特開 2023-89314 空中結像装置

(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】P2023089314

(43)【公開日】2023-06-28

(54)【発明の名称】空中結像装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 30/60 20200101AFI20230621BHJP

   G02B 30/30 20200101ALI20230621BHJP

   G03B 35/18 20210101ALI20230621BHJP

   H04N 13/312 20180101ALI20230621BHJP

【ＦＩ】

G02B30/60

G02B30/30

G03B35/18

H04N13/312

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020079565

(22)【出願日】2020-04-28

(71)【出願人】

【識別番号】000148689

【氏名又は名称】株式会社村上開明堂

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100182006

【弁理士】

【氏名又は名称】湯本 譲司

(72)【発明者】

【氏名】望月 隆義

【テーマコード（参考）】

2H059

2H199

5C061

【Ｆターム（参考）】

2H059AA24

2H059AA35

2H059AB06

2H059AB13

2H199BA09

2H199BA32

2H199BB04

2H199BB08

2H199BB20

5C061AA08

5C061AB16

(57)【要約】

【課題】立体感を得られる虚像を視認することができる空中結像装置を提供する。
【解決手段】一実施形態に係る空中結像装置は、光を照射して情報を表示する表示装置２と、表示装置２からの光を複数回反射させて空中に虚像Ｋとして情報を表示する空中結像デバイス３と、表示装置２及び空中結像デバイス３の間に配置されており、虚像Ｋを視認する使用者Ｍの視線を制御する視線制御マスク５と、を備える。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光を照射して情報を表示する表示装置と、
前記表示装置からの光を複数回反射させて空中に虚像として前記情報を表示する空中結像デバイスと、
前記表示装置及び前記空中結像デバイスの間に配置されており、前記虚像を視認する使用者の視線を制御する視線制御マスクと、
を備える空中結像装置。

【請求項2】

前記視線制御マスクは、複数のスリットが形成されたパララックスバリアである、
請求項１に記載の空中結像装置。

【請求項3】

前記複数のスリットのピッチは、前記表示装置の画素のピッチよりも広い、
請求項２に記載の空中結像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、空中に虚像を結像する空中結像装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特開平９－７４５７４号公報には、立体画像表示方法及び立体画像表示装置が記載されている。立体画像表示装置は、ディスプレイと、ディスプレイ駆動回路と、ディスプレイよりも観察者側に設けられるパララックスバリアと、バリア駆動回路と、ディスプレイ駆動回路及びバリア駆動回路を制御する画像処理手段とを備える。画像処理手段は、被写体の３次元データ等から構成されている視差画像ソースと通信可能とされている。

【0003】

上記の公報には、パララックス・バリア法が記載されている。パララックス・バリア法では、ディスプレイのストライプ画像よりも観察者側に複数のスリットを有するパララックスバリアを配置する。観察者は、パララックスバリアを介して左右それぞれの眼でそれぞれの眼に対応した視差画像を観察することによって立体感を得られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平９－７４５７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、空中に虚像を結像する空中結像装置は、ディスプレイと、ディスプレイからの光を２回反射して空中に虚像を表示する空中結像デバイスとを備え、空中結像デバイスよりも観察者側に当該虚像が表示される。前述したように、空中結像装置において立体感を得るためにパララックスバリア等の視線制御マスクを空中結像デバイスよりも観察者側に配置した場合、立体感を得られる虚像が表示されないという現状がある。虚像は、通常のディスプレイの画像とは異なり、空中結像デバイスに対してディスプレイの面対称の位置に表示される。従って、空中結像デバイスより観察者側に視線制御マスクを配置しても、観察者は立体感を得られる虚像を視認できないという現状がある。

【0006】

本開示は、立体感を得られる虚像を視認することができる空中結像装置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】

本開示に係る空中結像装置は、光を照射して情報を表示する表示装置と、表示装置からの光を複数回反射させて空中に虚像として情報を表示する空中結像デバイスと、表示装置及び空中結像デバイスの間に配置されており、虚像を視認する使用者の視線を制御する視線制御マスクと、を備える。

【0008】

この空中結像装置では、情報を表示する表示装置と、当該情報を空中に虚像として表示する空中結像デバイスとを備え、空中結像デバイスは空中結像デバイスよりも使用者側に虚像を表示する。従って、使用者から見て虚像が浮き出たように表示されるので、情報の視認性を高めることができる。この空中結像装置では、使用者の視線を制御する視線制御マスクが表示装置と空中結像デバイスの間に配置される。よって、視線制御マスクが表示装置と空中結像デバイスの間に配置されることにより使用者の左右の両眼視差を生じさせることができ、使用者は左右それぞれの眼によって虚像としての視差画像を視認することができる。従って、立体感を得られる虚像を視認することができる。

【0009】

視線制御マスクは、複数のスリットが形成されたパララックスバリアであってもよい。この場合、パララックスバリアが表示装置と空中結像デバイスの間に配置されることにより、使用者は左右それぞれの眼によって虚像としての視差画像を視認して立体感を得られる画像を視認することができる。

【0010】

複数のスリットのピッチは、表示装置の画素のピッチよりも広くてもよい。この場合、パララックスバリアのスリットのピッチが表示装置の画素のピッチよりも広いことにより、左右それぞれの眼によって虚像としての視差画像をより鮮明に視認することができる。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、立体感を得られる虚像を視認することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態に係る空中結像装置の構成を示す図である。

【図2】比較例の視線制御マスクを説明する概念図である。

【図3】図２の比較例の視線制御マスクにおける使用者の視線について説明する概念図である。

【図4】実施形態に係る視線制御マスクにおける使用者の視線について説明する概念図である。

【図5】図４の視線制御マスクの配置態様を拡大した概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下では、図面を参照しながら、本開示に係る空中結像装置の実施形態について説明する。図面の説明において、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、図面は、理解の容易のため、一部を簡略化又は誇張して描いている場合があり、寸法比率及び角度等は図面に記載のものに限定されない。

【0014】

図１は、実施形態に係る空中結像装置１を示している。例えば、空中結像装置１は、光Ｆを照射して情報を表示するディスプレイを含む表示装置２と、表示装置２からの光Ｆを受けて虚像Ｋを表示する空中結像デバイス３とを含む。表示装置２は、例えば、液晶パネルである。表示装置２は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、タブレット端末、又は携帯端末等のディスプレイであってもよい。

【0015】

空中結像デバイス３は、表示装置２の画像を、表示装置２及び空中結像デバイス３よりも手前（使用者Ｍ側）の位置で虚像Ｋとして表示する。一例として、空中結像デバイス３は、ＡＩ（Aerial Imaging）プレート（登録商標）である。表示装置２から出射して空中結像デバイス３に入射した光Ｆは、空中結像デバイス３において複数回（例えば２回）反射し、使用者Ｍから見て空中結像デバイス３よりも手前側の空間に虚像Ｋを表示する。

【0016】

空中結像装置１は、更に、表示装置２と空中結像デバイス３の間に位置する視線制御マスク５を備える。本開示において、「視線制御マスク」は、虚像を視認する使用者の視線に応じて表示装置からの光を制御し、使用者の右眼及び左眼において互いに異なる像を視認するように使用者の視線を制御する部品を示している。

【0017】

本実施形態に係る視線制御マスク５は、例えば、パララックスバリアである。空中結像装置１では、表示装置２及び空中結像デバイス３の間に視線制御マスク５が配置されることにより、立体的な虚像Ｋを視認可能としている。視線制御マスク５の説明については後に詳述する。

【0018】

次に、視線制御マスクの詳細を説明する。図２は、空中結像装置ではなく、ディスプレイ１０１、及びディスプレイ１０１の手前側（使用者Ｍの左眼Ｈ及び右眼Ｒ側）に視線制御マスクとしてのパララックスバリア１０２が配置される比較例の画像表示装置を示している。

【0019】

図３は、図２のディスプレイ１０１及びパララックスバリア１０２を模式的に拡大した図である。図２及び図３に示されるように、以下では、左眼Ｈと右眼Ｒとの距離をＰ_ｅｙｅ、ディスプレイ１０１から左眼Ｈ及び右眼Ｒを通る仮想直線Ｃまでの距離をＬ、ディスプレイ１０１の画素のピッチをＰ_ｄｏｔ、として説明する。

【0020】

一例として、Ｐ_ｅｙｅの値は６０ｍｍ以上且つ６５ｍｍ以下であり、Ｌの値は１０００ｍｍである。Ｐ_ｄｏｔの値は、ディスプレイ１０１の幅が２１１ｍｍであってディスプレイ１０１のドットの数が１０２４である場合には、０．２０６００ｍｍ（＝２１１÷１０２４）である。

【0021】

図３に示されるように、左眼Ｈと右眼Ｒとの中点Ａを通り且つディスプレイ１０１に直交する垂線をｙ軸、ディスプレイ１０１の表示面が延びる方向をｘ軸、そして、ｙ軸とｘ軸とが互いに交差する交点を原点Ｎ_０（０，０）とすると、右眼Ｒの座標Ｐ_{ｒｉｇｈｔ＿ｅｙｅ}、及び左眼Ｈの座標Ｐ_{ｌｅｆｔ＿ｅｙｅ}、は以下のように示される。

【数1】

【数2】

【0022】

ここで、右眼Ｒとディスプレイ１０１上の点Ｎ_ｎ（ｎＰ_ｄｏｔ，０）（ｎは整数）とを結ぶ視線の方程式は下記の式（１）のように表され、左眼Ｈとディスプレイ１０１上の点Ｎ_ｎ’（ｎ’Ｐ_ｄｏｔ，０）（ｎ’は整数）とを結ぶ視線の方程式は下記の式（２）のように表される。

【数3】

【数4】

【0023】

そして、左眼Ｈと点ｎＰ_ｄｏｔとを結ぶ視線、及び右眼Ｒと点ｎ’Ｐ_ｄｏｔとを結ぶ視線、の交点（パララックスバリア１０２のスリット１０２ｂの端部）の座標を求める。このとき、視点数を１として、右眼Ｒで視認する点Ｎ_ｎと左眼Ｈで視認する点Ｎ’との関係がｎ’＝ｎ－１であるときに立体視効果が得られる。従って、式（２）のｎ’にｎ－１を代入して以下の式（３）を得る。

【数5】

【0024】

式（１）と式（３）をｘ，ｙについて解くと、後述の式（４）のように交点が求められる。

【数6】

【0025】

以上の式（４）から、交点のｙ座標はｎに依存しない定数であり、ディスプレイ１０１の画素からパララックスバリア１０２までの距離が一定であることが分かる。
交点のｘ座標は、ｎの一単位の増減で、

【数7】

の幅で変化することが分かり、パララックスバリア１０２のピッチは一定であることが分かる。

【0026】

眼の間隔Ｐ_ｅｙｅの値を６５ｍｍ、ディスプレイ１０１の画素のピッチＰ_ｄｏｔの値を０．２０６００ｍｍ（＝２１１÷１０２４）、Ｌの値を１０００ｍｍとすると、上記の式（４）から、ディスプレイ１０１の画素とパララックスバリア１０２との間隔である交点（スリット１０２ｂの端部）のｙ座標は３．１５９２ｍｍ、パララックスバリア１０２のピッチ（スリット１０２ｂの間隔）である交点のｘ座標は０．２０５３５ｍｍと設定でき、これらの条件の場合、ディスプレイ１０１の画像をパララックスバリア１０２によって立体視できることを確認した。

【0027】

以上のように、比較例の画像表示装置の場合には、ディスプレイ１０１の画像の手前側にパララックスバリア１０２等の視線制御マスクを配置すると、使用者はディスプレイ１０１の画像を立体的に視認できることが分かった。そこで、本実施形態に係る空中結像装置１のように、虚像Ｋを表示する空中結像デバイス３を備える場合について、虚像Ｋを立体的に表示する方法を検討する。

【0028】

しかしながら、図４に示されるように、空中結像デバイス３を経由した使用者Ｍの視線は、空中結像デバイス３において面対称に反転されるため、比較例のように空中結像デバイス３の手前の位置Ｂ１に視線制御マスク５を配置しても、使用者Ｍは像を立体的に視認することができない。

【0029】

そこで、本実施形態では、表示装置２と空中結像デバイス３の間の位置Ｂ２に視線制御マスク５を配置している。以下では、表示装置２と空中結像デバイス３の間の位置Ｂ２に視線制御マスク５を配置した場合の使用者Ｍの視線について図４及び図５を用いて説明する。

【0030】

なお、図５では、理解の容易のため、空中結像デバイス３に対して位置Ｂ２の面対称の位置Ｂ３にスリット５ｂ付きのパララックスバリアである視線制御マスク５を配置している例を説明する。位置Ｂ３に視線制御マスク５を配置した場合と、位置Ｂ２に視線制御マスク５を配置した場合とでは視線制御の観点では互いに同一の条件となる。しかしながら、実際には、位置Ｂ２に視線制御マスク５が配置される。

【0031】

図４及び図５の場合であっても、前述と同様、右眼Ｒの座標Ｐ_{ｒｉｇｈｔ＿ｅｙｅ}、及び左眼Ｈの座標Ｐ_{ｌｅｆｔ＿ｅｙｅ}、が以下のように示される。

【数8】

【数9】

【0032】

そして、右眼Ｒと結像される虚像Ｋ上の点Ｎ_ｎ（ｎＰ_ｄｏｔ，０）（ｎは整数）とを結ぶ視線の方程式は下記の式（５）のように表され、左眼Ｈと虚像Ｋ上の点Ｎ_ｎ’（ｎ’Ｐ_ｄｏｔ，０）（ｎ’は整数）とを結ぶ視線の方程式は下記の式（６）のように表される。

【数10】

【数11】

【0033】

視線制御マスク５のスリット５ｂの端部における右眼Ｒと点ｎＰ_ｄｏｔとを結ぶ視線、及び左眼Ｈと点ｎ’Ｐ_ｄｏｔとを結ぶ視線の交点の座標を求める。このとき、左眼Ｈで視認する点Ｎ_ｎと右眼Ｒで視認する点Ｎ_ｎ’との関係がｎ’＝ｎ＋１であるときに立体視効果が得られることが分かる。従って、式（６）のｎ’にｎ＋１を代入して以下の式（７）を得る。

【数12】

【0034】

式（５）と式（７）をｘ，ｙについて解くと、後述の式（８）のように交点が求められる。

【数13】

【0035】

以上の式（８）から、ｙ座標は負の定数であり、虚像Ｋの裏側（使用者Ｍとの反対側）に視線制御マスク５が位置することが分かる。ｘ座標はｎの一単位の増減で、

【数14】

の幅で変化することが分かり、視線制御マスク５のスリット５ｂのピッチが一定であることが分かる。

【0036】

眼の間隔Ｐ_ｅｙｅの値を６５ｍｍ、虚像Ｋの画素（表示装置２の画素）のピッチＰ_ｄｏｔの値を０．２０６００ｍｍ、Ｌの値を１０００ｍｍとすると、上記の式（８）から、虚像Ｋの画素（表示装置２の画素）と視線制御マスク５のスリット５ｂの間隔である交点（スリット５ｂの端部）のｙ座標は３．１７９３０ｍｍ、視線制御マスク５のスリット５ｂのピッチ（スリット５ｂの間隔）である交点のｘ座標は０．２０６６５ｍｍと設定でき、これらの条件の場合、虚像Ｋを視線制御マスク５によって鮮明に立体視できることを確認した。また、視線制御マスク５のスリット５ｂの間隔は、虚像Ｋの画素ピッチ（表示装置２の画素ピッチ）よりも広いことが分かった。

【0037】

次に、本実施形態に係る空中結像装置１の作用効果について詳細に説明する。図４に示されるように、空中結像装置１では、情報を表示する表示装置２と、当該情報を空中に虚像Ｋとして表示する空中結像デバイス３とを備え、空中結像デバイス３は空中結像デバイス３よりも使用者Ｍ側に虚像Ｋを表示する。従って、使用者Ｍから見て虚像Ｋが浮き出たように表示されるので、情報の視認性を高めることができる。

【0038】

空中結像装置１では、使用者Ｍの視線を制御する視線制御マスク５が表示装置２と空中結像デバイス３の間に配置される。よって、視線制御マスク５が表示装置２と空中結像デバイス３の間に配置されることにより使用者Ｍの左右の両眼視差を生じさせることができ、使用者Ｍは左眼Ｈ及び右眼Ｒのそれぞれによって虚像Ｋとしての視差画像を視認することができる。従って、立体感を得られる虚像Ｋを視認することができる。

【0039】

視線制御マスク５は、複数のスリット５ｂが形成されたパララックスバリアであってもよい。この場合、パララックスバリアが表示装置２と空中結像デバイス３の間に配置されることによって、使用者Ｍは左眼Ｈ及び右眼Ｒのそれぞれによって虚像Ｋとしての視差画像を視認して立体感を得られる虚像Ｋを視認することができる。

【0040】

複数のスリット５ｂのピッチは、表示装置２の画素のピッチよりも広くてもよい。この場合、パララックスバリアである視線制御マスク５のスリット５ｂのピッチが表示装置２の画素のピッチよりも広いことにより、左眼Ｈ及び右眼Ｒのそれぞれによって虚像Ｋとしての視差画像をより鮮明に視認することができる。

【0041】

以上、本開示に係る空中結像装置の実施形態について説明した。しかしながら、本開示は、前述の実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲において変形し又は他のものに適用されたものであってもよい。すなわち、空中結像装置の各部の構成は、各請求項の要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。

【0042】

例えば、前述の実施形態では、パララックスバリアである視線制御マスク５について例示した。しかしながら、パララックスバリア以外の視線制御マスクであってもよい。例えば、空中結像装置は、視線制御マスク５に代えて、レンチキュラーレンズである視線制御マスクを備えていてもよい。パララックスバリアに代えてレンチキュラーレンズを備える場合であっても、左右の両眼視差を生じさせることができるので、立体感を得られる虚像を視認することができる。

【0043】

また、前述の実施形態では、空中結像デバイス３が虚像Ｋを空中に結像させるＡＩプレートである例について説明した。しかしながら、空中結像デバイスは、ＡＩプレート以外の素子であってもよい。例えば、空中結像デバイスは、再帰反射シートを使った方式等、使用者Ｍ側の空間に虚像を結像する立体結像素子であってもよい。

【符号の説明】

【0044】

１…空中結像装置、２…表示装置、３…空中結像デバイス、５…視線制御マスク、５ｂ…スリット、Ａ…中点、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３…位置、Ｃ…仮想直線、Ｆ…光、Ｈ…左眼、Ｋ…虚像、Ｍ…使用者、Ｒ…右眼。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】