JP7463077B2 - 表示装置、表示方法、プログラム、記録媒体 - Google Patents
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Description
(レーザ照射装置)
本実施形態の表示装置(画像形成装置)では、所定波長域、特に可視光領域のレーザを使用し、主にその発光色を観察者に視認させる。この所定波長域、可視光領域の波長範囲には諸説あり、また、観察者の個人差も存在すると考えられるが、本実施形態では、便宜上、380nm以上780nm以下の波長域を可視光領域と考える。ただし、後述の数値の例示から0~数十nm程度の範囲で異なる所定波長域(可視光領域)においても、後述の例示と同様の構成あるいは制御を実施してほぼ同様の作用効果を期待できるのはいうまでもない。
本実施形態は、不可視領域のレーザを用いてプラズマを発生させ、そのプラズマ光で表示を行う手法、あるいは、不可視領域のレーザを用いてプラズマを伴わないゆらぎを気体中に発生させて可視光領域のレーザで着色する、等の従来の手法とは異なる。
ここで本実施形態における、立体的なカラー画像表示のメカニズムについて説明する。図1~図4に、本実施形態の表示装置(画像形成装置)の概略構成を示す。図1において、レーザ光源101は後述するような可視光レーザ光源であり、この可視光レーザ光源が照射するレーザビーム201を用いて、表示位置301に表示画素を発生させる。表示画素を発生させると、観察者にとっては表示位置にあたかも発光体が出現したように視認される。しかし、後述するように、表示位置から届いて観察者に視認される光の大部分は、レーザ光源101が出力した可視レーザ光が表示位置に発生させた微弱なプラズマにより、当該可視レーザ光が散乱された散乱光である。観察者にとっては、あたかも発光体が出現したように視認されることから、本明細書では、表示位置にて可視レーザ光が強く散乱されている空間領域を、発光体と記載する場合がある。なお、本明細書では、表示位置において表示される色について、白色以外を有色(ないしカラー)と云うことがある。また、表図などにおいて、便宜上、白色のプラズマ光などを無色と云う場合があるが、これは透明であることを意味するのではなく、単に上記の有色(ないしカラー)ではない、という意味に過ぎない。
上述のようにして空中に形成した発光体を、測定装置として分光器(例えばアバンテス社製、商品名:AvaSpec-ULS2048CL)を使用し、図2の各測定角度から各波長の光の強さを測定した。レーザ光の波長以外の波長は非常に強度が低いため測定は1nmごとに行う。なお、上記の分光器が出力する各波長の光の強さの数値はカウント数であり輝度とは異なるが光の強度として用いることができる。
XYZ三刺激値の計算方法は分光測定した380nm以上780nm以下の波長域のカウント数をCIEの数値に入れXYZを算出した。算出方法は(CIE 1931 2-deg、 XYZ CMFs)の等色関数を用いて1nmごとのデータを積分する。
レーザを走査して空中に画像を形成する場合、図3のようなレーザ照射装置100を用いることができる。図3に示す2つのミラー装置106としては、例えばデジタルガルバノスキャナー(例えばキヤノン株式会社、GM-1020)を2台使用し、そのモータードライバには(例えばキヤノン株式会社、GC-211)等を使用することができる。基本的には有色のレーザビームの径をビームエキスパンダ102により拡大し、所望の表示位置に対応する焦点距離を有する集光レンズ105によって集光させる。これにより、表示位置301に、可視像、即ち、白色ではない、有色の表示画素を形成する。
レーザ光源(L2):青色、447nmの短パルスレーザで、他の仕様は上記同様である。
レーザ光源(L3):赤色、635nmの短パルスレーザで、他の仕様は上記同様である。
本例では、緑色のレーザ光源(L1)を用いてレーザ出力を変更しながら45°の角度で分光カーブを測定した。さらに図2の各観察角度から、分光カーブを測定した。レーザビームを照射し、集光部のエネルギーを偏光板及びビームスプリッタで変えながら、この時の発光体のそれぞれの522nm~542nmのY値とプラズマのY値を比較し出力調整した(発光体の測定位置は45°、距離は50mm)。このときのレーザ出力は1500mWであった。
本例の実施条件は、上記の青色のレーザ光源(L2)を用いたこと以外は実施例1と同じである。本例では、レーザ光源(L2)からレーザビームを発射し、集光部のエネルギーを偏光板及びビームスプリッタで変えながら、この時の発光体のそれぞれの主波長付近のY値とプラズマのY値を比較し95%以下となるように調整した。この結果、図2の角度30°~330°の観察方向の範囲内において目視で青色の発光体を確認することができた。この時の表示位置の発光体のxy値をXYZ値から算出した結果を図16に示す。同図に示すように、全て青色の範囲(xが0.16~0.30、yが0~0.30)の発光色が確認された。
本例の実施条件は、赤色のレーザ光源(L3)を用いたこと以外は実施例1と同じである。本例では、レーザ光源(L3)からレーザビームを発射し、集光部のエネルギーを偏光板及びビームスプリッタで変えながら、この時の発光体のそれぞれの主波長付近のY値とプラズマのY値を比較し50%以下となるように調整した。この結果、図2の角度30°~330°の観察方向の範囲内において目視で赤色の発光体を確認した。この時の表示位置の発光体のxy値をXYZより算出した結果を図17に示す。同図に示すように、全て赤色の範囲(xが0.50~0.74、yが0.20~0.35)の発光色が確認された。
比較例1の評価結果を図18に示す。緑色のレーザ光源(L1)を用い、実施例1と同じ光学系を使用した。レーザビームを発射し、集光部のエネルギーを偏光板及びビームスプリッタで調整しながら、この時の発光体のレーザ光の主波長付近のY値とプラズマのY値を比較し、前者に対して後者が95%超になるよう調整した。この結果、角度30°~330°の観察方向の範囲内においても、目視で無色(白色)の発光体を確認した。またxy値をXYZより算出した結果は図18の通りであり、全て緑色の範囲から外れた無彩色(白色)の範囲となった。即ち、緑色レーザを用いているにもかかわらず、主波長付近のY値とプラズマのY値を比較しプラズマのY値が95%付近を超えると観察色は無彩色となってしまう。
比較例2の評価結果を図19に示す。この例では、青色のレーザ光源(L2)を用い、実施例1と同じ光学系を使用した。この例でも、レーザビームを発射し、集光部のエネルギーを偏光板及びビームスプリッタで変えながら、この時の発光体のレーザ光の主波長付近のY値とプラズマのY値を比較し、前者に対する後者の値が120%付近となるよう調整した。この結果、角度30°~330°の観察方向の範囲内において目視で無色(白色)の発光体を確認した。またxy値をXYZより算出した結果は図19の通りであり、全て青色の範囲から外れた無彩色(白色)の範囲となった。即ち、青色のレーザを用いているにもかかわらず、主波長付近のY値とプラズマのY値を比較しプラズマのY値が95%付近を超過すると無彩色となってしまった。
比較例3の評価結果を図20に示す。この例では、赤色のレーザ光源(L3)を用い、実施例1と同じ光学系を使用した。この例でも、レーザビームを発射し、集光部のエネルギーを偏光板及びビームスプリッタで変えながら、この時の発光体のレーザ光の主波長付近のY値とプラズマのY値を比較し、前者に対して後者が120%付近となるよう調整した。この結果、角度30°~330°の観察方向の範囲内において目視で無色(白色)の発光体を確認した。またxy値をXYZより算出した結果を図20の通りであり、全て赤色の範囲から外れた無彩色(白色)の範囲となった。即ち、赤色のレーザを用いているにもかかわらず、主波長付近のY値とプラズマのY値を比較しプラズマのY値が95%付近を超過すると無彩色となってしまうことがわかった。
(プラズマ形成閾値の測定)
図4に、測定およびレーザ出力制御系を含む表示装置の構成例を示す。図4は、1色分のレーザ照射装置の構成のみを示しているが、後述の実施形態3において、レーザ照射装置1001~1003(図22、図23)にはそれぞれ図4に示したものと同じ構成を適用できる。後述の実施形態3で示すカラー表示装置は、RGB3色のレーザは同軸照射ではなく、また、各々が結像される照射点は仮想的な表示画素の周囲の異なる位置に置かれる。従って、後述のレーザ照射装置1001~1003(図22、図23)の各々が、下記のような測定系を備えることにより、RGB各色の照射系は独立してレーザ照射強度を制御することができる。この点は、実施形態3のように、非同軸、空間的に独立した照射点を用いたレーザ照射方式により得られるメリットの1つである。
以下にレーザのプラズマ発生形成閾値のエネルギー密度I(単位:W/m2)を算出する方法を説明する。まず、カロリメータの測定値であるWをレーザの周波数F(単位:Hz)で1パルス当たりのエネルギーJ(単位:J)を算出する。次いで、このエネルギーJをレーザのパルス幅(単位:s)で除することにより、レーザのピーク出力Pp(単位:W)を得る。得られたピークパワーを集光点におけるビームスポット面積Sで除することによりエネルギー密度が得られる。ここで、ビームスポット面積Sは、ナイフエッジ式プロファイラを用いて計測可能である(例えば、コヒーレント社 BEAMMASTER-USB)。この方式は分解能が0.1μmであるので数μmのビーム径でも測定が可能である。また、レーザスポット径d(直径μm)は、集光レンズの焦点距離をf(mm)、レーザ波長をλ(μm)、集光前のレーザビーム径をD(mm)、ビーム品質をM2、大気の屈折率をnとすると、次の式で算出できる。
d(μm)=4fλM2/nπD
この値からビームスポット面積Sを算出(S=π・(d/2)2)しても良い。プラズマ形成されたか否かについては、レーザ集光位置で目視あるいは入射レーザ光の散乱スペクトルを前述した分光器7により確認することができる。
図4の配置では、表示位置BPの前方側にカロリメータ8を配置しているが、予備実験などにおいては、実際に計測する場合は、集光レンズ5の出射部の位置で計測するように配置してもよい。集光レンズ5の出射部でのレーザのエネルギーを調整する事でプラズマ形成閾値のエネルギーを同定できる。
図7に、入射レーザ光が散乱された散乱光強度が、レーザ光源1から集光レンズ5を介して照射されるレーザパワーに対してどのように変化するか計測した結果を示す。図7に示すように、縦軸のレーザ散乱光強度は、レーザパワーの1W付近を境に立ち上り、ほぼレーザパワーが2~4(ないし5)Wの範囲で安定領域を有する。さらに、それ以上のレーザパワー領域では、縦軸のレーザ散乱強度は再び上昇傾向を示す。一方、図8に図7に対応したレーザパワー範囲において測定したプラズマ発光スペクトルのピーク値(380nm)におけるプラズマ発光強度を示す。図8に示すように、プラズマ発光の強度はレーザパワーの増加に伴ない、単純増加傾向を示す。
以上では、カラー空中表示に必要な原色の画素を可視光レーザの発光色の単色で表示する構成につき説明した。以下では、RGB3原色の可視光レーザをそれぞれ独立に制御して照射するレーザ照射装置につき説明する。以下に示すカラー表示装置では、画素の表示位置付近の照射点にRGB3原色の可視光レーザを照射し、加法混色(加色混合)によって表示位置に任意の発光色を持つカラー画素を表現することができる。
本実施形態のカラー表示装置は、図22ないし図23に示すように、レーザ照射装置1001、1002、1003を備える。レーザ照射装置1001、1002、1003は、各々、上述の実施形態1および2において図1~図4で説明したレーザ照射装置100と同等の基本構成を有する。ただし、レーザ照射装置1001、1002、1003のレーザ光源の発光色は、例えばそれぞれ532nm(緑)、635nm(赤)、447nm(青)の各波長に選ばれる。
本発明において空中に3D表示、ないし動画表示を行うためには、画像を形成する形成手段として図23に示すような照射制御装置を用いる。図23の照射制御装置は、レーザ照射装置1001、1002、1003が照射するレーザ光の照射方向および/または結像距離を変化させて、表示位置3010を気体中(空間中)の任意の位置に制御するものである。
レーザ光源(L2):青色、447nmの短パルスレーザで、他の仕様は上記同様である。
レーザ光源(L3):赤色、635nmの短パルスレーザで、他の仕様は上記同様である。
レーザ照射装置1001(緑)、レーザ照射装置1003(赤)の2色のレーザ光を照射点1011、1013に照射した。すなわち、照射点1011、1013においてレーザパワー密度がプラズマ生成閾値を超えるようにレーザ光を照射した。照射点1011、1013間の距離は1mm以下の距離に設定した。その結果、観察者には、表示位置3010における表示画素の色は黄色の表示色として認識された。表示画素付近から到達する光の分光スペクトルでは、532nmと635nmに強い発光ピークが確認された。上記光源を用いて図23の装置で走査装置1061、1063を動かすことにより空中に黄色の立体画像を描くことができた。
レーザ照射装置1001(緑)、レーザ照射装置1002(青)の2色のレーザ光を照射点1011、1012に照射した。すなわち、照射点1011、1012においてレーザパワー密度がプラズマ生成閾値を超えるようにレーザ光を照射した。照射点1011、1012間の距離は1mm以下の距離に設定した。その結果、観察者には、表示位置3010における表示画素の色はシアン色の表示色として認識された。表示画素付近から到達する光の分光スペクトルでは、532nmと447nmに強いピークが確認された。上記光源を用いて図23の装置で走査装置1061、1062を動かすことにより空中にシアン色の立体画像を描くことができた。
レーザ照射装置1003(赤)、レーザ照射装置1002(青)の2色のレーザ光を照射点1013、1012に照射した。すなわち、照射点1013、1012においてレーザパワー密度がプラズマ生成閾値を超えるようにレーザ光を照射した。照射点1013、1012間の距離は1mm以下の距離に設定した。その結果、観察者には、表示位置3010における表示画素の色はマゼンタ色の表示色として認識された。表示画素付近から到達する光の分光スペクトルでは、447nmと635nmに強いピークが確認された。上記光源を用いて図23の装置で走査装置1063、1062を動かすことにより空中にマゼンタ色の立体画像を描くことができた。
実施例4~6に示したように、充分近接した照射点に2色のレーザ光を照射することにより、2色の混色表示が行えることが検証された。また、その場合、観察者に観察される色は、まさに加法混色の原理通りであることが検証された。本比較例では、2色のレーザ光の照射点をより離間させた場合につき検証する。尚、本比較例は、加法混色を行う場合の上述した望ましい実施例に対する比較例を示すものであり、本発明の範疇から外れた例を示す意図ではない。本比較例は、混色を生じさせないで表示可能な限界解像度を求める際の指針ともなりえる。
Claims (18)
- 気体中の位置に波長が380nm以上780nm以下のレーザ光を照射して前記位置にプラズマを形成し、前記位置に、前記レーザ光の照射方向に対して、30°以上、330°以下の角度範囲に前記プラズマにより前記レーザ光を散乱するカラー表示画素を形成する少なくとも1つのレーザ照射装置と、
前記位置において前記カラー表示画素の輝度が変化するよう、前記少なくとも1つのレーザ照射装置が照射するレーザ光の強度を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記位置における光強度を380nm以上780nm以下の波長範囲においてCIE1931のXYZ三刺激値に変換した場合に、前記位置において前記プラズマが発するプラズマ光のY値が、前記プラズマ光を除いた前記レーザ光の散乱光のY値の1%以上95%以下の範囲となるよう、前記レーザ照射装置が前記位置に照射するレーザ光の強度を制御する、
ことを特徴とする表示装置。 - 気体中の位置に波長が380nm以上780nm以下のレーザ光を照射し、前記位置に、前記レーザ光の照射方向に対して、30°以上、330°以下の角度範囲に前記レーザ光を散乱するカラー表示画素を形成する少なくとも1つのレーザ照射装置と、
前記位置において前記カラー表示画素の輝度が変化するよう、前記少なくとも1つのレーザ照射装置が照射するレーザ光の強度を制御する制御装置と、を備え、
前記少なくとも1つのレーザ照射装置は、前記位置に前記レーザ光を照射して前記位置にプラズマを形成し、
前記制御装置は、前記プラズマが発するプラズマ光を、380nm以上780nm以下の波長範囲においてCIE1931のXYZ三刺激値に変換して、前記プラズマ光のY値を取得し、
前記制御装置は、前記レーザ光が前記プラズマにより散乱された散乱光を、380nm以上780nm以下の波長範囲においてCIE1931のXYZ三刺激値に変換して、前記散乱光のY値を取得し、
前記位置において前記プラズマが発するプラズマ光のY値が、前記散乱光のY値の1%以上95%以下の範囲となるよう、前記レーザ照射装置が前記位置に照射する前記レーザ光の強度を制御する、
ことを特徴とする表示装置。 - 前記レーザ照射装置が、可視光レーザ光源と、前記可視光レーザ光源が出力するレーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダと、前記ビームエキスパンダによりビーム径が拡大されたレーザ光を前記位置に集光する集光装置と、を備える、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の表示装置。 - 前記レーザ光を走査する走査装置を更に備える、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の表示装置。 - 前記レーザ照射装置のレーザ光の照射方向に対して、30°以上、330°以下の角度範囲においては、前記角度範囲の外に比べて前記カラー表示画素の色純度が高い、
ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の表示装置。 - 前記位置における前記レーザ照射装置の照射するレーザ光のパワー密度がプラズマ形成閾値の1.5倍以上4倍以下の範囲となるよう、前記制御装置が前記レーザ光の強度を制御する、
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の表示装置。 - 前記位置における前記レーザ照射装置の照射するレーザ光のパワー密度を測定する測定器をさらに備え、前記制御装置が前記測定器の測定したパワー密度に基づき、前記レーザ光の強度を制御する、
ことを特徴とする請求項6に記載の表示装置。 - 前記プラズマ形成閾値が、前記レーザ照射装置の照射するレーザ光のレーザスポット径、パルス幅、およびレーザ波長、の少なくとも1つに基づき設定されている、
ことを特徴とする請求項6または7に記載の表示装置。 - 前記少なくとも1つのレーザ照射装置は複数のレーザ照射装置を有し、前記複数のレーザ照射装置の各々は互いに異なる波長のレーザ光を照射する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の表示装置。 - 少なくとも1つのレーザ照射装置から気体中の位置に波長が380nm以上780nm以下のレーザ光を照射して前記位置にプラズマを形成し、
前記位置に前記レーザ照射装置のレーザ光の照射方向に対して、30°以上、330°以下の角度範囲に前記プラズマにより前記レーザ光を散乱するカラー表示画素を発生させ、
前記位置における光強度を380nm以上780nm以下の波長範囲においてCIE1931のXYZ三刺激値に変換した場合に、前記位置において前記プラズマが発するプラズマ光のY値が、前記プラズマ光を除いた前記レーザ光の散乱光のY値の1%以上95%以下の範囲となり、前記カラー表示画素の輝度が変化するよう、前記少なくとも1つのレーザ照射装置が照射するレーザ光の強度を制御する、
ことを特徴とする表示方法。 - 少なくとも1つのレーザ照射装置から気体中の位置に波長が380nm以上780nm以下のレーザ光を照射して前記位置にプラズマを形成し、
前記位置に前記レーザ照射装置のレーザ光の照射方向に対して、30°以上、330°以下の角度範囲に前記プラズマにより前記レーザ光を散乱する散乱場を発生させ、
前記位置における光強度を380nm以上780nm以下の波長範囲においてCIE1931のXYZ三刺激値に変換した場合に、前記位置において前記プラズマが発するプラズマ光のY値が、前記プラズマ光を除いた前記レーザ光の散乱光のY値の1%以上95%以下の範囲となり、前記散乱場による散乱光の強度が変化するよう、前記少なくとも1つのレーザ照射装置が照射するレーザ光の強度を制御する、
ことを特徴とする表示方法。 - 少なくとも1つのレーザ照射装置から気体中の位置に波長が380nm以上780nm以下のレーザ光を照射し、
前記位置に前記レーザ照射装置のレーザ光の照射方向に対して、30°以上、330°以下の角度範囲に前記レーザ光を散乱するカラー表示画素を発生させ、
前記カラー表示画素の輝度が変化するよう、前記少なくとも1つのレーザ照射装置が照射するレーザ光の強度を制御し、
前記少なくとも1つのレーザ照射装置は、前記位置に前記レーザ光を照射して前記位置にプラズマを形成し、
前記プラズマが発するプラズマ光を、380nm以上780nm以下の波長範囲においてCIE1931のXYZ三刺激値に変換して、前記プラズマ光のY値を取得し、
前記レーザ光が前記プラズマにより散乱された散乱光を、380nm以上780nm以下の波長範囲においてCIE1931のXYZ三刺激値に変換して、前記散乱光のY値を取得し、
前記プラズマ光のY値が、前記散乱光のY値の1%以上95%以下の範囲となるよう、前記少なくとも1つのレーザ照射装置が照射する前記レーザ光の強度を制御する、
ことを特徴とする表示方法。 - 少なくとも1つのレーザ照射装置から気体中の位置に波長が380nm以上780nm以下のレーザ光を照射し、
前記位置に前記レーザ照射装置のレーザ光の照射方向に対して、30°以上、330°以下の角度範囲に前記レーザ光を散乱する散乱場を発生させ、
前記散乱場による散乱光の強度が変化するよう、前記少なくとも1つのレーザ照射装置が照射するレーザ光の強度を制御し、
前記少なくとも1つのレーザ照射装置は、前記位置に前記レーザ光を照射して前記位置にプラズマを形成し、
前記プラズマが発するプラズマ光を、380nm以上780nm以下の波長範囲においてCIE1931のXYZ三刺激値に変換して、前記プラズマ光のY値を取得し、
前記レーザ光が前記プラズマにより散乱された散乱光を、380nm以上780nm以下の波長範囲においてCIE1931のXYZ三刺激値に変換して、前記散乱光のY値を取得し、
前記プラズマ光のY値が、前記散乱光のY値の1%以上95%以下の範囲となるよう、前記少なくとも1つのレーザ照射装置が照射する前記レーザ光の強度を制御する、
ことを特徴とする表示方法。 - 前記位置における前記少なくとも1つのレーザ照射装置の照射するレーザ光のパワー密度がプラズマ形成閾値の1.5倍以上4倍以下の範囲となるよう前記レーザ光の強度を制御する、
ことを特徴とする請求項10から13のいずれか1項に記載の表示方法。 - 前記少なくとも1つのレーザ照射装置は複数のレーザ照射装置を有し、前記複数のレーザ照射装置の各々は互いに異なる波長のレーザ光を照射する、
ことを特徴とする請求項10から14のいずれか1項に記載の表示方法。 - 前記レーザ光を走査する、
ことを特徴とする請求項10から15のいずれか1項に記載の表示方法。 - 請求項10から16のいずれか1項に記載の表示方法を、コンピュータに実行させるためのプログラム。
- 請求項17に記載のプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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