JP2016014741A - 立体ディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】立体画像の上部の画質を向上させることが可能な立体ディスプレイを提供する。
【解決手段】円錐形状を有する光線制御子１の底部が天板５１上に開口するようにかつ周壁が天板５１の上方に位置するように、光線制御子１が配置される。天板５１の下方でかつ光線制御子１の内側から複数の光線からなる光線群を光線制御子１の内周面にそれぞれ照射するように、複数の光線発生器２が光線制御子１の周囲に配置される。立体形状データに基づいて、複数の光線発生器により発生される光線群により天板５１の上方かつ光線制御子１の内側の空間に立体画像３００の少なくとも一部が提示されるように複数の光線発生器２が制御される。光線制御子１は、入射される光線を周方向において第１の角度で拡散させて透過させるとともに稜線方向において第１の角度よりも大きい第２の角度で拡散させて透過させるように形成される。
【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。

立体画像を提示する種々の立体ディスプレイが開発されている。特許文献１に記載された三次元表示システムは、鉛直軸に対して４５°傾斜した状態で鉛直軸の周りで回転可能に構成されたスクリーン（ミラー）を含む。そのスクリーンが鉛直軸の周りで回転された状態で、スクリーンの傾斜面上にプロジェクタから画像が投影されることにより立体画像が提示される。

上記の例の他、立体ディスプレイとして、円板状のスクリーンとプロジェクタとを鉛直軸の周りで一体的に回転させつつプロジェクタからスクリーンに投影される画像を約１°回転するごとに切り替えることにより立体画像を提示する装置が知られている。

上記の立体ディスプレイ装置は、プロジェクタから画像が投影されるスクリーンが回転する。そのため、使用者がスクリーンに触れることを防止するために、保護ケースが必要となり構造が複雑化する。また、回転するスクリーンに画像を投影する場合、画像の投影とともにスクリーンを正確に回転させる必要がある。この場合、スクリーンを回転させるための制御が煩雑になる。

これに対して、静止したスクリーンに画像が投影されることにより、そのスクリーンの前方または後方等の空間に立体画像が提示される光線再生方式の立体ディスプレイが提案されている（例えば特許文献２参照）。

特許文献２に記載された立体ディスプレイは、スクリーンとして錐体形状の光線制御子を有する。光線制御子は、その底部がテーブルの天板上に開口するように、テーブルの天板に形成された円形孔部に嵌め込まれる。テーブルの天板の下方の位置で、複数の走査型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。各走査型プロジェクタは、光線制御子の外側から複数の光線からなる光線群を光線制御子の外周面に照射する。光線制御子は、各走査型プロジェクタにより照射された各光線を周方向において拡散させずに透過させる。それにより、錐体形状の光線制御子の内側および上方の空間に立体画像が提示される。

米国特許第８４３２４３６号明細書 特開２０１０−３２９５２号公報

上記いずれの立体ディスプレイにおいても、立体画像の画質の向上が求められる。特に、立体画像の上部は観察者の眼に近いため詳細に観察される。そのため、立体画像の上部の画質を向上させることが求められる。

本発明の目的は、立体画像の上部の画質を向上させ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、錐体形状または柱体形状を有するとともに錐体形状または柱体形状の底部が基準面上に開口するようにかつ錐体形状または柱体形状の周壁が基準面の上方に位置するように配置される光線制御子と、複数の光線からなる光線群を光線制御子に照射するように配置された光線発生器と、立体形状データに基づいて、光線発生器により発生される光線群により基準面の上方かつ光線制御子の内側の空間に立体画像の少なくとも一部が提示されるように光線発生器を制御する制御手段とを備え、光線制御子は、光線発生器により照射された各光線を周方向において第１の角度で拡散させて透過または反射させるとともに稜線方向において第１の角度よりも大きい第２の角度で拡散させて透過または反射させるように形成されたものである。

その立体ディスプレイにおいては、光線制御子は錐体形状または柱体形状を有する。光線制御子の底部が基準面上に開口するようにかつ周壁が基準面の上方に位置するように、光線制御子が配置される。基準面上に配置された光線制御子に、立体形状データに基づいて光線発生器から光線群が照射される。

この場合、光線制御子の内側の空間において、複数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、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り、それぞれの眼において各々の点光源の見かけ上の位置関係が異なって見えるので、両眼視差が生じる。その結果、複数の点光源の集合により立体画像が提示される。

光線制御子は、光線発生器により照射された各光線を周方向において第１の角度で拡散させつつ透過または反射させる。それにより、光線制御子により拡散された複数の光線間の隙間が低減される。したがって、観察者は、周方向における任意の位置から立体画像を形成する各点光源を視認することができる。

また、光線制御子は、光線発生器により照射された各光線を稜線方向において第１の角度よりも大きい第２の角度で拡散させつつ透過または反射させる。それにより、観察者は、鉛直方向における比較的広い範囲で立体画像を形成する点光源を視認することができる。

光線制御子において各光線が周方向において第１の角度で拡散されるので、点光源と光線制御子との間の距離が短いほどその点光源のぼけの程度が小さい。上記の構成によれば、立体画像の上部と光線制御子の周壁との間の距離は、立体画像の下部と光線制御子の周壁との間の距離に比べて小さい。それにより、立体画像の上部のぼけの程度が下部のぼけの程度に比べて小さくなる。したがって、立体画像の上部のぼけの程度は下部のそれよりも小さく、その結果立体画像の上部の画質を向上させることが可能となる。

（２）立体ディスプレイは、光線発生器を複数備え、複数の光線発生器は、基準面の下方でかつ光線制御子の内側から複数の光線からなる光線群を光線制御子の周壁の内周面にそれぞれ照射するように光線制御子の周囲に配置され、光線制御子は、各光線発生器により照射された各光線を透過させるように形成され、制御手段は、立体形状データに基づいて、複数の光線発生器により発生される光線群により基準面の上方かつ光線制御子の内側の空間に立体画像の少なくとも一部が提示されるように複数の光線発生器を制御してもよい。

この場合、各光線発生器から発生された複数の光線からなる光線群が、基準面の下方でかつ光線制御子の外側から光線制御子の周壁の内周面にそれぞれ照射される。光線制御子に照射された光線は、その光線制御子を透過する。立体形状データに基づいて、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複数の光線発生器が制御される。

上記の構成によれば、複数の光線発生器が基準面の下方に配置された状態で、基準面の上方に立体画像の少なくとも一部が提示される。それにより、基準面の上方に立体画像の画質を向上させるための装置を設けることなく、基準面の上方に提示される立体画像の画質を向上させることができる。

（３）立体ディスプレイは、光線発生器を１または複数備え、１または複数の光線発生器は、基準面の下方でかつ光線制御子の内側から複数の光線からなる光線群を光線制御子の内周面に照射するように光線制御子の周囲に配置され、立体ディスプレイは、１または複数の光線発生器を光線制御子の中心軸周りで回転させる回転機構をさらに備え、光線制御子は、１または複数の光線発生器の各々により照射された各光線を透過させるように形成され、制御手段は、立体形状データに基づいて、回転する１または複数の光線発生器により発生される光線群により基準面の上方かつ光線制御子の内側の空間に立体画像の少なくとも一部が提示されるように複数の光線発生器を制御してもよい。

この場合、１または複数の光線発生器の各々から発生された複数の光線からなる光線群が、基準面の下方でかつ光線制御子の外側から光線制御子の周壁の内周面にそれぞれ照射される。光線制御子に照射された光線は、その光線制御子を透過する。光線発生器は、回転機構により光線制御子の中心軸周りで回転する。立体形状データに基づいて、回転する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１または複数の光線発生器が制御される。

上記の構成によれば、光線制御子が、入射する光線を周方向において第１の角度で拡散させる。また、光線発生器が回転しつつ光線制御子の外周面に光線群を照射する。それにより、光線発生器の数が少ない場合でも、周方向において途切れた部分を有しない連続的な立体画像が提示される。つまり、より少ない光線発生器を用いて上部の画質が向上された立体画像を提示することが可能となる。

さらに、１または複数の光線発生器が基準面の下方に配置された状態で、基準面の上方に立体画像の少なくとも一部が提示される。それにより、基準面の上方に立体画像の画質を向上させるための装置を設けることなく、基準面の上方に提示される立体画像の画質を向上させることができる。

（４）立体ディスプレイは、光線発生器を複数備え、複数の光線発生器は、基準面の上方から複数の光線からなる光線群を光線制御子の周壁の外周面にそれぞれ照射するように光線制御子の上方または周囲に配置され、光線制御子は、各光線発生器により照射された各光線を反射するように形成され、制御手段は、立体形状データに基づいて、複数の光線発生器により発生される光線群により基準面の上方かつ光線制御子の内側の空間に立体画像の少なくとも一部が擬似的に提示されるように複数の光線発生器を制御してもよい。

この場合、各光線発生器から発生された複数の光線からなる光線群が、基準面の上方から光線制御子の周壁の外周面にそれぞれ照射される。光線制御子に照射された光線は、その光線制御子により反射される。立体形状データに基づいて、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複数の光線発生器が制御される。

上記の構成によれば、複数の光線発生器が基準面の上方に配置された状態で、基準面の上方に立体画像の少なくとも一部が擬似的に提示される。それにより、基準面の下方に複数の光線発生器を配置することなく基準面の上方に画質が向上された立体画像を提示することができる。

（５）立体ディスプレイは、提示された立体画像に対する操作を行うための操作手段をさらに備え、制御手段は、操作手段による操作に応答して、提示された立体画像に関する予め定められた処理を行ってもよい。

この場合、観察者は、操作手段を用いて提示された立体画像に対する操作を行うことができる。それにより、立体画像に関する予め定められた処理が実行される。

（６）操作手段は、タッチパネルを含み、タッチパネルは、光線制御子の外周面に設けられてもよい。

この場合、タッチパネルは光線制御子の外周面上に設けられる。立体画像の少なくとも一部は、基準面よりも上方かつ光線制御子の内側に提示されるので、立体画像の上部と光線制御子の周壁との間の距離は比較的小さい。したがって、観察者は、立体画像により近い位置で、その立体画像に対する操作をタッチパネルが設けられた光線制御子の外周面を経由して直感的に行うことができる。また、このとき、観察者は、立体画像の上部に触れている感覚を擬似的に得ることができる。したがって、触覚的な実体物の存在感を十分に得ることができる。

（７）操作手段は、光線制御子に赤外線を照射する赤外線照射装置と、照射装置により赤外線が照射されて物体により変化した赤外線を受光することにより光線制御子を撮像する赤外線撮像装置とを含み、制御手段は、赤外線撮像装置の撮像により得られる画像データに基づいて、光線制御子の外周面に物体が接触したことを操作手段による操作として検出してもよい。

この場合、赤外線照射装置から光線制御子に赤外線が照射される。光線制御子に照射される赤外線が観察者の指等の物体に当たると、その物体により変化した赤外線が赤外線撮像装置により受光され、光線制御子が撮像される。撮像により得られる画像データに基づいて、光線制御子の外周面に物体が接触したことが操作手段による操作として検出される。それにより、観察者は、光線制御子に触れて立体画像に対する操作を行うことができる。

立体画像の少なくとも一部は、基準面よりも上方かつ光線制御子の内側に提示されるので、立体画像の上部と光線制御子の周壁との間の距離は比較的小さい。したがって、観察者は、立体画像により近い位置で、その立体画像に対する操作を直感的に行うことができる。また、このとき、観察者は、立体画像の上部に触れている感覚を擬似的に得ることができる。したがって、触覚的な実体物の存在感を十分に得ることができる。

（８）光線制御子は、錐体形状を有してもよい。この場合、立体画像は光線制御子の内側に提示されるので、立体画像の上部と光線制御子の周壁との間の距離をより短くすることができる。それにより、立体画像の上部の画質がより向上する。

（９）基準面は、テーブルの天板の上面であり、天板は開口部を有し、光線制御子は、天板の開口部に取り付けられてもよい。

この場合、テーブルの天板上の空間に立体画像が提示される。上記の構成によれば、立体画像の上部の画質が向上する。それにより、テーブルを取り囲む複数の観察者の眼に近い位置で精細な立体画像を提供することが可能となる。

本発明によれば、立体画像の上部の画質を向上させ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模式的断面図である。 図１の立体ディスプレイの模式的平面図である。 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。 光線発生器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。 第１の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。 光線制御子による光線の水平面内での拡散を説明するための図である。 点光源と光線制御子との間の距離と点光源に発生するぼけの程度との関係を説明するための模式的平面図である。 観察者の眼が円環状視域から外れた位置にある場合の光線群の補正を説明するための図である。 第２の実施の形態に係る立体ディスプレイの一部を示す模式的断面図である。 図１１の光線制御子へのタッチパネルの取り付け方法の一例を示す図である。 第３の実施の形態に係る立体ディスプレイの一部を示す模式的断面図である。 第３の実施の形態に係る立体ディスプレイの他の構成例を示す模式的断面図である。 （ａ）は第４の実施の形態に係る立体ディスプレイの一部を示す模式的断面図であり、（ｂ）は（ａ）の太い点線部分の拡大図である。 第５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１６の立体ディスプレイの一部を示す模式的平面図である。 第６の実施の形態に係る立体ディスプレイの一部を示す模式的断面図である。 図１８の立体ディスプレイにより立体画像を提示するメカニズムを説明するための模式的断面図である。 他の実施の形態に係る立体ディスプレイの一部を示す模式的断面図である。

［１］第１の実施の形態
（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、円錐形状の光線制御子１、複数の光線発生器２、制御装置３、記憶装置４および複数のカメラ８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、鉛直方向に延びる軸Ｚを中心として回転対称な円錐形状を有する。本実施の形態においては、光線制御子１の底部の直径は例えば２００ｍｍであり、光線制御子１の高さは例えば１２０ｍｍである。光線制御子１の底部は開口している。光線制御子１は、稜線方向Ｔと円周方向Ｒとで異なる特性を有する。ここで、稜線方向Ｔおよび軸Ｚを含む面を垂直面と呼び、軸Ｚに垂直な面を水平面と呼ぶ。光線制御子１は、入射した光線が水平面内で円周方向Ｒにおいては第１の角度で拡散して透過するようにかつ垂直面内で稜線方向Ｔにおいては第２の角度で拡散して透過するように形成されている。第１の角度は、第２の角度よりも十分に小さく設定される。光線制御子１は、レンチキュラシートであってもよいし、ホログラフィックスクリーンであってもよい。また、光線制御子１は、透光性を有する平坦なシート状部材の表面上に、微小な光拡散材料を含む樹脂層が形成された構成を有してもよい。この場合、微小な光拡散材料は、例えば楕円形状または繊維形状を有する。

図１に示すように、光線制御子１は、底部開口が下方を向くように天板５１の円形孔部に嵌め込まれる。光線制御子１の少なくとも一部は、テーブル５の天板５１の上面から上方に突出する。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の外周面を観察することができる。

図２に示すように、テーブル５の下方には、複数の光線発生器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。複数の光線発生器２は、光線制御子１の斜め下方から光線制御子１の内周面に光線を照射するように設けられる。

各光線発生器２は、例えば走査型プロジェクタである。各光線発生器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、各光線発生器２は、光線で光線制御子１の内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。

図１の記憶装置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光線発生器２を制御する。それにより、光線制御子１の内側の空間に立体画像３００が提示される。図１および図２の例では、立体画像３００として人物像が示される。

複数のカメラ８は、テーブル５の周囲にいる観察者１０の顔を撮像するように配置される。制御装置３においては、カメラ８から出力される電気信号に基づいて画像データが生成される。制御装置３は、生成された画像データに基づいて各観察者１０の眼の位置（視点）を算出し、後述する視点追跡による光線群の補正を行う。

（２）光線発生器２の動作
図４は光線発生器２の動作を説明するための模式的平面図である。図４には１つの光線発生器２のみが示される。

光線発生器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。

光線発生器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の内周面を水平方向に走査することができる。また、光線発生器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の内周面を垂直方向に走査することができる。それにより、光線発生器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、光線発生器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、光線発生器２は、擬似的に複数の光線からなる光線群を出射する。

図４において、光線発生器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を第１の角度で拡散させつつ透過させるので、観察者は、ある位置で一本の光線が拡散されることにより生成された光線（以下、拡散光線と呼ぶ。）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第１の角度よりも大きい第２の角度で拡散させて透過させるので、観察者は、一本の光線から生成された拡散光線を鉛直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２として、走査型プロジェクタを用いているが、これに限定されない。光線発生器としては、ＤＭＤ（Digital Micromirror 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と同様に光線群を形成することができる。

（３）立体画像３００の提示方法
図５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５においては、３つの光線発生器２Ａ，２Ｂ，２Ｃが示される。なお、図５および後述する図６および図７では、立体画像３００として星型の像が示される。

例えば、光線制御子１の下方の位置ＰＲに赤色の画素を提示する場合には、光線発生器２Ａから位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＡ０を出射し、光線発生器２Ｂから位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＢ０を出射し、光線発生器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の下方の位置ＰＧに緑色の画素を提示する場合には、光線発生器２Ａから位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＡ１を出射し、光線発生器２Ｂから位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＢ１を出射し、光線発生器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、複数の光線発生器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。

光線発生器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の内側の空間が光線が交わった状態である光点群で十分に密に満たされていれば、円周上のいずれの方向から光線制御子１の内側を観察しても位置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の内側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６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６においては、１つの光線発生器２が示される。

図６に示すように、光線発生器２から出射された光線は、光線制御子１で第２の角度αで垂直方向において拡散される。それにより、観察者は、第２の角度αの範囲内において垂直方向の異なる位置で光線発生器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の位置が移動する。このように、光線発生器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。第２の角度αは、例えば４０°程度に設定される。

図１の複数の光線発生器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光線発生器２を制御する。それにより、光線制御子１の内側の空間に立体画像３００が提示されるように、各光線発生器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の指向性表示が可能となる。

（４）両眼視差の発生原理
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７は第１の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７には、５つの光線発生器２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅが示される。

図７において、観察者が右眼１００Ｒで光線制御子１の点Ｐ３１を見た場合には、光線発生器２ａから出射された光線Ｌａが光線制御子１の点Ｐ３１を透過して右眼１００Ｒに入射する。また、観察者が右眼１００Ｒで光線制御子１の点Ｐ３３を見た場合には、光線発生器２ｃから出射された光線Ｌｃが光線制御子１の点Ｐ３３を透過して右眼１００Ｒに入射する。さらに、観察者が右眼１００Ｒで光線制御子１の点Ｐ３４を見た場合には、光線発生器２ｅから出射された光線Ｌｅが光線制御子１の点Ｐ３４を透過して右眼１００Ｒに入射する。

一方、観察者が左眼１００Ｌで光線制御子１の点Ｐ３２を見た場合には、光線発生器２ｂから出射された光線Ｌｂが光線制御子１の点Ｐ３２を透過して左眼１００Ｌに入射する。また、観察者が左眼１００Ｌで光線制御子１の点Ｐ３４を見た場合には、光線発生器２ｄから出射された光線Ｌｄが光線制御子１の点Ｐ３４を透過して左眼１００Ｌに入射する。

ここで、光線Ｌａの色と光線Ｌｄの色とは同じであり、光線Ｌｂの色と光線Ｌｅの色とは同じであり、光線Ｌｄの色は光線Ｌｅの色と異なり、光線Ｌｃの色は他の光線Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｄ，Ｌｅの色とは異なるとする。この場合、光線制御子１の外側の点Ｐ３４の色は見る方向により異なる。同様に、光線制御子１の外側の点Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３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、光線Ｌｅにより立体画像３００の点Ｐｅが作られる。

図７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。したがって、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。

また、図７の例では、立体画像３００の点Ｐｂと点Ｐｅとが同じ位置にある。すなわち、光線Ｌｂと光線Ｌｅとの交点に立体画像３００の点Ｐｂ，Ｐｅが作られる。したがって、点Ｐｂ，Ｐｅ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Ｐｂ，Ｐｅを見る方向と左眼１００Ｌで点Ｐａ，Ｐｄを見る方向とが異なる。

このように、右眼１００Ｒの視線方向と左眼１００Ｌの視線方向との間には輻輳角がある。また、右目１００Ｒで点Ｐ３１〜Ｐ３４を見た場合の点Ｐａ〜Ｐｅの見かけ上の位置関係と、左目１００Ｌで点Ｐ３１〜Ｐ３４を見た場合の点Ｐａ〜Ｐｅの見かけ上の位置関係とが異なり視差がある。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。

（５）光線制御子による光線の水平面内での拡散
図８は、光線制御子１による光線の水平面内での拡散を説明するための図である。図８の例では、周方向に並ぶ３つの光線発生器２ｘ，２ｙ，２ｚから出射される光線Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚにより、光線制御子１の内側に立体画像を構成する仮想的な点光源ＰＰが生成される。

光線制御子１の点Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚに入射した光線Ｌｘ，Ｌｙ，Ｌｚは、一点鎖線で示すように、水平面内で微小な第１の角度βで拡散して透過する。したがって、光線発生器２ｘ，２ｙ，２ｚの点Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚから出射される光線がそれぞれ第１の角度βの範囲ＥＲ内で観察者の眼に入射する。光線発生器２ｘ，２ｙ，２ｚに対応する拡散光の範囲ＥＲ間に隙間が生じないように第１の角度βが設定される。それにより、光線発生器２ｘ，２ｙ，２ｚ間に隙間がある場合でも、観察者は、周方向における任意の位置から点光源ＰＰを視認することができる。

本実施の形態においては、複数の光線発生器２は、図３の光線制御子１の軸Ｚを中心とする円周上に等角度間隔で配置される。第１の角度βは、例えば複数の光線発生器２が配置される角度間隔と等しい角度に設定される。また、第１の角度βは、できる限り小さい値（例えば、０．１°程度）に設定されることが好ましい。

ここで、光線制御子１に入射した光線が水平面内で第１の角度βで拡散して透過する場合、観察者には点光源がぼけて見える。ぼけの程度は、点光源が光線制御子１から遠いほど大きくなる。この理由について説明する。

図９は点光源と光線制御子１との間の距離と点光源に発生するぼけの程度との関係を説明するための模式的平面図である。図９（ａ），（ｂ）に示すように、点光源ＰＰ０を形成する１本の光線Ｌ０が光線制御子１に入射する。光線Ｌ０は、光線制御子１で第１の角度βだけ拡散されて出射される。光線制御子１から出射された複数の拡散光線は観察者の眼ＥＹ０に入射される。ここで、複数の拡散光線のうち両外側の拡散光線をＬ１ａ，Ｌ１ｂとする。

図９（ａ）は点光源ＰＰ０が光線制御子１に近い場合を示し、図９（ｂ）は点光源ＰＰ０が光線制御子１に遠い場合を示す。この場合は、拡散光線Ｌ１ａ，Ｌ１ｂの延長線上の仮想的な光線Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ間の複数の光線が観察者の眼ＥＹに入射することと等価である。そのため、観察者は、点光源ＰＰ０を点線ＰＰ０１，ＰＰ０２で示すように認識する。したがって、点光源ＰＰ０が光線制御子１に近いほど点光源ＰＰ０のぼけの程度が小さくなる。したがって、光線制御子１に近い点光源ほど、観察者からは精細な像として知覚される。

（６）視点追跡による光線群の補正機能
複数の観察者１０がテーブル５の周囲に着座している場合には、複数の観察者１０の眼は、天板５１の中心軸Ｚからほぼ一定の距離でかつほぼ一定の高さの位置（基準の位置）にあるとみなすことができる。そこで、図１および図２に示すように、複数の観察者１０の眼が位置する円環状の領域を円環状視域５００として設定する。

制御装置３は、複数の観察者１０の眼が円環状視域５００にあるとみなして各光線発生器２を制御する。それにより、複数の観察者１０の眼が円環状視域５００にある場合に、複数の観察者１０は、同じ高さに同じ形状の立体画像３００を視認することができる。

図６を用いて説明したように、垂直方向における観察者１０の眼の位置により観察者１０が視認する立体画像３００の各画素の位置が移動する。そのため、観察者１０の眼が円環状視域５００から外れた位置にある場合には、立体画像３００が変形して見える。

そこで、本実施の形態に係る立体ディスプレイでは、カメラ８を用いた視点追跡により検出される各観察者１０の眼の位置に基づいて各光線発生器２から光線制御子１に照射される光線群が補正される。

図１０は、観察者１０の眼が円環状視域５００から外れた位置にある場合の光線群の補正を説明するための図である。図１０において、円環状視域５００は、光線制御子１の中心を通る軸Ｚから水平方向において距離ｄ１でかつテーブル５の天板５１から高さＨ１の位置にある。ここでは、立体画像３００の１つの画素ＰＩＸを光線制御子１の内側の標準の位置ＰＳに提示する方法について説明する。

観察者１０の眼が円環状視域５００上の位置Ｉ１にある場合には、立体画像３００の画素ＰＩＸの色を有する光線Ｌ３１が、光線発生器２から標準の位置ＰＳを通過して光線制御子１の位置ｋ１に照射される。位置ｋ１に照射された光線Ｌ３１は、光線制御子１で垂直方向において拡散され、位置Ｉ１にある観察者１０の眼に入射する。それにより、位置Ｉ１に眼がある観察者１０は、標準の位置ＰＳに画素ＰＩＸを視認することができる。

観察者１０の眼が円環状視域５００よりも上方の高さＨ２の位置Ｉ２にある場合には、立体画像３００の画素ＰＩＸの色を有する光線Ｌ３２が、光線発生器２から光線制御子１の位置ｋ２に照射される。位置ｋ２は位置ｋ１よりも上方に位置する。位置ｋ２に照射された光線Ｌ３２は、光線制御子１で垂直方向において拡散され、拡散された１本の光線が位置Ｉ２にある観察者１０の眼に入射する。この場合、標準の位置ＰＳは、位置ｋ２から観察者１０の眼に入射する光線の延長線上に位置する。それにより、位置Ｉ２に眼がある観察者１０は、標準の位置ＰＳに画素ＰＩＸを視認することができる。

観察者１０の眼が円環状視域５００と同じ高さで水平方向において中心軸Ｚから距離ｄ２の位置Ｉ３にある場合には、立体画像３００の画素ＰＩＸの色を有する光線Ｌ３３が、光線発生器２から光線制御子１の位置ｋ３に照射される。位置ｋ３は位置ｋ１よりも下方に位置する。位置ｋ３に照射された光線Ｌ３３は、光線制御子１で垂直方向において拡散され、拡散された１本の光線が位置Ｉ３にある観察者１０の眼に入射する。この場合、標準の位置ＰＳは、位置ｋ３から観察者１０の眼に入射する光線の延長線上に位置する。それにより、位置Ｉ３に眼がある観察者１０は、標準の位置ＰＳに画素ＰＩＸを視認することができる。

具体的には、制御装置３は、カメラ８の撮像により得られる画像データに基づいて観察者１０の眼の位置の座標を算出する。観察者１０の眼の位置が円環状視域５００上にある場合には、制御装置３は、眼の位置と標準の位置ＰＳとを通る直線が光線制御子１と交差する位置ｋ１に画素ＰＩＸの色を有する光線Ｌ３１が照射されるように光線発生器２を制御する。

観察者１０の眼が円環状視域５００から外れた位置にある場合には、制御装置３は、眼の位置と標準の位置ＰＳとを通る直線が光線制御子１と交差する位置に画素ＰＩＸの色を有する光線が照射されるように光線発生器２を制御する。

このようにして、制御装置３は、観察者１０の眼の位置に応じて標準の位置ＰＳに画素ＰＩＸを提示するための光線の方向を補正する。換言すると、制御装置３は、観察者１０の眼の位置に応じて画素ＰＩＸの色を有する光線が観察者１０の眼に入射するように、光線発生器２から出射される光線群の各光線の色を補正する。その結果、観察者１０は、眼の位置にかかわらず同一の形状を有する立体画像３００を視認することができる。

なお、観察者１０の眼が円環状視域５００と標準の位置ＰＳとを通る直線上にある場合には、観察者１０の眼が円環状視域５００から外れた位置Ｉ４にあっても、観察者１０の眼が円環状視域５００上にある場合と同様に、立体画像３００の画素ＰＩＸの色を有する光線Ｌ３１が光線発生器２から光線制御子１の位置ｋ１に照射される。それにより、観察者１０は、標準の位置ＰＳに画素ＰＩＸを視認することができる。

このように、観察者１０の眼の位置に応じて光線発生器２から出射される光線群を補正することにより観察者１０の眼の位置にかかわらず立体画像３００が変形することなく提示される。

本実施の形態においては、カメラ８から与えられる画像データに基づいて観察者１０の眼の位置の座標が算出されるが、これに限定されない。例えば、レーダーまたはソナー等の物体探知機構が立体ディスプレイに設けられ、物体探知機構から与えられるデータに基づいて観察者１０の眼の位置の座標が算出されてもよい。

また、本実施の形態においては、複数の観察者１０にそれぞれ対応して複数のカメラ８が設けられるが、これに限定されない。１または複数の観察者１０に対応しないように１または複数のカメラ８が設けられてもよい。例えば、１または複数の観察者１０の顔を撮像するように１個のカメラ８が設けられてもよい。

（７）第１の実施の形態の効果
第１の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の底部が天板５１上に開口するようにかつ周壁が天板５１の上方に位置するように、円錐形状を有する光線制御子１が配置される。天板５１上に配置された光線制御子１に、立体形状データに基づいて複数の光線発生器２から光線群が照射される。

この場合、光線制御子１の内側の空間において、複数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、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り、それぞれの眼において各々の点光源の見かけ上の位置関係が異なって見えるので、両眼視差が生じる。その結果、複数の点光源の集合により立体画像３００が提示される。

光線制御子１は、各光線発生器２により照射された各光線を周方向において第１の角度βで拡散させつつ透過させる。それにより、光線制御子１により拡散された複数の光線間の隙間が低減される。したがって、観察者は、周方向における任意の位置から立体画像３００を形成する各点光源を視認することができる。

また、光線制御子１は、各光線発生器２により照射された各光線を稜線方向において第１の角度βよりも大きい第２の角度αで拡散させつつ透過させる。それにより、観察者は、鉛直方向における比較的広い範囲で立体画像３００を形成する各点光源を視認することができる。

この場合、光線制御子１において各光線が周方向において第１の角度βで拡散されるので、点光源と光線制御子１との間の距離が短いほどその点光源のぼけの程度が小さい。上記の構成によれば、立体画像３００の上部と光線制御子１の周壁との間の距離は、図１および図６から明らかなように立体画像３００の下部と光線制御子１の周壁との間の距離に比べて小さい。それにより、立体画像３００の上部のぼけの程度が下部のぼけの程度に比べて小さくなる。したがって、立体画像３００の上部のぼけの程度は下部のぼけの程度より小さく、立体画像３００の上部の画質を向上させることが可能となる。

上記のように、本実施の形態では、複数の光線発生器２が天板５１の下側に配置された状態で、天板５１の上方に立体画像３００の少なくとも一部が提示される。それにより、天板５１の上方に立体画像３００の画質を向上させるための装置を設けることなく、天板５１の上方に提示される立体画像３００の画質を向上させることができる。

本実施の形態では、光線制御子１が円錐形状を有する。立体画像３００は光線制御子１の内側に提示される。この場合、立体画像３００の上部と光線制御子１の内周面との間の距離をより短くすることができる。それにより、立体画像３００の上部の画質がより向上する。

［２］第２の実施の形態
第２の実施の形態に係る立体ディスプレイについて、第１の実施の形態に係る立体ディスプレイと異なる点を説明する。図１１は第２の実施の形態に係る立体ディスプレイの一部を示す模式的断面図である。

図１１の立体ディスプレイは、図１の立体ディスプレイの構成に加えてタッチパネル７を備える。本実施の形態では、観察者が立体画像３００に対する操作を行うための操作手段として、タッチパネル７が用いられる。本例のタッチパネル７は、表面型静電容量方式のタッチパネルであり、光線制御子１上に取り付けられる。図１２は、図１１の光線制御子１へのタッチパネル７の取り付け方法の一例を示す図である。

図１２に示すように、扇状のシート状透明素材１ｘの周方向に並ぶように等角度間隔で複数（本例では１０枚）の台形状のタッチパネル７が貼り付けられる。その後、シート状透明素材１ｘの２本の半径がつなげられることにより光線制御子１が作製される。それにより、光線制御子１のほぼ全ての領域を覆うようにタッチパネル７が設けられる。シート状透明素材１ｘは、例えばアクリルまたはポリカーボネート等の所定の屈折率を有する透明な樹脂からなるレンチキュラシートまたはホログラフィックスクリーンである。

図１１に示すように、光線制御子１上に設けられる複数のタッチパネル７は制御装置３に接続される。それにより、制御装置３は、立体画像３００が提示された状態で、タッチパネル７から与えられる信号に基づいて、観察者によるタッチパネル７の操作を検出する。

具体的には、制御装置３は、例えば観察者の指がいずれかのタッチパネル７に接触したこと、および観察者の指が接触したタッチパネル７の位置（座標）を検出する。また、制御装置３は、観察者によるタッチパネル７の操作の検出に基づいて立体画像３００に関する予め定められた処理を実行する。

制御装置３は、立体画像３００に関する予め定められた処理として、例えば観察者の指が接触したタッチパネル７の位置に最も近い立体画像３００の部分が拡大表示または縮小表示されるように複数の光線発生器２を制御してもよい。

また、制御装置３は、例えば観察者の指が接触したタッチパネル７の位置の近傍に特定の色の点光源が提示されるように複数の光線発生器２を制御してもよい。

また、制御装置３は、例えば観察者の指がいずれかのタッチパネル７上で移動した場合に立体画像３００の提示方向または立体画像３００の提示位置が変更されるように複数の光線発生器２を制御してもよい。

また、制御装置３は、例えば観察者の指がいずれかのタッチパネル７に接触した場合に、記憶装置４に記憶されている立体形状データに予め定められた処理を行ってもよいし、立体画像３００の提示を停止してもよい。

本実施の形態に係る立体ディスプレイは、スピーカを含む音声出力装置を有してもよい。また、図１１の記憶装置４には、立体画像３００を提示するための立体形状データとともに、その立体形状データに対応付けられた音声データが記憶されてもよい。この場合、制御装置３は、例えば観察者の指がいずれかのタッチパネル７に接触した場合に、立体画像３００の立体形状データに対応付けられた音声データに基づく音声が出力されるように音声出力装置を制御してもよい。

本実施の形態では、タッチパネル７として表面型静電容量方式のタッチパネルが用いられる。タッチパネル７としては、上記の例に限らず、投影型静電容量方式のタッチパネルが用いられてもよいし、抵抗膜方式のタッチパネルが用いられてもよい。また、マトリクス状に並んだ複数のスイッチ（接触センサ）により構成されるタッチパネルが用いられてもよいし、その他の方式のタッチパネルが用いられてもよい。

また、図１２の例では、扇状のシート状透明素材１ｘ上に複数の台形状のタッチパネル７が取り付けられるが、シート状透明素材１ｘと同じ形状を有する１枚のタッチパネル７がシート状透明素材１ｘ上に取り付けられてもよい。

本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいては、タッチパネル７は光線制御子１の外周面上に設けられる。立体画像３００の少なくとも一部が天板５１よりも上方かつ光線制御子１の内側に提示されるので、立体画像３００の上部とタッチパネル７との間の距離は比較的小さい。したがって、観察者は、立体画像３００により近い位置で、その立体画像３００に対する操作を直感的に行うことができる。また、このとき、観察者は、立体画像３００の上部に触れている感覚を擬似的に得ることができる。したがって、触覚的な実体物の存在感を十分に得ることができる。

［３］第３の実施の形態
第３の実施の形態に係る立体ディスプレイについて、第２の実施の形態に係る立体ディスプレイと異なる点を説明する。図１３は、第３の実施の形態に係る立体ディスプレイの一部を示す模式的断面図である。

図１３の立体ディスプレイは、図１１の立体ディスプレイに設けられるタッチパネル７に代えて、赤外線ランプ８１および赤外線撮像カメラ８２を備える。本実施の形態では、観察者が立体画像３００に対する操作を行うための操作手段として、赤外線ランプ８１および赤外線撮像カメラ８２が用いられる。

図１３に示すように、本実施の形態では、赤外線ランプ８１および赤外線撮像カメラ８２が天板５１の下方に配置され、制御装置３に接続される。光線制御子１の内側に立体画像３００が提示された状態で、赤外線ランプ８１から光線制御子１の内周面全体に向かって赤外線が照射される。赤外線撮像カメラ８２においては、光線制御子１に接近する指にて反射した赤外線が受光されることにより光線制御子１の内周面が撮像される。この場合、制御装置３においては、赤外線撮像カメラ８２から出力される電気信号に基づいて画像データが生成される。画像データには、赤外線撮像カメラ８２の各画素に対応する輝度レベルの情報が含まれる。

本実施の形態では、各光線発生器２から光線制御子１に赤外線が照射されないように、光線発生器２に赤外線を遮断するフィルタが設けられる。なお、光線発生器２から赤外線が出射されない場合には、フィルタを設ける必要はない。

上記のように、光線制御子１は入射した光を透過する。そのため、下方から光線制御子１に向かって赤外線が照射された状態で、光線制御子１の上方に赤外線を反射する物体が存在しない場合、赤外線撮像カメラ８２により取得される画像データにおいて、複数の画素に対応する輝度レベルは全体的に低くなる。

一方、光線制御子１の上面に観察者の指が接触する場合には、光線制御子１の下方から照射される赤外線が、光線制御子１を透過して観察者の指で反射し、赤外線撮像カメラ８２に入射する。それにより、観察者の指が接触した光線制御子１の部分の輝度レベルが他の部分の輝度レベルに比べて著しく高くなる。

そこで、制御装置３は、赤外線撮像カメラ８２により取得される画像データにおける複数の画素間の輝度レベルの差分に基づいて、例えば観察者の指が光線制御子１の一部に接触したこと、および観察者の指が接触した光線制御子１の位置（座標）を検出する。また、制御装置３は、これらの検出に基づいて立体画像３００に関する予め定められた処理を実行する。

図１３の立体ディスプレイにおいては、赤外線ランプ８１が天板５１の下方に配置され、赤外線ランプ８１から光線制御子１の内周面全体に向かって赤外線が照射される。赤外線ランプ８１は、図１３の例に限らず、光線制御子１および天板５１の上方に配置されてもよい。

図１４は、第３の実施の形態に係る立体ディスプレイの他の構成例を示す模式的断面図である。図１４の立体ディスプレイにおいては、赤外線ランプ８１が、光線制御子１および天板５１の上方に配置される。それにより、赤外線ランプ８１から光線制御子１の外周面全体に向かって赤外線が照射される。

上記のように、光線制御子１は入射した光を透過する。そのため、光線制御子１の上方に赤外線を遮る物体が存在しない場合、光線制御子１の上方から照射される赤外線は、光線制御子１を透過するとともに光線制御子１の全体から赤外線撮像カメラ８２に入射する。それにより、赤外線撮像カメラ８２により取得される画像データにおいて、複数の画素に対応する輝度レベルは全体的に高くなる。

一方、光線制御子１の上面に観察者の指が接触する場合には、光線制御子１の上方から照射される赤外線が観察者の指により遮られる。それにより、観察者の指が接触した光線制御子１の部分の輝度レベルが他の部分の輝度レベルに比べて著しく低くなる。

そこで、制御装置３は、赤外線撮像カメラ８２により取得される画像データにおける複数の画素間の輝度レベルの差分に基づいて、例えば観察者の指が光線制御子１の一部に接触したこと、および観察者の指が接触した光線制御子１の位置（座標）を検出する。それにより、制御装置３は、図１３の例と同様に、これらの検出に基づいて立体画像３００に関する予め定められた処理を実行する。

なお、本実施の形態においては、赤外線撮像カメラ８２は、光線制御子１および天板５１の上方に配置されてもよい。この場合においても、制御装置３は、赤外線撮像カメラ８２により取得される画像データにおける複数の画素間の輝度レベルの差分に基づいて、例えば観察者の指が光線制御子１の一部に接触したこと、および観察者の指が接触した光線制御子１の位置（座標）を検出する。

本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいては、立体画像３００の少なくとも一部が天板５１よりも上方かつ光線制御子１の内側に提示されるので、立体画像３００の上部と光線制御子１の内周面との間の距離は比較的小さい。そのため観察者は、立体画像３００により近い位置で、その立体画像３００に対する操作を直感的に行うことができる。またこのとき観察者は、立体画像３００の上部に触れている感覚を擬似的に得ることができる。したがって、触覚的な実体物の存在感を十分に得ることができる。

［４］第４の実施の形態
第４の実施の形態に係る立体ディスプレイについて、第３の実施の形態に係る立体ディスプレイと異なる点を説明する。図１５（ａ）は第４の実施の形態に係る立体ディスプレイの一部を示す模式的断面図であり、図１５（ｂ）は図１５（ａ）の太い点線部分の拡大図である。

図１５（ａ）の立体ディスプレイは、図１３および図１４の立体ディスプレイに設けられる赤外線ランプ８１に代えて、複数の赤外線ＬＥＤ（発光ダイオード）８３を備える。本実施の形態では、観察者が立体画像３００に対する操作を行うための操作手段として、複数の赤外線ＬＥＤ８３および赤外線撮像カメラ８２が用いられる。

ここで、図１５（ｂ）に示すように、本例の光線制御子１は、例えば第１のシート状透明素材１１の内周面に、シート状透明素材１１とは異なる屈折率を有する第２のシート状透明素材１２を挟んで複数の環状レンズ１３が設けられた構成を有する。例えば、第１のシート状透明素材１１はアクリルからなる。第２のシート状透明素材１２としては、アクリルとは異なる屈折率を有する樹脂が用いられる。

複数の赤外線ＬＥＤ８３は、光線制御子１の底部に等角度間隔で設けられる。各赤外線ＬＥＤ８３は、その赤外線ＬＥＤ８３から出射される赤外線が第１のシート状透明素材１１の端面に入射するように配置される。

この場合、第１のシート状透明素材１１と空気との屈折率が異なることにより、第１のシート状透明素材１１に入射される赤外線は、第１のシート状透明素材１１の外周面と空気との境界で全反射する。また、第１のシート状透明素材１１と第２のシート状透明素材１２との屈折率が異なることにより、第１のシート状透明素材１１に入射される赤外線は、第１のシート状透明素材１１の内周面と第２のシート状透明素材１２との境界で全反射する。

したがって、光線制御子１の外周面に観察者の指が接触しない場合、赤外線ＬＥＤ８３から出射される赤外線が赤外線撮像カメラ８２に入射することはない。そのため、赤外線撮像カメラ８２により取得される画像データにおいて、複数の画素に対応する輝度レベルは全体的に低い。

一方、光線制御子１の上面に観察者の指が接触する場合には、第１のシート状透明素材１１の外周面の表面状態が変化する。この場合、赤外線は、表面状態が変化した第１のシート状透明素材１１の部分から観察者の指に漏れ出て、反射し、光線制御子１の下方に向かい、赤外線撮像カメラ８２に入射する。それにより、赤外線撮像カメラ８２により取得される画像データにおいて、観察者の指が接触した光線制御子１の部分の輝度レベルが他の部分の輝度レベルに比べて著しく高くなる。

そこで、制御装置３は、赤外線撮像カメラ８２により取得される画像データにおける複数の画素間の輝度レベルの差分に基づいて、例えば観察者の指が光線制御子１の一部に接触したこと、および観察者の指が接触した光線制御子１の位置（座標）を検出する。また、制御装置３は、これらの検出に基づいて立体画像３００に関する予め定められた処理を実行する。

本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいても、立体画像３００の少なくとも一部が天板５１よりも上方かつ光線制御子１の内側に提示されるので、立体画像３００の上部と光線制御子１の内周面との間の距離は比較的小さい。そのため、観察者は、立体画像３００により近い位置で、その立体画像３００に対する操作を直感的に行うことができる。また、このとき、観察者は、立体画像３００の上部に触れている感覚を擬似的に得ることができる。したがって、触覚的な実体物の存在感を十分に得ることができる。

本実施の形態においては、第２のシート状透明素材１２に代えて、第１のシート状透明素材１１と環状レンズ１３との間にハーフミラーが設けられてもよい。この場合、第１のシート状透明素材１１に入射される赤外線は、第１のシート状透明素材１１の外周面と空気との境界で全反射する。また、第１のシート状透明素材１１とハーフミラーとの屈折率が異なることにより、第１のシート状透明素材１１に入射される赤外線は、第１のシート状透明素材１１の内周面とハーフミラーとの境界で全反射する。それにより、光線制御子１がハーフミラーを含む場合でも、上記の例と同様の機能が確保される。

また、第２のシート状透明素材１２が設けられる代わりに、スペーサを用いることにより第１のシート状透明素材１１と環状レンズ１３との間に空隙（空気の層）が形成されてもよい。この場合、第１のシート状透明素材１１に入射される赤外線は、第１のシート状透明素材１１の外周面と空気との境界、および第１のシート状透明素材１１の内周面と空気との境界で全反射する。それにより、光線制御子１が空隙を含む場合でも、上記の例と同様の機能が確保される。

［５］第５の実施の形態
第５の実施の形態に係る立体ディスプレイについて、第１の実施の形態に係る立体ディスプレイと異なる点を説明する。図１６は第５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１７は図１６の立体ディスプレイに設けられる複数の光線発生器２および回転モジュール９を示す模式的平面図である。

図１６および図１７に示すように、本実施の形態に係る立体ディスプレイに設けられる複数の光線発生器２の数は、図１の立体ディスプレイよりも少なくてよい。また、図１６に示すように、本実施の形態に係る立体ディスプレイは、図１の立体ディスプレイの構成に加えて、回転モジュール９を備える。

回転モジュール９は、テーブル５の下方に設けられる。回転モジュール９は、モータ９１、回転軸９２、回転台９３、信号伝送装置９４および回転量計測器９５により構成される。回転軸９２は、鉛直方向に延び、光線制御子１の軸Ｚと共通の直線上に位置するようにモータ９１に取り付けられる。回転軸９２には、回転台９３が水平姿勢で取り付けられる。回転軸９２と回転台９３との間には信号伝送装置９４が設けられる。信号伝送装置９４は、静止体と回転体との間で電力または信号を伝送するための装置である。信号伝送装置９４としては、例えばスリップリングまたは光ロータリジョイント等を用いることができる。

また、回転軸９２には、回転量計測器９５が設けられる。回転量計測器９５は、回転軸９２の回転位置を検出するために用いられる。回転量計測器９５としては、例えばロータリエンコーダ等を用いることができる。モータ９１は、制御装置３により制御される。モータ９１がステッピングモータ等の回転量を厳密に制御可能な機構である場合には、回転量計測器９５は必ずしも必要ではない。

回転台９３上に複数の光線発生器２が固定される。本実施の形態では、複数の光線発生器２は、光線制御子１の軸Ｚを中心とする円周上に等角度間隔で配置される。複数の光線発生器２は、光線制御子１の斜め下方から光線制御子１の内周面に光線を照射するように設けられる。回転台９３上の複数の光線発生器２および回転量計測器９５は、信号伝送装置９４を介して制御装置３に接続される。

モータ９１が作動すると、回転軸９２が回転台９３および複数の光線発生器２とともに回転する。回転台９３の回転速度は、図１７の例のように、光線発生器２の数が６個の場合には１秒間に５回転以上であることが好ましい。回転台９３の回転速度は、光線発生器２の数が４個の場合には１秒間に７．５回転以上であることが好ましく、光線発生器２の数が３個の場合には１秒間に１０回転以上であることが好ましい。

回転台９３の回転速度は、光線発生器２の数が２個の場合には１秒間に１５回転以上であることが好ましく、光線発生器２の数が１個の場合には１秒間に３０回転以上であることが好ましい。すなわち、回転台９３の回転速度は、光線発生器２の数がｎ個（ｎは自然数）の場合には、１秒間に３０／ｎ回転以上であることが好ましい。

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光線発生器２を制御する。それにより、光線制御子１の内側かつ下方に立体画像３００が提示される。

本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいては、各光線発生器２が回転することにより、複数の回転位置から光線制御子１に光線群を照射することができる。それにより、少ない数の光線発生器２を用いて円周方向において途切れた部分を有しない連続的な立体画像３００を光線制御子１の上方に提示することができる。

なお、本実施の形態に係る立体ディスプレイは、第２〜第４の実施の形態の例と同様に、観察者が立体画像３００に対する操作を行うための上記のいずれかの操作手段を有してもよい。

上記の構成によれば、１または複数の光線発生器２が天板５１の下側に配置された状態で、天板５１の上方に立体画像３００の少なくとも一部が提示される。それにより、天板５１の上方に立体画像３００の画質を向上させるための装置を設けることなく、天板５１の上方に提示される立体画像３００の画質を向上させることができる。

また、光線制御子１が入射する光線を周方向において第１の角度βで拡散させるとともに光線発生器２が回転しつつ光線制御子１の外周面に光線群を照射するので、光線発生器２の数が少ない場合でも、周方向において途切れた部分を有しない連続的な立体画像３００が提示される。

［６］第６の実施の形態
第６の実施の形態に係る立体ディスプレイについて、第１の実施の形態に係る立体ディスプレイと異なる点を説明する。図１８は第６の実施の形態に係る立体ディスプレイの一部を示す模式的断面図である。

図１８の立体ディスプレイにおいては、図２の複数の光線発生器２が、天板５１の下方ではなく天板５１の上方に設けられる。また、光線制御子１の内周面にシート状反射部材１９が設けられる。

本実施の形態においては、立体画像３００を提示するために複数の光線発生器２から光線制御子１の外周面に向かって光線群が照射される。光線制御子１に照射された光線群はシート状反射部材１９により反射され、光線制御子１の外周面から外方に向かって出射される。

図１９は、図１８の立体ディスプレイにより立体画像３００を提示するメカニズムを説明するための模式的断面図である。図１９では、１つの光線発生器２と光線制御子１との位置関係が示される。

図１９に示すように、シート状反射部材１９の反射面に関して光線発生器２の光線出射口と面対称となる点を仮想出射点ＶＰと呼ぶ。光線発生器２の光線出射口から出射された光線群がシート状反射部材１９により反射されかつ光線制御子１により拡散される構成は、仮想出射点ＶＰから出射される光線群が光線制御子１により拡散される構成と等価となる。

そこで、本実施の形態では、仮想出射点ＶＰから出射される光線群により光線制御子１の内側に立体画像３００が擬似的に表示されるように立体画像データが生成される。上記のように、本実施の形態では、複数の光線発生器２を天板５１の上方に設けることができる。

［７］他の実施の形態
上記の実施の形態では、光線制御子１は円錐形状を有するが、光線制御子１の形状は上記の例に限られない。光線制御子１は、円錐台形状を有してもよく、あるいは多角錘形状または多角錘台形状を有してもよい。これらの形状を錐体形状と呼ぶ。さらに、光線制御子１は、錐体形状の他、円筒、楕円筒またはＮ角柱（Ｎは３以上の整数）を含む柱体形状を有してもよい。

図２０は、他の実施の形態に係る立体ディスプレイの一部を示す模式的断面図である。図２０の例では、天板５１上に円筒形状を有する光線制御子１が設けられる。この場合においても、立体画像３００の上部と光線制御子１の周壁との間の距離は、立体画像３００の下部と光線制御子１の周壁との間の距離に比べて小さい。それにより、立体画像３００の上部のぼけの程度が下部のぼけの程度に比べて小さくなる。したがって、立体画像３００の上部ののぼけの程度は下部のぼけの程度より小さく、立体画像３００の上部の画質を向上させることが可能となる。

［８］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。

上記実施の形態では、立体ディスプレイが立体ディスプレイの例であり、光線制御子１が光線制御子の例であり、光線発生器２が光線発生器の例であり、制御装置３が制御手段の例であり、第１の角度βが第１の角度の例であり、第２の角度αが第２の角度の例である。

また、タッチパネル７、赤外線ランプ８１、赤外線撮像カメラ８２および複数の赤外線ＬＥＤ８３が操作手段の例であり、タッチパネル７がタッチパネルの例であり、赤外線ランプ８１および複数の赤外線ＬＥＤ８３が赤外線照射装置の例であり、赤外線撮像カメラ８２が赤外線撮像装置の例であり、テーブル５がテーブルの例であり、天板５１が天板の例であり、回転モジュール９が回転機構の例である。

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。

本発明は、立体画像を表示する種々の立体ディスプレイに有効に利用することができる。

１ 光線制御子
１ｘ シート状透明素材
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｘ，２ｙ，２ｚ 光線発生器
３ 制御装置
４ 記憶装置
５ テーブル
７ タッチパネル
８ カメラ
９ 回転モジュール
１０ 観察者
１１ 第１のシート状透明素材
１２ 第２のシート状透明素材
１３ 環状レンズ
１９ シート状反射部材
５１ 天板
５２ 脚
８１ 赤外線ランプ
８２ 赤外線撮像カメラ
８３ 赤外線ＬＥＤ
９１ モータ
９２ 回転軸
９３ 回転台
９４ 信号伝送装置
９５ 回転量計測器
１００Ｒ 右眼
１００Ｌ 左眼
３００ 立体画像
５００ 円環状視域
ｄ１，ｄ２ 距離
ＥＲ 範囲
ＥＹＯ 眼
Ｈ１，Ｈ２ 高さ
Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，ｋ１，ｋ２，ｋ３，ＩＡ０，ＩＢ０，ＩＣ０，ＩＡ１，ＩＢ１，ＩＣ１，ＰＰ，ＰＳ，ＰＲ，Ｅ，Ｅ’ 位置
Ｌ１〜Ｌ１１，Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３，Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ，Ｌｅ，ＬＡ０，ＬＢ０，ＬＣ０，ＬＡ１，ＬＢ１，ＬＣ１，ＬＲ１，ＬＲ２，Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ 光線
Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐ３３，Ｐ３４，Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ，Ｐｅ，Ｐｘ，Ｐｙ，Ｐｚ 点
ＰＩＸ 画素
ＰＰ０ 点光源
ＰＰ０１，ＰＰ０２ 点線
Ｒ 円周方向
Ｔ 稜線方向
ＶＰ 仮想出射点
Ｚ 軸
β 第１の角度
α 第２の角度

Claims (7)

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、
   錐体形状または柱体形状を有するとともに前記錐体形状または前記柱体形状の底部が基準面上に開口するようにかつ前記錐体形状または前記柱体形状の周壁が前記基準面の上方に位置するように配置される光線制御子と、
   複数の光線からなる光線群を前記光線制御子に照射するように配置された光線発生器と、
   前記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前記基準面の上方かつ前記光線制御子の内側の空間に立体画像の少なくとも一部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、
   前記光線制御子は、前記光線発生器により照射された各光線を周方向において第１の角度で拡散させて透過または反射させるとともに稜線方向において前記第１の角度よりも大きい第２の角度で拡散させて透過または反射させるように形成された、立体ディスプレイ。
2. 前記光線発生器を複数備え、
   前記複数の光線発生器は、前記基準面の下方でかつ前記光線制御子の内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内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、
   前記光線制御子は、各光線発生器により照射された各光線を透過させるように形成され、
   前記制御手段は、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前記基準面の上方かつ前記光線制御子の内側の空間に立体画像の少なくとも一部が提示されるように前記複数の光線発生器を制御する、請求項１記載の立体ディスプレイ。
3. 前記光線発生器を１または複数備え、
   前記１または複数の光線発生器は、基準面の下方でかつ前記光線制御子の内側から複数の光線からなる光線群を前記光線制御子の内周面に照射するように光線制御子の周囲に配置され、
   前記立体ディスプレイは、
   前記１または複数の光線発生器を前記光線制御子の中心軸周りで回転させる回転機構をさらに備え、
   前記光線制御子は、前記１または複数の光線発生器の各々により照射された各光線を透過させるように形成され、
   前記制御手段は、前記立体形状データに基づいて、回転する前記１または複数の光線発生器により発生される光線群により前記基準面の上方かつ前記光線制御子の内側の空間に立体画像の少なくとも一部が提示されるように前記複数の光線発生器を制御する、請求項１記載の立体ディスプレイ。
4. 前記光線発生器を複数備え、
   前記複数の光線発生器は、前記基準面の上方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上方または周囲に配置され、
   前記光線制御子は、各光線発生器により照射された各光線を反射するように形成され、
   前記制御手段は、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前記基準面の上方かつ前記光線制御子の内側の空間に立体画像の少なくとも一部が擬似的に提示されるように前記複数の光線発生器を制御する、請求項１記載の立体ディスプレイ。
5. 提示された立体画像に対する操作を行うための操作手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記操作手段による操作に応答して、提示された立体画像に関する予め定められた処理を行う、請求項１〜４のいずれか一項に記載の立体ディスプレイ。
6. 前記操作手段は、タッチパネルを含み、
   前記タッチパネルは、前記光線制御子の外周面に設けられる、請求項５記載の立体ディスプレイ。
7. 前記操作手段は、
   前記光線制御子に赤外線を照射する赤外線照射装置と、
   前記照射装置により赤外線が照射されて物体により変化した赤外線を受光することにより前記光線制御子を撮像する赤外線撮像装置とを含み、
   前記制御手段は、前記赤外線撮像装置の撮像により得られる画像データに基づいて、前記光線制御子の外周面に物体が接触したことを前記操作手段による操作として検出する、請求項５記載の立体ディスプレイ。

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