JP6060417B2 - 立体ディスプレイ - Google Patents

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（例えば特許文献１参照）。立体ディスプレイでは、一般に、スクリーンの前方または上方等の空間に立体画像が提示される。

特許文献１に記載された立体ディスプレイは、錐体形状の光線制御子を有する。光線制御子は、その錐体形状の底部が基準面上に開口するように配置される。基準面の下方に複数の走査型プロジェクタが固定された回転台が設けられる。各走査型プロジェクタは、回転軸を中心に回転台上で回転しつつ、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上方および内部に立体画像が表示される。

特開２０１１−４８２７３号公報

特許文献１のような立体ディスプレイにおいては、観察者が光線制御子の周囲の位置から光線制御子の上方および内部を見た場合に立体画像が表示されるように、各走査型プロジェクタが出射すべき光線群が制御部により算出される。この算出は、観察者の視点の位置、各走査型プロジェクタの位置および光線制御子の位置等の多数のパラメータを用いて行われる。このようなパラメータの数が多いほど、立体画像を正確に表示するための演算が複雑になる。そのため、より容易に正確な立体画像を表示可能な立体ディスプレイが望まれる。

本発明の目的は、正確な立体画像を容易に表示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、複数の光線からなる光線群を出射する光線発生器と、互いに積層された光透過拡散層と光反射層とを含む光線制御子と、光透過拡散層と光反射層とが一体的に回転するように光線制御子を回転中心軸の周りで回転させる回転機構と、光線発生器を制御する制御部とを備え、光線制御子は、光透過拡散層が回転中心軸と光反射層との間に位置するように配置され、光線発生器は、回転機構により回転される光線制御子の光透過拡散層に向けて光線群を出射するように設けられ、光透過拡散層は、入射する光線群を垂直方向において拡散させて透過させるように形成され、光反射層は、光透過拡散層を透過した光線群を反射するように形成され、制御部は、立体形状データに基づいて、光反射層により反射されて光透過拡散層を透過した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。

この立体ディスプレイにおいては、光透過拡散層が回転中心軸と光反射層との間に位置するように光線制御子が配置される。光透過拡散層と光反射層とが一体的に回転するように光線制御子が回転機構により回転中心軸の周りで回転される。光線発生器が回転機構により回転される光線制御子の光透過拡散層に向けて複数の光線からなる光線群を出射する。

この場合、光透過拡散層は、光線発生器により出射された光線群を透過させるとともに垂直方向において拡散させて透過させる。光反射層は、光透過拡散層を透過した光線群を反射する。光透過拡散層は、光反射層により反射された光線群を垂直方向においてさらに拡散させて透過させる。

光反射層により反射されて光透過拡散層を透過した光線群により立体画像が提示されるように、立体形状データに基づいて制御部により光線発生器が制御される。これにより、光反射層により反射されて光透過拡散層を透過した光線群を観察した観察者は、立体画像を視認することができる。

ここで、光線制御子の光透過拡散層と光反射層とが互いに積層されるので、光透過拡散層と光反射層との間に光の経路が存在しない。そのため、光線発生器が出射すべき光線群の算出において、光透過拡散層と光反射層との位置関係を変動パラメータから除外することができる。それにより、光線群の算出処理が単純化される。また、光透過拡散層と光反射層とを積層することにより、光線制御子を容易に製造することができる。さらに、光透過拡散層と光反射層との位置関係の調整が不要となる。これらの結果、正確な立体画像をより容易に表示することができる。

（２）回転機構は、光線制御子とともに光線発生器を回転中心軸の周りで回転させてもよい。

この場合、光線発生器は、簡単な構成で回転する光線制御子の光透過拡散層に向けて光線群を出射することができる。

（３）光線制御子は複数設けられ、光線発生器は、複数の光線制御子にそれぞれ対応して複数設けられ、複数の光線発生器は、それぞれ対応する光線制御子に向けて光線群を出射するように設けられてもよい。

この場合、回転機構による光線発生器の回転速度が比較的低い場合でも、フリッカー（発光点のちらつき）が小さくかつ時間解像度が高い立体画像を提示することが可能となる。

（４）複数の光線制御子および複数の光線発生器は、回転中心軸を中心に等角度間隔で配置されてもよい。

この場合、回転機構による複数の光線制御子および複数の光線発生器の回転をより安定化することができる。また、制御部による光線発生器の制御をより容易にすることができる。

（５）光線発生器は、回転中心軸の方向に光線群を出射するように配置され、光線発生器により出射された光線群を光線制御子に向けて反射するミラーがさらに設けられ、回転機構は、ミラーを光線制御子とともに回転中心軸の周りで回転させてもよい。

この場合、回転するミラーを介して回転する光線制御子の光透過拡散層に光線群を出射する。これにより、光線発生器は、簡単な構成で回転する光線制御子の光透過拡散層に向けて光線群を出射することができる。

（６）立体ディスプレイは、観察者の眼の位置を検出する検出部をさらに備え、制御部は、検出部により検出された眼の位置に基づいて、光線発生器を制御してもよい。

観察者の眼の位置が異なると、観察者が視認する立体画像が変形する。このような場合でも、検出部により検出された眼の位置に基づいて光線発生器が制御されることにより、観察者の眼の位置による立体画像の変形を防止することが可能になる。

（７）制御部は、光線発生器により光線制御子に出射される光線の色を光線制御子の回転位置ごとに制御してもよい。

この場合、光線制御子の回転位置ごとに制御される複数の光線の交点にそれぞれ色を有する複数の点光源が生成される。それにより、フリッカーが小さくかつ時間解像度が高いカラーの立体画像を提示することができる。

本発明によれば、正確な立体画像を容易に表示することが可能になる。

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。 図１の立体ディスプレイの模式的平面図である。 図１の立体ディスプレイにおける光線制御子の構成および機能を説明するための図である。 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。 図４の光線制御子の近傍の拡大平面図である。 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。 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１の変形例に係る立体ディスプレイの構成を示す模式図である。 第２の変形例に係る立体ディスプレイの構成を示す模式図である。 第３の変形例に係る立体ディスプレイの構成を示す模式図である。 第４の変形例に係る立体ディスプレイの構成を示す模式図である。 第５の変形例に係る立体ディスプレイの構成を示す模式図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る立体ディスプレイについて図面を参照しながら説明する。

（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１に示すように、立体ディスプレイは１または複数の光線発生器２、制御装置３、記憶装置４、回転モジュール６、１または複数の光線制御子７および複数のカメラ８により構成される。制御装置３は、例えばパーソナルコンピュータからなる。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。

図１および図２の立体ディスプレイを構成する構成物は、テーブル５の下方に設けられる。テーブル５は、円形の天板５１および複数の脚５２からなる。天板５１は中心に円形の孔部５１ｈを有する。孔部５１ｈの形状は円形に限らず、三角形もしくは四角形等の多角形、楕円またはその他の形状であってもよい。また、テーブル５の孔部５１ｈに透明の板が嵌め込まれてもよい。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の斜め上方から天板５１の中心近傍を観察することができる。

テーブル５の下方には、回転モジュール６が設けられる。回転モジュール６は、モータ６１、回転軸６２、回転台６３、信号伝送装置６４および回転量計測器６５により構成される。回転軸６２は、鉛直方向に延び、天板５１の中心軸Ｚと共通の直線上に位置するようにモータ６１に取り付けられる。

回転軸６２には、回転台６３が水平姿勢で取り付けられる。回転軸６２と回転台６３との間には信号伝送装置６４が設けられる。信号伝送装置６４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６４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６２には、回転量計測器６５が設けられる。回転量計測器６５は、回転軸６２の回転位置を検出するために用いられる。回転量計測器６５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６１は、制御装置３により制御される。モータ６１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６５は必ずしも必要ではない。

回転台６３上には、１または複数の光線発生器２が固定されるとともに、１または複数の光線制御子７が固定される。本実施の形態では、複数の光線発生器２および複数の光線制御子７が回転台６３上に固定される。複数の光線発生器２と複数の光線制御子７とはそれぞれ対応する。これにより、光線発生器２の回転速度が比較的低い場合でも、フリッカー（発光点のちらつき）が小さくかつ時間解像度が高い立体画像３００を提示することが可能となる。

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７の後述する光透過拡散層７２の入出射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。複数の光線発生器２は、回転台６３上で回転軸６２の近傍に中心軸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、外方かつ斜め上方に複数の光線からなる光線群を出射するように設けられる。

光線発生器２は、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であってもよい。ここで、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。空間光変調器は、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）またはＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）である。

図３（ａ）〜（ｅ）は、図１の立体ディスプレイにおける光線制御子７の構成および機能を説明するための図である。図３（ａ）に示すように、各光線制御子７は、光反射層７１と光透過拡散層７２とが積層された構成を有する。本例では、光反射層７１は平面状の反射面を有するミラーである。光反射層７１は、シート状部材または板状部材であってもよく、あるいは光透過拡散層７２の一面に塗料を塗布することにより形成された反射膜であってもよい。光透過拡散層７２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。光透過拡散層７２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。

光透過拡散層７２は、互いに直交する第１の方向Ｘおよび第２の方向Ｙにおいて異なる構成を有するように形成されている。ここで、第１の方向Ｘに沿って光透過拡散層７２に交差する面を第１の面ＦＸと呼び、第２の方向Ｙに沿って光透過拡散層７２に交差する面を第２の面ＦＹと呼ぶ。光透過拡散層７２に入射した光線は、図３（ｂ）に示すように、第１の面ＦＸ内で第１の方向Ｘにおいて大きく拡散して透過し、図３（ｃ）に示すように、第２の面ＦＹ内でわずかに拡散しつつほぼ直進して透過する。

このように、光透過拡散層７２を透過した光線の第２の方向Ｙにおける拡散角は、第１の方向Ｘにおける拡散角よりも小さい。第２の方向Ｙにおける拡散角は、第１の方向Ｘにおける拡散角の１／１０以下であってもよい。例えば、第１の方向Ｘにおける拡散角よりも小さい。本実施の形態においては、第１の方向Ｘにおける拡散角は例えば６０度であり、第２の方向Ｙにおける拡散角は例えば１度である。第２の方向Ｙにおける拡散角は、これに限定されず、例えば１度より小さくてもよい。

複数の光線制御子７は、光透過拡散層７２の第１の方向Ｘが中心軸Ｚに平行な垂直方向に一致しかつ第２の方向Ｙが水平方向に一致するように配置される。図３（ｄ）に示すように、光線制御子７の光透過拡散層７２に入射した光線は、第１の面ＦＸ内で第１の方向Ｘにおいて大きく拡散して光透過拡散層７２を透過し、光反射層７１の反射面で反射される。光反射層７１の反射面で反射された光線は、第１の面ＦＸ内で第１の方向Ｘにおいて大きく拡散して光透過拡散層７２を再び透過し、光透過拡散層７２の表面から出射される。

図３（ｅ）に示すように、光線制御子７の光透過拡散層７２に入射した光線は、第２の面ＦＹ内でわずかに拡散しつつほぼ直進して光透過拡散層７２を透過し、光反射層７１の反射面で反射される。光反射層７１の反射面で反射された光線は、第２の面ＦＹ内でわずかに拡散しつつほぼ直進して光透過拡散層７２を再び透過し、光透過拡散層７２の表面から出射される。

また、図２に示すように、複数の光線制御子７は、光透過拡散層７２が複数の光線発生器２にそれぞれ対向するように、中心軸Ｚを中心とする円周上に等角度間隔で配置される。なお、複数の光線発生器２および複数の光線制御子７は、必ずしも等角度間隔で配置されなくてもよい。ただし、回転台６３の回転を安定させるため、および複数の光線発生器２の制御を容易にするためには、本実施の形態のように複数の光線発生器２および複数の光線制御子７が等角度間隔で配置されることが好ましい。

各光線制御子７における光線発生器２と対向する光透過拡散層７２の面を入出射面と呼ぶ。本実施の形態では、光透過拡散層７２は平面状の入出射面を有する。各光線発生器２から出射された光線群は、対応する光線制御子７の光透過拡散層７２の入出射面に入射し、光透過拡散層７２により垂直方向において拡散して透過し、光反射層７１により反射される。光反射層７１により反射された光線群は、光反射層７１により垂直方向においてさらに拡散して透過し、光透過拡散層７２の入出射面から出射される。光透過拡散層７２の入出射面から出射された光線群は、天板５１の孔部５１ｈを通して天板５１の下方から上方に導かれる。

回転台６３上の複数の光線発生器２および回転量計測器６５は、信号伝送装置６４を介して制御装置３に接続される。モータ６１が作動することにより、回転軸６２が回転台６３、複数の光線発生器２および複数の光線制御子７とともに回転する。この場合、回転する各光線発生器２から出射される光線群は、対応する光線制御子７により垂直方向において拡散するとともに反射される。

回転台６３の回転速度は、図２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６３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６３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６３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、天板５１の孔部５１ｈの上方および下方に立体画像３００が提示される。

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。複数のカメラ８により得られる画像データは、制御装置３に与えられる。制御装置３は、複数のカメラ８から与えられる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５は、図４の光線制御子７付近の拡大平面図である。

図４および図５には１つの光線発生器２のみが示される。図４および図５に示すように、光線発生器２はレーザ光からなる光線を出射する光線出射口Ｐを有する。光線発生器２は、光線出射口Ｐから光線を出射するとともに、上記のように、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、光透過拡散層７２の入出射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、光透過拡散層７２の入出射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、光線で光透過拡散層７２の入出射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７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、それぞれ設定された色の光線Ｌ１〜Ｌ１１が光線制御子７の光透過拡散層７２を透過し、光反射層７１の反射面の複数の位置Ｐ１〜Ｐ１１（図５）で反射される。複数の位置Ｐ１〜Ｐ１１で反射された複数の光線Ｌ１〜Ｌ１１は再び光透過拡散層７２を透過する。

光透過拡散層７２は、水平方向において光線Ｌ１〜Ｌ１１をほとんど拡散させずにほぼ直線状に透過させるので、観察者１０は、ある位置でほぼ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７は、光線Ｌ１〜Ｌ１１を垂直方向において大きく拡散させて透過させるので、観察者１０は、ほぼ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。

図４および図５に示すように、光反射層７１の反射面に関して光線発生器２の光線出射口Ｐと面対称となる点を仮想出射点Ｑと呼ぶ。光線発生器２の光線出射口Ｐから出射された光線群が光反射層７１により反射されかつ光透過拡散層７２により拡散される構成は、仮想出射点Ｑから出射される光線群が光透過拡散層７２により拡散される構成とほぼ等価となる。そこで、次の図６および図７においては、理解を容易にするために、光線発生器２の図示を省略し、仮想出射点Ｑから光線群が出射されるモデルを用いて立体画像３００の提示方法を説明する。

（３）立体画像の提示方法
図６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６においては、１つの光線発生器２に対応する仮想出射点Ｑが示される。図６においては、光線制御子７の図示が省略される。

仮想出射点Ｑは、矢印の方向に移動する。なお、仮想出射点Ｑの移動方向は、図６の矢印の方向（反時計回り）に限定されず、時計回りであってもよい。例えば、天板５１の孔部５１ｈの上方または下方の位置ＰＲに赤色の画素を提示する場合には、時刻ｔで仮想出射点Ｑから位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＲ０を出射し、時刻ｔ＋１で仮想出射点Ｑから位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＲ１を出射し、時刻ｔ＋２で仮想出射点Ｑから位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＲ２を出射する。

それにより、赤色の光線ＬＲ０，ＬＲ１，ＬＲ２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１０の眼が位置ＩＲ０にある場合、位置ＩＲ１にある場合および位置ＩＲ２にある場合に、位置ＰＲに赤色の画素が見える。

同様にして、天板５１の孔部５１ｈの上方または下方の位置ＰＧに緑色の画素を提示する場合には、時刻ｔで仮想出射点Ｑから位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＧ０を出射し、時刻ｔ＋１で仮想出射点Ｑから位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＧ１を出射し、時刻ｔ＋２で仮想出射点Ｑから位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＧ２を出射する。

それにより、緑色の光線ＬＧ０，ＬＧ１，ＬＧ２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１０の眼が位置ＩＧ０にある場合、位置ＩＧ１にある場合および位置ＩＧ２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、各仮想出射点Ｑにより時分割で異なる位置から立体画像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。

回転する各仮想出射点Ｑから出射される光線群が小さな角度間隔ごとに制御されることにより天板５１の孔部５１ｈの上方および下方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る。それにより、円周上のいずれの方向から天板５１の孔部５１ｈの上方および下方を観察しても位置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の色を回転する各仮想出射点Ｑから出射され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を天板５１の孔部５１ｈの上方および下方の空間に提示することができる。この場合、観察者１０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７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７においては、１つの光線発生器２の代わりに仮想出射点Ｑが示される。

図７に示すように、仮想出射点Ｑから出射された光線は、光透過拡散層７２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１０は、拡散角αの範囲内において垂直方向の異なる位置で仮想出射点Ｑ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１０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１０の眼の位置により観察者１０が視認する立体画像３００の位置が移動する。このように、仮想出射点Ｑから出射された光線が光透過拡散層７２で垂直方向において拡散されるため、観察者１０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。

各仮想出射点Ｑから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により各仮想出射点Ｑの回転位置ごとおよび光線の走査位置ごとに算出される。ここで、仮想出射点Ｑの回転位置とは、中心軸Ｚを中心とする基準の半径方向からの仮想出射点Ｑの回転角度をいう。

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、回転量計測器６５の出力信号に基づいて各仮想出射点Ｑの回転位置を判定し、回転位置ごとおよび光線の走査位置ごとに算出した光線群の各光線の色に基づいて各光線発生器２を制御する。それにより、天板５１の孔部５１ｈの上方および下方に立体画像３００が提示されるように、各仮想出射点Ｑから算出された色をそれぞれ有する光線が出射される。それにより、フリッカーが小さくかつ時間解像度が高いカラーの立体画像３００を提示することができる。

この場合、制御装置３は、立体形状データに基づいて各仮想出射点Ｑから出射されるべき各光線の色を色データとして回転位置ごとおよび光線の走査位置ごとに予め算出し、算出した色データを記憶装置４に記憶させてもよい。そして、立体画像３００の提示の際に、回転量計測器６５の出力信号に同期して記憶装置４から色データを読み出し、読み出した色データに基づいて各光線発生器２を制御してもよい。あるいは、制御装置３は、仮想出射点Ｑの回転中に回転量計測器６５の出力信号に同期して立体形状データに基づいて各仮想出射点Ｑから出射されるべき各光線の色を色データとして算出し、算出した色データに基づいて各光線発生器２を制御してもよい。

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
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８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８には、互いに異なる４つの時点における仮想出射点Ｑが示される。４つの時点における仮想出射点Ｑをそれぞれ仮想出射点Ｑａ，Ｑｂ，Ｑｃ，Ｑｄと呼ぶ。

図８において、観察者１０が天板５１の孔部５１ｈの上方または下方の点Ｐ３１を見た場合には、右眼１００Ｒに仮想出射点Ｑａから出射された光線Ｌａが入射し、左眼１００Ｌに仮想出射点Ｑｂから出射された光線Ｌｂが入射する。また、観察者１０が天板５１の孔部５１ｈの上方または下方の点Ｐ３２を見た場合には、右眼１００Ｒに仮想出射点Ｑｃから出射された光線Ｌｃが入射し、左眼１００Ｌに仮想出射点Ｑｄ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、点Ｐ３１の色は見る方向により異なる。また、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８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。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。また、右眼１００Ｒおよび左眼１００Ｌで点Ｐ３１，Ｐ３２を見たときの点Ｐａ〜Ｐｄの位置関係が異なる。すなわち視差が発生する。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）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７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仮想出射点Ｑ２から光透過拡散層７２に照射される光線群が補正される。

図９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９において、円環状視域５００は、天板５１の中心軸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を天板５１の孔部５１ｈの上方または下方の標準の位置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が仮想出射点Ｑから光透過拡散層７２の位置Ｐ１に照射される。位置Ｐ１に照射された光線Ｌ３１は、光透過拡散層７２で垂直方向において拡散され、拡散された１本の光線が標準の位置ＰＳを通過して位置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が仮想出射点Ｑから光透過拡散層７２の位置Ｐ２に照射される。位置Ｐ２に照射された光線Ｌ３２は、光透過拡散層７２で垂直方向において拡散され、拡散された１本の光線が標準の位置ＰＳを通過して位置Ｉ２にある観察者１０の眼に入射する。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が仮想出射点Ｑから光透過拡散層７２の位置Ｐ３に照射される。位置Ｐ３に照射された光線Ｌ３３は、光透過拡散層７２で垂直方向において拡散され、拡散された１本の光線が標準の位置ＰＳを通過して位置Ｉ３にある観察者１０の眼に入射する。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とを通る直線が光透過拡散層７２と交差する位置Ｐ１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とを通る直線が光透過拡散層７２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、仮想出射点Ｑ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が仮想出射点Ｑから光透過拡散層７２の位置Ｐ１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仮想出射点Ｑ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。

（６）変形例
図１０は、第１の変形例に係る立体ディスプレイの構成を示す模式図である。図１０に示すように、第１の変形例における光反射層７１は曲面状の反射面を有するミラーである。光透過拡散層７２は、曲面状の入出射面を有するシートである。

光反射層７１の反射面および光透過拡散層７２の入出射面は凸状の曲面であってもよいし、凹状の曲面であってもよい。この場合、反射面および入出射面の曲率を調整することにより、光線制御子７により反射される光線の方向を適切に調整することができる。

例えば、光線発生器２が走査型プロジェクタである場合、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーが水平方向に一定の幅で往復運動することにより、光線が水平および垂直方向に走査される。ここで、ＭＥＭＳミラーの往復運動の往復幅が小さい場合、ＭＥＭＳミラーの運動の制御を容易に行なうことができる反面、光線発生器２の水平および垂直方向の画角が小さくなる。

このような場合でも、反射面および入出射面を凸状にすることにより、光線制御子７により反射される光線の水平および垂直方向の角度間隔を大きくすることができる。これにより、ＭＥＭＳミラーの往復運動の往復幅を大きくすることなく、小さい投射角度で大きい立体画像３００を提示することができる。

また、ＭＥＭＳミラーを往復運動させる場合において、運動方向の切り替え時には、慣性制御のため回転速度を低下させることが好ましい。この場合、光線発生器２から出射される光線のうち、往復の運動方向が変化する領域（画角の外側の領域）における光線の角度間隔は小さくなり、画角の中央方向の領域における光線の角度間隔は大きくなる。このような場合でも、反射面および入出射面の曲率を局所的に変化するように構成することにより、光線制御子７により反射される光線の角度間隔を一様にすることができる。

また、光線発生器２に画角を固定するためのレンズが設けられている場合でも、反射面および入出射面が曲率を有する光線制御子７を用いることにより、光線制御子７により反射される光線の方向を変更することができる。

図１１は、第２の変形例に係る立体ディスプレイの構成を示す模式図である。本例では、光線制御子７は、第１の方向Ｘが垂直方向から所定の角度だけ傾斜するように配置されている。光線制御子７は、光透過拡散層７２の入出射面が斜め上方を向くように傾斜している。この場合、光線制御子７は、より上方の空間に光線群を出射することができる。

図１２は、第３の変形例に係る立体ディスプレイの構成を示す模式図である。本例では、光線発生器２は、中心軸Ｚに関して光線制御子７と反対側に配置されている。この場合、画角が小さい走査型プロジェクタであるにもかかわらず、大きい立体画像３００を提示することができる。また、光線の走査範囲を大きくする必要がないので、光線発生器２の制御を容易にすることができる。

図１３は、第４の変形例に係る立体ディスプレイの構成を示す模式図である。本例では、光線制御子７とこれに対応する光線発生器２との間の光路上にミラー７３が配置されている。この場合、光線発生器２から出射された光線は、ミラー７３により反射されて光線制御子７の光透過拡散層７２の入出射面に入射する。また、光路上には、２個以上のミラー７３が配置されてもよい。

この構成によれば、図１２の光線発生器２の配置よりもさらに光線の光路を長くすることができる。そのため、画角がより小さい走査型プロジェクタを用いて大きい立体画像３００を提示することができる。また、光線の走査範囲をより小さくすることができるので、光線発生器２の制御を容易にすることができる。さらに、光線発生器２の配置の自由度を増加させることができる。

図１４は、第５の変形例に係る立体ディスプレイの構成を示す模式図である。この第５の変形例に係る立体ディスプレイにおいては、中心軸Ｚ上に光線発生器２が配置され、光線発生器２の上方にミラー７３が配置される。光線発生器２から出射された光線は、ミラー７３により反射されて光線制御子７の光透過拡散層７２の入出射面に入射する。

第５の変形例においては、光線制御子７とミラー７３とが回転モジュール６により回転され、光線発生器２は回転モジュール６により回転されない。この構成によれば、１組の光線発生器２、光線制御子７およびミラー７３により立体画像３００を提示することができる。

また、第５の変形例においては、光線発生器２の上方にミラー７３が配置され、光線発生器２は上方に光線を出射するが、これに限定されない。光線発生器２の下方にミラー７３が配置され、光線発生器２は下方に光線を出射してもよい。

（７）効果
本実施の形態においては、光線制御子７の光透過拡散層７２と光反射層７１とが互いに積層されるので、光透過拡散層７２と光反射層７１との間に光の経路が存在しない。そのため、光線発生器２が出射すべき光線群の算出において、光透過拡散層７２と光反射層７１との位置関係を変動パラメータから除外することができる。それにより、光線群の算出処理が単純化される。また、光透過拡散層７２と光反射層７１とを積層することにより、光線制御子７を容易に製造することができる。さらに、光透過拡散層７２と光反射層７１との位置関係の調整が不要となる。これらの結果、正確な立体画像３００をより容易に表示することができる。

（８）請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部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、立体画像３００が立体画像の例であり、光線発生器２が光線発生器の例であり、光透過拡散層７２が光透過拡散層の例であり、光反射層７１が光反射層の例である。光線制御子７が光線制御子の例であり、回転モジュール６が回転機構の例であり、制御装置３が制御部の例であり、ミラー７３がミラーの例であり、カメラ８が検出部の例である。

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。
（９）参考形態
（９−１）本参考形態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、複数の光線からなる光線群を出射する光線発生器と、互いに積層された光透過拡散層と光反射層とを含む光線制御子と、光線制御子を回転中心軸の周りで回転させる回転機構と、光線発生器を制御する制御部とを備え、光線制御子は、光透過拡散層が回転中心軸と光反射層との間に位置するように配置され、光線発生器は、回転機構により回転される光線制御子の光透過拡散層に向けて光線群を出射するように設けられ、光透過拡散層は、入射する光線群を垂直方向において拡散させて透過させるように形成され、光反射層は、光透過拡散層を透過した光線群を反射するように形成され、制御部は、立体形状データに基づいて、光反射層により反射されて光透過拡散層を透過した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。
この立体ディスプレイにおいては、光透過拡散層が回転中心軸と光反射層との間に位置するように光線制御子が配置される。光線発生器が回転機構により回転される光線制御子の光透過拡散層に向けて複数の光線からなる光線群を出射する。
この場合、光透過拡散層は、光線発生器により出射された光線群を透過させるとともに垂直方向において拡散させて透過させる。光反射層は、光透過拡散層を透過した光線群を反射する。光透過拡散層は、光反射層により反射された光線群を垂直方向においてさらに拡散させて透過させる。
光反射層により反射されて光透過拡散層を透過した光線群により立体画像が提示されるように、立体形状データに基づいて制御部により光線発生器が制御される。これにより、光反射層により反射されて光透過拡散層を透過した光線群を観察した観察者は、立体画像を視認することができる。
ここで、光線制御子の光透過拡散層と光反射層とが互いに積層されるので、光透過拡散層と光反射層との間に光の経路が存在しない。そのため、光線発生器が出射すべき光線群の算出において、光透過拡散層と光反射層との位置関係を変動パラメータから除外することができる。それにより、光線群の算出処理が単純化される。また、光透過拡散層と光反射層とを積層することにより、光線制御子を容易に製造することができる。さらに、光透過拡散層と光反射層との位置関係の調整が不要となる。これらの結果、正確な立体画像をより容易に表示することができる。
（９−２）回転機構は、光線制御子とともに光線発生器を回転中心軸の周りで回転させてもよい。
この場合、光線発生器は、簡単な構成で回転する光線制御子の光透過拡散層に向けて光線群を出射することができる。
（９−３）光線制御子は複数設けられ、光線発生器は、複数の光線制御子にそれぞれ対応して複数設けられ、複数の光線発生器は、それぞれ対応する光線制御子に向けて光線群を出射するように設けられてもよい。
この場合、回転機構による光線発生器の回転速度が比較的低い場合でも、フリッカー（発光点のちらつき）が小さくかつ時間解像度が高い立体画像を提示することが可能となる。
（９−４）複数の光線制御子および複数の光線発生器は、回転中心軸を中心に等角度間隔で配置されてもよい。
この場合、回転機構による複数の光線制御子および複数の光線発生器の回転をより安定化することができる。また、制御部による光線発生器の制御をより容易にすることができる。
（９−５）光線発生器は、回転中心軸の方向に光線群を出射するように配置され、光線発生器により出射された光線群を光線制御子に向けて反射するミラーがさらに設けられ、回転機構は、ミラーを光線制御子とともに回転中心軸の周りで回転させてもよい。
この場合、回転するミラーを介して回転する光線制御子の光透過拡散層に光線群を出射する。これにより、光線発生器は、簡単な構成で回転する光線制御子の光透過拡散層に向けて光線群を出射することができる。
（９−６）立体ディスプレイは、観察者の眼の位置を検出する検出部をさらに備え、制御部は、検出部により検出された眼の位置に基づいて、光線発生器を制御してもよい。
観察者の眼の位置が異なると、観察者が視認する立体画像が変形する。このような場合でも、検出部により検出された眼の位置に基づいて光線発生器が制御されることにより、観察者の眼の位置による立体画像の変形を防止することが可能になる。
（９−７）制御部は、光線発生器により光線制御子に出射される光線の色を光線制御子の回転位置ごとに制御してもよい。
この場合、光線制御子の回転位置ごとに制御される複数の光線の交点にそれぞれ色を有する複数の点光源が生成される。それにより、フリッカーが小さくかつ時間解像度が高いカラーの立体画像を提示することができる。

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。

２ 光線発生器
３ 制御装置
４ 記憶装置
５ テーブル
６ 回転モジュール
７ 光線制御子
８ カメラ
１０ 観察者
５１ 天板
５１ｈ 孔部
５２ 脚
６１ モータ
６２ 回転軸
６３ 回転台
６４ 信号伝送装置
６５ 回転量計測器
７１ 光反射層
７２ 光透過拡散層
７３ ミラー
１００Ｌ 左眼
１００Ｒ 右眼
３００ 立体画像
５００ 円環状視域
ｄ１，ｄ２ 距離
Ｅ，Ｅ’，Ｉ１〜Ｉ３，ＩＧ０〜ＩＧ２，ＩＲ０〜ＩＲ２，Ｐ１〜Ｐ１１，ＰＧ，ＰＲ，ＰＳ 位置
ＦＸ 第１の面
ＦＹ 第２の面
Ｈ１，Ｈ２ 高さ
Ｌ１〜Ｌ１１，Ｌ３１〜Ｌ３３，Ｌａ〜Ｌｄ，ＬＧ０〜ＬＧ２，ＬＲ０〜ＬＲ２ 光線
Ｐ 光線出射口
Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐａ〜Ｐｄ 点
ＰＩＸ 画素
Ｑ，Ｑａ〜Ｑｄ 仮想出射点
Ｘ 第１の方向
Ｙ 第２の方向
Ｚ 中心軸

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、
   複数の光線からなる光線群を出射する光線発生器と、
   互いに積層された光透過拡散層と光反射層とを含む光線制御子と、
   前記光透過拡散層と前記光反射層とが一体的に回転するように前記光線制御子を回転中心軸の周りで回転させる回転機構と、
   前記光線発生器を制御する制御部とを備え、
   前記光線制御子は、前記光透過拡散層が前記回転中心軸と前記光反射層との間に位置するように配置され、
   前記光線発生器は、前記回転機構により回転される前記光線制御子の前記光透過拡散層に向けて光線群を出射するように設けられ、
   前記光透過拡散層は、入射する光線群を垂直方向において拡散させて透過させるように形成され、
   前記光反射層は、前記光透過拡散層を透過した光線群を反射するように形成され、
   前記制御部は、前記立体形状データに基づいて、前記光反射層により反射されて前記光透過拡散層を透過した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立体ディスプレイ。
2. 前記回転機構は、前記光線制御子とともに前記光線発生器を前記回転中心軸の周りで回転させる、請求項１記載の立体ディスプレイ。
3. 前記光線制御子は複数設けられ、
   前記光線発生器は、前記複数の光線制御子にそれぞれ対応して複数設けられ、
   前記複数の光線発生器は、それぞれ対応する光線制御子に向けて光線群を出射するように設けられる、請求項２記載の立体ディスプレイ。
4. 前記複数の光線制御子および前記複数の光線発生器は、前記回転中心軸を中心に等角度間隔で配置される、請求項３記載の立体ディスプレイ。
5. 前記光線発生器は、前記回転中心軸の方向に光線群を出射するように配置され、
   前記光線発生器により出射された光線群を前記光線制御子に向けて反射するミラーがさらに設けられ、
   前記回転機構は、前記ミラーを前記光線制御子とともに前記回転中心軸の周りで回転させる、請求項１記載の立体ディスプレイ。
6. 観察者の眼の位置を検出する検出部をさらに備え、
   前記制御部は、前記検出部により検出された眼の位置に基づいて、前記光線発生器を制御する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の立体ディスプレイ。
7. 前記制御部は、前記光線発生器により前記光線制御子に出射される光線の色を前記光線制御子の回転位置ごとに制御する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の立体ディスプレイ。

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