JP2012027269A

JP2012027269A - 表示システム、虚像生成装置および表示方法

Info

Publication number: JP2012027269A
Application number: JP2010166283A
Authority: JP
Inventors: Kiwa Sugiyama; 喜和杉山; Nobuyuki Miyake; 信行三宅; Kajiro Ushio; 嘉次郎潮; Yutaka Ichihara; 裕市原
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-02-09

Abstract

【課題】臨場感の高い画像を提供する。
【解決手段】画像を表示する表示パネルと、視点および表示パネルの間において視点側により近い位置に配置され、表示パネルよりも視点から離れた位置に表示パネルを拡大した虚像を生成する虚像生成装置と、を備える表示システムであって、虚像生成装置が、虚像を生成する凸型の平面レンズを有し、視点に対する虚像の視野角が視点に対する表示パネルの視野角より大きい虚像を生成する、表示システムを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置に表示された画像を観視するための表示システム、虚像生成装置および表示方法に関する。

近年、臨場感の高い画像を提供するディスプレイが求められている。例えば、ディプレイサイズを大きくすると、臨場感の高い画像を提供することができるといわれている。

ところで、ディスプレイサイズを大きくすると価格が高くなる。そこで、より安価に臨場感を高めることができる表示システムが求められる。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様においては、画像を表示する表示パネルと、視点および前記表示パネルの間において前記視点側により近い位置に配置され、前記表示パネルよりも前記視点から離れた位置に前記表示パネルを拡大した虚像を生成する虚像生成装置と、を備える表示システム、このような表示システム用の虚像生成装置、および、表示方法を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る表示システム１０の一例を示す。複数の観視者に対して画像を提供する本実施形態に係る表示システム１０の一例を示す。本実施形態に係る表示パネル２０、虚像４０および平面レンズ５０の配置例を示す。本実施形態に係る平面レンズ５０の断面構造の一例を示す。フレネルレンズ６０の断面形状の一例を示す。変形例に係るレンズ装置３０の構成を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

表示システム１０は、１または複数の観視者に２次元画像または３次元画像を提供する。表示システム１０は、表示パネル２０と、レンズ装置３０と、椅子３２と、テーブル３４とを備える。

表示パネル２０は、２次元画像または３次元画像を表示する。表示パネル２０は、一例として、平板状の表示装置である。

レンズ装置３０は、表示パネル２０の表示面を観視者が観視するレンズであって、視点（即ち、観視者の眼の位置）および表示パネル２０の間において視点側により近い位置に配置される。そして、レンズ装置３０は、表示パネル２０よりも視点から離れた位置に表示パネル２０を拡大した虚像４０を生成する。即ち、レンズ装置３０は、視点から表示パネル２０までの距離よりも遠い位置に、表示パネル２０を拡大した虚像４０を生成する。

レンズ装置３０は、平面レンズ５０と、外枠部５２と、支持部５４とを有する。平面レンズ５０は、一例として、虚像４０を生成する凸型の平面のレンズである。

平面レンズ５０は、一例として、フレネルレンズと透明板とを張り合わせた構造である。平面レンズ５０は、一例として、矩形の平板状である。平面レンズ５０は、一例として、縦横の比率が表示パネル２０の表示面と略同一である。

平面レンズ５０は、表示パネル２０の表示面に対して平面が略平行となるように配置される。平面レンズ５０は、一例として、平面の中心が、視点と表示パネル２０の表示面の中心とを結ぶ線上に位置するように配置される。

そして、このような平面レンズ５０は、予め定められた拡大率を有する。平面レンズ５０は、一例として、１．５倍以上の拡大率を有する。

外枠部５２は、平面レンズ５０の外周に設けられ、表示パネル２０の表示面の外周部分の少なくとも一部を視点に対して隠蔽する。外枠部５２は、一例として、平面レンズ５０の上辺、下辺、右辺および左辺の少なくとも一部に設けられる。

このような外枠部５２を有することにより、レンズ装置３０は、表示パネル２０の虚像４０の周縁部分を視点に対して遮蔽することができる。これにより、レンズ装置３０は、表示パネル２０の虚像４０を周囲から切り離して、現実の表示面のように自然に虚像４０を観視者に見せることができる。

支持部５４は、平面レンズ５０を表示パネル２０から離れた位置に、平面レンズ５０が表示パネル２０に対して略平行となるように支持する。支持部５４は、一例として、平面レンズ５０をテーブル３４上に垂直に立てた状態に支持する。

椅子３２は、観視者に着座され、観視者の視点を固定する。椅子３２は、一例として、観視者の視点から表示パネル２０までの距離が、予め定められた距離となるような位置に設けられる。

テーブル３４は、表示パネル２０と椅子３２との間に配置され、レンズ装置３０が載置される。テーブル３４は、レンズ装置３０を、視点と表示パネル２０の表示面との間における視点側に近い位置に配置させることができる。

このような表示システム１０において、観視者は、レンズ装置３０を介して表示パネル２０を観視することができる。この場合、レンズ装置３０を介して表示パネル２０を見る場合における視点から表示パネル２０までの観視距離は、レンズ装置３０を介さず表示パネル２０を見る場合における標準観視距離の例えば０．７倍以上２倍以下である。

なお、表示パネル２０の標準観視距離は、表示パネル２０の縦方向の長さの約３倍である。また、視聴距離の最小値は、画面サイズが６０インチ以上の場合、表示パネル２０の縦方向の長さの約２倍といわれている。また、ディスプレイの好ましい視聴距離は、表示パネル２０の縦方向の長さの約６倍程度であるという調査結果もある。従って、レンズ装置３０を介して表示パネル２０を見る場合における視点から表示パネル２０までの観視距離は、表示パネル２０の縦方向の長さの２倍から６倍となるように、標準観視距離の例えば０．７倍以上２倍以下であることが好ましい。

そして、レンズ装置３０は、表示パネル２０を拡大した虚像４０が表示パネル２０よりも視点から遠い位置に生成されるように、テーブル３４上の載置位置が調整される。さらに、レンズ装置３０は、視点に対する虚像４０の視野角（即ち、画角）が、視点に対する表示パネル２０の視野角より大きい虚像４０を生成する。これにより、レンズ装置３０は、表示パネル２０のサイズを大きくした場合と同様な高い臨場感を観視者に与えることができる。

また、レンズ装置３０は、視点から３ｍ以上離れた位置に虚像４０を生成する。また、レンズ装置３０は、視点から１ｍから３ｍまでの範囲に虚像４０を生成してもよい。

人間が３ｍ以上の離れている物体の奥行きを視覚により認識する場合、両眼視差による影響はほとんど無く、単眼情報を用いて心理的および経験的な情報に基づき認識するといわれている。レンズ装置３０は、虚像４０を視点から３ｍ以上離れた位置に生成することにより、観視者に対して単眼情報により距離を認識させることができるので、例えば視差画像を表示していない場合であっても、奥行き感のある画像を提供することができる。

また、人間が１ｍ以上離れた物体より遠い位置の物体を見た場合に、このような単眼情報による距離認識の要因が、両眼視差の要因よりも優位となってくるといわれている。従って、レンズ装置３０は、虚像４０を視点から１ｍ以上離れた位置に生成することによっても、観視者に対して単眼情報により距離を認識させることができ、奥行き感を増加させた画像を提供することができる。

また、平面レンズ５０の横方向（表示パネル２０に対して水平方向）の幅は、一例として、１２０ｍｍ以上である。視点と平面レンズ５０との間の距離は、心理上、１００ｍｍ以上であることが好ましい。視点と平面レンズ５０との間の距離が１００ｍｍであり、観視者の瞳孔間の距離が６５ｍｍである場合において、視野角（画角）を３０°を確保するには、平面レンズ５０の横方向の幅は、１２０ｍｍ以上が必要となる。従って、平面レンズ５０の横方向の幅は、１２０ｍｍ以上であることが好ましい。

また、表示パネル２０は、１５インチ以上の大きさである。例えば屋内等に設置されたディスプレイにより動画像を観賞する場合、ディスプレイサイズは１５インチ程度が最小である。従って、表示パネル２０は、１５インチ以上が好ましい。

以上のように表示システム１０によれば、臨場感の高い画像を提供することができる。さらに、表示システム１０によれば、既存のシステムにレンズ装置３０を加えれば実現できるので、簡易で且つ安価な方法で、高い臨場感を得ることができる。

図２は、複数の観視者に対して画像を提供する本実施形態に係る表示システム１０の一例を示す。本実施形態は、１つの表示パネル２０を複数の観視者が見る構成であってもよい。この場合、レンズ装置３０は、少なくとも１人の観視者のそれぞれに対して個別に設けられる。例えば、劇場等において多人数の観視者が、１つの大型の表示パネル２０を観賞する場合には、レンズ装置３０が座席毎に設けられていてもよい。観視者は、レンズ装置３０を取り外して画像を見ることもできる。これにより、表示システム１０は、拡大して見ることを希望しない観視者に対しては通常の画像を提供することができる。

図３は、本実施形態に係る表示パネル２０、虚像４０および平面レンズ５０の配置例を示す。

表示パネル２０を標準的な観視距離から見て、虚像４０の視野角（画角）を３０°とするように、表示パネル２０および平面レンズ５０を配置することを考える。この場合、平面レンズ５０の横幅が４００ｍｍ以下とするならば、視点から平面レンズ５０までの距離ｃは、下記の式（１）に示されるように、７５０ｍｍ以下としなければならない。

ｃ＝（４００ｍｍ／２）／｛ｔａｎ（３０°／２）｝≒７５０ｍｍ …（１）

このように虚像４０の視野角（画角）を３０°とした場合、比較的に大きな表示パネル２０を用いて、例えば多人数で同時に画像を観視させることができる。この場合、ある程度以上の臨場感を与えることを目的として、レンズ装置３０は、拡大率を１．５倍以上として、表示パネル２０の１．５倍以上のサイズの虚像４０を生成することが好ましい。そして、この場合、レンズ装置３０は、表示パネル２０の１．５倍以上のサイズの虚像４０を生成することができる。また、この場合、平面レンズ５０は、視点から７５０ｍｍ以下の距離に配置される。

また、レンズ装置３０の拡大率Ｍは、下記の式（２）により表される。式（２）において、ｆは焦点距離を表し、ａはレンズ装置３０から表示パネル２０までの距離を表し、ｂはレンズ装置３０から虚像４０までの距離を表す。下記の式（２）に示されるように、拡大率Ｍを予め定められた値（例えば、１．５倍）以上とする場合、レンズ装置３０は、焦点距離ｆの上限が、距離ａに基づく値で制限される。

Ｍ＝ｂ／ａ＝ｆ／（ｆ−ａ） …（２）

例えば、表示パネル２０が５０インチサイズであり、視点から平面レンズ５０までの距離ｃが３００ｍｍであり、平面レンズ５０から表示パネル２０までの距離ａが１５００ｍｍであるとする。また、平面レンズ５０の焦点距離ｆが２０００ｍｍであるとする。この場合、観視者は、視点から６．３ｍ先に２００インチサイズのディスプレイの虚像４０を見ることができる。さらに、このときの虚像４０の視野角は、約３７°となる。このように、表示システム１０は、視野角を広げて臨場感の高い画像を提供することができる。

また、表示パネル２０を標準的な観視距離から見て、虚像４０の視野角（画角）を８０°とするように、表示パネル２０および平面レンズ５０を配置することを考える。この場合、平面レンズ５０の横幅が４００ｍｍ以下とするならば、視点から平面レンズ５０までの距離ｃは、下記の式（３）に示されるように、２４０ｍｍ以下としなければならない。

ｃ＝（４００ｍｍ／２）／｛ｔａｎ（８０°／２）｝≒２４０ｍｍ …（３）

このように虚像４０の視野角（画角）を８０°とした場合、多人数による同時の観視は難しいが、視野角を非常に大きくできるので、臨場感を大きくすることができる。この場合、平面レンズ５０は、視点から２４０ｍｍ以下の距離に配置される。

例えば、表示パネル２０が５０インチサイズであり、視点から平面レンズ５０までの距離ｃが２００ｍｍであり、平面レンズ５０から表示パネル２０までの距離ａが１６００ｍｍであるとする。また、平面レンズ５０の焦点距離ｆが６５０ｍｍであるとする。この場合、観視者は、視点から２．４ｍ先に２１５インチサイズのディスプレイの虚像４０を見ることができる。さらに、このときの虚像４０の視野角は、約８８°となる。このように、表示システム１０は、視野角を広げて臨場感の高い画像を提供することができる。

図４は、本実施形態に係る平面レンズ５０の断面構造の一例を示す。平面レンズ５０は、フレネルレンズ６０と、透明板６２と、透明接着剤層６４と、レンズ側反射防止膜６６と、基板側反射防止膜６８とを備える。

フレネルレンズ６０は、一方の面（レンズ面）にレンズ溝が形成されており、他方の面が平坦となっている。フレネルレンズ６０は、凸型のレンズである。フレネルレンズ６０は、一例として、レンズ溝の間隔が０．４ｍｍ以上である。これにより、フレネルレンズ６０は、回折影響により解像を落とすことなく観視させることができる。

透明板６２は、フレネルレンズ６０と略同一の大きさを有する薄板であって、フレネルレンズ６０のレンズ面に接着される。透明板６２は、一例として、アクリル板である。透明板６２は、フレネルレンズ６０側の表面が平坦である。

フレネルレンズ６０と透明板６２との間は透明接着剤により接着される。フレネルレンズ６０のレンズ面と透明板６２のフレネルレンズ６０側の表面の間は、透明接着剤により満たされ、透明接着剤層６４が形成される。

透明接着剤層６４は、屈折率がフレネルレンズ６０の屈折率よりも低い。例えば、フレネルレンズ６０および透明板６２の屈折率は、ｎ＝１．４９であって、透明接着剤層６４の屈折率は、ｎ＝１．４１である。これにより、平面レンズ５０は、焦点距離の長い凸レンズを形成することができる。

レンズ側反射防止膜６６は、フレネルレンズ６０における透明板６２が接着される面（レンズ面）とは反対側の平坦な表面に反射防止コーティングをすることにより形成される。基板側反射防止膜６８は、透明板６２におけるフレネルレンズ６０が接着される面とは反対側の表面に反射防止コーティングをすることにより形成される。

このような平面レンズ５０を備えるレンズ装置３０は、フレネルレンズ６０に形成されたレンズ溝を目立たなくして、表示パネル２０により表示された画像を鮮明に観視者に提供することができる。さらに、レンズ装置３０は、このような平面レンズ５０を、フレネルレンズ６０におけるレンズ溝が設けられた面が表示パネル２０側となるように保持する。これにより、レンズ装置３０は、レンズ溝をより目立たなくさせることができる。

なお、フレネルレンズ６０は、凹型のレンズであってもよい。この場合、透明接着剤層６４の屈折率は、フレネルレンズ６０の屈折率および透明板６２の屈折率より大きくする。これにより、これにより、平面レンズ５０は、焦点距離の長い凸レンズを形成することができる。

図５は、フレネルレンズ６０の断面形状の一例を示す。フレネルレンズ６０は、一例として、図５に示されるような、レンズ溝の垂直面７２と、レンズ面を形成する曲面７４との角度が、鋭角となるように形成されていてもよい。これにより、このようなフレネルレンズ６０のレンズ溝を形成するため金型における、垂直面７２と曲面７４との角度を鈍角として、当該金型を形成し易くすることができる。

図６は、変形例に係るレンズ装置３０の外観および機能構成を示す。本変形例に係るレンズ装置３０は、図１から図５を参照して説明したレンズ装置３０と略同一の構成および機能を採るので、略同一の構成および機能の部材に同一の符号を付け、以下相違点を除き説明を省略する。

本変形例に係るレンズ装置３０は、検出部８２と、外枠調整部８４と、レンズ位置調整部８６とを更に備える。本変形例において、レンズ装置３０は、外枠部５２による平面レンズ５０を覆う範囲が変更自在となっている。レンズ装置３０は、一例として、外枠部５２が平面レンズ５０における上辺部分を覆う高さ、下辺部分を覆う高さ、右辺部分を覆う幅および左辺部分を覆う幅の少なくとも１つが変更自在となっている。

また、本変形例において、レンズ装置３０は、平面レンズ５０における、表示パネル２０までの距離が変更自在となっている。レンズ装置３０の支持部５４は、一例として、平面レンズ５０を平面に対して垂直な方向に移動させることができる。

検出部８２は、当該レンズ装置３０の表示パネル２０までの距離および視点までの距離を検出する。検出部８２は、一例として、センサ等により距離を測定する。検出部８２は、観視者により入力された情報を取得して距離を検出してもよい。

外枠調整部８４は、表示パネル２０までの距離および視点までの距離に基づいて、平面レンズ５０において外枠部５２の枠内となる部分の高さおよび幅の少なくとも一方を調整する。外枠調整部８４は、アクチュエータ等により板状の部材を上下または左右に移動させて、外枠部５２の枠内となる部分の高さおよび幅の少なくも一方を調整する。

これにより、外枠調整部８４は、観視者が外枠部５２の枠内から見える範囲を、表示パネル２０の表示面の範囲にほぼ一致させることができる。従って、レンズ装置３０は、平面レンズ５０により拡大された表示パネル２０を見る場合に、周縁部分の不自然さを確実に無くすことができる。

また、レンズ位置調整部８６は、検出部８２が検出した表示パネル２０までの距離および視点までの距離の少なくとも一方に基づいて、平面レンズ５０の位置を調整する。これにより、レンズ位置調整部８６は、観視者に表示パネル２０を拡大した虚像４０を観賞させる位置に平面レンズ５０を移動させることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０表示システム、２０表示パネル、３０レンズ装置、３２椅子、３４テーブル、４０虚像、５０平面レンズ、５２外枠部、５４支持部、６０フレネルレンズ、６２透明板、６４透明接着剤層、６６レンズ側反射防止膜、６８基板側反射防止膜、７２垂直面、７４曲面、８２検出部、８４外枠調整部、８６レンズ位置調整部

Claims

画像を表示する表示パネルと、
視点および前記表示パネルの間において前記視点側により近い位置に配置され、前記表示パネルよりも前記視点から離れた位置に前記表示パネルを拡大した虚像を生成する虚像生成装置と、
を備える表示システム。
前記虚像生成装置は、前記虚像を生成する凸型の平面レンズを有する請求項１に記載の表示システム。
前記虚像生成装置は、前記視点に対する前記虚像の視野角が、前記視点に対する前記表示パネルの視野角より大きい前記虚像を生成する請求項２に記載の表示システム。
前記虚像生成装置は、前記表示パネルの１．５倍以上のサイズの前記虚像を生成する請求項２または３に記載の表示システム。
前記平面レンズの幅は、１２０ｍｍである請求項２から４のいずれかに記載の表示システム。
前記平面レンズは、視点から７５０ｍｍ以下の距離に配置される請求項２から５のいずれかに記載の表示システム。
前記平面レンズは、視点から２４０ｍｍ以下の距離に配置される請求項２から６のいずれかに記載の表示システム。
前記表示パネルは、１５インチ以上の大きさである請求項２から７のいずれかに記載の表示システム。
前記虚像生成装置は、少なくとも１人の観視者のそれぞれに対して個別に設けられる請求項２または３に記載の表示システム。
前記虚像生成装置を介して前記表示パネルを見る場合における視点から前記表示パネルまでの観視距離は、前記虚像生成装置を介さず前記表示パネルを見る場合における標準観視距離の０．７倍以上２倍以下である請求項９に記載の表示システム。
前記虚像生成装置は、前記視点から１ｍ以上離れた位置に前記虚像を生成する請求項２から１０のいずれかに記載の表示システム。
前記平面レンズは、溝の間隔が０．４ｍｍ以上のフレネルレンズを含む請求項２から１１のいずれかに記載の表示システム。
前記虚像生成装置は、溝が設けられた面が前記表示パネル側となるように前記フレネルレンズを保持する請求項１２に記載の表示システム。
前記虚像生成装置は、前記平面レンズの外周に設けられ、前記表示パネルの表示面の外周部分の少なくとも一部を前記視点に対して隠蔽する外枠部を有する請求項２から１３のいずれかに記載の表示システム。
前記虚像生成装置は、
前記表示パネルまでの距離および前記視点までの距離を検出する検出部と、
前記表示パネルまでの距離および前記視点までの距離に基づいて、前記平面レンズにおいて前記外枠部の枠内となる部分の高さおよび幅の少なくとも一方を調整する外枠調整部と、
を有する請求項１４に記載の表示システム。
前記虚像生成装置は、
前記表示パネルまでの距離および前記視点までの距離の少なくとも一方を検出する検出部と、
前記検出部が検出した距離に基づいて、前記平面レンズの位置を調整するレンズ位置調整部と、
を有する請求項２から１５のいずれかに記載の表示システム。
請求項１から１６のいずれかに記載の表示システム用の虚像生成装置。
表示パネルに画像を表示し、
視点および前記表示パネルの間において前記視点側により近い位置に配置され、前記表示パネルよりも前記視点から離れた位置に前記表示パネルを拡大した虚像を生成する虚像生成装置を介して、観視者に前記画像を見せる
表示方法。