JP2016024397A

JP2016024397A - ３次元スクリーン構造および３次元画像生成システム

Info

Publication number: JP2016024397A
Application number: JP2014149817A
Authority: JP
Inventors: 智正水野; Tomomasa Mizuno
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2016-02-08
Also published as: US20170146898A1; EP3173850A4; EP3173850A1; EP3173850B1; CN106489097A; US9977321B2; WO2016013137A1

Abstract

【課題】再生精度が高く一定品質の再生画像を得ることができる３次元画像生成システム、これに用いられる３次元スクリーン構造を提供すること。
【解決手段】３次元スクリーン構造は、画像光源から投射される画像光が入射される３次元スクリーン構造である。この３次元スクリーン構造は、複数の粒体と、バインド部とを備える。前記複数の粒体は、３次元状に配置され、前記画像光を透過または反射可能である。前記バインド部は、複数の粒体をバインドする。
【選択図】図１

Description

本技術は、３次元画像を生成する３次元画像生成システム、また、この３次元画像生成システムにおいて、３次元画像を表示する３次元スクリーン構造に関する。

典型的なホログラフィ技術として、例えば、参照光と信号光とを干渉させ、その干渉光をホログラムの記録媒体に記録する技術がある。すなわち、記録時には、記録媒体に干渉光の明暗のパターン、つまり、その強度および位相が記録される。信号光の再生時には、記録媒体に参照光が照射されることにより、記録媒体から回折光が発生する。この回折光を、観察者が立体像として見ることができる。

特許文献１に開示された装置は、信号光の再生時には、イメージセンサ等のディテクタに再生光を照射させてデジタル像を得ている（例えば、特許文献１の段落［０００４］〜［０００７］を参照。）。

また、上記干渉光を、固体撮像素子を用いてデジタル画像として取得する、いわゆるデジタルホログラフィ技術もある。デジタルホログラフィ技術では、干渉縞画像のデジタルデータとして、当該干渉光の強度および位相のデータを扱い、少なくとも再生時には画像処理も必要になる。したがって、デジタルホログラフィ技術では、データ量およびデータの処理量が膨大となる欠点がある。

立体像を得る別の手段として、特許文献２には、霧または水液滴のスクリーンを使用するディスプレイシステムが開示されている。このディスプレイシステムでは、霧または水液滴のスクリーン発生器と、これにより発生した霧または水液滴に、３Ｄコンテンツを投影するプロジェクタとを備える（例えば、特許文献２の段落［００１９］を参照）。

特開2013-178860号公報特開2013-17161号公報

しかしながら、特許文献２のシステムは、霧または水滴液のスクリーンを使用する必要がある。液体を噴霧する方法やシステムの周囲環境によって、画像光の再生精度のバラツキが大きくなり、一定品質の担保が非常に難しい。

したがって、本技術の目的は、再生精度が高く一定品質の再生画像を得ることができる３次元画像生成システム、これに用いられる３次元スクリーン構造を提供することにある。

上記目的を達成するため、本技術に係る３次元スクリーン構造は、画像光源から投射される画像光が入射される３次元スクリーン構造である。この３次元スクリーン構造は、複数の粒体と、バインド部とを備える。
前記複数の粒体は、３次元状に配置され、前記画像光を透過または反射可能である。
前記バインド部は、複数の粒体をバインドする。
複数の粒体がバインド部でバインドされるように構成されるので、複数の粒体の位置は固定される。したがって、この３次元スクリーン構造は、噴霧された液滴のスクリーンに比べ、再生精度が高く、一定品質の再生画像を得ることができる。

前記複数の粒体は、ランダムに配置されていてもよい。
これにより、画像光源がどのような位置にあっても、画像光が複数の粒体に投影される。

前記複数の粒体は、規則的に配置されていてもよい。
これにより、３次元スクリーン構造の製造が容易になる。

前記３次元スクリーン構造の表面から内部へ向かうにしたがい、単位体積当たりに占める粒体の数が増えるように、前記複数の粒体が配置されていてもよい。
これにより、画像光源からの多くの光を複数の粒体で反射させることができ、光の利用効率を高めることができる。

前記バインド部は、柱状または棒状に形成された複数の接続体を含んでいてもよい。

前記バインド部は、前記複数の粒体の間の空間を満たす透明体であってもよい。
すなわち、棒状あるいは柱状の接続体がないので、３次元スクリーン構造内でバインド部によって画像光の進行が妨げられず、高画質化を実現できる。

前記複数の粒体およびバインド部は、光硬化性樹脂で構成されていてもよい。
これにより、３次元スクリーン構造を３Ｄプリンタで製造することができる。

本技術に係る３次元画像生成システムは、画像光を投射可能な１以上の画像光源と、上記した３次元スクリーン構造とを備える。

前記１以上の画像光源は、前記３次元スクリーン構造に対して異なる方向から画像光をそれぞれ投射する複数の画像光源であってもよい。
観察者は、３次元スクリーン構造の周囲の所定範囲で動くことにより、３次元情報を持つ３次元画像を見ることができる。

以上、本技術によれば、再生精度が高く一定品質の再生画像を得ることができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

図１Ａは、本技術の第１の実施形態に係る３次元画像生成システムを概念的に示す図である。図１Ｂは、この３次元画像生成システムを上から見た平面図である。図２は、粒体およびバインド部のサイズを説明するための図である。図３は、第１の実施形態に係る３次元スクリーン構造の変形例を示す斜視図である。図４は、第２の実施形態として、複数のプロジェクタを有する３次元画像生成システムを概略的に示す平面図である。図５は、第３の実施形態として、３次元スクリーン構造の他の例についての拡大図である。図６は、第４の実施形態として、３次元スクリーン構造の他の例を示す。図７Ａは、３次元スクリーン構造の一部を示す拡大図である。図７Ｂは、この３次元スクリーン構造を含む３次元画像生成システムを上から見た平面図である。図８は、第６の実施形態として、３次元スクリーン構造の他の例を示す。

以下、図面を参照しながら、本技術の実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
図１Ａは、本技術の第１の実施形態に係る３次元画像生成システムを概念的に示す図である。図１Ｂは、この３次元画像生成システム５０を上から見た平面図である。３次元画像生成システム５０は、画像光源であるプロジェクタ１０と、このプロジェクタ１０からの画像光１１が投射される３次元スクリーン構造２０とを含む。

プロジェクタ１０として、一般的な構造および機能を有するものが用いられる。プロジェクタ１０から投射される画像データは、一般的な２Ｄ画像でよい。本明細書でいう「画像」とは、静止画および動画の両方の意味を含む。

３次元スクリーン構造２０は、その一部を拡大して図に示すように、複数の粒体２１と、これら粒体２１をバインドするバインド部２５とを有する。「バインド」とは、結びつける、繋げるなどという意味である。

３次元スクリーン構造２０は、多数あるいは無数の粒体２１を有する。３次元スクリーン構造２０の全体形状（外形）は、どのような形状であってもよい。図１Ａ、Ｂでは円筒形状を例として挙げている。

粒体２１の構造は、例えば霧や水滴を模した構造である。粒体２１は、３次元状にランダムに配置される。粒体２１は、例えば球形に形成されている。しかし、その形状は、球形に限られず、多面体形状、その他ランダムな粒形状であってもよい。

バインド部２５は、粒体２１の間を接続する棒状または柱状に形成された複数の接続体（あるいは連結体）２６を含む。各粒体２１の１つ１つから、複数、例えば２本の接続体２６が延びている。

なお、３次元スクリーン構造２０の下に、図示しない台座が設けられていてもよい。

図１Ａ、Ｂにおける３次元スクリーン構造２０の全体図では、粒体の密度（散在度）が領域によって異なるように描かれているが、これは図の理解を容易にするためである。実際は、散在度はできるだけ均一であることが好ましい。

図２は、粒体２１およびバインド部２５のサイズを説明するための図である。
粒体２１のサイズ（例えば体積）は、例えば1×10^-4[cm³]〜1[cm³]程度であり、例えば0.03[cm³]である。
粒体２１間のピッチａは、例えば0.6[mm]〜10[cm]程度である。
接続体２６の太さは、例えば0.1[mm]〜数[cm]程度である。
これらのサイズは、３次元スクリーン構造２０自体のサイズによって適宜変更可能である。

３次元スクリーン構造２０は、射出成形装置、または３Ｄプリンタ（造形装置）により形成される。

比較的大きいサイズの３次元スクリーン構造の場合、例えば射出成形装置により製造され得る。例えば射出成型装置により、３次元スクリーン構造を構成する複数のパーツを製造し、それらを組み合わせることにより、３次元スクリーン構造を作ることができる。

比較的小さいサイズ、特に、微細構造の粒体およびバインド部を含む３次元スクリーン構造は、３Ｄプリンタにより製造され得る。３Ｄプリンタとしては、例えば、特開2012-040757号公報、特開2012-106437号公報、特開2012-240216号公報、特開2013-207060号公報、特開2013-059983号公報等に記載の装置が用いられ得る。

本実施形態に係る３次元スクリーン構造２０は、透過型であることが好ましい。透過型とは、粒体２１がプロジェクタ１０からの画像光１１を透過させるタイプである。しかしながら、必ずしも透過型には限られず、反射型であってもよい。すなわち、反射型とは、粒体２１がプロジェクタ１０からの画像光１１を反射し、観察者Ｕがその反射された画像光１１を観察するタイプである。

粒体２１の材料は、典型的には樹脂である。例えば、PEEK、PC、PMMA、POM、PU、PET、PA、PCTFE、PTFE、FEP、PFA、ETFE、PVDF、PVC軟質、PVA、ABS、PP、PMM、APSのうち少なくとも１つが選択的に採用される。また、その樹脂材料に保護膜や色膜などがコーティングされていてもよい。反射型の場合、樹脂材料自体、またはその表面の膜の色は白（例えば（R,G,B）=（255,255,255））であることが好ましい。

バインド部２５の材料も、粒体２１の材料と同じ材料を選択的に採用することができる。１つの３次元スクリーン構造２０のうち、粒体２１の材料と、バインド部２５の材料が異なっていてもよい。

３Ｄプリンタにより３次元スクリーン構造２０が形成される場合であって、３次元スクリーン構造２０が透過型である場合、粒体２１およびバインド部２５の材料は、典型的には透明や半透明の光硬化性樹脂である。

「透明」、「半透明」は、材料を透過した光が人間の眼に見える程度の状態を意味する。ここでは、「透明」、「半透明」の定量的な違いを表現することに意味はなく、両者の光透過率に差があればよい。

反射型の場合、もちろん光硬化性樹脂が不透明であるか、または、透明または半透明の光硬化性樹脂に着色のコーティングが施される。

図１Ｂは、観察者Ｕ、３次元スクリーン構造２０、およびプロジェクタ１０の配置関係を示す。この例の３次元スクリーン構造２０は透過型である。すなわち、３次元スクリーン構造２０の粒体２１が透明または半透明である。この場合、典型的には、プロジェクタ１０および観察者Ｕは、３次元スクリーン構造２０を中心として対向する位置関係にある。

プロジェクタ１０から投射された画像光１１が、３次元スクリーン構造２０内に入射すると、各粒体２１内を透過（粒体２１の表面で屈折して内部を透過）し、また、各粒体２１の表面に全反射される。つまり、３次元スクリーン構造２０の奥行方向（主にプロジェクタ１０からの画像光１１の進行方向）に、ランダムな位相差が発生する。このように画像に位相情報が付加されることにより、投射された画像が３次元情報を有することになる。これにより、観察者Ｕは、３次元スクリーン構造２０内に映し出された画像光１１を３次元的な奥行を持つ画像として見ることができる。

また、画像光１１は、上記のように屈折および全反射を起こすので、観察者Ｕが、３次元スクリーン構造２０の周囲に例えば±30°程度の範囲内で動いても、３次元スクリーン構造２０内に投射された奥行を持つ画像を見ることができる。ただし、この場合は、観察者Ｕの位置に応じて画像の見え方が多少異なる場合もある。

本実施形態では、構造物が透明、半透明である場合、画像が空中に投影しているかのような映像表現を実現することができる。一般的に、ホログラム映像を作成するにはディスプレイを高速で回転したり、霧や水滴に映像を照射しておこなう方法がある。これらの方法では、画像表示媒体を作成するために大掛かりな装置が必要になる。特に、回転するディスプレイ等では、空中に映像が投影しているように観察者に見せるためには、それ専用の画像データを作成する必要がある。その点、本実施形態は画像データの加工が不要である。

以上のように、多数の粒体２１が３次元状に配置され、かつ、それら粒体２１がバインド部２５によりバインドされるように構成されるので、多数の粒体２１の位置は固定される。したがって、この３次元スクリーン構造２０は、噴霧された液滴のスクリーンに比べ、再生精度が高く、一定品質の再生画像を得ることができる。

本実施形態では、多数の粒体２１がランダムに配置されているので、プロジェクタ１０がどのような位置にあっても、画像光１１が多数の粒体２１に投影される。したがって、プロジェクタ１０を任意の位置に配置させることができ、３次元画像生成システム５０の設計の自由度が高まる。

また、本実施形態は、従来から行われているプロジェクションマッピングのように平面や物体の表面に画像を投射するのではなく、画像を物体内部にまで投射できるため、プロジェクションマッピングを超えた新たな映像表現が期待できる。

例えば、３次元スクリーン構造３０は、図３に示すように、ブロック形状の複数の粒体３１を有していてもよい。なお、バインド部は図示していない。ブロック形状とは、立方体や直方体の形状である。この場合、各粒体３１は、それらの一表面が一定の方向（ここでは画像光１１の入射方向）に向く姿勢となるように配置されている。粒体３１の配置はランダムである。このように、粒体３１の形状を立方体や直方体等のブロック形状とすることにより、３次元形状のプロジェクションマッピングが可能となる。

［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態として、複数のプロジェクタ１０を有する３次元画像生成システムを概略的に示す平面図である。

この例では、例えば５つのプロジェクタ１０が、３次元スクリーン構造２０の周囲に等間隔で、180°に展開されて配置されている。これらプロジェクタ１０からの光の進行方向（主光軸の方向）はそれぞれ異なり、すべて３次元スクリーン構造２０の中心に光が向かうように、各プロジェクタ１０が配置されている。またプロジェクタ１０か投射されるそれぞれの画像データは、各プロジェクタ１０の配置関係に応じた、それぞれ視差を持つ画像データである。したがって、３次元スクリーン構造２０には、３次元情報を持つ３次元画像が投影されることになる。観察者Ｕは、３次元スクリーン構造２０の周囲で、観察位置（３次元スクリーン構造２０に対する観察角度）を変えることにより、その３次元画像を見ることができる。

図４に示した例では、同一平面内に複数のプロジェクタ１０が配置されたが、３次元状に複数のプロジェクタ１０が配置されてもよい。この場合も、３次元状に配置された複数のプロジェクタ１０は、ぞれぞれの配置に応じた画像を再現できるように、それぞれ視差を持つ画像光を投射する。

プロジェクタ１０数は、もちろん５つに限られず、５つより少なくても、あるいは６つ以上であってもよい。

［第３の実施形態］
図５は、第３の実施形態として、３次元スクリーン構造の他の例についての拡大図である。本実施形態では、１つの粒体２１から３本以上の接続体２６が延びている。粒体２１はランダムな配置となっている。バインド部２５は画像の生成にほとんど寄与しないため、その体積はできるだけ小さいことが望まれる。しかし、粒体２１間の剛性を考慮すると、接続体２６の数は多いほど合成が高くなる。本実施形態では、粒体２１間の剛性、ひいては３次元スクリーン構造の剛性を優先し、バインド部２５の体積を大きくしている。

［第４の実施形態］
図６は、第４の実施形態として、３次元スクリーン構造の他の例を示す。本実施形態に係る３次元スクリーン構造４０では、粒体２１はランダムではなく、規則的に配置されている。具体的には、３次元スクリーン構造の表面から内部へ向かうにしたがい、単位体積当たりに占める粒体２１の数（以下、便宜的に「粒体密度」という。）が増えるように、これら粒体２１が配置される。この図は、平面視の概念図であるので、粒体２１は２次元状に配置されるように図示されているが、実際は３次元状に配置される。なお、図６では、バインド部の図示を省略している。

例えば、３次元スクリーン構造４０の表面のうち粒体密度が低い方から画像光１１が入射するように、プロジェクタ１０が配置される。観察者Ｕは、３次元スクリーン構造４０で生成された画像を反射光として見ることができる。

本実施形態では、プロジェクタ１０からの画像光１１の、３次元スクリーン構造４０への深度が深いほど、当該画像光１１が反射される確率が増すので、光の利用効率を高めることができる。その結果、この高輝度な３次元画像を生成することができる。

［第５の実施形態］
図７Ａは、３次元スクリーン構造の一部を示す拡大図である。この粒体２１および接続体２６は、規則的な結晶格子のような構造を有する。例えば立方格子の各頂点にそれぞれ粒体２１が設けられ、立方格子の各辺として接続体２６が設けられる。この１つの立方格子を一単位として、多数の立方格子でなる３次元スクリーン構造を形成することができる。

図７Ｂは、この３次元スクリーン構造０を含む３次元画像生成システムを上から見た平面図である。プロジェクタ１０からの画像光１１の進行方向（主光軸の方向）が接続体２６の長さ方向に対して斜めになるように、プロジェクタ１０が配置される。プロジェクタ１０からの画像光１１の主光軸の方向は、できるだけ多くの粒体２１にプロジェクタ１０からの光が直接到達できるような方向である。このような３次元画像生成システムにより、奥行を持つ画像を生成することができる。もちろん、プロジェクタ１０は複数あってもよい。

この３次元スクリーン構造には、透過型でも反射型でもどちらも適用可能である。ちろん、プロジェクタ１０は複数あってもよい。

なお、本実施形態では、一単位の格子を立方体としたが、直方体であってもよい。

［第６の実施形態］
図８は、第６の実施形態として、３次元スクリーン構造の他の例を示す。この３次元スクリーン構造６０は、バインド部として、粒体６１の間の空間を満たす透明体６５を備える。透明体６５は、３Ｄプリンタにより形成可能な光硬化性樹脂材料で構成される。３次元スクリーン構造６０は、透明体６５内に、例えば透明、半透明、不透明な粒体６１が散在して構成されている。

粒体６１の光の透過率と、透明体６５による光の透過率は異なる。透明体６５の透過率が、粒体６１の透過率より高いことが好ましい。

このような構造によれば、上記各実施形態における棒状あるいは柱状の接続体がないので、３次元スクリーン構造６０内でバインド部によって画像光の進行が妨げられず、高画質化を実現できる。

［その他の実施形態］
本技術は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

例えば、３次元スクリーン構造の各粒体が液晶デバイス構造を持っていてもよい。例えば粒体の１つ１つが、液晶、その液晶を収容する容器構造、その容器構造に設けられ、液晶を操作するための電極等を含む。電線は、接続体の表面または内部に形成される。各粒体に固有のアドレスが割り振られる。
例えば、３次元スクリーン構造が３Ｄプリンタにより製造される場合、上記公報に開示される３Ｄプリンタのうち少なくとも１つの使用により、金属膜や配線を３次元スクリーン構造２０内に形成することができる。

このような液晶を持つ３次元スクリーン構造によれば、各粒体が光の透過率をそれぞれ制御することができるので、多彩な３次元画像を生成することができる。

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。例えば、図８に示した３次元スクリーン構造６０と、例えば図３、５、または６に記載された粒体の構造とを組み合わせてもよい。

なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）
画像光源から投射される画像光が入射される３次元スクリーン構造であって、
３次元状に配置され、前記画像光を透過または反射可能な複数の粒体と、
前記複数の粒体をバインドするバインド部と
を備える３次元スクリーン構造。
（２）
前記（１）に記載の３次元スクリーン構造であって、
前記複数の粒体は、ランダムに配置されている
３次元スクリーン構造。
（３）
前記（１）に記載の３次元スクリーン構造であって、
前記複数の粒体は、規則的に配置されている
３次元スクリーン構造。
（４）
前記（３）に記載の３次元スクリーン構造であって、
前記３次元スクリーン構造の表面から内部へ向かうにしたがい、単位体積当たりに占める粒体の数が増えるように、前記複数の粒体が配置される
３次元スクリーン構造。
（５）
前記（１）から（４）のうちいずれか１つに記載の３次元スクリーン構造であって、
前記バインド部は、棒状または柱状に形成された複数の接続体を含む
３次元スクリーン構造。
（６）
前記（１）から（５）のうちいずれか１つに記載の３次元スクリーン構造であって、
前記バインド部は、前記複数の粒体の間の空間を満たす透明体である
３次元スクリーン構造。
（７）
前記（１）から（６）のうちいずれか１つに記載の３次元スクリーン構造であって、
前記複数の粒体およびバインド部は、光硬化性樹脂で構成される
３次元スクリーン構造。
（８）
画像光を投射可能な１以上の画像光源と、
３次元状に配置され、前記画像光を透過または反射可能な複数の粒体と、前記複数の粒体をバインドするバインド部とを有する３次元スクリーン構造と
を備える３次元画像生成システム。
（９）
前記（８）に記載の３次元画像生成システムであって、
前記１以上の画像光源は、前記３次元スクリーン構造に対して異なる方向から画像光をそれぞれ投射する複数の画像光源である
３次元画像生成システム。

１０…プロジェクタ
１１…画像光
２０、３０、４０、６０…３次元スクリーン構造
２１、３１、６１…粒体
２５…バインド部
２６…接続体
５０…次元画像生成システム
６５…透明体

Claims

画像光源から投射される画像光が入射される３次元スクリーン構造であって、
３次元状に配置され、前記画像光を透過または反射可能な複数の粒体と、
前記複数の粒体をバインドするバインド部と
を備える３次元スクリーン構造。
請求項１に記載の３次元スクリーン構造であって、
前記複数の粒体は、ランダムに配置されている
３次元スクリーン構造。
請求項１に記載の３次元スクリーン構造であって、
前記複数の粒体は、規則的に配置されている
３次元スクリーン構造。
請求項３に記載の３次元スクリーン構造であって、
前記３次元スクリーン構造の表面から内部へ向かうにしたがい、単位体積当たりに占める粒体の数が増えるように、前記複数の粒体が配置される
３次元スクリーン構造。
請求項１に記載の３次元スクリーン構造であって、
前記バインド部は、棒状または柱状に形成された複数の接続体を含む
３次元スクリーン構造。
請求項１に記載の３次元スクリーン構造であって、
前記バインド部は、前記複数の粒体の間の空間を満たす透明体である
３次元スクリーン構造。
請求項１に記載の３次元スクリーン構造であって、
前記複数の粒体およびバインド部は、光硬化性樹脂で構成される
３次元スクリーン構造。
画像光を投射可能な１以上の画像光源と、
３次元状に配置され、前記画像光を透過または反射可能な複数の粒体と、前記複数の粒体をバインドするバインド部とを有する３次元スクリーン構造と
を備える３次元画像生成システム。
請求項８に記載の３次元画像生成システムであって、
前記１以上の画像光源は、前記３次元スクリーン構造に対して異なる方向から画像光をそれぞれ投射する複数の画像光源である
３次元画像生成システム。