JP6516161B2 - Floating image display device and display method - Google Patents

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Description

本発明は、浮遊像を表示することが可能な浮遊像表示装置および表示方法に関する。   The present invention relates to a floating image display apparatus and display method capable of displaying a floating image.

物体の三次元像（立体像）を表示可能な表示装置として、例えば、表示パネル等に表示された画像を空中に浮遊させて表示（提示）する表示装置がある。特許文献１には、複数個のレンズが光軸方向に並べて配置され、その間隔が所定の関係を満たすことにより、光学系に入射した光が順に各結像素子を通過すると、物体を等倍率で結像させることができる等倍結像光学系が記載されている。また、特許文献２には、表示手段に表示させた物体の画像を、等倍結像光学系により表示手段の外部空間に浮遊させる構成の空間浮遊像表示装置が記載されている。   As a display device capable of displaying a three-dimensional image (stereoscopic image) of an object, for example, there is a display device which floats an image displayed on a display panel or the like in the air for display (presentation). In Patent Document 1, a plurality of lenses are arranged side by side in the optical axis direction, and when the light incident on the optical system passes through each imaging element in order by equalizing the object by equalizing the distance by satisfying the predetermined relationship. Describes an equal-magnification imaging optical system that can be imaged with Further, Patent Document 2 describes a spatial floating image display device having a configuration in which an image of an object displayed on the display means is floated in an external space of the display means by the same magnification imaging optical system.

特許第４４６８２２７号公報Patent No. 4468227 特許第４５０３４８４号公報Patent No. 4503484

しかし、レンズが光軸方向に並んで配置された光学系を用いる表示方法では、観察者が物体の像を観察することのできる範囲（視域）が、レンズの開口サイズにより狭く制限されるという問題があった。さらに、光学系のレンズが観察者の視線の延長線上にあるため、像が映像であることがすぐに観察者に認識されやすく、像が実在の物体であるかのような現実感が低下していた。また、特定の物体の内部に映像を表示するような神秘的な表現も困難であった。   However, in the display method using an optical system in which the lenses are arranged in the optical axis direction, the range (viewing area) in which the observer can observe the image of the object is narrowly limited by the aperture size of the lens There was a problem. Furthermore, since the lens of the optical system is on the extension of the line of sight of the observer, it is easy for the observer to easily recognize that the image is an image, and the sense of reality as if the image is a real object is reduced. It was In addition, mysterious expressions such as displaying an image inside a specific object were also difficult.

上記事情に鑑み、本発明は、広い視域で現実感の高い浮遊像を表示することが可能な浮遊像表示装置および表示方法を提供することを目的とする。   In view of the above circumstances, the present invention has an object to provide a floating image display device and a display method capable of displaying a floating image with high reality in a wide viewing area.

本発明の一態様は、画像を表示する表示体と、光軸に交差する方向に並んで設けられた２つ以上の結像素子を有する第１の結像系と、単一の結像素子からなる第２の結像系とを具備し、前記表示体の側から前記第１の結像系、前記第２の結像系の順に配されていることを特徴とする浮遊像表示装置である。   One aspect of the present invention is a display body for displaying an image, a first imaging system having two or more imaging elements provided side by side in a direction crossing the optical axis, and a single imaging element And a second imaging system comprising the second imaging system, and the first imaging system and the second imaging system are arranged in this order from the side of the display body. is there.

本発明の一態様は、上記の浮遊像表示装置であって、前記第１の結像系を構成する結像素子が、隣接する結像素子との間に隙間を設けず配置されている。   One aspect of the present invention is the floating image display device described above, wherein the imaging elements constituting the first imaging system are arranged without providing a gap between adjacent imaging elements.

本発明の一態様は、上記の浮遊像表示装置であって、前記第２の結像系を構成する結像素子が、球対称または光軸に交差する方向に回転中心軸を有する回転対称であるか、球対称または光軸に交差する方向に回転中心軸を有する回転対称である形状の一部を有する。   One embodiment of the present invention is the floating image display apparatus described above, wherein the imaging elements forming the second imaging system are spherically symmetric or rotationally symmetric with a central axis of rotation in a direction intersecting the optical axis. Or a part of a shape that is spherically symmetric or rotationally symmetric with a central axis of rotation in the direction intersecting the optical axis.

本発明の一態様は、上記の浮遊像表示装置であって、前記第１の結像系を構成する前記２つ以上の結像素子の各光軸が１点で交わる。   One aspect of the present invention is the floating image display apparatus described above, wherein optical axes of the two or more imaging elements constituting the first imaging system intersect at one point.

本発明の一態様は、上記の浮遊像表示装置であって、前記第１の結像系により前記表示体の画像が結像される位置が、前記各光軸が交わる１点にある。   One aspect of the present invention is the floating image display device described above, wherein the position at which the image of the display body is formed by the first imaging system is at one point where the optical axes intersect.

本発明の一態様は、上記の浮遊像表示装置であって、前記表示体が、複数の画面から積層状の画像を表示可能である。   One aspect of the present invention is the floating image display device described above, wherein the display can display stacked images from a plurality of screens.

本発明の一態様は、上記の浮遊像表示装置であって、前記表示体が、表示画像データを、その奥行き方向の前側と後側との２層に分配して前記積層状の画像を表示可能である。   One embodiment of the present invention is the floating image display device as described above, wherein the display body distributes display image data into two layers on the front side and the rear side in the depth direction to display the laminated image It is possible.

本発明の一態様は、表示体に画像を表示するステップと、前記画像の光線が、光軸に交差する方向に並んで設けられた２つ以上の結像素子を有する第１の結像系および単一の結像素子からなる第２の結像系をこの順で経るステップとを具備することを特徴とする表示方法である。   One aspect of the present invention is a method of displaying an image on a display body, and a first imaging system having two or more imaging elements provided in parallel in a direction in which light rays of the image intersect the optical axis. And passing through a second imaging system consisting of a single imaging element in this order.

本発明により、広い視域で現実感の高い浮遊像を表示することが可能になる。   According to the present invention, it is possible to display a highly realistic floating image in a wide viewing area.

本発明の浮遊像表示装置の実施形態である表示装置１０の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the display apparatus 10 which is embodiment of the floating image display apparatus of this invention. 一実施例である第１の結像系１１０の正面図である。It is a front view of the 1st imaging system 110 which is one Example. 一実施例である第１の結像系１１０の上面図である。It is a top view of the 1st imaging system 110 which is one example.

図１は、本発明の浮遊像表示装置の実施形態である表示装置１０の概略構成図である。   FIG. 1 is a schematic block diagram of a display device 10 which is an embodiment of the floating image display device of the present invention.

本実施形態の表示装置１０は、２つ以上の結像素子１１Ａ，１１Ｂを有する第１の結像系１１を有する。第１の結像系１１を構成する結像素子１１Ａ，１１Ｂは、各光軸１８Ａ，１８Ｂに交差する方向に並んで設けられている。第１の結像系１１を構成する各結像素子１１Ａ，１１Ｂの開口（アイリス）は、光軸方向で互いに重なり合うことがない。   The display device 10 of the present embodiment includes a first imaging system 11 having two or more imaging elements 11A and 11B. The imaging elements 11A and 11B constituting the first imaging system 11 are provided side by side in a direction intersecting the optical axes 18A and 18B. The apertures (iris) of the imaging elements 11A and 11B constituting the first imaging system 11 do not overlap each other in the optical axis direction.

本実施形態の場合、各結像素子１１Ａ，１１Ｂは、互いに等しい焦点距離を有するレンズである。各結像素子１１Ａ，１１Ｂは、点Ｏを中心とする回転曲面１１Ｃに沿って配置されている。すなわち、各結像素子１１Ａ，１１Ｂと点Ｏとの間の距離は、互いに等しい。回転曲面１１Ｃは、実在の物体（結合素子の支持部材等）として構成される必要はなく、仮想の曲面であってよい。回転曲面１１Ｃの具体例として、球面、円筒面等が挙げられる。なお、図１において、回転曲面１１Ｃは、紙面に垂直な回転中心軸を有する。回転曲面１１Ｃが球面である場合、中心となる点Ｏを通る任意の直線が回転中心軸となる。   In the case of the present embodiment, each of the imaging elements 11A and 11B is a lens having the same focal length. Each of the imaging elements 11A and 11B is disposed along a curved surface 11C centered on the point O. That is, the distances between the imaging elements 11A and 11B and the point O are equal to one another. The rotation curved surface 11C does not have to be configured as a real object (such as a support member of a coupling element), and may be a virtual curved surface. A spherical surface, a cylindrical surface, etc. are mentioned as a specific example of 11 C of rotation curved surfaces. In addition, in FIG. 1, the rotation curved surface 11C has a rotation center axis perpendicular to the paper surface. When the curved surface 11C is a spherical surface, an arbitrary straight line passing through the central point O is the central axis of rotation.

本実施形態の表示装置１０は、単一の結像素子１２Ａからなる第２の結像系１２を有する。第２の結像系１２を構成する結像素子１２Ａとしては、球体、球殻、円柱体、円筒体などの回転体形状を有するレンズが挙げられる。図１において、結像素子１２Ａは、直径Ｄの回転体である。なお、第２の結像系を構成する結像素子は、球対称または光軸に交差する方向に回転中心軸を有する回転対称である形状に限られず、球対称または光軸に交差する方向に回転中心軸を有する回転対称である形状の一部である形状、例えば半球状、部分球状などでもよい。   The display device 10 of the present embodiment has a second imaging system 12 composed of a single imaging element 12A. Examples of the imaging element 12A constituting the second imaging system 12 include a lens having a shape of a rotating body such as a sphere, a spherical shell, a cylindrical body, or a cylindrical body. In FIG. 1, the imaging element 12A is a rotating body of diameter D. The imaging elements constituting the second imaging system are not limited to a shape that is spherically symmetric or rotationally symmetric with a rotation center axis in a direction intersecting the optical axis, but is spherically symmetric or in a direction intersecting the optical axis The shape may be part of a rotationally symmetric shape having a rotation center axis, for example, a hemispherical shape, a partial spherical shape, or the like.

本実施形態の表示装置１０は、画像を表示する複数の表示体１３Ａ，１３Ｂを有する。本実施形態の表示体１３Ａ，１３Ｂは、２つの二次元ディスプレイの画像をハーフミラーで合成する積層画像表示装置である。この積層画像表示装置は、第１のディスプレイ１４Ａ，１４Ｂの画像を構成する光の一部がハーフミラー１６Ａ，１６Ｂを透過することで観察者に到達すると共に、第２のディスプレイ１５Ａ，１５Ｂの画像を構成する光の一部がハーフミラー１６Ａ，１６Ｂを反射することで観察者に到達することにより、観察者に同時に到達した２つの画像が光学的に合成されるように構成されている。画像（映像）は、静止画でも動画でもよい。   The display device 10 of the present embodiment has a plurality of display bodies 13A and 13B for displaying an image. The display bodies 13A and 13B of the present embodiment are stacked image display devices that combine images of two two-dimensional displays with a half mirror. In this layered image display device, a part of the light constituting the image of the first display 14A, 14B reaches the observer by transmitting through the half mirrors 16A, 16B, and the image of the second display 15A, 15B By partially reaching the observer by reflecting the half mirrors 16A and 16B, a part of the light constituting the lens is configured to optically combine two images which have simultaneously reached the observer. The image (video) may be a still image or a moving image.

本実施形態において、表示体１３Ａ，１３Ｂは、第１の結像系１１を構成する結像素子１１Ａ，１１Ｂのそれぞれに１対１で対応するように配置されている。表示体１３Ａ，１３Ｂからの光線は、各結像素子１１Ａ，１１Ｂの開口に向けて射出される。表示体１３Ａ，１３Ｂから発せられた画像の光線は、第１の結像系１１を構成する結像素子１１Ａ，１１Ｂにより、第２の結像系１２内に結像されることが好ましい。これにより、観察者は、浮遊像が第２の結像系１２内に実在するかのように画像を知覚することができる。   In the present embodiment, the display bodies 13A and 13B are arranged to correspond to the imaging elements 11A and 11B constituting the first imaging system 11 on a one-to-one basis. Light rays from the display bodies 13A and 13B are emitted toward the openings of the image forming elements 11A and 11B. It is preferable that the light rays of the image emitted from the display bodies 13A and 13B be imaged in the second imaging system 12 by the imaging elements 11A and 11B which constitute the first imaging system 11. Thereby, the observer can perceive the image as if the floating image existed in the second imaging system 12.

第１の結像系１１を構成する結像素子１１Ａ，１１Ｂの光軸１８Ａ，１８Ｂは、１つの交点Ｏで交わることが好ましい。これにより、各結像素子１１Ａ，１１Ｂにより結像される表示体１３Ａ，１３Ｂの像の中心間距離を、各結像素子１１Ａ，１１Ｂの中心間距離よりも短くすることができる。第１の結像系１１を構成する結像素子１１Ａ，１１Ｂと交点Ｏとの間の距離は、結像素子１１Ａ，１１Ｂの焦点距離ｆ１より長い。各結像素子１１Ａ，１１Ｂと交点Ｏとの間の距離は、互いに等しいことが好ましい。 It is preferable that the optical axes 18A and 18B of the imaging elements 11A and 11B constituting the first imaging system 11 intersect at one intersection point O. Thereby, the center-to-center distance of the images of the display bodies 13A and 13B formed by the respective imaging elements 11A and 11B can be shorter than the center-to-center distance of the respective imaging elements 11A and 11B. The distance between the imaging element 11A, 11B and the intersection O constituting the first imaging system 11, imaging element 11A, longer than the focal length f 1 of 11B. Preferably, the distances between the respective imaging elements 11A, 11B and the intersection point O are equal to one another.

第１の結像系１１を構成する結像素子１１Ａ，１１Ｂの焦点距離をｆ１とし、表示体１３Ａ，１３Ｂと第１の結像系１１との間の距離をｄ１とし、第１の結像系１１と第２の結像系１２の中心との間の距離をｄ２とする。第１の結像系１１を構成する結像素子１１Ａ，１１Ｂが、表示体１３Ａ，１３Ｂにより表示される画像を第２の結像系１２の中心付近に結像するとき、次の関係式１が成り立つ。 Imaging elements 11A constituting the first imaging system 11, the focal length of 11B and f 1, the display member 13A, 13B and the distance between the first imaging system 11 and d 1, the first the distance between the center of the imaging system 11 and the second imaging system 12 and d 2. When the imaging elements 11A and 11B constituting the first imaging system 11 form an image displayed by the display bodies 13A and 13B near the center of the second imaging system 12, the following relational expression 1 Is true.

関係式１： （１／ｄ１）＋（１／ｄ２）＝（１／ｆ１） Equation 1: (1 / d 1 ) + (1 / d 2 ) = (1 / f 1 )

この関係式１を、ｄ１について解くと、ｄ１は次の式（数１）により求められる。 The relationship 1, and solving for d 1, d 1 is determined by the following equation (1).

Figure 0006516161
Figure 0006516161

ｄ１を式（数１）のように設定することにより、各表示体１３Ａ，１３Ｂの画像（映像）を、第２の結像系１２の中心付近に結像することができる。 By setting d 1 as equation (1), it is possible to form an image (video) of each of the display bodies 13A and 13B in the vicinity of the center of the second imaging system 12.

表示体１３Ａ，１３Ｂが積層画像表示装置であるとき、ディスプレイと第１の結像系との間の距離は、奥行き方向の距離の大小に応じて、差異を設けることが好ましい。なお、ここで、距離とは、光が進行する経路に沿った長さ（光学距離）を意味する。例えば、第２のディスプレイ１５Ａ，１５Ｂと第１の結像系１１との間の距離は、第２のディスプレイ１５Ａ，１５Ｂとハーフミラー１６Ａ，１６Ｂとの間の距離に、ハーフミラー１６Ａ，１６Ｂと第１の結像素子１１Ａ，１１Ｂとの間の距離を加えた合計である。   When the display bodies 13A and 13B are laminated image display devices, it is preferable that the distance between the display and the first imaging system be different depending on the magnitude of the distance in the depth direction. Here, the distance means a length (optical distance) along a path along which light travels. For example, the distance between the second displays 15A, 15B and the first imaging system 11 is equal to the distance between the second displays 15A, 15B and the half mirrors 16A, 16B. The sum is the sum of the distances between the first imaging elements 11A and 11B.

一例として、第１のディスプレイ１４Ａ，１４Ｂが奥行き方向の後面側を表示し、第２のディスプレイ１５Ａ，１５Ｂが奥行き方向の前面側を表示する場合、第１のディスプレイ１４Ａ，１４Ｂと第１の結像素子１１Ａ，１１Ｂとの間の距離が、第２のディスプレイ１５Ａ，１５Ｂと第１の結像素子１１Ａ，１１Ｂとの間の距離より大きくなるよう設定される。   As an example, when the first displays 14A and 14B display the rear side in the depth direction and the second displays 15A and 15B display the front side in the depth direction, the first displays 14A and 14B and the first connection are displayed. The distance between the image elements 11A and 11B is set to be larger than the distance between the second displays 15A and 15B and the first imaging elements 11A and 11B.

このように、第１のディスプレイ１４Ａ，１４Ｂと結像素子１１Ａ，１１Ｂとの間の距離が、第２のディスプレイ１５Ａ，１５Ｂと結像素子１１Ａ，１１Ｂとの間の距離と異なる場合がある。すなわち、複数のディスプレイの画像を合成する場合には、各画像が第２の結像系１２内で結像する位置に若干のずれが生じる場合がある。このため、表示体が複数のディスプレイを含む場合には、表示体と第１の結像系との間の距離ｄ１は、各ディスプレイと第１の結像系との距離の中間的な値（例えば平均値）とすることが好ましい。 Thus, the distance between the first displays 14A, 14B and the imaging elements 11A, 11B may be different from the distance between the second displays 15A, 15B and the imaging elements 11A, 11B. That is, when images of a plurality of displays are combined, a slight shift may occur in the position where each image is formed in the second imaging system 12. Therefore, when the display includes a plurality of displays, the distance d 1 between the display and the first imaging system is an intermediate value of the distance between each display and the first imaging system. It is preferable to use (for example, an average value).

第２の結像系１２を構成する結像素子１２Ａの中心は、第１の結像系１１を構成する結像素子１１Ａ，１１Ｂの光軸１８Ａ，１８Ｂの交点Ｏ付近に配置されることが好ましい。これにより、各表示体１３Ａ，１３Ｂから発せられて、第１の結像系１１を経た各光線が、第２の結像系１２において、単一の結像素子１２Ａに到達することができる。   The center of the imaging element 12A constituting the second imaging system 12 may be disposed near the intersection point O of the optical axes 18A and 18B of the imaging elements 11A and 11B constituting the first imaging system 11 preferable. Thereby, each light beam emitted from each display body 13A, 13B and passing through the first imaging system 11 can reach the single imaging element 12A in the second imaging system 12.

第１の結像系１１を構成する結像素子１１Ａ，１１Ｂの開口（アイリス）は、第２の結像系１２により像１７Ａ，１７Ｂを結ぶ。これらの像１７Ａ，１７Ｂと第２の結像系１２との間の距離ｄ３は、第２の結像系１２を構成する結像素子１２Ａの焦点距離をｆ２とするとき、次の関係式２が成り立つ。 The apertures (iris) of the imaging elements 11A and 11B constituting the first imaging system 11 connect the images 17A and 17B by the second imaging system 12. These images 17A, 17B and the distance d 3 between the second imaging system 12, the focal length of the imaging elements 12A constituting the second imaging system 12 when the f 2, the following relationship Equation 2 holds.

関係式２： （１／ｄ２）＋（１／ｄ３）＝（１／ｆ２） Equation 2: (1 / d 2 ) + (1 / d 3 ) = (1 / f 2 )

なお、関係式２のｄ２は、上述した関係式１と同様に、第１の結像系１１と第２の結像系１２の中心との間の距離を表す。この関係式２を、ｄ３について解くと、ｄ３は次の式（数２）により求められる。 In addition, d 2 of the relational expression 2 represents the distance between the first imaging system 11 and the center of the second imaging system 12 as in the above-mentioned relational expression 1. The relation 2 and solving for d 3, d 3 is determined by the following equation (2).

Figure 0006516161
Figure 0006516161

本実施形態の表示装置１０において、表示体１３Ａ，１３Ｂからの光線は、第１の結像系１１を構成するレンズの開口（アイリス）内のみを一様に透過する。さらにアイリスの像は、第２の結像系１２により、第２の結像系１２からの距離がｄ３である結像面１７上に結像する。本明細書において、結像面１７を「アイリス像面」といい、アイリス像面１７上に結ぶ像１７Ａ，１７Ｂを「アイリス像」という。 In the display device 10 according to the present embodiment, light rays from the display bodies 13A and 13B are uniformly transmitted only in the aperture (iris) of the lens constituting the first imaging system 11. Furthermore the image of iris by the second imaging system 12, the distance from the second imaging system 12 is imaged on the imaging plane 17 is d 3. In the present specification, the imaging plane 17 is referred to as an "iris image plane", and the images 17A and 17B formed on the iris image plane 17 are referred to as an "iris image".

従って、表示体１３Ａ，１３Ｂの画像は、アイリス像面１７上ではアイリス像１７Ａ，１７Ｂの中に観察者の眼（視点）があるときのみ観察可能である。アイリス像１７Ａ，１７Ｂは、第１の結像系１１を構成する結像素子１１Ａ，１１Ｂの開口（アイリス）が結像したものであるので、アイリスの形状のほぼ相似形となる。図１の例では、第２の結像系１２が透過型の結像素子から構成されており、結像素子１１Ａとそのアイリス像１７Ａは、結像素子１１Ａの光軸１８Ａ上に存在する。同様に、結像素子１１Ｂとそのアイリス像１７Ｂは、結像素子１１Ｂの光軸１８Ｂ上に存在する。   Accordingly, the images of the display bodies 13A and 13B can be observed only on the iris image surface 17 when the eye (viewpoint) of the observer is in the iris images 17A and 17B. The iris images 17A and 17B are images formed by the openings (iris) of the imaging elements 11A and 11B constituting the first imaging system 11, and thus have substantially similar shapes of the iris. In the example of FIG. 1, the second imaging system 12 is configured of a transmissive imaging element, and the imaging element 11A and its iris image 17A exist on the optical axis 18A of the imaging element 11A. Similarly, the imaging element 11B and its iris image 17B are present on the optical axis 18B of the imaging element 11B.

第１の結像系１１を構成する複数の結像素子１１Ａ，１１Ｂの間に隙間が存在すると、アイリス像面１７上にアイリス像１７Ａ，１７Ｂを見ることができない領域が生じる。そこで、第１の結像系１１を構成する結像素子１１Ａ，１１Ｂの境界には、隙間を生じさせないことが好ましい。これにより、アイリス像面１７上に沿って観察者が眼（視点）を移動させたとき、各アイリス像１７Ａ，１７Ｂを連続して観察することができる。   If a gap is present between the plurality of imaging elements 11A and 11B constituting the first imaging system 11, an area where the iris images 17A and 17B can not be seen on the iris image surface 17 is generated. Therefore, it is preferable not to create a gap at the boundary between the imaging elements 11A and 11B that constitute the first imaging system 11. As a result, when the observer moves the eye (viewpoint) along the iris image plane 17, the iris images 17A and 17B can be continuously observed.

図２および図３は、本実施形態の表示装置１０で使用することが可能な、第１の結像系１１０の一つの実施例を示す概略図である。図２は正面図、図３は上面図を表す。結像素子として、一般の円形の開口を持つレンズをそのまま並べると、隣接するレンズに対し、レンズの外周の１点のみで接することになり、各レンズの開口と開口の間に隙間が生じる。   2 and 3 are schematic diagrams showing an example of the first imaging system 110 that can be used in the display device 10 of the present embodiment. 2 shows a front view and FIG. 3 shows a top view. When a lens having a general circular aperture is arranged as it is as an imaging element, the adjacent lens is in contact with only one point on the outer periphery of the lens, and a gap is generated between the aperture of each lens.

図２および図３にあるように、接続部分１１５を直線状に切断して隙間を除去することにより、各レンズ１１１，１１２，１１３，１１４の開口を密着させることができる。第１の結像系１１０の製造方法は、複数の別々のレンズに接続部分を加工して互いに接合する方法に限らず、複数のレンズ面が隙間なく接続した形状の光学部材を一体的に形成する方法でもよい。   As shown in FIGS. 2 and 3, the openings of the respective lenses 111, 112, 113, and 114 can be brought into close contact by cutting the connecting portion 115 in a straight line and removing the gap. The manufacturing method of the first imaging system 110 is not limited to a method of processing the connecting portions into a plurality of separate lenses and joining them together, and integrally forming an optical member having a shape in which a plurality of lens surfaces are connected without a gap May be used.

図３に示すように、第１の結像系１１０を構成するレンズ１１１，１１２，１１３，１１４の光軸は、１点Ｏで交わる。図１の実施形態と同様に、表示体により表示される画像の光線が１点に収束し、一か所に結像するので、第２の結像系は、交点Ｏ上に配置することができる。図３にあるように、レンズ１１１，１１２，１１３，１１４の光軸が一点で交わるためには、接続部分１１５は、交点Ｏに向かうテーパー状にすることが好ましい。レンズ１１１，１１２，１１３，１１４を隙間なく並べると、適切な曲率で各レンズ１１１，１１２，１１３，１１４が配置される。   As shown in FIG. 3, the optical axes of the lenses 111, 112, 113, and 114 constituting the first imaging system 110 intersect at one point O. As in the embodiment of FIG. 1, since the light rays of the image displayed by the display body converge at one point and form an image at one place, the second imaging system may be disposed on the intersection point O it can. As shown in FIG. 3, in order for the optical axes of the lenses 111, 112, 113, and 114 to intersect at one point, the connecting portion 115 is preferably tapered toward the intersection point O. When the lenses 111, 112, 113, and 114 are arranged without gaps, the respective lenses 111, 112, 113, and 114 are arranged with an appropriate curvature.

なお、図３に示す実施例の第１の結像系は、複数のレンズを１次元的に並べた構成であるが、レンズの形状を四角形や六角形等の多角形とし、球面、円筒面等の曲面上に２次元的にレンズを並べることにより、上下方向および左右方向に視域を拡大することも可能である。第１の結像系が球面上に結像素子を並べた構成である場合には、第２の結像系は、球対称な形状（球体、球殻等）であることが好ましい。第１の結像系が円筒面上に結像素子を並べた構成である場合には、第２の結像系は、円筒対称な形状（円柱体、円筒体等）であることが好ましい。この場合、円筒の中心軸は、光軸に垂直であることが好ましい。   Although the first imaging system of the embodiment shown in FIG. 3 has a configuration in which a plurality of lenses are arranged one-dimensionally, the shape of the lenses is a polygon such as a quadrangle or a hexagon, and a spherical surface or a cylindrical surface By arranging the lenses two-dimensionally on a curved surface, etc., it is also possible to expand the viewing area in the vertical and horizontal directions. When the first imaging system has a configuration in which imaging elements are arranged on a spherical surface, the second imaging system preferably has a spherically symmetric shape (a sphere, a spherical shell, or the like). When the first imaging system has a configuration in which imaging elements are arranged on a cylindrical surface, the second imaging system preferably has a cylindrically symmetric shape (a cylinder, a cylinder, or the like). In this case, the central axis of the cylinder is preferably perpendicular to the optical axis.

ここで、本発明の表示方法の実施形態についても説明する。本実施形態の表示方法は、表示体１３Ａ，１３Ｂに画像を表示する第１ステップと、画像の光線が、第１の結像系１１と第２の結像系１２を順に経る第２ステップを具備する。第１ステップに関して、表示体１３Ａ，１３Ｂは、同一の画像を繰り返し表示してもよく、経時的に異なる画像を表示してもよい。第２ステップにより、表示体１３Ａ，１３Ｂの画像が浮遊像として表示される。本実施形態の表示方法は、本実施形態の表示装置１０により実施することができる。   Here, an embodiment of the display method of the present invention will also be described. The display method of the present embodiment includes a first step of displaying an image on the display bodies 13A and 13B, and a second step of passing the light beam of the image through the first imaging system 11 and the second imaging system 12 in order. Prepare. In the first step, the display bodies 13A and 13B may display the same image repeatedly or may display different images with time. In the second step, the images of the display bodies 13A and 13B are displayed as floating images. The display method of the present embodiment can be implemented by the display device 10 of the present embodiment.

本実施形態の表示装置１０で、２層の画面にＤＦＤ（奥行き融合型３次元）表示の原理に基づき、観察者が観察する方向に沿って前面側の輝度を高くした画像と後面側の輝度を高くした画像を分配して異なるディスプレイにより表示し、これらの画像を合成して観察することができる。例えば、観察者に近い位置のディスプレイでは、物体の前面側の輝度を高くした画像を提示し、観察者から遠い位置のディスプレイでは、物体の後面側の輝度を高くした画像を提示することにより、２つ以上の画面を観察者が１つに融合して知覚しやすくなる。   In the display device 10 of the present embodiment, based on the principle of DFD (depth-fused three-dimensional) display on a two-layer screen, an image in which the front side luminance is increased along the direction observed by the observer and the rear side luminance Can be distributed and displayed on different displays, and these images can be combined and viewed. For example, a display at a position close to the observer presents an image in which the luminance on the front side of the object is high, and a display at a position far from the observer presents an image in which the luminance on the rear side of the object is high. The viewer fuses two or more screens into one and is easy to perceive.

本実施形態の表示装置１０は、上述の第１の結像系１１と第２の結像系１２の組み合わせにより、どの方向から見ても表示体１３Ａ，１３Ｂの画像が一か所に結像しているため、視点を動かすと、第２の結像系１２を構成する結像素子１２Ａのまさに中心付近に物体が存在するかのような実在感の高い表示を行うことができる。   In the display device 10 according to the present embodiment, the combination of the first imaging system 11 and the second imaging system 12 causes the images of the display bodies 13A and 13B to form an image at one place when viewed from any direction. Therefore, when the viewpoint is moved, a highly realistic display such as the presence of an object near the center of the imaging element 12A constituting the second imaging system 12 can be performed.

また、第２の結像系１２の強い屈折により、アイリス像面１７上に視点を置く観察者からは、表示体１３Ａ，１３Ｂをほとんど知覚することができないため、第２の結像系１２を構成する結像素子１２Ａ内に物体があたかも実在するような現実感の高い画像となる。   In addition, the second imaging system 12 can be used as the display 13 A, 13 B can hardly be perceived by the observer who places the viewpoint on the iris image plane 17 due to the strong refraction of the second imaging system 12. It is a highly realistic image that looks as though the object is present in the imaging element 12A that is configured.

また、ＤＦＤ方式の積層画像は、観察者の視点の位置が表示体の正面から若干ずれても、ずれ量が微小であれば正しい運動視差を表現することができることが知られている。しかし、従来の表示方法では、物体の像を観察することのできる範囲（視域）が、レンズの開口サイズにより狭く制限されるという問題があった。   Further, it is known that even if the position of the viewpoint of the observer is slightly shifted from the front of the display body, the DFD layered image can represent correct motion parallax if the amount of shift is small. However, in the conventional display method, there is a problem that the range (viewing area) in which the image of the object can be observed is narrowly limited by the aperture size of the lens.

本実施形態の表示装置１０では、第１の結像系１１を構成する複数の結像素子１１Ａ，１１Ｂで複数の表示体１３Ａ，１３Ｂの画像を結像することにより、視域を拡大することができる。また、第１の結像系１１を構成する結像素子１１Ａ，１１Ｂのアイリス像１７Ａ，１７Ｂの一つ一つの範囲を、この運動視差が適切に表示される範囲に限定することにより、各アイリス像１７Ａ，１７Ｂ内で正しい運動視差を表現することができる。   In the display device 10 according to the present embodiment, the visual field is enlarged by forming an image of the plurality of display bodies 13A and 13B with the plurality of imaging elements 11A and 11B constituting the first imaging system 11. Can. Further, by limiting the range of each of the iris images 17A and 17B of the imaging elements 11A and 11B constituting the first imaging system 11 to a range where the motion parallax is appropriately displayed, each iris Correct motion parallax can be expressed in the images 17A and 17B.

さらに、本実施形態の表示装置１０では、複数のアイリス像１７Ａ，１７Ｂが連続して生じることにより、各結像素子１１Ａ，１１Ｂの視域で観察される各アイリス像１７Ａ，１７Ｂの運動視差が滑らかに接続され、アイリス像面１７の中で観察者が視点を自由に移動させても、実物体があるときと同じような自然な映像を得ることができる。   Furthermore, in the display device 10 according to the present embodiment, the motion parallax of the iris images 17A and 17B observed in the viewing area of the imaging elements 11A and 11B is generated by continuously generating the plurality of iris images 17A and 17B. The connection is smooth, and even if the observer freely moves the viewpoint in the iris image plane 17, it is possible to obtain a natural image similar to that when a real object is present.

さらに、本実施形態の表示装置１０では、第２の結像系１２を介することにより、表示体１３Ａ，１３Ｂが観察者から直接見えなくなり、現実感が向上する。表示体１３Ａ，１３Ｂの画像を積層画像とし、視域の間を連続に接続することで、なめらかな運動視差を提供することができる。   Furthermore, in the display device 10 of the present embodiment, the display bodies 13A and 13B can not be seen directly by the observer through the second imaging system 12, and the sense of reality is improved. By setting the images of the display bodies 13A and 13B as stacked images and continuously connecting the viewing areas, smooth motion parallax can be provided.

すなわち、広い視域で現実感の高い浮遊像を表示することが可能になる。究極的には、広い視域にわたり、観察者が３Ｄメガネのような特殊なデバイスを装着することなしに、多人数で同時使用可能で、滑らかな運動視差を提示可能な裸眼３Ｄ表示装置を実現することができる。   That is, it is possible to display a floating image with high reality in a wide viewing area. Ultimately, it realizes an naked-eye 3D display device that can be used simultaneously by many people and can present smooth motion parallax over a wide viewing area without the observer wearing a special device such as 3D glasses. can do.

本実施形態で用いた表示体１３Ａ，１３Ｂは２層の画面を表示する方式であるが、これを３層以上の多層にすれば、奥行きの表示範囲が拡大できることは言うまでもない。また、表示体１３Ａ，１３Ｂは、ハーフミラー１６Ａ，１６Ｂを用いて２層の画面を合成する構成であるが、液晶パネル、透明有機ＥＬパネルなど、透過型の表示素子（ディスプレイ）を積層した構成でもよいし、ホログラフィックスクリーンのような透明スクリーンの積層を用いてもよい。   Although the display bodies 13A and 13B used in the present embodiment are methods for displaying a two-layer screen, it is needless to say that the depth display range can be expanded by making this into a multilayer of three or more layers. The display bodies 13A and 13B are configured to combine two layers of screens using the half mirrors 16A and 16B, but a configuration in which transmissive display elements (displays) such as a liquid crystal panel and a transparent organic EL panel are stacked. Alternatively, a stack of transparent screens such as holographic screens may be used.

高いフレームレートのディスプレイをボイスコイル等の振動装置により高速に前後に振動させた場合、一つのディスプレイを用いて、２層または多層の画面を切り替えて表示することができる。例えば、ディスプレイが観察者に近い前側に位置するときには、奥行き方向で前側の画像を表示し、ディスプレイが観察者から遠い後側に位置するときには、奥行き方向で後側の画像を表示する等のように、振動と画像の切り替えを同期させることが考えられる。   When a high frame rate display is vibrated back and forth at a high speed by a vibrating device such as a voice coil, a single display can be used to switch and display a two-layer or multi-layer screen. For example, when the display is positioned on the front side closer to the observer, the image on the front side in the depth direction is displayed, and when the display is positioned on the rear side farther from the observer, the image on the rear side is displayed in the depth direction It is conceivable to synchronize the switching of the vibration and the image.

また、単層の画面を表示する表示体を用いた場合でも、運動視差は若干ぎこちなくなるが、定位感の高い画像を得ることができる。   In addition, even in the case of using a display body that displays a single-layer screen, although motion parallax is slightly awkward, it is possible to obtain an image with a high sense of localization.

本実施形態では、第２の結像系１２を構成する結像素子１２Ａが球体（球対称）であるため、光の入射方向によらず任意の方向の光軸に対して光学系として対称であり、球体を通る多くの光線が近軸光線となるのでどの視域の映像も同等に収差を低減することができる。図３に示す実施例のように、第１の結像系において結像素子が１次元的に並んで配置されている場合には、第１の結像系の各結像素子の光軸に垂直な回転中心軸に対して回転対称な光学系を第２の結像系としてあれば、同等の効果が得られる。   In this embodiment, since the imaging element 12A constituting the second imaging system 12 is a sphere (spherical symmetry), it is symmetrical as an optical system with respect to the optical axis in any direction regardless of the incident direction of light. Since many rays passing through the sphere become paraxial rays, the image in any visual field can be equally reduced in aberration. As in the embodiment shown in FIG. 3, when the imaging elements are arranged one-dimensionally in the first imaging system, the optical axis of each imaging element of the first imaging system is An equivalent effect can be obtained by using an optical system rotationally symmetric with respect to the vertical rotation center axis as the second imaging system.

本実施形態では、結像素子としてレンズを使用したが、本発明で使用可能な結像素子は、屈折を原理とする素子に限定されない。ホログラフィック光学素子のような回折型光学素子や、凹面鏡のような反射型光学素子を、第１の結像系または第２の結像系を構成する結像素子として採用することも可能である。また、反射型光学素子は、アクリル製の球殻のような反射率の低い透明体でも良い。   In the present embodiment, a lens is used as an imaging element, but the imaging element usable in the present invention is not limited to an element based on refraction. It is also possible to employ a diffractive optical element such as a holographic optical element or a reflective optical element such as a concave mirror as an imaging element constituting the first imaging system or the second imaging system. . Further, the reflective optical element may be a transparent body having a low reflectance, such as an acrylic spherical shell.

図１の実施形態では、第１の結像系が透過型光学素子であり、表示体からの光線が、第１の結像系の開口（アイリス）内のみを一様に透過する構成としたが、第１の結像系が反射型光学素子から構成されている場合には、表示体からの光線が第１の結像系の開口（アイリス）内のみを一様に反射する構成としてもよい。   In the embodiment shown in FIG. 1, the first imaging system is a transmission type optical element, and light rays from the display are uniformly transmitted only in the aperture (iris) of the first imaging system. However, in the case where the first imaging system is configured of a reflective optical element, the light beam from the display body may be uniformly reflected only in the aperture (iris) of the first imaging system. Good.

第２の結像系を構成する反射型光学素子として、反射率の低い透明体を使用した場合には、表示映像が背景と拡張現実（ＡＲ）のように融合するため、表示系の存在を悟られずに臨場感の高い映像の表現が可能となる。この場合の球殻は、全球状、半球状、部分球状でもよい。透明体は、可視光領域の少なくとも一部で高い透過率を有すればよく、無色透明でも、着色された透明でもよい。   When a transparent body with a low reflectance is used as the reflective optical element forming the second imaging system, the display image is fused as in the background and augmented reality (AR), so the presence of the display system is required. It becomes possible to express highly realistic images without being realized. The spherical shell in this case may be totally spherical, hemispherical, or partially spherical. The transparent body may have high transmittance in at least a part of the visible light region, and may be colorless or colored or transparent.

また、図１に示す実施形態では表示体１３Ａ，１３Ｂ、第１の結像系１１、第２の結像系１２、アイリス像１７Ａ，１７Ｂ（視点位置）の各中心が水平（紙面上）に配置される構成とである。しかし、本発明はこのような形態に限定されず、例えば表示体を観察者の下側に設置して、観察者が第２の結像体を斜め上方からのぞき込むような構成でもよい。この場合、光軸が斜めとなるため、表示体の表示画面が鉛直ではなく斜めになるが、表示画面またはレンズにあおり（光軸に対する傾斜）を与えて垂直に配置することもできる。また、結像系から観察者に向かう光軸の方向は、水平方向、斜め上向きに限らず、斜め下向き、鉛直上向き、鉛直下向きなど、任意の方向に設定することができる。   In the embodiment shown in FIG. 1, the centers of the display bodies 13A and 13B, the first imaging system 11, the second imaging system 12, and the iris images 17A and 17B (viewpoint positions) are horizontal (on the paper). It is a configuration to be arranged. However, the present invention is not limited to such a form, and for example, a display may be installed below the viewer so that the viewer looks into the second image forming body obliquely from above. In this case, since the optical axis is oblique, the display screen of the display body is not vertical but oblique. However, the display screen or the lens can be vertically arranged by giving tilt (inclination to the optical axis). In addition, the direction of the optical axis from the imaging system to the viewer can be set to any direction such as obliquely downward, vertically upward, or vertically downward as well as the horizontal direction and obliquely upward.

以上、図面を参照して本発明の実施形態を説明してきたが、上記の実施形態は本発明の例示に過ぎず、本発明が上記の実施形態に限定されるものではないことは明らかである。したがって、本発明の技術思想及び範囲を逸脱しない範囲で、構成要素の追加、省略、置換、その他の変更を行っても良い。   Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, it is apparent that the above embodiments are merely examples of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments. . Therefore, additions, omissions, replacements, and other modifications of the components may be made without departing from the technical concept and scope of the present invention.

前記表示装置は、物体の浮遊像を表示することができるので、例えば物体、情報、広告等の表示システムなどに適用することができる。結像系をタッチパネルの表示画面に組み込むことで、浮遊像に対して位置入力を行うことが可能な構成とすることもできる。   The display device can display a floating image of an object, and thus can be applied to, for example, a display system of an object, information, an advertisement, and the like. By incorporating the imaging system into the display screen of the touch panel, it is possible to provide a configuration capable of performing position input on the floating image.

１０…表示装置、１１…第１の結像系、１１Ａ，１１Ｂ…結像素子、１１Ｃ…回転曲面、１２…第２の結像系、１２Ａ…結像素子、１３Ａ，１３Ｂ…表示体、１４Ａ，１４Ｂ…第１のディスプレイ、１５Ａ，１５Ｂ…第２のディスプレイ、１６Ａ，１６Ｂ…ハーフミラー、１７…結像面（アイリス像面）、１７Ａ，１７Ｂ…像（アイリス像）、１８Ａ，１８Ｂ…光軸、１１０…第１の結像系、１１１，１１２，１１３，１１４…レンズ、１１５…接続部分。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Display apparatus, 11 ... 1st imaging system, 11A, 11B ... Imaging element, 11C ... Rotation curved surface, 12 ... 2nd imaging system, 12A ... Imaging element, 13A, 13B ... Display body, 14A , 14B: first display, 15A, 15B: second display, 16A, 16B: half mirror, 17: imaging plane (iris image plane), 17A, 17B: image (iris image), 18A, 18B: light Axis, 110: first imaging system, 111, 112, 113, 114: lens, 115: connection portion.

Claims (7)

画像を表示する表示体と、光軸に交差する方向に並んで設けられた２つ以上の結像素子を有する第１の結像系と、単一の結像素子からなる第２の結像系とを具備し、前記表示体の側から前記第１の結像系、前記第２の結像系の順に配されており、
前記第２の結像系を構成する結像素子が、球対称または光軸に交差する方向に回転中心軸を有する回転対称であるか、球対称または光軸に交差する方向に回転中心軸を有する回転対称である形状の一部を有することを特徴とする浮遊像表示装置。 A second imaging formed of a display body for displaying an image, a first imaging system having two or more imaging elements provided side by side in a direction crossing the optical axis, and a single imaging element And the first imaging system and the second imaging system are arranged in this order from the side of the display body ,
The imaging elements constituting the second imaging system are spherically symmetric or rotationally symmetric with a central axis of rotation in a direction intersecting the optical axis, or spherically symmetric or in a direction intersecting the optical axis. A floating image display device characterized by having a part of a shape that is rotationally symmetric . 前記第１の結像系を構成する結像素子が、隣接する結像素子との間に隙間を設けず配置されていることを特徴とする請求項１に記載の浮遊像表示装置。   2. The floating image display device according to claim 1, wherein the image forming element forming the first image forming system is disposed without providing a gap between adjacent image forming elements. 前記第１の結像系を構成する前記２つ以上の結像素子の各光軸が１点で交わることを特徴とする請求項１または２に記載の浮遊像表示装置。 The floating image display apparatus according to claim 1 or 2 , wherein optical axes of the two or more imaging elements constituting the first imaging system intersect at one point. 前記第１の結像系により前記表示体の画像が結像される位置が、前記各光軸が交わる１点にあることを特徴とする請求項３に記載の浮遊像表示装置。 The floating image display device according to claim 3 , wherein a position at which the image of the display body is formed by the first imaging system is at one point where the optical axes intersect. 前記表示体が、複数の画面から積層状の画像を表示可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の浮遊像表示装置。 The floating image display device according to any one of claims 1 to 4 , wherein the display body can display stacked images from a plurality of screens. 前記表示体が、表示画像データを、その奥行き方向の前側と後側との２層に分配して前記積層状の画像を表示可能であることを特徴とする請求項５に記載の浮遊像表示装置。 The floating image display according to claim 5 , characterized in that the display body can display display image data by distributing display image data into two layers on the front side and the rear side in the depth direction. apparatus. 表示体に画像を表示するステップと、前記画像の光線が、光軸に交差する方向に並んで設けられた２つ以上の結像素子を有する第１の結像系および単一の結像素子からなる第２の結像系をこの順で経るステップとを具備し、
前記第２の結像系を構成する結像素子が、球対称または光軸に交差する方向に回転中心軸を有する回転対称であるか、球対称または光軸に交差する方向に回転中心軸を有する回転対称である形状の一部を有することを特徴とする表示方法。 Displaying an image on a display, and a first imaging system and a single imaging element having two or more imaging elements provided in a direction in which the light rays of the image intersect the optical axis a second imaging system consisting comprises the steps of going through in this order,
The imaging elements constituting the second imaging system are spherically symmetric or rotationally symmetric with a central axis of rotation in a direction intersecting the optical axis, or spherically symmetric or in a direction intersecting the optical axis. A display method comprising: a part of a shape that is rotationally symmetrical .
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