JP7015520B2 - Wide viewing angle aerial image display device - Google Patents
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Description
本発明は、広視野角空中映像表示装置に関する。 The present invention relates to a wide viewing angle aerial image display device .
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。 There is a lot of research on "aerial image display" that allows you to form an image in the air and experience the image as if it were floating in the air. Currently, many methods have been proposed, but among them, a two-layer retrotransmission optical system and a method combining a half mirror and a retroreflective material have been commercialized, and the environment is approaching that anyone can use them.
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。 The presentation of images in the air has a strong visual impact, and many studies have been conducted with the aim of realizing it. Among them, it is generated using a special optical element called an AI plate (Aerial Imaging Plate: hereinafter referred to as AIP). Due to its quality and ease of display, the aerial image is expected to be used in many fields as a new stereoscopic display.
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。 The above technology has already been researched and commercialized, but in principle, several similar ones have been proposed, and the function is to use an image plane such as a liquid crystal display as the optical system. There is a thing to make an image at a position symmetrical with respect to.
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。 As long as an optical system is available, an aerial image can be presented simply by placing a liquid crystal monitor on the opposite side, so various applications such as interfaces and spatial effects are expected. For example, Asukanet has announced an improved optical system and a low-priced resin version.
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。 In addition, Kajita et al. Have proposed a system called beyooooonD that combines AIP and a mirror as a method for widening the viewing angle of the aerial image created by AIP (Non-Patent Document 1). In beyooooonD, we have further developed the conventional research that displayed an aerial image by placing a half mirror in the area on the table where AIP does not exist, and by arranging two displays according to the observation angle of the aerial image. , We are proposing an optical system that expands the viewing angle. This makes it possible to display the aerial image in a cross-sectional manner on the display areas of the half mirror and the AIP. However, in this optical system, since another display is used to widen the viewing angle, the viewing angle is expanded only by the amount of light rays newly incident on the AIP from the added display.
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。 In the retrotransmission optical system, the range in which an aerial image can be presented is limited by the size of the element itself and the position and size of the light source to be displayed in the air. For example, as a combination that is expected to be generally used, when an image of a liquid crystal tablet terminal of about 10 inches is presented in the air using a 350 mm square retrotransmitting optical system, the viewing angle of the presented aerial image is Limited to around 40 °. Therefore, it is basically intended for only one observer facing the front, which is sufficient as a user interface for individuals, but is not suitable for presentation to a large number of people, that is, for general exhibition purposes. It is a difficult situation to apply to such applications.
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。 This viewing angle can be widened by combining multiple retrotransmission optical systems and increasing the size of the element itself. For example, when trying to present a wide viewing angle that can be observed by a large number of people. As the size of the device becomes very large, the problem of a large increase in cost arises. At this time, it is possible to obtain a wide viewing angle even with a smaller number of elements by combining the elements with an angle, but in that case, a plurality of light sources corresponding to the enlarged viewing angle portion are appropriately positioned. Since it is necessary to place it in, the size of the device will increase accordingly. Further, in either case, there is a problem that a viewing angle exceeding 180 ° cannot be obtained.
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。 That is, in detail, the retrospective transmission optical system has an action of forming an image of light from a light source at a plane-symmetrical position as an aerial image. However, when an aerial image is actually created, only a part of the light emitted from the light source that could be incident on the retrotransmitting optical system is used. Therefore, the part that is not incident on the retrotransmitting optical system cannot be seen as an aerial image, and the maximum viewing angle that can actually be observed as an aerial image at this time is the maximum incident angle of the light rays that are incident on the retrotransmitting optical system. Is equal to.
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。 The present invention has been proposed in view of the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is an aerial solid that can realize an observation viewing angle of 180 ° or more by combining a plurality of mirrors and a retrotransmitting optical system. It is an object of the present invention to provide a wide viewing angle aerial image display device capable of presenting an image.
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。
In order to solve the above problems, the wide viewing angle aerial image display device of the present invention has a light source that outputs an image signal and retrotransmission optics that acquires an image signal output from the light source and forms an aerial image in the air. The system, the first mirror and the second mirror arranged across the light source and the retrotransmission optical system at the end of the retrotransmission optical system, and the aerial image and retrotransmission at the end of the retrotransmission optical system. It includes a third mirror and a fourth mirror arranged across the optical system.
Further, in the wide viewing angle aerial image display device of the present invention, the angle between the first mirror and the retrotransmitting optical system and the angle between the second mirror and the retrotransmitting optical system are both less than 90 °, and the third The angle between the mirror and the retro-transmissive optical system and the angle between the fourth mirror and the retro-transmissive optical system are all less than 90 °.
In the present invention, the image signal includes not only a still image but also a moving image. Further, the light source refers to a flat display such as a panel display, but the light source is not limited to this, and a multi-viewpoint display including a three-dimensional image signal, a figurine, or the like may be appropriately illuminated.
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。 With the above configuration, the light in the part that is not incident on the retrotransmitting optical system is reflected by using multiple mirrors, and the light in the part that is lacking in the aerial image is supplemented to realize the expansion of the maximum viewing angle. Can be done. As a result, it is possible to obtain a wide viewing angle that allows a plurality of people to observe the aerial image while surrounding it or to move the viewpoint horizontally.
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。 In the present invention, the retro-transmissive optical element according to claim is referred to as a retro-transmissive optical system in the present specification.
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。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a wide viewing angle aerial image display device and a display method capable of presenting an aerial stereoscopic image capable of realizing an observation viewing angle of 180 ° or more.
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。 In the present invention, it is possible to provide a wide viewing angle aerial image display device capable of presenting an aerial stereoscopic image capable of realizing an observation viewing angle of 180 ° or more.
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。
FIG. 1 is an example of a configuration when the wide viewing angle aerial
[Principle of the present invention]
By further sandwiching the retrotransmitting optical system, which was previously developed to form an image of a light source at a plane-symmetrical position, with a mirror, light rays that could not be completely incident on the retrotransmitting optical system are completely incident on the optical system. At the same time, it was possible to form an image even at a position that was originally unobservable.
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。
Specifically, the proposed optical system has a symmetrical structure in which four mirrors 4a to 4d are vertically connected to the end points of the retrospective transmission optical system 3. The region shown as the normal viewing angle in FIG. 1 is the observable region of the aerial image created only by the retrospective transmission optical system. In addition to that, by installing two mirrors 4a and 4b so as to sandwich the light source 2, the light rays of the portion originally not incident on the retrotransmitting optical system 3 are reflected by the mirrors 4a and 4b and transmitted retroactively. It is incident on the optical system 3. This light ray is folded back by the mirrors 4c and 4d installed on the
［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。
[Diagram]
FIG. 2 is a diagram showing a case where the mirror arrangement angle θ is set to less than 90 °.
When observing the retrotransmitting optical system 3 from the side, that is, the reflection of light near the maximum observation viewing angle becomes a problem due to an increase in the number of reflections by the mirrors 4a to 4d, such as image distortion. Therefore, as shown in FIG. 2, by tilting the mirrors (4a and 4b, 4c and 4d) so as to be symmetrical so that the angle θ is less than 90 °, the number of reflections in the mirrors 4a to 4d is increased. It is possible to realize an observation viewing angle of up to 180 ° while suppressing the above.
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。 With the configuration of FIG. 2, the observation viewing angle, which has been restricted by the positions and sizes of the light source 2 and the retrospective transmission optical system 3, can be expanded to 180 °. That is, with an observation viewing angle of about 40 °, which has been often seen in the past, observation was possible only for one person, but the configuration of the present invention makes it possible for a plurality of people to simultaneously observe from different viewpoints. It will be like.
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。
Further, a prototype was constructed for the wide viewing angle aerial
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。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration that realizes an observation viewing angle of 180 ° or more.
As shown in FIG. 3, by changing the mirrors 4c and 4d on the side where the aerial image is formed to the half mirrors 7a and 7b, the light rays emitted in the opposite direction to the retrotransmitting optical system 3 can also be mirrored 4a. Light rays that are reflected by 4b, pass through the retrotransmitting optical system, and are blocked by the mirrors 4a and 4b and are not transmitted through the half mirrors 7a and 7b, so that they are transmitted from a viewpoint exceeding 180 degrees. Observation can be realized.
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。
That is, by using the wide viewing angle aerial
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。
FIG. 4 is a configuration diagram in which the retrospective transmission optical system 3 is tilted by 45 ° with respect to the light source 2. When the light source 2 is arranged directly behind the retrospective transmission optical system 3 with respect to the observation viewpoint as shown in FIGS. 1 to 3, the direct light from the light source 2 is observed, which hinders the perception of the
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。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration in which an
Until now, the light source was supposed to be a flat surface like a display, but the fact that a viewing angle of 180 ° or more can be realized means that the back side of the light source can be seen, so the light source 8 itself is just a mere It is effective to combine it with an object having a viewing angle of 180 ° or more, such as a real object, instead of a flat surface.
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。 For example, a three-dimensional object such as a figurine illuminated is equivalent to a light source having a viewing angle of 180 ° or more. By installing an object having such a depth at the position of the light source 8 of the present apparatus, an image having such a depth is formed in the air.
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。
However, in this device, among the light rays emitted by the light source 8, the light rays emitted by the portion close to the retrotransmission optical system are formed near the retrotransmission optical system, and the portion far from the retrotransmission optical system is formed in the distance. The optical depth of the
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。 As a method for solving this problem, it is conceivable to use two retrotransmission optical systems 3a and 3b and to invert the aerial image whose depth is inverted by another element. In this case, since the light from the light source 8 needs to pass through the two retrotransmission optical systems 3a and 3b in order to form the aerial image 8, it is created by using only one retrotransmission optical system 3. The viewing angle becomes even narrower than in the case of.
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。 Therefore, in the configuration shown in FIG. 5, the viewing angle can be theoretically expanded to about 180 ° by arranging the mirrors 4e and 4f symmetrically with respect to the two retrotransmitting optical systems 3a and 3b. ..
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。
FIG. 6 shows the first mirror 4a, the second mirror 4b, and the third mirror 4e with respect to the first retrotransmission optical system 3a and the second retrotransmission optical system 3b, which are two retrotransmission optical systems. And the fourth mirror 4f, the first half mirror 7c and the second half mirror 7d, and the third half mirror 7a and the fourth half mirror 7b are arranged at an angle (so as to be less than 90 °). It is a figure shown. With respect to the configuration shown in FIG. 5, the mirrors are tilted and arranged, and the third half mirror 7a and the fourth half mirror 7b are arranged inside the third mirror 4e and the fourth mirror 4f . Therefore, an observation viewing angle of 180 ° or more is realized. This makes it possible to see an aerial statue with the correct depth from the side or from behind.
On the other hand, FIG. 7 shows that the mirror of FIG. 6 is replaced with a curved mirror (a half mirror is a curved half mirror). Specifically, the mirrors 4a and 4b are curved mirrors 12a and 12b, the mirrors 4e and 4f are curved mirrors 12c and 12d, and the half mirrors 7a and 7b are curved half mirrors 13c and 13d. 7c and 7d are curved half mirrors 13a and 13b.
By using the curved mirror in this way, it is possible to solve the problem of aerial images due to unintended stray light and the problem of shielding light rays by the light source itself, which is a problem in an optical system that gives a viewing angle of 180 ° or more. At this time, the inclination of the curved mirror is designed so that the inclination gradually decreases from the minimum mirror angle at which the viewing angle is expanded as a reference.
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。
FIG. 8 is a diagram showing a configuration in which a multi-viewpoint display and one retrospective transmission optical system 3a are combined to form a stereoscopic image in the air.
Preparing a three-dimensional light source is not easy, and the configuration is limited. When trying to reproduce this on a display or the like, a multi-viewpoint display 11 capable of presenting images having different parallax with respect to the observation direction is effective. Since it has the same flat image plane as a flat display, this device can form a stereoscopic image in the air.
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。
However, since the number of viewpoints of many multi-viewpoint displays 11 does not exceed 10, it is not suitable for presenting a parallax image corresponding to observation from multiple viewpoints. Therefore, a method of rotating a general liquid crystal display or the like and displaying a parallax image according to the rotation angle can increase the number of reproduction fields of view. Further, a method of projecting a parallax image on a mirror rotating at high speed using a high-speed projector is also effective. By combining these with this device, it is possible to realize an aerial
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。 FIG. 9 is a diagram showing a configuration in which the mirror arrangement angle θ is 90 ° or more. The light transmission efficiency is better when the arrangement angle θ is 90 ° or less, but when the arrangement angle θ is more than 90 °, the observation unit of the device can be widened.
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θＭ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。
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。 FIG. 10 is configured to replace the mirrors 4a and 4b and the half mirrors 7a and 7b of FIG. 3 with curved mirrors 12a and 12b and curved half mirrors 13a and 13b, respectively, to realize an observation viewing angle of 180 ° or more. It is a configuration diagram. By using the curved mirrors 12a and 12b, it is possible to solve the problem of aerial images due to unintended stray light and the problem of shielding light rays by the light source itself, which is a problem in an optical system that gives a viewing angle of 180 ° or more.
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。 Based on the minimum mirror angle at which the viewing angle is expanded, which is obtained in FIG. 10, the mirror is bent so that the inclination gradually decreases from this angle, so that the viewing angle is 180 ° while widening the space. It can be expanded to the above maximum. In addition, since the mirror bends greatly by using a large space, the reflection angle just before the light source can be made larger than by tilting the planar mirror.
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。
From the above, according to the present invention, the presentation viewing angle of the aerial image is expanded (180 ° or more), and simultaneous observation by a large number of people becomes possible. What was actually for one person can be observed and experienced by surrounding it with a large number of people. In addition, by combining it with a display that can display parallax according to the position of the observation viewpoint, it becomes possible to observe a three-dimensional image floating in the air from various angles and even wrapping around behind.
In the present embodiment, only the horizontal direction (horizontal direction) is described for the expansion direction of the viewing angle, but the expansion direction is not limited to this and may be configured to be the vertical direction (vertical direction). ..
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。
The display method is described below.
In the display method of the present invention, the image signal output from the light source is reflected by the first and second mirrors symmetrically arranged at both ends of the light source and incident on the retrotransmitting optical element to display the retrotransmitting optical element. The transmitted image signal is reflected by the third and fourth mirrors symmetrically arranged at both ends of the retrotransmitting optical element to obtain an aerial image in the air.
In the case of FIG. 3, the aerial image is reflected by the first and second mirrors and incident on the retrotransmitting optical system, and the image signal transmitted from the mirrors is reflected and transmitted by the third and fourth half mirrors. To get.
In the case of FIG. 5, the light reflected by the mirror on the stereoscopic light source 8 side of the retrotransmitting optical system 3a is incident on the retrotransmitting optical system 3a and reflected by the mirrors 4a and 4b on the right side of the retrotransmitting optical system 3a to form an aerial image. Present. Using the aerial image as a light source, incident and reflection are performed by the mirrors before and after the retrotransmitting optical system 3b, and finally an aerial image with a correct depth is formed.
The case of FIG. 6 is basically the same as the case of FIG. Since the right side of the retrospective transmission optical system 3a is a half mirror, not only reflection but also reflection and transmission are elements for presenting an aerial image.
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
1 Wide viewing angle aerial image display device 2 Light source 3a, 3b Retro transmission optical system 4a-
Claims (7)
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。 A light source that outputs image signals and
A retrotransmitting optical system that acquires an image signal output from the light source and forms an aerial image in the air.
A first mirror and a second mirror arranged so as to sandwich the light source and the retrotransmission optical system at the end edge of the retrotransmission optical system.
A third mirror and a fourth mirror arranged so as to sandwich the aerial image and the retrotransmission optical system are provided at the end edge of the retrotransmission optical system.
The angle between the first mirror and the retrotransmitting optical system and the angle between the second mirror and the retrotransmitting optical system are all less than 90 °.
A wide viewing angle aerial image display device in which the angle between the third mirror and the retrotransmitting optical system and the angle between the fourth mirror and the retrotransmitting optical system are all less than 90 °.
請求項１に記載の広視野角空中映像表示装置。 The wide viewing angle aerial image display device according to claim 1, wherein the light source and the aerial image are plane-symmetrical with respect to the retrospective transmission optical system.
請求項１または２に記載の広視野角空中映像表示装置。 The wide viewing angle aerial image display device according to claim 1 or 2, wherein the third mirror and the fourth mirror are both half mirrors.
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。 A light source that outputs image signals and
A retrotransmitting optical system that acquires an image signal output from the light source and forms an aerial image in the air.
A first curved mirror and a second curved mirror arranged so as to sandwich the light source and the retrotransmitting optical system at the end edge of the retrotransmitting optical system.
A third curved surface mirror and a fourth curved surface mirror arranged so as to sandwich the aerial image and the retrospective transmission optical system are provided at the end edge of the retrotransmission optical system .
The first curved surface mirror and the second curved surface mirror arranged at both ends of the light source, and the third curved surface mirror and the fourth curved surface mirror arranged at both ends of the aerial image are output from the light source. A wide viewing angle aerial image display device that reflects the image signal.
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。 A stereoscopic light source that outputs stereoscopic image signals and
A first retrotransmission optical system that acquires an image signal output from the stereoscopic light source and forms an aerial image in the air.
A second retrotransmitting optical system arranged at a position closer to the three-dimensional light source than the first retrotransmitting optical system,
Along with the second retrotransmitting optical system, a first mirror and a second mirror arranged so as to surround the three-dimensional light source ,
A first half mirror and a second half mirror arranged so as to surround the aerial image together with the first retrotransmission optical system .
A third mirror between the first retrotransmitting optical system and the second retroreflecting optical system, which is concatenated with the first mirror and the first half mirror.
A fourth mirror between the first retrotransmitting optical system and the second retroreflecting optical system, which is connected to the second mirror and the second half mirror.
A third half mirror and a fourth half that are inside the third mirror and the fourth mirror and are placed across a depth-inverted aerial image generated by the second retrospective transmission optical system. With a mirror,
The angle between the first mirror and the second retrotransmitting optical system and the angle between the second mirror and the second retrotransmitting optical system are both less than 90 °.
The angle between the third half mirror and the second retroreflecting optical system, and the angle between the fourth half mirror and the second retroreflecting optical system are both less than 90 °.
The angle between the first half mirror and the first retrotransmission optical system, and the angle between the second half mirror and the first retrotransmission optical system are both less than 90 °.
The angle between the third mirror and the first retrotransmitting optical system, and the angle between the fourth mirror and the first retrotransmitting optical system are both less than 90 °.
Wide viewing angle aerial image display device.
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。 A stereoscopic light source that outputs stereoscopic image signals and
A first retrotransmission optical system that acquires an image signal output from the stereoscopic light source and forms an aerial image in the air.
A second retrotransmitting optical system arranged at a position closer to the three-dimensional light source than the first retrotransmitting optical system,
A first curved surface mirror and a second curved surface mirror arranged so as to surround the three-dimensional light source together with the second retrospective transmission optical system .
A first curved surface half mirror and a second curved surface half mirror arranged so as to surround the aerial image together with the first retrograde transmission optical system .
A third curved surface mirror between the first retrospective transmission optical system and the second retrograde transmission optical system, which is connected to the first curved surface mirror and the first curved surface half mirror.
A fourth curved surface mirror between the first retrospective transmission optical system and the second retrograde transmission optical system, which is connected to the second curved surface mirror and the second curved surface half mirror.
A third curved surface half mirror and a third curved surface half mirror inside the third curved surface mirror and the fourth curved surface mirror and arranged across a depth-inverted aerial image generated by the second retrospective transmission optical system. A wide viewing angle aerial image display device including 4 curved half mirrors.
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。 A light source that outputs image signals and
A retrotransmitting optical system that acquires an image signal output from the light source and forms an aerial image in the air.
A first mirror and a second mirror arranged so as to sandwich the light source and the retrotransmission optical system at the end edge of the retrotransmission optical system.
A third mirror and a fourth mirror arranged so as to sandwich the aerial image and the retrotransmission optical system are provided at the end edge of the retrotransmission optical system.
The angle between the first mirror and the retrotransmitting optical system, and the angle between the second mirror and the retrotransmitting optical system are all set to exceed 90 °.
The angle between the third mirror and the retrotransmitting optical system, and the angle between the fourth mirror and the retrotransmitting optical system are all set to exceed 90 °.
A wide-viewing-angle aerial image obtained by reflecting an image signal transmitted through the retro-transmissive optical system by the third mirror and the fourth mirror arranged at both ends of the retro-transmissive optical system to obtain an aerial image in the air. Display device.
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