JP6060729B2 - 三次元投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、三次元投射装置に関する。

複数台の投射装置を用いて、裸眼で観察できるように三次元像を投射する三次元投射装置が知られている（特許文献１）。

特開２００７−３０９９７５号公報

特許文献１のような裸眼方式の三次元投射装置では、投射装置を複数台用意する必要があり、装置の規模が大きくなるという問題があった。

本発明による三次元投射装置は、複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイと、複数のマイクロレンズの各々に対して配置され、画像データを表示する二次元表示素子とを含み、二次元表示素子が表示する画像データに基づき、マイクロレンズによって三次元像を再生する三次元像再生部と、三次元像再生部によって再生された三次元像を投射する投射光学系と、投射光学系の投射光路中に配置された再帰性反射部材と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、三次元投射装置の規模を小さくすることができる。

本発明の第１の実施の形態による三次元投射装置を備えるシステムの構成を示すブロック図である。 従来のプレンオプティックカメラの光学系の構成を示す図である。 従来のプレンオプティックカメラに備わるマイクロレンズアレイと撮像素子一例を示す斜視図である。 従来のプレンオプティックカメラの光路図である。 従来のプレンオプティックカメラに備わるマイクロレンズアレイを通過した光束の受光パターンを示す図である。 本発明の第１の実施の形態における三次元投射装置の構成を模式的に表した概略図である。 再帰性反射部材の構成例について説明するための模式図である。 再帰性反射部材の効果について説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態における三次元投射装置の構成を模式的に表した概略図である。 本発明の第３の実施の形態における三次元投射装置の構成を模式的に表した概略図である。

―第１の実施の形態―
図１は、本発明の第１の実施の形態による三次元投射装置と、その三次元投射装置を制御する制御装置とを備える三次元投射システムのブロック図である。図１に例示される三次元投射システム１００は、表示制御装置１と三次元投射装置２とを備える。

表示制御装置１は、記憶部１０と制御部１１とを備える。記憶部１０は、ＲＯＭやハードディスクなどで構成され、公知のプレンオプティックカメラ（Ｐｌｅｎｏｐｔｉｃ Ｃａｍｅｒａ）、ライトフィールドカメラ（Ｌｉｇｈｔ Ｆｉｅｌｄ Ｃａｍｅｒａ）等によって生成された三次元情報を有する画像データと、制御部１１により実行される制御プログラムとが記憶されている。以降、記憶部１０に記憶されている三次元情報を有する画像データのことを三次元再生用画像データと称する。

制御部１１は、ＣＰＵやＲＡＭなどで構成され、記憶部１０に記憶された制御プログラムを実行することにより、表示制御部１１ａとして機能する。表示制御部１１ａは、記憶部１０に記憶されている三次元再生用画像データに基づいて、三次元投射装置２を制御する。三次元投射装置２は、後述する光学系を用いて、三次元再生用画像データに基づいて三次元像を再生して、その三次元像を観察可能に投射する。

図２〜図５を用いて三次元再生用画像データ用の撮像装置について説明する。図２（ａ）は、プレンオプティックカメラの光学系の構成例を示す図である。プレンオプティックカメラ２００は、撮像レンズ２２０とマイクロレンズアレイ２３０と撮像素子２４０とを備える。

撮像レンズ２２０は、物体すなわち被写体からの光束を、その予定焦点面Ｓ_ｆの近傍に結像する。マイクロレンズアレイ２３０は、その予定焦点面Ｓ_ｆの近傍に配置され、複数のマイクロレンズ２３１を備える。撮像レンズ２２０の予定焦点面Ｓ_ｆの位置は、例えば図２（ａ）のようにマイクロレンズ２３１のレンズ頂点よりも撮像レンズ２２０に近い位置であってもよいし、図２（ｂ）のようにマイクロレンズ２３１のレンズ頂点の位置でもよい。

具体的には、撮像レンズ２２０は、至近位置Ｂ１の被写体を予定焦点面Ｓ_ｆよりも撮像素子２４０に近い近傍位置Ｐ_Ｂ１に結像させ、無限遠の被写体を予定焦点面Ｓ_ｆよりも撮像レンズ２２０に近い近傍位置Ｐ_Ｂ２に結像させる。換言すると、撮像レンズ２２０は、無限遠から至近位置Ｂ１までの三次元の物体像を、位置Ｐ_Ｂ２から位置Ｐ_Ｂ１の間に結像させる。

撮像素子２４０は、複数のマイクロレンズ２３１の各々にそれぞれ対応する複数の撮像用画素を有する。撮像素子２４０の各撮像用画素は、それに対応するマイクロレンズ２３１の焦点面に配置される。

図３は、マイクロレンズアレイ２３０と撮像素子２４０との一例を示す斜視図である。図３に示されるように、マイクロレンズアレイ２３０には、マイクロレンズ２３１が二次元に配列されている。また、撮像素子２４０には、複数の撮像用画素２４１で構成される画素群２４２が二次元に配列されている。複数の画素群２４２と、マイクロレンズアレイ２３０の複数のマイクロレンズ２３１とは１対１対応している。各画素群２４２においては、複数の撮像用画素２４１が二次元に配列されている。

図４は、プレンオプティックカメラ２００の概略光路図を示す。図４には、図２（ａ）の位置Ｐ_Ｂ２の光点ＬＰ１と、図２（ａ）の位置Ｐ_Ｂ１の光点ＬＰ２とが図示されている。光点ＬＰ１を通過した複数の光束Ｌ１は、複数のマイクロレンズ２３１にそれぞれ入射し、それぞれのマイクロレンズ２３１に対応する撮像用画素２４１に入射する。光点ＬＰ２を通過した複数の光束も、光点ＬＰ１を通過した複数の光束Ｌ１と同様に複数のマイクロレンズ２３１にそれぞれ入射し、それぞれのマイクロレンズ２３１に対応する撮像用画素２４１に入射する。撮像素子２４０の各撮像用画素２４１は、受光面上に結像した光束を光電変換して、光強度に応じた画像データに変換する。これにより、二次元に配列された撮像用画素２４１において三次元像である物体像が二次元の画像データに変換される。

図４では、複数の光束Ｌ１を受光した撮像用画素２４１がハッチングを付して図示されている。光点ＬＰ１を通過した複数の光束Ｌ１を受光した撮像用画素２４１を、撮像素子２４０の平面図上に図示すると、図５（ａ）のようなパターンとなる。図５（ａ）には、図示の都合によりマイクロレンズ２３１が正方形で図示されており、それらのマイクロレンズ２３１に対応する画素群２４２を構成する撮像用画素２４１のうち光束Ｌ１を受光した撮像用画素２４１の位置がハッチングを付した正方形のパターンＣ１で図示されている。

図５（ｂ）は、光点ＬＰ２を通過した複数の光束を受光した撮像用画素２４１を撮像素子２４０の平面図上に図示した図である。図５（ｂ）にも、図示の都合によりマイクロレンズ２３１が正方形で図示されており、それらのマイクロレンズ２３１に対応する画素群２４２を構成する撮像用画素２４１のうち光点ＬＰ２を通過した光束を受光した撮像用画素２４１の位置がハッチングを付した正方形のパターンＣ２で図示されている。

図６は、本発明の第１の実施の形態における三次元投射装置２の構成を模式的に表した概略図である。三次元投射装置２は、三次元像再生部２０と照明光学系２１と投射光学系２２と１／２波長板２３と偏光分離鏡２４と１／４波長板２５と再帰性反射部材２６と視野角拡大光学系２７とを備える。

照明光学系２１は、三次元像再生部２０の表示用画素３２に照明光束を入射させるための光学系であって、例えば光源４０とコンデンサレンズ４１と偏光板４２と照明用偏光分離鏡４３とを有する。光源４０は、照明光束の光源であって、Ｒ、Ｇ、Ｂなどの複数の色の光束を時分割で出射する。コンデンサレンズ４１は、入射光束を平行光にする。コンデンサレンズ４１のＦ値は、マイクロレンズ２３１のＦ値と同一である。偏光板４２は、平行光からｓ偏光の直線偏光光束を抽出する。照明用偏光分離鏡４３は、入射光束のｓ偏光成分を反射して、ｐ偏光成分を透過させる特性を有し、偏光板４２からのｓ偏光光束を三次元像再生部２０へ反射する。

三次元像再生部２０は、マイクロレンズアレイ３０と、二次元表示素子３１とを有する。マイクロレンズアレイ３０は、図２のマイクロレンズアレイ２３０と同一のマイクロレンズ２３１を複数個有するものとする。マイクロレンズアレイ３０には、図２のマイクロレンズアレイ２３０と同一の配列で、それらのマイクロレンズ２３１が二次元状に配列されているものとする。

二次元表示素子３１には、マイクロレンズアレイ３０のマイクロレンズ２３１の各々に対応する複数の表示用画素３２が二次元状に配列されている。マイクロレンズアレイ３０と二次元表示素子３１との間の距離は、図２におけるマイクロレンズアレイ２３０と撮像素子２４０との間の距離と同一とする。また、表示用画素３２は、各マイクロレンズ２３１の焦点面に配置される。

二次元表示素子３１は、例えば反射型のＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）などの表示部材で構成される。表示用画素３２の各々は、三次元再生用画像データに基づいて表示制御部１１ａにより制御されている。表示用画素３２の各々は、照明光学系２１からの照明光束がマイクロレンズアレイ３０を介して入射すると、表示制御部１１ａの制御によりその照明光束をマイクロレンズアレイ３０へ反射する。表示用画素３２が照明光束を反射するとき、その照明光束の偏光面を９０度回転させて、ｐ偏光とする。表示用画素３２からのｐ偏光の反射光束は、マイクロレンズ２３１によって三次元像を結像（再生）すると共に、照明用偏光分離鏡４３を透過する。

投射光学系２２は、三次元像を投影する、すなわち三次元像の投射光束を投射する。投射光学系２２の焦点位置は、マイクロレンズアレイ３０のマイクロレンズ２３１のレンズ頂点の近傍に位置する。１／２波長板２３と偏光分離鏡２４は、投射光学系２２の投射光路上に配置されている。

１／２波長板２３は、投射光学系２２から投射されたｐ偏光の投射光束の偏光面を９０度回転させて、ｓ偏光の投射光束に変える。偏光分離鏡２４は、ｓ偏光の投射光束を反射して、１／４波長板２５へ導く。

１／４波長板２５と再帰性反射部材２６は、偏光分離鏡２４により直角に曲げられた投射光学系２２の投射光路上に配置されている。１／４波長板２５は、投射光束の偏光面に対して４５度または１３５度傾けて配置される。再帰性反射部材２６は、投射光束を、その投射光束に平行かつ逆の方向に反射する。視野角拡大光学系２７は、凹レンズなどで構成され、投射光束を発散させて、三次元投射装置２の視野角を拡大する。

次に、三次元投射装置２の動作について説明する。光源４０は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光束を時分割で出射させる。光源４０から出射する光束は、コンデンサレンズ４１にて平行光となり、偏光板４２にてｓ偏光の直線偏光光束となる。照明用偏光分離鏡４３は、偏光板４２を通過したｓ偏光の直線偏光光束を三次元像再生部２０へ反射する。そのｓ偏光の直線偏光光束は、複数のマイクロレンズ２３１を通って二次元表示素子３１を照明する。

表示用画素３２は、ｓ偏光の直線偏光光束である照明光束を、ｐ偏光の直線偏光光束に変えて反射する。ｐ偏光の直線偏光光束は、マイクロレンズアレイ３０によってｐ偏光の三次元像を形成する。三次元像を形成したｐ偏光の直線偏光光束は、照明用偏光分離鏡４３を透過して、投射光学系２２に入射する。

投射光学系２２は、三次元像を形成したｐ偏光の直線偏光光束を投射光束として投射する。１／２波長板２３は、投射光学系２２からのｐ偏光の投射光束を、ｓ偏光の投射光束に変える。そのｓ偏光の投射光束は、偏光分離鏡２４で反射されて１／４波長板２５へ導から、１／４波長板２５にて円偏光に変わり、再帰性反射部材２６へ入射する。再帰性反射部材２６は、円偏光の投射光束を再帰性反射して、再び１／４波長板２５に入射させる。再帰性反射部材２６から１／４波長板２５に入射した円偏光の投射光束は、１／４波長板２５にてｐ偏光の直線偏光光束に変わり、偏光分離鏡２４を透過して視野角拡大光学系２７に入射する。視野角拡大光学系２７は、平行光であるｐ偏光の投射光束を発散させて、三次元投射装置２の視野角を拡大する。

図７は、再帰性反射部材２６の構成例について説明するための模式図である。図７に示す再帰性反射部材２６は、複数のビーズ５１が平面上に稠密に配置されている。複数のビーズ５１は、屈折率が２．０であり、透明な光学材料でできている。ビーズ５１は、その表面のうち半分の表面上に半球状の反射層５２が形成されており、残る半分の表面が露出している。反射層５２は、例えばアルミ蒸着などで形成される。複数のビーズ５１は、その表面の露出側がすべて１／４波長板２５に向くように配置される。再帰性反射部材２６は、１／４波長板２５との間に屈折率が１．０の空気層５３を介在させて用いられる。複数のビーズ５１のサイズは、撮像用画素２４１の受光面、表示用画素３２の反射面よりも小さい。

図７において、矢印Ａ１方向からビーズ５１に入射する光束Ｌ２は、そのビーズ５１の露出表面で屈折しビーズ５１の内部に入射して、そのビーズ５１の反射層５２で反射する。そして、光束Ｌ２は、再びビーズ５１の露出表面で屈折して、空気層５３へ矢印Ａ１方向と平行かつ逆の方向である矢印Ａ２方向に出射する。

次に再帰性反射部材２６の作用について説明する。図８は、投射光学系２２の投射光路上に再帰性反射部材２６を設けない場合の投射光学系２２の光路図である。図８において、点Ｒ_Ｂ１には無限遠の三次元像が結像し、点Ｒ_Ｂ２には至近位置の三次元像が結像する。投射光学系２２は、無限遠と至近位置との三次元像を、それぞれ点Ｒ_Ｂ１１と点Ｒ_Ｂ１２とに投射する。このとき、観察者Ｅ１は、無限遠と至近位置の遠近の関係が逆転した三次元像を観察することになる。再帰性反射部材２６が投射光学系２２の投射光束を反射すると、観察者Ｅ１に対する点Ｒ_Ｂ１１と点Ｒ_Ｂ１２との位置関係が逆転するため、観察者Ｅ１は、正常な三次元像を観察することができる。

―第２の実施の形態―
本発明の第２の実施の形態について説明する。図９は、本発明の第２の実施の形態による三次元投射装置４の構成を模式的に表した概略図である。第２の実施の形態による三次元投射装置４は、第１の実施の形態による三次元投射装置２と比べて、１／２波長板２３を備えない点と、１／４波長板２５および再帰性反射部材２６が三次元像再生部２０から出射する三次元像の光路上に配置されている点とが異なる。三次元投射装置４も第１の実施の形態の三次元投射装置２と同様に表示制御装置１と共に三次元投射システムを構成する。

三次元投射装置４では１／２波長板２３を備えないため、投射光学系２２から投射されたｐ偏光の投射光束は、ｓ偏光になることなく偏光分離鏡２４に入射する。そのため、投射光学系２２からのｐ偏光の投射光束が偏光分離鏡２４を透過して、１／４波長板２５に導かれる。１／４波長板２５に導かれたｐ偏光の投射光束は、１／４波長板２５にて円偏光の三次元像となる。円偏光の三次元像は、再帰性反射部材２６で反射して、再び１／４波長板２５に入射して、ｓ偏光の投射光束になる。偏光分離鏡２４は、そのｓ偏光の投射光束を反射して、視野角拡大光学系２７に入射させる。このように投射光束を再帰性反射部材２６に導いた場合でも、第１の実施の形態の三次元投射装置２と同様の機能を発揮することができる。

―第３の実施の形態―
本発明の第３の実施の形態について説明する。図１０は、本発明の第３の実施の形態による三次元投射装置６の構成を模式的に表した概略図である。第３の実施の形態による三次元投射装置６は、偏光分離鏡２４の代わりにハーフミラー２８を用いている点が第２の実施の形態による三次元投射装置４と異なる。なお、三次元投射装置６も第１の実施の形態の三次元投射装置２と同様に表示制御装置１と共に三次元投射システムを構成する。三次元投射装置６は、ハーフミラー２８にて光量の損失が発生するものの、正常な三次元像を投射することができる。

以上説明した実施の形態によれば、次のような作用効果を奏する。
第１の実施の形態による三次元投射装置２と、第２の実施の形態による三次元投射装置４と、第３の実施の形態による三次元投射装置６とは、複数のマイクロレンズ２３１からなるマイクロレンズアレイ３０と、複数のマイクロレンズ２３１の各々に対して配置され、画像データを表示する二次元表示素子３１とを含み、二次元表示素子３１が表示する画像データに基づき、マイクロレンズ２３１によって三次元像を再生する三次元像再生部２０と、三次元像再生部２０によって再生された三次元像を投射する投射光学系２２と、投射光学系２２の投射光路中に配置された再帰性反射部材２６と、を備える。以上のように、三次元投射装置２と４と６は、裸眼で観察できるように三次元像を１台の投射装置を用いて投射することができる。

以上で説明した実施の形態は、以下のように変形して実施できる。
〔変形例１〕 二次元表示素子３１は、反射型のＬＣＯＳ以外の表示部材を用いてもよい。例えば、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）などのようにＬＣＯＳ以外の反射部材を用いてもよいし、透過型のＬＣＯＳなどのような透過型液晶を用いてもよいし、有機ＥＬパネル、プラズマ表示装置などのように自発光型の表示装置を用いることにしてもよい。また、ＬＣＯＳなどの反射型の表示部材を用いる場合、三次元投射装置は、照明用偏光分離鏡４３の代わりにハーフミラーを備えることにしてもよい。二次元表示素子３１の代わりに自発光型の表示部材を用いる場合、照明光学系２１は不要である。また、二次元表示素子３１の代わりに透過型の表示部材を用いる場合、照明光束がその表示部材を透過するように、照明用偏光分離鏡４３を除く照明光学系２１を配置することが好ましい。

〔変形例２〕 図７では、再帰性反射部材２６として、平面上にビーズ５１が稠密に配置された構成例を示した。しかし、再帰性反射部材２６は、入射光束をその入射光束に平行かつ逆の方向に反射する性質を有すれば、どのような構成であってもよい。例えば、複数の反射プリズムを組み合わせて、再帰性反射部材２６を構成してもよい。

〔変形例３〕 第３の実施の形態における三次元投射装置６は、第２の実施の形態の三次元投射装置４における偏光分離鏡２４をハーフミラー２８に置き換えた構成とした。これと同様に、第１の実施の形態の三次元投射装置２における偏光分離鏡２４をハーフミラー２８に置き換えた構成も、本発明の一実施の形態に含まれる。

〔変形例４〕 第１〜第３の各実施の形態における三次元投射装置２，４，６は、表示制御装置１と共に三次元投射システムを構成するものとした。しかし、三次元投射装置２，４，６が表示制御部１１ａとして機能する制御部と、その制御部を表示制御部１１ａとして機能させるためのプログラムと三次元再生用画像データとを記憶する記憶部とを更に備え、単独で三次元投射システムを構成することにしてもよい。

〔変形例５〕 第１〜第３の実施の形態における三次元投射装置２，４，６は、プレンオプティックカメラ２００と同一のマイクロレンズ２３１を備えるものとしたが、プレンオプティックカメラ２００のマイクロレンズ２３１と相似のマイクロレンズを備えることにしてもよい。また、二次元表示素子３１の表示用画素の大きさおよび個数と、マイクロレンズアレイ３０と二次元表示素子３１との位置関係とについては、それらのマイクロレンズの差に応じて調整することが望ましい。

以上で説明した実施の形態や変形例はあくまで例示に過ぎず、発明の特徴が損なわれない限り本発明はこれらの内容に限定されない。また、以上で説明した実施の形態や変形例は発明の特徴が損なわれない限り組み合わせて実行してもよい。

１ 表示制御装置
２，４，６ 三次元投射装置
１０ 記憶部
１１ 制御部
１１ａ 表示制御部
２０ 三次元像再生部
２１ 照明光学系
２２ 投射光学系
２３ １／２波長板
２４ 偏光分離鏡
２５ １／４波長板
２６ 再帰性反射部材
２７ 視野角拡大光学系
２８ ハーフミラー
３０ マイクロレンズアレイ
３１ 二次元表示素子
３２ 表示用画素
３３ 照明用偏光分離鏡
４０ 光源
４１ コンデンサレンズ
４２ 偏光板
４３ 照明用偏光分離鏡
１００ 三次元投射システム
２００ プレンオプティックカメラ
２３１ マイクロレンズ

Claims (6)

1. 複数のマイクロレンズからなるマイクロレンズアレイと、前記複数のマイクロレンズの各々に対して配置され、画像データを表示する二次元表示素子とを含み、前記二次元表示素子が表示する画像データに基づき、前記マイクロレンズによって三次元像を再生する三次元像再生部と、
   前記三次元像再生部によって再生された前記三次元像を投射する投射光学系と、
   前記投射光学系の投射光路中に配置された再帰性反射部材と、
   を備えることを特徴とする三次元投射装置。
2. 請求項１に記載の三次元投射装置において、
   前記投射光学系と前記再帰性反射部材との間に介在し、前記投射光学系から投射された前記三次元像を前記再帰性反射部材に導くと共に、前記再帰性反射部材から戻された当該三次元像を前記投射光学系とは異なる光学系に導く導光部材をさらに備えることを特徴とする三次元投射装置。
3. 請求項２に記載の三次元投射装置において、
   前記投射光学系からの投射光は、所定の偏光特性を有し、
   前記導光部材と前記再帰性反射部材との間の前記投射光路上に配置され、前記導光部材と前記再帰性反射部材との間を往復する前記投射光の偏光特性を、前記第１の偏光特性と前記第２の偏光特性との一方を他方に変換する偏光特性変換素子をさらに備え、
   前記導光部材は、前記第１の偏光特性の偏光光を反射すると共に、前記第２の偏光特性の偏光光を透過することを特徴とする三次元投射装置。
4. 請求項３に記載の三次元投射装置において、
   前記第１または第２の偏光特性の照明光を発する照明部と、
   前記照明光を前記二次元表示素子へ反射する照明用反射部材と、
   をさらに備え、
   前記二次元表示素子は、前記照明光を前記照明用反射部材へ反射して、
   前記二次元表示素子による反射光は、前記照明用反射部材を通過することを特徴とする三次元投射装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の三次元投射装置において、
   前記投射光学系の焦点位置は、前記マイクロレンズの近傍に位置することを特徴とする三次元投射装置。
6. 請求項１から３のいずれか一項に記載の三次元投射装置において、
   前記二次元表示素子は、自発光型の表示部材であることを特徴とする三次元投射装置。
   

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