WO2015072066A1 - 立体ディスプレイ - Google Patents

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WO2015072066A1
WO2015072066A1 PCT/JP2014/005080 JP2014005080W WO2015072066A1 WO 2015072066 A1 WO2015072066 A1 WO 2015072066A1 JP 2014005080 W JP2014005080 W JP 2014005080W WO 2015072066 A1 WO2015072066 A1 WO 2015072066A1
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screen
light
lens
rearrangement
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俊介 吉田
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独立行政法人情報通信研究機構
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Definitions

  • IP Integral photography
  • a lens array including a plurality of convex lenses is disposed on an image presentation surface as a light controller.
  • a spatial light modulator such as an LCD (liquid crystal display) is used for the image presentation surface.
  • the spatial light modulator has a light emitting surface on which a plurality of pixels are arranged in a matrix.
  • the light exit surface is divided into a plurality of square unit regions.
  • Each unit area is composed of a plurality of pixels and presents an element image.
  • a plurality of lenses of the lens array are respectively disposed above the plurality of unit areas. The light generated by each pixel is emitted as a light beam directed only in a specific direction due to the effect of the lens.
  • a plurality of light beams are formed in a plurality of different directions by a plurality of pixels in each unit region.
  • a stereoscopic image that can be recognized from a specific viewing area is presented by a plurality of light rays from a plurality of unit areas. JP 2006-98775 A
  • the plurality of pixels of the spatial light modulator are arranged in a lattice pattern, the angular intervals between the light beams emitted in a plurality of directions by the lens are not equal. As a result, image quality is likely to deteriorate.
  • An object of the present invention is to provide a stereoscopic display capable of effectively using a plurality of pixels of a spatial light modulator and improving the quality of a stereoscopic image.
  • a three-dimensional display includes a spatial light modulator composed of a plurality of pixels that generate light, a screen that is spaced from the spatial light modulator, and a spatial light modulator.
  • a repositioning optical element disposed between the screen and for relocating the plurality of pixels on the screen by directing light generated by the plurality of pixels of the spatial modulator onto the screen;
  • a light beam controller that emits a plurality of light beams by controlling the directions of light generated from a plurality of pixels, and a spatial light modulator so that a stereoscopic image is presented by the plurality of light beams emitted by the light beam controller
  • a control means for controlling is provided.
  • the stereoscopic display light is generated by a plurality of pixels of the spatial light modulator.
  • the light generated by the plurality of pixels is guided onto the screen by the rearrangement optical element, so that the plurality of pixels are rearranged on the screen.
  • a plurality of light beams are emitted by controlling the directions of light generated from the plurality of pixels rearranged on the screen by the light beam controller.
  • the spatial light modulator is controlled by the control means so that the stereoscopic image is presented by a plurality of light beams emitted by the light beam controller.
  • the plurality of pixels can be rearranged on the screen so that the arrangement of the plurality of pixels rearranged on the screen is different from the arrangement of the plurality of pixels of the spatial light modulator.
  • a plurality of pixels can be rearranged on the screen so that an array of a plurality of pixels matching the shape of the viewing zone is formed. Therefore, all the pixels of the spatial light modulator can be used effectively.
  • a plurality of pixels can be rearranged on the screen so that the angular intervals between the plurality of light beams emitted from the plurality of pixels to the viewing zone are equal. Furthermore, a plurality of pixels can be rearranged in a partial area with high density. Therefore, it is possible to improve the image quality of the stereoscopic image.
  • the rearrangement optical element may include a plurality of light guide elements that respectively guide light generated by the plurality of pixels of the spatial light modulator onto the screen.
  • the light generated by the plurality of pixels of the spatial light modulator can be guided to an arbitrary position on the screen by adjusting the shape or orientation of the plurality of light guide elements.
  • Each of the plurality of light guide elements may include an optical fiber.
  • each pixel can be easily rearranged at an arbitrary position on the screen by bending the optical fiber. Thereby, the degree of freedom of rearrangement of a plurality of pixels on the screen is increased.
  • the three-dimensional display may further include a diffusing member that diffuses the light beam emitted by the light beam controller within a certain angle range. In this case, the restriction of the viewing zone where the stereoscopic image can be observed is relaxed.
  • the spatial light modulator includes a plurality of pixel groups, each pixel group includes a plurality of pixels, the screen includes a plurality of unit regions respectively corresponding to the plurality of pixel groups, and the rearrangement optical element includes By directing the light generated by multiple pixels in the pixel group to the corresponding unit area of the screen, the multiple pixels are rearranged in each unit area on the screen, and the light controller corresponds to each of the multiple unit areas.
  • Each lens of the lens array may emit light generated by a plurality of pixels rearranged in a corresponding unit area of the screen as light beams in different directions. .
  • the present invention it is possible to effectively use a plurality of pixels of the spatial light modulator and improve the quality of a stereoscopic image.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a three-dimensional display according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic side view of the stereoscopic display of FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged plan view of a part of the light emitting surface of the spatial light modulator.
  • FIG. 4 is a plan view of a part of the lens array.
  • FIG. 5 is a schematic side view for explaining the configuration and operation of the rearrangement optical element.
  • FIG. 6 is a schematic plan view for explaining the formation of rearrangement pixels by the rearrangement optical element.
  • FIG. 7 is a schematic plan view showing a plurality of light beams emitted from one lens.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the rearrangement optical element.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a three-dimensional display according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic side view of the stereoscopic display of FIG.
  • FIG. 3 is an enlarged
  • FIG. 9 is a schematic view showing another example of the configuration of the rearrangement optical element.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing still another example of the configuration of the rearrangement optical element.
  • FIG. 11 is a schematic plan view for explaining a method for presenting a stereoscopic image.
  • FIG. 12 is a schematic plan view for explaining the principle of generation of binocular parallax in a stereoscopic display according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic plan view showing another example of the rearrangement pixel arrangement by the rearrangement optical element.
  • FIG. 14 is a schematic plan view showing another example of rearrangement pixel arrangement by the rearrangement optical element.
  • FIG. 15 is a schematic plan view showing another example of the rearrangement pixel arrangement by the rearrangement optical element.
  • FIG. 16 is a schematic plan view showing another example of the rearrangement pixel arrangement by the rearrangement optical element.
  • FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing a first specific example of the three-dimensional display of the present invention.
  • FIG. 18 is a schematic diagram for explaining the light emission direction when a diffusion plate is arranged above the lens array.
  • FIG. 19 is a schematic side view and a schematic plan view showing a second specific example of the three-dimensional display of the present invention.
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing the relationship between the position of the lens in FIG. 19 and the position of the rearranged pixel.
  • FIG. 21 is a schematic diagram for explaining the arrangement of rearranged pixels in the second specific example of the three-dimensional display of the present invention.
  • FIG. 21 is a schematic diagram for explaining the arrangement of rearranged pixels in the second specific example of the three-dimensional display of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a stereoscopic display according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic side view of the stereoscopic display of FIG.
  • the three-dimensional display 1 includes a laminated structure of a spatial light modulator 2, a rearrangement optical element 3, a screen 4 and a lens array 5.
  • a screen 4 is arranged in parallel to the light emitting surface 2 a of the spatial light modulator 2 and at a fixed interval with respect to the light emitting surface 2 a, and the rearrangement optical element 3 is arranged between the light emitting surface 2 a and the screen 4. Is done.
  • the rearrangement optical element 3 is configured to rearrange a plurality of pixels on the screen 4 by respectively guiding light generated by the plurality of pixels of the spatial light modulator 2 onto the screen 4.
  • each pixel of the spatial light modulator 2 is called an original pixel
  • each pixel rearranged by the rearrangement optical element 3 is called a rearrangement pixel.
  • the configuration of the rearrangement optical element 3 will be described later.
  • the screen 4 has light diffusion performance and translucency. Thereby, diffused light is generated from each rearranged pixel.
  • a lens array 5 is arranged in parallel to the screen 4 and at a fixed interval with respect to the screen 4.
  • the lens array 5 includes a plurality of convex lenses (hereinafter simply referred to as lenses) 50 arranged in a matrix.
  • the plurality of lenses 50 are provided corresponding to the plurality of pixel groups 20 of the spatial light modulator 2.
  • Each lens 50 is disposed above the corresponding pixel group 20 of the spatial light modulator 2 and emits light generated by a plurality of rearranged pixels on the screen 4 as light beams in different directions.
  • the three-dimensional display 1 is installed so that the lens array 5 is horizontal, for example.
  • an annular viewing area 100 that surrounds the periphery of the stereoscopic display 1 is set.
  • a control device 6 is connected to the spatial light modulator 2, and a storage device 7 is connected to the control device 6.
  • the storage device 7 is composed of, for example, a hard disk or a memory card.
  • the storage device 7 stores stereoscopic shape data for presenting a stereoscopic image.
  • the control device 6 is composed of a personal computer, for example.
  • the control device 6 controls the spatial light modulator 2 based on the solid shape data stored in the storage device 7. Thereby, a stereoscopic image that can be observed from the viewing zone 100 is presented.
  • the stereoscopic image includes not only a stereoscopic still image but also a stereoscopic moving image.
  • FIG. 3 is a plan view of a part of the light exit surface of the spatial light modulator 2.
  • FIG. 4 is an enlarged plan view of a part of the lens array 5.
  • the light exit surface of the spatial light modulator 2 is divided into a plurality of square pixel groups 20.
  • Each pixel group 20 includes a plurality of original pixels 21 arranged in a matrix.
  • the lens array 5 includes a plurality of lenses 50 arranged in a matrix.
  • the plurality of lenses 50 are provided corresponding to the plurality of pixel groups 20 of the spatial light modulator 2 of FIG.
  • Each lens 50 is disposed above the corresponding pixel group 20 of the spatial light modulator 2.
  • FIG. 5 is a schematic side view for explaining the configuration and function of the rearrangement optical element 3.
  • FIG. 6 is a schematic plan view for explaining the formation of rearrangement pixels by the rearrangement optical element 3.
  • the rearrangement optical element 3 includes a plurality of light guide elements 30.
  • the plurality of light guide elements 30 are provided corresponding to the plurality of original pixels 21 of the spatial light modulator 2, respectively.
  • the screen 4 is virtually divided into a plurality of unit regions 40 respectively corresponding to the plurality of pixel groups 20 of the spatial light modulator 2.
  • Each light guide element 30 guides light generated by the corresponding original pixel 21 to a different position on the screen 4.
  • the original pixels 21 of the spatial light modulator 2 are rearranged at different positions on the screen 4.
  • rearrangement pixels 31 are formed on the screen 4. Note that some of the original pixels 21 may be rearranged at the same position on the screen 4.
  • the plurality of original pixels 21 in each pixel group 20 of the spatial light modulator 2 are rearranged as rearrangement pixels 31 in the corresponding unit area 40 of the screen 4.
  • the rearrangement pixel 31 is formed on the screen 4 from the original pixel 21 (Pa) of the spatial light modulator 2 of FIG. Thereby, a light beam La indicated by a one-dot chain line arrow is emitted from the lens 50.
  • a rearrangement pixel 31 (PB) is formed on the screen 4 from the original pixel 21 (Pb). As a result, the light beam Lb indicated by the solid line arrow is emitted from the lens 50.
  • the plurality of original pixels 21 in the pixel group 20 of the spatial light modulator 2 are arranged in a matrix.
  • the rearranged pixels 31 in the unit area 40 on the screen 4 are arranged in a ring shape.
  • the original pixel 21 (Pa) of the spatial light modulator 2 is rearranged as the rearrangement pixel 31 (PA) on the screen 4.
  • the original pixel 21 (Pb) of the spatial light modulator 2 is rearranged as the rearrangement pixel 31 (PB) on the screen 4.
  • the arrangement of the plurality of rearranged pixels 31 in each unit area 40 of the screen 4 is different from the arrangement of the plurality of original pixels 21 in each pixel group 20 of the spatial light modulator 2.
  • a plurality of rearrangement pixels 31 can be rearranged.
  • the number of the plurality of original pixels 21 in each pixel group 20 of the spatial light modulator 2 and the number of the plurality of rearranged pixels 31 in each unit region 40 of the screen 4 are equal.
  • the original pixels 21 located at the four corners of each pixel group 20 of the spatial light modulator 2 can also be rearranged as rearrangement pixels 31 at arbitrary positions in the unit area 40 of the screen 4. Therefore, useless original pixels 21 do not occur.
  • FIG. 7 is a schematic plan view showing a plurality of light beams emitted from one lens 50.
  • a plurality of rearrangement pixels 31 are formed in a ring shape in the unit area 40 of the screen 4 below one lens 50.
  • light rays are emitted obliquely upward from the plurality of rearranged pixels 31 arranged in an annular shape toward the outside through the center of the lens 50.
  • the plurality of light beams are set to arbitrary colors. 1 and 2, the observer can visually recognize at least one of the plurality of light beams emitted by each of the plurality of lenses 50.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the rearrangement optical element 3.
  • the rearrangement optical element 3 is an optical fiber array including a plurality of optical fibers 301.
  • each light guide element 30 of the rearrangement optical element 3 is configured by the optical fiber 301.
  • Light generated by the original pixel 21 of the spatial light modulator 2 enters the incident end of the optical fiber 301, propagates through the optical fiber 301, and is emitted onto the screen 4 from the exit end of the optical fiber 301.
  • the optical fiber 301 can be easily bent, the light generated by the original pixel 21 of the spatial light modulator 2 can be easily guided to an arbitrary position on the screen 4. Further, by using the optical fiber 301, the light generated by the original pixel 21 of the spatial light modulator 2 can be easily guided to a position on the screen 4. For this reason, the degree of freedom of arrangement of the rearranged pixels 31 on the screen 4 is high.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing another example of the configuration of the rearrangement optical element 3.
  • lenses 302 and 303 are formed at the entrance end and the exit end of the optical fiber 301, respectively.
  • the light generated by the original pixel 21 of the spatial light modulator 2 is collected by the lens 301 at the incident end, propagates through the optical fiber 301, and forms an image on the screen 4 by the lens 303 at the exit end.
  • the original pixel 21 of the spatial light modulator 2 can be efficiently rearranged as the rearrangement pixel 31 on the screen 4.
  • the optical fiber 301 can be bent easily as in the example of FIG. 8, the light generated by the original pixel 21 of the spatial light modulator 2 can be easily placed at an arbitrary position on the screen 4. Can lead. Further, the light generated by the original pixel 21 of the spatial light modulator 2 can be easily guided to a distant position on the screen 4. For this reason, the degree of freedom of arrangement of the rearranged pixels 31 on the screen 4 is high.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing still another example of the configuration of the rearrangement optical element 3.
  • the rearrangement optical element 3 is a lens array including a plurality of lenses 304.
  • each light guide element 30 of the rearrangement optical element 3 includes a lens 304.
  • Each lens 304 is provided so as to be inclined according to the position of the rearrangement pixel 31 on the screen 4.
  • the light generated by the original pixel 21 of the spatial light modulator 2 is collected by the lens 304 and imaged on the screen 4.
  • the focal point on the incident side of the lens 304 is preferably located on the original pixel 21 of the spatial light modulator 2, and the focal point on the outgoing side of the lens 304 is preferably located on the screen 4.
  • the original pixel 21 of the spatial light modulator 2 can be efficiently rearranged as the rearrangement pixel 31 on the screen 4.
  • the stereoscopic display 1 can be thinned.
  • FIG. 11 is a schematic plan view for explaining a presentation method of the stereoscopic image 300.
  • three lenses 50 ⁇ / b> A, 50 ⁇ / b> B, and 50 ⁇ / b> C are shown as the lens array 5.
  • a red point light source is presented at the intersection of the red rays LA0, LB0, LC0.
  • a red dot is visible at the position PR when the eye of the observer is at the position IA0, at the position IB0, and at the position IC0.
  • the other rearrangement pixel 31g below the lens 50A emits green light, and the green light beam LA1 is emitted in the direction passing through the position PG by the lens 50A. Emitted.
  • the other rearrangement pixel 31g below the lens 50B emits green light, and a green light beam LB1 is emitted in a direction passing through the position PG by the lens 50B.
  • another rearrangement pixel 31g below the lens 50C emits green light, and a green light beam LC1 is emitted in a direction passing through the position PG by the lens 50C.
  • the surface of the object can be regarded as a set of point light sources. That is, the three-dimensional image 300 can be presented by appropriately reproducing the colors of certain positions PR and PG that are desired to be the surface of the object by the light rays coming from the plurality of lenses 50A, 50B, and 50C.
  • the colors of the plurality of light beams emitted from the plurality of lenses 50, the directions of the plurality of light beams, and the colors to be generated by the plurality of original pixels 21 of the spatial light modulator 2 are three-dimensional shapes stored in the storage device 7 of FIG. It is calculated by the control device 6 based on the data. Specifically, the control device 6 obtains the intersection of each light ray with a surface of a three-dimensional solid shape defined in advance as the solid shape data, calculates an appropriate color to be given to the light ray, and the direction of the light ray, A lens 50 to emit the light beam and a rearrangement pixel 31 to generate the light of the color are obtained.
  • control device 6 obtains the corresponding original pixel 21 of the spatial light modulator 2 by tracing back the light guide element 30 that guides light to the rearranged pixel 31.
  • the control device 6 controls the spatial light modulator 2 based on the calculation results for a plurality of light beams. Thereby, a plurality of light beams each having a set color are emitted from the plurality of lenses 50 so that the stereoscopic image 300 is presented.
  • the color of the light beam LA0 flying from the position PR of the real object can be acquired by placing the real object at the position of the stereoscopic image 300 in FIG. 11 and photographing the real object with the camera at the position IA0.
  • the observer can view the same stereoscopic image 300 from different directions at different positions on the viewing area 100.
  • FIG. 12 is a schematic plan view for explaining the generation principle of binocular parallax in the stereoscopic display 1 according to the embodiment of the present invention.
  • the light beam La emitted from the lens 50a is incident on the right eye 100R
  • the light beam Lb emitted from the lens 50b is incident on the left eye 100L.
  • the colors of the light beams La and Lb are equal to each other. Therefore, the color of the light beam La visually recognized by the right eye 100R is equal to the color of the light beam Lb visually recognized by the left eye 100L.
  • the real object has gloss
  • the color of one point of the real object differs depending on the viewing direction. In such a case, different colors are given to the light beam La and the light beam Lb.
  • a single point 300P constituting the stereoscopic image 300 is created at the intersection of the light beam La and the light beam Lb.
  • the point 300P can be regarded as a virtual point light source.
  • the direction in which the right eye 100R views the point 300P and the direction in which the left eye 100L views the point 300P are different. That is, there is a convergence angle between the line-of-sight direction of the right eye 100R and the line-of-sight direction of the left eye 100L.
  • a stereoscopic view of an image formed by a plurality of light beams becomes possible.
  • a stereoscopic image that can be observed from the annular viewing zone 100 surrounding the stereoscopic display 1 is presented. Is done.
  • the rearrangement pixels 31 are rearranged in a ring shape in each unit area 40 of the screen 4.
  • the plurality of original pixels 21 of the spatial light modulator 2 can be effectively used for presentation of a stereoscopic image without waste.
  • the angular intervals between the plurality of light beams emitted by the lenses 50 on the unit areas 40 of the screen 4 can be made equal.
  • a plurality of rearrangement pixels 31 can be arranged in a partial area with high density. Therefore, the quality of the stereoscopic image is improved.
  • FIGS. 13 to 16 are schematic plan views showing other examples of the rearrangement pixel arrangement by the rearrangement optical element 3.
  • FIG. 13 to 16 are schematic plan views showing other examples of the rearrangement pixel arrangement by the rearrangement optical element 3.
  • a plurality of rearranged pixels 31 in the unit area 40 of the screen 4 are arranged in a double ring shape.
  • a stereoscopic image having vertical parallax in addition to binocular parallax can be presented.
  • a plurality of rearranged pixels 31 may be arranged in a triple or more ring shape in the unit region 40.
  • a plurality of rearranged pixels 31 in the unit area 40 of the screen 4 are arranged in an arc shape such as a semicircle or a partial circle.
  • the example of FIG. 14 is used when the viewing area 100 is limited to a specific angle range. In this case, the arrangement density of the plurality of rearranged pixels 31 in each unit region 40 can be increased.
  • a plurality of rearranged pixels 31 in the unit area 40 on the screen 4 are arranged in a triple arc shape or a sector shape.
  • the example of FIG. 15 is used when the viewing area 100 is limited to a specific angle range and a stereoscopic image having vertical parallax is presented.
  • a plurality of rearranged pixels 31 in the unit area 40 on the screen 4 are arranged in two sets of double arcs or sectors.
  • the example of FIG. 16 is used when the viewing area 100 is limited to two specific angle ranges and a stereoscopic image having vertical parallax is presented. Note that the plurality of rearranged pixels 31 may be dispersed in three or more regions.
  • the rearrangement method of the rearrangement pixels 31 by the rearrangement optical element 3 is not limited to the above example.
  • the plurality of rearranged pixels 31 may be arranged in the unit region 40 in an elliptical shape, a polygonal shape, or any other shape.
  • the plurality of rearrangement pixels 31 may be densely arranged in a circular area.
  • FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing a first specific example of the stereoscopic display 1 of the present invention.
  • the three-dimensional display 1 of this example has a square shape.
  • FIG. 17 shows a diagonal cross section of the three-dimensional display 1.
  • the length of the diagonal line of the stereoscopic display 1 is L0
  • the horizontal distance from the center of the stereoscopic display 1 to the viewing area 100 is L1.
  • the height from the surface of the lens array 5 of the stereoscopic display 1 to the viewing area 100 is H0.
  • the angle formed by the line of sight from the viewing area 100 toward the far corner of the stereoscopic display 1 with respect to the horizontal plane is defined as a
  • the angle formed by the line of sight from the viewing area 100 toward the center of the stereoscopic display 1 with respect to the horizontal plane is defined as b
  • the length L0 of the diagonal line of the stereoscopic display 1 is 40 cm, and the length of one side is about 28 cm.
  • the diameter of each lens 50 is about 0.71 mm, and the length of one side of each pixel group 20 of the spatial light modulator 2 is about 0.71 mm.
  • the lenses 50 are arranged in 400 rows ⁇ 400 columns.
  • Each pixel group 20 includes 400 original pixels 21 arranged in 20 rows ⁇ 20 columns. In this case, light is emitted from each lens 50 in 400 directions.
  • the size of each original pixel 21 is 35 ⁇ m long ⁇ 35 ⁇ m wide.
  • the spatial light modulator 2 is composed of 8000 ⁇ 8000 pixels.
  • the horizontal distance L1 from the center of the stereoscopic display 1 to the viewing area 100 is 50 cm
  • the height H0 from the surface of the lens array 5 of the stereoscopic display 1 to the viewing area 100 is 35 cm.
  • angles a, b, and c are calculated as follows:
  • a diffusion plate is disposed above the lens array 5.
  • FIG. 18 is a schematic diagram for explaining the light emission direction when the diffusion plate 8 is disposed above the lens array 5.
  • the diffusion plate 8 is formed so as to diffuse light rays in a range of 28 °. Thereby, the light beam is diffused in the range of 21 ° to 49 °. Therefore, the observer can visually recognize the light beam emitted from the lens 50 in the entire area of the stereoscopic display 1 from the viewing area 100.
  • FIGS. 19A and 19B are a schematic side view and a schematic plan view showing a second specific example of the stereoscopic display 1 of the present invention.
  • the three-dimensional display 1 has a circular shape.
  • the diameter of the stereoscopic display 1 is R
  • the horizontal distance from the center of the stereoscopic display 1 to the viewing area 100 is L1.
  • the height from the surface of the lens array 5 of the stereoscopic display 1 to the viewing area 100 is H0.
  • the diameter R of the stereoscopic display 1 is 40 cm.
  • the angle a formed by the line of sight from the viewing zone 100 toward the far end of the stereoscopic display 1 with respect to the horizontal plane is 27 °.
  • An angle b formed by the line of sight from the viewing area 100 toward the center of the stereoscopic display 1 with respect to the horizontal plane is 35 °.
  • An angle c formed by the line of sight from the viewing zone 100 toward the end on the near side of the stereoscopic display 1 with respect to the horizontal plane is 49 °.
  • the positions 100a, 100b, 100c, and 100d are 90 degrees apart from each other with respect to the center of the stereoscopic display 1.
  • the lens 50 farthest from the position 100a is referred to as a lens 501
  • the lens 50 positioned at the center of the stereoscopic display 1 is referred to as a lens 502
  • the lens 50 closest to the position 100a is referred to as a lens 503.
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing the relationship between the positions of the lenses 501, 502, and 503 in FIG. 19 and the position of the rearrangement pixel 31.
  • one rearrangement pixel 31 corresponding to the lens 501 in FIG. 19 is a rearrangement pixel 31a
  • one rearrangement pixel 31 corresponding to the lens 502 is rearrangement pixel 31b
  • one rearrangement pixel 31 corresponding to the lens 503 is one.
  • the rearrangement pixel 31 is referred to as a rearrangement pixel 31c.
  • the rearrangement pixel 31a is arranged such that the light beam emitted from the lens 501 forms an angle a with respect to the horizontal plane. In this case, the rearrangement pixel 31a is away from the center axis of the lens 501 by a distance x1. As shown in FIG. 20B, the rearrangement pixel 31b is arranged such that the light beam emitted from the lens 502 forms an angle b with respect to the horizontal plane. In this case, the rearrangement pixel 31b is away from the center axis of the lens 502 by a distance x2. As shown in FIG.
  • the rearrangement pixel 31c is disposed such that the light beam emitted from the lens 503 forms an angle c with respect to the horizontal plane. In this case, the rearrangement pixel 31c is away from the center axis of the lens 503 by a distance x3.
  • the focal length of the lenses 501 to 503 is f
  • the distances x1, x2, and x3 can be obtained from the following equations.
  • FIG. 21 is a schematic diagram for explaining the arrangement of the rearrangement pixels 31 in the second specific example of the three-dimensional display of the present invention.
  • FIG. 21A shows the arrangement of rearrangement pixels 31 below the lens 501 in FIG. 19B
  • FIG. 21A shows the arrangement of rearrangement pixels 31 below the lens 502 in FIG. Show.
  • the four rearrangement pixels 31 are designated as rearrangement pixels 31A, 31B, 31C, and 31D, respectively.
  • the rearrangement pixel 31A is disposed at a position separated by a distance x3 from the central axis of the lens 501 in a direction close to the position 100a.
  • the rearrangement pixel 31B is disposed at a position separated from the central axis of the lens 501 by a distance x2 in a direction close to the position 100b.
  • the rearrangement pixel 31C is disposed at a position separated by a distance x1 from the central axis of the lens 501 in a direction close to the position 100c.
  • the rearrangement pixel 31D is disposed at a position separated from the central axis of the lens 501 by a distance x2 in a direction close to the position 100d.
  • the plurality of rearrangement pixels 31 corresponding to the lens 501 are arranged in a deformed annular shape. Thereby, the light beam can be emitted to the positions 100a, 100b, 100c, and 100d of the viewing zone 100 by the lens 501.
  • the four rearrangement pixels 31 are designated as rearrangement pixels 31A, 31B, 31C, and 31D, respectively.
  • the rearranged pixels 31A, 31B, 31C, and 31D are disposed at positions that are separated from the central axis of the lens 502 by a distance x2 in a direction closer to the positions 100a, 100b, 100c, and 100d.
  • the plurality of rearrangement pixels 31 corresponding to the lens 502 are arranged in a ring shape. Thereby, the light beam can be emitted to the positions 100a, 100b, 100c, and 100d of the viewing zone 100 by the lens 502, respectively.
  • the arrangement of the plurality of rearranged pixels 31 in each unit area 40 corresponding to each lens 50 of the lens array 5 is adjusted according to the angle of the light beam toward the viewing area 100, so that each lens 50 can be viewed. Light can be emitted to the entire area 100.
  • FIG. 22 is a schematic perspective view showing a third specific example of the stereoscopic display 1 of the present invention.
  • FIG. 23 is a schematic cross-sectional view of a 3D display 1 of a third specific example.
  • the three-dimensional display 1 of this example is installed on the ground 210 of the stadium 200 such as a soccer stadium.
  • a spectator seat 220 is provided around the ground 210 of the stadium 200.
  • a stereoscopic image 300 is presented on the ground 210 by the stereoscopic display 1. The observer observes the stereoscopic image 300 from the spectator seat 220.
  • FIG. 23 shows a diagonal cross section of the stereoscopic display 1.
  • the length of the diagonal line of the stereoscopic display 1 is L2
  • the horizontal distance from the center of the stereoscopic display 1 to the viewing area 100 is L3.
  • the height from the surface of the lens array 5 of the stereoscopic display 1 to the viewing area 100 is H1.
  • the length L2 of the diagonal line of the stereoscopic display 1 is 100 m, and the length of one side is about 71 m.
  • the diameter of each lens 50 is 3.5 cm, and the length of one side of each pixel group 20 of the spatial light modulator 2 is 3.5 cm.
  • the lenses 50 are arranged in 2000 rows ⁇ 2000 columns.
  • Each pixel group 20 includes 100 original pixels 21 arranged in 10 rows ⁇ 10 columns. In this case, light rays are emitted from each lens 50 in 100 directions.
  • the size of each original pixel 21 is 3.5 mm long ⁇ 3.5 mm wide.
  • the three-dimensional display 1 is composed of 20000 ⁇ 20000 pixels.
  • the horizontal distance L3 from the center of the stereoscopic display 1 to the viewing area 100 is 100 m
  • the height H0 from the surface of the lens array 5 of the stereoscopic display 1 to the viewing area 100 is 20 to 40 m.
  • the angles a, b, and c are calculated as 7.6 °, 11 °, and 22 °, respectively.
  • the angles a, b, and c are calculated as 11 °, 16.7 °, and 31 °, respectively.
  • the angles a, b, and c are calculated as 15 °, 22 °, and 38.7 °, respectively.
  • the observer can view the light rays emitted from the lenses 50 in the entire area of the stereoscopic display 1. 220 can be visually recognized from a height of 20 to 40 m.
  • the lens array 5 having a plurality of lenses 50 is used as a light controller, but the present invention is not limited to this.
  • a pinhole array having a plurality of pinholes or a diffraction grating array having a plurality of diffraction gratings may be used as the light beam controller.
  • the pixel group 20 of the spatial light modulator 2, the unit area 40 of the screen 4, and the lens 50 of the lens array 5 are arranged in a matrix, but the present invention is not limited to this.
  • 24A and 24B are schematic plan views showing other examples of the arrangement of the pixel group 20 of the spatial light modulator 2, the unit area 40 of the screen 4, and the lenses 50 of the lens array 5.
  • FIG. 24A and 24B are schematic plan views showing other examples of the arrangement of the pixel group 20 of the spatial light modulator 2, the unit area 40 of the screen 4, and the lenses 50 of the lens array 5.
  • the pixel group 20, the unit region 40, and the lens 50 in adjacent rows are arranged so as to be shifted from each other by a half unit region (a half lens).
  • the pixel group 20 and the unit region 40 have a hexagonal shape, and the pixel group 20, the unit region 40, and the lens 50 are arranged in a turtle shell shape.
  • the spatial light modulator 2 is an example of a spatial light modulator
  • the plurality of original pixels 21 is an example of a plurality of pixels of the spatial light modulator
  • the screen 4 is an example of a screen
  • the arrangement optical element 3 is an example of a rearrangement optical element.
  • the lens array 5 is an example of a light ray controller or a lens array
  • the plurality of rearranged pixels 31 are examples of a plurality of pixels rearranged
  • the control device 6 is an example of a control means.
  • the light guide element 30, the optical fiber 301, and the lens 304 are examples of light guide elements
  • the diffusion plate 8 is an example of a diffusion member
  • the lens 50 is an example of a lens.
  • the pixel group 20 is an example of a pixel group
  • the unit area 40 is an example of a unit area.
  • the present invention can be used as a stereoscopic display for presenting various stereoscopic images.

Landscapes

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Abstract

　空間光変調器は複数の画素により構成される。再配置光学素子は、空間光変調器の複数の画素により発生される光をスクリーン上に導くことによりスクリーン上に複数の画素を再配置する。レンズアレイの各レンズは、スクリーン上に再配置された複数の画素により発生される光をそれぞれ異なる方向に光線として出射する。制御装置は、レンズアレイの複数のレンズにより出射される複数の光線により立体画像が提示されるように空間光変調器を制御する。

Description

立体ディスプレイ
　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。
　インテグラル・フォトグラフィ（ＩＰ）は、裸眼で立体画像を観察可能にする技術の一つである。インテグラル・フォトグラフィを応用した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）。
　このような立体ディスプレイにおいては、例えば特許文献１に示すように光線制御子として複数の凸レンズからなるレンズアレイが画像提示面上に配置される。画像提示面にはＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の空間光変調器が用いられる。空間光変調器は、複数の画素がマトリクス状に配置された光出射面を有する。光出射面は、複数の正方形の単位領域に区分される。各単位領域は複数の画素により構成され、要素画像を提示する。複数の単位領域の上方にレンズアレイの複数のレンズがそれぞれ配置される。各画素により発生される光は、レンズの効果により特定の方向にのみ向かう光線として出射される。したがって、各単位領域の複数の画素により異なる複数の方向に複数の光線が形成される。複数の単位領域からの複数の光線により、特定の視域から認識することができる立体画像が提示される。
特開２００６－９８７７５号公報
　しかしながら、従来の立体ディスプレイでは、空間光変調器の正方形の単位領域の複数の画素により発生される光が円形のレンズによりそれぞれ特定の方向に出射される。この場合、各単位領域の４隅に位置する画素は立体画像の提示に寄与しない。そのため、空間光変調器に無駄な画素が生じる。
　また、空間光変調器の複数の画素は格子状に配列されているので、レンズにより複数の方向に出射される光線間の角度間隔が等しくならない。それにより、画質の劣化が生じやすい。
　本発明の目的は、空間光変調器の複数の画素を有効に利用することが可能であるとともに立体画像の画質の向上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、光を発生する複数の画素により構成される空間光変調器と、空間光変調器に対して間隔をおいて配置されるスクリーンと、空間光変調器とスクリーンとの間に配置され、空間変調器の複数の画素により発生される光をスクリーン上に導くことによりスクリーン上に複数の画素を再配置する再配置光学素子と、スクリーン上に再配置された複数の画素から発生される光の方向をそれぞれ制御することにより複数の光線を出射する光線制御子と、光線制御子により出射される複数の光線により立体画像が提示されるように空間光変調器を制御する制御手段とを備えるものである。
　その立体ディスプレイにおいては、空間光変調器の複数の画素により光が発生される。複数の画素により発生される光が再配置光学素子によりスクリーン上に導かれることによりスクリーン上に複数の画素が再配置される。スクリーン上に再配置された複数の画素から発生される光の方向が光線制御子によりそれぞれ制御されることにより複数の光線が出射される。光線制御子により出射される複数の光線により立体画像が提示されるように制御手段により空間光変調器が制御される。
　この場合、スクリーン上に再配置された複数の画素の配列が空間光変調器の複数の画素の配列と異なるようにスクリーン上に複数の画素を再配置することができる。それにより、視域の形状に適合する複数の画素の配列が形成されるように、スクリーン上に複数の画素を再配置することができる。したがって、空間光変調器の全ての画素を有効に利用することが可能となる。
　また、複数の画素から視域に出射される複数の光線間の角度間隔が等しくなるようにスクリーン上に複数の画素を再配置することができる。さらに、複数の画素を一部の領域に高密度に再配置することもできる。したがって、立体画像の画質の向上が可能となる。
　（２）再配置光学素子は、空間光変調器の複数の画素により発生される光をそれぞれスクリーン上に導く複数の導光素子を含んでもよい。
　この場合、複数の導光素子の形状または向きをそれぞれ調整することにより空間光変調器の複数の画素により発生される光をそれぞれスクリーン上の任意の位置に導くことができる。
　（３）複数の導光素子の各々は光ファイバを含んでもよい。この場合、光ファイバを曲げることにより各画素をスクリーン上の任意の位置に容易に再配置することができる。それにより、スクリーン上の複数の画素の再配置の自由度が高くなる。
　（４）複数の導光素子の各々はレンズを含んでもよい。この場合、各レンズにより空間光変調器の各画素により発生される光を集光するとともにスクリーン上の任意の位置に結像させることができる。それにより、光の利用効率を向上させることが可能となる。
　（５）立体ディスプレイは、光線制御子により出射される光線を一定の角度範囲内で拡散する拡散部材をさらに備えてもよい。この場合、立体画像を観察可能な視域の制限が緩和される。
　（６）空間光変調器は複数の画素群を含み、各画素群は複数の画素を含み、スクリーンは、複数の画素群にそれぞれ対応する複数の単位領域を含み、再配置光学素子は、各画素群内の複数の画素により発生される光をスクリーンの対応する単位領域に導くことによりスクリーン上の各単位領域に複数の画素を再配置し、光線制御子は、複数の単位領域にそれぞれ対応する複数のレンズを有するレンズアレイを含み、レンズアレイの各レンズは、スクリーンの対応する単位領域内に再配置された複数の画素により発生される光をそれぞれ異なる方向に光線として出射してもよい。
　このような構成により、空間光変調器の各画素群内の複数の画素により発生される光がスクリーンの対応する単位領域に導かれる。それにより、スクリーンの各単位領域に複数の画素が再配置される。さらに、スクリーンの各単位領域に対応するレンズから複数の異なる方向に光線が出射される。この場合、各レンズに空間光変調器の画素群およびスクリーンの単位領域が対応しているので、任意の視域から観察可能な立体画像を提示するための空間光変調器の制御が容易である。
　本発明によれば、空間光変調器の複数の画素を有効に利用することが可能であるとともに立体画像の画質の向上が可能となる。
図１は本発明の一実施の形態に係る立体ディスプレイを示す模式的斜視図である。 図２は図１の立体ディスプレイの模式的側面図である。 図３は空間光変調器の光出射面の一部の拡大平面図である。 図４はレンズアレイの一部の平面図である。 図５は再配置光学素子の構成および働きを説明するための模式的側面図である。 図６は再配置光学素子による再配置画素の形成を説明するための模式的平面図である。 図７は１つのレンズにより出射される複数の光線を示す模式的平面図である。 図８は再配置光学素子の構成の一例を示す模式図である。 図９は再配置光学素子の構成の他の例を示す模式図である。 図１０は再配置光学素子の構成のさらに他の例を示す模式図である。 図１１は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。 図１２は本発明の一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１３は再配置光学素子による再配置画素の配置の他の例を示す模式的平面図である。 図１４は再配置光学素子による再配置画素の配置の他の例を示す模式的平面図である。 図１５は再配置光学素子による再配置画素の配置の他の例を示す模式的平面図である。 図１６は再配置光学素子による再配置画素の配置の他の例を示す模式的平面図である。 図１７は本発明の立体ディスプレイの第１の具体例を示す模式的断面図である。 図１８はレンズアレイの上方へ拡散板を配置した場合の光線の出射方向を説明するための模式図である。 図１９は本発明の立体ディスプレイの第２の具体例を示す模式的側面図および模式的平面図である。 図２０は図１９のレンズの位置と再配置画素の位置との関係を示す模式図である。 図２１は本発明の立体ディスプレイの第２の具体例における再配置画素の配置を説明するための模式図である。 図２２は本発明の立体ディスプレイの第３の具体例を示す模式的斜視図である。 図２３は第３の具体例の立体ディスプレイの模式的断面図である。 図２４は空間光変調器の単位領域、スクリーンの単位領域およびレンズアレイのレンズの配列の他の例を示す模式的平面図である。
　（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を示す模式的斜視図である。図２は図１の立体ディスプレイの模式的側面図である。
　図１および図２に示すように、立体ディスプレイ１は、空間光変調器２、再配置光学素子３、スクリーン４およびレンズアレイ５の積層構造により構成される。
　空間光変調器２は、マトリクス状に色を提示することができるマトリクス表示素子からなる。この空間光変調器２は、複数の画素がマトリクス状に配列された光出射面２ａを有する。空間光変調器２として、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）ディスプレイ、またはプロジェクタとスクリーンとの組み合わせにより作られる投影像を用いることができる。本実施の形態では、図２に示すように、空間光変調器２の光出射面２ａは、正方形の複数の画素群２０に区分される。各画素群２０の形状は、正方形に限定されず、例えば、長方形、六角形またはその他の形状であってもよい。また、各画素群２０が分散的に配置された複数の領域の画素から構成されてもよい。
　空間光変調器２の光出射面２ａと平行にかつ光出射面２ａに対して一定間隔をおいてスクリーン４が配置され、光出射面２ａとスクリーン４との間に再配置光学素子３が配置される。再配置光学素子３は、空間光変調器２の複数の画素により発生される光をスクリーン４上にそれぞれ導くことによりスクリーン４上に複数の画素を再配置するように構成される。
　以下、空間光変調器２の各画素を原画素と呼び、再配置光学素子３により再配置された各画素を再配置画素と呼ぶ。再配置光学素子３の構成については後述する。
　スクリーン４は光の拡散性能および透光性を有する。それにより、各再配置画素から拡散された光が発生される。スクリーン４と平行にかつスクリーン４に対して一定間隔をおいてレンズアレイ５が配置される。
　レンズアレイ５は、マトリクス状に配列された複数の凸レンズ（以下、単にレンズと呼ぶ）５０により構成される。複数のレンズ５０は、空間光変調器２の複数の画素群２０にそれぞれ対応して設けられる。各レンズ５０は、空間光変調器２の対応する画素群２０の上方に配置され、スクリーン４上の複数の再配置画素により発生される光をそれぞれ異なる方向に光線として出射する。
　立体ディスプレイ１は、例えば、レンズアレイ５が水平になるように設置される。本実施の形態では、立体ディスプレイ１の周囲の上方を取り囲む環状の視域１００が設定される。
　図１に示すように、空間光変調器２には制御装置６が接続され、制御装置６に記憶装置７が接続される。記憶装置７は、例えばハードディスクまたはメモリカード等からなる。記憶装置７には、立体画像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６は、例えばパーソナルコンピュータからなる。制御装置６は、記憶装置７に記憶された立体形状データに基づいて空間光変調器２を制御する。それにより、視域１００から観察可能な立体画像が提示される。ここで、立体画像には、立体静止画像に限らず、立体動画像も含まれる。
　（２）空間光変調器２およびレンズアレイ５の構成
　図３は空間光変調器２の光出射面の一部の平面図である。図４はレンズアレイ５の一部の拡大平面図である。
　図３に示すように、本実施の形態では、空間光変調器２の光出射面は、複数の正方形の画素群２０に区分される。各画素群２０は、マトリクス状に配列された複数の原画素２１を含む。
　図４に示すように、レンズアレイ５は、マトリクス状に配列された複数のレンズ５０により構成される。複数のレンズ５０は、図３の空間光変調器２の複数の画素群２０にそれぞれ対応して設けられる。各レンズ５０は、空間光変調器２の対応する画素群２０の上方に配置される。
　（３）再配置画素３１の構成および働き
　図５は再配置光学素子３の構成および働きを説明するための模式的側面図である。図６は再配置光学素子３による再配置画素の形成を説明するための模式的平面図である。
　図５に示すように、再配置光学素子３は、複数の導光素子３０により構成される。複数の導光素子３０は、空間光変調器２の複数の原画素２１にそれぞれ対応して設けられる。スクリーン４は、空間光変調器２の複数の画素群２０にそれぞれ対応する複数の単位領域４０に仮想的に区分される。各導光素子３０は、対応する原画素２１により発生される光をスクリーン４上の異なる位置に導く。それにより、空間光変調器２の各原画素２１がスクリーン４上の異なる位置に再配置される。その結果、スクリーン４上に再配置画素３１が形成される。なお、一部の原画素２１は、スクリーン４上の同じ位置に再配置されてもよい。本実施の形態では、空間光変調器２の各画素群２０内の複数の原画素２１は、スクリーン４の対応する単位領域４０内に再配置画素３１として再配置される。
　例えば、図５の空間光変調器２の原画素２１（Ｐａ）からスクリーン４上に再配置画素３１（ＰＡ）が形成される。それにより、レンズ５０により一点鎖線の矢印で示す光線Ｌａが出射される。また、原画素２１（Ｐｂ）からスクリーン４上に再配置画素３１（ＰＢ）が形成される。それにより、レンズ５０により実線の矢印で示す光線Ｌｂが出射される。
　図６（ａ）に示すように、空間光変調器２の画素群２０内の複数の原画素２１はマトリクス状に配列されている。図６（ｂ）に示すように、スクリーン４上の単位領域４０内の再配置画素３１は環状に配列される。例えば、空間光変調器２の原画素２１（Ｐａ）は、スクリーン４上に再配置画素３１（ＰＡ）として再配置される。また、空間光変調器２の原画素２１（Ｐｂ）は、スクリーン４上に再配置画素３１（ＰＢ）として再配置される。
　このように、スクリーン４の各単位領域４０内の複数の再配置画素３１の配列が空間光変調器２の各画素群２０内の複数の原画素２１の配列と異なるように、スクリーン４上に複数の再配置画素３１を再配置することができる。空間光変調器２の各画素群２０内の複数の原画素２１の数とスクリーン４の各単位領域４０内の複数の再配置画素３１の数（導光素子３０の数）とは等しい。この場合、空間光変調器２の各画素群２０の四隅に位置する原画素２１もスクリーン４の単位領域４０内の任意の位置に再配置画素３１として再配置することができる。したがって、無駄な原画素２１が生じない。
　図７は１つのレンズ５０により出射される複数の光線を示す模式的平面図である。
　図７に示すように、１つのレンズ５０の下方のスクリーン４の単位領域４０内に複数の再配置画素３１が環状に形成される。図７に矢印で示すように、環状に配置された複数の再配置画素３１からレンズ５０の中心を通って外方に向けて斜め上方にそれぞれ光線が出射される。複数の光線は、それぞれ任意の色に設定される。図１および図２の視域１００の任意の位置において、観察者は、複数のレンズ５０の各々により出射された複数の光線の少なくとも１つを視認することができる。
　図８は再配置光学素子３の構成の一例を示す模式図である。図８の例では、再配置光学素子３は複数の光ファイバ３０１からなる光ファイバアレイである。この場合、再配置光学素子３の各導光素子３０は、光ファイバ３０１により構成される。空間光変調器２の原画素２１により発生される光が光ファイバ３０１の入射端に入射し、光ファイバ３０１内を伝搬し、光ファイバ３０１の出射端からスクリーン４上に出射される。
　光ファイバ３０１は容易に曲げることができるので、空間光変調器２の原画素２１により発生される光をスクリーン４上の任意の位置に容易に導くことができる。また、光ファイバ３０１を用いることにより、空間光変調器２の原画素２１により発生される光をスクリーン４上の離れた位置に容易に導くことができる。そのため、スクリーン４上の再配置画素３１の配列の自由度が高い。
　図９は再配置光学素子３の構成の他の例を示す模式図である。図９の例では、光ファイバ３０１の入射端および出射端にそれぞれレンズ３０２，３０３が形成されている。空間光変調器２の原画素２１により発生される光が入射端のレンズ３０１により集光され、光ファイバ３０１内を伝搬し、出射端のレンズ３０３によりスクリーン４上に結像される。それにより、空間光変調器２の原画素２１を効率的にスクリーン４上に再配置画素３１として再配置することができる。
　本例においても、図８の例と同様に、光ファイバ３０１は容易に曲げることができるので、空間光変調器２の原画素２１により発生される光をスクリーン４上の任意の位置に容易に導くことができる。また、空間光変調器２の原画素２１により発生される光をスクリーン４上の離れた位置に容易に導くことができる。そのため、スクリーン４上の再配置画素３１の配列の自由度が高い。
　図１０は再配置光学素子３の構成のさらに他の例を示す模式図である。図１０の例では、再配置光学素子３は複数のレンズ３０４からなるレンズアレイである。この場合、再配置光学素子３の各導光素子３０はレンズ３０４により構成される。各レンズ３０４は、スクリーン４上の再配置画素３１の位置に応じて傾斜するように設けられる。空間光変調器２の原画素２１により発生される光がレンズ３０４により集光され、スクリーン４上に結像される。この場合、レンズ３０４の入射側の焦点が空間光変調器２の原画素２１上に位置し、レンズ３０４の出射側の焦点がスクリーン４上に位置することが好ましい。それにより、空間光変調器２の原画素２１を効率的にスクリーン４上に再配置画素３１として再配置することができる。また、再配置光学素子３としてレンズアレイを用いることにより立体ディスプレイ１の薄型化が可能となる。
　（４）立体画像の提示方法
　図１１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１１においては、レンズアレイ５として３個のレンズ５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃが示される。
　例えば、位置ＰＲに赤色の点を提示する場合には、レンズ５０Ａの下方の１つの再配置画素３１rが赤色に発光し、レンズ５０Ａにより位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＡ０が出射される。また、レンズ５０Ｂの下方の１つの再配置画素３１ｒが赤色に発光し、レンズ５０Ｂにより位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＢ０が出射される。さらに、レンズ５０Ｃの下方の１つの再配置画素３１ｒが赤色に発光し、レンズ５０Ｃにより位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＣ０が出射される。
　それにより、赤色の光線ＬＡ０，ＬＢ０，ＬＣ０の交点に赤色の点光源が提示される。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に赤色の点が見える。
　同様にして、位置ＰＧに緑色の点を提示する場合には、レンズ５０Ａの下方の他の１つの再配置画素３１ｇが緑色に発光し、レンズ５０Ａにより位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＡ１が出射される。また、レンズ５０Ｂの下方の他の１つの再配置画素３１ｇが緑色に発光し、レンズ５０Ｂにより位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＢ１が出射される。さらに、レンズ５０Ｃの下方の他の１つの再配置画素３１ｇが緑色に発光し、レンズ５０Ｃにより位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＣ１が出射される。
　それにより、緑色の光線ＬＡ１，ＬＢ１，ＬＣ１の交点に緑色の点光源が提示される。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に緑色の点が見える。
　このようにして、レンズアレイ５の複数のレンズ５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ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。
　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の色を複数のレンズ５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ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。
　複数のレンズ５０から出射される複数の光線の色、複数の光線の方向および空間光変調器２の複数の原画素２１が発生すべき色は、図１の記憶装置７に記憶される立体形状データに基づいて制御装置６により算出される。具体的には、制御装置６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およびその光線の方向を算出し、その光線を出射すべきレンズ５０およびその色の光を発生すべき再配置画素３１を求める。さらに、制御装置６は、その再配置画素３１に光を導く導光素子３０を逆に辿って空間光変調器２の対応する原画素２１を求める。制御装置６は、複数の光線についての算出結果に基づいて空間光変調器２を制御する。それにより、立体画像３００が提示されるように、複数のレンズ５０から設定された色をそれぞれ有する複数の光線が出射される。
　なお、三次元の立体形状を示す立体形状データがない場合でも、カメラを用いて実物体を撮影することにより複数の光線に関する情報を取得することができる。例えば、図１１の立体画像３００の位置に実物体を配置し、位置ＩＡ０でカメラにより実物体を撮影することにより実物体の位置ＰＲから飛来する光線ＬＡ０の色を取得することができる。
　観察者は、視域１００上の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。
　（５）両眼視差の発生原理
　図１２は本発明の一実施の形態に係る立体ディスプレイ１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において、右眼１００Ｒにレンズ５０ａにより出射された光線Ｌａが入射し、左眼１００Ｌにレンズ５０ｂにより出射された光線Ｌｂが入射する。光線Ｌａ，Ｌｂの色は互いに等しい。したがって、右眼１００Ｒにより視認される光線Ｌａの色と左眼１００Ｌにより視認される光線Ｌｂの色は等しい。なお、例えば、実物体が光沢を有する場合には、実物体の一点の色は見る方向により異なる。このような場合には、光線Ｌａおよび光線Ｌｂにはそれぞれ異なる色が与えられる。
　光線Ｌａと光線Ｌｂとの交点に立体画像３００を構成する一つの点３００Ｐが作られる。点３００Ｐ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３００Ｐを見る方向と左眼１００Ｌで点３００Ｐ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、複数の光線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
　図５および図６を参照して、本実施の形態に係る立体ディスプレイ１によれば、立体ディスプレイ１を取り囲む環状の視域１００から観察可能な立体画像が提示される。この場合、スクリーン４の各単位領域４０に再配置画素３１が環状に再配置される。それにより、空間光変調器２の複数の原画素２１を立体画像の提示に無駄なく有効に利用することができる。また、スクリーン４の各単位領域４０上のレンズ５０により出射される複数の光線間の角度間隔を等しくすることができる。また、複数の再配置画素３１を一部の領域に高密度で配置することができる。したがって、立体画像の画質が向上する。
　（７）再配置画素３１の配置の他の例
　図１３～図１６は再配置光学素子３による再配置画素の配置の他の例を示す模式的平面図である。
　図１３の例では、スクリーン４の単位領域４０内の複数の再配置画素３１が二重の環状に配列される。この場合、両眼視差に加えて垂直視差を有する立体画像を提示することができる。なお、複数の再配置画素３１が単位領域４０内に３重以上の環状に配列されてもよい。
　図１４の例では、スクリーン４の単位領域４０内の複数の再配置画素３１が半円状または部分円状等の円弧状に配列される。図１４の例は、視域１００を特定の角度範囲に限定する場合に用いられる。この場合、各単位領域４０内の複数の再配置画素３１の配列密度を高めることができる。
　図１５の例では、スクリーン４上の単位領域４０内の複数の再配置画素３１が３重の円弧状または扇形に配列される。図１５の例は、視域１００を特定の角度範囲に限定しかつ垂直視差を有する立体画像を提示する場合に用いられる。
　図１６の例では、スクリーン４上の単位領域４０内の複数の再配置画素３１が２組の２重の円弧状または扇形に配列される。図１６の例は、視域１００を２箇所の特定の角度範囲に限定しかつ垂直視差を有する立体画像を提示する場合に用いられる。なお、複数の再配置画素３１が３箇所以上の領域に分散されてもよい。
　再配置光学素子３による再配置画素３１の再配置方法は、上記の例に限定されない。例えば、複数の再配置画素３１が単位領域４０内に楕円形状、多角形状またはその他の任意の形状に配置されてもよい。あるいは、複数の再配置画素３１が円形の領域内に密に配置されてもよい。
　（８）立体ディスプレイ１の第１の具体例
　図１７は本発明の立体ディスプレイ１の第１の具体例を示す模式的断面図である。本例の立体ディスプレイ１は正方形状を有する。図１７には、立体ディスプレイ１の対角線上の断面が示される。図１７に示すように、立体ディスプレイ１の対角線の長さをＬ０とし、立体ディスプレイ１の中心から視域１００までの水平距離をＬ１とする。立体ディスプレイ１のレンズアレイ５の表面から視域１００までの高さをＨ０とする。
　また、視域１００から立体ディスプレイ１の遠い側の角部に向かう視線が水平面に対してなす角度をａとし、視域１００から立体ディスプレイ１の中心に向かう視線が水平面に対してなす角度をｂとし、視域１００から立体ディスプレイ１の近い側の角部に向かう視線が水平面に対してなす角度をｃとする。
　本例では、立体ディスプレイ１の対角線の長さＬ０は４０ｃｍであり、一辺の長さは約２８ｃｍである。各レンズ５０の直径は約０．７１ｍｍであり、空間光変調器２の各画素群２０の一辺の長さは約０．７１ｍｍである。レンズ５０は４００行×４００列に配列される。各画素群２０は、２０行×２０列に配列される４００個の原画素２１により構成される。この場合、各レンズ５０から４００方向に光線が出射される。各原画素２１のサイズは、縦３５μｍ×横３５μｍである。空間光変調器２は、８０００×８０００個の画素により構成される。
　立体ディスプレイ１の中心から視域１００までの水平距離Ｌ１が５０ｃｍであり、立体ディスプレイ１のレンズアレイ５の表面から視域１００までの高さＨ０が３５ｃｍである場合を考える。
　角度ａ，ｂ，ｃは次式のように算出される。
　ａ＝ｔａｎ－１（３５／（２０＋５０））＝２７［°］
　ｂ＝ｔａｎ－１（３５／５０）＝３５［°］
　ａ＝ｔａｎ－１（３５／（２０－５０））＝４９［°］
　この場合、立体ディスプレイ１のレンズアレイ５から２７°～４９°の方向に光線を出射する必要がある。そこで、レンズアレイ５の上方に拡散板が配置される。
　図１８はレンズアレイ５の上方へ拡散板８を配置した場合の光線の出射方向を説明するための模式図である。
　図１８に示すように、レンズ５０は、矢印で示すように、水平面に対して角度ｂ（＝３５°）斜め上方に光線を出射する。拡散板８は２８°の範囲に光線を拡散するように形成される。それにより、光線は２１°～４９°の範囲に拡散される。したがって、観察者は、立体ディスプレイ１の全領域のレンズ５０から出射される光線を視域１００から視認することができる。
　（９）立体ディスプレイ１の第２の具体例
　図１９（ａ），（ｂ）は本発明の立体ディスプレイ１の第２の具体例を示す模式的側面図および模式的平面図である。
　図１９（ｂ）に示すように、立体ディスプレイ１は円形状を有する。図１９（ａ）に示すように、立体ディスプレイ１の直径をＲとし、立体ディスプレイ１の中心から視域１００までの水平距離をＬ１とする。立体ディスプレイ１のレンズアレイ５の表面から視域１００までの高さをＨ０とする。
　本例では、立体ディスプレイ１の直径Ｒは４０ｃｍである。また、視域１００から立体ディスプレイ１の遠い側の端部に向かう視線が水平面に対してなす角度ａは２７°である。視域１００から立体ディスプレイ１の中心に向かう視線が水平面に対してなす角度ｂは３５°である。視域１００から立体ディスプレイ１の近い側の端部に向かう視線が水平面に対してなす角度ｃは４９°である。
　ここで、観察者が視域１００の位置１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄに位置する場合を考える。位置１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄは、立体ディスプレイ１の中心に関して９０°ずつ離れている。
　位置１００ａから最も遠いレンズ５０をレンズ５０１とし、立体ディスプレイ１の中心に位置するレンズ５０をレンズ５０２とし、位置１００ａに最も近いレンズ５０をレンズ５０３とする。
　図２０は図１９のレンズ５０１，５０２，５０３の位置と再配置画素３１の位置との関係を示す模式図である。図２０において、図１９のレンズ５０１に対応する１つの再配置画素３１を再配置画素３１ａとし、レンズ５０２に対応する１つの再配置画素３１を再配置画素３１ｂとし、レンズ５０３に対応する１つの再配置画素３１を再配置画素３１ｃとする。
　図２０（ａ）に示すように、再配置画素３１ａは、レンズ５０１により出射される光線が水平面に対して角度ａをなすように配置される。この場合、再配置画素３１ａは、レンズ５０１の中心軸から距離ｘ１外方に離れている。図２０（ｂ）に示すように、再配置画素３１ｂは、レンズ５０２により出射される光線が水平面に対して角度ｂをなすように配置される。この場合、再配置画素３１ｂは、レンズ５０２の中心軸から距離ｘ２外方に離れている。図２０（ｃ）に示すように、再配置画素３１ｃは、レンズ５０３により出射される光線が水平面に対して角度ｃをなすように配置される。この場合、再配置画素３１ｃは、レンズ５０３の中心軸から距離ｘ３外方に離れている。
　レンズ５０１～５０３の焦点距離をｆとすると、距離ｘ１，ｘ２，ｘ３は次式より求めることができる。
　ｔａｎ（ｆ／ｘ１）＝ａ
　ｔａｎ（ｆ／ｘ２）＝ｂ
　ｔａｎ（ｆ／ｘ３）＝ｃ
　焦点距離ｆを０．２２ｍｍとし、角度ａ，ｂ，ｃをそれぞれ２７°、３５°および４９°とする。この場合、距離ｘ１は０．５ｍｍとなり、距離ｘ２は０．４ｍｍとなり、距離ｘ３は０．３１ｍｍとなる。
　図２１は本発明の立体ディスプレイの第２の具体例における再配置画素３１の配置を説明するための模式図である。図２１（ａ）は図１９（ｂ）のレンズ５０１の下方の再配置画素３１の配列を示し、図２１（ａ）は図１９（ｂ）のレンズ５０２の下方の再配置画素３１の配列を示す。
　図２１（ａ）において、４つの再配置画素３１をそれぞれ再配置画素３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄとする。再配置画素３１Ａは、レンズ５０１の中心軸から位置１００ａに近い方向に距離ｘ３離れた位置に配置される。再配置画素３１Ｂは、レンズ５０１の中心軸から位置１００ｂに近い方向に距離ｘ２離れた位置に配置される。再配置画素３１Ｃは、レンズ５０１の中心軸から位置１００ｃに近い方向に距離ｘ１離れた位置に配置される。再配置画素３１Ｄは、レンズ５０１の中心軸から位置１００ｄに近い方向に距離ｘ２離れた位置に配置される。
　この場合、レンズ５０１に対応する複数の再配置画素３１は、変形した環状に配列される。それにより、レンズ５０１により視域１００の位置１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄにそれぞれ光線を出射することができる。
　図２１（ｂ）において、４つの再配置画素３１をそれぞれ再配置画素３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄとする。再配置画素３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄは、レンズ５０２の中心軸から位置１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄに近い方向にそれぞれ距離ｘ２離れた位置に配置される。
　この場合、レンズ５０２に対応する複数の再配置画素３１は、環状に配列される。それにより、レンズ５０２により視域１００の位置１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄにそれぞれ光線を出射することができる。
　このように、レンズアレイ５の各レンズ５０に対応する各単位領域４０内の複数の再配置画素３１の配列を視域１００に向かう光線の角度に応じて調整することにより、各レンズ５０から視域１００の全体に光線を出射することが可能となる。
　（１０）立体ディスプレイ１の第３の具体例
　図２２は本発明の立体ディスプレイ１の第３の具体例を示す模式的斜視図である。図２３は第３の具体例の立体ディスプレイ１の模式的断面図である。本例の立体ディスプレイ１は、サッカースタジアム等の競技場２００のグランド２１０上に設置される。競技場２００のグランド２１０の周囲には観客席２２０が設けられる。立体ディスプレイ１によりグランド２１０上に立体画像３００が提示される。観察者は、観客席２２０から立体画像３００を観察する。
　図２２に示すように、立体ディスプレイ１は正方形状を有する。図２３には、この立体ディスプレイ１の対角線上の断面が示される。図２３に示すように、立体ディスプレイ１の対角線の長さをＬ２とし、立体ディスプレイ１の中心から視域１００までの水平距離をＬ３とする。立体ディスプレイ１のレンズアレイ５の表面から視域１００までの高さをＨ１とする。
　本例では、立体ディスプレイ１の対角線の長さＬ２は１００ｍであり、一辺の長さは約７１ｍである。各レンズ５０の直径は３．５ｃｍであり、空間光変調器２の各画素群２０の一辺の長さは３．５ｃｍである。レンズ５０は２０００行×２０００列に配列される。各画素群２０は、１０行×１０列に配列される１００個の原画素２１により構成される。この場合、各レンズ５０から１００方向に光線が出射される。各原画素２１のサイズは、縦３．５ｍｍ×横３．５ｍｍである。立体ディスプレイ１は、２００００×２００００個の画素により構成される。
　立体ディスプレイ１の中心から視域１００までの水平距離Ｌ３が１００ｍであり、立体ディスプレイ１のレンズアレイ５の表面から視域１００までの高さＨ０が２０ｍ～４０ｍである場合を考える。
　視域１００の高さＨ１が２０ｍの場合、角度ａ，ｂ，ｃはそれぞれ７．６°、１１°および２２°と算出される。視域１００の高さＨ１が３０ｍの場合、角度ａ，ｂ，ｃはそれぞれ１１°、１６．７°および３１°と算出される。視域１００の高さＨ１が４０ｍの場合、角度ａ，ｂ，ｃはそれぞれ１５°、２２°および３８．７°と算出される。
　本例においても、第１の具体例と同様に、レンズアレイ５の上方に拡散板８を配置することにより、観察者は、立体ディスプレイ１の全領域のレンズ５０から出射される光線を観客席２２０の２０ｍ～４０ｍの高さから視認することができる。
　（１１）他の実施の形態
　上記実施の形態では、光線制御子として複数のレンズ５０を有するレンズアレイ５を用いているが、本発明はこれに限定されない。光線制御子として複数のピンホールを有するピンホールアレイまたは複数の回折格子を有する回折格子アレイを用いてもよい。
　また、上記実施の形態では、空間光変調器２の画素群２０、スクリーン４の単位領域４０およびレンズアレイ５のレンズ５０がマトリクス状に配置されるが、本発明はこれに限定されない。
　図２４（ａ），（ｂ）は空間光変調器２の画素群２０、スクリーン４の単位領域４０およびレンズアレイ５のレンズ５０の配列の他の例を示す模式的平面図である。
　図２４（ａ）の例では、隣り合う行における画素群２０、単位領域４０およびレンズ５０が互いに半単位領域分（半レンズ分）ずつずれるように配列される。
　図２４（ｂ）の例では、画素群２０および単位領域４０が六角形状を有し、画素群２０、単位領域４０およびレンズ５０が亀甲状に配置される。
　（１２）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。
　本実施の形態では、空間光変調器２が空間光変調器の例であり、複数の原画素２１が空間光変調器の複数の画素の例であり、スクリーン４がスクリーンの例であり、再配置光学素子３が再配置光学素子の例である。レンズアレイ５が光線制御子またはレンズアレイの例であり、複数の再配置画素３１が再配置された複数の画素の例であり、制御装置６が制御手段の例である。
　また、導光素子３０、光ファイバ３０１およびレンズ３０４が導光素子の例であり、拡散板８が拡散部材の例であり、レンズ５０がレンズの例である。
　さらに、画素群２０が画素群の例であり、単位領域４０が単位領域の例である。
　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、種々の立体画像を提示する立体ディスプレイとして利用することができる。

Claims (6)

  1. 光を発生する複数の画素により構成される空間光変調器と、
    　前記空間光変調器に対して間隔をおいて配置されるスクリーンと、
    　前記空間光変調器と前記スクリーンとの間に配置され、前記空間光変調器の前記複数の画素により発生される光を前記スクリーン上に導くことにより前記スクリーン上に複数の画素を再配置する再配置光学素子と、
    　前記スクリーン上に再配置された複数の画素から発生される光の方向をそれぞれ制御することにより複数の光線を出射する光線制御子と、
    　前記光線制御子により出射される複数の光線により立体画像が提示されるように前記空間光変調器を制御する制御手段とを備える、立体ディスプレイ。
  2. 前記再配置光学素子は、前記空間光変調器の前記複数の画素により発生される光をそれぞれ前記スクリーン上に導く複数の導光素子を含む、請求項１記載の立体ディスプレイ。
  3. 前記複数の導光素子の各々は光ファイバを含む、請求項２記載の立体ディスプレイ。
  4. 前記複数の導光素子の各々はレンズを含む、請求項２または３記載の立体ディスプレイ。
  5. 前記光線制御子により出射される光線を一定の角度範囲内で拡散する拡散部材をさらに備える、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. 前記空間光変調器は複数の画素群を含み、各画素群は複数の画素を含み、
    　前記スクリーンは、前記複数の画素群にそれぞれ対応する複数の単位領域を含み、
    　前記再配置光学素子は、各画素群内の複数の画素により発生される光を前記スクリーンの対応する単位領域に導くことにより前記スクリーン上の各単位領域に複数の画素を再配置し、
    　前記光線制御子は、前記複数の単位領域にそれぞれ対応する複数のレンズを有するレンズアレイを含み、
    　前記レンズアレイの各レンズは、前記スクリーンの対応する単位領域内に再配置された複数の画素により発生される光をそれぞれ異なる方向に光線として出射する、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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