JP2014002291A

JP2014002291A - ３次元映像投影装置

Info

Publication number: JP2014002291A
Application number: JP2012138315A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Betsui; 圭一別井
Original assignee: Hitachi Consumer Electronics Co Ltd
Current assignee: Hitachi Consumer Electronics Co Ltd
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2014-01-09
Also published as: US20130341508A1; US8658988B2

Abstract

【課題】
高解像度化や大型化が可能な３次元映像投影装置を提供することにある。
【解決手段】
本発明の３次元映像投影装置は、非可視光のレーザービームにより可視光を蛍光発光する蛍光体が分散された透明表示体と、前記蛍光体を励起する第１のレーザービームを偏向して前記透明表示体の内部を走査する第１のレーザービーム走査手段と、前記蛍光体を励起する第２のレーザービームを偏向して前記透明表示体の内部を走査する第２のレーザービーム走査手段とを備えるようにし、前記透明表示体内部の前記第１のレーザービームと第２のレーザービームとの走査交点で、前記蛍光体の前記第１のレーザービームによる励起と前記第２のレーザービームによる励起が重畳して蛍光発光し、立体像を形成するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザービームにより文字、画像等の可視像を空中に描くことのできる空中可視像形成装置に関する。

近年、3D液晶TVの普及が著しい。この３D液晶TVでは、立体視差をもつ2次元映像を交互に表示し、この表示された映像を偏光メガネ等を介して左右の眼で交互に見ることにより、立体感を視認している。しかし、この方法では、両眼の視差角程度の範囲の３次元情報しか視認することができず、また、視認位置も限定される問題がある。また、ホログラフィが紙幣やカードで偽造防止として実用化されている。

他にも、３次元表示技術が多々あるが、例えば、特許文献１や特許文献２には、空間に三次元像を形成する技術が開示されている。
詳細には、特許文献１には、励起物質ば分布する領域に２種類のビーム状の不可視光を照射し、励起物質の２段階の励起現象をこれらの2種類の光の交点において生じさせ、励起物質の励起状態から安定状態(基底状態)へ戻るときに放出される可視光(励起輻射光)を利用し、２種類のビームを走査することで光の交点により３次元像を形成する技術が開示されている。

また、特許文献２には、２枚の２次元レーザーアレイを直交して配置し、レーザーアレイを走査してレーザー光の交点に、励起状態が緩和する過程で発する蛍光による三次元像を形成する技術が開示されている。

特開平3-107120号公報特開平5-224608号公報

特許文献２によれば、３次元カラーディスプレイ装置の実現も可能となるが、２次元レーザーアレイを使用するため、高解像度化や大型化が困難であった。また、特許文献１には、レーザービームの走査方法が考慮されておらず、実用化に問題があった。

本発明の目的は、高解像度化や大型化が可能な３次元映像投影装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の３次元映像投影装置は、非可視光のレーザービームにより可視光を蛍光発光する蛍光体が分散された透明表示体と、前記蛍光体を励起する第１のレーザービームを偏向して前記透明表示体の内部を走査する第１のレーザービーム走査手段と、前記蛍光体を励起する第２のレーザービームを偏向して前記透明表示体の内部を走査する第２のレーザービーム走査手段とを備えるようにし、前記透明表示体内部の前記第１のレーザービームと第２のレーザービームとの走査交点で、前記蛍光体の前記第１のレーザービームによる励起と前記第２のレーザービームによる励起が重畳して蛍光発光し、立体像を形成するようにした。

特に、カラーの立体像を表示する場合には、前記透明表示体は、赤色を蛍光発光する赤発光蛍光体と緑色を蛍光発光する緑発光蛍光体と青色を蛍光発光すると青発光蛍光体とを含むようにし、前記第２のレーザービームが、前記赤発光蛍光体を励起するレーザ光源と前記緑
発光蛍光体を励起するレーザ光源と前記青発光蛍光体を励起するレーザ光源のレーザ光を重畳したレーザービームとした。

本発明によれば、レーザービームをMEMSミラー等により走査して３次元像を形成するので、立体映像の高解像度化や大型化が容易になる。

実施例の基本的構成を説明するための図である。実施例の立体表示体を説明するための図である。本発明の蛍光体の励起発光の準位を説明するための図である。本発明でカラー表示を実現するための蛍光体の励起発光準位を説明するための図である。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
図１は、実施例の3D映像投影装置の基本構成を説明するための図である。実施例の3D映像投影装置は、詳細を後述する蛍光体を樹脂等に分散させた透明表示体1に、立体映像を形成する。レーザー光源10、11、12からのレーザービーム16とレーザー光源13からのレーザービーム15が、透明表示体1の直交する２方向から、それぞれ走査ミラー9、14により透明表示体1の内部を走査される。ここで、詳細を後述するが、レーザービーム16は光の３原色を励起するためにそれぞれの対応する二次励起波長を持つレーザ光であり、レーザービーム15は共通の励起波長の一次励起レーザ光となっている。

走査ミラー9、14は、透明表示体1を格子分割した格子点にレーザービーム15、16の交点5が形成されるように同期して振動制御される。そして、交点5に対応する映像情報に応じて二次励起光を出力するレーザー光源10、11、12と一次励起光を出力するレーザー光源13の光出力制御することで、立体映像を形成する。

図１に示す実施例では、レーザービーム16は、光の３原色を励起するためにそれぞれの対応する励起波長を持つレーザ光源10,11,12の出力光が、コリメートレンズ10により平行化され、合成プリズム18により重畳されて、走査ミラー9に照射される。

ここで、レーザ光源10は蛍光体に赤色励起光を発生するためのλ2の波長のレーザー光を出力し、レーザ光源11は蛍光体に緑色励起光を発生するためのλ3の波長のレーザー光を出力し、レーザ光源12は蛍光体に青色励起光を発生するためのλ4の波長のレーザー光を出力する。

図１のレーザービーム15は、各色共通の励起波長である1次励起レーザ光であり、レーザ光源13によりλ1の波長のレーザー光を出力され、コリメートレンズ10により平行化され、走査ミラー14に照射される。

図１では、1次励起レーザ光をひとつのレーザ光源13により出力するようにしているが、蛍光体の特性に合わせて、各色の一次励起光を出力するレーザー光源を設けるようにしてもよい。この場合には、レーザービーム16と同様の構成とすればよい。

つぎに、レーザービーム15とレーザービーム16の交点での蛍光体の発光メカニズムを説明する。透明表示体1に含まれる蛍光体は、エネルギーの照射により蛍光物質中の電子が励起され、これが基底状態に遷移する（移動する）ときに光が発生する物質である。本実施例では、図４に示すように、赤発光蛍光体と緑発光蛍光体と青発光蛍光体の三種の蛍光体によりカラーの三原色を励起している。

より具体的には、図４の赤発光蛍光体では、レーザービーム15により波長λ1のレーザー光が照射されて、hＶ1の励起エネルギーにより基底準位から第一励起準位に励起される。そして、レーザービーム16により、波長λ2のレーザー光が照射されて、hＶ2の励起エネルギーにより第一励起準位から第二励起準位に励起される。第二励起準位に励起した蛍光体は、基底状態に遷移する際に、レーザー照射された励起エネルギーに対応するhＶRのエネルギー放出がおこなわれる。この際、エネルギー放出は赤色の波長の蛍光の放出としておこなわれる。

同様にして、図４の緑発光蛍光体では、レーザービーム15により波長λ1のレーザー光が照射され、レーザービーム16により波長λ3のレーザー光が照射されて、基底準位から第二励起準位に励起される。第二励起準位に励起した蛍光体は、基底状態に遷移する際に、レーザー照射された励起エネルギーhＶ1とhＶ3に対応するhＶGのエネルギー放出がおこなわれる。この際、エネルギー放出は緑色の波長の蛍光の放出としておこなわれる。

さらに、図４の青発光蛍光体では、レーザービーム15により波長λ1のレーザー光が照射され、レーザービーム16により波長λ4のレーザー光が照射されて、基底準位から第二励起準位に励起される。第二励起準位に励起した蛍光体は、基底状態に遷移する際に、レーザー照射された励起エネルギーhＶ1とhＶ4に対応するhＶBのエネルギー放出がおこなわれる。この際、エネルギー放出は青色の波長の蛍光の放出としておこなわれる。

本実施例では、レーザービーム15,16の波長λ1、λ2、λ3、λ4が紫外あるいは赤外の非可視光の波長で上記の励起特性をもつ蛍光体を適宜選択する。励起波長（エネルギー）に選択性のあり、かつ発光波長のことなる蛍光体材料の、具体的な材料については後述する。

また、赤発光蛍光体と緑発光蛍光体と青発光蛍光体の三種の蛍光体に分散し、さらに、これらの蛍光体ごとに二次励起するレーザー波長を分けて、重畳する各色のレーザー強度を変化させることで、重畳点での赤、緑、青の発光強度を独立に制御できることになる。

図４では、レーザービーム15は、各色共通の励起波長λ1の一次励起レーザ光レーザーとしたが、先にも述べたとおり、各色ごとに波長の異なる一次励起光を出力するレーザー光源を設けるようにしてもよい。この場合には、蛍光体の選択自由度の向上する。

上記のとおり、レーザービーム15とレーザービーム16の交点では、可視光が励起されるが、それ以外では可視蛍光光の発生はなく、非可視のレーザ光が走査されるため視認されない。このため、透明表示体1に立体像を表示することができる。

上記に説明した発光メカニズムの蛍光体は、多光子励起蛍光体と呼ばれるものであるが、それ以外にも、図３に示すように、輝尽発光蛍光体でも同様の立体像の形成が可能である。輝尽発光蛍光体とは、第一励起光（一般的に紫外線領域）の励起光で高い準位に励起された後、中間にある第一中間順位に遷移し、その後、第2の励起光により第二励起準位に励起され、最終的に可視光線を発光する蛍光体である。

図２に、透明表示体1の構成を示す。透明表示体1は、透明な支持体17の中に、赤発光蛍光体粉6、緑発光蛍光体粉7、青発光蛍光体粉8の三種類が一様に分散配置されている。透明支持体1としては、各種ガラスや樹脂などの固体、水などの液体、空気などの気体などが選択できる。

具体的には、赤発光蛍光体粉6はY(1-x-y))YbxEryOClであり、緑発光蛍光体粉7はY(1-x-y))YbxEryF3, NaY(1-x-y)YbxEryF4, BaY(2-x-y)YbxEryF8であり、青発光蛍光体粉8はY(1-x-y))YbxTmyF3を使用する。しかし、上記の材料に限定するものではなく、これ以外の無機物、あるいは有機材料の蛍光体を用いてもかまわない。

蛍光体粉7,8,9はレーザービーム15,16に比べて微細なため、レーザービーム15,16の交点には、複数の蛍光体粉7,8,9が含まれる。このため、上記で説明した赤と緑と青の蛍光発光が同時に起こる。レーザービーム15,16の走査により順次交点位置が移動し、蛍光発光位置が移動することで立体映像が形成される。

蛍光体粉7,8,9は、立体映像の走査時間分の蛍光残光時間が必要となるが、本発明の3D映像投影装置では、レーザービーム15,16の走査により、立体映像の形成をおこなっているため、つぎのとおり、立体映像の走査周期を短くすることができ、蛍光体選定の自由度が向上する。

本実施例では透明表示体1の内部のレーザービームの交点位置が蛍光発光することで立体映像表示をおこなっており、立体像の表面に対応する交点位置以外の透明表示体1の内部で、レーザービームを走査する必要がない。このため、図１の基本構成図において、図示しないミラー走査制御部により、立体像の表面に対応する交点位置を考慮して、走査ミラー9、14の動作を制御し、これに連動してレーザー光源10、11、12、13の点灯制御をおこなう。これにより、不要部分のレーザービーム走査を抑止できるので、レーザービーム交点の発光周期が短くなり、短い蛍光残光時間の蛍光体材料の使用も可能となる。

1…立体表示体、5…発光点、6…赤発光蛍光体、7…緑発光蛍光体、8…青発光蛍光体、9…レーザ走査鏡、10…青蛍光体2次励起波長発光レーザコリメートレンズ、11…赤蛍光体2次励起波長発光レーザ、12…緑蛍光体2次励起波長発光レーザ、13…1次励起波長発光レーザ、14…1次励起光レーザ走査鏡、15…1次励起光レーザ光線、16…2次励起光レーザ光線、17…透明支持体、18…色合成プリズム

Claims

非可視光のレーザービームにより可視光を蛍光発光する蛍光体が分散された透明表示体と、
前記蛍光体を励起する第１のレーザービームを偏向して前記透明表示体の内部を走査する第１のレーザービーム走査手段と、
前記蛍光体を励起する第２のレーザービームを偏向して前記透明表示体の内部を走査する第２のレーザービーム走査手段と、を備え、
前記透明表示体内部の前記第１のレーザービームと第２のレーザービームとの走査交点で、前記蛍光体の前記第１のレーザービームによる励起と前記第２のレーザービームによる励起が重畳して蛍光発光し、立体像を形成することを特徴とする３次元映像投影装置。
非可視光のレーザービームにより赤色を蛍光発光する赤発光蛍光体と緑色を蛍光発光する緑発光蛍光体と青色を蛍光発光すると青発光蛍光体とを含む透明表示体と、
前記赤発光蛍光体と緑発光蛍光体と青発光蛍光体の励起状態を変える非可視レーザー光を出力する第１のレーザー光源と、
前記赤発光蛍光体の励起状態を変える非可視レーザー光を出力する第２のレーザー光源と、
前記緑発光蛍光体の励起状態を変える非可視レーザー光を出力する第３のレーザー光源と、
前記青発光蛍光体の励起状態を変える非可視レーザー光を出力する第４のレーザー光源と、
前記第１のレーザー光源の非可視光のレーザービームを偏向して前記透明表示体の内部を走査する第１のレーザービーム走査手段と、
前記第２のレーザー光源の出射ビームと前記第３のレーザー光源の出射ビームと前記第３のレーザー光源の出射ビームを重畳したレーザービームを偏向して前記透明表示体の内部を走査する第２のレーザービーム走査手段と、を備え、
前記透明表示体内部の前記第１のレーザービームと第２のレーザービームとの走査交点で、
前記赤発光蛍光体の前記第１のレーザー光源のレーザー光による励起と前記第２のレーザー光源のレーザー光による励起が重畳して赤色の蛍光発光し、
前記緑発光蛍光体の前記第１のレーザー光源のレーザー光による励起と前記第３のレーザー光源のレーザー光による励起が重畳して緑色の蛍光発光し、
前記青発光蛍光体の前記第１のレーザー光源のレーザー光による励起と前記第４のレーザー光源のレーザー光による励起が重畳して青色の蛍光発光し、
立体像を形成することを特徴とする３次元映像投影装置。
非可視光のレーザービームにより赤色を蛍光発光する赤発光蛍光体と緑色を蛍光発光する緑発光蛍光体と青色を蛍光発光すると青発光蛍光体とを含む透明表示体と、
前記赤発光蛍光体の励起状態を変える非可視レーザー光を出力する第２のレーザー光源と第５のレーザー光源、
前記緑発光蛍光体の励起状態を変える非可視レーザー光を出力する第３のレーザー光源と第６のレーザー光源、
前記青発光蛍光体の励起状態を変える非可視レーザー光を出力する第４のレーザー光源と第７のレーザー光源、
前記第５のレーザー光源の出射ビームと前記第６のレーザー光源の出射ビームと前記第７のレーザー光源の出射ビームを重畳したレーザービームを偏向して前記透明表示体の内部を走査する第１のレーザービーム走査手段と、
前記第２のレーザー光源の出射ビームと前記第３のレーザー光源の出射ビームと前記第３のレーザー光源の出射ビームを重畳したレーザービームを偏向して前記透明表示体の内部を走査する第２のレーザービーム走査手段と、を備え、
前記透明表示体内部の前記第１のレーザービームと第２のレーザービームとの走査交点で、
前記赤発光蛍光体の前記第５のレーザー光源のレーザー光による励起と前記第２のレーザー光源のレーザー光による励起が重畳して赤色の蛍光発光し、
前記緑発光蛍光体の前記第６のレーザー光源のレーザー光による励起と前記第３のレーザー光源のレーザー光による励起が重畳して緑色の蛍光発光し、
前記青発光蛍光体の前記第７のレーザー光源のレーザー光による励起と前記第４のレーザー光源のレーザー光による励起が重畳して青色の蛍光発光し、
立体像を形成することを特徴とする３次元映像投影装置。
請求項１から請求項３に記載の３次元映像投影装置において、
前記第１のレーザー光源から前記第７のレーザー光源のレーザー光の波長範囲は、紫外線領域、あるいは、赤外線領域であることを特徴とする３次元映像投影装置。
請求項１から請求項４に記載の３次元映像投影装置において、
前記透明表示体に含まれる蛍光体は、多光子励起型蛍光体であることを特徴とする３次元映像投影装置。
請求項１から請求項４に記載の３次元映像投影装置において、
前記透明表示体に含まれる蛍光体は、輝尽発光型蛍光体であることを特徴とする３次元映像投影装置。
請求項１から請求項３に記載の３次元映像投影装置において、
前記透明表示体内部の前記第１のレーザービームと第２のレーザービームとの走査交点は、表示する立体映像の表面形状に対応することを特徴とする３次元映像投影装置。