるように導く光学素子である。この光路変更素子３１は、より具体的には３つの光反射面３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを持ち、それぞれの光反射面３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは入射光の光軸に対して同一の角度傾けて配置されているとともに、入射光の光軸方向において一定のピッチずつずらして配置されている。

投影光学系３３においては、垂直方向（Ｚ方向）にｎ個、水平方向（Ｙ方向）に（ｍ＋２）個の投影素子３３ａがそれぞれ水平方向と垂直方向に互いに隣接して配設されている。すなわち、投影光学系３３における投影素子３３ａの垂直方向の数は空間光変調素子２５の垂直方向の領域の数と同じとされ、投影素子３３ａの水平方向の数は空間光変調素子２５の水平方向の領域の数より２つ多い。

投影光学系３３としては、図３に示すように、例えば、円形レンズの複数を二次元アレイ状に敷き詰めたレンズアレイ３３１と、レンズアレイ３３１の個々のレンズに対応するようにピンホールを設けた光遮蔽板３３２とを用いたものなどが採用されている。レンズアレイ３３１のレンズの焦点はフレネルレンズ１４までの光路の途中にあり、光遮蔽板３３２はピンホールが、その焦点に位置するように配置されている。すなわち、光遮蔽板３３２のピンホールを通じて光が通過してくるが、光遮蔽板３３２の裏側の様子は目視者の側からは見えないようになっている。この場合、レンズアレイ３３１の一つのレンズとこれに対応する光遮蔽板３３２のピンホールが、一つの投影素子３３ａに相当する。

次に、プロジェクタ部９の構成の要部とその作用を詳細に説明する。

図５は、図４に示したように、空間光変調素子２５を縦横３×３の計９個の領域に区分して用いる場合の、それらの領域と投影光学系３３の各投影素子３３ａとの対応関係を示した図である。同様に図２にもその関係が斜視図として示されている。

図４に示したように、Ａ−１，Ａ−２，・・・，Ａ−９は空間光変調素子２５の個々の領域であり、Ａ−１，Ａ−２，Ａ−３を「第一列目の領域群」と呼ぶこととする。同様に、Ａ−４，Ａ−５，Ａ−６を「第二列目の領域群」、Ａ−７，Ａ−８，Ａ−９を「第三列目の領域群」と呼ぶこととする。

青、緑、赤の各空間光変調素子２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂそれぞれの、個々の領域に表示された画像によって空間変調がそれぞれ施され、反射光学系２７にて一つに合成された画像光は、拡大・テレセントリック光学系２９によって拡大され、かつ平行光とされて、光路変更素子３１の３つの光反射面３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃに入射する。

この際、空間光変調素子２５の第一列目の領域群に対応する各画像光は３つの光反射面３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのうちの一番上の光反射面３１Ａに、第二列目の領域群に対応する各画像光は中間の光反射面３１Ｂに、そして第三列目の領域群に対応する各画像光は一番下の光反射面３１Ｃにそれぞれ入射し、それぞれの光反射面３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃにて入射した光の向きが投影光学系３３の光軸方向へと変えられる。さらに、光路変更素子３１の３つの光反射面３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは入射光の光軸方向において一定のピッチずつずらして配置されていることを既に述べたが、そのピッチは、投影光学系３３の光軸方向から見て、空間光変調素子２５の上下隣接する各領域に対応する画像光どうしが互いに一つの領域に対応する画像光分ずつ水平方向にずれるような値に設定されている。これにより、空間光変調素子２５の各領域Ａ−１，Ａ−２，・・・，Ａ−９の画像光は、光路変更素子３１の３つの光反射面３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃでの反射を経て、投影光学系３３の次に説明する位置の投影素子３３ａに入射する。

ここで、空間光変調素子２５の各領域Ａ−１，Ａ−２，・・・，Ａ−９と投影光学系３３の投影素子３３ａとの対応関係を説明する。図２及び図５に示すように、この実施形態では、垂直方向（Ｚ方向）に３個、水平方向（Ｙ方向）に５個の計１５個の投影素子３３ａで投影光学系３３が構成されている。３つの光反射面３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのうち一番上の光反射面３１Ａを反射した第一列目の領域群（Ａ−１，Ａ−２，Ａ−３）に対応する３つの画像光は、投影光学系３３の最上列の左よりの３つの投影素子３３ａに入射し、中間の光反射面３１Ｂを反射した第ニ列目の領域群（Ａ−４，Ａ−５，Ａ−６）に対応する３つの画像光は、投影光学系３３の中段列の中央よりの３つの投影素子３３ａに入射し、一番下の光反射面３１Ｃを反射した第三列目の領域群（Ａ−７，Ａ−８，Ａ−９）に対応する３つの画像光は、投影光学系３３の最下列の右よりの３つの投影素子３３ａに入射する。なお、ここで左右は、光が投影光学系３３へ進む方向から見た場合のものである。このように、空間光変調素子２５の各列の領域に対応する各画像が投影光学系３３に入射する位置は、一列ごとに水平方向（Ｙ方向）に、一つの領域に対応する画像光分ずつずれることとなる。

投影光学系３３の各投影素子３３ａより出射された各画像光は、図３に示すように、フレネルレンズ１４にて略平行光とされ、垂直拡散スクリーン１２に投射される。垂直拡散スクリーン１２は、例えば、その平行光線をその光線の方向に対し垂直方向（Ｚ方向）に屈折させる垂直拡散板としてのレンチキュラーシートと、その屈折された光線を拡散させる拡散部材などで構成される。これによりスクリーン１２において、各投影素子３３ａから画像光は、それぞれ垂直方向に長い縦ラインの画像の連続として投影され、目視者から立体画像として見ることができる。

以上説明したように、この実施形態によれば、プロジェクタごとに空間光変調素子を用いる従来の構成に比べ、次のような効果を奏し得る。

一組の空間光変調素子２５（２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ）を用いて複数の画像光が得られるので、従来のようにプロジェクタごとに空間光変調素子を用いて同等の画質を得る場合に比べ、部品の点数を減らすことができる。例えば、空間光変調素子を駆動するドライバ回路、照明ランプなどが一つで済む。よって、装置の小型化、およびコストダウンを図ることができる。

また、高画質で奥行き感のある立体画像を表示するためには、隣り合う投影素子の光軸どうしのピッチを極力小さくする必要があるものの、従来のようにプロジェクタごとに空間光変調素子を用いた場合、各々の空間光変調素子が占める空間によって、そのピッチとして取り得る最小値が制限され、結果的にプロジェクタのサイズが大きなものになったり、サイズの制約されたプロジェクタにおいて高画質で奥行き感のある立体表示の実現が困難であったが、この実施形態では、一枚の空間光変調素子から複数の画像が得られるので、隣り合う投影素子の光軸どうしのピッチを決める際の制約が軽減され、高画質で奥行き感のある立体画像を表示することができる。

さらに、この実施形態では、光路変更素子３１の各光反射面３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを入射光の光軸方向に一定のピッチずつずらして配置したことによって、空間光変調素子２５の各列の領域に対応する各画像光が投影光学系３３に入射する位置が、一列ごとに水平方向に一つの領域に対応する画像光分ずつずれる。この結果、投影画像の水平方向における数が増え、それだけ高画質で奥行き感のある立体画像が得られる。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係るプロジェクタ部４０の構成を模式的に示した図である。 この実施形態では、図３に示した第１の実施形態の構成に、照明ランプ１２１、ダイクロイックミラー１２３、空間光変調素子１２５（１２５Ｒ，１２５Ｇ，１２５Ｂ）、反射光学系１２７、及び拡大・テレセントリック光学系１２９、及びミラー１３５，１３７が付加されたものである。

照明ランプ１２１、ダイクロイックミラー１２３、空間光変調素子１２５（１２５Ｒ，１２５Ｇ，１２５Ｂ）、反射光学系１２７、及び拡大・テレセントリック光学系１２９は、図３に示した第１の実施形態の照明ランプ２１、ダイクロイックミラー２３、空間光変調素子２５（２５Ｒ，２５Ｇ，２５Ｂ）、反射光学系２７、及び拡大・テレセントリック光学系２９と同じものであり、要するに、この実施形態は、一つの空間光変調素子を用いてｎ×ｍ個の画像光を生成するための同一の光学系が２組組み込まれている。

ミラー１３５，１３７は、追加された光学系から出射された複数の画像光を光路変更素子３１へと導くためのミラーである。

図７は、図８に示すように、２つの空間光変調素子２５，１２５をそれぞれ縦横３×３の計９個の領域に区分して用いる場合の、個々の領域と投影光学系３３の投影素子３３ａとの対応関係を示した図である。ここで、Ａ−１，Ａ−２，・・・，Ａ−９は一方の空間光変調素子２５の個々の領域であり、Ａ−１，Ａ−２，Ａ−３は第一列目の領域群、Ａ−４，Ａ−５，Ａ−６は第二列目の領域群、Ａ−７，Ａ−８，Ａ−９は第三列目の領域群である。また、Ｂ−１，Ｂ−２，・・・，Ｂ−９は他方の空間光変調素子１２５の個々の領域であり、Ｂ−１，Ｂ−２，Ｂ−３は第一列目の領域群、Ｂ−４，Ｂ−５，Ｂ−６は第二列目の領域群、Ｂ−７，Ｂ−８，Ｂ−９は第三列目の領域群である。

このように、それぞれの空間光変調素子２５，１２５に対応する各画像が投影光学系３３に入射する位置は、一列ごとに水平方向（Ｙ方向）に一つの領域に対応する画像光分ずつずれるとともに、水平方向に連続することとなり、投影画像の水平方向における数を増やすことができる。すなわち、一つの空間光変調素子のサイズの制約を受けることなく投影画像の水平方向における数を増やすことができる。

なお、ここでは２つの空間光変調素子２５，１２５を用いることとしたが、３つ以上の空間光変調素子を同様に用いて、投影画像の水平方向における数をさらに増やしてもよいことは言うまでもない。

以上、好ましい実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述したいずれの実施形態にも限定されず、本発明の技術思想の範囲内で適宜変更し或は上述した各実施形態を組み合わせて実施できるものである。

第１の実施形態に係る立体画像表示装置の概略を示す斜視図である。 図１のプロジェクタ部を拡大して示す斜視図である。 図１のプロジェクタ部の構成を模式的に示した図である。 空間光変調素子の区分領域を示す図である。 図４の空間光変調素子の各領域と投影光学系の各投影素子との対応関係を示す図である。 第２の実施形態に係るプロジェクタ部の構成を模式的に示した図である。 図６の２つの空間光変調素子の各領域と投影光学系の各投影素子との対応関係を示す図である。 図６の２つの空間光変調素子の区分領域を示す図である。

符号の説明

９ プロジェクタ部
１０ 立体画像表示装置
１２ 垂直拡散スクリーン
２１ 照明ランプ
２３ ダイクロイックミラー
２５ 空間光変調素子
２７ 反射光学系
３１ 光路変更素子
３３ 投影光学系

Claims (4)

1. 光源と、
   水平及び垂直の各方向にそれぞれ複数の領域に区分され、前記光源の光を空間変調して前記領域ごとの画像光を出射する空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子より出射された各画像光の光路を、水平方向に並ぶ画像光の群それぞれが互いに一つの領域に対応する画像光分ずつ水平方向にずれるように変更する光路変更素子と、
   前記光路変更素子より出射された前記領域ごとの画像光をそれぞれ個別に入射してスクリーンに投影する複数の投影素子とを具備することを特徴とする立体画像表示装置。
2. 前記光路変更素子は、入射光の光軸に対してそれぞれ傾けて配置され、かつ前記光軸の方向に互いにずらして配置された複数の光反射面を有するミラーであることを特徴とする請求項１に記載の立体画像表示装置。
3. 前記スクリーンは、複数の投影素子より出射された画像光をそれぞれ垂直方向に拡散して、水平方向に連続的な視点の画像として投影する垂直拡散スクリーンであることを特徴とする請求項１に記載の立体画像表示装置。
4. 前記空間光変調素子は複数であり、前記光路変更素子は、前記複数の空間光変調素子より出射された各画像光の光路を、空間光変調素子ごとに水平方向に並ぶ画像光の群それぞれが互いに一つの領域に対応する画像光分ずつ水平方向にずれるように変更することを特徴とする請求項１に記載の立体画像表示装置。

Images