JP2013210591A - 立体ディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】任意の位置から違和感なく視認可能な立体画像を提示する立体ディスプレイを提供する。
【解決手段】立体ディスプレイは、光線制御子１、複数のプロジェクタ２、制御装置３および記憶装置４により構成される。光線制御子１は、軸Ｃを中心として回転対称な円錐形状を有する。光線制御子１は、入射した光線が稜線方向Ｔおよび軸Ｃを中心とする円周方向Ｒにおいて微小に拡散して透過するように形成されている。テーブル５の下方には、光線制御子１の軸Ｃを中心として回転対称な仮想湾曲面ＤＰに沿うように複数のプロジェクタ２が面状に密に配置されている。複数のプロジェクタ２は、光線制御子１の下方から光線制御子１の外周面に光を照射するように設けられる。
【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。

テーブルの周囲に複数の人が集い、共同作業をする場面が多々見られる。テーブルを共同作業するためのツールとみなし、このツールを用いた共同作業をコンピュータを使用して支援する種々の研究が行われている。例えば、ＣＳＣＷ（Computer Supported Cooperative Work：コンピュータ支援協調作業）およびグループウェアの研究が挙げられる。

テーブル上の作業をデジタル化することの利点としては、作業の過程を電子的に記録できる、および遠隔地間での情報の共有ができる等が挙げられる。従来の研究で表示される画像はテーブルにプロジェクタで投影されるか、またはテーブル自体がＬＣＤ（液晶表示装置）等のディスプレイからなる。いずれの場合も２次元の平面画像が表示される。

このような平面画像では、書類のような情報しか提示できず、立体的な３次元形状の情報は提示できない。また、単一の平面画像を表示した場合、テーブルを取り囲む人の位置によっては情報が逆になるため、非常に見にくい。

そこで、テーブル上に立体画像を提示する方法が提案されている。特許文献１に記載される立体ディスプレイにおいては、テーブルに設けられた円形孔部に円錐台形状の光線制御子が嵌め込まれる。光線制御子は、入射した光線が稜線方向において拡散して透過しかつ円周方向において拡散せずに直進して透過するように形成される。光線制御子の軸を中心とする円周上に複数のプロジェクタが配置される。複数のプロジェクタから光線制御子の外周面に向けて複数の光線からなる光線群がそれぞれ出射される。それにより、テーブル上に仮想的な点光源の集合が形成される。その結果、テーブル上に立体画像が提示される。

特開２０１０−３２９５２号公報

しかしながら、上記特許文献１の立体ディスプレイにおいては、一定の高さの位置から立体画像を観察する必要がある。観察位置が上下に移動すると、立体画像が変形するとともに上下に移動して見えるので、観察者に違和感が生じる。

本発明の目的は、任意の位置から違和感なく視認可能な立体画像を提示する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、複数の出射位置を有し、各出射位置から異なる方向の複数の光線からなる光線群を出射するように構成された光線発生部と、光線発生部の複数の出射位置から出射された複数の光線群の各光線を所定の角度範囲で拡散させて透過させる光線制御子と、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ように光線発生部を制御する制御部とを備え、複数の出射位置は、面状に配置され、所定の角度範囲は、複数の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ものである。

その立体ディスプレイにおいては、光線発生部の各出射位置から異なる方向の複数の光線からなる光線群が出射される。出射された複数の光線群の各光線が光線制御子を所定の角度範囲で拡散されつつ透過する。光線制御子を透過した複数の光線群の交点が点光源となる。観察者は、各点光源を立体画像の画素として認識し、点光源の集合を立体画像として認識する。制御部は、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ように光線発生部を制御する。

この場合、複数の出射位置が面状に配置されるので、３次元的に異なる複数の出射位置から飛来する複数の光線により立体画像の各画素を形成することができるとともに３次元空間に広がる視域を定義することができる。また、複数の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光線制御子による光線の拡散の角度範囲が設定される。それにより、観察者は、３次元空間に広がる視域から同じ位置に変形しない高品質の立体画像を視認することができる。その結果、任意の位置から違和感なく視認可能な立体画像が提示される。

（２）光線発生部の複数の出射位置は、回転対称な仮想湾曲面に沿うように設けられてもよい。

この場合、複数の出射位置から複数の光線群を仮想湾曲面の中心軸の周囲に集中させることができる。それにより、光線制御子による各光線の拡散の角度範囲を小さくした場合でも、複数の光線間に間隙が生じない。したがって、より高品質の立体画像を提示することが可能になる。

（３）光線発生部の複数の出射位置は、仮想平面に沿うように設けられてもよい。

この場合、大きな空間に立体画像を提示することが可能となる。また、立体ディスプレイの薄型化が可能となる。

（４）光線制御子は回転対称な外周面を有し、光線発生部は、複数の出射位置から光線制御子の外周面に複数の光線群を出射するように構成されてもよい。

この場合、光線制御子により拡散された複数の光線を光線制御子の中心軸の周囲に集中させることができる。それにより、光線制御子による各光線の拡散の角度範囲を小さくした場合でも、複数の光線間に間隙が生じない。したがって、より高品質の立体画像を提示することが可能になる。

（５）光線制御子は平面または曲面を有し、光線発生部は、複数の出射位置から光線制御子の平面または曲面に複数の光線群を出射するように構成されてもよい。

この場合、大きな空間に立体画像を提示することが可能となる。また、立体ディスプレイの薄型化が可能となる。

（６）光線発生部の複数の出射位置は、立体画像が提示されるべき領域において予め設定された基準位置に関して略等角度間隔で設けられ、所定の角度範囲は、隣り合う出射位置のうち一方の出射位置から基準位置を通るように出射される光線と他方の出射位置から基準位置を通るように出射される光線とがなす角度の２倍以下の範囲であってもよい。

この場合、光線制御子により拡散された複数の光線が互いに重なることが抑制される。それにより、立体画像をより鮮明に認識することが可能となる。

本発明によれば、任意の位置から違和感なく視認可能な立体画像を提示することができる。

第１の実施の形態に係る立体ディスプレイの模式的断面図である。 第１の実施の形態に係る立体ディスプレイの模式的平面図である。 光線制御子の斜視図である。 光線制御子の一部の拡大断面図である。 プロジェクタの動作を説明するための模式的平面図および模式的断面図である。 プロジェクタの動作を説明するための模式的平面図および模式的断面図である。 立体画像の提示方法を説明するための模式的平面図および模式的断面図である。 立体画像の提示方法を説明するための模式的平面図および模式的断面図である。 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。 光線制御子による光線の拡散について説明するための模式図である。 拡散光の出射方向と光量との関係を示す図である。 拡散角度の設定例について説明するための模式的平面図である。 拡散角度の設定例について説明するための模式的平面図である。 拡散角度の他の設定例について説明するための模式的平面図である。 拡散角度のさらに他の設定例について説明するための模式図である。 光線制御子の他の形状について説明するための模式的斜視図である。 複数のプロジェクタの他の配置例について説明するため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の主要部の模式的縦断面図である。 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平面図である。 反射素子の構成の一例を示す模式図である。

（１）第１の実施の形態
（１−１）立体ディスプレイの構成
図１は本発明の第１の実施の形態に係る立体ディスプレイの模式的断面図である。図２は図１の立体ディスプレイの模式的平面図である。図３は図１および図２の立体ディスプレイに用いられる光線制御子の斜視図である。

図１に示すように、立体ディスプレイは、光線制御子１、複数のプロジェクタ２、制御装置３および記憶装置４により構成される。

図１および図２の立体ディスプレイは、テーブル５に設けられる。テーブル５は、天板５１および複数の脚５２からなる。天板５１は円形孔部を有する。

図３に示すように、光線制御子１は、軸Ｃを中心として回転対称な円錐形状を有する。光線制御子１の底部は開口している。光線制御子１は、入射した光線が稜線方向Ｔおよび軸Ｃを中心とする円周方向Ｒにおいて微小に拡散して透過するように形成されている。

図１に示すように、光線制御子１は、底部開口が上方を向くように天板５１の円形孔部に嵌め込まれる。テーブル５の周囲にいる観察者１０は、テーブル５の天板５１のよりも高い位置から光線制御子１の内周面を観察することができる。

テーブル５の下方には、光線制御子１の軸Ｃを中心として回転対称な仮想湾曲面ＤＰに沿うように複数のプロジェクタ２が面状に密に配置されている。例えば、複数のプロジェクタ２が軸Ｃを中心とする円環状の列を仮想湾曲面ＤＰに沿うように複数段に形成する。本例では、仮想湾曲面ＤＰは放物線形状の断面を有する。

複数のプロジェクタ２は、光線制御子１の下方から光線制御子１の外周面に光を照射するように設けられる。なお、テーブル５の円形孔部に透明の円形板が嵌め込まれてもよい。また、その円形板が光線を微小に拡散させる特性を有してもよく、円形板の他に光線を微小に拡散させる特性を有するフィルムが配置されてもよい。

プロジェクタ２は、２次元的な画像を光線制御子１の外周面に投影するように、複数の光線からなる光線群を出射する。プロジェクタ２としては、例えば、走査型プロジェクタが用いられる。走査型プロジェクタは、レーザ光からなる光線を出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ことにより、擬似的に複数の光線からなる光線群を出射する。なお、プロジェクタ２として、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）またはＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）等の空間光変調器および投影レンズを備えたプロジェクタが用いられてもよい。

複数のプロジェクタ２は、軸Ｃ上の共通の位置（以下、基準位置と呼ぶ）ＰＳにそれぞれ向けられることが好ましい。基準位置ＰＳは、例えば立体画像３００が提示される領域の中心位置である。この場合、複数のプロジェクタ２の光軸がそれぞれ基準位置ＰＳを通過する。プロジェクタ２の光軸とは、光線群の中心となる光線の軸をいう。また、基準位置ＰＳに関して、複数のプロジェクタ２の光軸が等角度間隔であることが好ましい。さらに、基準位置ＰＳと複数のプロジェクタ２との間の距離が均一であることが好ましい。

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３００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３は、例えばパーソナルコンピュータからなる。制御装置３は、記憶装置４に記憶される立体形状データに基づいて複数のプロジェクタ２を制御する。それにより、光線制御子１の内部および上方に立体画像３００が提示される。

（１−２）光線制御子の構成および製造方法
図４は、光線制御子１の一部の拡大断面図である。図４（ａ）の光線制御子１は、制御子本体１１および微小拡散層１２を有する。制御子本体１１は、入射した光線が拡散することなく透過するように構成される。制御子本体１１の外周面を覆うように微小拡散層１２が設けられる。微小拡散層１２中には、大きさおよび形状が不規則な複数の粒子１２ａが分散的に配置される。粒子１２ａ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１２は、入射した光線が微小に拡散して透過するように構成される。

例えば、樹脂溶液中に複数の粒子１２ａを混合し、その溶液を制御子本体１１の外周面上に塗布して硬化させることにより、微小拡散層１２を形成することができる。また、制御子本体１１の外周面上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１２ａを分散的に接着させることにより微小拡散層１２を形成することができる。

なお、制御子本体１１の外周面上に微小拡散層１２が設けられる代わりに、制御子本体１１の内周面上に微小拡散層１２が設けられてもよい。また、制御子本体１１の外周面上および内周面上の両方に微小拡散層１２が設けられてもよい。また、微小拡散層１２を単独で形成することが可能であれば、制御子本体１１を設けなくてもよい。

図４（ａ）の光線制御子１の代わりに、図４（ｂ）の光線制御子１を用いてもよい。図４（ｂ）の光線制御子１においては、制御子本体１１の外周面に不規則的なパターンを有する凹凸１３ａが形成される。これにより、制御子本体１１に入射した光線が微小に拡散して透過する。

凹凸１３ａは、機械加工、レーザ加工またはエッチング等によって形成することができる。例えば、凹凸１３ａに対応する形状を有する金型を作製し、その金型を制御子本体１１の表面に押し当てることにより凹凸１３ａを形成することができる。また、例えば、ポンチ等によって制御子本体１１の表面に不規則的に凹部を形成することにより凹凸１３ａを形成することもできる。また、インクジェットプリンタにより制御子本体１１の表面に光透過性のインクを付着させることにより凹凸１３ａを形成することもできる。また、凹凸１３ａの代わりに光透過部と遮光部とを格子状のパターンとして有する制御子本体１１を作製し、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。

なお、制御子本体１１の外周面に凹凸１３ａが設けられる代わりに、制御子本体１１の内周面に凹凸１３ａが設けられてもよい。また、制御子本体１１の外周面および内周面の両方に凹凸１３ａが設けられてもよい。

（１−３）プロジェクタ２の動作
図５および図６はプロジェクタ２の動作を説明するための模式的平面図および模式的断面図である。図５および図６にはそれぞれ１つのプロジェクタ２のみが示される。

上記のように、各プロジェクタ２は、光線制御子１の外周面に２次元的な画像を投影するように光線群を出射する。この場合、光線群の各光線Ｌが、投影される画像の各画素に対応する。各光線Ｌの色（各画素の色）は、提示されるべき立体画像３００に応じて設定される。

なお、プロジェクタ２として走査型プロジェクタを用いる場合には、光線Ｌの出射方向ごとに光線Ｌの色が設定される。これにより、擬似的に上記同様の光線群を形成することができる。

図５および図６に示すように、プロジェクタ２は、光線制御子１の回転方向および稜線方向に拡がる複数の光線Ｌを光線制御子１に照射する。複数の光線Ｌは、それぞれ任意の色に設定される。それにより、光線制御子１の複数の位置ＰＮをそれぞれ設定された色の光線Ｌが透過する。光線制御子１は、円周方向および稜線方向において各光線Ｌを微小拡散させてほぼ直線状に透過させる。そのため、複数の光線Ｌのうち、観察者の眼に入射する光線Ｌはほぼ一本の光線である。したがって、観察者は、各プロジェクタ２から出射される複数の光線Ｌのうち一本の光線Ｌのみを視認することができる。実際には、観察者の右眼および左眼の各々に一本の光線Ｌが入射する。

（１−４）立体画像３００の提示方法
図７および図８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および模式的断面図である。図７および図８においては、３つのプロジェクタ２Ａ，２Ｂ，２Ｃが示される。プロジェクタ２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、仮想湾曲面ＤＰの円周方向において異なる位置にあり（図７）、かつ仮想湾曲面ＤＰの半径方向において互いに異なる位置にある（図８）。

図７および図８において、例えば、光線制御子１の上方の位置ＰＲに赤色の画素を提示する場合には、プロジェクタ２Ａから位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＡ０を出射し、プロジェクタ２Ｂから位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＢ０を出射し、プロジェクタ２Ｃから位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＣ０を出射する。

それにより、赤色の光線ＬＡ０，ＬＢ０，ＬＣ０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ＩＡ０，ＩＢ０，ＩＣ０にある場合に、位置ＰＲに赤色の画素が見える。位置ＩＡ０，ＩＢ０，ＩＣ０は、軸Ｃを中心とする円周方向において互いに異なり、かつ上下方向において互いに異なる。

同様にして、光線制御子１の上方の位置ＰＧに緑色の画素を提示する場合には、プロジェクタ２Ａから位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＡ１を出射し、プロジェクタ２Ｂから位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＢ１を出射し、プロジェクタ２Ｃから位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＣ１を出射する。

それにより、緑色の光線ＬＡ１，ＬＢ１，ＬＣ１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ＩＡ１，ＩＢ１，ＩＣ１にある場合に、位置ＰＧに緑色の画素が見える。位置ＩＡ１，ＩＢ１，ＩＣ１は、軸Ｃに平行な方向において互いに異なり、かつ軸Ｃを中心とする円周方向において互いに異なる。

このようにして、複数のプロジェクタ２Ａ，２Ｂ，２Ｃ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。

プロジェクタ２Ａ，２Ｂ，２Ｃを含む複数のプロジェクタ２が光線制御子１の下方において仮想湾曲面ＤＰに沿うように密に並べられており、それらの複数のプロジェクタ２から出射される光線群によって光線制御子１の内部および上方の空間が十分に密に交点群で満たされていれば、テーブル５（図１）よりも高いいずれの位置から光線制御子１の内部を観察しても位置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の色を複数のプロジェクタ２Ａ，２Ｂ，２Ｃ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１の内部および上方の空間に提示することができる。この場合、観察者は、テーブル５（図１）よりも高い位置において、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。

制御装置３は、設定した光線群の各光線の色に基づいて複数のプロジェクタ２を制御する。それにより、光線制御子１の上方に立体画像３００が提示されるように、各プロジェクタ２から設定された色をそれぞれ有する光線群が出射される。

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は、どのような方向からでも正しく観察されるように表示される。

（１−５）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９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９には、４つのプロジェクタ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが示される。

図９において、観察者が光線制御子１の点Ｐ３１を見た場合には、右眼１００Ｒにプロジェクタ２ａから出射された光線Ｌａが入射し、左眼１００Ｌにプロジェクタ２ｂから出射された光線Ｌｂが入射する。また、観察者が光線制御子１の点Ｐ３２を見た場合には、右眼１００Ｒにプロジェクタ２ｃから出射された光線Ｌｃが入射し、左眼１００Ｌにプロジェクタ２ｄから出射された光線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１上の点Ｐ３１の色は見る方向により異なる。また、光線制御子１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９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、仮想的な点光源とみなすことができる。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。

（１−６）光線の拡散範囲
（１−６−１）
図１０は、光線制御子１による光線の拡散について説明するための模式図である。図１０に示すように、光線制御子１に入射した光線Ｌは、所定の角度範囲θ０で拡散して透過する。以下、拡散の角度範囲θ０を拡散角度θ０と呼ぶ。また、光線制御子１により拡散された光を拡散光と呼ぶ。

図１１は、拡散光の出射方向と光量との関係を示す図である。図１１において、横軸は、拡散光の出射角度を示し、縦軸は相対光量を示す。拡散光の出射角度とは、光線制御子１に対する光線Ｌの入射方向と拡散光の出射方向とがなす角度をいう。相対光量とは、光線制御子１に対する光線Ｌの入射方向と等しい方向に出射される拡散光の光量を１とした場合の相対的な光量の大ききをいう。

図１１に示すように、出射角度が０度の拡散光（入射方向と同じ方向に出射される拡散光）の相対光量が最も大きい。出射角度が大きくなるほど、拡散光の相対光量が減少する。拡散角度θ０は、例えば、相対光量が２分の１以上となる拡散光の出射角度の範囲である。

（１−６−２）
図１２および図１３は、拡散角度θ０の設定例について説明するための模式的平面図である。図１２および図１３においては、仮想湾曲面ＤＰの円周方向において互いに隣り合う２つのプロジェクタ２Ｐ，２Ｑのみが示される。

図１２および図１３の例では、プロジェクタ２Ｐ，２Ｑが基準位置ＰＳに向けられる。プロジェクタ２Ｐの光軸とプロジェクタ２Ｑの光軸とは角度θ１をなす。以下、角度θ１を配置角度θ１と呼ぶ。基準位置ＰＳに画素を提示するために、プロジェクタ２Ｐから光軸に沿った光線Ｌ１１が出射され、プロジェクタ２Ｑから光軸に沿った光線Ｌ１２が出射される。光線Ｌ１１は、光線制御子１により拡散角度θ０の範囲で拡散されて拡散光Ｌ１１ａとなり、光線Ｌ１２は、光線制御子１により拡散角度θ０の範囲で拡散されて拡散光Ｌ１２ａとなる。

図１２の例では、拡散角度θ０が配置角度θ１よりも小さい。この場合、光線制御子１の外方（斜め上方）において、拡散光Ｌ１１ａと拡散光Ｌ１２ａとの間に間隙が形成される。その間隙内の位置ＰＸにおいては、基準位置ＰＳの画素を認識することができない。一方、拡散角度θ０が大きすぎると、多数の拡散光が重なり合う。そのため、観察者が立体画像３００の立体形状を適切に認識することが難しくなる。

本実施の形態では、複数の光線群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拡散角度θ０が設定される。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、複数のプロジェクタ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とプロジェクタ２との距離等の観察条件を考慮して設定される。

図１３の例では、拡散角度θ０が配置角度θ１の１倍以上でかつ２倍以下に設定される。拡散角度θ０が配置角度θ１の１倍以上であることにより、光線制御子１の外方において、拡散光Ｌ１１ａと拡散光Ｌ１２ａとの間に間隙が形成されない。そのため、拡散光Ｌ１１ａと拡散光Ｌ１２ａとの間に、基準位置ＰＳの画素を認識することができない位置が存在しない。したがって、プロジェクタ２Ｐ，２Ｑと同様の角度間隔で全てのプロジェクタ２が仮想湾曲面ＤＰに沿って配置されることにより、光線制御子１よりも高い任意の位置において、基準位置ＰＳの画素を認識することが可能となる。

また、拡散角度θ０が配置角度θ１の例えば２倍以下であることにより、多数の拡散光の重なりを抑制することができる。それにより、明確に立体画像３００の立体形状を認識することが可能となる。隣り合う光線の色が異なる場合は、拡散光の重なり部分で色の変化が生じる。しかしながら、隣り合う２つの拡散光の重なりが立体画像３００の立体形状に与える影響は小さい。

なお、図１２および図１３には、仮想湾曲面ＤＰの円周方向において互いに隣り合う２つのプロジェクタ２Ｐ，２Ｑから出射される光線Ｌ１１，Ｌ１２の拡散について示されるが、仮想湾曲面ＤＰの半径方向において隣り合う２つのプロジェクタから出射される光線も図１２および図１３の例と同様に拡散する。そのため、仮想湾曲面ＤＰの半径方向において隣り合う２つのプロジェクタの光軸がなす角度も、上記の配置角度θ１と等しいことが好ましい。

また、図１２および図１３の例では、光線Ｌ１１，Ｌ１２が基準位置ＰＳで交差するので、光線Ｌ１１，Ｌ１２がなす角度（以下、光線角度と呼ぶ）が配置角度θ１と等しいが、光線Ｌ１１，Ｌ１２が基準位置ＰＳ以外の位置で交差する場合、すなわち、光線Ｌ１１，Ｌ１２が基準位置ＰＳ以外の位置に画素を提示する場合には、光線角度が配置角度θ１と異なる。しかしながら、光線角度と配置角度θ１との差は微小である。そのため、基準位置ＰＳ以外の位置に画素を提示する場合においても、上記のように配置角度θ１に対して拡散角度θ０を設定することにより、同様の効果を得ることができる。

（１−６−３）
図１４は、拡散角度θ０の他の設定例について説明するための模式的平面図である。図１４においては、図１３の２つのプロジェクタ２Ｐ，２Ｑのみが示される。

図１４において、隣り合うプロジェクタ２のうち一方のプロジェクタ２Ｐの光線の出射位置と他方のプロジェクタ２Ｑの光線の出射位置との間の距離（以下、ピッチと呼ぶ）は、ＰＴである。

観察者の眼が位置ＩＰにある場合、観察者は、プロジェクタ２Ｐからの光線ＬＰにより提示される画素およびプロジェクタ２Ｑからの光線ＬＱにより提示される画素を認識することができる。光線ＬＰと光線ＬＱとは、角度θ３をなす。光線ＬＰは、光線制御子１により拡散角度θ０の範囲で拡散されて拡散光ＬＰａとなり、光線ＬＱは、光線制御子１により拡散角度θ０の範囲で拡散されて拡散光ＬＱａとなる。

本例では、拡散角度θ０が角度θ３とほぼ等しくなるように設定される。この場合、複数の拡散光の間に間隙が形成されず、かつ多数の拡散光の重なりが抑制される。それにより、観察者は、複数の光線により提示される画素とを離散的ではなく連続的に認識することができ、かつ各画素を明確に認識することができる。したがって、より明確に立体画像３００の立体形状を認識することが可能となる。

（１−６−４）
図１５は、拡散角度θ０のさらに他の設定例について説明するための模式図である。図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、複数のプロジェクタ２の正面図である。図１５の横方向は、仮想湾曲面ＤＰの円周方向に相当し、図１５の縦方向は、仮想湾曲面ＤＰの半径方向に相当する。

図１５（ａ）の例では、複数のプロジェクタ２がマトリクス状に配置される。この場合、互いに最も近接する４つのプロジェクタ２から出射される４つの光線の間の位置ＩＸにおいては、間隙が形成されやすくなる。例えば、位置ＩＸにおいて、周囲の４つのプロジェクタ２からの拡散光の相対光量（図１１）がそれぞれ４分の１となるように、拡散角度θ０を設定することが考えられる。しかしながら、図１１に示すように、相対光量と出射角度とは比例関係になく、出射角度によって相対光量が急激に変化する場合とゆるやかに変化する場合とが混在する。そのため、特定の位置において、相対光量を４分の１に調整することは容易ではない。そこで、図１５（ａ）の斜め方向におけるピッチＰＴａは、横方向および縦方向のピッチＰＴの√２倍であるので、光線制御子１の拡散角度θ０を角度θ３の√２倍に設定することが考えられる。この場合も、複数の拡散光間に間隙が形成されることを防止することができる。

図１５（ｂ）の例では、複数のプロジェクタ２が千鳥状に配置される。この場合、隣り合うプロジェクタ２間におけるピッチＰＴがいずれの方向においても均一となる。そのため、本例では、光線制御子１の拡散角度θ０が角度θ３とほぼ等しく設定された場合でも、複数の光線間に間隙が形成されることが防止される。

（１−７）効果
本実施の形態では、複数のプロジェクタ２が面状に配置されるので、３次元的に異なる複数の出射位置から飛来する複数の光線により立体画像３００の各画素を形成することができるとともに、テーブル５上に３次元空間に広がる視域を定義することができる。また、複数の光線群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光線制御子１による光線の拡散角度θ０が設定される。それにより、観察者は、３次元空間に広がる視域から同じ位置に変形しない高品質の立体画像３００を視認することができる。その結果、任意の位置から違和感なく視認可能な立体画像３００が提示される。

また、本実施の形態では、光線制御子１が円錐形状を有するとともに複数のプロジェクタ２が回転対称な仮想湾曲面ＤＰに沿うように設けられ、複数のプロジェクタ２から光線制御子１の外周面に複数の光線群が出射される。これにより、複数のプロジェクタ２から複数の光線群を仮想湾曲面ＤＰの中心軸Ｃの周囲に集中させることができる。それにより、光線制御子１による光線の拡散角度θ０を小さくした場合でも、複数の光線間に間隙が生じない。したがって、より高品質の立体画像３００を提示することが可能になる。

（１−８）変形例
（１−８−１）
上記実施の形態では、円錐形状の光線制御子１が用いられるが、光線制御子１の形状はこれに限らず、光線制御子１が平面状または曲面状に形成されてもよい。図１６は、光線制御子１の他の形状について説明するための模式的斜視図である。図１６および後述の図１７においては、テーブル５の図示が省略される。

図１６の立体ディスプレイは、平面状に形成された光線制御子１を備える。上記実施の形態と同様に、光線制御子１は、入射した光線が微小に拡散して透過するように構成される。仮想湾曲面ＤＰに沿うように配置された複数のプロジェクタ２から光線制御子１の下面に複数の光線群が照射される。それにより、上記実施の形態と同様に、光線制御子１の上方の空間を十分に密に交点群で満たすことができる。したがって、光線制御子１の上方の空間に立体画像３００が提示される。

この場合、大きな空間に立体画像３００を提示することが可能となる。また、光線制御子１の製造が容易になるとともに、立体ディスプレイの薄型化が可能となる。

（１−８−２）
上記実施の形態では、複数のプロジェクタ２が仮想湾曲面ＤＰに沿うように配置されるが、複数のプロジェクタ２の配置はこれに限らず、仮想平面または仮想曲面に沿うように複数のプロジェクタ２が配置されてもよい。図１７は、複数のプロジェクタの他の配置例について説明するための模式的斜視図である。

図１７の例では、複数のプロジェクタ２が光線制御子１の下方において仮想平面ＤＰａに沿うように配置される。複数のプロジェクタ２の光軸は、それぞれ基準位置ＰＳを通ることが好ましい。また、基準位置ＰＳに対して、複数のプロジェクタ２の光軸が等角度間隔であることが好ましい。仮想平面ＤＰａに沿うように配置された複数のプロジェクタ２から光線制御子１の外周面に複数の光線群が照射される。それにより、上記実施の形態と同様に、光線制御子１の内部および上方の空間を十分に密に交点群で満たすことができる。したがって、光線制御子１の内部および上方の空間に立体画像３００が提示される。

この場合、大きな空間に立体画像３００を提示することが可能となる。また、立体ディスプレイの薄型化が可能となる。

（１−８−３）
図１６の光線制御子１が用いられるとともに、図１７の例のように複数のプロジェクタ２が仮想平面または仮想曲面に沿うように配置されてもよい。この場合、立体ディスプレイのさらなる薄型化が可能となる。

（１−８−４）
１または複数のプロジェクタ２を仮想平面ＤＰまたは仮想平面ＤＰａに沿って移動させるための移動機構が設けられてもよい。この場合、仮想平面ＤＰまたは仮想平面ＤＰａに沿うように複数のプロジェクタ２を密に配置しなくても、１または複数のプロジェクタ２を仮想平面ＤＰまたは仮想平面ＤＰａに沿って高速で移動させることにより、上記実施の形態と同様に、仮想平面ＤＰ上または仮想平面ＤＰａ上の複数の出射位置から複数の光線群を出射することができる。それにより、光線制御子１の内部および上方の空間が十分に密に交点群で満たすことができる。その結果、プロジェクタ２の数を削減しつつ、光線制御子１の内部および上方に立体画像３００を提示することができる。

（２）第２の実施の形態
（２−１）立体ディスプレイの構成
図１８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縦断面図である。図１９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平面図である。図１８においては、図１のテーブル５の図示が省略される。図１９においては、テーブル５および光線制御子１の図示が省略される。

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１８および図１９の立体ディスプレイは、複数のプロジェクタ２の代わりに、走査型プロジェクタ２１および複数の反射素子２２を備える。

図１８に示されるように、複数の反射素子２２は、仮想湾曲面ＤＰに沿うように軸Ｃを中心とする複数の円周上に配置されている。走査型プロジェクタ２１は、軸Ｃ上に配置されている。走査型プロジェクタ２１は、光線を出射するとともにその光線を軸Ｃ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２２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２１は、仮想湾曲面ＤＰに沿うように配置された複数の反射素子２２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２１は、擬似的に複数の光線からなる光線群を出射する。制御装置３（図１）は、記憶装置４（図１）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２１および複数の反射素子２２を制御する。

（２−２）反射素子の構成
図２０は１つの反射素子２２の構成の一例を示す模式図である。図２０の反射素子２２は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）により作製される。なお、反射素子２２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の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。

図２０において、互いに直交する２軸をＸ軸およびＹ軸と呼ぶ。Ｘ軸は、図１８の軸Ｃを中心とする仮想湾曲面ＤＰの円周方向に沿う。Ｙ軸は、軸Ｃを中心とする仮想湾曲面ＤＰの半径方向に沿う。反射素子２２は、支持枠３１、可動枠３２および反射部材３３により構成される。支持枠３１は、仮想湾曲面ＤＰに沿うように配置される。可動枠３２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３１に取り付けられる。反射部材３３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３２に取り付けられる。反射部材３３の一面が反射面３４となる。反射面３４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３４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３４に入射した光線を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３４から前方の任意の方向に光線を出射することができる。

上記のように、走査型プロジェクタ２１から複数の反射素子２２の反射面３４上に順次光線が照射される。走査型プロジェクタ２１から各反射素子２２の反射面３４に光線が照射された状態で、反射面３４がＹ軸およびＸ軸を中心として揺動される。それにより、照射された光線を反射面３４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２１は、時分割で光線の色を設定することができる。したがって、反射面３４で反射される複数の方向の光線は、それぞれ任意の色に設定される。その結果、反射面３４から前方の任意の方向にそれぞれ設定された色の光線が出射される。本実施の形態では、複数の反射素子２２の反射面２４を複数の出射位置とみなすことができる。

これにより、３次元状に配置された複数の反射素子２２から複数の光線群を出射することができる。したがって、上記第１の実施の形態と同様に、光線制御子１の内部および上方の空間を十分に密に交点群で満たすことができ、立体画像３００を光線制御子１の内部および上方の空間に提示することができる。

（２−３）効果
本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいては、複数のプロジェクタ２の代わりに複数の反射素子２２が仮想湾曲面ＤＰに沿うように配置されるので、より多くの出射位置からより多くの光線群を出射することができる。それにより、立体画像３００の各画素をより緻密に形成することができる。その結果、コストを増加させることなく、より高品質の立体画像３００を提示することが可能となる。

（２−４）変形例
（２−４−１）
上記第２の実施の形態では、１つの走査型プロジェクタ２１が用いられるが、複数の走査型プロジェクタ２１が用いられてもよい。この場合、複数の走査型プロジェクタ２１に対応して、複数の反射素子２２が複数の群に区分される。各走査型プロジェクタ２１は、対応する群の複数の反射素子２２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。これにより、各反射素子２２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。

（２−４−２）
光線制御子１が蓄光効果を有してもよい。その場合、各反射素子２２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２２の数を増加させることが可能となる。

（２−４−３）
図１６の例と同様に、平板状の光線制御子１が用いられてもよい。また、図１７の例と同様に、複数の反射素子２２が仮想平面または仮想曲面に沿うように配置されてもよい。さらに、図１６の光線制御子１が用いられるとともに、複数の反射素子２２が仮想平面または仮想曲面に沿うように配置されてもよい。

（３）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および第２の実施の形態では、光線制御子１が光線制御子の例であり、拡散角度θ０が所定の角度範囲の例であり、制御部３が制御部の例であり、仮想湾曲面ＤＰが仮想湾曲面の例であり、仮想平面ＤＰａが仮想平面の例であり、基準位置ＰＳが基準位置の例である。また、上記第１の実施の形態では、複数のプロジェクタ２が光線発生部の例であり、各プロジェクタ２の出射位置が出射位置の例である。上記第２の実施の形態では、１または複数の走査型プロジェクタ２１および複数の反射素子２２が光線発生部の例であり、各反射素子２２の反射面３４が出射位置の例である。

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。

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 光線制御子
２，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｐ，２Ｑ プロジェクタ
３ 制御装置
４ 記憶装置
５ テーブル
１０ 観察者
１１ 制御子本体
１２ 微小拡散層
１２ａ 粒子
１３ａ 凹凸
２１ 走査型プロジェクタ
２２ 反射素子
３１ 支持枠
３２ 可動枠
３３ 反射部材
３４ 反射面
３００ 立体画像
θ０ 拡散角度
θ１ 配置角度
Ｃ 軸
ＤＰ 仮想湾曲面
ＤＰａ 仮想平面
ＩＡ０，ＩＢ０，ＩＣ０，ＩＸ，ＰＧ，ＰＲ，ＰＸ 位置
Ｌ，Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ，ＬＡ０，ＬＢ０，ＬＣ０，ＬＡ１，ＬＢ１，ＬＣ１，ＬＰ，ＬＱ 光線
Ｌ１１ａ，Ｌ１２ａ，ＬＰａ，ＬＱａ 拡散光
ＰＴ，ＰＴａ ピッチ

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、
   複数の出射位置を有し、各出射位置から異なる方向の複数の光線からなる光線群を出射するように構成された光線発生部と、
   前記光線発生部の前記複数の出射位置から出射された複数の光線群の各光線を所定の角度範囲で拡散させて透過させる光線制御子と、
   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部を制御する制御部とを備え、
   前記複数の出射位置は、面状に配置され、
   前記所定の角度範囲は、前記複数の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、立体ディスプレイ。
2. 前記光線発生部の前記複数の出射位置は、回転対称な仮想湾曲面に沿うように設けられた、請求項１記載の立体ディスプレイ。
3. 前記光線発生部の前記複数の出射位置は、仮想平面に沿うように設けられた、請求項１記載の立体ディスプレイ。
4. 前記光線制御子は回転対称な外周面を有し、
   前記光線発生部は、前記複数の出射位置から前記光線制御子の前記外周面に複数の光線群を出射するように構成された、請求項１〜３のいずれかに記載の立体ディスプレイ。
5. 前記光線制御子は平面または曲面を有し、
   前記光線発生部は、前記複数の出射位置から前記光線制御子の前記平面または曲面に複数の光線群を出射するように構成された、請求項１〜３のいずれかに記載の立体ディスプレイ。
6. 前記光線発生部の前記複数の出射位置は、立体画像が提示されるべき領域において予め設定された基準位置に関して略等角度間隔で設けられ、
   前記所定の角度範囲は、隣り合う出射位置のうち一方の出射位置から前記基準位置を通るように出射される光線と他方の出射位置から前記基準位置を通るように出射される光線とがなす角度の２倍以下の範囲である、請求項１〜５のいずれかに記載の立体ディスプレイ。

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