JP2022030415A - 多視点立体空中像表示装置とその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】両眼視差を有する立体空中像を安いコストで表示する。【解決手段】水平方向に異なる視差を持つ３つの視点映像１１等を平面上に前後２段に互い違いに配置して表示するディスプレイ部１０と、焦点距離ｆ１で且つ該焦点距離ｆ１と等しい高さを持つ第１凸レンズ２０と、第１凸レンズ２０の上端とディスプレイ部１０の間に45度の角度で固定される第１平面ミラー３０と、第１平面ミラー３０と対称に配置されるハーフミラー４０と、視点映像と平行に配置される焦点距離ｆ２の複数の第２凸レンズ５０と、第２凸レンズの視点映像１２，１３と反対側に対向して配置される第２平面ミラー７０と、各レンズの中心部に対応する位置の光の透過率が100%で外周部に向かってリニアに低下する複数の光フィルター６０と、第１凸レンズ２０の正面に配置され、ハーフミラー４０を透過して到来する光の範囲をカバーする直径を持つ焦点距離ｆ２の第３凸レンズ８０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、多視点立体空中像表示装置とその方法に関する。

レンズによってディスプレイ上に表示された被写体を空中に結像させ、被写体が空中に浮いている空中像として表示する技術が例えば非特許文献１に開示されている。

大川達也、他２名、「結像素子より大きな空中像を表示する対称光学系の提案」、第23回日本バーチャルリアリティ学会大会論文集、2018年9月

しかしながら、非特許文献１に開示された技術では、ディスプレイ上に表示された映像を空中に結像しているため、空中像に視差がなく、２次元の空中像しか提示できない。そのため、奥行き手かかりの提示が不十分な場合や被写体の立体感を提示したい場合は十分な臨場感を提示することができない。

両眼視差を実現するためには、ディスプレイにインテグラルディスプレイ又はレンチキュラレンズなどの裸眼３Ｄディスプレイを用いる方法が考えられる。しかし、これらの特殊なディスプレイ及び特殊なレンズを用いるとシステムの構成が複雑でコストが高くなるという課題がある。

本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、両眼視差を有する立体空中像を安いコストで表示することができる多視点立体空中像表示装置とその方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る多視点立体空中像表示装置は、水平方向に異なる視差を持つ少なくとも３つの視点映像を平面上に前後２段に互い違いに配置して表示するディスプレイ部と、前記前後２段の後段の前記視点映像の正面で且つ前記ディスプレイ部の該前後２段の前記視点映像の間から垂直に立てて配置される焦点距離ｆ_１で且つ焦点距離ｆ_１と等しい高さを持つ第１凸レンズと、前記第１凸レンズの上端と前記ディスプレイ部の奥行方向の端部との間に45度の角度で固定される第１平面ミラーと、前記第１平面ミラーと前記第１凸レンズを挟んで対称に配置されるハーフミラーと、前記ハーフミラーを挟んで前記ディスプレイ部に表示される前記視点映像の幅を直径とし、前記視点映像と平行に配置される焦点距離ｆ_２の複数の第２凸レンズと、前記第２凸レンズの前記視点映像と反対側に該視点映像と対向して配置される第２平面ミラーと、前記第１凸レンズと前記第２凸レンズの正面に配置され、それぞれのレンズの中心部に対応する位置の光の透過率が100%で該透過率が外周部に向かってリニアに低下する複数の光フィルターと、前記第１凸レンズの正面に、該第１凸レンズから焦点距離ｆ_１と焦点距離ｆ_２の和の距離前方に配置され、前記ハーフミラーを透過及び反射して到来する光の範囲をカバーする直径を持つ焦点距離ｆ_２の第３凸レンズとを備え、観察者は、前記第３凸レンズを介して両眼視差を有する空中像を観察することを要旨とする。

また、本発明の一態様に係る多視点立体空中像表示方法は、上記の多視点立体空中像表示装置が行う多視点立体空中像表示方法であって、前記ディスプレイ部は、水平方向に異なる視差を持つ少なくとも３つの前記視点映像を平面上に前記前後２段に互い違いに配置して表示するディスプレイステップと、観察者は、前記第２凸レンズを介して両眼視差を有する多視点空中像を観察する多視点立体空中像観察ステップとを行なうことを要旨とする。

本発明によれば、両眼視差を有する多視点空中像を安いコストで表示することができる。

本発明の第１実施形態に係る多視点立体空中像表示装置の構成例を模式的に示す平面図である。 図１に示す多視点立体空中像表示装置を側面から見た構成例を模式的に示す図である。 本発明の第２実施形態に係る多視点立体空中像表示装置のディスプレイ部を含む一部の構成例を模式的に示す平面図である。 図１に示す多視点立体空中像表示装置が行う多視点立体空中像表示方法の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態の多視点立体空中像表示装置の構成例を模式的に示す平面図である。図１において、上がｘ（横）方向、左がｙ（前後）方向、手前がｚ（高さ）方向と定義する。

図１に示す多視点立体空中像表示装置１００は、インテグラルディスプレイ又はレンチキュラレンズなどの特殊な部品を用いずに運動視差及び両眼視差を有する多視点立体空中像を投影する装置である。多視点立体空中像表示装置１００は、ディスプレイ部１０、第１凸レンズ２０、第１平面ミラー３０（図１では省略）、ハーフミラー４０（図１では省略）、複数の第２凸レンズ５０、第２平面ミラー７０（図１では省略）、複数の光フィルター６０（図１では1個のみを表記）、及び第３凸レンズ８０を備える。観察者Ｈは、第３凸レンズ８０を介して両眼視差を有する多視点立体空中像を観察する。

図２は、図１に示す多視点立体空中像表示装置１００を側面から見た構成例を模式的に示す図である。図１で省略した第１平面ミラー３０、ハーフミラー４０、及び第２平面ミラー７０が表記されている。

（構成）
図１と図２を参照して、多視点立体空中像表示装置１００の構成を説明する。

ディスプレイ部１０は、水平方向に異なる視差を持つ少なくとも３つの視点映像を平面上に前後２段に互い違いに配置して表示する。ディスプレイ部１０は、例えば携帯端末のディスプレイをそのまま用いて構成してもよい。もちろん、例えば有機ＥＬパネル又は液晶パネルを用いて専用のディスプレイ部１０を構成しても構わない。

３つの視点映像は、ディスプレイ部１０上に正方形Ｂで示す視点映像１１、同正方形Ａで示す視点映像１２、及び同正方形Ｃで示す視点映像１３である。視点映像１１は、表示させたい対象物（図示せず）を正面から撮影した映像である。視点映像１２は、その対象物を左方向から撮影した映像である。視点映像１３は、その対象物を右方向から撮影した映像である。

視点映像１１～１３のそれぞれは、映像がオーバーラップするように撮影された映像である。つまり、対象物の正面左から正面右に向けて視線を移動させると、視点映像１２→視点映像１１→視点映像１３の順に変化する。

その視点映像１１～１３は、前後２段に互い違いに配置して表示される。図２に示すように、左から見た視点映像１２はディスプレイ部１０のｘ－ｙ平面上の手前左側（前段左）、右から見た視点映像１３は同ｘ－ｙ平面上の手前右側（前段右）、正面から見た視点映像１１は同ｘ－ｙ平面の奥中央（後段中央）にそれぞれが配置されて表示される。

第１凸レンズ２０は、前後２段の後段の視点映像１１の正面で且つディスプレイ部１０の該前後２段の前後方向の中心から垂直に立てて配置される焦点距離ｆ_１で且つ該焦点距離ｆ_１と等しい高さを持つレンズである。第１凸レンズ２０は一般的な凸レンズである。

図２に示すように、第１平面ミラー３０は、第１凸レンズ２０の上端とディスプレイ部１０の前後方向の後方の端部との間に45度の角度で固定される。第１平面ミラー３０を固定する構造の表記は省略している。その固定する構造は一般的でありいくつも考えられる。

ハーフミラー４０は、第１凸レンズ２０を挟んで第１平面ミラー３０と対称に配置される。ハーフミラー４０は、第１平面ミラー３０と同じ構造で固定することができる。

複数の第２凸レンズ５０，５１は、ハーフミラー４０を挟んでディスプレイ部１０に表示される視点映像１２，１３の幅を直径とし、視点映像１２，１３と平行に配置される。第２凸レンズ５０は、視点映像１２とハーフミラー４０を挟んで、視点映像１２から第１凸レンズ２０の直径の大きさ分離れて水平に配置される。第２凸レンズ５１は、視点映像１３とハーフミラー４０を挟んで、第２凸レンズ５０と同様に配置される。第２凸レンズ５０，５１の焦点距離はｆ_２である。

第２平面ミラー７０は、第２凸レンズ５０，５１の視点映像１２，１３と反対側に、視点映像１２，１３と対向して配置される。第２平面ミラー７０は、視点映像１２，１３のそれぞれに対応させて別々の２つのミラーで構成してもよいし、１つのミラーで構成してもよい。本実施形態では、第２平面ミラー７０は例えば１つのミラーで構成する。

光フィルター６０は、第１凸レンズ２０と第２凸レンズ５０，５１の正面に配置され、それぞれのレンズの中央部に対応する位置の光の透過率が100%で外周部に向けて透過率がリニアに低下するフィルターである。本実施形態の場合、各レンズに対応させて３つ設けられる。

なお、光フィルター６０は、第１凸レンズ２０と第２凸レンズ５０，５１のそれぞれの表面に蒸着又はスパッタリング等で形成してもよい。その場合、光フィルター６０はディスクリート部品として備える必要はない。

第３凸レンズ８０は、第１凸レンズ２０の正面に、第１凸レンズ２０から焦点距離ｆ_１と焦点距離ｆ_２の和の距離前方に配置され、ハーフミラー４０を透過及び反射する光の範囲をカバーする直径を持つ焦点距離ｆ_２のレンズである。第３凸レンズ８０は一般的な凸レンズである。

なお、第３凸レンズ８０と第１凸レンズ２０との間隔は、焦点距離ｆ_１＋焦点距離ｆ_２である必要があるが、それぞれのレンズ中心は一致させる必要はない。第３凸レンズ８０は、ハーフミラー４０を透過及び反射する光の範囲をカバーするように配置すればよい。

以上説明したように本実施形態に係る多視点立体空中像表示装置１００は、水平方向に異なる視差を持つ少なくとも３つの視点映像を平面上に前後２段に互い違いに配置して表示するディスプレイ部１０と、前後２段の後段の視点映像１１の正面で且つディスプレイ部１０の該前後２段の視点映像１１，１２の間から垂直に立てて配置される焦点距離ｆ_１で且つ該焦点距離ｆ_１と等しい高さを持つ第１凸レンズ２０と、第１凸レンズ２０の上端とディスプレイ部１０の奥行方向の端部との間に45度の角度で固定される第１平面ミラー３０と、第１平面ミラー３０と第１凸レンズ２０を挟んで対称に配置されるハーフミラー４０と、ハーフミラー４０を挟んでディスプレイ部１０に表示される視点映像１２，１３の幅を直径とし、視点映像１２，１３と平行に配置される焦点距離ｆ_２の複数の第２凸レンズ５０，５１と、第２凸レンズ５０，５１の視点映像１２，１３と反対側に該視点映像１２，１３と対向して配置される第２平面ミラー７０と、第１凸レンズ２０と第２凸レンズ５０，５１の正面に配置され、それぞれのレンズの中心部に対応する位置の光の透過率が100%で該透過率が外周部に向かってリニアに低下する複数の光フィルター６０と、第１凸レンズ２０の正面に、該第１凸レンズ２０から焦点距離ｆ_１と焦点距離ｆ_２の和の距離前方に配置され、ハーフミラー４０を透過及び反射して到来する光の範囲をカバーする直径を持つ焦点距離ｆ_２の第３凸レンズ８０とを備える。

（作用）
ディスプレイ部１０のｘ－ｙ平面の後方中央（ｙ方向）に表示された視点映像１１の光は、第１平面ミラー３０で反射され、第１凸レンズ２０を透過し、ハーフミラー４０を透過し、第３凸レンズ８０を透過する。第３凸レンズ８０を透過した光は、観察者Ｈの目に到達する。

また、ディスプレイ部１０のｘ－ｙ平面の前方（-ｙ方向）に表示された視点映像１２と１３のそれぞれの光は、ハーフミラー４０を透過し、第２凸レンズ５０，５１を透過し、第２平面ミラー７０で反射する。第２平面ミラー７０で反射した光は、ハーフミラー４０で反射され第３凸レンズ８０に入射する。

視点映像１２の光は、第２凸レンズ５０を２回通過する。したがって、焦点距離ｆ_２を焦点距離ｆ_１の２倍（２ｆ_１）と仮定すると、視点映像１２の光は、視点映像１１と同じ焦点距離ｆ_１の光である。つまり、水平方向に前後２段で表示された視点映像１１と１２は、第１凸レンズ２０から焦点距離ｆ_１の位置に結像することになる。視点映像１２と並んで表示される視点映像１３についても同じである。

ただし、視点映像１２と１３の光の明るさは、ハーフミラー４０で透過と反射をそれぞれ１回行って第３凸レンズ８０に入射するので、視点映像１１の半分である。この明るさの差は、ディスプレイ部１０の輝度を調整することで容易に一致させることができる。

第３凸レンズ８０を挟んで第１凸レンズ２０と反対側に位置する観察者Ｈは、第３凸レンズ越しに視点映像１１～１３を見る。すると観察者Ｈは、第１凸レンズ２０の後方の焦点距離ｆ_１の位置に、視点映像１１～１３の虚像１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが在るように観察することができる。

その虚像１０Ａ～１０Ｃは、運動視差及び両眼視差を有する立体空中像として観察することができる。何故なら、虚像１０Ａ～１０Ｃの元になる視点映像１１～１３のそれぞれは、水平方向に視差を持つ映像だからである。

図１に示すように、第１凸レンズ２０の焦点Ｆ_２０と第３凸レンズ８０の焦点Ｆ_８０は一致する。焦点Ｆ_８０を通る視点映像１１の光は、第３凸レンズ８０に入射する。焦点Ｆ_８０を通った視点映像１１の光は、第３凸レンズ８０を透過すると第３凸レンズ８０のレンズ軸８０ｊに平行な光線α，βとなる。

一方、第１凸レンズ２０から焦点距離ｆ_１の位置に視点映像１１を結像させる他の光線γ，δは、第３凸レンズ８０でそのレンズ軸８０ｊに近づくように屈折する。また、図の表記が煩雑になるために省略している第３凸レンズ８０のレンズ中心を通過する光線はそのまま直進する。これらの光線の数は無数である。

これらの無数の光線が、第３凸レンズ８０の観察者Ｈ側の焦点距離ｆ_２の距離離れた位置で交差する。その結果、その位置にｆ_２/ｆ_１で表せる大きさの空中像９０が結像する。

観察者Ｈは、第３凸レンズ８０から次式で示す距離ｄの位置で空中像９０を観察する。

図１に示す視点映像１１による空中像９０Ｂは、第１凸レンズ２０の正面に配置されたフルター６０を通過した光による空中像であるため、正面が最も明るい。観察者Ｈが視点を左右に動かすと光フィルター６０の作用によって空中像９０Ｂは暗くなる。この様子を一点鎖線の三角形で模式的に表す。

他の視点映像１２による空中像９０Ａ及び視点映像１３による空中像９０Ｃについても同様である。視点映像１２と視点映像１１は、水平方向（ｘ方向）の半分が重なっている。また、視点映像１３と視点映像１１は、水平方向（ｘ方向）の半分が重なっている。

このように、水平方向でオーバーラップする空中像９０Ａ，９０Ｂ，９０Ｃは、観察者Ｈにおいてリニアブレンディングと称される視覚メカニズムにより、異なる視点に対応する複数の運動視差及び両眼視差を有する多視点立体空中像として知覚されることになる。

〔第２実施形態〕
図３は、本発明の第２実施形態に係る多視点立体空中像表示装置のディスプレイ部１０を含む一部の構成例を模式的に示す平面図である。

図３に示すディスプレイ部１０は、７つの視点映像を表示する点で上記の実施例と異なる。図３に示すディスプレイ部１０を含む多視点立体空中像表示装置の作用効果は、上記の実施例と同じである。

このように視点映像は３つに限られない。視点映像は３つ以上の複数個でも構わない。

（多視点立体空中像表示方法）
図４は、上記の多視点立体空中像表示装置１００が行う多視点立体空中像表示方法の処理手順を示すフローチャートである。

本実施形態に係る多視点立体空中像表示方法は、多視点立体空中像表示装置１００が行う立体空中像表示方法であって、多視点立体空中像表示装置１００は、水平方向に異なる視差を持つ少なくとも３つの視点映像１１～１３を平面上に前後２段に互い違いに配置して表示するディスプレイ部１０と、前後２段の後段の視点映像１１の正面で且つディスプレイ部１０の該前後２段の視点映像１１，１２の間から垂直に立てて配置される焦点距離ｆ_１で且つ該焦点距離ｆ_１と等しい高さを持つ第１凸レンズ２０と、第１凸レンズ２０の上端とディスプレイ部１０の奥行方向の端部との間に45度の角度で固定される第１平面ミラー３０と、第１平面ミラー３０と第１凸レンズ２０を挟んで対称に配置されるハーフミラー４０と、ハーフミラー４０を挟んでディスプレイ部１０に表示される視点映像１２，１３の幅を直径とし、視点映像１２，１３と平行に配置される焦点距離ｆ_２の複数の第２凸レンズ５０，５１と、第２凸レンズ５０，５１の視点映像１２，１３と反対側に該視点映像１２，１３と対向して配置される第２平面ミラー７０と、第１凸レンズ２０と第２凸レンズ５０，５１の正面に配置され、それぞれのレンズの中心部に対応する位置の光の透過率が100%で該透過率が外周部に向かってリニアに低下する複数の光フィルター６０と、第１凸レンズ２０の正面に、該第１凸レンズ２０から焦点距離ｆ_１と焦点距離ｆ_２の和の距離前方に配置され、ハーフミラー４０を透過及び反射して到来する光の範囲をカバーする直径を持つ焦点距離ｆ_２の第３凸レンズ８０とを備え、ディスプレイ部１０は、水平方向に異なる視差を持つ少なくとも３つの視点映像１１～１３を平面上に前後２段に互い違いに配置して表示するディスプレイステップ（ステップＳ１）と、観察者Ｈは、第３凸レンズを介して両眼視差を有する多視点空中像を観察する多視点立体空中像観察ステップ（ステップＳ２）とを行なう。これにより、両眼視差を有する多視点空中像を安いコストで表示することができる。

以上説明したように本実施形態に係る立体空中像表示装置１００とその方法によれば、一般的な凸レンズを組み合わせた簡単で且つ低コストな構成で、運動視差及び両眼視差を有する多視点立体空中像を表示することができる。

なお、多視点立体空中像が観察できる位置は、上記の距離ｄのピンポイントの位置に限られない。第１凸レンズ２０、第２凸レンズ５０，５１、及び第３凸レンズ８０の焦点深度の範囲で、前後（ｙ）方向に幅を持って多視点立体空中像を観察することができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形が可能である。例えば、視点映像の数は３つに限られない。また、第３凸レンズ８０は、大口径平凸コンデンサーレンズで構成してもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明指定事項によってのみ定められるものである。

１０：ディスプレイ部
２０：第１凸レンズ
３０：第１平面ミラー
４０：ハーフミラー
５０，５１：第２凸レンズ
６０：光フィルター
７０：第２平面ミラー
８０：第３凸レンズ
９０：空中像
１００：多視点立体空中像表示装置
Ｈ：観察者

Claims (3)

1. 水平方向に異なる視差を持つ少なくとも３つの視点映像を平面上に前後２段に互い違いに配置して表示するディスプレイ部と、
   前記前後２段の後段の前記視点映像の正面で且つ前記ディスプレイ部の該前後２段の前記視点映像の間から垂直に立てて配置される焦点距離ｆ_１で且つ焦点距離ｆ_１と等しい高さを持つ第１凸レンズと、
   前記第１凸レンズの上端と前記ディスプレイ部の奥行方向の端部との間に45度の角度で固定される第１平面ミラーと、
   前記第１平面ミラーと前記第１凸レンズを挟んで対称に配置されるハーフミラーと、
   前記ハーフミラーを挟んで前記ディスプレイ部に表示される前記視点映像の幅を直径とし、前記視点映像と平行に配置される焦点距離ｆ_２の複数の第２凸レンズと、
   前記第２凸レンズの前記視点映像と反対側に該視点映像と対向して配置される第２平面ミラーと、
   前記第１凸レンズと前記第２凸レンズの正面に配置され、それぞれのレンズの中心部に対応する位置の光の透過率が100%で該透過率が外周部に向かってリニアに低下する複数の光フィルターと、
   前記第１凸レンズの正面に、該第１凸レンズから焦点距離ｆ_１と焦点距離ｆ_２の和の距離前方に配置され、前記ハーフミラーを透過及び反射して到来する光の範囲をカバーする直径を持つ焦点距離ｆ_２の第３凸レンズとを備え、
   観察者は、前記第３凸レンズを介して両眼視差を有する空中像を観察する多視点立体空中像表示装置。
2. 前記観察者は、前記第３凸レンズから下記の距離ｄの位置で前記空中像を観察する
   

   

   請求項１に記載の多視点立体空中像表示装置。
3. 多視点立体空中像表示装置が行う多視点立体空中像表示方法であって、
   前記多視点立体空中像表示装置は、
   水平方向に異なる視差を持つ少なくとも３つの視点映像を平面上に前後２段に互い違いに配置して表示するディスプレイ部と、
   前記前後２段の後段の前記視点映像の正面で且つ前記ディスプレイ部の該前後２段の前記視点映像の間から垂直に立てて配置される焦点距離ｆ_１で且つ焦点距離ｆ_１と等しい高さを持つ第１凸レンズと、
   前記第１凸レンズの上端と前記ディスプレイ部の奥行方向の端部との間に45度の角度で固定される第１平面ミラーと、
   前記第１平面ミラーと前記第１凸レンズを挟んで対称に配置されるハーフミラーと、
   前記ハーフミラーを挟んで前記ディスプレイ部に表示される前記視点映像の幅を直径とし、前記視点映像と平行に配置される焦点距離ｆ_２の複数の第２凸レンズと、
   前記第２凸レンズの前記視点映像と反対側に該視点映像と対向して配置される第２平面ミラーと、
   前記第１凸レンズと前記第２凸レンズの正面に配置され、それぞれのレンズの中心部に対応する位置の光の透過率が100%で該透過率が外周部に向かってリニアに低下する複数の光フィルターと、
   前記第１凸レンズの正面に、該第１凸レンズから焦点距離ｆ_１と焦点距離ｆ_２の和の距離前方に配置され、前記ハーフミラーを透過及び反射して到来する光の範囲をカバーする直径を持つ焦点距離ｆ_２の第３凸レンズとを備え、
   前記ディスプレイ部は、水平方向に異なる視差を持つ少なくとも３つの前記視点映像を平面上に前記前後２段に互い違いに配置して表示するディスプレイステップと、
   観察者は、前記第２凸レンズを介して両眼視差を有する多視点空中像を観察する多視点立体空中像観察ステップと
   を行なう多視点立体空中像表示方法。

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