JP2016018119A - 立体画像を提示する光線制御子および立体ディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 部品点数が少なく、製造が容易で、滑らかな３Ｄ映像を表示可能とする。【解決手段】 周壁が透光性を有し、同周壁は、入射した光線が稜線方向においては拡散して透過し、かつ、軸Ｚを中心とする円周方向においてはほぼ拡散せずに直進して透過するように形成された光線制御子であって、前記周壁の表面には、曲面を描く断面形状が長さ方向に所定長だけ連続する基準レンズを配置してあり、同基準レンズは、入射する光線のうち同断面と平行な前記稜線方向の光線成分は拡散し、入射する光線のうち同断面に交差する前記円周方向の光線成分はほぼ拡散せずに直進して透過させるものであり、当該光線制御子の周壁の表面では、前記基準レンズが連続する軸方向が、前記軸Ｚを中心とする円周方向に平行な平行部位と、同円周方向に交差する傾斜部位とを、混合させて前記基準レンズを配置した。【選択図】 図１４

Description

本発明は、立体画像を提示する光線制御子および立体ディスプレイに関する。

テーブルの周囲に複数の人が集い、共同作業をする場面が多々見られる。テーブルを共同作業するためのツールとみなし、このツールを用いた共同作業をコンピュータを使用して支援する種々の研究が行われている。例えば、ＣＳＣＷ（Computer Supported Cooperative Work：コンピュータ支援協調作業）およびグループウェアの研究が挙げられる。

テーブル上の作業をデジタル化することの利点としては、作業の過程を電子的に記録できる、および遠隔地間での情報の共有ができる等が挙げられる。従来の研究で表示される画像はテーブルにプロジェクタで投影されるか、またはテーブル自体がＬＣＤ（液晶表示装置）等のディスプレイからなる。いずれの場合も二次元の平面画像が表示される。

このような平面画像では、書類のような情報しか提示できず、立体的な三次元形状の情報は提示できない。また、単一の平面画像を表示した場合、テーブルを取り囲む人の位置によっては情報が逆になるため、非常に見にくい。
上記の課題を解決するために、テーブル上に立体画像を提示する方法が提案されている。例えば特許文献１に記載される立体ディスプレイにおいては、複数のプロジェクタから出射される光線によってテーブル上に仮想的な点光源の集合が形成される。それにより、テーブル上に立体画像が提示される。

特開２０１０−３２９５２号公報 特開２０１２−１８５２７５号公報 特開２００６−１３９１４２号公報 特開２００８−４００４６号公報

特許文献１に開示される基本技術では、プロジェクタの数が多く、且つ、隣り合うプロジェクタ同士のピッチ狭いほど、円周方向に対して、滑らかな立体像を表示することが出来る。しかし、プロジェクタのピッチを完全にゼロにすることはできないため、滑らかな３Ｄ映像を映すためにはスクリーン（光線制御子）にて円周方向においても微小な拡散を有する必要がある。

円周方向に微小な拡散を発生させる方法として、例えば、2枚の拡散シートを斜めに重ねる方法など有るが、部品点数が増加する、あるいは位置合わせの難しさなど課題が有る。
この他、透光性と拡散の観点からスクリーンに関する先行文献として、特許文献２〜特許文献４がある。
ここで、特許文献２はバックライト装置および表示装置に関しており、複数の異方性拡散素子の組合せで、複数の指向性を機能としてもたせるバックライト方式を示している。しかし、本発明は、複数の指向性を同時に有するための光学素子であり、大きく相違する。

また、特許文献３は透過型スクリーンに関しており、複数のレンズパターンの組合せにより、特定の方向への拡散を強める透過型スクリーンを示している。しかし、複数のレンズパターンの組合せは煩雑であり、さらに観察者の位置が変化する場合には適用し得ない。
さらに、特許文献４は光拡散シート、光拡散シートを備えたスクリーンシート、及び映像システムに関しており、干渉縞の無い拡散シートの構成を示している。しかし、この干渉縞の無い拡散シートは、拡散方向の調整に使用できるものではない。

本発明は、部品点数が少なく、製造が容易で、滑らかな３Ｄ映像を表示可能な光線制御子および立体ディスプレイを提供する。

本発明の光線制御子は、断面が軸Ｚを中心とした円形あるいは多角形であるとともに、軸Ｚ方向に沿って筒状あるいは錐体状であり、周壁が透光性を有し、同周壁は、入射した光線が稜線方向においては拡散して透過し、かつ、軸Ｚを中心とする円周方向においてはほぼ拡散せずに直進して透過するように形成された光線制御子であって、前記周壁の表面には、曲面を描く断面形状が長さ方向に所定長だけ連続する基準レンズを配置してあり、同基準レンズは、入射する光線のうち同断面と平行な前記稜線方向の光線成分は拡散し、入射する光線のうち同断面に交差する前記円周方向の光線成分はほぼ拡散せずに直進して透過させるものであり、当該光線制御子の周壁の表面では、前記基準レンズが連続する軸方向が、前記軸Ｚを中心とする円周方向に平行な平行部位と、同円周方向に交差する傾斜部位とを、混合させて前記基準レンズを配置した構成としてある。

また、本発明の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その少なくとも一部が所定の基準面上の空間に位置するように提示するための立体ディスプレイであって、前記基準面上に開口を有するとともに前記基準面の下方に周壁を有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前記周壁の外周面にそれぞれ照射するように前記光線制御子の周囲に配置された複数の光線発生器と、前記立体形状データに基づいて、前記複数の光線発生器により発生される光線群により立体画像が提示されるように前記複数の光発生器を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、立体画像の少なくとも一部が前記光線制御子の前記開口よりも上方に提示されるように前記複数の光発生器を制御し、前記光線制御子は、断面が軸Ｚを中心とした円形あるいは多角形であるとともに、軸Ｚ方向に沿って筒状あるいは錐体状であり、周壁が透光性を有し、同周壁は、入射した光線が稜線方向においては拡散して透過し、かつ、軸Ｚを中心とする円周方向においてはほぼ拡散せずに直進して透過するように形成され、また、前記周壁の表面には、曲面を描く断面形状が長さ方向に所定長だけ連続する基準レンズを配置してあり、同基準レンズは、入射する光線のうち同断面と平行な前記稜線方向の光線成分は拡散し、入射する光線のうち同断面に交差する前記円周方向の光線成分はほぼ拡散せずに直進して透過させるものであり、当該光線制御子の周壁の表面では、前記基準レンズが連続する軸方向が、前記軸Ｚを中心とする円周方向に平行な平行部位と、同円周方向に交差する傾斜部位とを、混合させて前記基準レンズを配置した構成としてある。

本発明によれば、立体表示に必要となる光線制御子において、入射する光線のうち稜線方向の光線成分を拡散しつつ、入射する光線のうち円周方向の光線成分についても所定量だけ拡散させて透過させることが可能となる。すなわち、稜線方向は拡散、円周方向に微小な拡散を発生させることができる。

本発明の一実施の形態に係る立体ディスプレイの模式的断面図である。 図１の立体ディスプレイの模式的平面図である。 図１および図２の立体ディスプレイに用いられる光線制御子の斜視図である。 光線制御子の一例の一部の拡大断面図である。 光線制御子の他の例の一部の拡大断面図である。 光線制御子さらに他の例の一部の拡大断面図である。 光線制御子の他の構成を説明するための模式図である。 光線制御子さらに他の構成を説明するための模式図である。 走査型プロジェクタの動作を説明するための模式的平面図である。 立体画像の提示方法を説明するための模式的平面図である。 立体画像の提示方法を説明するための模式的断面図である。 本実施の形態に係る立体ディスプレイにおける両眼視差の発生原理を説明するための模式的平面図である。 光線制御子本体１１の周壁の一部を切り取って拡大した斜視図である。 光線制御子本体１１の周壁の表面において、基準レンズＬの軸方向ＡＸを示す模式図である。 光線制御子本体１１の周壁の表面において、基準レンズＬの軸方向ＡＸを示す模式図である。 光線制御子本体１１の周壁の表面において、基準レンズＬの軸方向ＡＸを示す模式図である。 光線制御子本体１１の周壁の表面において、基準レンズＬの軸方向ＡＸを示す模式図である。 実際に形成される基準レンズＬの一例を示す模式図である。 光線制御子本体１１の周壁の表面に形成される基準レンズのつながり方を示す模式図である。 光線制御子本体１１の周壁の表面に形成される基準レンズの他のつながり方を示す模式図である。 拡散度合いの調整の仕方を示す模式図である。 拡散度合いを調整した場合の輝度分布の変化を示す図である。

I ．立体ディスプレイの概略説明
本立体ディスプレイの動作原理などについては、特許文献１に詳細に説明されているが、以下、説明する。

（１）立体ディスプレイの構成
図１は本発明の一実施の形態に係る立体ディスプレイの模式的断面図である。図２は図１の立体ディスプレイの模式的平面図である。図３は図１および図２の立体ディスプレイに用いられる光線制御子の斜視図である。
図１に示すように、立体ディスプレイは、円錐台形状の光線制御子１、複数の走査型プロジェクタ２、制御装置３および記憶装置４により構成される。
図１および図２の立体ディスプレイは、テーブル５に設けられる。テーブル５は、天板５１および複数の脚５２からなる。天板５１は円形孔部を有する。
図３に示されるように、光線制御子１は、軸Ｚを中心として回転対称な円錐台形状を有する。光線制御子１の大径の底部および小径の底部は開口している。光線制御子１は、入射した光線が稜線方向Ｔにおいては拡散して透過しかつ軸Ｚを中心とする円周方向Ｒにおいてはほぼ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の構成の詳細については、後述する。

図１に示すように、光線制御子１は、大径の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。
テーブル５の下方には、複数の走査型プロジェクタ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。複数の走査型プロジェクタ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。
なお、テーブル５１の円形孔部に透明の円形板が嵌め込まれてもよい。

各走査型プロジェクタ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、各走査型プロジェクタ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。

記憶装置４は、例えばハードディスク、メモリカード等からなる。記憶装置４には、立体画像３００を提示するための立体形状データが記憶される。制御装置３は、例えばパーソナルコンピュータからなる。制御装置３は、記憶装置４に記憶される立体形状データに基づいて複数の走査型プロジェクタ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。なお、観察者の視点位置５００をより正確に得るためにカメラ８を備える構成としても良い。

（２）光線制御子１の基本構成および製造方法
図４は光線制御子１の一例の一部の拡大断面図である。
図４の光線制御子１は、透明の円錐台形状の光線制御子本体１１を有する。光線制御子本体１１の外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。各環状レンズ１２は、かまぼこ形の垂直断面を有する。なお、環状レンズ１２が半円形の断面を有してもよい。光線制御子１の寸法は任意である。例えば、光線制御子本体１１の大径の底部の直径は２００ｍｍであり、小径の底部の直径は２０ｍｍであり、高さは１１０ｍｍである。

図４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４の例では、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ているが、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てもよい。

図４の光線制御子１によれば、環状レンズ１２が円周方向において一定の厚みを有し、稜線方向Ｔにおいて光線を拡散させる機能を有する。それにより、図４の光線制御子１の外周面に光線を照射すると、その光線は稜線方向Ｔにおいて拡散しつつ透過し、円周方向においては拡散せずに直線状に透過する。

図５は光線制御子１の他の例の一部の拡大断面図である。
図５の光線制御子１においては、光線制御子本体１１の外周面上に多角形の断面を有する複数の環状プリズム１３が稜線方向Ｔに密に並ぶように設けられている。環状プリズム１３の断面形状は、三角形以外の多角形であってもよい。
図５の光線制御子１によれば、環状プリズム１３が円周方向において一定の厚みを有し、稜線方向Ｔにおいて光線を拡散させる機能を有する。それにより、図５の光線制御子１の外周面に光線を照射すると、その光線は稜線方向Ｔにおいて拡散しつつ透過し、円周方向においては拡散せずに直線状に透過する。

図６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６の光線制御子１は、透明の円錐台形状の光線制御子本体１１の外周面上に糸状のある屈折率を有する透明素材１４が円周方向に巻き付けられることにより作製される。透明素材１４は、稜線方向Ｔにおいて密に並んでいる。透明素材１４の断面形状は、真円でもよく、楕円でもよい。透明素材１４としては、例えばナイロン糸を用いることができる。
また、透明の円錐台形状の光線制御子本体１１の外周面上に速乾性の接着剤を用いて複数の糸状の透明素材を順に貼り付けることにより光線制御子１を作製することもできる。接着剤としては、例えば紫外線硬化樹脂を用いることができる。

図６の光線制御子１によれば、透明素材１４が円周方向において一定の厚みを有し、稜線方向Ｔにおいてボールレンズの機能を有する。それにより、光線制御子１の外周面に光線を照射すると、その光線は稜線方向Ｔにおいて拡散しつつ透過し、円周方向においては拡散せずに直線状に透過する。

図７は光線制御子１の他の構成を説明するための模式図である。図７（ａ）は方向Ｘにおいて光線をほとんど拡散させずに透過させ、方向Ｘと直交する方向Ｙにおいて光線を拡散させて透過させるホロスクリーン１５を示す。図７（ｂ）は図７（ａ）のホロスクリーン１５を切り取ることにより形成された三角シート１６を示す。ここで、ホロスクリーンとは、写真乾板の技術により作製され、入射した光線の飛行方向を制御可能な光学素子である。
図７（ａ）の三角シート１６を透明の円錐台形状の光線制御子本体１１の表面に貼り付けることにより光線制御子１を形成することができる。あるいは、Ｎ枚の三角シート１６をつなぎ合わせてＮ錐体台を形成することにより、擬似的な円錐台形状を有する光線制御子１を作製することができる。ここで、Ｎは３以上の整数である。

図８は光線制御子１のさらに他の構成を説明するための模式図である。図８（ａ）は入射した光線を放射方向に拡散させる機能を有するホロスクリーンまたはフレネルレンズからなる光学シート１７を示す。フレネルレンズは、円周方向に溝を有するシート状レンズである。
図８（ｂ）に示すように、上記の光学シート１７を扇形シート１８に切り取る。そして、図８（ｃ）に示すように、扇形シート１８の辺Ａおよび辺Ｂをつなぎ合わせることにより円錐台形状の光線制御子１が作製される。

本実施の形態では、光線制御子１が円錐台形状を有するが、これに限定されず、光線制御子１が円錐形状を有してもよく、あるいは多角錐台形状または多角錐形状を有してもよい。これらの形状を錐体形状と呼ぶ。

（３）走査型プロジェクタ２の動作
図９は走査型プロジェクタ２の動作を説明するための模式的平面図である。図９には１つの走査型プロジェクタ２のみが示される。
走査型プロジェクタ２は、レーザ光からなる光線を出射するとともにその光線を水平面内および垂直面内で偏向させることができる。
走査型プロジェクタ２が光線を水平面内で偏向させることにより、光線制御子１の外周面を水平方向に走査することができる。また、走査型プロジェクタ２が光線を垂直面内で偏向させることにより、光線制御子１の外周面を垂直方向に走査することができる。それにより、走査型プロジェクタ２は、光線で光線制御子１の対向する面を走査することができる。
また、走査型プロジェクタ２は、光線の方向ごとに光線の色を設定することができる。それにより、走査型プロジェクタ２は、擬似的に複数の光線からなる光線群を出射する。

図９において、走査型プロジェクタ２は、複数の光線Ｌ１〜Ｌ１１を光線制御子１に照射する。光線Ｌ１〜Ｌ１１は、それぞれ任意の色に設定される。それにより、光線制御子１の複数の位置Ｐ１〜Ｐ１１をそれぞれ設定された色の光線Ｌ１〜Ｌ１１が透過する。
光線制御子１は、円周方向において光線Ｌ１〜Ｌ１１を拡散させずに直線状に透過させるので、観察者は、ある位置で一本の光線のみを視認することができる。また、光線制御子１は、光線Ｌ１〜Ｌ１１を垂直方向において拡散させて透過させるので、観察者は、一本の光線を上下方向の任意の位置から視認することができる。

なお、本実施の形態では、光線発生器として、走査型プロジェクタ２を用いているが、これに限定されない。光線発生器としては、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）またはＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の空間光変調器および複数のレンズからなるレンズアレイ等の投影系を備えた一般的なプロジェクタを用いることもできる。この場合、投影系のアパーチャ（開口）が十分に小さい場合には、走査型プロジェクタ２と同様に光線群を形成することができる。

（４）立体画像３００の提示方法
図１０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１０においては、３つの走査型プロジェクタ２Ａ，２Ｂ，２Ｃが示される。
例えば、光線制御子１の上方の位置ＰＲに赤色の画素を提示する場合には、走査型プロジェクタ２Ａから位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＡ０を出射し、走査型プロジェクタ２Ｂから位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＢ０を出射し、走査型プロジェクタ２Ｃから位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＣ０を出射する。それにより、赤色の光線ＬＡ０，ＬＢ０，ＬＣ０の交点に点光源となる赤色の画素が提示される。この場合、観察者の眼が位置ＩＡ０にある場合、位置ＩＢ０にある場合および位置ＩＣ０にある場合に、位置ＰＲに赤色の画素が見える。

同様にして、光線制御子１の上方の位置ＰＧに緑色の画素を提示する場合には、走査型プロジェクタ２Ａから位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＡ１を出射し、走査型プロジェクタ２Ｂから位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＢ１を出射し、走査型プロジェクタ２Ｃから位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＣ１を出射する。
それにより、緑色の光線ＬＡ１，ＬＢ１，ＬＣ１の交点に点光源となる緑色の画素が提示される。この場合、観察者の眼が位置ＩＡ１にある場合、位置ＩＢ１にある場合および位置ＩＣ１にある場合に、位置ＰＧに緑色の画素が見える。
このようにして、複数の走査型プロジェクタ２Ａ，２Ｂ，２Ｃの各々から立体画像３００の各位置を通る方向に提示すべき色の光線が出射される。

走査型プロジェクタ２Ａ，２Ｂ，２Ｃを含む複数の走査型プロジェクタが円周上に密に並べられており、それらの複数の走査型プロジェクタから照射される光線群によって光線制御子１の内部の空間が十分に密に交点群で満たされていれば、円周上のいずれの方向から光線制御子１の内部を観察しても位置ＰＲ，ＰＧを通過する適切な光線が目に入射することになり、人の目はそこに点光源があるように認識する。実物体の表面にて反射または拡散した照明光を人は物体として認識するので、物体の表面は点光源の集合とみなすことができる。すなわち、物体の表面としたいある位置ＰＲ，ＰＧの色を複数のプロジェクタ２Ａ，２Ｂ，２Ｃより飛来する光線によって適切に再現することにより、立体画像３００を提示することができる。

このようにして、立体画像３００を光線制御子１の内部および上方の空間に提示することができる。この場合、観察者は、円周方向における異なる位置で同一の立体画像３００をそれぞれ異なる方向から視認することができる。

図１１は立体画像３００の提示方法を説明するための模式的断面図である。図１１においては、１つの走査型プロジェクタ２が示される。
図１１に示すように、走査型プロジェクタ２から出射された光線は、光線制御子１で拡散角αで垂直方向において拡散される。それにより、観察者は、拡散角αの範囲内において垂直方向の異なる位置で走査型プロジェクタ２から出射される同じ色の光線を見ることができる。例えば、観察者が視線を基準の位置Ｅから上方の位置Ｅ’に移動させた場合でも、立体画像３００の同じ部分を見ることができる。この場合、垂直方向における観察者の眼の位置により観察者が視認する立体画像３００の位置が立体画像３００’の位置へと移動する。また、図示していないが、観察者が視線を基準の位置Ｅから下方に移動させた場合であれば、立体画像３００の同じ部分をより下の位置にあるものとして見ることができる。このように、走査型プロジェクタ２から出射された光線が光線制御子１で垂直方向において拡散されるため、観察者が視線を上下に移動させても立体画像３００を観察することができる。

図１の複数の走査型プロジェクタ２により出射される光線群の各光線の色は、記憶装置４に記憶される立体形状データに基づいて制御装置３により算出される。具体的には、制御装置３は、立体形状データとして予め定義される三次元の立体形状の面と各光線との交点を求め、光線に与えるべき適切な色を算出する。
制御装置３は、算出した光線群の各光線の色に基づいて複数の走査型プロジェクタ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が提示されるように、各走査型プロジェクタ２から設定された色をそれぞれ有する光線群が出射される。
上記のようにして、本実施の形態に係る立体ディスプレイによれば、立体画像３００の指向性表示が可能となる。

（５）両眼視差の発生原理
ここで、本実施の形態に係る立体ディスプレイにおける両眼視差の発生原理について説明する。

図１２は本実施の形態に係る立体ディスプレイにおける両眼視差の発生原理を説明するための模式的平面図である。図１２には、４つの走査型プロジェクタ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが示される。
図１２において、観察者が光線制御子１の点Ｐ３１を見た場合には、右眼１００Ｒに走査型プロジェクタ２ａから出射された光線Ｌａが入射し、左眼１００Ｌに走査型プロジェクタ２ｂから出射された光線Ｌｂが入射する。また、観察者が光線制御子１の点Ｐ３２を見た場合には、右眼１００Ｒに走査型プロジェクタ２ｃから出射された光線Ｌｃが入射し、左眼１００Ｌに走査型プロジェクタ２ｄから出射された光線Ｌｄが入射する。

ここで、光線Ｌａの色と光線Ｌｄの色とは同じであり、光線Ｌｂの色は光線Ｌａの色と異なり、光線Ｌｃの色は光線Ｌｄの色とは異なるとする。この場合、光線制御子１上の点Ｐ３１の色は見る方向により異なる。また、光線制御子１上の点Ｐ３２の色も見る方向により異なる。
光線Ｌａにより立体画像３００の点Ｐａが作られ、光線Ｌｂにより立体画像３００の点Ｐｂが作られ、光線Ｌｃにより立体画像３００の点Ｐｃが作られ、光線Ｌｄにより立体画像３００の点Ｐｄが作られる。

図１２の例では、立体画像３００の点Ｐａと点Ｐｃとが同じ位置にある。すなわち、光線Ｌａと光線Ｌｄとの交点に立体画像３００の点Ｐａ，Ｐｄが作られる。点Ｐａ，Ｐｄは、仮想的な点光源となすことができる。この場合、右眼１００Ｒで点Ｐａ，Ｐｄを見る方向と左眼１００Ｌで点Ｐａ，Ｐｄを見る方向とが異なる。すなわち、右眼１００Ｒの視線方向と左眼１００Ｌの視線方向との間に輻輳角がある。これにより、光線群により形成される画像の立体視が可能となる。

（６）本実施の形態の効果
本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいては、光線制御子１は、各走査型プロジェクタ２により照射された各光線を円周方向において拡散させずに透過させる。それにより、複数の走査型プロジェクタ２からの光線の各交点が点光源となる。観察者は、点光源の集合を実体物の立体形状として仮想的に知覚する。このとき、上記のように、同じ点光源に交差する左眼の視線方向と右眼の視線方向とが異なるので、両眼視差が生じる。その結果、複数の点光源の集合により光線制御子１の内部および上方の空間に立体画像３００が提示される。

ここで、観察者がテーブル５の上方から光線制御子１の内周面を観察した場合、テーブル５の周囲の同じ高さのどの位置からでも各点光源を同じ位置に見ることができる。そのため、観察者は、光線制御子１の上方に提示される立体画像３００を３６０度の周囲の任意の位置から見ることができる。したがって、複数の人が特別な装置を用いることなく任意の位置から裸眼で立体画像３００を観察することができる。また、観察者の人数も制限されない。

また、光線制御子１は、各走査型プロジェクタ２により照射された各光線を稜線方向において拡散させて透過させる。それにより、観察者の視点の高さが上下しても、観察者が立体画像３００を見ることが可能となる。したがって、観察者の視点位置が制限されない。
さらに、テーブル５の上方の空間に作業を阻害する装置を配置する必要がない。したがって、光線制御子１の上方に提示される立体画像３００を用いた作業を行うための作業空間をテーブル５上に確保することができる。

II．光線制御子の詳細な説明
（１）立体ディスプレイの構成
上述したように、光線制御子１は、以下の基本的な構成をもつ。
・断面が軸Ｚを中心とした円形あるいは多角形であるとともに、軸Ｚ方向に沿って筒状あるいは錐体状である。
・周壁が透光性を有する。
・同周壁は、入射した光線が稜線方向においては拡散して透過し、かつ、軸Ｚを中心とする円周方向においてはほぼ拡散せずに直進して透過する。

ここで、「入射した光線が稜線方向においては拡散して透過し、かつ、軸Ｚを中心とする円周方向においてはほぼ拡散せずに直進して透過する」機能を奏するため、図４、（図５、）図６にように、透明の円錐台形状の光線制御子本体１１の外周面または内周面上には、環状レンズ１２、糸状の透明素材１４が形成されている。これらの環状レンズ１２と糸状の透明素材１４とに共通しているのは、「曲面を描く断面形状が長さ方向に所定長だけ連続する」ということであり、本発明においては、これを基準レンズと呼ぶ。そして、所定の屈折率を有する透明素材により、曲面を描く断面形状が長さ方向に所定長だけ連続する形状とすることにより、同基準レンズは、入射する光線のうち同断面と平行な稜線方向の光線成分は拡散し、入射する光線のうち同断面に交差する円周方向の光線成分はほぼ拡散せずに直進して透過させることになる。

言い換えると、当該光線制御子本体１１の周壁の表面では、基準レンズが連続する軸方向を基準とすると、軸方向あるいは円周方向については一定の形状が連続することからその表面では入出射する光線に対して一定の角となり、ほぼ拡散しない。しかし、断面と平行な稜線方向の成分については、入出射光は曲面の境界面に照射されるので、拡散する。

このような原理を突き詰めると、従って、図４、（図５、）図６に示すように、透明の円錐台形状の光線制御子本体１１の外周面または内周面上に、環状レンズ１２、糸状の透明素材１４が、単に円周方向に連続して形成されている場合、図９で示したように、走査型プロジェクタ２が光線制御子１に照射した複数の光線Ｌ１〜Ｌ１１は、円周方向には殆ど拡散されないまま光線制御子１を透過することになる。

原理的には、この性質は好ましいが、反面、非常に多くの走査型プロジェクタ２が無いと、場所によっては観察者１０の目に透過光が入らないことになってしまう。すなわち、観察者１０が光線制御子１の周囲を移動するとき、立体画像３００が見える位置と見えない位置とが生じてしまう。
これを解消するためには、走査型プロジェクタ２が少ない場合には、円周方向の光線成分はについても実際には拡散して透過させることが好ましい。言い換えると、プロジェクタの配列ピッチは完全にゼロに出来ない為、投影される画素の隙間を補間する為、拡散光学素子は円周方向は弱い拡散を有する必要が有る。

このため、本発明では、光線制御子１の周壁の表面では、基準レンズが連続する軸方向が、軸Ｚを中心とする円周方向に平行な平行部位と、同円周方向に交差する傾斜部位とを、混合させて、当該基準レンズを配置している。

図１３は、光線制御子本体１１の周壁の一部を切り取って拡大した斜視図である。同斜視図に示すように、基準レンズＬは断面が略半円の図４に示す環状レンズであり、曲面を描く断面形状が長さ方向に所定長だけ連続している。そして、その軸方向ＡＸとは、この環状レンズが連続する方向である。
本実施例においては、透明素材からなる環状レンズであることにより、基準レンズＬは、入射する光線のうち同断面と平行な光線成分は拡散し、入射する光線のうち同断面に交差する光線成分は拡散せずに直進して透過させる。ここでは微少な誤差を除き、上記半円の断面に交差する光線成分は拡散しないものとする。

（実施例１）
図１４は、光線制御子本体１１の周壁の表面において、基準レンズＬの軸方向ＡＸを模式的に示す模式図である。図面上、横方向は光線制御子本体１１の円周方向に相当し、縦方向が稜線方向に相当する。同図に示すように、基準レンズＬが連続する軸方向ＡＸは、軸Ｚを中心とする円周方向に平行な平行部位と、同円周方向に交差する傾斜部位とを、混合させて、当該基準レンズＬを配置している。
この場合、平行部位と傾斜部位とは交互に連続して形成されており、傾斜部位の傾斜方向が、平行部位に対して、交互に反転するように形成されている。円周方向の長さでは、平行部位がａの長さを有しており、傾斜部位がｂの長さを有している。交互に連続するので、一つの平行部位と一つの傾斜部位とで構成される一単位が一つの周期となっている。傾斜方向が交互に反転する場合、円周方向に一つの基準レンズＬが連続して形成されることになる。

（実施例２）
図１５は、平行部位と傾斜部位とを混合させる変形例を示しており、光線制御子本体１１の周壁の表面において、基準レンズＬの軸方向ＡＸを模式的に示す模式図である。
この場合も、平行部位と前記傾斜部位とは交互に連続して形成され、傾斜部位の傾斜方向は、平行部位に対して、一定方向に向けられて形成されている。傾斜方向が一定であるため、光線制御子本体１１の表面に対して基準レンズＬは斜めに形成されることになるから、円周方向に複数の基準レンズＬが連続して形成されることになる。

（実施例３）
図１６と図１７は、平行部位と傾斜部位とを混合させる他の変形例を示しており、光線制御子本体１１の周壁の表面において、基準レンズＬの軸方向ＡＸを模式的に示す模式図である。なお、実線で軸方向ＡＸを示しており、破線で個々の基準レンズＬの境界を示している。
この場合は、平行部位と傾斜部位とが交互に不連続な状態で形成されている。基準レンズＬは必ずしも連続的に形成する必要はない。そして、平行部位の軸方向ＡＸと傾斜部位の軸方向ＡＸとが分断されつつも平行部位と傾斜部位自体は連続して隙間なく形成される。図１６に示すものでは、傾斜部位の傾斜方向が平行部位に対して交互に反転するように形成されており、図１７に示すものでは、傾斜部位の傾斜方向は平行部位に対して一定方向に向けられて形成されている。

（実施例４）
図１８は、実際に形成される基準レンズＬの一例を模式的に示す模式図である。実線で軸方向ＡＸを示しており、破線でそれぞれの隣接する基準レンズＬの境界を示している。
傾斜部位と平行部位とが相互に連続するように形成する場合、必ずしも直線的に屈曲する必要はない。すなわち、傾斜部位と平行部位とが相互に不連続とならないように、接続部分で傾斜部位の傾斜が徐々に変化するように形成されてもよい。この場合、基準レンズＬには、直線部分と曲線部分とが交互に連続するように形成される。

（実施例５）
図１９は、光線制御子本体１１の周壁の表面に形成される基準レンズのつながり方を示す模式図である。現実には基準レンズＬの幅は細いので、周壁の表面の全部を覆うには非常に多数の周回数が必要である。すなわち、上述したものは、周回数だけの個別のリング状の基準レンズが、それぞれ上下方向に連なって形成されていた。
しかし、この例では、基準レンズＬは、平行部位と傾斜部位とを連続して形成させつつ、周壁の表面上で螺旋状に形成されている。基準レンズＬが１周目Ａ１、２周目Ａ２、３周目Ａ３を形成している。このように螺旋状とする場合、一本の基準レンズＬで周壁の表面の全体を覆うことが可能である。また、必ずしも一本の基準レンズＬである必要はないが、小数の基準レンズＬを螺旋状とすることが前提である。

（実施例６）
また、図２０は、光線制御子本体１１の周壁の表面に形成される基準レンズの他のつながり方を示す模式図である。
この例では、螺旋状とする基準レンズＬは、平行部位と傾斜部位とからなる個々の連続体を複数体形成することで形成されている。すなわち、開始点をそれぞれ異にする３本の基準レンズＬ（Ｂ，Ｃ，Ｄ）が螺旋状に形成されており、３本の基準レンズＬ（Ｂ，Ｃ，Ｄ）は、１周目（Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１）、２周目（Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２）を形成している。

ところで、傾斜部位では、傾斜方向と直交する方向の光線成分については、基準レンズの曲面によって拡散させる効果が生じる。平行部位については、軸方向ＡＸと直交する方向に拡散するが、軸方向ＡＸが円周方向と平行なので、軸方向に直交する成分は円周方向へ拡散することはない。しかし、傾斜方向と直交する成分は、平行部位の円周方向の成分を有するので、その成分が円周方向へ拡散する効果を生じる。

このため、円周方向へ拡散する成分の調整が以下のように可能である。
一つめは、基準レンズＬにおける平行部位と傾斜部位の長さの比率によって拡散度合いを調整する方法である。
二つめは、基準レンズにおける傾斜部位の傾斜度合いによって拡散度合いを調整する方法である。

図２１は、それぞれの方法における調整の仕方を模式的に示す模式図である。
同図（ａ）は、基準とする基準レンズＬの形状を示している。この例では、平行部位の円周方向の長さａ０、傾斜部位の円周方向の長さｂ０であり、傾斜部位の傾斜角度はθ０である。一つの平行部位と一つの傾斜部位とで一単位となり、傾斜方向を交互に反転させながら連続して形成されている。

（実施例７）
同図（ｂ）は、傾斜部位の長さを変えた基準レンズＬの形状を示している。この例では、平行部位の円周方向の長さａ０を変えず、傾斜部位の円周方向の長さをｂ０よりも短い長さｂ１としている。傾斜部位の傾斜角度はθ０のままである。
ある傾斜角度で拡散される成分はその角度によって一定の割合であり、拡散される成分の光量や輝度という面では、傾斜部位の長さに比例することになる。従って、平行部位と傾斜部位の長さの比率を変えることで、拡散度合いは調整できる。

（実施例８）
次に、同図（ｃ）は、傾斜部位の傾斜度合いを変えた基準レンズＬの形状を示している。この例では、平行部位の円周方向の長さａ０を変えず、傾斜部位の円周方向の長さｂ０も変えていないが、傾斜部位の傾斜角度はθ０よりも小さいθ１としている。
ある傾斜角度で拡散される成分はその角度によって定まる割合であり、拡散される成分の光量や輝度という面では、傾斜角度θとすれば、ｓｉｎθに比例する。従って、傾斜部位の傾斜度合いを変えることで、拡散度合いは調整できる。

（実施例９）
図２２は、拡散度合いを調整した場合の輝度分布の変化を示す図である。
同図（ａ）は、拡散度合いを示すための前提として、光線制御子１の表面の最小区画単位を定義する模式図である。
基準レンズＬが、平行部位と傾斜部位とを周期的に連続させて形成されている場合、その一つの周期の区画を最小区画と呼ぶことにする。同図（ａ）では、一点鎖線で示す区画が最小区画である。ただし、区画の一例を示すものであり、一周期の面積はこのとおりであるものの境界は随時変更しても構わない。
この拡散光学素子１では、１周期が数十μmであり、画素サイズよりも１周期の幅は小さい。そして、画素の１／３〜１／１０程度の大きさで、円周方向に沿って周期的に配列されるものとする。

基準レンズＬの断面と平行な方向（稜線方向）に拡散する光線成分の輝度分布は所定の範囲で山形形状の輝度分布となり、最大輝度の１／２の輝度となる位置の間隔を半値幅と呼ぶことにする。もし、円周方向に拡散しなければ、基準レンズＬの断面に交差する方向（円周方向）には拡散しないのであるが、傾斜部位を調整することで拡散する光線成分を調整することができる。
同図(ｂ)は円周方向への半減値について説明している。最大輝度（ｌ１＋ｌ１）となるのは一点であり、この位置から円周方向の左右にずれると徐々に輝度が下がる。そして、１／２の輝度（ｌ１）となる幅がＬ１となっている。円周方向に拡散しないとしても全く拡散しないわけではなく、若干は拡散してしまうので、半減値はＬ１となる。一方、稜線方向に拡散しない場合、半減値はほぼ同様のＬ１となるはずである。しかし、稜線方向については意図的に拡散させるので、同図（ｃ）に示す稜線方向に拡散する光線成分の半値幅Ｌ２が、同図（ｂ）に示す円周方向に拡散する光線成分の輝度分布の半値幅Ｌ１よりも大きくなるように、平行部位と傾斜部位の長さの比率を定めることとする。傾斜部位が全くなければ稜線方向の半減値はＬ１であるが、傾斜部位の長さが増せば稜線方向の半減値はＬ１よりも徐々に大きくなっていく。

これは傾斜度合いを調整する場合でも同様である。すなわち、同図（ｃ）に示す稜線方向に拡散する光線成分の半値幅が、同図（ｂ）に示す円周方向に拡散する光線成分の輝度分布の半値幅よりも大きくなるように、傾斜部位の傾斜角度を定めることとする。
以上説明したように、本実施例によれば、基準レンズＬの中心軸（軸方向ＡＸ）を屈曲した形状にすることで、１枚のシンプルな構成にて、円周方向について微小な拡散を得ることが出来る。

III．他の実施の形態
上記した各実施の形態では、光線制御子１がテーブル５の天板５１に固定されているが、モータ等の回転駆動装置を用いることにより光線制御子１を軸Ｚの周りで回転させてもよい。例えば、光線制御子１がＮ錐体（Ｎは３以上の整数）からなる場合または複数のシートを貼り合わせることにより作製される場合には、光線制御子１のつなぎ目での光学性能の乱れが生じる。そのような場合、光線制御子１を軸Ｚの周りで回転させることにより、つなぎ目での光学性能の乱れが平均化される。その結果、提示される立体画像３００の画質にむらが生じることが防止される。

光線制御子１は、円柱、楕円柱またはＮ角柱（Ｎは３以上の整数）を含む柱体形状であってもよい。この場合にも、光線制御子１が光線を垂直方向において拡散させつつ透過させる。それにより、立体画像をその少なくとも一部がテーブル５の天板５１の上面等の基準面上の空間に位置するように提示することができる。
なお、本発明は上記実施例に限られるものでないことは言うまでもない。当業者であれば言うまでもないことであるが、

・上記実施例の中で開示した相互に置換可能な部材および構成等を適宜その組み合わせを変更して適用すること
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術であって上記実施例の中で開示した部材および構成等と相互に置換可能な部材および構成等を適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
・上記実施例の中で開示されていないが、公知技術等に基づいて当業者が上記実施例の中で開示した部材および構成等の代用として想定し得る部材および構成等と適宜置換し、またその組み合わせを変更して適用すること
は本発明の一実施例として開示されるものである。

１…光線制御子、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ…走査型プロジェクタ、３…制御装置、４…記憶装置、５…テーブル、１０…観察者、１１…光線制御子本体、１２…環状レンズ、１３…環状プリズム、１４…透明素材、１５…ホロスクリーン、１６…三角シート、１７…光学シート、１８…扇形シート、５１…天板、５２…脚、３００…立体画像。

Claims (12)

1. 断面が軸Ｚを中心とした円形あるいは多角形であるとともに、軸Ｚ方向に沿って筒状あるいは錐体状であり、周壁が透光性を有し、同周壁は、入射した光線が稜線方向においては拡散して透過し、かつ、軸Ｚを中心とする円周方向においてはほぼ拡散せずに直進して透過するように形成された光線制御子であって、
   前記周壁の表面には、曲面を描く断面形状が長さ方向に所定長だけ連続する基準レンズを配置してあり、同基準レンズは、入射する光線のうち同断面と平行な前記稜線方向の光線成分は拡散し、入射する光線のうち同断面に交差する前記円周方向の光線成分はほぼ拡散せずに直進して透過させるものであり、
   当該光線制御子の周壁の表面では、前記基準レンズが連続する軸方向が、前記軸Ｚを中心とする円周方向に平行な平行部位と、同円周方向に交差する傾斜部位とを、混合させて前記基準レンズを配置していることを特徴とする光線制御子。
2. 前記平行部位と前記傾斜部位とが交互に連続して形成され、前記傾斜部位の傾斜方向が、前記平行部位に対して、交互に反転するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光線制御子。
3. 前記平行部位と前記傾斜部位とが交互に連続して形成され、前記傾斜部位の傾斜方向は、前記平行部位に対して、一定方向に向けられて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光線制御子。
4. 前記傾斜部位と前記平行部位とが相互に不連続とならないように、接続部分で前記傾斜部位の傾斜が徐々に変化するように形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光線制御子。
5. 前記基準レンズは、前記平行部位と前記傾斜部位とを連続して形成させつつ、前記周壁の表面上で螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光線制御子。
6. 螺旋状とした前記基準レンズは、前記平行部位と前記傾斜部位とからなる個々の連続体を複数体形成することで形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光線制御子。
7. 前記平行部位と前記傾斜部位とが交互に不連続な状態で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光線制御子。
8. 前記基準レンズにおける前記平行部位と前記傾斜部位の長さの比率によって拡散度合いを調整することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の光線制御子。
9. 前記基準レンズが、前記平行部位と前記傾斜部位とを周期的に連続させて形成され、一つの周期において、
   前記断面と平行な方向に拡散する光線成分の輝度分布の半値幅が、前記断面に交差する方向に拡散する光線成分の輝度分布の半値幅よりも大きくなるように、前記平行部位と前記傾斜部位の長さの比率が定められていることを特徴とする請求項８に記載の光線制御子。
10. 前記基準レンズにおける前記傾斜部位の傾斜度合いによって拡散度合いを調整することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の光線制御子。
11. 前記基準レンズが、前記平行部位と前記傾斜部位とを周期的に連続させて形成され、一つの周期において、
    前記断面と平行な方向に拡散する光線成分の輝度分布の半値幅が、前記断面に交差する方向に拡散する光線成分の輝度分布の半値幅よりも大きくなるように、前記傾斜部位の傾斜角度が定められていることを特徴とする請求項１０に記載の光線制御子。
12. 立体形状データに基づいて立体画像をその少なくとも一部が所定の基準面上の空間に位置するように提示するための立体ディスプレイであって、
    前記基準面上に開口を有するとともに前記基準面の下方に周壁を有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構成される光線群を前記光線制御子の前記周壁の外周面にそれぞれ照射するように前記光線制御子の周囲に配置された複数の光線発生器と、
    前記立体形状データに基づいて、前記複数の光線発生器により発生される光線群により立体画像が提示されるように前記複数の光線発生器を制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、立体画像の少なくとも一部が前記光線制御子の前記開口よりも上方に提示されるように前記複数の光線発生器を制御し、
    前記光線制御子は、
    断面が軸Ｚを中心とした円形あるいは多角形であるとともに、軸Ｚ方向に沿って筒状あるいは錐体状であり、周壁が透光性を有し、同周壁は、入射した光線が稜線方向においては拡散して透過し、かつ、軸Ｚを中心とする円周方向においてはほぼ拡散せずに直進して透過するように形成され、また、
    前記周壁の表面には、曲面を描く断面形状が長さ方向に所定長だけ連続する基準レンズを配置してあり、同基準レンズは、入射する光線のうち同断面と平行な前記稜線方向の光線成分は拡散し、入射する光線のうち同断面に交差する前記円周方向の光線成分はほぼ拡散せずに直進して透過させるものであり、
    当該光線制御子の周壁の表面では、前記基準レンズが連続する軸方向が、前記軸Ｚを中心とする円周方向に平行な平行部位と、同円周方向に交差する傾斜部位とを、混合させて前記基準レンズを配置していることを特徴とする立体ディスプレイ。

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