JP2013250457A - 浮遊体表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
空間上に映像が浮遊しているかのように表示する映像表示装置を提供する。
【解決手段】
複数の光線のそれぞれを所望の範囲内で１回以上，他の光線と交差するようにした光線生成手段と，交点マップと各交点の光再現情報で，光線の方向や光強度や波長や発光期間を制御・駆動する光線制御・駆動手段を有し，１本の光線を少なくとも２本の光線が交差し且つ，それぞれの交点が発光する光再現情報の場合は，光線制御・駆動手段は，それぞれの交点の発光期間を異ならしめるよう制御・駆動する。これにより、空間上に立体像を形成する。さらに、光線生成手段を例えば３０Ｈｚ以上の高速で振動させ，振動量に応じて交点マップに対する光再現情報を移動設定するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、空間上に立体的に映像を表示可能な表示装置に関する。

従来から、立体的に映像を表示するための技術の検討が為されており、近年の液晶表示技術、プラズマディスプレイ技術等の向上により、高速表示や高精細表示を活用した立体表示手法を使用した表示装置の製品化も進んでいる。

立体表示手法の具体例としては、例えば特許文献１に記載のように、視差を有する左眼映像および右眼映像を画面上に交互に表示し、例えば液晶シャッタを有するシャッタメガネを、左眼映像が表示されている場合は左側シャッタを開き且つ右側シャッタを閉じ、右眼映像が表示されている場合は右側シャッタを開き且つ左側シャッタを閉じるように制御することで、視聴者に立体映像を知覚させる技術が知られている。

さらに，特許文献２に記載のように，観察者と直交する平面反射部との間の空中に，直交する平面反射部を介して観察者と反対側にある対象物の光線情報を導くようにして，立体像を簡便に形成する技術が知れれている。

特開２００９−２３２２４９号公報 国際公開番号Ｗ０２００９−１３１１２８号公報

一般的には立体映像を表示可能な表示装置（すなわち視聴者に立体映像を知覚させることが可能な表示装置）においては、映像の臨場感や迫力を増すために、視聴者に対しより立体感（奥行感や距離感）を知覚させることが好ましい。

しかしながら、上記特許文献１に開示される従来技術では、右目映像と左目映像を用いて画像領域内で異なる視差を再生して立体感を知覚させるようしているため、視聴者の事を十分配慮した立体映像設定（奥行き方向）や視聴姿勢が必要である。

また，上記特許文献２に開示される従来技術では、光の拡散方向が表示対象物側と観察者側で反転するため，対象物を反転して知覚したり，観察者が空中で観察出来る範囲が限定されたり，光線連続性を確保する反射体の条件が複雑である等，視聴者に対し十分な立体感を与えることは困難であった。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、視聴者が知覚する映像に、スクリーン等の反射物や拡散物の存在を意識せず，また，明暗の精悦度が良く，光の点滅（フリッカー）も少ない高画質な映像を視認でき，更には，周囲からの視認領域を広くすることで，あたかも空中に映像が浮かび上がっている様に観察することが可能な技術を提供するものである。

本発明の浮遊体表示装置は、光線の方向や光強度や波長や発光期間の少なくとも何れか１つを制御・駆動する光線制御・駆動手段と，本制御・駆動に応じて複数の光線を出射する光線生成と，を有し，光線生成手段は，出射する複数の光線のそれぞれを，所望の範囲内で少なくとも１回以上，他の光線と交差（交点）するよう配置し，それぞれの交点の位置情報を交点マップとして保持するように構成した。

そして、光線制御・駆動手段は，交点マップと各交点の光再現情報を得て，光線の方向や光強度や波長や発光期間の少なくとも何れか１つを制御・駆動することを特徴とするものである。さらに，上記所望の範囲内で，１本の光線を少なくとも２本の光線が交差し且つ，それぞれの交点が発光する光再現情報の場合は，光線制御・駆動手段は，それぞれの交点の発光期間を異ならしめるよう制御・駆動するようにしたものである。

また本発明は、光線生成手段を例えば３０Ｈｚ以上の高速で振動させ，振動量に応じ、振動量を吸収するように交点マップに対する光再現情報を移動設定することを特徴とするものである。

また本発明は、光線生成手段が手振れ等の低速で振動・移動した際に，移動量に応じ、，振動量を吸収するように交点マップに対する光再現情報を移動設定することを特徴とするものである。

尚，光線数と光点を増した場合であっても，上記同様に処理することを特徴とするものである。

本発明によれば、所望の範囲内で交点を成した少なくとも２つの光線がそれぞれ，観察者の右眼と左眼に入る観察条件にあり且つ，両眼の視線が本交点近傍に収束（輻輳）した際には，上記所望の範囲内（空間上）にある光点として知覚するので、視聴者の視聴環境に関係なく、高画質な映像を提供することができる。

本発明の第１実施例に係る表示装置のブロック図である。 第１実施例を補足するタイミング図である。 本発明の第１実施例の光線生成部６を説明する図である。 本発明の第１実施例の光線生成部６を説明する図である。 本発明の第１実施例の光線生成部６を説明する図である。 本発明の第１実施例の光線生成部６を説明する図である。 第１実施例の光線生成部６を説明する図である。 第１実施例の光線生成部６を説明する図である。 第１実施例の光線生成部６を説明する図である。 第１実施例の光線生成部６を説明する図である。 本発明の第２実施例に係る表示装置のブロック図である。 本発明の第１実施例の光線生成部６を説明する図である。 本発明の第１実施例の光線生成部６を説明するタイミング図である。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を用いて説明する。尚、各図または各実施例において、同一の構成、機能または作用を有する要素には同じ番号を付し、重複した説明を省略するものとする。

まず、本発明の第１実施例に係る表示装置の構成を説明する。図１，３，４は、本発明の第１実施例に係る表示装置であって、浮遊体表示方法による平面（２Ｄ）や立体（３Ｄ）映像を表示可能な投射型表示装置と，それを観察する観察者との関係をブロック図で示している。

図１，３，４で，１は２Ｄ／３Ｄの光モデル情報信号，２は光線モデル情報信号，３は光線マップ処理部，４は光線制御・駆動部，５はタイミング生成部，６は光線生成部，７は表示対象領域，８Ｌ／Ｒは観察者８の左眼／右眼，９は光線生成部６と観察者の左眼／右眼８Ｌ／Ｒが特定の位置関係（一般的な成人）にある際の２Ｄ／３Ｄで表示可能領域，１０は光線出射部，である。尚，６，７，８，９，１０は平面図（側面図）で示したが，光線生成部６は、複数の光線出射部１０をアレイ状に配置して構成するものであり，６，７，８，９，１０は平面図（側面図）で示したが，光線生成部６の奥行き方向にも光線出射部１０を有する。

図７，９並びに，図８，１０は，光線出射部１０からの光線出力の１例を示す。図１２は複数の光線出射部１０からの光線出力の１例を示す。図１３は複数の光線出射部１０それぞれのタイミング図の１例を示す。但し，光線を表すドットは，ビーム光のラスタスキャン結果の概念図であり，タイミングを表す物では無い。光線出射部１０は，複数の光源と方向を制御するレンズでも良く，方向毎に有する複数の光源で構成しても良い。
図９で１１は光源駆動部，１２は特定の波長を有する光源，１３はビーム光とするコリメートレンズ，１４はミラー制御・駆動部，１５，１６は２軸揺動ミラーであり，ミラー１５，１６を反射したビーム光がラスタスキャンする構成である。図１０で１７はカップリング部，１８は導光路，１９は導光路１８を加振する加振部，２０は加振制御・駆動部であり，ビーム光がラスタスキャンあるいは渦巻きスキャンする構成である。

つぎに、本発明の第１実施例に係る表示装置の動作を説明する。
本実施例に係る表示装置は、ここで，本実施例では，ビーム光且つ，高速で光量変調が容易なレーザ光源を光源に用いて説明する。もちろん，LED光源を，ビーム状に集光させる光学部品や，光量の変調部品とともに用いても良い。

２軸揺動ミラー１５，１６や加振部１９の駆動方式は，電磁誘導，圧電駆動，静電駆動等，ミラーや導光路を揺動するものであれば何れであっても良い。また，説明の為，揺動ミラー6はφL＝1.5mmの大きさで，25kHzを共振周期とする1軸方向に揺動（H揺動），揺動ミラー７は60Hzの周期で揺動する構成とし，ミラー駆動部5の60Hz低速揺動信号v_driveと，25kHzの高速揺動信号h_driveで駆動する。尚，揺動角は，本揺動信号の振幅により調整するものである。

ここで，説明の為，ビームの放射強度がピーク値または光軸上の値の1/e2（13.5 ％）と成る所をスポット径（ビーム径）とする一般的な定義にてφ1mm以下の大きさで，表示する映像が所望の解像度を満足するサイズであり，波長λr=640nm，λg=530nm，λb=450nmの可視光とする。

また，光線生成部６から出射する光線数は光線出射部１０の数と動作で定まるが，本発明は個々の光線の制御・駆動方法に関するものであり代表光線を挙げて説明する。もちろん，光線密度や駆動速度により表示品質が定まる。

光モデル情報信号１は，表示する物体の形状を表す座標情報や光反射・透過情報等の光情報を有する２Ｄ／３Ｄ表示情報（光モデル情報）であり，例えば，ＣＡＤ等で生成した立体情報や，或いは２Ｄ／３Ｄカメラや計測器で撮像した立体情報等であり，必要に応じて各種画像処理を施しても良い。

光線モデル情報信号２は，光線生成部６が発する光線の内，互いに交わる光線の光線番号BM_x，B_xと交点座標（ｘ，ｙ，ｚ）を示す。尚，光線モデル情報信号２の信号形式は，光線単位或いは交点単位等，後段の処理に適したものであれば良い。

光線マップ処理部３は，光モデル情報信号１を直接或いは各種補間処理により，光線モデル情報信号２が有する各交点座標と各光線に対する光線情報に分解して，光マトリクス情報信号を生成（マッピング）する。尚，光マトリクス情報信号により定義される光モデルの表示対象となる光線は，１本の光線に対し１個〜複数個の交点座標と強度の情報を有する。

図１は，光モデル１の表示対象領域７となる光線生成部６が発する光線の内，５本の光線（B_1,2,3,4,5）と３つの交点（1-3,2-3,4-5）を取り上げ，観察者の右眼８Rと左眼８Lに到達する際の状態を示したもので，以下，これで説明する。

タイミング生成部５は，例えば図２のタイミング図の関係で垂直・水平同期信号v_sync（例えば６０Hz）h_sync（例えば50kHz）とサブフレーム信号t_div（同１２０Ｈｚ）を生成する。ここでは説明のため，フレーム分割数は２分割である。もちろん，光線数や交点数に応じてフレーム速度やフレーム分割数はフリッカー（見かけの光の点滅）を感じない50Hz以上が望ましいが，もちろん増減しても良い。

光線制御・駆動部４は，同期信号v_sync,h_syncとサブフレーム信号t_divを基準に，光マトリクス情報から，対応する光線と交点の発光タイミングを測り，且つ，発光強度を信号振幅で示す駆動信号drv_x（図中drv_1,2,3,4,5）で示す。

光線生成部６は，drv_xの駆動条件で光線BM_xをそれぞれ発光駆動する。図１に当てはめるとdrv_1〜5の駆動条件で光線B_1〜５をそれぞれ発光駆動する。すなわち，同一交点を表現する２つの光線は，同時が望ましいが視覚の残像・残光残像効果を期待できる時間内である同一のサブフレーム内で時間を異ならしめて（同期或いは非同期）発光駆動するものである。また，同一光線上の異なる交点は時間を異ならしめるべく異なるサブフレームで駆動するものであれば良い。

図１２は説明を簡単にする為，２個の光線出射部１０がそれぞれビーム光をラスタスキャンし，サブフレーム内で光線が交わる状態の１例を示す。さらに特定の平面を２面（Subfram1,2）それぞれに発生する交点１−３と２−３の光線状態を示す。光線が交わる所はこの限りで無く，異なる光線間や異なる平面で発生し，且つ個々の交点の発生位置は特定できることから，それぞれの交点位置を交点座標として予め保持するものである。図１３は２個の光線出射部１０それぞれのラスタスキャンと，上記交点１−３と２−３を成すビーム光の生成位置とタイミングを示す。交点１−３はサブフレーム２（Subfram2）期間の対応するラスタスキャン位置で光線出射部１０よりビーム光を出射する。一方，サブフレーム１（Subfram１）期間では交点１−３に限らず，異なる交点のビーム光として出射しても良い。交点２−３も同様である。

尚，サブフレームは２回と限定し，一本のビーム光で異なる２個の交点を表す場合で示したが，これに限らず，増減いずれも良い。

以上の動作を図示しない光線に対しても同様に行い，入力した光モデル情報を表示対象領域７に表示する。尚，本実施例で説明する表示領域や交点は，平面配置や立体配置のいずれであっても良く，観察者８の主観で判断される。

さらに本実施例では，光線生成部６が，外部からの振動や内部振動で微妙に揺れ或いは移動する場合にあっては，揺れ量や移動量xyz_shiftを測り，光線マップ処理部３に戻し，揺れ量や移動量xyz_shift分，光モデル情報を移動させて光線モデルにマッピング処理する振動補正機能を付加し，図示しないシステム制御による状況判断により機能ON/OFF制御する。すなわち，光線生成部６が振動する場合にあっても，表示対象領域７は同一場所を保持する。

また，図示しないが，光線生成部６を強制的に周期的に加振し，上記振動補正機能を使用することで，光線位置すなわち交点位置が移動することで，見かけ上の交点を増大させ，光モデルの再生精度（解像度）を向上しても良い。

図３と４を用いて上述した実施例の構造寸法や光線の走査角関係の１例を示す。もちろんこの限りでは無い。観察者８の右眼左眼８Ｒ／Ｌは眼幅Δｄ（＝６５ｍｍ），瞳φＩ（＝φ７ｍｍ）で，光線生成部６の一辺の幅Ｗ（＝２８３ｍｍ），両眼８Ｒ／８Ｌの中心から光線生成部６の中心までＬ（＝３００ｍｍ），光線生成部６からＫ（＝１００ｍｍ）に表示対象領域７（４０ｘ８０ｘ８０）の中心を設定する。

光線生成部６を構成する複数の光線出射部１０はそれぞれＰ＝４ｍｍ間隔でアレイ状に並べる。それぞれの光線出射部１０が発する光線の水平最大角度θＨ／θＶが３０度の場合，光線が交点を成した後，それぞれ右眼／左眼８Ｒ／８Ｌに到達できる表示可能領域９は，点画で示した底辺Ｗ，高さＳ１（＝約２４０ｍｍ）の三角形の範囲である。尚，光線生成部６に奥行き（図面方向）があれば，形状に則した表示可能領域９の範囲が定まる。図中のＢＭ＿１〜４は，光線生成部６の最両端の光線出射部１０から眼球に入る光線を表す。表示可能領域９の範囲に再生対象領域７が存在し，光線Ｂ＿１〜５の５本で３つの交点を表現する。

一方，図４では，観察者８の位置を右に３２．５ｍｍ移動した際の関係を示す。表示可能領域９からはみ出した再生対象領域７の一部分では，交点の表示が不能すなわち，観察者８が知覚できない領域となる。３つの交点では交点４−５が表示不能で，交点１−３と２−３はそれぞれ光線Ｂ＿６とＢ＿９で，光線Ｂ＿７とＢ＿８で表示する。

ここで，光線生成部６の光線出射部１０の配置を図５で示すＲ＝３００の曲面形状或いは図６で示す傾き形状とすることで，表示可能領域９の拡張による再生対象領域７の確保を図っても良い。図５や６の場合，光線生成部６は幅Ｗであっても幅Ｗ’に拡張した場合と同等な再生可能領域９を確保できる。尚，表示可能領域９の拡張による再生対象領域７の確保ができれば，曲率や傾き角等の形状は何れであっても良い。

以上の処理により交点を成した２つの光線がそれぞれ観察者８の右眼／左眼８Ｒ／８Ｌに到達し，両眼の視線が本交点近傍に収束（輻輳）した際には，上記所望の範囲内（空間上）にある光点として知覚する。

また，１本の光線に対し複数の交点の光点を独立に再現できるため，解像度感の向上が可能である。また，交点マップが高速で振動することから，交点マップの密度を見かけ上の増大，すなわち解像度感の向上が可能である。また，交点マップが低速で振動・移動した場合であっても、着目する同一の発光点は、移動量に応じて交点マップ上を移動することから、観察者は同一空間上に発光点が固定しているように知覚することが可能である。

これにより、あたかも何も無い空間上に発光体が浮かび上がっている様に観察することが可能である。また、観察者の見る角度毎に光点を再現するため、動体視野による自然な立体を得ることも可能である。

以上，同一光線を交点数分，時分割で駆動する場合を示したが，目の残像効果を利用するものであり，点滅周期によっては他の交点に混色することは避けられないが，点滅周期の最適化により混色の低減を図るものである。

また，観察者８は表示対象領域に視点を合わせる事で空中の発光体を知覚する際，視線の先にある光線生成部６表面の各交線出射部１０の存在（光）を意識するが，各光線の光強度は自然界の光強度相当であり弱く且つ，両眼8R/8Lの瞳に到達する光線のみ知覚し且つ，様々な交点を再現する為，光モデルの情報は光線生成部６全体に分散，すなわち光線生成部６表面に光モデルの存在は見えにくいランダムな光分布として見える為，空中の発光体の知覚が可能である。

尚，光線生成部６における光線出射部１０への制御・駆動信号の分配方法や，光線出射部１０のサイズや配置関係の１例を示したが、光モデルを再現する為に必要な交点数を確保できる光線を得られるように配置するものであれば，何れでも良い。

光線生成部６は，液晶パネル，米国テキサスインスツルメント社のDMD素子等を用いても良い。光線生成部６の表示面積の拡大や，光線出射部１０の放出角度の拡大により，上記同様の処理により視野角を拡大できることは言うまでもない。

次に本発明の第２実施例による表示装置を、図１１を用いて説明する。
本実施例は、第１の実施例（図１）の表示装置に，複数視点に対する２Ｄや３Ｄの静止画や動画の映像情報を持つ入力映像信号ｖｉｄｅｏの入力と，画像処理部２０を追加した構成である。

画像処理部２０では，入力映像信号ｖｉｄｅｏの複数視点に対する２Ｄや３Ｄの静止画や動画の映像情報を視点毎或いは視点間でフレームレート変換、スケーリングや解像度変換等を施し，光モデル情報１に展開する。また光線生成部６における光線出射部１０は少なくとも色の３原色Ｒ／Ｇ／Ｂで構成するレーザ光源１２ｒ，ｇ，ｂを駆動する。尚，入力映像信号ｖｉｄｅｏは，予め表示対象領域７の形状に合わせた映像情報であっても良い。

以上，本実施例によれば，観察者８が片眼で観察した場合は，立体視としての知覚が出来ない弊害があるものの，両目で投射映像を視認する際，スクリーン等の反射物や拡散物の存在を意識せず，また，高画質な立体映像を静止画や動画で視認でき，更には，周囲からの視認領域を広くすることで，あたかも空間上に映像が浮かび上がっている様に観察することが可能である。

本発明によれば、１本の光線に対し複数の交点の光点を独立に再現できるため，解像度感の向上が可能である。また，交点マップが高速で振動することから，交点マップの密度を見かけ上の増大，すなわち解像度感の向上が可能である。

また，交点マップが低速で振動・移動した場合であっても、着目する同一の発光点は、移動量に応じて交点マップ上を移動することから、観察者は同一空間上に発光点が固定しているように知覚することが可能である。これにより、あたかも何も無い空間上に発光体が浮かび上がっている様に観察することが可能である。

また、観察者の見る角度毎に光点を再現するため、動体視野による自然な立体を得ることも可能である。

１…２Ｄ／３Ｄの光モデル情報信号，２…光線モデル情報信号，３…光線マップ処理部，
４…光線制御・駆動部，５…タイミング生成部，６…光線生成部，７…表示対象領域，
８Ｌ／Ｒ…観察者８の左眼／右眼，９…表示可能領域，１０…光線出射部，
１１…光源駆動部，１２…特定の波長を有する光源，１３…コリメートレンズ，
１４…ミラー制御・駆動部，１５，１６…２軸揺動ミラー，１７…カップリング部，
１８…導光路，１９…加振部，２０…加振制御・駆動部

Claims (11)

1. 表示情報に従い，複数の光線を制御・駆動して空中に立体表示する際，少なくとも２本の光線を空中で交差（交点）させ，交点位置に応じた表示情報で光線の光強度を制御・駆動することを特徴とする浮遊体表示装置。
2. 請求項１に記載の浮遊体表示装置において、
   さらに、表示情報に従い，複数の光線を制御・駆動して空中に立体表示する際，１本の光線を少なくとも２本の光線が交差し且つ，それぞれの交点が発光する表示情報の場合は，それぞれの交点の発光期間を異ならしめるよう制御・駆動することを特徴とする浮遊体表示装置。
3. 請求項１或いは２に記載の浮遊体表示装置において、
   さらに，複数の光線が同時に振動や移動した場合には，移動した後の交点位置に応じた表示情報で光線の光強度を制御・駆動することを特徴とする浮遊体表示装置。
4. 請求項３に記載の浮遊体表示装置において、
   さらに，複数の光線を同時に周期的に振動させ，振動する交点位置に応じた表示情報で光線の光強度を制御・駆動することを特徴とする浮遊体表示装置。
5. 請求項１から４の何れかに記載の浮遊体表示装置において，
   複数の光線を生成する光線生成部は，複数の方向に光線を出射する光線出射部を複数有し，
   前記光線出射部がそれぞれ平面上に配置する構成であることを特徴とする浮遊体表示装置。
6. 請求項１から４の何れかに記載の浮遊体表示装置において，
   複数の光線を生成する光線生成部は，複数の方向に光線を出射する光線出射部を複数有し，
   前記光線出射部がそれぞれ曲面上に配置する構成であることを特徴とする浮遊体表示装置。
7. 請求項１から４の何れかに記載の浮遊体表示装置において，
   複数の光線を生成する光線生成部は，複数の方向に光線を出射する光線出射部を複数有し，
   前記光線出射部がそれぞれ折れ平面上に配置する構成であることを特徴とする浮遊体表示装置。
8. 請求項１から７の何れかに記載の浮遊体表示装置において，
   表示情報は，平面の映像情報や少なくともふたつの視差を含む多視差の映像情報であることを特徴とする浮遊体表示装置。
9. 請求項８に記載の浮遊体表示装置において、光線はレーザ光源であることを特徴とする浮遊体表示装置。
10. 請求項９に記載の浮遊体表示装置において、
    光線出射部は，レーザ光源からのビーム光を揺動ミラー反射し，ラスタスキャンで光線を形成するものであり，
    ラスタスキャンのフレーム単位で発光期間を異ならしめることを特徴とする浮遊体表示装置。
11. 請求項９に記載の浮遊体表示装置において、
    光線出射部は，レーザ光源からのビーム光を導光路に導き，導光路の出射側を可動することでラスタスキャンあるいは回転スキャンで光線を形成するものであり，
    ラスタスキャンのフレーム単位で発光期間を異ならしめることを特徴とする浮遊体表示装置。

Images