JP2513403B2

JP2513403B2 - 投射型立体表示装置

Info

Publication number: JP2513403B2
Application number: JP5136354A
Authority: JP
Inventors: 雅雄今井
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-06-08
Filing date: 1993-06-08
Publication date: 1996-07-03
Anticipated expiration: 2011-07-03
Also published as: JPH06347746A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、観察者が特別な眼鏡を
装着することなく、立体画像を観察することのできる投
射型立体表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、立体画像や三次元画像を表示する
装置として、両眼視差のある画像情報を右眼と左眼にそ
れぞれ呈示する装置や、物体の断面像を移動スクリーン
の移動に同期して順次表示する装置や、ホログラムを用
いる装置等が提案されている。特に、両眼視差画像を投
射表示し大画面で立体画像を観察することのできる投射
型立体表示装置は、画像の立体感のみならず大画面表示
による臨場感が加わり、より現実感のある立体画像を得
ることができる。この投射型立体表示装置には、観察者
が偏光眼鏡や液晶シャッタ眼鏡等の特別な眼鏡を装着し
て立体画像を観察する装置と、レンチキュラスクリーン
のような特別なスクリーンを使用して立体画像を観察す
る装置とがある。後者は観察者が特別な眼鏡を装着する
ことなく立体画像を観察できるという利点がある。

【０００３】図３はレンチキュラスクリーンを用いた従
来の投射型立体表示装置の表示原理を説明するための平
面図である。従来の投射型立体表示装置３１は、立体画
像投射系３２とレンチキュラスクリーン３３とから構成
される。レンチキュラスクリーン３３は細長いシリンド
リカルレンズ３４を多数並べた構造になっている。各シ
リンドリカルレンズ３４の焦点面を投射表示面とし、そ
こに立体画像投射系３２により、立体画像３５を投射表
示する。立体画像３５は両眼視差情報を有する右眼用画
像３６と左眼用画像３７をシリンドリカルレンズ３４の
数に応じて、画面の縦方向に長いストライプ状の画像に
分割、抽出し、それらを交互に再配列させることにより
作成してある。立体画像３５を投射表示する際、図３に
示すように右眼用画像３６と左眼用画像３７が各シリン
ドリカルレンズ３４と観察者３８の位置によって決まる
場所に表示されるよう立体画像投射系３２を調整する。
観察者３８がこのような投射型立体表示装置３１を観察
すると、観察者３８の右眼３９と左眼４０からの視線が
レンチキュラスクリーン３３に対し異なる角度で入射す
るため、観察者３８は、右眼３９では右眼用画像３６の
みを、左眼４０では左眼用画像３７のみを見ることにな
る。観察者３８は、これらの画像を融合させることによ
り立体感のある画像を観察することができる。

【０００４】このようなレンチキュラスクリーンを用い
た従来の投射型立体表示装置では、立体視が可能な観察
範囲が前後左右方向に離散的に存在し、観察者の位置が
限定されるという欠点がある。ここで前後方向とはレン
チキュラスクリーンと直交する方向であり、左右方向と
はレンチキュラスクリーンに平行な方向である。一般に
この観察範囲は、前後方向で２００〜４００ｍｍ程度で
あり、左右方向では６０〜６５ｍｍ程度の範囲が離散的
に存在する。観察者が前後、または左右にこの観察範囲
を越えて移動した場合、右眼用画像と左眼用画像がそれ
ぞれ独立に右眼、左眼に入射しなくなり、観察者は画像
全体、または一部で逆の眼の画像を観察することにな
り、立体視が不可能になる。左右方向は前後方向と比較
して観察範囲が狭いことから、左右方向の観察範囲の拡
大がレンチキュラスクリーンを用いた投射型立体表示装
置の課題であった。

【０００５】左右方向の観察範囲の拡大には、観察者の
位置が移動した時に、その移動量を検出し、その移動量
に応じて投射表示する立体画像を左右に移動させること
により、常に左右の眼が対応する画像を観察するように
制御すれば良いことが知られている。例えば特開平１−
１０７２４７号公報参照。そこで、立体画像投射系を移
動ステージで左右に移動させ、観察範囲を拡大する投射
型立体表示装置が提案されている。例えば雑誌「１９９
１年、テレビジョン学会技術報告書第１５巻第５６号
７〜１２頁」に記載の論文「視点追跡を用いた広帯域
立体表示方式の検討」参照。図４は投射型立体表示装置
の従来例を示す図である。この従来例の投射型立体表示
装置４１は、立体画像投射系３２とレンチキュラスクリ
ーン３３と移動ステージ４２とから構成される。ここで
は立体画像投射系３２として液晶プロジェクタを用いて
いる。観察者３８の移動に応じて立体画像投射系３２を
移動ステージ４２を用いて移動させ、投射表示する立体
画像３５を左右に動かしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図４に示した従来の投
射型立体表示装置４１では、移動ステージ４２で立体画
像投射系を移動させるため、装置が大型であり、非常に
重くなってしまう。さらに、一般に数十ｋｇの立体画像
投射系３２を観察者３８の位置に応じて移動させるに
は、応答性能や移動ステージ４２への負荷が問題とな
る。

【０００７】本発明の目的は、観察者の位置に応じて立
体画像を移動させ、観察者の観察範囲を拡大することが
できる投射型立体表示装置において、簡易な光学系を用
いることにより応答性能に優れ、移動ステージへの負荷
が軽減された投射型立体表示装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも光
源と液晶表示素子と投射レンズからなる立体画像投射系
と、レンチキュラスクリーンとから構成され、観察者の
位置を検出し前記立体画像投射系により投射される立体
画像を移動制御する投射型立体表示装置において、前記
立体画像投射系の前記液晶表示素子と前記投射レンズと
の間の光路中に、前記液晶表示素子と前記投射レンズ間
の光路長を一定に保ちながら、観察者の観察位置の移動
に応じて設定された距離だけ移動する少なくとも２個以
上のプリズムを配置したことを特徴とする

【０００９】

【作用】本発明の上記構成によれば、液晶表示素子と投
射レンズとの間の光路中に、少なくとも２個以上のプリ
ズムを配置すると、プリズムの光の屈折作用により投射
レンズに対する液晶表示素子の光学的位置が平行移動す
る。少なくとも２個以上のプリズムの相対位置を変化さ
せると、スクリーン上の立体画像の焦点を合わせたま
ま、液晶表示素子の平行移動量を変えることができる。
観察者の観察位置の移動に応じて設定された距離だけプ
リズムが移動するように制御すると、投射表示された立
体画像は、常に観察者の左右の眼が、対応する画像を観
察するように左右に移動することになる。したがって、
観察者の左右方向の観察範囲の拡大が可能になる。プリ
ズムの配置にはそれほど大きな空間は必要とせず、装置
が大型化することはない。また、プリズムは軽量である
ので、移動ステージの駆動の負荷も軽く、従来に比較し
て高速な応答が可能となる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１１】図１は、本発明の実施例を示す投射型立体
表示装置の平面図である。この投射型立体表示装置１
は、立体画像投射系２とレンチキュラスクリーン３とか
ら構成される。さらに、立体画像投射系２は、液晶表示
素子５と、液晶表示素子５を照明するための光源４と、
液晶表示素子５の表示画像をレンチキュラスクリーン３
に拡大投影し立体画像９を得るための投射レンズ６と、
立体画像９を平行移動するための２個のプリズム７，８
とからなる。

【００１２】次に図１に示した構成の、本発明に従う投
射型立体表示装置の原理を図１と図２を用いて説明す
る。図２は、本発明の投射型立体表示装置の原理を説明
するための図である。

【００１３】図２（ａ）〜（ｃ）は、図１の投射型立体
表示装置の部分平面図であり、液晶表示素子５と投射レ
ンズ６の間の部分を示している。図２（ａ）〜（ｃ）に
おいて、液晶表示素子５を透過した光束は、プリズム７
とプリズム８で屈折された後、投射レンズ６に入射す
る。プリズム７とプリズム８は直角プリズムであり、同
じものを用いている。プリズム７の光の入射面、および
プリズム８の光の出射面は投射レンズ８の光軸２０に対
し垂直な面に配置している。投射レンズ６の光軸２０
は、図に示すようにプリズム７とプリズム８によって屈
折され、折れ曲がる。ただし、このような配置の時に
は、プリズム７とプリズム８の前後の光軸は平行であ
る。ここで、プリズム７とプリズム８によって光軸２０
が平行移動する距離はプリズム７とプリズム８の屈折
率、頂角、およびそれらの間隔で決まる。

【００１４】図２（ａ）において、プリズム７とプリズ
ム８は、後述のある設定した位置、および間隔をあけた
状態で配置する。投射レンズ６は、その光軸２０が液晶
表示素子の中心２５を通るように配置する。液晶表示素
子５に表示された画像が図１のレンチキュラスクリーン
３上に投影されるように投射レンズ６の焦点を合わせ
る。この時、レンチキュラスクリーン３は、その中心と
投射表示された立体画像９の中心が一致し、かつ図３の
投射型立体表示装置の表示原理を満足するように配置し
ている。以上の構成要素の配置を基準位置とする。

【００１５】図２（ｂ）は、図２（ａ）の基準位置に比
べてプリズム７とプリズム８とが接近するようにプリズ
ム８を平行に移動した場合を示す。図から明らかなよう
に、プリズム７とプリズム８との間隔が短くなると、光
軸２０の平行移動する距離は短くなる。この時、投射レ
ンズ６の光軸２０と液晶表示素子の中心２５は一致しな
くなる。すなわち、図１におけるレンチキュラスクリー
ン３上に投射表示される立体画像９は平行移動すること
になる。ここで、プリズム８を光軸２０に平行な方向に
動かすだけでは、投射レンズ６と液晶表示素子５の間の
光路長が変わり、投射表示される立体画像９がレンチキ
ュラスクリーン３上でデフォーカスになってしまう。そ
こで、プリズム８は光軸２０に垂直な方向にも移動し、
常に立体画像９がレンチキュラスクリーン３上でピント
が合う状態を保ちながら移動させる必要がある。レンチ
キュラスクリーン３上の立体画像９の移動量は、液晶表
示素子５上の光軸２０の移動量に投射レンズ６による拡
大倍率をかけたものである。

【００１６】図２（ｃ）は、図２（ａ）の基準位置に比
べてプリズム７とプリズム８とが遠ざかるようにプリズ
ム８を平行に移動した場合を示す。図２（ｂ）と同様
に、投射レンズ６の光軸２０と液晶表示素子の中心２５
は一致しなくなる。ただし、その平行移動する方向は図
２（ｂ）の場合と逆の方向である。つまり、図１におけ
るレンチキュラスクリーン３上に投射表示される立体画
像９は平行移動し、その方向は図２（ｂ）の場合と逆で
ある。プリズム８は、常に立体画像９がレンチキュラス
クリーン３上でピントが合う状態を保ちながら移動させ
る。

【００１７】以上の説明から明らかなように、プリズム
８をプリズム７に対して移動させるとレンチキュラスク
リーン３上に投射表示される立体画像９を平行に移動す
ることができ、その移動量は、プリズム８の移動量によ
り制御できる。したがって、観察者の観察位置の移動に
応じて設定された距離だけプリズム８を移動させると、
投射表示された立体画像９は、常に観察者の左右の眼
が、対応する画像を観察するように左右に移動すること
になり、観察者の左右方向の観察範囲の拡大が可能にな
る。ここで、前述の図２（ａ）におけるプリズム７とプ
リズム８の位置と間隔は、想定した観察者の左右方向の
移動量に対応できるように、プリズム７とプリズム８の
最大移動時に構成要素が接触しないように設定される。
図２（ｂ）のようにプリズム７とプリズム８が接近する
場合には、プリズム同士が接触しないように、また図２
（ｃ）のように離れる場合には、プリズム８と投射レン
ズ６が接触しないようにする。プリズム７を移動させる
場合には液晶表示素子５とも接触しないようにする。す
なわち、図２（ａ）の基準位置とは、プリズム７とプリ
ズム８の最大移動時の中間位置になる。

【００１８】プリズム７とプリズム８に関しさらに詳し
く説明すると、それらの大きさは、液晶表示素子５と投
射レンズ６を透過し、レンチキュラスクリーン３上に投
影される全ての光束に対し屈折作用を与えるのに必要な
大きさであり、かつプリズム７とプリズム８の最大移動
時にもこの条件を満足する必要がある。プリズム７，８
の材質については、それらの屈折率が大きいものを用い
ると、少ない移動量でレンチキュラスクリーン３上の立
体画像９を大きく移動させることができる。ただし、屈
折率の波長分散が大きいと、投射画面に色収差が生じて
しまい立体視が困難になるので、屈折率の波長分散は小
さいものを用いる。プリズム７とプリズム８の頂角につ
いては、それらの頂角が大きいものを用いると、少ない
移動量でレンチキュラスクリーン３上の立体画像９を大
きく移動させることができる。しかし、プリズム７，８
の頂角を極端に大きくすると非点収差が発生し、レンチ
キュラスクリーン３上で立体画像９の解像力が低下す
る。この場合、右眼用画像と左眼用画像にそれぞれクロ
ストークが生じ立体視が困難になるので、プリズム７と
プリズム８の頂角は極端に大きくしない。ただし、わず
かな非点収差量であれば、レンチキュラスクリーン３の
シリンドリカルレンズが並んでいる方向（プリズムを透
過するメリディオナル光線が結像する方向）の解像度が
確保できるように投射レンズ６のフォーカスを合わせる
と、その影響は小さくなり立体視が可能になる。

【００１９】図１に示した構成は、プリズム７とプリズ
ム８として、それぞれ等しい直角プリズムを用い、プリ
ズム７の光の入射面、およびプリズム８の光の出射面を
投射レンズ６の光軸に対し垂直な面に配置し、プリズム
８を移動可能とした場合の態様の一例を示したものであ
り、以下、これについてさらに具体的に説明する。

【００２０】図１の構成において使用した光源４、液晶
表示素子５、投射レンズ６、レンチキュラスクリーン
３、プリズム７，８は、それぞれ具体的には次のような
ものである。

【００２１】光源４は、２５０Ｗのメタルハライドラン
プを用いた。その出射光は、放物面鏡により平行光束化
され、液晶表示素子５を照明する。照明光は、図には明
示していないが、コールドミラー、紫外線カットフィル
タ等で可視光以外の光の成分を除去している。

【００２２】液晶表示素子５は、画素を形成する透明電
極膜を施した二枚のガラス基板に液晶を封入したもの
で、図には明示していないが、液晶表示素子の光の入出
射面には偏光板が配置しており、さらに映像信号処理回
路、並びに液晶駆動回路からの映像信号により、各画素
ごとに印加する電圧が制御される。液晶は、ツイステッ
ド・ネマティック液晶を用いており、各画素の印加電圧
による液晶の状態変化は、照明光の偏光状態を変化さ
せ、照明光は偏光板により強度変調される。液晶の駆動
方式には、各画素ごとにスイッチング素子である薄膜ト
ランジスタを形成し液晶を駆動するアクティブマトリク
ス方式を用いた。画素の左右方向のピッチは、０．１４
ｍｍのものを用いた。

【００２３】投射レンズ６は、液晶表示素子５の表示画
像をレンチキュラスクリーン３上に立体画像９として拡
大投影するもので、投影画像のピントを調節できるよう
にフォーカス調整機構と、画面の大きさを変化させるた
めのズーム機構が付いたものを用いた。特に、投射画像
の歪曲収差が小さいものを使用した。

【００２４】レンチキュラスクリーン３は、アクリル板
を射出成形により、シリンドリカルレンズが多数並んだ
構造になるように表面を加工したものと、シリンドリカ
ルレンズの焦点面に配置した拡散スクリーンとから構成
した。立体画像９が拡散スクリーン面に結像するように
立体画像投射系２を配置、調整した。レンチキュラスク
リーン３の表示面の大きさは、対角４０インチである。
シリンドリカルレンズのピッチ、および焦点距離は、観
察者がレンチキュラスクリーン３から２ｍ離れた位置に
おいて立体画像が観察できるように設計した。

【００２５】プリズム７，８は、材質がＢＫ−７で頂角
が１０度の直角プリズムを用いた。それらの入射面、並
びに出射面には誘電体多層膜からなる反射防止膜を施し
た。図には明示していないが、プリズム８には、パルス
モータで駆動される移動ステージが取り付けられてお
り、投射レンズ６の光軸に平行な方向、および垂直な方
向に移動可能とした。

【００２６】以上の構成部品からなる、本発明に従う投
射型立体表示装置１の観察者の左右方向の観察範囲は以
下に示す通りである。プリズム８とプリズム７の光軸方
向の間隔が０ｍｍから２０ｍｍになるようにプリズム８
を移動したとき、投射レンズ６の光軸の平行移動量は、
１．８８ｍｍとなる。液晶表示素子５の画素ピッチは
０．１４ｍｍのものを使用しており、光軸の平行移動量
は、１３．４画素分に相当する。液晶表示素子５の画素
ピッチは、観察者の位置において左右の眼の間隔６５ｍ
ｍに対応するので、観察者の左右方向の観察範囲は約８
７０ｍｍとなる。従って、観察者は中心から左右にそれ
ぞれ４３５ｍｍに対して連続的に立体視が可能になる。
ここで、観察者の位置検出や移動ステージの制御方法は
従来例と同様であり、図には明示していないが磁気セン
サや赤外線センサ、またはビデオカメラを用いた画像処
理等により観察者の位置を検出し、コンピュータで移動
量を計算した後、移動ステージでプリズム８を移動する
ように制御されている。プリズム８の移動量は小さく、
また軽量であるため高速な移動が可能であり、さらに計
算も瞬時に行われるので、実時間の制御が可能である。

【００２７】以上、本発明の実施例において、各プリズ
ムは必ずしも直角プリズムに限らない。また、各プリズ
ムは一個のプリズムで構成する必要はなく、異なる材質
のプリズムを貼り合わせたものでも良い。さらに、ガラ
スに限らず、くさび型容器に液体を充填したものを用い
ても良い。

【００２８】光源は、メタルハライドランプの他に、キ
セノンランプ、ハロゲンランプ等の高輝度白色光源が使
用できる。

【００２９】液晶はツイステッド・ネマティック液晶以
外にも、スーパーツイストネマティック液晶、強誘電性
液晶、高分子分散型液晶等の画像を形成するタイプの液
晶を用いることができる。また、液晶の駆動方式は、ア
クティブマトリクス方式に限らず、時分割駆動の単純マ
トリクス方式でも良い。

【００３０】液晶表示素子は、モノクロ表示の場合や、
カラーフィルタを内蔵したカラー表示、さらには、赤、
緑、青色の画像を時分割表示してカラー表示を行ういず
れにも適用できる。ただし、カラーフィルタを内蔵した
カラー表示の場合、赤、緑、青色の画素で構成される画
像の１画素における赤、緑、青色のカラーフィルタを画
像の縦方向に並ぶように配置する必要がある。

【００３１】また、光源からの投射光をダイクロイック
ミラーやダイクロイックプリズムで、赤、緑、青色の三
色に分離し、それぞれの光路に液晶表示素子を配置し、
それらを合成してカラー表示を行う場合でも同様の投射
型立体表示装置が得られる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
液晶表示素子と投射レンズとの間の光路中に、少なくと
も２個以上のプリズムを配置し、観察者の観察位置の移
動に応じて設定された距離だけプリズムが移動するよう
に制御すると、投射表示された立体画像は、常に観察者
の左右の眼が、対応する画像を観察するように左右に移
動し、観察者の左右方向の観察範囲の拡大が可能にな
る。プリズムの配置にはそれほど大きな空間は必要とせ
ず、装置が大型化することはなく、またプリズムは軽量
であるので、移動ステージの駆動の負荷も軽く、従来に
比較して高速な応答が可能な投射型立体表示装置を得る
ことができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す投射型立体表示装置の平
面図である。

【図２】本発明の投射型立体表示装置の原理を説明する
ための図である。

【図３】レンチキュラスクリーンを用いた従来の投射型
立体表示装置の表示原理を説明するための平面図であ
る。

【図４】投射型立体表示装置の従来例を示す図である。

【符号の説明】

１，３１，４１投射型立体表示装置２，３２立体画像投射系３，３３レンチキュラスクリーン４光源５液晶表示素子６投射レンズ７，８プリズム９，３５立体画像２０光軸２５液晶表示素子の中心３４シリンドリカルレンズ３６右眼用画像３７左眼用画像３８観察者３９右眼４０左眼４２移動ステージ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも光源と液晶表示素子と投射レ
ンズからなる立体画像投射系と、レンチキュラスクリー
ンとから構成され、観察者の位置を検出し前記立体画像
投射系により投射される立体画像を移動制御する投射型
立体表示装置において、前記立体画像投射系の前記液晶
表示素子と前記投射レンズとの間の光路中に、前記液晶
表示素子と前記投射レンズ間の光路長を一定に保ちなが
ら、観察者の観察位置の移動に応じて設定された距離だ
け移動する少なくとも２個以上のプリズムを配置したこ
とを特徴とする投写型立体表示装置。
【請求項２】前記プリズムは、前記投射レンズの光軸に
平行な方向に、かつ、前記投射レンズの光軸に垂直な方
向に移動することを特徴とする請求項１記載の投射型立
体表示装置。
【請求項３】観察者の位置を検出する位置検出手段と、この位置検出手段からの検出位置に基づいて観察者の移
動量を演算する演算手段とを備え、前記演算された移動量に基づいて前記プリズムの移動を
制御することを特徴とする請求項２記載の投射型立体表
示装置。