特開 2022-30414 立体空中像表示装置とその方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022030414

(43)【公開日】2022-02-18

(54)【発明の名称】立体空中像表示装置とその方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 30/56 20200101AFI20220210BHJP

   G02B 30/26 20200101ALI20220210BHJP

   G02B 30/33 20200101ALI20220210BHJP

   G03B 35/18 20210101ALI20220210BHJP

   H04N 13/302 20180101ALI20220210BHJP

【ＦＩ】

G02B30/56

G02B30/26

G02B30/33

G03B35/18

H04N13/302

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020134447

(22)【出願日】2020-08-07

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100129230

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 理恵

(72)【発明者】

【氏名】巻口 誉宗

(72)【発明者】

【氏名】高田 英明

(72)【発明者】

【氏名】川上 徹

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 芳人

(72)【発明者】

【氏名】篠井 むつみ

【テーマコード（参考）】

2H059

2H199

5C061

【Ｆターム（参考）】

2H059AA35

2H199BA07

2H199BA20

2H199BA32

2H199BB02

2H199BB51

5C061AA06

5C061AB14

5C061AB17

(57)【要約】

【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】観察者Ｈの右目に映す映像Ａを表示する右目用ディスプレイ１０と、観察者Ｈの左目に映す映像Ｂを表示する左目用ディスプレイ２０と、右目用ディスプレイ１０と左目用ディスプレイ２０のそれぞれの正面に、焦点距離ｆ_１の距離離れて並んで配置される２枚の第１凸レンズ１１，１２と、右目用ディスプレイ１０の光と左目用ディスプレイ２０の光が、並んで配置される他方の第１凸レンズ１１，１２に入射しないように遮光する遮光板３０と、遮光板３０の右目用ディスプレイ１０と反対側の延長線上に中心を一致させ、焦点距離ｆ_１よりも長い焦点距離ｆ_２と焦点距離ｆ_１との和の距離離れて配置され、第１凸レンズ１１，１２を透過する光の範囲をカバーする直径を持つ第２凸レンズ４０とを備え、観察者Ｈは、第２凸レンズ４０を介して両眼視差を有する空中像を観察する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

観察者の右目に映す映像を表示する右目用ディスプレイと、
前記観察者の左目に映す映像を表示する左目用ディスプレイと、
前記右目用ディスプレイと前記左目用ディスプレイのそれぞれの正面に、焦点距離ｆ_１の距離離れて並んで配置される２枚の第１凸レンズと、
前記右目用ディスプレイの光と前記左目用ディスプレイの光が、並んで配置される他方の前記第１凸レンズに入射しないように遮光する遮光板と、
前記遮光板の前記右目用ディスプレイと反対側の延長線上に中心を一致させ、前記焦点距離ｆ_１よりも長い焦点距離ｆ_２と前記焦点距離ｆ_１との和の距離離れて配置され、前記第１凸レンズを透過する光の範囲をカバーする直径を持つ第２凸レンズとを備え、
前記観察者は、前記第２凸レンズを介して両眼視差を有する空中像を観察する立体空中像表示装置。

【請求項2】

前記観察者は、前記第２凸レンズから下記の距離ｄ以上離れて前記空中像を観察する

【数2】

請求項１に記載の立体空中像表示装置。

【請求項3】

立体空中像表示装置が行う立体空中像表示方法であって、
前記立体空中像表示装置は、
観察者の右目に映す映像を表示する右目用ディスプレイと、
前記観察者の左目に映す映像を表示する左目用ディスプレイと、
前記右目用ディスプレイと前記左目用ディスプレイのそれぞれの正面に、焦点距離ｆ_１の距離離れて並んで配置される２枚の第１凸レンズと、
前記右目用ディスプレイの光と前記左目用ディスプレイの光が、並んで配置される他方の前記第１凸レンズに入射しないように遮光する遮光板と、
前記遮光板の前記右目用ディスプレイと反対側の延長線上に中心を一致させ、前記焦点距離ｆ_１よりも長い焦点距離ｆ_２と前記焦点距離ｆ_１との和の距離離れて配置され、前記第１凸レンズを透過する光の範囲をカバーする直径を持つ第２凸レンズとを備え、
前記右目用ディスプレイと前記左目用ディスプレイに表示された映像を、２枚の前記第１凸レンズでそれぞれ投影する第１投影ステップと、
前記第１凸レンズを透過した光を前記第２凸レンズで投影する第２投影ステップと、
前記観察者が前記第２凸レンズを介して両眼視差を有する空中像を観察する立体空中像観察ステップと
を行なう立体空中像表示方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、立体空中像表示装置とその方法に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】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

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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。

【0005】

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。

【0006】

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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様に係る立体空中像表示装置は、観察者の右目に映す映像を表示する右目用ディスプレイと、前記観察者の左目に映す映像を表示する左目用ディスプレイと、前記右目用ディスプレイと前記左目用ディスプレイのそれぞれの正面に、焦点距離ｆ_１の距離離れて並んで配置される２枚の第１凸レンズと、前記右目用ディスプレイの光と前記左目用ディスプレイの光が、並んで配置される他方の前記第１凸レンズに入射しないように遮光する遮光板と、前記遮光板の前記右目用ディスプレイと反対側の延長線上に中心を一致させ、前記焦点距離ｆ_１よりも長い焦点距離ｆ_２と前記焦点距離ｆ_１との和の距離離れて配置され、前記第１凸レンズを透過する光の範囲をカバーする直径を持つ第２凸レンズとを備え、前記観察者は、前記第２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。

【0008】

また、本発明の一態様に係る立体空中像表示方法は、上記の立体空中像表示装置が行う表示方法であって、前記立体空中像表示装置は、観察者の右目に映す映像を表示する右目用ディスプレイと、前記観察者の左目に映す映像を表示する左目用ディスプレイと、前記右目用ディスプレイと前記左目用ディスプレイのそれぞれの正面に、焦点距離ｆ_１の距離離れて並んで配置される２枚の第１凸レンズと、前記右目用ディスプレイの光と前記左目用ディスプレイの光が、並んで配置される他方の前記第１凸レンズに入射しないように遮光する遮光板と、前記遮光板の前記右目用ディスプレイと反対側の延長線上に中心を一致させ、前記焦点距離ｆ_１よりも長い焦点距離ｆ_２と前記焦点距離ｆ_１との和の距離離れて配置され、前記第１凸レンズを透過する光の範囲をカバーする直径を持つ第２凸レンズとを備え、前記右目用ディスプレイと前記左目用ディスプレイに表示された映像を、２枚の前記第１凸レンズでそれぞれ投影する第１投影ステップと、前記第１凸レンズを透過した光を前記第２凸レンズで投影する第２投影ステップと、観察者が前記第２凸レンズを介して両眼視差を有する空中像を観察する立体空中像観察ステップとを行なうことを要旨とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、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。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態に係る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2】図１に示す立体空中像表示装置の具体例を模式的に示す平面図である。

【図3】図１に示す立体空中像表示装置が行う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。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

図１は、本発明の実施形態に係る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（奥行）方向、手前がｚ（高さ）方向と定義する。

【0013】

図１に示すように、立体空中像表示装置１００は、右目用ディスプレイ１０、左目用ディスプレイ２０、遮光板３０、２枚の第１凸レンズ１１，１２、及び第２凸レンズ４０を備える。観察者Ｈは、第２凸レンズ４０を介して両眼視差を有する空中像５１，５２を観察する。

【0014】

右目用ディスプレイ１０は、観察者Ｈの右目Ｌｅに映す映像Ａを表示する。右目用ディスプレイ１０は、左目用ディスプレイ２０のｘ方向に並んで配置される。

【0015】

右目用ディスプレイ１０は、観察者Ｈの右目Ｒｅに映す映像Ｂを表示する。右目用ディスプレイ１０と左目用ディスプレイ２０は、例えば、一つの携帯端末のディスプレイで構成してもよい。

【0016】

例えば、一つの携帯端末の一つのディスプレイを横にして配置し、そのディスプレイの真ん中からｘ方向を右目用ディスプレイ１０とし、-ｘ方向を左目用ディスプレイ２０として用いてもよい。もちろん、右目用ディスプレイ１０と左目用ディスプレイ２０は、別個のディスプレイで構成しても構わない。

【0017】

２枚の第１凸レンズ１１，１２は、右目用ディスプレイ１０と左目用ディスプレイ２０のそれぞれの正面に、焦点距離ｆ_１の距離離れて並んで配置される。第１凸レンズ１１，１２は一般的な凸レンズである。第１凸レンズ１１の直径は、右目用ディスプレイ１０の幅及び高さに相当する大きさである。第１凸レンズ１２の直径を含む形状は、第１凸レンズ１１と同じである。

【0018】

遮光板３０は、右目用ディスプレイ１０の光と左目用ディスプレイ２０の光が、並んで配置される他方の第１凸レンズ１１，１２に入射しないように遮光する。図１に示すように、遮光板３０は、右目用ディスプレイ１０と左目用ディスプレイ２０の間と、第１凸レンズ１１と１２の間に配置されるｙ-ｚ平面を形成する板である。

【0019】

右目用ディスプレイ１０から出た一点鎖線で示す平行光は、第１凸レンズ１１の焦点Ｆ_１１を通るように屈折する。同様に、左目用ディスプレイ２０から出た破線で示す平行光は、第１凸レンズ１２の焦点Ｆ_１２を通るように屈折する。

【0020】

第１凸レンズ１１の焦点Ｆ_１１を通った光は、第２凸レンズ４０に入射する。第１凸レンズ１２の焦点Ｆ_１２を通った光は、第２凸レンズ４０に入射する。

【0021】

第２凸レンズ４０は、右目用ディスプレイ１０と反対側の遮光板３０の延長線上に中心を一致させ、第１凸レンズ１１，１２の焦点距離ｆ_１よりも長い焦点距離ｆ_２と焦点距離ｆ_１との和の距離離れて配置され、第１凸レンズ１１，１２を透過する光の範囲をカバーする直径を持つ。

【0022】

第２凸レンズ４０の遮光板３０（ｙ方向）側の焦点Ｆ_２１を通過して第２凸レンズ４０に入射した光は、第２凸レンズ４０のレンズ軸４０ｊに平行に進む。この第２凸レンズ４０のレンズ軸４０ｊに平行に進む観察者Ｈ（-ｙ方向）側の光は、焦点Ｆ_２１を通過する右目用ディスプレイ１０と左目用ディスプレイ２０の両方の光である。図１において、その平行光を光線αと光線βで表す。

【0023】

他方、第１凸レンズ１１の焦点Ｆ_１１を通って第２凸レンズ４０に入射した光線γとδは、その平行光（光線αと光線β）と、第２凸レンズ４０から観察者Ｈ（-ｙ方向）側の焦点距離ｆ_２の距離離れた位置で交差するように屈折する。つまり、光線γは、第２凸レンズ４０の観察者Ｈ側の焦点距離ｆ_２の距離離れた位置で光線αと交差する。また、光線γは、同様に光線βと交差する。

【0024】

第２凸レンズ４０のレンズ軸４０ｊと平行な光線α，βと交差した光線γ，δは、交差した後、レンズ軸４０ｊから遠ざかるように直進する。

【0025】

図１において、光線α，β，γ，δで示す光線は無数である。その無数の光線は、第２凸レンズ４０から観察者Ｈ側に焦点距離ｆ_２の距離離れた位置で交差する。

【0026】

この第２凸レンズ４０の観察者Ｈ側の焦点距離ｆ_２の距離離れた位置で生じる無数の光の交差は、第１凸レンズ１２の焦点Ｆ_１２を通って第２凸レンズ４０に入射する光についても同様に生じる。第１凸レンズ１２側の光（左目用ディスプレイ）については、上記の第１凸レンズ１１側（右目用ディスプレイ１０）と同じであるので詳しい説明は省略する。

【0027】

このように、右目用ディスプレイ１０と左目用ディスプレイ２０から投影された無数の光線が、第２凸レンズ４０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ことにより、その位置に空中像５１，５２が結像する。空中像５１は、右目用ディスプレイ１０に表示された映像Ａである。空中像５２は、左目用ディスプレイ２０に表示された映像Ｂである。よって、観察者Ｈは、第２凸レンズ４０を介して両眼視差を有する空中像を観察することができる。

【0028】

空中像５１，５２の拡大率はｆ_２/ｆ_１で表せる。よって、空中像５１，５２は、拡大空中像と称してもよい。

【0029】

観察者Ｈは、第２凸レンズ４０から下記の距離ｄ以上離れて空中像５１，５２を観察する。

【0030】

【数1】

【0031】

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は、観察者Ｈの右目に映す映像Ａを表示する右目用ディスプレイ１０と、観察者Ｈの左目に映す映像Ｂを表示する左目用ディスプレイ２０と、右目用ディスプレイ１０と左目用ディスプレイ２０のそれぞれの正面に、焦点距離ｆ_１の距離離れて並んで配置される２枚の第１凸レンズ１１，１２と、右目用ディスプレイ１０の光と左目用ディスプレイ２０の光が、並んで配置される他方の第１凸レンズ１１，１２に入射しないように遮光する遮光板３０と、遮光板３０の右目用ディスプレイ１０と反対側の延長線上に中心を一致させ、焦点距離ｆ_１よりも長い焦点距離ｆ_２と焦点距離ｆ_１との和の距離離れて配置され、第１凸レンズ１１，１２を透過する光の範囲をカバーする直径を持つ第２凸レンズ４０とを備え、観察者Ｈは、第２凸レンズ４０を介して両眼視差を有する空中像を観察する。これにより、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。

【0032】

（具体例）
図２は、上記の実施形態の作用効果を確認する目的で、立体空中像表示装置１００を具体的に構成した構成例を模式的に示す平面図である。

【0033】

右目用ディスプレイ１０と左目用ディスプレイ２０は、一つの携帯端末の４インチディスプレイを用いて構成した。４インチディスプレイの画面サイズは、縦50mm×幅88mmである。画面解像度は1136×640のものを用いた。その４インチディスプレイの画面を２つに分割したので、右目用ディスプレイ１０と左目用ディスプレイ２０画面サイズは、それぞれ50mm×44mmである。

【0034】

遮光板３０は黒紙を用いた。黒紙の厚みは無視できる。

【0035】

第１凸レンズ１１，１２は、直径50mm、焦点距離ｆ_１＝75mmの一般的な凸レンズを用いた。

【0036】

第２凸レンズ４０は、大口径平凸コンデンサーレンズ（以降、大口径平凸レンズ）４０ａ，４０ｂで構成した。大口径平凸レンズ４０ａ，４０ｂは、直径200mm、焦点距離ｆ_２＝200mmのものを用いた。

【0037】

上記の構成により、大口径平凸レンズ４０ａ，４０ｂの観察者Ｈ側の焦点距離ｆ_２の距離離れた位置でｘ方向の幅が117.5mmの空中像を形成させた。そして、大口径平凸レンズ４０ａ，４０ｂから距離＝734mmの位置にｘ方向の幅が133mmの右目用の視域と左目用の視域の２つを確認することができた。

【0038】

図２に示すように、右目用の視域と左目用の視域は、それぞれが無限遠５角形視域（ハッチングで示す範囲）を形成する。無限遠５角形視域は、大口径平凸レンズ４０ａ，４０ｂから遠ざかるほどそのレンズ軸４０ｊから離れて行くので観察者Ｈが立体空中像を観察できる範囲は所定の範囲に限られるが、実用上問題の無いことが確認できた。

【0039】

（立体空中像表示方法）
図３は、上記の立体空中像表示装置１００が行う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。

【0040】

本実施形態に係る立体空中像表示方法は、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、立体空中像表示装置１００は、観察者Ｈの右目に映す映像Ａを表示する右目用ディスプレイ１０と、観察者Ｈの左目に映す映像Ｂを表示する左目用ディスプレイ２０と、右目用ディスプレイ１０と左目用ディスプレイ２０のそれぞれの正面に、焦点距離ｆ_１の距離離れて並んで配置される２枚の第１凸レンズ１１，１２と、右目用ディスプレイ１０の光と左目用ディスプレイ２０の光が、並んで配置される他方の第１凸レンズ１１，１２に入射しないように遮光する遮光板３０と、遮光板３０の右目用ディスプレイ１０と反対側の延長線上に中心を一致させ、焦点距離ｆ_１よりも長い焦点距離ｆ_２と焦点距離ｆ_１との和の距離離れて配置され、第１凸レンズ１１，１２を透過する光の範囲をカバーする直径を持つ第２凸レンズ４０とを備え、右目用ディスプレイ１０と左目用ディスプレイ２０に表示された映像Ａ，Ｂを、２枚の第１凸レンズ１１，１２でそれぞれ投影する第１投影ステップ（ステップＳ１）と、第１凸レンズ１１，１２を透過した光を第２凸レンズ４０で投影する第２投影ステップ（ステップＳ２）と、観察者が第２凸レンズ４０を介して両眼視差を有する空中像を観察する立体空中像観察ステップ（ステップＳ３）とを行なう。これにより、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。

【0041】

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、両眼視差を有する立体空中像を表示することができる。

【0042】

なお、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１１，１２及び第２凸レンズ４０の焦点深度の範囲で、奥行き（ｙ）方向に幅を持って立体空中像を観察することができる。

【0043】

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。右目用ディスプレイ１０と左目用ディスプレイ２０は、一つの携帯端末のディスプレイを分割して用いる例を説明したが、本発明はこの例に限定されない。右目用ディスプレイ１０と左目用ディスプレイ２０は、別々のディスプレイで構成してもよい。

【0044】

また、具体例で示した大口径平凸レンズ４０ａ，４０ｂは、一般的な凸レンズで構成しても構わない。

【0045】

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。

【符号の説明】

【0046】

１０：右目用ディスプレイ
１１：第１凸レンズ
１２：第２凸レンズ
２０：左目用ディスプレイ
３０：遮光板
４０：第２凸レンズ
５１，５２：空中像（拡大空中像）
Ｈ：観察者

【図1】

【図2】

【図3】