CN110412822A - 立体面显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供无运动机构且将图像适当地显示于球面等立体显示面的大的范围的立体面显示装置。立体面显示装置(1)构成为从内侧将图像光投影并显示于立体面状且半透明的屏幕(11)，而且具备：台座(12)，其从下方支撑屏幕(11)；投影仪(13)，其配置于台座的内部，且向斜上方射出图像光；以及反射镜(14)，其沿垂直方向竖立设置于屏幕的内部，且将从投影仪射出的图像光反射而投影至屏幕的内表面。反射镜(14)的外周为与设置反射镜的位置处的屏幕(11)的垂直截面形状一致的形状。另外，用黑色的背景图像置换从投影仪(13)射出的图像光中的不被反射镜(14)反射的部分。

Description

立体面显示装置

本申请要求2018年4月26日提交的日本专利申请JP2018-084935号的优先权，并将其内容通过引用并入本申请。

技术领域

本发明涉及以与用户的交流为目的在立体面显示面部表情等的立体面显示装置。

背景技术

已经发布了一种机器人，其以与人的交流为目的，使人温和并带去欢乐。例如日本特开2006-43780号公报公开了一种具有表情显示单元的交流机器人，该表情显示单元，使基于感情状态生成的表情作为图像在相当于面部的部位显示于曲面显示器上。而且，该机器人构成为：为了作为表情的一部分还包括头的运动，具备将图像显示机和运动机构一体化而成的机构。

发明内容

在上述的交流机器人中，使用生成面部表情的图像并投影至相当于面部的曲面显示器的投影仪，另外，由于显示面为球面状，因此，构成为经由可进行广角投影的鱼眼镜头来投影。此时，由于是将来自投影仪的射出图像经由投影镜头直接投影至曲面显示器的方式(直接投影方式)，因此需要确保包括投影仪的相距显示器的距离(投影距离)，存在装置尺寸大型化的问题。即，若为了将装置尺寸小型化而缩短投影距离，则无法在曲面显示器的大的区域显示，机器人的交流能力降低。进一步地，在日本特开2006-43780号公报中，为了配合用户的位置改变面部图像的显示位置(显示方向)而具备运动机构，因此，装置结构复杂。另外，在以直接投影方式在球面的不同位置显示相同的图像的情况下，需要根据显示位置校正应生成的图像，内容作成的可操作性差也成为课题。

本发明的目的在于提供在球面等立体显示面的大范围内无运动机构地适当显示图像的立体面显示装置。

本发明为一种立体面显示装置，其从内侧将图像光投影并显示于立体面状且半透明的屏幕，且具备：台座，其从下方支撑上述屏幕；投影仪，其配置于上述台座的内部，且向斜上方射出图像光；以及反射镜，其沿垂直方向竖立设置于上述屏幕的内部，且将从上述投影仪射出的图像光放射而投影至上述屏幕的内表面。在此，上述反射镜的外周为与设置该反射镜的位置处的上述屏幕的垂直截面形状一致的形状。另外，用黑色的背景图像置换从上述投影仪射出的图像光中的不被上述反射镜反射的部分。

根据本发明，能够提供一种在球面等立体显示面的大的范围内无运动机构地适当显示图像的立体面显示装置。

附图说明

结合附图，通过以下描述，本发明的上述及其它特征、目的以及优点将变得更加明显，其中：

图1A是表示实施例1的立体面显示装置1的外观的图。

图1B是立体面显示装置1的去除了布罩的外观图。

图2A是表示立体面显示装置1的内部结构的剖视图。

图2B是表示从投影仪13投影的状态的图。

图2C是表示反射镜14的形状的图。

图2D是表示点亮辅助光源105的状态的图。

图3是比较立体面显示装置1的外形(有台阶)的图。

图4是比较投影仪13的设置高度的图。

图5是表示立体面显示装置1的系统结构的块图。

图6A是表示球面屏幕11上的投影图像的一例的图。

图6B是表示用户2使用立体面显示装置1的状态的图。

图7是表示立体面显示装置1显示的各种表情的例的图。

图8是从装置尺寸和投影范围的观点比较实施例的效果的图。

图9是从内容作成的观点比较实施例的效果的图。

图10A是说明双重投影的发生机制的图(实施例2)。

图10B是表示与成为双重投影的投影光对应的图像的范围的图。

图11A是表示用于防止双重投影的图像置换处理的图。

图11B是说明使用鱼眼镜头时的图像置换处理的图。

图12是表示屏幕的形状的变形例的图。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施方式详细进行说明。

【实施例1】

图1A是表示立体面显示装置1的外观的图。(a)是立体图，(b)是俯视图，(c)是主视图，(d)是右侧视图，(e)是后视图。另外，图1B是表示立体面显示装置1的去除了布罩20时的外观的图。(a)是立体图，(b)是主视图，(c)是后视图。

立体面显示装置1的外形由球面屏幕11和从下方支撑球面屏幕11的台座12构成，将其边界用11c表示。此外，球面屏幕11的形状不限于此，也可以是其它立体面的形状。球面屏幕11由丙烯酸树脂等半透明材料构成，其内部为中空，在背面侧的用虚线11m表示的位置，沿垂直方向竖立设置有后述的反射镜14。此外，球面屏幕11能够以虚线11m的位置为边界分割成前后两个部件。在装置下部的台座12内，如后述那样地具备投影仪13，将所期望的图像(例如具有表情的面部、眼睛等图像)经由反射镜14投影并显示于球面屏幕11(需要说明的是，比反射镜14更靠前表面侧的区域)。

台座12的下端周围被布罩20覆盖。在台座12的内部，除了投影仪13、反射镜14，还收纳有图像生成部、摄像头107、麦克风109、扬声器111等。在台座12的正面设有用于供摄像头107拍摄周围的孔15。若卸下布罩20，则能够看到用于供麦克风109收集周围的声音的孔16、扬声器111的孔17。在台座12的背面设有配线孔19。

图2A是表示立体面显示装置1的内部结构的剖视图。此外，剖视图的切断位置是图1A(c)主视图的A-A’位置。

在装置内部具有作为图像显示光学系统的投影仪13和反射镜14。投影仪13倾斜的设置于台座12的内部，且是向球面屏幕11投影预定的图像的装置。反射镜14垂直地竖立设置于球面屏幕11内的背面侧，且其上端部14a连接于球面屏幕11的内侧。投影仪13例如在内部具有光源和液晶显示元件，并将由液晶显示元件生成的图像经由广角的投影镜头射出。反射镜14为了使从投影仪13射出的图像光反射而将投影仪13侧设为镜面。此外，反射镜14的背侧设为反光板，构成为反射后述的辅助光源105的照明光。另外，具备探测装置外部的用户的摄像头107、与用户之间进行声音的输入输出的麦克风109、扬声器111。辅助光源105是用于对反射镜14的背面区域进行照明的光源(LED等)。此外，在台座12的内部收纳有用于控制并驱动投影仪13、摄像头107等的未图示的电路部件。

图2B是表示从投影仪投影的状态的图。从投影仪13向斜上方射出的图像光被反射镜14反射而投影至球面屏幕11的内表面。用户能够从立体面显示装置1的外部视觉确认投影的图像。球面屏幕11上的投影范围是比反射镜14靠前表面侧的由符号11a表示的范围，比反射镜14靠背面侧的由符号11b表示的范围不被投影。由此，相对于球面屏幕11的反射镜上端部14a的位置决定投影范围11a的大小，在本实施例中，确保投影范围11a尽可能大，用户即使从球面屏幕11的正上方也能够看到图像。

图2C是表示反射镜14的形状的图，表示在图1A(b)的B-B’截面位置(虚线11m的位置)上从反射面侧观察的状态。在包括反射镜上端部14a的反射镜外周部，球面屏幕11和反射镜14无间隙地接合。也就是，球面屏幕11内的反射镜14的外周形状形成为与球面屏幕11的截面形状一致的形状(该情况下为圆形)，且形成为在其连接部无间隙的形状。

图2D表示点亮辅助光源105的状态的图。从投影仪13射出的图像光被反射镜14反射，因此，向其背面侧不投影。即，球面屏幕11的背面区域11b为黑状态，保持这种状态会给用户带来违和感。因此，在通过投影仪13投影的过程中，点亮设于反射镜14的背面下部的辅助光源105，照射球面屏幕11的背面区域11b(用剖面线表示)。来自辅助光源105的射出光被反射镜14的背侧的反光板反射，能够高效地对背面区域11b进行照明。此时，通过使背面区域11b的亮度与图2B中通过投影仪13投影时的投影区域11a的亮度大致相等，从而整个球面屏幕11以均匀的亮度发光，外观良好。

在此，期望从投影仪13射出的图像光被反射镜14反射，且无欠缺地投影至球面屏幕11的投影区域11a。即，期望在投影区域11a不产生影。对以此为目的的立体面显示装置1的外形、以及投影仪13与反射镜14的位置关系详细进行说明。

首先，考察立体面显示装置1的外形。在本实施例中，如上述图1A、图1B所示，球面屏幕11与台座12的边界部11c形成为通过无台阶的面连接的形状。与之相对，图3是表示两者的边界部11c不连续且具有台阶11d的情况的图。在图3(a)的比较例1中，设为台座12比球面屏幕11向外侧突出的形状，由于投影光200(来自反射镜14的反射光)不会被台阶11d遮挡，因此这是被允许的。

但是，如图3(b)的比较例2那样，在设为台座12比球面屏幕11向内侧凹陷的形状的情况下，投射光200的一部分被该台阶部分11d遮挡，在剖面线部分产生影S(渐晕)。因此，需要设为球面屏幕11和台座12由没有台阶的面连接的形状、或者台座12比球面屏幕11向外侧突出的形状(比较例1)。

接着，考察投影仪13的设置高度。在本实施例中，如图4(a)那样，投影仪13的射出位置配置于比球面屏幕11与台座12的边界位置11c靠下侧。由此，投射光200(来自反射镜14的反射光)不会被投影仪13自身遮挡。与之相对，如图4(b)的比较例3那样，若将投影仪13的射出口13a设于比边界位置11c靠上侧，则投射光200的一部分被投影仪13的射出口13a遮挡，在剖面线部分产生影S(渐晕)。此外，即使在将投影仪13的射出口13a配置于比边界位置11c靠下侧的情况下，也需要以投射光200不会被投影仪13以外的其它零件(摄像头107等)遮挡的方式配置。

这样，投影仪13配置于比球面屏幕11与台座12的边界位置11c靠下侧，因此，反射镜14的位置也与之相应地配置。即，反射镜14的下端14b需要延伸配置至台座12部分，以能够反射来自投影仪13的图像光。

图5是表示立体面显示装置1的系统结构的块图。立体面显示装置1为了驱动控制投影仪13、摄像头107、麦克风109、扬声器111、辅助光源105等，而具有控制部101、存储部102、图像生成部103、通信接口104、输入部106、输出部110。

控制部101由执行程序的处理器构成。存储部102由存储程序、数据的存储器构成。存储器包括作为非易失性存储元件的ROM及作为易失性存储元件的RAM。ROM存储不变的程序(例如，OS)等。RAM是DRAM(Dynamic Random Access Memory)那样的高速且易失性的存储元件，临时存储处理器执行的程序及执行程序时使用的数据。通过处理器执行存储于存储器的程序，立体面显示装置1实现各功能。

图像生成部103生成利用投影仪13显示的图像。即，根据输入至摄像头107、麦克风109等的周围的状况，从存储于存储部102的图像内容选择利用投影仪13显示的内容。例如，选择图6A所示的模仿眼睛的图像内容30。进一步地，根据周围的状况控制显示内容的位置。通信接口104使用预定的协议与其它外部装置通信。

摄像头107对立体面显示装置1的周围的图像进行拍摄。摄像头107拍摄的图像可以是动态图像，也可以是静态图像。摄像头107拍摄出的图像用于使用面部识别技术来识别用户及其位置。此时，也可以通过通信接口104将拍摄图像传送给外部装置而由外部装置进行面部认证。就摄像头107而言，为了拍摄周围的图像，可以是能够拍摄半球的鱼眼摄像头，或者也可以通过两个以上的摄像头包含背面侧对全方位进行拍摄。

辅助光源105是用于对球面屏幕11内的反射镜14的背面区域进行照明的光源。辅助光源105优选与投影仪13的投影动作联动地点亮。

麦克风109收集周围的声音(例如，用户发出的声音)并转换为电信号。麦克风109可以是全向性的，也可以具有定向性。若使用定向性麦克风，则能够根据声音的到来方向特定说话者的位置，通过向说话者的方向显示预定的图像，能够以使立体面显示装置1与说话者面对面交流的方式进行控制。输入部106将来自摄像头107、麦克风109等输入设备的信号输送至控制部101。

投影仪13是将由图像生成部103生成的图像投影至球面屏幕11的装置。扬声器111产生由控制部101所产生的电信号转换成的声音(例如，针对用户的语言、警报声等)。输出部110将来自控制部101的信号输送至投影仪13、扬声器111等输出装置。

另外，虽然未图示，但也可以具有检测在立体面显示装置1的周围是否有人的人体传感器、探测立体面显示装置1的周围的环境的传感器。控制部101在基于这些传感器的检测结果探测到异常的情况下，能够从投影仪13、扬声器111通过图像、声音向周围发出警报、经由通信接口104向外部装置通报。

图6A是表示球面屏幕11上的投影图像的一例的图，是从正面侧观察的状态。例如，在球面屏幕11显示模仿眼睛的图像内容30。由此，能够作出将球面屏幕11模仿成面部的面部(眼睛)的表情。该图像内容30能够显示于球面屏幕11中的比反射镜14靠前表面侧的任意的位置(图2B的区域11a)。不言而喻，也能够显示跨整个区域11a的图像内容。

图6B是表示用户2使用立体面显示装置1的状态的图。立体面显示装置1设置于用户2附近，主要通过声音与用户2进行交流。也就是，立体面显示装置1根据来自用户2的呼叫、对用户2的询问，作出用图像内容30表示的面部(眼睛)的表情，另外，能够改变表情。进一步地，也能够使图像内容30在球面屏幕11上移动而改变形状来显示。

图7是表示立体面显示装置1显示的各种表情的例的图。在此，表示在与用户2的交流动作中改变面部(眼睛)的表情而显示于球面屏幕11上的各种图像内容30。

(a)从待机模式向对话模式转移时，眼睛周围的图案短时间各种(随机)变化。(b)与启动声一同显示眼睛。(c)静止状态。(d)问候的表情。(e)致谢的表情。(f)明白的表情。(g)考虑中的表情。(h)拜托的表情。(i)困倦的表情。(j)对话结束并转移至待机模式的无表情。这样，立体面显示装置1能够通过使眼睛周围的图案(图像内容30)各种改变来与用户进行交流。

接着，与现有的结构比较地来说明本实施例的立体面显示装置1的效果。

图8是从装置尺寸和投影范围的观点比较本实施例的效果的图。(a)表示本实施例的情况，(b)作为比较例4表示直接投影方式(倾斜投影)的情况。在(a)的本实施例的结构中，使用反射镜14反射投影仪13的图像光而投影至球面屏幕11。由此，能够进行由投影距离的缩短而带来的装置的小型化和投影范围11a的扩大。

与之相对，在(b)的比较例4中，为了进行直接投影，构成为收纳投影仪13的台座12向背面方向大幅突出，不能避免装置的大型化。另外，由于图像光被球面屏幕11的背面端部11e遮挡，因此，投影范围11a变小。

因此，在(b)的比较例4中，为了改变球面屏幕11上的显示位置，需要例如使投影仪13移动的运动机构。与之相对，在(a)的本实施例中，投影范围11a扩大，因此，不需要具备用于改变显示位置的运动机构，具有能够简化装置结构的效果。

图9是从内容作成的观点比较本实施例的效果的图。(a)表示想要显示的图像的例，假设在球面屏幕11上的不同的位置A、B、C显示内容30的情况。(b)(c)是本实施例的反射镜反射型投影方式的情况，将应作成的内容的布局表示于(b)。(d)(e)作为比较例5是直接投影方式的情况，将应作成的内容的布局表示于(d)。此外，在(e)的比较例5中，构成为，将投影仪13配置为竖直向上，经由鱼眼镜头在球面屏幕整个区域显示图像。

通常，利用投影仪投影的图像内容的制作使用PC用的监视器来作业。在如(a)那样将内容30投影至球面屏幕11的大范围时，为了不变形地显示图像内容，需要进行内容的校正。例如，在从位置B向C左右平行移动内容(对象)的动画的情况下，在(e)的直接投影方式中，如(d)那样，需要以从画面中央呈圆弧状旋转的方式移动对象。与之相对，在(c)的反射镜反射型投影方式中，因显示位置而引起的对象的变形小，因此，不需要进行特殊的校正，只要如(b)那样直接平行移动对象即可。也就是，在本实施例的情况下，作业用监视器上的对象的移动和显示于屏幕的对象的移动大致一致，因此，具有容易进行内容制作作业的优点。

此外，记入(b)(d)的虚线圆33表示使用鱼眼镜头进行投影时的投影范围，(b)中的符号31的部分是用于防止双重投影的背景图像(黑色)。关于这这些，在实施例2中进行说明。

【实施例2】

在实施例2中，对防止从投影仪射出的图像光中由于在反射镜未反射而直接投影至球面屏幕11而产生的双重投影的结构进行说明。

图10A是说明双重投影的发生机制的图。从投影仪13射出的图像光的方向不一定都落入反射镜14的范围，有时会超过反射镜的上端部14a。例如，光线301被反射镜14反射而投影至球面屏幕11上的符号303的位置，但光线302超过上端部14a，且直接投影至球面屏幕11上的符号303的位置。其结果，在球面屏幕11上的位置303，相互不同的信号(图像)的光线301和光线302重叠投影，成为双重图像，成为看不清楚的显示。

图10B是表示与成为双重投影的投影光对应的图像的范围的图。(a)表示成为双重投影的投影光的范围，用α表示投影仪13的射出光中超过反射镜的上端部14a而直接投影至球面屏幕11的范围。另外，用β表示投影仪13的射出光中被反射镜14反射后投影至上述直接投影范围α的范围。即，直接投射光α和反射投影光β在球面屏幕11上重叠，成为双重投影的范围。

(b)是从装置正面侧((a)的箭头方向)观察从投影仪13射出的图像光的区域(矩形状)的图。与(a)对应地示出了直接投影范围α和与之重叠的反射投影范围β。这些范围α、β随着球面屏幕的剖面形状(即反射镜14的外周形状)而为圆弧状。而且，直接投影的范围α的图像翻转重叠显示于由反射镜14反射的范围β的图像。

图11A和图11B是表示用于防止双重投影的图像置换处理的图。如图11A所示，将图10B(b)所示的图像中的相当于成为双重投影的原因的直接投影范围α的图像部分用黑色的背景图像31置换，并从投影仪13射出。由此，即使直接投影范围α的图像与反射投影范围β的图像重叠，用户也仅能够视觉确认由反射镜14反射的有效的范围β的图像。置换为该背景图像31的处理通过图像生成部103进行。此外，置换成背景图像31的圆弧状的边界线32的位置和形状根据反射镜14的外周形状决定，从而能够显示具有清晰的边界的图像。

图11B是说明使用鱼眼镜头时的图像置换处理的图。在本实施例的立体面显示装置1中，为了以短距离广角地投影图像，投影仪13的投影镜头使用鱼眼镜头。由于利用鱼眼镜头投影图像，因此，即使图像范围为矩形，也只投影虚线圆33的内侧，外侧的四个角的图像不被投影(在镜头的筒的部分，图像渐晕，因此成为圆形)。

因此，用于防止双重投影的背景图像31仅虚线圆33的内侧具有意义，虚线圆33的外侧可以是任意的图像。在该图中，虚线圆33的外侧的背景图像31设为左右不同的图案。虚线圆33的位置、大小根据鱼眼镜头的性能而改变。在上述的图9(b)(d)中记载了伴随着使用鱼眼镜头的虚线圆33。

在以上的说明中，投影的屏幕设为球面，但屏幕的形状不限于此。例如，也可以是图12所示那样的圆锥形(a)、圆柱形(b)等具有曲面的立体面形状、八面体、正十二面体那样的多面体形状。需要说明的是，若面朝向屏幕的内侧弯折(具有谷折形状)，则有时投影图像被遮挡，因此，作为屏幕的形状，不推荐。

另外，反射镜的形状设为平面，但也可以与屏幕的形状相匹配地设为曲面。例如通过将反射面设为凸面形状，容易进行向立体面的大的范围的投影，另外，也能够容易地校正与立体面上的显示位置相应的图像变形。

此外，本发明不限定于上述的实施例，包含各种变形例及同等的结构。例如，上述的实施例是为了容易理解地说明本发明而详细说明的例，本发明并不限定于必须具备所说明的全部结构。另外，关于各实施例的结构的一部分，也可以进行其它结构的追加、削除、置换。

另外，上述的各结构、功能、处理部等可以将它们的一部分或者全部通过例如利用集成电路进行设计等以硬件的形式实现，也可以通过处理器解释并执行实现各个功能的程序而以软件的形式实现。

Claims (5)

1.一种立体面显示装置，其从内侧将图像光投影并显示于立体面状且半透明的屏幕，上述立体面显示装置的特征在于，具备：

台座，其从下方支撑上述屏幕；

投影仪，其配置于上述台座的内部，且向斜上方射出图像光；以及

反射镜，其沿垂直方向竖立设置于上述屏幕的内部，且将从上述投影仪射出的图像光反射而投影至上述屏幕的内表面，

上述反射镜的外周为与设置该反射镜的位置处的上述屏幕的垂直截面形状一致的形状。

2.根据权利要求1所述的立体面显示装置，其特征在于，

在上述屏幕与上述台座的边界部，设为上述屏幕和上述台座通过没有台阶的面连接的形状、或者上述台座比上述屏幕向外侧突出的形状。

3.根据权利要求2所述的立体面显示装置，其特征在于，

上述投影仪的射出口的位置配置于比上述屏幕与上述台座的边界位置靠下方，

上述反射镜的下端位置延伸至比上述屏幕与上述台座的边界位置靠下方。

4.根据权利要求1所述的立体面显示装置，其特征在于，

在上述台座的内部，在上述反射镜的背面侧下部设有辅助光源，该辅助光源对上述屏幕中的上述反射镜的背面侧的区域进行照明。

5.根据权利要求1所述的立体面显示装置，其特征在于，

用黑色的背景图像置换从上述投影仪射出的图像光中的不被上述反射镜反射的部分。