表示装置
【課題】
被観察物の配置位置の自由度が増し、実鏡映像結像光学系を挟んで観察者側と反対側の空間を小さくする配置が取れる表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
表示装置は、被観察物と、被観察物側の空間と観察者側の空間を仕切り且つ対称面を含む半透過性の基盤を有し且つ基盤を介して該観察者側の空間に被観察物の実像を結像させる実鏡映像結像光学系と、被観察物側の空間に配置され該被観察物からの光を反射して実鏡映像結像光学系へと導く少なくとも１枚の反射鏡と、を含む。
被観察物の配置位置の自由度が増し、実鏡映像結像光学系を挟んで観察者側と反対側の空間を小さくする配置が取れる表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
表示装置は、被観察物と、被観察物側の空間と観察者側の空間を仕切り且つ対称面を含む半透過性の基盤を有し且つ基盤を介して該観察者側の空間に被観察物の実像を結像させる実鏡映像結像光学系と、被観察物側の空間に配置され該被観察物からの光を反射して実鏡映像結像光学系へと導く少なくとも１枚の反射鏡と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実鏡映像結像光学系を利用して、空中に被観察物の実像を結像させて見ることができるようにした表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
実鏡映像結像光学系を利用して、空中に被観察物の実像（実鏡映像）を結像させて見ることができるようにした表示装置が提案されている（特許文献１、参照）。
【０００３】
かかる表示装置は、被観察物の実像を観察者側の空間に結像させる実鏡映像結像光学系と、当該実鏡映像結像光学系の該観察者側とは反対側の空間に配置される該実像を形成するための被観察物とを備えた表示装置であり、被観察物の実像を実鏡映像結像光学系の対称面（素子面）に対して対称位置を結像させることができるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２００７−１１６６３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１に示した方法では、空中像を実鏡映像結像光学系から離れた位置に結像させようとすると、その分だけ被観察物も実鏡映像結像光学系から離れた位置に設置する必要であるため、実鏡映像結像光学系の観察者と反対側に大きな空間が必要となってしまう。これは被観察物の実像が実鏡映像結像光学系の対称面に対して対称位置に結像するからである。
【０００６】
また、特許文献１に示した方法では被観察物が固定されているため、空中像も位置や大きさが固定されたものとなり、空中像であることを除けばインパクトの欠けたものとなっている。
【０００７】
そこで本発明は、被観察物の配置位置の自由度が増し、実鏡映像結像光学系を挟んで観察者側と反対側の空間を小さくする配置が取れる表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の表示装置は、被観察物と、被観察物側の空間と観察者側の空間を仕切り且つ対称面を含む半透過性の基盤を有し且つ基盤を介して該観察者側の空間に被観察物の実像を結像させる実鏡映像結像光学系と、被観察物側の空間に配置され該被観察物からの光を反射して実鏡映像結像光学系へと導く少なくとも１枚の反射鏡と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
すなわち、本発明は、実鏡映像結像光学系の観察者と反対側に必要な空間を小さくするために考え出された表示装置であり、具体的には、被観察物の実像を観察者側の空間に結像させる実鏡映像結像光学系と、該実鏡映像結像光学系の該観察者側とは反対側の空間に配置される該実像を形成するための被観察物と、該実鏡映像結像光学系に対して該被観察物と同じ側に配置され該被観察物からの光を反射して該実鏡映像結像光学系へと導く少なくとも１枚の反射鏡により実現している。
【００１０】
反射鏡を用いて該被観察物からの光を折り返し該実鏡映像結像光学系に導いているため、該観察物の配置位置の自由度が増し、当該空間を小さくする配置を取れるようにしたものである。
【００１１】
本発明においては、さらに空中像の位置や大きさを時間的に変化させる方法も包含されており、非常にインパクトある空中像を当該空間を可能な限り小さい状況に保ったまま実現できるものであり、具体的には、前記被観察物として所定形状の画像面に表示される画像を用いて、その画像の位置や大きさを変化させることにより実現している。
【００１２】
前記画像を、前記画像面上における大きさが時間的に変化するものすることが効果的である。
【００１３】
前記画像を、前記画像面上における位置が時問的に変化するものとすることが効果的である。
【００１４】
前記画像の時間的な変化は連続的なものであっても、不連続的なものであってもよい。
前記画像面としては、電子ディスプレイの表示面が使用可能である。
さらに、前記画像面は、前記画像を立体的に表示するものがインパクト与えるという面に関して効果的である。
【００１５】
本発明において実鏡映像結像光学系は、対称面（基盤）に対して斜め方向からの視点から被観察物の実鏡映像を観察することができるものであり、その一つの具体例としては、２面コーナーリフレクタアレイからなる実鏡映像結像光学系を挙げることができる。２面コーナーリフレクタアレイは、２つの直交する鏡面により構成される２面コーナーリフレクタを複数、平面的に集合させたものであり、全ての鏡面に対して垂直となる共通な平面を、被観察物と実像との対称面となる素子面としたものである。この２面コーナーリフレクタアレイは、被観察物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１回ずつ反射させ且つその素子面を透過させることにより、２面コーナーリフレクタアレイの素子面を対称面として被観察物の面対称位置に、その被観察物の実鏡映像を結像させる作用を有している。
【００１６】
ここで、２面コーナーリフレクタアレイについて考察すると、光線を各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面を透過させるには、２面コーナーリフレクタを、素子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ものであり、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、例えぱ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。
【００１７】
２面コーナーリフレクタアレイの構造は、単純に述べれば、素子面にほぼ垂直な鏡面を、素子面上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つの平面を素子面としてとして規定し、各２面コーナーリフレクタを、素子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、且つ、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。
【００１８】
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枚又は複数の同一平面に含まれない鏡面を具備し、且つ、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。
【００１９】
ここで、前記光学的な穴として、立方体又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。ただし、被観察物方向を向く２面コーナーリフレクタ以外の面は、反射を抑制することが望ましい。
【００２０】
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又は除去できる。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、透明で平坦な基盤としても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。
【００２１】
さらに、映像の実鏡映像の高輝度化を図るには、複数の２面コーナーリフレクタを、素子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。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など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又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。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。
【００２２】
さらに、本発明において実鏡映像結像光学系として適用可能な他の具体例としては、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光学系である。この実鏡映像結像光学系においては、ハーフミラー面を対称面とし、被観察物から出た光線のうちハーフミラーで反射又は透過した光線を再帰反射し得る位置にレトロリフレクタアレイを配置しているものを挙げることができる。なお、レトロリフレクタアレイは、ハーフミラーに対して被観察物と同じ側の空間にのみ配置され、ハーフミラーで反射した光を再帰反射する位置に設けられる。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の複数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平面上に存在している必要はなく、曲面上にあってもよく、さらに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。
【００２３】
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などを採用することができる。
【００２４】
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実鏡映像結像光学系の場合、被観察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財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る。
【００２５】
レトロリフレクタアレイを用いる場合は、被観察物とレトロリフレクタアレイの位置関係に注意を払う必要がある。具体的には被観察物からの光が反射鏡に到達する光路上にレトロリフレクタアレイが配置されないようにする必要がある。
【００２６】
ここで、被観察物としてはネオンサインや表示パネル（非常灯のように光源と表示パネルを組み合わせたもの）のように固定表示の他に、液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイのような電子ディスプレイの表示面に表示される画像が利用できる。被観察物を３次元画像を表示し得る電子ディスプレイの表示面に表示される立体画像とすれば実鏡映像も立体像となる。また、被観察物を経時的に動的に変化する画像としてもよい。動画や立体画像を用いれば、観察者にインパクトを与えられるなどの効果も得られさらに好ましい。
【発明の効果】
【００２７】
少なくとも１枚の反射鏡を用いて被観察物からの光を折り返し実鏡映像結像光学系に導いているため、被観察物の配置位置の自由度が増し、実鏡映像結像光学系を挟んで観察者側と反対側の空間を小さくする配置が取れるようになり表示装置のコンパクト化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態の表示装置を観察者側から見た状態を示す概略斜視図である。
【図２】同実施形態の表示装置の要部を側方から見た状態を模式的に示す概略側面図である。
【図３】同実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイの結像様式を模式的に示す概略斜視図である。
【図４】同実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタレイの具体的構成例を模式的に示す概略平面図及び部分切欠斜視図である。
【図５】同実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイによる結像様式を模式的に示す概略平面図である。
【図６】同実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイによる結像様式を模式的に示す概略側面図である。
【図７】同実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイに反射鏡を組合せた場合の結像様式を模式的に示す概略平面図である。
【図８】同実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイに反射鏡を組合せた場合の結像様式を模式的に示す概略側面図である。
【図９】本発明による他の実施形態の表示装置の要部の実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイ及びレトロリフレクタの一例による光線の再帰反射の態様を模式的に示す概略斜視図である。
【図１０】本発明の他の実施形態を示す実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイ及びレトロリフレクタの他の例による光線の再帰反射の態様を模式的に示す概略側面図である。
【図１１】同実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイの概略部分平面図及び該レトロリフレクタの一例による光線の再帰反射の態様を模式的に示す概概略部分平面図である。
【図１２】同実鏡映像結像光学系に適用される他のレトロリフレクタアレイの概略部分平面図及び該レトロリフレクタの他の例による光線の再帰反射の態様を模式的に示す概概略部分平面図である。
【図１３】本発明の他の実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイに２枚の反射鏡を組合せた場合の結像様式を模式的に示す概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明による一実施形態の表示装置について、図面を用いて説明する。
【００３０】
図１および図２は、１枚の反射鏡を用いた本発明が適用される場合の説明図である。表示装置１は、実鏡映像結像光学系として２面コーナーリフレクタアレイ６と観察者Ｖとは２面コーナーリフレクタアレイ６を挟んで反対側の空間に設けられた被観察物２を有し、さらに、前記空間に反射鏡４を配置している。被観察物２から発せられた光は反射鏡４で反射され、次いで２面コーナーリフレクタアレイ６を通じて観察者Ｖの視線上に空中像３を実鏡映像で結像する。なお、反射鏡４は被観察物２からの光を２面コーナーリフレクタアレイ６に導くのに適度な角度に設定されている。すなわち、被観察物２、反射鏡４及び２面コーナーリフレクタアレイ６は、被観察物２から発せられた光が反射鏡４で反射され、次に２面コーナーリフレクタアレイ６に向かうように、配置される。
【００３１】
以上の関係をさらに詳しく説明するために、まずは２面コーナーリフレクタアレイ単体の構成及び作用について説明し、次いで、反射鏡４を追加した場合の作用について述べる。
【００３２】
２面コーナーリフレクタアレイ６単体は、図３、図４に模式的に示すように、２つの相互に直交する鏡面６１ａ，６１ｂから構成される２面コーナーリフレクタ６１の多数の集合であり、全２面コーナーリフレクタ６１を構成するそれぞれ２つの鏡面６１ａ，６１ｂに対してほぼ垂直な平面を素子面６Ｓとし、この素子面６Ｓを対称面とする面対称位置に被観察物２の実鏡映像３を結像させることができるものである。なお、本実施形態において２面コーナーリフレクタ６１は２面コーナーリフレクタアレイ６の全体の大きさ（ｃｍオーダ）と比べて非常に微小（μｍオーダ）であるので、図３では２面コーナーリフレクタ６１の集合全体をグレーで表し、鏡面の開く内角の向きをＶ字形状で表し２面コーナーリフレクタ６１を誇張して表現してある。そして、図４では、２面コーナーリフレクタアレイ６の模式的な平面図を図４（ａ）に、同（ｂ）に部分的な斜視図を示す。但し、図４では、２面コーナーリフレクタアレイ６の全体に比して、２面コーナーリフレクタ６１及び鏡面６１ａ，６１ｂを大きく誇張して表している。
【００３３】
２面コーナーリフレクタアレイ６は、例えば光線を屈曲しつつ透過し得るように、平板状の基盤６０に、その平らな表面に対して垂直に肉厚を貫通する物理的・光学的な穴を多数形成し、各穴の内壁面を２面コーナーリフレクタ６１として利用するために、穴の内壁面のうち直交する２つにそれぞれ鏡面６１ａ，６１ｂを形成したものを採用することができる。したがって、基盤６０が少なくとも半透過性となるように、図４に示すように、薄い平板状の基盤６０に平面視ほぼ矩形状（例えば正方形状）の光線が透過する物理的・光学的な穴（例えば一辺が例えば５０〜２００μｍ）を多数形成し、各穴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６１ａ，６１ｂとすれば、これら２つの鏡面６１ａ，６１ｂが反射面として機能する２面コーナーリフレクタ６１を得ることができる。なお、穴の内壁面のうち２面コーナーリフレクタ６１を構成しない部分には鏡面処理を施さず光が反射不能な面とするか、又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。また、各２面コーナーリフレクタ６１は、基盤６０上において鏡面６１ａ，６１ｂがなす内角が全て同じ向きとなるように、規則的な格子点上に整列させて形成することが好ましい。よって、各２面コーナーリフレクタでは、２つの直交する鏡面の交線ＣＬが素子面６Ｓに直交することが好ましい。以下、この鏡面６１ａ，６１ｂの内角の向きを、２面コーナーリフレクタ６１の向き（方向）と称することがある。
【００３４】
鏡面６１ａ，６１ｂの形成にあたっては、例えば金属製の金型をまず作成し、鏡面６１ａ，６１ｂを形成すべき内壁面をナノスケールの切削加工処理や、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る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するとよい。なお、電鋳工法によりアルミやニッケルなどの金属で基盤６０を形成した場合、鏡面６１ａ，６１ｂ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が、ナノインプリント工法を用いて、基盤６０を樹脂製などとした場合には、鏡面６１ａ，６１ｂを作成するには、スパッタリングなどによって、鏡面コーティングを施す必要がある。また、隣り合う２面コーナーリフレクタ６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。また、このような２面コーナーリフレクタアレイ６の上面（観察者から見える側の面）には、低反射剤を塗布するなどの処理を行うことが好ましい。但し、２面コーナーリフレクタアレイ６の構成は上述のものに限定されず、直交する２つの鏡面６１ａ，６１ｂにより２面コーナーリフレクタ６１が多数形成され、且つ各２面コーナーリフレクタ６１が光学的な穴として光を透過するものであれば、適宜の構成及び製造方法を採用することができる。
【００３５】
そして、２面コーナーリフレクタアレイ６では、各２面コーナーリフレクタ６１は、裏面側から穴に入った光を一方の鏡面６１ａ（又は６１ｂ）で反射させ、さらにその反射光を他方の鏡面６１ｂ（又は６１ａ）で反射させて表面側へと通過させる機能を有し、この光の進入経路と射出経路とが素子面６Ｓを挟んで面対称をなすこととなる。すなわち、２面コーナーリフレクタアレイ６の素子面６Ｓ（各鏡面の高さ方向中央部を通り且つ各鏡面と直交する面を仮定）は、被観察物２の実像を、面対称位置に空中像（実鏡映像）３として結像させる対称面となる。
【００３６】
ここで、２面コーナーリフレクタアレイ６による結像様式について、被観察物として点光源ｏから発せられた光の経路とともに簡単に説明する。
【００３７】
図５に平面的な模式図で、図６に模式的な側面図でそれぞれ示すように、点光源ｏから発せられる光（一点鎖線矢印で示す。図５において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６を通過する際に、２面コーナーリフレクタ６１を構成する一方の鏡面６１ａ（又は６１ｂ）で反射して更に他方の鏡面６１ｂ（又は６１ａ）で反射した後に素子面６Ｓ（図４、図５）を通過し、２面コーナーリフレクタアレイ６の素子面６Ｓに対して点光源ｏの面対称位置を広がりながら通過する。図５では入射光と反射光とが平行をなすように表されているが、これは同図では点光源ｏに対して２面コーナーリフレクタ６１を誇張して大きく記載しているためであり、実際には各２面コーナーリフレクタ６１は極めて微小なものであるため、同図のように２面コーナーリフレクタアレイ６を上方から見た場合には、入射光と反射光とは殆ど重なってみえる。すなわち、結局は点光源ｏの素子面６Ｓに対する面対称位置に透過光が集まり、図５、図６においてｐの位置に実鏡映像として結像することになる。
【００３８】
次いで、反射鏡４を追加した場合の作用について図５及び図６に対応する図７及び図８を用いて述べる。図５では２面コーナーリフレクタ６１の２つの鏡面（６１ａ，６１ｂ）それぞれに最初に当たる光の経路、つまり２本の経路を描いて説明しているが、図７では煩雑さを避けるためにどちらか一方の鏡面に最初に当たる光のみを描いている。基本的な考え方は光源ｏから発せられて２面コーナーリフレクタ６１に向かう光の経路上に配置された平面鏡で形成される反射鏡４により、光の経路を折り返すことによりｐの位置に実鏡映像を結像させるということである。つまり図５及び図６の光源ｏの位置と、図７及び図８の光源ｏの位置が反射鏡４を２面コーナーリフレクタアレイ６の方向から見た場合に物体（図７及び図８の光源ｏに対応）と虚像ｏ’（図５及び図６の光源ｏに対応）の関係に位置することになる。
【００３９】
本実施形態である反射鏡４を追加した場合の、２面コーナーリフレクタアレイ６、反射鏡４及ぴ被観察物２の関係を、図３に対応するものとして描くと図１のようになる。これまでの説明から本形態においても、観察者Ｖの視線上の空中に実鏡映像３として浮かび上がらせることができることが判る。
【００４０】
このように、本発明を用いればコンパクトな装置で観察者Ｖの視線上の空中に実鏡映像３を表示することができる。すなわち、本来は何もないはずの空中に像が現れるため、観察者に対する注意喚起を促しやすくなる。被観察物２としては実際の物体の他に、ディスプレイに表示された画像なども被観察物２として使用できる。さらにディスプレイとして液晶表示素子のように電子ディスプレイを用いれば、観察者が見ることになる実鏡映像３を時問的に変化させることができるため、さらに観察者の注意を引きやすく極めて有用である。例えば、観察画像の表示位置や大きさを変化させることで、実鏡映像３に変化を持たせることも可能である。これらの観察画像の時間的な大きさや位置の変化は、連続的なものであってもよいし、不連続なものであってもよい。
【００４１】
図９及び図１０は、本発明が適用される表示装置の他の実施形態を示す概観図である。表示装置１’は、実鏡映像結像光学系のみが上述した実施形態の表示装置１と異なる。したがって、表示装置１と同一の構成については同一の名称及び符号を用いて説明するものとする。
【００４２】
本実施形態で適用される実鏡映像結像光学系９は、ハーフミラー９１とレトロリフレクタアレイ９２とを組み合わせたものである。そして、対称面となる素子面６Ｓはハーフミラー面となる。観察者Ｖとハーフミラー９１を挟んで反対側の空間に設けられた被観察物２を有し、さらに、前記反対側空間に反射鏡４とレトロリフレクタアレイ９２を配置している。被観察物２の下側に配置されたレトロリフレクタアレイ９２は、ハーフミラー９１からの光を再帰反射させる機能を有している。従って、被観察物２から発せられた光は反射鏡４で反射され、ハーフミラー９１へと導かれている。ハーフミラー９１で反射された光はレトロリフレクタアレイ９２へと導かれる。レトロリフレクタアレイ９２はハーフミラー９１からの光を再帰反射させる機能を有しているので、再びハーフミラー９１に向かうことになる。そして今度はハーフミラー９１を透過して実鏡映像３を観察者Ｖの視線上の空問に結像する。なお、反射鏡４は被観察物２からの光をハーフミラー９１に導くのに適度な角度に設定されている。すなわち、被観察物２、反射鏡４及びハーフミラー９１、レトロリフレクタアレイ９２は、被観察物２から発せられた光が、反射鏡４で反射され、次にハーフミラー９１で反射されレトロリフレクタアレイ９２に向かい、次にレトロリフレクタアレイ９２で再帰反射され再びハーフミラー９１に向かい、ハーフミラーに向かった光の一部がハーフミラーを透過して観察者に向かうように配置される。このようにして図１と同じ表示を観察者に提供することができる。
【００４３】
ハーフミラー９１は、例えば透明樹脂やガラスなど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３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９１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などの光学フィルム（図示せず）を貼り付けて設けることができる。具体的にはこの光学フィルムにより、ハーフミラー９１を直接透過した光が視点Ｖ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９１を通じて視点Ｖ以外から反射鏡４に写った被観察像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９１で一旦反射してレトロリフレクタアレイ９２で再帰反射した後にハーフミラー９１を透過する方向の光線のみを透過させることで、実鏡映像３のみを特定の視点Ｖから観察できるようにしている。
【００４４】
一方、レトロリフレクタアレイ９２には、入射光を厳密に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、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なども考えられる。また、その形状も曲面としてもよいし、平面とすることもできる。例えば、図１１（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９２は、立方体内角の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９２Ａは、３つの同形同大の直角二等辺三角形をなす鏡面９２Ａａ，９２Ａｂ，９２Ａｃ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９２Ａａ，９２Ａｂ，９２Ａｃは互いに直交してコーナーキューブを構成している（図１１（ｂ））。
【００４５】
また、図１２（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９２も、立方体内角の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９２Ｂは、３つの同形同大の正方形をなす鏡面９２Ｂａ，９２Ｂｂ，９２Ｂｃ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９２Ｂａ，９２Ｂｂ，９２Ｂｃは互いに直交している（図１２（ｂ））。
【００４６】
図１２のレトロリフレクタアレイ９２は、図１１（ａ）のレトロリフレクタアレイ９２とは形状が異なるだけで再帰反射の原理は同じである。図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）に、図１１（ａ）及び図１２（ａ）にそれぞれ示したレトロリフレクタアレイ９２を例にして説明すると、各レトロリフレクタ９２Ａ，９２Ｂの鏡面のうちの一つ（例えば９２Ａａ，９２Ｂａ）に入射した光は、他の鏡面（９２Ａｂ，９２Ｂｂ）、さらに他の鏡面（９２Ａｃ，９２Ｂｃ）で順次反射することで、レトロリフレクタ９２Ａ，９２Ｂへ光が入射してきた元の方向へ反射する。なおレトロリフレクタアレイ９２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９２Ａ，９２Ｂがレトロリフレクタアレイ９２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。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。
【００４７】
なお、レトロリフレクタアレイ９２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など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。また、レトロリフレクタアレイの配置位置も、画像７２から発してハーフミラー９１で反射した光を再帰反射することができるのであれば、適宜に設定することができる。
【００４８】
このようなハーフミラー９１とレトロリフレクタアレイ９２を備えた実鏡映像結像光学系９を適用したこの実施形態の表示装置１’では、２面コーナーリフレクタアレイ７を適用した表示装置１と同様に、ハーフミラー面９１に対して斜め方向から見る観察者の視線上の空問に実鏡映像３が浮かんで見えることになる。また、この表示装置１’においても、観察画像の表示位置や大きさを変化させることで、実鏡映像３に変化を持たせることも可能である。
【００４９】
これまでの実施態様では反射鏡４が１枚の揚合を述べてきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の反射鏡を用いた表示装置の場合にも適用できる。一例として、２面コーナーリフレクタアレイ６と２枚の反射鏡４、４ａを用いた場合を図１３に示す。かかる表示装置１は、第２の反射鏡４ａのみが上述した実施形態の表示装置１と異なる。したがって、表示装置１と同一の構成については同一の名称及び符号を用いて説明するものとする。追加された第２の反射鏡４ａでの光線の折り返しが増えるだけで、空中に実鏡映像３ができる原理は前述の実施態様と全く同じである。この場合の配置は２面コーナーリフレクタアレイ６の真下の空間以外に制限がある場合に効果的であることがわかる。すなわち、被観察物２、第２の反射鏡４ａ、反射鏡４及び２面コーナーリフレクタアレイ６は、被観察物２から発せられた光が、第２の反射鏡４ａ、反射鏡４で順に反射され、次に２面コーナーリフレクタアレイ６に向かうように、配置される。このようにして図１と同じ表示を観察者に提供することができる。
【００５０】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で表示装置を構成する各部の具体的構成は適宜に変更することができ、表示装置の適用例として、その表示部の手前に空中映像を浮かび上がらせる表示装置として本発明を適宜構成することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、広告の表示装置や、乗り物用の情報表示装置として利用できる。
【符号の説明】
【００５２】
１，１’…表示装置
２…被観察物
３…空中映像（実鏡映像）
４…反射鏡
４ａ…第２の反射鏡
６…２面コーナーリフレクタアレイ（実鏡映像結像光学系）
６Ｓ…素子面（対称面）
６０…基盤
６１…２面コーナーリフレクタ
６１ａ，６１ｂ…鏡面
９１…ハーフミラー
９１Ｓ…ハーフミラー面（対称面）
９２…レトロリフレクタアレイ
９２Ａ，９２Ｂ…レトロリフレクタ
９２Ａａ，９２Ａｂ，９２Ａｃ，９２Ｂａ，９２Ｂｂ，９２ｂｃ…鏡面
ＣＬ…鏡面の交線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実鏡映像結像光学系を利用して、空中に被観察物の実像を結像させて見ることができるようにした表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
実鏡映像結像光学系を利用して、空中に被観察物の実像（実鏡映像）を結像させて見ることができるようにした表示装置が提案されている（特許文献１、参照）。
【０００３】
かかる表示装置は、被観察物の実像を観察者側の空間に結像させる実鏡映像結像光学系と、当該実鏡映像結像光学系の該観察者側とは反対側の空間に配置される該実像を形成するための被観察物とを備えた表示装置であり、被観察物の実像を実鏡映像結像光学系の対称面（素子面）に対して対称位置を結像させることができるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２００７−１１６６３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１に示した方法では、空中像を実鏡映像結像光学系から離れた位置に結像させようとすると、その分だけ被観察物も実鏡映像結像光学系から離れた位置に設置する必要であるため、実鏡映像結像光学系の観察者と反対側に大きな空間が必要となってしまう。これは被観察物の実像が実鏡映像結像光学系の対称面に対して対称位置に結像するからである。
【０００６】
また、特許文献１に示した方法では被観察物が固定されているため、空中像も位置や大きさが固定されたものとなり、空中像であることを除けばインパクトの欠けたものとなっている。
【０００７】
そこで本発明は、被観察物の配置位置の自由度が増し、実鏡映像結像光学系を挟んで観察者側と反対側の空間を小さくする配置が取れる表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の表示装置は、被観察物と、被観察物側の空間と観察者側の空間を仕切り且つ対称面を含む半透過性の基盤を有し且つ基盤を介して該観察者側の空間に被観察物の実像を結像させる実鏡映像結像光学系と、被観察物側の空間に配置され該被観察物からの光を反射して実鏡映像結像光学系へと導く少なくとも１枚の反射鏡と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
すなわち、本発明は、実鏡映像結像光学系の観察者と反対側に必要な空間を小さくするために考え出された表示装置であり、具体的には、被観察物の実像を観察者側の空間に結像させる実鏡映像結像光学系と、該実鏡映像結像光学系の該観察者側とは反対側の空間に配置される該実像を形成するための被観察物と、該実鏡映像結像光学系に対して該被観察物と同じ側に配置され該被観察物からの光を反射して該実鏡映像結像光学系へと導く少なくとも１枚の反射鏡により実現している。
【００１０】
反射鏡を用いて該被観察物からの光を折り返し該実鏡映像結像光学系に導いているため、該観察物の配置位置の自由度が増し、当該空間を小さくする配置を取れるようにしたものである。
【００１１】
本発明においては、さらに空中像の位置や大きさを時間的に変化させる方法も包含されており、非常にインパクトある空中像を当該空間を可能な限り小さい状況に保ったまま実現できるものであり、具体的には、前記被観察物として所定形状の画像面に表示される画像を用いて、その画像の位置や大きさを変化させることにより実現している。
【００１２】
前記画像を、前記画像面上における大きさが時間的に変化するものすることが効果的である。
【００１３】
前記画像を、前記画像面上における位置が時問的に変化するものとすることが効果的である。
【００１４】
前記画像の時間的な変化は連続的なものであっても、不連続的なものであってもよい。
前記画像面としては、電子ディスプレイの表示面が使用可能である。
さらに、前記画像面は、前記画像を立体的に表示するものがインパクト与えるという面に関して効果的である。
【００１５】
本発明において実鏡映像結像光学系は、対称面（基盤）に対して斜め方向からの視点から被観察物の実鏡映像を観察することができるものであり、その一つの具体例としては、２面コーナーリフレクタアレイからなる実鏡映像結像光学系を挙げることができる。２面コーナーリフレクタアレイは、２つの直交する鏡面により構成される２面コーナーリフレクタを複数、平面的に集合させたものであり、全ての鏡面に対して垂直となる共通な平面を、被観察物と実像との対称面となる素子面としたものである。この２面コーナーリフレクタアレイは、被観察物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１回ずつ反射させ且つその素子面を透過させることにより、２面コーナーリフレクタアレイの素子面を対称面として被観察物の面対称位置に、その被観察物の実鏡映像を結像させる作用を有している。
【００１６】
ここで、２面コーナーリフレクタアレイについて考察すると、光線を各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面を透過させるには、２面コーナーリフレクタを、素子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ものであり、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、例えぱ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。
【００１７】
２面コーナーリフレクタアレイの構造は、単純に述べれば、素子面にほぼ垂直な鏡面を、素子面上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つの平面を素子面としてとして規定し、各２面コーナーリフレクタを、素子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、且つ、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。
【００１８】
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枚又は複数の同一平面に含まれない鏡面を具備し、且つ、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。
【００１９】
ここで、前記光学的な穴として、立方体又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。ただし、被観察物方向を向く２面コーナーリフレクタ以外の面は、反射を抑制することが望ましい。
【００２０】
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又は除去できる。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、透明で平坦な基盤としても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。
【００２１】
さらに、映像の実鏡映像の高輝度化を図るには、複数の２面コーナーリフレクタを、素子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。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など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又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。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。
【００２２】
さらに、本発明において実鏡映像結像光学系として適用可能な他の具体例としては、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光学系である。この実鏡映像結像光学系においては、ハーフミラー面を対称面とし、被観察物から出た光線のうちハーフミラーで反射又は透過した光線を再帰反射し得る位置にレトロリフレクタアレイを配置しているものを挙げることができる。なお、レトロリフレクタアレイは、ハーフミラーに対して被観察物と同じ側の空間にのみ配置され、ハーフミラーで反射した光を再帰反射する位置に設けられる。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の複数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平面上に存在している必要はなく、曲面上にあってもよく、さらに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。
【００２３】
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などを採用することができる。
【００２４】
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実鏡映像結像光学系の場合、被観察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財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る。
【００２５】
レトロリフレクタアレイを用いる場合は、被観察物とレトロリフレクタアレイの位置関係に注意を払う必要がある。具体的には被観察物からの光が反射鏡に到達する光路上にレトロリフレクタアレイが配置されないようにする必要がある。
【００２６】
ここで、被観察物としてはネオンサインや表示パネル（非常灯のように光源と表示パネルを組み合わせたもの）のように固定表示の他に、液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイのような電子ディスプレイの表示面に表示される画像が利用できる。被観察物を３次元画像を表示し得る電子ディスプレイの表示面に表示される立体画像とすれば実鏡映像も立体像となる。また、被観察物を経時的に動的に変化する画像としてもよい。動画や立体画像を用いれば、観察者にインパクトを与えられるなどの効果も得られさらに好ましい。
【発明の効果】
【００２７】
少なくとも１枚の反射鏡を用いて被観察物からの光を折り返し実鏡映像結像光学系に導いているため、被観察物の配置位置の自由度が増し、実鏡映像結像光学系を挟んで観察者側と反対側の空間を小さくする配置が取れるようになり表示装置のコンパクト化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態の表示装置を観察者側から見た状態を示す概略斜視図である。
【図２】同実施形態の表示装置の要部を側方から見た状態を模式的に示す概略側面図である。
【図３】同実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイの結像様式を模式的に示す概略斜視図である。
【図４】同実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタレイの具体的構成例を模式的に示す概略平面図及び部分切欠斜視図である。
【図５】同実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイによる結像様式を模式的に示す概略平面図である。
【図６】同実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイによる結像様式を模式的に示す概略側面図である。
【図７】同実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイに反射鏡を組合せた場合の結像様式を模式的に示す概略平面図である。
【図８】同実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイに反射鏡を組合せた場合の結像様式を模式的に示す概略側面図である。
【図９】本発明による他の実施形態の表示装置の要部の実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイ及びレトロリフレクタの一例による光線の再帰反射の態様を模式的に示す概略斜視図である。
【図１０】本発明の他の実施形態を示す実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイ及びレトロリフレクタの他の例による光線の再帰反射の態様を模式的に示す概略側面図である。
【図１１】同実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイの概略部分平面図及び該レトロリフレクタの一例による光線の再帰反射の態様を模式的に示す概概略部分平面図である。
【図１２】同実鏡映像結像光学系に適用される他のレトロリフレクタアレイの概略部分平面図及び該レトロリフレクタの他の例による光線の再帰反射の態様を模式的に示す概概略部分平面図である。
【図１３】本発明の他の実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイに２枚の反射鏡を組合せた場合の結像様式を模式的に示す概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明による一実施形態の表示装置について、図面を用いて説明する。
【００３０】
図１および図２は、１枚の反射鏡を用いた本発明が適用される場合の説明図である。表示装置１は、実鏡映像結像光学系として２面コーナーリフレクタアレイ６と観察者Ｖとは２面コーナーリフレクタアレイ６を挟んで反対側の空間に設けられた被観察物２を有し、さらに、前記空間に反射鏡４を配置している。被観察物２から発せられた光は反射鏡４で反射され、次いで２面コーナーリフレクタアレイ６を通じて観察者Ｖの視線上に空中像３を実鏡映像で結像する。なお、反射鏡４は被観察物２からの光を２面コーナーリフレクタアレイ６に導くのに適度な角度に設定されている。すなわち、被観察物２、反射鏡４及び２面コーナーリフレクタアレイ６は、被観察物２から発せられた光が反射鏡４で反射され、次に２面コーナーリフレクタアレイ６に向かうように、配置される。
【００３１】
以上の関係をさらに詳しく説明するために、まずは２面コーナーリフレクタアレイ単体の構成及び作用について説明し、次いで、反射鏡４を追加した場合の作用について述べる。
【００３２】
２面コーナーリフレクタアレイ６単体は、図３、図４に模式的に示すように、２つの相互に直交する鏡面６１ａ，６１ｂから構成される２面コーナーリフレクタ６１の多数の集合であり、全２面コーナーリフレクタ６１を構成するそれぞれ２つの鏡面６１ａ，６１ｂに対してほぼ垂直な平面を素子面６Ｓとし、この素子面６Ｓを対称面とする面対称位置に被観察物２の実鏡映像３を結像させることができるものである。なお、本実施形態において２面コーナーリフレクタ６１は２面コーナーリフレクタアレイ６の全体の大きさ（ｃｍオーダ）と比べて非常に微小（μｍオーダ）であるので、図３では２面コーナーリフレクタ６１の集合全体をグレーで表し、鏡面の開く内角の向きをＶ字形状で表し２面コーナーリフレクタ６１を誇張して表現してある。そして、図４では、２面コーナーリフレクタアレイ６の模式的な平面図を図４（ａ）に、同（ｂ）に部分的な斜視図を示す。但し、図４では、２面コーナーリフレクタアレイ６の全体に比して、２面コーナーリフレクタ６１及び鏡面６１ａ，６１ｂを大きく誇張して表している。
【００３３】
２面コーナーリフレクタアレイ６は、例えば光線を屈曲しつつ透過し得るように、平板状の基盤６０に、その平らな表面に対して垂直に肉厚を貫通する物理的・光学的な穴を多数形成し、各穴の内壁面を２面コーナーリフレクタ６１として利用するために、穴の内壁面のうち直交する２つにそれぞれ鏡面６１ａ，６１ｂを形成したものを採用することができる。したがって、基盤６０が少なくとも半透過性となるように、図４に示すように、薄い平板状の基盤６０に平面視ほぼ矩形状（例えば正方形状）の光線が透過する物理的・光学的な穴（例えば一辺が例えば５０〜２００μｍ）を多数形成し、各穴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６１ａ，６１ｂとすれば、これら２つの鏡面６１ａ，６１ｂが反射面として機能する２面コーナーリフレクタ６１を得ることができる。なお、穴の内壁面のうち２面コーナーリフレクタ６１を構成しない部分には鏡面処理を施さず光が反射不能な面とするか、又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。また、各２面コーナーリフレクタ６１は、基盤６０上において鏡面６１ａ，６１ｂがなす内角が全て同じ向きとなるように、規則的な格子点上に整列させて形成することが好ましい。よって、各２面コーナーリフレクタでは、２つの直交する鏡面の交線ＣＬが素子面６Ｓに直交することが好ましい。以下、この鏡面６１ａ，６１ｂの内角の向きを、２面コーナーリフレクタ６１の向き（方向）と称することがある。
【００３４】
鏡面６１ａ，６１ｂの形成にあたっては、例えば金属製の金型をまず作成し、鏡面６１ａ，６１ｂを形成すべき内壁面をナノスケールの切削加工処理や、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る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するとよい。なお、電鋳工法によりアルミやニッケルなどの金属で基盤６０を形成した場合、鏡面６１ａ，６１ｂ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が、ナノインプリント工法を用いて、基盤６０を樹脂製などとした場合には、鏡面６１ａ，６１ｂを作成するには、スパッタリングなどによって、鏡面コーティングを施す必要がある。また、隣り合う２面コーナーリフレクタ６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。また、このような２面コーナーリフレクタアレイ６の上面（観察者から見える側の面）には、低反射剤を塗布するなどの処理を行うことが好ましい。但し、２面コーナーリフレクタアレイ６の構成は上述のものに限定されず、直交する２つの鏡面６１ａ，６１ｂにより２面コーナーリフレクタ６１が多数形成され、且つ各２面コーナーリフレクタ６１が光学的な穴として光を透過するものであれば、適宜の構成及び製造方法を採用することができる。
【００３５】
そして、２面コーナーリフレクタアレイ６では、各２面コーナーリフレクタ６１は、裏面側から穴に入った光を一方の鏡面６１ａ（又は６１ｂ）で反射させ、さらにその反射光を他方の鏡面６１ｂ（又は６１ａ）で反射させて表面側へと通過させる機能を有し、この光の進入経路と射出経路とが素子面６Ｓを挟んで面対称をなすこととなる。すなわち、２面コーナーリフレクタアレイ６の素子面６Ｓ（各鏡面の高さ方向中央部を通り且つ各鏡面と直交する面を仮定）は、被観察物２の実像を、面対称位置に空中像（実鏡映像）３として結像させる対称面となる。
【００３６】
ここで、２面コーナーリフレクタアレイ６による結像様式について、被観察物として点光源ｏから発せられた光の経路とともに簡単に説明する。
【００３７】
図５に平面的な模式図で、図６に模式的な側面図でそれぞれ示すように、点光源ｏから発せられる光（一点鎖線矢印で示す。図５において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６を通過する際に、２面コーナーリフレクタ６１を構成する一方の鏡面６１ａ（又は６１ｂ）で反射して更に他方の鏡面６１ｂ（又は６１ａ）で反射した後に素子面６Ｓ（図４、図５）を通過し、２面コーナーリフレクタアレイ６の素子面６Ｓに対して点光源ｏの面対称位置を広がりながら通過する。図５では入射光と反射光とが平行をなすように表されているが、これは同図では点光源ｏに対して２面コーナーリフレクタ６１を誇張して大きく記載しているためであり、実際には各２面コーナーリフレクタ６１は極めて微小なものであるため、同図のように２面コーナーリフレクタアレイ６を上方から見た場合には、入射光と反射光とは殆ど重なってみえる。すなわち、結局は点光源ｏの素子面６Ｓに対する面対称位置に透過光が集まり、図５、図６においてｐの位置に実鏡映像として結像することになる。
【００３８】
次いで、反射鏡４を追加した場合の作用について図５及び図６に対応する図７及び図８を用いて述べる。図５では２面コーナーリフレクタ６１の２つの鏡面（６１ａ，６１ｂ）それぞれに最初に当たる光の経路、つまり２本の経路を描いて説明しているが、図７では煩雑さを避けるためにどちらか一方の鏡面に最初に当たる光のみを描いている。基本的な考え方は光源ｏから発せられて２面コーナーリフレクタ６１に向かう光の経路上に配置された平面鏡で形成される反射鏡４により、光の経路を折り返すことによりｐの位置に実鏡映像を結像させるということである。つまり図５及び図６の光源ｏの位置と、図７及び図８の光源ｏの位置が反射鏡４を２面コーナーリフレクタアレイ６の方向から見た場合に物体（図７及び図８の光源ｏに対応）と虚像ｏ’（図５及び図６の光源ｏに対応）の関係に位置することになる。
【００３９】
本実施形態である反射鏡４を追加した場合の、２面コーナーリフレクタアレイ６、反射鏡４及ぴ被観察物２の関係を、図３に対応するものとして描くと図１のようになる。これまでの説明から本形態においても、観察者Ｖの視線上の空中に実鏡映像３として浮かび上がらせることができることが判る。
【００４０】
このように、本発明を用いればコンパクトな装置で観察者Ｖの視線上の空中に実鏡映像３を表示することができる。すなわち、本来は何もないはずの空中に像が現れるため、観察者に対する注意喚起を促しやすくなる。被観察物２としては実際の物体の他に、ディスプレイに表示された画像なども被観察物２として使用できる。さらにディスプレイとして液晶表示素子のように電子ディスプレイを用いれば、観察者が見ることになる実鏡映像３を時問的に変化させることができるため、さらに観察者の注意を引きやすく極めて有用である。例えば、観察画像の表示位置や大きさを変化させることで、実鏡映像３に変化を持たせることも可能である。これらの観察画像の時間的な大きさや位置の変化は、連続的なものであってもよいし、不連続なものであってもよい。
【００４１】
図９及び図１０は、本発明が適用される表示装置の他の実施形態を示す概観図である。表示装置１’は、実鏡映像結像光学系のみが上述した実施形態の表示装置１と異なる。したがって、表示装置１と同一の構成については同一の名称及び符号を用いて説明するものとする。
【００４２】
本実施形態で適用される実鏡映像結像光学系９は、ハーフミラー９１とレトロリフレクタアレイ９２とを組み合わせたものである。そして、対称面となる素子面６Ｓはハーフミラー面となる。観察者Ｖとハーフミラー９１を挟んで反対側の空間に設けられた被観察物２を有し、さらに、前記反対側空間に反射鏡４とレトロリフレクタアレイ９２を配置している。被観察物２の下側に配置されたレトロリフレクタアレイ９２は、ハーフミラー９１からの光を再帰反射させる機能を有している。従って、被観察物２から発せられた光は反射鏡４で反射され、ハーフミラー９１へと導かれている。ハーフミラー９１で反射された光はレトロリフレクタアレイ９２へと導かれる。レトロリフレクタアレイ９２はハーフミラー９１からの光を再帰反射させる機能を有しているので、再びハーフミラー９１に向かうことになる。そして今度はハーフミラー９１を透過して実鏡映像３を観察者Ｖの視線上の空問に結像する。なお、反射鏡４は被観察物２からの光をハーフミラー９１に導くのに適度な角度に設定されている。すなわち、被観察物２、反射鏡４及びハーフミラー９１、レトロリフレクタアレイ９２は、被観察物２から発せられた光が、反射鏡４で反射され、次にハーフミラー９１で反射されレトロリフレクタアレイ９２に向かい、次にレトロリフレクタアレイ９２で再帰反射され再びハーフミラー９１に向かい、ハーフミラーに向かった光の一部がハーフミラーを透過して観察者に向かうように配置される。このようにして図１と同じ表示を観察者に提供することができる。
【００４３】
ハーフミラー９１は、例えば透明樹脂やガラスなど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３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９１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などの光学フィルム（図示せず）を貼り付けて設けることができる。具体的にはこの光学フィルムにより、ハーフミラー９１を直接透過した光が視点Ｖ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９１を通じて視点Ｖ以外から反射鏡４に写った被観察像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９１で一旦反射してレトロリフレクタアレイ９２で再帰反射した後にハーフミラー９１を透過する方向の光線のみを透過させることで、実鏡映像３のみを特定の視点Ｖから観察できるようにしている。
【００４４】
一方、レトロリフレクタアレイ９２には、入射光を厳密に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、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なども考えられる。また、その形状も曲面としてもよいし、平面とすることもできる。例えば、図１１（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９２は、立方体内角の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９２Ａは、３つの同形同大の直角二等辺三角形をなす鏡面９２Ａａ，９２Ａｂ，９２Ａｃ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９２Ａａ，９２Ａｂ，９２Ａｃは互いに直交してコーナーキューブを構成している（図１１（ｂ））。
【００４５】
また、図１２（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９２も、立方体内角の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９２Ｂは、３つの同形同大の正方形をなす鏡面９２Ｂａ，９２Ｂｂ，９２Ｂｃ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９２Ｂａ，９２Ｂｂ，９２Ｂｃは互いに直交している（図１２（ｂ））。
【００４６】
図１２のレトロリフレクタアレイ９２は、図１１（ａ）のレトロリフレクタアレイ９２とは形状が異なるだけで再帰反射の原理は同じである。図１１（ｂ）及び図１２（ｂ）に、図１１（ａ）及び図１２（ａ）にそれぞれ示したレトロリフレクタアレイ９２を例にして説明すると、各レトロリフレクタ９２Ａ，９２Ｂの鏡面のうちの一つ（例えば９２Ａａ，９２Ｂａ）に入射した光は、他の鏡面（９２Ａｂ，９２Ｂｂ）、さらに他の鏡面（９２Ａｃ，９２Ｂｃ）で順次反射することで、レトロリフレクタ９２Ａ，９２Ｂへ光が入射してきた元の方向へ反射する。なおレトロリフレクタアレイ９２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９２Ａ，９２Ｂがレトロリフレクタアレイ９２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。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。
【００４７】
なお、レトロリフレクタアレイ９２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など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。また、レトロリフレクタアレイの配置位置も、画像７２から発してハーフミラー９１で反射した光を再帰反射することができるのであれば、適宜に設定することができる。
【００４８】
このようなハーフミラー９１とレトロリフレクタアレイ９２を備えた実鏡映像結像光学系９を適用したこの実施形態の表示装置１’では、２面コーナーリフレクタアレイ７を適用した表示装置１と同様に、ハーフミラー面９１に対して斜め方向から見る観察者の視線上の空問に実鏡映像３が浮かんで見えることになる。また、この表示装置１’においても、観察画像の表示位置や大きさを変化させることで、実鏡映像３に変化を持たせることも可能である。
【００４９】
これまでの実施態様では反射鏡４が１枚の揚合を述べてきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、複数の反射鏡を用いた表示装置の場合にも適用できる。一例として、２面コーナーリフレクタアレイ６と２枚の反射鏡４、４ａを用いた場合を図１３に示す。かかる表示装置１は、第２の反射鏡４ａのみが上述した実施形態の表示装置１と異なる。したがって、表示装置１と同一の構成については同一の名称及び符号を用いて説明するものとする。追加された第２の反射鏡４ａでの光線の折り返しが増えるだけで、空中に実鏡映像３ができる原理は前述の実施態様と全く同じである。この場合の配置は２面コーナーリフレクタアレイ６の真下の空間以外に制限がある場合に効果的であることがわかる。すなわち、被観察物２、第２の反射鏡４ａ、反射鏡４及び２面コーナーリフレクタアレイ６は、被観察物２から発せられた光が、第２の反射鏡４ａ、反射鏡４で順に反射され、次に２面コーナーリフレクタアレイ６に向かうように、配置される。このようにして図１と同じ表示を観察者に提供することができる。
【００５０】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で表示装置を構成する各部の具体的構成は適宜に変更することができ、表示装置の適用例として、その表示部の手前に空中映像を浮かび上がらせる表示装置として本発明を適宜構成することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、広告の表示装置や、乗り物用の情報表示装置として利用できる。
【符号の説明】
【００５２】
１，１’…表示装置
２…被観察物
３…空中映像（実鏡映像）
４…反射鏡
４ａ…第２の反射鏡
６…２面コーナーリフレクタアレイ（実鏡映像結像光学系）
６Ｓ…素子面（対称面）
６０…基盤
６１…２面コーナーリフレクタ
６１ａ，６１ｂ…鏡面
９１…ハーフミラー
９１Ｓ…ハーフミラー面（対称面）
９２…レトロリフレクタアレイ
９２Ａ，９２Ｂ…レトロリフレクタ
９２Ａａ，９２Ａｂ，９２Ａｃ，９２Ｂａ，９２Ｂｂ，９２ｂｃ…鏡面
ＣＬ…鏡面の交線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被観察物と、
前記被観察物側の空間と観察者側の空間を仕切り且つ対称面を含む半透過性の基盤を有し且つ前記基盤を介して該観察者側の空間に前記被観察物の実像を結像させる実鏡映像結像光学系と、
前記被観察物側の空間に配置され該被観察物からの光を反射して前記実鏡映像結像光学系へと導く少なくとも１枚の反射鏡と、を含むことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記被観察物は、所定形状の画像面に表示される画像であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記画像を、前記画像面上における大きさが時間的に変化するものとしていることを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記画像を、前記画像面上における位置が時聞的に変化するものとしていることを特徴とする請求項２乃至３の何れかに記載の表示装置。
【請求項５】
前記画像の時間的な変化が連続的なものであることを特徴とする請求項３又は４に記載の表示装置。
【請求項６】
前記画像の時間的な変化が不連続的であることを特徴とする請求項３又は４に記載の表示装置。
【請求項７】
前記画像面は、電子ディスプレイの表示面であることを特徴とする請求項２乃至６の何れかに記載の表示装置。
【請求項８】
前記画像面は、前記画像を立体的に表示するものであることを特徴とする請求項２乃至７の何れかに記載の表示装置。
【請求項９】
前記実鏡映像結像光学系が２面コーナーリフレクタとして機能する光学素子であることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の表示装置。
【請求項１０】
前記実鏡映像結像光学系がハーフミラーとレトロリフレクタアレイの組合せにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の表示装置。
【請求項１】
被観察物と、
前記被観察物側の空間と観察者側の空間を仕切り且つ対称面を含む半透過性の基盤を有し且つ前記基盤を介して該観察者側の空間に前記被観察物の実像を結像させる実鏡映像結像光学系と、
前記被観察物側の空間に配置され該被観察物からの光を反射して前記実鏡映像結像光学系へと導く少なくとも１枚の反射鏡と、を含むことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記被観察物は、所定形状の画像面に表示される画像であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記画像を、前記画像面上における大きさが時間的に変化するものとしていることを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記画像を、前記画像面上における位置が時聞的に変化するものとしていることを特徴とする請求項２乃至３の何れかに記載の表示装置。
【請求項５】
前記画像の時間的な変化が連続的なものであることを特徴とする請求項３又は４に記載の表示装置。
【請求項６】
前記画像の時間的な変化が不連続的であることを特徴とする請求項３又は４に記載の表示装置。
【請求項７】
前記画像面は、電子ディスプレイの表示面であることを特徴とする請求項２乃至６の何れかに記載の表示装置。
【請求項８】
前記画像面は、前記画像を立体的に表示するものであることを特徴とする請求項２乃至７の何れかに記載の表示装置。
【請求項９】
前記実鏡映像結像光学系が２面コーナーリフレクタとして機能する光学素子であることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の表示装置。
【請求項１０】
前記実鏡映像結像光学系がハーフミラーとレトロリフレクタアレイの組合せにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の表示装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２６２２２９（Ｐ２０１０−２６２２２９Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１１４６４９（Ｐ２００９−１１４６４９）
【出願日】平成２１年５月１１日（２００９．５．１１）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月１１日（２００９．５．１１）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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