JP2013210590A - 立体ディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】少ない数の光線発生器でコストの増加を抑制しつつ品質が向上された立体画像を提示することが可能な立体ディスプレイを提供することである。
【解決手段】反射素子２は、第１の方向に沿って並びかつ第１の方向に交差する第２の方向において少なくとも１列に配置される。走査型プロジェクタ１は、複数の反射素子２の反射面２４に光線を照射する。制御装置５は、各反射素子２の反射面２４への光線の照射時に、各反射素子２の反射面２４が第１の軸を中心として揺動することにより一定時間内において各反射素子２の反射面２４でそれぞれ異なる方向に反射された複数の光線からなる光線群が形成されるように複数の反射素子２を制御し、立体形状データに基づいて、光線制御子３を透過した複数の反射素子２からの複数の光線群により立体画像３００が提示されるように走査型プロジェクタ１を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、立体画像を提示する立体ディスプレイに関する。

複数のプロジェクタを用いることにより裸眼で視認可能な立体画像を提示する立体ディスプレイが提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載された立体ディスプレイは、光線制御子および複数のプロジェクタを備える。光線制御子は、円錐台形状を有し、大径の底部開口が上方を向くようにテーブルの天板の円形孔部に嵌め込まれる。テーブルの下方に、複数のプロジェクタが光線制御子の軸を中心とする円周上に配置される。各プロジェクタは、光線を光線制御子の外周面に照射するとともにその光線を水平面内および垂直面内で偏向させる。制御装置は、立体形状データに基づいて、複数のプロジェクタにより発生される光線群により立体画像が提示されるように複数のプロジェクタを制御する。

特開２０１０−３２９５２号公報

上記の特許文献１に記載された立体ディスプレイによれば、観察者は、光線制御子の上方に提示される立体画像をテーブルの周囲の位置から見ることができる。

しかしながら、間隙（途切れ）のない高品質の立体画像を提示するためには、多数のプロジェクタを密に配置する必要がある。それにより、立体ディスプレイのコストが高くなる。また、プロジェクタのレンズおよびケース等の部品の物理的な制約により、複数のプロジェクタを例えば１ｍｍ以下のような小さなピッチで配置することは難しい。

本発明の目的は、少ない数の光線発生器でコストの増加を抑制しつつ品質が向上された立体画像を提示することが可能な立体ディスプレイを提供することである。

（１） 本発明に係る立体ディスプレイは、立体形状データに基づいて立体画像を提示するための立体ディスプレイであって、第１の方向に沿って並びかつ第１の方向に交差する第２の方向において少なくとも１列に配置されるとともに、第１の方向に平行な第１の軸を中心として揺動可能に構成される反射面をそれぞれ有する複数の反射素子と、複数の反射素子の反射面に光線を照射する光線発生器と、複数の反射素子の反射面により反射された光線を透過させる光線制御子と、複数の反射素子および光線発生器を制御する制御手段とを備え、複数の反射素子の反射面は、第１の方向に平行な面内で異なる方向に光線を反射するように設けられ、制御手段は、各反射素子の反射面への光線の照射時に、各反射素子の反射面が第１の軸を中心として揺動することにより一定時間内において各反射素子の反射面でそれぞれ異なる方向に反射された複数の光線からなる光線群が形成されるように複数の反射素子を制御し、立体形状データに基づいて、光線制御子を透過した複数の反射素子からの複数の光線群により立体画像が提示されるように光線発生器を制御するように構成されるものである。

その立体ディスプレイにおいては、第１の方向に沿って並ぶ少なくとも１列の複数の反射素子の反射面に光線発生器により光線が照射される。それにより、複数の反射素子の反射面により第１の方向に平行な面内で異なる方向に光線がそれぞれ反射される。このとき、各反射素子の反射面が第１の方向に平行な第１の軸を中心として揺動する。それにより、一定時間内において各反射素子の反射面で光線が第１の軸に直交する面内でそれぞれ異なる方向に反射され、反射された複数の光線からなる光線群が形成される。複数の反射素子の反射面により反射された光線群は、光線制御子を透過する。立体形状データに基づいて、光線制御子を透過した複数の光線群により立体画像が提示される。この場合、複数の反射素子が第１の方向に沿って並ぶので、視域を第１の方向に平行に延びるように定義することができる。そのため、観察者は、第１の方向に平行な任意の位置から立体画像を視認することができる。

このようにして、複数の反射素子により複数の光線発生器と等価な機能が実現される。ここで、各反射素子は光線発生器に比べて安価かつ小型に作製することができる。それにより、複数の反射素子を密に配置することが可能となる。その結果、少ない数の光線発生器でかつコストの増加を抑制しつつ品質が向上された立体画像を提示することが可能となる。

なお、複数の反射素子の反射面は、第１の方向に平行な面内で異なる方向に光線を反射するように異なる向きに配置されてもよく、あるいは第１の方向に平行な面内で異なる方向に光線を反射するように揺動可能に構成されてもよい。

（２） 各反射素子の反射面は、第２の方向に沿った第２の軸の周りでさらに揺動可能に構成され、制御手段は、各反射素子の反射面への光線の照射時に、各反射素子の反射面が第１の軸を中心として揺動するとともに第２の軸を中心として揺動することにより一定時間内において各反射素子の反射面でそれぞれ異なる方向に反射された複数の光線からなる光線群が形成されるように複数の反射素子を制御するように構成されてもよい。

この場合、一定時間内において、各反射素子の反射面で光線が第１の軸に直交する面内でそれぞれ異なる方向に反射されるとともに第２の軸に直交する面内でそれぞれ異なる方向に反射される。それにより、各反射素子の反射面から異なる方向の複数の光線が出射される。したがって、少ない数の反射素子を用いて異なる方向の複数の光線をより密に形成することが可能となる。その結果、立体画像の品質がさらに向上する。

（３） 光線発生器は、光線を第１の方向に平行な面内で偏向させるように構成され、制御手段は、光線が第１の方向に走査されることにより複数の反射素子の反射面に順次光線が照射されつつ各反射素子の反射面が第１の軸を中心として揺動することにより一定時間内において各反射素子の反射面でそれぞれ異なる方向に反射された複数の光線からなる光線群が形成されるように光線発生器および複数の反射素子を制御するように構成されてもよい。

この場合、光線発生器による第１の方向における光線の走査および第１の軸を中心とする各反射素子の反射面の揺動により、一定時間内において各反射素子の反射面でそれぞれ異なる方向に複数の光線が反射される。したがって、少ない数の光線発生器を用いて異なる方向の複数の光線をより密に形成することが可能となる。その結果、コストの削減が可能となる。

（４） 光線制御子は、複数の反射素子からの光線を第１の方向において第１の角度範囲で拡散させて透過させるとともに第２の方向において第２の角度範囲で拡散させて透過させ、第１の角度範囲は、光線群により提示される立体画像に実質的に間隙が形成されずかつ立体画像の立体形状が認識されるように設定され、第２の角度範囲は、第１の角度範囲よりも大きく設定されてもよい。

この場合、間隙がない高品質の立体画像が提示される。また、第１の方向に平行に延びるように定義された視域から観察者の眼の位置が第２の方向にずれた場合でも、観察者は立体画像を視認することができる。

（５） 複数の反射素子は、さらに第２の方向において複数列に配置され、光線発生器は、複数列の複数の反射素子に光線を照射するように構成されてもよい。

この場合、第１および第２の方向に広がる視域を定義することができる。それにより、観察者は、第１および第２の方向における任意の位置から立体画像を視認することができる。

（６） 光線制御子は、複数の反射素子からの光線を第１の方向において第１の角度範囲で拡散させて透過させるとともに第２の方向において第２の角度範囲で拡散させて透過させ、第１および第２の角度範囲は、光線群により提示される立体画像に実質的に間隙が形成されずかつ立体画像の立体形状が認識されるように設定されてもよい。

この場合、第１および第２の方向に広がるように定義された視域に隙間なく複数の光線群を形成することが可能となる。その結果、高品質の立体画像が提示される。

本発明によれば、少ない数の光線発生器でかつコストの増加を抑制しつつ品質が向上された立体画像を提示することが可能となる。

第１の実施の形態に係る立体ディスプレイの主要部の模式的斜視図である。 図１の立体ディスプレイの模式的側面図である。 図１の立体ディスプレイの模式的平面図である。 １つの反射素子の構成の一例を示す模式図である。 反射素子での光線の走査を示す模式図である。 反射素子の反射面の揺動による光線の反射方向の変化を示す上面図である。 反射素子の反射面をＹ軸を中心として揺動させた場合における光線の反射を示す図である。 反射素子の反射面をＸ軸を中心として揺動させた場合における光線の反射を示す図である。 立体画像の提示方法を説明するための模式的平面図である。 立体画像の提示方法を説明するための模式的断面図である。 本実施の形態に係る立体ディスプレイにおける両眼視差の発生原理を説明するための模式的平面図である。 第２の実施の形態に係る立体ディスプレイの主要部の模式的斜視図である。 立体画像の提示方法を説明するための模式的側面図である。 第３の実施の形態に係る立体ディスプレイの主要部の模式的縦断面図である。 第３の実施の形態に係る立体ディスプレイの主要部の模式的平面図である。 第４の実施の形態に係る立体ディスプレイの主要部の模式的縦断面図である。 第４の実施の形態に係る立体ディスプレイの主要部の模式的平面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る立体ディスプレイについて説明する。

（１）第１の実施の形態
（１−１）立体ディスプレイの構成
図１は第１の実施の形態に係る立体ディスプレイの主要部の模式的斜視図である。図２は図１の立体ディスプレイの模式的側面図である。図３は図１の立体ディスプレイの模式的平面図である。以下の説明において、互いに直交する３つの方向をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向と定義する。Ｘ方向は観察者１０から見て左から右または右から左へ向かう水平方向であり、図１〜図３では、左から右へ向かう方向を矢印Ｘで示す。また、Ｙ方向は観察者１０から見て上から下または下から上へ向かう鉛直方向であり、図１〜図３では、上から下へ向かう鉛直方向を矢印Ｙで示す。さらに、Ｚ方向はＸ方向およびＹ方向に直交する奥行き方向であり、図１〜図３では、観察者から遠ざかる奥行き方向を矢印Ｚで示す。

図１〜図３に示すように、立体ディスプレイは、少なくとも１つの走査型プロジェクタ１、Ｘ方向に沿って配列される複数の反射素子２、および平面形状の光線制御子３を備える。本例では、１つの走査型プロジェクタ１が設けられる。図２に示すように、立体ディスプレイは、記憶装置４および制御装置５をさらに備える。

走査型プロジェクタ１は、複数の反射素子２の反射面に光線を照射するように複数の反射素子２の反射面の前方（手前）に配置される。この走査型プロジェクタ１は、光線を出射するとともにその光線をＸＺ面内で偏向させることにより、光線で複数の反射素子２の反射面をＸ方向に走査することができる。また、走査型プロジェクタ１は、光線の方向ごとおよび時間ごとに光線の色を設定することができる。それにより、走査型プロジェクタ１は、擬似的に複数の光線からなる光線群を出射する。ここで、光線とは、拡散しない直線で表される光をいう。各反射素子２の構成については、後述する。

光線制御子３は、複数の反射素子２により反射された光線を透過させつつ一定角度範囲内で拡散させるように複数の反射素子２の前方（手前）に配置される。光線制御子３の機能の詳細については、後述する。

記憶装置４は、例えばハードディスク、メモリカード等からなる。記憶装置４には、立体画像１００を提示するための立体形状データが記憶される。制御装置５は、例えばパーソナルコンピュータからなる。制御装置５は、記憶装置４に記憶される立体形状データに基づいて走査型プロジェクタ１および複数の反射素子２を制御する。それにより、光線制御子３の前方（手前）および後方（背後）の空間に立体画像３００が提示される。

（１−２）反射素子２の構成
図４は１つの反射素子２の構成の一例を示す模式図である。以下の説明において、Ｘ方向に平行な軸をＸ軸と呼び、Ｙ方向に平行な軸をＹ軸と呼び、Ｚ方向に平行な軸をＺ軸と呼ぶ。

図４の反射素子２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）により作製される。

反射素子２は、支持枠２１、可動枠２２および反射部材２３により構成される。支持枠２１は、ＸＹ面上に配置される。可動枠２２は、矢印ａで示すように、Ｘ軸を中心として回転可能に支持枠２１に取り付けられる。反射部材２３は、矢印ｂで示すように、Ｙ軸を中心として回転可能に可動枠２２に取り付けられる。反射部材２３の一面が反射面２４となる。反射面２４の一辺の長さは、例えば０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度である。

このような構成により、反射面２４は、Ｙ軸を中心として揺動可能に設けられるとともに、Ｘ軸を中心として揺動可能に設けられる。これにより、反射面２４に入射した光線をＸＺ面内の任意の角度およびＹＺ面内の任意の角度で反射させることが可能となる。その結果、反射面２４から前方の任意の方向に光線を出射することができる。

（１−３）光線の走査および反射素子２の動作
図５は反射素子２での光線の走査を示す模式図である。図５に示すように、図１の走査型プロジェクタ１により、矢印で示すように、複数の反射素子２の反射面２４が光線でＸ方向に走査される。それにより、複数の反射素子２の反射面２４上に順次光線が照射される。点線で示すように、光線の断面は、反射面２４の一辺の長さと同じかまたはやや小さい直径を有する。

図６は反射素子２の反射面２４の揺動による光線の反射方向の変化を示す上面図である。

図６には、それぞれ時点ｔ１〜ｔ８における反射面２４の状態が示される。時点ｔ１〜ｔ４では、反射面２４がＹ軸を中心としてＸ方向から時計回りに角度θ１〜θ４それぞれ傾斜している。この場合、θ１＞θ２＞θ３＞θ４である。時点ｔ５〜ｔ８では、反射面２４がＸ方向から反時計回りに角度θ５〜θ８それぞれ傾斜している。この場合、θ５＜θ６＜θ７＜θ８である。これらの状態で、時点ｔ１〜ｔ８の期間に、走査型プロジェクタ１からの光線Ｌが反射面２４に入射する。それにより、時点ｔ１〜ｔ４では、光線Ｌが反射面２４によりそれぞれ入射方向に対して時計回りに角度２θ１〜２θ４傾斜した方向に反射される。時点ｔ５〜ｔ６では、光線Ｌが反射面２４によりそれぞれ入射方向に対して時計回りに角度２θ５〜２θ８傾斜した方向に反射される。その結果、一定時間内に反射面２４から異なる方向に光線Ｌ１〜Ｌ８が順次出射される。

図７は反射素子２の反射面２４をＹ軸を中心として揺動させた場合における光線の反射を示す図である。図７に矢印ｃで示すように、反射素子２の反射面２４をＹ軸を中心として揺動させることにより、一定時間内に反射面２４により異なる方向にそれぞれ複数の光線Ｌ１〜Ｌ８が反射される。この場合、反射面２４を複数の光線Ｌ１〜Ｌ８の出射点とみなすことができる。

図８は反射素子２の反射面２４をＸ軸を中心として揺動させた場合における光線の反射を示す図である。図８に矢印ｄで示すように、反射素子２の反射面２４をＸ軸を中心として揺動させることにより、一定時間内に反射面２４により異なる方向にそれぞれ光線Ｌ１１〜Ｌ１５が反射される。この場合、反射面２４を複数の光線Ｌ１１〜Ｌ１５の出射点とみなすことができる。

具体的には、走査型プロジェクタ１からの光線Ｌを各反射素子２の反射面２４に照射している間に、Ｘ軸を中心として反射面２４を一定角度に傾斜させた状態でＹ軸を中心として反射面２４を順次異なる複数の角度に傾斜させる。次に、Ｘ軸を中心とする反射面２４の傾斜角度を変更した後、Ｙ軸を中心として反射面２４を順次異なる複数の角度に傾斜させる。この操作を繰り返し行うことにより、一定時間内に反射面２４から複数の異なる方向に光線が出射される。

このように、走査型プロジェクタ１からの光線Ｌを各反射素子２の反射面２４に照射した状態で、反射面２４をＹ軸およびＸ軸を中心として揺動させることにより、光線Ｌを反射面２４で異なる複数の方向に時分割で反射させることができる。

この場合、走査型プロジェクタ１は、時分割で光線Ｌの色を設定することができる。したがって、図７および図８の反射面２４で反射される光線Ｌ１〜Ｌ８，Ｌ１１〜Ｌ１５は、それぞれ任意の色に設定される。その結果、それぞれ設定された色の光線が光線制御子３を透過する。

（１−４）光線制御子３の構成
図１〜図３の光線制御子３は、アクリルまたはポリカーボネート等からなる平面状の透明シートにより形成される。透明シートの一面または両面には、Ｘ方向に延びる複数の直線状レンズがＹ方向に密に並ぶように設けられている。各直線状レンズは、例えばかまぼこ形の垂直断面を有する。直線状レンズが半円形の断面を有してもよい。透明シートの代わりに半透明シートを用いてもよい。

光線制御子３は、光線を透過させつつＸ方向において（ＸＺ面内で）第１の角度範囲で微小拡散させ、光線を透過させつつＹ方向において（ＹＺ面内で）第１の角度範囲よりも大きい第２の角度範囲で拡散させる機能を有する。

光線制御子３は、光線をＸ方向において第１の角度範囲で微小拡散させる理由は、次の通りである。隣り合う反射面２４間に隙間が生じないように複数の反射素子２を配置することは難しい。この場合、複数の反射素子２の反射面２４で反射された光線間に隙間が生じる。そこで、光線制御子３により光線が微小拡散されることにより、Ｘ方向において隣り合う光線間に隙間が生じることが防止される。したがって、第１の角度範囲は、複数の反射素子２の配置に基づいて光線制御子３を透過した複数の光線間にＸ方向における隙間が実質的に形成されないように設定されることが好ましい。一方、第１の角度範囲が大きすぎると、多数の反射素子２からの光線が重なり合う。それにより、観察者１０が立体画像３００の立体形状を適切に認識することが難しくなる。したがって、第１の角度範囲は、複数の光線により提示される立体画像３００に実質的に間隙が形成されずかつ立体画像３００の立体形状が認識されるように設定されることが好ましい。

ここで、「実質的に間隙が形成されず」とは、立体画像３００に観察者１０の眼で認識される程度の間隙が形成されないことを意味する。実際には、複数の反射素子２の大きさ、複数の反射素子２間の間隔、提示されるべき立体画像３００の大きさ、提示されるべき立体画像３００の位置、および観察者１０と立体画像３００との間の距離等の観察条件を考慮して設定される。

光線制御子３は、各反射素子２からの光線をＸ方向において第１の角度範囲で微小拡散させて透過させるので、観察者１０は、Ｘ方向の任意の位置で一本の光線のみを視認することができる。

また、光線制御子３は、各反射素子２からの光線をＹ方向において第１の角度範囲よりも大きい第２の角度範囲で拡散させて透過させるので、観察者１０は、一本の光線を上下方向の任意の位置から視認することができる。

（１−５）立体画像３００の提示方法
図９は立体画像３００の提示方法を説明するための模式的平面図である。図９においては、６つの反射素子２の反射面２４−１，２４−２，…，２４−６が丸印で示される。

例えば、光線制御子３の前方の位置ＰＧに緑色の画素を提示する場合には、反射面２４−１で位置ＰＧを通る方向に緑色の光線Ｌ２１を反射させ、反射面２４−３で位置ＰＧを通る方向に緑色の光線Ｌ２３を反射させ、反射面２４−５で位置ＰＧを通る方向に緑色の光線Ｌ２５を反射させる。それにより、緑色の光線Ｌ２１，Ｌ２３，Ｌ２５の交点に点光源となる緑色の画素が提示される。この場合、観察者の眼が位置Ｉ２１にある場合、位置Ｉ２３にある場合および位置Ｉ２５にある場合に、位置ＰＧに緑色の画素が見える。

同様にして、光線制御子３の前方の位置ＰＲに赤色の画素を提示する場合には、反射面２４−２で位置ＰＲを通る方向に赤色の光線Ｌ２２を反射させ、反射面２４−４で位置ＰＲを通る方向に赤色の光線Ｌ２４を反射させ、反射面２４−６で位置ＰＲを通る方向に赤色の光線Ｌ２６を反射させる。それにより、赤色の光線Ｌ２２，Ｌ２４，Ｌ２６の交点に点光源となる赤色の画素が提示される。この場合、観察者の眼が位置Ｉ２２にある場合、位置Ｉ２４にある場合および位置Ｉ２６にある場合に、位置ＰＲに赤色の画素が見える。

このようにして、複数の反射面２４の各々から立体画像３００の各位置を通る方向に提示すべき色の光線が出射される。

複数の反射素子２がＸ方向において密に並べられており、光線制御子３を透過する光線間にＸ方向における隙間が存在しない場合、Ｘ方向のいずれの位置から光線制御子３を観察しても位置ＰＲ，ＰＧを通過する適切な光線が眼に入射することになり、人の眼はそこに点光源があるように認識する。実物体の表面にて反射または拡散した照明光を人は物体として認識するので、物体の表面は点光源の集合とみなすことができる。すなわち、物体の表面としたいある位置ＰＲ，ＰＧの色を複数の反射面２４−１〜２４−６より飛来する光線によって適切に再現することにより、立体画像３００を提示することができる。

このようにして、立体画像３００を光線制御子３の前方または後方の空間に提示することができる。この場合、観察者は、Ｘ方向における異なる位置で同一の立体画像３００をそれぞれ異なる方向から視認することができる。

図１の走査型プロジェクタ１により出射される光線の色は、記憶装置４に記憶される立体形状データに基づいて制御装置５により算出される。具体的には、制御装置５は、立体形状データとして予め定義される三次元の立体形状の面と各光線との交点を求め、光線に与えるべき適切な色を算出する。

制御装置５は、算出した光線群の各光線の色に基づいて走査型プロジェクタ１を制御する。それにより、光線制御子３の前方または後方に立体画像３００が提示されるように、走査型プロジェクタ１から算出された色をそれぞれ有する光線が出射される。

上記のようにして、本実施の形態に係る立体ディスプレイによれば、立体画像３００の指向性表示が可能となる。

図１０は立体画像３００の提示方法を説明するための模式的断面図である。図１０には、反射素子２の反射面２４で反射された３本の光線が示される。

図１０に示すように、反射素子２の反射面２４で反射された光線は、光線制御子３により垂直方向において（ＹＺ面内で）第２の角度範囲α（拡散角）で拡散される。それにより、観察者は、第２の角度範囲α内においてＹ方向の異なる位置で反射面２４で反射される同じ色の光線を見ることができる。例えば、観察者が視線を基準の位置Ｅから上方の位置Ｅ’に移動させた場合でも、立体画像３００の同じ部分を見ることができる。この場合、Ｙ方向における観察者の眼の位置により観察者が視認する立体画像３００の位置が移動する。このように、反射面２４で反射された光線が光線制御子３でＹ方向において拡散されるため、観察者が視線を上下に移動させても立体画像３００を観察することができる。

（１−６）両眼視差の発生原理
ここで、本実施の形態に係る立体ディスプレイにおける両眼視差の発生原理について説明する。

図１１は本実施の形態に係る立体ディスプレイにおける両眼視差の発生原理を説明するための模式的平面図である。図１１には、反射素子２の４つの反射面２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが示される。

図１１において、観察者が光線制御子３の点Ｐ３１を見た場合には、右眼１００Ｒに反射面２４ａで反射された光線Ｌａが入射し、左眼１００Ｌに反射面２４ｂで反射された光線Ｌｂが入射する。また、観察者が光線制御子３の点Ｐ３２を見た場合には、右眼１００Ｒに反射面２４ｃで反射された光線Ｌｃが入射し、左眼１００Ｌに反射面２４ｄで反射された光線Ｌｄが入射する。

ここで、光線Ｌａの色と光線Ｌｄの色とは同じであり、光線Ｌｂの色は光線Ｌａの色と異なり、光線Ｌｃの色は光線Ｌｄの色とは異なるとする。この場合、光線制御子３上の点Ｐ３１の色は見る方向により異なる。また、光線制御子３上の点Ｐ３２の色も見る方向により異なる。

光線Ｌａにより立体画像３００の点Ｐａが作られ、光線Ｌｂにより立体画像３００の点Ｐｂが作られ、光線Ｌｃにより立体画像３００の点Ｐｃが作られ、光線Ｌｄにより立体画像３００の点Ｐｄが作られる。

図１１の例では、立体画像３００の点Ｐａと点Ｐｄとが同じ位置にある。すなわち、光線Ｌａと光線Ｌｄとの交点に立体画像３００の点Ｐａ，Ｐｄが作られる。点Ｐａ，Ｐｄは、仮想的な点光源となすことができる。この場合、右眼１００Ｒで点Ｐａ，Ｐｄを見る方向と左眼１００Ｌで点Ｐａ，Ｐｄを見る方向とが異なる。すなわち、右眼１００Ｒの視線方向と左眼１００Ｌの視線方向との間に輻輳角がある。これにより、光線群により形成される画像の立体視が可能となる。

（１−７）第１の実施の形態の効果
本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいては、１つの走査型プロジェクタ１により出射された光線を複数の反射素子２により一定時間内で異なる複数の方向に反射させることができる。それにより、複数の走査型プロジェクタ１と等価な機能が実現される。ここで、反射素子２は、走査型プロジェクタ１に比べて小型に作製することができる。それにより、複数の反射素子２をＸ方向に密に配置することが可能となる。また、複数の反射素子２により反射された各光線が光線制御子３によりＸ方向において微小拡散される。したがって、Ｘ方向において隙間のない光線群が形成される。また、反射素子２は、走査型プロジェクタ１に比べて小型で安価である。その結果、コストを増加させることなくＸ方向の任意の位置の観察者１０に間隙（途切れ）のない高品質の立体画像３００を提示することが可能となる。

また、観察者１０は、光線制御子３の前方または後方に提示される立体画像３００をＸ方向の任意の位置から見ることができる。したがって、複数の人が特別な装置を用いることなく任意の位置から裸眼で立体画像３００を観察することができる。また、観察者１０の人数も制限されない。

さらに、各反射素子２により反射された各光線が光線制御子３によりＹ方向において拡散される。それにより、観察者１０の視点の高さが上下しても、観察者１０が立体画像３００を観察することが可能となる。したがって、観察者１０の視点の高さが制限されない。

（２）第２の実施の形態
（２−１）立体ディスプレイの構成
図１２は第２の実施の形態に係る立体ディスプレイの主要部の模式的斜視図である。第２の実施の形態に係る立体ディスプレイが第１の実施の形態に係る立体ディスプレイと異なるのは、以下の点である。

図１２に示すように、複数の反射素子２がＸ方向およびＹ方向に沿って二次元的に配列される。本実施の形態では、走査型プロジェクタ１は、光線を出射するとともにその光線をＸＺ面内およびＹＺ面内で偏向させることにより、光線で複数の反射素子２の反射面をＸ方向およびＹ方向に走査することができる。この場合、走査型プロジェクタ１は、Ｘ方向およびＹ方向に配列された複数の反射素子２の反射面に順次光線を照射することができる。それにより、走査型プロジェクタ１は、擬似的に複数の光線からなる光線群を出射する。各反射素子２の構成および動作は、図２の反射素子２の構成および動作と同様である。

光線制御子３は、光線を透過させつつＸ方向およびＹ方向において（ＸＺ面内およびＹＺ面内で）所定の角度範囲で微小拡散させる機能を有する。光線制御子３により光線が微小拡散されることにより、Ｘ方向およびＹ方向において隣り合う光線間に隙間が生じることが防止される。光線の拡散の角度範囲は、複数の反射素子２の配置に基づいて光線制御子３を透過した複数の光線間にＸ方向およびＹ方向における隙間が実質的に形成されないように設定される。一方、拡散の角度範囲が大きすぎると、多数の反射素子２からの光線が重なり合う。それにより、観察者１０が立体画像３００の立体形状を適切に認識することが難しくなる。したがって、拡散の角度範囲は、複数の光線により提示される立体画像３００に実質的に間隙が形成されずかつ立体画像３００の立体形状が認識されるように設定される。

光線制御子３は、例えば平面状の透明シートと微小拡散層との積層構造を有する。透明シートは、アクリルまたはポリカーボネート等の透明材料により形成される。透明シートの少なくとも一面に微小拡散層が形成される。微小拡散層中には、大きさおよび形状が不規則な複数の粒子が分散的に配置される。粒子は、例えばガラスまたは他の高分子材料等からなる。微小拡散層は、入射した光線が微小拡散して透過するように構成される。透明シートの代わりに半透明シートを用いてもよい。

例えば、樹脂溶液中に複数の粒子を混合し、その溶液を透明シートの少なくとも一面に塗布して硬化させることにより、微小拡散層を形成することができる。また、透明シートの少なくとも一面に例えば紫外線硬化樹脂からなる接着剤を塗布し、その接着剤に複数の粒子を分散的に接着させることにより、微小拡散層を形成することができる。なお、微小拡散層を単独で形成することが可能である場合には、透明シートが設けられなくてもよい。

あるいは、光線制御子３は、光線を所定の角度範囲で微小拡散させるために透明シートの表面に不規則なパターンを有する凹凸が形成された構造を有してもよい。また、凹凸の代わりに透明シートに光透過部と遮光部とを格子状のパターンとして形成し、回折格子のような２値のビットパターンにより類似の光学特性を実現してもよい。透明シートの代わりに半透明シートを用いてもよい。

制御装置５は、記憶装置４に記憶される立体形状データに基づいて走査型プロジェクタ１および複数の反射素子２を制御する。それにより、光線制御子３の前方または後方に立体画像３００が提示される。

（２−２）立体画像３００の提示方法
図１３は立体画像３００の提示方法を説明するための模式的側面図である。図１３には、Ｙ方向に配列される複数の反射素子２の反射面２４が丸印で示される。

図１３において、例えば、光線制御子３の前方の位置ＰＲに赤色の画素を提示する場合には、反射面２４Ａで位置ＰＲを通る方向に赤色の光線Ｌ３１を反射させ、反射面２４Ｃで位置ＰＲを通る方向に赤色の光線Ｌ３３を反射させる。それにより、赤色の光線Ｌ３１，Ｌ３３の交点に点光源となる赤色の画素が提示される。この場合、観察者の眼が位置ＩＡにある場合および位置ＩＢにある場合に、位置ＰＲに赤色の画素が見える。

同様に、光線制御子３の前方の位置ＰＧに緑色の画素を提示する場合には、反射面２４Ｂで位置ＰＲを通る方向に緑色の光線Ｌ３２を反射させ、反射面２４Ｄで位置ＰＧを通る方向に緑色の光線Ｌ３４を反射させる。それにより、緑色の光線Ｌ３２，Ｌ３４の交点に点光源となる緑色の画素が提示される。この場合、観察者の眼が位置ＩＡにある場合および位置ＩＢにある場合に、位置ＰＧに緑色の画素が見える。

このようにして、観察者は、Ｙ方向における異なる位置（異なる高さ）で同一の立体画像３００を視認することができる。

（２−３）第２の実施の形態の効果
本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいては、複数の反射素子２をＸ方向およびＹ方向に密に配置することが可能となる。また、複数の反射素子２で反射された光線が光線制御子３によりＸ方向およびＹ方向において微小拡散される。したがって、Ｘ方向およびＹ方向において隙間のない光線群が形成される。その結果、コストを増加させることなくＸ方向およびＹ方向の任意の位置の観察者１０に間隙（途切れ）のない高品質の立体画像３００を提示することが可能となる。

また、観察者１０は、光線制御子３の前方または後方に提示される立体画像３００をＸ方向およびＹ方向の任意の位置から見ることができる。したがって、複数の人が特別な装置を用いることなく任意の位置から裸眼で立体画像３００を観察することができる。また、観察者１０の人数も制限されない。この場合、観察者１０の位置により立体画像３００の位置が変化することもない。

（３）第３の実施の形態
（３−１）立体ディスプレイの構成
図１４は第３の実施の形態に係る立体ディスプレイの主要部の模式的縦断面図である。図１５は第３の実施の形態に係る立体ディスプレイの主要部の模式的平面図である。図１５には、図１４の光線制御子３が図示されていない。

第３の実施の形態に係る立体ディスプレイが第２の実施の形態に係る立体ディスプレイと異なるのは、以下の点である。

図１４および図１５の立体ディスプレイは、走査型プロジェクタ１、複数の反射素子２、光線制御子３、記憶装置４（図２参照）および制御装置５（図２参照）を備える。

図１４に示されるように、複数の反射素子２は、上下方向の軸５００を中心とする回転対称な湾曲面を形成するように軸５００を中心とする複数の円周上に配置されている。図１４の例では、湾曲面は放物線形状の断面を有する。各反射素子２は、Ｘ軸が軸５００を中心とする湾曲面の円周方向を向きかつＹ軸が軸５００を中心とする湾曲面の半径方向を向くように設けられる。

走査型プロジェクタ１は、軸５００上に配置されている。走査型プロジェクタ１は、光線を出射するとともにその光線を軸５００を中心とする円周方向に移動させるとともに上下方向に揺動させることにより、光線で複数の反射素子２の反射面を円周方向および半径方向に走査することができる。この場合、走査型プロジェクタ１は、湾曲面を形成するように配置された複数の反射素子２の反射面に順次光線を照射することができる。それにより、走査型プロジェクタ１は、擬似的に複数の光線からなる光線群を出射する。反射素子２の構成および動作は、図２の反射素子２の構成および動作と同様である。

光線制御子３は、軸５００を中心として回転対称な円錐形状を有し、底部が上方を向くように複数の反射素子２の上方に配置される。光線制御子３の底部は開口している。光線制御子３の構造および機能は、図１２の光線制御子３の構造および機能と同様である。この光線制御子３は、入射した光線を透過させつつ稜線方向および円周方向において微小拡散させる。光線制御子３は、例えば、テーブルの天板の円形孔部に嵌め込まれる。

テーブルの周囲にいる観察者は、テーブルの天板の斜め上方から光線制御子３の内周面を観察することができる。

制御装置５（図２）は、記憶装置４（図２）に記憶される立体形状データに基づいて走査型プロジェクタ１および複数の反射素子２を制御する。それにより、光線制御子３の内部および上方に立体画像３００が提示される。

（３−２）第３の実施の形態の効果
本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいては、複数の反射素子２を円周方向および半径方向に密に配置することが可能となる。また、複数の反射素子２で反射された光線が光線制御子３により円周方向および稜線方向において微小拡散される。したがって、円周方向および稜線方向において隙間のない光線群が形成される。その結果、コストを増加させることなく円周方向および高さ方向の任意の位置の観察者に間隙（途切れ）のない高品質の立体画像３００を提示することが可能となる。

また、観察者は、光線制御子３の内部または上方に提示される立体画像３００を円周方向および高さ方向の任意の位置から見ることができる。したがって、複数の人が特別な装置を用いることなく任意の位置から裸眼で立体画像３００を観察することができる。また、観察者の人数も制限されない。この場合、観察者の位置により立体画像３００の位置が変化することもない。

（４）第４の実施の形態
（４−１）立体ディスプレイの構成
図１６は第４の実施の形態に係る立体ディスプレイの主要部の模式的縦断面図である。図１７は第４の実施の形態に係る立体ディスプレイの主要部の模式的平面図である。図１７には、図１６の光線制御子３が図示されていない。

第４の実施の形態に係る立体ディスプレイが第３の実施の形態に係る立体ディスプレイと異なるのは、以下の点である。

図１６および図１７の立体ディスプレイは、複数の走査型プロジェクタ１、複数の反射素子２、光線制御子３、記憶装置４（図２参照）および制御装置５（図２参照）を備える。

本実施の形態における複数の反射素子２の配置は、第３の実施の形態における複数の反射素子２の配置と同様である。

複数の走査型プロジェクタ１は、軸５００を中心とする複数の円周上に配置されている。また、複数の走査型プロジェクタ１は複数段に配置される。図１４の例では、複数の走査型プロジェクタ１が上段、中段および下段に配置される。各段には複数の走査型プロジェクタ１が等角度間隔で配置される。

湾曲面は、複数の走査型プロジェクタ１に対応して複数の領域に区分される。図１６および図１７の例では、湾曲面が上段、中段および下段の走査型プロジェクタ１に対応して上段、中段および下段の環状領域に区分され、各段の環状領域が複数の部分環状領域に区分される。各走査型プロジェクタ１は、光線を出射するとともにその光線を軸５００を中心とする円周方向に移動させるとともに上下方向に揺動させることにより、光線で対応する部分環状領域の複数の反射素子２の反射面を円周方向および半径方向に走査することができる。この場合、各走査型プロジェクタ１は、対応する部分環状領域の複数の反射素子２の反射面に順次光線を照射することができる。それにより、各走査型プロジェクタ１は、擬似的に複数の光線からなる光線群を出射する。反射素子２の構成および動作は、図２の反射素子２の構成および動作と同様である。また、光線制御子３の形状、構造および機能は、図１４の光線制御子３の形状、構造および機能と同様である。

制御装置５（図２）は、記憶装置４（図２）に記憶される立体形状データに基づいて複数の走査型プロジェクタ１および複数の反射素子２を制御する。それにより、光線制御子３の内部および上方に立体画像３００が提示される。

（４−２）第４の実施の形態の効果
本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいては、第３の実施の形態に係る立体ディスプレイと同様に、複数の反射素子２を円周方向および稜線方向に密に配置することが可能となる。また、複数の反射素子２で反射された光線が光線制御子３により円周方向および稜線方向において微小拡散される。したがって、円周方向および半径方向において隙間のない光線群が形成される。その結果、コストを増加させることなく円周方向および高さ方向の任意の位置の観察者に間隙（途切れ）のない高品質の立体画像３００を提示することが可能となる。

また、観察者は、光線制御子３の内部または上方に提示される立体画像３００を円周方向および高さ方向の任意の位置から見ることができる。したがって、複数の人が特別な装置を用いることなく任意の位置から裸眼で立体画像３００を観察することができる。また、観察者の人数も制限されない。この場合、観察者の位置により立体画像３００の位置が変化することもない。

さらに、複数の走査型プロジェクタ１が用いられるので、各反射素子２の反射面に光線が照射される時間を十分に確保することができる。それにより、明るい立体画像の提示が可能となる。

（５）請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。

上記第１〜第４の実施の形態では、反射素子２が反射素子の例であり、反射面２４が反射面の例であり、走査型プロジェクタ１が光線発生器の例であり、光線制御子３が光線制御子の例であり、制御装置５が制御手段の例である。第１および第２の実施の形態では、Ｘ方向が第１の方向の例であり、Ｙ方向が第２の方向の例であり、第３および第４の実施の形態では、円周方向が第１の方向の例であり、半径方向が第２の方向の例である。第１〜第４の実施の形態では、Ｘ軸が第１の軸の例であり、Ｙ軸が第２の軸の例である。

請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。

（６）他の実施の形態の形態
（ａ）上記の第１および第２の実施の形態では、１つの走査型プロジェクタ１が用いられるが、複数の走査型プロジェクタ１が用いられてもよい。この場合、複数の反射素子２が複数の組に区分され、各走査型プロジェクタ１が１つの組の複数の反射素子２に対応付けられる。各走査型プロジェクタ１は、対応する組の複数の反射素子２に光線を照射するように配置される。それにより、各反射素子２の反射面２４の各反射点に光線が照射される時間を長くすることができる。したがって、複数の反射素子２の数を増加させることにより、さらに高品質の立体画像３００を提示することが可能となる。

（ｂ）上記の第１〜第４の実施の形態では、光線発生器として、走査型プロジェクタ１を用いているが、これに限定されない。光線発生器としては、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）またはＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の空間光変調器および複数のレンズからなるレンズアレイ等の投影系を備えた一般的なプロジェクタを用いることもできる。この場合、１または複数の反射素子２に異なる方向の複数の光線を同時に照射することができる。

（ｃ）上記の第１の実施の形態では、複数の反射素子２が直線状に配置されているが、複数の反射素子２が曲線状に配置されてもよい。

（ｄ）上記の第２の実施の形態では、複数の反射素子２が平面状に配置されているが、複数の反射素子２が曲面状に配置されてもよい。

（ｅ）上記の第３および第４の実施の形態では、複数の反射素子２が回転対称な湾曲面を形成するように配置されているが、複数の反射素子２が平面、曲面または環状面を形成するように配置されてもよい。また、複数の反射素子２が１つの円周上に環状に配置されてもよい。この場合には、光線制御子３が光線を円周方向において第１の角度範囲で拡散させて透過させかつ稜線方向において第１の角度範囲よりも大きい第２の角度範囲で拡散させて透過させるように形成される。それにより、観察者が上下方向に移動した場合でも、立体画像を視認することができる。

（ｆ）上記の第１〜第４の実施の形態では、反射素子２がＭＥＭＳにより形成されるが、反射素子２としてガルバノミラーまたはポリゴンミラーのように光線を反射方向を変更可能な他の反射素子が用いられてもよい。

（ｇ）上記の第１および第２の実施の形態では、光線制御子３が平面状に形成されているが、光線制御子３が曲面状に形成されてもよい。

（ｈ）上記の第３および第４の実施の形態では、光線制御子３が円錐形状に形成されるが、光線制御子３が円錐台形状に形成されてもよく、または光線制御子３が平面状もしくは曲面状に形成されてもよい。

（ｉ）上記の第１および第２の実施の形態では、観察者１０が光線制御子３の前方から立体画像３００を観察するように構成されるが、本発明はこれに限定されない。光線制御子３の前方に鏡が配置されることにより観察者１０が光線制御子３の後方（複数の反射素子２の側）から立体画像３００を観察可能なように立体ディスプレイが構成されてもよい。それにより、光線制御子３の前方側（複数の反射素子２と反対側）にスペースが不要となる。

第１の実施の形態では、平面状の鏡が配置される。第２の実施の形態では、複数の反射素子２の複数列に対応してＸ方向に延びる帯状の複数の鏡が配置されることが好ましい。複数の鏡は、観察者１０の眼に光線が入射するようにそれぞれ異なる角度で傾斜される。

（ｊ）上記の第３および第４の実施の形態に係る立体ディスプレイが次のように変形されてもよい。湾曲面を形成する複数の反射素子２がその内面側（反射面の側）が下を向くように光線制御子３の開口の上方に配置される。１または複数の走査型プロジェクタ１は、光線制御子３の中心軸またはその周囲でかつ光線制御子３と複数の反射素子２との間の空間に配置される。また、光線制御子３の外側を取り囲むように鏡が配置される。この変形例では、１または複数の走査型プロジェクタ１から複数の反射素子２に光線が照射され、複数の反射素子２で反射された複数の光線が光線制御子３の内側から外側に透過し、鏡で反射される。鏡で反射された複数の光線により光線制御子３の上方に立体画像３００が提示される。観察者１０は、立体画像３００を光線制御子３の上方から観察することができる。

（ｋ）上記の第１〜第４の実施の形態において、光線制御子３が蓄光効果を有してもよい。その場合、各反射素子２に光線が照射される時間を短くすることができる。その結果、反射素子２の数を増加させることが可能となる。それにより、立体ディスプレイの解像度を向上させることができる。

（ｌ）上記の第１〜第４の実施の形態においては、複数の反射素子２の反射面２４がＸ軸を中心として揺動可能かつＹ軸を中心として揺動可能に構成されているが、これに限定されない。複数の反射素子２の反射面２４がＸ軸を中心として揺動可能でかつＹ軸を中心として揺動しないように構成されてもよい。この場合には、複数の反射素子２の反射面２４がＸ方向に対してそれぞれ異なる角度をなすように複数の反射素子２の向きを設定することにより、光線をＸ方向に平行な面内で異なる方向に反射させることが可能である。

裸眼で視認可能な立体画像を提示するために利用することができる。

１ 走査型プロジェクタ
２ 反射素子
３ 光線制御子
４ 記憶装置
５ 制御装置
１０ 観察者
２１ 支持枠
２２ 可動枠
２３ 反射部材
２４，２４−１，２４−２，２４−３，２４−４，２４−５，２４−６，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ 反射面
１００ 立体画像
１００Ｒ 右眼
１００Ｌ 左眼
３００ 立体画像
５００ 軸
ａ，ｂ，Ｘ，Ｙ，Ｚ 矢印
Ｅ，Ｅ’，ＩＡ，ＩＢ，Ｉ２１，Ｉ２２〜Ｉ２６，ｐ１〜ｐ８，ＰＧ，ＰＲ， 位置
Ｌ，Ｌ１〜Ｌ８，Ｌ１１〜Ｌ１５，Ｌ２１〜Ｌ２６，Ｌａ〜Ｌｄ，Ｌ３１〜Ｌ３４ 光線
Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐａ〜Ｐｄ 点
ｔ１〜ｔ８ 時点
α 角度範囲
θ１〜θ８，２θ１〜〜２θ８ 角度

Claims (6)

1. 立体形状データに基づいて立体画像を提示するための立体ディスプレイであって、
   第１の方向に沿って並びかつ前記第１の方向に交差する第２の方向において少なくとも１列に配置されるとともに、前記第１の方向に沿った第１の軸を中心として揺動可能に構成される反射面をそれぞれ有する複数の反射素子と、
   前記複数の反射素子の前記反射面に光線を照射する光線発生器と、
   前記複数の反射素子の前記反射面により反射された光線を透過させる光線制御子と、
   前記複数の反射素子および前記光線発生器を制御する制御手段とを備え、
   前記複数の反射素子の前記反射面は、前記第１の方向に平行な面内で異なる方向に光線を反射するように設けられ、
   前記制御手段は、各反射素子の前記反射面への光線の照射時に、各反射素子の前記反射面が前記第１の軸を中心として揺動することにより一定時間内において各反射素子の前記反射面でそれぞれ異なる方向に反射された複数の光線からなる光線群が形成されるように前記複数の反射素子を制御し、前記立体形状データに基づいて、前記光線制御子を透過した前記複数の反射素子からの複数の光線群により立体画像が提示されるように前記光線発生器を制御するように構成される、立体ディスプレイ。
2. 各反射素子の前記反射面は、前記第２の方向に沿った第２の軸の周りでさらに揺動可能に構成され、
   前記制御手段は、各反射素子の前記反射面への光線の照射時に、各反射素子の前記反射面が前記第１の軸を中心として揺動するとともに前記第２の軸を中心として揺動することにより一定時間内において各反射素子の前記反射面でそれぞれ異なる方向に反射された複数の光線からなる光線群が形成されるように前記複数の反射素子を制御するように構成される、請求項１記載の立体ディスプレイ。
3. 前記光線発生器は、光線を前記第１の方向に平行な面内で偏向させるように構成され、
   前記制御手段は、光線が前記第１の方向に走査されることにより前記複数の反射素子の前記反射面に順次光線が照射されつつ各反射素子の前記反射面が前記第１の軸を中心として揺動することにより一定時間内において各反射素子の前記反射面でそれぞれ異なる方向に反射された複数の光線からなる光線群が形成されるように前記光線発生器および前記複数の反射素子を制御するように構成される、請求項１または２記載の立体ディスプレイ。
4. 前記光線制御子は、前記複数の反射素子からの光線を前記第１の方向において第１の角度範囲で拡散させて透過させるとともに前記第２の方向において第２の角度範囲で拡散させて透過させ、
   前記第１の角度範囲は、前記光線群により提示される立体画像に実質的に間隙が形成されずかつ立体画像の立体形状が認識されるように設定され、前記第２の角度範囲は、前記第１の角度範囲よりも大きく設定される、請求項１〜３のいずれかに記載の立体ディスプレイ。
5. 前記複数の反射素子は、さらに前記第２の方向において複数列に配置され、
   前記光線発生器は、前記複数列の複数の反射素子に光線を照射するように構成される、請求項１〜３のいずれかに記載の立体ディスプレイ。
6. 前記光線制御子は、前記複数の反射素子からの光線を前記第１の方向において第１の角度範囲で拡散させて透過させるとともに前記第２の方向において第２の角度範囲で拡散させて透過させ、
   前記第１および第２の角度範囲は、前記光線群により提示される立体画像に実質的に間隙が形成されずかつ立体画像の立体形状が認識されるように設定される、請求項５記載の立体ディスプレイ。

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