WO2017199854A1 - 立体ディスプレイ - Google Patents

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WO2017199854A1
WO2017199854A1 PCT/JP2017/017905 JP2017017905W WO2017199854A1 WO 2017199854 A1 WO2017199854 A1 WO 2017199854A1 JP 2017017905 W JP2017017905 W JP 2017017905W WO 2017199854 A1 WO2017199854 A1 WO 2017199854A1
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light
controller
diffused
light beam
peripheral surface
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PCT/JP2017/017905
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俊介 吉田
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国立研究開発法人情報通信研究機構
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    • G02B3/00—Simple or compound lenses
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    • G03B35/18—Stereoscopic photography by simultaneous viewing

Definitions

  • the present invention relates to a stereoscopic display capable of observing a stereoscopic image.
  • a stereoscopic display that present stereoscopic images have been developed (see, for example, Patent Document 1).
  • a stereoscopic display generally, a stereoscopic image is presented in a space such as in front of or above a screen.
  • the three-dimensional display described in Patent Document 1 has a cone-shaped light controller.
  • the light beam controller is arranged such that the bottom of the cone shape opens on the reference plane.
  • a turntable to which a plurality of scanning projectors are fixed is provided below the reference plane.
  • Each scanning projector irradiates the outer peripheral surface of the light beam controller with a light beam group composed of a plurality of light beams from the outside of the light beam controller while rotating on a turntable around the rotation axis.
  • the light beam controller diffuses and transmits each light beam irradiated by each scanning projector in the ridge line direction and transmits the light beam without diffusing in the circumferential direction. Thereby, a three-dimensional image is displayed above and inside the cone-shaped light controller.
  • the stereoscopic image is presented on the assumption that the observer's eyes are in the viewing zone. Therefore, if the observer's eyes are out of the viewing zone, the observer cannot visually recognize a stereoscopic image based on accurate perspective projection. That is, the observer visually recognizes a stereoscopic image that is distorted from the stereoscopic image that should originally be viewed. Further, in a state where the observer's eyes are out of the viewing area, a part of the stereoscopic image may not be visually recognized by the observer. In these cases, depending on the stereoscopic image, the observer cannot recognize that the stereoscopic image is not accurately visually recognized.
  • Patent Document 1 describes that a position of an observer's eye is tracked by a camera, and a light beam group is corrected by a control device so that an accurate stereoscopic image is visually recognized at the position of the eye.
  • the processing in the control device becomes complicated. Therefore, a high processing capacity is required for the control device, and the stereoscopic display becomes expensive.
  • the imaging process by the camera the process of transferring the acquired image data from the camera to the control device, the process of detecting the position of the eye from the image data, and correcting the light group based on the position of the eye
  • a stereoscopic image is presented. Therefore, if a long time is required for a series of processes from the imaging process to the presentation of a stereoscopic image, the observer is incomplete while the series of processes is being performed (for example, a display period of 2 or 3 frames). A stereoscopic image is visually recognized. Even if a control device having a high processing capacity is used, there is a limit to shortening the time required for the series of processes.
  • An object of the present invention is to provide a three-dimensional display that allows an observer to visually recognize an accurate three-dimensional image while suppressing an increase in cost.
  • a stereoscopic display is a stereoscopic display for presenting a stereoscopic image based on stereoscopic shape data, and has a cone shape or a columnar shape and has a cone shape or a columnar shape.
  • a light controller arranged so that the bottom part opens on the reference surface, and a light beam composed of a plurality of light rays below the reference surface and from the outside of the light controller are arranged to irradiate the outer peripheral surface of the light controller.
  • the control means controls the light generator based on the 3D shape data.
  • the light beam generator irradiates the light beam group on the outer peripheral surface of the light beam controller below the reference surface and from the outside of the light beam controller based on the control of the control means. As a result, a stereoscopic image that is visible from the predefined first viewing zone is presented.
  • the center lines of the plurality of diffused lights that have passed through the plurality of portions on the intersection line between the arbitrary virtual surface and the light ray controller pass through the intersection point between the virtual surface and the first viewing zone.
  • the centers of the plurality of diffused lights are intensively incident on the eyes of the observer on the first viewing zone.
  • all of the plurality of diffused lights are incident on the observer's eyes, and only a part of the plurality of diffused lights is observed. It does not enter the person's eyes.
  • the observer can clearly see an accurate stereoscopic image in a state where the eye is in the first viewing zone.
  • the observer does not visually recognize an incomplete stereoscopic image in a state where the eyes are out of the first viewing zone.
  • it is not necessary to perform complicated processing such as correcting the stereoscopic image in accordance with the position of the observer's eyes in order to make the observer visually recognize an accurate stereoscopic image.
  • complicated processing such as correcting the stereoscopic image in accordance with the position of the observer's eyes in order to make the observer visually recognize an accurate stereoscopic image.
  • the center line of each diffused light may be a straight line passing through the peak position of the light intensity distribution in a cross section orthogonal to the traveling direction of the diffused light.
  • the highest light intensity portion of the diffused light is guided to the first viewing zone.
  • the observer can visually recognize an accurate stereoscopic image more clearly in a state where the eyes are in the first viewing zone.
  • the light beam controller extends in the circumferential direction of the light beam controller, and has a plurality of protrusions formed so as to be aligned in the ridge line direction of the light beam controller.
  • the plurality of protrusions may be provided in at least one of the plurality of light beams, and may generate a plurality of diffused lights while transmitting a plurality of light beams applied to a plurality of portions on the intersection line.
  • a plurality of diffused light having a center line passing through the first viewing zone is generated by the plurality of protrusions of the light beam controller.
  • the light beam controller includes a plurality of diffusion transmission members formed so as to extend in the circumferential direction of the light beam controller and to be aligned in the ridge line direction of the light beam controller. And having a light-shielding means on the outer peripheral surface or inner peripheral surface of the cone shape or the columnar shape, and the plurality of diffuse transmission members transmit a plurality of light beams applied to a plurality of portions on the intersection line in a virtual plane.
  • the light-shielding means may be configured to generate a plurality of diffused lights by shielding a part of the light transmitted through the plurality of diffuse-transmissive members.
  • a plurality of diffused light having a center line passing through the first viewing zone is generated by the plurality of diffusing and transmitting members and the light shielding means of the light beam controller.
  • the light shielding means is a part of the light transmitted through the diffusing and transmitting member so that the center lines of the plurality of diffused lights transmitted through the plurality of parts pass through the intersection of the virtual plane and the first viewing area.
  • a part of the light transmitted through the diffusive transmitting member so that the center line of the plurality of diffused lights transmitted through the plurality of portions passes through the intersection of the virtual plane and the second viewing zone. It may be configured to be switchable to a second light shielding state that shields light.
  • an accurate stereoscopic image can be viewed by an observer whose eyes are in the first viewing zone.
  • an accurate stereoscopic image can be visually recognized by an observer whose eyes are in the second viewing zone.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a stereoscopic display according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the stereoscopic display of FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view of a light beam controller used in the stereoscopic display of FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a display example of a stereoscopic image by a stereoscopic display using a conventional light controller.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining a display example of a stereoscopic image by a stereoscopic display using the light beam controller according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is an enlarged sectional view of a part of an example of the light beam controller.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a stereoscopic display according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the stereoscopic display of FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view of
  • FIG. 7 is an enlarged sectional view of a part of another example of the light beam controller.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of a part of still another example of the light beam controller.
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of a part of an example of a light control element used in the stereoscopic display according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the usage state of the light beam controller of FIG.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a usage state of the light controller of FIG.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of use of a stereoscopic display in which a plurality of viewing zones are defined.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view for explaining an example of use of a stereoscopic display in which a plurality of viewing zones are defined.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a stereoscopic display according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the stereoscopic display of FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view of a light beam controller used in the stereoscopic display of FIGS. 1 and 2.
  • the three-dimensional display 100 includes a light beam controller 1, a plurality of light beam generators 2, a control device 3, and a storage device 4.
  • the three-dimensional display 100 is provided on the table 5.
  • the table 5 includes a circular top plate 51 and a plurality of legs 52.
  • the top plate 51 is formed with a circular hole at the center thereof.
  • the light beam controller 1 has a conical shape that is rotationally symmetric about the axis Z.
  • the bottom of the light beam controller 1 is open.
  • the light beam controller 1 basically transmits an incident light beam while diffusing in an arbitrary virtual plane including the axis Z, and in a circumferential direction R (a direction perpendicular to the virtual plane) centering on the axis Z. It is formed so as to pass straight through without diffusing. Details of the light beam controller 1 will be described later.
  • the light beam controller 1 is fitted into the circular hole portion of the top plate 51 so that the bottom opening faces upward.
  • An observer 10 around the table 5 can observe the inner peripheral surface of the light beam controller 1 from obliquely above the top plate 51 of the table 5.
  • a plurality of light generators 2 are arranged on a circumference around the axis Z of the light controller 1.
  • the plurality of light generators 2 are provided so as to irradiate the outer peripheral surface of the light controller 1 from obliquely below the light controller 1.
  • Each light generator 2 emits a light beam and can deflect the light beam in a horizontal plane and a vertical plane. Thereby, each light generator 2 can scan the outer peripheral surface of the light controller 1 with a light beam.
  • the light beam refers to light represented by a straight line that does not diffuse.
  • diffused light light that diffuses in an arbitrary virtual plane including an axis Z that is generated when a light beam passes through the light beam controller 1 is referred to as diffused light.
  • the storage device 4 stores stereoscopic shape data for presenting the stereoscopic image 300.
  • the control device 3 is composed of a personal computer, for example. The control device 3 controls the plurality of light generators 2 based on the solid shape data stored in the storage device 4. Thereby, the stereoscopic image 300 is presented above the light controller 1.
  • an area where the eyes of the observer 10 should be located is defined in advance as a viewing area 500.
  • the viewing zone 500 has a specific positional relationship with the light controller 1 and the plurality of light generators 2. As shown in FIGS. 1 and 2, the viewing zone 500 of this example is defined in a circular shape so as to surround the light beam controller 1 at a position above the top plate 51.
  • the observer 10 can visually recognize the accurate stereoscopic image 300 by directing his / her line of sight toward the light controller 1 in a state where the eye is on the viewing zone 500.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a display example of a stereoscopic image 300 by a stereoscopic display using a conventional light beam controller.
  • the three-dimensional display of FIG. 4 has the same configuration as the three-dimensional display 100 of FIG. 1 except that a conventional light controller 9 is provided instead of the light controller 1 of FIG.
  • the light controller 9 has basically the same external shape as the light controller 1 of FIG.
  • the cross-sectional view of FIG. 4 represents a cross section on an imaginary plane including the axis Z passing through the center of the light beam controller 9.
  • the light beam is applied to the outer peripheral surface of the light beam controller 9 from the light beam generator 2, so that the light beam is transmitted while being diffused in the virtual plane.
  • diffused light that spreads at a constant angle ⁇ in the virtual plane is generated from the light beam controller 9.
  • the center line of the diffused light generated extends on the extension of the light beam for generating the diffused light.
  • the light beam L01 incident on the portion P1 of the light beam controller 9 and the diffused light L11 generated when the light beam L01 passes through the portion P1 are indicated by a one-dot chain line.
  • the center line C01 of the diffused light L11 is indicated by a thick alternate long and short dash line.
  • a light beam L02 incident on the portion P2 of the light beam controller 9 and a diffused light L12 generated by the light beam L02 passing through the portion P2 are indicated by dotted lines.
  • the center line C02 of the diffused light L12 is indicated by a thick dotted line.
  • the range in which the diffused lights L11 and L12 spread is indicated by two types of dot patterns having different densities.
  • the two portions P1 and P2 are at different positions in the ridge line direction T of the light beam controller 9.
  • One pixel constituting the stereoscopic image 300 is presented to the observer 10 by the diffused light L11.
  • Other pixels constituting the stereoscopic image 300 are presented to the observer 10 by the diffused light L12.
  • the observer 10 visually recognizes a pixel displayed based on the light beam L01 as the eye I0 approaches the center line C01 of the diffused light L11, and the light beam as the eye I0 moves away from the center line C01 of the diffused light L11.
  • the pixel displayed based on L01 is visually perceived unclearly.
  • the observer 10 cannot visually recognize the pixel displayed based on the light ray L01.
  • the observer 10 visually recognizes a pixel displayed based on the light ray L02 as the eye I0 approaches the center line C02 of the diffused light L12, and the light ray L02 as the eye I0 moves away from the center line C02 of the diffused light L12.
  • the pixels displayed based on the above are visually indistinct.
  • the observer 10 cannot visually recognize the pixel displayed based on the light ray L02.
  • the diffused lights L11 and L12 generated from the light beams L01 and L02 need to enter the eye I0 of the observer 10. There is.
  • the viewing zone 500 exists in the overlapping region of the two diffused lights L11 and L12.
  • the distance between the center lines C01 and C02 of the plurality of diffused lights L11 and L12 generated by the light controller 9 increases as the distance from the light controller 1 increases.
  • region which can visually recognize the stereo image 300 displayed based on the several light ray irradiated to the light controller 9 becomes very wide.
  • the observer 10 visually recognizes the stereoscopic image 300 in a state in which the pixels displayed based on the diffused light L12 and the vicinity thereof are distorted.
  • the observer 10 visually recognizes the stereoscopic image 300 in a state in which the pixels displayed based on the diffused light L11 and the vicinity thereof are distorted.
  • the entire stereoscopic image 300 cannot be visually recognized uniformly and clearly.
  • FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view for explaining a display example of a stereoscopic image 300 by the stereoscopic display 100 according to the first embodiment of the present invention made in view of such problems.
  • the sectional view of FIG. 5 represents a section on an imaginary plane including the axis Z passing through the center of the light beam controller 1.
  • a light beam L21 incident on the portion P11 of the light beam controller 1 and a diffused light L31 generated when the light beam L21 passes through the portion P11 are indicated by a one-dot chain line. Further, the center line C11 of the diffused light L31 is indicated by a thick alternate long and short dash line. Further, the light beam L22 incident on the portion P12 of the light beam controller 1 and the diffused light L32 generated when the light beam L22 passes through the portion P12 are indicated by dotted lines. Further, the center line C12 of the diffused light L32 is indicated by a thick dotted line.
  • the light beam L23 incident on the portion P13 of the light beam controller 1 and the diffused light L33 generated when the light beam L23 passes through the portion P13 are indicated by solid lines. Further, the center line C13 of the diffused light L33 is indicated by a thick solid line. Furthermore, the range in which the diffused lights L31, L32, and L33 are spread is indicated by three types of dot patterns having different densities. The three portions P11, P12, and P13 are at different positions in the ridge line direction T of the light beam controller 1.
  • One pixel constituting the stereoscopic image 300 is presented to the observer 10 by the diffused light L31.
  • Other pixels constituting the stereoscopic image 300 are presented to the observer 10 by the diffused light L32.
  • Still other pixels constituting the stereoscopic image 300 are presented to the observer 10 by the diffused light L33.
  • the light beam controller 1 includes a plurality of light beams L21, L22, and L23 irradiated to a plurality of portions P11, P12, and P13 while diffusing in a virtual plane. It is formed so as to pass through the portions P11, P12, and P13. Further, the light beam controller 1 is formed such that the center lines C11, C12, C13 of the plurality of diffused lights L31, L32, L33 transmitted through the plurality of portions P11, P12, P13 pass through the viewing zone 500.
  • the diffusion angles ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 of the diffused light L31, L32, and L33 are prevented so that the spread range of the diffused light L31, L32, and L33 does not become excessively large in the viewing area 500 and the vicinity thereof. Is set.
  • the diffusion angles ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 may be set to common angles or may be set to different angles.
  • the diffusion angles ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 are all diffused light at the position of the viewing area 500.
  • the widths L31, L32, and L33 are set to be equal to each other. If there is no significant difference in distance from the plurality of portions P11, P12, P13 of the light controller 1 to the viewing zone 500, the diffusion angles ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3 may be set to the same size.
  • the center lines C11, C12, and C13 of the plurality of diffused lights L31, L32, and L33 that pass through the light beam controller 1 in the virtual plane pass through the viewing zone 500.
  • the centers of the plurality of diffused lights L31, L32, and L33 are intensively incident on the eye 10 of the observer 10 in the viewing zone 500.
  • all of the plurality of diffused lights L31, L32, and L33 are incident on the eye 10 of the observer 10 and the plurality of diffused lights L31. , L32, and L33 do not enter the eye 10 of the observer 10 only.
  • the observer 10 can view the accurate stereoscopic image 300 uniformly and clearly in a state where the eye I0 is in the viewing zone 500.
  • the observer 10 does not visually recognize the incomplete stereoscopic image 300 in which a part is missing even when the eye I0 is slightly out of the viewing area 500.
  • the observer 10 cannot visually recognize the stereoscopic image 300 at all.
  • the observer 10 naturally moves to a position where the complete stereoscopic image 300 can be viewed. Therefore, in order to present the accurate stereoscopic image 300 to the observer 10, it is not necessary to perform complicated processing such as correcting the stereoscopic image 300 according to the position of the eye 10 of the observer 10. As a result, it is possible to make the observer 10 visually recognize the accurate stereoscopic image 300 while suppressing an increase in cost.
  • the radius d1 of the bottom of the light controller 1 is 10 cm
  • the horizontal distance d2 from the axis Z of the light controller 1 to the viewing area 500 is 50 cm
  • the vertical distance d3 to the center of the area 500 is 35 cm.
  • the observer 10 can visually recognize the stereoscopic image 300 within a range of 10 cm in the ridge line direction T of the light controller 1 with the viewing area 500 as the center.
  • the light beam controller 1 is designed such that the center lines C11, C12, C13 of the diffused light transmitted through each part in the ridge line direction T are inclined at an angle of about 30 degrees to about 41 degrees with respect to the horizontal plane. Further, the light controller 1 has the diffusion angles ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 of the diffused light L31, L32, and L33 transmitted through the portions P11, P12, and P13 in the ridge line direction T of the light controller 1 to be about 10 degrees. Designed to.
  • FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a part of an example of the light beam controller 1.
  • the light controller 1 shown in FIG. 6 has a transparent conical light controller main body 11.
  • a plurality of annular lenses 12 extending in the circumferential direction R are provided on the inner peripheral surface of the light controller main body 11 so as to be closely arranged in the ridge line direction T of the light controller 1.
  • Each annular lens 12 has a kamaboko-shaped vertical cross section and is formed in a ridge shape.
  • the annular lens 12 may have a semicircular cross section.
  • the plurality of annular lenses 12 have a function of diffusing light rays in a virtual plane including the axis Z (see FIG. 5) of the light ray controller 1.
  • the diffusion angle of light diffused by the annular lens 12 is adjusted to a set angle. Can do. For example, by increasing the height of the annular lens 12, the light diffusion angle can be reduced. On the other hand, by reducing the height of the annular lens 12, the light diffusion angle can be increased. In this example, the plurality of annular lenses 12 have the same height. Therefore, the diffusion angle of the light diffused in each part in the ridge line direction T is the same.
  • a plurality of annular prisms 13 extending in the circumferential direction R are provided on the outer peripheral surface of the light beam controller main body 11 so as to be closely arranged in the ridge line direction T of the light beam controller 1.
  • Each annular prism 13 has a right triangular cross section and is formed in a ridge shape.
  • the cross-sectional shape of the annular prism 13 may be a triangle other than a right triangle or a polygon other than a triangle.
  • the plurality of annular prisms 13 have a function of adjusting the traveling direction of light transmitted through the light beam controller 1.
  • the traveling direction of light changed by the annular prism 13 can be adjusted to a set direction.
  • the inclination angles of the hypotenuses in the vertical cross section of the plurality of annular prisms 13 are different from each other. Accordingly, when a plurality of light beams are incident on a plurality of portions in the ridge line direction T from the same direction, the traveling directions of the plurality of light beams transmitted through the plurality of portions are different from each other.
  • the light controller 1 can be manufactured by applying a cutting blade while rotating a transparent material made of a transparent resin having a certain refractive index, such as acrylic or polycarbonate.
  • the light controller 1 can be manufactured by producing a mold having a shape corresponding to the light controller 1 and filling the mold with a transparent resin such as acrylic or polycarbonate.
  • the light control element 1 can also be produced by a three-dimensional modeling method using an ultraviolet curable resin.
  • the light control element 1 can be produced by etching the surface of a transparent material having a truncated cone shape.
  • the light controller 1 can be manufactured by laser processing or electric discharge processing of the surface of the transparent material having a truncated cone shape.
  • the light control element 1 can be produced by applying an ultraviolet curable resin to the surface of a transparent material having a truncated cone shape and irradiating ultraviolet rays for each annular region having a constant width extending in the circumferential direction.
  • a plurality of annular lenses 12 are formed on the inner peripheral surface of the light controller main body 11 and a plurality of annular prisms 13 are formed on the outer peripheral surface of the light controller main body 11.
  • 12 may be formed on the outer peripheral surface of the light controller main body 11, and a plurality of annular prisms 13 may be formed on the inner peripheral surface of the light controller main body 11.
  • the plurality of annular lenses 12 and the plurality of annular prisms 13 may be integrally formed on the inner peripheral surface or the outer peripheral surface of the light controller main body 11.
  • a sheet-like optical member (such as a holographic optical element) capable of realizing the functions of the plurality of annular lenses 12 and the plurality of annular prisms 13 may be provided on the inner peripheral surface or the outer peripheral surface of the light controller main body 11.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a part of another example of the light beam controller 1.
  • the light controller 1 in FIG. 7 is the same as the light controller 1 in FIG. 6 except that the height (thickness) of the plurality of annular lenses 12 provided on the inner peripheral surface of the light controller main body 11 is different from each other. It has a configuration.
  • the light beam is diffused at a diffusion angle corresponding to the height of the annular lens 12 at the irradiation position in a virtual plane including the axis Z.
  • the light is transmitted in a straight line without being diffused and guided into the viewing zone 500.
  • FIG. 8 is an enlarged sectional view of a part of still another example of the light beam controller 1.
  • a plurality of annular lenses 12 are provided on the inner peripheral surface of the light beam controller body 11 so as to be closely arranged in the ridge line direction T.
  • a mask 14 having a plurality of annular slits 14 s spaced apart from the plurality of annular lenses 12 by a predetermined distance is provided inside the light beam controller main body 11.
  • the plurality of annular slits 14s are formed so as to correspond to the plurality of annular lenses 12, respectively.
  • the mask 14 in FIG. 8 selectively blocks part of the diffused light that is transmitted from the plurality of annular lenses 12 while diffusing.
  • each of the plurality of annular slits 14 s functions as, for example, a pinhole in a virtual plane including the axis Z of the light beam controller 1.
  • the light passing through the plurality of annular slits 14s is diffused at an angle corresponding to the size of the annular slit 14s in the virtual plane.
  • the traveling direction and the diffusion angle of the diffused light transmitted through the light beam controller 1 can be adjusted.
  • the light beam when a light beam is irradiated on the outer peripheral surface of the light beam controller 1 in FIG. 8, the light beam has a diffusion angle corresponding to the size of the ridge line direction T of the annular slit 14 s in the virtual plane including the axis Z.
  • the light In the circumferential direction R, the light is diffused and transmitted in a straight line without being diffused and guided into the viewing zone 500.
  • the observer 10 can visually recognize the accurate stereoscopic image 300 uniformly and clearly in a state where the eye I0 is in the viewing zone 500. In addition, the observer 10 does not visually recognize the incomplete stereoscopic image 300 in which a part of the eye I0 is removed from the viewing area 500. As a result, it is possible to make the observer 10 visually recognize the accurate stereoscopic image 300 while suppressing an increase in cost.
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of a part of an example of the light controller 1 used in the stereoscopic display 100 according to the second embodiment.
  • a plurality of annular lenses 12 are provided on the inner peripheral surface of the light controller main body 11 so as to be closely arranged in the ridge line direction T.
  • a transmissive display panel 15 is provided inside the light beam controller main body 11 with a plurality of annular lenses 12 spaced apart from each other.
  • the display panel 15 for example, a liquid crystal display panel or an organic EL (electroluminescence) panel can be used.
  • the display panel 15 includes a plurality of pixels Pi arranged in the ridge line direction T of the light beam controller 1.
  • the display panel 15 is electrically connected to the control device 3 and controlled by the control device 3.
  • Each pixel Pi can be switched between a light blocking state in which light is not transmitted and a light transmitting state in which light is transmitted by changing the gradation.
  • the state of the plurality of pixels Pi is selectively switched while the light beam is irradiated on the outer peripheral surface of the light beam controller 1.
  • the same function as the mask 14 of FIG. 8 is realized by combining the pixel Pi in the light shielding state and the pixel Pi in the transmission state.
  • the light shielding portion of the mask 14 in FIG. 8 can be formed by making a plurality of pixels Pi aligned in the circumferential direction R within a range in the ridge line direction T into a light shielding state.
  • the annular slit 14 s of the mask 14 in FIG. 8 can be formed.
  • FIGS. 10 and 11 are diagrams showing an example of the usage state of the light beam controller 1 of FIG. As shown in FIGS. 10 and 11, in the light beam controller 1, the traveling direction and diffusion of the diffused light transmitted through the light beam controller 1 are controlled by individually controlling the states of the plurality of pixels Pi of the display panel 15. The angle can be easily switched.
  • a plurality of different viewing zones can be defined. 10 and 11, the center line of the diffused light that passes through the light beam controller 1 is indicated by a dashed-dotted arrow.
  • FIG. 12 and 13 are schematic cross-sectional views for explaining an example of use of the stereoscopic display 100 in which a plurality of viewing zones are defined.
  • the three-dimensional display 100 of this example includes the light beam controller 1 of FIG.
  • two annular viewing zones 501 and 502 are defined so as to surround the light beam controller 1 at a position above the top plate 51. 12 and 13, only a part of the configuration of the stereoscopic display 100 is shown.
  • the center lines of the plurality of diffused lights that pass through the plurality of portions in the ridge line direction T of the light controller 1 are
  • the display panel 15 of FIG. 9 is controlled so as to be guided to the viewing zone 501 (FIG. 12). In this case, one observer 10 whose eye I0 is in the viewing zone 501 can visually recognize the accurate stereoscopic image 300.
  • the center lines of the plurality of diffused lights that pass through the plurality of portions in the ridge line direction T of the light beam controller 1 are guided to the other viewing zone 502 in the virtual plane.
  • the display panel 15 of FIG. 9 is controlled (FIG. 13).
  • the other observers 10 whose eyes I0 are in the viewing area 502 can visually recognize the accurate stereoscopic image 300.
  • the display panel 15 of the light beam controller 1 in FIG. 9 is controlled in a time division manner so that the above processing is repeated. Thereby, it is possible to present accurate stereoscopic images 300 in the plurality of viewing zones 501 and 502 using one stereoscopic display 100, respectively.
  • one viewing area 501 is set at a position (a lower position) closer to the top plate 51 than the other viewing area 502.
  • a stereoscopic image 300 accurate for children and adults with different heights is provided. Can be viewed substantially simultaneously.
  • a plurality of different postures can be obtained. It is possible for the observer 10 to visually recognize the accurate stereoscopic image 300 substantially simultaneously.
  • another display panel 15 may be provided inside the display panel 15.
  • the traveling direction and the diffusion angle of the diffused light transmitted through the light beam controller 1 can be finely adjusted.
  • the light beam controller 1 has a conical shape, but the present invention is not limited to this.
  • the light beam controller 1 may have a truncated cone shape or a cylindrical shape.
  • the viewing zone 500 is defined in a circular shape so as to surround the light controller 1 when viewed in the direction of the central axis of the light controller 1 as in the above embodiment.
  • the plurality of light generators 2 used in the stereoscopic display 100 are fixed on the circumference below the table 5 around the axis Z of the light controller 1.
  • the present invention is not limited to this.
  • a rotation mechanism that rotates the plurality of light generators 2 at a constant cycle about the axis Z as a central axis may be provided at a position below the table 5.
  • each light generator 2 can scan a light beam at a plurality of portions in the circumferential direction R of the light controller 1. Therefore, the control device 3 controls each light generator 2 in a time-sharing manner according to the rotational speed of the plurality of light generators 2 rotated by the rotation mechanism, so that a three-dimensional shape is formed in the space above the light controller 1.
  • a stereoscopic image 300 based on the data is displayed.
  • each light generator 2 irradiates the light beam to the outer peripheral surface of the light controller 1 while rotating, even when the number of the light generators 2 is small, there is no continuous portion in the circumferential direction R. 3D image 300 is presented.
  • the stereoscopic image 300 is an example of a stereoscopic image
  • the stereoscopic display 100 is an example of a stereoscopic display
  • the light controller 1 is an example of a light controller
  • the plurality of light generators 2 are light beams. It is an example of a generator
  • the control device 3 and the storage device 4 are examples of control means.
  • the viewing zones 500 and 501 are examples of the first viewing zone
  • the portions P11, P12, and P13 of the light controller 1 are examples of a plurality of portions on the light rays of the virtual plane and the light controller.
  • L21, L22, and L23 are examples of a plurality of light beams
  • diffused lights L31, L32, and L33 are examples of a plurality of diffused lights
  • center lines C11, C12, and C13 are examples of center lines of a plurality of diffused lights. .
  • the plurality of annular lenses 12 and the plurality of annular prisms 13 are examples of a plurality of protrusions
  • the plurality of annular lenses 12 are examples of a plurality of diffusing transmission members
  • the mask 14 and the display panel 15 are light shielding means. It is an example
  • the viewing zone 502 is an example of the second viewing zone.
  • the state of the display panel 15 in FIG. 9 when the diffused light from the light controller 1 in FIG. 12 is guided to the viewing zone 501 is an example of the first light shielding state.
  • the state of the display panel 15 in FIG. 9 when the diffused light is guided to the viewing area 502 is an example of the second light shielding state.
  • the present invention can be effectively used for various 3D displays for displaying 3D images.

Abstract

観察者（１００）が立体画像を観察する際に観察者の眼の位置すべき領域が視域（５００）として予め定義され、当該視域はテーブルの天板（５１）よりも上方の位置で光線制御子（１）を取り囲むように円状に定義され、前記光線制御子の外周面に天板の下方に配置された光線発生器（２）から複数の光線（Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３）からなる光線群が照射され、前記光線制御子は、稜線方向において互いに異なる複数の部分（Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３）に照射された前記複数の光線がそれぞれ仮想面内で拡散しつつ前記複数の部分を透過し、かつ透過した複数の拡散光（Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３）の中心線（Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３）が視域（５００）を通るように形成されている、立体ディスプレイ。

Description

立体ディスプレイ
　本発明は、立体画像を観察可能な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、稜線方向において拡散して透過させかつ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。
　観察者が光線制御子の周囲の予め定義された領域（視域）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装置により制御される。
特開２０１１－４８２７３号公報
　光線制御子に照射される光線が稜線方向に拡散されつつ光線制御子を透過する場合、立体画像を視認可能な領域が広くなる。したがって、上記の立体ディスプレイによれば、観察者の眼が視域から外れた位置にある場合でも、その観察者は立体画像の少なくとも一部を視認することが可能である。
　しかしながら、上記の立体ディスプレイにおいては、立体画像は観察者の眼が視域にあることを想定して提示される。そのため、観察者の眼が視域から外れていると、観察者は、正確な透視投影に基づく立体画像を視認することができない。すなわち、観察者は、本来的に視覚されるべき立体画像から歪んだ立体画像を視認することになる。また、観察者の眼が視域から外れた位置にある状態では、観察者により立体画像の一部が視認されない場合がある。これらの場合、立体画像によっては、観察者は立体画像を正確に視認していないことを認識することができない。
　特許文献１には、カメラにより観察者の眼の位置を追跡し、眼の位置で正確な立体画像が視認されるように制御装置により光線群を補正することが記載されている。この場合、制御装置における処理が煩雑化する。そのため、制御装置に高い処理能力が求められ、立体ディスプレイが高価になる。
　また、上記の方法では、カメラによる撮像処理、取得される画像データをカメラから制御装置に転送する処理、画像データから眼の位置を検出する処理、および眼の位置に基づいて光線群を補正する処理が全て行われた後、立体画像が提示される。そのため、撮像処理から立体画像が提示されるまでの一連の処理にかかる時間が長いと、観察者は、一連の処理が行われている間（例えば、２または３フレーム分の表示期間）不完全な立体画像を視認することになる。たとえ高い処理能力を有する制御装置を用いても、上記の一連の処理にかかる時間の短縮化には限界がある。
　本発明の目的は、高コスト化を抑制しつつ、正確な立体画像を観察者に視認させることが可能な立体ディスプレイを提供することである。
　（１）本発明の一局面に従う立体ディスプレイは、立体形状データに基づいて立体画像を提示するための立体ディスプレイであって、錐体形状または柱体形状を有するとともに錐体形状または柱体形状の底部が基準面上に開口するように配置される光線制御子と、基準面の下方でか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ように配置された光線発生器と、立体形状データに基づいて、光線発生器により発生される光線群により立体画像が提示されるように光線発生器を制御する制御手段とを備え、基準面よりも上方かつ光線制御子よりも外方の位置で光線制御子の中心軸の周囲を取り囲むように円状の第１の視域が予め定義され、光線制御子は、中心軸を含む任意の仮想面と光線制御子との交線上における異なる複数の部分に照射された複数の光線が仮想面内でそれぞれ拡散しつつ複数の部分を透過しかつ透過した複数の拡散光の中心線が仮想面と第１の視域との交点を通るように形成される。
　その立体ディスプレイにおいては、制御手段が立体形状データに基づいて光線発生器を制御する。光線発生器が、制御手段の制御に基づいて基準面の下方でかつ光線制御子の外側から光線制御子の外周面に光線群を照射する。それにより、予め定義された第１の視域から視認可能な立体画像が提示される。
　この場合、任意の仮想面と光線制御子との交線上で複数の部分を透過した複数の拡散光の中心線が仮想面と第１の視域との交点を通る。それにより、第１の視域上の観察者の眼に複数の拡散光の中心が集中的に入射する。また、観察者の眼が第１の視域からわずかに外れた位置にある場合に、上記の複数の拡散光の全てが観察者の眼に入射し、複数の拡散光の一部のみが観察者の眼に入射することはない。
　したがって、観察者は、眼が第１の視域にある状態で正確な立体画像を鮮明に視認することができる。また、観察者は、眼が第１の視域から外れた状態で不完全な立体画像を視認することがない。この場合、観察者に正確な立体画像を視認させるために、観察者の眼の位置に応じて立体画像を補正するような煩雑な処理を行う必要がない。その結果、高コスト化を抑制しつつ、正確な立体画像を観察者に視認させることが可能になる。
　（２）各拡散光の中心線は、当該拡散光の進行方向に直交する断面における光強度分布のピーク位置を通る直線であってもよい。
　この場合、拡散光のうち最も光強度の高い部分が第１の視域に導かれる。それにより、観察者は、眼が第１の視域にある状態で正確な立体画像をより鮮明に視認することができる。
　（３）光線制御子は、光線制御子の周方向に延びるとともに光線制御子の稜線方向に並ぶように形成された複数の突条部を錐体形状または柱体形状の外周面および内周面のうちの少なくとも一方に有し、複数の突条部は、交線上の複数の部分に照射された複数の光線を透過させつつ複数の拡散光をそれぞれ生成してもよい。
　この場合、光線制御子の複数の突条部により、第１の視域を通る中心線を有する複数の拡散光が生成される。
　（４）光線制御子は、光線制御子の周方向に延びるとともに光線制御子の稜線方向に並ぶように形成された複数の拡散透過部材を錐体形状または柱体形状の外周面または内周面に有するとともに、遮光手段を錐体形状または柱体形状の外周面または内周面に有し、複数の拡散透過部材は、交線上の複数の部分に照射された複数の光線を仮想面内で拡散させつつ透過させるように構成され、遮光手段は、複数の拡散透過部材を透過する光の一部を遮光することにより複数の拡散光を生成するように構成されてもよい。
　この場合、光線制御子の複数の拡散透過部材および遮光手段により、第１の視域を通る中心線を有する複数の拡散光が生成される。
　（５）基準面よりも上方かつ光線制御子よりも外方の位置でありかつ第１の視域とは異なる位置に、光線制御子の中心軸の周囲を取り囲むように円状の第２の視域が予め定義され、遮光手段は、複数の部分を透過した複数の拡散光の中心線が仮想面と第１の視域との交点を通るように拡散透過部材を透過する光の一部を遮光する第１の遮光状態と、複数の部分を透過した複数の拡散光の中心線が仮想面と第２の視域との交点を通るように拡散透過部材を透過する光の一部を遮光する第２の遮光状態とに切替可能に構成されてもよい。
　この場合、遮光手段が第１の遮光状態にあるときに、眼が第１の視域にある観察者に正確な立体画像を視認させることができる。また、遮光手段が第２の遮光状態にあるときに、眼が第２の視域にある観察者に正確な立体画像を視認させることができる。
　本発明によれば、高コスト化を抑制しつつ、正確な立体画像を観察者に視認させることが可能になる。
図１は第１の実施の形態に係る立体ディスプレイの模式的断面図である。 図２は図１の立体ディスプレイの模式的平面図である。 図３は図１および図２の立体ディスプレイに用いられる光線制御子の斜視図である。 図４は従来の光線制御子を用いた立体ディスプレイによる立体画像の表示例を説明するための模式的断面図である。 図５は第１の実施の形態に係る光線制御子を用いた立体ディスプレイによる立体画像の表示例を説明するための模式的断面図である。 図６は光線制御子の一例の一部の拡大断面図である。 図７は光線制御子の他の例の一部の拡大断面図である。 図８は光線制御子のさらに他の例の一部の拡大断面図である。 図９は第２の実施の形態に係る立体ディスプレイに用いられる光線制御子の一例の一部の拡大断面図である。 図１０は図９の光線制御子の使用状態の一例を示す図である。 図１１は図９の光線制御子の使用状態の一例を示す図である。 図１２は複数の視域が定義された立体ディスプレイの使用例を説明するための模式的断面図である。 図１３は複数の視域が定義された立体ディスプレイの使用例を説明するための模式的断面図である。
　［１］第１の実施の形態
　（１）立体ディスプレイの基本構成
　本発明の第１の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つつ説明する。図１は第１の実施の形態に係る立体ディスプレイの模式的断面図である。図２は図１の立体ディスプレイの模式的平面図である。図３は図１および図２の立体ディスプレイに用いられる光線制御子の斜視図である。
　立体ディスプレイ１００は、光線制御子１、複数の光線発生器２、制御装置３および記憶装置４により構成される。また、立体ディスプレイ１００は、テーブル５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には、その中心部に円形孔部が形成されている。
　図３に示すように、光線制御子１は、軸Ｚを中心として回転対称な円錐形状を有する。光線制御子１の底部は開口している。光線制御子１は、基本的に、入射した光線が軸Ｚを含む任意の仮想面内で拡散しつつ透過しかつ軸Ｚを中心とする円周方向Ｒ（仮想面に直交する方向）においては拡散せずに直進して透過するように形成されている。光線制御子１の詳細は後述する。
　図１に示すように、光線制御子１は、底部開口が上方を向くように天板５１の円形孔部に嵌め込まれる。テーブル５の周囲にいる観察者１０は、テーブル５の天板５１の斜め上方から光線制御子１の内周面を観察することができる。
　図２に示すように、テーブル５の下方には、複数の光線発生器２が光線制御子１の軸Ｚを中心とする円周上に配置されている。複数の光線発生器２は、光線制御子１の斜め下方から光線制御子１の外周面に光線を照射するように設けられる。各光線発生器２は、光線を出射するとともにその光線を水平面内および垂直面内で偏向させることができる。それにより、各光線発生器２は、光線で光線制御子１の外周面を走査することができる。ここで、光線とは、拡散しない直線で表される光をいう。また、以下の説明では、光線が光線制御子１を透過することにより生成される軸Ｚを含む任意の仮想面内で拡散する光を拡散光と呼ぶ。
　図１の記憶装置４は、例えばハードディスクおよびメモリカード等からなる。記憶装置４には、立体画像３００を提示するための立体形状データが記憶される。制御装置３は、例えばパーソナルコンピュータからなる。制御装置３は、記憶装置４に記憶される立体形状データに基づいて複数の光線発生器２を制御する。それにより、光線制御子１の上方に立体画像３００が提示される。
　立体ディスプレイ１００においては、観察者１０が立体画像３００を観察する際に観察者１０の眼の位置すべき領域が視域５００として予め定義される。視域５００は、光線制御子１および複数の光線発生器２に対して特定の位置関係を有する。図１および図２に示すように、本例の視域５００は、天板５１よりも上方の位置で光線制御子１を取り囲むように円状に定義される。観察者１０は、眼が視域５００上にある状態で視線を光線制御子１の方向に向けることにより正確な立体画像３００を視認することができる。
　（２）光線制御子
　以下の説明では、ある拡散光の進行方向に直交する断面における光強度分布のピーク位置を通る直線をその拡散光の中心線と呼ぶ。なお、拡散光を開きをもつ光線束とみなす場合、拡散光の中心線は主光線とみなすことができる。本実施の形態に係る光線制御子１を説明する前に、従来の光線制御子を用いて立体画像３００を表示する例を説明する。
　図４は、従来の光線制御子を用いた立体ディスプレイによる立体画像３００の表示例を説明するための模式的断面図である。図４の立体ディスプレイは、図１の光線制御子１に代えて従来の光線制御子９が設けられた点を除いて図１の立体ディスプレイ１００と同じ構成を有する。光線制御子９は、図３の光線制御子１と基本的に同じ外観形状を有する。図４の断面図は、光線制御子９の中心を通る軸Ｚを含む仮想面上の断面を表す。
　従来の光線制御子９においては、光線発生器２から光線制御子９の外周面に光線が照射されることにより、その光線が仮想面内で拡散されつつ透過される。それにより、光線制御子９から仮想面内で一定の角度αで広がる拡散光が生成される。このとき、生成される拡散光の中心線はその拡散光を生成するための光線の延長線上に延びる。
　図４には、光線制御子９の部分Ｐ１に入射する光線Ｌ０１と、その光線Ｌ０１が部分Ｐ１を透過することにより生成される拡散光Ｌ１１とが、一点鎖線で示される。また、拡散光Ｌ１１の中心線Ｃ０１が太い一点鎖線で示される。また、光線制御子９の部分Ｐ２に入射する光線Ｌ０２と、光線Ｌ０２が部分Ｐ２を透過することにより生成される拡散光Ｌ１２とが、点線で示される。また、拡散光Ｌ１２の中心線Ｃ０２が太い点線で示される。さらに、拡散光Ｌ１１，Ｌ１２の広がる範囲が、互いに異なる濃さの２種類のドットパターンで示される。２つの部分Ｐ１，Ｐ２は光線制御子９の稜線方向Ｔにおいて互いに異なる位置にある。拡散光Ｌ１１により立体画像３００を構成する一の画素が観察者１０に提示される。拡散光Ｌ１２により立体画像３００を構成する他の画素が観察者１０に提示される。
　この場合、観察者１０は、眼Ｉ０が拡散光Ｌ１１の中心線Ｃ０１に近づくほど光線Ｌ０１に基づいて表示される画素を鮮明に視認し、眼Ｉ０が拡散光Ｌ１１の中心線Ｃ０１から離れるほど光線Ｌ０１に基づいて表示される画素を不鮮明に視認する。眼Ｉ０が拡散光Ｌ１１の範囲から外れると、観察者１０は光線Ｌ０１に基づいて表示される画素を視認することができない。
　また、観察者１０は、眼Ｉ０が拡散光Ｌ１２の中心線Ｃ０２に近づくほど光線Ｌ０２に基づいて表示される画素を鮮明に視認し、眼Ｉ０が拡散光Ｌ１２の中心線Ｃ０２から離れるほど光線Ｌ０２に基づいて表示される画素を不鮮明に視認する。眼Ｉ０が拡散光Ｌ１２の範囲から外れると、観察者１０は光線Ｌ０２に基づいて表示される画素を視認することができない。
　観察者１０が光線Ｌ０１，Ｌ０２で表される立体画像３００の複数の画素を視認するためには、観察者１０の眼Ｉ０に光線Ｌ０１，Ｌ０２から生成される拡散光Ｌ１１，Ｌ１２が入射する必要がある。図４の例では、２つの拡散光Ｌ１１，Ｌ１２の重複領域に視域５００が存在する。
　図４に白抜き矢印Ａ１で示すように、観察者１０の眼Ｉ０が拡散光Ｌ１２の範囲から外れると、観察者１０は光線Ｌ０２に基づいて表示される画素を視認することができない。したがって、観察者１０は、一部が欠落した不完全な立体画像３００を視認することになる。
　また、上記の構成によれば、光線制御子９により生成される複数の拡散光Ｌ１１，Ｌ１２のそれぞれの中心線Ｃ０１，Ｃ０２の間隔が光線制御子１から離れるにつれて大きくなる。それにより、光線制御子９に照射される複数の光線に基づいて表示される立体画像３００を視認可能な領域が極めて広くなる。
　この場合、図４に白抜き矢印Ａ２で示すように、観察者１０の眼Ｉ０が拡散光Ｌ１１，Ｌ１２の重複領域にあっても、その眼Ｉ０が一方の拡散光Ｌ１２の中心線Ｃ０２から大きく外れていると光線Ｌ０２に基づいて表示される画素を正確かつ鮮明に視認することができない。そのため、観察者１０は、拡散光Ｌ１２に基づいて表示される画素およびその近傍の部分に歪が生じた状態の立体画像３００を視認する。
　また、図４に白抜き矢印Ａ３で示すように、観察者１０の眼Ｉ０が拡散光Ｌ１１，Ｌ１２の重複領域にあっても、観察者１０の眼Ｉ０が一方の拡散光Ｌ１１の中心線Ｃ０１から大きく外れていると光線Ｌ０１に基づいて表示される画素を正確かつ鮮明に視認することができない。そのため、観察者１０は、拡散光Ｌ１１に基づいて表示される画素およびその近傍の部分に歪が生じた状態の立体画像３００を視認する。このように、観察者１０の眼Ｉ０が白抜き矢印Ａ２，Ａ３の位置にあると、立体画像３００の全体を均一かつ鮮明に視認することができない。
　観察者１０の眼Ｉ０が白抜き矢印Ａ２，Ａ３の位置にあるような場合、観察者１０は、不完全ではあるが立体画像３００を視認している。そのため、観察者１０は、その不完全な立体画像３００を完全な立体画像３００であると誤認する可能性がある。このような問題点に鑑みてなされた本発明の第１の実施の形態の立体ディスプレイ１００による立体画像３００の表示例を説明するための模式的断面図が図５に示されている。この図５の断面図は、光線制御子１の中心を通る軸Ｚを含む仮想面上の断面を表す。
　図５には、光線制御子１の部分Ｐ１１に入射する光線Ｌ２１と、その光線Ｌ２１が部分Ｐ１１を透過することにより生成される拡散光Ｌ３１とが、一点鎖線で示される。また、拡散光Ｌ３１の中心線Ｃ１１が太い一点鎖線で示される。さらに、光線制御子１の部分Ｐ１２に入射する光線Ｌ２２および光線Ｌ２２が部分Ｐ１２を透過することにより生成される拡散光Ｌ３２が点線で示される。また、拡散光Ｌ３２の中心線Ｃ１２が太い点線で示される。さらに、光線制御子１の部分Ｐ１３に入射する光線Ｌ２３および光線Ｌ２３が部分Ｐ１３を透過することにより生成される拡散光Ｌ３３が実線で示される。また、拡散光Ｌ３３の中心線Ｃ１３が太い実線で示される。さらに、拡散光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３の広がる範囲が、互いに異なる濃さの３種類のドットパターンで示される。３つの部分Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３は光線制御子１の稜線方向Ｔにおいて互いに異なる位置にある。
　拡散光Ｌ３１により立体画像３００を構成する一の画素が観察者１０に提示される。拡散光Ｌ３２により立体画像３００を構成する他の画素が観察者１０に提示される。拡散光Ｌ３３により立体画像３００を構成するさらに他の画素が観察者１０に提示される。
　図５に示すように、本実施の形態に係る光線制御子１は、複数の部分Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３に照射された複数の光線Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３がそれぞれ仮想面内で拡散しつつ複数の部分Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３を透過するように形成されている。また、光線制御子１は、複数の部分Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３を透過した複数の拡散光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３の中心線Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３がともに視域５００を通るように形成されている。
　さらに、光線制御子１においては、視域５００およびその近傍の領域で拡散光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３の広がる範囲が過剰に大きくならないように拡散光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３の拡散角度α１，α２，α３が設定される。拡散角度α１，α２，α３は、共通の角度に設定されてもよいし、互いに異なる角度に設定されてもよい。
　拡散角度α１，α２，α３は、例えば仮想面内で光線制御子１の複数の部分Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３から視域５００までの距離が互いに異なる場合に、視域５００の位置で全ての拡散光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３の幅（進行方向に直交する方向の幅）が互いに等しくなるように設定される。光線制御子１の複数の部分Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３から視域５００までの距離に大きな差が生じない場合、拡散角度α１，α２，α３は同じ大きさに設定されてもよい。
　上記の光線制御子１によれば、仮想面内で光線制御子１を透過する複数の拡散光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３の中心線Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３が視域５００を通る。それにより、視域５００上の観察者１０の眼Ｉ０に複数の拡散光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３の中心が集中的に入射する。また、観察者１０の眼Ｉ０が視域５００からわずかに外れた位置にある場合に、複数の拡散光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３の全てが観察者１０の眼Ｉ０に入射し、複数の拡散光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３の一部のみが観察者１０の眼Ｉ０に入射することはない。
　さらに、観察者１０の眼Ｉ０が仮想面内でかつ視域５００または視域５００からわずかに外れた位置にある場合に、視域５００上の観察者１０の眼Ｉ０に入射する複数の拡散光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３の光強度がほぼ均一になる。
　したがって、観察者１０は、眼Ｉ０が視域５００にある状態で正確な立体画像３００を均一かつ鮮明に視認することができる。また、観察者１０は、眼Ｉ０が視域５００からわずかに外れた状態であっても一部が欠落した不完全な立体画像３００を視認することがない。観察者１０の眼Ｉ０が視域５００からさらに大きく外れると、その観察者１０は、立体画像３００を一切視認することができない。この場合、観察者１０は、完全な立体画像３００を視認できる位置へ自然に移動する。したがって、観察者１０に正確な立体画像３００を提示するために、観察者１０の眼Ｉ０の位置に応じて立体画像３００を補正するような煩雑な処理を行う必要がない。その結果、高コスト化を抑制しつつ、正確な立体画像３００を観察者１０に視認させることが可能になる。
　上記の構成において、例えば光線制御子１の底部の半径ｄ１が１０ｃｍであり、光線制御子１の軸Ｚから視域５００までの水平方向の距離ｄ２が５０ｃｍであり、天板５１の上面から視域５００の中心までの鉛直方向の距離ｄ３が３５ｃｍである場合を想定する。また、視域５００を中心として光線制御子１の稜線方向Ｔに１０ｃｍの範囲内で観察者１０が立体画像３００を視認可能とする場合を想定する。
　この場合、光線制御子１は、稜線方向Ｔの各部を透過する拡散光の中心線Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３が水平面に対して約３０度～約４１度の角度で傾斜するように設計される。また、光線制御子１は、その光線制御子１の稜線方向Ｔの各部分Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３を透過する拡散光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３の拡散角度α１，α２，α３が約１０度となるように設計される。
　図６は、光線制御子１の一例の一部の拡大断面図である。図６の光線制御子１は、透明な円錐形状の光線制御子本体１１を有する。光線制御子本体１１の内周面上に円周方向Ｒに延びる複数の環状レンズ１２が光線制御子１の稜線方向Ｔに密に並ぶように設けられている。各環状レンズ１２は、かまぼこ形の垂直断面を有し、突条状に形成される。なお、環状レンズ１２が半円形の断面を有してもよい。複数の環状レンズ１２は、光線制御子１の軸Ｚ（図５参照）を含む仮想面内で光線を拡散させる機能を有する。
　光線制御子本体１１の内周面を基準とする各環状レンズ１２の高さ（厚み）を調整することにより、当該環状レンズ１２により拡散される光の拡散角度を設定された角度に調整することができる。例えば、環状レンズ１２の高さを大きくすることにより、光の拡散角度を小さくすることができる。一方、環状レンズ１２の高さを小さくすることにより、光の拡散角度を大きくすることができる。本例では、複数の環状レンズ１２の高さが同じである。したがって、稜線方向Ｔの各部分で拡散される光の拡散角度は同じである。
　光線制御子本体１１の外周面上に円周方向Ｒに延びる複数の環状プリズム１３が光線制御子１の稜線方向Ｔに密に並ぶように設けられている。各環状プリズム１３は、直角三角形の垂直断面を有し、突条状に形成される。なお、環状プリズム１３の断面形状は、直角三角形以外の三角形でもよいし、三角形以外の多角形であってもよい。複数の環状プリズム１３は、光線制御子１を透過する光の進行方向を調整する機能を有する。
　光線制御子本体１１の外周面から各環状プリズム１３の垂直断面における斜辺の傾斜角を調整することにより、当該環状プリズム１３により変更される光の進行方向を設定された方向に調整することができる。本例では、複数の環状プリズム１３の垂直断面における斜辺の傾斜角が互いに異なる。したがって、稜線方向Ｔの複数の部分に同じ方向から複数の光線がそれぞれ入射したときに、複数の部分を透過する複数の光線の進行方向が互いに異なる。
　図６の光線制御子１は、アクリル、ポリカーボネート等のある屈折率を有する透明な樹脂からなる透明素材を回転させつつ切削刃を当てることにより作製することができる。また、光線制御子１に対応する形状を有する金型を作製し、金型にアクリル、ポリカーボネート等の透明な樹脂を充填することにより光線制御子１を作製することができる。さらに、紫外線硬化樹脂を用いて立体造形法により光線制御子１を作製することもできる。また、円錐台形状を有する透明素材の表面をエッチングすることにより光線制御子１を作製することができる。また、円錐台形状を有する透明素材の表面をレーザ加工または放電加工することにより光線制御子１を作製することができる。また、円錐台形状を有する透明素材の表面に紫外線硬化樹脂を塗布し、円周方向に延びる一定幅の環状領域ごとに紫外線を照射することにより光線制御子１を作製することができる。
　図６の例では、複数の環状レンズ１２が光線制御子本体１１の内周面に形成されかつ複数の環状プリズム１３が光線制御子本体１１の外周面に形成されているが、複数の環状レンズ１２が光線制御子本体１１の外周面に形成されかつ複数の環状プリズム１３が光線制御子本体１１の内周面に形成されてもよい。または、複数の環状レンズ１２および複数の環状プリズム１３が、光線制御子本体１１の内周面または外周面に一体的に形成されてもよい。あるいは、複数の環状レンズ１２および複数の環状プリズム１３の機能を実現可能なシート状の光学部材（ホログラフィック光学素子等）を光線制御子本体１１の内周面または外周面に設けてもよい。
　図６の光線制御子１の外周面に複数の光線を照射すると、複数の光線が光線制御子１を透過することにより生成される複数の拡散光は、光線制御子１の軸Ｚ（図５参照）を含む仮想面内で一定の拡散角度で拡散するとともに円周方向Ｒにおいては拡散せずに視域５００に導かれる。
　図７は光線制御子１の他の例の一部の拡大断面図である。図７の光線制御子１は、光線制御子本体１１の内周面上に設けられる複数の環状レンズ１２の高さ（厚み）が互いに異なる点を除いて、図６の光線制御子１と同じ構成を有する。
　このような構成により、図７の光線制御子１の外周面に光線を照射すると、その光線は、軸Ｚを含む仮想面内で照射位置の環状レンズ１２の高さに応じた拡散角度で拡散するとともに円周方向Ｒにおいては拡散せずに直線状に透過し、視域５００内に導かれる。
　図８は光線制御子１のさらに他の例の一部の拡大断面図である。図８の光線制御子１においては、光線制御子本体１１の内周面上に複数の環状レンズ１２が稜線方向Ｔに密に並ぶように設けられている。さらに、光線制御子本体１１の内方には、複数の環状レンズ１２と一定の間隔を隔てて複数の環状スリット１４ｓを有するマスク１４が設けられている。複数の環状スリット１４ｓは、複数の環状レンズ１２にそれぞれ対応するように形成されている。
　図８のマスク１４は、複数の環状レンズ１２から拡散しつつ透過する拡散光の一部を選択的に遮光する。この場合、光線制御子１の軸Ｚを含む仮想面内で、複数の環状スリット１４ｓの各々は例えばピンホールとして機能する。それにより、複数の環状スリット１４ｓを通過する光は、仮想面内で環状スリット１４ｓの大きさに応じた角度で拡散する。
　したがって、複数の環状スリット１４ｓの位置および設計寸法を調整することにより、光線制御子１を透過する拡散光の進行方向および拡散角度を調整することができる。
　このような構成により、図８の光線制御子１の外周面に光線を照射すると、その光線は、軸Ｚを含む仮想面内で環状スリット１４ｓの稜線方向Ｔの大きさに応じた拡散角度で拡散するとともに円周方向Ｒにおいては拡散せずに直線状に透過し、視域５００内に導かれる。
　（３）効果
　本実施の形態に係る立体ディスプレイ１００によれば、観察者１０は、眼Ｉ０が視域５００にある状態で正確な立体画像３００を均一かつ鮮明に視認することができる。また、観察者１０は、眼Ｉ０が視域５００から外れた状態で一部が欠落した不完全な立体画像３００を視認することがない。その結果、高コスト化を抑制しつつ、正確な立体画像３００を観察者１０に視認させることが可能になる。
　［２］第２の実施の形態
　第２の実施の形態に係る立体ディスプレイについて、第１の実施の形態に係る立体ディスプレイと異なる点を説明する。図９は、第２の実施の形態に係る立体ディスプレイ１００に用いられる光線制御子１の一例の一部の拡大断面図である。
　図９の光線制御子１においては、光線制御子本体１１の内周面上に複数の環状レンズ１２が稜線方向Ｔに密に並ぶように設けられている。さらに、光線制御子本体１１の内方には、複数の環状レンズ１２と一定の間隔を隔てて透過型のディスプレイパネル１５が設けられている。ディスプレイパネル１５として、例えば液晶ディスプレイパネルまたは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネル等を用いることができる。ディスプレイパネル１５は、光線制御子１の稜線方向Ｔに並ぶ複数の画素Ｐｉを含む。また、ディスプレイパネル１５は、制御装置３に電気的に接続され、制御装置３により制御される。各画素Ｐｉは、階調を変化させることにより光を透過させない遮光状態と光を透過させる透過状態とに切替可能である。
　光線制御子１の外周面に光線が照射された状態で複数の画素Ｐｉの状態をそれぞれ選択的に切り替える。それにより、遮光状態の画素Ｐｉと透過状態の画素Ｐｉとを組み合わせることにより、図８のマスク１４と同様の機能が実現される。例えば、稜線方向Ｔにおける一の範囲で円周方向Ｒに並ぶ複数の画素Ｐｉを遮光状態とすることにより、図８のマスク１４の遮光部分を形成することができる。また、稜線方向Ｔにおける他の範囲で円周方向Ｒに並ぶ複数の画素Ｐｉを透光状態とすることにより、図８のマスク１４の環状スリット１４ｓを形成することができる。
　図１０および図１１は、図９の光線制御子１の使用状態の一例を示す図である。図１０および図１１に示すように、この光線制御子１においては、ディスプレイパネル１５の複数の画素Ｐｉの状態を個別に制御することにより、光線制御子１を透過する拡散光の進行方向および拡散角度を容易に切り替えることができる。
　本実施の形態に係る立体ディスプレイ１００においては、互いに異なる複数の視域を定義することが可能になる。図１０および図１１では、光線制御子１を透過する拡散光の中心線が一点鎖線の矢印で示される。
　図１２および図１３は、複数の視域が定義された立体ディスプレイ１００の使用例を説明するための模式的断面図である。本例の立体ディスプレイ１００は、図９の光線制御子１を備える。また、本例の立体ディスプレイ１００においては、天板５１よりも上方の位置で光線制御子１を取り囲むように環状の２つの視域５０１，５０２が定義される。図１２および図１３では、立体ディスプレイ１００の一部の構成のみが示される。
　まず、予め定められた第１の期間、光線制御子１の軸Ｚを含む仮想面内で、光線制御子１の稜線方向Ｔにおける複数の部分を透過する複数の拡散光の中心線が一方の視域５０１に導かれるように図９のディスプレイパネル１５を制御する（図１２）。この場合、眼Ｉ０が視域５０１にある一の観察者１０は、正確な立体画像３００を視認することができる。
　次に、予め定められた第２の期間、仮想面内で、光線制御子１の稜線方向Ｔにおける複数の部分を透過する複数の拡散光の中心線が他方の視域５０２に導かれるように図９のディスプレイパネル１５を制御する（図１３）。この場合、眼Ｉ０が視域５０２にある他の観察者１０は、正確な立体画像３００を視認することができる。
　上記の処理が繰り返されるように、図９の光線制御子１のディスプレイパネル１５を時分割で制御する。それにより、１つの立体ディスプレイ１００を用いて複数の視域５０１，５０２に正確な立体画像３００をそれぞれ提示することが可能になる。
　図１２および図１３の例では、一方の視域５０１が他方の視域５０２に比べて天板５１に近い位置（低い位置）に設定されている。この場合、例えば背丈が低い子供の眼を一方の視域５０１に誘導し、背丈が高い大人の眼を他方の視域５０２に誘導することにより、背丈の異なる子供および大人に正確な立体画像３００を実質的に同時に視認させることが可能になる。あるいは、例えば椅子に着座した観察者１０の眼を一方の視域５０１に誘導し、椅子の後方に起立した観察者１０の眼を他方の視域５０２に誘導することにより、姿勢の異なる複数の観察者１０に正確な立体画像３００を実質的に同時に視認させることが可能になる。
　なお、図９の構成においては、ディスプレイパネル１５の内側にさらに他のディスプレイパネル１５が設けられてもよい。この場合、２つのディスプレイパネル１５の複数の画素Ｐｉの状態を個別に切り替えることにより、光線制御子１を透過する拡散光の進行方向および拡散角度をより細かく調整することができる。
　［３］他の実施の形態
　（１）上記実施の形態においては、光線制御子１は、円錐形状を有するが本発明はこれに限定されない。光線制御子１は、円錐台形状を有してもよいし、円筒形状を有してもよい。これらの場合においても、視域５００は、上記実施の形態と同様に、光線制御子１の中心軸の方向に見た場合に光線制御子１を取り囲むように円状に定義される。
　（２）上記実施の形態においては、立体ディスプレイ１００に用いられる複数の光線発生器２は、テーブル５の下方で光線制御子１の軸Ｚを中心とする円周上に固定されているが、本発明はこれに限定されない。
　テーブル５の下方の位置に、軸Ｚを中心軸として複数の光線発生器２を一定周期で回転させる回転機構が設けられてもよい。この場合、各光線発生器２は、光線制御子１における円周方向Ｒの複数の部分でそれぞれ光線を走査させることができる。そこで、制御装置３は、回転機構により回転される複数の光線発生器２の回転速度に応じて各光線発生器２を時分割で制御することにより、光線制御子１の上方の空間に立体形状データに基づく立体画像３００を表示する。
　この構成によれば、立体ディスプレイ１００に用いる光線発生器２の数を低減することができる。また、各光線発生器２が回転しつつ光線制御子１の外周面に光線群を照射するので、光線発生器２の数が少ない場合でも、円周方向Ｒにおいて途切れた部分を有しない連続的な立体画像３００が提示される。
　［４］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構成要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
　上記実施の形態においては、立体画像３００が立体画像の例であり、立体ディスプレイ１００が立体ディスプレイの例であり、光線制御子１が光線制御子の例であり、複数の光線発生器２が光線発生器の例であり、制御装置３および記憶装置４が制御手段の例である。
　また、視域５００，５０１が第１の視域の例であり、光線制御子１の部分Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３が仮想面と光線制御子との光線上における複数の部分の例であり、光線Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３が複数の光線の例であり、拡散光Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３が複数の拡散光の例であり、中心線Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３が複数の拡散光の中心線の例である。
　また、複数の環状レンズ１２および複数の環状プリズム１３が複数の突条部の例であり、複数の環状レンズ１２が複数の拡散透過部材の例であり、マスク１４およびディスプレイパネル１５が遮光手段の例であり、視域５０２が第２の視域の例である。
　また、図１２において光線制御子１からの拡散光が視域５０１に導かれるときの図９のディスプレイパネル１５の状態が第１の遮光状態の例であり、図１３において光線制御子１からの拡散光が視域５０２に導かれるときの図９のディスプレイパネル１５の状態が第２の遮光状態の例である。
　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構成要素を用いることもできる。
　本発明は、立体画像を表示する種々の立体ディスプレイに有効に利用することができる。

Claims (5)

  1. 立体形状データに基づいて立体画像を提示するための立体ディスプレイであって、
    　錐体形状または柱体形状を有するとともに前記錐体形状または前記柱体形状の底部が基準面上に開口するように配置される光線制御子と、
    　前記基準面の下方でかつ前記光線制御子の外側から複数の光線からなる光線群を前記光線制御子の外周面に照射するように配置された光線発生器と、
    　前記立体形状データに基づいて、前記光線発生器により発生される光線群により立体画像が提示されるように前記光線発生器を制御する制御手段とを備え、
    　前記基準面よりも上方かつ前記光線制御子よりも外方の位置で前記光線制御子の中心軸の周囲を取り囲むように円状の第１の視域が予め定義され、
    　前記光線制御子は、前記中心軸を含む任意の仮想面と前記光線制御子との交線上における異なる複数の部分に照射された複数の光線が前記仮想面内でそれぞれ拡散しつつ前記複数の部分を透過しかつ前記透過した複数の拡散光の中心線が前記仮想面と前記第１の視域との交点を通るように形成された、立体ディスプレイ。
  2. 各拡散光の前記中心線は、当該拡散光の進行方向に直交する断面における光強度分布のピーク位置を通る直線である、請求項１記載の立体ディスプレイ。
  3. 前記光線制御子は、
    　前記光線制御子の周方向に延びるとともに前記光線制御子の稜線方向に並ぶように形成された複数の突条部を前記錐体形状または前記柱体形状の外周面および内周面のうちの少なくとも一方に有し、
    　前記複数の突条部は、前記交線上の複数の部分に照射された複数の光線を透過させつつ前記複数の拡散光をそれぞれ生成する、請求項１または２記載の立体ディスプレイ。
  4. 前記光線制御子は、
    　前記光線制御子の周方向に延びるとともに前記光線制御子の稜線方向に並ぶように形成された複数の拡散透過部材を前記錐体形状または前記柱体形状の外周面または内周面に有するとともに、遮光手段を前記錐体形状または前記柱体形状の外周面または内周面に有し、
    　前記複数の拡散透過部材は、前記交線上の複数の部分に照射された複数の光線を前記仮想面内で拡散させつつ透過させるように構成され、
    　前記遮光手段は、前記複数の拡散透過部材を透過する光の一部を遮光することにより前記複数の拡散光を生成するように構成された、請求項１または２記載の立体ディスプレイ。
  5. 前記基準面よりも上方かつ前記光線制御子よりも外方の位置でありかつ前記第１の視域とは異なる位置に、前記光線制御子の中心軸の周囲を取り囲むように円状の第２の視域が予め定義され、
    　前記遮光手段は、前記複数の部分を透過した複数の拡散光の中心線が前記仮想面と前記第１の視域との交点を通るように前記拡散透過部材を透過する光の一部を遮光する第１の遮光状態と、前記複数の部分を透過した複数の拡散光の中心線が前記仮想面と前記第２の視域との交点を通るように前記拡散透過部材を透過する光の一部を遮光する第２の遮光状態とに切替可能に構成された、請求項４記載の立体ディスプレイ。
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