JP7015520B2 - 広視野角空中映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、広視野角空中映像表示装置に関する。

空中に像を結像させ、映像が空中に浮かんでいるように体験できる「空中像ディスプレイ」に関する研究が盛んに行われている。現在、多数の方式が提案されているが、中でも、２層式再帰透過光学系や、ハーフミラーと再帰性反射材を組み合わせた方式が商品化され、誰もが利用できる環境に近づきつつある。

空中への映像提示は視覚的なインパクトが強く、その実現を目指して多くの研究が行なわれてきており、中でもＡＩプレート（AerialImagingPlate：以下、ＡＩＰと称す。）という特殊な光学素子を用いて生成される空中像は、その品質と表示方法の手軽さから、新たな立体ディスプレイとして多くの分野での活用が期待されている。

上記技術は、既に研究提案され、商品化されているものであるが、原理的には類似したものがいくつか提案されており、機能としては、液晶ディスプレイなどの結像面を、当該光学系に対して対称の位置に結像させる、というものがある。

光学系さえ用意できれば、その反対側に液晶モニタなどを置くだけで空中像が提示できるため、インタフェースや空間演出など、様々な応用が期待されている。例えば、アスカネット社が改良版光学系や、樹脂製の低価格版の発表を行っている。

また、ＡＩＰが作る空中像の視野角を広げる手法として、梶田らは、ＡＩＰとミラーを組み合わせたbeyooooonD と呼ばれるシステムを提案している（非特許文献１）。beyooooonD では、ＡＩＰの存在しないテーブル上の領域に、ハーフミラーを置くことで空中像を表示させていた従来研究を更に発展させ、空中像の観察角度に応じた２枚のディスプレイを配置することで、その視野角を拡大する光学系を提案している。これにより、ハーフミラーとＡＩＰそれぞれの表示領域上に空中像を横断的に表示することを可能としている。しかし、この光学系では、視野角を広げるために別のディスプレイを用いているため、その視野角は追加したディスプレイから新たにＡＩＰに入射する光線分しか拡大されない。

特許５１７７４８３号

梶田創、 小泉直也、 苗村健、 beyooooonD: テーブルトップ直立空中像ディスプレイの視域・視野角の拡大、 VR 大会、 34C-03、2016

再帰透過光学系では，素子自体の大きさや空中に表示したい光源の位置およびサイズによって、空中像を提示できる範囲に制限が生じてくる。例えば、一般的な使用が想定される組み合わせとして、３５０ｍｍ角の再帰透過光学系を用いて、１０インチ程度の液晶タブレット端末の映像を空中に提示しようとすると、提示される空中像の視野角は約４０°前後に限定される。そのため、基本的には正面に正対した観察者一名のみを対象としており、個人向けユーザインタフェースとしては十分であるが、多人数を対象とした提示には向かず、すなわち一般的な展示用途などへの応用は困難な状況である。

この視野角は複数枚の再帰透過光学系を組み合わせ、素子そのもののサイズを大きくすることで広げることが可能であるが、例えば、多人数で観察可能な程の広い視野角を提示しようとした場合、装置サイズが非常に大きくなると共に、コストの大幅な増加という問題が発生してしまう。この際、素子同士に角度を持たせて組み合わせることにより、より少ない素子数でも広視野角を得ることが可能となるが、その場合、拡大する視野角部分に対応する複数の光源を適切な位置に置く必要があるため、やはりその分装置サイズは大きくなってしまう。更に、どちらの場合でも１８０°を超える視野角を得ることはできないという問題がある。

すなわち詳述すると、再帰透過光学系は、光源からの光を空中像として面対称位置に結像させる作用を持つ。しかし、実際に空中像が作られる際には、光源から発せられる光のうち、再帰透過光学系 に入射することができた一部の光しか利用されていない。その為、再帰透過光学系 に入射していない部分を空中像として見ることはできず、このとき実際に空中像として観察可能な最大視野角は、再帰透過光学系 に入射する光線の最大入射角と等しくなる。

本発明は上記の従来の問題点に鑑み提案されたものであり、その目的とするところは、複数枚のミラーと再帰透過光学系を組み合わせ、１８０°以上の観察視野角を実現可能な空中立体像を提示することができる広視野角空中映像表示装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の広視野角空中映像表示装置は、画像信号を出力する光源と、光源から出力された画像信号を取得して空中に空中像を結像する再帰透過光学系と、この再帰透過光学系の端辺に、光源と再帰透過光学系を挟んで配置される第１のミラーおよび第２のミラーと、再帰透過光学系の端辺に、空中像と再帰透過光学系を挟んで配置される、第３のミラーおよび第４のミラーと、を備える。
また、本発明の広視野角空中映像表示装置は、第１のミラーと再帰透過光学系の角度、および第２のミラーと再帰透過光学系の角度は、いずれも９０°未満であり、第３のミラーと再帰透過光学系の角度、および第４のミラーと再帰透過光学系の角度は、いずれも９０°未満であることを特徴とする。
本発明において、画像信号は、静止画像に限らず動画も含むものとする。また、光源は、例えばパネルディスプレイのような平面型ディスプレイを指すが、これに限定されず、３次元画像信号を含む多視点ディスプレイや、置物などに適度な照明を当てたものでもよい。

上記構成により、再帰透過光学系に入射していない部分の光を複数のミラーを用いることによって反射させ、空中像に欠けていた部分の光を補うことで、最大視野角の拡大を実現することができる。その結果、複数人で空中像を囲んでの観察や、視点を大きく水平に移動させながらの観察を行うことができる程の広視野角を得ることができる。

本発明において、請求項記載の再帰透過光学素子は、明細書において再帰透過光学系と称す。

本発明にあっては、１８０°以上の観察視野角を実現可能な空中立体像を提示することができる広視野角空中映像表示装置および表示方法を提供することができる。

本発明に係る広視野角空中映像表示装置の構成図である。 本発明に係る広視野角空中映像表示装置のミラーの角度を９０°以下としたときの構成図である。 本発明に係る広視野角空中映像表示装置のミラーの一部をハーフミラーに置き換えた場合の構成図である。 本発明に係る広視野角空中映像表示装置の斜視図である。 本発明に係る広視野角空中映像表示装置において、光源を立体光源にし、再帰透過光学系を２枚にした場合の構成図である。 本発明に係る広視野角空中映像表示装置において、図５のミラー角度を９０°以下とした場合の構成図 本発明に係る広視野角空中映像表示装置において、図５のミラーを曲面ミラーに置き換えた場合の構成図である。 本発明に係る広視野角空中映像表示装置において、光源を多視点ディスプレイとした場合の構成図である。 本発明に係る広視野角空中映像表示装置において、ミラー角度を９０°以上にした場合の構成図である。 本発明に係る広視野角空中映像表示装置において、図３のミラー及びハーフミラーを、それぞれ曲面ミラー及び曲面ハーフミラーとした場合の構成図である。

本発明にあっては、１８０°以上の観察視野角を実現可能な空中立体像を提示することができる広視野角空中映像表示装置を提供することができる。

図１は、本発明の広視野角空中映像表示装置１を上方から見たときの一構成例である。
［本発明の原理］
従来は光源を面対称の位置に結像するように開発されてきた再帰透過光学系を、さらにミラーで挟み込むことにより、再帰透過光学系に入射しきれなかった光線を、もれなく同光学系に入射させると共に、本来観測不可能であった位置にも、結像することを可能にした。

具体的に、提案する光学系は、再帰透過光学系３の端点に４枚のミラー４ａ～４ｄを垂直に接続した対称構造から成る。図１にて通常視野角と示された領域が再帰透過光学系のみで作り出される空中像の観察可能領域である。そこに加え、光源２を挟むように２枚のミラー４ａ、４ｂを設置することにより、本来再帰透過光学系３ に入射することのなかった部分の光線がミラー４ａ、４ｂに反射されて再帰透過光学系３に入射される。この光線は空中像５側に設置されたミラー４ｃ、４ｄにより折り返され、元の空中像に対して連続性を保ちつつその最大視野角を拡大する。この結果、空中像５の視野角は、光源に対して、大きさ無限の再帰透過光学系 が作り出す空中像５の視野角と等しくなり、その最大観察視野角は１８０°まで拡大される。しかし、実際には、観察角度が大きくなるにつれ、ミラー上での反射回数が増加し、光が減衰するため空中像５が歪んでしまう。そのため、実際の観察視野角は１８０°よりは小さくなる。図１中で通常視野角の両脇の斜線で塗りつぶされた領域が本提案により新たに拡大される観察可能領域である。

［構成図］
図２は、ミラーの配置角θを９０°未満にした場合を示す図である。
再帰透過光学系３を真横から観察する場合、すなわち最大観察視野角付近での光の反射は、ミラー４ａ～４ｄによる反射回数の増加により、像の歪みなどの影響が問題となる。そこで、図２に示すように角度θが９０°未満となるように、ミラー（４ａと４ｂ、４ｃと４ｄ）を対称となるように傾けて実装することにより、ミラー４ａ～４ｄでの反射回数を抑えつつ、最大１８０°までの観察視野角を実現することができる。

図２の構成により、これまで光源２と再帰透過光学系３の位置及び大きさによって制約されていた観察視野角を１８０°まで拡張することができる。すなわち、従来多く見られた４０°程度の観察視野角では、ほぼ一人用としてのみ観察が可能だったものが、本発明の構成により複数の人による異なる視点からの同時観察に対応することができるようになる。

さらに図２の広視野角空中映像表示装置１について試作機を構築し、従来の再帰透過光学系のみによる視野角と、発明したシステムの視野角を比較した。その結果、視野角１８０°（正面から９０°）の角度まで傾けた際に、従来光学系では映像が消失しているが、本発明の広視野角空中映像表示装置１では映像が観察可能であることが確認できた。

図３は、１８０°以上の観察視野角を実現する構成を示す図である。
図３に示すように、空中像が結像する側のミラー４ｃ、４ｄをハーフミラー７ａ、７ｂに変更することにより、再帰透過光学系３とは逆向きに放射される光線をもミラー４ａ、４ｂで反射させ、再帰透過光学系を通過し、ミラー４a、４ｂに遮られて透過しなかった角度の光線がハーフミラー７ａ、７ｂを透過するようになるため、１８０度を超えた視点からの観察を実現することができる。

すなわち、図３の広視野角空中映像表示装置１を用いることで、提示した立体映像の“後ろ側”に回り込んでの観察が可能になる。それにより、空中に結像した像が、そこに存在する立体像である感覚をより強く感じられるようになる。

図４は、再帰透過光学系３を光源２に対して４５°傾けた構成図である。図１～３のように、観察視点に対して光源２を再帰透過光学系３の真裏に配置すると、光源２からの直接光が観察されてしまい、空中像５の知覚を阻害してしまう。図４のように斜めに配置することで、観察する視線の先に光源２が配置されなくなるため、直接光の影響を回避できる。このような配置をしても、視野角拡張には影響がない。

図５は、再帰透過光学系３を２つ用い、光源を立体光源８にすることで、立体的な光源８による空中像１０を実現する構成を示した図である。
これまでは、光源はディスプレイのような平面を想定していたが、１８０°以上の視野角を実現できるということは、光源の後ろ側を見ることが可能であるため、光源８自体も、単なる平面ではなく、実物体のように１８０°以上の視野角をもつものと組み合わせることが有効である。

例えば、置物等の立体物に照明を当てたものなどが、１８０°以上の視野角をもつ光源に相当する。このような奥行きを持つものを本装置の光源８の位置に設置することで、奥行きを有した像が空中結像する。

しかし、本装置において、光源８が発する光線のうち、再帰透過光学系に近い部分が発する光線は再帰透過光学系の近くに、再帰透過光学系から遠い部分は遠くに結像するために、形成された空中像１０の光学的な奥行は反転してしまう。さらに、光線の出射方向も同時に反転してしまうため視点を左右に動かすと、逆側に視点移動した際に見える映像のように空中像１０が見えてしまうという問題が存在している。

この問題を解決する方法として、再帰透過光学系３ａ、３ｂを２枚用いて、奥行の反転した空中像をさらにもう一枚の素子で反転させる方法が考えられる。この場合、空中像８の結像のためには、光源８からの光が２つの再帰透過光学系３ａ、３ｂを通る必要があるため、１枚の再帰透過光学系３のみを用いて作られた場合と比べて、更に視野角が狭くなってしまう。

そこで、図５に示した構成では、ミラー４ｅ、４ｆを２枚の再帰透過光学系３ａ、３ｂに対して対称配置することにより、理論上視野角を約１８０°まで拡大することが可能となる。

図６は、２つの再帰透過光学系である第１の再帰透過光学系３aと第２の再帰透過光学系３ｂに対して、第１のミラー４ａと第２のミラー４ｂ、第３のミラー４ｅと第４のミラー４ｆ、第１のハーフミラー７ｃと第２のハーフミラー７ｄ、第３のハーフミラー７ａと第４のハーフミラー７ｂを傾けて（９０°未満になるように）配置した構成を示した図である。図５で示した構成に対して、ミラーを傾けて配置するとともに、更に第３のミラー４ｅと第４のミラー４ｆの内側に第３のハーフミラー７ａと第４のハーフミラー７ｂを配置させることで、１８０°以上の観察視野角を実現する。これにより、奥行が正しい空中立体像を横からや後ろから見ることが可能になる。
一方、図７は、図６のミラーを曲面ミラー（ハーフミラーは曲面ハーフミラー）に置き換えたものである。具体的には、ミラー４ａ、４ｂは、曲面ミラー１２ａ、１２ｂとし、ミラー４ｅ、４ｆは、曲面ミラー１２ｃ、１２ｄとし、更に、ハーフミラー７ａ、７ｂは、曲面ハーフミラー１３ｃ、１３ｄとし、ハーフミラー７ｃ、７ｄは、曲面ハーフミラー１３ａ、１３ｂとしている。
このように曲面ミラーを用いることで１８０°以上の視野角を与える光学系で問題となる、意図しない迷光による空中像と、光源自体による光線の遮蔽問題を解決することができる。この際に、曲面ミラーの傾きは、視野角拡大が行われる最低ミラー角度を基準とし、この角度から傾きが徐々に小さくなっていくように設計する。

図８は、多視点ディスプレイと１つの再帰透過光学系３ａを組み合わせて立体像を空中結像させる構成を示す図である。
立体的な光源の用意は簡単ではなく、構成も限定される。これをディスプレイ等で再現しようとした際、観察方向に対して異なった視差を有した画像を提示可能な多視点ディスプレイ１１が有効である。これは、平面ディスプレイと同じ平らな結像面を有するため、本装置によって、立体像を空中に結像させることができる。

しかし、多くの多視点ディスプレイ１１の視点数は１０を超えないため、多視点からの観察に対応した視差画像提示には不向きである。そこで、一般的な液晶ディスプレイ等を回転させ、その回転角に応じて視差画像を表示する方式のほうが、再現視野数を増やすことができる。さらには、高速回転するミラーに高速プロジェクタを用いて視差画像を投影する方法も有効である。これらを本装置と組み合わせることで、多視点から観察可能な空中立体像９を実現することができる。もちろん、回り込んで真横や後ろ側からの観察にも対応する。

図９は、ミラーの配置角θを９０°以上にした構成を示した図である。配置角θは９０°以下としたほうが光の伝達効率がよいが、９０°を超えて設置した方が、装置の観察部を広くとることが可能になる。

再帰透過光学系の大きさをｗ、光源から再帰透過光学系の距離をｄとすると、視野角が拡大されるために最低限必要なミラーの角度θ_Ｍは、（式１）と表される。この角度より大きくしなければ、視野角の拡大は行なわれる。

・・・（式１）

図１０は、図３のミラー４ａ、４ｂ及びハーフミラー７ａ、７ｂを、それぞれ曲面ミラー１２ａ、１２ｂ及び曲面ハーフミラー１３ａ、１３ｂに置き換えて、１８０°以上の観察視野角を実現するように構成された構成図である。曲面ミラー１２ａ、１２ｂを用いることで１８０°以上の視野角を与える光学系で問題となる、意図しない迷光による空中像と、光源自体による光線の遮蔽問題を解決できる。

図１０で求めた、視野角拡大が行われる最低ミラー角度を基準とし、この角度から傾きが徐々に小さくなっていくようにミラーを曲げていくことで、空間を広く取りつつ視野角を１８０°以上の最大まで拡大することができる。また、空間を広く使うことでミラーも大きく曲がるため、平面ミラーを傾けるよりも、光源間際の反射角は大きく取ることができる。

以上のことから、本発明により、空中像の提示視野角を拡大し（１８０°以上）、多人数での同時観察が可能になる。実質一人用であったものが多人数で取り囲んでの観察や体験が可能になる。また、観察視点位置に応じた視差を表示可能なディスプレイと組み合わせることで、空中に浮かぶ立体像を、様々な角度から、さらには後ろに回り込んでまで、観察することが可能になる。
尚、本実施の形態では、視野角の拡大方向について横方向（水平方向）のみ記載されているが、拡大方向はこれに限らず縦方向（垂直方向）となるように構成されていても良い。

表示方法について以下記す。
本発明の表示方法は、光源から出力された画像信号を、前記光源の両端に対称配置される第１および第２のミラーで反射させて再帰透過光学素子に入射させ、前記再帰透過光学素子を透過した画像信号を、当該再帰透過光学素子の両端に対称配置される第３および第４のミラーで反射させて、空中に空中像を得ること、を特徴とする。
図３の場合、第１および第２ミラーで反射させて再帰透過光学系に入射させ、そこから透過してきた画像信号を、第３およびだい４のハーフミラーで反射および透過させることで、空中像を得る。
図５の場合、再帰透過光学系３ａの立体光源８側のミラーで反射した光が再帰透過光学系３ａに入射し、再帰透過光学系３ａの右側のミラー４ａ、４ｂによって反射されて空中像を提示する。その空中像を光源として、再帰透過光学系３ｂの前後のミラーで入射・反射を行って、最終的に奥行きの正しい空中像を結像する。
図６の場合は、図５の場合と基本同じである。再帰透過光学系３ａの右側がハーフミラーになっているので、ここでは反射だけでなく、反射と透過が空中像提示の要素となる。

１ 広視野角空中映像表示装置
２ 光源
３ａ、３ｂ 再帰透過光学系
４ａ～４ｆ ミラー
５ 空中像
６ 虚像
７ａ～７ｄ ハーフミラー
８ 立体光源
９ 正しい奥行の空中像
１０ 奥行反転した空中像
１１ 多視点ディスプレイ
１２ａ～１２ｄ 曲面ミラー
１３ａ～１３ｄ 曲面ハーフミラー

Claims (7)

1. 画像信号を出力する光源と、
   前記光源から出力された画像信号を取得して空中に空中像を結像する再帰透過光学系と、
   前記再帰透過光学系の端辺に、前記光源と前記再帰透過光学系を挟んで配置される第１のミラーおよび第２のミラーと、
   前記再帰透過光学系の端辺に、前記空中像と前記再帰透過光学系を挟んで配置される、第３のミラーおよび第４のミラーと、を備え、
   前記第１のミラーと前記再帰透過光学系の角度、および前記第２のミラーと前記再帰透過光学系の角度は、いずれも９０°未満であり、
   前記第３のミラーと前記再帰透過光学系の角度、および前記第４のミラーと前記再帰透過光学系の角度は、いずれも９０°未満である
   広視野角空中映像表示装置。
2. 前記光源と前記空中像は、前記再帰透過光学系に対して面対称である
   請求項１に記載の広視野角空中映像表示装置。
3. 前記第３のミラーおよび前記第４のミラーは、いずれもハーフミラーである
   請求項１または２に記載の広視野角空中映像表示装置。
4. 画像信号を出力する光源と、
   前記光源から出力された画像信号を取得して空中に空中像を結像する再帰透過光学系と、
   前記再帰透過光学系の端辺に、前記光源と前記再帰透過光学系を挟んで配置される第１の曲面ミラーおよび第２の曲面ミラーと、
   前記再帰透過光学系の端辺に、前記空中像と前記再帰透過光学系を挟んで配置される第３の曲面ミラーおよび第４の曲面ミラーと、を備え、
   前記光源の両端に配置される前記第１の曲面ミラーおよび前記第２の曲面ミラー、および前記空中像の両端に配置される前記第３の曲面ミラーおよび前記第４の曲面ミラーは、光源から出力された画像信号を反射させる
   広視野角空中映像表示装置。
5. 立体画像信号を出力する立体光源と、
   前記立体光源から出力された画像信号を取得して空中に空中像を結像する第１の再帰透過光学系と、
   前記第１の再帰透過光学系よりも前記立体光源に近い位置に配置される第２の再帰透過光学系と、
   前記第２の再帰透過光学系とともに、前記立体光源を取り囲むように配置される、第１のミラーおよび第２のミラーと、
   前記第１の再帰透過光学系とともに、前記空中像を取り囲むように配置される、第１のハーフミラーおよび第２のハーフミラーと、
   前記第１の再帰透過光学系と前記第２の再帰透過光学系との間にあって、前記第１のミラーおよび前記第１のハーフミラーに連接配置される第３のミラーと、
   前記第１の再帰透過光学系と前記第２の再帰透過光学系との間にあって、前記第２のミラーおよび前記第２のハーフミラーに連接配置される第４のミラーと、
   前記第３のミラーおよび前記第４のミラーの内側にあって、前記第２の再帰透過光学系によって生成される奥行き反転した空中像を挟んで配置される第３のハーフミラーおよび第４のハーフミラーと、を備え、
   前記第１のミラーと前記第２の再帰透過光学系の角度、および前記第２のミラーと前記第２の再帰透過光学系の角度は、いずれも９０°未満であり、
   前記第３のハーフミラーと前記第２の再帰透過光学系の角度、および前記第４のハーフミラーと前記第２の再帰透過光学系の角度は、いずれも９０°未満であり、
   前記第１のハーフミラーと前記第１の再帰透過光学系の角度、および前記第２のハーフミラーと前記第１の再帰透過光学系の角度は、いずれも９０°未満であり、
   前記第３のミラーと前記第１の再帰透過光学系の角度、および前記第４のミラーと前記第１の再帰透過光学系の角度は、いずれも９０°未満である、
   広視野角空中映像表示装置。
6. 立体画像信号を出力する立体光源と、
   前記立体光源から出力された画像信号を取得して空中に空中像を結像する第１の再帰透過光学系と、
   前記第１の再帰透過光学系よりも前記立体光源に近い位置に配置される第２の再帰透過光学系と、
   前記第２の再帰透過光学系とともに、前記立体光源を取り囲むように配置される、第１の曲面ミラーおよび第２の曲面ミラーと、
   前記第１の再帰透過光学系とともに、前記空中像を取り囲むように配置される、第１の曲面ハーフミラーおよび第２の曲面ハーフミラーと、
   前記第１の再帰透過光学系と前記第２の再帰透過光学系との間にあって、前記第１の曲面ミラーおよび前記第１の曲面ハーフミラーに連接配置される第３の曲面ミラーと、
   前記第１の再帰透過光学系と前記第２の再帰透過光学系との間にあって、前記第２の曲面ミラーおよび前記第２の曲面ハーフミラーに連接配置される第４の曲面ミラーと、
   前記第３の曲面ミラーおよび前記第４の曲面ミラーの内側にあって、前記第２の再帰透過光学系によって生成される奥行き反転した空中像を挟んで配置される第３の曲面ハーフミラーおよび第４の曲面ハーフミラーと、を備える
   広視野角空中映像表示装置。
7. 画像信号を出力する光源と、
   前記光源から出力された画像信号を取得して空中に空中像を結像する再帰透過光学系と、
   前記再帰透過光学系の端辺に、前記光源と前記再帰透過光学系を挟んで配置される第１のミラーおよび第２のミラーと、
   前記再帰透過光学系の端辺に、前記空中像と前記再帰透過光学系を挟んで配置される、第３のミラーおよび第４のミラーと、を備え、
   前記第１のミラーと前記再帰透過光学系の角度、および前記第２のミラーと前記再帰透過光学系の角度は、いずれも９０°を超えるように設定されており、
   前記第３のミラーと前記再帰透過光学系の角度、および前記第４のミラーと前記再帰透過光学系の角度は、いずれも９０°を超えるように設定されており、
   前記再帰透過光学系を透過した画像信号を、前記再帰透過光学系の両端に配置される前記第３のミラーおよび前記第４のミラーで反射させて、空中に空中像を得る
   広視野角空中映像表示装置。

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