(57)【要約】【課題】観察者が特別な装置を装着することなく、かつ作業空間を阻害する装置を必要とせずに、任意の数の観察者が周囲の任意の位置から観察することができる立体画像を提示する立体ディスプレイを提供する。【解決手段】光線制御子１は、円錐台形状を有し、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。光線制御子１は、光線を稜線方向において拡散させつつ透過させ、円周方向において拡散させずに直線状に透過させる。テーブル５の下方には、回転モジュール６が設けられる。回転モジュール６の回転台６３上には、１または複数の走査型プロジェクタ２が光線制御子１の軸を中心とする円周上に配置される。１または複数の走査型プロジェクタ２は回転モジュール６により回転する。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、回転する１または複数の走査型プロジェクタ２を制御する。【選択図】図１４
2011048273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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前記光線制御子の周囲に配置された少なくとも１つ光線発生器と、
前記少なくとも１つの光線発生器を光線制御子の中心軸周りで回転させる回転機構と、
前記立体形状データに基づいて、回転する前記少なくとも１つ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少なくとも１つの光線発生器を制御する制御手段とを備え、
前記光線制御子は、前記少なくとも１つの光線発生器により照射された各光線を周方向において拡散させずに透過させるとともに稜線方向において拡散させて透過させるように形成されたことを特徴とする立体ディスプレイ。
【請求項２】
前記基準面は、テーブルの天板の上面であり、前記天板は開口部を有し、前記光線制御子は、前記天板の前記開口部に嵌め込まれたことを特徴とする請求項１記載の立体ディスプレイ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの光線発生器はプロジェクタを含むことを特徴とする請求項１または２記載の立体ディスプレイ。
【請求項４】
前記光線制御子は、前記周方向に延びるとともに前記稜線方向に並ぶように形成された突条部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ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の立体ディスプレイ。
【請求項５】
前記光線制御子は、光線を第１の方向において拡散させずに透過させるとともに前記第１の方向に直交する第２の方向において拡散させて透過させるシート材により形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の立体ディスプレイ。
【請求項６】
前記制御手段は、前記少なくとも１つの光線発生器により前記光線制御子に照射される光線の色を出射方向ごとおよび前記少なくとも１つの光線発生器の回転位置ごとに制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の立体ディスプレイ。
【請求項７】
前記基準面の下方でかつ前記光線制御子の外側に設けられた反射部材をさらに備え、
前記少なくとも１つの光線発生器は、前記反射部材よりも内側において前記反射部材に向けて光線群を出射するように配置され、
前記反射部材は、前記少なくとも１つの光線発生器により出射される光線群を反射して前記光線制御子の外周面に照射するように配置されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の立体ディスプレイ。
【請求項８】
前記少なくとも１つの光線発生器は、前記光線制御子の周囲に等角度間隔で配置された複数の光線発生器を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずかに記載の立体ディスプレイ。
【請求項９】
観察者の眼の位置を検出する検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記検出手段により検出された眼の位置に基づいて、前記少なくとも１つの光線発生器を制御することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の立体ディスプレイ。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記観察者の眼の位置にかかわらず観察者により認識される立体画像の各画素の位置が一定になるように前記少なくとも１つの光線発生器を制御することを特徴とする請求項９記載の立体ディスプレイ。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記観察者の眼が予め設定された視域にある場合に基準の立体画像が提示されるように前記少なくとも１つの光線発生器を制御し、前記観察者の眼が予め設定された視域から外れた位置にある場合に提示される立体画像が前記基準の立体画像と一致するように前記少なくとも１つの光線発生器により発生される光線群を補正することを特徴とする請求項１０記載の立体ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立体画像を提示する立体ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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たり、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。
【０００４】
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。
【０００５】
前者の課題を解決するために、人に特殊な眼鏡を装着させて平面画像を立体視をさせる方法が提案されている。しかしながら、この方法では、人の位置を追跡しつつ平面画像を表示する必要があるので、参加人数が制限されたり、眼鏡の装着の違和感があるため、自然な立体画像の観察にはほど遠い。
【０００６】
後者の課題を解決するために、テーブルの上面を特殊なスクリーンで構成することにより、四角いテーブルの４方向の観察者にそれぞれ異なる画像を提供するシステムが提案されている。この場合、４方向に平面画像が提示されるので、画像の立体視のためには、別途特殊な眼鏡が必要になる。
【０００７】
また、複数のＣＲＴ（陰極線管）映像表示装置、複数の光路折り返しミラーおよび複数の凸レンズを円環状に並べることにより、複数の方向から画像を見ることが可能な複数方向実像表示装置が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、この複数方向実像表示装置においても、複数のＣＲＴ映像表示措置により複数の平面画像を表示しているに過ぎない。
【０００８】
一方、ディスプレイに映された像を、レンズによるリレー光学系で空中に結像させたり、ハーフミラーで背景と混在させるシステムも提案されている。このようなシステムによると、像が空中に浮かんで見えるので、擬似的な立体感を得ることができる。しかしながら、提示されるのは二次元の平面画像であるため、十分な立体感が得られない。また、画像を観察することができる位置は特定の視点位置に限定される。したがって、気軽に複数人が画像を観察できない。
【０００９】
また、回転する円盤または前後方向に移動する板からなるスクリーンに画像を投影することにより、擬似的な空間像を再現する方式も提案されている。この方式では、裸眼で複数人が擬似的な立体画像を共有することができる。しかしながら、立体画像をテーブル上に提示するためには、上記のようなスクリーンをテーブル上に配置する必要がある。その場合、テーブル上の作業空間が制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１５０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記のように、テーブル上での共同作業を支援するための立体ディスプレイにおいては、複数の人が制限なく気軽に共同作業に参加できるように眼鏡または視線追跡システム等の特別な装置を装着することなく、自然な裸眼で立体画像を観察可能であることが望まれる。また、３６０度の周囲の位置からテーブル上を見た場合に適切な空間位置に立体画像が提示されることが望まれる。さらに、観察位置が特定の視点位置に制限されないことが望まれる。また、テーブル等の作業面上に作業を阻害する装置が不要であることが望まれる。
【００１２】
本発明の目的は、観察者が特別な装置を装着することなく、かつ作業空間を阻害する装置を必要とせずに、任意の数の観察者が周囲の任意の位置から観察することができる立体画像を提示する立体ディスプレイを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（１）  本発明に係る立体ディスプレイは、立体形状データに基づいて立体画像を提示するための立体ディスプレイであって、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光線制御子の周囲に配置された少なくとも１つ光線発生器と、少なくとも１つの光線発生器を光線制御子の中心軸周りで回転させる回転機構と、立体形状データに基づいて、回転する少なくとも１つ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少なくとも１つの光線発生器を制御する制御手段とを備え、光線制御子は、少なくとも１つの光線発生器により照射された各光線を周方向において拡散させずに透過させるとともに稜線方向において拡散させて透過させるように形成されたものである。
【００１４】
本発明に係る立体ディスプレイにおいては、光線制御子が錐体形状または柱体形状を有する。この光線制御子は、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。また、少なくとも１つの光線発生器が、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光線制御子の周囲に配置される。光線発生器は、回転機構により光線制御子の中心軸周りで回転する。立体形状データに基づいて、回転する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が制御手段により制御される。
【００１５】
なお、錐体形状は、円錐、楕円錐または多角錐に限定されず、円錐台、楕円錐台または角錐台を含む。また、柱体形状は、円柱、楕円柱および角柱を含む。
【００１６】
この場合、光線制御子は、光線発生器により照射された各光線を周方向において拡散させずに透過させる。それにより、光線発生器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、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立体画像が提示される。
【００１７】
ここで、観察者が基準面の上方から光線制御子の内周面を観察した場合、光線制御子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、光線制御子の上方または内部の空間に提示される立体画像を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。
【００１８】
また、光線制御子は、光線発生器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た場合には、立体画像の位置も上下して見える。したがって、観察者の視点位置が制限されない。
【００１９】
さらに、基準面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、提示される立体画像を用いた作業を行うための作業空間を基準面上に確保することができる。
【００２０】
また、光線発生器が回転しつつ光線制御子の外周面に光線群を照射するので、光線発生器の数が少ない場合でも、円周方向において途切れた部分を有しない連続的な立体画像が提示される。
【００２１】
（２）  基準面は、テーブルの天板の上面であり、天板は開口部を有し、光線制御子は、天板の開口部に嵌め込まれてもよい。
【００２２】
この場合、テーブルの天板上の空間に立体画像が提示される。それにより、テーブルを囲んで複数人により同じ立体画像を用いた作業を気軽に行うことができる。なお、開口部に透明材料からなる蓋が嵌めこまれてもよい。
【００２３】
（３）  少なくとも１つの光線発生器は、プロジェクタを含んでもよい。
【００２４】
この場合、プロジェクタにより複数の光線からなる光線群を容易に光線制御子の外周面に照射することができる。
【００２５】
（４）  光線制御子は、周方向に延びるとともに稜線方向に並ぶように形成された突条部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てもよい。
【００２６】
この場合、錐体形状または柱体形状の外周面または内周面の突条部により各光線を周方向において拡散させずに透過させるとともに稜線方向において拡散させて透過させることができる。
【００２７】
（５）  光線制御子は、光線を第１の方向において拡散させずに透過させるとともに第１の方向に直交する第２の方向において拡散させて透過させるシート材により形成されてもよい。
【００２８】
この場合、指向性を有するシート材により各光線を周方向において拡散させずに透過させるとともに稜線方向において拡散させて透過させることができる。
【００２９】
（６）  制御手段は、少なくとも１つの光線発生器により光線制御子に照射される光線の色を出射方向ごとおよび少なくとも１つの光線発生器の回転位置ごとに制御してもよい。
【００３０】
この場合、光線の出射方向ごとおよび光線発生器の回転位置ごとに制御される複数の光線の交点にそれぞれ色を有する複数の点光源が生成される。それにより、高い解像度を有するカラーの立体画像が提示される。
【００３１】
（７）  立体ディスプレイは、基準面の下方でかつ光線制御子の外側に設けられた反射部材をさらに備え、少なくとも１つの光線発生器は、反射部材よりも内側において反射部材に向けて光線群を出射するように配置され、反射部材は、少なくとも１つの光線発生器により出射される光線群を反射して光線制御子の外周面に照射するように配置されてもよい。
【００３２】
この場合、光線発生器を光線制御子の中心軸により近い位置に設けることができる。それにより、回転機構の半径方向の大きさを小さくすることができる。したがって、光線発生器をより高速に回転させることが可能になる。その結果、少ない数の光線発生器を用いて解像度の高い立体画像を提示することができる。
【００３３】
（８）  少なくとも１つの光線発生器は、光線制御子の周囲に等角度間隔で配置された複数の光線発生器を含んでもよい。
【００３４】
この場合、回転機構による光線発生器の回転速度が比較的低い場合でも、高い解像度を有する立体画像を提示することが可能となる。
【００３５】
（９）  立体ディスプレイは、観察者の眼の位置を検出する検出手段をさらに備え、制御手段は、検出手段により検出された眼の位置に基づいて、少なくとも１つの光線発生器を制御してもよい。
【００３６】
観察者の眼の位置が異なると、観察者が視認する立体画像が変形する。そこで、検出手段により検出された眼の位置に基づいて光線発生器を制御することにより観察者の眼の位置による立体画像の変形を防止することが可能になる。
【００３７】
（１０）  制御手段は、観察者の眼の位置にかかわらず観察者により視認される立体画像の各画素の位置が一定になるように少なくとも１つの光線発生器を制御してもよい。
【００３８】
この場合、観察者の眼の位置にかかわらず観察者により視認される立体画像を一定にすることができる。
【００３９】
（１１）  制御手段は、観察者の眼が予め設定された視域にある場合に基準の立体画像が提示されるように少なくとも１つの光線発生器を制御し、観察者の眼が予め設定された視域から外れた位置にある場合に提示される立体画像が基準の立体画像と一致するように少なくとも１つの光線発生器により発生される光線群を補正してもよい。
【００４０】
この場合、観察者の眼が予め設定された視域にある場合には、基準の立体画像が提示される。観察者の眼が視域から外れた位置にある場合には、提示される立体画像が基準の立体画像と一致するように光線発生器により発生される光線群が補正される。それにより、観察者の眼の位置による立体画像の変形が確実に防止される。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、観察者が特別な装置を装着することなく、かつ作業空間を阻害する装置を必要とせずに、任意の数の観察者が任意の位置から観察することができる立体画像が提示される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】参考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】図１の立体ディスプレイの模式的平面図である。
【図３】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】光線制御子の一例の一部の拡大断面図である。
【図５】光線制御子の他の例の一部の拡大断面図である。
【図６】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７】光線制御子の他の構成を説明するための模式図である。
【図８】光線制御子のさらに他の構成を説明するための模式図である。
【図９】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。
【図１０】立体画像の提示方法を説明するための模式的平面図である。
【図１１】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。
【図１２】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１３】観察者の眼が円環状視域から外れた位置にある場合の光線群の補正を説明するための図である。
【図１４】本発明の第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１５】図１４の立体ディスプレイの模式的平面図である。
【図１６】立体画像の提示方法を説明するための模式的平面図である。
【図１７】本発明の第２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１８】図１７の立体ディスプレイの模式的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明の理解を容易にするために、最初に参考形態に係る立体ディスプレイについて説明し、次に本発明の実施の形態に係る立体ディスプレイについて説明する。
【００４４】
（１）参考形態
（１−１）立体ディスプレイの構成
図１は参考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。
【００４５】
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、記憶装置４および複数のカメラ８により構成される。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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１００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。
【００５３】
複数のカメラ８は、テーブル５の周囲にいる観察者１０の顔を撮像するように配置される。複数のカメラ８により得られる画像データは、制御装置３に与えられる。制御装置３は、複数のカメラ８から与えられる画像データに基づいて各観察者１０の眼の位置（視点）を算出し、後述する視点追跡による光線群の補正を行う。
【００５４】
（１−２）光線制御子１の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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
図４〜図６の光線制御子１における環状レンズ１２、環状プリズム１３および透明素材１４の配列ピッチ（中心間の距離）は、１ｍｍ以下であることが好ましく、例えば０．４〜０．５ｍｍである。
【００６７】
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。
【００６８】
図７（ｂ）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、複数の三角シート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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
本実施の形態の形態では、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。
【００７２】
（１−３）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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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（デジタルミラーデバイス）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）またはＬＣＤ（液晶ディスプレイ）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。
【００７９】
（１−４）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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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の位置が移動する。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。
【００８８】
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。
【００８９】
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から算出された色をそれぞれ有する光線群が出射される。
【００９０】
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。
【００９１】
（１−５）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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
（１−６）視点追跡による光線群の補正機能
複数の観察者１０がテーブル５の周囲に着座している場合には、複数の観察者１０の眼は、光線制御子１の軸Ｚからほぼ一定の距離でかつほぼ一定の高さの位置（基準の位置）にあるとみなすことができる。そこで、図１および図２に示すように、複数の観察者１０の眼が位置する円環状の領域を円環状視域５００として設定する。
【００９８】
制御装置３は、複数の観察者１０の眼が円環状視域５００にあるものとして各走査型プロジェクタ２を制御する。それにより、複数の観察者１０の眼が円環状視域５００にある場合に、複数の観察者１０は、同じ高さに同じ形状の立体画像３００を視認することができる。
【００９９】
図１１を用いて説明したように、垂直方向における観察者１０の眼の位置により観察者１０が視認する立体画像３００の各画素の位置が移動する。そのため、観察者１０の眼が円環状視域５００から外れた位置にある場合には、立体画像３００が変形して見える。
【０１００】
そこで、本参考形態に係る立体ディスプレイでは、視点追跡により検出される各観察者１０の眼の位置に基づいて各走査型プロジェクタ２から光線制御子１に照射される光線群が補正される。
【０１０１】
図１３は観察者１０の眼が円環状視域５００から外れた位置にある場合の光線群の補正を説明するための図である。
【０１０２】
図１３において、円環状視域５００は、光線制御子１の軸Ｚから水平方向において距離ｄ１でかつテーブル５の天板５１から高さＨ１の位置にあるものとする。ここでは、立体画像３００の１つの画素ＰＩＸを光線制御子１の上方の標準の位置ＰＳに提示する方法について説明する。
【０１０３】
観察者の眼が円環状視域５００上の位置Ｉ１にある場合には、立体画像３００の画素ＰＩＸの色を有する光線Ｌ３１が走査型プロジェクタ２から光線制御子１の外周面の位置Ｐ１に照射される。位置Ｐ１に照射された光線Ｌ３１は、光線制御子１で垂直方向において拡散され、拡散された１本の光線が標準の位置ＰＳを通過して位置Ｉ１にある観察者の眼に入射する。それにより、観察者は、標準の位置ＰＳに画素ＰＩＸを視認することができる。
【０１０４】
観察者の眼が円環状視域５００よりも上方の高さＨ２の位置Ｉ２にある場合には、立体画像３００の画素ＰＩＸの色を有する光線Ｌ３２が走査型プロジェクタ２から光線制御子１の外周面の位置Ｐ２に照射される。位置Ｐ２に照射された光線Ｌ３２は、光線制御子１で垂直方向において拡散され、拡散された１本の光線が標準の位置ＰＳを通過して位置Ｉ２にある観察者の眼に入射する。それにより、観察者は、標準の位置ＰＳに画素ＰＩＸを視認することができる。
【０１０５】
観察者の眼が円環状視域５００と同じ高さで水平方向において軸Ｚから距離ｄ２の位置Ｉ３にある場合には、立体画像３００の画素ＰＩＸの色を有する光線Ｌ３３が走査型プロジェクタ２から光線制御子１の外周面の位置Ｐ３に照射される。位置Ｐ３に照射された光線Ｌ３２は、光線制御子１で垂直方向において拡散され、拡散された１本の光線が標準の位置ＰＳを通過して位置Ｉ３にある観察者の眼に入射する。それにより、観察者は、標準の位置ＰＳに画素ＰＩＸを視認することができる。
【０１０６】
具体的には、制御装置３は、カメラ８から与えられる画像データに基づいて観察者の眼の位置の座標を算出する。観察者の眼の位置が円環状視域５００上にある場合には、制御装置３は、眼の位置と標準の位置ＰＳとを通る直線が光線制御子１と交差する位置Ｐ１に画素ＰＩＸの色を有する光線Ｌ３１が照射されるように走査型プロジェクタ２を制御する。
【０１０７】
観察者の眼が円環状視域５００から外れた位置にある場合には、制御装置３は、眼の位置と標準の位置ＰＳとを通る直線が光線制御子１と交差する位置に画素ＰＩＸの色を有する光線が照射されるように走査型プロジェクタ２を制御する。
【０１０８】
このようにして、制御装置３は、観察者の眼の位置に応じて標準の位置ＰＳに画素ＰＩＸを提示するための光線の方向を補正する。換言すると、制御装置３は、観察者の眼の位置に応じて画素ＰＳの色を有する光線が観察者の眼に入射するように、走査型プロジェクタ２から出射される光線群の各光線の色を補正する。その結果、観察者は、眼の位置にかかわらず同一の形状を有する立体画像３００を視認することができる。
【０１０９】
なお、観察者の眼が円環状視域５００と標準の位置ＰＳとを通る直線上にある場合には、観察者の眼が円環状視域５００から外れた位置にあっても、観察者の眼が円環状視域５００上にある場合と同様に、立体画像３００の画素ＰＩＸの色を有する光線Ｌ３１が走査型プロジェクタ２から光線制御子１の外周面の位置Ｐ１に照射される。それにより、観察者は、標準の位置ＰＳに画素ＰＩＸを視認することができる。
【０１１０】
このように、観察者の眼の位置に応じて走査型プロジェクタ２から出射される光線群を補正することにより観察者の眼の位置にかかわらず立体画像３００が変形することなく提示される。
【０１１１】
（１−７）参考形態の効果
参考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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
また、観察者の眼の位置に応じて走査型プロジェクタ２から出射される光線群を補正することにより観察者の眼の位置にかかわらず立体画像３００が変形することなく提示される。
【０１１６】
（２）第１の実施の形態
上記の参考形態に係る立体ディスプレイによれば、円周方向において途切れた部分を有しない連続的な立体画像３００を提示するためには、多数の走査型プロジェクタ２を円周方向に密に設ける必要がある。この場合、立体ディスプレイの製造コストが高くなる。
【０１１７】
以下に説明する本発明の実施の形態に係る立体ディスプレイでは、少ない数の走査型プロジェクタ２を用いて連続的な立体画像３００を提示することができる。
【０１１８】
（２−１）立体ディスプレイの構成
図１４は本発明の第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１５は図１４の立体ディスプレイの模式的平面図である。
【０１１９】
図１４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、記憶装置４、回転モジュール６および複数のカメラ８により構成される。
【０１２０】
図１４および図１５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。
【０１２１】
光線制御子１の構成および製造方法は、参考形態における光線制御子１の構成および製造方法と同様である。
【０１２２】
図１４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。
【０１２３】
テーブル５の下方には、回転モジュール６が設けられる。回転モジュール６は、モータ６１、回転軸６２、回転台６３、信号伝送装置６４および回転量計測器６５により構成される。回転軸６２は、鉛直方向に延び、光線制御子１の軸Ｚと共通の直線上に位置するようにモータ６１に取り付けられる。回転軸６２には、回転台６３が水平姿勢で取り付けられる。回転軸６２と回転台６３との間には信号伝送装置６４が設けられる。信号伝送装置６４は、静止体と回転体との間で電力または信号を伝送するための装置である。信号伝送装置６４としては、例えばスリップリングまたは光ロータリジョイント等を用いることができる。
【０１２４】
また、回転軸６２には、回転量計測器６５が設けられる。回転量計測器６５は、回転軸６２の回転位置を検出するために用いられる。回転量計測器６５としては、例えばロータリエンコーダ等を用いることができる。モータ６１は、制御装置３により制御される。
【０１２５】
回転台６３上には、複数の走査型プロジェクタ２が固定される。本実施の形態では、複数の走査型プロジェクタ２は、光線制御子１の軸Ｚを中心とする円周上に等角度間隔で配置される。なお、複数の走査型プロジェクタ２は、必ずしも等角度間隔で配置されなくてもよい。ただし、複数の走査型プロジェクタ２の回転を安定させるため、および複数の走査型プロジェクタ２の制御を容易にするためには、本実施の形態にように複数の走査型プロジェクタ２が等角度間隔で配置されることが好ましい。
【０１２６】
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。
【０１２７】
回転台６３上の複数の走査型プロジェクタ２および回転量計測器６５は、信号伝送装置６４を介して制御装置３に接続される。
【０１２８】
モータ６１が作動すると、回転軸６２が回転台６３および複数の走査型プロジェクタ２とともに回転する。
【０１２９】
回転台６３の回転速度は、図１５の例のように走査型プロジェクタ２の数が６台の場合には１秒間に５回転以上であることが好ましく、走査型プロジェクタ２の数が２台の場合には１秒間に１５回転以上であることが好ましく、走査型プロジェクタ２の数が３台の場合には１秒間に１０回転以上であることが好ましく、走査型プロジェクタ２の数が４台の場合には１秒間に７．５回転以上であることが好ましい。走査型プロジェクタ２の数が１台の場合には、回転台６３の回転速度は１秒間に３０回転以上であることが好ましい。すなわち、走査型プロジェクタ２の数がｎ台（ｎは自然数）の場合には、回転台６３の回転速度は１秒間に３０／ｎ回転以上であることが好ましい。
【０１３０】
なお、上記の参考形態と同様に、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。
【０１３１】
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。走査型プロジェクタ２の動作は、上記の参考形態における走査型プロジェクタ２の動作と同様である。
【０１３２】
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。上記の参考形態と同様に、光線発生器としては、ＤＭＤ、ＬＣＯＳまたはＬＣＤ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。
【０１３３】
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１００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。
【０１３４】
複数のカメラ８は、図１および図２の参考形態と同様に、テーブル５の周囲にいる観察者１０の顔を撮像するように配置される。複数のカメラ８により得られる画像データは、制御装置３に与えられる。制御装置３は、複数のカメラ８から与えられる画像データに基づいて各観察者１０の眼の位置（視点）を算出し、視点追跡による光線群の補正を行う。
【０１３５】
（２−２）立体画像３００の提示方法
図１６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１６おいては、１つの走査型プロジェクタ２が示される。
【０１３６】
走査型プロジェクタ２は、矢印の方向に移動する。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、時刻ｔで走査型プロジェクタ２から位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＲ０を出射し、時刻ｔ＋１で走査型プロジェクタ２から位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＲ１を出射し、時刻ｔ＋２で走査型プロジェクタ２から位置ＰＲを通る方向に赤色の光線ＬＲ２を出射する。
【０１３７】
それにより、赤色の光線ＬＲ０，ＬＲ１，ＬＲ２の交点に点光源となる赤色の画素が提示される。この場合、観察者の眼が位置ＩＲ０にある場合、位置ＩＲ１にある場合および位置ＩＲ２にある場合に、位置ＰＲに赤色の画素が見える。
【０１３８】
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、時刻ｔで走査型プロジェクタ２から位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＧ０を出射し、時刻ｔ＋１で走査型プロジェクタ２から位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＧ１を出射し、時刻ｔ＋２で走査型プロジェクタ２から位置ＰＧを通る方向に緑色の光線ＬＧ２を出射する。
【０１３９】
それにより、緑色の光線ＬＧ０，ＬＧ１，ＬＧ２の交点に点光源となる緑色の画素が提示される。この場合、観察者の眼が位置ＩＧ０にある場合、位置ＩＧ１にある場合および位置ＩＧ２にある場合に、位置ＰＧに緑色の画素が見える。
【０１４０】
このようにして、各走査型プロジェクタ２により異なる位置から立体画像３００の各位置を通る方向に提示すべき色の光線が出射される。
【０１４１】
回転する各走査型プロジェクタ２から出射される光線群が小さな角度間隔ごとに制御されることにより光線制御子１の内部の空間が十分に密に交点群で満たされる。それにより、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の色を回転する各プロジェクタ２から出射される光線によって適切に再現することにより、立体画像３００を提示することができる。
【０１４２】
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。
【０１４３】
本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいても、図１１に示したように、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。
【０１４４】
図１４の各走査型プロジェクタ２から出射される光線群の各光線の色は、記憶装置４に記憶される立体形状データに基づいて制御装置３により各走査型プロジェクタ２の回転位置ごとに算出される。ここで、走査型プロジェクタ２の回転位置とは、軸Ｚを中心とする基準の半径方向からの走査型プロジェクタ２の回転角度をいう。
【０１４５】
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。
【０１４６】
制御装置３は、回転量計測器６５の出力信号に基づいて各走査型プロジェクタ２の回転位置を判定し、回転位置ごとに算出した光線群の各光線の色に基づいて各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から算出された色をそれぞれ有する光線が出射される。
【０１４７】
この場合、制御装置３は、立体形状データに基づいて各走査型プロジェクタ２から出射されるべき各光線の色を色データとして回転位置ごとに予め算出し、算出した色データを記憶装置４に記憶させてもよい。そして、立体画像３００の提示の際に、回転量計測器６５の出力信号に同期して記憶装置４から色データを読み出し、読み出した色データに基づいて各走査型プロジェクタ２を制御してもよい。あるいは、制御装置３は、走査型プロジェクタ２の回転中に回転量計測器６５の出力信号に同期して立体形状データに基づいて各走査型プロジェクタ２から出射されるべき各光線の色を色データとして算出し、算出した色データに基づいて各走査型プロジェクタ２を制御してもよい。
【０１４８】
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。
【０１４９】
また、本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいても、図１２を用いた発生原理で両眼視差が発生する。
【０１５０】
（２−３）視点追跡による光線群の補正機能
本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいては、図１および図２に示した参考形態に係る立体ディスプレイと同様に、複数の観察者１０の眼が位置する円環状の領域を円環状視域５００として設定する。
【０１５１】
制御装置３は、複数の観察者１０の眼が円環状視域５００にあるものとして各走査型プロジェクタ２を制御する。それにより、複数の観察者１０の眼が円環状視域５００にある場合に、複数の観察者１０は、同じ高さに同じ形状の立体画像３００を視認することができる。
【０１５２】
本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいても、視点追跡により検出される各観察者１０の眼の位置に基づいて各走査型プロジェクタ２から光線制御子１に照射される光線群が補正される。本実施の形態における光線群の補正の方法は、図１３を用いて説明した光線群の補正の方法と同様である。
【０１５３】
本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいては、参考形態に係る立体ディスプレイと同様に、観察者の眼の位置に応じて走査型プロジェクタ２から出射される光線群を補正することにより観察者の眼の位置にかかわらず立体画像３００が変形することなく提示される。
【０１５４】
（２−４）第１の実施の形態の効果
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
また、各走査型プロジェクタ２が回転することにより、複数の回転位置から光線制御子１に光線群を照射することができる。それにより、少ない数の走査型プロジェクタ２を用いて円周方向において途切れた部分を有しない連続的な立体画像３００を光線制御子１の上方に提示することができる。
【０１５９】
さらに、本実施の形態に係る立体ディスプレイにおいては、参考形態に係る立体ディスプレイと同様に、観察者の眼の位置に応じて走査型プロジェクタ２から出射される光線群を補正することにより観察者の眼の位置にかかわらず立体画像３００が変形することなく提示される。
【０１６０】
（３）第２の実施の形態
（３−１）立体ディスプレイの構成
図１７は本発明の第２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１８は図１７の立体ディスプレイの模式的平面図である。
【０１６１】
図１７および図１８の立体ディスプレイが図１４および図１５の立体ディスプレイと異なるのは、次の点である。図１７および図１８の立体ディスプレイは、光線制御子１、複数の走査型プロジェクタ２、制御装置３、記憶装置４、回転モジュール６および複数のカメラ８に加えて複数のミラー７をさらに備える。
【０１６２】
複数のミラー７は、複数の走査型プロジェクタ２に対応して設けられる。複数の走査型プロジェクタ２は、回転台６３上で回転軸６２の近傍に軸Ｚを中心とする円周上に等角度間隔で配置される。複数の走査型プロジェクタ２は、外方かつ斜め上方に光線群を出射するように設けられる。
【０１６３】
複数のミラー７は、複数の走査型プロジェクタ２から出射される光線群を反射して光線制御子１の斜め下方から光線制御子１の外周面に照射するように回転台６３上に設けられる。図１８の例では、複数のミラー７が正多角形状に回転台６３上に配置される。
【０１６４】
モータ６１が作動すると、回転軸６２が回転台６３、複数の走査型プロジェクタ２およびミラー７とともに回転する。この場合、回転する各走査型プロジェクタ２から出射される光線群は、対応するミラー７で反射されて光線制御子１の外周面に照射される。
【０１６５】
（３−２）第２の実施の形態の効果
このように、複数の走査型プロジェクタ２が回転軸６２により近い位置に設けられるので、回転台６３の半径を小さくすることができる。それにより、複数の走査型プロジェクタ２を高速に回転させることが可能になる。その結果、少ない数の走査型プロジェクタ２を用いてより解像度の高い立体画像３００を提示することができる。
【０１６６】
（４）他の実施の形態
（ａ）上記の参考形態ならびに第１および第２の実施の形態では、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。
【０１６７】
（ｂ）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、立体画像をテーブル５の天板５１の上面等の基準面上の空間または光線制御子１の内部の空間に位置するように提示することができる。
【０１６８】
（ｃ）上記の第１および第２の実施の形態では、複数の走査型プロジェクタ２が回転台６３上に等角度間隔で設けられているが、１つの走査型プロジェクタ２が回転台６３上に設けられてもよい。この場合にも、モータ６１により回転軸６２を回転台６３および走査型プロジェクタ２とともに高速に回転させることにより、複数の走査型プロジェクタ２を用いる場合と同様に、円周方向において途切れた部分を有しない連続的な立体画像３００を提示することが可能となる。
【０１６９】
（ｄ）上記の第１および第２の実施の形態では、各走査型プロジェクタ２の回転位置を検出するために回転量計測器６５が設けられるが、回転台６３が正確に一定の回転速度で回転する場合には、回転量計測器６５が設けられなくてもよい。この場合、制御装置３は、回転台６３の回転速度に基づいて各走査型プロジェクタ２の回転位置を認識することができる。
【０１７０】
（ｅ）上記の第２の実施の形態では、複数のミラー７が回転台６３上に多角形状に配置されているが、円筒形状のミラーが用いられてもよい。この場合、円筒形状のミラーは、回転台６３上に固定され、回転台６３とともに回転してもよい。あるいは、円筒形状のミラーは、回転台６３とは別個に設けられ、回転しなくてもよい。
【０１７１】
（ｆ）上記の参考形態ならびに第１および第２の実施の形態では、視点追跡を行うために複数のカメラ８が用いられるが、これに限定されない。例えば、観察者の頭部に３次元位置センサを取り付けることにより観察者の眼の位置を検出してもよい。この場合、観察者の頭部に３次元位置センサを取り付けた状態で観察者の頭部を側面および正面から撮像することにより、頭部に取り付けられた３次元位置センサから観察者の眼までのベクトルを予め測定する。そして、立体画像３００を提示する際に、頭部に取り付けられた３次元位置センサの位置および向きならびに予め測定されたベクトルに基づいて観察者の眼の位置を求めることができる。３次元位置センサとしては、光学式センサ、磁気式センサ、超音波式センサ、またはモーションセンサ等の種々のセンサを用いることができる。
【０１７２】
また、複数のカメラ８の代わりに、複数のセンサを用いてもよい。この場合、観察者の身体の一部に被検出物を装着し、複数のセンサにより被検出物を検出することにより観察者の眼の位置を算出することができる。
【０１７３】
（ｇ）上記の参考形態ならびに第１および第２の実施の形態に係る立体ディスプレイは、例えば、産業用途または医療用途等のように立体画像に比較的高い形状精度が要求される場合に用いることができる。
【０１７４】
娯楽用途または広告用途等のように立体画像にさほど高い形状精度が要求されない場合には、立体ディスプレイが視点追跡による光線群の補正機能を有しなくてもよい。この場合、複数のカメラ８を設けなくてよい。
【０１７５】
（５）請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各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。
【０１７６】
上記実施の形態では、光線制御子１が光線制御子の例であり、走査型プロジェクタ２が光線発生器の例であり、回転モジュール６が回転機構の例であり、制御装置３が制御手段の例であり、テーブル５の天板５１の上面が基準面の例である。また、環状レンズ１２，環状プリズム１３または透明素材１４が突条部の例であり、三角シート１６または扇形シート１８がシート材の例である。さらに、ミラー７が反射部材の例であり、カメラ８が検出手段の例である。
【０１７７】
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１７８】
本発明は、立体画像を用いた共同作業に利用することができる。また、都市設計の場面のように複数の人が１つの立体画像を共有しながら進める検討作業に利用することができる。さらに、遠隔地間のビデオ会議等の際にテーブルに広げた書類のような情報に加えて立体形状の情報を共有する場合に利用することができる。
【０１７９】
また、教育の場面等において、教師が立体画像の一部を指差しながら解説する場合に利用することができる。また、光線制御子がテーブル等の作業面より下方にありかつ立体画像が作業面上の空間に提示されるため、ガラスケースの外側から立体画像を指さすような感覚ではなく、直接立体画像を指す感覚を得る場合に利用することができる。
【０１８０】
テーブル型の立体画像を用いたゲーム等に利用することができる。また、眼鏡等を必要としないため、観客が自由に参加したり離れたりすることができる場に利用することができる。アリーナ状の大型装置を用いることにより、周囲から鑑賞可能な劇場空間を作る場合に利用可能である。
【符号の説明】
【０１８１】
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
５１  天板
５２  脚
６  回転モジュール
６１  モータ
６２  回転軸
６３  回転台
６４  スリップリング
６５  ロータリエンコーダ
７  ミラー
８  カメラ
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
１００，３００  立体画像
１００Ｒ  右眼
１００Ｌ  左眼
５００  円環状視域
ＩＡ０，ＩＢ０，ＩＣ０，ＰＲ，ＰＧ，Ｅ，Ｅ’，Ｉ１〜Ｉ４，，Ｐ１〜Ｐ３，ＰＳ，ＩＧ０〜ＩＧ２，ＩＲ０〜ＩＲ２  位置
Ｌ１〜Ｌ１１，Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ，ＬＡ０，ＬＢ０，ＬＣ０，ＬＡ１，ＬＢ１，ＬＣ１，Ｌ３１〜Ｌ３３，ＬＧ０〜ＬＧ２，ＬＲ０〜ＬＲ２  光線
Ｐ３１，Ｐ３２，Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ  点
ｄ１，ｄ２  距離
Ｈ１〜Ｈ３  高さ
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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