JP5476946B2

JP5476946B2 - 立体映像投影装置

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Publication number: JP5476946B2
Application number: JP2009269780A
Authority: JP
Inventors: 靖昌澤井; 淳石原
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: JP2011112900A; US20110128503A1

Description

本発明は立体映像投影装置に関するものであり、更に詳しくは、左右の視差を持った左目用画像と右目用画像をスクリーン上に重ね合わせて投影する立体映像投影装置に関するものである。

同一の表示素子の異なる画像表示領域に左右の視差を持った映像を表示し、投影レンズの途中で光路を左目用と右目用とに分割して、実質的に２本の投影レンズで投影する立体映像投影装置が、特許文献１で提案されている。また、投影レンズのスクリーン側に配したミラーで左右の視差を持った映像の光路分離を行って、実質的に２本の投影レンズで投影する立体映像投影装置が、特許文献２で提案されている。これらの投影装置のように実質的に２本の投影レンズで投影する構成では、左右の視差を持った投影像のスクリーン上での重ね合せ調整が必要である。このため、投影距離等の設置条件が異なると、その都度、ユーザーによる再調整が必要となる。１本の投影レンズで投影を行う構成にすれば、設置条件が異なってもユーザーによる再調整は不要であり、そのような立体映像投影装置が特許文献３で提案されている。

特開２００７−２７１８２８号公報特開２００５−６２６０７号公報特開２００１−３３７２９５号公報

特許文献３で提案されている立体映像投影装置では、同一の表示素子の異なる画像表示領域に左右の視差を持った映像を表示し、一方の映像光をミラーで反射させて分離し、偏光特性差を与えた後、偏光ビームスプリッタで両方の映像光を合成して１本の投影レンズで投影する構成になっている。したがって、設置条件が異なってもユーザーによる再調整は不要である。しかし、ミラーによる光路分離が表示素子からかなり離れた位置で行われるため、左右の視差を持った映像光の境界部が互いに重なり合った状態になる。つまり、Ｆナンバーが考慮されておらず、光路分離時の境界部の分離が不十分であるため、右目用の映像光が左目用の映像光の光路に混入してしまうことになる。したがって、この効率の悪い光路分離は投影像の画質劣化の原因となる。また、左右の視差を持った映像光が光路長に差のある状態で光路合成されるため、一方の映像にピントを合せると他方の映像はピンボケになってしまう。つまり、左右の視差を持った映像間で光路長差に起因する合焦状態のズレが生じてしまう。

特許文献２で提案されている立体映像投影装置においても、特許文献３と同様の問題がある。つまり、ミラーが配されている位置で、左右の視差を持った映像光の境界部が互いに重なり合った状態になるため、右目用の映像光が左目用の映像光の光路に混入してしまう。また、左右の視差を持った映像光はスクリーンまでの光路長に差があるため、一方の映像はピンボケになる。さらに、左右の視差を持った映像光のスクリーンに対する投影角にも差があるため、台形歪の差が生じてしまう。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、右目用の映像光と左目用の映像光との光路分離を確実に行うことにより、光路境界部での映像光の混入に起因する画質劣化を抑えて、高品質の画像投影を可能とするコンパクトな立体映像投影装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の立体映像投影装置は、左右の視差を持った左目用画像と右目用画像を画像表示面の異なる領域に表示する表示素子と、前記表示素子で表示された各画像の投影光束に互いに異なる光学特性を持たせる特性差発生部材と、前記特性差発生部材で互いに異なる光学特性を持った各投影光束の光路を、前記光学特性の差異を利用して右目用画像の光路と左目用画像の光路とに分離する光路分離部材と、前記光路分離部材で分離された右目用画像の光路と左目用画像の光路とを、前記光学特性の差異を利用して同軸に合成する光路合成部材と、前記光路合成部材で光路が同軸に合成された投影光束を用いて、互いに異なる光学特性を持つ右目用画像と左目用画像をスクリーン上に重ね合せて投影する単一の投影レンズと、を有することを特徴とする。

第２の発明の立体映像投影装置は、左右の視差を持った左目用画像と右目用画像を画像表示面の異なる領域に表示する表示素子と、前記表示素子に表示された右目用画像と左目用画像の中間像を形成するリレー光学系と、前記リレー光学系で形成された各中間像の投影光束に互いに異なる光学特性を持たせる特性差発生部材と、前記特性差発生部材で互いに異なる光学特性を持った各投影光束の光路を、前記光学特性の差異を利用して右目用画像の光路と左目用画像の光路とに分離する光路分離部材と、前記光路分離部材で分離された右目用画像の光路と左目用画像の光路とを、前記光学特性の差異を利用して同軸に合成する光路合成部材と、前記光路合成部材で光路が同軸に合成された投影光束を用いて、互いに異なる光学特性を持つ右目用画像と左目用画像をスクリーン上に重ね合せて投影する単一の投影レンズと、を有することを特徴とする。

第３の発明の立体映像投影装置は、上記第１又は第２の発明において、前記互いに異なる光学特性が、互いに直交する直線偏光の偏光特性であることを特徴とする。

第４の発明の立体映像投影装置は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記光路分離部材が光路分離面を有し、前記光路合成部材が光路合成面を有し、右目用画像と左目用画像の両方の光路に関して、前記光路分離面に対する入射角と前記光路合成面に対する入射角とが異なり、前記表示素子から前記投影レンズまでの光路長が右目用画像の光路と左目用画像の光路とで同一であることを特徴とする。

第５の発明の立体映像投影装置は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、さらに、前記表示素子から前記投影レンズまでの光路長が右目用画像の光路と左目用画像の光路とで同一になるように、右目用画像と左目用画像との光路長差の補正を行う光路長補正部材を有することを特徴とする。

本発明によれば、互いに異なる光学特性を持った各投影光束の光路を、光路分離部材が光学特性の差異を利用して右目用画像の光路と左目用画像の光路とに分離する構成になっているため、右目用の映像光と左目用の映像光との光路分離を確実に行うことができる。したがって、光路境界部での映像光の混入に起因する画質劣化を抑えて、高品質の画像投影を可能とするコンパクトな立体映像投影装置を実現することができる。

立体映像投影装置の第１の実施の形態を示す概略構成図。表示素子の画像表示面を示す平面図。立体映像投影装置の第２の実施の形態を示す概略構成図。投影用のリレー光学系の第１変形例を示す概略構成図。投影用のリレー光学系の第２変形例を示す概略構成図。左右の視差を持つ映像間の光路長差を示す光路図。

以下、本発明に係る立体映像投影装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

《第１の実施の形態（図１，図２，図６）》
図１に、立体映像投影装置の第１の実施の形態を上方から見た状態で示す。図１において、１は光源、２はランプリフレクタ、３はカラーホイール、４はロッドインテグレータ、５は照明用のリレー光学系、６は臨界角プリズム、７は表示素子、８は投影用のリレー光学系、９Ｒ，９Ｌは第１，第２偏光板、１０は中間像、１１は光路分離用の偏光ビームスプリッタ、１２Ｒ，１２Ｌは折り返しミラー、１３Ｒ，１３Ｌは１／２波長板、１４は光路合成用の偏光ビームスプリッタ、１５は投影レンズである。なお、ロッドインテグレータ４と臨界角プリズム６での偏光方向との位置関係は、実際には４５°ねじれた関係であるが、図１では分かり易くするために展開して描いてある。

光源１は、白色光を発する放電ランプ（例えば、超高圧水銀灯）から成っている。ランプリフレクタ２の反射面は楕円面から成っており、その焦点位置に光源１が配置されている。つまり、ランプリフレクタ２は、光源１から発せられた光を集光して２次光源を形成する楕円面鏡（集光光学系）であり、光源１からの光束はランプリフレクタ２での反射により収束光となって射出する。なお、収束光の結像位置はロッドインテグレータ４の入射端面（又はその近傍）である。

ランプリフレクタ２から射出した収束光は、カラー表示のために射出光色を時分割で変化させるカラーホイール３に入射する。カラーホイール３は、表示素子７をカラーシーケンシャル方式で照明するためのカラーフィルターから成っている。例えば、Ｒ（赤色）・Ｇ（緑色）・Ｂ（青色）の色光をそれぞれ透過させるカラーフィルターで構成されている。このカラーホイール３を回転させると、照明光透過位置のフィルター部分が回転移動して、照明する色光が時間的に順次切り替わる。したがって、各色に対応した画像情報を表示素子７に表示すれば、投影画像をカラー化することができる。

カラーホイール３を通過した光束は、ロッドインテグレータ４に入射する。ロッドインテグレータ４は、４枚の平面ミラーを貼り合わせて成る中空ロッド方式の光強度均一化手段であり、その入射端面を２次光源近傍に有している。入射端面から入射してきた照明光は、ロッドインテグレータ４の側面（すなわち内壁面）で何度も繰り返し反射されることによりミキシングされ、照明光の空間的なエネルギー分布が均一化されて射出端面から射出する。ロッドインテグレータ４の入射端面と射出端面の形状（つまり断面形状）は、表示素子７の画像表示面７ａと相似（又は略相似）の四角形になっており、また、ロッドインテグレータ４の射出端面と表示素子７の画像表示面７ａとは、照明用のリレー光学系５により共役（略共役）になっている。したがって、上記ミキシング効果により射出端面での輝度分布が均一化されることにより、表示素子７の画像表示面７ａは効率良く均一に照明されることになる。つまり、ロッドインテグレータ４での反射回数に応じて複数の２次光源像がリレー光学系５の瞳位置に形成され、リレー光学系５で重畳されることによって均質な照明が行われる。

なお、ロッドインテグレータ４は中空ロッドに限らず、四角柱形状のガラス体から成るガラスロッドでもよい。また、表示素子７の画像表示面７ａの形状と適合するならば、その側面についても４面に限らない。したがって、用いるロッドインテグレータ４としては、複数枚の反射ミラーを組み合わせて成る中空筒体、多角柱形状のガラス体等が挙げられる。

ロッドインテグレータ４から射出した照明光は、照明用のリレー光学系５を通過した後、臨界角プリズム６に入射する。臨界角プリズム６は、第１プリズム６ａと第２プリズム６ｂの２つのプリズムで構成されている。第１プリズム６ａは第１入射面Ｓ１と臨界面Ｓ２と第１射出面Ｓ３を有しており、第２プリズム６ｂは第２入射面Ｓ４と第２射出面Ｓ５を有している。そして、第１プリズム６ａの臨界面Ｓ２と第２プリズム６ｂの第２入射面Ｓ４とは、空気層を介して対向するように配置されている。

第１プリズム６ａの第１入射面Ｓ１には、リレー光学系５の一部を成すエントランスレンズ５ａが貼り合わされている。エントランスレンズ５ａは、照明光をテレセントリックにするために設けられている。第１入射面Ｓ１にエントランスレンズ５ａを貼り付ける代わりに、第１プリズム６ａの第１入射面Ｓ１を曲面にして、エントランスレンズ５ａの機能を第１プリズム６ａに持たせてもよい。また前述したように、リレー光学系５は、照明光をリレーしてロッドインテグレータ４の射出端面を表示素子７の画像表示面７ａ上で結像させる。つまり、表示素子７の画像表示面７ａ上にはロッドインテグレータ４の射出端面の像が形成されることになる。

照明光はエントランスレンズ５ａを経て、第１入射面Ｓ１から第１プリズム６ａに入射する。第１プリズム６ａの臨界面Ｓ２は、照明光が全反射するように配置されている。したがって、照明光は臨界面Ｓ２で反射され、第１プリズム６ａの第１射出面Ｓ３から射出して、表示素子７の画像表示面７ａを照明する。

表示素子７の画像表示面７ａでは、照明光の強度変調により２次元画像が形成される。ここでは、表示素子７としてデジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)を想定している。ただし、使用される表示素子７はこれに限らず、投影系に適した他の反射型の表示素子（例えば液晶表示素子）を用いても構わない。デジタル・マイクロミラー・デバイスの画素は、画像表示面７ａが構成する矩形の画像表示領域に対して４５°の回転軸を有しており、その軸回りに例えば±１２°回動することにより、ＯＮ／ＯＦＦを表現する。

表示素子７としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合、それに入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態（例えば±１２°の傾き状態）の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが臨界角プリズム６を通過することにより、表示素子７の表示画像がスクリーン（不図示）上に拡大投影される。つまり、画像表示状態においてＯＮ状態のマイクロミラーで反射された光束（すなわち投影光）が、第１プリズム６ａの第１射出面Ｓ３から再び第１プリズム６ａに入射し、第１プリズム６ａの臨界面Ｓ２に到達する。投影光は、全反射条件を満たさない角度で臨界面Ｓ２に入射するため、臨界面Ｓ２を透過し、空気層を経て、第２入射面Ｓ４から第２プリズム６ｂに入射する。第２プリズム６ｂの第２射出面Ｓ５から射出した投影光は、リレー光学系８と投影レンズ１５から成る投影光学系によって、スクリーン上に到達して、画像表示面７ａの投影像を形成する。

画像表示面７ａ上の画像表示領域には、例えば図２に示すように、上半分に左目用画像ＩＬが表示され、下半分に右目用画像ＩＲが表示される。つまり、表示素子７は、左右の視差を持った左目用画像ＩＬと右目用画像ＩＲを画像表示面７ａの異なる領域に表示する。投影用のリレー光学系８により、各画像ＩＲ，ＩＬの中間像１０が形成される。中間像１０の位置（又はその近傍）には、第１，第２偏光板９Ｒ，９Ｌが配置されている。つまり、中間像１０の右目用画像ＩＲの画像領域には第１偏光板９Ｒが配置されており、中間像１０の左目用画像ＩＬの画像領域には第２偏光板９Ｌが配置されている。第１，第２偏光板９Ｒ，９Ｌは、表示素子７で表示された各画像ＩＲ，ＩＬの投影光束に互いに異なる光学特性を持たせる特性差発生部材である。この実施の形態でいう「互いに異なる光学特性」とは、互いに直交する直線偏光の偏光特性であり、第１偏光板９Ｒから射出する右目用画像ＩＲの投影光束と、第２偏光板９Ｌから射出する左目用画像ＩＬの投影光束と、は互いに直交する直線偏光の特性を持つことになる。

第１，第２偏光板９Ｒ，９Ｌを透過した各画像ＩＲ，ＩＬの投影光束は、光路分離用の偏光ビームスプリッタ１１に入射する。ここで用いている光路分離用の偏光ビームスプリッタ１１は光路分離プリズムであり、例えば、屈折率：約１．５１６８のプリズム媒質に、屈折率：約１．４７４のＳｉＯ₂と、屈折率：約１．８４５のＬａ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃の混合物と、の多層膜で偏光分離面１１ａを形成することにより、入射角：４９．５度で良好な偏光分離ができるように構成されている。

光路分離用の偏光ビームスプリッタ１１は、第１，第２偏光板９Ｒ，９Ｌで互いに異なる光学特性を持った各投影光束の光路を、光学特性の差異を利用して右目用画像ＩＲの光路と左目用画像ＩＬの光路とに分離する光路分離部材である。つまり、第１偏光板９Ｒで直線偏光となった右目用画像ＩＲの光束は、光路分離用の偏光ビームスプリッタ１１の偏光分離面１１ａにＰ偏光となる位置関係で入射し、透過する。一方、第２偏光板９Ｌで右目用画像ＩＲの偏光方向とは直交する方向の直線偏光となった左目用画像ＩＬの投影光束は、光路分離用の偏光ビームスプリッタ１１の偏光分離面１１ａにＳ偏光として入射し、反射される。

偏光ビームスプリッタ１１から射出した各画像ＩＲ，ＩＬの投影光束は、折り返しミラー１２Ｒ，１２Ｌで反射され、１／２波長板１３Ｒ，１３Ｌを通過した後、光路合成用の偏光ビームスプリッタ１４に入射する。ここで用いている光路合成用の偏光ビームスプリッタ１４は光路合成プリズムであり、例えば、屈折率：約１．５１６８のプリズム媒質に、屈折率：約１．４７４のＳｉＯ₂と、屈折率：約２．４１のＴｉＯ₂と、の多層膜で偏光合成面１４ａを形成することにより、入射角：５６度で良好な偏光分離ができるように構成されている。

光路合成用の偏光ビームスプリッタ１４は、偏光ビームスプリッタ１１で分離された右目用画像ＩＲの光路と左目用画像ＩＬの光路とを、光学特性の差異を利用して同軸に合成する光路合成部材である。つまり、偏光ビームスプリッタ１１から射出した右目用画像ＩＲの投影光束は、折り返しミラー１２Ｒで反射された後、１／２波長板１３Ｒに入射して、その偏光方向が９０度変換される。そして、光路合成用の偏光ビームスプリッタ１４の偏光合成面１４ａに対しＳ偏光として入射し、反射される。一方、偏光ビームスプリッタ１１から射出した左目用画像ＩＬの投影光束は、折り返しミラー１２Ｌで反射された後、１／２波長板１３Ｌに入射して、その偏光方向が９０度変換される。そして、光路合成用の偏光ビームスプリッタ１４の偏光合成面１４ａに対しＰ偏光として入射し、透過する。

偏光ビームスプリッタ１４から射出した各画像ＩＲ，ＩＬの投影光束は、投影レンズ１５でスクリーン上に重ね合わさった状態で投影される。つまり、投影レンズ１５は、偏光ビームスプリッタ１４で光路が同軸に合成された投影光束を用いて、互いに異なる光学特性を持つ右目用画像ＩＲと左目用画像ＩＬをスクリーン上に重ね合せて投影する。このとき、右目用画像ＩＲと左目用画像ＩＬとは異なる偏光特性を有しているため、右目部分には右目用画像ＩＲの偏光成分のみを透過する偏光板が装着され、左目部分には左目用画像ＩＬの偏光成分のみを透過する偏光板が装着された偏光眼鏡を介してスクリーンを見れば、スクリーン上の投影画像を立体映像として鑑賞することができる。またこのとき、左右の画像の重ね合わせ精度を向上させるため、偏光ビームスプリッタ１１，１４；折り返しミラー１２Ｒ，１２Ｌ等に調整機構を設けてもよい。左右の画像を正確に重ね合わせることにより、立体映像鑑賞時の違和感・疲労感を軽減できる上に、この光学系を用いた状態で、偏光眼鏡無しで非立体表示の投影画像も良好に鑑賞できる。

第１の実施の形態では、光源１からの光束が約６０度の集光角でロッドインテグレータ４に集められるので、ロッドインテグレータ４の射出端面ではＮＡ(numerical aperture)＝０．５である。そして、照明用のリレー光学系５は、ロッドインテグレータ４の射出端面の像を２．５倍にして、表示素子７の画像表示面７ａをＮＡ＝０．２の光束で照明しており、投影用のリレー光学系８は、画像表示面７ａの画像を等倍でリレーして、ＮＡ＝０．２の光束で中間像１０を形成している。このため、中間像１０の光束は約２３度の角度分布を有しており、中間像１０から離れるに従って、左目用画像ＩＬと右目用画像ＩＲの光束が混ざり合い、特に画像ＩＲ，ＩＬの境界部ではすぐに混ざり合ってしまう。しかし、混ざり合いの少ない中間像面１０近傍に第１，第２偏光板９Ｒ，９Ｌを配置して、異なる偏光特性を与えているので、それ以降の混ざり合いが大きくなった状態でも光路分離用の偏光ビームスプリッタ１１によって良好に光路分離を行うことができる。

上記のように、異なる光学特性、すなわち偏光特性の差異を利用して光路分離を行っているので、特定のＮＡを持っている中間像１０の右目用画像ＩＲと左目用画像ＩＬとが、光路分離において混入し合うことは無い。したがって、右目用の映像光と左目用の映像光との光路分離を確実に行うことができるので、光路境界部での映像光の混入に起因する画質劣化を抑えて、高品質の画像投影が可能である。また、単一の投影レンズ１５で投影を行う構成になっているため、投影距離等の設置条件が異なってもユーザーによる再調整は不要であり、左右の視差を持った映像光のスクリーンに対する投影角に差が無いため、台形歪の差が生じることもない。

また、第１の実施の形態の構成では、２種類の画像ＩＲ，ＩＬ（図２）の合成を各光路２回の折り返しでコンパクトに実現している。しかも、左右の視差を持った映像光が光路長に差の無い状態に光路合成されるため、一方の映像にピントを合せると他方の映像がピンボケになるといった問題は生じない。つまり、左右の視差を持った映像間で光路長差に起因する合焦状態のズレは生じない。ここで、図６に示すように、光路分離用の偏光ビームスプリッタ１１及び光路合成用の偏光ビームスプリッタ１４とも同じ入射角で偏光の分離及び合成を行う構成を考える（なお、図６に示す構成では、偏光分離面１１ａ，偏光合成面１４ａに対する各入射角はすべて４５度である。）。

図６に示すように、第１偏光板９Ｒを介した右目用画像ＩＲの光路と、第２偏光板９Ｌを介した左目用画像ＩＬの光路と、が同軸に合成されたとき、各画像ＩＲ，ＩＬの中間像１０間の距離Δ分だけ、右目用画像ＩＲの方は左目用画像ＩＬよりも光路長が長くなる。これに対して第１の実施の形態の構成（図１）では、右目用画像ＩＲと左目用画像ＩＬの両方の光路に関して、偏光分離面１１ａに対する入射角（分離角度）αと偏光合成面１４ａに対する入射角（合成角度）βとが異なっており（図１は、左目用画像ＩＬの光路について入射角α，βを示しているが、右目用画像ＩＲの光路についても同様である。）、表示素子７から投影レンズ１５までの光路長が右目用画像ＩＲの光路と左目用画像ＩＬの光路とで同一となっている。このように、分離角度αと合成角度βとを異ならせることにより、光路長差を生じさせること無くコンパクトな光路分離及び光路合成の配置を可能としている。

《第２の実施の形態（図３）》
図３に、立体映像投影装置の第２の実施の形態を上方から見た状態で示す。図３において、１は光源、２はランプリフレクタ、３はカラーホイール、４はロッドインテグレータ、５は照明用のリレー光学系、６は臨界角プリズム、７は表示素子、１８は投影用のリレー光学系、１９は１／２波長板、２０は中間像、２１は光路分離用の偏光ビームスプリッタ、２２Ｒ，２２Ｌは折り返しミラー、２３は光路長補正板、２４は光路合成用の偏光ビームスプリッタ、１５は投影レンズである。

光源１から臨界角プリズム６までは、第１の実施の形態と第２の実施の形態とで同様の光学構成になっている。つまり、第２の実施の形態において第１の実施の形態と異なるのは、投影用のリレー光学系１８、１／２波長板１９（特性差発生部材）、及び光路の分離・合成部（光路分離部材光路，光路合成部材及び光路長補正部材から成る。）である。投影用のリレー光学系１８は、瞳位置よりスクリーン側の前群１６Ｂと、瞳位置より表示素子７側の後群１６Ａと、前群１６Ｂと後群１６Ａとの間に組み込まれた偏光変換光学系１７と、から成っている。偏光変換光学系１７は、平行平板１７ａ，偏光分離面１７ｂ及び三角プリズム１７ｃから成る偏光ビームスプリッタと、瞳位置に置かれた複数の１／２波長板１７ｄと、で構成されている。

投影用のリレー光学系１８の瞳位置は、照明用のリレー光学系５の瞳位置と共役であり、そこには複数の２次光源像が形成されている。後群１６Ａからの投影光束は、三角プリズム１７ｃに入射し、偏光分離面１７ｂでＳ偏光が反射され、Ｓ偏光成分の２次光源像を瞳位置に形成する。偏光分離面１７ｂを透過したＰ偏光は平行平板１７ａの反射面で反射され、再び偏光分離面１７ｂを透過し、瞳位置にＰ成分の２次光源像を形成する。Ｐ偏光成分の２次光源像は、平行平板１７ａの厚みに対応してＳ偏光成分の２次光源像からズレた位置に形成され、その位置に１／２波長板１７ｄが配置されている。１／２波長板１７ｄは、Ｐ偏光成分の２次光源像をＳ偏光へと変換することにより、すべての２次光源像の偏光成分をＳ偏光に揃える。このため、投影用のリレー光学系１８で形成される中間像２０は、直線偏光の揃った状態で結像する。

中間像２０の位置（又はその近傍）には、右目用画像ＩＲの画像領域に１／２波長板１９が配置されている。１／２波長板１９は、入射光の偏光方向を９０度変換して、左目用画像ＩＬと異なる直線偏光を射出する。結果として、左目用画像ＩＬと右目用画像ＩＲとで互いに直交した偏光成分が形成される。つまり、１／２波長板１９は、表示素子７で表示された各画像ＩＲ，ＩＬの投影光束に互いに異なる光学特性を持たせる特性差発生部材である。この実施の形態でいう「互いに異なる光学特性」とは、互いに直交する直線偏光の偏光特性であり、１／２波長板１９を通過した右目用画像ＩＲの投影光束と、１／２波長板１９を通過しない左目用画像ＩＬの投影光束と、は互いに直交する直線偏光の特性を持つことになる。

右目用画像ＩＲの投影光束は、光路分離用の偏光ビームスプリッタ２１の偏光分離面２１ａにＰ偏光となる位置関係で入射し、透過する。一方、左目用画像ＩＬの投影光束は、光路分離用の偏光ビームスプリッタ２１の偏光分離面２１ａにＳ偏光として入射し、反射される。このように、光路分離用の偏光ビームスプリッタ２１は、１／２波長板１９で互いに異なる光学特性を持った各投影光束の光路を、光学特性の差異を利用して右目用画像ＩＲの光路と左目用画像ＩＬの光路とに分離する光路分離部材である。

右目用画像ＩＲの投影光束は、光路長補正板２３を透過し、折り返しミラー２２Ｒで反射された後、光路合成用の偏光ビームスプリッタ２４の偏光合成面２４ａにＰ偏光として入射し、透過する。一方、左目用画像ＩＬの投影光束は、折り返しミラー２２Ｌで反射された後、光路合成用の偏光ビームスプリッタ２４の偏光合成面２４ａにＳ偏光として入射し、反射される。このように、光路合成用の偏光ビームスプリッタ２４は、偏光ビームスプリッタ２１で分離された右目用画像ＩＲの光路と左目用画像ＩＬの光路とを、光学特性の差異を利用して同軸に合成する光路合成部材である。

偏光ビームスプリッタ２４から射出した各画像ＩＲ，ＩＬの投影光束は、投影レンズ１５でスクリーン上に重ね合わさった状態で投影される。つまり、投影レンズ１５は、偏光ビームスプリッタ１４で光路が同軸に合成された投影光束を用いて、互いに異なる光学特性を持つ右目用画像ＩＲと左目用画像ＩＬをスクリーン上に重ね合せて投影する。このとき、右目用画像ＩＲと左目用画像ＩＬとは異なる偏光特性を有しているため、右目部分には右目用画像ＩＲの偏光成分のみを透過する偏光板が装着され、左目部分には左目用画像ＩＬの偏光成分のみを透過する偏光板が装着された偏光眼鏡を介してスクリーンを見れば、スクリーン上の投影画像を立体映像として鑑賞することができる。

光路長補正板２３は、表示素子７から投影レンズ１５までの光路長が右目用画像ＩＲの光路と左目用画像ＩＬの光路とで同一になるように、右目用画像ＩＲと左目用画像ＩＬとの光路長差の補正を行う光路長補正部材である。図６に示す光路構成と同様、光路分離用の偏光ビームスプリッタ２１及び光路合成用の偏光ビームスプリッタ２４とも同じ入射角で偏光の分離及び合成を行う構成になっているが、光路長補正板２３の媒質（例えばガラス）と空気との屈折率差を利用することで、その光路長差（図６中の距離Δに相当する。）の分だけ光路長補正板２３で光路長差の補正が行われる。これにより、左右の視差を持った映像光が光路長に差の無い状態に光路合成されるため、一方の映像にピントを合せると他方の映像がピンボケになるといった問題は生じない。つまり、左右の視差を持った映像間で光路長差に起因する合焦状態のズレは生じず、右目用画像ＩＲ、左目用画像ＩＬとも良好な合焦状態でスクリーンに投影することが可能となる。

第２の実施の形態では、上記のように光路長補正板２３を用いることにより、光路長差を生じさせること無くコンパクトな光路分離及び光路合成の配置を可能としており、しかも、２種類の画像ＩＲ，ＩＬ（図２）の合成を各光路２回の折り返しでコンパクトに実現することを可能としている。なお、折り返しミラー２２Ｒの代わりに直角プリズムを光路長補正部材として用い、その内面反射で右目用画像ＩＲの投影光束を折り返す構成にしてもよい。そのように光路長補正板２３と折り返しミラー２２Ｒとを兼用すれば、光学構成のコンパクト化及び低コスト化に寄与することが可能である。

第２の実施の形態では、混ざり合いの少ない中間像面２０近傍に１／２波長板１９を配置して、異なる偏光特性を与えているので、第１の実施の形態と同様、それ以降の混ざり合いが大きくなった状態でも光路分離用の偏光ビームスプリッタ２１によって良好に光路分離を行うことができる。このように、異なる光学特性、すなわち偏光特性の差異を利用した光路分離により、特定のＮＡを持っている中間像２０の右目用画像ＩＲと左目用画像ＩＬとが、光路分離において混入することは無い。したがって、右目用の映像光と左目用の映像光との光路分離を確実に行うことができるので、光路境界部での映像光の混入に起因する画質劣化を抑えて、高品質の画像投影が可能である。また、第１の実施の形態と同様、単一の投影レンズ１５で投影を行う構成になっているため、投影距離等の設置条件が異なってもユーザーによる再調整は不要であり、左右の視差を持った映像光のスクリーンに対する投影角に差が無いため、台形歪の差が生じることもない。さらに、第１の実施の形態では、中間像面に異なる偏光特性を与える際、偏光板で不要な偏光成分が吸収されて光量が半減するが、第２の実施の形態では、中間像面に異なる偏光特性を与える前に投影用のリレー光学系１８で偏光変換が行われるため、中間像に異なる光学特性を効率良く与えることができ、明るい投影画像が得られる。

《投影用のリレー光学系の第１，第２変形例（図４，図５）》
図４は、第２の実施の形態（図３）における投影用のリレー光学系１８の第１変形例（リレー光学系１８Ａ）であり、その一部を成す偏光変換光学系１７が第２の実施の形態とは異なっている。投影用のリレー光学系１８Ａは、瞳位置よりスクリーン側の前群１６Ｂと、瞳位置より表示素子７側の後群１６Ａと、前群１６Ｂと後群１６Ａとの間に組み込まれた偏光変換光学系１７と、から成っている。偏光変換光学系１７は、複数の偏光分離面１７ｂとそれらに対向する反射面１７ｆとを配置した偏光ビームスプリッタアレイ１７ｅと、瞳位置に置かれた複数の１／２波長板１７ｄと、で構成されている。各偏光分離面１７ｂは、リレー光学系１８Ａの光軸（一点鎖線）に対して４５°傾けて、互いに平行に等間隔で配置されている。反射面１７ｆは偏光分離面１７ｂと平行に対向しており、偏光分離面１７ｂを透過した光線と平行になるように、偏光分離面１７ｂで反射した光線を反射する。１／２波長板１７ｄは、リレー光学系１８Ａの瞳位置近傍であって偏光ビームスプリッタアレイ１７ｅのスクリーン側に、偏光分離面１７ｂと対向するように配置されている。なお、１／２波長板１７ｄは、反射面１７ｆと対向するように配置されていてもよい。

投影用のリレー光学系１８Ａの瞳位置は、照明用のリレー光学系５の瞳位置と共役であり、そこには複数の２次光源像が形成されている。１／２波長板１７ｄの配置間隔は、リレー光学系１８Ａの瞳内に形成される２光源像の位置に対応した間隔となっている。後群１６Ａからの投影光束は、偏光分離面１７ｂを透過するＰ偏光と、偏光分離面１７ｂで反射されるＳ偏光と、に分離される。偏光分離面１７ｂを透過したＰ偏光は１／２波長板１７ｄ近傍で結像し、２次光源像を形成するとともに、１／２波長板１７ｄを通過してＳ偏光に変換される。一方、偏光分離面１７ｂで反射されたＳ偏光は、隣の偏光分離面１７ｂで再度反射され、１／２波長板１７ｄ近傍で、かつ、元々Ｐ偏光であった２次光源像の形成されている１／２波長板１７ｄの傍らで結像し、Ｓ偏光の２次光源像を形成する。このとき、１／２波長板１７ｄを通過せずＳ偏光のままで通過するので、リレー光学系１８Ａを出る投影光は偏光分離面１７ｂに対してすべてＳ偏光となる。

上記のように、光源像と光源像との間に偏光分離した光源像を生成して偏光変換を行うので、より広いピッチで分布している方向に偏光分離する方が、効率良く偏光状態を揃えることができる。２次光源像は、ロッドインテグレータ４（図３）内での反射回数に応じてリレー光学系１８Ａの瞳面上に形成されるので、ロッドインテグレータ４の断面の長辺方向により広いピッチで分布する。ロッドインテグレータ４の断面の長辺方向は、表示素子７の画像表示領域の長辺方向に相当するので、この方向に偏光分離を行って偏光状態を揃えると、効率良く偏光変換を行うことができる。

偏光変換光学系１７により、Ｐ偏光，Ｓ偏光のいずれか一方の光路が同軸となるようにリレー光学系１８Ａの前群１６Ｂと後群１６Ａを配置すると、他方では光路シフト及び光路長差が生じ、その量があまり大きいとリレー光学系１８Ａの結像性能に悪影響を与えることになる。第１変形例（図４）では、２次光源像の分布ピッチに合わせた偏光変換を行う構成になっているので、光路全体で偏光変換を行う場合に比べて、その光路シフト量及び光路長差が小さくて済み、性能の劣化も少ない偏光変換を達成することができる。さらに、リレー光学系１８Ａの前群１６Ｂと後群１６Ａを、偏光分離面１７ｂの配置間隔の半分に相当する分（すなわち、Ｐ偏光とＳ偏光の光路分離の方向において、その分離量の半分に相当する分）、偏心した状態で配置することにより、両方の偏光成分の光路シフト量を均等にして、その最大値を小さくすると、光路シフトによる性能劣化をより一層抑えることができる。

図５は、第２の実施の形態（図３）における投影用のリレー光学系１８の第２変形例（リレー光学系１８Ｂ）であり、その一部を成す偏光変換光学系１７が第２の実施の形態とは異なっている。第１変形例と同様、投影用のリレー光学系１８Ｂは、瞳位置よりスクリーン側の前群１６Ｂと、瞳位置より表示素子７側の後群１６Ａと、前群１６Ｂと後群１６Ａとの間に組み込まれた偏光変換光学系１７と、から成っている。偏光変換光学系１７は、複数の偏光分離面１７ｂとそれらに対向する反射面１７ｆとを配置した偏光ビームスプリッタアレイ１７ｅと、瞳位置に置かれた複数の１／２波長板１７ｄと、で構成されている。各偏光分離面１７ｂは、リレー光学系１８Ｂの光軸（一点鎖線）に対して４５°傾いているが、隣り合う偏光分離面１７ｂが交互に傾き方向（つまり光路分離方向）を変えて配置されている。反射面１７ｆは偏光分離面１７ｂと平行に対向しており、偏光分離面１７ｂを透過した光線と平行になるように、偏光分離面１７ｂで反射した光線を反射する。１／２波長板１７ｄは、リレー光学系１８Ｂの瞳位置近傍であって偏光ビームスプリッタアレイ１７ｅのスクリーン側に、偏光分離面１７ｂと対向するように配置されている。なお、１／２波長板１７ｄは、反射面１７ｆと対向するように配置されていてもよい。

第２変形例（図５）のリレー光学系１８Ｂのように、偏光ビームスプリッタアレイ１７ｅを光路分離方向が交互に変化する構成にすることによっても、光路シフト量を小さく抑えることができる。そして、このリレー光学系１８Ｂの構成では、１つの２次光源像の光路を２つの光路に分けることにより、リレー光学系１８Ｂの前群１６Ｂと後群１６Ａを偏心させること無しに、Ｐ偏光成分の光路シフトが無い状態で、Ｓ偏光成分の光路シフト量を第１変形例（図４）の場合と同じにすることができ、さらに光路長差を第１変形例（図４）の場合の半分にすることができる。

《各実施の形態の特徴点等》
上述した記載から分かるように、第１の実施の形態には以下の立体映像投影装置の構成（＃１）〜（＃４）が含まれており、第２の実施の形態には以下の立体映像投影装置の構成（＃１）〜（＃３）及び（＃５）が含まれている。

（＃１）：左右の視差を持った左目用画像と右目用画像を画像表示面の異なる領域に表示する表示素子と、前記表示素子で表示された各画像の投影光束に互いに異なる光学特性を持たせる特性差発生部材と、前記特性差発生部材で互いに異なる光学特性を持った各投影光束の光路を、前記光学特性の差異を利用して右目用画像の光路と左目用画像の光路とに分離する光路分離部材と、前記光路分離部材で分離された右目用画像の光路と左目用画像の光路とを、前記光学特性の差異を利用して同軸に合成する光路合成部材と、前記光路合成部材で光路が同軸に合成された投影光束を用いて、互いに異なる光学特性を持つ右目用画像と左目用画像をスクリーン上に重ね合せて投影する単一の投影レンズと、を有することを特徴とする立体映像投影装置。

（＃２）：左右の視差を持った左目用画像と右目用画像を画像表示面の異なる領域に表示する表示素子と、前記表示素子に表示された右目用画像と左目用画像の中間像を形成するリレー光学系と、前記リレー光学系で形成された各中間像の投影光束に互いに異なる光学特性を持たせる特性差発生部材と、前記特性差発生部材で互いに異なる光学特性を持った各投影光束の光路を、前記光学特性の差異を利用して右目用画像の光路と左目用画像の光路とに分離する光路分離部材と、前記光路分離部材で分離された右目用画像の光路と左目用画像の光路とを、前記光学特性の差異を利用して同軸に合成する光路合成部材と、前記光路合成部材で光路が同軸に合成された投影光束を用いて、互いに異なる光学特性を持つ右目用画像と左目用画像をスクリーン上に重ね合せて投影する単一の投影レンズと、を有することを特徴とする立体映像投影装置。

（＃３）：前記互いに異なる光学特性が、互いに直交する直線偏光の偏光特性であることを特徴とする（＃１）又は（＃２）記載の立体映像投影装置。

（＃４）：前記光路分離部材が光路分離面を有し、前記光路合成部材が光路合成面を有し、右目用画像と左目用画像の両方の光路に関して、前記光路分離面に対する入射角と前記光路合成面に対する入射角とが異なり、前記表示素子から前記投影レンズまでの光路長が右目用画像の光路と左目用画像の光路とで同一であることを特徴とする（＃１）〜（＃３）のいずれか１項に記載の立体映像投影装置。

（＃５）：さらに、前記表示素子から前記投影レンズまでの光路長が右目用画像の光路と左目用画像の光路とで同一になるように、右目用画像と左目用画像との光路長差の補正を行う光路長補正部材を有することを特徴とする（＃１）〜（＃３）のいずれか１項に記載の立体映像投影装置。

構成（＃１）又は（＃２）によれば、互いに異なる光学特性を持った各投影光束の光路を、光路分離部材が光学特性の差異を利用して右目用画像の光路と左目用画像の光路とに分離する構成になっているため、右目用の映像光と左目用の映像光との光路分離を確実に行うことができる。例えば、広がりを持った光束でも確実な光路分離が可能であり、Ｆナンバーの明るい光学系でも効率の良い光路分離及び光路合成が可能である。したがって、光路境界部での映像光の混入に起因する画質劣化を抑えて、高品質の画像投影を可能とするコンパクトな立体映像投影装置を実現することができる。例えば、単一の表示素子と単一の投影レンズを用いる際、光路合成のために必要とされる効率的な光路分離を、コンパクトに実現することが可能となる。

また、右目用画像と左目用画像の光軸を合成して単一の投影レンズで投影する構成になっているため、様々な設置条件でも重ね合せ調整の煩わしさが無い。表示素子の異なる画像表示領域に、右目用画像と左目用画像を常時表示する構成にすれば、時分割表示の場合のようなチラツキ等の目障りな感触が無く、スムーズな立体映像の動画を一台のプロジェクタで得ることが可能となる。

なお「異なる光学特性」としては、偏光特性の他に、波長特性（つまり色特性）が挙げられる。例えば、第１の実施の形態（図１）において、第１，第２偏光板９Ｒ，９Ｌの代わりに、第１，第２カラーフィルターを用いてもよい。第１カラーフィルターは、ＲＧＢのそれぞれについて、波長の短い側の帯域だけ透過する透過率特性を有するものであり、第２カラーフィルターは、ＲＧＢのそれぞれについて、波長の長い側の帯域だけ透過する透過率特性を有するものである。

構成（＃２）により、リレー光学系で右目用画像と左目用画像の中間像を形成し、例えば、偏光板，波長板，フィルタ等の光学部材を特性差発生部材として中間像位置又はその近傍に配置すれば、右目用画像と左目用画像に互いに異なる光学特性を与えることができる。反射型の表示素子（例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いる場合、照明光の影響もあり、上記のような光学特性を与える特性差発生部材を表示素子近傍に配置することは容易でない。しかし、リレー光学系で中間像を形成すれば、互いに異なる光学特性を与える特性差発生部材を容易に配置することが可能となる。

構成（＃３）によれば、互いに直交する直線偏光の偏光特性を右目用画像と左目用画像に与える構成になっているので、例えば、偏光ビームスプリッタやワイヤグリッド等の光学部材を用いると、光束分離や光束合成を容易に行うことが可能となる。さらに、その偏光特性を利用すると、安価な偏光眼鏡で立体映像を鑑賞することが可能となる。

構成（＃４）によれば、右目用画像と左目用画像の両方の光路に関して、光路分離面に対する入射角と光路合成面に対する入射角とが異なる構成になっているので、表示素子から投影レンズまでの光路長を揃えることができ、単一の投影レンズを用いた投影でありながら、左右の視差を持った映像の双方ともピントの合った状態にすることができる。なお、光路分離面としては、例えば多層膜から成る偏光分離面やワイヤグリッドから成る偏光分離面が挙げられ、光路合成面としては、例えば多層膜から成る偏光合成面やワイヤグリッドから成る偏光合成面が挙げられる。

構成（＃５）によれば、右目用画像と左目用画像との光路長差の補正を行う光路長補正部材を有する構成になっているので、表示素子から投影レンズまでの光路長を揃えることができ、単一の投影レンズを用いた投影でありながら、左右の視差を持った映像の双方ともピントの合った状態にすることができる。

５照明用のリレー光学系
７表示素子
７ａ画像表示面
８，１８投影用のリレー光学系
９Ｒ，９Ｌ第１，第２偏光板（特性差発生部材）
１０，２０中間像
１１，２１光路分離用の偏光ビームスプリッタ（光路分離部材）
１１ａ，２１ａ偏光分離面（光路分離面）
１３Ｒ，１３Ｌ１／２波長板
１４，２４光路合成用の偏光ビームスプリッタ（光路合成部材）
１４ａ，２４ａ偏光合成面（光路合成面）
１５投影レンズ
１７偏光変換光学系
１９１／２波長板（特性差発生部材）
２３光路長補正板（光路長補正部材）
ＩＲ右目用画像
ＩＬ左目用画像

Claims

左右の視差を持った左目用画像と右目用画像を画像表示面の異なる領域に表示する表示素子と、
前記表示素子で表示された各画像の投影光束に互いに異なる光学特性を持たせる特性差発生部材と、
前記特性差発生部材で互いに異なる光学特性を持った各投影光束の光路を、前記光学特性の差異を利用して右目用画像の光路と左目用画像の光路とに分離する光路分離部材と、
前記光路分離部材で分離された右目用画像の光路と左目用画像の光路とを、前記光学特性の差異を利用して同軸に合成する光路合成部材と、
前記光路合成部材で光路が同軸に合成された投影光束を用いて、互いに異なる光学特性を持つ右目用画像と左目用画像をスクリーン上に重ね合せて投影する単一の投影レンズと、
を有することを特徴とする立体映像投影装置。
左右の視差を持った左目用画像と右目用画像を画像表示面の異なる領域に表示する表示素子と、
前記表示素子に表示された右目用画像と左目用画像の中間像を形成するリレー光学系と、
前記リレー光学系で形成された各中間像の投影光束に互いに異なる光学特性を持たせる特性差発生部材と、
前記特性差発生部材で互いに異なる光学特性を持った各投影光束の光路を、前記光学特性の差異を利用して右目用画像の光路と左目用画像の光路とに分離する光路分離部材と、
前記光路分離部材で分離された右目用画像の光路と左目用画像の光路とを、前記光学特性の差異を利用して同軸に合成する光路合成部材と、
前記光路合成部材で光路が同軸に合成された投影光束を用いて、互いに異なる光学特性を持つ右目用画像と左目用画像をスクリーン上に重ね合せて投影する単一の投影レンズと、
を有することを特徴とする立体映像投影装置。
前記互いに異なる光学特性が、互いに直交する直線偏光の偏光特性であることを特徴とする請求項１又は２記載の立体映像投影装置。
前記光路分離部材が光路分離面を有し、前記光路合成部材が光路合成面を有し、右目用画像と左目用画像の両方の光路に関して、前記光路分離面に対する入射角と前記光路合成面に対する入射角とが異なり、前記表示素子から前記投影レンズまでの光路長が右目用画像の光路と左目用画像の光路とで同一であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の立体映像投影装置。
さらに、前記表示素子から前記投影レンズまでの光路長が右目用画像の光路と左目用画像の光路とで同一になるように、右目用画像と左目用画像との光路長差の補正を行う光路長補正部材を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の立体映像投影装置。