多視点空中映像表示装置
【課題】簡便な方法でありながら、迷光が生じることを抑制し、鮮明な像を観察側の多視点で観察できるようにする新規な光学素子を提供する
【解決手段】１つの平面を構成し光を透過させ得る素子平面Ｓに、相互に直交させた２つの鏡面からなる単位光学素子としての２面コーナーリフレクタを複数形成し、素子平面Ｓの一方側の被投影物Ｏから発せられる光を、各２面コーナーリフレクタで２つの鏡面にそれぞれ１回ずつ反射させて素子平面Ｓを透過させ、素子平面Ｓに対する被投影物Ｏの面対称位置に鏡映像Ｐを結像させるようにした多視点空中映像表示装置３Ａ１を、素子平面Ｓ上の２面コーナーリフレクタの全体、又は２面コーナーリフレクタの個々、又は一定の領域内にある複数の２面コーナーリフレクタの集合を、素子平面Ｓと平行な面内で回転させる回転手段４を具備する構成とした。
【解決手段】１つの平面を構成し光を透過させ得る素子平面Ｓに、相互に直交させた２つの鏡面からなる単位光学素子としての２面コーナーリフレクタを複数形成し、素子平面Ｓの一方側の被投影物Ｏから発せられる光を、各２面コーナーリフレクタで２つの鏡面にそれぞれ１回ずつ反射させて素子平面Ｓを透過させ、素子平面Ｓに対する被投影物Ｏの面対称位置に鏡映像Ｐを結像させるようにした多視点空中映像表示装置３Ａ１を、素子平面Ｓ上の２面コーナーリフレクタの全体、又は２面コーナーリフレクタの個々、又は一定の領域内にある複数の２面コーナーリフレクタの集合を、素子平面Ｓと平行な面内で回転させる回転手段４を具備する構成とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被投影物の鏡映像を空中に浮遊する実像として結像させ、複数の視点から観察することを可能とする多視点空中映像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明者は、空間に想定される平面の一方側に被投影物を配置し、その平面を対称面として反対側の空間に被投影物の鏡映像を実像として結像させる機能を備えた光学素子（光学系）として、これまで、２つの鏡面から構成される実鏡映像結像素子である２面コーナーリフレクタを多数備えた反射型実鏡映像結像素子（以下、「２面コーナーリフレクタアレイ」という）（特許文献１参照）や、再帰反射機能を備えたレトロリフレクタアレイとハーフミラーとを利用した実鏡映像結像光学系（特許文献２参照）を提案している。
【０００３】
特許文献１の２面コーナーリフレクタアレイは、当該２面コーナーリフレクタアレイにおける素子平面の一方側に配置した被投影物（実体のある物体、映像を含む）から発せられる光を、各２面コーナーリフレクタの２つの鏡面でそれぞれ反射させつつこの２面コーナーリフレクタアレイを透過させることで、素子平面の他方側である観察側における空間に当該被投影物の鏡映像を実像として結像させるという、新規な結像様式を備えるものである。斯かる２面コーナーリフレクタアレイは、鏡面による光の反射をその基本原理としているが、素子としては透過型として機能する結像素子であって、例えば１つの素子平面内で複数の２面コーナーリフレクタを種々の方向に向けるなどしてその配置を工夫することで、多人数で様々な方向から同時に観察可能な空中映像を結像することができる実鏡映像結像光学系を構成することができる（特許文献３参照）。また、特許文献２の実鏡映像結像光学系は、光線を入射してきたそのままの方向に反射させるというレトロリフレクタの性質と、光線を反射及び透過させるというハーフミラーの性質を有効に組み合わせることで、広い視野角からの空中映像の観察を可能にするという新規な結像様式を備えるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】再表２００７−１１６６３９
【特許文献２】特開２００９−０２５７７６
【特許文献３】再表２００８−１１１４２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで従来の特許文献１、３のような実鏡映像結像光学系では、被投影物が立体像である場合には、当該光学系により得られるその実像は、鏡映像をその裏側から見ることになる。また、特許文献１の２面コーナーリフレクタアレイにおいては、視野角が制限されており、そのままでは多視点で観察可能な空中映像を表示させることはできない。そこで、特許文献３で示したように構成する２面コーナーリフレクタの配置の工夫等により、左右方向の視野角を拡大させることが可能であるが、奥行き反転はそのままである。また、特許文献２のレトロリフレクタ型の実鏡映像結像光学系においては、そのままで視野角を広く取ることが可能であるが、やはり奥行きは反転する。
【０００６】
そこで本発明は、上述した従来例における面対称位置への結像という光学素子又は光学系の性質を利用しつつ、迷光が生じることを抑制しながら、時間差で複数の視点からの被投影物の像の観察を可能とする新規な光学系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】
【０００７】
すなわち本発明に係る多視点空中映像表示装置は、被投影物の実像を対称面となる所定の１つの幾何平面に対する面対称位置に光線の反射を利用して結像可能な実鏡映像結像光学系と、対称面上における実鏡映像結像光学系の全体又は一部を当該対称面の法線を軸として回転させる回転手段とを具備していることを特徴とするものである。
【０００８】
ここで、回転手段の具体的態様としては、例えば、ベルト、歯車、ローラ、又はこれらを組み合わせて構成したもの等、物体を回転させることができるものであれば適宜の手段を採用することができる。また、本発明には、実鏡映像結像光学系を１つ又は複数用いることができる。被投影物には、２次元又は３次元の物体又は映像を適用することができる。例えば、予め奥行きを反転させた複数の立体像（被投影物）を対称面の一方側に配置すれば、観察側（実像側）では、正常な奥行きを持った立体空中像の観察が可能になる。なお、被投影物とその像とは、上下が逆転する関係にあるため、被投影物は予め上下を逆転しておくことが望ましい。一例を挙げると、例えば、内側をくり貫いた半球状のカップの内面に上下を反転させて投影した映像を被投影物として考えると、観察側では、仮想的な半球状のカップの外周面に現れる映像としての「被投影物の実像」を観察することができる。
【０００９】
このような本発明の多視点空中映像表示装置であれば、仮に回転手段を作動させないとすると、被投影物から発せられた光が反射を利用した実鏡映像結像光学系により、１つの実鏡映像結像光学系について実像が対称面に対する面対称位置に結像して固定された視点からのみこの実鏡映像を観察することができるが、回転手段によって対象面上の実鏡映像結像光学系の全体又は一部を当該対称面内で回転させると、時間差によって空中像を観察可能な位置が順次変化することとなって多数の視点からの像の観察が可能となる。また、実鏡映像結像光学系と被投影物との位置関係を調整することで、回転が生じても空中の１つの狭い領域に像を結像させることで、どの視点からも同じ位置にある空中像を観察することができるようになる。
【００１０】
上述したような多視点空中映像表示装置の具体例の一つとしては、実鏡映像結像光学系が、所定の素子平面に垂直な相互に直交する２つの鏡面から構成される２面コーナーリフレクタを当該素子平面上に複数並べた２面コーナーリフレクタアレイであり、この素子平面を前記対称面とするものを挙げることができる。
【００１１】
この場合、被投影物からの光が各素子平面を透過する際に、各２面コーナーリフレクタの２つの鏡面で１回ずつ反射して素子平面の反対側の空中に実像として結像する。すなわち、観察者からは、２つの鏡面の内角が視線方向と向き合っている２面コーナーリフレクタで反射して結像した被投影物の実像を観察することが可能となる。１つの２面コーナーリフレクタアレイを構成する２面コーナーリフレクタが全て同じ方向を向いていれば、その２面コーナーリフレクタアレイが静止した状態では１つの視点から空中像を観察でき、１つの２面コーナーリフレクタアレイを構成する２面コーナーリフレクタが複数方向を向いていれば同時に複数の視点から空中像を観察することができる。そしてさらに、回転手段により実鏡映像結像光学系を構成する２面コーナーリフレクタアレイが様々な方向を向くことになるため、時間差で多視点からの空中像の観察が可能となる。ここで、２面コーナーリフレクタの集合が素子平面と平行な面内で回転すると、２面コーナーリフレクタによる２回反射光はこの素子平面内で再帰反射するため、光線の反射方向としては回転の影響は受けず、当該素子平面に対する被投影物の面対称位置に結像される該被投影物の像の場所は変化しない。一方、１回反射光は、回転とともに結像位置が変化するため、この１回反射光による迷光は、当該回転方向に平均化されるようになる。すなわち、回転に伴う各視点では、迷光の影響が軽減されるため、鮮明な像を観察できるようになる。また、ある視点位置に注目すると、この位置からは、時分割でいろいろな方向に向いている被投影物の像を観察することができる。
【００１２】
このような２面コーナーリフレクタアレイを備えた多視点空中映像表示装置のより具体的に好ましい構成としては、まず、２面コーナーリフレクタアレイを１つ具備し、回転手段が当該２面コーナーリフレクタアレイの全体を前記素子平面の法線を軸として回転させるものを挙げることができる。この場合、全ての２面コーナーリフレクタが同一方向を向いていれば１つの２面コーナーリフレクタアレイによる被投影物の結像位置と観察位置は１つであり、２面コーナーリフレクタが複数方向を向いた２面コーナーリフレクタアレイを静止させれば観察位置を複数となるが、回転により時間差又は同時に、より多視点からの観察を可能とすることができる。
【００１３】
また、他の好ましい構成としては、素子平面を同一平面上に有する２面コーナーリフレクタアレイを複数具備し、回転手段が各２面コーナーリフレクタアレイの全体を素子平面の法線を軸として個別に又は同期して回転させるものが挙げられる。この場合、各２面コーナーリフレクタアレイごとに１つずつの観察位置が生じるため、これらが個別に又は同時に回転することで、同時に多視点からの空中像の観察が可能になるとともに、１回転あたりに同一の視点から空中像を観察できる回数を多くすることができる。
【００１４】
さらにその他の好ましい構成としては、２面コーナーリフレクタアレイを１つ以上具備し、回転手段が、当該２面コーナーリフレクタアレイを構成する個別の２面コーナーリフレクタ又は一定の領域内にある複数の２面コーナーリフレクタの集合を素子平面の法線を軸として回転させるものとすることもできる。このような構成であれば、回転も伴ってより多くの視点を設定することができる。
【００１５】
ここで、２面コーナーリフレクタについて考察すると、光線を２面コーナーリフレクタにおいて適切に屈曲させつつ素子平面を透過させるには、２面コーナーリフレクタを、素子平面を貫通する方向に想定される光学的な穴の内壁を鏡面として利用するものと考えればよい。ただし、このような２面コーナーリフレクタは概念的な物であり、必ずしも物理的な境界などにより決定される形状を反映している必要は無く、例えば前記光学的な穴は相互に独立させることなく連結させたものとすることができる。
【００１６】
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、素子平面にほぼ垂直な鏡面を素子平面に多数並べたものである。構造として問題となるのは、この鏡面をどのように素子平面に支持固定するかということになる。鏡面形成のより具体的な方法としては、例えば２面コーナーリフレクタアレイを、所定の空間を区画する基盤を具備するものとして、当該基盤を通る１つの平面を素子平面として規定し、２面コーナーリフレクタを、素子平面を貫通する方向に想定される光学的な穴として、基盤に形成された穴の内壁を鏡面として利用するものとすることができる。この基盤に形成された穴は、光が透過するように透明でありさえすればよく、例えば内部が真空もしくは透明な気体もしくは液体で満たしたものであってもよい。また穴の形状についても、その内壁に単位光学素子として働くための１枚もしくは複数の同一平面に含まれない鏡面を具備し、かつ鏡面で反射した光が穴を透過できる限り、任意の形状を取ることが可能であり、各穴が連結していたり、一部が欠損している複雑な形状であってもよい。例えば、基盤の表面に個々の独立した鏡面が林立する態様などは、基盤に形成された穴が連結しているものと理解できる。
【００１７】
あるいは２面コーナーリフレクタは、光学的な穴として、透明なガラスや樹脂のような固体によって形成された筒状体を利用するものであってもよい。なお、固体によって個々の筒状体が形成されている場合、これらの筒状体は、相互に密着させて素子の支持部材として働かせてもよく、基盤を具備するものとして当該基盤の表面から突出した態様をとってもよい。また筒状体の形状についても、その内壁に２面コーナーリフレクタとして働くための１枚もしくは複数の同一平面に含まれない鏡面を具備し、かつ鏡面で反射した光が筒状体を透過できる限り、任意の形状を取ることが可能であり、筒状体と称してはいるが各筒状体が連結していたり、一部が欠損している複雑な形状であってもよい。
【００１８】
ここで、前記光学的な穴として、立方体もしくは直方体のように隣接する内壁面が全て直交する形状を考えることができる。この場合、２面コーナーリフレクタ相互の間隔を最小化することができ、高密度な配置が可能となる。また、全ての内壁面を鏡面とすると、４組の異なる方向を向く２面コーナーリフレクタを１つの穴に構成することが可能となり、様々な方向から観察可能な結像素子としての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。ただし、平行で対向する鏡面の存在により、望まない多重反射が起こる可能性が高まることになる。
【００１９】
２面コーナーリフレクタ内に複数の鏡面が存在する場合には、想定された回数以上の反射を起こす多重反射の透過光が存在する可能性がある。この多重反射対策として、光学的な穴の内壁に相互に直交する２つの鏡面を形成する場合は、これら２鏡面以外の面を、非鏡面として光が反射しないようにしたり、素子平面に対して垂直とならないように角度を付けて設けたり曲面としたりすることで、３回以上の反射を起こす多重反射光を軽減もしくは除去できる。非鏡面とするには、その面を反射防止用の塗料や薄膜で覆う構成や、面粗さを粗くして乱反射を生じさせる構成を採用することができる。なお、透明で平坦な基盤の存在は光学素子の働きを阻害するものではないので、基盤を任意に支持部材・保護部材として用いることが可能である。
【００２０】
さらに、被投影物の像の高精細化を図るには、複数の２面コーナーリフレクタを、前記素子平面上においてできるだけ間隔を空けずに配置することが望ましく、例えば格子状に配置することが有効である。またこの場合、製造も容易になるという利点がある。
【００２１】
２面コーナーリフレクタにおける鏡面としては、固体であるか液体であるかに関わらず金属や樹脂等の光沢のある物質によって形成された平坦面で反射するもの、あるいは異なる屈折率を持つ透明媒質同士の平坦な境界面において反射もしくは全反射するものなどを利用することができる。また、鏡面を全反射によって構成した場合には、複数の鏡面による望まない多重反射は、全反射の臨界角を超える可能性が高くなることから、自然に抑制されることが期待できる。
【００２２】
また鏡面は、機能的に問題ない限り、光学的な穴の内壁のごく一部分に形成されていてもよく、平行に配置される複数の単位鏡面により構成されても構わない。後者の態様を換言すれば、１つの鏡面が複数の単位鏡面に分割されても構わないことを意味する。またこの場合、各単位鏡面は、必ずしも同一平面に存在していなくてもよく、それぞれが平行であればよい。さらに、各単位鏡面は、当接している態様、離れている態様のいずれもが許容される。なお、２面コーナーリフレクタアレイを構成する場合には、直交する２鏡面による２面コーナーリフレクタを必要とするため、１つの単位光学素子には、直交する２つの鏡面が形成されなければならない。この直交する２つの鏡面同士についても、必ずしも接触している必要はなく、光が素子平面の一方側から他方側へと透過する際に２つの鏡面で１回ずつ反射すればよいので、２つの鏡面同士が当接している態様、離れている態様のいずれもが許容される。
【００２３】
２面コーナーリフレクタアレイを利用する態様以外にも、本発明の具体的態様の一例としては、実鏡映像結像光学系として、光線を再帰反射させるレトロリフレクタアレイと光線を反射及び透過させるハーフミラー面を有するハーフミラーとを具備するものであり、このハーフミラー面を対称面として、レトロリフレクタアレイを当該ハーフミラーに対して被投影物と同じ側においてハーフミラーと共に被投影物を包囲する空間の一部を占める領域に配置し、回転手段が、少なくとも前記レトロリフレクタアレイを前記ハーフミラー面の法線を軸として回転させるものを挙げることもできる。ここでレトロリフレクタの作用である「再帰反射」とは、反射光を入射光が入射してきた方向へ反射（逆反射）する現象をいい、入射光と反射光とは平行であり且つ逆向きとなる。このようなレトロリフレクタをアレイ状に配置したものがレトロリフレクタアレイであり、個々のレトロリフレクタが十分に小さい場合は、入射光と反射光の経路は重なると見なすことができる。このレトロリフレクタアレイにおいてレトロリフレクタは同一面上に存在している必要はなく、各レトロリフレクタは３次元的に散在していても構わない。また、ハーフミラーは、光線を透過させる機能と反射させる機能の両方を備えているものをいい、好ましくは透過率と反射率がほぼ１：１のものが理想的である。
【００２４】
レトロリフレクタには、３つの隣接する鏡面から構成されるもの（広義には「コーナーリフレクタ」と呼ぶことができる）や、キャッツアイレトロリフレクタを利用することができる。コーナーリフレクタには、相互に直交する３つの鏡面から構成されるコーナーリフレクタ、３つの隣接する鏡面がなす角度のうち２つが９０度であり、且つ他の１つの角度が９０／Ｎ度（ただしＮは整数）をなすもの、３つの鏡面がなす角度が９０度、６０度及び４５度となる鋭角レトロリフレクタ等を採用することができる。
【００２５】
このようなレトロリフレクタアレイとハーフミラーを利用する多視点空中映像表示装置の場合、被投影物から出た光はハーフミラー面で反射し、さらにレトロリフレクタアレイで再帰反射して必ず元の方向に戻り、ハーフミラー面を透過して結像するため、ハーフミラーからの反射光を受けられる位置にある限りレトロリフレクタアレイの形状や位置は限定されない。そして、結像した実像の観察は、ハーフミラー面を透過する光線に対向する方向から観察することができ、レトロリフレクタアレイがハーフミラー面の法線を軸として回転するため、その回転に伴って複数の視点からの空中像の観察が可能となる。
【００２６】
また、以上に述べたような本発明の多視点空中映像表示装置においては、実鏡映像結像光学系における対称面の一部又は全部に、所定の角度範囲の光線のみを遮断又は拡散させる視界制御手段を設けることで、意図される方向からの空中像の観察のみを許容し、対称面を通じて被投影物が直接視認されるようになることを防止することができる。なお、視界制御手段としては、例えば視界制御フィルムを利用することができ、対称面を構成する２面コーナーリフレクタアレイやハーフミラーの一部にこの視界制御フィルムを貼付するとよい。
【００２７】
さらに、本発明の多視点空中映像表示装置において、被投影物としては、ディスプレイの表示面に表示される映像を採用し、このディスプレイを表示面が所定の３次元空間を埋める動作を行う体積走査型立体ディスプレイとすることができる。ディスプレイの表示面は平面的であっても曲面であってもよいが、このように体積走査型立体ディスプレイを用いる場合、表示面に表示される映像に基づき実鏡映像結像光学系によって動く３次元映像を実鏡映像として時間差で複数の視点から観察できることとなる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の多視点空中映像表示装置によれば、回転手段によって対象面上の実鏡映像結像光学系の全体又は一部を対称面内で回転させると、時間差によって結像した空中像の観察位置が順次変化することとなるため、回転という簡便な手段を利用することで、被投影物の鮮明な像を迷光の影響を抑制しつつ多くの視点からの観察を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の多視点空中映像表示装置を概略的に示す平面図。
【図２】図１におけるｄ１−ｄ１断面図。
【図３】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及びその結像様式を概略的に示す斜視図。
【図４】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示す平面図。
【図５】同２面コーナーリフレクタアレイの一部を拡大して示す斜視図。
【図６】同実施形態の多視点空中映像表示装置による結像様式を模式的に示す平面図。
【図７】同実施形態に係る多視点空中映像表示装置の一変形例を概略的に示す平面図。
【図８】同変形例における結像様式を模式的に示す斜視図。
【図９】同実施形態に係る多視点空中映像表示装置の一変形例を回転手段を省いて概略的に示す平面図。
【図１０】同変形例に適用される２面コーナーリフレクタアレイを示す平面図。
【図１１】同変形例に適用される２面コーナーリフレクタアレイの組み合わせ構成例を示す平面図。
【図１２】同実施形態に係る多視点空中映像表示装置の他の変形例を回転手段を省いて概略的に示す平面図。
【図１３】第１実施形態に適用される２面コーナーリフレクタアレイの他の例の一部を拡大して示す斜視図。
【図１４】第２実施形態に係る多視点空中映像表示装置の一変形例を回転手段を省いて概略的に示す平面図。
【図１５】同実施形態に適用されるレトロリフレクタアレイの一部を拡大して示す概略的な正面図。
【図１６】同レトロリフレクタアレイを構成するコーナーキューブにおける光線の反射態様を示す模式的な斜視図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００３１】
＜第１実施形態＞ 本発明の第１実施形態に係る多視点空中映像表示装置３Ａ１は、図１及び図２に示すように、１つの素子平面Ｓ上に多数の２面コーナーリフレクタ１を形成した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを具備し、この２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの一方面側（図示例では下面側）に被投影物Ｏを配置するようにしたものであり、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを素子平面Ｓ内でその法線を回転軸ｌとして回転させる回転手段４を更に備えている。なお、本実施形態では、一定の方向からのみ被投影物Ｏの空中映像の観察を可能とし、意図とは異なる方向からの観察を制限するために、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの上面側に、視線制御手段２４を設けている。
【００３２】
２面コーナーリフレクタアレイ２Ａについては、図３に示すように、静止させた状態では、視点Ｖから観察した場合に、被投影物Ｏの鏡像が実像として素子平面Ｓに対する面対称位置に結像するため、これを見ることができるものである。なお、２面コーナーリフレクタ１は２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの全体と比べて非常に微小であるので、図１、図３においては２面コーナーリフレクタ１の集合全体をグレーで表し、その内角の向きをＶ字形状で表してある。以下、各部の具体的構成及び結像様式について説明する。
【００３３】
２面コーナーリフレクタアレイ２Ａは、図４に示すように、平板状の基盤２１を備え、この基盤２１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状の穴２２を多数形成し、各穴２２の内壁面を２面コーナーリフレクタ１として利用するために、穴２２の内壁面うち直交する２つにそれぞれ鏡面１１，１２を形成したものである。
【００３４】
基盤２１は、厚み寸法が例えば５０〜２００μｍ、本実施形態では１００μｍの薄板状のものであり、本実施形態では、一辺がそれぞれ約５ｃｍの平面視正方形状のものを適用しているが、基盤２１の厚さや平面寸法はこれらに限られることなく適宜設定することができる。図４のＡ部を拡大して図５に示すように、各２面コーナーリフレクタ１は、光を透過させるために基盤２１に形成した物理的・光学的な穴２２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２１に平面視ほぼ正方形状の穴２２を多数形成し、各穴２２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１１，１２とし、これら鏡面１１，１２を反射面として機能する２面コーナーリフレクタ１としている。なお、穴２２の内壁面のうち２面コーナーリフレクタ１以外の部分には鏡面処理を施さず光が反射不能な面とするか、もしくは角度をつけるなどして多重反射光を抑制することが好ましい。各２面コーナーリフレクタ１は、基盤２１上において鏡面１１，１２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１１，１２の内角の向きを、２面コーナーリフレクタ１の向き（方向）と称することがある。鏡面１１，１２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１１，１２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。
【００３５】
具体的に、各２面コーナーリフレクタ１を構成する鏡面１１，１２は、一辺が例えば５０〜２００μｍ、本実施形態では基盤２１の厚さに対応させた１００μｍであり、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２１に所定ピッチで複数形成されている。本実施形態では、各２面コーナーリフレクタ１の素子平面Ｓ上でＶ字形状をなす各辺を、基盤２１の巾方向又は奥行き方向に対して４５度傾斜させるとともに、全ての２面コーナーリフレクタ１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１同士の離間寸法を極力小さく設定することで、透過率を向上させることができる。そして、前記基盤２１のうち、２面コーナーリフレクタ１を形成した部分以外の部位には遮光処理を施し、基盤２１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１を基盤２１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２Ａを採用している。
【００３６】
他の鏡面の形成方法として、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２１を形成した場合、鏡面１１，１２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２１を樹脂製などとした場合には、鏡面１１，１２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。
【００３７】
このようにして基盤２１に形成した２面コーナーリフレクタ１は、基盤２１の表面側（又は裏面側）から穴２２に入った光を一方の鏡面（１１又は１２）で反射させ、さらにその反射光を他方の鏡面（１２又は１１）で反射させて基盤２１の裏面側（又は表面側）へと通過させる機能を有し、この光の経路を側方から見れば光の進入経路と射出経路とが基盤２１を挟んで面対称をなすことから、上述のように基盤２１上に多数の２面コーナーリフレクタ１を形成することで、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ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２Ａの素子平面Ｓ（基盤２１の肉厚の中央部を通り各鏡面と直交する面を仮定し、図５に想像線で示す。）は、基盤２１の一方側にある被投影物Ｏの鏡映像を実像Ｐ（以下、必要に応じて「実鏡映像Ｐ」と称する）として他方側の面対称位置に結像させる面となる。
【００３８】
そして多視点空中映像表示装置３Ａ１は、上述した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの下面側に被投影物Ｏを配置するようにしたものである。このような多視点空中映像表示装置３Ａ１に設けられる回転手段４は、図１及び図２に示すように、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの基盤２１の端部を支持する円盤状で中央に矩形状の孔４１１を設けた支持部４１と、この支持部４１の中心軸と平行な軸周りに回転する円板状の駆動部（図示省略）と、前記支持部４１の周縁部及び駆動部の周縁部に懸架した環状のベルト部４２とを具備し、前記駆動部の回転運動をベルト部４２を介して支持部４１に伝達することで、該支持部４１に支持されている基盤２１を回転させて、素子平面Ｓ全体を該素子平面Ｓと平行な面内で回転させるようにしたものである。本実施形態では、駆動部を回転駆動することでベルト部４２を図１に矢印ｘで示す方向に回転させると、このベルト部４２の回転に従って支持部４１が水平面内を図１に矢印ｙで示す方向に回転し、結果、素子平面Ｓ全体がその水平面内で回転するようにしている。なお、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの回転速度は一定（例えば１８００ｒｐｍ）としているが、それ以外の速度としてもよいし、必ずしも速度を一定とはしなくてもよい。また、素子平面Ｓ全体を連続的に回転するようにしているが、間欠的に回転するようにしてもよい。その他にも、基盤２１と支持部４１とを別部材とすることなく、基盤２１自体を駆動部及びベルト部４２により回転させるような構成を採用してもよい。また、図示例では回転手段４により２面コーナーリフレクタアレイ２Ａが平面視反時計回りに回転する状態を示しているが、回転方向は特に限定されるわけではない。
【００３９】
さらに、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの上面側に設けた視線制御手段２４によって、回転手段４で回転する２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを通じた被投影物Ｏの実鏡映像Ｐの観察は、同時には一定の方向（一定の角度範囲）からのみ可能となるようにしている。具体的に説明すると、視線制御手段２４（図１に破線の枠内で示され、図２に破線で示される）としては、一定の角度範囲のみの光線を通過させて他の角度範囲の光線は遮断するように整列形成したスリットを多数有する板材（以下、「スリット板」と称する）を基盤２１に取り付けた構成や、一定の角度範囲のみの光線を通過させて他の角度範囲の光線は遮断又は拡散させる機能を有する視界制御フィルム又は視野角調整フィルム等の光学フィルム（例えば、商品名「ルミスティ」（住友化学株式会社製）等）を基盤２１に貼り付けた例示することができる。このような視線制御手段２４を設けることで、図２に１点鎖線で光線を示したように、被投影物Ｏから発せられた光は、観察者の視点Ｖの方向へのみ進むが、他の方向には進まない（図中×印）こととなる。
【００４０】
次に、本実施形態の多視点空中映像表示装置３Ａ１を用いた被投影物Ｏの実鏡映像Ｐの結像の態様を、被投影物Ｏから発せられた光の経路とともに説明する。なお、説明の便宜上、回転手段４を動作させている場合と動作させていない場合に分けて説明する。
【００４１】
（１）回転手段４を動作させない場合
図６に平面的な模式図で示すように、被投影物Ｏから発せられる光（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２Ａの基盤２１に形成した穴２２を通過する際に、２面コーナーリフレクタ１を構成する一方の鏡面１１（又は１２）で反射して更に他方の鏡面１２（又は１１）で反射することで（透過光の光線を破線で示す）、図３に模式的な斜視図で示すように、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの素子平面Ｓに対して被投影物Ｏの面対称位置に、「Ｆ」の文字を現す実鏡映像Ｐとして結像する。この実鏡映像Ｐは、当該２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの２面コーナーリフレクタの鏡面１１，１２が見える位置、すなわち基盤２１の斜め上方の視点Ｖから観察することで視認可能となる。詳述すれば、相互に直交する鏡面１１，１２に対して光が各１回ずつ、合計２回反射すると、光の成分のうち、基盤２１の面方向に平行な成分（換言すれば素子平面Ｓと平行な成分）は入射方向に戻る一方、鏡面１１，１２の面方向に平行な成分（換言すれば素子平面Ｓに対して垂直な成分）はその成分を保存する。その結果、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを透過した２回反射光は、素子平面Ｓに対して面対称な点を必ず通過することとなる。そして、光源である被投影物Ｏからはあらゆる方向の光が出ることから、それらの光が２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを透過する際に各２面コーナーリフレクタ１で２回反射し、全て同一点に集まって焦点を結ぶ。このように、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを透過した２回反射光は面対称位置へ集束するため、深さ方向（素子平面Ｓに対して垂直な方向）に対して広い範囲で焦点を結ぶことが可能となる。そして、基盤２１の下面側の空間に被投影物Ｏとして３次元物体を配置する場合には、基盤２１の上面側に３次元像が浮かぶこととなる。ただし、その３次元像は、凹凸が反転する。なお、被投影物Ｏから発した光のうち、鏡面１１又は鏡面１２で反射せずに穴２２を直接通過しようとする光は、視線制御手段２４によって遮断又は拡散されるため、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを通じて被投影物Ｏを直接視認することはできない。
【００４２】
（２）回転手段４を動作させた場合
回転手段４を動作させると、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの全体が、該素子平面Ｓと平行な面内（水平面内）で一定の速度で連続的に回転する。このとき、２面コーナーリフレクタ１による２回反射光はこの素子平面Ｓ内で再帰反射するため、光線の反射方向としては回転の影響は受けず、当該素子平面Ｓに対する被投影物Ｏの面対称位置に結像される該被投影物の実鏡映像Ｐの場所は変化しない。一方、１回反射光は、回転とともに結像位置が変化するため、この１回反射光による迷光は、当該回転方向に平均化されるようになる。すなわち、回転に伴う各視点では、迷光の影響が軽減するため、鮮明な実鏡映像Ｐを観察できるようになる。そして、２面コーナーリフレクタ１と向き合う位置となる視点は、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの回転手段による回転に従ってその回転方向に順次回転移動する。すなわち、素子平面Ｓの上方におけるあらゆる方向から、時分割で２面コーナーリフレクタ１と正対している位置を視点とする限り、実鏡映像Ｐを観察することができる。このように２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを回転させる場合も、鏡面１１又は鏡面１２で反射せずに穴２２を直接通過しようとする光は、視線制御手段２４によって遮断又は拡散され、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを通じて被投影物Ｏを直接視認することはできない。
【００４３】
このように、本実施形態の多視点空中映像表示装置３Ａ１であれば、回転手段４によって、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの全体を、その素子平面Ｓと平行な面内で回転させるといった簡便な方法でありながら、被投影物の鮮明な実鏡映像Ｐを迷光の影響を抑制しつつ多視点で観察することが可能となる。
【００４４】
＜第１実施形態 変形例＞ なお、２面コーナーリフレクタ１を用いる本実施形態は、上述した態様に限定されるものではない。例えば、回転手段４をベルト部４２を用いて構成しているが、歯車やローラなどを用いて構成するなど、回転手段４の構成は実施態様に応じて適宜変更することができる。また、２面コーナーリフレクタ１を、素子平面Ｓ上で個々に保持する保持部（図示せず）を設け、この保持部を回転手段によって回転させても良い。このような構成とすれば、個々の２面コーナーリフレクタ１を、保持部を介して回転手段によって独立的に回転することができるようになる。したがって、各２面コーナーリフレクタ１の１回反射光による迷光を個別的に制御して迷光の影響を効果的に軽減させて、鮮明な鏡映像Ｐを観察することが可能となる。さらにまた、一定の領域内にある複数の２面コーナーリフレクタ１の集合を、素子平面Ｓ上で保持する保持部（図示せず）を設け、この保持部を回転手段によって回転させてもよい。このような構成とすれば、一定の領域内にある複数の２面コーナーリフレクタ１の集合を、保持部を介して回転手段によって独立的に回転することができるようになる。したがって、各領域内にある複数の２面コーナーリフレクタ１の集合ごとの１回反射光による迷光を個別的に制御して迷光の影響を効果的に軽減させて、鮮明な鏡映像Ｐを観察することが可能となる。
【００４５】
また、上記の他にも、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを複数備えたものとすることもできる。例えば図７に示す多視点空中映像表示装置３Ａ２は、上述した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを２つ（２Ａ１，２Ａ２）用いるものであり、これら２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２をそれぞれの２面コーナーリフレクタ１が相互に向き合うように、それらの素子平面Ｓ，Ｓ同士が同一平面上に存在するように構成している。そして、両２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の接合部分において、素子平面Ｓの一方側（基盤２１の下方側）の中央部には、被投影物Ｏを配置することで、この多視点空中映像表示装置３Ａ２を静止させた場合には、視点Ｖ１からは一方の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１を通じて、視点Ｖ２からは他方の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２を通じて、それぞれ被投影物Ｏの実鏡映像Ｐ１，Ｐ２を観察することができる。そして、本例では、上述した実施形態と同様に２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１、２Ａ２の端部を支持し、多視点空中映像表示装置３Ａ２全体を素子平面Ｓと平行な面内で回転させる回転手段４（図１、図２参照）を設けることで、その回転に対応して実鏡映像Ｐが見える２カ所の視点が順次回転移動するようにしている。なお、図７に示したこの例及び後述する各例（図８〜図１２）においても、上述した第１実施形態と同様に、２面コーナーリフレクタアレイの上面側に視線制御手段２４を設けることで、何れの視点からも２面コーナーリフレクタアレイを通じて被投影物Ｏが直接視認されることなく、各視点に対応する実鏡映像のみが観察されるようにしている。
【００４６】
すなわち、回転手段４により多視点空中映像表示装置３Ａ２全体が回転している間は、常に２カ所の視点から実鏡映像Ｐを観察することができる。なお、観察する視点によって、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２により結像する実鏡映像Ｐの元になる被投影物Ｏの向きが異なるので、実鏡映像Ｐの見え方は異なるものとなる。例えば図８に２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２による結像様式を模式的に示すように、被投影物Ｏである「Ｆ」の文字が、視点Ｖ１からは一方の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１により正しい方向で結像して観察されるが、反対側の視点Ｖ２からは被投影物Ｏである「Ｆ」の文字の裏側が２面コーナーリフレクタアレイ２Ａにより結像されるため「Ｆ」の文字を裏返した状態の像が観察される。
【００４７】
またさらに、２面コーナーリフレクタアレイを３つ以上用いる態様も可能である。例えば図９に示す多視点空中映像表示装置３Ａ３（回転手段については図示省略）は、上記第１実施形態で用いたものと同様の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを６枚用意し、それぞれ半分に切断したうちの一方を新たに２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３として、向きを変えて各素子平面Ｓが共通の１つの平面上に存在するように再接合することにより構成したものである。具体的に図１０に示すように、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３は、第１実施形態で用いた２面コーナーリフレクタアレイ２Ａにおける２面コーナーリフレクタ１の方向を素子平面Ｓ内で４５°傾けて形成した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３’を、素子の中心を通り側縁と角度６０°で交わる直線で２つの台形状に２分割し、そのうちの一方（図示例では左上半分）の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３を使用している。すなわち、６つの台形状をなす２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３のうち、３つを裏返しにして、裏返したものと裏返していないものとを向きを変えつつ台形の長辺同士が隣接するように接合することで、図９に示したような複数の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３を備えた多視点空中映像表示装置３Ａ３が得られる。図１１に示すように、台形の斜辺同士を接合させた２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３では、素子平面Ｓ上において２面コーナーリフレクタ１，１の向きはやや異なっているものの、概ね１つの方向を向いている。このようにして得られる２枚１組の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３を３組用意し、素子平面Ｓが面一となるように全ての２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３の端縁同士を接合することで、本例の多視点空中映像表示装置３Ａ３が得られる。なお、この多視点空中映像表示装置３Ａ３は、正方形状の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３’を切断するのではなく、当初から２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３と同様の台形状をなす２面コーナーリフレクタアレイを６枚使用することによっても形成することができることは言うまでもない。
【００４８】
このようにして得られる多視点空中映像表示装置３Ａ３では、２つ１組で３組の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３の一方面側の空間（紙面裏面側）の中央部に被投影物Ｏを配置すれば、他方面側（紙面上方）である観察側からはそれぞれの被投影物Ｏの各素子平面Ｓに対する面対称位置に実鏡映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が同時に観察でき、しかも回転手段４による回転の結果、３カ所の視点Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が順次素子平面Ｓと平行な面内で移動することになる。より具体的には、前述の通り台形の斜辺同士を接合させた２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３，２Ａ３では、２面コーナーリフレクタ１がほぼ同じ方向で視点（例えば視点Ｖ１）の方を向いているので（図１１参照）、図９に示したように多視点空中映像表示装置３Ａ３の中心部を挟んで台形の斜辺の延長方向（視点Ｖ１）から観察すれば、これら２つで１組の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３，２Ａ３による被投影物Ｏ１の像が確認できる。そして、このようにほぼ同じ方向を向く２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３，２Ａ３の組み合わせは、本実施形態の多視点空中映像表示装置３Ａ３では３組あるため、少なくとも３方向（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）からの像の観察が可能であり、さらに６つの２面コーナーリフレクタアレイ３Ａ３…の２面コーナーリフレクタ１それぞれに正対して観察すれば、この多視点空中映像表示装置３Ａ３では常に６方向からの実鏡映像Ｐの観察が可能である。ただし、２枚１組の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３，２Ａ３は、それぞれ２面コーナーリフレクタ１が正確に同一方向を向いているのではなく、それぞれ視線の方向とは約１５°程度の変位があるが、この程度の角度の差異は観察者の両目の視差の範囲内であり、ほぼ同一方向を向いていると見なすことができる。
【００４９】
なお、被投影物Ｏの基盤２１に対する直上にあたる多視点空中映像表示装置３Ａ３の中央部では、異なる方向を向く２面コーナーリフレクタ１が接近して多数存在する場合、回転手段４が動作していない静止状態では迷光が生じて鮮明に結像しない可能性が高いため、平面視した場合に基盤２１上の被投影物Ｏと重なる部位には、２面コーナーリフレクタ１を形成しないなど、不透明として迷光を予め防止することができるが、回転手段４の動作中については上述のように迷光が生じにくいため、敢えて考慮しなくともよい。
【００５０】
また以上の他にも、例えば、図１２に模式的な平面図で示すように、同時に４方向の視点を持つ多視点空中映像表示装置３Ａ４（回転手段については図示省略）を構成することもできる。この多視点空中映像表示装置３Ａ４は、４つの平面視扇型をなす２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ４から構成される。２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ４は、中心角が何れも９０°をなす同形同大のものである。なお、このような２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ４においては、２面コーナーリフレクタ１は第１実施形態の場合と同様にして形成され、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ４の２面コーナーリフレクタ１はそれぞれの中心角（頂点）の方向に向けてあり、上記変形例の場合と同様に静止時の迷光を防止するべく中心角近辺には２面コーナーリフレクタ１を形成しないものとすることができる。そして、回転手段（図示省略）により多視点空中映像表示装置３Ａ４を一斉に回転させることにより、本例の場合は、上述の４つの視点Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が素子平面Ｓと平行な面内で順次移動することとなる。
【００５１】
なお、以上の各種変形例のように、複数の２面コーナーリフレクタアレイを備えた多視点空中映像表示装置では、多視点空中映像表示装置全体を回転させる態様を示したが、各２面コーナーリフレクタアレイを離間させてそれらを個別に又は同期させて回転するように構成することも可能である。
【００５２】
また、２面コーナーリフレクタアレイを構成する２面コーナーリフレクタとしては単に直交する２枚の反射面が存在すればよく、この反射面としては、金属等の光を反射する物質の鏡面精度の平坦度を持つ端面もしくは膜による反射および、屈折率の異なる透明な媒質同士の鏡面精度の平坦度を持つ境界における全反射などの現象を利用することができる。
【００５３】
より具体的には、例えば、上述した実施形態では、２面コーナーリフレクタアレイにおいて、薄板状の基盤２１に正方形状の穴２２を形成し、その穴の内周壁のうち隣接する２つにより２面コーナーリフレクタを形成したが、このような構成に変えて、図１３に拡大して示すように、基盤２１の厚み方向に突出する透明な直方体状の筒状体２３のそれぞれに２面コーナーリフレクタを形成し、このような筒状体２３を碁盤目状に多数形成した２面コーナーリフレクタアレイとしてもよい。この場合、各筒状体２３の内壁面のうち、直交する２つを鏡面要素１１’，１２’とした態様によっても２面コーナーリフレクタ１’を形成することが可能である。この場合、上述した実施形態と同様に、２面コーナーリフレクタ１’で２回反射する光が、基盤２１の面方向すなわち素子平面Ｓに対して面対称な点を通過することにより、被投影物とは素子平面Ｓに対して反対側の空間に２次元像のみならず３次元像をも結像させることができる。
【００５４】
なお、筒状体２３の鏡面要素１１’，１２’以外の内壁面を鏡面としないか、もしくは素子平面Ｓ’に対して垂直以外の角度をつけることにより、余分な反射をなくして、より鮮明な像を得ることができる。また、２面コーナーリフレクタ１’を構成する２つの鏡面１１’，１２’は全反射を利用することもできるし、反射膜による反射を利用することも可能である。特に、鏡面１１’，１２’の全反射を利用する場合、全反射には臨界角が存在するため、多重反射は起こりにくくなることが期待できる。さらに、鏡面を形成すべき筒状体の２つの面に金属反射膜を付け、筒状体同士を接着することも可能である。この場合、鏡面以外の面への非鏡面化等の多重反射対策は必要であるが、開口率が高くなり、透過率が高い２面コーナーリフレクタアレイを得ることができる。
【００５５】
また、被投影物に関しては、２次元か３次元かを問わず、物体や映像を適宜適用することができる。例えば被投影物には、平面ディスプレイや曲面ディスプレイの表示面に表示される映像（静止画像、動画像の何れでもよい）を採用することができる。さらには、このようなディスプレイとして、その表示面が３次元空間を埋めるようにディスプレイが動作する体積走査型立体ディスプレイを採用してもよい。この場合、表示面を含むディスプレイを例えばモータ、スプリング、歯車、ギヤ、レール等を用いた適宜の構成の駆動機構や駆動装置により動作させることで、体積走査型立体ディスプレイを実現することが可能である。
【００５６】
その他、２面コーナーリフレクタを構成する２つの鏡面は、直交する２枚の反射面さえ形成できれば相互に接触させずに相互に間隙を空けて配置されていてもよいことや、多視点空中映像表示装置又は２面コーナーリフレクタアレイの形状は自由に設定できることなど、各部の具体的構成についても上記実施形態や変形例に限られるものではなく、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。
【００５７】
＜第２実施形態＞ 次に、本発明の第２実施形態を、図１４、図１５、図１６を参照して説明する。本実施形態に係る多視点空中映像表示装置３Ｂは、ハーフミラー５とレトロリフレクタアレイ６を利用した実鏡映像結像光学系２Ｂを適用したものである。本実施形態で適用される実鏡映像結像光学系２Ｂは、図１４に示すように、ハーフミラー５のハーフミラー面５１を対称面Ｓ’として、ハーフミラー面４１の一方側の空間に配置した被投影物Ｏから発せられた光がハーフミラー面５１で反射し、さらにレトロリフレクタアレイ６で再帰反射して入射してきた方向に戻り、ハーフミラー面５１を透過することによって、被投影物Ｏの対称面Ｓ’としてのハーフミラー面５１に対する面対称位置に鏡映像を実像Ｐとして結像させるものであり、このような構成に加えてレトロリフレクタアレイ６を含む実鏡映像結像光学系２Ｂ全体を対称面Ｓ’となるハーフミラー面５１の法線を回転軸ｌ’として図面矢印方向に回転させる回転手段（図示省略）を備えている。
【００５８】
このような実鏡映像結像光学系２Ｂの構成要素であるハーフミラー５は、本実施形態では例えば円盤状の透明樹脂やガラス等の透明薄板の一方の面に薄い反射膜をコーティングしたものを利用することができる。この透明薄板の反対側の面には、無反射処理（ＡＲコート）を施すことで、観察される実鏡映像Ｐが２重になるのを防止することができる。なお、ハーフミラー５の上面には、それぞれ特定方向の光線を透過し且つ別の特定方向の光線を遮断するか、あるいは特定方向の光線のみを拡散する視線制御手段として、視界制御フィルム又は視野角調整フィルム等の光学フィルム５２を貼り付けて設けることができる。このような光学フィルム５２には、第１実施形態及びその変形例で適用したフィルムを適用することができる。視線制御手段としてはこのほかにも、スリットを多数形成したスリット板（図示省略）をハーフミラー５の上面側に設けることも可能である。具体的にはこの光学フィルム５２により、被投影物Ｏから発してハーフミラー５を直接透過した光が視点Ｖ１’以外の位置には届かないようにすることで、ハーフミラー５を通じて視点Ｖ１’以外から被投影物Ｏが直接観察できるようになることを防止する一方で、後述するハーフミラー５で一旦反射してレトロリフレクタアレイ６で再帰反射した後にハーフミラー５を透過する方向の光線のみを透過させることで、被投影物Ｏの実像の集合である実鏡映像Ｐのみをある瞬間において特定の視点（図１４（ａ）では視点Ｖ１’、（ｂ）では視点Ｖ２’）から観察できるようにしている。本実施形態では、このような光学フィルム５２を、円盤状のハーフミラー５の上面の半分である半円形の領域に貼り付けている。さらに本実施形態では、ハーフミラー５に光学フィルム５２を貼り付けていない半円形の領域に対応して、光線を透過させない遮光フィルム５３を貼り付けている。なお、遮光フィルム５３に代えて同形の遮光板を配置してもよい。また、図示しないが、回転するハーフミラー５に観察者の手等が触れないように、透明の保護板を設けることができる。
【００５９】
一方、レトロリフレクタアレイ６には、表面を鏡面精度の平滑度として光線を再帰反射するものや、素材表面への再帰反射膜や再帰反射塗料のコーティングにより、入射光を逆反射させるものであればあらゆる種類のものを適用することができ、図１４に示すように曲面としてもよいし、平面とすることもできる。同図に示した本実施形態において、曲面のレトロリフレクタアレイ６は、球体の一部（１／４球）の内面側に多数のコーナーキューブ（後述）を形成したものである。例えば、図１５（ａ）に正面図の一部を拡大して示すレトロリフレクタアレイ６は、直方体内角の１つの角を利用するコーナーキューブの集合であるコーナーキューブアレイである。個々のレトロリフレクタ６１は、３つの同形同大の二等辺三角形をなす鏡面６１ａ，６１ｂ，６１ｃを１点に集合させて正面視した場合に正三角形を形成するものであり、これら３つの鏡面６１ａ，６１ｂ，６１ｃは互いに直交してコーナーキューブを構成している。そして、図１６（ａ）に示すように、鏡面のうちの一つ（例えば６１ａ）に入射した光は、順次他の鏡面（６１ｂ，６１ｃ）で反射することで、レトロリフレクタ６１へ光が入射してきた元の方向へ反射（再帰反射）する。また、図１５（ｂ）に正面図の一部を拡大して示すレトロリフレクタアレイ６も、直方体内角の１つの角を利用するコーナーキューブの集合であるコーナーキューブアレイである。個々のレトロリフレクタ６１は、３つの同形同大の正方形をなす鏡面６１ａ，６１ｂ，６１ｃを１点に集合させて正面視した場合に正六角形を形成するものであり、これら３つの鏡面６１ａ，６１ｂ，６１ｃは互いに直交している。このレトロリフレクタアレイ６は、同図（ａ）のレトロリフレクタアレイ６とは形状が異なるだけで再帰反射の原理は同じであり、同様に図１６（ｂ）に示すように、鏡面のうちの一つ（例えば６１ａ）に入射した光は、順次他の鏡面（６１ｂ，６１ｃ）で反射することで、レトロリフレクタ６１へ光が入射してきた元の方向へ反射（再帰反射）する。。なおレトロリフレクタアレイ６に対する入射光と出射光の経路は、厳密には重ならず平行であるが、レトロリフレクタ６１がレトロリフレクタアレイ６と比べて十分小さい場合には、入射光と出射光の経路が重なっているとみなしてもよい。上述したようなレトロリフレクタアレイ６は、例えばアルミニウムやニッケル等の金属板の切削による鏡面仕上げや、金属板又は樹脂板への電鋳工法等によって作成することができる。これら２種類のコーナーキューブアレイの違いは、鏡面が二等辺三角形のものは比較的作成しやすいが反射率が若干低くなり、鏡面が正方形のものは二等辺三角形のものと比較して作成がやや難しい反面、反射率が高い、ということである。
【００６０】
このような構成の多視点空中映像表示装置３Ｂの場合、視界制御機能を有する光学フィルム５２と遮光フィルム５３を貼り付けたハーフミラー５を含む実鏡映像結像光学系２Ｂの全体が回転すると、ある瞬間では図１４（ａ）に示したように、被投影物Ｏから発せられてハーフミラー面５１で反射しレトロリフレクタアレイ６で再帰反射して再びハーフミラー５を透過した光が見える位置である視点Ｖ１’からは、その被投影物Ｏの素子平面Ｓ’であるハーフミラー面５１に対する面対称位置に結像した実鏡映像Ｐを観察することができる。また、別の瞬間では同図（ｂ）に示したように、被投影物Ｏから発せられてハーフミラー面５１で反射しレトロリフレクタアレイ６で再帰反射して再びハーフミラー５を透過した光が見える位置である視点Ｖ２’からは、その被投影物Ｏの素子平面Ｓ’であるハーフミラー面５１に対する面対称位置に結像した実鏡映像Ｐを観察することができる。このように、実鏡映像Ｐを観察できる位置がハーフミラー５の回転に伴って順次移動するため、ハーフミラー５の上面側の空間においては時間差で複数の視点から実鏡映像Ｐの観察が可能となる。
【００６１】
なお、レトロリフレクタアレイ６には、上述したコーナーキューブアレイの他にも、３つの鏡面により光線を再帰反射させるもの（広義には「コーナーリフレクタ」）を採用することができる。図示しないが、例えば、単位再帰反射素子として、３つの鏡面のうち２つの鏡面同士が直交し、且つ他の１つの鏡面が他の２つの鏡面に対して９０／Ｎ度（ただしＮは整数とする）をなすものや、３つの鏡面がそれぞれ隣接する鏡面となす角度が９０度、６０度及び４５度となる鋭角レトロリフレクタが、本実施形態に適用される再帰反射素子３として適している。その他にも、キャッツアイレトロリフレクタ等も単位再帰反射素子として利用することができる。これらのレトロリフレクタアレイは、平面的なものであっても、屈曲又は湾曲していてもよい。さらに、図１４の例では、１／４球形状のレトロリフレクタアレイ６を被投影物Ｏの外側に配置したが、被投影物Ｏから発してハーフミラー４で反射した光を再帰反射することができる位置及び形状であれば、レトロリフレクタアレイ６の配置位置や形状は適宜に設定することができる。
【００６２】
さらに、本発明において２面コーナーリフレクタアレイを適用する場合、第１実施形態等で示した２面コーナーリフレクタアレイ（２Ａ等）以外にも、素子面に垂直であり且つ相互に平行な鏡面を有するスリットミラーアレイ２枚を、上下に鏡面が垂直となるように重ねた構造を有する２面コーナーリフレクタアレイを採用することもできる。
【００６３】
また、多視点空中映像表示装置は、上述した実施形態に限らず、ハーフミラーやレトロリフレクタアレイの具体的構成や形状など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能であり、第１実施形態で言及したような遮光部を素子平面の被投影物側の空間に設けることも有用である。また、３つ以上の視点からの観察が可能なように多視点空中映像表示装置を構成してもよい。さらに、被投影物としてディスプレイの表示面に表示される映像を採用したり、そのディスプレイを体積走査型立体ディスプレイとすることができることについても、第１実施形態の場合と同様である。
【符号の説明】
【００６４】
１，１’…２面コーナーリフレクタ
２Ａ，２Ａ１，２Ａ２，２Ｂ，２Ｂ１…２面コーナーリフレクタアレイ
３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３，３Ｂ…多視点空中映像表示装置
４…回転手段
５…ハーフミラー
６…レトロリフレクタアレイ
１１，１１’，１２，１２’…鏡面
２１，２１’…基盤
２２…穴
２３…筒状体
２４…視線制御手段２４
４１…支持部
４２…ベルト部
４１１…孔
５１…ハーフミラー面
５２…光学フィルム
５３…遮光フィルム
６１…レトロリフレクタ
Ｏ…被投影物
Ｐ…鏡映像（被投影物の像）
Ｓ、Ｓ’…素子平面
ｌ，ｌ’…回転軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被投影物の鏡映像を空中に浮遊する実像として結像させ、複数の視点から観察することを可能とする多視点空中映像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明者は、空間に想定される平面の一方側に被投影物を配置し、その平面を対称面として反対側の空間に被投影物の鏡映像を実像として結像させる機能を備えた光学素子（光学系）として、これまで、２つの鏡面から構成される実鏡映像結像素子である２面コーナーリフレクタを多数備えた反射型実鏡映像結像素子（以下、「２面コーナーリフレクタアレイ」という）（特許文献１参照）や、再帰反射機能を備えたレトロリフレクタアレイとハーフミラーとを利用した実鏡映像結像光学系（特許文献２参照）を提案している。
【０００３】
特許文献１の２面コーナーリフレクタアレイは、当該２面コーナーリフレクタアレイにおける素子平面の一方側に配置した被投影物（実体のある物体、映像を含む）から発せられる光を、各２面コーナーリフレクタの２つの鏡面でそれぞれ反射させつつこの２面コーナーリフレクタアレイを透過させることで、素子平面の他方側である観察側における空間に当該被投影物の鏡映像を実像として結像させるという、新規な結像様式を備えるものである。斯かる２面コーナーリフレクタアレイは、鏡面による光の反射をその基本原理としているが、素子としては透過型として機能する結像素子であって、例えば１つの素子平面内で複数の２面コーナーリフレクタを種々の方向に向けるなどしてその配置を工夫することで、多人数で様々な方向から同時に観察可能な空中映像を結像することができる実鏡映像結像光学系を構成することができる（特許文献３参照）。また、特許文献２の実鏡映像結像光学系は、光線を入射してきたそのままの方向に反射させるというレトロリフレクタの性質と、光線を反射及び透過させるというハーフミラーの性質を有効に組み合わせることで、広い視野角からの空中映像の観察を可能にするという新規な結像様式を備えるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】再表２００７−１１６６３９
【特許文献２】特開２００９−０２５７７６
【特許文献３】再表２００８−１１１４２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで従来の特許文献１、３のような実鏡映像結像光学系では、被投影物が立体像である場合には、当該光学系により得られるその実像は、鏡映像をその裏側から見ることになる。また、特許文献１の２面コーナーリフレクタアレイにおいては、視野角が制限されており、そのままでは多視点で観察可能な空中映像を表示させることはできない。そこで、特許文献３で示したように構成する２面コーナーリフレクタの配置の工夫等により、左右方向の視野角を拡大させることが可能であるが、奥行き反転はそのままである。また、特許文献２のレトロリフレクタ型の実鏡映像結像光学系においては、そのままで視野角を広く取ることが可能であるが、やはり奥行きは反転する。
【０００６】
そこで本発明は、上述した従来例における面対称位置への結像という光学素子又は光学系の性質を利用しつつ、迷光が生じることを抑制しながら、時間差で複数の視点からの被投影物の像の観察を可能とする新規な光学系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】
【０００７】
すなわち本発明に係る多視点空中映像表示装置は、被投影物の実像を対称面となる所定の１つの幾何平面に対する面対称位置に光線の反射を利用して結像可能な実鏡映像結像光学系と、対称面上における実鏡映像結像光学系の全体又は一部を当該対称面の法線を軸として回転させる回転手段とを具備していることを特徴とするものである。
【０００８】
ここで、回転手段の具体的態様としては、例えば、ベルト、歯車、ローラ、又はこれらを組み合わせて構成したもの等、物体を回転させることができるものであれば適宜の手段を採用することができる。また、本発明には、実鏡映像結像光学系を１つ又は複数用いることができる。被投影物には、２次元又は３次元の物体又は映像を適用することができる。例えば、予め奥行きを反転させた複数の立体像（被投影物）を対称面の一方側に配置すれば、観察側（実像側）では、正常な奥行きを持った立体空中像の観察が可能になる。なお、被投影物とその像とは、上下が逆転する関係にあるため、被投影物は予め上下を逆転しておくことが望ましい。一例を挙げると、例えば、内側をくり貫いた半球状のカップの内面に上下を反転させて投影した映像を被投影物として考えると、観察側では、仮想的な半球状のカップの外周面に現れる映像としての「被投影物の実像」を観察することができる。
【０００９】
このような本発明の多視点空中映像表示装置であれば、仮に回転手段を作動させないとすると、被投影物から発せられた光が反射を利用した実鏡映像結像光学系により、１つの実鏡映像結像光学系について実像が対称面に対する面対称位置に結像して固定された視点からのみこの実鏡映像を観察することができるが、回転手段によって対象面上の実鏡映像結像光学系の全体又は一部を当該対称面内で回転させると、時間差によって空中像を観察可能な位置が順次変化することとなって多数の視点からの像の観察が可能となる。また、実鏡映像結像光学系と被投影物との位置関係を調整することで、回転が生じても空中の１つの狭い領域に像を結像させることで、どの視点からも同じ位置にある空中像を観察することができるようになる。
【００１０】
上述したような多視点空中映像表示装置の具体例の一つとしては、実鏡映像結像光学系が、所定の素子平面に垂直な相互に直交する２つの鏡面から構成される２面コーナーリフレクタを当該素子平面上に複数並べた２面コーナーリフレクタアレイであり、この素子平面を前記対称面とするものを挙げることができる。
【００１１】
この場合、被投影物からの光が各素子平面を透過する際に、各２面コーナーリフレクタの２つの鏡面で１回ずつ反射して素子平面の反対側の空中に実像として結像する。すなわち、観察者からは、２つの鏡面の内角が視線方向と向き合っている２面コーナーリフレクタで反射して結像した被投影物の実像を観察することが可能となる。１つの２面コーナーリフレクタアレイを構成する２面コーナーリフレクタが全て同じ方向を向いていれば、その２面コーナーリフレクタアレイが静止した状態では１つの視点から空中像を観察でき、１つの２面コーナーリフレクタアレイを構成する２面コーナーリフレクタが複数方向を向いていれば同時に複数の視点から空中像を観察することができる。そしてさらに、回転手段により実鏡映像結像光学系を構成する２面コーナーリフレクタアレイが様々な方向を向くことになるため、時間差で多視点からの空中像の観察が可能となる。ここで、２面コーナーリフレクタの集合が素子平面と平行な面内で回転すると、２面コーナーリフレクタによる２回反射光はこの素子平面内で再帰反射するため、光線の反射方向としては回転の影響は受けず、当該素子平面に対する被投影物の面対称位置に結像される該被投影物の像の場所は変化しない。一方、１回反射光は、回転とともに結像位置が変化するため、この１回反射光による迷光は、当該回転方向に平均化されるようになる。すなわち、回転に伴う各視点では、迷光の影響が軽減されるため、鮮明な像を観察できるようになる。また、ある視点位置に注目すると、この位置からは、時分割でいろいろな方向に向いている被投影物の像を観察することができる。
【００１２】
このような２面コーナーリフレクタアレイを備えた多視点空中映像表示装置のより具体的に好ましい構成としては、まず、２面コーナーリフレクタアレイを１つ具備し、回転手段が当該２面コーナーリフレクタアレイの全体を前記素子平面の法線を軸として回転させるものを挙げることができる。この場合、全ての２面コーナーリフレクタが同一方向を向いていれば１つの２面コーナーリフレクタアレイによる被投影物の結像位置と観察位置は１つであり、２面コーナーリフレクタが複数方向を向いた２面コーナーリフレクタアレイを静止させれば観察位置を複数となるが、回転により時間差又は同時に、より多視点からの観察を可能とすることができる。
【００１３】
また、他の好ましい構成としては、素子平面を同一平面上に有する２面コーナーリフレクタアレイを複数具備し、回転手段が各２面コーナーリフレクタアレイの全体を素子平面の法線を軸として個別に又は同期して回転させるものが挙げられる。この場合、各２面コーナーリフレクタアレイごとに１つずつの観察位置が生じるため、これらが個別に又は同時に回転することで、同時に多視点からの空中像の観察が可能になるとともに、１回転あたりに同一の視点から空中像を観察できる回数を多くすることができる。
【００１４】
さらにその他の好ましい構成としては、２面コーナーリフレクタアレイを１つ以上具備し、回転手段が、当該２面コーナーリフレクタアレイを構成する個別の２面コーナーリフレクタ又は一定の領域内にある複数の２面コーナーリフレクタの集合を素子平面の法線を軸として回転させるものとすることもできる。このような構成であれば、回転も伴ってより多くの視点を設定することができる。
【００１５】
ここで、２面コーナーリフレクタについて考察すると、光線を２面コーナーリフレクタにおいて適切に屈曲させつつ素子平面を透過させるには、２面コーナーリフレクタを、素子平面を貫通する方向に想定される光学的な穴の内壁を鏡面として利用するものと考えればよい。ただし、このような２面コーナーリフレクタは概念的な物であり、必ずしも物理的な境界などにより決定される形状を反映している必要は無く、例えば前記光学的な穴は相互に独立させることなく連結させたものとすることができる。
【００１６】
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、素子平面にほぼ垂直な鏡面を素子平面に多数並べたものである。構造として問題となるのは、この鏡面をどのように素子平面に支持固定するかということになる。鏡面形成のより具体的な方法としては、例えば２面コーナーリフレクタアレイを、所定の空間を区画する基盤を具備するものとして、当該基盤を通る１つの平面を素子平面として規定し、２面コーナーリフレクタを、素子平面を貫通する方向に想定される光学的な穴として、基盤に形成された穴の内壁を鏡面として利用するものとすることができる。この基盤に形成された穴は、光が透過するように透明でありさえすればよく、例えば内部が真空もしくは透明な気体もしくは液体で満たしたものであってもよい。また穴の形状についても、その内壁に単位光学素子として働くための１枚もしくは複数の同一平面に含まれない鏡面を具備し、かつ鏡面で反射した光が穴を透過できる限り、任意の形状を取ることが可能であり、各穴が連結していたり、一部が欠損している複雑な形状であってもよい。例えば、基盤の表面に個々の独立した鏡面が林立する態様などは、基盤に形成された穴が連結しているものと理解できる。
【００１７】
あるいは２面コーナーリフレクタは、光学的な穴として、透明なガラスや樹脂のような固体によって形成された筒状体を利用するものであってもよい。なお、固体によって個々の筒状体が形成されている場合、これらの筒状体は、相互に密着させて素子の支持部材として働かせてもよく、基盤を具備するものとして当該基盤の表面から突出した態様をとってもよい。また筒状体の形状についても、その内壁に２面コーナーリフレクタとして働くための１枚もしくは複数の同一平面に含まれない鏡面を具備し、かつ鏡面で反射した光が筒状体を透過できる限り、任意の形状を取ることが可能であり、筒状体と称してはいるが各筒状体が連結していたり、一部が欠損している複雑な形状であってもよい。
【００１８】
ここで、前記光学的な穴として、立方体もしくは直方体のように隣接する内壁面が全て直交する形状を考えることができる。この場合、２面コーナーリフレクタ相互の間隔を最小化することができ、高密度な配置が可能となる。また、全ての内壁面を鏡面とすると、４組の異なる方向を向く２面コーナーリフレクタを１つの穴に構成することが可能となり、様々な方向から観察可能な結像素子としての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。ただし、平行で対向する鏡面の存在により、望まない多重反射が起こる可能性が高まることになる。
【００１９】
２面コーナーリフレクタ内に複数の鏡面が存在する場合には、想定された回数以上の反射を起こす多重反射の透過光が存在する可能性がある。この多重反射対策として、光学的な穴の内壁に相互に直交する２つの鏡面を形成する場合は、これら２鏡面以外の面を、非鏡面として光が反射しないようにしたり、素子平面に対して垂直とならないように角度を付けて設けたり曲面としたりすることで、３回以上の反射を起こす多重反射光を軽減もしくは除去できる。非鏡面とするには、その面を反射防止用の塗料や薄膜で覆う構成や、面粗さを粗くして乱反射を生じさせる構成を採用することができる。なお、透明で平坦な基盤の存在は光学素子の働きを阻害するものではないので、基盤を任意に支持部材・保護部材として用いることが可能である。
【００２０】
さらに、被投影物の像の高精細化を図るには、複数の２面コーナーリフレクタを、前記素子平面上においてできるだけ間隔を空けずに配置することが望ましく、例えば格子状に配置することが有効である。またこの場合、製造も容易になるという利点がある。
【００２１】
２面コーナーリフレクタにおける鏡面としては、固体であるか液体であるかに関わらず金属や樹脂等の光沢のある物質によって形成された平坦面で反射するもの、あるいは異なる屈折率を持つ透明媒質同士の平坦な境界面において反射もしくは全反射するものなどを利用することができる。また、鏡面を全反射によって構成した場合には、複数の鏡面による望まない多重反射は、全反射の臨界角を超える可能性が高くなることから、自然に抑制されることが期待できる。
【００２２】
また鏡面は、機能的に問題ない限り、光学的な穴の内壁のごく一部分に形成されていてもよく、平行に配置される複数の単位鏡面により構成されても構わない。後者の態様を換言すれば、１つの鏡面が複数の単位鏡面に分割されても構わないことを意味する。またこの場合、各単位鏡面は、必ずしも同一平面に存在していなくてもよく、それぞれが平行であればよい。さらに、各単位鏡面は、当接している態様、離れている態様のいずれもが許容される。なお、２面コーナーリフレクタアレイを構成する場合には、直交する２鏡面による２面コーナーリフレクタを必要とするため、１つの単位光学素子には、直交する２つの鏡面が形成されなければならない。この直交する２つの鏡面同士についても、必ずしも接触している必要はなく、光が素子平面の一方側から他方側へと透過する際に２つの鏡面で１回ずつ反射すればよいので、２つの鏡面同士が当接している態様、離れている態様のいずれもが許容される。
【００２３】
２面コーナーリフレクタアレイを利用する態様以外にも、本発明の具体的態様の一例としては、実鏡映像結像光学系として、光線を再帰反射させるレトロリフレクタアレイと光線を反射及び透過させるハーフミラー面を有するハーフミラーとを具備するものであり、このハーフミラー面を対称面として、レトロリフレクタアレイを当該ハーフミラーに対して被投影物と同じ側においてハーフミラーと共に被投影物を包囲する空間の一部を占める領域に配置し、回転手段が、少なくとも前記レトロリフレクタアレイを前記ハーフミラー面の法線を軸として回転させるものを挙げることもできる。ここでレトロリフレクタの作用である「再帰反射」とは、反射光を入射光が入射してきた方向へ反射（逆反射）する現象をいい、入射光と反射光とは平行であり且つ逆向きとなる。このようなレトロリフレクタをアレイ状に配置したものがレトロリフレクタアレイであり、個々のレトロリフレクタが十分に小さい場合は、入射光と反射光の経路は重なると見なすことができる。このレトロリフレクタアレイにおいてレトロリフレクタは同一面上に存在している必要はなく、各レトロリフレクタは３次元的に散在していても構わない。また、ハーフミラーは、光線を透過させる機能と反射させる機能の両方を備えているものをいい、好ましくは透過率と反射率がほぼ１：１のものが理想的である。
【００２４】
レトロリフレクタには、３つの隣接する鏡面から構成されるもの（広義には「コーナーリフレクタ」と呼ぶことができる）や、キャッツアイレトロリフレクタを利用することができる。コーナーリフレクタには、相互に直交する３つの鏡面から構成されるコーナーリフレクタ、３つの隣接する鏡面がなす角度のうち２つが９０度であり、且つ他の１つの角度が９０／Ｎ度（ただしＮは整数）をなすもの、３つの鏡面がなす角度が９０度、６０度及び４５度となる鋭角レトロリフレクタ等を採用することができる。
【００２５】
このようなレトロリフレクタアレイとハーフミラーを利用する多視点空中映像表示装置の場合、被投影物から出た光はハーフミラー面で反射し、さらにレトロリフレクタアレイで再帰反射して必ず元の方向に戻り、ハーフミラー面を透過して結像するため、ハーフミラーからの反射光を受けられる位置にある限りレトロリフレクタアレイの形状や位置は限定されない。そして、結像した実像の観察は、ハーフミラー面を透過する光線に対向する方向から観察することができ、レトロリフレクタアレイがハーフミラー面の法線を軸として回転するため、その回転に伴って複数の視点からの空中像の観察が可能となる。
【００２６】
また、以上に述べたような本発明の多視点空中映像表示装置においては、実鏡映像結像光学系における対称面の一部又は全部に、所定の角度範囲の光線のみを遮断又は拡散させる視界制御手段を設けることで、意図される方向からの空中像の観察のみを許容し、対称面を通じて被投影物が直接視認されるようになることを防止することができる。なお、視界制御手段としては、例えば視界制御フィルムを利用することができ、対称面を構成する２面コーナーリフレクタアレイやハーフミラーの一部にこの視界制御フィルムを貼付するとよい。
【００２７】
さらに、本発明の多視点空中映像表示装置において、被投影物としては、ディスプレイの表示面に表示される映像を採用し、このディスプレイを表示面が所定の３次元空間を埋める動作を行う体積走査型立体ディスプレイとすることができる。ディスプレイの表示面は平面的であっても曲面であってもよいが、このように体積走査型立体ディスプレイを用いる場合、表示面に表示される映像に基づき実鏡映像結像光学系によって動く３次元映像を実鏡映像として時間差で複数の視点から観察できることとなる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の多視点空中映像表示装置によれば、回転手段によって対象面上の実鏡映像結像光学系の全体又は一部を対称面内で回転させると、時間差によって結像した空中像の観察位置が順次変化することとなるため、回転という簡便な手段を利用することで、被投影物の鮮明な像を迷光の影響を抑制しつつ多くの視点からの観察を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の多視点空中映像表示装置を概略的に示す平面図。
【図２】図１におけるｄ１−ｄ１断面図。
【図３】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及びその結像様式を概略的に示す斜視図。
【図４】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示す平面図。
【図５】同２面コーナーリフレクタアレイの一部を拡大して示す斜視図。
【図６】同実施形態の多視点空中映像表示装置による結像様式を模式的に示す平面図。
【図７】同実施形態に係る多視点空中映像表示装置の一変形例を概略的に示す平面図。
【図８】同変形例における結像様式を模式的に示す斜視図。
【図９】同実施形態に係る多視点空中映像表示装置の一変形例を回転手段を省いて概略的に示す平面図。
【図１０】同変形例に適用される２面コーナーリフレクタアレイを示す平面図。
【図１１】同変形例に適用される２面コーナーリフレクタアレイの組み合わせ構成例を示す平面図。
【図１２】同実施形態に係る多視点空中映像表示装置の他の変形例を回転手段を省いて概略的に示す平面図。
【図１３】第１実施形態に適用される２面コーナーリフレクタアレイの他の例の一部を拡大して示す斜視図。
【図１４】第２実施形態に係る多視点空中映像表示装置の一変形例を回転手段を省いて概略的に示す平面図。
【図１５】同実施形態に適用されるレトロリフレクタアレイの一部を拡大して示す概略的な正面図。
【図１６】同レトロリフレクタアレイを構成するコーナーキューブにおける光線の反射態様を示す模式的な斜視図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００３１】
＜第１実施形態＞ 本発明の第１実施形態に係る多視点空中映像表示装置３Ａ１は、図１及び図２に示すように、１つの素子平面Ｓ上に多数の２面コーナーリフレクタ１を形成した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを具備し、この２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの一方面側（図示例では下面側）に被投影物Ｏを配置するようにしたものであり、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを素子平面Ｓ内でその法線を回転軸ｌとして回転させる回転手段４を更に備えている。なお、本実施形態では、一定の方向からのみ被投影物Ｏの空中映像の観察を可能とし、意図とは異なる方向からの観察を制限するために、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの上面側に、視線制御手段２４を設けている。
【００３２】
２面コーナーリフレクタアレイ２Ａについては、図３に示すように、静止させた状態では、視点Ｖから観察した場合に、被投影物Ｏの鏡像が実像として素子平面Ｓに対する面対称位置に結像するため、これを見ることができるものである。なお、２面コーナーリフレクタ１は２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの全体と比べて非常に微小であるので、図１、図３においては２面コーナーリフレクタ１の集合全体をグレーで表し、その内角の向きをＶ字形状で表してある。以下、各部の具体的構成及び結像様式について説明する。
【００３３】
２面コーナーリフレクタアレイ２Ａは、図４に示すように、平板状の基盤２１を備え、この基盤２１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状の穴２２を多数形成し、各穴２２の内壁面を２面コーナーリフレクタ１として利用するために、穴２２の内壁面うち直交する２つにそれぞれ鏡面１１，１２を形成したものである。
【００３４】
基盤２１は、厚み寸法が例えば５０〜２００μｍ、本実施形態では１００μｍの薄板状のものであり、本実施形態では、一辺がそれぞれ約５ｃｍの平面視正方形状のものを適用しているが、基盤２１の厚さや平面寸法はこれらに限られることなく適宜設定することができる。図４のＡ部を拡大して図５に示すように、各２面コーナーリフレクタ１は、光を透過させるために基盤２１に形成した物理的・光学的な穴２２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２１に平面視ほぼ正方形状の穴２２を多数形成し、各穴２２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１１，１２とし、これら鏡面１１，１２を反射面として機能する２面コーナーリフレクタ１としている。なお、穴２２の内壁面のうち２面コーナーリフレクタ１以外の部分には鏡面処理を施さず光が反射不能な面とするか、もしくは角度をつけるなどして多重反射光を抑制することが好ましい。各２面コーナーリフレクタ１は、基盤２１上において鏡面１１，１２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１１，１２の内角の向きを、２面コーナーリフレクタ１の向き（方向）と称することがある。鏡面１１，１２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１１，１２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。
【００３５】
具体的に、各２面コーナーリフレクタ１を構成する鏡面１１，１２は、一辺が例えば５０〜２００μｍ、本実施形態では基盤２１の厚さに対応させた１００μｍであり、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２１に所定ピッチで複数形成されている。本実施形態では、各２面コーナーリフレクタ１の素子平面Ｓ上でＶ字形状をなす各辺を、基盤２１の巾方向又は奥行き方向に対して４５度傾斜させるとともに、全ての２面コーナーリフレクタ１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１同士の離間寸法を極力小さく設定することで、透過率を向上させることができる。そして、前記基盤２１のうち、２面コーナーリフレクタ１を形成した部分以外の部位には遮光処理を施し、基盤２１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１を基盤２１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２Ａを採用している。
【００３６】
他の鏡面の形成方法として、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２１を形成した場合、鏡面１１，１２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２１を樹脂製などとした場合には、鏡面１１，１２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。
【００３７】
このようにして基盤２１に形成した２面コーナーリフレクタ１は、基盤２１の表面側（又は裏面側）から穴２２に入った光を一方の鏡面（１１又は１２）で反射させ、さらにその反射光を他方の鏡面（１２又は１１）で反射させて基盤２１の裏面側（又は表面側）へと通過させる機能を有し、この光の経路を側方から見れば光の進入経路と射出経路とが基盤２１を挟んで面対称をなすことから、上述のように基盤２１上に多数の２面コーナーリフレクタ１を形成することで、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ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２Ａの素子平面Ｓ（基盤２１の肉厚の中央部を通り各鏡面と直交する面を仮定し、図５に想像線で示す。）は、基盤２１の一方側にある被投影物Ｏの鏡映像を実像Ｐ（以下、必要に応じて「実鏡映像Ｐ」と称する）として他方側の面対称位置に結像させる面となる。
【００３８】
そして多視点空中映像表示装置３Ａ１は、上述した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの下面側に被投影物Ｏを配置するようにしたものである。このような多視点空中映像表示装置３Ａ１に設けられる回転手段４は、図１及び図２に示すように、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの基盤２１の端部を支持する円盤状で中央に矩形状の孔４１１を設けた支持部４１と、この支持部４１の中心軸と平行な軸周りに回転する円板状の駆動部（図示省略）と、前記支持部４１の周縁部及び駆動部の周縁部に懸架した環状のベルト部４２とを具備し、前記駆動部の回転運動をベルト部４２を介して支持部４１に伝達することで、該支持部４１に支持されている基盤２１を回転させて、素子平面Ｓ全体を該素子平面Ｓと平行な面内で回転させるようにしたものである。本実施形態では、駆動部を回転駆動することでベルト部４２を図１に矢印ｘで示す方向に回転させると、このベルト部４２の回転に従って支持部４１が水平面内を図１に矢印ｙで示す方向に回転し、結果、素子平面Ｓ全体がその水平面内で回転するようにしている。なお、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの回転速度は一定（例えば１８００ｒｐｍ）としているが、それ以外の速度としてもよいし、必ずしも速度を一定とはしなくてもよい。また、素子平面Ｓ全体を連続的に回転するようにしているが、間欠的に回転するようにしてもよい。その他にも、基盤２１と支持部４１とを別部材とすることなく、基盤２１自体を駆動部及びベルト部４２により回転させるような構成を採用してもよい。また、図示例では回転手段４により２面コーナーリフレクタアレイ２Ａが平面視反時計回りに回転する状態を示しているが、回転方向は特に限定されるわけではない。
【００３９】
さらに、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの上面側に設けた視線制御手段２４によって、回転手段４で回転する２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを通じた被投影物Ｏの実鏡映像Ｐの観察は、同時には一定の方向（一定の角度範囲）からのみ可能となるようにしている。具体的に説明すると、視線制御手段２４（図１に破線の枠内で示され、図２に破線で示される）としては、一定の角度範囲のみの光線を通過させて他の角度範囲の光線は遮断するように整列形成したスリットを多数有する板材（以下、「スリット板」と称する）を基盤２１に取り付けた構成や、一定の角度範囲のみの光線を通過させて他の角度範囲の光線は遮断又は拡散させる機能を有する視界制御フィルム又は視野角調整フィルム等の光学フィルム（例えば、商品名「ルミスティ」（住友化学株式会社製）等）を基盤２１に貼り付けた例示することができる。このような視線制御手段２４を設けることで、図２に１点鎖線で光線を示したように、被投影物Ｏから発せられた光は、観察者の視点Ｖの方向へのみ進むが、他の方向には進まない（図中×印）こととなる。
【００４０】
次に、本実施形態の多視点空中映像表示装置３Ａ１を用いた被投影物Ｏの実鏡映像Ｐの結像の態様を、被投影物Ｏから発せられた光の経路とともに説明する。なお、説明の便宜上、回転手段４を動作させている場合と動作させていない場合に分けて説明する。
【００４１】
（１）回転手段４を動作させない場合
図６に平面的な模式図で示すように、被投影物Ｏから発せられる光（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２Ａの基盤２１に形成した穴２２を通過する際に、２面コーナーリフレクタ１を構成する一方の鏡面１１（又は１２）で反射して更に他方の鏡面１２（又は１１）で反射することで（透過光の光線を破線で示す）、図３に模式的な斜視図で示すように、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの素子平面Ｓに対して被投影物Ｏの面対称位置に、「Ｆ」の文字を現す実鏡映像Ｐとして結像する。この実鏡映像Ｐは、当該２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの２面コーナーリフレクタの鏡面１１，１２が見える位置、すなわち基盤２１の斜め上方の視点Ｖから観察することで視認可能となる。詳述すれば、相互に直交する鏡面１１，１２に対して光が各１回ずつ、合計２回反射すると、光の成分のうち、基盤２１の面方向に平行な成分（換言すれば素子平面Ｓと平行な成分）は入射方向に戻る一方、鏡面１１，１２の面方向に平行な成分（換言すれば素子平面Ｓに対して垂直な成分）はその成分を保存する。その結果、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを透過した２回反射光は、素子平面Ｓに対して面対称な点を必ず通過することとなる。そして、光源である被投影物Ｏからはあらゆる方向の光が出ることから、それらの光が２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを透過する際に各２面コーナーリフレクタ１で２回反射し、全て同一点に集まって焦点を結ぶ。このように、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを透過した２回反射光は面対称位置へ集束するため、深さ方向（素子平面Ｓに対して垂直な方向）に対して広い範囲で焦点を結ぶことが可能となる。そして、基盤２１の下面側の空間に被投影物Ｏとして３次元物体を配置する場合には、基盤２１の上面側に３次元像が浮かぶこととなる。ただし、その３次元像は、凹凸が反転する。なお、被投影物Ｏから発した光のうち、鏡面１１又は鏡面１２で反射せずに穴２２を直接通過しようとする光は、視線制御手段２４によって遮断又は拡散されるため、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを通じて被投影物Ｏを直接視認することはできない。
【００４２】
（２）回転手段４を動作させた場合
回転手段４を動作させると、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの全体が、該素子平面Ｓと平行な面内（水平面内）で一定の速度で連続的に回転する。このとき、２面コーナーリフレクタ１による２回反射光はこの素子平面Ｓ内で再帰反射するため、光線の反射方向としては回転の影響は受けず、当該素子平面Ｓに対する被投影物Ｏの面対称位置に結像される該被投影物の実鏡映像Ｐの場所は変化しない。一方、１回反射光は、回転とともに結像位置が変化するため、この１回反射光による迷光は、当該回転方向に平均化されるようになる。すなわち、回転に伴う各視点では、迷光の影響が軽減するため、鮮明な実鏡映像Ｐを観察できるようになる。そして、２面コーナーリフレクタ１と向き合う位置となる視点は、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの回転手段による回転に従ってその回転方向に順次回転移動する。すなわち、素子平面Ｓの上方におけるあらゆる方向から、時分割で２面コーナーリフレクタ１と正対している位置を視点とする限り、実鏡映像Ｐを観察することができる。このように２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを回転させる場合も、鏡面１１又は鏡面１２で反射せずに穴２２を直接通過しようとする光は、視線制御手段２４によって遮断又は拡散され、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを通じて被投影物Ｏを直接視認することはできない。
【００４３】
このように、本実施形態の多視点空中映像表示装置３Ａ１であれば、回転手段４によって、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの全体を、その素子平面Ｓと平行な面内で回転させるといった簡便な方法でありながら、被投影物の鮮明な実鏡映像Ｐを迷光の影響を抑制しつつ多視点で観察することが可能となる。
【００４４】
＜第１実施形態 変形例＞ なお、２面コーナーリフレクタ１を用いる本実施形態は、上述した態様に限定されるものではない。例えば、回転手段４をベルト部４２を用いて構成しているが、歯車やローラなどを用いて構成するなど、回転手段４の構成は実施態様に応じて適宜変更することができる。また、２面コーナーリフレクタ１を、素子平面Ｓ上で個々に保持する保持部（図示せず）を設け、この保持部を回転手段によって回転させても良い。このような構成とすれば、個々の２面コーナーリフレクタ１を、保持部を介して回転手段によって独立的に回転することができるようになる。したがって、各２面コーナーリフレクタ１の１回反射光による迷光を個別的に制御して迷光の影響を効果的に軽減させて、鮮明な鏡映像Ｐを観察することが可能となる。さらにまた、一定の領域内にある複数の２面コーナーリフレクタ１の集合を、素子平面Ｓ上で保持する保持部（図示せず）を設け、この保持部を回転手段によって回転させてもよい。このような構成とすれば、一定の領域内にある複数の２面コーナーリフレクタ１の集合を、保持部を介して回転手段によって独立的に回転することができるようになる。したがって、各領域内にある複数の２面コーナーリフレクタ１の集合ごとの１回反射光による迷光を個別的に制御して迷光の影響を効果的に軽減させて、鮮明な鏡映像Ｐを観察することが可能となる。
【００４５】
また、上記の他にも、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを複数備えたものとすることもできる。例えば図７に示す多視点空中映像表示装置３Ａ２は、上述した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを２つ（２Ａ１，２Ａ２）用いるものであり、これら２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２をそれぞれの２面コーナーリフレクタ１が相互に向き合うように、それらの素子平面Ｓ，Ｓ同士が同一平面上に存在するように構成している。そして、両２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の接合部分において、素子平面Ｓの一方側（基盤２１の下方側）の中央部には、被投影物Ｏを配置することで、この多視点空中映像表示装置３Ａ２を静止させた場合には、視点Ｖ１からは一方の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１を通じて、視点Ｖ２からは他方の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２を通じて、それぞれ被投影物Ｏの実鏡映像Ｐ１，Ｐ２を観察することができる。そして、本例では、上述した実施形態と同様に２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１、２Ａ２の端部を支持し、多視点空中映像表示装置３Ａ２全体を素子平面Ｓと平行な面内で回転させる回転手段４（図１、図２参照）を設けることで、その回転に対応して実鏡映像Ｐが見える２カ所の視点が順次回転移動するようにしている。なお、図７に示したこの例及び後述する各例（図８〜図１２）においても、上述した第１実施形態と同様に、２面コーナーリフレクタアレイの上面側に視線制御手段２４を設けることで、何れの視点からも２面コーナーリフレクタアレイを通じて被投影物Ｏが直接視認されることなく、各視点に対応する実鏡映像のみが観察されるようにしている。
【００４６】
すなわち、回転手段４により多視点空中映像表示装置３Ａ２全体が回転している間は、常に２カ所の視点から実鏡映像Ｐを観察することができる。なお、観察する視点によって、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２により結像する実鏡映像Ｐの元になる被投影物Ｏの向きが異なるので、実鏡映像Ｐの見え方は異なるものとなる。例えば図８に２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２による結像様式を模式的に示すように、被投影物Ｏである「Ｆ」の文字が、視点Ｖ１からは一方の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１により正しい方向で結像して観察されるが、反対側の視点Ｖ２からは被投影物Ｏである「Ｆ」の文字の裏側が２面コーナーリフレクタアレイ２Ａにより結像されるため「Ｆ」の文字を裏返した状態の像が観察される。
【００４７】
またさらに、２面コーナーリフレクタアレイを３つ以上用いる態様も可能である。例えば図９に示す多視点空中映像表示装置３Ａ３（回転手段については図示省略）は、上記第１実施形態で用いたものと同様の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを６枚用意し、それぞれ半分に切断したうちの一方を新たに２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３として、向きを変えて各素子平面Ｓが共通の１つの平面上に存在するように再接合することにより構成したものである。具体的に図１０に示すように、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３は、第１実施形態で用いた２面コーナーリフレクタアレイ２Ａにおける２面コーナーリフレクタ１の方向を素子平面Ｓ内で４５°傾けて形成した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３’を、素子の中心を通り側縁と角度６０°で交わる直線で２つの台形状に２分割し、そのうちの一方（図示例では左上半分）の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３を使用している。すなわち、６つの台形状をなす２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３のうち、３つを裏返しにして、裏返したものと裏返していないものとを向きを変えつつ台形の長辺同士が隣接するように接合することで、図９に示したような複数の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３を備えた多視点空中映像表示装置３Ａ３が得られる。図１１に示すように、台形の斜辺同士を接合させた２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３では、素子平面Ｓ上において２面コーナーリフレクタ１，１の向きはやや異なっているものの、概ね１つの方向を向いている。このようにして得られる２枚１組の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３を３組用意し、素子平面Ｓが面一となるように全ての２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３の端縁同士を接合することで、本例の多視点空中映像表示装置３Ａ３が得られる。なお、この多視点空中映像表示装置３Ａ３は、正方形状の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３’を切断するのではなく、当初から２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３と同様の台形状をなす２面コーナーリフレクタアレイを６枚使用することによっても形成することができることは言うまでもない。
【００４８】
このようにして得られる多視点空中映像表示装置３Ａ３では、２つ１組で３組の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３の一方面側の空間（紙面裏面側）の中央部に被投影物Ｏを配置すれば、他方面側（紙面上方）である観察側からはそれぞれの被投影物Ｏの各素子平面Ｓに対する面対称位置に実鏡映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が同時に観察でき、しかも回転手段４による回転の結果、３カ所の視点Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が順次素子平面Ｓと平行な面内で移動することになる。より具体的には、前述の通り台形の斜辺同士を接合させた２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３，２Ａ３では、２面コーナーリフレクタ１がほぼ同じ方向で視点（例えば視点Ｖ１）の方を向いているので（図１１参照）、図９に示したように多視点空中映像表示装置３Ａ３の中心部を挟んで台形の斜辺の延長方向（視点Ｖ１）から観察すれば、これら２つで１組の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３，２Ａ３による被投影物Ｏ１の像が確認できる。そして、このようにほぼ同じ方向を向く２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３，２Ａ３の組み合わせは、本実施形態の多視点空中映像表示装置３Ａ３では３組あるため、少なくとも３方向（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）からの像の観察が可能であり、さらに６つの２面コーナーリフレクタアレイ３Ａ３…の２面コーナーリフレクタ１それぞれに正対して観察すれば、この多視点空中映像表示装置３Ａ３では常に６方向からの実鏡映像Ｐの観察が可能である。ただし、２枚１組の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ３，２Ａ３は、それぞれ２面コーナーリフレクタ１が正確に同一方向を向いているのではなく、それぞれ視線の方向とは約１５°程度の変位があるが、この程度の角度の差異は観察者の両目の視差の範囲内であり、ほぼ同一方向を向いていると見なすことができる。
【００４９】
なお、被投影物Ｏの基盤２１に対する直上にあたる多視点空中映像表示装置３Ａ３の中央部では、異なる方向を向く２面コーナーリフレクタ１が接近して多数存在する場合、回転手段４が動作していない静止状態では迷光が生じて鮮明に結像しない可能性が高いため、平面視した場合に基盤２１上の被投影物Ｏと重なる部位には、２面コーナーリフレクタ１を形成しないなど、不透明として迷光を予め防止することができるが、回転手段４の動作中については上述のように迷光が生じにくいため、敢えて考慮しなくともよい。
【００５０】
また以上の他にも、例えば、図１２に模式的な平面図で示すように、同時に４方向の視点を持つ多視点空中映像表示装置３Ａ４（回転手段については図示省略）を構成することもできる。この多視点空中映像表示装置３Ａ４は、４つの平面視扇型をなす２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ４から構成される。２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ４は、中心角が何れも９０°をなす同形同大のものである。なお、このような２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ４においては、２面コーナーリフレクタ１は第１実施形態の場合と同様にして形成され、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ４の２面コーナーリフレクタ１はそれぞれの中心角（頂点）の方向に向けてあり、上記変形例の場合と同様に静止時の迷光を防止するべく中心角近辺には２面コーナーリフレクタ１を形成しないものとすることができる。そして、回転手段（図示省略）により多視点空中映像表示装置３Ａ４を一斉に回転させることにより、本例の場合は、上述の４つの視点Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が素子平面Ｓと平行な面内で順次移動することとなる。
【００５１】
なお、以上の各種変形例のように、複数の２面コーナーリフレクタアレイを備えた多視点空中映像表示装置では、多視点空中映像表示装置全体を回転させる態様を示したが、各２面コーナーリフレクタアレイを離間させてそれらを個別に又は同期させて回転するように構成することも可能である。
【００５２】
また、２面コーナーリフレクタアレイを構成する２面コーナーリフレクタとしては単に直交する２枚の反射面が存在すればよく、この反射面としては、金属等の光を反射する物質の鏡面精度の平坦度を持つ端面もしくは膜による反射および、屈折率の異なる透明な媒質同士の鏡面精度の平坦度を持つ境界における全反射などの現象を利用することができる。
【００５３】
より具体的には、例えば、上述した実施形態では、２面コーナーリフレクタアレイにおいて、薄板状の基盤２１に正方形状の穴２２を形成し、その穴の内周壁のうち隣接する２つにより２面コーナーリフレクタを形成したが、このような構成に変えて、図１３に拡大して示すように、基盤２１の厚み方向に突出する透明な直方体状の筒状体２３のそれぞれに２面コーナーリフレクタを形成し、このような筒状体２３を碁盤目状に多数形成した２面コーナーリフレクタアレイとしてもよい。この場合、各筒状体２３の内壁面のうち、直交する２つを鏡面要素１１’，１２’とした態様によっても２面コーナーリフレクタ１’を形成することが可能である。この場合、上述した実施形態と同様に、２面コーナーリフレクタ１’で２回反射する光が、基盤２１の面方向すなわち素子平面Ｓに対して面対称な点を通過することにより、被投影物とは素子平面Ｓに対して反対側の空間に２次元像のみならず３次元像をも結像させることができる。
【００５４】
なお、筒状体２３の鏡面要素１１’，１２’以外の内壁面を鏡面としないか、もしくは素子平面Ｓ’に対して垂直以外の角度をつけることにより、余分な反射をなくして、より鮮明な像を得ることができる。また、２面コーナーリフレクタ１’を構成する２つの鏡面１１’，１２’は全反射を利用することもできるし、反射膜による反射を利用することも可能である。特に、鏡面１１’，１２’の全反射を利用する場合、全反射には臨界角が存在するため、多重反射は起こりにくくなることが期待できる。さらに、鏡面を形成すべき筒状体の２つの面に金属反射膜を付け、筒状体同士を接着することも可能である。この場合、鏡面以外の面への非鏡面化等の多重反射対策は必要であるが、開口率が高くなり、透過率が高い２面コーナーリフレクタアレイを得ることができる。
【００５５】
また、被投影物に関しては、２次元か３次元かを問わず、物体や映像を適宜適用することができる。例えば被投影物には、平面ディスプレイや曲面ディスプレイの表示面に表示される映像（静止画像、動画像の何れでもよい）を採用することができる。さらには、このようなディスプレイとして、その表示面が３次元空間を埋めるようにディスプレイが動作する体積走査型立体ディスプレイを採用してもよい。この場合、表示面を含むディスプレイを例えばモータ、スプリング、歯車、ギヤ、レール等を用いた適宜の構成の駆動機構や駆動装置により動作させることで、体積走査型立体ディスプレイを実現することが可能である。
【００５６】
その他、２面コーナーリフレクタを構成する２つの鏡面は、直交する２枚の反射面さえ形成できれば相互に接触させずに相互に間隙を空けて配置されていてもよいことや、多視点空中映像表示装置又は２面コーナーリフレクタアレイの形状は自由に設定できることなど、各部の具体的構成についても上記実施形態や変形例に限られるものではなく、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。
【００５７】
＜第２実施形態＞ 次に、本発明の第２実施形態を、図１４、図１５、図１６を参照して説明する。本実施形態に係る多視点空中映像表示装置３Ｂは、ハーフミラー５とレトロリフレクタアレイ６を利用した実鏡映像結像光学系２Ｂを適用したものである。本実施形態で適用される実鏡映像結像光学系２Ｂは、図１４に示すように、ハーフミラー５のハーフミラー面５１を対称面Ｓ’として、ハーフミラー面４１の一方側の空間に配置した被投影物Ｏから発せられた光がハーフミラー面５１で反射し、さらにレトロリフレクタアレイ６で再帰反射して入射してきた方向に戻り、ハーフミラー面５１を透過することによって、被投影物Ｏの対称面Ｓ’としてのハーフミラー面５１に対する面対称位置に鏡映像を実像Ｐとして結像させるものであり、このような構成に加えてレトロリフレクタアレイ６を含む実鏡映像結像光学系２Ｂ全体を対称面Ｓ’となるハーフミラー面５１の法線を回転軸ｌ’として図面矢印方向に回転させる回転手段（図示省略）を備えている。
【００５８】
このような実鏡映像結像光学系２Ｂの構成要素であるハーフミラー５は、本実施形態では例えば円盤状の透明樹脂やガラス等の透明薄板の一方の面に薄い反射膜をコーティングしたものを利用することができる。この透明薄板の反対側の面には、無反射処理（ＡＲコート）を施すことで、観察される実鏡映像Ｐが２重になるのを防止することができる。なお、ハーフミラー５の上面には、それぞれ特定方向の光線を透過し且つ別の特定方向の光線を遮断するか、あるいは特定方向の光線のみを拡散する視線制御手段として、視界制御フィルム又は視野角調整フィルム等の光学フィルム５２を貼り付けて設けることができる。このような光学フィルム５２には、第１実施形態及びその変形例で適用したフィルムを適用することができる。視線制御手段としてはこのほかにも、スリットを多数形成したスリット板（図示省略）をハーフミラー５の上面側に設けることも可能である。具体的にはこの光学フィルム５２により、被投影物Ｏから発してハーフミラー５を直接透過した光が視点Ｖ１’以外の位置には届かないようにすることで、ハーフミラー５を通じて視点Ｖ１’以外から被投影物Ｏが直接観察できるようになることを防止する一方で、後述するハーフミラー５で一旦反射してレトロリフレクタアレイ６で再帰反射した後にハーフミラー５を透過する方向の光線のみを透過させることで、被投影物Ｏの実像の集合である実鏡映像Ｐのみをある瞬間において特定の視点（図１４（ａ）では視点Ｖ１’、（ｂ）では視点Ｖ２’）から観察できるようにしている。本実施形態では、このような光学フィルム５２を、円盤状のハーフミラー５の上面の半分である半円形の領域に貼り付けている。さらに本実施形態では、ハーフミラー５に光学フィルム５２を貼り付けていない半円形の領域に対応して、光線を透過させない遮光フィルム５３を貼り付けている。なお、遮光フィルム５３に代えて同形の遮光板を配置してもよい。また、図示しないが、回転するハーフミラー５に観察者の手等が触れないように、透明の保護板を設けることができる。
【００５９】
一方、レトロリフレクタアレイ６には、表面を鏡面精度の平滑度として光線を再帰反射するものや、素材表面への再帰反射膜や再帰反射塗料のコーティングにより、入射光を逆反射させるものであればあらゆる種類のものを適用することができ、図１４に示すように曲面としてもよいし、平面とすることもできる。同図に示した本実施形態において、曲面のレトロリフレクタアレイ６は、球体の一部（１／４球）の内面側に多数のコーナーキューブ（後述）を形成したものである。例えば、図１５（ａ）に正面図の一部を拡大して示すレトロリフレクタアレイ６は、直方体内角の１つの角を利用するコーナーキューブの集合であるコーナーキューブアレイである。個々のレトロリフレクタ６１は、３つの同形同大の二等辺三角形をなす鏡面６１ａ，６１ｂ，６１ｃを１点に集合させて正面視した場合に正三角形を形成するものであり、これら３つの鏡面６１ａ，６１ｂ，６１ｃは互いに直交してコーナーキューブを構成している。そして、図１６（ａ）に示すように、鏡面のうちの一つ（例えば６１ａ）に入射した光は、順次他の鏡面（６１ｂ，６１ｃ）で反射することで、レトロリフレクタ６１へ光が入射してきた元の方向へ反射（再帰反射）する。また、図１５（ｂ）に正面図の一部を拡大して示すレトロリフレクタアレイ６も、直方体内角の１つの角を利用するコーナーキューブの集合であるコーナーキューブアレイである。個々のレトロリフレクタ６１は、３つの同形同大の正方形をなす鏡面６１ａ，６１ｂ，６１ｃを１点に集合させて正面視した場合に正六角形を形成するものであり、これら３つの鏡面６１ａ，６１ｂ，６１ｃは互いに直交している。このレトロリフレクタアレイ６は、同図（ａ）のレトロリフレクタアレイ６とは形状が異なるだけで再帰反射の原理は同じであり、同様に図１６（ｂ）に示すように、鏡面のうちの一つ（例えば６１ａ）に入射した光は、順次他の鏡面（６１ｂ，６１ｃ）で反射することで、レトロリフレクタ６１へ光が入射してきた元の方向へ反射（再帰反射）する。。なおレトロリフレクタアレイ６に対する入射光と出射光の経路は、厳密には重ならず平行であるが、レトロリフレクタ６１がレトロリフレクタアレイ６と比べて十分小さい場合には、入射光と出射光の経路が重なっているとみなしてもよい。上述したようなレトロリフレクタアレイ６は、例えばアルミニウムやニッケル等の金属板の切削による鏡面仕上げや、金属板又は樹脂板への電鋳工法等によって作成することができる。これら２種類のコーナーキューブアレイの違いは、鏡面が二等辺三角形のものは比較的作成しやすいが反射率が若干低くなり、鏡面が正方形のものは二等辺三角形のものと比較して作成がやや難しい反面、反射率が高い、ということである。
【００６０】
このような構成の多視点空中映像表示装置３Ｂの場合、視界制御機能を有する光学フィルム５２と遮光フィルム５３を貼り付けたハーフミラー５を含む実鏡映像結像光学系２Ｂの全体が回転すると、ある瞬間では図１４（ａ）に示したように、被投影物Ｏから発せられてハーフミラー面５１で反射しレトロリフレクタアレイ６で再帰反射して再びハーフミラー５を透過した光が見える位置である視点Ｖ１’からは、その被投影物Ｏの素子平面Ｓ’であるハーフミラー面５１に対する面対称位置に結像した実鏡映像Ｐを観察することができる。また、別の瞬間では同図（ｂ）に示したように、被投影物Ｏから発せられてハーフミラー面５１で反射しレトロリフレクタアレイ６で再帰反射して再びハーフミラー５を透過した光が見える位置である視点Ｖ２’からは、その被投影物Ｏの素子平面Ｓ’であるハーフミラー面５１に対する面対称位置に結像した実鏡映像Ｐを観察することができる。このように、実鏡映像Ｐを観察できる位置がハーフミラー５の回転に伴って順次移動するため、ハーフミラー５の上面側の空間においては時間差で複数の視点から実鏡映像Ｐの観察が可能となる。
【００６１】
なお、レトロリフレクタアレイ６には、上述したコーナーキューブアレイの他にも、３つの鏡面により光線を再帰反射させるもの（広義には「コーナーリフレクタ」）を採用することができる。図示しないが、例えば、単位再帰反射素子として、３つの鏡面のうち２つの鏡面同士が直交し、且つ他の１つの鏡面が他の２つの鏡面に対して９０／Ｎ度（ただしＮは整数とする）をなすものや、３つの鏡面がそれぞれ隣接する鏡面となす角度が９０度、６０度及び４５度となる鋭角レトロリフレクタが、本実施形態に適用される再帰反射素子３として適している。その他にも、キャッツアイレトロリフレクタ等も単位再帰反射素子として利用することができる。これらのレトロリフレクタアレイは、平面的なものであっても、屈曲又は湾曲していてもよい。さらに、図１４の例では、１／４球形状のレトロリフレクタアレイ６を被投影物Ｏの外側に配置したが、被投影物Ｏから発してハーフミラー４で反射した光を再帰反射することができる位置及び形状であれば、レトロリフレクタアレイ６の配置位置や形状は適宜に設定することができる。
【００６２】
さらに、本発明において２面コーナーリフレクタアレイを適用する場合、第１実施形態等で示した２面コーナーリフレクタアレイ（２Ａ等）以外にも、素子面に垂直であり且つ相互に平行な鏡面を有するスリットミラーアレイ２枚を、上下に鏡面が垂直となるように重ねた構造を有する２面コーナーリフレクタアレイを採用することもできる。
【００６３】
また、多視点空中映像表示装置は、上述した実施形態に限らず、ハーフミラーやレトロリフレクタアレイの具体的構成や形状など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更することが可能であり、第１実施形態で言及したような遮光部を素子平面の被投影物側の空間に設けることも有用である。また、３つ以上の視点からの観察が可能なように多視点空中映像表示装置を構成してもよい。さらに、被投影物としてディスプレイの表示面に表示される映像を採用したり、そのディスプレイを体積走査型立体ディスプレイとすることができることについても、第１実施形態の場合と同様である。
【符号の説明】
【００６４】
１，１’…２面コーナーリフレクタ
２Ａ，２Ａ１，２Ａ２，２Ｂ，２Ｂ１…２面コーナーリフレクタアレイ
３Ａ１，３Ａ２，３Ａ３，３Ｂ…多視点空中映像表示装置
４…回転手段
５…ハーフミラー
６…レトロリフレクタアレイ
１１，１１’，１２，１２’…鏡面
２１，２１’…基盤
２２…穴
２３…筒状体
２４…視線制御手段２４
４１…支持部
４２…ベルト部
４１１…孔
５１…ハーフミラー面
５２…光学フィルム
５３…遮光フィルム
６１…レトロリフレクタ
Ｏ…被投影物
Ｐ…鏡映像（被投影物の像）
Ｓ、Ｓ’…素子平面
ｌ，ｌ’…回転軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被投影物の実像を対称面となる所定の１つの幾何平面に対する面対称位置に光線の反射を利用して結像可能な実鏡映像結像光学系と、前記対称面上における前記実鏡映像結像光学系の全体又は一部を当該対称面の法線を軸として回転させる回転手段とを具備していることを特徴とする多視点空中映像表示装置。
【請求項２】
前記実鏡映像結像光学系が、所定の素子平面に垂直な相互に直交する２つの鏡面から構成される２面コーナーリフレクタを当該素子平面上に複数並べた２面コーナーリフレクタアレイであり、この素子平面を前記対称面とするものである請求項１に記載の多視点空中映像表示装置。
【請求項３】
前記実鏡映像結像光学系として、前記２面コーナーリフレクタアレイを１つ具備し、前記回転手段が当該２面コーナーリフレクタアレイの全体を前記素子平面の法線を軸として回転させるものである請求項２に記載の多視点空中映像表示装置。
【請求項４】
前記実鏡映像結像光学系における対称面の一部又は全部に、所定の角度範囲の光線のみを遮断又は拡散させる視界制御手段を設けている請求項１乃至３の何れかに記載の多視点空中映像表示装置。
【請求項５】
前記被投影物が、ディスプレイの表示面に表示される映像であり、当該ディスプレイを表示面が所定の３次元空間を埋める動作を行う体積走査型立体ディスプレイとしている請求項１乃至４の何れかに記載の多視点空中映像表示装置。
【請求項１】
被投影物の実像を対称面となる所定の１つの幾何平面に対する面対称位置に光線の反射を利用して結像可能な実鏡映像結像光学系と、前記対称面上における前記実鏡映像結像光学系の全体又は一部を当該対称面の法線を軸として回転させる回転手段とを具備していることを特徴とする多視点空中映像表示装置。
【請求項２】
前記実鏡映像結像光学系が、所定の素子平面に垂直な相互に直交する２つの鏡面から構成される２面コーナーリフレクタを当該素子平面上に複数並べた２面コーナーリフレクタアレイであり、この素子平面を前記対称面とするものである請求項１に記載の多視点空中映像表示装置。
【請求項３】
前記実鏡映像結像光学系として、前記２面コーナーリフレクタアレイを１つ具備し、前記回転手段が当該２面コーナーリフレクタアレイの全体を前記素子平面の法線を軸として回転させるものである請求項２に記載の多視点空中映像表示装置。
【請求項４】
前記実鏡映像結像光学系における対称面の一部又は全部に、所定の角度範囲の光線のみを遮断又は拡散させる視界制御手段を設けている請求項１乃至３の何れかに記載の多視点空中映像表示装置。
【請求項５】
前記被投影物が、ディスプレイの表示面に表示される映像であり、当該ディスプレイを表示面が所定の３次元空間を埋める動作を行う体積走査型立体ディスプレイとしている請求項１乃至４の何れかに記載の多視点空中映像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−１６３７０１（Ｐ２０１２−１６３７０１Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２９９３（Ｐ２０１１−２２９９３）
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
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