JP4625945B2

JP4625945B2 - 画像表示装置

Info

Publication number: JP4625945B2
Application number: JP2004189599A
Authority: JP
Inventors: ▲すすむ▼ 舘; 直樹川上; 哲理園田; 優介鈴木
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2024-06-28
Also published as: JP2006011136A

Description

本発明は、ＡＲ（ＡｕｇｍｅｎｔｅｄＲｅａｌｉｔｙ）の分野において用いられる画像表示装置の改良に関する。

近年、現実世界とバーチャル世界とをシームレスに融合するＡＲ（ＡｕｇｍｅｎｔｅｄＲｅａｌｉｔｙ）が注目されており、特に、実空間画像とバーチャル空間画像とを融合して表示する画像表示装置が種々提案されている。

このような、ＡＲ分野における画像表示装置は、実空間画像とバーチャル空間画像とを違和感なく重畳する必要があり、このために、両画像間の遮蔽関係すなわち観察者に近い空間または物体により遠い空間または物体が遮蔽されるという関係の維持が要求される。また、この他に、輝度、コントラストの一致、焦点深度の一致等も求められる。

図２には、上記ＡＲ分野における従来の画像表示装置の構成例が示される。図２において、観察者の目１０の位置に対して光学的に共役な位置に、画像を投影するためのプロジェクタ１２が配置され、プロジェクタ１２から出射された光をスクリーン１４の方向に反射するようにハーフミラー１６が配置されている。ここで、スクリーン１４には、再帰性反射材が塗布されている。また、プロジェクタ１２は、点状の光源１８と、集光レンズ２０と、拡散板２６と、画像素子２２と、投影レンズ２４とを含んでいる。

このような構成により、画像素子２２上の画像がスクリーン１４に投影され、再帰性反射により観察者の目１０に入射して観察者が画像を見ることができる。このとき、スクリーン１４以外には再帰性反射材が塗布されていないので、スクリーン１４以外の物体に画像を投影しても投影画像は観察者が観察できないほど暗くなり、この輝度差を利用することによりバーチャル物体と実物体との遮蔽関係を表現することができる。

なお、下記特許文献１にも、再帰性反射スクリーンとハーフミラーとプロジェクタとを組み合わせた画像表示装置が開示されている。
特開２０００−１０１９４号公報

しかし、上記従来の技術においては、ハーフミラー１６を観察者の目のすぐ前に置くので、観察者の視覚を妨げるという問題があった。

また、観察者はハーフミラー１６を介して画像を観察するため、実画像及びバーチャル画像共にコントラストが低下し、外光の写り込みにより画質も低下するという問題もあった。

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、観察者の視覚を妨げず、コントラスト及び画質も低下しない画像表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、画像表示装置であって、画像を投影するために観察者の眼の位置に対して光学的に共役あるいは同軸な位置に配置され、光の出射側に光を収束させる投影レンズを有するプロジェクタと、入射光を入射方向に再帰性反射するスクリーンと、前記投影レンズの焦点またはその近傍に配置され、前記プロジェクタから出射した光を前記スクリーン方向に反射する全反射ミラーと、を備えることを特徴とする。

また、上記画像表示装置において、前記全反射ミラーは、前記投影レンズの焦点から２．６ｍｍ以内の範囲に配置されることを特徴とする。

また、上記画像表示装置において、前記全反射ミラーは、長辺が２ｍｍ以下の大きさであることを特徴とする。

また、上記画像表示装置において、前記全反射ミラーは、非平面鏡であることを特徴とする。

本発明によれば、全反射ミラーを投影レンズの焦点またはその近傍に配置しているので、全反射ミラーを小型化でき、観察者の視覚を妨げない。また、プロジェクタから出射した光を全反射ミラーによりスクリーン方向に反射しているので、コントラスト及び画質の低下も抑制できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、本発明にかかる画像表示装置の構成例の配置図が示される。図１において、観察者の目１０の位置に対して光学的に共役あるいは同軸な位置に、画像を投影するためのプロジェクタ１２が配置され、プロジェクタ１２から出射された光をスクリーン１４の方向に反射するように小型の全反射ミラー３０が配置されている。

ここで、スクリーン１４は、プロジェクタ１２により投影された画像を映し出して観察者に提示するためのものであり、任意の形状とすることができる。図１では、平面形状の例が示されているが、例えば曲面形状、閉曲面を有する立体形状等としてもよい。また光を反射する面には再帰性反射材が塗布されている。

上記プロジェクタ１２は、点状の光源１８と、集光レンズ２０と、画像素子２２と、投影レンズ２４とを含んでいる。画像素子２２は、液晶等で構成され、プロジェクタ１２が投影する画像を形成する。光源１８から出射された白色光は集光レンズ２０により平行光に変換され、画像素子２２を通過する。画像素子２２を通過した光は投影レンズ２４により投影レンズ２４の焦点に収束される。全反射ミラー３０は、この投影レンズ２４の焦点またはその近傍に配置されている。

以上のような構成とすると、画像素子２２を通過した光は投影レンズ２４の焦点に収束されるので、投影レンズ２４の焦点またはその近傍に配置されて投影レンズ２４から入射した光を全て反射するために必要となる全反射ミラー３０の大きさを小さくすることができる。このため、本実施形態では、全反射ミラー３０を小型化でき、観察者の目１０のすぐ前に置いても、観察者の視覚を妨げることを防止できる。

また、全反射ミラー３０は、画像素子２２を通過した光の光軸をスクリーン１４方向に回転させ、観察者の視野前方に画像を投影する。スクリーン１４に投影された光は、スクリーン１４で再帰性反射して観察者の目１０に到達し、観察者が画像を見ることができる。本実施形態では、全反射ミラー３０を使用しているので、ハーフミラーを使用した場合のコントラスト及び画質の低下を抑制することができる。また、ハーフミラーでは、１回光が通過する毎に光量が減少するが、全反射ミラー３０では光量の減少を抑制できる。このため、光源１８の出力を小さくでき、装置の小型化を容易にできる。

さらに、変形例として、全反射ミラー３０の位置に凸面鏡または凹面鏡のような非平面ミラーを配置してもよい。凸面鏡を使用した場合には、画像を拡大することができ、凹面鏡を使用した場合には、画像を縮小し、解像度を上げることができる。

上記再帰性反射材は、光源の方向に強い指向性を持って反射する材料であり、コーナーキューブアレイ又はガラスビーズなどを用いて実現される。なお、再帰性反射材の利用例として、自転車の反射板や交通標識などがある。

本実施形態において、全反射ミラー３０は、上述したように投影レンズ２４の焦点またはその近傍に配置される。この場合、全反射ミラー３０を配置できる焦点近傍の範囲は以下のようにして決定される。

画像素子２２の長辺をｑ（ｍｍ）、画像素子２２からの光を全反射ミラー３０上に集光する投影レンズ２４の焦点距離をｆ（ｍｍ）とした場合、長辺方向の画角θは
（数１）
ｔａｎθ／２＝（ｑ／２）／ｆ＝ｑ／２ｆ
と表される。

全反射ミラー３０の長辺をｌ（ｍｍ）、投影レンズ２４の焦点からの許容オフセット距離、すなわち投影レンズ２４からの光を受けてスクリーン１４方向に反射することができる全反射ミラー３０の位置と投影レンズ２４の焦点位置との光軸方向のオフセット距離をｄ（ｍｍ）とした場合
（数２）
ｄ＝ｌ・（１−（ｔａｎθ／２）^２）／（２√２ｔａｎθ／２）
と表される。ここで、全反射ミラー３０は、光軸に対して４５度の傾きとされていることを前提としている。

また、実験の結果、画像観察時に視界前方に置いたときに許容される、すなわち観察者の視界を妨げないミラーの大きさは、長辺ｌが２ｍｍ程度であることが判明した。実用上、プロジェクタ１２を構成する画像素子２２は長辺が２０ｍｍ、投影レンズ２４の焦点距離は４０ｍｍ程度である。従って、上記式から画角θは
（数３）
ｔａｎθ／２＝０．２５
θ＝２８．１°
となり、全反射ミラー３０の長辺が２ｍｍの時に投影レンズ２４の焦点からの許容されるオフセットｄは、ｄ＝２．６５ｍｍ（約２．６ｍｍ）となる。

以上の結果から、全反射ミラー３０は、その大きさを、長辺ｌ＝２ｍｍ以内とすれば観察者の視界を妨げず、また、投影レンズ４の焦点から２．６ｍｍ以内の範囲に配置すれば、投影レンズ２４からの光をスクリーン１４方向に反射することができる。

本発明にかかる画像表示装置の構成例の配置図である。ＡＲ分野における従来の画像表示装置の構成例の配置図である。

符号の説明

１０目、１２プロジェクタ、１４スクリーン、１６ハーフミラー、１８光源、２０集光レンズ、２２画像素子、２４投影レンズ、２６拡散板、３０全反射ミラー。

Claims

画像を投影するために観察者の眼の位置に対して光学的に共役あるいは同軸な位置に配置され、光の出射側に光を収束させる投影レンズを有するプロジェクタと、
入射光を入射方向に再帰性反射するスクリーンと、
前記投影レンズの焦点またはその近傍に配置され、前記プロジェクタから出射した光を前記スクリーン方向に反射する全反射ミラーと、
を備えることを特徴とする画像表示装置。
請求項１記載の画像表示装置において、前記全反射ミラーは、前記投影レンズの焦点から２．６ｍｍ以内の範囲に配置されることを特徴とする画像表示装置。
請求項１または請求項２記載の画像表示装置において、前記全反射ミラーは、長辺が２ｍｍ以下の大きさであることを特徴とする画像表示装置。
請求項１から請求項３のいずれか一項記載の画像表示装置において、前記全反射ミラーは、非平面ミラーであることを特徴とする画像表示装置。