JP6321869B1 - 光学イメージング装置 - Google Patents
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Abstract
Description
従って、特許文献1のヘッドマウントディスプレイでは、小型化に制限がある。
元画像に対応する光を屈折させる対物レンズを備え、
負の屈折率を有する透過型ミラーを備え、
前記透過型ミラーは、
前記対物レンズで屈折した光を前記負の屈折率に応じて屈折させて透過させ、
前記透過型ミラーを対称軸として前記対物レンズに対して対称となる結像点に、前記透過型ミラーの透過光を結像することにより、前記元画像に対応する画像を表示する、
光学イメージング装置である。
本実施形態のエアマウントディスプレイの概要について説明する。図1は、本実施形態のエアマウントディスプレイの模式図である。図2は、図1のエアマウントディスプレイのユーザビューを示す図である。
エアマウントディスプレイ10は、透過型ミラー11を備える。
エアマウントディスプレイ10は、第2空間SP2に配置された物理オブジェクトOBJ1の反射光ROPを第2空間SP2から第1空間SP1に透過させることにより、ユーザUの網膜に結像する。
本実施形態のエアマウントディスプレイの構成について説明する。図3は、図1のエアマウントディスプレイの構成を示す図である。
第1面11aは、対物レンズ12側(つまり、第2空間SP2)を向いている。
第2面11bは、第1面11aの反対側(つまり、第1空間SP1)を向いている。
透過型ミラー11は、負の屈折率を有する。
・オプティカルメタマテリアルミラー
・透過型二面コーナーリフレクタアレイミラー(Transmission Type Dihedral Corner Reflector Array Mirror)
対物レンズ12は、例えば、以下のものを含む。
・両凸レンズ
・平凸レンズ
・球面レンズ
・非球面レンズ
・元画像を表示する液晶ディスプレイ
・元画像を表示する有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイ
・元画像に対応する光を発光するプロジェクタ
仮想線VL12は、透過型ミラー11と仮想線VL11との交点11cを通り、且つ、仮想線VL11に直交する線である。
結像点IPは、透過型ミラー11を対称軸として対物レンズ12に対して対称となる位置である。結像点IPと交点11cとの焦点距離dは、対物レンズ12と交点11cとの焦点距離dと等しい。
透過型ミラー11を回動させると、傾斜角θが変化する。傾斜角θが変化すると、結像点IPの位置が変わる。
lは、ユーザUの目UEの角膜と網膜との距離である。
f=lの場合、ユーザUの目UEと結像点IPとのピントが合うので、空中画像IMG1が鮮明に見える。
本実施形態の透過型ミラーの構成を説明する。図4は、図3の透過型ミラーの一例である透過型二面コーナーリフレクタアレイミラーの模式図である。
図4Aに示すように、透過型ミラー11は、第1面11aを含む第1層11eと、第2面11bを含む第2層11fと、を有する。第1層11e及び第2層11fは、Y方向に積層されている。第1面11aは、第1層11e及び第2層11fの積層方向(Y方向)について、第2面11bと反対方向を向く。
図4Bに示すように、透過型ミラー11は、複数の第1マイクロミラーシート11haと、複数の第2マイクロミラーシート11hbと、を有する。
第1層11eに入射した光は、X方向に反射しながら進む。
第2層11fに入射した光は、Z方向に反射しながら進む。
本実施形態のエアマウントディスプレイの動作原理を説明する。図5は、図3のエアマウントディスプレイの動作原理の説明図である。
透過型ミラー11は、第1面11aで受けた光OP1を、負の屈折率に応じて屈折させて、第2面11bから透過させる。
これにより、結像点IPに、透過光OP2に対応する空中画像IMG1が表示される。空中画像IMG1は、元画像IMG0が拡大された実像である。ピッチp(図4)が小さいほど、空中画像IMG1のノイズは小さくなる。
本実施形態のエアマウントディスプレイの使用例について説明する。
使用例1について説明する。使用例1は、ユーザUがエアマウントディスプレイ10を装着して使用する例である。
・ビデオゲーム
・映画
・3Dコンテンツ
しかし、エアマウントディスプレイ10は、ユーザUの視界を閉鎖しない。従って、ユーザUに違和感を与えることがなく、且つ、視野角vを制限することもない。
使用例2について説明する。使用例2は、ユーザUがエアマウントディスプレイ10から離れた位置でエアマウントディスプレイ10を使用する例である。
・計器情報(一例として、速度、燃料の残量、バッテリの残量、及び、走行距離)
・ナビゲーション情報(一例として、目的地迄の経路を示す情報)
・映画
しかし、エアマウントディスプレイ10は、ユーザUの視界を閉鎖しない。従って、ユーザUは、運転中であっても、エアマウントディスプレイ10を安全に使用することができる。
しかし、エアマウントディスプレイ10は、ユーザUの視界を閉鎖しない。従って、ユーザUに違和感を与えることがなく、且つ、視野角vを制限することもない。
特に、一般的なヘッドマウントディスプレイは、エアマウントディスプレイ10に比べて重いので、長時間の使用には適していない。エアマウントディスプレイ10は、長時間の使用であっても、ユーザUに与える疲労を軽減することができる。
本実施形態について小括する。
これにより、エアマウントディスプレイ10の小型化、及び、空中画像IMG1の歪の抑制を両立することができる。
これに対して、本実施形態では、結像点IPにバーチャル接眼レンズVLEが形成されるので、ユーザUは、物理的なレンズ(例えば、対物レンズ12)を介さずに(つまり、裸眼で)、ピントの合った空中画像IMG1を観察することができる。つまり、エアマウントディスプレイ10は、ユーザUに違和感を与えることなく、空中画像IMG1を観察させることができる。その結果、ユーザUの没入感を向上させることができる。
本実施形態の変形例について説明する。
本実施形態の変形例1について説明する。図6は、本実施形態の変形例の説明図である。
対物レンズ12が移動すると、焦点距離dが変化する。
この場合、図6Bに示すように、空中画像IMG1は、RR方向に移動する。
本実施形態の変形例2について説明する。図7は、本実施形態の変形例2のエアマウントディスプレイの動作原理の説明図である。
透過型ミラー11は、第1面11aで受けた光OP1aを、負の屈折率に応じて屈折させて、第2面11bから透過させる。
空間光変調器20が移動すると、焦点距離d(図7B)が変化する。
この場合、空間光変調器20を移動させることにより、結像点IP(つまり、空中画像IMG1の位置、又は、バーチャル空間光変調器VSLMの位置)を移動させることができる。
本実施形態の変形例3について説明する。変形例3は、透過型ミラー11の映り込みを防ぐ例である。
・光源13の角度を調整する。
・光源13の発光面を曲面にする。
本実施形態の変形例4について説明する。変形例4は、ライトフィールドを利用する光学イメージングデバイスの例である。
変形例4のエアマウントディスプレイ10の動作原理を説明する。図8は、本実施形態の変形例4のエアマウントディスプレイの動作原理の説明図である。
この場合、光源13は、仮想カメラ処理によって生成された複数の多視点元画像IMG0aに対応する光を発光する。
各マイクロレンズは、光源13の光OP40を屈折させるように構成される。各マイクロレンズは、例えば、正六角形状を有する。複数のマイクロレンズは、例えば、格子状に配列される。複数のマイクロレンズの配列は、各マイクロレンズの物理的な位置を示すレンズ座標により定義される。レンズ座標は、マイクロレンズアレイ40の中心に対する各マイクロレンズの相対的な位置を示す。
透過型ミラー11は、第1面11aで受けた光OP41を、負の屈折率に応じて屈折させて、第2面11bから透過させる。
これにより、結像点IPに、透過光OP42に対応する空中画像IMG4が表示される。空中画像IMG4は、元画像IMG0が拡大された実像であって、且つ、元画像IMG0のライトフィールドを有する。ピッチp(図4)が小さいほど、空中画像IMG4のノイズは小さくなる。
変形例4の仮想カメラ処理について説明する。図9は、変形例4の仮想カメラ処理の概略図である。
仮想カメラVCの数は、マイクロレンズアレイ40を構成するマイクロレンズの数と同数である。
複数の仮想カメラVCの仮想空間VS上の配列は、各仮想カメラVCの位置を示すカメラ座標により定義される。各カメラ座標は、各レンズ座標に対応する。
つまり、各仮想カメラVCは、各マイクロレンズと1対1に対応する。
変形例4の空中画像について説明する。図10は、図8のエアマウントディスプレイにより表示される空中画像の一例を示す図である。
これは、光源13が発光する光(つまり、複数の多視点元画像IMG0aに対応する光)が、マイクロレンズアレイ40によって、ライトフィールドが保持されたまま、透過型ミラー11に入射するためである。
空中画像IMG4のライトフィールドは、ユーザUの目UEが特定の位置に位置する場合、視差を生じさせる。つまり、空中画像IMG4は、特定の位置に位置する目UEにとって、視差画像となる。
その結果、ユーザUには、多視点元画像IMG0aの空中画像IMG4が立体画像IMG4bに見える。
マイクロレンズアレイ40が移動すると、焦点距離d(図8B)が変化する。
別の例として、マイクロレンズアレイ40が光源13から離れる方向に移動すると、焦点距離dが小さくなるので、結像点IPは、透過型ミラー11に近づく方向に移動する。この場合、空中画像IMG4は、目UEと結像点IPとの距離にかかわらず、ぼけがない像として結像される。従って、ユーザUに目UEの位置を変えさせることなく、目UEと結像点IPとのピントを合わせることができる。特に、目UEの近い位置に鮮明な空中画像IMG4を提供することができる。
別の例として、元画像IMG0に応じてマイクロレンズアレイ40を移動させることにより、マイクロレンズアレイ40と光源13との距離を動的に変化させる。この場合、元画像IMG0に応じて被写界深度を調整することができる。従って、ユーザUに対して、元画像IMG0に応じてぼかされた空中画像IMG4を提供することができる。
透過型ミラー11は、中央で仕切られる(つまり、一対の透過型ミラーから構成される)。
この場合、左目用の空中画像IMG4と、右目用の空中画像IMG4と、が形成される。この2つの空中画像IMG4は、ユーザUの目UEにとって視差画像となる。
その結果、ユーザUには、多視点元画像IMG0aの空中画像IMG4が立体画像IMG4bに見える。
この場合、エアマウントディスプレイ10は、画像処理部41を備える画像生成装置から、複数の多視点元画像IMG0aを取得する。
光源13は、取得された複数の多視点元画像IMG0aに対応する光を発光する。
これにより、立体画像を観察するユーザUの視野角を拡げることができる。
図3の光源13がエアマウントディスプレイ10の外部に設けられる場合、筐体10aは、開口部を有する。光源13の光は、開口部を介して対物レンズ12に入射する。対物レンズ12は、開口部から入射した光を屈折させるように構成される。
図7Aの光源13がエアマウントディスプレイ10の外部に設けられる場合、筐体10aは、開口部を有する。光源13の光は、開口部を介して空間光変調器20に入射する。空間光変調器20は、開口部から入射した光を変調するように構成される。
・据え置き型ゲーム機
・携帯型ゲーム機
・パーソナルコンピュータ
・タブレット端末
・スマートフォン
・ファブレット
・ビデオプレイヤ
・テレビ
10a :筐体
11 :透過型ミラー
11a :第1面
11b :第2面
11c :交点
11d :回動軸
11e :第1層
11f :第2層
11ha :第1マイクロミラーシート
11haa :反射面
11hb :第2マイクロミラーシート
11hba :反射面
12 :レンズ
13 :光源
20 :空間光変調器
40 :マイクロレンズアレイ
41 :画像処理部
Claims (6)
- 元画像に対して仮想カメラ処理を実行することにより、複数の多視点元画像を生成する画像処理部を備え、
複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを備え、
前記マイクロレンズアレイは、前記画像処理部によって生成された複数の多視点元画像に対応する光を分散させ、
負の屈折率を有する透過型ミラーを備え、
前記透過型ミラーは、
前記マイクロレンズアレイで分散した光を前記負の屈折率に応じて屈折させて透過させ、
前記透過型ミラーを対称軸として前記マイクロレンズアレイに対して対称となる結像点に、前記透過型ミラーの透過光を結像することにより、前記多視点元画像に対応する空中画像を表示する、
光学イメージング装置。 - 元画像に対して仮想カメラ処理を実行することにより、複数の多視点元画像を生成する画像処理部を備え、
複数のマイクロレンズを有するマイクロレンズアレイを備え、
前記マイクロレンズアレイは、前記画像処理部によって生成された複数の多視点元画像に対応する光を分散させ、
負の屈折率を有する透過型ミラーを備え、
前記透過型ミラーは、前記マイクロレンズアレイで分散した光を前記負の屈折率に応じて屈折させて透過させることにより、前記透過型ミラーを対称軸として前記マイクロレンズアレイに対して対称となる結像点にバーチャルマイクロレンズアレイを形成する、
光学イメージング装置。 - 前記透過型ミラーは、
前記マイクロレンズアレイ側を向く第1面と、前記第1面の反対側を向く第2面と、を有し、
前記マイクロレンズアレイの光軸に対して傾斜し、
前記マイクロレンズアレイで分散した光を前記第1面で受け、
前記第1面で受けた光を前記第2面から透過させる、
請求項1又は2に記載の光学イメージング装置。 - 前記マイクロレンズアレイは、前記マイクロレンズアレイの光軸に沿って移動可能である、
請求項1〜3の何れかに記載の光学イメージング装置。 - 前記多視点元画像に対応する光を発光する光源を備える、
請求項1〜4の何れかに記載の光学イメージング装置。 - 前記透過型ミラーの透過光の方向を制約する光フィルタを備える、
請求項1〜5の何れかに記載の光学イメージング装置。
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