体积型显示器

1.本发明涉及体积型显示器。


背景技术：

2.近年来vr以及ar日益受到关注，各种各样的头戴式显示器(hmd)被开发并广受瞩目。其中，透射型的hmd由于能够使注解(追加信息)重叠在真实世界上并向用户提示，因此被认为在基于ar等的应用中特别重要。
3.特别是如果考虑将注解向动态的现实世界重叠，则提示影像的显示器在理想上应具有毫秒程度的快速性。例如，在像触摸面板那样容易辨识到由于延迟引起的位置偏差的状况下，有报告称，人不感到延迟的极限值为2.38ms(下述非专利文献1)。
4.虽然不是hmd，但在使用投影仪对信息进行投影的基于投影的混合现实(projection based mixed reality(mr))或投影映射的领域中，也已知动态投影映射技术这样的快速性很重要的技术(下述非专利文献2以及3)。在hmd中也针对快速的影像提示进行了研究，提出了减小影像提示的延迟的方法(下述非专利文献4以及5)、或使用基于预测的校正的方法(下述非专利文献6)。这些研究的前提在于，基于向各个眼睛提示不同的二维影像的立体视觉来进行三维信息提示。
5.另一方面，在基于立体视觉的三维信息提示中，已知存在眼睛的焦点调节与辐辏的矛盾即视觉辐辏调节冲突(vergence accomodation conflict(vac))，这被认为是引起被称为所谓立体眩晕的疲劳、眩晕的症状的原因。为了将其消除，需要不仅向人提示视差而且向人提示焦点的线索。作为对此的解决方法，提出了利用光场(light field)的方法(下述非专利文献7以及8)、利用可变焦点透镜(下述非专利文献9～11)的方法、基于可变半反射镜(下述非专利文献12)的方法、利用全息的方法(下述非专利文献13)、利用基于slm(空间光调制器(spacial light modulator))的波阵面控制的方法(下述非专利文献14)等。此外，基于光场的方法虽然存在眼区(eye box)变小这样的问题，但还提出了采取与该方法相近的结构同时实现较宽的眼区的基于smv(超多视点(super multi-view))的方法(下述非专利文献15)。作为消除人的焦点调节的影响的途径，存在通过基于麦克斯韦(maxwell)视觉的深的dof(焦深(depth of focus))和hoe(全息光学元件(holographic optical element))来实现宽的眼区的方法(下述非专利文献16)等。
6.但是，在一般地减少vac的方式的显示器中，由于需要提示与焦点调节匹配的光线场，因此存在难以提高帧速率的倾向，现在还不存在兼顾减少vac与快速性的显示器方式。
7.现有技术文献
8.专利文献
9.专利文献1:国际公布2014/062912
10.专利文献2:国际公布2017/112084
11.专利文献3:美国专利申请公开2017/0184848
12.非专利文献
to solve vergence-accommodation conflict，"opt.express，vol.26，no.23，p.30703，nov.2018.
28.非专利文献16:s.-b.kim and j.-h.park，"optical see-through maxwellian near-to-eye display with an enlarged eyebox，"opt.lett.，vol.43，no.4，p.767，2018.
29.非专利文献17:a.mermillod-blondin，e.mcleod，and c.b.arnold，"high-speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens，"opt.lett.，vol.33，no.18，pp.2146-2148，2008.


技术实现要素：

30.发明要解决的课题
31.鉴于以上的状况，本发明的发明人针对能够快速地提示消除了vac的三维光线场的显示器原理进行了研究。
32.如果考虑与眼睛的焦点调节匹配的显示器原理，则大体上有三种方法。第一是所谓体积型显示器原理(参考上述专利文献1～3)，其是一边光学地扫描显示器共轭图像的纵深位置(也就是说一边变更纵深位置)一边提示不同的影像的方法。第二是通过cgh(计算机生成全息(computer generated holography))将光以也包含相位的方式作为波阵面生成的方法。第三是基于光场的方法，其是针对空间中的各坐标和方向这双方生成光线场的方法。
33.这些方法各有得失，但以快速生成影像为目的考虑时，上述的第二和第三方法存在运算量较多的问题。与其相比，体积型显示器原理能够以比较单纯的运算生成影像，因此认为适于快速化。
34.本发明鉴于上述的状况作出。本发明的主要目的在于，提供能够进行快速的图像提示的体积型显示器。
35.用于解决课题的手段
36.用于解决上述的课题的手段能够记作如下项目。
37.(项目1)
38.一种体积型显示器，具备图像投影部和共振型液体透镜，
39.所述共振型液体透镜的焦距被使用液体的共振以周期性进行调节，
40.所述图像投影部构成为：经由所述共振型液体透镜面向用户的视点位置对图像进行投影，
41.而且，所述图像投影部构成为：在比所述焦距的变动周期的1/10短的时间内对所述图像进行投影。
42.(项目2)
43.如项目1所述的体积型显示器，
44.所述图像投影部具备发光部和显示元件，
45.所述显示元件构成为形成所述图像，
46.所述发光部构成为：通过向所述显示元件照射光，将所述显示元件所形成的所述图像面向所述视点位置投影。
47.(项目3)
48.如项目2所述的体积型显示器，
49.所述发光部具备产生所述光的led，
50.所述显示元件由dmd构成。
51.(项目4)
52.如项目2或者3所述的体积型显示器，
53.还具备控制部，
54.所述控制部构成为：与要向用户提示的图像的焦点位置相应地对所述发光部的发光定时进行控制。
55.(项目5)
56.如项目1～4中任1项所述的体积型显示器，
57.还具备半反射镜，
58.所述体积型显示器构成为：透射了所述共振型液体透镜的所述图像经由所述半反射镜被投影至所述用户的视点位置。
59.发明效果
60.根据本发明，能够提供能够进行快速的图像提示的体积型显示器。
附图说明
61.图1是表示本发明的一实施方式所涉及的体积型显示器的概略性结构的说明图。
62.图2(a)示意性地表示成像位置与led的发光定时的关系，横轴是时间(ns)，纵轴是成像位置(任意单位)。图2(b)示意性地表示dmd的on/off(开启/关闭)定时，横轴表示时间(μs)，纵轴表示on/off(开启/关闭)。
具体实施方式
63.以下参考图1说明本发明的一实施方式所涉及的体积型显示器。
64.本实施方式的体积型显示器具备图像投影部1和共振型液体透镜2作为主要的结构。进而，该体积型显示器具备半反射镜3和控制部4作为追加的要素。
65.(共振型液体透镜)
66.共振型液体透镜2的焦距被使用液体的共振以周期性进行调节。更具体而言，作为本实施方式的共振型液体透镜2，使用tag(可调声梯度指数(tunable acoustic gradient index))透镜。
67.以下针对该tag透镜进行说明。tag透镜是能够使焦距以数10khz至数100khz振动的一种液体透镜(参考上述非专利文献17)。该设备针对被封入圆筒形容器中的透明的液体激发轴对称的疏密波(超声波)的共振，并将由此生成的轴对称的折射率分布作为透镜利用。折射率分布由于物质的折射率依赖于其密度而生成。如果选择了恰当的振动模式，则折射率分布成为以轴对称的贝塞尔函数为振幅的简谐振动，在光轴附近成为接近于抛物面的分布。tag透镜由于折射率分布的高度随着时间而振动，因此在凸透镜与凹透镜之间持续振动。振动的周期为疏密波的固有频率。虽然也依赖于透镜的尺寸或液体的物性值，但利用手掌大小的设备就能够得到数10khz至数100khz的固有振动频率，因此能够得到非常快速的
焦距的振动。作为共振型液体透镜，例如能够使用由tag optics公司市售的tag透镜。在本实施方式中，假设固有振动频率为69khz且折射力在-1[dpt＝1/m]至1[dpt]的范围中振动的tag透镜，但不限于此。
[0068]
(图像投影部)
[0069]
图像投影部1构成为：经由共振型液体透镜2面向用户的视点位置5(参考图1)对图像进行投影。
[0070]
更具体而言，本实施方式的图像投影部1具备发光部11、显示元件12和聚光透镜13。
[0071]
显示元件12构成为形成要面向用户投影的图像。更具体而言，本实施方式的显示元件由dmd(数字微镜元件(digital micromirror device))构成。
[0072]
发光部11构成为：通过向显示元件12照射光，将显示元件12所形成的图像面向用户的视点位置5投影。更具体而言，本实施方式的发光部11由产生要面向显示元件12照射的光的led构成。在图1中，由标号14表示从发光部11发出的光线。
[0073]
发光部11构成为：在比共振型液体透镜2中的焦距的变动周期的1/10短的时间内(也就是说以短的时隙)面向显示元件12照射光。由此，在本实施方式中，能够在比焦距的变动周期的1/10短的时间内，对要面向用户投影的图像进行投影。关于该点，作为显示器的动作在后面叙述。
[0074]
在图1中，由标号15表示显示元件12中形成的示意性的图像，由标号6表示用于形成显示元件12所形成的图像的光线束。此外，标号61表示光线束6的主轴方向。
[0075]
(聚光透镜)
[0076]
聚光透镜13对来自发光部11的光进行聚光并送往显示元件12。在图1的例中，使用单一透镜作为聚光透镜13，但也可以设为通过多个透镜的组合来发挥所需的功能的结构。
[0077]
(半反射镜)
[0078]
半反射镜3被配置在能够将透射了共振型液体透镜2的图像面向用户的视点位置5反射的位置。即，在本实施方式中构成为：透射了共振型液体透镜2的图像经由半反射镜3被投影至用户的视点位置5。
[0079]
此外，半反射镜3使来自外部的光透射并送往用户的视点位置。由此，能够将投影图像重叠在外部的图像(例如真实空间的图像)上。
[0080]
(控制部)
[0081]
控制部4构成为：与要向用户提示的图像的焦点位置相应地对发光部11(具体而言led)的发光定时进行控制。控制部4能够通过适宜的计算机硬件或计算机软件或者它们的组合来构成。关于该控制部4的详细动作在后面叙述。
[0082]
(本实施方式的动作)
[0083]
接着，进而参考图2说明本实施方式所涉及的体积型显示器的动作。
[0084]
(基本的动作)
[0085]
首先，使共振型液体透镜2共振，从而使其焦距变动。由此，从共振型液体透镜2面向用户投影的图像的成像位置也发生变化。图2(a)表示成像位置的变化。典型地，成像位置以正弦波状变化，但不限定于此。如果作为共振型液体透镜2而使用的tag透镜的频率设为69khz，则成像位置的变动周期t为14.5μs左右。其中也不限定于该数值。
[0086]
该成像位置的变动周期t比一般能够获取到的当前的显示器的帧周期快。例如，dmd是具有最快的帧速率的显示器之一，但dmd的帧速率的极限也不过是32000fps左右，其帧周期是31.3μs左右。如果将该帧速率的图像原样向共振型液体透镜2入射，则在1帧的期间中成像位置(也就是说焦距)大致以2周期量变动。这样的话，无法向特定的焦距提示图像。
[0087]
本实施方式的发光部11在比共振型液体透镜2中的焦距的变动周期t(参考图2(a))的1/10短的时间内，面向显示元件12照射光。更具体而言，在本实施方式中，在500ns左右或其以下的时间w(参考图2(a))内使发光部11的led发光。从发光部12发光的定时在本例中由控制部4控制。
[0088]
例如，在图2中的时间t1(参考图2(a))，使发光部11以时间w发光。由此，能够在实质上(即人的感觉中的)特定的成像位置x1(参考图2(a))处向用户提示图像。
[0089]
进而，如果在1帧的时间间隔v(例如31μs，参考图2(b))内，在与相同的成像位置x1对应的时间t2～tn(在图2(a)中直到t5)使发光部11发光，则能够在相同的成像位置处以短的时间间隔断续地向用户提示相同的图像。由此，具有能够向用户提示明亮的图像这样的优点。
[0090]
在向用户提示三维图像的情况下，在1帧的期间中向用户提示与成像位置(也就是说纵深)对应的图像。在该情况下，如果在与该成像位置xi对应的时间ti使发光部11发光，则能够提示该成像位置处的图像。例如，图1示意性地表示能够在特定的位置(与成像位置对应的虚像位置)z1～z4显示虚像。进而，图1也示意性地表示虚像的显示位置的变动范围7。上述位置以及范围仅是例示，不限定于此。
[0091]
这样，能够向用户提示三维图像。在图1中由标号8表示三维图像的示意性的例子。另外，三维图像显现的位置是虚像位置的变动范围7的内部。如上所述，通过在1帧的期间中使发光部11发光以使能够在相同的成像位置提示多个图像，能够向用户提示明亮的图像。
[0092]
此外，在本实施方式中，经由半反射镜3向用户提示投影图像，因此用户能够视觉确认在外部的图像(例如真实空间的图像)上重叠投影图像而成的图像。从而，本实施方式的技术能够对ar或mr的实现作出贡献。
[0093]
(实施例)
[0094]
以上述的说明为前提，以下说明更具体的例子。在以下，表示在1ms以内能够提示1体积(volume)(也就是说提示一个三维图像)。
[0095]
假如考虑将dmd的帧速率设为32000fps，并以1000volumes/s的速率提示三维图像，则能够对1volume的提示最大分配dmd的32帧。
[0096]
例如，在考虑提示黑白1bit浓淡度的图像的情况下，能够在纵深方向上以32阶段提示分别的图像。也就是说，能够以1000volumes/s的速率向用户提示具有32阶段的纵深信息的三维图像。
[0097]
在此，考虑增加图像的浓淡度，进行黑白3bit浓淡度的画面显示。于是，提示一张图像需要dmd的7帧的量(＝1 2 4)。如果是在纵深方向上提示达到4阶段的图像的例子，则需要7
×
4＝28帧。其小于32帧，因此可知，根据本实施方式的结构，能够在1ms以内向用户提示有浓淡度表现的一个三维图像。
[0098]
图2(b)是表示通过dmd的on/off(开启/关闭)来表现浓淡度的动作的例子。众所周
知，在dmd中能够通过切换各微镜的on/off(开启/关闭)来进行浓淡度表现。如果dmd的帧周期v是例如31μs，则在该期间中，微镜的on/off(开启/关闭)是固定的。如上所述，通过在该帧周期的期间中如图2(a)所示使发光部动作，能够向用户提示特定的成像位置处的图像。从而，根据上述的例子，能够按每1/1000秒向用户提示显示内容被更新的立体图像。在此需要注意，图2不过是示意，图2(a)的比例尺和图2(b)的比例尺并不是严格的。
[0099]
另外，本发明的内容不限定于上述实施方式。本发明在权利要求书所记载的范围内能够针对具体的结构施加各种各样的变更。
[0100]
例如，在上述的实施方式中，通过使用了led的发光部11以及使用了dmd的显示元件12构成了图像投影部1，但不限于此。例如，也能够代替led，而使用能够进行与led相同程度或者更快速的发光时间控制的发光元件。此外，例如也能够使用oled、μled、led阵列那样的设备作为图像投影部。其中，优选这些设备的帧速率充分快。即，优选能够以与特定的成像位置对应的短的时间间隔进行投影。
[0101]
进而，在上述的实施方式中，使用半反射镜3向用户提示图像(虚像)，但不必须使用半反射镜。例如，通过将由共振型液体透镜2进行了焦点调节的图像向用户的眼睛直接地或者经由某些光学系统投影，也能够向用户提示图像(虚像)。
[0102]
进而，在上述的实施方式中，图像投影部1构成为：在比共振型液体透镜2的焦距的变动周期的1/10短的时间内对图像进行投影。但是，也能够是比1/10更短的时间、例如焦距的变动周期的1/20或1/30。图像的投影时间越短，认为能够呈现越精致的立体图像。在图像的投影时间短的情况下，也考虑到立体图像变暗，但通过在相同的焦点位置处进行多次投影，能够向用户提示明亮的立体图像。
[0103]
标号说明
[0104]
1 图像投影部
[0105]
11 发光部
[0106]
12 显示元件
[0107]
13 聚光透镜
[0108]
14 光线
[0109]
15 提示图像
[0110]
2 共振型液体透镜
[0111]
3 半反射镜
[0112]
4 控制部
[0113]
5 视点位置(用户的眼睛)
[0114]
6 光线束
[0115]
61 主轴方向
[0116]
7 虚像位置的变动范围
[0117]
8 三维图像