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hardware review of home theater and self-made devices

デュアルプロジェクター用偏光板

   

Polarized filter of dual projector for passive 3D
- Circular Polarizer for RealD -

   
    Project of Passive 3D with dual projector in home cinema
part3:Polarized filter of dual projector for passive 3D
   
    polarized_filter001    
    Summary    
   

I buid DIY passive 3D system with dual HD projector, JVC DLA-HD750. The other major components in this system consist of passive 3D source component, projector polarizer and silver screen. In this article, DIY polarizer for dual projectors is described. The characteristic of circular polarization was adjusted so that RealD 3D glasses might be available. DIY polarizer holder is made of aluminum and acrylics.

   
    Key features    
   

1. DIY polarizer for dual projector passive 3D system.
2. Circulatory polarizer available for RealD 3D glasses,
3. DIY polarizer holder made of alumninum and acrytics.

   
    Project of Passive 3D with dual projector in home cinema    
    Part1: Oakly RealD passive 3D glasses (http://monolith-theater.net/hal/?p=13728)
Part2: 150 inches silver screen for passive 3D (http://monolith-theater.net/hal/?p=13847)
Part3: Polarized filter of dual projector for passive 3D (this post)
Part4: Dual head passive 3D (http://monolith-theater.net/hal/?p=14416)
Part5: Demultiplexing passive 3D (http://monolith-theater.net/hal/?p=14833)
Part6: Stack 5D system, final thoughts (http://monolith-theater.net/hal/?p=14993)
   

パッシブ3Dにおけるデュアルプロジェクター用偏光板

 

INDEX

1.はじめに
2.プロジェクターの偏光特性の確認
     2-1.偏光サングラス
     2-2.眩しさの原因は水平偏光
     2-3.水平偏光をカットする偏光サングラス
     2-4.DLA-HD750での偏光特性の確認
     2-5.Acer H5360 DLPプロジェクターの偏光特性
     2-6.プロジェクターの偏光特性
3.プロジェクターに適用する偏光板の特性
     3-1.直線偏光とは
     3-2.円偏光とは
     3-3.円偏光の生成
     3-4.円偏光板のプロジェクターへの適用
4.円偏光のスクリーンでの反射
5.円偏光メガネの特性
6.円偏光方式の偏光特性のまとめ
7.RealD方式との比較
8.実際の円偏光板(MeCan Imaging)とホルダーの製作
9.偏光板と3Dメガネとの相性
10.最後に
11.3D関連記事

 


1.はじめに

パッシブ3Dではプロジェクターに偏光板が必要です。プロジェクターが投射する光に偏光をかけ、偏光メガネで視聴します。ここではプロジェクターに適用する偏光板とDIYホルダーについて記載しています。円偏光を利用したRealDシステムに準拠した方式を採用しています。

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本稿は Project of Passive 3D with dual projector in home cinema のPart3です。

Part1: オークリーのRealD対応3D偏光メガネ (http://monolith-theater.net/hal/?p=13728)
Part2: DIY偏光3Dシルバースクリーン (http://monolith-theater.net/hal/?p=13847)
Part3: デュアルプロジェクター用偏光板(本稿)
Part4: QuadroによるopenGL passive 3D(http://monolith-theater.net/hal/?p=14416)
Part5: Optoma 3D-XLを利用したパッシブ3D(http://monolith-theater.net/hal/?p=14833)
Part6: Stack 5D system, final thoughts (http://monolith-theater.net/hal/?p=14993)

なお今回は自分の備忘録も兼ねたため、非常に長い記載となっています。偏光は難解でややこしく、すぐに混乱するので、図を多く取り入れています。2から7までは主に偏光理論の記載であり、読み飛ばしてもらったほうが無難です。

2.プロジェクターの偏光特性の確認

使用するプロジェクターの偏光特性を知る事は、デュアルプロジェクターでパッシブ3Dを行うにあたってとても重要です。プロジェクターからの光は波動光学的な「自然光」ではなく偏光である場合が少なくありません。D-ILAでは直線偏光である事が指摘されています。これはプロジェクターに装着する偏光板と偏光メガネの仕様に大きく影響します。ここでは偏光サングラスを使ったプロジェクターの直線偏光の有無やその方向の確認方法を書いてみます。

2-1.偏光サングラスとは

市販されている偏光サングラスを使って使用中のプロジェクターの直線偏光特性を手軽に確認できます。サングラスといっても普及しているものの多くは偏光特性はなく、レンズの色を暗く着色して光量を減少させるものです。それに対し偏光サングラスはレンズに偏光子が組み込まれ、まぶしさもカットします。

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polaroid製の偏光サングラス

2-2.まぶしさの原因は水平偏光

太陽光は地平線に垂直に降り注ぎます。太陽光の進入方向に対し直角な水平面を持つものはそれを反射しますが、反射光の中には偏光特性を持つものが含まれます。太陽を反射する水面がいい例で、水面からの反射光には多くの水平偏光が含まれています。空のまぶしさも地球の空気層が太陽光に対してほぼ垂直であり、水面と同じ原理で水平偏光が含まれています。

2-3.水平偏光をカットする偏光サングラス

サングラスに偏光子を縦方向に入れると、反射による水平偏光をカットします。偏光サングラスが水面の太陽光の反射をカットして、見ずらかった水中の魚などが明瞭に見えたり、空が抜けるような青に変わるのはこのためです。

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偏光サングラスの効果:左は通常、右は上の偏光サングラスをカメラのレンズの前にかざして撮影。減光によって全体が暗くなるが、偏光効果によって右では水面の反射がカットされ水中の水草が見やすくなっています。

2-4.DLA-HD750での偏光特性の確認

実際に使用しているDLA-HD750で確認してみると水面の反射光と同様の水平偏光になっています。偏光サングラスで、プロジェクターの純白テストパターンを反射したスクリーンで確かめてみると、遮光されています。偏光サングラスを縦に傾けると透過光が最大になります。すなわちHD750の光は水面で反射する光と同じ水平方向の直線偏光特性を持っている事になります。プロジェクターの機種の違いで偏光特性は異なるので、実機を確認する必要があります。

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プロジェクターDLA-HD750の偏光特性を確認している様子。シルバースクリーンを使用。
プロジェクター内蔵のグレースケールを偏光サングラスを通して撮影。中央は水平に右は縦にして撮影。
水平で遮光が、垂直で透過光が最大になる。プロジェクターの光が水平偏光であることが判る。

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同様の確認をカラースケールで行っている様子。プロジェクターによってはRGB等の各色で偏光特性が異なることがある。
DLA-HD750は全色同一に水平偏光であることが確認できる。

2-5.Acer H5360 DLP プロジェクターの偏光特性

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上の写真ではDLPプロジェクターAcer H5360の偏光特性を検討しています。偏光サングラスの水平、垂直および45度の角度いずれでも透過光は一定で遮光しません。すなわち直線偏光特性を持っていないことになります。RealDが劇場で使われる際プロジェクターはDLPですが、偏光システムがプロジェクターに影響されないので考え方が非常に楽になります。DLPは「自然光」に近い特性を持っています。

2-6.プロジェクターの偏光特性

対象となるプロジェクターからの光がどういう偏光特性を持っているかを事前に知ることは困難です。実際に試してみるしかなさそうです。またRGBなどの色域によって異なる偏光特性をもつ場合もあり、DIYでのパッシブ3Dシステムでは適切な調整が不可能な場合もあります。特に透過型LCDなどは注意が必要です。

偏光システム構築が比較的容易と思われるのは、偏光特性を持たないDLPかSXRD、DLAなどの反射型です。しかし、以下に詳述しますがDLA-HD750の場合でも直線偏光板は不適で、円偏光板を使う必要があります。IMAXで利用されているようなハの字型の直線偏光板では著しく光量が落ちる事になります。

3.プロジェクターに適用する偏光板の特性

ではデュアルプロジェクター側の偏光板をどのように設定するといいでしょうか。ここでは円偏光方式を採用しているので直線偏光に加え円偏光の特性も考慮する必要があります。まずは直線偏光と円偏光について概説してみます。

3-1.直線偏光とは

光は電磁波としての性質を持っています。電場と磁場の震動が伝播します。光を電磁波(主に電場)として捉える考え方を、光の屈折や反射を扱う幾何光学に対し波動光学といいます。波動光学的には自然光は進行方向に対する垂直面で、360度全方向にランダムなベクトルをもつ電場が振動している状態です。それに対し直線偏光とは電場の振動方向が一方向に揃った状態をいいます。人工的には直線偏光子を通過するとこの状態を作れます。光の進行方向に対し垂直面の角度で直線偏光の特性を表現します。ここでは水平に対する角度で表し、反時計回り方向を+としています。例えば水平に対し0度が水平直線偏光、垂直が90度の直線偏光です。前述した水面で反射する光や、HD750の光は0度の水平偏光です。

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水平直線偏光子を通った0度の水平直線偏光の電場震動。DLA-HD750の映像も水平直線偏光。

3-2.円偏光とは

円偏光は時間軸に対し電場的に回旋性をもった偏光のことをいいます。直線偏光は偏光子を通過後、進行方向に対し同一平面内を直線的に進行しますが、円偏光は回転しながら進行します。回転方向は右と左です。連続的に振動面が回転してゆく様子は「リボン」をよじった状態とたとえられる事もあります。

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円偏光の回旋状態。定点位置で観察した円偏光震動方向が回転する様子の動画。
Circula polarization; Public Domain gif amime from Wikipedia )

3-3.円偏光の生成

円偏光を作り出すには円偏光板を使用します。円偏光板は直線偏光板と特殊な偏光素子を張り合わせたものです。まず直線偏光板を通して直線偏光特性をもった光に変換、その後特殊な1/4λ板を通過させ回旋性を持った偏光に変換します。回旋の方向は1/4λ板の直線偏光に対する角度で決定します。通常1/4λ板の偏光軸は、直線偏光板の偏光軸に対し-45度と45度に設定され、それぞれ左回転、右回転の円偏光になります。円偏光板では1/4λ板で光の位相がずれ、早い位相と遅い位相を持つ波に別れます。そのため1/4λ板の偏光軸は遅延軸とも呼ばれています。

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円偏光の概念図。

直線偏光板と1/4λ板を張り合わせ、通過した光は回旋性を持つ円偏光になる。上図では-45度の1/4λ板により遅延相が発生し、左回転の円偏光が発生する。(注: 光を受け止める側から見ての回転方向を偏光方向とする事も多く、その際上の図では右円偏光となる。本稿での記載は進行方向に対しての回転方向に呼称を統一している)

3-4.円偏光板のプロジェクターへの適用

さて円偏光を用いる場合でもプロジェクターの光が既に0度の直線偏光である場合、プロジェクターに装備する円偏光板の直線偏光軸を0度に設定する必要があります。プロジェクターの偏光軸と円偏光板の直線偏光子の偏光軸が平行の場合に透過率が最大になるので、右目用、左目用ともに直線偏光軸を水平に設定するのが適切です。実際に円偏光板の直線偏光軸を垂直にすると遮光され、スクリーンに光が届きません。

ちなみに水平直線偏光特性を持つプロジェクターには直線偏光板を適用しずらくなります。左右のプロジェクターの光量を同等にするためには、45度のハの字型の直交する偏光板セットにせざるを得ませんが、光量が落ちてしまいます。

 

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4.円偏光のスクリーンでの反射

円偏光はシルバースクリーンで反射する際、回旋性は保ったまま直進します。左回転の円偏光は常に進行方向に対し左回旋になります。ただしスクリーンに正対している観察する側からみると向かってくる光は回転方向が反転するように見えます。その場合、観察者側からは見かけ上左回転が右回転になりますが、前述のように光の進行方向に対しては常に左回転です。

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5.円偏光メガネの特性

円偏光システムの場合、メガネのレンズも円偏光素子になっています。スクリーンからの光がまずメガネの1/4λ素子に入射し、その後直線偏光素子を通過します。例えば右目用のプロジェクターに左回転の円偏光板を適用している場合を考えてみます。メガネの右眼用のレンズに右回転の円偏光特性を持たせていると、観察者から見て右回転の偏光を通すので、スクリーンで左から右回転に反転した右目用のプロジェクターの光が見えます。反対方向の回旋性を持つ光は遮光されます。光の進行方向から観た場合、RealDの偏光メガネの1/4λ板の遅延軸は45度で、直線偏光素子の軸の角度は0度です。

 

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6.円偏光方式の偏光特性のまとめ

ここまでは右目用のプロジェクターと偏光板から3Dメガネの右目用のレンズまでの経路をみてきました。下に右目用のシステムをまとめたシェーマを掲載しておきます。左目のシステムは円偏光板の遅延軸と円偏光の回旋方向が逆になるだけです。左右のプロジェクターとメガネの偏光板の円偏光への変換、識別機能の良否がクロストークの多寡と関連します。

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7.RealD方式との比較

劇場のRealD(円偏光)方式の場合、プロジェクター側の円偏光板の直線偏光軸が上図の場合と違います。DLA-HD750ではプロジェクター側の直線偏光軸を水平(0度)にせざるを得ませんが、劇場のプロジェクターは垂直(90度)です。これはHD750が既に水平(0度)の直線偏光特性を持っているのに対し、劇場で使用されるDLPプロジェクターは2-5に示したように偏光特性を持たない「自然光」なので、円偏光板の直線偏光軸は自由に設定できる事によるものと思われます。

ただしこれは視聴上問題になりません。スクリーンに達し、反射してメガネに至る経路では円偏光であることに変わりなく、両者ともに劇場用のRealD偏光メガネが使用できます。ただしプロジェクター側とめがねの直線偏光軸は直交したとき最大遮光が得られるので、今回の場合メガネの直線偏光軸は垂直がベターです。後述しますが市販品ではMitsubishiメガネがベストです。(2011-12-16追記)

実は、劇場のRealDシステムは投射方法が単一ではありません。代表的なのはDLPとSXRDです。DLPプロジェクターの場合、Z-Screenと呼ばれる光学的な変調器を使用して経時的に偏光方向を変えています。右目用の映像には右偏光に、左目の映像は左偏光になるようにZ-Screenが切り替わり、1秒当たり24コマ(24p)を144Hzで投射する方式です(下図参照)。左右の映像は交互に投射されます。SonyのSXRDの場合は4kデバイス上に左右2枚の2k映像が同時展開され、垂直に並んだ2つのレンズで同時投射されます。本稿で紹介している家庭でのデュアルプロジェクターによる方法は、このSXRDの方式に類似しています。

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8.実際の円偏光板(MeCan Imaging)とホルダーの製作

美館イメージング(http://www.mecan.co.jp/index.html)の偏光板を使用してみました。顕微鏡や光学関係の業務用部材を販売しているショップです。ここの偏光板及び3D関連の解説は秀逸かつ非常にわかりやすく、特にこのページ(http://www.mecan.co.jp/original/polarizer/3d-choice.htm#line)は、デュアルプロジェクターによる3D偏光の入門に最適です。

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円偏光板はTCPR&L (20cmx20cm)を使用しています。偏光板にあわせて、それを挟み込むようにアクリル板で固定しています。右上の写真はアクリル固定版を製作している様子です。

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写真左がTCPLで右回転の円偏光板です。写真右TCPRは左回転の円偏光板です。シールが貼ってあるので、直線偏光と1/4λ板の張り合わせの面と吸収軸がわかります。吸収軸は偏光軸に対して直角です。直線偏光板の面をプロジェクターに、1/4λ板をスクリーンに向けます。DLA-HD750の光は水平直線偏光なのでTCPL(R)の吸収軸は天地方向に設定します。

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円偏光板のホルダーはLubic (http://www.lubic.jp/) のアルミの棒で製作しています。これはかつてPCを製作した際の余りを利用しました。アクリル2枚と円偏光板がぴったり溝にはまります。いろんなタイプの座金や金具があるので、自由に枠を設計することができます。一部丸鋸で切断加工しています。

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ホルダー上部はデュアルプロジェクター設置台の枠に引っ掛け、ぶら下げるように加工しています。そもそもこのプロジェクター台はパッシブ3D前提で設計したので、偏光板が装着しやすい構造に設計しています。写真はパッシブ3Dの際の位置ですが、スタック2Dで使用する時はレンズの光軸から横にずらしておきます。
「デュアルプロジェクター設置台の自作」 http://monolith-theater.net/hal/?p=12942

各プロジェクターの光束が確実に偏光板を通過するための位置調整に加え、偏光板とレンズの距離が重要です。あまり近いと熱で偏光板が劣化し早く寿命を迎えます。900ルーメンで5センチほど離れていれば十分です。業務用は10000ルーメンなど桁違いのエネルギーなので、かなり離して使用しているようです。カラスに挟み込んだ耐熱性の偏光板も販売されています。光の透過率は40-50%程度です。

9.偏光板と3Dメガネとの相性

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プロジェクター用の偏光板、3Dメガネ双方とも円偏光方式であっても、販売されているめがねによって微妙に見え方が違います。多分1/4λ板などの素材や直線偏光に対するλ板の挿入角度の違いと思われますが、実際に検証してみました。検討方法は上の写真に示しています。これは楽に写真撮影するためのセットアップで、やや大げさになっていますが、要はプロジェクター用偏光板と3Dメガネを通過する偏光特性のない自然光がどのように見えるかを確認すればよく、手で持って明るい場所を見れば同じことができます。

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偏光特性のない蛍光灯の光をシルバースクリーンに当て、その反射光がプロジェクター用偏光板(TCPL)と円偏光3Dメガネを通過した様子を観察しています。透過した光は偏光板(TCPL)によって右円偏光となり、これはすなわちメガネ側から見ると左円偏光で、左円偏光しか通さない左のレンズは透過し、右円偏光しか通さない右レンズは黒く遮光されています。これを手持ちの5つの偏光メガネと一眼レフ用円偏光フィルターで行ってみました。 

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A: Mitsubishi RDT233AX-3D用 http://monolith-theater.net/hal/?p=12283 (bundle)
B:Oakly 3D Gascan http://monolith-theater.net/hal/?p=13728
C: MeCan TA3D-CBC http://www.mecan.co.jp/
D: SilverFabric plastic frame google circular0/0 http://www.silverfabric3d.de/ (sample)
E: SilverFanric paper frame google linear 45/135 http://www.silverfabric3d.de/ (sample) 
F: Kenko C-PL(W) http://www.kenko-tokina.co.jp/imaging/filter/pl/ (for DSLR)

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A:Mitsubishi                               B:Oakly                                         C:MeCan                                       D:SilverFabric
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E:SilberFabric(linear)             F:Kenko(order)                        F:Kenko(contrary)

よくみるとメガネによって遮光された右レンズの色が異なります。A:MitsubishiとC:MeCan製は良く似た濃いグレー系で、、B;OaklyとD:SilverFabricはブラウン系に見えます。ちなみに一眼レフの円偏光フィルターF:Kenkoもグレー系です。3D円偏光メガネでも違いがあるようです。もともとのレンズの色の違いの可能性もありますが、偏光素子の違いの可能性もあります。

右レンズで遮光性能がわかります。最も暗いものが遮光性がよくクロストークが少なくなります。A:Mitsubishi>C:Mecan>D:SilverFabric=B:Oaklyの順です。

次にそれぞれの直線偏光軸を調べてみました。E:SiverFabricは45/135のハの字の吸収軸をもつ直線偏光メガネなので、これを通して円偏光めがねを覗いてみたのが下の写真です。

polarized_filter_mitsupolarized_filter_oaklypolarized_filter_mecanpolarized_filter_silverfabric
A:Mitsubishi +linear              B:Oakly +linear                            C:MeCan  +linear                     D:SilverFabric +linear 

結果として、A:Mitsubishiは垂直直線偏光、B:Oaklyは不明です。Oaklyは360度どの角度でも遮光されません。C:MeCanはハの字型の直線偏光吸収軸、D:SilverFabric(circular)は水平直線偏光軸を持っていることが判ります。 円偏光3Dメガネでもこれだけ仕様が異なるものがあります。

これら全てでHD750での3D立体視ができますが、最も明るいのはB:Oaklyであるのもうなずけるような気がします。(オークリーの3D偏光メガネ:  http://monolith-theater.net/hal/?p=13728#hikaku ) このメガネは円偏光効果はありますが通常の直線偏光板が入っていません。

前述した遮光性能と関連は次のようになっています。A:Mitsubishi(垂直直線偏光軸) >C:Mecan(ハの字型)>D:SilverFabric(水平)=B:Oakly(水平)。プロジェクターの偏光板の直線偏光軸が水平なのでこの結果は妥当です。プロジェクターとメガネの直線偏光軸が直交するとクロストークが最小の円偏光システムになります。(2011-12-16追記) 一般的なRealDメガネの直線偏光軸は水平なので、この中ではD:SilverFabricが該当します。

 

今回のプロジェクター用偏光板は水平直線偏光軸を持つ円偏光板なので、最も適切なメガネは垂直直線偏光板の入った円偏光めがねです。すなわちMitsubishiのメガネが該当します。事実、上の写真でも右レンズの遮光の程度が最も強く、黒くなっているのはMitsubishiです。

10.最後に

円偏光を利用したデュアルプロジェクターによるパッシブ3Dのシステムを構成するにあたって、プロジェクターに適用する円偏光板と3Dメガネの構成を検討してみました。偏光板や3Dメガネを販売しているショップは少なくありませんが、所有のプロジェクターの偏光特性の確認とそれに対する適切な偏光板の適用、および3Dメガネの選択が重要です。

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動作中の円偏光板を装着したデュアルプロジェクター

偏光理論は難解で偏光軸、吸収軸や回転方向など混乱しがちです。ケースバイケースで実際に確認しながら作業を進める必要があります。むしろ理論などお構いなしに、メガネをかけてアレコレ試行錯誤しながらでも正解にたどり着くかもしれません。できれば手元に偏光方向の明らかな直線偏光子がひとつあれば、随分作業が楽になります。

なお機会があればInfitec, Dolby3Dシステムなどoptical band pass filterを用いた方法についても掲載してみます。RGBを左右で異なる3つの波長帯に分割し、それを補正したメガネで立体視する方法です。通常のマットスクリーンが使えます。

 なお以下のページで更に解説を加えています。
「Stack 5D dual projection system 5.偏光光学システムの設定法」
http://monolith-theater.net/hal/?p=14993#henkou

11.3D関連記事






この記事は2012-05-23に更新しています。初稿に加えた重要な変更箇所は赤で記載。

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