JP2013222025A - 三次元画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】表示面41aに表示された二次元画像を凹面鏡51で反射した後に結像する三次元画像表示技術において、歪みの少ない三次元画像を表示可能とする。
【解決手段】表示面41aの中心41cから射出されて凹面鏡51の凹面51aの頂点51tに入射する光Lonの行路Tに垂直な仮想垂直平面Pvに対して、当該頂点51tで凹面51aに接する仮想接平面P51および表示面41aが同じ側に傾斜する。端的に言えば、凹面鏡51の傾きに対して、表示面41aも同じ側に傾く。そのため、二次元画像IM2を表示する表示面41aから射出されて凹面鏡51に到る光Lonの行路長のばらつきが、表示面41aの各位置の間で抑制される。よって、表示面41aの各位置から射出された光Lonの結像位置のずれを抑えて、歪みを軽減しつつ二次元画像IM2を結像することができ、その結果、歪みの少ない三次元画像IM3を表示することが可能となる。
【選択図】図1
【解決手段】表示面41aの中心41cから射出されて凹面鏡51の凹面51aの頂点51tに入射する光Lonの行路Tに垂直な仮想垂直平面Pvに対して、当該頂点51tで凹面51aに接する仮想接平面P51および表示面41aが同じ側に傾斜する。端的に言えば、凹面鏡51の傾きに対して、表示面41aも同じ側に傾く。そのため、二次元画像IM2を表示する表示面41aから射出されて凹面鏡51に到る光Lonの行路長のばらつきが、表示面41aの各位置の間で抑制される。よって、表示面41aの各位置から射出された光Lonの結像位置のずれを抑えて、歪みを軽減しつつ二次元画像IM2を結像することができ、その結果、歪みの少ない三次元画像IM3を表示することが可能となる。
【選択図】図1
Description
この発明は、互いに異なる位置に複数の二次元画像を結像することで三次元画像を表示する三次元画像表示技術に関する。
非特許文献1には、互いに異なる位置に複数の二次元画像を結像することで三次元画像を表示する体積走査型の三次元画像表示装置(三次元ディスプレイ)が記載されている。この三次元画像表示装置は、スクリーンに投影した二次元画像から射出された光を、ミラースキャナにより反射した後に結像する。この際、ミラースキャナを変位させながら三次元画像の断面像をスクリーンに順次投影することで、互いに異なる位置に複数の断面像(二次元画像)を順次結像して、三次元画像を表示することができる。
また、この三次元画像表示装置では、スクリーン上の二次元画像から射出された光をミラースキャナへ導くために、凹面鏡が用いられている。つまり、スクリーン上の二次元画像から射出された光は、凹面鏡で反射された後にスクリーンへと入射する。
宮崎大介,「光学的実像の移動による体積走査型三次元ディスプレイ」,光技術コンタクト,社団法人日本オプトメカトロニクス協会,2010年12月,Vol.48,No.12,p.24−29
しかしながら、上述のように凹面鏡を用いた構成では、二次元画像を表示する表示面(スクリーンの表面)から射出されて凹面鏡に到る光の行路長が、表示面の位置によってばらつく場合があった。このような場合、表示面の各位置から射出された光の結像位置が互いにずれて、二次元画像が歪んで結像され、その結果、三次元画像も歪んで表示されるおそれがあった。
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、表示面に表示された二次元画像を凹面鏡で反射した後に結像する三次元画像表示技術において、歪みの少ない三次元画像を表示可能とする技術の提供を目的とする。
この発明にかかる三次元画像表示装置は、上記目的を達成するために、二次元画像を表示する表示面を有する表示手段と、表示面に表示された二次元画像から射出された光を反射する凹面鏡と、凹面鏡で反射された光を反射する変位ミラーを変位させながら変位ミラーで反射された光を結像することで、互いに異なる位置に結像された複数の二次元画像からなる三次元画像を表示する結像手段とを備え、表示面の中心から射出されて凹面鏡の凹面の頂点に入射する光の行路に垂直な仮想垂直平面に対して、当該頂点で凹面に接する仮想接平面および表示面が同じ側に傾斜することを特徴とする。
このように構成された発明(三次元画像表示装置)では、表示面の中心から射出されて凹面鏡の凹面の頂点に入射する光の行路に垂直な仮想垂直平面に対して、当該頂点で凹面に接する仮想接平面および表示面が同じ側に傾斜する。端的に言えば、凹面鏡の傾きに対して、表示面も同じ側に傾く。そのため、二次元画像を表示する表示面から射出されて凹面鏡に到る光の行路長のばらつきが、表示面の各位置の間で抑制される。よって、表示面の各位置から射出された光の結像位置のずれを抑えて、歪みを軽減しつつ二次元画像を結像することができ、その結果、歪みの少ない三次元画像を表示することが可能となる。
この際、仮想垂直平面と仮想接平面がなす鋭角より、仮想垂直平面と表示面がなす鋭角の方が大きいように三次元画像表示装置を構成しても良い。これによって、三次元画像をより適切に表示することが可能となる。
また、凹面鏡は、表示面に表示された二次元画像から射出された光をコリメートするように構成された三次元画像表示装置に対して、本発明を特に好適に適用できる。つまり、このような構成では、二次元画像を表示する表示面から射出されて凹面鏡に到る光の行路長が表示面の各位置でばらつくと、凹面鏡によって光を適切にコリメートすることが困難となる。そのため、表示面の各位置から射出された光の結像位置が互いにずれて、二次元画像が歪んで結像されるおそれが高い。
これに対して、本発明を適用することで、二次元画像を表示する表示面から射出されて凹面鏡に到る光の行路長のばらつきを、表示面の各位置の間で抑制することができる。したがって、凹面鏡によって光を適切にコリメートして、表示面の各位置から射出された光の結像位置のずれを抑えることができ、歪みを軽減しつつ二次元画像を結像することができる。その結果、歪みの少ない三次元画像を表示することが可能となる。
また、表示手段は、互いに異なる色の二次元画像を表示面に表示し、結像手段は、カラーの三次元画像を表示するように構成された三次元画像表示装置に対して、本発明を特に好適に適用できる。なぜなら、カラーの三次元画像を表示する構成においては、上述のような歪みを抑制することが重要となるからである。
二次元画像を表示する表示面から射出されて凹面鏡に到る光の行路長のばらつきが、表示面の各位置の間で抑制される。よって、表示面の各位置から射出された光の結像位置のずれを抑えて、歪みを軽減しつつ二次元画像を結像することができ、その結果、歪みの少ない三次元画像を表示することが可能となる。
図1は、本発明を適用可能な三次元画像表示装置の一例を模式的に示す図である。図1に示すように、三次元画像表示装置1は、三次元画像IM3の断面像IM2(二次元画像)を走査することで三次元画像IM3を空間中に表示する体積走査型の三次元ディスプレイであり、装置本体2および制御部3で構成されている。なお、図1では、各二次元画像IM2が破線で表され、三次元画像IM3がこれら破線の集合で表されている。
装置本体2は、投影スクリーン41に二次元画像IM2を表示する表示手段4と、投影スクリーン41に表示された二次元画像IM2を装置本体2の外部に結像する光学系5とを、筐体21の内部に収容した概略構成を備える。一方、制御部3は、CPU(Central Processing Unit)やメモリー等で構成されたコンピュータであり、装置本体2の表示手段4および光学系5の制御を司る。
表示手段4は、投影スクリーン41の他に、投影スクリーン41に二次元画像IM2を投影する投影部42を有する。この投影部42は、例えばハロゲンランプである光源421からの光を、DMD(Digital Mirror Device)422(変調器)により変調して、投影スクリーン41に投影する概略構成を有する。このDMD422は、複数の微小ミラーを二次元的に配列した構成を有する。各微小ミラーは、ON状態およびOFF状態の各姿勢を選択的に取ることができる。そして、投影部42は、ON状態の微小ミラーが反射した光Lonを投影スクリーン41に導く一方、OFF状態の微小ミラーが反射した光Loffを投影スクリーン41に導かない。
これによって、投影スクリーン41には、DMD422のON状態にある各微小ミラーの像が投影される。したがって、DMD422の各微小ミラーの姿勢を制御することで、所望の二次元画像IM2を投影スクリーン41に投影することができる。なお、DMD422の微小ミラーの姿勢は、制御部3によって制御される。
また、投影部42には、DMD422からの射出光Lon(ON状態の微小ミラーの反射光)を、投影スクリーン41に適切に導くために、投影レンズ423および投影ミラー424(平面鏡)が設けられている。さらに、投影部42には、DMD422と投影レンズ423の間に、全反射プリズム425が設けられている。したがって、光源421が射出した光は、全反射プリズム425を介してDMD422に照射される。そして、DMD422からの射出光Lonは、全反射プリズムを介して、投影レンズ423を透過した後に、投影ミラー424により反射されて、投影スクリーン41に結像される。
投影スクリーン41は、平面形状を有する表示面41aおよび投影面41bを互いに平行に設けた背面投影型のスクリーンであり、投影部42によって投影面41bに投影された二次元画像IM2を表示面41aに表示する。この投影スクリーン41の詳細について、図2を用いて説明する。ここで、図2は、投影スクリーン近傍の構成を模式的に示す図であり、投影スクリーン41と後述する凹面鏡51とが示されている。
投影スクリーン41の投影面41bには、1枚のプリズムシートである偏向シート412が貼り付けられている。この偏向シート42は、図2紙面の垂直方向に伸びつつ三角形の断面形状を有する棒状のプリズム要素を、互いに平行に複数並べた構成を有する。そして、この投影スクリーン41の投影面41bに、表示面41aの法線A41に平行な方向から光Lonが投影される。そして、偏向シート412のプリズムの作用によって、光Lonは凹面鏡51へ向かう方向へと主に屈折されて、表示面41aから射出される。つまり、表示面41aに表示された二次元画像IM2から射出される光Lonは、表示面41aの法線A41に対して凹面鏡51側に角度θだけ傾斜している。こうして二次元画像IM2から射出された光Lonが、光学系5へと入射する。
図1に戻って説明を続ける。光学系5は、凹面鏡51の他に、平面形状を有する反射ミラー52と凹面鏡53とを有する。具体的には、凹面鏡51および凹面鏡53は、反射ミラー52の反射平面52aに対向して配置されている。凹面鏡51、53それぞれの光軸A51、A53(中心軸)は同一平面上に存在し、互いに反射ミラー52側(内側)に傾斜している。また、反射ミラー52の反射平面52aは、光軸A51、A53を含む平面に垂直となっている。なお、上述した投影スクリーン41の表示面41aも、光軸A51、A53を含む平面に垂直となっている。そこで、これらの位置関係を判りやすくするために、図1では、凹面鏡51、53それぞれの光軸A51、A53を含む平面における断面が示されている。そして、表示面41aの二次元画像IM2から射出された光Lonは、凹面鏡51に入射した後に、反射ミラー52、凹面鏡53へとこの順でリレーされる。かかる光学系5の構成について詳述する。
凹面鏡51は、反射ミラー52側に傾斜して配置されている。かかる配置について、凹面鏡51の凹面51aの頂点51tで凹面51aに接する仮想接平面P51により、凹面鏡51の姿勢を代表して説明すると次のとおりである。つまり、表示面41aの中心41cから射出されて頂点51tに入射する光Lonの行路Tに垂直な仮想垂直平面Pvに対して、凹面鏡51の仮想接平面P51は、角度β(0度<β<90度)だけ図1の反時計回り側(反射ミラー52側)に傾いている。なお、頂点51tは、凹面鏡51の光軸A51と凹面51aとの交点に一致する。また、表示面41の中心41cは、表示面41の幾何学的な重心として求めることができる。
ちなみに、上述した投影スクリーン41は、この凹面鏡51の配置に応じて、傾けて配置されている。より詳しくは、行路Tに垂直な仮想垂直平面Pvに対して、投影スクリーン41の表示面41aは、角度α(0度<α<90度)だけ図1の反時計回り側に傾いている。つまり、仮想垂直平面Pvとなす鋭角α、βに注目したとき、凹面鏡51の仮想接平面P51および投影スクリーン41の表示面41aは、いずれも同じ側(図1の反時計回り側)に傾斜している。
光学系5の構成について説明を続ける。行路Tの距離は、凹面鏡51の焦点距離(例えば、300[mm])に等しく、凹面鏡51で反射された光Lonは、当該凹面鏡51の作用によりコリメートされる。そして、このコリメート光Lonが反射ミラー52へ照射される。この反射ミラー52は、制御部3から与えられる駆動信号に応じて回動することで、凹面鏡51、53の光軸A51、A53を含む平面に垂直な回転軸C52を中心として、その反射平面52aを回動させる。この際、行路Tを通った光Lonが回転軸C52上において反射平面52aに入射するように、反射ミラー52は位置決めされている。なお、反射ミラー52の回動は、図1の時計回りおよび反時計回りの両側について可能となっており、制御部3によって制御される。
そして、反射ミラー52で反射されたコリメート光Lonが、凹面鏡53に入射する。この凹面鏡53は、入射してきたコリメート光Lonを、筐体21に設けられた開口22から筐体21外部に射出して結像する。こうして、筐体21外部の空間に、投影スクリーン41に表示された二次元画像IM2の実像が形成される。なお、行路Tを通った光Lonが進行する経路において、凹面鏡51から反射ミラー52までの距離、反射ミラー52から凹面鏡53までの距離、および凹面鏡53の焦点距離は、いずれも凹面鏡51の焦点距離に等しく設定されている。なお、実像の歪を修正したり、実像の位置を視域の広い領域に調整したりするために、これらの距離の全部あるいは一部を互いに異ならせることもできる。
かかる構成を具備した三次元画像表示装置1では、次に説明するようにして、三次元画像IM3が表示される。つまり、制御部3は、DMD422の各微小ミラーの姿勢を制御して、表示対象である三次元画像IM3の互いに異なる複数の断面像(二次元画像IM2)を所定周期で投影スクリーン41に表示する。これによって、互いに異なる断面を示す複数の二次元画像IM2が、所定周期で投影スクリーン41に表示される。また、制御部3は、この二次元画像IM2の表示と同期して、反射ミラー52を所定角度ずつ回動させる。これによって、筐体21外部の空間において、互いに異なる位置に複数の二次元画像IM2が次々と結像される。この際、複数の二次元画像IM2の結像を十分に速い周期で実行することで、残像効果によって、人の眼には複数の二次元画像IM2からなる三次元画像IM3が認識される。具体的には、三次元画像IM3の結像位置に対して開口22の反対側の観察位置から観察することで、立体感のある三次元画像IM3を観察することができる。こうして、三次元画像表示装置1では、三次元画像IM3(立体像)が表示される。
以上に説明したように、このように構成された実施形態では、表示面41aの中心41cから射出されて凹面鏡51の凹面51aの頂点51tに入射する光Lonの行路Tに垂直な仮想垂直平面Pvに対して、当該頂点51tで凹面51aに接する仮想接平面P51および表示面41aが同じ側に傾斜する。端的に言えば、凹面鏡51の傾きに対して、表示面41aも同じ側に傾く。そのため、二次元画像IM2を表示する表示面41aから射出されて凹面鏡51に到る光Lonの行路長のばらつきが、表示面41aの各位置の間で抑制される。よって、表示面41aの各位置から射出された光Lonの結像位置のずれを抑えて、歪みを軽減しつつ二次元画像IM2を結像することができ、その結果、歪みの少ない三次元画像IM3を表示することが可能となる。
かかる効果について、図3および図4を用いてさらに詳述する。ここで、図3は、実施形態の構成を模式的に示す図である。図4は、比較形態の構成を模式的に示す図である。図3および図4では、投影スクリーン41の表示面41aの互いに異なる位置V1〜V3から射出された光Lonの行路が示されており、特に、凹面鏡51への入射位置に符号W1〜W3が付されている。なお、いずれの図においても、射出位置V2から入射位置W2に到る行路は上述した行路Tに一致する。そして、図1を用いて説明したとおり、図3に示す実施形態では、凹面鏡51の傾きに対して表示面41aも同じ側に傾いている。一方、図4に示す比較形態では、凹面鏡51の傾きに対して表示面41aが逆側に傾いている。
比較形態(図4)では、凹面鏡51と表示面41aとが互いに逆向きに傾いているため、射出位置V2から入射位置W2に到る行路に対して、射出位置V1から入射位置W1に到る行路は大幅に長く、射出位置V3から入射位置W3に到る行路は大幅に短くなっている。つまり、表示面41aから射出されて凹面鏡51に到る光Lonの行路長が、表示面41aの位置V1〜V3によって大きくばらついている。このような場合、表示面41aの各位置V1〜V3から射出された光Lonの結像位置が互いにずれて、二次元画像IM2が歪んで結像され、その結果、三次元画像IM3も歪んで表示されるおそれがあった。
これに対して、実施形態(図3)では、凹面鏡51と表示面41aとが互いに同じ向きに傾いているため、射出位置V1、V2、V3から入射位置W1、W2、W3に到る各行路長のばらつきが抑制されている。したがって、表示面41aの各位置V1、V2、V3から射出された光Lonの結像位置のずれを抑えて、歪みを軽減しつつ二次元画像IM2を結像することができ、その結果、歪みの少ない三次元画像IM3を表示することが可能となる。
また、比較形態(図4)では、表示面41aから射出されて凹面鏡51に到る光Lonの行路長が、表示面41aの位置V1〜V3によって大きくばらついたために、一部の光Lonが反射ミラー52のエッジに入射して、適切に反射されていないといった、いわゆる蹴られが生じている。これに対して、実施形態(図3)では、射出位置V1、V2、V3から入射位置W1、W2、W3に到る各行路長のばらつきが抑制されているために、このような蹴られの発生が抑制されている。その結果、良好な三次元画像IM3を表示することが可能となっている。
換言すれば、この実施形態では、比較的大きな二次元画像IM2を投影スクリーン41に表示しても、蹴られの発生を抑制することができる。そのため、比較的広範囲に大きな三次元画像IM3を適切に表示できる。その結果、三次元画像IM3を観察可能な角度範囲(視域角)を比較的大きく取ることが可能となるといった利点がある。
また、この実施形態のように、表示面41aに表示された二次元画像IM2から射出された光Lonを、凹面鏡51によりコリメートする構成に対しては、本発明を特に好適に適用できる。つまり、このような構成では、二次元画像IM2を表示する表示面41aから射出されて凹面鏡51に到る光の行路長が表示面41aの各位置でばらつくと、凹面鏡51によって光を適切にコリメートすることが困難となる。そのため、表示面の各位置から射出された光の結像位置が互いにずれて、二次元画像が歪んで結像されるおそれが高い。
これに対して、本発明を適用することで、二次元画像IM2を表示する表示面41aから射出されて凹面鏡51に到る光Lonの行路長のばらつきを、表示面41aの各位置の間で抑制することができる。したがって、凹面鏡51によって光Lonを適切にコリメートして、表示面41aの各位置から射出された光Lonの結像位置のずれを抑えることができ、歪みを軽減しつつ二次元画像IM2を結像することができる。その結果、歪みの少ない三次元画像IM3を表示することが可能となる。
このように、上記実施形態では、三次元画像表示装置1が本発明の「三次元画像表示装置」に相当し、表示手段4が本発明の「表示手段」に相当し、表示面41aが本発明の「表示面」に相当し、凹面鏡51が本発明の「凹面鏡」に相当し、反射ミラー52および凹面鏡53が協働して本発明の「結像手段」として機能し、反射ミラー52が本発明の「変位ミラー」に相当し、仮想垂直平面Pvが本発明の「仮想垂直平面」に相当し、仮想接平面P51が本発明の「仮想接平面」に相当する。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。そこで、例えばカラーの三次元画像IM3を構成するように、三次元画像表示装置1を構成しても良い。図5は、三次元画像表示装置の変形例を模式的に示す図である。なお、図5では、上記実施形態と異なる構成が主として示され、上記実施形態と共通する構成は省略されている。
図5に示すように、この変形例では、光源421、DMD422および全反射プリズム425が、赤(R)、緑(G)、青(B)の三原色それぞれについて設けられている。なお、同図では、各部材421、422、425に対応する色を示す符号(R)、(G)、(B)が示されている。そして、DMD422(R)から射出された赤の光Lon(R)と、DMD422(G)から射出された緑の光Lon(G)とが、ダイクロイックミラー427により合成される。さらに、この合成光に対して、DMD422(B)から射出された青の光Lon(B)がダイクロイックミラー428によって合成される。
こうして赤、緑、青それぞれの光Lon(R)、Lon(G)、Lon(B)を合成した光が、投影レンズ423に入射した後、上述した要領でカラーの三次元画像IM3として表示される。このように、カラー表示を行なう場合には、三次元画像IM3の歪みをより確実に抑制することが重要となる。そこで、本発明を適用して、上述のような歪みを抑制しておくことが好適となる。
なお、カラーの三次元画像IM3を表示する具体的構成は、図5に示したものに限られない。つまり、図5では、3原色の色毎にDMD422が設けられていた。しかしながら、単一のDMD422に対して、時分割で各色の光を照射することで、カラーの三次元画像IM3を表示することもできる。
また、上記実施形態では、背面投影型の投影スクリーン41が用いられていた。しかしながら、投影スクリーン41の具体的構成は、背面投影型に限られず、種々のものを採用可能である。
また、上記実施形態では、投影スクリーン41に対して偏向シート412が設けられており、表示面41aから射出される光Lonは、凹面鏡51に向けて屈折されていた。上記実施形態では、この屈折角度について特に言及しなかったが、例えば、表示面41aの法線A41に対する光Lonの屈折角度θを、角度αと等しくしても良い。これによって、二次元画像IM2の結像に供する光量をより多く確保して、明るい三次元画像IM3を表示することができる。
ちなみに、偏向シート412の位置は、投影スクリーン41の投影面41bに限られず、投影スクリーン41の表示面41aであっても良い。また、光Lonを偏向させる偏向部の具体的構成は、かかる偏向シート412に限られず、種々の変形が可能である。
ただし、投影スクリーン41における光Lonの屈折角度θは角度αと異なる角度であっても良く、あるいは、投影スクリーン41において、光Lonを屈折させないように構成しても良い。
また、凹面鏡51からの光Lonを反射する反射ミラー52(変位ミラー)の構成は、上述のようなものに限られず、例えばポリゴンミラー等を用いることもできる。
また、凹面鏡53を排除するように構成することも可能である。具体例を挙げれば、反射ミラー52に光学的なパワーを持たせて、反射ミラー52によって光Lonを結像するように構成しても良い。
この発明は、互いに異なる位置に複数の二次元画像を結像することで三次元画像を表示する三次元画像表示技術に好適に適用することができる。
1…三次元画像表示装置
2…装置本体
21…筐体
22…開口
4…表示手段
41…投影スクリーン
41a…表示面
41b…投影面
5…光学系
51…凹面鏡
51a…凹面
51t…頂点
52…反射ミラー
52a…反射平面
53…凹面鏡
A41…法線A41
P51…仮想接平面
Pv…仮想垂直平面
T…行路T
2…装置本体
21…筐体
22…開口
4…表示手段
41…投影スクリーン
41a…表示面
41b…投影面
5…光学系
51…凹面鏡
51a…凹面
51t…頂点
52…反射ミラー
52a…反射平面
53…凹面鏡
A41…法線A41
P51…仮想接平面
Pv…仮想垂直平面
T…行路T
Claims (3)
- 二次元画像を表示する表示面を有する表示手段と、
前記表示面に表示された前記二次元画像から射出された光を反射する凹面鏡と、
前記凹面鏡で反射された光を反射する変位ミラーを変位させながら前記変位ミラーで反射された光を結像することで、互いに異なる位置に結像された複数の前記二次元画像からなる三次元画像を表示する結像手段と
を備え、
前記表示面の中心から射出されて前記凹面鏡の凹面の頂点に入射する光の行路に垂直な仮想垂直平面に対して、前記頂点で前記凹面に接する仮想接平面および前記表示面が同じ側に傾斜することを特徴とする三次元画像表示装置。 - 前記凹面鏡は、前記表示面に表示された前記二次元画像から射出された光をコリメートする請求項1に記載の三次元画像表示装置。
- 前記表示手段は、互いに異なる色の前記二次元画像を前記表示面に表示し、前記結像手段は、カラーの前記三次元画像を表示する請求項1または2に記載の三次元画像表示装置。
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WO2023199748A1 (ja) * | 2022-04-13 | 2023-10-19 | 京セラ株式会社 | 空中像表示装置 |
WO2024070714A1 (ja) * | 2022-09-29 | 2024-04-04 | 京セラ株式会社 | 空中像表示装置 |
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