(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクリーン上に画像を投影する投写レンズと、
各色の左目用の画像および右目用の画像を並べてそれぞれ表示する各色の表示素子に対し偏光変換素子を介して単一の直線偏光に揃えられた各色の光を供給して各色の左目用の画像および右目用の画像の光束を形成し、前記各色の左目用の画像および右目用の画像の光束を色合成した左目用の画像および右目用の画像の光束を偏光ビームスプリッタにより合成して前記投写レンズに供給する画像形成システムとを有し、
前記画像形成システムは、前記色合成した左目用の画像および右目用の画像の光束が前記偏光ビームスプリッタにより合成される前に、前記色合成した左目用の画像および右目用の画像の光束の左目用または右目用の一方のみが通過する１／２波長板を備えている投影装置。
【請求項２】
スクリーン上に画像を投影する投写レンズと、
各色の左目用の画像および右目用の画像を並べてそれぞれ表示する各色の表示素子に対し偏光変換素子を介して単一の直線偏光に揃えられた各色の光を供給して各色の左目用の画像および右目用の画像の光束を形成し、前記各色の左目用の画像および右目用の画像の光束を色合成した左目用の画像および右目用の画像の光束を偏光ビームスプリッタにより合成して前記投写レンズに供給する画像形成システムとを有し、
前記画像形成システムは、前記各色の左目用の画像および右目用の画像の光束が色合成される前に、前記各色の左目用の画像および右目用の画像の光束の左目用または右目用の一方のみが通過する各色用の１／２波長板を備えている投影装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記各色の表示素子は、液晶パネルである、投影装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記画像形成システムは、前記左目用の画像および右目用の画像の光束の一方の光束だけの球面収差または色収差を含む結像性能に影響を与える諸収差を補正する光学システムを備えている、投影装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体映像などを投影するのに適した投影装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直交する二つの直線偏光を利用して立体的な画像が見られるようにしたシステムあるいは映像投映方法がある。この映像投影方法では、まず、左右の目に写る映像を視差が現れる様にそれぞれ別々の２台のカメラで撮影する。スクリーン上に画像を形成する際は、左目および右目のそれぞれの映像を同一スクリーンのほぼ同一の画角領域に別々の２台の映像投影装置により投写する。その際、光源から得られる投写用の光束を直線偏光にしておき、左右の画像を９０度異なる直線偏光の光束でスクリーンに投写する。したがって、スクリーンに投影された映像を見るユーザは、左右で直交する偏光フィルタ付き眼鏡を掛けることにより、左右の目に対し、それぞれの目で画像を担う光線のみを透過させることができ、スクリーンに映し出された映像を立体的に知覚することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような立体的な画像あるいは映像は、ユーザに対し伝達可能なイメージの範囲を大きく広げるものであり、今後、さらに多くの場面で用いられると期待されている。しかしながら、従来の偏光方式の立体映像投映方法では、互いに直交する偏光光束をスクリーンに投写するために右目用と左目用の二つの投影装置が必要であり一般の家庭やオフィスなどでは簡単に導入できるものではない。すなわち、このシステムを実現するためには高価な撮影用カメラおよび投射光学装置(投写装置、あるいはプロジェクター)を少なくとも２セットは準備しなければならず、かなり高額で大掛かりなシステムになる。
【０００４】
さらに、ユーザに対し鮮明な立体画像を見せようとすると、２つの投写装置からの画像を精度良くスクリーン上で重ね合わせる必要があるが、任意の距離のスクリーンに精度良く左右二つの画像を重ね合わせることはそれ程容易ではなく、その調整に熟練を要する。したがって、この点でも一般のユーザでは取り扱いが難しく、立体的な画像で情報を提供するシステムの利用が広がるのを妨げている。
【０００５】
そこで、本発明においては、立体画像を一般のユーザでも簡単に投影して楽しむことができると共に、一般のユーザが容易に購入できるコンパクトで経済的な投影装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【問題を解決するための手段】
本発明の投影装置は、スクリーン上に画像を投影する投写レンズと、各色の左目用の画像および右目用の画像を並べてそれぞれ表示する各色の表示素子に対し偏光変換素子を介して単一の直線偏光に揃えられた各色の光を供給して各色の左目用の画像および右目用の画像の光束を形成し、各色の左目用の画像および右目用の画像の光束を色合成した左目用の画像および右目用の画像の光束を偏光ビームスプリッタにより合成して投写レンズに供給する画像形成システムとを有する。
【０００７】
偏光変換素子を配置して光量の損失なく出力光を単一の直線偏光に揃え、表示素子に照射できる。偏光変換素子としては、マイクロレンズ、偏光ビームスプリッタ、ミラー、１／２波長板からなる複合素子を用いることができる。
【０００８】
画像形成システムは、色合成した左目用の画像および右目用の画像の光束が偏光ビームスプリッタにより合成される前に、色合成した左目用の画像および右目用の画像の光束の左目用または右目用の一方のみが通過する１／２波長板を備えている。
【０００９】
左目用の画像または右目用の画像の一方の光束を１／２波長板を通すことにより偏光方向を９０°回転させることができる。したがって、その後、偏光ビームスプリッタを通すことにより、これら偏光方向の異なる左目用の画像と右目用の画像を合成して投写レンズ２に供給し、投写用レンズから合成された光束をスクリーンへ投射できる。
【００１０】
画像形成システムは、各色の左目用の画像および右目用の画像の光束が色合成される前に、各色の左目用の画像および右目用の画像の光束の左目用または右目用の一方のみが通過する各色用の１／２波長板を備えていてもよい。
【００１１】
各色の表示素子は、液晶パネルであってもよい。
【００１２】
画像形成システムは、左目用の画像および右目用の画像の光束の一方の光束だけの球面収差または色収差を含む結像性能に影響を与える諸収差を補正する光学システムを備えていてもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図１に本発明に係る立体映像投影装置１の投写光学系の概略構成を示してある。本例の投影装置１は、３板式の液晶プロジェクタをベースにしたものであり、入射側から供給された画像をスクリーン９に向かって投影する投写用レンズ２と、この投写用ズームレンズ２に画像を入力あるいは供給する画像供給システム３とを備えている。画像供給システム３は、液晶パネルをライトバルブとして採用した画像形成システム１０と、この画像形成システム１０から出力される左右の画像を合成して投写用レンズ２に供給する合成システム２０とを備えている。なお、本図の光学系ではフィールドレンズやリレーレンズは省略してある。
【００１４】
画像形成システム１０は、一般的な液晶プロジェクタと同様の構成であり、白色光源１１と、光源から出力された光束密度を均一にするインテグレータ１２と、光源１１から放射された光を色分解するダイクロイックミラー１３Ｒおよび１３Ｇと、赤色、緑色および青色に色分解された各色の画像を形成する透過型表示素子（ライトバルブ）である液晶パネル１４Ｒ、１４Ｇおよび１４Ｂと、さらに、液晶パネルに光を導くミラー１５ａ、１５ｂ、１５ｃおよび１５ｄとを備えている。そして、これらの液晶パネル１４Ｒ、１４Ｇおよび１４Ｂによって形成された投写用の画像はダイクロイックプリズム１６に導かれ、色合成された後、投写用レンズ２に入力されるために合成システム２０に導かれる。
【００１５】
本例の投影装置１の画像形成システム１０においては、液晶による表示素子を用いるため、インテグレータ１２の下流に偏光変換素子１７を配置して光量の損失なく出力光を単一の直線偏光に揃え、液晶パネルに照射している。偏光変換素子１７としては、マイクロレンズ、偏光ビームスプリッター、ミラー、１／２波長板からなる複合素子を用いている。
【００１６】
図２に赤色の液晶パネル１４Ｒの表示を例に示してある。本例の画像形成システム１０では、各々の液晶パネル１４Ｒ、１４Ｇおよび１４Ｂに左目用の画像５０ａと、右目用の画像５０ｂを並べて表示する。画像形成システム１０では、ダイクロイックプリズム１６が分光特性上、入射角の依存性が大きい。また、液晶液晶パネルの視角がそれほど大きくなく、画質の角度依存性が大きい。このため、インテグレータ１２、ダイクロイックミラー１３などによって構成される光学系は液晶パネル１４Ｒ、１４Ｇおよび１４Ｂにテレセントリックな光線を照射するようになっている。したがって、各々の液晶パネル１４Ｒ、１４Ｇおよび１４Ｂに並べて表示された左目用の画像５０ａと、右目用の画像５０ｂは、平行に近い光束として変換されてダイクロイックプリズム１６に導入され、各々の画像５０ａおよび５０ｂが独立して色合成された後に合成システム２０に出力される。
【００１７】
本例の投影装置１の液晶パネル１４Ｒ、１４Ｇおよび１４Ｂで表示する左目用５０ａおよび右目用５０ｂが並んだ画像は、各々の画像データを左右並べて液晶パネルに供給したり、パーソナルコンピュータなどで左右の画像を並べて編集したりすることで形成できる。このように左右の画像が並んだ映像を取得する最も簡単な方法の１つは、図３に示すように、１台の一般普及型のビデオカメラ６０の撮影レンズ６１の前に左右の目で見た別々の画像を記録するためのアダプター光学系６５を取り付けて撮影することである。この方法によれば、ビデオカメラ６０の撮像素子(例えばＣＣＤ)の撮像面には左右目用のそれぞれの画像が分離・並列して記録される。
【００１８】
このＣＣＤの出力を磁気ディスクなどの記録媒体に記憶しても、通常のビデオ再生機器と通常の映像プロジェクタを接続したシステムで再生および投影すると、スクリーンには左右目用の映像が並んで投映されるだけである。しかしながら、本例の投影装置１においては、以下に示す合成システム２０により、これらの左目用の画像と、右目用の画像が重ねてスクリーン９に表示され、さらに、偏光方向が直交しているので立体視用の偏光メガネを着用したユーザ（観察者）であれば、スクリーン方向に立体映像を知覚することができる。
【００１９】
本例の投影装置１の合成システム２０においては、画像形成システム１０から出力された左目用の画像５０ａは、２つのミラー２１ａおよび２１ｂを介して投写レンズ２の光軸と一致するように入力側に導かれる。一方、右目用の画像５０ｂは、ミラー２２を介して可視光用の１／２波長板２３に導かれ、偏光角が９０度旋回した状態で投写レンズ２の入力側に配置された偏光ビームスプリッタ２５に導かれる。偏光ビームスプリッタ２５は投写用レンズ２の光軸と一致するように配置されており、この偏光ビームスプリッタ２５により左目用の画像５０ａと、右目用の画像５０ｂが合成され、その合成された光束が投写用レンズ２に供給される。
【００２０】
本例の投影装置１では、画像形成システム１０の構成は、左目用の画像５０ａと右目用の画像５０ｂが分離および並列に出力されることを除くとほとんど従来の液晶３板式のプロジェクタと変わることがなく、画像形成システム１０の構成を複雑にしたり、構成部品を大幅に増やしたりすることなく左右の画像を出力できる。そして、合成システム２０で左右の画像をそれぞれ異なった光学経路に導き、最終的にレンズの入り口で偏光ビームスプリッタを用いて左右の画像を合成することにより、左右の画像が分離された状態ではなく、重なった状態で投写用レンズ２に供給でき、左目用および右目用が重なった画像を１つの、あるいは共通の投写用レンズ（投写用レンズシステムおよび投写用のズームレンズシステムも含む）によりスクリーンに投影できる。
【００２１】
すなわち、本例の投影装置１では、画像形成システム１０から出力される光束がテレセントリックになることに着目し、色毎に共通するライトバルブ１４Ｒ、１４Ｇおよび１４Ｂで並列に左右の画像５０ａおよび５０ｂを形成し、それらの画像が通る光路も並列に設定され、これらの画像５０ａおよび５０ｂに共通の１つのダイクロイックプリズム１６で合成されて出力される。したがって、左右の２種類の画像を形成するにも関わらず、ライトバルブおよびダイクロイックプリズムの数を増加する必要はなく、コンパクトで経済的な、立体映像を投影可能な装置を提供することができる。
【００２２】
さらに、画像形成システム１０の内部、およびこのシステム１０から出力された左右の画像を形成する光束は平行となり、それらを個別に変調したり、分離したりするのは極めて簡単である。本例では、画像合成システム２０では、左右の画像が出力される光軸上に配置したミラーにより、左右の画像の光束５０ａおよび５０ｂをいったん分離し、投写レンズ２の光軸上に重なるように合成している。もちろん、他の光学素子、たとえば、適当な形状のプリズムを配置することによっても容易に分離することができる。
【００２３】
また、画像形成システム１０の内部で、左右の画像を形成する光束が平行あるいはほぼ平行になるので、これらを共通あるいは単一の光学素子あるいは要素で処理することが可能となる。本例では、図２に基づき説明したように、色ごとに同一あるいは単一の液晶パネル１４Ｒ、１４Ｇおよび１４Ｂの各々に左目用の画像と右目用の画像と２分割して表示しており、左右の画像を１つ(色ごとではあるが)の液晶パネルで処理できる。したがって、液晶パネルあるいはその他のタイプのライトバルブを用いた場合でもその数を削減することができ、それに伴って制御系なども簡素にすることができる。したがって、さらにコンパクトで低コストな立体画像を表示できる投影装置として提供することができる。
【００２４】
この合成システム２０に入力される位置における光束の偏光状態はライトバルブを照射する光学系で決まる単一の直線偏光であり、例えばＰ偏光の画像である。そして、プリズムあるいはミラーで左目用と右目用の二つの画像を分離した後、右目用の画像の担う光束５０ｂを１／２波長板２３を通すことにより偏光方向を９０°回転させＳ偏光にする。したがって、その後、偏光ビームスプリッタ２５を通すことにより、これら偏光方向の異なる画像５０ａおよび５０ｂを合成して中心軸に沿って１本の投写レンズ２に供給し、投写用レンズ２から合成された光束５１としてスクリーン９へ投射することができる。
【００２５】
スクリーン９のタイプは透過散乱型でも反射散乱型でもかまわない。スクリーン９の上には、同一の投写用レンズ２から中心軸が揃うように照射された光により左目用の画像と右目用の画像が形成されるので、これらの画像は精度良く位置合わせされた状態となっており、位置および焦点などの調整も同一になる。したがって、左目用の画像と、右目用の画像を位置合わせする必要はなく、また、そのために熟練した技を必要とするものでもない。このため、本例の投影装置１で投影された画像を、立体視用の偏光メガネを着用して鑑賞することにより、左右の画像のずれなどのない、品質の高い立体画像を知覚できる。
【００２６】
そして、本例の投影装置１は、単体で左目用の画像と、右目用の画像を投影できるので経済的であり、上記のように面倒な調整が不要でもあり、一般のユーザにも受け入れやすい立体画像を表示するシステムである。さらに、上述したように、投影装置１の主な構成は、従来の３板式のプロジェクタと同じであり、左目用と右目用との画像を同一の投影装置で取り扱うことによってサイズアップしたり、部品点数が増えて高価になることはない。したがって、本発明により、一般のユーザが手軽に入手でき、立体映像を手軽に楽しむことができる立体映像表示システムを提供できる。
【００２７】
さらに、合成システム２０では、偏光ビームスプリッタ２５で合成されるまでは、左目用の画像５０ａと、右目用の画像５０ｂが別々の光路を通る。したがって、これを利用して本例では右目用の画像の偏光角度を変えているが、同時に、あるいは１／２波長板２３とは別に、球面収差あるいは色収差などの結像性能に影響を与える補正を行うレンズシステムを配置することも可能である。たとえば、液晶パネルを用いたライトバルブに左右のアンバランスがあるケースでは、左右の画像に共通の投写用レンズ２に加えて、左目用あるいは右目用の画像を構成する光束だけを補正する光学システムを配置することにより左右の画像のアンバランスを除去することができる。
【００２８】
本発明に係る投影装置は、左目用の画像と、右目用の画像を投写用レンズ２の入り口で合成して１つの光束にすればよく、光学系の構成は上記の例に限定されるものではない。図４に示した投影装置１０では、画像形成システム１０の内部で、それぞれの液晶ライトバルブ１４Ｒ、１４Ｇおよび１４Ｂにより生成された左目用の画像の光束５０ａおよび右目用の光束５０ｂとが平行になっているので、液晶ライトバルブの直後でこれらの光束を変調している。すなわち、この投影装置１では、各々の液晶パネル１４Ｒ、１４Ｇおよび１４Ｂから出力された直後の右目用の画像５０ｂを担う光束に１／２波長板２８Ｒ、２８Ｇおよび２８Ｂを作用させて偏光方向をＰからＳに変換している。
【００２９】
図１に示した例では、１枚の１／２波長板２３で右目用の画像の偏光を９０度回転してＰ偏光からＳ偏光に変換しているので、該１／２波長板２３はフルカラーすなわち白色領域で作用している。したがって、波長板２３の数は少なくてよい。これに対し、図４に示した投影装置１では、各原色についてそれぞれの液晶ライトバルブの直後で右目用の画像を担う光束に１／２波長板２８を作用させて偏光方向をＰからＳに変換している。したがって、１／２波長板２８の枚数は３枚に増加しているが、それぞれの波長板２８Ｒ、２８Ｇおよび２８Ｂが扱う波長域は単色域ですむので波長板としての効果は高い。このため、より効率の高い偏光変換が可能となり、より明るい鮮明な立体画像を投影することが可能となる。さらに、左右の画像を形成する光束５０ａおよび５０ｂを色毎に共通のライトバルブで生成したり、共通のダイクロイックプリズム１６で合成できることは上記の例で説明した投影装置と同様であり、コンパクトで経済的な立体画像の投影装置を提供できる。
【００３０】
なお、上記の例では右目用の画像を形成する光束を１／２波長板により変調しているが、左目用の画像を形成する光束を変調しても良い。さらに、入射光をＳ偏光にしても良く、ミラー、プリズムなどの光路を形成する光学素子の選択および配置も上記の例に限定されるものではない。
【００３１】
また、上記では同一の液晶パネルに左目用の画像と右目用の画像が表示される例を説明しているが、左目用の画像と右目用の画像を表示する液晶パネルを別々に用意し、並べて配置することでも左目用の画像と右目用の画像を並列な光路で生成できる。入力側の光線がテレセントリックであれば、複数の液晶パネルを配置しても、光学系を複雑にせずに、上記とほぼ同様のシステムを構築できる。しかしながら、液晶パネルあるいはその他のタイプのライトバルブの数量が増加し、それに伴って制御系も複雑になる。したがって、コンパクトで低コストな立体画像を表示できる投影装置としては、上記で開示した装置が有利である。
【００３２】
さらに、上記では、３板式のプロジェクタを例に説明しているが、単板式のプロジェクタであっても上記と同様に左右の画像を液晶パネルに表示して平行あるいは並列な光路で出力し、分離および光軸上に合成した後に投写レンズに供給することにより本発明の効果を得ることができる。また、液晶プロジェクタに限らず、ＤＭＤなどの他のタイプのライトバルブを用いたプロジェクタであっても本発明を適用することが可能である。さらに、本発明には、投写用レンズを採用しているリアプロジェクション型のテレビやモニターも含まれる。
【００３３】
また、上記では、本発明に係る投影装置として、左目用の画像と右目用の画像を合成して立体映像を投影する装置を例に説明しているが、本発明に係る投影装置で合成して投影できる画像は左目用および右目用に限定されるものではない。上下に視点をずらした画像や、他の視点、すなわち、視覚で伝達する情報以外の情報を伝達することを目的とする光束を画像に重ねて投影するなど、本発明に係る投影装置は、今後、光を媒体として情報を伝達あるいは表示する上で非常に有用な装置である。
【００３４】
上記の投影装置では、スクリーン上で左右の画像を合わせるのではなく、投写レンズの上流でこれらの画像を合成する。これにより、立体画像を投影するシステムを構築するために必要な投写レンズなどの機材の数を削減し、さらに、投写レンズの入力側をテレセントリックにすることにより、左右の画像を形成する光線を並列にして共通の光学系で画像を形成できるようにしている。それと共に、共通の投写レンズによってスクリーン上に投影できるようにすることによりスクリーン上で画面を重ね合わせる手間を省けるようにしている。さらに、投影装置は、立体映像を投影する際の左目用の画像と右目用の画像を並列な光路で共通の光学系によって生成し、それらを投写する前にそれぞれ直交する偏光の光束でほぼ同一の画角に合成表示してから、単一の投写レンズにより投写することができる。したがって、立体映像を単一の投影装置で投写でき、さらに、視点の異なる画像を共通あるいは単一の表示素子で処理できるので投影装置をコンパクトで経済的なものにすることができる。それと共に、従来の複数の投影装置を用いて立体画像を投影している方法に比べて画像のズレや歪みが小さく品質の高い立体画像の表示が実現可能になる。
【００３５】
さらに、投写レンズとスクリーン間の距離を変えても右目用と左目用の画像に位置的不一致が起こらず、設置するときに投影装置とスクリーンの相対位置調整も容易であるなど、立体画像を投影する際の取り扱いが非常に容易となるという利点もある。したがって、本発明により，一般のユーザが手軽に立体画像を楽しむことが可能となり、今後の立体画像の普及に向けて非常に有用な装置投影を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る投影装置の光学系の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す投影装置の液晶パネルの表示例を示す図である。
【図３】図１に示す投影装置で用いられる画像を撮影する手段の一例を示す図である。
【図４】図１に示す投影装置と異なる例を示す図である。
【符号の説明】
１    投影装置
２    投写用レンズ（投写用レンズシステム）
３    画像供給システム
１０    画像形成システム
１１    ランプ光源
１２    インテグレータ
１３Ｒ，１３Ｇ    ダイクロイックミラー
１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂ    液晶パネル（ライトバルブ）
１６    ダイクロイックプリズム
１７    偏光変換素子
２０    画像合成システム
２３    可視光用１／２波長板
２５    偏光ビームスプリッタ
２８Ｒ    赤色用１／２波長板
２８Ｇ    緑色用１／２波長板
２８Ｂ    青色用１／２波長板
５０ａ    左目用の画像の光束
５０ｂ    右目用の画像の光束
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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