JP2011118256A - 立体表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速表示素子による時分割画像表示を用いることなく良好な三次元画像を実現する立体表示装置を提供する。
【解決手段】異なる偏光を射出する複数の画像表示装置1からの射出光を偏光ビームスプリッタ2又はワイヤーグリッド偏光板に次いで第１レンズ系3に通過させて投射する投射光学系のアイリス面に前記第１レンズ系3の主平面をほぼ一致させ、かつ前記アイリス面の近傍に、入射する光の偏光状態に応じてその偏光状態を空間的に制御する偏光空間制御デバイス6を配置してなるプロジェクタ100と、前記投射光学系の結像面近傍に前記アイリス面を結像させるスクリーンを構成する第２レンズ系7又はミラーとを有する構成とした。
【選択図】図３

Description

本発明は立体表示装置に関し、詳しくは、良視認を有する投射型立体表示装置に関する。

近年、三次元ディスプレイは次世代ディスプレイとして注目されてきており、テレビ、ゲーム、映画等のエンターテイメントの分野に加えて医療、デジタルサイネージ等の新しい分野においてその実現が強く期待されてきている。

このような分野において三次元ディスプレイは様々なサイズや環境への対応が可能であることが重要であり、更に特別なメガネを不要とすることが望まれている。

様々なサイズや環境への対応、大画面化という課題に対しては、プロジェクション方式はマイクロディスプレイによる画像をスクリーンに投射するという極めて簡単な構造であることから、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等の直視方式と比べて優れた性能を有しており、この特長を利用して近年、デジタルシネマ等において三次元プロジェクションディスプレイの実用化が進んでいる。しかし、これまでに実用化されてきたプロジェクション方式の三次元ディスプレイは偏光メガネまたは、液晶素子を用いた時分割シャッターメガネ等を必要としていた。

一方、メガネを不要とする三次元ディスプレイとして、レンティキュラレンズやパララックスバリアなどの固定光学素子を用いた方式が提案され、近年、携帯電話等の情報端末用ディスプレイとして実用化されてきている。しかし、これらの方式は解像度の低下や、モワレ、視差画像における空間的クロストーク等による三次元画像の劣化などの問題を有していた。

また一方、固定光学素子を用いず、メガネを不要とする三次元ディスプレイとして、時分割方向制御バックライトを用いた方式が提案されている。高速液晶表示素子と時分割方向制御バックライトから構成され、視差画像を時分割で表示することで解像度の低下、モワレ、従来の固定光学素子に起因するクロストークの発生を抑えることができる。しかし、この方式は高速な液晶素子が必要であり、十分な速度を有さない液晶素子を用いた場合、視差画像の時間的クロストークが発生し、三次元画像の劣化の問題が生じてしまう。更に、観測者位置がディスプレイ正面に限定され、観測者位置や視点数を増やすためには液晶素子の更なる高速化が要求されるが、その実現は極めて困難とされてきた。

したがって、高精細でかつ、特別なメガネや高速液晶表示素子を不要とし、観測者位置や視点数などに制限されることなく高品位な大画面・三次元画像を表示可能な三次元ディスプレイの実現が重要な課題となってきている。

これらの問題に対して、画像投射光学系において時分割で視差画像を表示する画像表示部とアイリス面近傍に透過率を空間的に制御する液晶シャッターを配置し、投射光学系の結像面近傍に投射光学系のアイリス面を結像させるレンズを配置した投射型立体表示装置が提案されている（非特許文献１）。

図１は、非特許文献１に記載の立体表示装置の概要を示す模式図である。投射光学系は、画像表示装置であるマイクロディスプレイ11と、該投射光学系のアイリス面（絞りが配置される面位置）に配置され、透過率を空間的に制御する液晶シャッター12を主平面に有するレンズ系(その１)13を有するプロジェクタ10、およびマイクロディスプレイ11の表示画像が結像15される位置にスクリーン用として配置されたレンズ系（その２）14の２種のレンズ系（レンズ系とは単レンズ又は複合レンズを指す。以下同じ）から構成される。

この時、アイリス面における液晶シャッター12が結像16される位置は観察者20の位置となっており、このことから画像表示装置11が左眼用画像を表示している場合、右眼シャッターを閉じることで画像は右眼20Rに提示されず、左眼20Lのみに画像が提示され（図１(a)）、反対に、画像表示装置11が右眼用画像を表示している場合、左眼シャッターを閉じることで画像は左眼20Lに提示されず、右眼20Rのみに画像が提示される。

従って、時分割で左右の画像を表示し、それに同期させてアイリス面（レンズ系(その１)13の主平面）にある液晶シャッター12を動作させることで解像度をロスすることなく高精細な3D画像を表示することが可能となる。

また、図２に示すように、液晶シャッターとして、観察者位置を追跡可能なセンサ（図示省略）の追跡信号に応じて開口位置を制御可能に構成されたマトリクス型液晶シャッター12M用い、観測者位置に応じてマトリクス型液晶シャッター12Mの開口位置を制御することにより、観察者の位置によらず視差画像を表示することができ、複数の位置からの三次元画像の観察が可能となる。図２は二人の観察者20₁，20₂に応じてマトリクス型液晶シャッター12Mの開口を制御した場合の図であり、二人に同じ視差画像を表示する。

また、一人の観察者の位置に応じて液晶シャッターの開口を制御し、それと同期させて視差画像を変化させると多眼式三次元ディスプレイを実現することができる。

Takahiro Ishinabe, Tohru Kawakami, Noriyuki Takahashi and Tatsuo Uchida: The Glassless 3D Projection display System using Spatially Divided Iris Plane Shutter with High Resolution, Proceedings of the 29th International Display Research Conference, pp. 215-218 (2009. 9. 16, Rome, Italy)

しかし、非特許文献１の立体表示装置では、時分割で視差画像を表示する必要があることから、前述の時分割方向制御バックライトを用いる方式と同様に高速な液晶デバイスを用いたマイクロディスプレイが必要であるという課題を有している。高速液晶デバイスとしては光学補償ベンド(Optically Compensated Bend)方式や強誘電液晶を用いる方式が提案されているが、高精細マイクロディスプレイとして実用化することは困難とされてきている。

そこで、本発明は、高速表示素子による時分割画像表示を用いることなく良好な三次元画像を実現する立体表示装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための本発明は、以下の通りである。
（１）
異なる偏光を射出する複数の画像表示装置からの射出光を偏光ビームスプリッタ又はワイヤーグリッド偏光板に次いで第１レンズ系に通過させて投射する投射光学系のアイリス面に前記第１レンズ系の主平面をほぼ一致させ、かつ前記アイリス面の近傍に、入射する光の偏光状態に応じてその偏光状態を空間的に制御する偏光空間制御デバイスを配置してなるプロジェクタと、
前記投射光学系の結像面近傍に前記アイリス面を結像させるスクリーンを構成する第２レンズ系又はミラーと
を有することを特徴とする立体表示装置。
（２）
前項（１）において、さらに観察者の両眼の位置を検出する装置を備え、該装置の検出した観察者の両眼の位置に追随して前記偏光空間制御デバイスが偏光制御を行う空間位置を変更することを特徴とする立体表示装置。

本発明によれば、高速表示素子による時分割画像表示を用いることなく良好な三次元画像を実現することができる。

非特許文献１に記載の立体表示装置の概要を示す模式図 図１において液晶シャッターとしてマトリクス型液晶シャッターを用いた形態の概要を示す模式図 本発明の実施形態の一例の概要を示す模式図（構造、原理の説明図） 本発明の実施例を示す模式図 実施例における観察角度と輝度の関係を示す曲線図 図３において偏光空間制御デバイスをマトリクス型とし、観察者の両眼の位置に追随して偏光回転させる位置（偏光制御を行う空間位置）を変更する機能をもたせた形態の概要を示す模式図

本発明の立体表示装置の構造および原理を以下、図３に示した実施形態の一例を用いて説明する。図３において、100はプロジェクタ、7は第２レンズ系である。

プロジェクタ100は、異なる偏光を射出する複数の画像表示装置からなるマイクロディスプレイ1（1Rは右眼用、1Lは左眼用）からの射出光を偏光ビームスプリッタ2に次いで第１レンズ系3に通過させて投射する投射光学系のアイリス面に前記第１レンズ系3の主平面をほぼ一致（好ましくは、前記アイリス面と前記主平面との面間距離が第１レンズ系3の焦点距離以内である）させ、かつ前記アイリス面の近傍（好ましくは、該アイリス面からの光軸方向位置ずれ量が第１レンズ系3の焦点距離以内の範囲である）に、入射する光の偏光状態に応じてその偏光状態を空間的に制御する偏光空間制御デバイス6を配置してなる。偏光ビームスプリッタ2の代わりにワイヤーグリッド偏光板を用いてもよい。

第２レンズ系7は、前記投射光学系の結像面近傍（好ましくは、該結像面からの光軸方向位置ずれ量が第２レンズ系7の焦点距離以内の範囲である）に前記アイリス面を結像（詳しくは、前記アイリス面近傍に配置された偏光空間制御デバイス6を結像、以下同じ）させるスクリーンを構成する。この例は透過型スクリーンの場合であるが、反射型スクリーンとする場合は第２レンズ系7の代わりにミラーを用いる。

画像表示部50は、右眼用画像と左眼用画像をそれぞれ表示する二つ（三つ以上でもよい）のマイクロディスプレイ1R,1Lと偏光ビームスプリッタ2から構成される。それぞれのマイクロディスプレイ1R,1Lからは水平、垂直という点で相異なる偏光の画像光が射出される。それぞれのマイクロディスプレイ1R,1Lから射出された光は偏光ビームスプリッタ2に入射し、進行方向を一つに揃えた後、投射光学系のアイリス面へと導かれる。ここで右眼用あるいは左眼用の画像を表示するマイクロディスプレイ1R,1Lはネマティック液晶を用いた液晶素子、強誘電液晶を用いた液晶素子、LCOS（Liquid Crystal on Silicon）を用いた反射型液晶素子、DMD(Digital Mirror Device)素子などのMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスであってもよく、またそれらを構成する素子の数は一つでも複数でも良い。

偏光空間制御デバイス6は、偏光制御素子4および偏光板5から構成される。偏光制御素子4は、例えば図３に示す捻れネマティック型液晶だけでなく、水平配向型液晶、垂直配向型液晶、ベンド配向型液晶、強誘電液晶、ハイブリッド配向型液晶等の電界制御複屈折型液晶素子(Electrically Controlled Birefringence: ECB)方式の液晶、あるいは高分子を延伸した位相差フィルムでもよい。偏光制御素子4を用いて、アイリス面に偏光を90°回転させる領域と回転させない領域とを作るように構成されている。このため、偏光空間制御デバイス6に右眼用および左眼用の画像の光が入射すると、その偏光状態によってアイリス面を通過する領域が分割され、第１レンズ系3から射出される。

そして、前記投射光学系の結像面近傍に前記アイリス面を結像させるスクリーンとしての第２レンズ系7（あるいはミラー。以下同じ）が存在するので、第１レンズ系3から射出された画像光は、第２レンズ系7の位置で結像し、さらに、前記アイリス面が観察者位置に結像されることになるため、前記アイリス面における異なる空間位置を通過した右眼用、左眼用の画像は図３に示すように観察者の右眼20Rと左眼20Lのそれぞれの位置に結像される。

このような構成とすることで、時分割で視差画像を表示することなく、視差画像を観察者のそれぞれの眼に届けることができるようになる。

さらに、例えば図６に示すように、偏光空間制御デバイス6において偏光制御素子4をマトリクス型のものに変更してなるマトリクス型偏光空間制御デバイス6Aを用い、かつ観察者の両眼の位置を検出する装置（図示省略）を備え、該装置の検出した観察者の両眼の位置に追随してマトリクス型偏光空間制御デバイス6Aが偏光制御を行う空間位置を変更することで、観測者の位置によらず視差画像を表示することができる。

つまり、本発明による立体表示装置は、プロジェクタ内の投射光学系におけるアイリス面近傍に配置されたデバイス（偏光空間制御デバイス）により入射した画像の偏光状態を制御することで、スクリーンに結像した画像の進行方向を制御し、立体画像を表示するものである。図３のように前記デバイスが偏光状態を制御する領域を２つとし、その境界を前記デバイスの中心とすると、スクリーン正面を中心に右眼用画像、左眼用画像と分かれるが、その境界をデバイスの中心からずらすと右眼画像と左眼画像の境界がスクリーン（第２レンズ系）正面から斜め方向にずれることになる。したがって、図６のように、観察者の位置を検出する装置（図示省略）を用いて観察者20₁,20₂がスクリーン正面に対してどの位置にいるかを検出し、それに合わせて前記デバイスが偏光を制御する領域の境界をデバイス中心からずらすことで、スクリーンに対して斜め位置にいる観察者に対しても右眼用画像と左眼用画像を送ることができるようになる。この様な形態の装置とすることで、観察者の位置によらず立体画像を表示することができるほか、複数の観察者がいる場合、それぞれの観察者の位置に対して、前記デバイスが偏光を制御する境界を複数つくることによって、複数の観察者に対しても同じ立体画像を観察させることができるようになる。

本発明では、パララクスバリアやレンティキュラレンズなどの固定光学素子を用いないことからモワレや空間的、時間的クロストークによる三次元画像の劣化が生じない。また、画像表示部、偏光空間制御デバイス共に高速な時分割制御を必要としない。

本発明の実施例（偏光空間制御・投射型三次元ディスプレイ）について説明する。図４に示すとおり、焦点距離f=200mm, サイズD=75mmのレンズを二枚積層し、第１レンズ系3を構成した。これら二枚のレンズの間に捻れネマティック型液晶と一枚の偏光子から構成される、偏光空間制御デバイス6を装入した。この場合、前記二枚のレンズの間がアイリス面となる。該アイリス面から画像表示部50までの距離を173mmとした。

次に画像が第１レンズ系3によって結像する位置に焦点距離f=400mm, サイズD=200mmのレンズを二枚用いて構成した第２レンズ系7を配置した。このような位置にスクリーン用として第２レンズ系7を配置することにより前記アイリス面は第２レンズ系7から1000mm離れた位置に結像されることとなる。

画像表示部50、偏光空間制御デバイス6は以下のようにして作成した。

画像表示部50、偏光空間制御デバイス6の構成要素に用いる液晶材料としてTD5003（株式会社チッソ）、配向膜としてSE7210（株式会社日産化学工業）を使用した。透明電極(ITO)付きガラス基板上に配向膜をスピンコートにより塗布し、膜厚を制御した後、130℃で焼成した。配向膜面上をラビング処理し、上下基盤においてラビング方向が直交するように重ね合わせた。重ね合わせの際にはセル厚が10μmとなるようにスペーサをあらかじめ片側のガラス基板上に散布した。最後に液晶を導入し、導入部を封止した。偏光板は株式会社日東電工製ヨウ素系偏光板EGW1225DUを使用し、偏光制御素子用としては液晶素子の片側（観察者20側）に配置し、画像表示部50用には両側に配置した。その際、右眼画像用液晶素子と左眼画像用液晶表示素子から水平および垂直の相異なる偏光が射出されるように偏光板を配置し、偏光ビームスプリッタ（株式会社エドモンド・オプティクス・ジャパン社製広帯域キューブ型ビームスプリッターを使用）の側面に配置した。偏光制御素子用の液晶素子は透明電極を二分割して作製した。

図５に、右眼20Rおよび左眼20Lの領域における観察位置（観察角度で表わされる）に対する明るさ（輝度）の変化を測定した結果を示す。ここで右眼用液晶表示素子は黒状態を表示した状態としている。

図５に示されるとおり、本実施例の立体表示装置（偏光空間制御・投射型三次元ディスプレイ）は、非特許文献１に記載の立体表示装置（時分割・投射型三次元ディスプレイ）と同様、右眼領域と左目領域の境界において明るさが急峻に変化しており、従来のレンティキュラレンズやパララックスバリアを用いた方式と比較して、クロストークが無い、極めて良好な特性が実現されていることを確認した。

1 マイクロディスプレイ（複数の画像表示装置からなる；添字のRは右眼用、Lは左眼用）
2 偏光ビームスプリッタ
3 第１レンズ系
4 偏光制御素子
5 偏光板
6 偏光空間制御デバイス
6A マトリクス型偏光空間制御デバイス
7 第２レンズ系
10 プロジェクタ（従来例）
11 マイクロディスプレイ（画像表示装置）
12 液晶シャッター
12M マトリクス型液晶シャッター
13 レンズ系（その１）
14 レンズ系（その２）
15 結像（マイクロディスプレイ表示画像の結像）
16 結像（液晶シャッターの結像）
17 観察可能領域
20 観察者
20R 右眼
20L 左眼
50 画像表示部
100 プロジェクタ（本発明例）

Claims (2)

1. 異なる偏光を射出する複数の画像表示装置からの射出光を偏光ビームスプリッタ又はワイヤーグリッド偏光板に次いで第１レンズ系に通過させて投射する投射光学系のアイリス面に前記第１レンズ系の主平面をほぼ一致させ、かつ前記アイリス面の近傍に、入射する光の偏光状態に応じてその偏光状態を空間的に制御する偏光空間制御デバイスを配置してなるプロジェクタと、
   前記投射光学系の結像面近傍に前記アイリス面を結像させるスクリーンを構成する第２レンズ系又はミラーと
   を有することを特徴とする立体表示装置。
2. 請求項１において、さらに観察者の両眼の位置を検出する装置を備え、該装置の検出した観察者の両眼の位置に追随して前記偏光空間制御デバイスが偏光制御を行う空間位置を変更することを特徴とする立体表示装置。