JP5226365B2 - 立体映像プロジェクション装置及び立体映像プロジェクションシステム - Google Patents

Description

本発明は、立体映像プロジェクション装置及び立体映像プロジェクションシステムに係り、中でも特殊なメガネを必要とせず、裸眼で立体視を可能にする立体映像プロジェクション装置及び立体映像プロジェクションシステムに関する。

各種シミュレーションやゲームなどのアミューズメントにおいて、立体映像はリアリティ感を発揮する上で欠かせない技術となっている。中でも特殊なメガネを装着しなくても立体視が可能なシステムは、煩わしさがないのでその普及が期待され古くから各種方式が考案されている。近年では、例えば、右眼用映像を投影するための液晶パネルと、左眼用映像を投影するための液晶パネルとからのそれぞれの投影光を１枚のレンズ上で結像して両眼視差を得て、立体表示可能な立体映像表示装置が開発されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００１−３５６２９８号公報

ところで、特許文献１に記載の立体映像表示装置では、右眼用映像、左眼用映像それぞれ専用の液晶パネルが搭載されているため、どうしても装置自体の小型化や、製造コストの低減化の弊害となっていた。

本発明の課題は、１つの液晶パネルで右眼用映像と左眼用映像とを表示可能とすることで、小型で低コストな立体映像プロジェクション装置及び立体映像プロジェクションシステムを提供することである。

請求項１記載の発明に係る立体映像プロジェクション装置は、
右眼用映像及び左眼用映像を異なる領域に表示可能な一枚の映像表示用液晶パネルと、
前記映像表示用液晶パネルの背後から単一直線偏光の光を照射する光源部と、
前記光源部からの光を、前記映像表示用液晶パネルの前記右眼用映像を表示する第一領域を透過した右眼用映像光と、前記映像表示用液晶パネルの前記左眼用映像を表示する第二領域を透過した左眼用映像光とに分離する投射光学系と、
前記投射光学系により分離された前記右眼用映像光を投射する右眼用投射レンズと、
前記投射光学系により分離された前記左眼用映像光を投射する左眼用投射レンズと、を備え、
前記投射光学系は、前記光源部からの光を前記右眼用映像光と前記左目用映像光とに分離するため、
前記第一領域又は前記第二領域の出射面側に配置された半波長位相差フィルムと、
前記映像表示用液晶パネルの出射面側に配置され、前記第一領域又は前記第二領域のうち、一方の領域からの光を反射し、他方の領域からの光を透過する偏光ビームスプリッターとを備え、
前記右眼用投射レンズ及び前記左眼用投射レンズは、投射方向前方にあるスクリーン上で、前記右眼用映像光と前記左眼用映像光とを交差させて裸眼で立体視を可能にすることを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の立体映像プロジェクション装置において、
前記右眼用投射レンズ及び前記左眼用投射レンズは、互いの光軸が平行であり、
前記投射光学系は、前記右眼用投射レンズから投射された前記右眼用映像光と、前記左眼用投射レンズから投射された前記左眼用映像光とが前記スクリーン上で交差するように、前記第一領域を透過した前記右眼用映像光と、前記第二領域を透過した前記左眼用映像光とを前記光軸からシフトさせていることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の立体映像プロジェクション装置において、
前記右眼用投射レンズ及び前記左眼用投射レンズは、前記スクリーン上で、前記右眼用映像光及び前記左眼用映像光が交差するように、互いの光軸が内側に向けて傾いていることを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項１記載の立体映像プロジェクション装置において、
前記右眼用投射レンズ及び前記左眼用投射レンズは、互いの光軸が平行であり、
前記右眼用投射レンズ及び前記左眼用投射レンズのそれぞれの投射方向前方には、前記右眼用投射レンズから投射された前記右眼用映像光と、前記左眼用投射レンズから投射された前記左眼用映像光とを前記スクリーン上で交差させる偏向プリズムが配置されていることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、
スクリーンと、当該スクリーン上に立体映像を投射する立体映像プロジェクション装置とを有する立体映像プロジェクションシステムにおいて、
前記立体映像プロジェクション装置は、
右眼用映像及び左眼用映像を異なる領域に表示可能な一枚の映像表示用液晶パネルと、
前記映像表示用液晶パネルの背後から単一直線偏光の光を照射する光源部と、
前記光源部からの光を、前記映像表示用液晶パネルの前記右眼用映像を表示する第一領域を透過した右眼用映像光と、前記映像表示用液晶パネルの前記左眼用映像を表示する第二領域を透過した左眼用映像光とに分離する投射光学系と、
前記投射光学系により分離された前記右眼用映像光を投射する右眼用投射レンズと、
前記投射光学系により分離された前記左眼用映像光を投射する左眼用投射レンズと、を備え、
前記投射光学系は、前記光源部からの光を前記右眼用映像光と前記左目用映像光とに分離するため、
前記第一領域又は前記第二領域の出射面側に配置された半波長位相差フィルムと、
前記映像表示用液晶パネルの出射面側に配置され、前記第一領域又は前記第二領域のうち、一方の領域からの光を反射し、他方の領域からの光を透過する偏光ビームスプリッターとを備え、
前記右眼用投射レンズ及び前記左眼用投射レンズは、前記スクリーン上で、前記右眼用映像光及び前記左眼用映像光を交差させて裸眼で立体視を可能にすることを特徴としている。

本発明によれば、１つの映像表示用液晶パネルで、右眼用映像と左眼用映像が表示されて、その表示されたそれぞれの映像を基にして右眼用映像光と左眼用映像光が投射され、スクリーン上で交差されるので、１つの液晶パネルで右眼用映像と左眼用映像の表示が可能となる。したがって、右眼用、左眼用のそれぞれ専用の液晶パネルを設ける場合と比較しても、装置自体を小型化することができるとともに、コストも低減することができる。

図１は、本実施形態の立体映像プロジェクションシステムの概略構成を示す斜視図である。この図１に示すように、立体映像プロジェクションシステム１には、スクリーン１０と、当該スクリーン１０上に立体映像を投射する立体映像プロジェクション装置２０とが備えられている。

まず、立体映像プロジェクション装置２０について説明する。図２は立体映像プロジェクション装置２０の概略構成を示す説明図である。この図２に示すように、立体映像プロジェクション装置２０には、右眼用映像及び左眼用映像を異なる領域に表示可能な映像表示用液晶パネル３０と、映像表示用液晶パネル３０の背後から光を照射する光源部４０と、光源部４０からの光を、映像表示用液晶パネル３０の右眼用映像を表示する第一領域３１を透過した右眼用映像光と、映像表示用液晶パネル３０の左眼用映像を表示する第二領域３２を透過した左眼用映像光とに分離する投射光学系５０と、投射光学系５０により分離された右眼用映像光を投射する右眼用投射レンズ６０と、投射光学系５０により分離された左眼用映像光を投射する左眼用投射レンズ７０とが備えられている。

映像表示用液晶パネル３０は、スイッチング速度が速く、フィールドシーケンシャル制御によるフルカラー表示が可能な、例えば透過型ＬＣＤマイクロディスプレイパネルである。この映像表示用液晶パネル３０は、その画素領域を上下又は左右に２分割（第一領域３１、第二領域３２）して、それぞれの領域に右眼用映像又は左眼用映像を個別に表示するようになっている。なお、本実施形態では、第一領域３１、第二領域３２が光軸に対して水平方向に分割されている場合を示す。そして、映像表示用液晶パネル３０における第一領域３１の表面には、半波長位相差フィルム３３が貼付されている。この半波長位相差フィルム３３を透過することよって、第一領域３１からの映像光の偏光方向は、第二領域３２からの映像光の偏光方向に対して直交することになる。例えば、第二領域３２からの映像光の偏光方向がＳ偏光である場合には、第一領域３１からの映像光の偏光方向はＰ偏光となる。

光源部４０には、三原色ＬＥＤ４０ｒ，４０ｇ，４０ｂと、各ＬＥＤ４０ｒ，４０ｇ，４０ｂから出射された光を指定の直線偏光に変換する偏光変換系４１ｒ，４１ｇ，４１ｂと、偏光変換系４１ｒ，４１ｇ，４１ｂで単一直線偏光に変換された各色光を合成する合成光学系４２と、合成光学系４２で合成された光を映像表示用液晶パネル３０の画素領域上に集光させる集光レンズ４３とが設けられている。この光源部４０からの光が映像表示用液晶パネル３０を透過することによって、第一領域３１からは右眼用映像光が投射されて、第二領域３２からは左眼用映像が投射されることになる。

投射光学系５０には、映像表示用液晶パネル３０の第一領域３１からの右眼用映像光を透過し、第二領域３２からの左眼用映像光を立体映像プロジェクション装置２０の背面方向に反射する偏光ビームスプリッター５１と、偏光ビームスプリッター５１からの左眼用映像光を前方に反射するミラー５２と、偏光ビームスプリッター５１からの右眼用映像光を立体映像プロジェクション装置２０の前面方向に反射する内部反射プリズム５３とが設けられている。

ミラー５２には、１／４波長位相差フィルム５４が貼付されている。偏光ビームスプリッター５１からの左眼用映像光がミラー５２によって反射される際、この１／４波長位相差フィルム５４を２回通過することになるために、左眼用映像光の偏光方向が直交方向に変換（例えばＳ偏光からＰ偏光に変換）されることになる。この変換された左眼用映像光は偏光ビームスプリッター５１を通過して前記前面方向に投射される。

右眼用投射レンズ６０は、内部反射プリズム５３の前記前面方向に配置されている。一方、左眼用投射レンズ７０は、偏光ビームスプリッター５１の前記前面方向に配置されている。また、右眼用投射レンズ６０及び左眼用投射レンズ７０は、互いの光軸Ｒ１，Ｌ１が平行となるように配置されている。

図２に示すように、液晶表示パネル３０の表示画素領域の中心垂線と投射光学系５０の光軸は一致している。その表示画素領域の中心で２等分とした第一領域３１及び第二領域３２のそれぞれの画像を、それぞれの投射レンズ６０，７０で投映した場合、各領域３１，３２に対していわゆるシフト投射光学系を構成しているため、両投映画像の中心は、それぞれの投射レンズ６０，７０の光軸Ｒ１，Ｌ１の内側へ向くことになる。その結果、前記前面方向において、第一領域３１を透過した右眼用映像光と、第二領域３２を透過した右眼用映像光とを交差させて重ねることができる。具体的には、左眼用映像光の投射方向Ｌ２と、右眼用映像光の投射方向Ｒ２とが、スクリーン１０上で交差するように、内部反射プリズム５３や、偏光ビームスプリッター５１の位置を設定している。

スクリーン１０は、図１に示すように左眼用映像光の投射方向Ｌ２と、右眼用映像光の投射方向Ｒ２とが交差する地点に配置されている。スクリーン１０には、弱い拡散能を有する透過型スクリーン１１と、透過型スクリーン１１の背面に重ねられたフレネルレンズ１２と、透過型スクリーン１１の表面に重ねられたレンチキュラーレンズ１３とが設けられている。

フレネルレンズ１２は、右眼用投射レンズ６０及び左眼用投射レンズ７０と、鑑賞者の裸眼とを光学的に略共役関係にするものであり、投射光を鑑賞者の顔付近に集中させることにより光の利用効率を向上させるようになっている。

レンチキュラーレンズ１３は、透過型スクリーン１１の拡散能を上下方向のみ若干拡散気味にし、左右方向はそのままの微拡散とするものである。

このスクリーン１０を右眼用映像光が透過すると、当該スクリーン１０上に像を結んだ後、観察者の右眼付近に向かって集光していくことになる。同様に、スクリーン１０を左眼用映像光が透過すると、当該スクリーン１０上に像を結んだ後、観察者の左眼付近に向かって集光していくことになる。なお、右眼用映像光と左眼用映像光との画角はスクリーン１０上で一致するように調整されている。ここで、背面投映ディスプレイの通常の使用形態では、観察者の顔はスクリーン１０の正面に正対しているので、スクリーン１０上で交差して、当該スクリーン１０を透過した右眼用映像光と左眼用映像光は観察者の右眼方向及び左眼方向にそれぞれ進むことになる。つまり、観察者の右眼には右眼用映像光のみが入射し、左眼には左眼用映像光のみが入射することになり、このため、視差の発生により特殊なメガネが無くとも立体視が可能となる。
観察者によっては眼の高さ位置が異なるが、レンチキュラーレンズ１３によって上下方向のみ若干拡散されているので、眼の高さ位置が若干異なっていても立体視が可能となる。

次に、本実施形態の立体映像プロジェクションシステム１の作用について説明する。
立体映像を投映する際、立体映像プロジェクション装置２０では光源部４０から三原色のフィールドシーケンシャル光が映像表示用液晶パネル３０に照射された状態で、映像表示用液晶パネル３０が、第一領域３１に右眼用映像を表示し、第二領域３２に左眼用映像を表示する。
第一領域３１を透過した右眼用映像光は、半波長位相差フィルム３３によってＰ偏光に変換されるため偏光ビームスプリッター５１を通過し、その後、内部反射プリズム５３によって反射されて右眼用投射レンズ６０に入射する。
一方、第二領域３２を透過した左眼用映像光は、偏光ビームスプリッター５１によって後方に反射されて、１／４波長位相差フィルム５４及びミラー５２によりＰ偏光に変換され、再度偏光ビームスプリッター５１に入射する。前述の通り左眼用映像光はＰ偏光であるため、そのまま偏光ビームスプリッター５１を通過して、左眼用投射レンズ７０に入射する。

図３に示すように、右眼用映像光と左眼用映像光とは、それぞれ右眼用投射レンズ６０と左眼用投射レンズ７０と通過することでスクリーン１０上で交差し、右眼用映像光は観察者の右眼に、左眼用映像光は観察者の左眼に入射することになる。これにより、観察者は立体映像を視覚することが可能となる。

以上のように、本実施形態によれば、１つの映像表示用液晶パネル３０で、右眼用映像と左眼用映像が表示されて、その表示されたそれぞれの映像を基にして右眼用映像光と左眼用映像光が投射され、スクリーン１０上で交差されるので、１つの映像表示用液晶パネル３０で右眼用映像と左眼用映像の表示が可能となる。したがって、右眼用、左眼用のそれぞれ専用の液晶パネルを設ける場合と比較しても、装置自体を小型化することができるとともに、コストも低減することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能であるのは勿論である。
例えば、本実施形態では、右眼用投射レンズ６０から投射される右眼用映像光と、左眼用投射レンズ７０から投射される左眼用映像光とを前方で交差させる手法として、第一領域３１を透過した右眼用映像光と、第二領域３２を透過した右眼用映像光とを、それぞれ右眼用投射レンズ６０の光軸Ｒ１及び左眼用投射レンズ７０の光軸Ｌ１とからシフトさせる方式を例示して説明したが、その他の方式により、右眼用映像光と左眼用映像光を前方で交差させることも可能である。

以下、その他の方式について説明するが、上記実施形態と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。その他の方式としては、例えば図４に示すように、右眼用投射レンズ６０及び左眼用投射レンズ７０を、互いの光軸Ｒ１，Ｌ１を内側に向けて傾けることで、右眼用映像光及び左眼用映像光をスクリーン１０上で交差させる方式が挙げられる。また、図５に示す通り、右眼用投射レンズ６０及び左眼用投射レンズ７０を、互いの光軸Ｒ１，Ｌ１が平行となるように配置し、さらに右眼用投射レンズ６０及び左眼用投射レンズ７０のそれぞれの投射方向前方に、右眼用投射レンズ６０から投射された右眼用映像光と、左眼用投射レンズ７０から投射された左眼用映像光とをスクリーン１０上で交差させる偏向プリズム８０を配置する方式なども挙げられる。

なお、図４の方式、図５の方式では、右眼用映像光及び左眼用映像光が、右眼用投射レンズ６０及び左眼用投射レンズ７０の光軸Ｒ１，Ｌ１に対する平行光で、右眼用投射レンズ６０及び左眼用投射レンズ７０に入射するように、内部反射プリズム５３や、偏光ビームスプリッター５１、反射板５２の位置や角度が設定されている。また、上述した全ての実施形態において、スクリーン１０上で左右の投射映像画角に各種収差によるズレが発生する場合は、映像表示用液晶パネル３０の画素をデジタル的に制御することで補正できることは言うまでもない。

本実施形態の立体映像プロジェクションシステムの概略構成を示す斜視図である。 図１の立体映像プロジェクションシステムに備わる立体映像プロジェクション装置の概略構成を示す説明図である。 図１の立体映像プロジェクションシステムの概略構成を示す上面視図である。 図１の立体映像プロジェクションシステムの変形例を示す上面視図である。 図１の立体映像プロジェクションシステムの変形例を示す上面視図である。

符号の説明

１ 立体映像プロジェクションシステム
１０ スクリーン
２０ 立体映像プロジェクション装置
３０ 映像表示用液晶パネル
３１ 第一領域
３２ 第二領域
４０ 光源部
５０ 投射光学系
６０ 右眼用投射レンズ
７０ 左眼用投射レンズ
８０ 偏向プリズム

Claims (5)

1. 右眼用映像及び左眼用映像を異なる領域に表示可能な一枚の映像表示用液晶パネルと、
   前記映像表示用液晶パネルの背後から単一直線偏光の光を照射する光源部と、
   前記光源部からの光を、前記映像表示用液晶パネルの前記右眼用映像を表示する第一領域を透過した右眼用映像光と、前記映像表示用液晶パネルの前記左眼用映像を表示する第二領域を透過した左眼用映像光とに分離する投射光学系と、
   前記投射光学系により分離された前記右眼用映像光を投射する右眼用投射レンズと、
   前記投射光学系により分離された前記左眼用映像光を投射する左眼用投射レンズと、を備え、
   前記投射光学系は、前記光源部からの光を前記右眼用映像光と前記左目用映像光とに分離するため、
   前記第一領域又は前記第二領域の出射面側に配置された半波長位相差フィルムと、
   前記映像表示用液晶パネルの出射面側に配置され、前記第一領域又は前記第二領域のうち、一方の領域からの光を反射し、他方の領域からの光を透過する偏光ビームスプリッターとを備え、
   前記右眼用投射レンズ及び前記左眼用投射レンズは、投射方向前方にあるスクリーン上で、前記右眼用映像光と前記左眼用映像光とを交差させて裸眼で立体視を可能にすることを特徴とする立体映像プロジェクション装置。
2. 請求項１記載の立体映像プロジェクション装置において、
   前記右眼用投射レンズ及び前記左眼用投射レンズは、互いの光軸が平行であり、
   前記投射光学系は、前記右眼用投射レンズから投射された前記右眼用映像光と、前記左眼用投射レンズから投射された前記左眼用映像光とが前記スクリーン上で交差するように、前記第一領域を透過した前記右眼用映像光と、前記第二領域を透過した前記左眼用映像光とを前記光軸からシフトさせていることを特徴とする立体映像プロジェクション装置。
3. 請求項１記載の立体映像プロジェクション装置において、
   前記右眼用投射レンズ及び前記左眼用投射レンズは、前記スクリーン上で、前記右眼用映像光及び前記左眼用映像光が交差するように、互いの光軸が内側に向けて傾いていることを特徴とする立体映像プロジェクション装置。
4. 請求項１記載の立体映像プロジェクション装置において、
   前記右眼用投射レンズ及び前記左眼用投射レンズは、互いの光軸が平行であり、
   前記右眼用投射レンズ及び前記左眼用投射レンズのそれぞれの投射方向前方には、前記右眼用投射レンズから投射された前記右眼用映像光と、前記左眼用投射レンズから投射された前記左眼用映像光とを前記スクリーン上で交差させる偏向プリズムが配置されていることを特徴とする立体映像プロジェクション装置。
5. スクリーンと、当該スクリーン上に立体映像を投射する立体映像プロジェクション装置とを有する立体映像プロジェクションシステムにおいて、
   前記立体映像プロジェクション装置は、
   右眼用映像及び左眼用映像を異なる領域に表示可能な一枚の映像表示用液晶パネルと、
   前記映像表示用液晶パネルの背後から単一直線偏光の光を照射する光源部と、
   前記光源部からの光を、前記映像表示用液晶パネルの前記右眼用映像を表示する第一領域を透過した右眼用映像光と、前記映像表示用液晶パネルの前記左眼用映像を表示する第二領域を透過した左眼用映像光とに分離する投射光学系と、
   前記投射光学系により分離された前記右眼用映像光を投射する右眼用投射レンズと、
   前記投射光学系により分離された前記左眼用映像光を投射する左眼用投射レンズと、を備え、
   前記投射光学系は、前記光源部からの光を前記右眼用映像光と前記左目用映像光とに分離するため、
   前記第一領域又は前記第二領域の出射面側に配置された半波長位相差フィルムと、
   前記映像表示用液晶パネルの出射面側に配置され、前記第一領域又は前記第二領域のうち、一方の領域からの光を反射し、他方の領域からの光を透過する偏光ビームスプリッターとを備え、
   前記右眼用投射レンズ及び前記左眼用投射レンズは、前記スクリーン上で、前記右眼用映像光及び前記左眼用映像光を交差させて裸眼で立体視を可能にすることを特徴とする立体映像プロジェクションシステム。

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