JP6232609B2 - 再帰性反射材シートを利用した立体表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源と再帰性反射材シートを用いて、空間に立体的な映像を表示する表示装置に関する。本発明に係る立体表示装置は、インテリア装置やプロモーション装置、或いは、照明装置としても用いることができる。

空中に立体的な映像や光の塊等を表示させる技術（空間投影）には、空間に白煙（スモーク）や細かい水滴を噴霧し、そこに映像を投影するものが知られている。また、ハーフミラーやプロジェクターを用いた円筒状やボックス状の立体的構造物に映像を投影することにより、擬似的に立体映像を空間中に出現させる立体映像投影装置も知られている。

特許文献１〜３には次のような立体映像表示装置が記載されている。特許文献１の立体画像表示装置は、表示面に表示された右目用と左目用の視差画像をそれぞれの目のみに到達させるようにし、表示面の正対方向に対する鑑賞者の傾き角である視角を検出して、それに基づいて、鑑賞者に対して表示画像が正対するように視差画像を座標変換するようにしている。特許文献２の空中投影装置は、超音波で水を霧状にし、送風機で空間に帯状に放出する。その霧を急冷することによりスクリーンとし、そこに映像を投影している。特許文献３の映像表示システムは、光源の照明範囲を含むように再帰性反射材によるスクリーンを設けたものである。その外面から映像を投影すると、ある範囲に位置する利用者には映像を提示しながら、それ以外の位置に対しては映像の影響の無い照明光を発することができる。

特開2006-133665号公報 特開2008-096942号公報 特開2011-095309号公報

上記の従来の立体映像表示装置はいずれも、大がかりな装置を必要とする。また、空間にスモークや霧等を散布するため、表示空間がクリアでないという欠点がある。

本発明が解決しようとする課題は、スモークや霧などを用いずに、また、まったくの支持体無しに、空間に映像を投影する立体表示装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る立体表示装置は、
点光源と、
観察者の右目と前記点光源を結ぶ直線の前記点光源側延長線及び観察者の左目と前記点光源を結ぶ直線の前記点光源側延長線の双方が交差するように配置された再帰性反射材シートから成るスクリーンとを備えることを特徴とする。

前記点光源は、LED光源とすることが望ましい。発光面積が小さく、より高い輝度で発光することができるため、本発明の効果をより良く得ることができる。

前記スクリーンと観察者の間に配置される点光源を複数としてもよい。

本発明に係る立体表示装置では、観察者が点光源を見ると、その点光源の周囲に光の塊がぼんやりと浮かび上がる。この光の塊は、スクリーンの方ではなく、点光源の周囲に存在するように視認される。観察者が横に移動し、それらスクリーンと点光源に対する位置を変えても、光の塊は点光源の周囲に留まったままである。このような点光源を複数、図形状、文字状、立体状に配置することにより、様々な造形を空間中に現出することができる。また、これらの点光源をそれぞれ独立に動かしたり点滅させることにより、動画的な効果を現すこともできる。

本発明の基本構成である立体表示装置の概略構成図。 前記基本構成の立体表示装置の、スクリーン上での光の状態を表す説明図。 前記基本構成の立体表示装置の、一方の目（右目）による視認の状態を示す俯瞰図。 前記基本構成の立体表示装置の、視認位置を変えた場合の視認の状態を示す俯瞰図。 前記基本構成の立体表示装置の原理を説明するための、特異状態での視認の様子を示す俯瞰図。 本発明の応用例である格子状点光源配列表示装置の外観図(a)及び各点光源の回路図(b)。

本発明の基本構成である立体表示装置について説明する。図１は、その立体表示装置を上から見た図（平面図）であり、LED光源による点光源１０と再帰性反射材シートから成るスクリーン１１から成る空間疑似投影技術の基本システムを示す。本システムでは、点光源１０としてローム株式会社のPICOLED（登録商標）を用いているが、発光部の面積が小さく、輝度が大きいものであれば、この他にも様々な光源を点光源１０として用いることができる（例えば、リンクマン（Linkman）社のチップ赤色LED光源HT17-21SRWCなど。）。また、再帰性反射材シートから成るスクリーン１１には、例えば、3M社のスコッチライト（登録商標）を用いることができるが、もちろん、それ以外にも、各社から販売されている再帰性反射布・反射板等を用いることができる。

点光源１０は、その照射方向がスクリーン１１の再帰性反射面（再帰性反射材が塗布された面）を向くように配置する。図１の例では、点光源１０はスクリーン１１から300 mm離して配置しているが、この距離はもちろん任意である。観察者１２は、その点光源１０の後方において、スクリーン１１の再帰性反射面を観察する。図１では、点光源１０と観察者１２の目の距離を400 mmとしたが、これも任意である。なお、図１では観察者１２の左右眼の間隔は70 mmとしたが、これも人による。

このような状態で観察者１２がスクリーン１１の再帰性反射面の方を観察すると、点光源１０の周囲に、あたかも光の塊１３のような3次元像が見える。すなわち、点光源１０の左右上下の2次元的な周囲ばかりではなく、点光源１０の前後にも光の存在する空間が形成されているように見える。

この現象は、次のような原理によるものと考えられる。右目と点光源１０を結ぶ線L1は、点光源１０（点X）を通った後、その延長線L2がスクリーン１１の表面の点Aで交差する。点光源１０の光は、この延長線L2を通ってスクリーン１１の表面の点Aに達するが、該表面で再帰性反射され、同じ線L2、L1を通って観察者１２の右目の方に戻って来る。この点Aにおける再帰性反射の際に、厳密に同じ角度（方向）に反射されるのではなく、その角度を中心として僅かに幅のある角度で反射される。従って、点Aを中心として少し幅のある領域aからの光が右目に戻って来る。

点光源１０からの光は、こうしてスクリーン１１の表面で反射され、観察眼（右目）の方に入るため、観察眼（右目）は、スクリーン１１の表面を鏡面とした、点光源１０の虚像を、スクリーン１１の表面の向こう側に観察することとなる。ここで、スクリーン１１が完全な鏡面反射面であれば、虚像は同じ点光源の像となるが、前述の通り、スクリーン１１の表面において幅のある領域aの光が観察眼（右目）に入るため、観察眼（右目）が見る虚像は、点光源１０を中心とした、幅のある領域のように見える。

観察者の左目についても全く同様の現象が生じる。すなわち、図２に示すように、右目が点Aを中心とする領域aを虚像として観察し、左目が点Bを中心とする領域bを虚像として観察する。こうして左右眼によりそれぞれ観察される視差のある２つの像が脳内で合成されることにより、点光源１０を中心とした幅のある領域が立体視され、観察者には、点光源１０を中心とした光の塊１３が存在するように視認される。

このような現象は、観察者１２が点光源１０の真後ろに居る（スクリーン１１に垂直に向かい合った）場合のみならず、それよりも横に移動した場合にも生じる。すなわち、このような現象は、スクリーン１１の有効反射角度の中において生じる。この有効反射角度の大きさは、スクリーン１１を構成する再帰性反射材の反射性能による。

距離に関しては、図１のような、比較的近い距離関係ばかりではなく、15 m（15000 mm）まで離しても、同様の現象を視認することができる。点光源１０からの光の強さは距離の２乗に反比例することから、距離が大きくなれば観察者１２の観察眼に入る光の量は弱くなってしまうし、周囲からの光によって見え方が相対的に弱くなってしまうが、上記現象が消失することはない。

これらを表したのが図４である。この図のO点、P点、Q点等、どの位置でも同様の現象が視認される。ただ、各種実験を行ったところ、観察者１２の位置を固定した状態で点光源１０とスクリーン１１の距離を広げると（すなわち、点光源１０を観察者１２に近づけると）、観察される光の塊１３のサイズが大きくなり、色調も、光の塊１３の中心部は白色に、周辺部は黄色味を帯びたものとなる。

なお、図３（のインセット内）に示すように、点光源１０は前記のとおり、発光面をスクリーン１１側とする他、点光源１０の光が観察者側に直接来ないように、背面（観察者側の面）には小さな覆い１５をしておくことが望ましい。また、同図に示すように、点光源１０は通常、或る角度の範囲内に発光を行う（LED光源の場合、120°〜130°程度）ため、点光源１０は必ずしもスクリーン１１に向けて正対させる必要はなく、多少、向きがずれていても構わない。

上記原理を実証する例を図５に示す。これは、右目で点光源１０を見たときに、スクリーン１１の右端が丁度その真後ろにあり、左目から見たときには点光源１０の背後にはスクリーン１１が存在しないという場合である。この場合、インセット内に示すように、右目では点光源１０の領域aの左半分（a'）しか見えず、左目では領域bは全く見えない。その結果、観察者１２は、点光源１０の周囲のうち、左半分の方にだけ光の塊１３’が存在するような3次元像を視認することが認められた。

上記例では点光源１０としてチップ単体型のLED光源を用いたが、このLED光源はレンズ付（砲弾型）のものでもよい。また、LED光源のような自発光光源に限られず、点状に発光するものであれば、光ファイバーの先端を点光源としてもよい。さらに、従来型のフイラメントの光源でも、その発光面積が小さいものであれば、使用することができる。ただ、その場合、点光源１０の周囲に視認される光の塊１３の像は、ややシャープさに欠けたものとなる。恐らく、フイラメントの周囲のガラス球の表面での屈折等が原因であろうと考えられる。

本発明に係る表示装置は、インテリア装置やプロモーション装置、或いは、照明装置としても用いることができる。

例えば、図６(a)に示すように、点光源２１を多数、格子状に配置して、各点光源２１の点滅を制御するようにしてもよい。この場合、図６(b)に示すように、各点光源２１には、その点滅を制御するための制御回路チップ２２を設け、正負の電源線２３、２４の他に制御信号線２５をこの制御回路チップ２２に接続する。これらの電源線２３、２４及び制御信号線２５は、この格子状表示装置２０の両側に設けたフレーム２６に接続し、それらを吊す吊下線２７を通じて外部の制御回路（図示せず）に接続する。こうして、この格子状表示装置２０の各光源２１の点滅を個別に制御することにより、様々なパターン（文字等を含む）を表示することが可能となる。

１０…点光源
１１…スクリーン
１２…観察者
１３…観察される光の塊
１５…点光源の背後の覆い
２０…格子状表示装置
２１…点光源
２２…制御回路チップ
２３、２４…電源線
２５…制御信号線
２６…フレーム
２７…吊下線

Claims (7)

1. 点光源と、
   観察者の右目と前記点光源を結ぶ直線の前記点光源側延長線及び観察者の左目と前記点光源を結ぶ直線の前記点光源側延長線の双方が交差するように配置された再帰性反射材シートから成るスクリーンとを備えることを特徴とする立体表示装置。
2. 前記点光源がLED光源であることを特徴とする請求項１に記載の立体表示装置。
3. 前記点光源が複数配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の立体表示装置。
4. 前記複数の点光源が格子状に配置され、各点光源について、その点滅を制御する制御回路チップが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の立体表示装置。
5. 観察者の視認方向に再帰性反射材シートから成るスクリーンを配置し、該観察者と該スクリーンの間に点光源を、該スクリーンの方に向けて光を照射するように配置するとともに、前記観察者の右目と前記点光源を結ぶ直線の前記点光源側延長線及び前記観察者の左目と前記点光源を結ぶ直線の前記点光源側延長線の双方が前記スクリーンに交差するようにすることを特徴とする立体表示方法。
6. 前記点光源を移動又は点滅させることを特徴とする請求項５に記載の立体表示方法。
7. 前記点光源を複数用いることを特徴とする請求項５又は６に記載の立体表示方法。

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