JP6187141B2 - 画像表示装置及び非平面型スクリーン - Google Patents

Description

本発明は画像表示装置及び非平面型スクリーンに係り、特に非平面型スクリーンに画像光を投影して画像を表示する画像表示装置及びそれに用いるプラネタリウムを代表とするドーム形状のスクリーンなどの非平面型スクリーンに関する。

近年のマルチメディア時代の到来により、あらゆる場面で画像表示装置が利用されている。特に画像信号を変調光としてドーム型に代表される非平面型スクリーンに投影する投射型の画像表示装置は大画面化によって高視野角が得られるため、高臨場感映像に最適であるためプラネタリウム、映画館、シミュレータ分野で多く利用されている。

この投射型の画像表示装置としては従来は陰極線管（ＣＲＴ:Cathode Ray Tube)が多く利用されていたが、近年においては高輝度、高精細化の市場要求と共に、これらの要求性能に適する光変調素子として反射型液晶パネルやデジタル・マイクロミラー・デバイス(ＤＭＤ）が利用されている。これら投射型の画像表示装置は光源光を光変調素子に照射し、画像信号に応じて変調された変調光をスクリーン上に投影することで画像表示を行う。

ところで、非平面型スクリーンを用いた投射型の画像表示装置として、非平面型スクリーンとして代表的なドーム型スクリーンを採用したプラネタリウムが知られている。このプラネタリウムは直径１０ｍを越えるスクリーンサイズのドーム型スクリーンが一般的であり、このスクリーンサイズは１６：９アスペクトでは１０００インチに相当する。このサイズではゲイン１のスクリーンを用いて殆どの観察者に対して均一な明るさの表示画像を提供するために、ドーム型スクリーンに変調光を投射する画像投射装置には４万ルーメンクラスの表示輝度が必要となる。しかし、この場合、装置サイズが大きく、かつ、高価な画像投射装置が必要となるため、実際にはゲイン３に近いスクリーンと１万ルーメン以下の表示輝度の画像投射装置とを採用する画像表示装置が殆どである。この高ゲインスクリーンはスクリーン上で拡散した画像光が再度スクリーンの別の箇所に再入射することで生じるコントラスト低下を抑制する目的もある。

しかしながら、高ゲインであるために例え１００％の信号レベルに相当する白い画像をスクリーンに投射したとしても、原理的に観察位置によってスクリーン上の各点の明るさは異なって見える。このことは観察者１人だけでなく、観察者間で異なる明るさの画像を観察することにほかならず、提供したい画像を全ての観察者に同じく提供することができない課題がある。

もう少し詳しく説明する。これまでの非平面型スクリーンには一般的に拡散型スクリーンが使用されている。これは多くの観測者が明るく、かつ、同一輝度レベルの表示画像を観測できるようにするためである。しかし、拡散型スクリーンを使用した図８に概略構成を示す従来の画像表示装置では、例えばゲイン１のような拡散型スクリーンを使用した場合は、観測者が観測する画像はＡＮＳＩパターンを表示したときのコントラスト比（ＡＮＳＩコントラスト）の低下した画像となってしまう。

すなわち、図８において、画像投射装置１から拡散型スクリーン２へ出射した画像表示光（ａ光とする）は、拡散型スクリーン２に対して略法線方向に入射した後に拡散する。この拡散光は、図８において例えばａ０光として観測者３に届くだけでなく、拡散型スクリーン２上の異なる点、例えばｂ点にａ１光として再入射して更に拡散する。ｂ点からの拡散光のうちの一部（ａ１０光とする）は本来観測されるべきｂ０光に合わせて観測者３に観測される。なお、ａ１０光以外の光の一部は、再び拡散型スクリーン２上の異なる点への再入射と拡散とを輝度レベルを減衰させながら繰り返すことになる。実際の表示映像を基にこの問題をもう少し詳細に説明する。

図９は、「背景色が白であるサイズの黒ボックス」の画像を表示したときの従来の画像表示装置の一例の概略説明図を示す。同図において、画像投射装置１から拡散型スクリーン２上のｂ点に出射した黒ボックス４の画像投射光（ｂ光とする）を観測者３が観測するとき、ｂ点で反射されたｂ０光を見ることになる。このとき、観測者３は画像が黒であるため理想的には輝度レベルが０に近い画像を見るはずである。しかしながら、拡散型スクリーン２上のａ点で拡散されたａ１光がｂ点に入射するために、実際には観測者３はａ１光の拡散光ａ１０光とｂ０光の双方を観測することになり、黒表示にも関わらず輝度レベルが高くなったいわゆる黒浮きをした画像を観察することになる。これはすなわちＡＮＳＩコントラストが低下した画像であり，高コントラストの高画質映像を提供する大きな妨げとなる。

そこで、上記の問題を解決するため、例えば特許文献１には、ドーム型スクリーンの内側面に設けられたプロジェクタから投射された画像光を反射する反射部に、ドーム型スクリーンの水平方向に沿って所定間隔毎に突設した遮光部を設け、反射部で反射してドーム中央に向かう光を遮光部により遮光する構成の発明が開示されている。

また、特許文献２には、スクリーン上の複数の画素のそれぞれを、赤外光を受光すると光量に応じた電流を出力する受光素子と、その受光素子に接続されその受光素子の出力電流に応じた輝度の可視光を発光する発光素子とからなる構成とし、プロジェクタから表示する映像に応じて画素毎に光量が調整された赤外光をスクリーン上に投影することで、スクリーン上の各画素の発光素子から表示される映像に応じた輝度の可視光を発光させる構成の発明が開示されている。この発明では、プロジェクタから投射された光をスクリーンで反射させない構成とすることができる。

特開２０１１−１７５０２２号公報 特開２００６−１７８３４０号公報

しかしながら、スクリーンがドーム形状を代表とする非平面型拡散スクリーンの場合は、画像投射面が内側に湾曲しているため、特許文献１記載の発明では反射部で反射された光の一部が反射点より離れた位置に遮光部で遮光されずに再入射し、また、特許文献２記載の発明では各画素で発光された光の一部が離れた位置にある他の画素に入射することは避けられず、いずれもＡＮＳＩコントラストの改善としては不十分であると言わざるを得ない。

つまり、拡散方向を制御しない従来の拡散スクリーンからなるドーム形状を代表とする非平面型スクリーンを用いた画像表示装置では、十分なＡＮＳＩコントラストが得られず、高画質映像を提供できないという課題がある。

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、従来と比較して高いＡＮＳＩコントラストの画像を得ることができる画像表示装置及びそれに用いる非平面型スクリーンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の画像表示装置は、投射面にホログラム記録媒体が設けられた非平面型スクリーン(11)と、表示する画像の画像信号に応じて変調された投射画像光を非平面型スクリーンの投射面に投射する画像投射装置(12)とを備え、
ホログラム記録媒体は、入射する投射画像光を、非平面型スクリーンからの画像を観測する観測者が存在する領域範囲に向かう所定の角度範囲にのみ第一拡散光として拡散させる拡散特性のホログラム記録像が記録されており、投射画像光を参照光としてホログラム記録媒体からホログラム記録像を再生して、前記領域範囲内の異なる位置の複数の観測者に対し略同一の拡散特性を持つ第一拡散光を出射させて画像表示することを特徴とする。

また、上記の目的を達成するため、本発明の非平面型スクリーンは、入射する投射画像光を表示画像の観測者が存在する領域範囲に向かう所定の角度範囲にのみ第一拡散光として拡散させる拡散特性のホログラム記録像が記録されたホログラム記録媒体が非平面形状の投射面に形成され、前記投射画像光を参照光として前記ホログラム記録媒体から前記ホログラム記録像を再生して、前記領域範囲内の異なる位置の複数の観測者に対し略同一の拡散特性を持つ前記第一拡散光を出射することを特徴とする。

本発明によれば、従来と比較して簡単な構成により高いＡＮＳＩコントラストの画像を得ることができる。

本発明の画像表示装置の一実施形態の概略構成図及び一部拡大図である。 図１（Ａ）中の半球型ホログラムスクリーンの一実施形態の側面図及び上面図一部の拡散特性説明図である。 図１（Ａ）中の半球型ホログラムスクリーンのホログラム記録媒体への投射画像光が拡散される様子を説明する拡大図である。 図１（Ａ）中の画像表示装置の半球型ホログラムスクリーンの微小面積に対する投射画像光とその第一拡散光の様子を示す図である。 図４中の微小面積付近の拡散光の拡散範囲を説明する拡大図である。 図１（Ａ）中の半球型ホログラムスクリーンにおける同一の拡散特性を示す所定幅円周部分を示す図である。 従来の画像表示装置に対する本発明の画像表示装置の効果を説明する図である。 従来の画像表示装置の一例の概略構成を説明する図である。 非平面型スクリーンを使用した従来の画像表示装置の課題を説明する図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１（Ａ）は、本発明になる画像表示装置の一実施形態の概略構成図を示す。同図（Ａ）において、本実施形態の画像表示装置１０は、本発明の非平面型スクリーンの一例としての中空の半球型ホログラムスクリーン１１と、半球型ホログラムスクリーン１１の半球の中心に位置し、画像信号に応じて変調された変調光である投射画像光を半球型ホログラムスクリーン１１の内側面に投射する画像投射装置１２とから構成されている。画像投射装置１２は、例えば表示画像の画像信号でレーザ光源からのレーザ光の輝度を変調した変調光を魚眼レンズ１３を通して投射画像光として出射する構成である。半球型ホログラムスクリーン１１は、一般的な投射レンズからの出射像サイズ（例えば５０×３０[mm])と直径１０ｍの半球状スクリーンで、内側の投射面にホログラム記録媒体が形成された構造である。

ホログラム記録媒体自体は公知であり、立体映像表示を代表的なアプリケーションとしたホログラム記録媒体が知られている。記録媒体材料には銀塩フィルムやフォトポリマーが用いられる。また、ホログラム記録媒体の像形成方法としては、エンボスホログラム（レインボーホログラム）を用いても可能であるが、より波長依存性の少ないつまり正確な角度制御を可能とするリップマンホログラム（ボリュームタイプホログラム）が最適である。

また、ホログラム記録媒体の生成方法としては、数値計算により求めた干渉縞を描画装置で作成する計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer Generated Hologram）が一般的である。描画装置としてはレーザ直接描画装置やフリンジプリンタ（波面プリンタ）などが開発されている。こうしたホログラム記録媒体を用いたアプリケーションとして、ビーム光から所定の拡散角の拡散光を生成する反射型体積ホログラムが例えば特開２０１２−５８７０９号公報に提案されている。

これに対し、本発明の非平面型スクリーンの一実施形態の半球型ホログラムスクリーン１１に設けられるホログラム記録媒体は、入射する投射画像光を、半球型ホログラムスクリーン１１からの画像を観測する観測者が存在する領域範囲に向かう所定の角度範囲で第一拡散光として拡散させる拡散特性のホログラム記録像が記録されている点に従来にはない独自の特徴がある。

また、本実施形態における半球型ホログラムスクリーン１１のような直径１０ｍもの大型の半球形状の体積ホログラムを作製することは困難である。そこで、本実施形態では、例えば図２（Ａ）の側面図、同図（Ｂ）の上面図に示すように、中空半球状の基体の内側面にほぼ二等辺三角形状のホログラム単位記録部２１を多数貼り合せた構成としている。ホログラム単位記録部２１は、図２（Ｃ）に示すように、高さ方向において互いに拡散特性が異なるｎ個（ｎは２以上の自然数）の所定幅で微小面積の拡散特性単位記録部分２２₁〜２２_nからなる、全体としてほぼ二等辺三角形状の構成である。多数のホログラム単位記録部２１はそのほぼ二等辺三角形状の頂点が互いに中空半球状の基体の中心点（頂点）で一致し、かつ、隣り合う２つのホログラム単位記録部２１のそれぞれの複数の拡散特性単位記録部分２２₁〜２２_nのうち同じ拡散特性の拡散特性単位記録部分同士が隣接するように貼り合わされている。従って、半球型ホログラムスクリーン１１は、所定幅の拡散特性単位の同じ円周部分では拡散特性が同一であるが、所定幅以上異なる複数の円周部分の間では互いに拡散特性が異なるようになされている。

なお、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示した三角形状ホログラム記録媒体２１は、コンピュータを用いた計算機ホログラム（ＣＧＨ）を用いてホログラム記録像の元データを作成し、これをフォトポリマに代表されるホログラム記録媒体にフリンジプリンタ（波面プリンタ）で回折像を拡散特性単位記録部分に記録することで作製することができる。

本実施形態の画像表示装置１０では、画像投射装置１２からの投射画像光は半球型ホログラムスクリーン１１のスクリーン面に対して図１（Ｂ）の拡大図に示すようにほぼ法線方向に入射するとともに、微小な面積に対する立体角中の光束はほぼ平行光とみなすことができる。つまり、半球型ホログラムスクリーン１１上のいずれの点においても投射光はほぼ垂直に入射するほぼ平行光とみなすことができる。なお、この微小な面積は視覚限界角として代表的な値である１／６０度以下の立体角で囲む面積としてもよく、この場合の微小面積は半径１.４ｍｍとなる。

ここで、半球型ホログラムスクリーン１１の投射面に設けられたホログラム記録媒体には前述したホログラム記録像が記録されている。ホログラム記録媒体に記録されたホログラム記録像は、ホログラム記録媒体に入射する投射画像光を参照光として再生され、投射画像光を前述した所定の角度範囲内で第一拡散光として拡散する拡散特性を有する回折像である。このため、図３に示すように、半球型ホログラムスクリーン１１のホログラム記録媒体１１０の微小な点にほぼ垂直に入射する投射画像光Ｌ０は、参照光としてホログラム記録媒体に記録された回折像を再生し、所定の立体角ωの範囲内で第一拡散光Ｌ１として拡散される。このため、本実施形態ではスクリーンで反射した光は水平方向に反射せず、よって他のスクリーンの位置に再入射することがない。

図４は、上記の微小面積に対する投射画像光とその第一拡散光の様子を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付してある。図３と共に説明したように、半球型ホログラムスクリーン１１のホログラム記録媒体の前述した微小面積ｓに対してほぼ垂直に入射した画像投射装置１２からの投射画像光Ｌ０は、半球型ホログラムスクリーン１１のホログラム記録媒体に記録された拡散特性によって第一拡散光Ｌ１として拡散し、他のスクリーン位置に再入射することなく図４に示すように異なる位置の観測者３１、３２、３３にそれぞれ照射される。

上記の拡散特性は、図４及び図５の微小面積ｓ付近の拡大図に示すように、微小面積ｓからの第一拡散光Ｌ１が図４及び図５に点線３０で示す観測範囲内（立体角ω内）にのみ拡散し、他の方向には拡散しない特性である。なお、同一の観測範囲に対する半球型ホログラムスクリーン１１上の各点の立体角は異なるため、拡散特性は各点で、この立体角に合わせた拡散特性とする。

前述したように半球型ホログラムスクリーン１１は、所定幅以上異なる複数の円周部分の間では互いに拡散特性が異なるようになされている。ただし、半球型ホログラムスクリーン１１の拡散特性は各点で異なるが、スクリーン全面で異なるわけではなく、所定幅の同じ円周部分では拡散特性が同一である。すなわち、図６に示すように、半球型ホログラムスクリーン１１の同一の所定幅円周部分３５上の各点は同一の拡散特性である。

次に、本実施形態の効果について説明する。従来の画像表示装置では図７（Ａ）に示すように、画像投射装置１からの投射画像光により非平面型の拡散スクリーン２に白い背景画像に黒い丸の画像４１の映像を投影する場合、背景画像の反射光の一部が黒い丸の画像４１に入射するため、観測者は本来の黒の輝度から輝度レベルが高くなったいわゆる黒浮きをした画像４１を観察する（ＡＮＳＩコントラストの低下した映像を観察する）ことになる。

これに対し、本実施形態の画像表示装置１０によれば、図７（Ｂ）に示すように、画像投射装置１２からの投射画像光により半球型ホログラムスクリーン１１に白い背景画像に黒い丸の画像４２の映像を投影する場合、半球型ホログラムスクリーン１１の各部に入射した投射画像光は、半球型ホログラムスクリーン１１のホログラム記録媒体に記録された拡散特性によって観測者が存在する立体角範囲内にのみ拡散し、水平方向に拡散しないため、スクリーンの他の位置に再入射することはないため、観測者は黒い丸の画像４１を本来の黒の輝度レベルで観測することができる。すなわち、ＡＮＳＩコントラストを従来に比べて改善できる。

また、本実施形態の画像表示装置１０では、特許文献１記載の画像表示装置のような遮光部を不要にでき、また、特許文献２記載の画像表示装置のような各画素を赤外線受光素子とその出力に応じた輝度で発光する発光素子とからなる構成を不要にできる。

なお、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、例えば非平面型スクリーンとして代表的な中空の半球型（ドーム型）に限らず、水平方向又は垂直方向にのみ半径をもつスクリーン、波形状（曲面形状）のスクリーンにも適用できる。また、スクリーンは反射型に限らず、透過型でも本発明を適用できる。透過型スクリーンの場合は観測者はスクリーンを挟んで画像投射装置と反対側に位置し、スクリーンを透過した光による画像を観測する。また、画像投射装置はスクリーンの中心位置に配置しなくても構わない。非平面型スクリーンに形成されたホログラム記録媒体により拡散特性を制御できるためである。

１０ 画像表示装置
１１ 半球型ホログラムスクリーン
１２ 画像投射装置
１３ 魚眼レンズ
２１ ホログラム単位記録部
２２₁〜２２_n 拡散特性単位記録部分
３０ 観測範囲
３１〜３３ 観測者
３５ 同一拡散特性領域
１０１ 半球型ホログラムスクリーン上のホログラム記録媒体の一部
Ｌ０ 投射画像光
Ｌ１ 第一拡散光の一部

Claims (5)

1. 投射面にホログラム記録媒体が設けられた非平面型スクリーンと、
   表示する画像の画像信号に応じて変調された投射画像光を前記非平面型スクリーンの投射面に投射する画像投射装置と
   を備え、前記ホログラム記録媒体は、
   入射する前記投射画像光を、前記非平面型スクリーンからの画像を観測する観測者が存在する領域範囲に向かう所定の角度範囲にのみ第一拡散光として拡散させる拡散特性のホログラム記録像が記録されており、
   前記投射画像光を参照光として前記ホログラム記録媒体から前記ホログラム記録像を再生して前記第一拡散光を出射させて、前記領域範囲内の異なる位置の複数の観測者に対し略同一の拡散特性を持つ画像表示することを特徴とする画像表示装置。
2. 前記非平面型スクリーンは、内側の投射面に前記ホログラム記録媒体が設けられた中空の半球型スクリーンであることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記半球型スクリーンの投射面に設けられた前記ホログラム記録媒体は、スクリーンの所定幅の同じ円周部分では前記拡散特性が同一で、かつ、前記所定幅以上異なる複数の前記円周部分の間では互いに前記拡散特性が異なる回折像であるホログラム記録像が記録されていることを特徴とする請求項２記載の画像表示装置。
4. 前記半球型スクリーンの投射面に設けられた前記ホログラム記録媒体は、前記半球型スクリーンの中空半球状の基体の内側面に、拡散特性が互いに異なる前記所定幅の拡散特性単位記録部分が複数形成されてなる、全体としてほぼ三角形状のホログラム単位記録部を多数貼り合せた構成であり、多数の前記ホログラム単位記録部はそのほぼ三角形状の頂点が互いに一致し、かつ、隣り合う２つの前記ホログラム単位記録部のそれぞれの複数の前記拡散特性単位記録部分のうち同じ拡散特性の拡散特性単位記録部分同士が隣接するように貼り合わされた構成であることを特徴とする請求項３記載の画像表示装置。
5. 入射する投射画像光を表示画像の観測者が存在する領域範囲に向かう所定の角度範囲にのみ第一拡散光として拡散させる拡散特性のホログラム記録像が記録されたホログラム記録媒体が非平面形状の投射面に形成され、前記投射画像光を参照光として前記ホログラム記録媒体から前記ホログラム記録像を再生して、前記領域範囲内の異なる位置の複数の観測者に対し略同一の拡散特性を持つ前記第一拡散光を出射することを特徴とする非平面型スクリーン。