JPH1073785A - 臨場感表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 無限遠表示方式を用いた臨場感表示装置にお
いて、構造を軽量化する共に、臨場感に満ちた明るい映
像を表示できるようにすること。 【解決手段】 映像表示手段１を設け、ＣＧや実写映像
等の各種映像を表示する。映像表示手段１の前方に焦点
距離ｆのフレネルレンズ又はホログラム光学素子を結像
光学手段２として配置し、観察者３がその虚像を表示映
像４として見る。こうすると凸レンズやハーフミラーを
必要とせず、構造の簡単な臨場感表示装置を実現でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、観察者に対して臨
場感の高い映像を表示する臨場感表示装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来の臨場感表示装置には無限遠表示方
式が用いられてきた。無限遠表示方式には、凸レンズを
用いた方式と凹面鏡を用いた方式の２つがある。その１
例が航空宇宙技術研究所資料ＴＭ−４６７「視界模擬に
おける無限遠表示装置の試作」（1982年8 月）に発表さ
れている。

【０００３】まず凸レンズを用いた無限遠表示装置の原
理を説明をする。図８は凸レンズを用いた基本光学系の
説明図である。レンズの焦点をＦ、その焦点距離をｆ、
物体をＰＱ、物体ＰＱのレンズの中心からの距離をａ、
像をＰ’Ｑ’、像Ｐ’Ｑ’のレンズの中心からの距離を
ｂとすると、レンズの公式である次の（１）式が成立す
る。 １／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ・・・（１） 又このときの像Ｐ’Ｑ’の大きさは次の（２）式で表さ
れる。 Ｐ’Ｑ’／ＰＱ＝ｆ／（ａ−ｆ）・・・（２）

【０００４】ここで物体ＰＱの位置をａ＜ｆを満たすよ
うに置くと、（１）式からｂ＜０となる。ｂが負の値を
とるときには、図９に示すようにレンズに対して像Ｐ’
Ｑ’は物体ＰＱと同じ側にでき、正立の虚像となる。

【０００５】従って物体の拡大率は（３）式に示すよう
に１より大きくなる。 一般に正立虚像の場合には、像は常に物体より大きくな
り、ａをｆに近づけると、（１）式からｂが無限大にな
ることが分かる。観察者が凸レンズの右側から見ると正
立の虚像が見え、凸レンズによる無限遠表示装置が構成
される。

【０００６】次に凹面鏡を用いた無限遠表示装置を説明
する。図１０は凹面鏡を用いた基本光学系の説明図であ
る。凹面鏡の焦点をＦとし、その焦点距離をｆとする。
焦点距離ｆは凹面鏡の曲率半径の１／２に等しい。物体
をＰＱとし、その位置は凹面鏡の中心からａにある。ま
た像をＰ’Ｑ’とし、その位置は凹面鏡の中心からｂに
ある。この場合、次の（４）式が成立する。 １／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ・・・（４） （４）式を変形すると、次の（５）式が得られる。 ｂ＝ａ・ｆ／（ａ−ｆ）・・・（５） よってａ＞ｆとすると、ｂは正となり、像Ｐ’Ｑ’は倒
立実像となる。

【０００７】次にａ＜ｆとすると、（５）式からｂは負
となり、図１１に示すように像Ｐ’Ｑ’は正立虚像とな
り、凹面鏡の後ろ側にできる。そしてａをｆに近づける
と、ｂが無限大になることが分かる。しかし図１１から
も分かるように、虚像Ｐ’Ｑ’は物体ＰＱの影になり、
全体を見ることはでない。そこで図１２に示すように物
体ＰＱをＣＲＴに映し、その映像をビーム・スプリッタ
ＢＳ上に投影して、その反射光を凹面鏡に入射させ、そ
の虚像を見せる方式が採用されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の凸レンズを
用いた無限遠表示装置では、画面サイズを大きくする場
合、レンズの直径が大きくなり、その厚みも厚くなるた
め、装置の重量が重くなるという問題点があった。

【０００９】また上記従来の凹面鏡を用いた無限遠表示
装置では、ビーム・スプリッタを必要とするため、装置
全体の構造が複雑になることや、映像の明るさがＣＲＴ
の明るさより減衰してしまう等の問題点があった。

【００１０】無限遠表示装置は映像表示手段に表示され
る映像をできるだけ遠くに結像させることにより、疑似
的に観察者に対して立体感を与え、臨場感を高める表示
装置となる。しかし従来の無限遠表示装置では、映像表
示手段と、凸レンズや凹面鏡のような結像光学手段との
間の距離は固定されており、映像表示手段に表示された
映像の観察者から見た結像距離は一定で、映像の種類や
観察者の視力等の視覚特性によっては、結像距離が遠す
ぎると見づらくなるという問題点があった。

【００１１】またバーチャルリアリティやシュミレータ
等で用いられるインタラクティブな表示が可能な映像表
示装置としては、一般的にヘッドマウントディスプレイ
が用いられる。これは観察者の頭部に装着するものであ
るために、観察者に拘束感を与えるという問題点があっ
た。

【００１２】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであって、無限遠表示方式を用いて観察
者に対して臨場感の高い映像を表示でき、且つ構造の簡
単な臨場感表示装置を実現することを目的とするもので
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ための本願の請求項１記載の発明は、映像を表示する映
像表示手段と、前記映像表示手段の表示面の前方に配置
され、前記映像表示手段の映像を結像する結像光学手段
と、を具備する臨場感表示装置であって、前記結像光学
手段は、焦点距離ｆのフレネルレンズからなり、前記映
像表示手段と前記結像光学手段の間隔が前記焦点距離ｆ
以内でｆに近い距離に設定されることを特徴とするもの
である。

【００１４】また本願の請求項２記載の発明は、映像を
表示する映像表示手段と、前記映像表示手段の表示面の
前方に配置され、前記映像表示手段の映像を結像する結
像光学手段と、を具備する臨場感表示装置であって、前
記結像光学手段は、平行光を距離ｆの点に集光させるホ
ログラム光学素子からなり、前記映像表示手段と前記結
像光学手段の間隔が前記焦点距離ｆ以内でｆに近い距離
に設定されることを特徴とするものである。

【００１５】このような構成によれば、映像表示手段で
表示された映像を、結像光学手段としてのフレネルレン
ズ又はホログラム光学素子の焦点より内側に映すことに
より、拡大された虚像を結像光学手段の光軸上の観察者
から見て無限遠に表示できる。

【００１６】また本願の請求項３記載の発明では、前記
結像光学手段は、軸外結像機能を有するフレネルレンズ
からなることを特徴とするものである。

【００１７】また本願の請求項４記載の発明では、前記
結像光学手段は、軸外結像機能を有するホログラム光学
素子からなることを特徴とするものである。

【００１８】このような構成によれば、映像表示手段で
表示された映像を、結像光学手段としてのフレネルレン
ズ又はホログラム光学素子の焦点より内側に映すことに
より、拡大された虚像を結像光学手段の光軸外の観察者
から見て無限遠に表示できる。従って観察者の姿勢の自
由度が高くなる。

【００１９】また本願の請求項５記載の発明は、前記映
像表示手段と前記結像光学手段との間の距離を調整する
結像距離調整手段を設けたことを特徴とするものであ
る。

【００２０】このような構成によれば、結像距離調整手
段で映像表示手段と結像光学手段との距離を微調整する
ことにより、映像の種類や観察者の視覚特性に最適な結
像距離を取ることができる。

【００２１】また本願の請求項６記載の発明は、観察者
の意図する視野及び視点を含む観察者情報を入力する観
察者情報入力手段と、前記観察者情報入力手段からの観
察者情報に応じて、前記映像表示手段に表示する映像の
視野及び視点を制御する映像制御手段と、を設けたこと
を特徴とするものである。

【００２２】このような構成によれば、観察者情報入力
手段で観察者からの情報を入力し、映像制御手段で表示
映像の内容を制御することにより、インタラクティブで
且つ臨場感の高い映像を表示できるようになる。

【００２３】

【発明の実施の形態】

（実施の形態１）本発明の第１の実施の形態における臨
場感表示装置について図面を参照しながら説明する。図
１は本実施の形態における臨場感表示装置の基本構造を
示す説明図である。映像表示手段１はコンピュータによ
り作成したＣＧ映像やカメラで撮影した実写映像を表示
する手段であり、図９の物体ＰＱに相当する。結像光学
手段２は焦点距離がｆのフレネルレンズであり、図９の
凸レンズに相当する。観察者３は臨場感表示装置の視聴
者である。表示映像４は観察者３から実際に見える映像
表示手段１の虚像であり、図９の虚像Ｐ’Ｑ’に相当す
る。ａは映像表示手段１と結像光学手段２との距離であ
り、ｂは結像光学手段２と表示映像４との距離である。
またＸは映像表示手段１の横幅を示し、Ｙは表示映像４
の横幅を示す。

【００２４】まず、コンピュータによるＣＧ映像やカメ
ラで撮影した実写映像が映像表示手段１に表示される。
観察者３はこの映像をフレネルレンズ２を通して見る。
ここでフレネルレンズ及び映像表示手段の距離ａと、フ
レネルレンズ及び虚像の距離ｂとは（１）式の関係を満
足する。このときの映像表示手段１の映像と表示映像４
の大きさの比は次の（６）式で表される。 Ｙ／Ｘ＝ｆ／（ａ−ｆ）・・・（６）

【００２５】ここで距離ａに関してａ＜ｆの関係を満た
すとすると、（１）式よりｂ＜０となり、像は映像表示
手段１と同じ側に正立の虚像として現れる。また（６）
式から０＜ａ＜ｆの場合は、虚像の大きさは常に映像表
示手段１の映像より大きくなり、特にａをｆに近づける
と、フレネルレンズと虚像との距離ｂは無限大となり、
表示映像４の大きさＹも無限大となる。

【００２６】実際には、ａ＝ｆとすると、像は大きくな
り過ぎてぼやけたものになるので、距離ａは以下の条件
を満たさなければならない。 １；ａは０より大きくて、ｆより小さい（０＜ａ＜
ｆ）。 ２；観察者にとって像がぼけない範囲でａはｆに近い値
とする。

【００２７】以上のように、本実施の形態ではフレネル
レンズを映像表示手段１の前方に、上記のような位置に
配置することにより、無限遠に近い位置に虚像を結像さ
せ、拡大表示させることができる。このため、観察者３
は表示面効果により疑似的な奥行きを感じ取ることがで
き、臨場感の高い映像となる。しかも従来方式に比べて
装置全体の構成が簡単で、且つ重量の軽い無限遠表示方
式の臨場感表示装置を実現できる。

【００２８】（実施の形態２）次に本発明の第２の実施
の形態の臨場感表示装置について説明する。図２は結像
光学手段２の１つとしてホログラム光学素子を用いると
き、このホログラム光学素子の作成方法を示した説明図
である。ホログラム光学素子は平行光を距離ｆの点に集
光する機能を有する。本図に示すようにレーザ光源１０
から発生したレーザビーム１１をハーフミラー１２で二
光束に分岐させる。一方のレーザビーム１１ａはミラー
１３ａ，１３ｂで方向が変えられ、レンズ系１４Ａで集
束光となる。このビームはハーフミラー１５を通過して
感光材料が塗布された感板１６に入射される。もう一方
のビーム１１ｂは別のレンズ系１７を通して平行光に変
換され、ハーフミラー１５で角度が変えられ、感板１６
に垂直に入射される。この感板１６は集束光の集束点Ｐ
ａからハーフミラー１５に向かってｆの距離に配置す
る。これにより感板１６の感光材料に干渉縞が記録され
る。この感光された感板１６をホログラム光学素子１８
とする。

【００２９】図３は上記のようにして作成したホログラ
ム光学素子１８に、新たな平行光を入射する場合の光路
図である。入射した平行光はホログラム光学素子１８に
記録された干渉縞により回折され、ホログラム光学素子
１８からｆの距離の点に集光する。なお、これに限ら
ず、上記のホログラム光学素子１８と同等の機能を有す
る干渉縞をコンピュータで計算し、電子線描画装置等の
微細加工能力のある装置で描画して、ホログラム光学素
子を作成することも可能である。

【００３０】以上のようにして作成したホログラム光学
素子１８を図１における結像光学手段２として用いる
と、臨場感表示装置を実現することができる。

【００３１】（実施の形態３）本発明の第３の実施の形
態における臨場感表示装置について説明する。図４は平
行光を光軸から外れた点で集光できる結像光学手段とし
てホログラム光学素子を作成する方法を示した説明図で
ある。作成方法に関しては、集束光の部分以外は第２の
実施の形態と同様である。

【００３２】レーザ光源１０から発生したレーザビーム
１１をハーフミラー１２で二光束に分岐させる。一方の
レーザビーム１１ａはミラー１３ａ，１３ｂで方向が変
えられる。このビームは、光軸が左上方向（感板１９の
法線と角度αをなす方向）になるよう取り付けられたレ
ンズ系１４Ｂで集束光となる。このビームはハーフミラ
ー１５を通過して感光材料が塗布された感板１９に入射
される。もう一方のビーム１１ｂは別のレンズ系１７を
通し平行光に変換され、ハーフミラー１５で角度が変え
られ、感板１９に垂直に入射される。この感板１９は集
束光の集束点Ｐｂからｆの距離に配置される。これによ
り感板１９の感光材料に干渉縞が記録される。この感光
された感板１９をホログラム光学素子２０とする。

【００３３】図５は本実施の形態の臨場感表示装置の構
成図である。結像光学手段５として、軸外結像作用を有
するフレネルレンズ又はホログラム光学素子２０を用い
る。軸外結像作用とは結像光学手段５の法線外の所に合
焦した像を結像させることをいう。映像表示手段１の映
像は、観察者３から見て結像光学手段５によって拡大さ
れた正立虚像の表示映像４となることは第１、第２の実
施の形態と同様である。

【００３４】まず、コンピュータによるＣＧ画像や実際
にカメラで撮影した実写映像を映像表示手段１に表示す
る。この映像を観察者３は軸外結像作用を有する結像光
学手段５を通して見る。ここで、映像表示手段１は結像
光学手段５からａの距離に配置する。但し、距離ａは以
下の２つの条件を満たすようにする。 ３；ａは０より大きくて、ｆより小さい（０＜ａ＜
ｆ）。 ４；観察者にとって像がぼけない範囲でａをｆに近い値
とする。

【００３５】本実施の形態では、無限遠に結像される虚
像が結像光学手段５に対して角度αの方向に観察できる
ので、ベッド等に寝ている状態でも、臨場感の高い映像
を無理のない姿勢で観察することができる。

【００３６】（実施の形態４）次に本発明の第４の実施
の形態における臨場感表示装置について説明する。図６
は本実施の形態の臨場感表示装置の構成図であり、映像
表示手段１と結像光学手段２との距離を調整できるよう
にしたことが特徴である。映像表示手段１と結像光学手
段２とに加えて結像距離調整手段６が設けられている。
表示映像４は観察者３から実際に見える正立虚像の映像
である。結像距離調整手段６は映像表示手段１と結像光
学手段２との距離を調整する手段である。

【００３７】まず、コンピュータによるＣＧ画像や実際
にカメラで撮影した実写映像を映像表示手段１に表示す
る。観察者３はこの映像を結像光学手段２を通して見
る。ここで、映像表示手段１と結像光学手段２との距離
ａは以下の条件を満たすようにする。 ５；ａは０より大きく、ｆより小さい（０＜ａ＜ｆ）。 ６；観察者にとって像がぼけない範囲でａをｆに近い値
とする。

【００３８】次に、表示する映像の種類や観察者３の視
覚特性に応じて、結像距離調整手段６によって上記の条
件の範囲内で距離ａをできるだけ大きくとる。近景の映
像に関しては、上記の条件の範囲内で距離ａを遠景の場
合より小さくとる。また観察者３の視力等の視覚特性に
よって、ぼけて見ずらい範囲は異なるので、それに応じ
て距離ａを微調整する。

【００３９】以上のように本実施の形態では、表示する
映像の種類や観察者の視覚特性に応じて、結像距離調整
部６を操作して距離ａの微調整をすることにより、より
臨場感の高い映像を表示できる。

【００４０】（実施の形態５）次に本発明の第５の実施
の形態における臨場感表示装置について説明する。図７
は本実施の形態の臨場感表示装置の構成図であり、映像
表示手段１と結像光学手段２に加えて、観察者情報入力
手段７と映像制御手段８とを設けることが特徴である。
本実施の形態の臨場感表示装置では、観察者から情報を
入力してインタラクティブな映像を表示できるようにし
た。観察者情報入力手段７は観察者のレバー操作により
情報を入力する手段である。映像制御手段８は観察者情
報入力手段７からの情報に応じて、映像表示手段１の映
像の視点を制御する手段である。

【００４１】まず観察者３は結像光学手段２を通して、
映像表示手段１に表示された風景等の表示映像４を観察
する。このときの結像光学手段２と映像表示手段１の配
置は第１の実施の形態の場合と同様であり、観察者３は
無限遠表示方式により臨場感の高い映像を観察すること
ができる。

【００４２】映像制御手段８は多地点、多方向から撮影
された実写映像を蓄積している。ここで観察者３が観察
者情報入力手段７のレバーを例えば前方に操作すると、
その情報を受けて映像制御手段８は蓄積された実写映像
の中で、現在表示されている映像よりも前方の位置で撮
影された映像を映像表示部１に表示させる。

【００４３】またコンピュータグラフィックスを表示映
像として用いる場合は、映像制御手段８は、現在表示さ
れている映像よりも前方の視点から見た映像を計算して
生成し、映像表示部１に表示させる。このように、観察
者情報入力手段７のレバーの操作方向への情報を受け
て、映像制御手段８はそれに応じた映像を映像表示部１
に表示させる。

【００４４】なお、ここで観察者情報入力手段７はレバ
ーによって観察者が見たい方向を入力するものとした
が、これに限られるわけではなく、ジャイロセンサによ
る観察者の動きや位置情報を入力するものでもよく、映
像制御手段８はこれらの情報を基に、表示する映像を制
御することも可能である。

【００４５】以上のように本実施の形態では、観察者か
らの情報を基に、表示する映像を制御でき、インタラク
ティブで臨場感の高い映像を表示することができる。

【００４６】

【発明の効果】以上のように請求項１、２の発明によれ
ば、無限遠表示方式による結像光学手段として、フレネ
ルレンズ又はホログラム光学素子を用いることにより、
凸レンズを用いた方式と同様な構成で臨場感表示装置を
実現することができる。特に本装置はビームスプリッタ
が不要であり、凹面鏡方式よりも装置の構造が簡単で、
且つ明るい映像を得ることができる。その上、画面サイ
ズを大きくしても、従来の凸レンズ方式のものより軽量
な装置を実現できる。

【００４７】また請求項３、４の発明によれば、結像光
学手段として、軸外結像作用のあるフレネルレンズ又は
ホログラム光学素子を用いることにより、ベッド等に寝
たままでも臨場感の高い映像を無理のない姿勢でみるこ
とができる。

【００４８】また請求項５の発明によれば、表示する映
像の種類や観察者の視覚特性に応じて、映像表示手段と
結像光学手段との距離を微調整する結像距離調整手段を
設けることにより、映像の種類や観察者の視覚特性に最
適な結像距離を取ることができる。このためより臨場感
の高い映像を表示することができる。

【００４９】またまた請求項６の発明によれば、観察者
からの情報を入力する観察者情報入力手段と、観察者情
報入力手段からの情報を基に表示する映像を制御する映
像制御手段を設けることにより、観察者を拘束すること
なく、インタラクティブで且つ臨場感の高い映像を提供
でき、バーチャルリアリティの表示装置として有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における臨場感表示
装置の構成図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態に用いられるホログ
ラム光学素子の作成方法を示す説明図である。

【図３】ホログラム光学素子に平行光が入射する場合の
光路図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態に用いられるホログ
ラム光学素子の作成方法を示す説明図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態における臨場感表示
装置の構成図である。

【図６】本発明の第４の実施の形態における臨場感表示
装置の構成図である。

【図７】本発明の第５の実施の形態における臨場感表示
装置の構成図である。

【図８】凸レンズから構成される基本光学系の説明図で
ある。

【図９】凸レンズを用いた無限遠表示方式の説明図であ
る。

【図１０】凹面鏡から構成される基本光学系の説明図で
ある。

【図１１】凹面鏡を用いた基本光学系における虚像の説
明図である。

【図１２】凹面鏡を用いた無限遠表示方式の説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 映像表示手段 ２，５ 結像光学手段 ３ 観察者 ４ 表示映像（虚像） ６ 結像距離調整手段 ７ 観察者情報入力手段 ８ 映像制御手段 １０ レーザ光源 １１，１１ａ，１１ｂ レーザビーム １２，１３ａ，１３ｂ ミラー １５ ハーフミラー １４Ａ，１４Ｂ，１７ レンズ系 １６，１９ 感板 １８，２０ ホログラム光学素子

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 映像を表示する映像表示手段と、 前記映像表示手段の表示面の前方に配置され、前記映像
   表示手段の映像を結像する結像光学手段と、を具備する
   臨場感表示装置であって、 前記結像光学手段は、 焦点距離ｆのフレネルレンズからなり、前記映像表示手
   段と前記結像光学手段の間隔が前記焦点距離ｆ以内でｆ
   に近い距離に設定されることを特徴とする臨場感表示装
   置。
2. 【請求項２】 映像を表示する映像表示手段と、 前記映像表示手段の表示面の前方に配置され、前記映像
   表示手段の映像を結像する結像光学手段と、を具備する
   臨場感表示装置であって、 前記結像光学手段は、 平行光を距離ｆの点に集光させるホログラム光学素子か
   らなり、前記映像表示手段と前記結像光学手段の間隔が
   前記焦点距離ｆ以内でｆに近い距離に設定されることを
   特徴とする臨場感表示装置。
3. 【請求項３】 前記結像光学手段は、 軸外結像機能を有するフレネルレンズからなるものであ
   ることを特徴とする請求項１記載の臨場感表示装置。
4. 【請求項４】 前記結像光学手段は、 軸外結像機能を有するホログラム光学素子からなるもの
   であることを特徴とする請求項２記載の臨場感表示装
   置。
5. 【請求項５】 前記映像表示手段と前記結像光学手段と
   の間の距離を調整する結像距離調整手段を設けたことを
   特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の臨場感表
   示装置。
6. 【請求項６】 観察者の意図する視野及び視点を含む観
   察者情報を入力する観察者情報入力手段と、 前記観察者情報入力手段からの観察者情報に応じて、前
   記映像表示手段に表示する映像の視野及び視点を制御す
   る映像制御手段と、を設けたことを特徴とする請求項１
   〜４のいずれか１項記載の臨場感表示装置。