JP4835957B2 - 投射型立体表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、反射型液晶パネルおよび偏光子を含む光学系を有する投射型立体表示装置に関する。

投射型立体表示装置として、観察者の左目と右目にそれぞれ独立の画像を提供し、両眼
視差を用いて立体視を可能にするものがあり、これには種々の方式が提案されている。例えば、２台の投射型表示装置（プロジェクタ）を用い、偏光方向の互いに直交した左視用映像と右視用映像とを重ねて投射し、偏光方向の直交した偏光板を左右のレンズに用いた眼鏡でこれを鑑賞することで、立体視を体感することができる。

更に、単一のプロジェクタ内に備えられた２枚の反射型液晶パネルから互いに偏光方向が直交した左視用映像と右視用映像を得て、これらを偏光ビームスプリッタのような反射型偏光子を用いて空間的に重畳して立体表示を可能にしたものがある（例えば、特許文献１）。これによれば１台のプロジェクタにより立体表示を実現可能である。

特開２００１−４９５７号公報

上記のような従来の立体表示装置では、偏光ビームスプリッタが両パネルから反射された映像光を合成することによって立体表示を可能としている。

ところが、このような立体表示装置における偏光ビームスプリッタは、光源からの入射光を２枚の反射型液晶パネルへ分配する機能を兼ねている。そのため、光源からの入射光は、直交した偏光成分を同じ分量だけ含んだ無偏光状態である必要がある。これはランプや発光ダイオードのような無偏光な光源を用いる場合には好都合である。

しかしながら、レーザのような偏光した光源を用いる場合には、予め無偏光状態に変換する必要があり、そのため部品点数が増加すると共に、光損失も増大してしまう。レーザ光源はランプや発光ダイオードに比べると低消費電力であり集光性が高く、色純度が極めて高いことから、より高効率で広色域なプロジェクタの実現が可能である。また、上述した反射型液晶パネルを用いたプロジェクタは、高精細で大画面な立体表示を安価な装置で実現可能である。このようなことから、直線偏光性を有するレーザを光源としてそのまま利用することが可能な光学構成が必要とされていた。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、直線偏光の光源を用いることができ、反射型液晶パネルを用いたプロジェクタ単体による立体表示を簡素な光学系により実現可能な投射型立体表示装置を提供することにある。

本発明の第１および第２の投射型立体表示装置は、一の直線偏光を出射する光源と、光源からの直線偏光を入射すると共に、互いに直交する直線偏光によって左右の視差を有する第１映像および第２映像を表示する立体表示光学系とを備えたものである。この立体表示光学系は、第１の投射型立体表示装置では、光源からの直線偏光を入射すると共に、互いに直交する直線偏光によって左右の視差を有する第１映像および第２映像を表示する立体表示光学系とを備え、立体表示光学系は、光源からの直線偏光を映像信号に応じて変調して反射する第１反射型液晶パネルと、光源からの直線偏光を映像信号に応じて変調して反射する第２反射型液晶パネルと、第１反射型液晶パネルからの反射光から第１映像を分離する第１偏光素子と、第１映像の偏光方向を直交方向に変換する位相差素子と、第２反射型液晶パネルからの反射光から第２映像を分離すると共に、第２映像と位相差素子により偏光方向が変換された第１映像とを重畳する第２偏光素子とを有している。第２の投射型立体表示装置では、光源からの直線偏光の偏光方向を直交方向に変換する位相差素子と、直交方向に変換された直線偏光を映像信号に応じて変調して反射する第１反射型液晶パネルと、光源からの直線偏光を映像信号に応じて変調して反射する第２反射型液晶パネルと、第１反射型液晶パネルからの反射光から第１映像を分離する第１偏光素子と、第２反射型液晶パネルからの反射光から第２映像を分離すると共に、第２映像と位相差素子により偏光方向が変換された第１映像とを重畳する第２偏光素子とを有している。

本発明の第１および第２の投射型立体表示装置では、光源からの一の直線偏光は第１偏光素子および第２偏光素子を透過してそれぞれ第１反射型液晶パネルおよび第２反射型液晶パネルに到達する。これら到達した直線偏光は、第１反射型液晶パネルおよび第２反射型液晶パネルによってそれぞれ左視用および右視用となる第１，第２映像に応じた偏光方向の変調が加えられて反射される。これらの反射光は、第１の投射型立体表示装置では、第１，第２偏光素子によって偏光分離されて第１映像および第２映像となると共に、第１映像は位相差素子によって偏光方向を直交方向に変換されたのち、第２偏光素子において第２映像と空間的に重畳される。第２の投射型立体表示装置では、位相差素子（λ／２波長板）は光源と第１偏光光素子との間に配置され、光源からの直線偏光は第１偏光素子を透過する前に偏光方向を直交方向に変換される。

本発明の第１および第２の投射型立体表示装置によれば、第１偏光素子および第２偏光素子の機能としては、第１反射型液晶パネルおよび第２反射型液晶パネルそれぞれからの反射光を偏光分離し、２種類の映像を合成する機能のみでよく、入射光の第１反射型液晶パネルおよび第２反射型液晶への分配機能は不要となる。よって、簡素な光学系で直線偏光の光源として用いることが可能となると共に、集光性が高く低消費電力なレーザを光源として用いることにより、従来よりも高効率で高機能な投射型立体表示装置を実現することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る投射型立体表示装置の構成を表す図である。 カラー表示用の立体表示装置の構成を表す図である。 第２の実施の形態に係る立体表示装置の構成を表す図である。 変形例１に係る立体表示装置の構成を表す図である。 変形例２に係る立体表示装置の構成を表す図である。 変形例３に係る立体表示装置の構成を表す図である。 従来の立体表示光学系にレーザ光源を適用した比較例を表す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
（１）第１の実施の形態：基本構成を表す例
（２）比較例：従来の立体表示光学系にレーザを適用した場合の構成例
（３）応用例１：基本構成をカラー表示に適用した例
（４）第２の実施の形態：第１偏光素子を他の偏光素子に置き替えた例
（５）変形例１：２つの反射型液晶パネルを一体化した例
（６）変形例２：第１映像と第２映像の光路長を同じとした例
（７）変形例３：円偏光を用いて投射する例

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る投射型立体表示装置（以下，立体表示装置という）１の構成を表したものである。この立体表示装置１は、外部から供給される入力映像信号に基づいて映像の立体表示を行うものであり、大別して光源１０と立体表示光学系２０とにより構成されている。

光源１０はレーザ（ＬＤまたは固体レーザ）であり、この光源１０からのレーザ光１０ａはここでは例えば紙面と平行な方向（図中の矢印方向）の直線偏光成分（第１直線偏光成分）を有するものとする。

立体表示光学系２０は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ａおよび第１反射型液晶パネル２２Ａからなる第１変調部２３Ａと、第２偏光ビームスプリッタ２１Ｂおよび第２反射型液晶パネル２２Ｂからなる第２変調部２３Ｂとを有する。第１変調部２３Ａと第２変調部２３Ｂとの間には位相差素子としてのλ／２波長板２４が配設されている。第２変調部２３Ｂにおける第２偏光ビームスプリッタ２１Ｂの映像出射側には、図示しないが投射レンズおよびスクリーンが配置されている。

第１偏光ビームスプリッタ２１Ａおよび第２偏光ビームスプリッタ２１Ｂはそれぞれ、直角プリズムの斜面に誘電体多層膜をコーティングして貼り合わせた構造を有し、斜面と平行な偏光成分を反射し、平行ではない偏光成分を透過する機能を有している。これら第１偏光ビームスプリッタ２１Ａおよび第２偏光ビームスプリッタ２１Ｂにはそれぞれ光源１０から出射された第１直線偏光成分を有するレーザ光１０ａが入射されるようになっている。

第１反射型液晶パネル２２Ａおよび第２反射型液晶パネル２２Ｂには、第１偏光ビームスプリッタ２１Ａ、第２偏光ビームスプリッタ２１Ｂをそれぞれ透過したレーザ光１０ａが入射されるようになっている。一方の第１反射型液晶パネル２２Ａは入射光を例えば左視用となる第１映像、他方の第２反射型液晶パネル２２Ｂは入射光を例えば右視用となる第２の映像それぞれに応じた偏光方向の変調を加えて反射する機能を有する。

λ／２波長板２４は第１反射型液晶パネル２２Ａからの反射光のうち第１偏光ビームスプリッタ２１Ａによって分離された紙面に対して垂直な偏光方向を持つ成分（第２直線偏光成分）を紙面に対して平行な偏光方向を持つ成分（第１直線偏光成分）に変換する機能を有している。

このような構成によって、本実施の形態の立体表示装置１では以下のように立体表示がなされる。すなわち、この立体表示装置１では、光源１０から出射された第１直線偏光成分を有するレーザ光１０ａが、第１偏光ビームスプリッタ２１Ａおよび第２偏光ビームスプリッタ２１Ｂをそれぞれ透過して、第１反射型液晶パネル２２Ａおよび第２反射型液晶パネル２２Ｂに到達する。一方の第１反射型液晶パネル２２Ａでは、入射したレーザ光１０ａを例えば左視用となる第１映像に応じた偏光方向の変調を加えて反射する。この変調された反射光は、第１偏光ビームスプリッタ２１Ａ内で偏光分離され、第２直線偏光成分が反射されて第１映像２５Ａとなる。反射光のうち第１直線偏光成分は第１偏光ビームスプリッタ２１Ａを透過し光源１０方向に戻される。第１偏光ビームスプリッタ２１Ａから出射された第１映像２５Ａは、λ／２波長板２４によって偏光が第１直線偏光成分に変換されたのち、第２偏光ビームスプリッタ２１Ｂを透過する。

他方、第２反射型液晶パネル２２Ｂでは、入射したレーザ光１０ａを例えば右視用となる第２の映像に応じた偏光方向の変調を加えて第２偏光ビームスプリッタ２１Ｂへ反射する。第２偏光ビームスプリッタ２１Ｂでは、第１偏光ビームスプリッタ２１Ａと同様に第２直線偏光成分を持ち右視用となる第２映像２５Ｂが反射され、この第２映像２５Ｂが第１映像２５Ａと重畳して出射される。これら第１映像２５Ａおよび第２映像２５Ｂは、図示しない投射レンズに集められてスクリーンに投影される。そして、このスクリーンに投影された映像を偏光眼鏡で見ることによって、立体映像を得ることができる。

このように本実施の形態の立体表示装置１では、直線偏光のみを用いて、左視用の第１映像と右視用の第２映像とを空間的に重畳し投射することができる。よって、集光性が高く低消費電力なレーザを光源として用いることができ、従来よりも高効率で高機能な投射型の立体表示装置の実現が可能になる。

また、第１反射型液晶パネル２２Ａおよび第２反射型液晶パネル２２Ｂを並列配置して入射光を反射させる構成を有しているため、従来の立体表示光学系と比較してスペースを縮小することができると共に、従来のように偏光ビームスプリッタに入射光の反射型液晶パネルへの分配機能を持たせる必要がないため、光学素子の数を削減することができる。よって、小型化と共にコストの低減も可能になる。

以下、この光学素子の削減効果について、従来の立体表示光学系にレーザ光源を適用した構成を比較例として具体的に説明する。
（比較例）
図７は従来の立体表示光学系１２０を表すものである。レーザ光１１０ａ，１１０ｂは紙面と垂直方向に偏光しており、一方のレーザ光１１０ａがミラー１２１で折り返されたのちにλ／２波長板１２２によって紙面と平行方向に偏光変換され、第１偏光ビームスプリッタ１２３Ａを透過する。他方のレーザ光１１０ｂは第１偏光ビームスプリッタ１２３Ａに直接入射して内部で反射される。その結果、第２偏光ビームスプリッタ１２３Ｂには、偏光方向が直交した２成分が重なって無偏光状態となったレーザ光１１０が入射し、再度偏光分離されて第１反射型液晶パネル１２４Ａと第２反射型液晶パネル１２４Ｂとにそれぞれ入射する。第１反射型液晶パネル１２４Ａで偏光変調された反射光は第１映像１２５Ａとして、また、第２反射型液晶パネル１２４Ｂで偏光変調された反射光は第２映像１２５Ｂとしてそれぞれ第２偏光ビームスプリッタ１２３Ｂから出射される。

この比較例においては、一方の第２偏光ビームスプリッタ１２３Ｂに対して２つのパネルへの光分配機能を持たせるために、入射光を一旦無偏光状態に変換する必要がある。そのため、反射型液晶パネルを除くと、光学素子としては、ミラー１２１、λ／２波長板１２２、第１偏光ビームスプリッタ１２３Ａおよび第２偏光ビームスプリッタ１２３Ｂの４個が必要となる。これに対して、上記実施の形態の立体表示装置１では、直線偏光を無偏光状態に変換する必要はない。従って、光学素子としては、第１偏光ビームスプリッタ２１Ａ、第２偏光ビームスプリッタ２１Ｂおよびλ／２波長板２４の３個と少なくなり、これによって上記のように製造コストを削減できると共に装置の小型化を図ることが可能になる。

（応用例１）
図２に示した立体表示装置２は、上記立体表示装置１における立体表示光学系２０を組み合わせてＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の３原色対応のカラー表示を可能としたものである。ここでは、各要素についての符号を、例えば立体表示光学系２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂのように、ＲＧＢの各色それぞれに対応して表示するものとする。この立体表示装置２は、立体表示光学系２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂに加えて、これら立体表示光学系２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂから出射された各色の映像を合成するための合波プリズム２６を備えている。

すなわち、この立体表示装置２では、上記実施の形態と同様に、赤色レーザ光１０ａＲが入射した立体表示光学系２０Ｒからは左右の映像が重畳された赤色映像が出射される。同様に、緑色レーザ光１０ａＧが入射した立体表示光学系２０Ｇからは緑色映像、青色レーザ光１０ａＢが入射した立体表示光学系２０Ｂからは青色映像が出射され、これら３原色映像が合波プリズム２６において合成される。そして、この合成されたカラー映像を、例えば偏光眼鏡２７により立体映像として見ることができる。勿論，スクリーンに投影させてもよい。

［第２の実施の形態］
図３は本発明の第２の実施の形態に係る立体表示装置３の構成を表すものである。この立体表示装置３は、第１の実施の形態における第１偏光ビームスプリッタ２１Ａをワイヤーグリッド偏光子３０に置き替えると共に、λ／２波長板２４をワイヤーグリッド偏光子３０の前段に配置したものである。その他の構成および作用効果は上記実施の形態と同様である。ワイヤーグリッド偏光子３０の表面には微細な金属細線が紙面と平行方向に形成されており、紙面と垂直な偏光方向の光は透過し、紙面と平行な偏光方向の光を反射するようになっている。

本実施の形態では、レーザ光１０ａがワイヤーグリッド偏光子３０に入射する前にλ／２波長板２４によって偏光方向が変換されて第２直線偏光成分を有するものとなる。この第２直線偏光成分を有するレーザ光１０ａはワイヤーグリッド偏光子３０を透過し、第１反射型液晶パネル２２Ａで変調を受けたのち反射される。そして、その反射光はワイヤーグリッド偏光子３０において偏光分離され、第１直線偏光成分を有する反射光は第１映像２５Ａとなる。この第１映像２５Ａはワイヤーグリッド偏光子３０で反射されたのち第２偏光ビームスプリッタ２１Ｂを透過し、第１の実施の形態と同様に生成された第２映像２５Ｂと重畳され、立体表示がなされる。

なお、本実施の形態においても図２で示したような構成とすることにより、３原色による投射型立体表示装置を実現することが可能である。

（変形例１）
図４は第１の実施の形態の変形例１を表すものである。この立体表示装置４は、第１反射型液晶パネル２２Ａおよび第２反射型液晶パネル２２Ｂを一体化して単一の反射型液晶パネル４０としたものである。その他の構成は第１の実施の形態と同じである。

このような構成とすることにより、この立体表示装置４では、反射型液晶パネル４０の左半分の領域で第１映像２５Ａを、右半分の領域で第２映像２５Ｂをそれぞれ生成できるようにして、液晶パネルの駆動回路の簡素化を図ることができる。

（変形例２）
図５は変形例２に係る立体表示装置５の構成を表すものである。この立体表示装置５は、第１の実施の形態の第２反射型液晶パネル２２Ｂを図１の位置から後退させて、第２反射型液晶パネル２２Ｂと第２偏光ビームスプリッタ２１Ｂとの間隔を、第１反射型液晶パネル２２Ａと第１偏光ビームスプリッタ２１Ａとの間隔よりも大きくしたものである。このような構成により、この立体表示装置５では、第１映像２５Ａおよび第２映像２５Ｂの光路長を互いに等しくすることができ、両映像の投射寸法を簡便に一致させることが可能となる。

（変形例３）
図６は変形例３に係る立体表示装置６の構成を表すものである。この立体表示装置６は、図２に示したカラー表示に対応する立体表示装置２において、合波プリズム２６の出射側に位相差素子としてλ／４波長板６０を追加した構成を有している。

図２に示した立体表示装置２では第１映像２５Ａおよび第２映像２５Ｂが互いに直交した直線偏光として表示される。これに対して、この立体表示装置６では、λ／４波長板６０を用いたことにより、第１映像２５Ａおよび第２映像２５Ｂは回転方向が互いに正対する円偏光に変換される。この場合、観察用の偏光眼鏡６１としては、偏光フィルタ層６１Ｂの表面にλ／４波長板６１Ａとして機能する層を加えたものとすればよい。すなわち、この偏光眼鏡６１では、λ／４波長板６１Ａにより立体表示装置６（λ／４波長板６０）からの円偏光を直線偏光に変換した後に、偏光フィルタ層６１Ｂにおいて第１映像２５Ａと第２映像２５Ｂとを分離する。

このように立体表示装置６では、円偏光を用いていることから、観察者が頭を傾けたとしても、第１映像２５Ａおよび第２映像２５Ｂ間の漏れによるクロストークが発生するようなことがなくなる。その他の作用効果は第１の実施の形態と同様である。

以上、実施の形態等を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、図６ではカラー表示用の立体表示装置６においてλ／４波長板６０による円偏光を用いる構成のものとしたが、その他の立体表示装置１〜５に適用するようにしてもよい。

１〜６…立体表示装置、１０…光源、１０ａ…レーザ光、２０…立体表示光学系、２２Ａ…第１反射型液晶パネル、２２Ｂ…第２反射型液晶パネル、２１Ａ…第１偏光ビームスプリッタ、２１Ｂ…第２偏光ビームスプリッタ、２３Ａ…第１変調部、２３Ｂ…第２変調部、２４…λ／２波長板、２５Ａ…第１映像、２５Ｂ…第２映像、２６…合波プリズム、２７, ６１…偏光眼鏡、６０…λ／４波長板

Claims (9)

1. 一の直線偏光を出射する光源と、
   前記光源からの直線偏光を入射すると共に、互いに直交する直線偏光によって左右の視差を有する第１映像および第２映像を表示する立体表示光学系とを備え、
   前記立体表示光学系は、
   前記光源からの直線偏光を映像信号に応じて変調して反射する第１反射型液晶パネルと、
   前記光源からの直線偏光を映像信号に応じて変調して反射する第２反射型液晶パネルと、
   前記第１反射型液晶パネルからの反射光から第１映像を分離する第１偏光素子と、
   前記第１映像の偏光方向を直交方向に変換する位相差素子と、
   前記第２反射型液晶パネルからの反射光から第２映像を分離すると共に、前記第２映像と前記位相差素子により偏光方向が変換された第１映像とを重畳する第２偏光素子と
   を有する投射型立体表示装置。
2. 一の直線偏光を出射する光源と、
   前記光源からの直線偏光を入射すると共に、互いに直交する直線偏光によって左右の視差を有する第１映像および第２映像を表示する立体表示光学系とを備え、
   前記立体表示光学系は、
   前記光源からの直線偏光の偏光方向を直交方向に変換する位相差素子と、
   前記直交方向に変換された前記直線偏光を映像信号に応じて変調して反射する第１反射型液晶パネルと、
   前記光源からの直線偏光を映像信号に応じて変調して反射する第２反射型液晶パネルと、
   前記第１反射型液晶パネルからの反射光から第１映像を分離する第１偏光素子と、
   前記第２反射型液晶パネルからの反射光から第２映像を分離すると共に、前記第２映像と前記位相差素子により偏光方向が変換された第１映像とを重畳する第２偏光素子と
   を有する投射型立体表示装置。
3. 前記第１反射型液晶パネルと、前記第２反射型液晶パネルとは一体的に設けられている、請求項１記載の投射型立体表示装置。
4. 前記光源として、ＲＧＢの各色に対応して３種類の光源、
   前記立体光学系として、前記３色に対応して３種類の立体光学系を有すると共に、
   前記３種類の立体光学系から出射された各映像を合成する映像合成手段を備えた、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投射型立体表示装置。
5. 前記第２反射型液晶パネルの前記第２偏光素子に対する間隔が、前記第１反射型液晶パネルの前記第１偏光素子に対する間隔よりも大きく、第１映像および第２映像の各光路長が互いに等しい、請求項１記載の投射型立体表示装置。
6. 前記第２偏光素子において重畳された第１映像および第２映像を回転方向が互いに正対する円偏光に変換する位相差素子を更に有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投射型立体表示装置。
7. 前記光源はレーザである、請求項１記載の投射型立体表示装置。
8. 一の直線偏光を出射する光源と、
   前記光源からの直線偏光を映像信号に応じて変調して反射する第１反射型液晶パネルと、
   前記光源からの直線偏光を映像信号に応じて変調して反射する第２反射型液晶パネルと、
   前記第１反射型液晶パネルの反射光から第１映像を分離する第１偏光素子と、
   前記第１映像の偏光方向を直交方向に変換する位相差素子と、
   前記第２反射型液晶パネルの反射光から第２映像を分離すると共に、前記第２映像と偏光方向が互いに直交する第１映像とを重畳する第２偏光素子と
   を有する投射型立体表示装置。
9. 一の直線偏光を出射する光源と、
   前記光源からの直線偏光の偏光方向を直交方向に変換する位相差素子と、
   前記直交方向に変換された前記直線偏光を映像信号に応じて変調して反射する第１反射型液晶パネルと、
   前記光源からの直線偏光を映像信号に応じて変調して反射する第２反射型液晶パネルと、
   前記第１反射型液晶パネルからの反射光から第１映像を分離する第１偏光素子と、
   前記第２反射型液晶パネルからの反射光から第２映像を分離すると共に、前記第２映像と前記位相差素子により偏光方向が変換された第１映像とを重畳する第２偏光素子と
   を有する投射型立体表示装置。

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