JP2014153602A - 光学プレート及び空間画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、安価に空中ディスプレイを実現するための新規な光学プレートを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明によれば、空中に光学像を結像させるための光学プレートであって、レンズの光軸を一致させる形で離間して配置された２つのレンティキュラーレンズを含み、一方のレンズに入射した光軸に平行な光が対向する他方のレンズから該光軸に平行な光として出射するように前記２つのレンティキュラーレンズが位置決めされていることを特徴とする光学プレートが提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、空中に光学像を結像させるための光学プレートに関する。

近年、空中ディスプレイが注目を集めている。空中ディスプレイとは、何もない空間にあたかも対象（映像や物体）が浮かんでいるように見せる新規なディスプレイ手法であり、その興趣性の高さから、広汎な応用展開（宣伝、展示、案内表示等）に期待が寄せられている。

この空中ディスプレイに関し、特開２０１２−１５５３４５号公報（特許文献１）は、空中に光学像を結像させるための光学結像装置を開示する。特許文献１の光学結像装置は、透明平板の内部に多数の帯状マイクロミラーを埋め込んでなるものであり、これらのマイクロミラー群によって構築されるミラー光学系が、透明平板の一方側に配置された物体の光学像を透明平板の他方側の空中に結像させる。

しかしながら、マイクロミラーを利用する従来の光学結像装置は、その構造が非常に複雑であるため、製造コストが高くなるという問題があった。

特開２０１２−１５５３４５号公報

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、安価に空中ディスプレイを実現するための新規な光学プレートを提供することを目的とする。

本発明者は、安価に空中ディスプレイを実現するための新規な光学プレートにつき鋭意検討した結果、以下の構成に想到し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、空中に光学像を結像させるための光学プレートであって、レンズの光軸を一致させる形で離間して配置された２つのレンティキュラーレンズを含み、一方のレンズに入射した光軸に平行な光が対向する他方のレンズから該光軸に平行な光として出射するように前記２つのレンティキュラーレンズが位置決めされていることを特徴とする光学プレートが提供される。

また、本発明によれば、本発明によれば、空中に光学像を結像させるための光学プレートであって、レンズの光軸を一致させる形で離間して配置された２つのフライアイレンズを含み、一方のレンズに入射した光軸に平行な光が対向する他方のレンズから該光軸に平行な光として出射するように前記２つのフライアイレンズが位置決めされていることを特徴とする光学プレートが提供される。

さらに、本発明によれば、上記光学プレートのレンズ面がディスプレイ画面に対峙して配置されてなる空間画像表示装置が提供される。

上述したように、本発明によれば、安価に空中ディスプレイを実現するための新規な光学プレートが提供される。

本実施形態の光学プレートの機能を説明するための概念図。 本実施形態の光学プレートの機能を説明するための概念図。 本実施形態の光学プレートの構造を説明するための概念図。 本実施形態の光学プレートの構造を説明するための概念図。 光学プレートを構成する２つのレンティキュラーレンズの位置関係を説明するための概念図。 裸眼式３Ｄディスプレイ装置を使用した利用形態を説明するための概念図。 本実施形態の光学プレートの機能を説明するための概念図。 本実施形態の光学プレートの機能を説明するための概念図。 本実施形態の光学プレートの構造を説明するための概念図。 光学プレートを構成するレンティキュラーレンズとミラーの位置関係を説明するための概念図。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。

図１は、本発明の実施形態である光学プレート１０の機能を説明するための概念図である。本実施形態の光学プレート１０は、光透過性のプレート状の光学デバイスとして参照されるものであり、光透過性のプレートの両面にレンティキュラーレンズが形成されてなる。

図１に示す例では、光学プレート１０は、そのレンズ面をディスプレイ装置２０の画面に対峙する形で、ディスプレイ装置２０の前方に距離Ａだけ離間して配置されている。この場合、ディスプレイ装置２０（すなわち、表示されるディスプレイ画像）の光学像３０が光学プレート１０の手前の空間に結像するので、光学プレート１０を通してディスプレイ装置２０を覗き見るユーザには、ディスプレイ装置２０に表示されるディスプレイ画像（富士山の画像）が光学プレート１０の手前の空間に浮いているように見える。この光学プレート１０の機能につき、図２に基づいて、さらに具体的に説明する。

図２は、光学プレート１０の厚み方向の断面を模式的に示す。光学プレート１０においては、光透過性の材料で形成された支持板１６を介在して離間する形で、２つのレンティキュラーレンズ１２，１４が互いの背面を対向させて配置されている。換言すれば、光学プレート１０は、光透過性の支持板１６の表面と裏面のそれぞれにレンティキュラーレンズ１２およびレンティキュラーレンズ１４を形成してなる。

なお、支持板１６は、レンティキュラーレンズ１２，１４と同じ材料で形成することが好ましい。その場合、図２に示す、レンティキュラーレンズ１２，１４に相当する部分および支持板１６に相当する部分を一体成型することもできる。

図２において、紙面右側のディスプレイ画像（実体）から放射される光は、レンティキュラーレンズ１２を透過した後、支持板１６の厚さ方向中央に位置する仮想結像面１８（破線で示す）上で収束し、光学像（ディスプレイ画像の倒立像）を結像する。そして、この倒立像から出た光がレンティキュラーレンズ１４を透過して紙面左側の空間で収束し、再び、光学像（ディスプレイ画像の正立像）を結像する。

ここで、レンティキュラーレンズ１２，１４を構成するシリンドリカル・レンズ（以下、Ｃレンズという）１個の画角に対して実体が十分に大きい場合、レンティキュラーレンズ１２を透過した光は、仮想結像面１８において、Ｃレンズ１個分の画角に応じた複数の分割された倒立像を結像する。そして、各倒立像から出た光がレンティキュラーレンズ１４を透過して空中で複数の光学像を結像し、それらの総体がディスプレイ画像の全体像を形成する。その結果、光学プレート１０越しにディスプレイ画像を覗き見るユーザには、ディスプレイ画像が光学プレート１０の手前の空間に浮いているように見える。

なお、本発明においては、図２に示す構造に限らず、図３に示すように、レンティキュラーレンズ１２が形成された透明板とレンティキュラーレンズ１４が形成された透明板を、中空部１９を介在させる形で、互いの背面を対向させて配置してもよい。

中空部１９を介在させる実施形態においては、図４（ａ）に示すように、レンティキュラーレンズ１２が形成された透明板の背面と、レンティキュラーレンズ１４が形成された透明板のレンズ面を対向させて配置してもよく、図４（ｂ）に示すように、レンティキュラーレンズ１２が形成された透明板のレンズ面と、レンティキュラーレンズ１４が形成された透明板のレンズ面を対向させて配置してもよい。特に、図４（ｂ）に示す構造を採用した場合、レンズ面がプレートの内側に内封されるので、レンズ面の汚染が防止されるという利点がある。

レンティキュラーレンズ１２，１４は、Ｃレンズが多数並んでなるものであり、好ましくは、両者を構成するＣレンズの曲率は等しく設定される。その場合、図１における光学プレート１０（レンティキュラーレンズ１２）から実体２０までの距離、および、光学プレート１０（レンティキュラーレンズ１４）から光学像３０までの距離はともにＡになる。一方、両者を構成するＣレンズの曲率を意図的に異ならしめることによって、レンティキュラーレンズ１０から実体２０までの距離とレンティキュラーレンズ１０から光学像３０までの距離を異ならしめることもできる。

また、レンティキュラーレンズ１２および１４を構成するＣレンズのピッチは、好ましくは、等しく設定されるが、両者のピッチをわずかに異ならしめることによって、光学像３０を観察できる範囲（視域）を広くすることもできる。

続いて、図５に基づいて、光学プレート１０を構成する２つのレンティキュラーレンズ１２，１４の位置関係について説明する。

第１に、本実施形態においては、レンティキュラーレンズ１２を構成するＣレンズの光軸Ｍがこれに向かい合う（レンティキュラーレンズ１４の）Ｃレンズの光軸Ｎと平行になるように、レンティキュラーレンズ１２とレンティキュラーレンズ１４が位置決めされ、望ましくは、光軸Ｍと光軸Ｎが一致するように、レンティキュラーレンズ１２とレンティキュラーレンズ１４が位置決めされる。

第２に、本実施形態においては、レンティキュラーレンズ１２を構成するＣレンズに対して、光軸Ｍに平行な光が入射した場合に、その光が、当該Ｃレンズに向かい合う（レンティキュラーレンズ１４の）Ｃレンズから光軸Ｎ（＝光軸Ｍ）に平行な光として出射するように、レンティキュラーレンズ１２の背面とレンティキュラーレンズ１４の背面の間の距離Ｄ（Ｄ＝０の場合を含む）が設定される。

換言すれば、２つのレンティキュラーレンズ１２，１４は、光軸を一致させて対向する２つのＣレンズの主点間の距離が、レンティキュラーレンズ１２側のＣレンズの焦点距離ｆ_１とレンティキュラーレンズ１４側のＣレンズの焦点距離ｆ_２の合計に匹敵するように（略等しくなるように）、レンティキュラーレンズ１２の背面とレンティキュラーレンズ１４の背面の間の距離Ｄが決められる。

上述したように、本実施形態の光学プレート１０をディスプレイ画面の前に設置することによって、光学プレート１０越しにディスプレイ画面を覗き見るユーザに対して、何もない空中にあたかもディスプレイ画面が浮いているかのように見せることができる空間画像表示装置が構築される。

さらに、図６に示すように、裸眼式３Ｄディスプレイ装置２２のディスプレイ画面の前に光学プレート１０を設置することによって、光学プレート１０越しにディスプレイ画面を覗き見るユーザに対して、何もない空中にあたかもディスプレイ画面が浮いているように見せ、且つ、そのディスプレイ画面に表示される内容を立体的（３Ｄ光学像３２）に見せる空間画像表示装置を構築することができる。なお、図６は、レンティキュラー方式の裸眼式３Ｄディスプレイ装置を例示的に示したが、パララックスバリア方式やインテグラルフォトグラフィ方式の裸眼式３Ｄディスプレイ装置であっても同じ効果を得ることができることはいうまでもない。

ただし、光学プレート１０の手前に結像する立体像は奥行きが反転するので、裸眼式３Ｄディスプレイ装置を使用した空中ディスプレイを実現するにあたっては、この点を考慮して、ユーザに視認させたい立体像の奥行きを反転させた仮想立体像（に対応する３Ｄデータ）を予め作成しておき、それを裸眼式３Ｄディスプレイ装置に表示させる必要がある。

上述した空間画像表示装置を各種遊技機に適用すれば、ゲームの興趣性が格段に向上するであろう。

さらに、本発明の光学プレートを、ユーザの手の空間位置を取得する構成（ビデオカメラ画像やKinectなどを利用した解析手法）と組み合わせれば、空中に浮いたディスプレイ画面に表示されるボタンやカーソルなどのＧＵＩ要素をユーザが手で操作してＰＣを制御するといった空中ＧＵＩシステムを構築することができる。このような空中ＧＵＩシステムは、例えば、手術中の医師や調理中の料理人など、衛生上の理由から操作ボタンに触れることができないユーザにとって、非常に有用な助けとなるであろう。

また、立体的な物体の前に光学プレート１０を設置すれば、光学プレート１０越しに物体を覗き見るユーザに対して、何もない空中にあたかもその物体が浮いているように見せることができる。ただし、先に述べたように、光学プレート１０の手前に結像する立体像は奥行きが反転するので、立体的な物体を空中表示させたい場合は、この点を考慮して、ユーザに視認させたい物体の形の奥行きを反転させた物体を予め作製しておき、それを光学プレート１０越しに覗き見させるようにすればよい。ここで奥行きを反転させた物体とは、たとえば、ユーザに視認させたい物体が“お面”であった場合、そのお面を裏側から見たような形状を持ち、且つ、そのお面と同じ模様や色彩を持つ物体を指す。

なお、これまで、レンティキュラーレンズを使用して構成した光学プレートの実施形態に基づいて本発明を説明してきたが、本発明は、上述したレンティキュラーレンズに代えて、フライアイレンズを採用する構成を含む。この点については、上述した説明におけるレンティキュラーレンズ（を構成するＣレンズ）をフライアイレンズ（を構成するレンズセル）に読み替えて参照されたい。フライアイレンズを使用して構成した光学プレートの場合、空中表示が全方位的に可能となる。すなわち、観察者が首を傾けるなどによって右目と左目が水平ではなくなっても、良好な立体像が観察できる。

続いて、本発明の別の実施形態である光学プレート４０について説明する。図７は、本実施形態の光学プレート４０の機能を説明するための概念図である。本実施形態の光学プレート４０は、光透過性のプレートの一方の面にレンティキュラーレンズが形成され、他方の面にミラーが配置されてなる。

図７（ａ）に示す例では、光学プレート４０は、そのレンズ面をディスプレイ装置２０の画面に対峙する形で、ディスプレイ装置２０の前方に配置されている。このとき、光学プレート４０を斜めから覗き込むユーザには、ディスプレイ装置２０（すなわち、表示されるディスプレイ画像）の光学像３０が光学プレート４０の手前（ディスプレイ装置２０と同じ側）の空間に浮いているように見える。

一方、図７（ｂ）に示す例では、光学プレート４０は、そのレンズ面を裸眼式３Ｄディスプレイ装置２２の画面に対峙する形で、裸眼式３Ｄディスプレイ装置２２の前方に配置されている。このとき、光学プレート４０を斜めから覗き込むユーザには、ディスプレイ装置２２（すなわち、表示されるディスプレイ画像）の光学像３２が光学プレート４０の手前（ディスプレイ装置２２と同じ側）の空間に浮いているように見え、且つ、そのディスプレイ画像（富士山の画像）が立体的（３Ｄ光学像３２）に見える（ただし、この場合、先に説明した光学プレート１０と同様に、ユーザに視認させたい立体像の奥行きを反転させた仮想立体像を裸眼式３Ｄディスプレイ装置２２に表示させる必要がある）。

以下、光学プレート４０の機能および構造について説明するにあたり、まず、先に説明した光学プレート１０の機能を図８に基づいて説明する。

図８に示すように、光透過性の支持板１６の両面にレンティキュラーレンズ１２，１４が形成された光学プレート１０の紙面左側に実体を配置した場合、その光学像（正立像）は、光学プレート１０を基準として実体の真裏（紙面右側）に結像する。一方で、実体の光学像（正立像）は、実体の真裏からＣレンズ１個分ずれた位置にも結像するので、光学プレート１０を斜めから覗き込むユーザはこれを視認することができる。このことを前提とし、図９に基づいて、光学プレート４０の機能および構造について説明する。

図９は、光学プレート４０の厚み方向の断面を模式的に示す。光学プレート４０においては、光透過性の支持板４４の一方の面にレンティキュラーレンズ４２が形成されており、他方の面には、ミラー４６がその鏡面をレンティキュラーレンズ４２の背面に対向する形で配置されている。

図９において、紙面左側の実体から放射される光のうち、Ｃレンズ１個分ずれて光学プレート４０に対して斜めに入射する光は、レンティキュラーレンズ４２を透過した後、ミラー４６の鏡面上で収束した後、反射する。ミラー４６に反射した光は、再び、レンティキュラーレンズ４２を透過して紙面左側の空間で収束し、光学像（正立像）を結像する。この光学像は、実体と同じ側から光学プレート４０を斜めから覗き込むことによって視認される。

続いて、図１０に基づいて、光学プレート４０を構成するレンティキュラーレンズ４２とミラー４６の位置関係について説明する。

本実施形態においては、レンティキュラーレンズ４２を構成するＣレンズに対して、光軸Ｍに平行な光が入射した場合に、その光がミラー４６の鏡面に反射した後、再び、当該Ｃレンズから光軸Ｍに平行な光として出射するように、レンティキュラーレンズ４２の背面とミラー４６の鏡面の間の距離Ｄ’が設定される。

換言すれば、レンティキュラーレンズ４２とミラー４６は、レンティキュラーレンズ４２のＣレンズの主点からミラー４６の鏡面までの距離が、Ｃレンズの焦点距離ｆ_１に略等しくなるように、レンティキュラーレンズ１２の背面とミラー４６の鏡面の間の距離Ｄ’が決められる。

なお、光学プレート４０は、図９に示す構造に限られるものではなく、先に説明した光学プレート１０と同様に、レンティキュラーレンズ４２が形成された透明板の背面とミラー４６の鏡面を、中空部を介在して離間させる形で対向させて配置してもよいし、レンティキュラーレンズ４２が形成された透明板のレンズ面とミラー４６の鏡面を、中空部を介在して離間させる形で対向させて配置することによって、レンズ面をプレート内側に内封し、レンズ面の汚染を防止するようにしてもよい。さらに、先に説明した光学プレート１０と同様に、上述したレンティキュラーレンズに代えて、フライアイレンズを採用することによって、全方位型の光学プレート４０としてもよい。

上述したように、本実施形態の光学プレート４０をディスプレイ画面の前に設置することによって、何もない空中にあたかもディスプレイ画面が浮いているかのように見せる空間画像表示装置が構築される。光学プレート４０を使用した空間画像表示装置の場合、観察者から見て、光学プレート４０の手前にディスプレイ画面を配置することになるので、レンズの光軸方向のスペースが大きくとれない環境（例えば、店舗のショーウィンドウなど）への応用が期待される。この場合、ディスプレイの興趣性を損なわないために、図９に示すように、実体を目隠し板５０で覆い隠すことが好ましい。

以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その他、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１０…光学プレート
１２，１４…レンティキュラーレンズ
１６…支持板
１８…仮想結像面
１９…中空部
２０…ディスプレイ装置
２２…裸眼式３Ｄディスプレイ装置
３０…光学像
３２…３Ｄ光学像
４０…光学プレート
４２…レンティキュラーレンズ
４４…支持板
４６…ミラー
５０…目隠し板

Claims (18)

1. 空中に光学像を結像させるための光学プレートであって、
   対向して配置された２つのレンティキュラーレンズを含み、
   一方のレンズに入射した光軸に平行な光が対向する他方のレンズから該光軸に平行な光として出射するように前記２つのレンティキュラーレンズが位置決めされていることを特徴とする、光学プレート。
2. 前記２つのレンティキュラーレンズは、レンズの光軸を一致させる形で配置される、請求項１に記載の光学プレート。
3. 前記２つのレンティキュラーレンズは、光軸を一致させて対向する２つのレンズの主点間の距離が各レンズの焦点距離の合計に略等しくなるように配置される、請求項２に記載の光学プレート。
4. 前記２つのレンティキュラーレンズの間に光透過性の材料が介在する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学プレート。
5. 前記光透過性の材料は、前記レンティキュラーレンズと同じ材料である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学プレート。
6. 前記光透過性の材料と前記レンティキュラーレンズが一体成型される、請求項５に記載の光学プレート。
7. 空中に光学像を結像させるための光学プレートであって、
   対向して配置された２つのフライアイレンズを含み、
   一方のレンズに入射した光軸に平行な光が対向する他方のレンズから該光軸に平行な光として出射するように前記２つのフライアイレンズが位置決めされていることを特徴とする、光学プレート。
8. 前記２つのフライアイレンズは、レンズの光軸を一致させる形で配置される、請求項７に記載の光学プレート。
9. 前記２つのフライアイレンズは、光軸を一致させて対向する２つのレンズの主点間の距離が各レンズの焦点距離の合計に略等しくなるように配置される、請求項８に記載の光学プレート。
10. 前記２つのフライアイレンズの間に光透過性の材料が介在する、請求項７〜９のいずれか一項に記載の光学プレート。
11. 前記光透過性の材料は、前記フライアイレンズと同じ材料である、請求項１０に記載の光学プレート。
12. 前記光透過性の材料と前記フライアイレンズが一体成型される、請求項１１に記載の光学プレート。
13. 空中に光学像を結像させるための光学プレートであって、
    レンティキュラーレンズと、該レンティキュラーレンズに対向して配置されたミラーを含み、
    前記レンティキュラーレンズのレンズに入射した光軸に平行な光が前記ミラーの鏡面に反射した後、該レンズから該光軸に平行な光として出射するように前記レンティキュラーレンズと前記ミラーが位置決めされていることを特徴とする、光学プレート。
14. 前記レンティキュラーレンズと前記ミラーは、前記レンズの主点から前記ミラーの鏡面までの距離が、該レンズの焦点距離に略等しくなるように配置される、請求項１３に記載の光学プレート。
15. 空中に光学像を結像させるための光学プレートであって、
    フライアイレンズと、該フライアイレンズに対向して配置されたミラーを含み、
    前記フライアイレンズのレンズに入射した光軸に平行な光が前記ミラーの鏡面に反射した後、該レンズから該光軸に平行な光として出射するように前記フライアイレンズと前記ミラーが位置決めされていることを特徴とする、光学プレート。
16. 前記フライアイレンズと前記ミラーは、前記レンズの主点から前記ミラーの鏡面までの距離が、該レンズの焦点距離に略等しくなるように配置される、請求項１５に記載の光学プレート。
17. 請求項１〜１６のいずれか一項に記載の光学プレートのレンズ面がディスプレイ画面に対峙して配置されてなる空間画像表示装置。
18. 前記ディスプレイ画面は、裸眼式３Ｄディスプレイ装置のディスプレイ画面であり、該ディスプレイ画面に、ユーザに視認させたい立体像の奥行きを反転させた仮想立体像を表示することを特徴とする、請求項１７に記載の空間画像表示装置。