(57)【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環状の第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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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環状の第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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−４８２７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（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環状の第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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
（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。
【００１６】
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。
【００１７】
（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。
【００１８】
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。
【００１９】
（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。
【００２０】
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。
【００２１】
（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環状の第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。
【００２２】
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。
【発明の効果】
【００２３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】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】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】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】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】光線制御子の一例の一部の拡大断面図である。
【図７】光線制御子の他の例の一部の拡大断面図である。
【図８】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】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】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
［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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
（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。
【００６８】
［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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
［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。
【００８０】
（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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
［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。
【００８４】
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。
【００８５】
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交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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
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。
【符号の説明】
【００９０】
１，９  光線制御子
２  光線発生器
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  マスク
１４ｓ  環状スリット
１５  ディスプレイパネル
５１  天板
５２  脚
１００  立体ディスプレイ
３００  立体画像
５００  視域
Ｃ０１，Ｃ０２，Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３  中心線
ｄ１  半径
ｄ２，ｄ３  距離
Ｉ０  視点
Ｌ０１，Ｌ０２，Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３  光線
Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ３３  拡散光
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３  部分
Ｐｉ  画素
Ｒ  円周方向
Ｔ  稜線方向
Ｚ  軸
α  角度
α１，α２，α３  拡散角度
【図１】
0006614665.tif 000002
【図２】
0006614665.tif 000003
【図３】
0006614665.tif 000004
【図４】
0006614665.tif 000005
【図５】
0006614665.tif 000006
【図６】
0006614665.tif 000007
【図７】
0006614665.tif 000008
【図８】
0006614665.tif 000009
【図９】
0006614665.tif 000010
【図１０】
0006614665.tif 000011
【図１１】
0006614665.tif 000012
【図１２】
0006614665.tif 000013
【図１３】
0006614665.tif 000014