(57)【要約】      （修正有）【課題】プロジェクタアレイの映像を観察者が視点を移動しても連続的に高精細な立体映像として見ることができ、空中に定位する立体映像に対して輻輳と調節の矛盾を減少させ、観察者とのインタラクションをも可能とする立体表示装置を提供する。【解決手段】プロジェクタアレイ４の各プロジェクタの射出瞳４１から映像を拡散面３に焦点を合わせて投影し、その光線を、拡散面３と、対称面Ｓを内部的に有しこの対称面Ｓの一方側の空間からの光線を他方側の空間における面対称位置に鏡映像を結像可能な実鏡映像結像光学系２とを透過させることにより、射出瞳４１の対称面Ｓに対する面対称位置に拡散された結像瞳６として結像させつつその結像瞳６の集合である瞳結像面６Ｓを埋めることにより、各結像瞳６が結像している側から、プロジェクタアレイ４から投影された映像の実鏡映像結像光学系２により結像した像５を視点移動によっても連続的に観察し得るようにした。【選択図】図１
2014016563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対称面となるある１つの幾何平面を内部的に有し当該対称面を境にして一方側の空間から出射された光線を透過させて他方側の空間における面対称位置に鏡映像を結像可能な実鏡映像結像光学系と、前記光線が前記対称面を透過する前又は後もしくは透過中において当該光線を拡散させる拡散面と、前記対称面を境にした一方側の空間に配置され複数のプロジェクタを配列してなるプロジェクタアレイとを備え、
前記拡散面に焦点を合わせて各プロジェクタの射出瞳から投影される光線を前記実鏡映像結像光学系の対称面及び前記拡散手段を透過させることによって、前記射出瞳を前記対称面に対する面対称位置に拡散された実像である鏡映像たる結像瞳として結像させ、前記各結像瞳によって当該結像瞳の集合が配列することになる瞳結像面を隙間なく埋めることにより、当該各結像瞳が結像している側から、前記プロジェクタアレイから投影された映像を前記対称面の位置もしくは当該結像瞳が結像している側の空間に結像した像を視点移動によっても連続的に観察し得るように構成したことを特徴とする立体表示装置。
【請求項２】
前記プロジェクタアレイを構成する複数のプロジェクタの前記射出瞳を、１次元的又は２次元的に配置している請求項１に記載の立体表示装置。
【請求項３】
前記プロジェクタアレイが投影する映像の結像位置が、前記対称面よりも前記プロジェクタアレイ側に位置する前記拡散面上であって、前記結像した映像を当該拡散面により拡散させつつ実鏡映像結像光学系によって実像として結像して提示するものである請求項１又は２の何れかに記載の立体表示装置。
【請求項４】
前記実鏡映像結像光学系は、複数の単位光学系の集合として構成されるものであり、当該複数の単位光学系の配置と、前記各プロジェクタにより投影される画素配置とを対応させている請求項１乃至３の何れかに記載の立体表示装置。
【請求項５】
前記実鏡映像結像光学系は、前記対称面に対して略垂直姿勢で相互に略直交する２枚の鏡面を備えた２面コーナーリフレクタを単位光学系として、当該２面コーナーリフレクタを前記対称面上に複数配置した構成を有する２面コーナーリフレクタアレイである請求項１乃至４の何れかに記載の立体表示装置。
【請求項６】
前記プロジェクタアレイで投影する映像を、複数のプロジェクタと物理的配置と共に光学的に共役となるように複数のカメラからなるカメラアレイで撮影した映像とする請求項１乃至５の何れかに記載の立体表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被観察物の鏡映像を実像として観察者側の空間に結像させる実鏡映像結像光学系を利用して、裸眼による観察を可能とする立体表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明者はこれまで、被観察物の鏡映像を実像として（以下、「実鏡映像」という）として観察者側の空間に結像させる実鏡映像結像光学系を利用して、空中に被観察物の実鏡映像を結像させて見ることができるようにした表示装置を提案してきている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この表示装置は、被観察物の実鏡映像を観察者側の空間に結像させる実鏡映像結像光学系と、この実鏡映像結像光学系を挟んで観察者とは反対側の空間に配置される被観察物とを備えた表示装置であり、観察者は、被観察物の実鏡映像を見ることができ、あたかも実際に被観察物がその空中に存在するかのようにインタラクションできるようにしたものである。より具体的に、実鏡映像結像光学系は、２つの略直交するマイクロミラーを基本構成とする単位素子（２面コーナーリフレクタ）の集合から構成され、全ての単位素子のマイクロミラーと直交する共通平面を仮想的に素子面としたものである。実鏡映像結像光学系の原理は、被観察物から発した光線（被観察物が直接光を発する場合と、光が被観察物に当たって反射した場合がある）が、各単位素子を透過する際に、それぞれ２つのマイクロミラーで１回ずつ、合計２回反射することによって、素子面を対称面として被観察物の実像が被観察物の面対称位置に結像される、というものである（特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００４】
上述のように、マイクロミラーによる反射を利用した基本的な結像原理を有する実鏡映像結像光学系は、色収差が出ず、また得られる結像が鏡映像であるため固有焦点距離が存在せず、中心となる光軸が存在しないために、任意の位置における被観察物を歪みなく結像できる、という種々の特徴を有している。
【０００５】
一方、上述したような実鏡映像結像光学系を用い、プロジェクタの射出瞳を結像させて特定の視点映像を観察可能とする技術としては、プロジェクタの実像を実鏡映像結像光学系を通して虚像として結像させ、遠距離に映像を見せるようにヘッドマウントディスプレイとして応用した技術（特許文献２参照）や、実鏡映像結像光学系としてハーフミラーとレトロリフレクタアレイを用い、射出瞳を面対称位置に結像させて特定の視点映像を作り出す技術（非特許文献２参照）が知られている。その他、異方性拡散スクリーンとプロジェクタアレイを用いて平面上に浮かぶ映像を表示することができる立体ディスプレイも知られている（非特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００８／０４１６１６
【特許文献２】特開２００９−２８８６９６号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】前川聡ら（S.Maekawa, et al.）、「マイクロミラーアレイを用いた透過型結像光学素子」（”Transmissive imaging device with micromirror array”）、Proc. of SPIE,6392, 63920E、２００６年
【非特許文献２】吉田匠他、「再帰性投影型多視点立体ディスプレイにおける高解像度化の検討」、３次元画像コンファレンス２０１０、ｐｐ．４７−５０、２０１０年
【非特許文献３】吉田俊介他、「全周囲より観察可能なテーブル型裸眼立体ディスプレイ−表示原理と初期実装に関する検討−」日本バーチャルリアリティ学会論文誌、ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．２，２０１０年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２においては、裸眼立体視は可能ではあるが、観察者はプロジェクタが投影する実像を実鏡映像結像光学系により結像した虚像として見ることになるため、実鏡映像結像光学系の対称面よりもずっと奥に表示されることになる。そして、虚像には手や指し棒等を近付けたりその動きに応じて映像を動かしたりといったインタラクションが不能である。さらに、ヘッドマウントディスプレイに応用した技術であるため、頭部の移動による視点の移動が考慮されておらず、結像距離が長いために高解像度化が難しいといえる。
【０００９】
非特許文献２においては、裸眼立体視及び頭部の移動による視点移動が考慮されてはいるが、観察者から見て対称面となるハーフミラー背面に設置された再帰性反射スクリーン上に映像が結像しているため、空中映像（つまりハーフミラーより観察者側に定位する映像）を表示した時には、輻輳と調節の不一致が甚だしくなる。また、輻輳と調節が一致するスクリーン面近傍に定位する映像を表示した場合には、映像表示面と観察者の間にハーフミラーが挟まって配置されることとなって、像とのインタラクションを行う場合には、ハーフミラーの背面側に手を回す必要がある。
【００１０】
非特許文献３には、異方性拡散スクリーンを用いたマルチプロジェクション方式の立体表示装置が開示されている。この方式では平面上に浮かぶ映像として提示可能ではあるものの、映像を投影する拡散スクリーンは、平面より距離のある下部に位置することから、平面上に映像表示を行った場合には輻輳と調節の矛盾は大きなものとなる。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の諸問題に着目し、プロジェクタアレイにより投影される映像を、観察者が視点を移動しても途切れることなく連続的に高精細な立体映像として見ることができ、しかも平面上に浮かぶ空中に定位する立体映像に対して輻輳と調節の矛盾を減少させ、観察者とのインタラクションをも可能とする立体表示装置を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
すなわち本発明は、対称面となるある１つの幾何平面を内部的に有しこの対称面を境にして一方側の空間から出射された光線を透過させて他方側の空間における面対称位置に実像である鏡映像を結像可能な実鏡映像結像光学系と、光線が対称面を透過する前又は後もしくは透過中においてその光線を拡散させる拡散面と、対称面を境にした一方側の空間に配置されて複数のプロジェクタを配列してなるプロジェクタアレイとを備え、拡散面に焦点を合わせて各プロジェクタの射出瞳から投影される光線を実鏡映像結像光学系の対称面及び拡散面を透過させることによって、射出瞳の対称面に対する面対称位置に拡散された実像である鏡映像たる結像瞳として結像させ、各結像瞳によって当該結像瞳の集合が配列することになる瞳結像面を隙間なく埋めることにより、各結像瞳が結像している側から、プロジェクタアレイから投影された映像を前記対称面の位置もしくは結像瞳が結像している空間に結像した像を視点移動によっても連続的に観察し得るように構成したことを特徴とする立体表示装置である。
【００１３】
ここで、実鏡映像結像光学系は、対称面を境にして被投影物を面対称位置に歪みのない実像として結像するものであり、上述した２面コーナーリフレクタアレイによって構成したものが適切であるが、マイクロレンズアレイ（アフォーカルレンズアレイを含む）によって構成したものや、その他のレンズや反射鏡等の光学機器を用いて構成した光学系であってもよい。拡散面としては、実鏡映像結像光学系とは独立した光拡散板（硬質な板状のもの、又はフィルムやシートを含み、幾何光学的なものあるいは波動光学的な動作原理であってもよい）を用いたり、実鏡映像結像光学系自体に光の拡散機能を持たせたものを用いることができる。また、本発明で用いるプロジェクタアレイを構成するプロジェクタには、拡散面に焦点を結んで投影できるものであればよく、一般的なプロジェクタあるいは、液晶ディスプレイの画面をレンズアレイ等の光学系によって複数に分割して投影してもよい。拡散面に対して斜め投影となる場合には、プロジェクタの投影光学系が斜め投影を前提に設計されていなければ、レンズから拡散面までの距離が拡散板各点で変化するために、投影画像は台形状となり、投影場所によって焦点位置と解像度が変わることになる。これを避けるためには、プロジェクタの投影光学系を斜め投影を前提として設計することが望ましいが、焦点深度を深めとすることで対応することも可能である。このようなプロジェクタアレイで投影される映像は、カメラで実際物を撮影しながらその映像をプロジェクタアレイに転送してリアルタイムで投影したものであってもよいし、予め撮影済み又は作成済みの映像データを投影したものとしてもよい。
【００１４】
本発明における拡散面における拡散角の役割は、拡散された結像瞳によって射出瞳の瞳結像面を隙間なく埋めることを目的としている。プロジェクタの映像の結像位置に拡散面を設けたことによって、映像そのものは拡散面自体が透過型スクリーンとして機能するため、プロジェクタから投影される映像の解像度は高いままであるのに対して、射出瞳は結像途中において拡散面で拡散されて、実鏡映像結像光学系を通じて結像するために、ぼやけることになる。そのため、空間に開いた穴として結像した射出瞳の実鏡映像（結像瞳）はその境界（周縁部）もはっきりしなくなり、隣接する結像瞳同士を連続させることができることとなり、ある一つの結像瞳の位置から目が外れても、その映像が突然消えることはなく、徐々に見えなくなるという効果が得られる。また、拡散角が大きすぎる場合には一つの視点においても複数プロジェクタの映像が重なって見えることになるため、適切な重なりが必要となる。なお、瞳結像面と記述しているが、結像には焦点深度があることから、必ずしも厚さのない面を意味するものではない。
【００１５】
また、プロジェクタアレイを構成するプロジェクタの数や配置は特に限定されるものではなく、複数のプロジェクタによるプロジェクタアレイの配置態様は、横方向又は縦方向に１列のみの１次元的配置、又は縦横の２次元的配置とすることができる。複数のプロジェクタを１次元的配置とした場合、特に観察者である人間の２つの目が左右の横方向に存在することに対応して複数のプロジェクタを横方向配置とすれば、結像した像の水平視差の表現が可能となる。この場合、拡散面による拡散機能は、横方向には狭角、縦方向には広角の異方性拡散が起こるものとすることが適切である。このようにすることで、結像した像に縦方向視差は与えられないものの、縦方向の視野角を拡大することが可能となる。なお、１次元的配置としては、横一列に直線的あるいは滑らかな曲線的に並べるのが簡単ではあるが、縦方向拡散角が十分大きい場合には、縦方向の多少のずれは問題がなく、また、瞳結像の焦点深度を考慮すると、奥行き方向のずれも多少のずれは問題がない。複数のプロジェクタを２次元的配置とした場合、拡散面による拡散機能は、隣接する射出瞳の実像が適度にオーバーラップする程度のボケが与えられる拡散角を持つものとすることが好適であり、これにより縦方向及び横方向の視差を表現することができる。２次元配置の場合には、四角格子でもよいが、オーバーラップを行うための拡散角を小さくするには三角格子がより適している。また、オーバーラップが適切に作れるのであれば、規則的に並ぶ必要もない。また、平面である必要はなく、曲面上に配置されていても構わない。この場合、瞳結像面も平面ではなく、曲面となる。さらに、瞳結像の焦点深度を考慮すると、必ずしも滑らかな曲面上に並ぶ必要はなく、奥行き方向の多少のずれも問題はない。
【００１６】
プロジェクタと対称面との間に拡散面が配置され、拡散面と対称面の間に空間が空いている場合、プロジェクタの焦点は拡散面に対して合わせられる。拡散面に投影された映像は、実鏡映像結像光学系によって、実像として対称面の反対側に結像する。この場合、実鏡映像結像光学系による結像となるので、解像度は拡散面に投影された映像よりも低下することになる。しかしながら、対称面よりも観察側に実像として提示されるので、プロジェクタアレイを１次元的配置として、縦方向視差を与えない場合においても、視差的に実像位置近辺に提示された立体像を見た場合、上下方向の視点移動に対しても、定位位置の移動ではなく、物体の回転という形での影響に抑えられる。また、拡散面の配置が比較的自由なため、拡散面に対してプロジェクタを垂直配置することは容易となる。なお、拡散面を対称面に対して水平配置等にすることも可能であるが、この場合において、実鏡映像結像光学系として後述する２面コーナーリフレクタアレイを用いた場合、２面コーナーリフレクタアレイには光線が斜めに入射する必要があるため、プロジェクタは拡散面に対して斜め投影とする必要がある。
【００１７】
一方、対称面に拡散面をほぼ一致させて配置している場合、観察者は、実鏡映像結像光学系による結像機能を通さずに、拡散面に投影された映像をそのまま観察することになるため、最も高解像度な映像を提示することができる。具体的な例としては、独立した拡散面を備えた拡散板を、実鏡映像結像光学系の上下に密着して配置するか、あるいは、実鏡映像結像光学系そのものに拡散機能を持たせるということが考えられる。例えば、実鏡映像結像光学系として後述する２面コーナーリフレクタアレイを適用し、その２面コーナーリフレクタアレイに拡散機能を持たせる方法の一つは反射面に拡散機能を持たせることであり、具体的には、反射面に微小構造物を形成し、幾何光学的、波動光学的に拡散機能を持たせる方法と、反射面を平面ではなく曲面とする方法、各反射面の角度をわずかにずらす方法等が考えられる。また、単位光学素子への入射面あるいは出射面が透明固体からなる場合には、入射（出射）面に微小構造物を形成し、幾何光学的、波動光学的に拡散機能を持たせる方法と、入射（出射）面を平面ではなく曲面とし、屈折による拡散機能を持たせる方法が考えられる。その他にも、２面コーナーリフレクタアレイの透過経路中に、光線を拡散する微粒子等を配置することや、単位光学素子を十分小さくして回折を生じさせる方法などが挙げられる。なお、対称面と拡散面を一致させた場合であっても、単位光学系と投影された画素は一般的には一致しないため、開口率が１００％でなければ、一部は隠されることになる。また、特に、プロジェクタから拡散面に斜め投影した場合には、プロジェクタの投影光学系が斜め投影に対応して設計されていなければ、焦点距離の問題とともに、投影場所によって画素と単位光学系の関係が変化するという問題が生じる。
【００１８】
実鏡映像結像光学系が、対称面を境にして一方側の空間から出射された光線を透過させて他方側の空間における面対称位置に実像である鏡映像を結像する単位光学系を複数備えており、これらの単位光学系の配置と各プロジェクタにより投影される画像の画素配置とを対応させた場合、単位光学系の大きさが投影画像の画素と等しいか大きく、拡散面がこの単位光学系に含まれるあるいはその極近傍に配置されているならば、各単位光学系を独立した画素として観察できることとなり、観察される映像の高解像度化を図ることができる。なお、単位光学系と投影画像の画素を1対1対応させた場合には、プロジェクタ画像の解像度そのままに表示することが可能となる。
【００１９】
また、対称面よりも観察側に拡散面が配置され、拡散面と対称面の間に空間が空いている場合、プロジェクタの映像を拡散面の位置に結像させるには、焦点位置に注意が必要である。つまりプロジェクタの映像は、何もない拡散面の対称面に対する面対称位置に焦点を合わせて実像として結像させなければならない。この実像が実鏡映像結像光学系によって、拡散板位置に再び実像として結像される。この方式を採用した場合は、実鏡映像結像光学系による結像結果を見ることになるため、解像度は上述した対称面と拡散面がほぼ一致する場合に比べて低下する。また、観察者が見る映像は、拡散面そのものの上に投影された映像であり、上述したプロジェクタと対称面との間に拡散面を配置した場合のように映像を実像として観察することはできなくなる。
【００２０】
結像瞳を適切に拡散した結果、複数のプロジェクタの各射出瞳の実鏡映像である結像瞳が結像している側から、プロジェクタアレイにより拡散面に投影された映像、又はその映像の実鏡映像結像光学系により結像した実鏡映像を観察すれば、両眼視差による立体映像を観察することが可能となり、しかも観察者の眼の瞳の位置が、結像瞳とその投影している映像の延長線上にあれば、観察位置を移動（すなわち視点移動）しても立体映像が途切れることなく連続的且つ滑らかに切り替わるように観察することができるという、プロジェクタを利用した映像投影方法として視差方式での立体映像の観察環境が得られることとなる。そして、本発明で観察できる立体映像は視差的に対称面よりも手前側に表示したとしても、各プロジェクタの映像を対称面の位置あるいはそれよりも観察者側に結像させることができるため、調節と輻輳の矛盾が小さいという特徴を持つ。
【００２１】
また、実鏡映像結像光学系としては、対称面となる所定の平面に略垂直であり相互に略直交する２つの鏡面から構成される２面コーナーリフレクタ（単位光学系に相当）を対称面上に複数並べた構成を有する２面コーナーリフレクタアレイ、又は対称面となる所定の平面に垂直な光軸を有するアフォーカルレンズ（単位光学系に相当）を対称面上に複数並べたアフォーカルレンズアレイを適用することが望ましい。２面コーナーリフレクタアレイを本発明における実鏡映像結像光学系とする場合、プロジェクタは対称面の垂線に対して傾斜した斜め方向から投射するのが好適であるため、プロジェクタを斜めに焦点が合う投影光学系とすることが望ましい。また、２面コーナーリフレクタアレイはマイクロミラーによる反射を基本原理として利用するものであるため、色収差が出ず、また結像される像は鏡映像であるために固有焦点距離がなく、任意の位置に配置したプロジェクタアレイの射出瞳を歪みなく結像できるという利点が得られる。一方、アフォーカルレンズアレイを本発明における実鏡映像結像光学系とする場合、対称面と直交する方向からの垂直投影が可能である。
【００２２】
２面コーナーリフレクタアレイは、前掲特許文献１に記載された本発明者の発明による等倍結像光学系である。２面コーナーリフレクタアレイの構造を単純に述べれば、所定の平面にほぼ垂直な２つの鏡面を相互に略直交させた構成の単位光学系（２面コーナーリフレクタ）を多数並べたものである。この２面コーナーリフレクタアレイを本発明の実鏡映像結像光学系に適用した場合、各プロジェクタの射出瞳から発した光線は、２面コーナーリフレクタアレイの対称面を透過する際に、各２面コーナーリフレクタの２つの鏡面でそれぞれ１回ずつ、合計２回反射して、対称面に対する射出瞳の面対称位置にこの瞳の実像として結像するが、拡散面により光線が拡散されるため、結像した像は射出瞳の大きさよりも広がり周縁部がボケたものとなる。なお、２面コーナーリフレクタアレイは、垂直配置された２枚の反射面による２回反射を原理とした結像光学素子であり、その構造も種々のものを用いることができ、四角い貫通穴構造の内壁を反射面としたものや、透明体による四角柱の内壁を反射面としたもの、スリットミラーアレイを直交させて２段重ねにしたもの、波型の板を並べたもの等様々である。また、２回反射の前後で屈折による光路の屈曲を対称的に行うものも同様の原理に含まれる
【００２３】
アフォーカルレンズアレイを本発明において実鏡映像結像光学系として利用する場合には、各レンズの表面の面精度を落としたり、レンズ表面に適度な大きさの突起物を形成したり、各レンズに気泡その他の異物を混入するなどして、アフォーカルレンズアレイ自体に光線の拡散機能を持たせることができる。
【００２４】
本発明に係る立体表示装置は、プロジェクタアレイで投影する映像として、複数のプロジェクタと物理的配置と共に光学的に共役となるように複数のカメラからなるカメラアレイで撮影した映像とすることで、カメラアレイで撮影しているものをそのまま再生することができる。１つの結像瞳を覗いた場合、１台のプロジェクタから投影された映像がそのまま観察できるが、プロジェクタと光学的に共役なカメラの映像を投影した場合には、カメラの瞳から眺めた映像がそのまま見えることになる。そして、複数のカメラおよびプロジェクタがその物理的配置をも共役としている場合には、そのままカメラアレイが撮影している情景がプロジェクタアレイで再生される。なお、スケールに関しては不変性を持つため、カメラ配置を物理的に拡大縮小してもそのまま再生することが可能である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る立体表示装置は、対称面に対する被投影物の面対称位置に歪みのない実像を結像する実鏡映像結像光学系と、光線を拡散させる拡散面とを併用し、プロジェクタアレイを構成する各プロジェクタの射出瞳から照射された映像を、その射出瞳の対称面を境とした面対称位置に、境界部（周縁部）をぼかした鏡映像である実像として結像させることができる。そのため、拡散面を備えない場合と比較して、観察者が射出瞳の結像を観察している目の位置を移動させた場合、結像から目が外れると突然映像が見えなくなるという不具合を解消し、映像が徐々に見えなくなるという視覚効果が得られるようにすることができる。現実的には、ある視点で観察していた射出瞳の結像は、その位置から視点をずらすと徐々に見えなくなるが、すぐ隣の射出瞳の結像が同じく境界部（周縁部）をボカした状態で形成されているため、視点移動を行っても略連続的に映像（結像）の観察を行うことができる。さらに、観察される像は対称面の位置もしくは対称面よりも観察者側に結像するため、対称面よりも手前側に飛び出す視差を与えた場合においても、調節と輻輳の矛盾を最小限に抑えられる。また、プロジェクタアレイが１次元的であって、縦方向視差を与えない場合においても、結像位置が視差位置近傍となっているために、縦方向の視点移動の際の定位の破たんを最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る立体表示装置の構成例を示す図。
【図２】同実施形態に適用される２面コーナーリフレクタアレイを模式的に示す平面図。
【図３】図２におけるＡ部を拡大して模式的に示す斜視図。
【図４】同２面コーナーリフレクタアレイにおける光線の結像様式を示す説明図。
【図５】同２面コーナーリフレクタアレイとプロジェクタの投影画素を対応させた例の説明図。
【図６】同実施形態の第１変形例に係る立体表示装置の構成例を示す図。
【図７】第１変形例を利用して垂直方向への視点移動の影響を説明する図。
【図８】同立体表示装置により観察される表示画像例を示す図。
【図９】同実施形態の第２変形例に係る立体表示装置の構成例を示す図。
【図１０】第２変形例に適用されるアフォーカルレンズアレイの結像様式を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る立体表示装置１は、図１に示すように、実鏡映像結像光学系２と、拡散面として機能する光拡散板３と、プロジェクタアレイ４とから構成され、プロジェクタアレイ４から投射された映像を、光拡散板３に結像させている。プロジェクタアレイ４の各射出瞳４１は、実鏡映像結像光学系２及び光拡散板３を透過させることにより実像である鏡映像として各結像瞳６のように空中に結像され、空間に空いた穴のように作用してこの穴を覗いた観察者によって裸眼で立体映像が観察されるようにしたものである。同図において、プロジェクタアレイ４を構成する各プロジェクタは、それぞれの射出瞳４１で代用して表している。以下、本実施形態の各構成要素について説明する。
【００２８】
実鏡映像結像光学系２は、図２に示すように、本実施形態では２面コーナーリフレクタアレイを適用したものである（以下、本実施形態及び図面において２面コーナーリフレクタアレイを符号２で示す）。この２面コーナーリフレクタアレイ２は、単位光学系として２面コーナーリフレクタ２１を多数備えたものである。ここでは、２面コーナーリフレクタ２１及び２面コーナーリフレクタアレイ２の基本機能を説明するため、被投影物を符号Ｏ、被投影物Ｏの２面コーナーリフレクタアレイ２により結像する実像である鏡映像（以下、実鏡映像）を符号Ｐで示す（図４参照）。全ての２面コーナーリフレクタ２１を各々構成する隣接する２つの鏡面２１ａ，２１ｂに対してほぼ垂直な平面を素子平面Ｓとしているが、この素子平面Ｓが本発明における対称面に相当する。すなわち、２面コーナーリフレクタアレイ２においては、素子平面Ｓを対称面として、素子平面Ｓで区画された空間のうち一方に被投影物Ｏを配置すると、被投影物Ｏから発した光線（被投影物Ｏ自体が発光する場合と、被投影物Ｏに当たった光が反射する場合の両方を含む）が２面コーナーリフレクタアレイ２を透過する際に、２つの鏡面２１ａ，２１ｂで１回ずつ、合計２回反射することにより、素子平面Ｓの他方側の空間において被投影物Ｏの素子平面Ｓに対する面対称位置に被投影物Ｏの実鏡映像Ｐが結像する。本実施形態では、概略矩形状をなす２面コーナーリフレクタアレイ２を適用している。
【００２９】
具体的に２面コーナーリフレクタアレイ２は、図２及び図３（図３は図２のＡ領域拡大斜視図である）に示すように、平板状の基盤２０を備え、この基盤２０に、平らな基盤表面に対して垂直に肉厚を貫通する正方形の穴２０ｈを多数形成し、各穴２０ｈの内壁面を２面コーナーリフレクタ２１として利用するために、穴２０ｈの内壁面のうち直交する２つにそれぞれ鏡面２１ａ，２１ｂを形成したものである。基盤２０は、厚み寸法が例えば５０〜１０００μｍ、本実施形態では１５０μｍの薄板状をなす平面視正方形状のものを適用している。なお。基盤２０の厚さや平面形状、平面寸法は適宜設定することができる。詳述すると、２面コーナーリフレクタアレイ２は、２つの鏡面２１ａ，２１ｂに対してほぼ垂直な平面を素子平面Ｓとするものであり、この素子平面Ｓを対称面として、面対称位置に被投影物Ｏの実鏡映像Ｐが結像する。なお、２面コーナーリフレクタ２１は２面コーナーリフレクタアレイ２の全体と比べて非常に微小であるので、図１においては２面コーナーリフレクタ２１の集合全体をグレーで表し、その内角の向きをＶ字形状で模式的に表してある。また、図３に示したように、２面コーナーリフレクタ２１は、光を透過させるために基盤２０に形成した物理的・光学的な穴２０ｈを利用して形成したものである。本実施形態では、まず基盤２０に平面視ほぼ矩形状（具体的に本実施形態では正方形状）の穴２０ｈを多数形成し、各穴２０ｈのうち隣接して直交する２つの内壁面に平滑鏡面処理を施して鏡面２１ａ，２１ｂとし、これら鏡面２１ａ，２１ｂを反射面として機能する２面コーナーリフレクタ２１としている。２面コーナーリフレクタ２１は、基盤２０上において鏡面２１ａ，２１ｂがなす内角が全て同じ向きとなるように形成している。以下、この鏡面２１ａ，２１ｂの内角の向きを、２面コーナーリフレクタ２１の向き（方向）と称することがある。本実施形態では、２面コーナーリフレクタ２１の向きを全て同一方向に設定している。鏡面２１ａ，２１ｂの形成にあたって本実施形態では、金属製の金型をまず作成し、鏡面２１ａ，２１ｂを形成すべき内壁面をナノスケールの切削加工処理をすることによって鏡面形成を行い、これらの面粗さを１０ｎｍ以下とし、可視光スペクトル域に対して一様に鏡面となるようにしている。
【００３０】
具体的に２面コーナーリフレクタ２１を構成する鏡面２１ａ，２１ｂは、一辺が例えば５０〜１０００μｍ、本実施形態では基盤２０の厚さに対応させた１５０μｍとしており、先に作成した金型を用いたプレス工法をナノスケールに応用したナノインプリント工法又は電鋳工法により、１つの基盤２０に所定ピッチで複数形成されている。本実施形態では、全ての２面コーナーリフレクタ２１が素子平面Ｓ上に想定される規則的な格子点上に整列されて同一方向を向くようにしている。なお、隣り合う２面コーナーリフレクタ２１同士の離間寸法を極力小さく設定することで、光線の透過率を向上させることができる。そして、前記基盤２０のうち、２面コーナーリフレクタ２１を形成した部分以外の部位には遮光処理を施し、基盤２０の上面及び下面に図示しない薄板状をなす透明な補強材を設けている。本実施形態では、このような２面コーナーリフレクタ２１を平面視正方形状の基盤２０に数万ないし数十万個設けた２面コーナーリフレクタアレイ２を採用している。なお、電鋳工法によりアルミニウムやニッケル等の金属で基盤２０を形成した場合、鏡面２１ａ，２１ｂは、金型の面粗さが十分小さければ、それによって自然に鏡面となる。また、ナノインプリント工法を用いて、基盤２０を樹脂製などとした場合には、鏡面２１ａ，２１ｂを作成するには、スパッタリング等によって、鏡面コーティングを施す必要がある。
【００３１】
また、穴２０ｈを、上述のような物理的な貫通穴構造として、隣接２内壁を鏡面としたものの他、樹脂やガラスなどの透明体による四角柱を形成して光学的な穴２０ｈを持つ単位光学素子とし、その隣接２内壁を全反射もしくは反射膜による鏡面とすることで、２面コーナーリフレクタとして利用することもできる。さらに、短冊状の細長い鏡面を平行に並べたスリットミラーアレイを直交させて２段に重ねることによっても、２回反射によって実鏡映像が結像する２面コーナーリフレクタアレイを構成することができる。この場合、直交する上側スリットと下側スリットによって作られる四角い光学的な穴が単位光学素子として機能する。
【００３２】
このようにして基盤２０に形成した２面コーナーリフレクタ２１は、基盤２０の表面側（又は裏面側）から穴２０ｈに入った光を一方の鏡面（２１ａ又は２１ｂ）で反射させ、さらにその反射光を他方の鏡面（２１ｂ又は２１ａ）で反射させて基盤２０の裏面側（又は表面側）へと通過させる機能を有し、この光の進入経路と射出経路とが基盤２０を挟んで面対称をなすことから、上述のように基盤２０上に多数の２面コーナーリフレクタ２１を形成することで、２面コーナーリフレクタアレイ２として機能する。すなわち、斯かる２面コーナーリフレクタアレイ２の素子平面Ｓ（基盤２０の肉厚の中央部を通り各鏡面と直交する面を仮定し、図３中に想像線で示す）は、基盤２０の一方側にある被投影物Ｏの実鏡映像Ｐを他方側の面対称位置にとして結像させる対称面となる。
【００３３】
ここで、２面コーナーリフレクタアレイ２による結像様式について、被投影物として点光源Ｏから発せられた光の経路とともに簡単に説明する。図４（ａ）に平面的な模式図で、同図（ｂ）に模式的な側面図でそれぞれ示すように、点光源Ｏから発せられる光線（矢印方向、実線で示す。３次元的には紙面奥側から紙面手前側へ進行する）は、２面コーナーリフレクタアレイ２の基盤２０（同図では省略）に形成した穴２０ｈ（同図では省略）を通過する際に、２面コーナーリフレクタ２１を構成する一方の鏡面２１ａ（又は２１ｂ）で反射して更に他方の鏡面２１ｂ（又は２１ａ）で反射しながら素子平面Ｓを透過し（透過光の光線を破線で示す）、２面コーナーリフレクタアレイ２の素子平面Ｓ（図４（ｂ）参照）に対して点光源Ｏの面対称位置（同図では、Ｐの位置）を広がりながら通過する。すなわち、結局は点光源Ｏの素子平面Ｓに対する面対称位置に透過光が集まり、実鏡映像Ｐとして結像することになる。
【００３４】
光拡散板３は、本実施形態では板状又はフィルム状のものを適用し、２面コーナーリフレクタアレイ２の基盤２０の下面側（プロジェクタアレイ４の配置側）に貼り付けるなどして密着させて素子平面Ｓと略平行に配置している。光拡散板３が光線を透過させる際の拡散特性は、結像の観察態様に伴うプロジェクタアレイ４の各プロジェクタの配置態様に応じて異なるものを採用すればよいが、本実施形態では、後述するようにプロジェクタを２次元配置したプロジェクタアレイ４を適用することに伴い、上下左右に隣接する各プロジェクタの射出瞳４１の実鏡映像（結像瞳６）同士が相互にオーバーラップする程度の等方的な散乱角を持つような光拡散板３を用いることとしている。光拡散板３の具体的な例としては、水平方向については拡散角３．３度（実測値）のレンティキュラレンズアレイを挙げることができる。このような光拡散板３を用いることにより、後述するようなプロジェクタアレイの実装品を用いる場合、１つのプロジェクタの射出瞳４１は約１３ｍｍの大きさに拡大されて、実像として結像することとなる。なお、後述するように、例えばプロジェクタの設置間隔を約１２ｍｍとする場合、水平方向については拡散して結像した射出瞳４１の像（以下、「結像瞳」６）は、多数の結像瞳６の集合が配列した平面である瞳結像面６Ｓを埋めるようになっている。垂直方向についても、プロジェクタアレイ４の配置を考慮して、水平方向と同様に結像瞳６の重なりを考慮している。
【００３５】
プロジェクタアレイ４は、２面コーナーリフレクタアレイ２の下面側の空間において、何れも同等な複数のプロジェクタ（図示省略）をそれぞれの射出瞳４１…が図１に示すように２次元格子状に整列して並ぶように配置したものである。詳述すると、各プロジェクタは、各射出瞳４１の光軸が２面コーナーリフレクタアレイ２の素子平面Ｓ及び光拡散板３に対して斜めの角度で交差するように、傾斜姿勢で配置される。各プロジェクタの射出瞳４１からは、光拡散板３をスクリーンとして焦点を合わせて映像が投影される。そのため、各プロジェクタは、光拡散板３に対して斜めに焦点が合うように映像を投影するよう調整されていることが望ましいが、焦点深度の範囲内であれば通常の正面投影型のプロジェクタも使用可能である。なお、プロジェクタアレイ４と光拡散板３との間に、各プロジェクタからの光線を一方向に屈曲させる屈曲光学系を配置し、プロジェクタから光拡散板３に対して垂直投影できるようにすれば、斜め投影に伴う調整は不要とすることができる。このような屈曲光学系としては、例えばプリズムアレイ、若しくは傾斜させた鏡面を持つスリットミラーアレイ等を利用することができる。さらに、光拡散板３に各射出瞳４１から投影された映像７の各画素７１，７２の配置と、２面コーナーリフレクタアレイ２における単位光学素子としての穴２０ｈの配置構成とが対応するようにしている。ただし、図５に示すように、穴２０ｈの配列と画素７１，７２の配列が４５度方向に回転している場合には、穴２０ｈと一致する画素７１（図中、グレイに塗りつぶされ穴２０ｈに内接する正方形で表される）のみを利用することで、単位光学素子としての穴２０ｈを単一の画素として独立に表示を行えるため、最も高解像度な画像提示が可能となる。各プロジェクタから投影される映像は、動画か静止画かを問わず予め撮影若しくは作成された映像データ（画像データ）や、カメラで撮影しているリアルタイムの映像データを利用することができる。例えば、各プロジェクタの結像瞳４１と物理的配置と共に光学的に共役となるように配置した複数台のカメラからなるカメラアレイ配置した場合、撮影対象からの光線は各カメラに入り、その光線をそのまま再現して対応する各プロジェクタから投影されることになり、カメラアレイとプロジェクタアレイ４とを相互に離れた場所に設置していれば、結果として撮影対象である３次元物体が映像としてそのまま伝送されることになる。具体的なプロジェクタアレイ４の実装としては、マルチプロジェクションの１方式として、プロジェクタ毎に独立して画像生成を行う分散システムによるものとすることが望ましい。このような実装とすることで、プロジェクタの追加が１台毎に行えるようになる。このような分散システムによるプロジェクタアレイ４では、図示しないが、各プロジェクタユニットは独立したＭＰＵボードに接続されている。使用するプロジェクタユニットは、例えばｑＨＤ（９６０Ｘ５４０）解像度で、大きさ３０Ｘ３１Ｘ７ｍｍ、明るさは６ｌｍのものを適用する。ＭＰＵボードは、所定のＣＰＵコア及びＧＰＵを搭載しているものとし、適宜の有線及び無線ＬＡＮ等の外部接続インターフェースを有しており、所定のＯＳで動作するものとする。すなわち、各プロジェクタは、独立したＯＳを搭載したコンピュータに接続されており、自由に画像表示が可能としている。各コンピュータは、視点だけが異なる画像を表示するため、立体データ及びプログラムを共通として、視点のみを相対的に変更すればよいようにしている。なお、プロジェクタ間の相対視点は不変であることから、予め固定パラメータとして指定することができる。つまり、新たな視点に対応するプロジェクタを増設する場合は、ハードウェア、ソフトウェアを共通のものとして、相対視点パラメータだけを変更すればよい。表示映像に対する視点を変更するには、基準視点のみを各コンピュータにブロードキャストすればよく、通信量は抑えられる。さらに、制御用のコンピュータも導入するが、表示時には視点情報を送るのみであり、特に処理能力は要求されない。本実施形態では、以上のようなプロジェクタユニット（射出瞳４１のみを図示している）及びコンピュータを組として、複数台を例えば１２ｍｍ間隔でアレイ状に並べてプロジェクタアレイ４を構成している。
【００３６】
以上のような各構成を有する本実施形態の立体表示装置１による結像方法及び観察方法について以下に説明する。この説明では、プロジェクタアレイ４における複数のプロジェクタの各射出瞳４１と、上述したようなカメラアレイにおける各カメラとを物理的光学的に共役となるように対応付け、カメラアレイで撮影した映像をプロジェクタアレイ４で投影し、その映像を観察する場合について説明する。まず、この立体表示装置１とは異なる位置に配置した物体をカメラアレイの各カメラで撮影し、その映像をプロジェクタアレイ４の対応する各プロジェクタの射出瞳４１から光拡散板３に焦点を合わせて斜め下方から投影する。投影された映像は光拡散板３をスクリーンとして投影される。２面コーナーリフレクタアレイ２の単位光学系である２面コーナーリフレクタ２１と光拡散板３に投影された映像７の画素７１，７２の配置とが対応するように配列されているため、光拡散板３が２面コーナーリフレクタアレイ２と一致もしくは十分接近している場合には、一つの画素７１に対応する光線が、一つの２面コーナーリフレクタによって反射されるため、投影画像の画素そのままの高解像度が得られる。また２面コーナーリフレクタアレイ２は光線の面対称変換を行うものであることから、映像が投影された光拡散板３は、２面コーナーリフレクタアレイ２の基盤２０の上面にそのまま結像（光拡散板実像５１）する。このとき、光拡散板３は２面コーナーリフレクタアレイ２に密着されているため、回折の影響をほぼ受けることなく高解像度で結像する。また、２面コーナーリフレクタアレイ２の単位光学系である２面コーナーリフレクタ２１が光拡散板３に投影された映像の画素配置と一致するように配列されているため、２面コーナーリフレクタアレイ２によって結像した光拡散板実像５１上の映像の実鏡映像５は、プロジェクタと全く同一の解像度として得られることとなる。また、各プロジェクタの射出瞳４１はそれ自体が光線を射出するものであるため、その光線が光拡散板３で一旦等方向的に拡散され、２面コーナーリフレクタアレイ２に到達し、各２面コーナーリフレクタ２１のそれぞれ２つの鏡面２１ａ，２１ｂで１回ずつ、合計２回反射して２面コーナーリフレクタアレイ２を透過して、各射出瞳４１の素子平面Ｓに対する面対称位置となる２面コーナーリフレクタアレイ２の上方の空間に実鏡映像として結像する。この結像した射出瞳４１の実鏡映像である結像瞳６は、光拡散板３で拡散された光線が結像したものであるため、射出瞳４１の正面視形状である円形よりも径が大きい円形とはなるが、その周縁部は明瞭ではなくぼやけた状態となって、隣接する射出瞳４１の結像瞳６同士が部分的に繋がった連続したものとなる。
【００３７】
このように結像した各射出瞳４１の結像瞳６の集合は、２面コーナーリフレクタアレイ２の上方の空間、詳細にはプロジェクタアレイ４の素子平面Ｓに対する面対称位置となる空間中の位置に、仮想的に開いた覗き窓となり、各結像瞳６から結像している光拡散板３の実像（光拡散板実像５１上の光拡散板３に投影された映像の実鏡映像５）を観察できることとなる。特に、観察者が両眼Ｖ，Ｖの位置（視点の位置）をそれぞれ近傍にある結像瞳６に合わせることで、光拡散板３に投影された映像の実鏡映像５を両眼視差による立体映像として、各プロジェクタの射出瞳４１から投影されたほぼそのままの高い解像度で観察することが可能である。すなわち、本実施形態の立体表示装置１は、１つの結像瞳６からは１台のプロジェクタ（射出瞳４１）から投影された映像がそのまま観察できるものであるため、まさにプロジェクタからの投影映像の解像度のままに観察することが可能である。さらに、各プロジェクタの射出瞳４１から投影された映像は、対応するカメラアレイの各カメラによって撮影された対象物そのものであるため、カメラアレイによる撮影とプロジェクタアレイ４による投影とをリアルタイムで同期させることで、離れた場所にある撮影対象をそのまま伝送して３次元像として高い解像度で観察することができる。さらに本実施形態では、マイクロミラーによる反射を利用した２面コーナーリフレクタアレイ２により光線を結像させるという構成を利用しているため、色収差が出にくく、結像される像（プロジェクタアレイ２から光拡散板３に投影された映像の実鏡映像５や、各プロジェクタの射出瞳４１の実像である結像瞳６）は鏡映像であるために固有焦点距離がなく、任意の位置に配置したプロジェクタアレイ２の射出瞳４１やそれによる映像を歪みなく結像することが可能である。
【００３８】
なお本発明の構成は、上述した実施形態に限られるものではない。例えば光拡散板３は、２面コーナーリフレクタアレイ２の基盤２０の上面側に配置したり、２面コーナーリフレクタアレイ２の基盤２０の下面又は上面からごくわずかの距離だけ離間させて配置する構成も採用することができる。２面コーナーリフレクタアレイ２の上面側に光拡散板３を配置する場合には、この光拡散板３の実鏡映像結像光学系の対称面に対する面対称位置に焦点を合わせてプロジェクタから映像を投影する。これにより、対称面下面側に実像として結像した映像が、実鏡映像結像光学系によってさらに面対称位置に実像として結像する。また、この２面コーナーリフレクタアレイ２の上面側の実像結像位置には、光拡散板３が配置されていることによって、この光拡散板３に焦点が合った映像が投影されることになる。
【００３９】
図６に示した上記実施形態の第１変形例である立体表示装置１００は、実鏡映像結像光学系としては上述の２面コーナーリフレクタアレイ２と同様のものを用い、複数のプロジェクタ射出瞳４１を１次元的に横方向に配列したプロジェクタアレイ１４０を適用し、プロジェクタアレイ１４０の各射出瞳４１から投射される光線に略正対させて当該プロジェクタアレイ１４０と２面コーナーリフレクタアレイ２の下面側との間の空間に光拡散板３を配置した構成を採用したものである。２面コーナーリフレクタアレイ２については、単位光学系である個々の２面コーナーリフレクタ２１を図３に示したような基盤２０に形成した四角形状の穴の２つの内面により形成されるものとして示しているが、各２面コーナーリフレクタ２１の大きさは図６では誇張して示してあり、実際は極めて小さいものである。各プロジェクタの映像は、光拡散板３に焦点を合わせて投影される。光拡散板３に投影された映像は、２面コーナーリフレクタアレイ２によって面対称位置となる２面コーナーリフレクタアレイ２の上面側の空間に実鏡映像１５０として結像する。この実鏡映像１５０は、光拡散板３そのものが２面コーナーリフレクタアレイ２によって面対称位置に結像している光拡散板実像１５１上に結像していると考えることができる。さらに、プロジェクタアレイ１４０の各射出瞳４１も２面コーナーリフレクタアレイ２によって面対称位置に結像しているが、その結像瞳６は、光拡散板３を透過した光線により生成されるものであるためボカされている。観察者が、表示された実鏡映像１５０上のある点を向いているとして、観察者の両眼Ｖ，Ｖ（視点）と実鏡映像１５０上の当該点を結ぶ直線上にプロジェクタの射出瞳４１の結像瞳６が存在しており、その結像瞳６から出射している光線が観察者の眼Ｖに入射するのであれば、観察者は実鏡映像１５０上の当該点を観察することができる。つまり、広い視点から連続した視点移動によって途切れることなく実鏡映像１５０を観察できるためには、結像瞳６によって空間中のある平面（すなわち結像瞳６の集合により形成される瞳結像面１６０Ｓ）を埋め尽くすことが必要となる。一般的に、プロジェクタの射出瞳４１は小さく、その射出瞳４１の像だけで瞳結像面１６０Ｓを埋め尽くすことは困難であるため、この変形例においても、拡散板３によって射出瞳４１の像をボカして拡大するという手法を用いている。上述したように、１次元的にプロジェクタアレイ１４０を構成していることから、水平方向は隣接する結像瞳６が重なる程度に拡散させ、垂直方向には適度に視域を確保できる程度に拡散させることで、瞳結像面１６０Ｓを拡散された瞳の実像で埋めることができるようにしている。なお、光拡散板３の垂直方向の拡散角については、視域を決定する役割を持つだけであるのでそれほど重要とはならない。この変形例においても、射出瞳４１の結像瞳６の位置に視点を置いて映像を観察する場合、１台のプロジェクタが投影する映像の実鏡映像１５０をそのまま見ることができ、横に視点移動するとその視点の映像を投影するプロジェクタからの映像の実鏡映像１５０をそのまま観察することができる。
【００４０】
以上の実施形態及びその変形例では、射出瞳４１の結像瞳６の位置に視点を置いて映像を観察した場合に、１台のプロジェクタが投影する映像の実鏡映像５をそのまま見ることができ、横に視点移動するとその視点の映像を投影するプロジェクタからの映像の実鏡映像５をそのまま観察できることになる場合を説明した。本発明では、各プロジェクタの射出瞳４１の拡散された実鏡映像６の集合によって、空間中のある面（瞳結像面）を埋めるようにしていることから、視点の位置と瞳結像面とは必ずしも一致させる必要はなく、その位置関係を、次のように変更しても映像の観察が可能である。すなわち、瞳結像面よりも視点が後ろ（２面コーナーリフレクタアレイ２から遠ざかる方向）にあるときは、瞳結像面の実像６がまるで空間に空いた穴のように働き、その穴を通して映像が観察できる。また、瞳結像面よりも視点が前（２面コーナーリフレクタアレイ２に近付く方向）にあるときには、この穴に吸い込まれていく光線によって映像が観察できる。なお、視点の位置と瞳結像面とが一致していない場合には、観察者の瞳に入る光線は、複数のプロジェクタが投影する光線となり、これらを合成した映像が観察される。
【００４１】
ここで、上記変形例を利用して、プロジェクタアレイ配列が1次元で横方向視差しか与えていない立体表示装置１００における垂直方向への視点移動の影響について、図７を参照して説明する。例えば、同図に示すように、光拡散板実像１５１の位置と視差による定位位置をほぼ一致させたとする。この場合、垂直視点移動（観察者の眼Ｖの垂直方向への移動）を行っても、実鏡映像１５０の見かけの垂直位置は、実像として光学的には、まさにそこに存在しているために変化することがない。ただし、実鏡映像１５０は２次元映像であり、視点が移動しても映像が変化しないため、立体としての解釈を行うと実鏡映像１５０は、視点移動に追従するように回転しているように見えることは避けられないが、垂直運動に伴う定位感、実在感の破綻を最小限に抑えることが可能となる。
【００４２】
本実施形態の立体表示装置１００による表示画像例を図８に示す。同図は、テーブルに載置されたポットと、ポットの先端に棒を近付けた画像を示しており、同図左側は観察者の左目の視点から観察される画像であり、同図右側は観察者の右目の視点から観察される画像である。画面上に見える棒の先端は、空間上のある１点を指している。この棒の先端は、映像であるポットの先端と一致しているが、視点を上下に移動させてもこの関係が維持される位置に表示されている。なお、このような垂直方向の視点移動に対しては、拡散板３の実像（すなわち光拡散板３に投影された映像の実鏡映像５）の位置が重要な要素となる。拡散板３の実像の位置と視差上の位置が一致している場合には、垂直視点移動によっても定位位置は動かない。
【００４３】
また、拡散面として、光拡散板３を用いず、２面コーナーリフレクタアレイ２自体に光拡散機能を付帯させることも可能である。例えば、各２面コーナーリフレクタ２１の鏡面２１ａ，２１ｂの鏡面粗さを、光線が適度に拡散する程度に粗いものとしたり、曲面（凸面、凹面）にするなどの上述したような加工を施すことにより、幾何光学的あるいは波動光学的に２面コーナーリフレクタアレイ２に拡散面の機能を兼ねさせることができる。また、光拡散板３に投影される映像の画素よりも、２面コーナーリフレクタアレイ２の単位光学系である２面コーナーリフレクタ２１を十分小さくすれば、１つの画素に複数の２面コーナーリフレクタ２１を対応づけることができるため、解像度をより細かく調整することが可能となる。また、拡散面（光拡散板３）は、平面だけでなく曲面とすることも可能である。
【００４４】
実鏡映像結像光学系としては、上述した実施形態の２面コーナーリフレクタアレイ２に代えて、図９に別の変形例（第２変形例）として示す立体表示装置２００のようなアフォーカルレンズアレイ２２０を適用することも可能である。アフォーカルレンズアレイ２２０は、図１０に示すように、多数のアフォーカルレンズ２２１を１つの素子平面２２０Ｓ上に並べて構成される。具体的にアフォーカルレンズ２２１は、素子平面２００Ｓに垂直な光軸ｇを共有し且つ互いの焦点距離ｆｓ，ｆｅを隔てた２つのレンズ２２１ａ、２２１ｂから構成される。この例では、レンズ２２１ａ、２２１ｂとして共に凸レンズを適用している。これにより、素子平面２２０Ｓの一方側からレンズ２２１ａ…に入射した光は、それぞれ対をなす他方側のレンズ２２１ｂ…から出射して、光源とは素子平面２２０Ｓに対して面対称となる位置に集光する。すなわち、光源となるプロジェクタの各射出瞳４１から光拡散板３に投影された映像は、光拡散板３の素子平面２２０Ｓに対する面対称位置に結像する（光拡散板実像２５１）。また、プロジェクタアレイ２４０の各射出瞳４１は、アフォーカルレンズアレイ２２０により結像し（結像瞳６）、光路の途中で光拡散板３によりボカされたことにより一定の平面（瞳結像面２６０Ｓ）を埋める。なお、アフォーカルレンズアレイ２２０を用いて映像を素子平面２２０Ｓに対する面対称位置に実像として結像させる場合、視野角は素子平面２２０Ｓに対して垂直に近い方向に制限される。そのため、この変形例では、プロジェクタアレイ２４０をアフォーカルレンズアレイ２２０の真下から直上にアフォーカルレンズアレイ２２０の光軸ｇと平行に映像を投影するように配置し、プロジェクタアレイ２４０とアフォーカルレンズアレイ２２０との間において投影される映像と垂直となるように光拡散板２３０を配置している。この変形例の場合、観察者は両眼Ｖ，Ｖの視点をアフォーカルレンズアレイ２２０の直上に位置付けて真下を覗き込むようにすれば、投影された映像の実鏡映像２５０を、結像した光拡散板実像２５１上に観察することができる。
【００４５】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、立体映像を見せながら行うアミューズメントや会議、調査等の他にも、特に高解像度立体映像生中継が必要とされる用途として例えば遠隔手術等における好適な立体映像表示・伝送システムにも利用可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１，１００，２００…立体表示装置
２，２００…実鏡映像結像光学系（２面コーナーリフレクタアレイ，アフォーカルレンズアレイ）
２１…単位光学系（２面コーナーリフレクタ）
３…拡散面（光拡散板）
４，１４０，２４０…プロジェクタアレイ
４１…射出瞳
５，１５０，２５０…光拡散板３に投影された映像の実鏡映像
６…結像瞳
６Ｓ，１６０Ｓ，２６０Ｓ…瞳結像面
７…プロジェクタの投影画像
７１，７２…プロジェクタの投影画素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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