JP2009053567A

JP2009053567A - 立体画像表示用プロジェクタ

Info

Publication number: JP2009053567A
Application number: JP2007222068A
Authority: JP
Inventors: Akinari Suehiro; 晃也末廣
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2009-03-12

Abstract

【課題】観察者の位置に応じて立体映像を構成する光線状態を制御でき、最適な立体表示を可能とする。
【解決手段】プロジェクタ１の投射レンズ１１から投影された光により、ＩＰの原理により三次元の空間像３１が再生される。レーザー光源４からのレーザー光４１は、レンズアレイ３に照射され、レンズアレイ３の個々のレンズのいずれかにより屈折されて、スクリーン２に入射してスポットを形成する。このスポットの径はレンズアレイ３の焦点位置にスクリーン２が位置するときは最小となり、そのスポットの径によりレンズアレイ３とスクリーン２との間隔を検出できる。プロジェクタ１は、カメラ５により上記のスポットを撮像して得たモニタ画像信号により上記間隔を検出し、制御信号を生成して駆動機構６に供給し、駆動機構６により上記の間隔を可変制御することで、立体画像を最適化する。
【選択図】図１

Description

本発明は立体画像表示用プロジェクタに係り、特にインテグラルフォトグラフィの原理に基づいて、三次元空間像を再生する立体ディスプレイに用いられる立体画像表示用プロジェクタに関する。

リップマン（M.G.Lippmann）が１９０８年に提案したインテグラルフォトグラフィ（Integral Photography:ＩＰ）の原理に基づき、実物表面からの光線と同等な光線を空間に再現することにより、自然な三次元画像を再生する三次元ディスプレイの研究開発が盛んに行われている（例えば、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、特許文献１参照）。

非特許文献１には、レンズアレイと写真乾板を用いて被写体を撮影した後に、現像後の写真をレンズアレイの背後から照明することにより、元の被写体の位置に光線が逆行して集まることから三次元像が再生されることが報告されている。

特許文献１及び非特許文献２には、上記プロセスを電子化し、撮像と表示をリアルタイムに行うインテグラル立体テレビシステムが報告されている。非特許文献３には、本出願人により、プロジェクタを用いたインテグラル立体テレビシステムが報告されている。

M.G Lippmann,"Epreuves reversibles. Photographies integrals.",Comptes-Rendus Academie des Sciences-146,pp.446-451(1908) 洗井淳，星野春男，岡野文男，湯山一郎，「屈折率分布レンズを用いたインテグラルフォトグラフィ撮像実験」、３次元画像コンファレンス'98,pp.76-81 Koya Suehiro, Hiroya Nakanura,Kunio Yamada,Shinji Nakamura,Takayuki Sugahara,"Integral 3D imaging system using monocular 2D video and depth data",Proceedings of SPIE Volume 5664, Stereoscopic Displays and Virtual Reality Systems XII, p.230-240 (2005) 特許第３６７８７９２号公報

しかしながら、上記の各文献に記載の従来の投射型ＩＰ用プロジェクタは、スクリーン上の平面画像の画質を最適化することはできても、レンズアレイから射出され、ＩＰ方式により空間に再生される立体画像を最適化できないという課題がある。

その理由は次の通りである。レンズアレイから射出される立体画像を最適化するためには、スクリーン上の平面画像のサイズをレンズアレイのサイズに適合するように微調整すると同時に、その画像サイズに応じてスクリーンとレンズアレイとの間の距離や傾きを更に調整しなければならない。しかし、従来の投射型ＩＰ用プロジェクタは、スクリーンとレンズアレイとの間の距離や傾きを検出する機能を有しておらず、単にスクリーン上の平面画像の投射サイズを調節するズーム機構及びピントを調節するフォーカス機構を有するのみである。従って、従来の投射型ＩＰ用プロジェクタで画像の最適化が行えるのはスクリーン上の平面画像のみであり、立体画像の最適化は、プロジェクタの機能としては行うことができない。

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、観察者の位置に応じて立体映像を構成する光線状態を制御でき、最適な立体表示が可能となる立体画像表示用プロジェクタ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、第１の発明は、第１面を拡散面とし、第１面に対向する第２面を光の偏向機能を有する面とする光学部材の第１面の近傍に、二次元画像のインコヒーレント光を照射することにより、第２面の近傍の空間位置に多方向の光線群を集光させて、インテグラルフォトグラフィの原理により三次元の空間像を再生させる立体画像表示用プロジェクタであって、
光学部材の第１面と第２面の相対的な間隔又は相対的な傾きを制御する駆動機構を駆動する制御信号を生成する制御信号生成手段を有し、制御信号により駆動機構を駆動して光学部材の光学的特性を変化させることで、第２面から出射する光線の広がり角を制御すると共に、空間像を観察する観察者の視域を制御することを特徴とする。

また、上記の目的を達成するため、第２の発明は、コヒーレント光を光学部材の第２面側から入射することにより第１面に形成されるスポットを撮像する撮像手段と、撮像手段により撮像して得られたスポットのモニタ画像信号に基づき、光学部材の第１面と第２面の相対的な間隔又は相対的な傾きを検出する検出手段とを第１の発明の構成に加え、検出手段により検出された第１面と第２面の相対的な間隔又は相対的な傾きに応じて、制御信号生成手段を介して駆動機構を制御することを特徴とする。

また、上記の目的を達成するため、第３の発明は、二次元画像のインコヒーレント光をスクリーンに照射して多数の平面画像をスクリーンに形成させ、その多数の平面画像をスクリーンを透過させて拡散させ、スクリーンに離間対向して設けられた偏向光学素子アレイにより、スクリーンからの拡散光を画素位置に応じて異なる方向にほぼ平行な光線群として投射し、これらの光線群を空間に集光させて、インテグラルフォトグラフィの原理により三次元の空間像を再生させる立体画像表示用プロジェクタであって、
コヒーレント光である略平行光線を偏向光学素子アレイに入射することにより、スクリーン上に形成される一又は二以上のスポットを平面画像と共に撮像する撮像手段と、撮像手段により撮像して得られたスポットのモニタ画像信号に基づき、スクリーンと偏向光学素子アレイとの相対的な間隔又は相対的な傾きを検出する検出手段と、検出手段により検出されたスクリーンと偏向光学素子アレイとの間隔又は傾きに応じて、スクリーンと偏向光学素子アレイとの間隔及び傾きを可変する駆動機構を制御する制御信号を生成する制御信号生成手段とを有し、制御信号生成手段は、偏向光学素子アレイから空間に出射する光線の広がり角、及び空間像を観察する観察者の視域の一方又は両方を制御するための制御信号を生成することを特徴とする。

本発明では、光学部材の第１面と第２面の相対的な間隔又は相対的な傾き、あるいはスクリーンと偏向光学素子アレイとの間隔又は傾きを、光学部材の第１面又はスクリーンに形成されるスポットのモニタ画像信号に基づいて、スポット径やスポットが複数の場合はそれらの相対位置関係などにより検出し、その検出結果に基づいて上記の間隔又は傾きを制御するようにしたため、光学部材の第２面や偏向光学素子アレイから空間に出射する光線の広がり角、及び空間像を観察する観察者の視域の一方又は両方を制御することができる。

本発明によれば、観察者の位置に応じて立体画像を構成する光線状態（光線の広がり角や観察者の視域）を制御でき、これにより最適な立体画像表示ができる。

次に、発明を実施するための最良の形態について図面と共に詳細に説明する。

図１は本発明になる立体画像表示用プロジェクタを備えた立体画像表示システムの一例のシステム構成図を示す。同図に示すよう、この立体画像表示システム１００は、本発明の立体画像表示用プロジェクタ１の前面に設けられたスクリーン２と、スクリーン２に離間対向して設けられた偏向光学素子アレイの一例としてのレンズアレイ３と、レンズアレイ３をスクリーン２からの光の照射面とは反対側面から照射するレーザー光４１を出射するレーザー光源４と、レンズアレイ３の位置を調整するための駆動機構６とからなる。駆動機構６を制御する駆動信号は立体画像表示用プロジェクタ１により生成される。

この構成の立体画像表示システム１００において、本発明の立体画像表示用プロジェクタ１の投射レンズ１１から投影された光はスクリーン２上で結像して多数の平面画像２１を形成する。この多数の平面画像２１からの光はスクリーン２を透過して拡散し、その拡散光はスクリーン２に対してプロジェクタ１とは反対側面に離間対向して設けられたレンズアレイ３に入射する。

レンズアレイ３は多数個のレンズが規則的に二次元配置された構成であり、スクリーン２からの拡散光を画素位置に応じて異なる方向にほぼ平行な光線群として投射し、これらの光線群を空間に集光させる。この集光位置に、インテグラルフォトグラフィ（ＩＰ）の原理により三次元の空間像３１が再生される。

この立体画像表示システム１００では、空間像３１を観察する観察者（その眼球を７で示す）の近傍に、コヒーレント光であるレーザー光を出射するレーザー光源４が配置される。具体的には、レーザー光源４としては小型レーザーポインタが適している。このレーザー光源４からのレーザー光４１はレンズアレイ３に照射され、レンズアレイ３の個々のレンズのいずれかにより屈折されて、スクリーン２に入射する。もし、スクリーン２がレンズアレイ３の焦点面に配置されていれば、レーザー光４１はスクリーン２上で結像することになる。

図２（Ａ）、（Ｂ）は、かかる結像の様子を示す図である。図２（Ａ）、（Ｂ）において、レーザー光源４から射出されたレーザー光線４１ａ、４１ｂは、レンズアレイ３により屈折されてスクリーン２付近で集光する。図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、レンズアレイ３がスクリーン２に対して傾いていた場合、スクリーン２のレンズアレイ３の焦点面とずれた位置では同図（Ａ）に示すように、レーザー光線４１ａがスクリーン２上ではデフォーカスした状態となる。これに対し、スクリーン２のレンズアレイ３の焦点面に一致した位置では同図（Ｂ）に示すように、レーザー光線４１ｂがオンフォーカスされた状態となり、スクリーン２上のスポットの径は最小となる。従って、スクリーン２上のスポットの径により、レンズアレイ３とスクリーン２との距離と傾きが分かる。

このレーザー光源４から射出されたレーザー光４１（４１ａ、４１ｂ）によりスクリーン２上に形成されるスポットは、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、プロジェクタ１に装着したカメラ５により、スクリーン２の背後（レーザー光源４に対して反対側位置）からモニタされる。カメラ５により撮像して得られたスクリーン２上のレーザー光４１のスポットのモニタ画像信号は、レンズアレイ３とスクリーン２との相対位置（距離）と傾きを示しているので、後述する方法によりモニタ画像信号から上記の相対位置（距離）と傾きを検出する。

それらを検出した後は、スクリーン２上の上記のスポットが例えば最小の径になるように（換言すると、レンズアレイ３とスクリーン２との間隔がレンズアレイ２の各レンズの焦点距離になるように）、レンズアレイ３を図１に示す駆動機構６により駆動する。この場合、駆動機構６によりレンズアレイ３を前後に微小に変位させて、上記のスポットのモニタ画像信号を観察することにより、スポットの径を判別することができる。

なお、上記のスクリーン２とレンズアレイ３とは広義のスクリーンを構成しており、スクリーン２はこの広義のスクリーンの第１の面（拡散面）を構成し、レンズアレイ３はこの広義のスクリーンの第２の面（光の偏向機能を有する面）を構成しているともいうことができる。そして、上記の駆動機構６によりレンズアレイ３とスクリーン２との相対位置（距離）と傾きが変化するようにレンズアレイ３を駆動することは、この広義のスクリーンの光学的特性を変化させることと等価である。

次に、本発明の立体画像表示用プロジェクタ１の構成について説明する。

図３は、本発明になる立体画像表示用プロジェクタの一実施の形態の概略ブロック図を示す。同図中、図１、図２と同一構成部分には同一符号を付してある。図３に示すように、立体画像表示用プロジェクタ１は、光源１０１と、照明光学系１０２_１〜１０２_ｎと、液晶表示素子１０３_１〜１０３_ｎと、投射レンズユニット１０４と、投影レンズ１１とよりなる従来のプロジェクタと同様の構成に加えて、撮像素子１０５、信号処理部１０６、演算回路１０７、制御信号生成部１０８及び入力部１０９が追加された構成である。

光源１０１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー光源、あるいはキセノンランプなどで構成されている。照明光学系１０２_１〜１０２_ｎは水平方向（図３の紙面と平行方向）及び垂直方向（図３の紙面の直交方向）にそれぞれ全部でｎ個規則的に配列されており、光源１０１からの入射光を均一な照明光にそれぞれ変換して出射する。光源１０１が出射する照明光は三原色光（白色光）でもよいし、単色光であってもよい。

液晶表示素子１０３_１〜１０３_ｎは、水平方向及び垂直方向にそれぞれ全部でｎ個規則的に配置されており、対応して設けられた照明光学系１０２_１〜１０２_ｎからの照明光が入射され、表示しようとする画像を構成する各画素の画像を表示する。液晶表示素子１０３_１〜１０３_ｎは、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）による反射型液晶表示素子でもよいし、ＨＴＰＳ（High Temperature Poly-Silicon:高温ポリシリコンＴＦＴ結晶）に代表される透過型液晶表示素子やＤＬＰ(Digital Light Processing:登録商標)などの他のマイクロデバイスを用いることも可能である。

投射レンズユニット１０４は、例えば複数のレンズが二次元的に複数配置されたレンズアレイと、そのレンズアレイを構成する各レンズに対応して形成された開口が二次元的に複数配置された開口アレイとからなる。投射レンズユニット１０４内の開口アレイから射出された液晶表示素子１０３_１〜１０３_ｎからの二次元画像の光線は、レーザー光源以外の一般的な光源を使用した場合にはインコヒーレント光であり、投影レンズ１１を透過して前記スクリーン２に投射される。

この立体画像表示用プロジェクタ１は、投影光学系を有する二次元画像表示装置であり、全体としては水平方向及び垂直方向に二次元的に配置されて、二次元画像表示装置アレイを構成している。このアレイ数は使用する液晶表示素子１０３の解像度（画素数）に依存する。もし、十分に解像度が高い液晶表示素子が使用可能な場合には、アレイを構成せずに通常の1枚（単板式）または3枚（すなわちRGB３板式）の構成で実施してもよい。その場合には、投射レンズユニット１０４は不要であり、単板式の場合には液晶表示素子１０３から直接に投射レンズ１１に入射させ、３板式の場合には図示しない公知の色合成光学系により合成した後に投射レンズ１１に入射させればよい。

撮像素子１０５は、ＣＣＤ(Charge Coupled Devise:電荷結合素子）やＣＭＯＳセンサなどの公知の固体撮像素子であり、入射光を光電変換して撮像信号を出力する。信号処理部１０６は、撮像信号に対して相関二重サンプリング（ＣＤＳ）によるノイズ低減処理その他公知の撮像信号処理を行って映像信号を出力する。この撮像素子１０５及び信号処理部１０６は図１、図２に示したカメラ５を構成している。演算回路１０７は、信号処理部１０６からの映像信号に対して所定の演算処理を行って、例えば撮像被写体のスポット径などを算出する。制御信号生成部１０８は、演算回路１０７からの信号に基づいて、駆動機構６を駆動制御するための制御信号を生成する。この駆動機構６によりスクリーン２とレンズアレイ３との間隔をどの程度にするかを、入力部１０９からの入力情報により制御することが可能である。

次に、本実施の形態の動作について説明する。光源１０１から出射した照明光は、照明光学系１０２_１〜１０２_ｎに入射してそれぞれ直線偏光でテレセントリックな状態とされた後、液晶表示素子１０３_１〜１０３_ｎをそれぞれ照明する。液晶表示素子１０３_１〜１０３_ｎはそれぞれ図示しない再生装置とドライブ回路により二次元画像を表示する。液晶表示素子１０３_１〜１０３_ｎから出射された二次元画像の光線は、投射レンズユニット１０４に入射する。投射レンズユニット１０４は、投影レンズ１１を通して液晶表示素子１０３_１〜１０３_ｎから出射された二次元画像の拡大像をスクリーン２付近に結像させる。

一方、撮像素子１０５は図１のレーザー光源４から出射されたレーザー光４１によるスクリーン２上のスポットを撮像して光電変換した撮像信号を信号処理部１０６に供給する。信号処理部１０６は、入力された撮像信号に対して、公知の信号を施してモニタ画像信号を生成して演算回路１０７に供給する。演算回路１０７はモニタ画像信号から上記のスポットの径を判定し、その判定結果に基づいて、制御信号生成部１０８により制御信号を生成させる。その制御信号は駆動機構６に供給され、駆動機構６によりレンズアレイ３の位置や傾きを変化させる。

このように、本実施の形態の立体画像表示用プロジェクタ１は、カメラ５で撮像して得られたスクリーン２上のレーザー光４１のスポットのモニタ画像信号に基づき駆動機構６を駆動制御して、レンズアレイ３とスクリーン２との距離がレンズアレイ２の各レンズの焦点距離になるように、あるいは後述するように視域を拡大したり、立体像を飛び出させるなどのために、レンズアレイ３とスクリーン２の相対位置（距離）と傾きを変化させることで、レンズアレイ３からの光線の広がり角（あるいは指向性）を最適化するのみならず、観察者の視域をも自動的に最適化可能とする。

また、上記のレーザー光源４は観察者が持っているので、観察者の位置に応じてスクリーン２上のスポット位置が移動するので、観察者の位置に応じて立体画像を構成する光線状態を制御でき、最適な立体画像表示が可能となる。

図４は本発明になる立体画像表示用プロジェクタを備えた立体画像表示システムの一実施例のシステム構成図を示す。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４において、観察者が保持するレーザー光源４０は、同時に複数本の光線が照射可能な光源で、例えば通常のレーザーポインタに光線を分岐する回折光学素子を装着した構成である。レーザー光源４０から出射するレーザー光は、レンズアレイ３の中心を照射する光線４１と、レンズアレイ３の中心の周辺を照射する光線４１１，４１２，４１３，４１４の計５本からなる。この５本の光線（レーザー光）４１、４１１、４１２、４１３及び４１４は、レンズアレイ３を同時に照射する。

これにより、スクリーン２には５つのスポットが同時に形成されるので、この５つのスポットをカメラ５で撮像して得られたモニタ画像信号に基づいて、５つのスポットの相対位置関係を判定することで、レンズアレイ３の傾きが検出できる。

次に、本発明の立体画像表示用プロジェクタによるレンズアレイ３とスクリーン２との間の距離（以下、間隔ともいう）の調整方法について説明する。

図５は、レンズアレイ３とスクリーン２の間隔が、レンズアレイ３の焦点距離よりも短い場合について図示したものである。この場合は、図５に示すようにレーザー光源４（図４ではレーザー光源４０）から射出されたレーザー光４１は、スクリーン２上でぼけた状態で集光する。

一方、立体画像表示用プロジェクタ１の投射レンズ１１から投影された光は、スクリーン２上で結像した後スクリーン２を透過して拡散してレンズアレイ３に入射し、レンズアレイ３から画素位置に応じて異なる方向にほぼ平行な光線群として空間に投射される。このとき、レンズアレイ３とスクリーン２との間隔が、レンズアレイ３の焦点距離よりも短い場合は、レンズアレイ３から射出される光線は図５に示すような発散光となる。この状態ではレンズアレイ３の手前の実像としては、図５に示すような、ぼけた空間像３２しか表示することができない。

しかしながら、これらの発散光の経路を光の進行方向とは逆向きに、つまりスクリーン２の背後（立体画像表示用プロジェクタ１側）に向かう方向に延長すれば集光するため、上記の延長によりレンズアレイ３の背後の位置には、見かけ上ぼけの少ない虚像としての空間像（図示なし）が表示できる。

従って、スクリーン２に対して奥に表示すべきコンテンツを表示する場合や、立体像の飛び出し量を犠牲にして（立体像をスクリーン２の背後に表示させるようにして）視域をできるだけ広くして多人数で観察したい場合には、立体画像表示用プロジェクタ１は、スクリーン２上のレーザー光４１のスポットをカメラ５によりモニタし、そのモニタ画像信号に基づいて、レンズアレイ３とスクリーン２との間隔を図５の状態になるように制御するための制御信号を生成し、図１や図４に示した駆動機構６をその制御信号を供給して駆動制御する。

この場合、レンズアレイ３とスクリーン２との間隔が広がるようにレンズアレイ３を駆動機構６で微小変位させると、スクリーン２上のスポットの径が更に小さくなるので、間隔が狭すぎることが分かる。

図６は、レンズアレイ３とスクリーン２との間隔が、レンズアレイ３の焦点距離である場合について図示したものである。この場合は、図６に示すようにレーザー光源４（図４ではレーザー光源４０）から射出されたレーザー光４１は、スクリーン２上で集光する。このとき、スクリーン２に投射された要素画像からの光線は、レンズアレイ３によりほぼ平行な状態で射出されて、回折限界では個々のレンズアレイ３の径と同程度の光束の交点に空間像３３が形成される。

図６のような平行光線として射出される状態では、先に述べたスクリーン２の背後の虚像についても、ほぼ同じサイズの交点が形成されるため、表示させたい立体像がレンズアレイ３の前後にわたっている場合に適している。

図７は、レンズアレイ３とスクリーン２との間隔が、レンズアレイ３の焦点距離よりも長い場合について図示したものである。この場合は、図７に示すようにレーザー光源４（図４ではレーザー光源４０）から射出されたレーザー光４１は、スクリーン２上ではデフォーカスした状態で集光する。

一方、立体画像表示用プロジェクタ１の投射レンズ１１から投影された光は、スクリーン２上で結像した後スクリーン２を透過して拡散してレンズアレイ３に入射し、レンズアレイ３から画素位置に応じて異なる方向にほぼ平行な光線群として空間に投射される。このとき、レンズアレイ３とスクリーン２との間隔が、レンズアレイ３の焦点距離よりも長い場合は、レンズアレイ３から射出される光線は図７に示すように、図６に示した場合よりもレンズアレイ３に対して遠方位置にレンズアレイ３の径より小径の光束の交点に空間像３４が形成される。

従って、空間像３４を観察する観察者（その眼球を７で示す）の視域は狭くなるが、できるだけ立体画像を飛び出させたい場合は、図７に示すように、レンズアレイ３とスクリーン２との間隔が、レンズアレイ３の焦点距離よりも長くなるように、本実施の形態のプロジェクタ１はカメラ５のモニタ画像信号に基づいて、図１や図４に示した駆動機構６の制御信号を生成して、駆動機構６を制御する。

この場合、レンズアレイ３とスクリーン２との間隔が広がるようにレンズアレイ３を駆動機構６で微小変位させると、スクリーン２上のスポットの径が更に大きくなるので、間隔が広すぎることが分かる。

次に、本発明の立体表示用プロジェクタ１が形成する立体像を観察可能な範囲である視域について、図８と共に説明する。図８では、レンズアレイ３の背後のスクリーン２に配置された要素画像から射出される多数の光線のうち、最外周の画素からの主光線のみを描いている。

図８において、Ｖ字型の太い実線の範囲が視域８を示している。この視域８は観察者が移動しながら立体像を回り込んで見ることのできる範囲を示しており、２本の太線が交わる角度（全角）としてΩで表すことにすると、視域角Ωはレンズアレイ３とスクリーン２との間隔（これをｇとする）及びレンズアレイ３のレンズピッチ（これをＰＬとする）に依存し、図８に示す幾何学的関係から次式で表される。

Ω＝２ｔａｎ^-1（２ＰＬ／ｇ）
つまり、レンズアレイ３とスクリーン２との間隔ｇを小さくすると、視域角Ωが大きくなり、逆にレンズアレイ３とスクリーン２との間隔ｇを大きくすると、視域角Ωが小さくなる。そこで、レンズアレイ３とスクリーン２との間隔ｇを変化させることで、視域８を調整する。

この視域８内に観察者の眼球７があるときは、観察位置に応じて連続的に変化する立体像を観察することができる。眼球７が視域８から外れると、隣のレンズ越しに要素画像を眺めることになり、立体像の特性が悪化する。また、視域８の境界では立体像の切り替わり（フリッピング）が生じる。従って、視域８をどれくらいの広さに設定するかは立体表示装置における重要な調整事項である。

本発明の立体画像表示用プロジェクタ１は、前述したレンズアレイ３からの光線の広がり角を最適化するのみならず、視域８をも自動的に最適化可能とするものである。すなわち、図８に示すように、レンズアレイ３とスクリーン２との間隔が、レンズアレイ３の焦点距離よりも短い場合、この間隔が焦点距離に一致した場合に比べて視域８は広くなる。この場合、レンズアレイ３から射出される光線としては図５に示すような発散光となり、スクリーン２の奥側に立体像を表示させることになり、手前側の表示はできなくなるが、同時に観察可能な観察者の数を増やすことができる。

従来の立体画像表示用プロジェクタでは視域は固定されていたが、本発明では状況に応じて自動的に視域を拡大することを可能にするものである。逆に、観察者の数が少ないときは、視域を敢えて狭くすることによって、視域内の光線密度を増やし、立体像の飛び出し量を増やすことも可能にする。これは図７の光線状態に対応する。

視域を自動的に調整するためには、現在のレンズアレイ３とスクリーン２との間隔を認識し、図１等に示した駆動機構６で調整を行うようにする。この間隔は、駆動機構６でいずれかの向きに変動したときスクリーン２上のスポットサイズの変化量の傾き（微分係数）をカメラ５でモニタすることにより、焦点距離より長いか短いかを判断することができることは前述した通りである。

なお、レンズアレイ３とスクリーン２との間隔ｇを小さくしたときは、スクリーン２上の画像（１個のレンズの背後の要素画像）のサイズをレンズピッチＰＬよりも少し大きくする必要があり、逆に上記間隔ｇを大きくしたときは、上記要素画像のサイズをレンズピッチＰＬよりも少し小さくする必要がある。本実施の形態では、スクリーン２上のスポットサイズの変化量の傾き（微分係数）をカメラ５でモニタすることにより、投射レンズ１１のズームを調整し、スクリーン２に投射される要素画像サイズの調整を行う。

なお、本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、例えば偏向光学素子アレイとして上記の実施の形態ではレンズアレイ３を用いたが、これ以外に回折光学素子（光の回折現象を利用した素子）、曲面ミラーアレイ（光の反射を利用した素子）、開口アレイなどを用いることもできる。また、水平方向にも垂直方向にも斜め方向にも偏向機能をもつレンズアレイ３のような素子の代わりに、水平方向にのみ偏向機能をもつ偏向光学素子アレイである公知のレンチキュラーレンズや公知のパララックスバリア等を利用し、垂直方向視差のない裸眼立体ディスプレイに対しても本発明がそのまま適用できることは言うまでもない。

本発明の立体画像表示用プロジェクタを備えた立体画像表示システムの一例のシステム構成図である。スクリーンとレンズアレイとの間隔に応じた結像の様子を示す図である。本発明の立体画像表示用プロジェクタの一実施の形態のブロック図である。本発明の立体画像表示用プロジェクタを備えた立体画像表示システムの一実施例のシステム構成図である。本発明による調整方法を説明するレンズアレイとスクリーンの間隔の状態（その１）を示す図である。本発明による調整方法を説明するレンズアレイとスクリーンの間隔の状態（その２）を示す図である。本発明による調整方法を説明するレンズアレイとスクリーンの間隔の状態（その３）を示す図である。本発明の立体画像表示用プロジェクタが形成する立体像を観察可能な範囲である視域を説明するための図である。

符号の説明

１立体画像表示用プロジェクタ
２スクリーン（広義のスクリーンの拡散面）
３レンズアレイ（広義のスクリーンの光の偏向機能を有する面）
４、４０レーザー光源
４１、４１１、４１２、４１３、４１４レーザー光（光線）
５カメラ
６駆動機構
７観察者の眼球
８視域
１１投影レンズ
３１、３２、３３、３４空間像
１０１光源
１０２_１〜１０２_ｎ照明光学系
１０３_１〜１０３_ｎ液晶表示素子
１０４投射レンズユニット
１０５撮像素子
１０６信号処理部
１０７演算回路
１０８制御信号生成部
１０９入力部

Claims

第１面を拡散面とし、前記第１面に対向する第２面を光の偏向機能を有する面とする光学部材の前記第１面の近傍に、二次元画像のインコヒーレント光を照射することにより、前記第２面の近傍の空間位置に多方向の光線群を集光させて、インテグラルフォトグラフィの原理により三次元の空間像を再生させる立体画像表示用プロジェクタであって、
前記光学部材の前記第１面と前記第２面の相対的な間隔又は相対的な傾きを制御する駆動機構を駆動する制御信号を生成する制御信号生成手段を有し、
前記制御信号により前記駆動機構を駆動して前記光学部材の光学的特性を変化させることで、前記第２面から出射する光線の広がり角を制御すると共に、前記空間像を観察する観察者の視域を制御することを特徴とする立体画像表示用プロジェクタ。
コヒーレント光を前記光学部材の前記第２面側から入射することにより前記第１面に形成されるスポットを撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像して得られた前記スポットのモニタ画像信号に基づき、前記光学部材の前記第１面と前記第２面の相対的な間隔又は相対的な傾きを検出する検出手段とを更に有し、
前記検出手段により検出された前記第１面と前記第２面の相対的な間隔又は相対的な傾きに応じて、前記制御信号生成手段を介して前記駆動機構を制御することを特徴とする請求項１記載の立体画像表示用プロジェクタ。
二次元画像のインコヒーレント光をスクリーンに照射して多数の平面画像を該スクリーンに形成させ、その多数の平面画像を該スクリーンを透過させて拡散させ、該スクリーンに離間対向して設けられた偏向光学素子アレイにより、前記スクリーンからの拡散光を画素位置に応じて異なる方向にほぼ平行な光線群として投射し、これらの光線群を空間に集光させて、インテグラルフォトグラフィの原理により三次元の空間像を再生させる立体画像表示用プロジェクタであって、
コヒーレント光である略平行光線を前記偏向光学素子アレイに入射することにより、前記スクリーン上に形成される一又は二以上のスポットを前記平面画像と共に撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により撮像して得られた前記スポットのモニタ画像信号に基づき、前記スクリーンと前記偏向光学素子アレイとの相対的な間隔又は相対的な傾きを検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記スクリーンと前記偏向光学素子アレイとの間隔又は傾きに応じて、前記スクリーンと前記偏向光学素子アレイとの間隔及び傾きを可変する駆動機構を制御する制御信号を生成する制御信号生成手段と
を有し、前記制御信号生成手段は、前記偏向光学素子アレイから空間に出射する光線の広がり角、及び前記空間像を観察する観察者の視域の一方又は両方を制御するための制御信号を生成することを特徴とする立体画像表示用プロジェクタ。