JP5646110B2

JP5646110B2 - 立体像形成システム及びその方法

Info

Publication number: JP5646110B2
Application number: JP2014502102A
Authority: JP
Inventors: 誠大坪
Original assignee: Asukanet Co Ltd
Current assignee: Asukanet Co Ltd
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2033-02-07
Also published as: WO2013129063A1; JPWO2013129063A1; US20150062700A1; TWI491924B; US9523859B2; TW201348742A

Description

本発明は、自由空間内（現実の生活空間内）に立体像を形成する立体像形成システム及び立体像形成方法に関する。

従来より、表示器内に形成される２次元画像から立体像を視認する装置や方法が提案されているが、立体像が視認できる視野が狭く、立体像を視認するためには特殊な眼鏡が必要になる等の問題を有している。
そこで、例えば特許文献１には、表示器内の空間（物理的に奥行きのある空間）に立体像を直接表示するシステム及びその方法が提案されている。この立体像では、電子データから立体像を形成するため、得られる立体像に制約が無く、見る位置に応じた画像を観察者は見ることができ、例えば、右から見れば右側の画像が視認でき、上から覗き込むこともできるという利点がある。
また、例えば特許文献２、３には、現実の物体を用いて、その実像（立体像）を自由空間内に表示する装置及び方法が開示されている。この立体像は、自由空間内に形成されるので、立体像の大きさに制約がなく（例えば、物体と同一サイズの立体像を表示することができる）、手で触れることもできる（実際は、実体が無いので、手はすり抜けてしまう）という利点がある。

特表２００５−５００５７８号公報特開２０１１−１７５２９７号公報特開２０１１−０９０１１７号公報

しかしながら、特許文献１の立体像では、立体像が表示器内の空間に表示されるため、大きさに制約が生じ、直接手で触れることができないという問題がある。
一方、特許文献２、３では、立体像を得るには立体像の基になる物体が必要となるため、得られる立体像に制約が生じると共に、得られる立体像は静止状態となって、動的状態の立体像は得られないという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、電子データから自由空間内に静的状態又は動的状態の立体像を形成することが可能な立体像形成システム及びその方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る立体像形成システムは、光透過性を有する板状の第１、第２の反射部材を近接又は当接させて配置し、前記第１、第２の反射部材は板面に対して垂直にかつ一定のピッチで平行配置された帯状の第１、第２の反射面をそれぞれ備え、更に前記第１、第２の反射面が交差した状態で配置された光学結像手段と、
前記光学結像手段の背面側に配置され、電子データから表示器内に静的状態又は動的状態の発光する立体像Ａを表示する立体像再生装置とを有し、
前記表示器内の前記立体像Ａを、前記光学結像手段の前面側の自由空間内に立体像Ｂとして結像させている。

前記目的に沿う第２の発明に係る立体像形成システムは、光透過性を有する板状の第１、第２の反射部材を近接又は当接させて配置し、前記第１、第２の反射部材は板面に対して垂直にかつ一定のピッチで平行配置された帯状の第１、第２の反射面をそれぞれ有し、更に同一ピッチで配置された前記第１、第２の反射面が直交した状態となった光学結像手段を同一面上に複数備え、しかも、前記各光学結像手段の対向する前記第１、第２の反射面が平面視して交差する交差角度の二等分線の一つが一点に集まる光学結像装置と、
前記光学結像装置の背面側に配置され、電子データから表示器内に静的状態又は動的状態の発光する立体像Ａを表示する立体像再生装置とを有し、
前記表示器内の前記立体像Ａを、前記光学結像装置の前面側の自由空間内に立体像Ｂとして結像させている。

第１、第２の発明に係る立体像形成システムにおいて、前記第１、第２の反射部材は、それぞれ２層構造となって、かつ前記第１、第２の反射部材はそれぞれ、平面視して隣り合う前記第１、第２の反射面の位置がピッチの１／２ずれていることが好ましい。

第１、第２の発明に係る立体像形成システムにおいて、前記立体像再生装置は、前記電子データから形成した画像信号を画像に変換して投影するプロジェクタ部と、前記画像を映し出す電子スクリーンを該画像の投影方向に間隔を設けて配置した前記表示器とを有し、前記電子スクリーンは、光の透過状態と散乱状態の選択の電子制御（即ち、電気的に光の透過状態と散乱状態の選択制御を行う）が可能で、前記光学結像手段に対して平行又は直交させて配置することができる。

前記目的に沿う第３の発明に係る立体像形成方法は、光透過性を有する板状の第１、第２の反射部材を近接又は当接させて配置し、前記第１、第２の反射部材は板面に対して垂直にかつ一定のピッチで平行配置された帯状の第１、第２の反射面をそれぞれ備え、更に前記第１、第２の反射面が交差した状態で配置された光学結像手段の背面側に、電子データから表示器内に静的状態又は動的状態の発光する立体像Ａを表示する立体像再生装置を配置して、前記表示器内の前記立体像Ａを、前記光学結像装置の前面側の自由空間内に立体像Ｂとして結像させている。

第１の発明に係る立体像形成システム、第３の発明に係る立体像形成方法においては、立体像Ａから光学結像手段の背面側に入射した光が、第１の反射面で反射し、更に第１の反射面に交差した状態で配置された第２の反射面で反射して光学結像手段の前面側に通過してくる場合、光学結像手段を通過した反射光と光学結像手段の背面側に入射する入射光とは平面視して平行になる。このため、立体像Ａの一点から放射状に放出された光の中で、それぞれ異なる第１、第２の反射面で反射して光学結像手段の前面側に通過した光は、光学結像手段の前面側の自由空間内で集束することになって、自由空間内に立体像Ｂを結像することができる（即ち、表示器内の立体像Ａを、自由空間内の直接手で触れることが可能な立体像Ｂとして取り出すことができる）。

第２の発明に係る立体像形成システムにおいては、立体像Ａから光学結像装置の背面側に入射した光が、第１の反射面で反射し、更に第１の反射面に交差した状態で配置された第２の反射面で反射して光学結像装置の前面側に通過してくる場合、光学結像装置を通過した反射光と光学結像装置の背面側に入射する入射光とは平面視して平行になる。このため、立体像Ａの一点から放射状に放出された光の中で、それぞれ異なる第１、第２の反射面で反射して光学結像装置の前面側に通過した光は、光学結像装置の前面側の自由空間内で集束することになって、自由空間内に立体像Ｂを結像することができる（即ち、表示器内の立体像Ａを、自由空間内の直接手で触れることが可能な立体像Ｂとして取り出すことができる）。
そして、第１、第２の反射面が同一ピッチで配置され、第１、第２の反射面が直交した状態となった光学結像手段を同一平面上に複数並べて配置した場合、各光学結像手段に含まれる第１、第２の反射面の平面視した交差角度の二等分線の中の一つは一点に集まるので、各光学結像手段において、第１、第２の反射面でそれぞれ反射して光学結像手段を通過する光に対して、第１又は第２の反射面で１回のみ反射して光学結像手段を通過する光の割合を減少させることができ、第１又は第２の反射面に映った立体像Ａの鏡像が、立体像Ｂと重なり合ってゴースト又はノイズとして視認されることを抑制できると共に、立体像Ｂを明るくすることができる。
また、光学結像手段を組合わせることで、第１、第２の反射部材の大面積化を安価に達成することができるので、高精細な立体像を、多数の観察者が同時に観察可能な立体像形成システムを安価に提供できる。

第１、第２の発明に係る立体像形成システムにおいて、第１、第２の反射部材が、それぞれ２層構造となって、かつ第１、第２の反射部材ではそれぞれ、平面視して隣り合う第１、第２の反射面の位置がピッチの１／２ずれている場合、第１、第２の反射部材をそれぞれ平面視した際、第１、第２の反射面のピッチ（間隔）を、実際のピッチ（各層での第１、第２の反射面のピッチ）の１／２にすることができる。これにより、例えば、立体像Ａの１点から放射される放射角度差の小さな光同士を、また立体像Ａの近接した点から放射される光同士をそれぞれ第１の反射部材の第１の反射面で反射することができ、それらの反射光を第２の反射部材の第２の反射面で再度反射させて、光学結像手段の前面側の自由空間内で集束させることができる。その結果、立体像Ｂの高解像度化を図ることができる。

第１、第２の発明に係る立体像形成システムにおいて、立体像再生装置が、電子データから形成した画像信号を画像に変換して投影するプロジェクタ部と、画像を映し出す電子スクリーンを画像の投影方向に間隔を設けて配置した表示器とを有し、電子スクリーンは、光の透過状態と散乱状態の選択の電子制御が可能で、光学結像手段に対して平行又は直交させて配置されている場合、３次元空間に実際に立体像Ａを形成することができる。そして、立体像Ａは電子データから形成されるので、多種多様な状態の立体像Ａを容易に形成することができる。

本発明の第１の実施例に係る立体像形成システムの説明図である。同立体像形成システムの光学結像手段による光の反射を説明する斜視図である。本発明の第２の実施例に係る立体像形成システムの光学結像装置の平面図である。同立体像形成システムの光学結像装置を構成する光学結像手段の説明図である。本発明の第３の実施例に係る立体像形成システムにおける光学結像手段と電子スクリーンの配置を説明する説明図である。本発明の第４の実施例に係る立体像形成システムにおける光学結像手段と電子スクリーンの配置を説明する説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２に示すように、本発明の第１の実施例に係る立体像形成システム１０は、
光透過性を有する板状の第１、第２の反射部材１３、１４を当接させて配置し、第１、第２の反射部材１３、１４は板面に対して垂直にかつ一定のピッチで平行配置された帯状の第１、第２の反射面１１、１２をそれぞれ備え、更に第１、第２の反射面１１、１２が交差した状態、例えば直交した状態で配置された光学結像手段１５と、光学結像手段１５の背面側に配置され、電子データから表示器１６内に静的状態又は動的状態の発光する立体像Ａを表示する立体像再生装置１７とを有し、表示器１６内の立体像Ａを、光学結像手段１５の前面側の自由空間内に立体像Ｂとして結像させるものである。以下、光学結像手段１５及び立体像再生装置１７について、それぞれ説明する。

図２に示すように、光学結像手段１５を構成する第１の反射部材１３は、積層された２つの第１の反射体１８、１９からなる２層構造となって、第１の反射体１８、１９にはそれぞれ第１の反射面１１が一定のピッチで配置され、第１の反射体１８の第１の反射面１１の位置と、第１の反射体１９の第１の反射面１１の位置は、平面視して第１の反射面１１のピッチの１／２だけ平行にずれている。また、光学結像手段１５を構成する第２の反射部材１４は、積層された２つの第２の反射体２０、２１からなる２層構造となって、第２の反射体２０、２１にはそれぞれ第２の反射面１２が一定のピッチ（例えば、第１の反射面１１のピッチと同一）で配置され、第２の反射体２０の第２の反射面１２の位置と、第２の反射体２１の第２の反射面１２の位置は、平面視して第２の反射面１１のピッチの１／２だけ平行にずれている。

光透過性を有する第１の反射部材１３の第１の反射体１８、１９、光透過性を有する第２の反射部材１４の第２の反射体２０、２１は、透明物質、例えば、ガラス又は透明合成樹脂で形成されている。ここで、ガラスは石英ガラスが好ましく、透明合成樹脂はアクリル樹脂が好ましい。なお、石英ガラスは、剛性が高く、熱膨張係数が小さいため、石英ガラスを用いて第１の反射体１８、１９及び第２の反射対２０、２１をそれぞれ構成すると、第１、第２の反射体１８〜２１に荷重が負荷されたり、温度が変化しても、第１、第２の反射体１８〜２１にそれぞれ形成した第１、第２の反射面１１、１２のずれや間隔変化を防止することができる。
また、第１、第２の反射面１１、１２は、例えば、アルミニウムや銀等の金属の反射面（例えば、金属めっき層又は金属蒸着層）とすることができ、アルミニウムで反射面を形成する場合、反射率の高い反射面を安価に形成することができる。

第１、第２反射体１８〜２１は、例えば、表裏両面に金属の反射面がそれぞれ形成された一定厚みの透明物質からなる透明板を、反射面同士が向かい合って配置されるように多数枚積層して積層体を作製し、次にこの積層体から各反射面に対して垂直な切り出し面が形成されるように切り出すことにより作製される。そして、第１の反射部材１３は、第１の反射体１８の第１の反射面１１と第１の反射体１９の第１の反射面１１が平行になるように、第１の反射体１８と第１の反射体１９を段違いに当接配置する（例えば、第１の反射体１８の上方に第１の反射体１９を配置する）と共に、第１の反射体１８の第１の反射面１１の位置に対して、第１の反射体１９の第１の反射面１１の位置を第１の反射面１１のピッチの１／２だけずらして、図示しない拘束部材を用いて第１の反射体１８、１９を固定することにより作製する。同様に、第２の反射部材１４は、第２の反射体２０の第２の反射面１２と第２の反射体２１の第２の反射面１２が平行になるように、第２の反射体２０と第２の反射体２１を段違いに当接配置する（例えば、第２の反射体２０の上方に第２の反射体２１を配置する）と共に、第２の反射体２０の第２の反射面１２の位置に対して、第２の反射体２１の第２の反射面１２の位置を第２の反射面１２のピッチの１／２だけずらして、図示しない拘束部材を用いて第２の反射体２０、２１を固定することにより作製する。
ここで、透明板の厚みが第１、第２の反射面１１、１２のピッチに相当し、積層体から切り出す際の厚みで第１、第２の反射体１８〜２１の厚みが決定される。

そして、光学結像手段１５は、第１の反射部材１３と第２の反射部材１４を段違いに、しかも、第１の反射部材１３の第１の反射面１１と第２の反射部材１４の第２の反射面１２が平面視して直交した状態で当接配置させて、図示しない拘束部材を用いて第１、第２の反射部材１３、１４同士を固定することにより作製する。
なお、第１の反射体１８、１９、第２の反射体２０、２１同士をそれぞれ固定して第１、第２の反射部材１３、１４を形成する拘束部材と、第１、第２の反射部材１３、１４同士を固定する拘束部材の各作用を備えた固定部材を構成して、第１、第２の反射体１８〜２１を一体的に固定するようにしてもよい。
更に、第１、第２の反射体１８〜２１を透明な接着剤で接着して光学結像手段１５を形成することもできる。この場合、接着剤の厚みを第１、第２の反射面１１、１２のピッチに対して無視できる厚さ（例えば、ピッチの１／８０〜１／２０）とする必要がある。

光学結像手段１５を以上の構成とすることにより、図２に示すように、光学結像手段１５の背面側（第１の反射部材１３の一側）に、第１の反射部材１３と隙間を設けて配置した立体像Ａの異なる２点Ｍ１、Ｍ２から放射された光が第１の反射部材１３（第１の反射体１８）の一側の面上の入光部２２から入射すると、入射した光は第１の反射体１８内に進入し、第１の反射面１１のａ１点で反射され、その反射光は第１の反射体１８の他側の面上かつ第１の反射体１８と当接する第１の反射体１９の一側の面上の出入光部２３を介して第１の反射体１９内に進入する。次いで、第１の反射体１９内に進入した反射光は第１の反射体１９内を通過し、第１の反射体１９の他側の面上かつ第１の反射体１９と当接する第２の反射体２０の一側の面上の出入光部２４を介して第２の反射体２０内に進入する。そして、第２の反射体２０内に進入した反射光は、第２の反射面１２のｂ１点で再び反射し、その再反射光は第２の反射体２０の他側の面上かつ第２の反射体２０と当接する第２の反射体２１の一側の面上の出入光部２５を介して第２の反射体２１内に進入し、第２の反射体２１の他側の面上の出光部２６から第２の反射部材１４（第２の反射体２１）の外部に放出される。

また、立体像Ａの異なる２点Ｍ１、Ｍ２から放射された別の光が第１の反射部材１３（第１の反射体１８）の一側の面上の入光部２７から入射すると、入射した光は第１の反射体１８内に進入し、第１の反射体１８の他側の面上かつ第１の反射体１８と当接する第１の反射体１９の一側の面上の出入光部２８を介して第１の反射体１９内に進入する。次いで、第１の反射体１９内に進入した光は第１の反射面１１のａ２点で反射され、その反射光は第１の反射体１９の他側の面上かつ第１の反射体１９と当接する第２の反射体２０の一側の面上の出入光部２９を介して第２の反射体２０内に進入し、第２の反射体２０内を通過し、第２の反射体２０の他側の面上かつ第２の反射体２０と当接する第２の反射体２１の一側の面上の出入光部３０を介して第２の反射体２１内に進入する。そして、第２の反射体２１内に進入した反射光は、第２の反射面１２のｂ２点で再び反射し、その再反射光は第２の反射体２１の他側の面上の出光部３１から第２の反射部材１４（光学結像手段１５）の外部に放出される。

ここで、第１、第２の反射面１１、１２は、平面視して直交させて配置されているため、第１の反射部材１３に入射した入射光が第１の反射面１１のａ１点、ａ２点で１回目の反射をし、その反射光が第２の反射部材１４の第２の反射面１２のｂ１点、ｂ２点で２回目の反射を起こして第２の反射体２１の出光部２６、３１から第２の反射部材１４の外部（光学結像手段１５の前面側）に放出された場合、光学結像手段１５の背面側から光学結像手段１５に入射する入射光と光学結像手段１５を通過して光学結像手段１５の前面側に放出された反射光は、光学結像手段１５を平面視した状態において平行になる。このため、光学結像手段１５の背面側に配置した立体像Ａの異なる点Ｍ１、Ｍ２から放射されて、光学結像手段１５に入射した光の中で、第１、第２の反射面１１、１２で連続してそれぞれ１回ずつ反射して光学結像手段１５の外部（前面側）に放出された再反射光は、光学結像手段１５の前面側の自由空間にあって、光学結像手段１５を挟んで立体像Ａと対称の位置点Ｍ１´、Ｍ２´でそれぞれ集束し立体像Ｂが結像される。

第１の反射部材１３の第１の反射体１８の第１の反射面１１で反射した反射光は、第２の反射部材１４の第２の反射体２０の第２の反射面１２で、第１の反射部材１３の第１の反射体１９の第１の反射面１１で反射した反射光は、第２の反射部材１４の第２の反射体２１の第２の反射面１２でそれぞれ再び反射する場合について説明したが、第１の反射部材１３の第１の反射体１８、１９のいずれか一方の第１の反射面１１で１回反射し、続いて第２の反射部材１４のいずれか一方の第２の反射体２０、２１の反射面１２で２回目の反射をした反射光であれば、光学結像手段１５の前面側の自由空間にあって、光学結像手段１５を挟んで立体像Ａと対称の位置に集束することができ、立体像Ｂを結像する。

立体像Ａと立体像Ｂは、光学結像手段１５を中心にして面対称の関係となるので、立体像Ａの光学結像手段１５に近い部位は、立体像Ｂでは光学結像手段１５に近い位置に存在し、立体像Ａの光学結像手段１５に遠い部位は、立体像Ｂでは光学結像手段１５に遠い位置に存在する。このため、立体像Ｂを光学結像手段１５の前面側から眺めると、立体像Ｂの凹凸関係は、立体像Ａの凹凸関係と逆転する。このため、立体像Ａと同一の凹凸関係の立体像Ｂを得るには、光学結像手段１５を２つ重ねて用いる必要がある。

なお、第１、第２の反射体１８〜２１を切り出す際の厚みは、第１、第２の反射部材１３、１４の強度や第１、第２の反射部材１３、１４の縦寸法及び横寸法に応じて調整する必要があるが、例えば、０．５〜１０ｍｍである。そして、第１、第２の反射体１８〜２１の厚みは、第１、第２の反射面１１、１２のピッチに対して０．１〜１０倍の範囲（好ましくは０．９〜１．１倍の範囲、より好ましくは１倍）とすることが好ましい。これによって、第１、第２の反射面１１、１２の面積を広くして反射される光の量を確保できると共に、第１、第２の反射面１１、１２で初めに反射した反射光が、隣りの反射面１１、１２（初めに反射した第１、第２の反射面１１、１２にそれぞれ対向する第１、第２の反射面１１、１２）で反射されて、初めに反射した第１、第２の反射面１１、１２に入射して再び反射されることが繰り返されることを防止できる。

第１の反射体１８、１９の第１の反射面１１の位置は、第１の反射面１１のピッチの１／２ずらしているので、立体像Ａの同一点から放射されて光学結像手段１５に入射する放射角度の差の小さな入射光では、一方の入射光は第１の反射部材１３の第１の反射体１８の第１の反射面１１で反射し、他方の入射光は第１の反射部材１３の第１の反射体１９の第１の反射面１１で反射することができる。
また、第２の反射体２０、２１の第２の反射面１２の位置も、第２の反射面１２のピッチの１／２ずれている。このため、第１の反射体１８の第１の反射面１１で反射した反射光と第１の反射体１９の第１の反射面１１で反射した反射光は反射角度差が小さくても、一方の反射光は第２の反射部材１４の第２の反射体２０の第２の反射面１２で反射し、他方の反射光は第２の反射部材１４の第２の反射体２１の第２の反射面１２で反射することができる。その結果、立体像Ａの同一点から光学結像装置１０に入射する放射角度の差の小さな入射光を用いて立体像Ｂを生成することができ、高精細な像を形成することができる。

第１の実施例では、第１の反射部材１３を積層された２つの第１の反射体１８、１９からなる２層構造とし、第２の反射部材１４を積層された２つの第２の反射体２０、２１からなる２層構造としたが、第１、第２の反射部材を、それぞれ１つの第１、第２の反射体で構成してもよい。
なお、第１、第２の反射部材を２層構造とした場合、第１、第２の反射部材はそれぞれ、平面視して隣り合う第１、第２の反射面の位置をピッチの１／２ずらして配置する。このような構成とすることにより、平面視した状態の第１、第２の反射部材における第１、第２の反射面のピッチが、第１、第２の反射体それぞれの第１、第２の反射面のピッチの１／２となり、より高解像度の立体像を得ることが可能になる。

立体像再生装置１７は、例えば図１に示すように、保存している電子データから立体像信号を形成して出力する画像源３２と、立体像信号から画像信号及び画像信号の出力制御信号を形成する表示制御部３３と、出力制御信号に基づいて画像信号を画像に変換して投影するプロジェクタ部３４とを有している。更に、立体像再生装置１７は、光の透過状態と散乱状態の選択を電気的に行うこと（電子制御）が可能な電子スクリーン３５を、プロジェクタ部３４の投影方向に直交させ、かつ間隔を設けて投影方向にＳ枚積層して構成した表示器１６と、出力制御信号に基づいて電子スクリーン３５の光の透過状態と散乱状態の選択を行う駆動器３６とを備えた表示部３７を有している。

画像源３２は、例えば、データ記憶装置を備えた汎用のコンピュータに、グラフィック用プログラム、表示制御部３３との間でデータ及び信号の入出力を行うためのインタフェースを搭載することにより形成することができる。ここで、画像源３２から出力される立体像信号は、例えば、三次元のデジタルイメージの信号と、奥行き値（例えば、デジタルイメージ中に電子スクリーン３５の面上にＸ軸及びＹ軸、電子スクリーン３５の積層方向をＺ軸とした座標系を設定した場合のＺ座標値）から構成される。

表示制御部３３は、三次元のデジタルイメージの信号及び奥行き値から、奥行き値に応じたスライスイメージの信号をそれぞれ作成して画像信号とするスライスイメージ形成機能と、スライスイメージの信号から作成されるスライスイメージの形成場所を示す出力制御信号を作成して、スライスイメージからボリュームイメージを形成する復元機能とを有している。そして、表示制御部３３は、例えば、マイクロコンピュータに、スライスイメージ形成機能と、復元機能を発現するプログラムを搭載することにより形成できる。

プロジェクタ部３４は、画像信号からスライスイメージを形成して投影するもので、毎秒１０００〜５０００コマの描画速度と、十分な光出力が必要となる。このため、プロジェクタ部３４には、例えば、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）方式プロジェクタを使用することができる。なお、ＤＭＤ方式プロジェクタの光源には、光強度が強く、焦点深度に制約を伴わないレーザ光源を使用した形式のものが好ましい。

電子スクリーン３５は、例えば、ＰＮＬＣ（ＰｏｌｙｍｅｒＮｅｔｗｏｒｋＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌ（ポリマーネットワーク型液晶））を用いて形成することができる。ここで、電圧を印加しない状態の電子スクリーン３５では、液晶分子は不規則に並んでいるため、外部から電子スクリーン３５に入射した光を液晶層で散乱させることができる。一方、電圧を印加した状態の電子スクリーン３５では、液晶分子が電子スクリーン３５の両表面に配置したガラス面に対して垂直に並んでいるため、電子スクリーン３５に入射した光を透過させて、電子スクリーン３５を透明な状態にすることができる。

このため、積層配置した各電子スクリーン３５に対して電圧の印加及び遮断を個別に行う電圧印加回路３８を設け、奥行き値の最大値及び最小値を、それぞれ積層配置した電子スクリーン３５の両端位置（１番目電子スクリーン３５の位置及びＳ番目の電子スクリーン３５の位置）に対応させると共に、電圧印加回路３８の動作制御を駆動器３６を介して表示制御部３３からの出力制御信号に基づいて行うと、プロジェクタ部３４から順次表示される奥行き値に応じたスライスイメージを、奥行き値に応じた場所の電子スクリーン３５にそれぞれ映し出すことができる。

図１には、１、２、・・・、ｉ−１、ｉ＋１、・・・、Ｓ−１、Ｓ番目の電子スクリーン３５には電圧を印加せず、ｉ番目の電子スクリーン３５に電圧を印加した瞬間の状態を示している。ｉ番目の電子スクリーン３５は光の散乱状態となっているので、ｉ番目の電子スクリーン３５に表示するスライスイメージをプロジェクタ部３４から投影すると、スライスイメージを形成している光は１、２、・・・、ｉ−１番目の電子スクリーン３５を透過してｉ番目の電子スクリーン３５で散乱され、散乱光は１、２、・・・、ｉ−１、ｉ＋１、・・・、Ｓ−１、Ｓ番目の電子スクリーン３５を透過するので、外部からｉ番目の電子スクリーン３５に投影したスライスイメージが視認できる。
なお、立体像Ａとしての１フレームは、スライスイメージの表示が複数の電子スクリーン３５を一巡することにより完成される。そして、表示器１６内に毎秒５０フレーム以上の速度でフレームの切換えを行うと、目の残像効果により、図１に示すように立体像Ａを視認することができる。

なお、図１では、表示器１６の複数の電子スクリーン３５に１台のプロジェクタ部３４を用いてスライスイメージを投影する場合を示しているが、複数の電子スクリーン３５を積層方向に複数段に分割し、各段毎にその段に含まれる複数の電子スクリーン３５にスライスイメージを投影するプロジェクタ部を配置するようにしてもよい。この場合、各プロジェクタ部は表示制御部３３にそれぞれ接続される。このような構成とすることで、表示器のサイズを大きくでき、大きなサイズの立体像Ａを形成することができる。

続いて、本発明の第１の実施例に係る立体像形成システム１０を用いた立体像形成方法について説明する。
図１に示すように、光学結像手段１５の前面側の自由空間内に立体像Ｂを結像させる場合、先ず、光学結像手段１５の背面側に配置した立体像再生装置１７の表示器１６内に発光する立体像Ａを形成する。

光学結像手段１５の背面側に立体像Ａが存在すると、立体像Ａから放射された光の中で、光学結像手段１５の背面側に入射した光は、第１の反射面１１で反射し、更に第１の反射面１１と平面視して交差配置された第２の反射面１２で反射して光学結像手段１５の前面側に通過する。ここで、光学結像手段１５を通過した反射光は、光学結像手段１５の背面側に入射する入射光と、平面視して平行になるので、立体像Ａの一点から放射状に放出された光の中で、それぞれ異なる第１、第２の反射面１１、１２で反射して光学結像手段１５の前面側に通過した光は、光学結像手段１５の前面側の自由空間内で集束し、自由空間内で立体像Ｂが結像する。その結果、表示器１６内の立体像Ａは、自由空間内で直接手で触れることが可能な状態の立体像Ｂとなる。

なお、光学結像手段１５では、第１、第２の反射部材１３、１４はそれぞれ２層構造となって、第１の反射体１９に設けられた第１の反射面１１の位置は、第１の反射体１８の第１の反射面１１の位置に対してピッチの１／２ずれており、第２の反射体２１に設けられた第２の反射面１２の位置は、第２の反射体２０の第２の反射面１２の位置に対してピッチの１／２ずれている。このため、第１、第２の反射部材１３、１４をそれぞれ平面視した際、第１、第２の反射面１１、１２のピッチ（間隔）を、実際のピッチの１／２にすることができ、例えば、立体像Ａの１点から放射される放射角度差の小さな光同士を、また立体像Ａの近接した点から放射される光同士をそれぞれ第１の反射部材１３の第１の反射面１１で反射することができ、それらの反射光を第２の反射部材１４の第２の反射面１２で再度反射させて、光学結像手段１５の前面側の自由空間内で集束させることができる。その結果、立体像Ｂの解像度が向上し、鮮明な立体像Ｂを視認できる。

ここで、表示器１６内に形成する立体像Ａが静的状態（静止画）であると、立体像Ｂは静止状態（静止画）となり、表示器１６内に形成する立体像Ａが動的状態（動画）であると、立体像Ｂは動的状態（動画）となる。
また、立体像Ａの電子データは、実際の物体に基づいて形成されたものであっても、コンピュータグラフィックで形成したものであってもよい。このため、例えば、Ｘ線のＣＴ画像データやＭＲＩ画像データに基づいて、特定の臓器の電子データを形成すると、その臓器の立体像Ａを介して、自由空間内に臓器の立体像Ｂを形成することができる。
なお、光学結像手段１５を用いて形成する立体像Ｂの凹凸関係は実際の立体像Ａの凹凸関係と逆転するので、立体像再生装置１７の表示器１６内に発光する立体像Ａの凹凸関係が実際の立体像Ａの凹凸関係と逆転する電子データを用いると、立体像Ｂの凹凸関係は、立体像Ａの実際の凹凸関係に一致する。

本発明の第２の実施例に係る立体像形成システムは、本発明の第１の実施例に係る立体像形成システム１０と比較して、光学結像手段１５の代わりに、図３、図４に示す光学結像装置３９を使用することが特徴となっている。このため、光学結像装置３９についてのみ詳細に説明する。

光学結像装置３９は、光透過性を有する板状の第１、第２の反射部材４２、４３を当接させて配置し、第１、第２の反射部材４２、４３は板面に対して垂直にかつ一定のピッチで平行配置された帯状の第１、第２の反射面４０、４１をそれぞれ有し、更に同一ピッチで配置された第１、第２の反射面４０、４１が直交した状態となった光学結像手段４４を同一面上に複数備えている。そして、各光学結像手段４４の対向する第１、第２の反射面４０、４１が平面視して交差する交差角度の二等分線の一つは、一点に集まっている。以下、詳細に説明する。
なお、図３では、反射面４０、４１を明示すため、第１、第２の反射部材４２、４３び反射面４０、４１をそれぞれ重ねて示している。

図４に示すように、光学結像手段４４を構成する第１の反射部材４２は、積層された２つの第１の反射体４５、４６からなる２層構造となって、第１の反射体４５、４６にはそれぞれ第１の反射面４０が一定のピッチで配置され、第１の反射体４５の第１の反射面４０の位置と、第１の反射体４６の第１の反射面４０の位置は、平面視して第１の反射面４０のピッチの１／２だけ平行にずれている。また、光学結像手段４４を構成する第２の反射部材４３は、積層された２つの第２の反射体４７、４８からなる２層構造となって、第２の反射体４７、４８にはそれぞれ第２の反射面４１が一定のピッチ（例えば、第１の反射面４０のピッチと同一）で配置され、第２の反射体４７の第２の反射面４１の位置と、第２の反射体４８の第２の反射面４１の位置は、平面視して第２の反射面４１のピッチの１／２だけ平行にずれている。

図３に示すように、光学結像手段４４が、例えば形状が同一サイズの台形であって、光学結像手段４４の対向する斜辺に対する中心線Ｐが、第１、第２の反射面４０、４１が平面視して交差する交差角度を二等分する二等分線の一つに一致している場合、Ｔ個の光学結像手段４４を同一平面上で、光学結像手段４４の中心線Ｐが１点で交わるように配置して、平面視して外形が正Ｔ角形の光学結像装置３９を構成することができる。そして光学結像装置３９の中央部（各光学結像手段４４の中心線Ｐが交わる一点を中心とする領域）には、第１、第２の反射面４０、４１が存在しない正Ｔ角形の孔４９が形成されるので、この孔４９内に平板状の遮光部５０を嵌入し、立体像Ａ（図示せず）を遮光部５０の背面側に配置する。遮光部５０を設けることで、立体像Ａからの光の中で、第１、第２の反射面４０、４１で反射せずに光学結像装置３９を通過する光（無反射の通過光）を遮断することができる。また、立体像Ａからの光の中で、光学結像装置３９に小さな入射角度で入射して第１、第２の反射面４０、４１で１回だけ反射して光学結像装置３９を通過する光も効率的に遮断することができる。これによって、第１、第２の反射面４０、４１に映った立体像Ａの鏡像が、立体像Ｂに対してゴースト又はノイズとして出現するのを抑制することができる。

なお、Ｔは、例えば、４〜１００の範囲の整数である。そして、Ｔが大きいほど、光学結像手段４４に含まれる第１、第２の反射面４０、４１に対する中心線Ｐ上にある第１、第２の反射面４０、４１の割合が向上する。中心線Ｐ上にある第１、第２の反射面４０、４１の割合が向上することによって、第１、第２の反射面４０、４１でそれぞれ１回だけ反射して光学結像装置３９を通過する光の割合を相対的に増加させる（第１、第２の反射面４０、４１で１回だけ反射して光学結像装置３９を通過する光の割合を相対的に減少させる）ことができ、実像を明るくすることができると共に、立体像Ａの鏡像の出現を抑制することができる。

光学結像手段４４を台形として、光学結像装置３９を、中央部に正Ｔ角形の孔４９を備え外形状を正Ｔ角形としたが、光学結像装置３９を形成した後、外周を、例えば円形又は四角形に整形してもよい。更に、光学結像装置３９を形成した後、正Ｔ角形の孔４９の縁部を加工して円形の孔に変えてもよい。
また、第２の実施例では、第１の反射部材４２を積層された２つの第１の反射体４５、４６からなる２層構造とし、第２の反射部材４３を積層された２つの第２の反射体４７、４８からなる２層構造としたが、第１、第２の反射部材を、それぞれ１つの第１、第２の反射体で構成してもよい。
なお、第１、第２の反射部材を２層構造とした場合、第１、第２の反射部材はそれぞれ、平面視して隣り合う第１、第２の反射面の位置をピッチの１／２ずらして配置する。このような構成とすることにより、平面視した状態の第１、第２の反射部材における第１、第２の反射面のピッチが、第１、第２の反射面のピッチの１／２となり、より高解像度の立体像を得ることが可能になる。
なお、本発明の第２の実施例に係る立体像形成システムを用いた立体像形成方法は、第１の実施例に係る立体像形成システム１０を用いた立体像形成方法と同一なので、説明は省略する。

本発明の第３の実施例に係る立体像形成システムは、本発明の第１の実施例に係る立体像形成システム１０と比較して、図５に示すように、立体像再生装置のプロジェクタ部５１の投影方向が光学結像手段１５に対して垂直方向となるようにプロジェクタ部５１を配置し、プロジェクタ部５１と光学結像手段１５との間に、電子スクリーン５２が光学結像手段１５に対してそれぞれ平行に設けられた表示器５３が配置されていることが特徴となっている。なお、第３の実施例に係る立体像形成システムの立体像再生装置の作用は、立体像形成システム１０の立体像再生装置１７と同様なので、同一の構成部材には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
電子スクリーン５２が光学結像手段１５に対してそれぞれ平行に設けられているので、表示器５３内に形成される立体像Ａから放射される光を効率的に光学結像手段１５に入射させることができ、光学結像手段１５を用いて明るく、鮮明な立体像Ｂを形成することができる。

本発明の第４の実施例に係る立体像形成システムは、本発明の第１の実施例に係る立体像形成システム１０と比較して、図６に示すように、光学結像手段１５の背面側に配置される立体像再生装置において、表示器５４の電子スクリーン５５は光学結像手段１５に対してそれぞれ平行に設けられ、表示器５４の背面側には、電子スクリーン５５の積層方向に対して反射面を４５度傾斜させてた鏡５６が配置され、プロジェクタ部５７は投影方向が鏡５６の反射面に対して４５度傾斜するように配置されていることが特徴となっている。なお、第４の実施例に係る立体像形成システムの立体像再生装置の作用は、立体像形成システム１０の立体像再生装置１７と同様なので、同一の構成部材には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

このような構成とすることにより、プロジェクタ部５７から投影されるスライスイメージを鏡５６で反射させて、電子スクリーン５５に対して垂直方向から入射させることができる。そして、電子スクリーン５５が光学結像手段１５に対してそれぞれ平行に設けられているので、表示器５４内に形成される立体像Ａから放射される光を効率的に光学結像手段１５に入射させることができ、光学結像手段１５を用いて明るく、鮮明な立体像Ｂを形成することができる。
更に、表示器５４の背面側にプロジェクタ部５７が配置されないので、立体像再生装置をコンパクトにすることができ、立体像形成システムもコンパクトな構成にすることができる。

本発明の第５の実施例に係る立体像形成システムは、本発明の第２の実施例に係る立体像形成システムと比較して、立体像再生装置として、第３の実施例に係る立体像形成システムの立体像再生装置を使用したことが特徴となっている。また、本発明の第６の実施例に係る立体像形成システムは、本発明の第２の実施例に係る立体像形成システムと比較して、立体像再生装置として、第４の実施例に係る立体像形成システムの立体像再生装置を使用したことが特徴となっている。
このため、第５、６の実施例に係る立体像形成システムの立体像再生装置の構成は、それぞれ本発明の第３、４の実施例に係る立体像形成システムの立体像再生装置と同様となり、その作用も立体像形成システム１０の立体像再生装置１７と同様となるので、詳細な説明は省略する。また、第５、６の実施例に係る立体像形成システムの作用及び立体像形成方法も、第２の実施例に係る立体像形成システムの作用及び立体像形成方法と同様なので、詳細な説明は省略する。

以上、本発明を、実施例を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施例に記載した構成に限定されるものではなく、請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施例や変形例も含むものである。
更に、本実施例とその他の実施例や変形例にそれぞれ含まれる構成要素を組合わせたものも、本発明に含まれる。

例えば、光透過性を有する板状の第１、第２の反射部材を当接させて配置したが、近接させて配置してもよい。ここで、近接配置した第１、第２の反射部材間の距離は、第１、第２の反射部材の厚みの２倍以内の範囲にすることが好ましい。なお、第１、第２の反射部材間の距離を、第１、第２の反射部材の厚みの２倍を超えて設定すると、パネル（光学結像手段）への入射光線の、第１の反射部材の反射点と第２の反射部材の反射点の距離が、第１、第２の反射部材の厚みの２倍以上となり、その第１、第２の反射部材各々１回ずつ計２回反射後の結像点での結像に寄与する反射光線同士のズレも比例して増大するため、結像エリアでの解像度が低下し好ましくない。

実際の像を用いることなく、自由空間内に、電子データによって作成された立体像を表示できる。従って、作成された立体像を人が触れることもでき、広告の分野だけでなく、複雑な機械構造の中身を表示する等の光学の分野、人体の組織等を立体像を用いて説明する等の医学の分野でも利用可能となる。

１０：立体像形成システム、１１：第１の反射面、１２：第２の反射面、１３：第１の反射部材、１４：第２の反射部材、１５：光学結像手段、１６：表示器、１７：立体像再生装置、１８、１９：第１の反射体、２０、２１：第２の反射体、２２：入光部、２３、２４、２５：出入光部、２６：出光部、２７：入光部、２８、２９、３０：出入光部、３１：出光部、３２：画像源、３３：表示制御部、３４：プロジェクタ部、３５：電子スクリーン、３６：駆動器、３７：表示部、３８：電圧印加回路、３９：光学結像装置、４０：第１の反射面、４１：第２の反射面、４２：第１の反射部材、４３：第２の反射部材、４４：光学結像手段、４５、４６：第１の反射体、４７、４８：第２の反射体、４９：孔、５０：遮光部、５１：プロジェクタ部、５２：電子スクリーン、５３：表示器、５４：表示器、５５：電子スクリーン、５６：鏡、５７：プロジェクタ部

Claims

光透過性を有する板状の第１、第２の反射部材を近接又は当接させて配置し、前記第１、第２の反射部材は板面に対して垂直にかつ一定のピッチで平行配置された帯状の第１、第２の反射面をそれぞれ備え、更に前記第１、第２の反射面が交差した状態で配置された光学結像手段と、
前記光学結像手段の背面側に配置され、電子データから表示器内に静的状態又は動的状態の発光する立体像Ａを表示する立体像再生装置とを有し、
前記表示器内の前記立体像Ａを、前記光学結像手段の前面側の自由空間内に立体像Ｂとして結像させることを特徴とする立体像形成システム。
光透過性を有する板状の第１、第２の反射部材を近接又は当接させて配置し、前記第１、第２の反射部材は板面に対して垂直にかつ一定のピッチで平行配置された帯状の第１、第２の反射面をそれぞれ有し、更に同一ピッチで配置された前記第１、第２の反射面が直交した状態となった光学結像手段を同一面上に複数備え、しかも、前記各光学結像手段の対向する前記第１、第２の反射面が平面視して交差する交差角度の二等分線の一つが一点に集まる光学結像装置と、
前記光学結像装置の背面側に配置され、電子データから表示器内に静的状態又は動的状態の発光する立体像Ａを表示する立体像再生装置とを有し、
前記表示器内の前記立体像Ａを、前記光学結像装置の前面側の自由空間内に立体像Ｂとして結像させることを特徴とする立体像形成システム。
請求項１又は２記載の立体像形成システムにおいて、前記第１、第２の反射部材は、それぞれ２層構造となって、かつ前記第１、第２の反射部材はそれぞれ、平面視して隣り合う前記第１、第２の反射面の位置がピッチの１／２ずれていることを特徴とする立体像形成システム。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の立体像形成システムにおいて、前記立体像再生装置は、前記電子データから形成した画像信号を画像に変換して投影するプロジェクタ部と、前記画像を映し出す電子スクリーンを該画像の投影方向に間隔を設けて配置した前記表示器とを有し、前記電子スクリーンは、光の透過状態と散乱状態の選択の電子制御が可能で、前記光学結像手段に対して平行又は直交させて配置されていることを特徴とする立体像形成システム。
光透過性を有する板状の第１、第２の反射部材を近接又は当接させて配置し、前記第１、第２の反射部材は板面に対して垂直にかつ一定のピッチで平行配置された帯状の第１、第２の反射面をそれぞれ備え、更に前記第１、第２の反射面が交差した状態で配置された光学結像手段の背面側に、電子データから表示器内に静的状態又は動的状態の発光する立体像Ａを表示する立体像再生装置を配置して、前記表示器内の前記立体像Ａを、前記光学結像装置の前面側の自由空間内に立体像Ｂとして結像させることを特徴とする立体像形成方法。