JP2015187649A - 立体画像を提示する立体ディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 視点の移動に対して滑らかに映像が変化する高画質な立体ディスプレイとする。【解決手段】 高さ方向にｎ段の円周上にプロジェクタ２を配置する。この場合、均等なピッチでプロジェクタを配置しようとすれば、各段におけるプロジェクタ２の配置をピッチＰとすると、各段毎にシフト量ｄを設け、各段毎にずらしてプロジェクタ２を配置する。このときのシフト量は、ｄ＝（Ｐ／ｎ）となる。ただし、プロジェクタ２群は、高さ方向で異なる段に配置されるプロジェクタ相互での表示位置の垂直方向のズレが生じる。この垂直方向のずれを補正するため、空間上の所定の仮想点で画像を反転させる凹面ミラーＭＲを含む光学系で実現し、プロジェクタ２は光線制御子１の側から外側に向けて投影光を前記凹面ミラーＭＲに投影し、同凹面ミラーＭＲが空間上の所定の仮想点で画像を反転させた上で、正立画像になった投影光を光線制御子１に投影させる。【選択図】 図１４

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ー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：コンピューター支援協調作業）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。いずれの場合も二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、立体的な三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。
前記の課題を解決するために、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。例えば特許文献１に記載される立体ディスプレイにおいては、複数のプロジェクタから出射される光線によってテーブル上に仮想的な点光源の集合が形成される。それにより、テーブル上に立体画像が提示される。

特開２０１０−３２９５２号公報 特開２０１２−１８５２７５号公報 特開２００６−１３９１４２号公報 特開２００８−４００４６号公報

特許文献１に開示される基本技術では、プロジェクタの数が多く、且つ、隣り合うプロジェクタ同士のピッチ狭いほど、円周方向に対して、滑らかな立体像を表示することが出来る。
しかし、プロジェクタには一定の幅があるため、プロジェクタの大きさに依存する一定以上の間隔には縮まらないため、角度分解能を上げることができなかった。

この他、透光性と拡散の観点からスクリーンに関する先行文献として、特許文献２〜特許文献４がある。しかしながら、いずれにおいてもプロジェクタを円周方向に多数配置させる際のプロジェクタの現実の大きさによる制約を解消するものではなかった。
本発明は、従来よりも、視点の移動に対して滑らかに映像が変化する、高画質な立体ディスプレイを提供する。

本発明は、立体形状データに基づいて立体画像をその少なくとも一部が所定の基準面上の空間に位置するように提示するための立体ディスプレイであって、前記基準面上に開口を有するとともに前記基準面の下方に周壁を有するように配置される光線制御子と、前記基準面の下方でかつ前記光線制御子の外側から複数の光線からなる光線群を前記光線制御子の前記周壁の外周面にそれぞれ照射するように前記光線制御子の周囲に配置された複数の光線発生器と、前記立体形状データに基づいて、前記複数の光線発生器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前記複数の光線発生器を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、立体画像の少なくとも一部が前記光線制御子の前記開口よりも上方に提示されるように前記複数の光線発生器を制御し、前記光線制御子は、断面が軸Ｚを中心とした円形あるいは多角形であるとともに、軸Ｚ方向に沿って筒状あるいは錐体状であり、周壁が透光性を有し、同周壁は、入射した光線が稜線方向においては拡散して透過し、かつ、軸Ｚを中心とする円周方向においてはほぼ拡散せずに直進して透過するように形成され、前記光線発生器は、円周上に、所定のピッチＰで、高さ方向にｎ段で、かつ、各段において円周方向にｄ＝Ｐ／ｎだけシフトさせて複数のプロジェクタを配置したプロジェクタ群を含む構成としてある。

前記構成において、前記プロジェクタ群は、円周上に、所定のピッチＰで、高さ方向にｎ段で、かつ、各段において円周方向にｄ＝Ｐ／ｎだけシフトさせた複数のプロジェクタを配置している。ｎ段に配置することにより、プロジェクタの横幅という制約によって一段だけでは配置しきれない数のプロジェクタを配置することが可能となる。
また、本発明の他の態様として、前記プロジェクタ群は、高さ方向で異なる段に配置されるプロジェクタ相互での表示位置の垂直方向のズレを補正する補正手段を有する構成としても良い。

精度良く表示するために、補正手段は、高さ方向で異なる段に配置されるプロジェクタ相互での表示位置の垂直方向のズレを補正する。
より具体的な態様として、前記補正手段は、空間上の所定の仮想点で画像を反転させる光学系を備え、前記各段のプロジェクタに対して高さ方向で一致する円周上におけるｄ＝Ｐ／ｎだけシフトさせた位置に前記仮想点を配置させ、各仮想点を通過して前記光線制御子に投影される画像が高さ方向で一致するように構成しても良い。

空間上の所定の仮想点で画像を反転させる光学系を備え、前記各段のプロジェクタに対して高さ方向で一致する円周上におけるｄ＝Ｐ／ｎだけシフトさせた位置に前記仮想点を配置させることが可能である。そして、各仮想点を通過して前記光線制御子に投影される画像が高さ方向で一致させる。仮想点で画像が反転するようにすれば、高さ方向で一致する円周上におけるｄ＝Ｐ／ｎだけシフトさせた位置ごとにプロジェクタを配置するのと同じことを実現できる。光学系だけであれば、プロジェクタの横幅よりも狭くすることが可能である。

さらに具体的な態様として、前記光学系は、空間上の所定の仮想点で画像を反転させる凹面ミラーであり、前記各段のプロジェクタは、光源と、同光源からの出射光の経路上に前記凹面ミラーを介在させて構成してもよい。
凹面ミラーは空間上の所定の仮想点で画像を反転させることができるため、光源と、同光源からの出射光の経路上に前記凹面ミラーを介在させることにより、前記各段のプロジェクタを構成できる。

このような構成において、前記凹面ミラーの傾斜角は、各光源の同凹面ミラーへの入射角に補整係数Ｋをかけて求められ、各光源から入射される映像光が反射されて出射する経路が各段のプロジェクタにおいて一致させることができる。
また、本発明の態様の一例として、前記光源からの出射光の経路上に当該出射光の拡散度合いを一致させる光学系を備える構成としても良い。

光源からの出射光の経路上に当該出射光の拡散度合いを一致させる光学系を備えることにより、同光源から前記光線制御子までの距離がプロジェクタ毎に異ならせることが可能となる。
本発明は、また、円周上に、所定のピッチＰで、高さ方向にｎ段で、かつ、各段において円周方向にｄ＝Ｐ／ｎだけシフトさせ、中心側に向けて複数のプロジェクタを配置したプロジェクタ群を含む光線発生器と、前記円周の中心に設置され、円周方向は直進し稜線方向は拡散させる作用を有する光線制御子と、立体形状データに基づいて、前記光線発生器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前記光線発生器を制御する制御手段とを備えた構成として実現可能である。
なお、ピッチとは、一定間隔で配置される際の、間隔を指しており、円周上での離間距離あるいは離間角度を指すものとする。

本発明によれば、プロジェクタを配置する際のピッチを狭めることができ、表示の角度分解能を向上させることが出来る。

本発明の一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。 立体ディスプレイの模式的平面図である。 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。 光線制御子の一例の一部の拡大断面図である。 光線制御子の他の例の一部の拡大断面図である。 光線制御子さらに他の例の一部の拡大断面図である。 光線制御子の他の構成を説明するための模式図である。 光線制御子さらに他の構成を説明するための模式図である。 走査型プロジェクタの動作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。 従来のプロジェクタの配置と、最大配置可能数を示す図である。 本発明の一実施例にかかるプロジェクタの配置と、最大配置可能数を示す図である。 段差をつけて配置したときに隣接する三台のプロジェクタの投影領域（Ａ，Ｂ，Ｃ）を示す図である。 プロジェクタに段差（Ｐｈ）をつけて配置したときの、二台のプロジェクタから光線制御子に投影される投影位置を示す図である。 凹面ミラーＭＲとプロジェクタと光線制御の位置関係を示す図である。 高さの補正をされた各段のプロジェクタからの投影光の表示位置を示す図である。 プロジェクタと凹面ミラーの配置の状況を示す図である。 凹面ミラーの配置の状況を示す図である。 プロジェクタと凹面ミラーとの間に拡散度合いを調整するための光学系を配置した状況を示す図である。

I ．立体ディスプレイの概略説明
本立体ディスプレイの動作原理などについては、特許文献１に詳細に説明されているが、以下、説明する。
（１）立体ディスプレイの構成
図１は本発明の一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、円錐台形状の光線制御子１、複数の走査型プロジェクタ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に示されるように、光線制御子１は、軸Ｚを中心として回転対称な円錐台形状（錐体状および筒状）を有する。光線制御子１の大径の底部および小径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においては拡散して透過しかつ軸Ｚを中心とする円周方向Ｒにおいてはほぼ拡散せずに直進して透過するように形成されている。光線制御子１の構成の詳細については、後述する。

図１に示すように、光線制御子１は、大径の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の斜め上方から光線制御子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、複数の走査型プロジェクタ２が光線制御子１の軸Ｚを中心とする円周上に配置されている。複数の走査型プロジェクタ２は、光線制御子１の斜め下方から光線制御子１の外周面に光線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。
各走査型プロジェクタ２は、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ができる。それにより、各走査型プロジェクタ２は、光線で光線制御子１の外周面を走査することができる。ここで、光線とは、拡散しない直線で表される光をいう。

記憶装置４は、例えばハードディスク、メモリーカード等からなる。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ーからなる。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走査型プロジェクタ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。なお、観察者の視点位置５００をより正確に得るためにカメラ８を備える構成としても良い。この意味で、制御装置３と記憶装置４とによって制御手段を構成する。

（２）光線制御子１の基本構成および製造方法
図４は光線制御子１の一例の一部の拡大断面図である。
図４の光線制御子１は、透光性を有する透明の周壁からなる円錐台形状の光線制御子本体１１を有する。光線制御子本体１１の外周面上に複数の環状レンズ１２が稜線方向Ｔに密に並ぶように設けられている。各環状レンズ１２は、かまぼこ形の垂直断面を有する。なお、環状レンズ１２が半円形の断面を有してもよい。光線制御子１の寸法は任意である。例えば、光線制御子本体１１の大径の底部の直径は２００ｍｍであり、小径の底部の直径は２０ｍｍであり、高さは１１０ｍｍである。

図４の光線制御子１は、アクリル、ポリカーボネート等のある屈折率を有する透明な樹脂からなる透明素材を回転させつつ切削刃を当てることにより作製することができる。また、光線制御子１に対応する形状を有する金型を作製し、金型にアクリル、ポリカーボネート等の透明な樹脂を充填することにより光線制御子１を作製することができる。さらに、紫外線硬化樹脂を用いて立体造形法により光線制御子１を作製することもできる。また、円錐台形状を有する透明素材の表面をエッチングすることにより光線制御子１を作製することができる。また、円錐台形状を有する透明素材の表面をレーザ加工または放電加工することにより光線制御子１を作製することができる。また、円錐台形状を有する透明素材の表面に紫外線硬化樹脂を塗布し、円周方向に延びる一定幅の環状領域ごとに紫外線を照射することにより光線制御子１を作製することができる。

図４の例では、複数の環状レンズ１２が光線制御子本体１１の外周面に形成されているが、複数の環状レンズ１２が光線制御子本体１１の内周面に形成されてもよい。
図４の光線制御子１によれば、環状レンズ１２が円周方向において一定の厚みを有し、稜線方向Ｔにおいて光線を拡散させる機能を有する。それにより、図４の光線制御子１の外周面に光線を照射すると、その光線は稜線方向Ｔにおいて拡散しつつ透過し、円周方向においては拡散せずに直線状に透過する。

図５は光線制御子１の他の例の一部の拡大断面図である。
図５の光線制御子１においては、光線制御子本体１１の外周面上に多角形の断面を有する複数の環状プリズム１３が稜線方向Ｔに密に並ぶように設けられている。環状プリズム１３の断面形状は、三角形以外の多角形であってもよい。
図５の光線制御子１によれば、環状プリズム１３が円周方向において一定の厚みを有し、稜線方向Ｔにおいて光線を拡散させる機能を有する。それにより、図５の光線制御子１の外周面に光線を照射すると、その光線は稜線方向Ｔにおいて拡散しつつ透過し、円周方向においては拡散せずに直線状に透過する。

図６は光線制御子１のさらに他の例の一部の拡大断面図である。
図６の光線制御子１は、透明の円錐台形状の光線制御子本体１１の外周面上に糸状のある屈折率を有する透明素材１４が円周方向に巻き付けられることにより作製される。透明素材１４は、稜線方向Ｔにおいて密に並んでいる。透明素材１４の断面形状は、真円でもよく、楕円でもよい。透明素材１４としては、例えばナイロン糸を用いることができる。

また、透明の円錐台形状の光線制御子本体１１の外周面上に速乾性の接着剤を用いて複数の糸状の透明素材を順に貼り付けることにより光線制御子１を作製することもできる。接着剤としては、例えば紫外線硬化樹脂を用いることができる。
図６の光線制御子１によれば、透明素材１４が円周方向において一定の厚みを有し、稜線方向Ｔにおいてボールレンズの機能を有する。それにより、光線制御子１の外周面に光線を照射すると、その光線は稜線方向Ｔにおいて拡散しつつ透過し、円周方向においては拡散せずに直線状に透過する。

図７は光線制御子１の他の構成を説明するための模式図である。図７（ａ）は方向Ｘにおいて光線をほとんど拡散させずに透過させ、方向Ｘと直交する方向Ｙにおいて光線を拡散させて透過させるホロスクリーン１５を示す。図７（ｂ）は図７（ａ）のホロスクリーン１５を切り取ることにより形成された三角シート１６を示す。ここで、ホロスクリーンとは、写真乾板の技術により作製され、入射した光線の飛行方向を制御可能な光学素子である。

図７（ａ）の三角シート１６を透明の円錐台形状の光線制御子本体１１の表面に貼り付けることにより光線制御子１を形成することができる。あるいは、Ｎ枚の三角シート１６をつなぎ合わせてＮ錐体台を形成することにより、擬似的な円錐台形状を有する光線制御子１を作製することができる。ここで、Ｎは３以上の整数である。
図８は光線制御子１のさらに他の構成を説明するための模式図である。図８（ａ）は入射した光線を放射方向に拡散させる機能を有するホロスクリーンまたはフレネルレンズからなる光学シート１７を示す。フレネルレンズは、円周方向に溝を有するシート状レンズである。

図８（ｂ）に示すように、前記の光学シート１７を扇形シート１８に切り取る。そして、図８（ｃ）に示すように、扇形シート１８の辺Ａおよび辺Ｂをつなぎ合わせることにより円錐台形状の光線制御子１が作製される。
本実施の形態では、光線制御子１が円錐台形状を有するが、これに限定されず、光線制御子１が円錐形状を有してもよく、あるいは多角錐台形状または多角錐形状を有してもよい。これらの形状を錐体形状と呼ぶ。

（３）走査型プロジェクタ２の動作
図９は走査型プロジェクタ２の動作を説明するための模式的平面図である。図９には１つの走査型プロジェクタ２のみが示される。
走査型プロジェクタ２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ができる。
走査型プロジェクタ２が光線を水平面内で偏向させることにより、光線制御子１の外周面を水平方向に走査することができる。また、走査型プロジェクタ２が光線を垂直面内で偏向させることにより、光線制御子１の外周面を垂直方向に走査することができる。それにより、走査型プロジェクタ２は、光線で光線制御子１の対向する面を走査することができる。

また、走査型プロジェクタ２は、光線の方向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２は、擬似的に複数の光線からなる光線群を出射する。
図９において、走査型プロジェクタ２は、複数の光線Ｌ１〜Ｌ１１を光線制御子１に照射する。光線Ｌ１〜Ｌ１１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Ｐ１〜Ｐ１１をそれぞれ設定された色の光線Ｌ１〜Ｌ１１が透過する。

光線制御子１は、円周方向において光線Ｌ１〜Ｌ１１を拡散させずに直線状に透過させるので、観察者は、ある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１は、光線Ｌ１〜Ｌ１１を垂直方向において拡散させて透過させるので、観察者は、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。
なお、本実施の形態では、光線発生器として、走査型プロジェクタ２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（Digital Mirror Device）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）またはＬＣＤ（Liquid Crystal Display）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、投影系のアパーチャ（開口）が十分に小さい場合には、走査型プロジェクタ２と同様に光線群を形成することができる。

（４）立体画像３００の提示方法
図１０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１０においては、３つの走査型プロジェクタ２Ａ，２Ｂ，２Ｃが示される。
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、走査型プロジェクタ２Ａから位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＡ０を出射し、走査型プロジェクタ２Ｂから位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＢ０を出射し、走査型プロジェクタ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にある場合、位置ＩＢ０にある場合および位置ＩＣ０にある場合に、位置ＰＲに赤色の画素が見える。

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、走査型プロジェクタ２Ａから位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＡ１を出射し、走査型プロジェクタ２Ｂから位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＢ１を出射し、走査型プロジェクタ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にある場合、位置ＩＢ１にある場合および位置ＩＣ１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、複数の走査型プロジェクタ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。
走査型プロジェクタ２Ａ，２Ｂ，２Ｃを含む複数の走査型プロジェクタが円周上に密に並べられており、それらの複数の走査型プロジェクタから照射される光線群によって光線制御子１の内部の空間が十分に密に交点群で満たされていれば、円周上のいずれの方向から光線制御子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目に入射することになり、人の目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、円周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１１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１１においては、１つの走査型プロジェクタ２が示される。

図１１に示すように、走査型プロジェクタ２から出射された光線は、光線制御子１で拡散角αで垂直方向において拡散される。それにより、観察者は、拡散角αの範囲内において垂直方向の異なる位置で走査型プロジェクタ２から出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、垂直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の位置が立体画像３００’の位置へと移動する。また、図示していないが、観察者が視線を基準の位置Ｅから下方に移動させた場合であれば、立体画像３００の同じ部分をより下の位置にあるものとして見ることができる。このように、走査型プロジェクタ２から出射された光線が光線制御子１で垂直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。

図１の複数の走査型プロジェクタ２により出射される光線群の各光線の色は、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３により算出される。具体的には、制御装置３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３は、算出した光線群の各光線の色に基づいて複数の走査型プロジェクタ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、各走査型プロジェクタ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。
前記のようにして、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。

（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１２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１２には、４つの走査型プロジェクタ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが示される。

図１２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に走査型プロジェクタ２ａから出射された光線Ｌａが入射し、左眼１００Ｌに走査型プロジェクタ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に走査型プロジェクタ２ｃから出射された光線Ｌｃが入射し、左眼１００Ｌに走査型プロジェクタ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１２の例では、立体画像３００の点Ｐａと点Ｐｃ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。

（６）本実施の形態の効果
本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいては、光線制御子１は、各走査型プロジェクタ２により照射された各光線を円周方向において拡散させずに透過させる。それにより、複数の走査型プロジェクタ２からの光線の各交点が点光源となる。観察者は、点光源の集合を実体物の立体形状として仮想的に知覚する。このとき、前記のように、同じ点光源に交差する左眼の視線方向と右眼の視線方向とが異なるので、両眼視差が生じる。その結果、複数の点光源の集合により光線制御子１の内部および上方の空間に立体画像３００が提示される。

ここで、観察者がテーブル５の上方から光線制御子１の内周面を観察した場合、テーブル５の周囲の同じ高さのどの位置からでも各点光源を同じ位置に見ることができる。そのため、観察者は、光線制御子１の上方に提示される立体画像３００を３６０度の周囲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。

また、光線制御子１は、各走査型プロジェクタ２により照射された各光線を稜線方向において拡散させて透過させる。それにより、観察者の視点の高さが上下しても、観察者が立体画像３００を見ることが可能となる。したがって、観察者の視点位置が制限されない。
さらに、テーブル５の上方の空間に作業を阻害する装置を配置する必要がない。したがって、光線制御子１の上方に提示される立体画像３００を用いた作業を行うための作業空間をテーブル５上に確保することができる。

（第一実施例）
II．光線発生器の詳細な説明
（１）走査型プロジェクタの配置
走査型プロジェクタ２（以下、単にプロジェクタ２と呼ぶ）は、光線制御１を取り囲むように配置される。
図１３は、従来のプロジェクタの配置と、最大配置可能数を示している。同図（ａ）は、プロジェクタ２の配置を平面図により示しており、同図（ｂ）は、プロジェクタ２の配置を正面図（側面図）により示しており、同図（ｃ）は、最大配置可能数を示している。
光線制御１に対して全てのプロジェクタ２からの投影画像が同様に投影されるためには、原則的には図１３（ａ）（ｂ）に示すように、同じ高さの円周上に配置する必要がある。この場合、プロジェクタ２の横幅をＷとし、円周の半径をＲとすれば、円周が２πＲであるから、最大配置可能数（図１３（ｃ））は、ほぼ、（２πＲ／Ｗ）台となる。

図１４は、本発明の一実施例にかかるプロジェクタの配置と、最大配置可能数を示している。同図（ａ）は、プロジェクタ２の配置を平面図により示しており、同図（ｂ）は、プロジェクタ２の配置を正面図（側面図）により示しており、同図（ｃ）は、シフト量を示している。

本実施例においては、高さ方向にｎ段の円周上にプロジェクタ２を配置する。この場合、均等なピッチでプロジェクタを配置しようとすれば、各段におけるプロジェクタ２の配置をピッチＰとすると、各段毎にシフト量ｄを設け、各段毎にずらしてプロジェクタ２を配置する。このときのシフト量は、ｄ＝（Ｐ／ｎ）（角度）、あるいはｄ＝｛（Ｐ／２π）／ｎ｝×２πＲ（距離）となる。このように複数配置されるプロジェクタ２の一群をプロジェクタ群と呼ぶ。

図１５は、段差をつけて配置したときに隣接する三台のプロジェクタ２の投影領域（Ａ，Ｂ，Ｃ）を図により示している。
それぞれの投影領域（Ａ，Ｂ，Ｃ）は、円周方向にはシフト量ｄずつずれ、高さ方向にはＰｈずつずれている。

図１６は、プロジェクタ２に段差（Ｐｈ）をつけて配置したときの、二台のプロジェクタから光線制御子１に投影される投影位置を図により示している。上のプロジェクタ（ａ）が投影する画像の最も高い位置はＰａｈ、最も低い位置はＰａｌ、中央の高さ位置はＰａｍと記している。一方、下のプロジェクタ（ｂ）が投影する画像の最も高い位置はＰｂｈ、最も低い位置はＰｂｌ、中央の高さ位置はＰｂｍと記している。対策を取らない限り、投影位置は高さ方向にＰｈ（ＰａｍとＰｂｍとの高さ方向の距離）ずれる。
各段のプロジェクタ２の投影位置が高さ方向にずれないようにから、各段のプロジェクタ２の光線制御子１に対する傾斜角度を変えることは可能である。このようにすると投影領域の一部で高さを一致させることは可能であるが、それぞれの段のプロジェクタ２の投影光は上下に拡散しているから、光線制御子１に対する傾斜具合が異なることで投影イメージの変形が段毎に相違し、画像がずれてしまい、プロジェクタ２の数を増やして高画質化を図ることと矛盾してくる。

このようにプロジェクタ２群は、高さ方向で異なる段に配置されるプロジェクタ相互での表示位置の垂直方向のズレが生じる。この垂直方向のずれを補正するため、以下に説明する補正手段を備える。

この補正手段は、空間上の所定の仮想点で画像を反転させる凹面ミラーＭＲを含む光学系で実現している。プロジェクタ２は光線制御子１の側から外側に向けて投影光を前記凹面ミラーＭＲに投影し、同凹面ミラーＭＲが空間上の所定の仮想点で画像を反転させた上で、正立画像になった投影光を光線制御子１に投影させる。

図１７は、凹面ミラーＭＲとプロジェクタ２と光線制御１の位置関係を図により示している。同図（ａ）に示すように、上段のプロジェクタ２Ｈと下段のプロジェクタ２Ｌが、凹面ミラーＭＲＨと凹面ミラーＭＲＬに対面している。凹面ミラーＭＲＨと凹面ミラーＭＲＬは、各段のプロジェクタ２に対して高さ方向で一致する円周上におけるｄ＝Ｐ／ｎ（ピッチ角度）だけシフトさせた位置に配置されている。すなわち、高さについては、同じ高さであり、円周方向にはシフト量ｄ＝Ｐ／ｎ（ピッチ角度）だけずれて配置されている。

凹面ミラーＭＲＨと凹面ミラーＭＲＬは、光線制御子１に対する垂線と直交する面に対して傾斜角度θi1，θi2だけ傾けてある。この傾斜角度θi1，θi2と、プロジェクタ２Ｈ，２Ｌの各凹面ミラーＭＲＨと凹面ミラーＭＲＬに対する入射角θi1，θi2とは一致する。なお、入射角θi1，θi2とは、各凹面ミラーＭＲＨと凹面ミラーＭＲＬから垂線を引いたときに、同垂線に対してプロジェクタ２Ｈ，２Ｌが傾斜している角度とする。

このように凹面ミラーＭＲＨと凹面ミラーＭＲＬの傾斜角を各段のプロジェクタ２Ｈ，２Ｌの入射角に対応させることにより、各プロジェクタ２Ｈ，２Ｌから対応する凹面ミラーＭＲＨと凹面ミラーＭＲＬに投影した投影光が反転する位置（焦点）を仮想点は、同一円周上に配置させることができる。また、一部のプロジェクタ２については凹面ミラーＭＲを使用しないで直に光線制御子１に対面させることも可能であるが、このときは仮想点が位置する円周上に投影光の光学的な光源位置が配置させるようにする。すると、凹面ミラーＭＲを使用する段のプロジェクタ２についても、凹面ミラーＭＲを使用しない段のプロジェクタ２についても、共に仮想点が配置される円周上に配置されて光線制御子１に投影させているのと同じことになる。

なお、凹面ミラーＭＲの傾斜角は、各光源の同凹面ミラーＭＲへの入射角θｉに対応し、各光源から入射される映像光が反射されて出射する経路が各段のプロジェクタ２において一致するようにしている。
このように、凹面ミラーＭＲを使用することで、各仮想点を通過して光線制御子１に投影される画像は、高さ方向で一致することになる。この場合、凹面ミラーＭＲがプロジェクタ２よりも実寸法が小さいことを前提とすれば、より密度を高くして実質的にプロジェクタ２を配置することができることになる。

図１８は、高さの補正をされた各段のプロジェクタ２からの投影光の表示位置を図により示している。
各段の相違は解消されるが、各段のプロジェクタ２は、円周上におけるｄ＝Ｐ／ｎだけシフトさせた位置に仮想点を配置させて投影している。図では、各プロジェクタ（ａ，ｂ，ｃ）から同一の画素位置として投影される点Ｐａ’，Ｐｂ’，Ｐｃ’は円周上におけるｄ＝Ｐ／ｎだけシフトさせた位置に投影されている。むろん、各プロジェクタ（ａ，ｂ，ｃ）は、ｄ＝Ｐ／ｎだけシフトさせた位置に対応するように円周方向に異なるイメージを表示する。むろん、各イメージは立体画像に対して円周上におけるピッチ（ｄ＝Ｐ／ｎ）だけずれた角度で視認されるイメージに相当する。

図１９は、プロジェクタと凹面ミラーの配置の状況を図により示している。
同図においては、３段のプロジェクタ２を想定し、一段のプロジェクタ２については凹面ミラーＭＲを使用せず、他の二段のプロジェクタ２については凹面ミラーＭＲを使用する場合の平面上での配置を示している。凹面ミラーＭＲを使用することにより、本来であればプロジェクタ２同士が干渉して一段では配置できない数のプロジェクタ２を実質的に多段に配置することができるようになる。各段のプロジェクタ２は、その光源と、同光源からの出射光の経路上に凹面ミラーＭＲを介在させて構成されていることになる。
各凹面ミラーＭＲの仮想点は、同じ系の円周上に配置されている。また、凹面ミラーＭＲを使用しないプロジェクタ２の光学上の光源位置も同仮想点と同じ円周上に位置するようになっている。

（第二実施例）
図２０は、凹面ミラーの配置の状況を図により示している。
３段のプロジェクタ２を想定し、全ての段のプロジェクタ２については凹面ミラーＭＲを使用する場合の平面上での配置を示している。
凹面ミラーＭＲを使用するものと使用しないものとを混合する場合、ある段のプロジェクタ２については正立画像を使用し、ある段のプロジェクタ２については反転画像を使用することになる。また、直に投影するものと、反射ミラーで投影するものとに分かれ、輝度の変化もあり得る。
しかし、全ての段のプロジェクタ２については凹面ミラーＭＲを使用すると、凹面ミラーＭＲを使用するものと使用しないものとを混合しないので、全ての段のプロジェクタ２において反転画像を投影すればよいし、投影光の輝度のずれを補正する必要もなくなるので、制御しやすくなる。

（第三実施例）
図２１は、プロジェクタ２と凹面ミラーＭＲとの間に拡散度合いを調整するための光学系を配置した状況を図により示している。
プロジェクタ２から光線制御１までの距離がプロジェクタ２毎に異なると、プロジェクタ２からの投影光の拡散度合いが変化してしまう。ズーム機能を使って投影画像の外枠の大きさは調整できるが、投影画像にずれが生じる。

図２１（ａ）はプロジェクタ２から凹面ミラーＭＲまでの距離がＬＭ１であり、同図（ｂ）はプロジェクタ２から凹面ミラーＭＲまでの距離がＬＭ２であり、それぞれの距離が相違する。
しかし、プロジェクタ２から凹面ミラーＭＲまでの間の所定位置に光学系ＬＧを配置することで、同光学系ＬＧにて拡散度合いを一定にさせる。これにより、同光学系ＬＧから凹面ミラーＭＲを介して光線制御子１に至る光路上での拡散度合いが一定となり、距離ＬＭ１，ＬＭ２に関わらず同じ投影画像を投影できるようになる。
なお、本実施例では、光学系ＬＧは、光源であるプロジェクタ２と凹面ミラーＭＲとの間に介在させているが、拡散度合いを一致させる光学系ＬＧは、光源からの出射光の経路上にあればよい。

なお、本発明は前記実施例に限られるものでないことは言うまでもない。当業者であれば言うまでもないことであるが、
・前記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること
・前記実施例の中で開示されていないが、公知技術であって前記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
・前記実施例の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が前記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
は本発明の一実施例として開示されるものである。

１…光線制御子、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ…走査型プロジェクタ、３…制御装置、４…記憶装置、５…テーブル、１０…観察者、１１…光線制御子本体、１２…環状レンズ、１３…環状プリズム、１４…透明素材、１５…ホロスクリーン、１６…三角シート、１７…光学シート、１８…扇形シート、５１…天板、５２…脚、３００…立体画像。

Claims (7)

1. 立体形状データに基づいて立体画像をその少なくとも一部が所定の基準面上の空間に位置するように提示するための立体ディスプレイであって、
   前記基準面上に開口を有するとともに前記基準面の下方に周壁を有するように配置される光線制御子と、
   前記基準面の下方でかつ前記光線制御子の外側から複数の光線からなる光線群を前記光線制御子の前記周壁の外周面にそれぞれ照射するように前記光線制御子の周囲に配置された複数の光線発生器と、
   前記立体形状データに基づいて、前記複数の光線発生器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前記複数の光線発生器を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、立体画像の少なくとも一部が前記光線制御子の前記開口よりも上方に提示されるように前記複数の光線発生器を制御し、
   前記光線制御子は、断面が軸Ｚを中心とした円形あるいは多角形であるとともに、軸Ｚ方向に沿って筒状あるいは錐体状であり、周壁が透光性を有し、同周壁は、入射した光線が稜線方向においては拡散して透過し、かつ、軸Ｚを中心とする円周方向においてはほぼ拡散せずに直進して透過するように形成され、
   前記光線発生器は、
   円周上に、所定のピッチＰで、高さ方向にｎ段で、かつ、各段において円周方向にｄ＝Ｐ／ｎだけシフトさせて複数のプロジェクタを配置したプロジェクタ群を含むことを特徴とする立体ディスプレイ。
2. 前記プロジェクタ群は、高さ方向で異なる段に配置されるプロジェクタ相互での表示位置の垂直方向のズレを補正する補正手段を有することを特徴とする請求項１に記載の立体ディスプレイ。
3. 前記補正手段は、空間上の所定の仮想点で画像を反転させる光学系を備え、前記各段のプロジェクタに対して高さ方向で一致する円周上におけるｄ＝Ｐ／ｎだけシフトさせた位置に前記仮想点を配置させ、各仮想点を通過して前記光線制御子に投影される画像が高さ方向で一致することを特徴とする請求項２に記載の立体ディスプレイ。
4. 前記光学系は、空間上の所定の仮想点で画像を反転させる凹面ミラーであり、前記各段のプロジェクタは、光源と、同光源からの出射光の経路上に前記凹面ミラーを介在させて構成されていることを特徴とする請求項３に記載の立体ディスプレイ。
5. 前記凹面ミラーの傾斜角は、各光源の同凹面ミラーへの入射角に対応し、各光源から入射される映像光が反射されて出射する経路が各段のプロジェクタにおいて一致するようにしていることを特徴とする請求項４に記載の立体ディスプレイ。
6. 前記光源からの出射光の経路上に当該出射光の拡散度合いを一致させる光学系を備えることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の立体ディスプレイ。
7. 円周上に、所定のピッチＰで、高さ方向にｎ段で、かつ、各段において円周方向にｄ＝Ｐ／ｎだけシフトさせ、中心側に向けて複数のプロジェクタを配置したプロジェクタ群を含む光線発生器と、
   前記円周の中心に設置され、円周方向は直進し稜線方向は拡散させる作用を有する光線制御子と、
   立体形状データに基づいて、前記光線発生器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前記光線発生器を制御する制御手段とを備えることを特徴とする立体ディスプレイ。

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