表示装置
【課題】簡易な構成で空間像を生成することができる表示装置を提供する。
【解決手段】本発明の表示装置１は、プロジェクター２と、プロジェクター２からの投射光を略平行化した光に変換するフレネルレンズ３と、プロジェクター２からの投射光による画像が生成される光反射性のスクリーン５と、素子面Ｓの一方側に位置する像を素子面Ｓの他方側の空間における面対称位置に結像させる再帰性透過材４と、を備えている。再帰性透過材４は、略垂直に入射した光を直進させ、スクリーン５からの拡散光のうち、素子面Ｓに対して斜めに入射した光を素子面Ｓに対して面対称の位置に結像させ、スクリーン５上の像の実像を生成する。
【解決手段】本発明の表示装置１は、プロジェクター２と、プロジェクター２からの投射光を略平行化した光に変換するフレネルレンズ３と、プロジェクター２からの投射光による画像が生成される光反射性のスクリーン５と、素子面Ｓの一方側に位置する像を素子面Ｓの他方側の空間における面対称位置に結像させる再帰性透過材４と、を備えている。再帰性透過材４は、略垂直に入射した光を直進させ、スクリーン５からの拡散光のうち、素子面Ｓに対して斜めに入射した光を素子面Ｓに対して面対称の位置に結像させ、スクリーン５上の像の実像を生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被投影物の像を結像させる結像素子を備え、この結像素子によって空中に実像として立体像を生成することができるディスプレイ装置が、下記の特許文献１、特許文献２に開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載のディスプレイ装置に用いられる結像素子は、直交する２つの鏡面を有する２面コーナーリフレクターからなる単位光学素子を複数備えている。この結像素子は、素子面の一方側の空間に配置される被投影物の実像を、素子面の他方側の空間における当該素子面に対する面対称位置に鏡像として結像する作用を有している。そのため、素子面の一方側の空間に立体物を配置すれば、素子面の他方側の空間における当該素子面に対する面対称位置に立体像が生成される。
【０００４】
特許文献２に記載のディスプレイ装置は、特許文献１と同様の２面コーナーリフレクターを有する結像素子が駆動手段によってディスプレイの上方で素子面と垂直方向に移動する構成となっている。このディスプレイ装置では、結像素子の上下動と同期させてディスプレイに表示する映像を変化させることにより、結像素子の上方空間に立体空中映像が生成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第０７／１１６６３９号
【特許文献２】特開２００９−２２９９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のディスプレイ装置において、静止した立体像を生成するためには、結像素子の下方に静止した立体物を置けば良い。しかしながら、電子的に生成した動的な立体物の像を得るためには、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイを回転させるなど、電子的な動的立体物を作るための複雑な構造物が必要であった。
【０００７】
また、特許文献２のディスプレイ装置においては、人間の眼で立体像を観察するためには、フリッカーが生じない程度の周波数（例えば５０Ｈｚ程度以上）で結像素子を移動させなければならない。そのため、結像素子をむやみに大きくすることができず、結像素子の大きさに制約が生じ、ひいては立体空中映像の大きさに制約が生じる。また、結像素子を素子面と垂直方向に高速で移動させるためには大掛かりな駆動装置が必要であった。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、簡易な構成で空間像を生成することができ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】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の表示装置は、投射光を射出する投射装置と、前記投射装置からの投射光を略平行化した光に変換する平行化素子と、前記平行化素子を介して前記投射装置から射出された投射光が入射され、前記投射光による像が生成される光反射性を有する被投射面と、前記平行化素子と前記被投射面との間に設けられ、素子面の一方側に位置する像を前記素子面の他方側の空間における前記素子面に対する面対称位置に結像させる結像素子と、を備え、前記結像素子が、前記平行化素子から前記素子面に対して略垂直に入射した光を直進させるとともに、前記被投射面からの拡散光のうち、前記素子面に対して斜めに入射した光を前記素子面に対する面対称の位置に結像させ、前記被投射面上の像の実像を生成することを特徴とする。
【００１０】
本発明の表示装置によれば、投射装置から射出された投射光は平行化素子により略平行化された状態で結像素子に入射する。結像素子は素子面に対して略垂直に入射した光を直進させる機能を有しているので、平行化素子を経た投射光は結像素子をそのまま透過した後、被投射面上に結像されて像が生成される。このとき、被投射面が光反射性を有しているので、投射光は被投射面で反射すると同時に散乱され、角度分布が広がった状態で結像素子に再度入射する。結像素子は素子面に対して斜めに入射した光を素子面に対する面対称の位置に結像させる機能を有しているので、結像素子を挟んで被投射面が配置された側と反対側の空間において被投射面上の像と面対称の位置に実像が生成される。このように、駆動手段等も必要なく、簡易な構成で空間に像を生成できる表示装置を実現することができる。
【００１１】
本発明の表示装置においては、前記被投射面が平面であっても良い。
この構成によれば、被投射面として一般的なスクリーン等を用いることで平面的な像を空間に形成することができる。
【００１２】
本発明の表示装置においては、前記被投射面が平面である場合に、前記結像素子の前記素子面に対して前記被投射面が傾いて配置されていることが望ましい。
結像素子の素子面に対して斜めに入射した光は素子面に対する面対称の位置に結像されるため、結像素子の素子面に対して被投射面が傾いて配置されていれば、被投射面が配置された側と反対側の空間において実像形成面も結像素子の素子面に対して面対称の方向に傾く。したがって、使用者が実像形成面の傾いた方向から実像の方向を斜めに覗き込むようにすれば、使用者に対して実像が略正対した状態となり、像が見やすくなる。
【００１３】
本発明の表示装置においては、前記被投射面の少なくとも一部に、前記結像素子の前記素子面に向けて突出する凸部、もしくは前記結像素子の前記素子面から見て窪んだ凹部を有していても良い。
結像素子の素子面に対して斜めに入射した光は素子面に対する面対称の位置に結像されるため、被投射面が凸部を有していれば実像形成面も素子面に向けて突出する凸部を有し、被投射面が凹部を有していれば実像形成面も素子面から見て窪んだ凹部を有するものとなる。したがって、凸部もしくは凹部を有する実像形成面上に実像が形成されることになり、擬似的な立体画像を形成することができる。
【００１４】
本発明の表示装置においては、前記凸部もしくは前記凹部が、前記結像素子の前記素子面に対して傾斜した複数の平面を有していても良い。
この構成によれば、例えば凸部もしくは凹部が有する平面の数に応じて複数の異なる画像を表示することができる。
【００１５】
本発明の表示装置においては、前記凸部もしくは前記凹部が、少なくとも方位角方向に湾曲していても良い。
この構成によれば、例えば凸部もしくは凹部が有する曲面に応じて複数の異なる画像を表示することができる。
【００１６】
本発明の表示装置においては、前記被投射面が前記凸部もしくは前記凹部を有する場合、前記投射装置から、表示対象物を異なる方向から見た複数の画像が、前記被投射面の前記凸部もしくは前記凹部において方位角方向に並べて投射される構成としても良い。
この構成によれば、被投射面が配置された側と反対側の空間に、複数の画像が方位角方向に並んで表示されるため、使用者は見る場所によって異なる画像を見ることができる。したがって、運動視差による擬似的な立体画像を得ることができる。
【００１７】
本発明の表示装置においては、前記結像素子が、光を透過させる複数の矩形状の透過部を有し、前記透過部の４つの壁面のうち、少なくとも互いに直交する２つの壁面が反射面とされた再帰性透過材からなることが望ましい。
本発明の「再帰性透過材」は、透過部の４つの壁面のうち、少なくとも互いに直交する２つの壁面が反射面とされており、いわゆる２面コーナーリフレクターと呼ばれるものである。すなわち、素子面と垂直な方向から見たときには、一般の再帰性反射材と同様、反射面に入射した光は入射方向と同じ方向に反射する。一方、素子面と平行、かつ光入射面に垂直な方向から見たときには、通常の反射鏡と同様、反射面に入射した光は入射角と同じ反射角で反射する。この種の再帰性透過材を結像素子に用いることで、簡易な構成の表示装置を実現することができる。
【００１８】
本発明の表示装置においては、前記投射装置から前記複数の画像が投射される場合、前記結像素子の前記透過部の４つの壁面のうち、反射面とされている壁面の配置が前記結像素子の領域によって異なり、前記結像素子は、前記被投射面に投射された前記複数の画像の各々を、表示対象物を見た方向に対応した方位角方向に向けて反射させるように、前記反射面が配置されていることが望ましい。
この構成によれば、使用者が所定の方位角方向から画像を見ようとしたときに、その方向から見える画像だけが見え、他の方向から見える画像が透けて見えることがない。これにより、運動視差による立体画像がより自然に見えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態の表示装置を示す斜視図である。
【図２】本実施形態の表示装置を示す側面図である。
【図３】本実施形態の表示装置に用いるフレネルレンズを示す図であり、（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図である。
【図４】本実施形態の表示装置に用いる再帰性透過材を示す図であり、（Ａ）平面図、（Ｂ）拡大斜視図である。
【図５】再帰性透過材の作用を説明するための図である。
【図６】スクリーンと実像生成面との位置関係を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態の表示装置を示す斜視図である。
【図８】本実施形態の表示装置に用いる再帰性透過材を示す平面図である。
【図９】スクリーンと実像生成面との位置関係を示す図である。
【図１０】表示対象物の一例を示す図である。
【図１１】本実施形態の表示装置におけるスクリーン上の投射画像の一例を示す図である。
【図１２】本発明の第３実施形態の表示装置に用いる再帰性透過材を示す平面図である。
【図１３】スクリーンと実像生成面との位置関係を示す図である。
【図１４】本実施形態の表示装置におけるスクリーン上の投射画像の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図６を用いて説明する。
本実施形態の表示装置は、空間に平面像を生成することができる表示装置の一例である。
図１は、本実施形態の表示装置を示す斜視図である。図２は、本実施形態の表示装置を示す側面図である。図３は、本実施形態の表示装置に用いるフレネルレンズを示す図であり、（Ａ）平面図、（Ｂ）（Ａ）のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。図４は、本実施形態の表示装置に用いる再帰性透過材を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は角部の拡大斜視図である。図５は、再帰性透過材の作用を説明するための図である。図６は、スクリーンと実像生成面との位置関係を示す図である。
なお、以下の全ての図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
【００２１】
本実施形態の表示装置１は、図１、図２に示すように、プロジェクター２（投射装置）と、フレネルレンズ３（平行化素子）と、再帰性透過材４（結像素子）と、スクリーン５（被投射面）と、を有している。プロジェクター２には、図示しないパーソナルコンピューターなどの映像信号生成手段が接続されており、プロジェクター２は映像信号生成手段から入力された映像信号に基づいてスクリーン５上に映像を投射する。プロジェクター２は投射レンズを下方に向けた姿勢で鉛直方向上方に設置され、スクリーン５は被投射面を上方に向けた姿勢で鉛直方向下方に設置されている。プロジェクター２とスクリーン５との間の投射光の光路上には、プロジェクター２側から順にフレネルレンズ３、再帰性透過材４が配置されている。
【００２２】
フレネルレンズ３は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、同心円状に配置された複数の微小プリズム６を有している。フレネルレンズ３は、図２に示すように、プロジェクター２から所定の拡散角を持って射出された投射光Ｌ０が入射された際に、その入射光を略平行化した光Ｌ１に変換して射出する機能を有する。本実施形態では、投射光Ｌ０を略平行化した光Ｌ１に変換するための平行化素子としてフレネルレンズ３を用いるが、フレネルレンズ３に代えて、凸レンズを用いても良い。
【００２３】
再帰性透過材４は、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、矩形状の板材７に、光を透過させるための複数の四角柱状の開口部８が設けられたものである。素子面Ｓに垂直な方向から見た開口部８の平面形状は正方形である。なお、本明細書における「素子面」とは、再帰性透過材４を構成する板材７の主面（光を入射もしくは射出させる面）と定義する。板材７は２つの主面を有しているため、いずれか一方の面を素子面と定義すればよい。開口部８の４つの内壁面のうち、互いに直交する２つの内壁面には例えば金属反射膜が形成されており、これら２つの内壁面が反射面９となっている。これら２つの反射面９は、いわゆる２面コーナーリフレクターを構成している。
【００２４】
本実施形態の再帰性透過材４においては、図４（Ａ）に示すように、平面視して正方形状の開口部８の各辺が板材７の各辺と平行に形成されており、全ての開口部８において、４つの内壁面のうちの同じ側に位置する２つの内壁面が反射面９となっている。
【００２５】
再帰性透過材４は、図２に示すように、素子面Ｓがプロジェクター２からの投射光Ｌ０の光軸Ｌに対して垂直になるように設置されている。一方、スクリーン５は、被投射面がプロジェクター２からの投射光Ｌ０の光軸Ｌに対して傾いて設置されている。したがって、再帰性透過材４とスクリーン５とは、再帰性透過材４の素子面Ｓとスクリーン５の被投射面とが鋭角をなすように、傾いて設置されている。
【００２６】
スクリーン５としては、フロント型プロジェクターと組み合わせて用いられる一般の反射型スクリーンを採用することができる。明るい空間像を得るためには、反射率が高く、明るい画像を得られる反射型スクリーンを用いることが望ましい。本実施形態のスクリーン５は平面状のものである。
【００２７】
ここで、図５（Ａ）〜（Ｃ）を用いて、再帰性透過材４の作用を説明する。
図５（Ａ）〜（Ｃ）では、再帰性透過材４の素子面ＳをＸ軸とＹ軸とで構成されるＸＹ平面に一致させ、素子面Ｓと直交する軸をＺ軸とした。また、光が射出される点を点Ｐ、光が再帰性透過材４の反射面９に入射する点を点Ｔ、光が結像する点を点Ｑ、で表した。
【００２８】
上述したように、再帰性透過材４の２つの反射面９は互いに直交しているため、一方の反射面９に入射した光は９０度の角度で隣接した他方の反射面９で反射する。したがって、素子面Ｓと直交する方向（Ｚ軸方向）から見たときには、図５（Ｂ）に示すように、一般の再帰性反射材と同様、反射面９に入射した光は入射方向と同じ方向に反射する。すなわち、点Ｐおよび点ＱをＸＹ平面上に射影したとき、点Ｐの射影点と点Ｑの射影点とは一致する。一方、素子面Ｓと平行、かつ光入射面に直交する方向（点Ｐ、点Ｔ、点Ｑで作る三角形ＰＴＱの法線方向）から見たときには、図５（Ｃ）に示すように、通常の反射鏡と同様、反射面９に入射した光は入射角ａと同じ反射角ａで反射する。
【００２９】
このようにして、図５（Ａ）に示すように、点Ｐから射出された光は点Ｔを経て点Ｑに向かう。スクリーン５が鏡面反射あるいは略鏡面反射する反射面でない限り、点Ｐから射出された光はある程度の角度範囲内に発散し、再帰性透過材４の点Ｔ以外の箇所にも入射する。ところが、点Ｔ以外の箇所に入射した光も同様に反射するため、発散した全ての光が点Ｑに集束する。すなわち、素子面Ｓの一方側に位置する像は、素子面Ｓの他方側の空間における素子面Ｓに対する面対称位置に結像する。よって、点Ｐの周辺に立体物が存在した場合、点Ｑの周辺に、再帰性透過材４の素子面Ｓに対して面対称な実像が立体像として生成される。
【００３０】
また、再帰性透過材４は、素子面Ｓと垂直な方向に貫通する開口部８を有しているため、再帰性透過材４の素子面Ｓに対して垂直に入射した光は反射面９に入射することなく、そのまま直進する。
【００３１】
上記構成の表示装置１において、プロジェクター２から射出された投射光Ｌ０はフレネルレンズ３により略平行化された状態で鉛直方向上方から再帰性透過材４に入射する。再帰性透過材４は素子面Ｓに対して略垂直に入射した光を直進させる機能を有しているので、フレネルレンズ３によって平行化された光Ｌ１は再帰性透過材４をそのまま透過した後、スクリーン５上に結像されて像が生成される。なお、再帰性透過材４の開口部８以外の領域では投射光が遮光されるため、スクリーン５上の像は開口率が小さくなる程、暗くなる。したがって、隣接する開口部８間の間隔を極力小さくして開口率を高くすれば、スクリーン５上の画像をある程度明るくすることができ、画質が大きく損なわれることはない。
【００３２】
このとき、スクリーン５が反射型スクリーンであるため、投射光はスクリーン５で反射すると同時にそのスクリーン５の散乱特性に応じて散乱し、角度分布が広がった状態で再帰性透過材４に鉛直方向下方から再度入射する。上述したように、再帰性透過材４は素子面Ｓに対して斜めに入射した光を素子面Ｓに対する面対称の位置に結像させる機能を有している。そのため、再帰性透過材４を挟んでスクリーン５が配置された側と反対側の空間において被投射面上の像と面対称の位置に実像が生成される。
【００３３】
すなわち、本実施形態の場合、図６に示すように、再帰性透過材４の素子面Ｓの下方にスクリーン５が傾いて設置されているため、再帰性透過材４の素子面Ｓの上方空間にスクリーン５の傾きと面対称の方向に傾いた実像形成面Ｊができ、実像形成面Ｊの位置にスクリーン５上の像を面対称にした実像が形成される。この場合、スクリーン５が平面であるため、生成される実像はスクリーン５上の像と傾きだけが異なり、同じ平面像となる。
【００３４】
したがって、図２に示すように、観察者Ｋが実像形成面Ｊの傾いた方向から実像の方向を斜めに覗き込むようにすれば、観察者Ｋに対して実像が略正対した状態となり、実像が見やすくなる。生成された実像は再帰性透過材４による反射光が結像したものであるため、観察者Ｋからは再帰性透過材４を見ることができる観察範囲ＫＲ内において実像が空間に浮かんだように見える。
【００３５】
図２に示した例では、観察範囲ＫＲが実像形成面Ｊの一部だけであり、実像が実像形成面Ｊの全体に形成されたとしても、観察者Ｋは実像形成面Ｊの全体を観察することはできない。このとき、実像の全体を観察できるようにするためには、スクリーン５の大きさに対して再帰性透過材４の大きさをより大きくすればよい。もしくは、スクリーン５の全体に像を投射するのではなく、スクリーン５上での画像の投射範囲を狭め、スクリーン５の一部に像を投射すれば良い。さらに、表示対象物となる像の背景を黒色とし、像をスクリーン５の中央付近に配置すれば、観察者Ｋからは背景やスクリーンの形状が見えなくなり、像と周辺の物体との位置関係が把握しにくくなる。そのため、観察者Ｋにとって像がより空間に浮かび上がったような感覚を提示することができる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態の表示装置１によれば、駆動手段等も必要なく、簡易な構成で空間に像を生成できる表示装置を実現することができる。
【００３７】
具体的には、再帰性透過材４の下方にスクリーン５を設置し、そのスクリーン５に対してフレネルレンズ３を介してプロジェクター２から画像を投射するだけで空間像を生成できるので、下側に複雑な装置等を配置する必要がない。そのため、例えば再帰性透過材４を机に組み込んだ場合でも、机の下に邪魔な装置等が存在しないので、机を囲むように椅子を置いて観察者Ｋの脚が机の下に入るようにして着座することができる。よって、複数の観察者Ｋが近寄って実像を観察することが可能になる。また、プロジェクター２とフレネルレンズ３は天井に設置するなどの構成を採用できるため、表示装置１を使用しない場合には再帰性透過材４を組み込んだ机を簡単に移動することができる。このように、使い勝手の良い表示装置を提供することができる。
【００３８】
なお、本実施形態では再帰性透過材が矩形の開口部を有する構成を例に挙げたが、開口部に代えて、光を透過する透過部として構成しても良い。すなわち、透明な材料からなる板材に、格子状あるいは格子の一部を除いたような形状に反射板が配置された構成としても良い。
【００３９】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図７〜図１１を用いて説明する。
本実施形態の表示装置は、空間に擬似的な立体像を生成することができる表示装置の一例である。
図７は、本実施形態の表示装置を示す斜視図である。図８は、本実施形態の表示装置に用いる再帰性透過材を示す平面図である。図９は、スクリーンと実像生成面との位置関係を示す図である。なお、図７において、第１実施形態の図１と共通する構成要素には同一の符号を付し、説明は省略する。
【００４０】
本実施形態の表示装置１１は、図７に示すように、プロジェクター２、フレネルレンズ３、再帰性透過材１２、スクリーン１３が鉛直方向上方からこの順に配置されている。この基本構成は第１実施形態と同様である。ただし、スクリーン１３と再帰性透過材１２の構成が第１実施形態と異なっている。以下、この点について説明する。
【００４１】
第１実施形態のスクリーン５の形状が平面状であったのに対し、本実施形態のスクリーン１３は、図７に示すように、鉛直方向下方に向けて突出する四角錐状の形状を有している。言い換えると、本実施形態のスクリーン１３は、再帰性透過材１２の素子面Ｓから見て四角錐状に窪んだ凹部で構成されており、再帰性透過材１２の素子面Ｓに対して傾いた４つの被投射面を有している。
【００４２】
本実施形態の場合、図９に示すように、再帰性透過材１２の素子面Ｓの下方に、下方に向けて四角錐状に窪んだスクリーン１３が設置されている。この形状が反映されて、再帰性透過材４の素子面Ｓの上方に、スクリーン形状と面対称に、上方に向けて四角錐状に突出した実像形成面Ｊができ、実像形成面Ｊの４つの面にスクリーン１３上の像を面対称にした実像が形成される。
【００４３】
図１１にスクリーン１３上の投射画像の一例を示す。スクリーン１３の４つの被投射面にそれぞれ投射された４つの画像Ｇ１〜Ｇ４は、例えば図１０に示す花瓶のような表示対象物Ｔを、水平面内で異なる４つの方位角方向、例えば正面方向を基準として方位角０度、９０度、１８０度、２７０度の各方向Ｖ１〜Ｖ４から撮影した４枚の画像に対応している。このようなスクリーン１３上の４つの画像Ｇ１〜Ｇ４が、再帰性透過材１２の上方空間において素子面Ｓに対して面対称に４つの実像として結像される。その結果、スクリーン１３を真上から見たときのスクリーン１３上に投射された画像が図１１である場合に、実像形成面Ｊを真上から見たときの実像（空間像）も同様に図１１となる。よって、観察者Ｋが実像を真上ではなく周囲から見ると、見る角度によって上記の４つの画像Ｇ１〜Ｇ４のうちのいずれかの画像が見える。
【００４４】
本実施形態の場合、再帰性透過材１２は、図８に示す構成とすることが望ましい。
第１実施形態の再帰性透過材４では、図４（Ａ）に示すように、開口部８の各辺が板材７の各辺と平行に形成され、全ての開口部８において２つの反射面９が同じ方向を向いていた。これに対して、本実施形態の再帰性透過材１２は、図８に示すように、開口部８の各辺が板材７の各辺に対して４５度の角度をなすように形成されている。そして、再帰性透過材１２の対角線によって４分割された領域毎に、開口部８の４つの内壁面のうち、再帰性透過材１２の中央側に位置する２つの内壁面が反射面９となっている。言い換えると、再帰性透過材１２の対角線によって４分割された領域毎に、２つの反射面９は再帰性透過材１２の各辺側（外側）を向いている。
【００４５】
再帰性透過材１２を上記の構成とした場合、スクリーン１３の４つの被投射面に投射された各画像Ｇ１〜Ｇ４からの光は、再帰性透過材１２によってその画像が位置する側にのみ反射する。すなわち、再帰性透過材１２によって、図１１に示す画像Ｇ１からの光は図１１の下側のみ、画像Ｇ２からの光は図１１の右側のみ、画像Ｇ３からの光は図１１の上側のみ、画像Ｇ４からの光は図１１の左側のみに反射する。この作用により、観察者Ｋが位置している方向の実像だけが観察される。一方、観察者Ｋが位置している方向以外の画像からの光は観察者Ｋが位置している方向には反射されない。そのため、観察者Ｋには正面側の実像だけが見え、裏側の実像が透けて見えるようなことはない。
【００４６】
本実施形態においても、簡易な構成で空間に像を生成可能な表示装置を実現できる、といった第１実施形態の同様の効果を得ることができる。
特に本実施形態の場合、スクリーン１３を立体形状としたことで実像形成面Ｊも立体形状となり、そこに形成される空間像の立体感を得ることができる。さらに、本実施形態の表示装置１１では、異なる４つの空間像を形成できるため、観察者Ｋが表示装置１の周囲を移動しながら空間像を見たとき、９０度ずつ異なる視点から見た空間像を観察できる。よって、運動視差を加味した擬似的な立体画像を得ることができる。
【００４７】
なお、本実施形態ではスクリーン１３の形状が四角錐状の例を挙げたが、三角錐も含め、四角錐以外の多角錐であっても良い。また、平面状のスクリーンを１回折り曲げた形の２つの被投射面を有するスクリーンを用いても良い。これらの構成において、再帰性透過材の開口部のいずれの内壁面を反射面とするかはスクリーンの形状に対応させて適宜決定すれば良い。
【００４８】
なお、本実施形態では再帰性透過材が矩形の開口部を有する構成を例に挙げたが、開口部に代えて、光を透過する透過部として構成しても良い。すなわち、透明な材料からなる板材に、格子状あるいは格子の一部を除いたような形状に反射板が配置された構成としても良い。
【００４９】
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図１２〜図１４を用いて説明する。
本実施形態の表示装置は、第２実施形態と同様、空間に擬似的な立体像を生成することができる表示装置である。ただし、再帰性透過材の構成およびスクリーンの形状とそれに投射する画像が第２実施形態と異なっている。
【００５０】
本実施形態の場合、図１３に示すように、再帰性透過材１５の素子面Ｓの下方に、下方に向けて円錐状に窪んだスクリーン１６が設置されている。すなわち、素子面Ｓに垂直な方向から見て、スクリーン１６の平面形状が円形（湾曲した形状）である。この形状が反映されて、再帰性透過材１５の素子面Ｓの上方に、スクリーン形状と面対称に、上方に向けて円錐状に突出した実像形成面Ｊができ、円錐状の実像形成面Ｊにスクリーン１６上の像を面対称にした実像が形成される。
【００５１】
図１４にスクリーン１６上の投射画像の一例を示す。スクリーン１６上に投射された８つの画像Ｇ１〜Ｇ８は、第２実施形態と同様の表示対象物Ｔを、水平面内で異なる８つの方位角方向、例えば正面方向を基準として方位角０度、４５度、９０度、１３５度、１８０度、２２５度、２７０度、３１５度の４５度間隔の各方向から撮影した８枚の画像に対応している。このようなスクリーン１６上の８つの画像Ｇ１〜Ｇ８が、再帰性透過材１５の上方空間において素子面Ｓに対して面対称に８つの実像として結像される。その結果、スクリーン１６を真上から見たときのスクリーン１６上に投射された画像Ｇ１〜Ｇ８が図１４である場合に、実像形成面Ｊを真上から見たときの実像（空間像）も同様に図１４となる。よって、観察者Ｋが実像を周囲から見ると、見る角度によって上記の８つの画像Ｇ１〜Ｇ８のうちのいずれかの画像が見える。
【００５２】
本実施形態の場合、再帰性透過材１５は、図１２に示す構成とすることが望ましい。本実施形態の再帰性透過材１５は、図１２に示すように、円形の板材１７に、矩形状の複数の開口部８が同心円状に形成されている。開口部８は、対角線が板材１７の径方向となるように配置されている。そして、各開口部８の４つの内壁面のうち、再帰性透過材１５の中心側に位置する２つの内壁面が反射面９となっている。言い換えると、全ての開口部８において、２つの反射面９は再帰性透過材１５の円周側（外側）を向いている。
【００５３】
このような再帰性透過材１５を使用することで、本実施形態においても、第２実施形態と同様、スクリーン１６に投射された各画像Ｇ１〜Ｇ８からの光は、再帰性透過材１５によってその画像が位置する側にのみ反射する。この作用により、観察者Ｋが位置している方向の実像だけが観察される。一方、観察者Ｋが位置している方向以外の画像からの光は観察者Ｋが位置している方向には反射されない。そのため、観察者Ｋには正面の実像だけが見え、裏側の実像が透けて見えるようなことはない。
【００５４】
観察範囲はスクリーン１６の反射特性によって設定が可能である。例えば観察範囲を狭くしたい場合にはスクリーン１６からの反射光の角度分布を狭くし、観察範囲を広くしたい場合にはスクリーン１６からの反射光の角度分布を広くすれば良い。観察範囲は表示するコンテンツによって適宜設定すれば良い。
【００５５】
本実施形態においても、簡易な構成で空間に像を生成可能な表示装置を実現できる、といった第１、第２実施形態の同様の効果を得ることができる。また、実像形成面を立体形状としたことで空間像の立体感が得られるという効果は第２実施形態と同様である。
【００５６】
なお、本実施形態では、スクリーン１６に投射する画像の例として、図１４に示したように、表示対象物Ｔを４５度間隔で８分割した離散的な画像Ｇ１〜Ｇ８の例を示したが、この画像に代えて連続的な画像とすれば、観察者の見る位置に対してより連続的な空間像を表示することができる。さらに、スクリーン１６の反射特性をより狭くして左右の眼で異なる空間像が見える設定とすることで、両眼視差による立体画像の表示が可能になる。このように、見る位置に応じた空間像を観察できるため、自然な立体画像を得ることができる。
【００５７】
また、スクリーン１６に投射する複数の画像については、例えば表示対象物Ｔを回転させながら撮影する、観察点を等距離、等間隔の角度で移動させながら撮影する等の手法で連続的な画像を取得し、これを画像変換することにより生成することが可能である。また、スクリーン１６の形状に対応したミラーを撮影レンズの光軸の同軸上に配置し、光軸を垂直方向に設置して撮影することで得ることも可能である。
【００５８】
本実施形態では、スクリーン１６の形状を円錐状とした例を挙げたが、楕円錐状、もしくはその他の錐形状であっても良い。また、スクリーンの被投射面に垂直な平面で切断したときの断面形状が曲線であっても良い。すなわち、スクリーンが例えば半球状等の形状であっても良い。これらの構成における再帰性透過材の開口部の配置、反射面の配置はスクリーンの形状に対応させて適宜決定すれば良い。
【００５９】
また、第２、第３実施形態を通じて、スクリーンが下方に突出した形状である例を挙げたが、スクリーンが再帰性透過材に向けて上方に突出した形状としても良い。その場合には、実像形成面が再帰性透過材に向けて下方に突出した形状となる。また、スクリーンの全体を凸状もしくは凹状に形成することに代えて、スクリーンの一部のみに凸部もしくは凹部を形成しても良い。
【００６０】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施形態では、結像素子の一例として、矩形状の複数の開口部を有する再帰性透過材を挙げたが、この種の再帰性透過材に限ることなく、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示した光学特性を有するものであれば、他の結像素子を用いても良い。例えば再帰性透過材を、アフォーカルレンズ系を組み込んだものや、他の微小光学系を組み込んだもので構成しても良い。また、スクリーンを伸縮可能な素材で構成し、頂点部分を垂直方向に移動可能な構成とすることで空間像も高さ方向に伸縮する構成とすることもできる。
【符号の説明】
【００６１】
１，１１…表示装置、２…プロジェクター（投射装置）、３…フレネルレンズ（平行化素子）、４，１２，１５…再帰性透過材（結像素子）、５，１３，１６…スクリーン（被投射面）、８…開口部、９…反射面、Ｓ…素子面。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被投影物の像を結像させる結像素子を備え、この結像素子によって空中に実像として立体像を生成することができるディスプレイ装置が、下記の特許文献１、特許文献２に開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載のディスプレイ装置に用いられる結像素子は、直交する２つの鏡面を有する２面コーナーリフレクターからなる単位光学素子を複数備えている。この結像素子は、素子面の一方側の空間に配置される被投影物の実像を、素子面の他方側の空間における当該素子面に対する面対称位置に鏡像として結像する作用を有している。そのため、素子面の一方側の空間に立体物を配置すれば、素子面の他方側の空間における当該素子面に対する面対称位置に立体像が生成される。
【０００４】
特許文献２に記載のディスプレイ装置は、特許文献１と同様の２面コーナーリフレクターを有する結像素子が駆動手段によってディスプレイの上方で素子面と垂直方向に移動する構成となっている。このディスプレイ装置では、結像素子の上下動と同期させてディスプレイに表示する映像を変化させることにより、結像素子の上方空間に立体空中映像が生成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第０７／１１６６３９号
【特許文献２】特開２００９−２２９９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のディスプレイ装置において、静止した立体像を生成するためには、結像素子の下方に静止した立体物を置けば良い。しかしながら、電子的に生成した動的な立体物の像を得るためには、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイを回転させるなど、電子的な動的立体物を作るための複雑な構造物が必要であった。
【０００７】
また、特許文献２のディスプレイ装置においては、人間の眼で立体像を観察するためには、フリッカーが生じない程度の周波数（例えば５０Ｈｚ程度以上）で結像素子を移動させなければならない。そのため、結像素子をむやみに大きくすることができず、結像素子の大きさに制約が生じ、ひいては立体空中映像の大きさに制約が生じる。また、結像素子を素子面と垂直方向に高速で移動させるためには大掛かりな駆動装置が必要であった。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、簡易な構成で空間像を生成することができ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】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明の表示装置は、投射光を射出する投射装置と、前記投射装置からの投射光を略平行化した光に変換する平行化素子と、前記平行化素子を介して前記投射装置から射出された投射光が入射され、前記投射光による像が生成される光反射性を有する被投射面と、前記平行化素子と前記被投射面との間に設けられ、素子面の一方側に位置する像を前記素子面の他方側の空間における前記素子面に対する面対称位置に結像させる結像素子と、を備え、前記結像素子が、前記平行化素子から前記素子面に対して略垂直に入射した光を直進させるとともに、前記被投射面からの拡散光のうち、前記素子面に対して斜めに入射した光を前記素子面に対する面対称の位置に結像させ、前記被投射面上の像の実像を生成することを特徴とする。
【００１０】
本発明の表示装置によれば、投射装置から射出された投射光は平行化素子により略平行化された状態で結像素子に入射する。結像素子は素子面に対して略垂直に入射した光を直進させる機能を有しているので、平行化素子を経た投射光は結像素子をそのまま透過した後、被投射面上に結像されて像が生成される。このとき、被投射面が光反射性を有しているので、投射光は被投射面で反射すると同時に散乱され、角度分布が広がった状態で結像素子に再度入射する。結像素子は素子面に対して斜めに入射した光を素子面に対する面対称の位置に結像させる機能を有しているので、結像素子を挟んで被投射面が配置された側と反対側の空間において被投射面上の像と面対称の位置に実像が生成される。このように、駆動手段等も必要なく、簡易な構成で空間に像を生成できる表示装置を実現することができる。
【００１１】
本発明の表示装置においては、前記被投射面が平面であっても良い。
この構成によれば、被投射面として一般的なスクリーン等を用いることで平面的な像を空間に形成することができる。
【００１２】
本発明の表示装置においては、前記被投射面が平面である場合に、前記結像素子の前記素子面に対して前記被投射面が傾いて配置されていることが望ましい。
結像素子の素子面に対して斜めに入射した光は素子面に対する面対称の位置に結像されるため、結像素子の素子面に対して被投射面が傾いて配置されていれば、被投射面が配置された側と反対側の空間において実像形成面も結像素子の素子面に対して面対称の方向に傾く。したがって、使用者が実像形成面の傾いた方向から実像の方向を斜めに覗き込むようにすれば、使用者に対して実像が略正対した状態となり、像が見やすくなる。
【００１３】
本発明の表示装置においては、前記被投射面の少なくとも一部に、前記結像素子の前記素子面に向けて突出する凸部、もしくは前記結像素子の前記素子面から見て窪んだ凹部を有していても良い。
結像素子の素子面に対して斜めに入射した光は素子面に対する面対称の位置に結像されるため、被投射面が凸部を有していれば実像形成面も素子面に向けて突出する凸部を有し、被投射面が凹部を有していれば実像形成面も素子面から見て窪んだ凹部を有するものとなる。したがって、凸部もしくは凹部を有する実像形成面上に実像が形成されることになり、擬似的な立体画像を形成することができる。
【００１４】
本発明の表示装置においては、前記凸部もしくは前記凹部が、前記結像素子の前記素子面に対して傾斜した複数の平面を有していても良い。
この構成によれば、例えば凸部もしくは凹部が有する平面の数に応じて複数の異なる画像を表示することができる。
【００１５】
本発明の表示装置においては、前記凸部もしくは前記凹部が、少なくとも方位角方向に湾曲していても良い。
この構成によれば、例えば凸部もしくは凹部が有する曲面に応じて複数の異なる画像を表示することができる。
【００１６】
本発明の表示装置においては、前記被投射面が前記凸部もしくは前記凹部を有する場合、前記投射装置から、表示対象物を異なる方向から見た複数の画像が、前記被投射面の前記凸部もしくは前記凹部において方位角方向に並べて投射される構成としても良い。
この構成によれば、被投射面が配置された側と反対側の空間に、複数の画像が方位角方向に並んで表示されるため、使用者は見る場所によって異なる画像を見ることができる。したがって、運動視差による擬似的な立体画像を得ることができる。
【００１７】
本発明の表示装置においては、前記結像素子が、光を透過させる複数の矩形状の透過部を有し、前記透過部の４つの壁面のうち、少なくとも互いに直交する２つの壁面が反射面とされた再帰性透過材からなることが望ましい。
本発明の「再帰性透過材」は、透過部の４つの壁面のうち、少なくとも互いに直交する２つの壁面が反射面とされており、いわゆる２面コーナーリフレクターと呼ばれるものである。すなわち、素子面と垂直な方向から見たときには、一般の再帰性反射材と同様、反射面に入射した光は入射方向と同じ方向に反射する。一方、素子面と平行、かつ光入射面に垂直な方向から見たときには、通常の反射鏡と同様、反射面に入射した光は入射角と同じ反射角で反射する。この種の再帰性透過材を結像素子に用いることで、簡易な構成の表示装置を実現することができる。
【００１８】
本発明の表示装置においては、前記投射装置から前記複数の画像が投射される場合、前記結像素子の前記透過部の４つの壁面のうち、反射面とされている壁面の配置が前記結像素子の領域によって異なり、前記結像素子は、前記被投射面に投射された前記複数の画像の各々を、表示対象物を見た方向に対応した方位角方向に向けて反射させるように、前記反射面が配置されていることが望ましい。
この構成によれば、使用者が所定の方位角方向から画像を見ようとしたときに、その方向から見える画像だけが見え、他の方向から見える画像が透けて見えることがない。これにより、運動視差による立体画像がより自然に見えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態の表示装置を示す斜視図である。
【図２】本実施形態の表示装置を示す側面図である。
【図３】本実施形態の表示装置に用いるフレネルレンズを示す図であり、（Ａ）平面図、（Ｂ）断面図である。
【図４】本実施形態の表示装置に用いる再帰性透過材を示す図であり、（Ａ）平面図、（Ｂ）拡大斜視図である。
【図５】再帰性透過材の作用を説明するための図である。
【図６】スクリーンと実像生成面との位置関係を示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態の表示装置を示す斜視図である。
【図８】本実施形態の表示装置に用いる再帰性透過材を示す平面図である。
【図９】スクリーンと実像生成面との位置関係を示す図である。
【図１０】表示対象物の一例を示す図である。
【図１１】本実施形態の表示装置におけるスクリーン上の投射画像の一例を示す図である。
【図１２】本発明の第３実施形態の表示装置に用いる再帰性透過材を示す平面図である。
【図１３】スクリーンと実像生成面との位置関係を示す図である。
【図１４】本実施形態の表示装置におけるスクリーン上の投射画像の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図６を用いて説明する。
本実施形態の表示装置は、空間に平面像を生成することができる表示装置の一例である。
図１は、本実施形態の表示装置を示す斜視図である。図２は、本実施形態の表示装置を示す側面図である。図３は、本実施形態の表示装置に用いるフレネルレンズを示す図であり、（Ａ）平面図、（Ｂ）（Ａ）のＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。図４は、本実施形態の表示装置に用いる再帰性透過材を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は角部の拡大斜視図である。図５は、再帰性透過材の作用を説明するための図である。図６は、スクリーンと実像生成面との位置関係を示す図である。
なお、以下の全ての図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
【００２１】
本実施形態の表示装置１は、図１、図２に示すように、プロジェクター２（投射装置）と、フレネルレンズ３（平行化素子）と、再帰性透過材４（結像素子）と、スクリーン５（被投射面）と、を有している。プロジェクター２には、図示しないパーソナルコンピューターなどの映像信号生成手段が接続されており、プロジェクター２は映像信号生成手段から入力された映像信号に基づいてスクリーン５上に映像を投射する。プロジェクター２は投射レンズを下方に向けた姿勢で鉛直方向上方に設置され、スクリーン５は被投射面を上方に向けた姿勢で鉛直方向下方に設置されている。プロジェクター２とスクリーン５との間の投射光の光路上には、プロジェクター２側から順にフレネルレンズ３、再帰性透過材４が配置されている。
【００２２】
フレネルレンズ３は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、同心円状に配置された複数の微小プリズム６を有している。フレネルレンズ３は、図２に示すように、プロジェクター２から所定の拡散角を持って射出された投射光Ｌ０が入射された際に、その入射光を略平行化した光Ｌ１に変換して射出する機能を有する。本実施形態では、投射光Ｌ０を略平行化した光Ｌ１に変換するための平行化素子としてフレネルレンズ３を用いるが、フレネルレンズ３に代えて、凸レンズを用いても良い。
【００２３】
再帰性透過材４は、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、矩形状の板材７に、光を透過させるための複数の四角柱状の開口部８が設けられたものである。素子面Ｓに垂直な方向から見た開口部８の平面形状は正方形である。なお、本明細書における「素子面」とは、再帰性透過材４を構成する板材７の主面（光を入射もしくは射出させる面）と定義する。板材７は２つの主面を有しているため、いずれか一方の面を素子面と定義すればよい。開口部８の４つの内壁面のうち、互いに直交する２つの内壁面には例えば金属反射膜が形成されており、これら２つの内壁面が反射面９となっている。これら２つの反射面９は、いわゆる２面コーナーリフレクターを構成している。
【００２４】
本実施形態の再帰性透過材４においては、図４（Ａ）に示すように、平面視して正方形状の開口部８の各辺が板材７の各辺と平行に形成されており、全ての開口部８において、４つの内壁面のうちの同じ側に位置する２つの内壁面が反射面９となっている。
【００２５】
再帰性透過材４は、図２に示すように、素子面Ｓがプロジェクター２からの投射光Ｌ０の光軸Ｌに対して垂直になるように設置されている。一方、スクリーン５は、被投射面がプロジェクター２からの投射光Ｌ０の光軸Ｌに対して傾いて設置されている。したがって、再帰性透過材４とスクリーン５とは、再帰性透過材４の素子面Ｓとスクリーン５の被投射面とが鋭角をなすように、傾いて設置されている。
【００２６】
スクリーン５としては、フロント型プロジェクターと組み合わせて用いられる一般の反射型スクリーンを採用することができる。明るい空間像を得るためには、反射率が高く、明るい画像を得られる反射型スクリーンを用いることが望ましい。本実施形態のスクリーン５は平面状のものである。
【００２７】
ここで、図５（Ａ）〜（Ｃ）を用いて、再帰性透過材４の作用を説明する。
図５（Ａ）〜（Ｃ）では、再帰性透過材４の素子面ＳをＸ軸とＹ軸とで構成されるＸＹ平面に一致させ、素子面Ｓと直交する軸をＺ軸とした。また、光が射出される点を点Ｐ、光が再帰性透過材４の反射面９に入射する点を点Ｔ、光が結像する点を点Ｑ、で表した。
【００２８】
上述したように、再帰性透過材４の２つの反射面９は互いに直交しているため、一方の反射面９に入射した光は９０度の角度で隣接した他方の反射面９で反射する。したがって、素子面Ｓと直交する方向（Ｚ軸方向）から見たときには、図５（Ｂ）に示すように、一般の再帰性反射材と同様、反射面９に入射した光は入射方向と同じ方向に反射する。すなわち、点Ｐおよび点ＱをＸＹ平面上に射影したとき、点Ｐの射影点と点Ｑの射影点とは一致する。一方、素子面Ｓと平行、かつ光入射面に直交する方向（点Ｐ、点Ｔ、点Ｑで作る三角形ＰＴＱの法線方向）から見たときには、図５（Ｃ）に示すように、通常の反射鏡と同様、反射面９に入射した光は入射角ａと同じ反射角ａで反射する。
【００２９】
このようにして、図５（Ａ）に示すように、点Ｐから射出された光は点Ｔを経て点Ｑに向かう。スクリーン５が鏡面反射あるいは略鏡面反射する反射面でない限り、点Ｐから射出された光はある程度の角度範囲内に発散し、再帰性透過材４の点Ｔ以外の箇所にも入射する。ところが、点Ｔ以外の箇所に入射した光も同様に反射するため、発散した全ての光が点Ｑに集束する。すなわち、素子面Ｓの一方側に位置する像は、素子面Ｓの他方側の空間における素子面Ｓに対する面対称位置に結像する。よって、点Ｐの周辺に立体物が存在した場合、点Ｑの周辺に、再帰性透過材４の素子面Ｓに対して面対称な実像が立体像として生成される。
【００３０】
また、再帰性透過材４は、素子面Ｓと垂直な方向に貫通する開口部８を有しているため、再帰性透過材４の素子面Ｓに対して垂直に入射した光は反射面９に入射することなく、そのまま直進する。
【００３１】
上記構成の表示装置１において、プロジェクター２から射出された投射光Ｌ０はフレネルレンズ３により略平行化された状態で鉛直方向上方から再帰性透過材４に入射する。再帰性透過材４は素子面Ｓに対して略垂直に入射した光を直進させる機能を有しているので、フレネルレンズ３によって平行化された光Ｌ１は再帰性透過材４をそのまま透過した後、スクリーン５上に結像されて像が生成される。なお、再帰性透過材４の開口部８以外の領域では投射光が遮光されるため、スクリーン５上の像は開口率が小さくなる程、暗くなる。したがって、隣接する開口部８間の間隔を極力小さくして開口率を高くすれば、スクリーン５上の画像をある程度明るくすることができ、画質が大きく損なわれることはない。
【００３２】
このとき、スクリーン５が反射型スクリーンであるため、投射光はスクリーン５で反射すると同時にそのスクリーン５の散乱特性に応じて散乱し、角度分布が広がった状態で再帰性透過材４に鉛直方向下方から再度入射する。上述したように、再帰性透過材４は素子面Ｓに対して斜めに入射した光を素子面Ｓに対する面対称の位置に結像させる機能を有している。そのため、再帰性透過材４を挟んでスクリーン５が配置された側と反対側の空間において被投射面上の像と面対称の位置に実像が生成される。
【００３３】
すなわち、本実施形態の場合、図６に示すように、再帰性透過材４の素子面Ｓの下方にスクリーン５が傾いて設置されているため、再帰性透過材４の素子面Ｓの上方空間にスクリーン５の傾きと面対称の方向に傾いた実像形成面Ｊができ、実像形成面Ｊの位置にスクリーン５上の像を面対称にした実像が形成される。この場合、スクリーン５が平面であるため、生成される実像はスクリーン５上の像と傾きだけが異なり、同じ平面像となる。
【００３４】
したがって、図２に示すように、観察者Ｋが実像形成面Ｊの傾いた方向から実像の方向を斜めに覗き込むようにすれば、観察者Ｋに対して実像が略正対した状態となり、実像が見やすくなる。生成された実像は再帰性透過材４による反射光が結像したものであるため、観察者Ｋからは再帰性透過材４を見ることができる観察範囲ＫＲ内において実像が空間に浮かんだように見える。
【００３５】
図２に示した例では、観察範囲ＫＲが実像形成面Ｊの一部だけであり、実像が実像形成面Ｊの全体に形成されたとしても、観察者Ｋは実像形成面Ｊの全体を観察することはできない。このとき、実像の全体を観察できるようにするためには、スクリーン５の大きさに対して再帰性透過材４の大きさをより大きくすればよい。もしくは、スクリーン５の全体に像を投射するのではなく、スクリーン５上での画像の投射範囲を狭め、スクリーン５の一部に像を投射すれば良い。さらに、表示対象物となる像の背景を黒色とし、像をスクリーン５の中央付近に配置すれば、観察者Ｋからは背景やスクリーンの形状が見えなくなり、像と周辺の物体との位置関係が把握しにくくなる。そのため、観察者Ｋにとって像がより空間に浮かび上がったような感覚を提示することができる。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態の表示装置１によれば、駆動手段等も必要なく、簡易な構成で空間に像を生成できる表示装置を実現することができる。
【００３７】
具体的には、再帰性透過材４の下方にスクリーン５を設置し、そのスクリーン５に対してフレネルレンズ３を介してプロジェクター２から画像を投射するだけで空間像を生成できるので、下側に複雑な装置等を配置する必要がない。そのため、例えば再帰性透過材４を机に組み込んだ場合でも、机の下に邪魔な装置等が存在しないので、机を囲むように椅子を置いて観察者Ｋの脚が机の下に入るようにして着座することができる。よって、複数の観察者Ｋが近寄って実像を観察することが可能になる。また、プロジェクター２とフレネルレンズ３は天井に設置するなどの構成を採用できるため、表示装置１を使用しない場合には再帰性透過材４を組み込んだ机を簡単に移動することができる。このように、使い勝手の良い表示装置を提供することができる。
【００３８】
なお、本実施形態では再帰性透過材が矩形の開口部を有する構成を例に挙げたが、開口部に代えて、光を透過する透過部として構成しても良い。すなわち、透明な材料からなる板材に、格子状あるいは格子の一部を除いたような形状に反射板が配置された構成としても良い。
【００３９】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図７〜図１１を用いて説明する。
本実施形態の表示装置は、空間に擬似的な立体像を生成することができる表示装置の一例である。
図７は、本実施形態の表示装置を示す斜視図である。図８は、本実施形態の表示装置に用いる再帰性透過材を示す平面図である。図９は、スクリーンと実像生成面との位置関係を示す図である。なお、図７において、第１実施形態の図１と共通する構成要素には同一の符号を付し、説明は省略する。
【００４０】
本実施形態の表示装置１１は、図７に示すように、プロジェクター２、フレネルレンズ３、再帰性透過材１２、スクリーン１３が鉛直方向上方からこの順に配置されている。この基本構成は第１実施形態と同様である。ただし、スクリーン１３と再帰性透過材１２の構成が第１実施形態と異なっている。以下、この点について説明する。
【００４１】
第１実施形態のスクリーン５の形状が平面状であったのに対し、本実施形態のスクリーン１３は、図７に示すように、鉛直方向下方に向けて突出する四角錐状の形状を有している。言い換えると、本実施形態のスクリーン１３は、再帰性透過材１２の素子面Ｓから見て四角錐状に窪んだ凹部で構成されており、再帰性透過材１２の素子面Ｓに対して傾いた４つの被投射面を有している。
【００４２】
本実施形態の場合、図９に示すように、再帰性透過材１２の素子面Ｓの下方に、下方に向けて四角錐状に窪んだスクリーン１３が設置されている。この形状が反映されて、再帰性透過材４の素子面Ｓの上方に、スクリーン形状と面対称に、上方に向けて四角錐状に突出した実像形成面Ｊができ、実像形成面Ｊの４つの面にスクリーン１３上の像を面対称にした実像が形成される。
【００４３】
図１１にスクリーン１３上の投射画像の一例を示す。スクリーン１３の４つの被投射面にそれぞれ投射された４つの画像Ｇ１〜Ｇ４は、例えば図１０に示す花瓶のような表示対象物Ｔを、水平面内で異なる４つの方位角方向、例えば正面方向を基準として方位角０度、９０度、１８０度、２７０度の各方向Ｖ１〜Ｖ４から撮影した４枚の画像に対応している。このようなスクリーン１３上の４つの画像Ｇ１〜Ｇ４が、再帰性透過材１２の上方空間において素子面Ｓに対して面対称に４つの実像として結像される。その結果、スクリーン１３を真上から見たときのスクリーン１３上に投射された画像が図１１である場合に、実像形成面Ｊを真上から見たときの実像（空間像）も同様に図１１となる。よって、観察者Ｋが実像を真上ではなく周囲から見ると、見る角度によって上記の４つの画像Ｇ１〜Ｇ４のうちのいずれかの画像が見える。
【００４４】
本実施形態の場合、再帰性透過材１２は、図８に示す構成とすることが望ましい。
第１実施形態の再帰性透過材４では、図４（Ａ）に示すように、開口部８の各辺が板材７の各辺と平行に形成され、全ての開口部８において２つの反射面９が同じ方向を向いていた。これに対して、本実施形態の再帰性透過材１２は、図８に示すように、開口部８の各辺が板材７の各辺に対して４５度の角度をなすように形成されている。そして、再帰性透過材１２の対角線によって４分割された領域毎に、開口部８の４つの内壁面のうち、再帰性透過材１２の中央側に位置する２つの内壁面が反射面９となっている。言い換えると、再帰性透過材１２の対角線によって４分割された領域毎に、２つの反射面９は再帰性透過材１２の各辺側（外側）を向いている。
【００４５】
再帰性透過材１２を上記の構成とした場合、スクリーン１３の４つの被投射面に投射された各画像Ｇ１〜Ｇ４からの光は、再帰性透過材１２によってその画像が位置する側にのみ反射する。すなわち、再帰性透過材１２によって、図１１に示す画像Ｇ１からの光は図１１の下側のみ、画像Ｇ２からの光は図１１の右側のみ、画像Ｇ３からの光は図１１の上側のみ、画像Ｇ４からの光は図１１の左側のみに反射する。この作用により、観察者Ｋが位置している方向の実像だけが観察される。一方、観察者Ｋが位置している方向以外の画像からの光は観察者Ｋが位置している方向には反射されない。そのため、観察者Ｋには正面側の実像だけが見え、裏側の実像が透けて見えるようなことはない。
【００４６】
本実施形態においても、簡易な構成で空間に像を生成可能な表示装置を実現できる、といった第１実施形態の同様の効果を得ることができる。
特に本実施形態の場合、スクリーン１３を立体形状としたことで実像形成面Ｊも立体形状となり、そこに形成される空間像の立体感を得ることができる。さらに、本実施形態の表示装置１１では、異なる４つの空間像を形成できるため、観察者Ｋが表示装置１の周囲を移動しながら空間像を見たとき、９０度ずつ異なる視点から見た空間像を観察できる。よって、運動視差を加味した擬似的な立体画像を得ることができる。
【００４７】
なお、本実施形態ではスクリーン１３の形状が四角錐状の例を挙げたが、三角錐も含め、四角錐以外の多角錐であっても良い。また、平面状のスクリーンを１回折り曲げた形の２つの被投射面を有するスクリーンを用いても良い。これらの構成において、再帰性透過材の開口部のいずれの内壁面を反射面とするかはスクリーンの形状に対応させて適宜決定すれば良い。
【００４８】
なお、本実施形態では再帰性透過材が矩形の開口部を有する構成を例に挙げたが、開口部に代えて、光を透過する透過部として構成しても良い。すなわち、透明な材料からなる板材に、格子状あるいは格子の一部を除いたような形状に反射板が配置された構成としても良い。
【００４９】
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図１２〜図１４を用いて説明する。
本実施形態の表示装置は、第２実施形態と同様、空間に擬似的な立体像を生成することができる表示装置である。ただし、再帰性透過材の構成およびスクリーンの形状とそれに投射する画像が第２実施形態と異なっている。
【００５０】
本実施形態の場合、図１３に示すように、再帰性透過材１５の素子面Ｓの下方に、下方に向けて円錐状に窪んだスクリーン１６が設置されている。すなわち、素子面Ｓに垂直な方向から見て、スクリーン１６の平面形状が円形（湾曲した形状）である。この形状が反映されて、再帰性透過材１５の素子面Ｓの上方に、スクリーン形状と面対称に、上方に向けて円錐状に突出した実像形成面Ｊができ、円錐状の実像形成面Ｊにスクリーン１６上の像を面対称にした実像が形成される。
【００５１】
図１４にスクリーン１６上の投射画像の一例を示す。スクリーン１６上に投射された８つの画像Ｇ１〜Ｇ８は、第２実施形態と同様の表示対象物Ｔを、水平面内で異なる８つの方位角方向、例えば正面方向を基準として方位角０度、４５度、９０度、１３５度、１８０度、２２５度、２７０度、３１５度の４５度間隔の各方向から撮影した８枚の画像に対応している。このようなスクリーン１６上の８つの画像Ｇ１〜Ｇ８が、再帰性透過材１５の上方空間において素子面Ｓに対して面対称に８つの実像として結像される。その結果、スクリーン１６を真上から見たときのスクリーン１６上に投射された画像Ｇ１〜Ｇ８が図１４である場合に、実像形成面Ｊを真上から見たときの実像（空間像）も同様に図１４となる。よって、観察者Ｋが実像を周囲から見ると、見る角度によって上記の８つの画像Ｇ１〜Ｇ８のうちのいずれかの画像が見える。
【００５２】
本実施形態の場合、再帰性透過材１５は、図１２に示す構成とすることが望ましい。本実施形態の再帰性透過材１５は、図１２に示すように、円形の板材１７に、矩形状の複数の開口部８が同心円状に形成されている。開口部８は、対角線が板材１７の径方向となるように配置されている。そして、各開口部８の４つの内壁面のうち、再帰性透過材１５の中心側に位置する２つの内壁面が反射面９となっている。言い換えると、全ての開口部８において、２つの反射面９は再帰性透過材１５の円周側（外側）を向いている。
【００５３】
このような再帰性透過材１５を使用することで、本実施形態においても、第２実施形態と同様、スクリーン１６に投射された各画像Ｇ１〜Ｇ８からの光は、再帰性透過材１５によってその画像が位置する側にのみ反射する。この作用により、観察者Ｋが位置している方向の実像だけが観察される。一方、観察者Ｋが位置している方向以外の画像からの光は観察者Ｋが位置している方向には反射されない。そのため、観察者Ｋには正面の実像だけが見え、裏側の実像が透けて見えるようなことはない。
【００５４】
観察範囲はスクリーン１６の反射特性によって設定が可能である。例えば観察範囲を狭くしたい場合にはスクリーン１６からの反射光の角度分布を狭くし、観察範囲を広くしたい場合にはスクリーン１６からの反射光の角度分布を広くすれば良い。観察範囲は表示するコンテンツによって適宜設定すれば良い。
【００５５】
本実施形態においても、簡易な構成で空間に像を生成可能な表示装置を実現できる、といった第１、第２実施形態の同様の効果を得ることができる。また、実像形成面を立体形状としたことで空間像の立体感が得られるという効果は第２実施形態と同様である。
【００５６】
なお、本実施形態では、スクリーン１６に投射する画像の例として、図１４に示したように、表示対象物Ｔを４５度間隔で８分割した離散的な画像Ｇ１〜Ｇ８の例を示したが、この画像に代えて連続的な画像とすれば、観察者の見る位置に対してより連続的な空間像を表示することができる。さらに、スクリーン１６の反射特性をより狭くして左右の眼で異なる空間像が見える設定とすることで、両眼視差による立体画像の表示が可能になる。このように、見る位置に応じた空間像を観察できるため、自然な立体画像を得ることができる。
【００５７】
また、スクリーン１６に投射する複数の画像については、例えば表示対象物Ｔを回転させながら撮影する、観察点を等距離、等間隔の角度で移動させながら撮影する等の手法で連続的な画像を取得し、これを画像変換することにより生成することが可能である。また、スクリーン１６の形状に対応したミラーを撮影レンズの光軸の同軸上に配置し、光軸を垂直方向に設置して撮影することで得ることも可能である。
【００５８】
本実施形態では、スクリーン１６の形状を円錐状とした例を挙げたが、楕円錐状、もしくはその他の錐形状であっても良い。また、スクリーンの被投射面に垂直な平面で切断したときの断面形状が曲線であっても良い。すなわち、スクリーンが例えば半球状等の形状であっても良い。これらの構成における再帰性透過材の開口部の配置、反射面の配置はスクリーンの形状に対応させて適宜決定すれば良い。
【００５９】
また、第２、第３実施形態を通じて、スクリーンが下方に突出した形状である例を挙げたが、スクリーンが再帰性透過材に向けて上方に突出した形状としても良い。その場合には、実像形成面が再帰性透過材に向けて下方に突出した形状となる。また、スクリーンの全体を凸状もしくは凹状に形成することに代えて、スクリーンの一部のみに凸部もしくは凹部を形成しても良い。
【００６０】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施形態では、結像素子の一例として、矩形状の複数の開口部を有する再帰性透過材を挙げたが、この種の再帰性透過材に限ることなく、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示した光学特性を有するものであれば、他の結像素子を用いても良い。例えば再帰性透過材を、アフォーカルレンズ系を組み込んだものや、他の微小光学系を組み込んだもので構成しても良い。また、スクリーンを伸縮可能な素材で構成し、頂点部分を垂直方向に移動可能な構成とすることで空間像も高さ方向に伸縮する構成とすることもできる。
【符号の説明】
【００６１】
１，１１…表示装置、２…プロジェクター（投射装置）、３…フレネルレンズ（平行化素子）、４，１２，１５…再帰性透過材（結像素子）、５，１３，１６…スクリーン（被投射面）、８…開口部、９…反射面、Ｓ…素子面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投射光を射出する投射装置と、
前記投射装置からの投射光を略平行化した光に変換する平行化素子と、
前記平行化素子を介して前記投射装置から射出された投射光が入射され、前記投射光による像が生成される光反射性を有する被投射面と、
前記平行化素子と前記被投射面との間に設けられ、素子面の一方側に位置する像を前記素子面の他方側の空間における前記素子面に対する面対称位置に結像させる結像素子と、を備え、
前記結像素子が、前記平行化素子から前記素子面に対して略垂直に入射した光を直進させるとともに、前記被投射面からの拡散光のうち、前記素子面に対して斜めに入射した光を前記素子面に対する面対称の位置に結像させ、前記被投射面上の像の実像を生成することを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記被投射面が平面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】
前記結像素子の前記素子面に対して前記被投射面が傾いて配置され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】
前記被投射面の少なくとも一部に、前記結像素子の前記素子面に向けて突出する凸部、もしくは前記結像素子の前記素子面から見て窪んだ凹部を有することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項５】
前記凸部もしくは前記凹部が、前記結像素子の前記素子面に対して傾斜した複数の平面を有することを特徴とする請求項４に記載の表示装置。
【請求項６】
前記凸部もしくは前記凹部が、少なくとも方位角方向に湾曲していることを特徴とする請求項４に記載の表示装置。
【請求項７】
前記投射装置から、表示対象物を異なる方向から見た複数の画像が、前記被投射面の前記凸部もしくは前記凹部において方位角方向に並べて投射されることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項８】
前記結像素子が、光を透過させる複数の矩形状の透過部を有し、前記透過部の４つの壁面のうち、少なくとも互いに直交する２つの壁面が反射面とされた再帰性透過材からなることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項９】
前記結像素子の前記透過部の４つの壁面のうち、反射面とされている壁面の配置が前記結像素子の領域によって異なり、
前記結像素子は、前記被投射面に投射された前記複数の画像の各々を、表示対象物を見た方向に対応した方位角方向に向けて反射させるように、前記反射面が配置されていることを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
【請求項１】
投射光を射出する投射装置と、
前記投射装置からの投射光を略平行化した光に変換する平行化素子と、
前記平行化素子を介して前記投射装置から射出された投射光が入射され、前記投射光による像が生成される光反射性を有する被投射面と、
前記平行化素子と前記被投射面との間に設けられ、素子面の一方側に位置する像を前記素子面の他方側の空間における前記素子面に対する面対称位置に結像させる結像素子と、を備え、
前記結像素子が、前記平行化素子から前記素子面に対して略垂直に入射した光を直進させるとともに、前記被投射面からの拡散光のうち、前記素子面に対して斜めに入射した光を前記素子面に対する面対称の位置に結像させ、前記被投射面上の像の実像を生成することを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記被投射面が平面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】
前記結像素子の前記素子面に対して前記被投射面が傾いて配置され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】
前記被投射面の少なくとも一部に、前記結像素子の前記素子面に向けて突出する凸部、もしくは前記結像素子の前記素子面から見て窪んだ凹部を有することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項５】
前記凸部もしくは前記凹部が、前記結像素子の前記素子面に対して傾斜した複数の平面を有することを特徴とする請求項４に記載の表示装置。
【請求項６】
前記凸部もしくは前記凹部が、少なくとも方位角方向に湾曲していることを特徴とする請求項４に記載の表示装置。
【請求項７】
前記投射装置から、表示対象物を異なる方向から見た複数の画像が、前記被投射面の前記凸部もしくは前記凹部において方位角方向に並べて投射されることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項８】
前記結像素子が、光を透過させる複数の矩形状の透過部を有し、前記透過部の４つの壁面のうち、少なくとも互いに直交する２つの壁面が反射面とされた再帰性透過材からなることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の表示装置。
【請求項９】
前記結像素子の前記透過部の４つの壁面のうち、反射面とされている壁面の配置が前記結像素子の領域によって異なり、
前記結像素子は、前記被投射面に投射された前記複数の画像の各々を、表示対象物を見た方向に対応した方位角方向に向けて反射させるように、前記反射面が配置されていることを特徴とする請求項８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１４】
【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】
【公開番号】特開２０１２−１８９９３２（Ｐ２０１２−１８９９３２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５５１８４（Ｐ２０１１−５５１８４）
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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