JP2012008301A - Volume-scanning type 3d image display device - Google Patents

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JP2012008301A JP2010143460A JP2010143460A JP2012008301A JP 2012008301 A JP2012008301 A JP 2012008301A JP 2010143460 A JP2010143460 A JP 2010143460A JP 2010143460 A JP2010143460 A JP 2010143460A JP 2012008301 A JP2012008301 A JP 2012008301A
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Daisuke Miyazaki
大介 宮崎
Satoshi Maekawa
聡 前川
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Osaka University NUC
National Institute of Information and Communications Technology
Osaka City University
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Osaka University NUC
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a 3D image display device whose scanning optical system can be compactly configured and that can alleviate the problem of increased vibration and noise when driven, be more easily increased in size than conventional optical systems and display larger 3D pictures.SOLUTION: A volume-scanning type 3D image display device comprises a display unit that displays images as objects of projection, a scanning element that varies the angle of emission relative to the angle of incidence by curving incident light from the display unit and whose face can rotate in a state of being orthogonal to or inclined relative to the direction of incidence of the incident light from the display unit, and an image forming element that causes the light emitted from the scanning element to form an image.

Description

本発明は、体積走査方式により立体空中映像を表示することができる3次元映像表示装置に関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional video display device capable of displaying a stereoscopic aerial video by a volume scanning method.

近年、立体映像を閲覧可能とする技術が開発されてきている。現在実用化されている立体表示装置の多くは、立体視要因のうち両眼視差のみを利用するものが多いが、立体像を閲覧するときの焦点調節や輻輳等の条件を満たすことができないことにより、長時間見ることで目が疲労するなどといった問題もあり、より利用しやすい技術が望まれているところである。 In recent years, techniques for enabling viewing of stereoscopic images have been developed. Many of the stereoscopic display devices in practical use currently use only binocular parallax among the stereoscopic viewing factors, but cannot meet the conditions such as focus adjustment and convergence when viewing stereoscopic images. Therefore, there is a problem that eyes are fatigued by watching for a long time, and a technique that is easier to use is desired.

例えば、下記非特許文献1には体積走査法による3次元映像表示装置が開示されている。図11に、この3次元映像表示装置の概略構成図を示す。結像光学系として共焦点凸レンズを用いており、高速表示が可能な2次元ディスプレイを光学系の光軸に対して傾けて配置し、ミラースキャナ、ガルバノミラー等により光軸に対して傾いた2次元像を移動させ、それにあわせて2次元ディスプレイに表示物体の断面像を表示させることにより、3次元像を形成する。これによれば、3次元実像が形成されているので、眼鏡などの装着物は不要であり、人の立体視知覚要因を全て満たすことが期待される。 For example, the following non-patent document 1 discloses a three-dimensional image display device based on a volume scanning method. FIG. 11 shows a schematic configuration diagram of the 3D video display apparatus. A confocal convex lens is used as the imaging optical system, and a two-dimensional display capable of high-speed display is arranged inclined with respect to the optical axis of the optical system, and is inclined with respect to the optical axis by a mirror scanner, a galvanometer mirror, or the like. A three-dimensional image is formed by moving the two-dimensional image and displaying a cross-sectional image of the display object on the two-dimensional display accordingly. According to this, since a three-dimensional real image is formed, a wearing object such as eyeglasses is unnecessary, and it is expected to satisfy all the factors of human perception of stereoscopic vision.

図12は、別の3次元映像表示装置を示す概略構成図である。この装置では、結像素子として透過型面対称結像光学素子を用いている。透過型面対称結像光学素子は、下記特許文献1に開示されているように、被投影物をその光学系に設定される対称面に対する面対称位置に等倍の実像として歪みなく結像させるものである。この素子を結像に使うと、焦点距離に制限されない自由な位置に像を形成でき、凸レンズで発生する像の歪みも存在しない。 FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing another three-dimensional video display device. In this apparatus, a transmissive surface-symmetric imaging optical element is used as the imaging element. The transmission-type plane-symmetric imaging optical element forms a projection object without distortion as a real image at an equal magnification in a plane-symmetric position with respect to a symmetry plane set in the optical system, as disclosed in Patent Document 1 below. Is. When this element is used for imaging, an image can be formed at a free position that is not limited by the focal length, and there is no distortion of the image generated by the convex lens.

“Volumetric display systembased on three-dimensional scanning ofinclined optical image”、Daisuke Miyazaki et al,、Optic Express、Vol.14 Issue 26、pp12760−12769“Volumetric display systembased on three-dimensional scanning of inclined optical image”, Daisuke Miyazaki et al, Optic Express, Vol. 14 Issue 26, pp12760-12769

特開2009−75483号公報JP 2009-75483 A

しかし、上述の3次元映像表示装置は、走査素子としてミラーを用いているため、表示像の観察が可能な角度はミラーサイズにより制限される。ミラーのサイズを拡張すると大きな駆動力が必要となり、さらに振動や騒音が大きくなることが問題であった。また,反射光学系にする必要があるため、光学系の構成が複雑になり、システムの小型化が困難であった。 However, since the above-described 3D video display apparatus uses a mirror as a scanning element, the angle at which the display image can be observed is limited by the mirror size. When the size of the mirror is expanded, a large driving force is required, and further, vibration and noise increase. Further, since it is necessary to use a reflection optical system, the configuration of the optical system is complicated, and it is difficult to reduce the size of the system.

一方、図12に示すような透過型面対称結像光学素子を用いる技術においても、ミラースキャナがあることにより映像を大きくする場合には走査体積が著しく増大するため,装置が大型化し,駆動時の振動等の問題を解決することが難しいという問題があった。 On the other hand, even in the technique using the transmissive surface-symmetric imaging optical element as shown in FIG. 12, when the image is enlarged due to the presence of the mirror scanner, the scanning volume is remarkably increased. There was a problem that it was difficult to solve problems such as vibration.

本発明は、上記問題点を解消することを目的に提案されたもので、装置の小型化と構造の簡易化を可能となるとともに、光学素子と結像位置との距離を短くして回折によるボケを抑えることができる3次元映像表示装置を提供することを主たる目的とする。 The present invention has been proposed for the purpose of solving the above-described problems, and enables downsizing of the apparatus and simplification of the structure, as well as shortening the distance between the optical element and the imaging position, thereby enabling diffraction. A main object is to provide a three-dimensional video display device capable of suppressing blur.

本発明の3次元映像表示装置は、被投影物として映像を表示するディスプレイと、上記ディスプレイからの入射光を屈曲させて入射角度に対する出射角度を変える、素子面がディスプレイからの入射光の入射方向に対して直交又は傾斜した状態で設けられ、その直交又は傾斜した角度を維持して回転可能な走査素子と、上記走査素子から出射する光を結像させる結像素子とを備える。 The three-dimensional image display apparatus of the present invention includes a display that displays an image as a projection object, and changes the exit angle with respect to the incident angle by bending the incident light from the display, and the element surface has an incident direction of incident light from the display. And a scanning element that can be rotated while maintaining the orthogonal or inclined angle, and an imaging element that forms an image of light emitted from the scanning element.

ここで、走査素子による入射光の屈曲とは、屈折だけでなく反射や回折も含み、具体的には、屈折させるプリズムや、反射させるミラーや、回折させる回折素子等が本発明の走査素子に該当する。なお、プリズムを用いる場合には、細長いプリズム板を断面鋸刃状に配置したプリズムシートを用いても良いし,ミラーを用いる場合には,前記プリズムシートにミラーコートを施したものを用いても良い。 Here, the bending of the incident light by the scanning element includes not only refraction but also reflection and diffraction. Specifically, a prism to be refracted, a mirror to be reflected, a diffraction element to be diffracted, and the like are included in the scanning element of the present invention. Applicable. In the case of using a prism, a prism sheet having a long and narrow prism plate arranged in a saw blade shape may be used. In the case of using a mirror, a prism sheet having a mirror coating applied may be used. good.

走査素子を回転させると、それに合わせて像の形成位置は、円を描くように移動する。走査素子を目の残像しきい値より早く回転させ、像の位置に応じて3次元物体の断面像を2次元空間光変調デバイスに表示させると、残像により全ての断面像を観察できるようになり、3次元像を形成することができる。 When the scanning element is rotated, the image forming position is moved in a circle. When the scanning element is rotated faster than the afterimage threshold of the eye and the cross-sectional image of the three-dimensional object is displayed on the two-dimensional spatial light modulation device according to the position of the image, all cross-sectional images can be observed by the afterimage. A three-dimensional image can be formed.

回転可能な走査素子を用いることにより、コンパクトな光学系を構成できる。また、走査素子を素子面が入射光の入射方向に対して直交又は傾斜した状態で設け、その直交又は傾斜した角度を維持しながら面内方向で回転させるため、面積が大きくなってもミラースキャナに比べると駆動時における振動や騒音が大きくなるといった問題は軽減される。 A compact optical system can be constructed by using a rotatable scanning element. In addition, since the scanning element is provided in a state where the element surface is orthogonal or inclined with respect to the incident direction of incident light and is rotated in the in-plane direction while maintaining the orthogonal or inclined angle, the mirror scanner can be used even when the area increases. Compared to the above, the problem of increased vibration and noise during driving is reduced.

また、上記結像素子として、上記走査素子から出射する光を結像素子の素子面に対する面対称位置に等倍の実像として結像させる透過型面対称結像光学素子を用いることができる。ここで、結像素子の素子面とは、走査素子からの光が入射する平面をいい、被投影物を面対称位置に実像として結像させる場合の対称面となっている。透過型面対称結像光学素子を用いることで、焦点距離に制限されない自由な位置に像を形成でき、通常のレンズで発生する像の歪みも存在しない。 Further, as the imaging element, a transmissive surface-symmetric imaging optical element that forms the light emitted from the scanning element as a real image at an equal magnification in a plane symmetry position with respect to the element surface of the imaging element can be used. Here, the element surface of the imaging element refers to a plane on which light from the scanning element is incident, and is a symmetry plane when an object to be projected is formed as a real image at a plane symmetry position. By using a transmissive surface-symmetric imaging optical element, an image can be formed at a free position that is not limited by the focal length, and there is no image distortion generated by a normal lens.

上記面対称結像素子として、素子面に直角な相互に直交する2つの鏡面から構成される2面コーナーリフレクタを当該素子面上に複数並べた2面コーナーリフレクタアレイを用いることができる。 As the plane-symmetric imaging element, it is possible to use a two-surface corner reflector array in which a plurality of two-surface corner reflectors composed of two mirror surfaces perpendicular to each other perpendicular to the element surface are arranged on the element surface.

また別の態様の上記面対称結像素子として、光線を再帰反射させるレトロリフレクタアレイと光線を反射及び透過させるハーフミラー面を有するハーフミラーとを具備するものを用いることができる。この場合の結像素子の素子面とは、ハーフミラー面をいう。さらに別の態様の上記面対称結像素子として、素子面に垂直な光軸を有するアフォーカルレンズを当該素子面上に複数並べたアフォーカルレンズアレイを用いることができる In another aspect, the plane-symmetric imaging element may include a retroreflector array that retroreflects light rays and a half mirror that has a half mirror surface that reflects and transmits light rays. The element surface of the imaging element in this case refers to a half mirror surface. Furthermore, as the plane-symmetric imaging element of another aspect, an afocal lens array in which a plurality of afocal lenses having an optical axis perpendicular to the element surface are arranged on the element surface can be used.

本発明の3次元映像表示装置は、プリズムシート等の回転可能な走査素子を用いることで、従来の反射光学系よりもコンパクトな構成にすることができる。また、透過型面対称結像光学素子を用いているため、スクリーンと透過型面対称結像光学素子間の光学距離を変えれば自由に表示位置を変えることができるとともに、像の歪みを抑制させることができる。 The three-dimensional image display apparatus of the present invention can be made more compact than a conventional reflective optical system by using a rotatable scanning element such as a prism sheet. In addition, since a transmissive surface-symmetric imaging optical element is used, the display position can be freely changed and the image distortion can be suppressed by changing the optical distance between the screen and the transmissive surface-symmetric imaging optical element. be able to.

第1の実施形態における3次元映像表示装置の概略構成図1 is a schematic configuration diagram of a 3D video display device according to a first embodiment. 第1の実施形態におけるプリズムシートを斜め上から見た概念図The conceptual diagram which looked at the prism sheet in 1st Embodiment from diagonally upward 第1の実施形態における2面コーナーリフレクタアレイの基本構成を示す図The figure which shows the basic composition of the 2 surface corner reflector array in 1st Embodiment. 第1の実施形態における2面コーナーリフレクタアレイの動作原理を示す図The figure which shows the operation | movement principle of the 2 surface corner reflector array in 1st Embodiment. 第2の実施形態における3次元映像表示装置の結像を示す図The figure which shows the image formation of the three-dimensional video display apparatus in 2nd Embodiment. 第2の実施形態におけるレトロリフレクタアレイの概略構成図Schematic configuration diagram of a retroreflector array in the second embodiment 第2の実施形態におけるレトロリフレクタアレイの動作原理を示す図The figure which shows the operation | movement principle of the retroreflector array in 2nd Embodiment. 第3の実施形態における3次元映像表示装置の概略構成図Schematic configuration diagram of a 3D image display apparatus according to a third embodiment 第3の実施形態における結像素子の基本構成を示す図The figure which shows the basic composition of the image formation element in 3rd Embodiment. 第4の実施形態に係る3次元映像表示装置の概略構成図Schematic configuration diagram of a 3D image display apparatus according to a fourth embodiment 従来の3次元映像表示装置の概略構成図Schematic configuration diagram of a conventional 3D video display device 従来の3次元映像表示装置の概略構成図Schematic configuration diagram of a conventional 3D video display device

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図1は、第1の実施形態に係る3次元映像表示装置の概略構成図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a 3D video display apparatus according to the first embodiment.

第1の実施形態の3次元映像表示装置100は、被投影物として映像を表示するディスプレイ装置101と、走査用の素子として微小プリズムを平面状に並べて作られたプリズムシート104と、透過型面対称結像光学素子としての2面コーナーリフレクタアレイ105を備えている。 A three-dimensional image display device 100 according to the first embodiment includes a display device 101 that displays an image as a projection object, a prism sheet 104 that is formed by arranging micro prisms as scanning elements in a plane, and a transmissive surface. A two-surface corner reflector array 105 as a symmetric imaging optical element is provided.

ディスプレイ装置101は、表示させる物体である被投影物の2次元切断面画像を投影する2次元ディスプレイ102と、2次元ディスプレイ102からの2次元切断面画像を適した画像サイズに拡大する球面アクロマティクレンズ103と、光を当てた反対側から観察できる拡散板106とで構成されている。 The display apparatus 101 includes a two-dimensional display 102 that projects a two-dimensional cut surface image of a projection object that is an object to be displayed, and a spherical achromaticity that expands the two-dimensional cut surface image from the two-dimensional display 102 to an appropriate image size. It is composed of a cleanse 103 and a diffusion plate 106 that can be observed from the opposite side to which light is applied.

本実施形態の2次元ディスプレイ102は、光源から光を照射してその反射光を利用することで、表示させる物体の切断面画像を作成する。すでに実用化されているディスプレイを用いればよく、例えば高速に画像を切り替えることが可能なTexas Instruments社製の「DMD Discover1100 ControllerBoard」を使用することができる。 The two-dimensional display 102 of the present embodiment creates a cut surface image of an object to be displayed by irradiating light from a light source and using the reflected light. A display that has already been put into practical use may be used. For example, a “DMD Discover1100 ControllerBoard” manufactured by Texas Instruments that can switch images at high speed can be used.

2次元ディスプレイ102から照射された光(すなわち、表示させる物体の切断面画像)は球面アクロマティクレンズ103を通過する。本実施形態の球面アクロマティクレンズ103は、2次元ディスプレイ102からの2次元切断面画像を、プリズムシート104と2面コーナーリフレクタアレイ105による光学系のサイズに適した画像サイズに拡大する。 Light emitted from the two-dimensional display 102 (that is, a cut surface image of an object to be displayed) passes through the spherical achromatic lens 103. The spherical achromatic lens 103 of this embodiment enlarges the two-dimensional cut surface image from the two-dimensional display 102 to an image size suitable for the size of the optical system by the prism sheet 104 and the two-surface corner reflector array 105.

球面アクロマティクレンズ103は、分散が低い材料のレンズと高い材料のレンズの2種類を組み合わせることにより、青、緑、赤の3種類の波長の光線に対して色収差を除去できるように作られている。また、球面収差に関しても球面単レンズよりもはるかに改良されている。なお、この球面アクロマティクレンズに代えて、収差を最小化することが可能な非球面レンズを用いることもできる。 The spherical achromatic lens 103 is made so that chromatic aberration can be removed with respect to light beams of three types of wavelengths of blue, green, and red by combining two types of lenses, a low dispersion material and a high material lens. Yes. In addition, spherical aberration is much improved over spherical single lenses. In place of this spherical achromatic lens, an aspherical lens capable of minimizing aberration can be used.

このようにして、球面アクロマティクレンズ103によりサイズが調整された画像は、拡散板106に投影される。拡散板106はレンチキュラスクリーンからなり、プリズムシート104と2面コーナーリフレクタアレイ105による結像光学系に対して35度傾けて配置されている。拡散板106から投影された光はプリズムシート104を通過する際に屈折の効果を受けて方向が変化する。 In this way, the image whose size is adjusted by the spherical achromatic lens 103 is projected onto the diffusion plate 106. The diffusion plate 106 is formed of a lenticular screen, and is disposed at an angle of 35 degrees with respect to the imaging optical system formed by the prism sheet 104 and the two-surface corner reflector array 105. When the light projected from the diffusion plate 106 passes through the prism sheet 104, the direction of the light changes due to the effect of refraction.

なお、ディスプレイ装置101は、被投影物として映像を表示することができるものであれば、その手段は問わない。例えば、画面に映像を表示する液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ELディスプレイ等のディスプレイ装置を用いても良い。また、プロジェクタ等で投射された映像を映すスクリーン等の映像を表示可能なものでもよく、表示面は平面だけでなく曲面であってもよい。 The display device 101 may be any means as long as it can display an image as a projection object. For example, a display device such as a liquid crystal display, a plasma display, or an organic EL display that displays an image on a screen may be used. Further, it may be capable of displaying an image such as a screen for projecting an image projected by a projector, and the display surface may be a curved surface as well as a flat surface.

図2は、本実施形態のプリズムシート104を斜め上から見た概念図である。プリズムシート104は、スリット状の細長いプリズム201を断面鋸刃状に並べた走査素子である。本実施形態のプリズムシート104は、図2に示すように、プリズムシート104の片方の面(すなわち、入射光が入射する面と反対側の面(出射面))のみに対して、断面が鋸刃状になるように形成されているが、光線の集束状態の向上などを目的として、その反対側の面(すなわち、入射光が入射する面(素子面))も断面が鋸刃状になるように形成してもよい。形状、サイズ、材質は特に限定されないが、本実施形態では、サイズは80mm×110mm、厚さは2mm、プリズム角度は15°、ピッチは0.9mmである。材質はポリメタクリル酸メチル樹脂である。 FIG. 2 is a conceptual diagram of the prism sheet 104 according to the present embodiment as viewed obliquely from above. The prism sheet 104 is a scanning element in which slit-like long and narrow prisms 201 are arranged in a sawtooth cross section. As shown in FIG. 2, the prism sheet 104 of the present embodiment has a saw-toothed cross section with respect to only one surface of the prism sheet 104 (that is, the surface opposite to the surface on which incident light is incident (the exit surface)). Although it is formed to have a blade shape, the opposite surface (that is, the surface on which incident light is incident (element surface)) also has a saw-tooth cross section for the purpose of improving the focusing state of the light beam. You may form as follows. The shape, size, and material are not particularly limited, but in this embodiment, the size is 80 mm × 110 mm, the thickness is 2 mm, the prism angle is 15 °, and the pitch is 0.9 mm. The material is polymethyl methacrylate resin.

このプリズムシート104は、素子面から入射した光を別方向に屈折させて出射させる。従って、素子面に直角な回転軸を中心に面内回転(すなわち、素子面の面内方向に回転)させることにより、入射光に対するプリズム角度が変化していき、光線走査ができる。図2中の下側の平らな部分が素子面となっており、この素子面に光を入射させ、上側の鋸刃状の部分から出射させる。なお本実施形態では、素子面がディスプレイからの入射光の入射方向に対して直交した状態で回転させているが、素子面が入射方向に対して傾斜した状態に配設し、その傾斜した角度を維持しながら回転させるようにしても良い。 The prism sheet 104 refracts and emits light incident from the element surface in another direction. Therefore, by performing in-plane rotation around the rotation axis perpendicular to the element surface (that is, rotating in the in-plane direction of the element surface), the prism angle with respect to incident light changes, and light beam scanning can be performed. The lower flat portion in FIG. 2 is an element surface, and light is incident on the element surface and emitted from the upper sawtooth-shaped portion. In this embodiment, the element surface is rotated in a state orthogonal to the incident direction of incident light from the display. However, the element surface is disposed in an inclined state with respect to the incident direction, and the inclined angle is set. You may make it rotate, maintaining.

プリズムシートを回転させる駆動手段として、エンコーダ一体型サーボモータ(スマートモータ)を使用しており、このモータの軸をアクリルパイプで延長し、その先にプリズムシートを取り付けてある。 As a driving means for rotating the prism sheet, an encoder-integrated servo motor (smart motor) is used. The shaft of the motor is extended with an acrylic pipe, and the prism sheet is attached to the end of the motor shaft.

スマートモータは内部にエンコーダとメモリを備え付けており、このメモリにユーザプログラムを書き込むことで所望の速度で回転させたり、現在の回転位置を取得することができる。また、このモータはEIA−232−D/E規格(RS232−C)のケーブルを用いてPCと通信することが可能である。この機能を用いてプリズムシートの回転と制御ボードの画像更新命令を同期させる。具体的な方法を以下に示す。 The smart motor is provided with an encoder and a memory inside, and by writing a user program in the memory, the smart motor can be rotated at a desired speed or the current rotational position can be acquired. In addition, this motor can communicate with a PC using an EIA-232-D / E standard (RS232-C) cable. This function is used to synchronize the rotation of the prism sheet and the image update command of the control board. A specific method is shown below.

まずモータ側に「1200rpmになるまで加速させ、1200rpmに達し、かつ回転位置が360°の倍数の位置になり次第PC側に信号を送り、以降は等速で回転し続ける」という内容のプログラムを書き込んでおく。PCとスマートモータ、制御ボードを接続させてある状態でモータを作動させる。モータの回転速度が1200rpmに達し、PCに信号が送られてきたら、制御ボードに画像表示開始の命令を送る。ただし、PCとの送受信時にはタイムラグが発生するため、このタイムラグを考慮に入れた上でモータの回転位置が360度の倍数になる時に1枚目の画像が表示されるようにPC上でプログラムしておく。 First, a program with the content of “accelerate to 1200 rpm, send a signal to the PC side as soon as it reaches 1200 rpm and the rotational position is a multiple of 360 °, and continues to rotate at a constant speed” on the motor side. Write it down. The motor is operated with the PC, smart motor, and control board connected. When the rotation speed of the motor reaches 1200 rpm and a signal is sent to the PC, a command to start image display is sent to the control board. However, since there is a time lag when sending and receiving to / from the PC, it is programmed on the PC so that the first image is displayed when the rotational position of the motor is a multiple of 360 degrees taking this time lag into account. Keep it.

このように、走査部分に回転可能なプリズムシート104を用いることで、コンパクトな光学系を構成でき、面積が大きくなっても駆動時における振動や騒音が大きくなるといった問題は軽減される。また、本実施形態では、従来の光学系よりも結像位置を短くすることができ、後述する2面コーナーリフレクタアレイ105で起こる回折によるボケの影響を低減することができる。 Thus, by using the rotatable prism sheet 104 in the scanning portion, a compact optical system can be configured, and the problem of increased vibration and noise during driving even when the area is increased is reduced. Further, in the present embodiment, the imaging position can be made shorter than that of the conventional optical system, and the influence of blur due to diffraction that occurs in the dihedral corner reflector array 105 described later can be reduced.

なお、走査素子は上記ディスプレイからの入射光を屈曲させて入射角度に対する出射角度を変えるものであれば、他の光学素子を用いることも可能である。例えば、プリズムシート104に代えて、2次元ディスプレイからの入射光を回折させる回折素子を用いても良い。この場合、回折素子の格子パターンは特に限定せず、例えば多数のスリットが平行に並んだ1次元パターンを持つ回折格子を用いることができる。この回折素子は、素子面に垂直な回転軸を中心に回転することができる。従って、回転に応じて光の回折方向が変化し、この反射方向の変化によって光学的な走査を行うことができる。 As the scanning element, other optical elements can be used as long as the incident light from the display is bent to change the emission angle with respect to the incident angle. For example, instead of the prism sheet 104, a diffraction element that diffracts incident light from a two-dimensional display may be used. In this case, the grating pattern of the diffraction element is not particularly limited, and for example, a diffraction grating having a one-dimensional pattern in which a large number of slits are arranged in parallel can be used. The diffractive element can rotate around a rotation axis perpendicular to the element surface. Therefore, the light diffraction direction changes according to the rotation, and optical scanning can be performed by the change in the reflection direction.

また、上記プリズムシート104に代えて、素子面が鏡面で形成された、断面鋸刃状のミラーを用いることもできる。例えば、上記プリズムシートの表面にミラーコートを施したものを用いれば良い。断面鋸刃状のミラーは、素子面に垂直な回転軸を中心に回転することができる。従って、回転に応じて光の反射方向が変化し、この反射方向の変化によって光学的な走査を行うことができる。 Further, instead of the prism sheet 104, a mirror having a sawtooth cross section with an element surface formed as a mirror surface may be used. For example, the prism sheet having a mirror coat on the surface may be used. The mirror having a sawtooth cross section can rotate around a rotation axis perpendicular to the element surface. Accordingly, the light reflection direction changes according to the rotation, and optical scanning can be performed by the change in the reflection direction.

プリズムシート104によって屈折の効果を受けて方向が変化した光は、その後2面コーナーリフレクタアレイ105を透過して面対称位置に結像する。 The light whose direction has been changed by the effect of refraction by the prism sheet 104 then passes through the two-surface corner reflector array 105 and forms an image at a plane-symmetrical position.

図3は、2面コーナーリフレクタアレイ105の基本構成を示す図である。本実施形態の2面コーナーリフレクタアレイ105は、所定の素子面に垂直な相互に垂線ベクトルが直交する2つの鏡面301A、301Bから構成される2面コーナーリフレクタ301を当該素子面S1上に複数並べた透過型面対称結像光学素子であって、例えば特開2009−75483に開示されているものを用いることができる。 FIG. 3 is a diagram showing a basic configuration of the two-surface corner reflector array 105. In the two-surface corner reflector array 105 of the present embodiment, a plurality of two-surface corner reflectors 301 composed of two mirror surfaces 301A and 301B perpendicular to a predetermined element surface and perpendicular to each other are arranged on the element surface S1. For example, a transmissive surface-symmetric imaging optical element disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-75483 can be used.

本実施形態では、素子面S1に対して垂直に多数の正方形の貫通孔(以下、ミラーホール302という)が開けられ、そのミラーホール302の内壁を鏡面とすることにより2面コーナーリフレクタ301を形成している。このミラーホール302のサイズは特に限定されないが、本実施形態では横150μm、縦150μm、深さ150μmであり、それぞれのミラーホール302の間隔は60μmである。 In the present embodiment, a large number of square through holes (hereinafter referred to as mirror holes 302) are opened perpendicular to the element surface S1, and the inner wall of the mirror hole 302 is used as a mirror surface to form a two-surface corner reflector 301. is doing. The size of the mirror hole 302 is not particularly limited, but in this embodiment, the width is 150 μm, the length is 150 μm, and the depth is 150 μm, and the interval between the mirror holes 302 is 60 μm.

本実施形態では、ナノ加工により銅製基盤にピラーを形成したものをマスター金型とし、電鋳によってニッケルに反転転写したのちにエッチングによってマスター金型を溶解し、製作されている。 In the present embodiment, a master mold is formed by forming pillars on a copper substrate by nano-processing, and after reverse transfer to nickel by electroforming, the master mold is melted by etching.

図4に2面コーナーリフレクタアレイ105の動作原理を示す。まず照射された光はミラーホール302に入射し、ミラーホール302内の隣り合うミラー301A、301Bにおいて2回反射したのち2面コーナーリフレクタアレイ105を透過する。すなわち、各2面コーナーリフレクタ301の2つの鏡面で1回ずつ反射して素子面S1と平行な光の成分が再帰反射することによって、素子面の面対称位置の空中に実像として結像する。これにより、観察者からは、2つの鏡面の内角が視線方向と向き合っている2面コーナーリフレクタ301で反射して結像した映像の実像を立体空中映像として観察することが可能となる。 FIG. 4 shows the operating principle of the two-sided corner reflector array 105. First, the irradiated light enters the mirror hole 302, is reflected twice by the adjacent mirrors 301 </ b> A and 301 </ b> B in the mirror hole 302, and then passes through the two-surface corner reflector array 105. That is, the light component reflected once by the two mirror surfaces of each of the two-surface corner reflectors 301 and retroreflected by the light component parallel to the element surface S1 forms a real image in the air at the plane-symmetric position of the element surface. Thereby, the observer can observe the real image of the image formed by reflection by the two-surface corner reflector 301 in which the inner angles of the two mirror surfaces face the line-of-sight direction as a stereoscopic aerial image.

このように、2面コーナーリフレクタアレイ105の素子面を対称面として、面対称位置に被投影物である映像の実鏡映像が結像し、立体空中映像が観察される。この2面コーナーリフレクタアレイ105によって、焦点距離に制限されない自由な位置に像を形成でき、通常のレンズで発生する像の歪みも存在しない。ただし,この像は面対称位置に結像されるため、被投影物が立体物の場合には,観察方向からは奥行きが反転した像を見ることになる。 In this way, with the element surface of the two-sided corner reflector array 105 as the symmetry plane, a real mirror image of the image as the projection object is formed at the plane symmetry position, and a stereoscopic aerial image is observed. With this two-sided corner reflector array 105, an image can be formed at a free position that is not limited by the focal length, and there is no image distortion generated by a normal lens. However, since this image is formed at a plane-symmetrical position, when the projection object is a three-dimensional object, an image with an inverted depth is seen from the observation direction.

なお、2面コーナーリフレクタアレイ105による結像においては、光線は微小な貫通穴を通過するため回折の影響を受け、結像距離が長くなると解像度が悪化することになる。 In the image formation by the two-surface corner reflector array 105, the light beam passes through a minute through hole, and therefore is affected by diffraction, so that the resolution deteriorates as the image formation distance increases.

ここで、2面コーナーリフレクタアレイ105のミラーホール301を透過する直接光や1回反射光、多重反射光は迷光となるため利用可能な範囲には制限がある。このため、2回反射光の最適観察方向が上下方向で30度から50度、左右方向でプラスマイナス20度とすることが好ましい。多重反射については、2面コーナーリフレクタ301となる2面以外の面に18度の傾きをつけることで抑制している。また、回折や加工精度の影響などにより結像距離が長くなると解像度が低くなるという問題があるため、2面コーナーリフレクタアレイ105から被投影物を所定距離内に配置することが好ましい。 Here, since direct light, one-time reflected light, and multiple reflected light that pass through the mirror hole 301 of the two-sided corner reflector array 105 become stray light, the usable range is limited. For this reason, it is preferable that the optimal observation direction of the twice reflected light is 30 to 50 degrees in the vertical direction and plus or minus 20 degrees in the horizontal direction. The multiple reflection is suppressed by giving an inclination of 18 degrees to the surfaces other than the two surfaces that form the two-surface corner reflector 301. In addition, since there is a problem that the resolution is lowered when the imaging distance is increased due to the influence of diffraction or processing accuracy, it is preferable to dispose the projection object within a predetermined distance from the two-surface corner reflector array 105.

以上のようにして、表示物体の切断面画像を2次元ディスプレイ101に順次表示し、プリズムシート104の回転と同期させることにより切断面画像を移動させる。切断面画像が移動することで3次元空間を走査することができ、映像Oが空中に形成される。 As described above, the cut surface image of the display object is sequentially displayed on the two-dimensional display 101, and the cut surface image is moved by synchronizing with the rotation of the prism sheet 104. The three-dimensional space can be scanned by moving the cut surface image, and the video O is formed in the air.

以上、本実施形態の3次元映像表示装置によれば、走査部分に回転可能なプリズムシート104を用いることで、コンパクトな光学系を構成でき、面積が大きくなっても駆動時における振動や騒音が大きくなるといった問題は軽減される。また、本実施形態では、従来の光学系よりも結像位置を短くすることができ、2面コーナーリフレクタアレイ105で起こる回折によるボケの影響を低減することができる。 As described above, according to the 3D image display apparatus of the present embodiment, a compact optical system can be configured by using the rotatable prism sheet 104 in the scanning portion, and vibration and noise during driving can be generated even when the area increases. The problem of becoming larger is alleviated. Further, in the present embodiment, the imaging position can be made shorter than in the conventional optical system, and the influence of blur caused by diffraction that occurs in the two-surface corner reflector array 105 can be reduced.

次に、第2の実施形態に係る3次元映像表示装置500について説明する。第1の実施形態と共通する点は説明を省略し、主として異なる点について説明する。図5は、本実施形態における3次元映像表示装置の結像を示す図である。本実施形態と第1の実施形態が異なる点は結像光学系であり、ディスプレイ装置及び走査素子は第1の実施形態と同様の構成となっている。 Next, a 3D image display apparatus 500 according to the second embodiment will be described. Description of points common to the first embodiment will be omitted, and different points will be mainly described. FIG. 5 is a diagram showing image formation of the 3D image display apparatus according to the present embodiment. The difference between this embodiment and the first embodiment is an imaging optical system, and the display device and the scanning element have the same configuration as that of the first embodiment.

図6は、本実施形態におけるレトロリフレクタアレイ502の概略構成図である。図7は、本実施形態におけるレトロリフレクタアレイ502の動作原理を示す図である。本実施形態の結像光学系は、光線を再帰反射させるレトロリフレクタアレイ502と光線を反射及び透過させるハーフミラー面を有するハーフミラー503とを具備するものであって、例えば特開2009−75483に開示されているものを用いることができる。上記ハーフミラー面S2を結像光学系における対称面とし、レトロリフレクタアレイ502をハーフミラー503に対して被投影物と同じ側の空間に配置している。ここでレトロリフレクタ502の作用である「再帰反射」とは、反射光を入射光が入射してきた方向へ反射(逆反射)する現象をいい、入射光と反射光とは平行であり且つ逆向きとなる。 FIG. 6 is a schematic configuration diagram of the retroreflector array 502 in the present embodiment. FIG. 7 is a diagram illustrating an operation principle of the retroreflector array 502 in the present embodiment. The imaging optical system of this embodiment includes a retroreflector array 502 that retroreflects light rays and a half mirror 503 having a half mirror surface that reflects and transmits light rays. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-75483 discloses What is disclosed can be used. The half mirror surface S2 is a symmetric surface in the imaging optical system, and the retroreflector array 502 is arranged in the same space as the projection object with respect to the half mirror 503. Here, “retroreflection”, which is the action of the retroreflector 502, refers to a phenomenon in which reflected light is reflected (reversely reflected) in the direction in which the incident light is incident. The incident light and the reflected light are parallel and opposite to each other. It becomes.

レトロリフレクタアレイ502は、立方体内角の1つの角を利用するコーナーキューブの集合であるコーナーキューブアレイである。個々のレトロリフレクタ701は、3つの同形同大の直角二等辺三角形をなす鏡面701a,701b,701cを1点に集合させて正面視した場合に正三角形を形成するものであり、これら3つの鏡面701a,701b,701cは互いに直交してコーナーキューブを構成している。 The retro-reflector array 502 is a corner cube array that is a set of corner cubes that use one of the corners of the cube. Each retroreflector 701 forms a regular triangle when the mirror surfaces 701a, 701b, and 701c forming three isosceles right-angled isosceles triangles are gathered at one point and viewed from the front. The mirror surfaces 701a, 701b, and 701c are orthogonal to each other to form a corner cube.

図7のレトロリフレクタアレイ502を例にして説明すると、鏡面のうちの一つ(例えば701a)に入射した光は、順次他の鏡面(701b,701c)で反射することで、レトロリフレクタ701へ光が入射してきた元の方向へ反射する。なおレトロリフレクタアレイ701に対する入射光と出射光の経路は、厳密には重ならず平行であるが、レトロリフレクタ61がレトロリフレクタアレイ6と比べて十分小さい場合には、入射光と出射光の経路が重なっているとみなしてもよい。 The retroreflector array 502 shown in FIG. 7 will be described as an example. Light incident on one of the mirror surfaces (for example, 701a) is sequentially reflected on the other mirror surfaces (701b and 701c), so that the light is transmitted to the retroreflector 701. Is reflected in the original direction from which it was incident. The paths of incident light and outgoing light with respect to the retroreflector array 701 are not strictly overlapping but are parallel, but when the retroreflector 61 is sufficiently smaller than the retroreflector array 6, the paths of incident light and outgoing light. May be considered as overlapping.

このようなレトロリフレクタアレイ502とハーフミラー503を利用する多視点空中映像表示光学系の場合、被投影物から出た光はハーフミラー面S2で反射し、さらにレトロリフレクタアレイで再帰反射して必ず元の方向に戻り、ハーフミラー面S2を透過して結像するため、ハーフミラーからの反射光を受けられる位置にある限りレトロリフレクタアレイの形状や位置は限定されない。 In the case of such a multi-viewpoint aerial image display optical system using the retroreflector array 502 and the half mirror 503, the light emitted from the projection object is reflected by the half mirror surface S2, and further retroreflected by the retroreflector array. Since it returns to the original direction and forms an image through the half mirror surface S2, the shape and position of the retroreflector array are not limited as long as the reflected light from the half mirror is received.

次に、第3の実施形態に係る3次元映像表示装置について説明する。第1の実施形態と共通する点は説明を省略し、主として異なる点について説明する。図8は、本実施形態における3次元映像表示装置800の概略構成図である。本実施形態と第1の実施形態が異なる点は走査素子及び結像素子であり、2次元ディスプレイ801、球面アクロマティクレンズ802、拡散板803は第1の実施形態と同様の構成となっている。 Next, a 3D video display apparatus according to the third embodiment will be described. Description of points common to the first embodiment will be omitted, and different points will be mainly described. FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a 3D image display apparatus 800 in the present embodiment. The difference between this embodiment and the first embodiment is a scanning element and an imaging element. The two-dimensional display 801, the spherical achromatic lens 802, and the diffusion plate 803 have the same configuration as that of the first embodiment. .

本実施形態の走査素子は、2次元ディスプレイからの入射光を反射させるミラー804である。この走査素子は、反射面に対して垂直ではない角度を持つ回転軸804Aを中心に回転することができる。従って、ミラー804の回転に応じて、光の反射方向が変化する。この反射方向の変化によって光学的な走査を行うことができる。ミラー804に反射された光は、以下に示すアフォーカルレンズアレイ805に入射する。 The scanning element of this embodiment is a mirror 804 that reflects incident light from a two-dimensional display. This scanning element can rotate around a rotation axis 804A having an angle that is not perpendicular to the reflecting surface. Accordingly, the light reflection direction changes according to the rotation of the mirror 804. Optical scanning can be performed by this change in the reflection direction. The light reflected by the mirror 804 enters an afocal lens array 805 shown below.

本実施形態の結像素子は、所定の素子面に垂直な光軸を有するアフォーカルレンズを当該素子面上に複数並べたアフォーカルレンズアレイであって、例えば特開2009−75483に開示されているものを用いることができる。上記素子面S3を対称面とするものである。 The imaging element of the present embodiment is an afocal lens array in which a plurality of afocal lenses having an optical axis perpendicular to a predetermined element surface are arranged on the element surface, and is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-75483. Can be used. The element surface S3 is a plane of symmetry.

図9は、本実施形態におけるアフォーカルレンズアレイ805の基本構成を示す図である。アフォーカルレンズ901は、焦点距離を無限大としたものであり、例えば素子面S3に対して垂直な光軸を有しそれぞれの焦点距離を隔てて配置した2つのレンズ901A、901Bにより構成される。このようなアフォーカルレンズ901を素子面S3上に多数並べて配置することでアフォーカルレンズアレイ805を構成することができる。アフォーカルレンズ901の構成としては、凸レンズや、光ファイバレンズ等を採用することができる。 FIG. 9 is a diagram showing a basic configuration of the afocal lens array 805 in the present embodiment. The afocal lens 901 has an infinite focal length, and includes, for example, two lenses 901A and 901B having an optical axis perpendicular to the element surface S3 and spaced apart from each other. . An afocal lens array 805 can be configured by arranging a large number of such afocal lenses 901 side by side on the element surface S3. As the configuration of the afocal lens 901, a convex lens, an optical fiber lens, or the like can be employed.

このアフォーカルレンズアレイ805は、図9に示すように、多数のアフォーカルレンズ901を1つの素子面上に並べて構成される。具体的にアフォーカルレンズ901は、素子面に垂直な光軸gを共有し且つ互いの焦点距離fs,feを隔てた2つのレンズ901A、901Bから構成される。この例では、レンズ901A、901Bとして共に凸レンズを適用している。これにより、素子面の一方側からレンズ901A…に入射した光は、それぞれ対をなす他方側のレンズ901B…から出射して、光源とは素子面に対して面対称となる位置に集光する。すなわち、光源となるディスプレイに表示される映像は、素子面に対する面対称位置に結像する。 As shown in FIG. 9, the afocal lens array 805 includes a large number of afocal lenses 901 arranged on one element surface. Specifically, the afocal lens 901 includes two lenses 901A and 901B that share an optical axis g perpendicular to the element surface and are spaced from each other by focal lengths fs and fe. In this example, convex lenses are applied as the lenses 901A and 901B. As a result, light incident on the lenses 901A from one side of the element surface is emitted from the other pair of lenses 901B, and condensed at a position that is plane-symmetric with respect to the element surface. . That is, the image displayed on the display serving as the light source forms an image at a plane symmetrical position with respect to the element surface.

次に、第4の実施形態に係る3次元映像表示装置について説明する。第1の実施形態と共通する点は説明を省略し、主として異なる点について説明する。第1の実施形態では、面対称結像素子を利用した3次元映像表示装置について説明したが、本実施形態では結像素子として凸レンズ501を用いている。 Next, a 3D image display apparatus according to the fourth embodiment will be described. Description of points common to the first embodiment will be omitted, and different points will be mainly described. In the first embodiment, a three-dimensional image display apparatus using a plane-symmetric imaging element has been described. In this embodiment, a convex lens 501 is used as the imaging element.

図10は、本実施形態に係る3次元映像表示装置の概略構成図である。凸レンズ10は屈折透過型の素子で、基本的な光学原理は上述の実施形態と同じである。なお、凸レンズの代わりに、凹面鏡、フレネルレンズなどを用いることも可能である。フレネルレンズは屈折透過型の素子で、凹面鏡は反射型の素子であるが基本的な光学原理は同じである。これらは、固有の焦点距離を持ち、この距離よりも離れている物体を実像として結像させる。 FIG. 10 is a schematic configuration diagram of a 3D video display apparatus according to the present embodiment. The convex lens 10 is a refractive and transmissive element, and the basic optical principle is the same as in the above-described embodiment. A concave mirror, a Fresnel lens, or the like can be used instead of the convex lens. The Fresnel lens is a refractive transmission element and the concave mirror is a reflection element, but the basic optical principle is the same. These have a specific focal length and form an object that is further away than this distance as a real image.

100 3次元映像表示装置
101 ディスプレイ装置
102 2次元ディスプレイ
103 球面アクロマティクレンズ
104 プリズムシート
105 2面コーナーリフレクタアレイ
106 拡散板


DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 3D image display apparatus 101 Display apparatus 102 Two-dimensional display 103 Spherical achromatic lens 104 Prism sheet 105 Two-surface corner reflector array 106 Diffuser


Claims (9)

被投影物として映像を表示するディスプレイと、
上記ディスプレイからの入射光を屈曲させて入射角度に対する出射角度を変える、素子面がディスプレイからの入射光の入射方向に対して直交又は傾斜した状態で設けられ、その直交又は傾斜した角度を維持して回転可能な走査素子と、
上記走査素子から出射する光を結像させる結像素子と、
を備える3次元映像表示装置。
A display for displaying an image as a projection object;
The incident light from the display is bent to change the emission angle with respect to the incident angle, and the element surface is provided in a state orthogonal or inclined with respect to the incident direction of the incident light from the display, and the orthogonal or inclined angle is maintained. A rotatable scanning element;
An imaging element for imaging light emitted from the scanning element;
A three-dimensional image display device.
上記走査素子が、上記ディスプレイからの入射光を屈折させるプリズムである
請求項1記載の3次元映像表示装置。
The three-dimensional image display apparatus according to claim 1, wherein the scanning element is a prism that refracts incident light from the display.
上記プリズムが、細長いプリズム板を断面鋸刃状に配置したプリズムシートである
請求項2記載の3次元映像表示装置。
3. The three-dimensional image display device according to claim 2, wherein the prism is a prism sheet in which elongated prism plates are arranged in a saw blade cross section.
上記走査素子が、上記ディスプレイからの入射光を回折させる回折素子である
請求項1記載の3次元映像表示装置。
The three-dimensional image display apparatus according to claim 1, wherein the scanning element is a diffraction element that diffracts incident light from the display.
上記走査素子が、上記ディスプレイからの入射光の入射方向に対して傾斜した状態で回転しながら、該入射光を反射させるミラーである
請求項1記載の3次元映像表示装置。
The three-dimensional image display apparatus according to claim 1, wherein the scanning element is a mirror that reflects the incident light while rotating in a state inclined with respect to the incident direction of the incident light from the display.
上記結像素子が、
被投影物の実像を、対称面となるある1つの幾何平面に対する面対称位置に結像可能な面対称結像素子である
請求項1から5の何れかに記載の3次元映像表示装置。
The imaging element is
6. The three-dimensional image display device according to claim 1, wherein the three-dimensional image display device is a plane-symmetric imaging element capable of imaging a real image of a projection object at a plane-symmetric position with respect to a certain geometric plane serving as a symmetry plane.
上記面対称結像素子が、
素子面に直角な相互に直交する2つの鏡面から構成される2面コーナーリフレクタを当該素子面上に複数並べた2面コーナーリフレクタアレイであり、この素子面を上記対称面とするものである
請求項6記載の3次元映像表示装置。
The plane-symmetric imaging element is
A two-surface corner reflector array in which a plurality of two-surface corner reflectors composed of two mirror surfaces perpendicular to each other perpendicular to the element surface are arranged on the element surface, and the element surface is the symmetric surface. Item 7. The three-dimensional image display device according to item 6.
上記面対称結像素子が、
光線を再帰反射させるレトロリフレクタアレイと光線を反射及び透過させるハーフミラー面を有するハーフミラーとを具備するものであり、当該ハーフミラー面が上記対称面とし、当該レトロリフレクタアレイを上記ハーフミラーに対して前記被投影物と同じ側の空間に配置しているものである
請求項6記載の3次元映像表示装置。
The plane-symmetric imaging element is
A retroreflector array for retroreflecting light rays and a half mirror having a half mirror surface for reflecting and transmitting light rays, the half mirror surface being the symmetric surface, and the retroreflector array with respect to the half mirror The three-dimensional video display apparatus according to claim 6, wherein the three-dimensional video display apparatus is disposed in a space on the same side as the projection object.
上記面対称結像素子が、
所定の素子面に垂直な光軸を有するアフォーカルレンズを当該素子面上に複数並べたアフォーカルレンズアレイであり、当該素子面を上記対称面とするものである
請求項6記載の3次元映像表示装置。




The plane-symmetric imaging element is
The three-dimensional image according to claim 6, wherein the afocal lens array includes a plurality of afocal lenses having an optical axis perpendicular to a predetermined element surface arranged on the element surface, and the element surface is the symmetry plane. Display device.




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