視差式３次元空中映像表示装置
【課題】各実鏡映像結像光学系により結像される映像を視差により歪みのない立体空中映像として表示可能な装置を提供する。
【解決手段】素子平面Ｓ１，Ｓ２に対する面対称位置に被投影物の実像を結像可能な実鏡映像結像光学系２Ａ１，２Ａ２を並べて配置するとともに、各結像光学系２Ａ１，２Ａ２に対応してそれぞれに同一の被投影物Ｏ１，Ｏ２を同じ位置及び角度関係で配置し、相対的に左側に配置した実鏡映像結像光学系２Ａ１である右目用結像光学系によって結像される対応する被投影物Ｏ１の実鏡映像Ｐ１と、相対的に右側に配置した実鏡映像結像光学系２Ａ２である左目用結像光学系によって結像される対応する被投影物Ｏ２の実鏡映像Ｐ２とを同じ位置で重ね合わせて表示させるように構成した視差式３次元空中映像表示装置Ｘ１とした。
【解決手段】素子平面Ｓ１，Ｓ２に対する面対称位置に被投影物の実像を結像可能な実鏡映像結像光学系２Ａ１，２Ａ２を並べて配置するとともに、各結像光学系２Ａ１，２Ａ２に対応してそれぞれに同一の被投影物Ｏ１，Ｏ２を同じ位置及び角度関係で配置し、相対的に左側に配置した実鏡映像結像光学系２Ａ１である右目用結像光学系によって結像される対応する被投影物Ｏ１の実鏡映像Ｐ１と、相対的に右側に配置した実鏡映像結像光学系２Ａ２である左目用結像光学系によって結像される対応する被投影物Ｏ２の実鏡映像Ｐ２とを同じ位置で重ね合わせて表示させるように構成した視差式３次元空中映像表示装置Ｘ１とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、視差を利用して歪みのない立体空中映像を見ることができるようにした表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、立体映像を閲覧可能とする技術が開発されてきている。例えば、結像光学系として凸レンズや凹面鏡を利用するものとして、高速表示が可能な２次元ディスプレイを光学系の光軸に対して傾けて配置し、ミラースキャナにより光軸に対して傾いた２次元像を移動させ、それにあわせて２次元ディスプレイに表示物体の断面像を表示させることにより、３次元像を形成する、という体積走査法による３次元像の立体表示方法が提案されている（非特許文献１参照）。この方法によれば、３次元実像が形成されているので、眼鏡などの装着物は不要であり、人の立体視知覚要因を全て満たすことができる、とされている。
【０００３】
しかしながら、非特許文献１に開示されているような立体表示方法では、光学系として凸レンズや凹面鏡を用いていることから、その収差のために形状に歪みが生じ、定位を完全に安定させることは困難である。
【０００４】
一方、本発明者は、等倍結像光学系として、２つの鏡面から構成される２面コーナーリフレクタを多数備えた光学素子である実鏡映像結像素子（以下、必要に応じて「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）を提案してきている。また、焦点距離が無限大であるアフォーカル光学系を備えたアフォーカルレンズアレイを用い、アフォーカルレンズ素子の素子面を対称面として反対側の空間に被投影物の像を結像させる機能を実現した実鏡映像結像光学系も提案されている（特許文献３参照）。これらの実鏡映像結像光学系は、被投影物をその光学系に設定される対称面（２面コーナーリフレクタアレイの素子面、ハーフミラー面、アフォーカルレンズアレイの素子面）に対する面対称位置に等倍の実像として歪みなく結像させるものであり、被投影物が２次元であれば２次元の実像を、被投影物が３次元であれば３次元の実像を観察することができるものである。
【０００５】
そして、本発明者は、上述した各実鏡映像結像光学系を応用した歪みのない３次元空中映像表示装置を提供すべく、体積走査法による３次元空中映像ディスプレイ装置を案出している（特許文献４参照）。この３次元空中映像ディスプレイ装置は、被投影物として映像を表示する表示面を備えたディスプレイを実鏡映像結像光学系の対称面の下面側に配置して、駆動手段によってディスプレイを表示面に対して垂直方向の成分を含む運動をするように動作させ、駆動手段によるディスプレイの動作と同期させて表示面に表示される映像を変化させることにより、その映像を対称面の上面側の空間に立体映像（以下、「立体空中映像」と称する場合がある）として結像させるものである。
【０００６】
このような体積走査型３次元空中映像ディスプレイ装置であれば、被投影物を対称面を境にして面対称位置に歪みのない実像として結像する実鏡映像結像光学系を利用して、その対称面の一方側の空間において３次元空間を埋めるような立体運動をするディスプレイ、換言すれば体積走査型立体ディスプレイに表示される映像の実像を、他方側の空間に歪みのない空中立体像として表示して観察できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００７／１１６６３９号
【特許文献２】特開２００９−０２５７７６号公報
【特許文献３】特開２００８−１５８１１４号公報
【特許文献４】特開２００９−０７５４８３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】“Volumetric display system based onthree-dimensional scanning of inclined optical image”、Ｄａｉｓｕｋｅ Ｍｉｙａｚａｋｉ et al,、Ｏｐｔｉｃ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１４ Ｉｓｓｕｅ ２６、ｐｐ．１２７６０−１２７６９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した体積走査型３次元空中映像ディスプレイ装置は、ディスプレイを表示面に対して垂直方向の成分を含む運動をするように動作させる機械的な駆動手段を必須とするものである。
【００１０】
そこで本発明は、上述した駆動手段を用いることなく、各実鏡映像結像光学系により結像される映像を視差により歪みのない３次元空中映像として表示可能な装置の提供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】
【００１１】
すなわち本発明は、被投影物の実像を、対称面となるある１つの幾何平面に対する面対称位置に結像可能な実鏡映像結像光学系を少なくとも２つ並べて配置するとともに、各結像光学系に対応してそれぞれに被投影物を配置した３次元空中映像表示装置である。ここで、実鏡映像結像光学系は、対称面を境にして被投影物を面対称位置に歪みのない実像として結像するものであり、上述した２面コーナーリフレクタアレイによって構成したもの、又はハーフミラーとレトロリフレクタアレイとを用いて構成したもの、或いはマイクロレンズアレイ（アフォーカルレンズアレイを含む）によって構成したものが適切であるが、その他のレンズや反射鏡等の光学機器を用いて構成した光学系であってもよい。また、被投影物については、例えば画面に表示された映像（２次元）が好ましく、各被投影物がそれぞれ実鏡映像結像光学系に対して向きを含めて同じ映像である場合は、各実鏡映像結像光学系により結像した実像は全て等しくなる。なお、被投影物が物体（３次元）であってもよい。
【００１２】
そして、本発明に係る３次元空中映像表示装置は、相対的に左側に配置した実鏡映像結像光学系を右目用の実鏡映像結像光学系として機能させるとともに、相対的に右側に配置した実鏡映像結像光学系を左目用の実鏡映像結像光学系として機能させ、右目用結像光学系によって結像される対応する被投影物の実鏡映像と、左目用結像光学系によって結像される対応する被投影物の実鏡映像とを同じ位置で重ね合わせて表示させることを特徴としている。
【００１３】
このような視差式３次元空中映像表示装置によれば、各実鏡映像結像光学系を利用してそれぞれの対称面の一方側の空間に、各結像光学系に対応して配置した被投影物の実像を、他方側の空間に歪みのない像として重なり合うように表示するため、右目による像と左目による像との視差を利用して立体像を観察することができる。しかも、上述した機械的な駆動手段を利用する態様と比較して、構造の簡素化を図ることもできる。さらに、本発明の３次元空中映像表示装置であれば、被投影物として立体物や立体映像（体積走査方式で立体的に見せた映像を含む）を用いなくても平面上に描かれた図形（絵、文字含む）や、平面ディスプレイに表した映像を適用することができる。また、本発明の３次元空中映像表示装置では、実鏡映像結像光学系の周辺には被投影物以外の物品を配置する必要がないため、被投影物の配置箇所が大幅に制約されることがなく、被投影物の配置自由度が高まる。
【００１４】
特に、本発明の視差式３次元空中映像表示装置において、３つ以上の実鏡映像結像光学系を並べて配置すれば、これら３つ以上の結像光学系に対応して配置した同一の被投影物の実像が３つ以上重なり合うように表示することができ、複数の視点から立体空中映像を観察することができる。つまり、ある視点で右目用結像光学系として機能する実鏡映像結像光学系が、異なる視点では左目用結像光学系として機能する。
【００１５】
同様の原理に基づき、複数の実鏡映像光学系を環状に並べて配置した視差式３次元空中映像表示装置であれば、全周囲から立体空中映像を観察することができ、汎用性に富むものになる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、被投影物の実像をある１つの幾何平面（対称面）に対する面対称位置に結像する実鏡映像結像光学系を複数並べて配置するという簡易な構成で、相対的に右側に配置した実鏡映像光学系で結像する実像を左目で見るとともに、相対的に左側に配置した実鏡映像光学系で結像する実像を右目で見ることで、両眼視差により、対称面の反対側の空間に歪みのない立体空中映像として結像させて観察することができるという、新しい立体空中映像の表示方法、観察方法を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る視差式立体空中映像表示装置を概略的に示す図。
【図２】同実施形態に適用される実鏡映像結像光学系である２面コーナーリフレクタアレイを模式的に示す平面図。
【図３】図２のＡ領域を拡大して模式的に示す斜視図。
【図４】同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図。
【図５】同実施形態の一変形例に係る視差式立体空中映像表示装置を概略的に示す図。
【図６】同実施形態のさらに異なる一変形例に係る視差式立体空中映像表示装置を概略的に示す図。
【図７】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の他の例を図３に対応して示す概略的な斜視図。
【図８】本発明の第２実施形態に係る視差式立体空中映像表示装置を概略的に示す側面図。
【図９】同実施形態に適用される実鏡映像結像光学系であ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１０】同レトロリフレクタアレイによる光線の反射の様子を模式的に示す図。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る視差式立体空中映像表示装置を概略的に示す図。
【図１２】同実施形態に適用される実鏡映像結像光学系であるマイクロレンズアレイ（アフォーカルレンズアレイ）の構成及び結像様式を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１９】
＜第１実施形態＞ まず、本発明の第１実施形態を図１〜図７を参照して説明する。本実施形態に係る視差式立体空中映像表示装置（以下、「３次元空中映像表示装置」と称する）Ｘ１は、図１に示すように、実鏡映像結像光学系の１種として、多数の２面コーナーリフレクタ１を形成した複数（図示例では２つ）の実鏡映像結像素子（以下、「２面コーナーリフレクタアレイ」と称し、図中、符号２Ａ１，２Ａ２で表す）と、各実鏡映像結像素子２Ａ１，２Ａ２の素子平面Ｓ１，Ｓ２ごとに対応して配置される被投影物Ｏ１，Ｏ２とを備えるものである。
【００２０】
各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２は、それぞれにおける全２面コーナーリフレクタ１を各々構成する２つの鏡面１１，１２に対してほぼ垂直な平面を素子平面Ｓ１，Ｓ２としている。そして、これら各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２においては、各素子平面Ｓ１，Ｓ２を対称面として、面対称位置に被投影物Ｏ１，Ｏ２の実鏡映像Ｐ１，Ｐ２が結像する。本実施形態では、平面視二等辺三角形状ないし平面視略二等辺三角形状をなす２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を適用しており、これら各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を平面視略扇状となるように並べて配置（図示例では２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２における２つの等辺のうち一方の等辺（長辺）同士を接合して配置）している。また、本実施形態では、これら２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を平面的（同一平板上）に並べている。したがって、これら２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の素子面は同一平面上に設定される。
【００２１】
そして、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２に対応させてそれぞれ独立の被投影物Ｏ１，Ｏ２を素子平面Ｓ１，Ｓ２の一方側（図示例では下方）に配置することによって、素子平面Ｓ１の他方側（図示例では上方）には２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１を通じて被投影物Ｏ１の実鏡映像Ｐ１が結像するとともに、素子平面Ｓ２の他方側（図示例では上方）には２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２を通じて被投影物Ｏ２の実鏡映像Ｐ２が結像する。そして、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１に対する被投影物Ｏ１の相対位置及び相対角度と、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２に対する被投影物Ｏ２の相対位置及び相対角度とを同一に設定することにより、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１を通じて観察できる被投影物Ｏ１の実鏡映像Ｐ１と、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２を通じて観察できる被投影物Ｏ２の実鏡映像Ｐ２とが空間的に重なり合うように実像として結像させることができる。ここで、観察者Ｗから見て相対的に向かって左側に配置した実鏡映像結像光学系である２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１が本発明の右目用結像光学系として機能し、相対的に向かって右側に配置した実鏡映像結像光学系である２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２が本発明の左目用結像光学系として機能する。その結果、空中で重なり合う実鏡映像Ｐ１，Ｐ２を両目で観察した場合、視差によって空中に浮かぶ立体映像が観察できる。なお、両眼視差を与えるためには、例えば観察距離が３０ｃｍであれば、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の中心角（２つの等辺の挟む角度）は１１度以下に設定すればよい。ちなみに本実施形態では、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の中心角を１０度に設定している。
【００２２】
以下、各部の具体的構成及び結像様式について説明する。なお、以降の説明では、２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２及び素子平面Ｓ１，Ｓ２を総称する場合は、符号２Ａ及びＳを用いるものとする。
【００２３】
各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａは、図２及び図３（図３は図２のＡ領域拡大図である）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の内壁面のうち直交する２つにそれぞれ鏡面１１，１２を形成したものである。基盤２１は、厚み寸法が例えば５０〜２００μｍ、本実施形態では１００μｍの薄板状をなす平面視二等辺三角形状のものを適用しているが、図２及び図３では、説明の便宜上、平面視正方形状のものを示している。なお。基盤２１の厚さや平面形状、平面寸法は適宜設定することができる。
【００２４】
そして、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａは、２つの鏡面１１，１２に対してほぼ垂直な平面を素子平面Ｓとするものであり、この素子平面Ｓを対称面として、面対称位置に被投影物の実鏡映像が結像する。本実施形態において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字形状で模式的に表してある。また、図３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に平面視ほぼ矩形状（具体的に本実施形態では正方形状）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。本実施形態では、２面コーナーリフレクタ１の向きを全て２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの中心方向（相等しい二辺の交点）に設定している。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。
【００２５】
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、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を平面視二等辺三角形状の基盤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。
【００２６】
なお、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。
【００２７】
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３中に想像線で示す）は、基盤２１の一方側にある被投影物の実像を他方側の面対称位置に鏡像（実鏡映像）として結像させる対称面となる。
【００２８】
ここで、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａによる結像様式について、被投影物として点光源ｏから発せられた光の経路とともに簡単に説明する。図４（ａ）に平面的な模式図で、同図（ｂ）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（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（同図では省略）に形成した穴２２（同図では省略）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）で反射した後に素子平面Ｓを透過し（透過光の光線を破線で示す）、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの素子平面Ｓ（図４（ｂ）参照）に対して点光源ｏの面対称位置（同図では、ｏの位置）を広がりながら通過する。すなわち、結局は点光源ｏの素子平面Ｓに対する面対称位置に透過光が集まり、実鏡映像ｐとして結像することになる。
【００２９】
本実施形態では、図１に示すように、このような２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の下方側に配置される被投影物Ｏ１，Ｏ２として、それぞれ２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の下方側に配置される各ディスプレイ３１，３２の表示領域（表示面）３ａ１，３ａ２に表示させた映像を適用している。すなわち、ディスプレイ３１，３２の表示面３ａ１，３ａ２に表示される映像Ｏ１，Ｏ２が、本実施形態においては２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２による鏡映像の実像（実鏡映像）Ｐ１，Ｐ２として立体空中映像を結像させる元となる被投影物である。
【００３０】
各ディスプレイ３１，３２は、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａと同一ないし略同一の平面形状をなすものである。ディスプレイ３１，３２の表面（上面）側に形成される表示面３ａ１，３ａ２は曲面であってもよいが、ほぼ平面であれば適宜の公知の形態のディスプレイを適宜使用することができる。そして、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１に対する被投影物Ｏ１の相対位置及び相対角度と、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２に対する被投影物Ｏ２の相対位置及び相対角度とが同一になるように、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１に対するディスプレイ３１の相対位置及び相対角度と、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２に対するディスプレイ３２の相対位置及び相対角度とを同一に設定している。これにより、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１を通じて観察できる被投影物Ｏ１の実鏡映像Ｐ１と、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２を通じて観察できる被投影物Ｏ２の実鏡映像Ｐ２とが空間的に重なり合うように実像として結像させることができる。
【００３１】
本実施形態では、図１に示すように、表示面３ａ１，３ａ２が平面形状をなすディスプレイ３１，３２を採用し、その表示面３ａ１，３ａ２が２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの下面側の空間において素子平面Ｓ１，Ｓ２に対して任意の角度、例えば９０度（垂直）となるように配置している。また、本実施形態では、各ディスプレイ３１，３２を、中心部（各ディスプレイ３１，３２における相等しい二辺の交点）が２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの中心部（相等しい二辺の交点）に接した状態で配置している。なお、ディスプレイ３１，３２の配置姿勢は必ずしもこの限りとする必要はなく、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の上面側のある視点から見た場合に、表示面３ａ１，３ａ２に表示される映像Ｏ１，Ｏ２の実像（実鏡映像Ｐ１，Ｐ２）が見えるような姿勢であれば、適宜に設定することができる。
【００３２】
次に、本実施形態に係る視差式３次元空中映像表示装置Ｘ１の作用について説明する。２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２のうち観察者Ｗから見て相対的に左側に配置した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１を通じて、表示面３ａ１の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１の素子平面Ｓ１に対する面対称位置には、表示面３ａ１に表示された映像Ｏ１の実鏡映像Ｐ１として、映像Ｏ１と同一図形の像が結像する。また、観察者Ｗから見て相対的に右側に配置した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２を通じて、表示面３ａ２の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２の素子平面Ｓ２に対する面対称位置には、表示面３ａ２に表示された映像Ｏ２の実鏡映像Ｐ２として、映像Ｏ２と同一図形の像が結像する。そして、これら実鏡映像Ｐ１，Ｐ２は空間的に重なり合う位置（本実施形態では２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の中心部における上方空間）に結像し、観察者Ｗが右目で２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１を通じて結像される実鏡映像Ｐ１を見るとともに、左目で２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２を通じて結像される実鏡映像Ｐ２を見ると、両眼視差により立体空中映像を観察することができる。
【００３３】
このように、本実施形態の３次元空中映像表示装置Ｘ１によれば、ディスプレイ３１，３２の表示面３ａ１，３ａ２に表示される各映像Ｏ１，Ｏ２をそれぞれ２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を通じてそれぞれの素子平面Ｓ１、Ｓ２に対する面対称位置に歪みのない実像Ｐ１，Ｐ２を視差方式により３次元空中映像として表示させることができ、何もない空中に浮遊して上下の視点移動に対しても映像位置が動かない立体空中映像という新しい立体映像の提示様式を提供することが可能である。
【００３４】
しかも、本実施形態に係る立体空中映像表示装置Ｘ１は、視差による立体画像が表示可能であり、実鏡映像Ｐ１，Ｐ２の位置が立体画像の提示位置と一致することにより、少数の視差画像しかなくても輻輳と焦点の不一致を解消することができる。
【００３５】
また、本実施形態の視差式立体空中映像表示装置Ｘ１は、１つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを通じて結像される実像を片眼で観察するものとして捉え、上述した実施形態のように２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を並べて配置した場合、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を通じて結像される各実像Ｐ１，Ｐ２を、視差方式を利用して立体空中映像として表示するものである。したがって、２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を並べて配置した場合には、視点がある方向に制限されてしまうが、上記実施形態で用いた２面コーナーリフレクタアレイ２Ａと同様の構成のものを３つ以上環状ないし部分環状（扇状）に並べて配置し、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａに対応してそれぞれに同一の被投影物を同じ位置及び角度関係で配置した場合には、複数の視点から立体空中映像を観察可能な３次元空中映像表示装置とすることも可能である。つまり、所定の視点から観察可能な立体空中映像を表示する２つの２面コーナーリフレクタアレイのうち右目用結像光学系として機能する２面コーナーリフレクタアレイは、異なる視点から観察可能な立体空中映像を表示する２つの２面コーナーリフレクタアレイのうち左目用結像光学系として機能する場合がある。すなわち、本実施形態の立体空中映像表示装置では、複数並べた２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの枚数から１を引いた数が、両眼視差を利用して３次元空中映像を観察可能な視点の数になり、複数の視点から同一形状の立体空中映像を同時に観察することが可能となり、立体空中映像の多視点化を容易に実現することができる。
【００３６】
また、環状ないし部分環状（扇状）に並べた複数の２面コーナーリフレクタアレイをそれぞれ中心部（相等しい２辺の交点）側を反中心部側よりも凹ませた姿勢で配置したり、反中心部側を中心部（相等しい２辺の交点）側よりも凹ませた姿勢で配置することも可能である。これらの場合、隣り合う各２面コーナーリフレクタアレイの素子平面（対象面）は同一平面上に形成されないが、各２面コーナーリフレクタを通じて結像する被投影物の実鏡映像が空中で重なり合うように設定すれば、視差により空中立体映像を観察することができる。
【００３７】
さらに、図５に示すように、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａのうち被投影物Ｏを配置する側（図示例では下方側）に素子平面Ｓと直交する姿勢で鏡Ｍを配置し、この鏡Ｍに対して所定角度でディスプレイ３’を配置した立体空中実鏡映像表示装置Ｘ２を構成することもできる。なお、図５では、説明の便宜上、１つの２面コーナーリフレクタ２Ａに対する鏡Ｍ及び被投影物Ｏ（ディスプレイ３’）の配置態様を示しているが、図１に倣って２つ以上の２面コーナーリフレクタ２Ａを並べ、各２面コーナーリフレクタ２Ａに対応してそれぞれ鏡Ｍ及び被投影物Ｏ（ディスプレイ３’）を配置することによって立体空中実鏡映像表示装置Ｘ２を構成している。また、２面コーナーリフレクタ２Ａ自体は上述した実施形態における２面コーナーリフレクタ２Ａと同様のものである。
【００３８】
具体的には、図５に示すように、鏡Ｍを境界にして外側（反中心部側）にディスプレイ３’を任意の角度で配置すると、ディスプレイ３’に表示される映像（図示例ではディスプレイ３’の表示面３ａ’に表示させた被投影物Ｏ）の虚像Ｖが鏡Ｍに対する面対象位置（中心部側）に表示され、この虚像Ｖが鏡Ｍ及び２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを通じて、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの素子平面Ｓに対する面対象位置に実像（実鏡映像）Ｐとして表示される。したがって、２つ以上並べて配置した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを通じて、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの上方側における虚像Ｖの素子平面Ｓに対する面対称位置に、各ディスプレイ３’に表示された映像Ｏの実鏡映像Ｐ’として、映像Ｏと同一図形の像がそれぞれ結像する。そして、これら各実鏡映像Ｐは空間的に重なり合う位置に結像し、観察者Ｗは両眼視差により立体空中映像として観察することができる。
【００３９】
このような立体空中実鏡映像表示装置Ｘ２であっても、上述した視差方式により、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの上方側に空中立体映像を表示することができる。このような態様であれば、ディスプレイ３’（被投影物Ｏ）として、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの平面形状よりも大きい平面形状のものを適用することが可能になるとともに、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの中心部側にディスプレイ３’を配置する必要がないため、中心部側の下方に広いフリースペースを確保することができる。
【００４０】
また、図６に示す立体空中実鏡映像表示装置Ｘ３においては、３つ以上の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを環状又は部分環状（図示例では環状）に並べて配置するとともに、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａに対応させてそれぞれ鏡Ｍ及びディスプレイ３’を配置した場合には、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの上方に複数の視点毎に観察可能な実像Ｐが結像し、観察者は両眼視差により立体空中映像として観察することができる。なお、図６では、ディスプレイ３’の表示面全体に表示させた四角形状の映像Ｏを２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの上方側に実鏡映像Ｐとして結像させた場合を模式的に示し、実鏡映像Ｐを被投影物（映像Ｏ）よりも意図的に大きく示している。
【００４１】
また、上述した各実施形態において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。より具体的には、例えば、上述した実施形態では、図２、図３で示したように、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ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７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筒状体２３のそれぞれに２面コーナーリフレクタ１’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２Ａ’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立体空中映像を結像させることができる。
【００４２】
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。
【００４３】
その他、２面コーナーリフレクタを構成する２つの鏡面要素は、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光学系又は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に限られるものではなく、種々変更が可能である。
【００４４】
＜第２実施形態＞ 次に、本発明の第２実施形態について図８〜図１０を参照して説明する。本実施形態に係る３次元空中映像表示装置Ｘ４は、上記第１実施形態における実鏡映像結像光学系を２面コーナーリフレクタアレイ２Ａから、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に換えた構成を有するものである。図８では、説明の便宜上、１つの実鏡映像結像光学系２Ｂ、及びこの実鏡映像結像光学系２Ｂに対する被投影物Ｏ（ディスプレイ３）の配置態様を示しているが、図１に倣って２つ以上の実鏡映像結像光学系２Ｂを並べて配置するとともに、各の実鏡映像結像光学系２Ｂに対応してそれぞれ被投影物Ｏ（ディスプレイ３）を配置することによって立体空中実鏡映像表示装置Ｘ４を構成している。ディスプレイ３は第１実施形態のものに準じる構成であるが、平面形状は三角形状又は四角形状或いはその他の形状であっても構わない。
【００４５】
本実施形態で適用される実鏡映像結像光学系２Ｂは、図８に示すように、ハーフミラー５のハーフミラー面５１を対称面として、ハーフミラー面５１の下面側の空間に配置したディスプレイ３の表示面３１に表示される映像Ｏをハーフミラー面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、映像Ｏの経時的な集合の対称面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Ｐを結像させるものである。ここで「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。このような再帰反射作用を奏する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６である。
【００４６】
レトロリフレクタアレイ６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、その形状も図８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。例えば、図９（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つの同形同大の直角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。また、同図（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る。図１０（ａ）（ｂ）に、図９（ａ）（ｂ）にそれぞれ示したレトロリフレクタアレイ６を例にして説明すると、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。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。図８の例では、部分球面形状のレトロリフレクタアレイ６をディスプレイ３の外側に配置したが、表示面３１の映像Ｏから発してハーフミラー５で反射した光を再帰反射することができるのであれば、レトロリフレクタアレイ６の形状及び配置位置は適宜に設定することができる。
【００４８】
一方、ハーフミラー５は、例えば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の実上面には、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。具体的にはこの光学フィルム５２により、映像Ｏがハーフミラー５を直接透過した光が所定の視点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を通じて所定の視点以外からディスプレイ３の表示面３の映像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６を透過する方向の光線のみを透過させることで、映像Ｏの実像Ｐのみを特定の視点から観察できるようにしている。
【００４９】
このようなハーフミラー５及びレトロリフレクタアレイ６で構成した実鏡映像結像光学系２Ｂを第１実施形態の場合と同様に少なくとも２つ並べて配置するとともに、実鏡映像結像光学系２Ｂに対応してそれぞれに同一の被投影物Ｏを同じ位置及び角度関係で配置した３次元空中映像表示装置Ｘ４では、相対的に左側に配置した実鏡映像結像光学系２Ｂである右目用結像光学系によって結像される対応する被投影物の実鏡映像と、相対的に右側に配置した実鏡映像結像光学系２Ｂである左目用結像光学系によって結像される対応する被投影の実鏡映像とを同じ位置で重ね合わせて表示させることができ、視差により立体空中映像をハーフミラー５の上面側の空間に結像させて観察することが可能である。
【００５０】
＜第３実施形態＞ 次に、本発明の第３実施形態を、図１１、図１２を参照して説明する。本実施形態に係る３次元空中映像表示装置Ｘ５は、実鏡映像結像光学系としてマイクロレンズアレイ２Ｃ（図１１に示すマイクロレンズアレイ２Ｃ１，２Ｃ２を総称して２Ｃとする）を適用したものであり、ディスプレイ３（図１１に示すディスプレイ３１、３２を総称して３とする）は第１実施形態のものに準じる構成であり、任意の平面形状をなす。なお、図１１には平面視略矩形状のディスプレイ３を示している。本実施形態ではこのディスプレイ３をマイクロレンズアレイ２Ｃと対向する位置（図１１では、ディスプレイ３１の表示面３ａ１とマイクロレンズアレイ２Ｃ１の素子平面Ｓ３とが平行になる位置、ディスプレイ３２の表示面３ａ２とマイクロレンズアレイ２Ｃ２の素子平面Ｓ４とが平行になる位置）に配置している。
【００５１】
マイクロレンズアレイ２Ｃは、図１２に示すように、多数のマイクロレンズ７を１つの素子平面Ｓ（図１１に示す素子平面Ｓ３，Ｓ４を総称してＳとする）上に並べて構成される。マイクロレンズ７は無焦点型または焦点側の何れであってもよい。なお、無焦点側のマイクロレンズはアフォーカルレンズと称される。具体的にマイクロレンズ７は、素子平面Ｓに垂直な光軸ｇを共有し且つ互いの焦点距離ｆｓ，ｆｅを隔てた２つのレンズ７１、７２から構成される。この例では、レンズ７１、７２として共に凸レンズを適用している。これにより、素子平面Ｓの一方側からレンズ７１…に入射した光は、それぞれ対をなす他方側のレンズ７２…から出射して、光源とは素子平面Ｓに対して面対称となる位置に集光する。すなわち、図１１において光源となるディスプレイ３１，３２の表示面３ａ１，３ａ２に表示される映像Ｏ１，Ｏ２は、素子平面Ｓ３，Ｓ４に対する面対称位置に結像する。なお、マイクロレンズアレイ２Ｃを用いて被投影物を素子平面Ｓに対する面対称位置に実像として結像させる場合、視野角は素子平面Ｓに対して垂直に近い方向に制限される。
【００５２】
そして、第１実施形態と同様に、このような実鏡映像結像光学系２Ｃを少なくとも２つ（図示例では２つ）並べて配置するとともに、各実鏡映像結像光学系２Ｃ１，２Ｃ２に対応してそれぞれに同一の被投影物Ｏ１，Ｏ２を同じ位置及び角度関係で配置した３次元空中映像表示装置Ｘ５を構成することにより、相対的に左側に配置した実鏡映像結像光学系２Ｃ１である右目用結像光学系によって結像される対応する被投影物Ｏ１の実鏡映像Ｐ１と、相対的に右側に配置した実鏡映像結像光学系２Ｃ２である左目用結像光学系によって結像される対応する被投影Ｏ２の実鏡映像Ｐ２とを同じ位置で重ね合わせて表示させることができ、視差により立体空中映像を実鏡映像結像光学系２Ｃ１，２Ｃ２の上面側の空間に結像させて観察することが可能である。
【００５３】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。上述した各例では、被投影物としてディスプレイに表示させた映像を用いたが、物体（３次元）そのものを被投影物として適用することもできる。ただし、観察される実像の奥行きは被投影物の奥行きとは反転したものとなる。また、被投影物としてディスプレイに表示される映像を適用する場合には、ディスプレイとして、画面に映像を表示する一般的な意味でのディスプレイだけでなく、プロジェクタ等で投射された映像を映すスクリーンを採用することもできる。また、ディスプレイの表示面は平面だけでなく曲面であってもよい。
【００５４】
また、実鏡映像結像光学系を２面コーナーリフレクタアレイで構成する場合には、各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。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。また、光が２面コーナーリフレクタアレイの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面コーナーリフレクタにおいて直交する２つの鏡面同士が離れている態様であってもよい。
【００５５】
さらに、本発明において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を適用する場合、上述した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。
【００５６】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態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。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、ディスプレイに表示される映像を、視差により空中に浮かぶ３次元映像として表示させる表示装置として利用することが可能である。
【符号の説明】
【００５８】
Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４，Ｘ５…視差式立体空中映像表示装置
Ｓ（Ｓ１，Ｓ２），Ｓ３，Ｓ４…対称面（素子平面）
Ｏ（Ｏ１，Ｏ２）…被投影物
Ｐ（Ｐ１，Ｐ２）…実鏡映像
２Ａ（２Ａ１，２Ａ２），２Ａ’，２Ｂ，２Ｃ（２Ｃ１，２Ｃ２）…実鏡映像結像光学系
【技術分野】
【０００１】
本発明は、視差を利用して歪みのない立体空中映像を見ることができるようにした表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、立体映像を閲覧可能とする技術が開発されてきている。例えば、結像光学系として凸レンズや凹面鏡を利用するものとして、高速表示が可能な２次元ディスプレイを光学系の光軸に対して傾けて配置し、ミラースキャナにより光軸に対して傾いた２次元像を移動させ、それにあわせて２次元ディスプレイに表示物体の断面像を表示させることにより、３次元像を形成する、という体積走査法による３次元像の立体表示方法が提案されている（非特許文献１参照）。この方法によれば、３次元実像が形成されているので、眼鏡などの装着物は不要であり、人の立体視知覚要因を全て満たすことができる、とされている。
【０００３】
しかしながら、非特許文献１に開示されているような立体表示方法では、光学系として凸レンズや凹面鏡を用いていることから、その収差のために形状に歪みが生じ、定位を完全に安定させることは困難である。
【０００４】
一方、本発明者は、等倍結像光学系として、２つの鏡面から構成される２面コーナーリフレクタを多数備えた光学素子である実鏡映像結像素子（以下、必要に応じて「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）を提案してきている。また、焦点距離が無限大であるアフォーカル光学系を備えたアフォーカルレンズアレイを用い、アフォーカルレンズ素子の素子面を対称面として反対側の空間に被投影物の像を結像させる機能を実現した実鏡映像結像光学系も提案されている（特許文献３参照）。これらの実鏡映像結像光学系は、被投影物をその光学系に設定される対称面（２面コーナーリフレクタアレイの素子面、ハーフミラー面、アフォーカルレンズアレイの素子面）に対する面対称位置に等倍の実像として歪みなく結像させるものであり、被投影物が２次元であれば２次元の実像を、被投影物が３次元であれば３次元の実像を観察することができるものである。
【０００５】
そして、本発明者は、上述した各実鏡映像結像光学系を応用した歪みのない３次元空中映像表示装置を提供すべく、体積走査法による３次元空中映像ディスプレイ装置を案出している（特許文献４参照）。この３次元空中映像ディスプレイ装置は、被投影物として映像を表示する表示面を備えたディスプレイを実鏡映像結像光学系の対称面の下面側に配置して、駆動手段によってディスプレイを表示面に対して垂直方向の成分を含む運動をするように動作させ、駆動手段によるディスプレイの動作と同期させて表示面に表示される映像を変化させることにより、その映像を対称面の上面側の空間に立体映像（以下、「立体空中映像」と称する場合がある）として結像させるものである。
【０００６】
このような体積走査型３次元空中映像ディスプレイ装置であれば、被投影物を対称面を境にして面対称位置に歪みのない実像として結像する実鏡映像結像光学系を利用して、その対称面の一方側の空間において３次元空間を埋めるような立体運動をするディスプレイ、換言すれば体積走査型立体ディスプレイに表示される映像の実像を、他方側の空間に歪みのない空中立体像として表示して観察できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２００７／１１６６３９号
【特許文献２】特開２００９−０２５７７６号公報
【特許文献３】特開２００８−１５８１１４号公報
【特許文献４】特開２００９−０７５４８３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】“Volumetric display system based onthree-dimensional scanning of inclined optical image”、Ｄａｉｓｕｋｅ Ｍｉｙａｚａｋｉ et al,、Ｏｐｔｉｃ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１４ Ｉｓｓｕｅ ２６、ｐｐ．１２７６０−１２７６９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した体積走査型３次元空中映像ディスプレイ装置は、ディスプレイを表示面に対して垂直方向の成分を含む運動をするように動作させる機械的な駆動手段を必須とするものである。
【００１０】
そこで本発明は、上述した駆動手段を用いることなく、各実鏡映像結像光学系により結像される映像を視差により歪みのない３次元空中映像として表示可能な装置の提供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】
【００１１】
すなわち本発明は、被投影物の実像を、対称面となるある１つの幾何平面に対する面対称位置に結像可能な実鏡映像結像光学系を少なくとも２つ並べて配置するとともに、各結像光学系に対応してそれぞれに被投影物を配置した３次元空中映像表示装置である。ここで、実鏡映像結像光学系は、対称面を境にして被投影物を面対称位置に歪みのない実像として結像するものであり、上述した２面コーナーリフレクタアレイによって構成したもの、又はハーフミラーとレトロリフレクタアレイとを用いて構成したもの、或いはマイクロレンズアレイ（アフォーカルレンズアレイを含む）によって構成したものが適切であるが、その他のレンズや反射鏡等の光学機器を用いて構成した光学系であってもよい。また、被投影物については、例えば画面に表示された映像（２次元）が好ましく、各被投影物がそれぞれ実鏡映像結像光学系に対して向きを含めて同じ映像である場合は、各実鏡映像結像光学系により結像した実像は全て等しくなる。なお、被投影物が物体（３次元）であってもよい。
【００１２】
そして、本発明に係る３次元空中映像表示装置は、相対的に左側に配置した実鏡映像結像光学系を右目用の実鏡映像結像光学系として機能させるとともに、相対的に右側に配置した実鏡映像結像光学系を左目用の実鏡映像結像光学系として機能させ、右目用結像光学系によって結像される対応する被投影物の実鏡映像と、左目用結像光学系によって結像される対応する被投影物の実鏡映像とを同じ位置で重ね合わせて表示させることを特徴としている。
【００１３】
このような視差式３次元空中映像表示装置によれば、各実鏡映像結像光学系を利用してそれぞれの対称面の一方側の空間に、各結像光学系に対応して配置した被投影物の実像を、他方側の空間に歪みのない像として重なり合うように表示するため、右目による像と左目による像との視差を利用して立体像を観察することができる。しかも、上述した機械的な駆動手段を利用する態様と比較して、構造の簡素化を図ることもできる。さらに、本発明の３次元空中映像表示装置であれば、被投影物として立体物や立体映像（体積走査方式で立体的に見せた映像を含む）を用いなくても平面上に描かれた図形（絵、文字含む）や、平面ディスプレイに表した映像を適用することができる。また、本発明の３次元空中映像表示装置では、実鏡映像結像光学系の周辺には被投影物以外の物品を配置する必要がないため、被投影物の配置箇所が大幅に制約されることがなく、被投影物の配置自由度が高まる。
【００１４】
特に、本発明の視差式３次元空中映像表示装置において、３つ以上の実鏡映像結像光学系を並べて配置すれば、これら３つ以上の結像光学系に対応して配置した同一の被投影物の実像が３つ以上重なり合うように表示することができ、複数の視点から立体空中映像を観察することができる。つまり、ある視点で右目用結像光学系として機能する実鏡映像結像光学系が、異なる視点では左目用結像光学系として機能する。
【００１５】
同様の原理に基づき、複数の実鏡映像光学系を環状に並べて配置した視差式３次元空中映像表示装置であれば、全周囲から立体空中映像を観察することができ、汎用性に富むものになる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、被投影物の実像をある１つの幾何平面（対称面）に対する面対称位置に結像する実鏡映像結像光学系を複数並べて配置するという簡易な構成で、相対的に右側に配置した実鏡映像光学系で結像する実像を左目で見るとともに、相対的に左側に配置した実鏡映像光学系で結像する実像を右目で見ることで、両眼視差により、対称面の反対側の空間に歪みのない立体空中映像として結像させて観察することができるという、新しい立体空中映像の表示方法、観察方法を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る視差式立体空中映像表示装置を概略的に示す図。
【図２】同実施形態に適用される実鏡映像結像光学系である２面コーナーリフレクタアレイを模式的に示す平面図。
【図３】図２のＡ領域を拡大して模式的に示す斜視図。
【図４】同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図。
【図５】同実施形態の一変形例に係る視差式立体空中映像表示装置を概略的に示す図。
【図６】同実施形態のさらに異なる一変形例に係る視差式立体空中映像表示装置を概略的に示す図。
【図７】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の他の例を図３に対応して示す概略的な斜視図。
【図８】本発明の第２実施形態に係る視差式立体空中映像表示装置を概略的に示す側面図。
【図９】同実施形態に適用される実鏡映像結像光学系であ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１０】同レトロリフレクタアレイによる光線の反射の様子を模式的に示す図。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る視差式立体空中映像表示装置を概略的に示す図。
【図１２】同実施形態に適用される実鏡映像結像光学系であるマイクロレンズアレイ（アフォーカルレンズアレイ）の構成及び結像様式を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１９】
＜第１実施形態＞ まず、本発明の第１実施形態を図１〜図７を参照して説明する。本実施形態に係る視差式立体空中映像表示装置（以下、「３次元空中映像表示装置」と称する）Ｘ１は、図１に示すように、実鏡映像結像光学系の１種として、多数の２面コーナーリフレクタ１を形成した複数（図示例では２つ）の実鏡映像結像素子（以下、「２面コーナーリフレクタアレイ」と称し、図中、符号２Ａ１，２Ａ２で表す）と、各実鏡映像結像素子２Ａ１，２Ａ２の素子平面Ｓ１，Ｓ２ごとに対応して配置される被投影物Ｏ１，Ｏ２とを備えるものである。
【００２０】
各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２は、それぞれにおける全２面コーナーリフレクタ１を各々構成する２つの鏡面１１，１２に対してほぼ垂直な平面を素子平面Ｓ１，Ｓ２としている。そして、これら各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２においては、各素子平面Ｓ１，Ｓ２を対称面として、面対称位置に被投影物Ｏ１，Ｏ２の実鏡映像Ｐ１，Ｐ２が結像する。本実施形態では、平面視二等辺三角形状ないし平面視略二等辺三角形状をなす２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を適用しており、これら各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を平面視略扇状となるように並べて配置（図示例では２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２における２つの等辺のうち一方の等辺（長辺）同士を接合して配置）している。また、本実施形態では、これら２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を平面的（同一平板上）に並べている。したがって、これら２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の素子面は同一平面上に設定される。
【００２１】
そして、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２に対応させてそれぞれ独立の被投影物Ｏ１，Ｏ２を素子平面Ｓ１，Ｓ２の一方側（図示例では下方）に配置することによって、素子平面Ｓ１の他方側（図示例では上方）には２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１を通じて被投影物Ｏ１の実鏡映像Ｐ１が結像するとともに、素子平面Ｓ２の他方側（図示例では上方）には２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２を通じて被投影物Ｏ２の実鏡映像Ｐ２が結像する。そして、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１に対する被投影物Ｏ１の相対位置及び相対角度と、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２に対する被投影物Ｏ２の相対位置及び相対角度とを同一に設定することにより、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１を通じて観察できる被投影物Ｏ１の実鏡映像Ｐ１と、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２を通じて観察できる被投影物Ｏ２の実鏡映像Ｐ２とが空間的に重なり合うように実像として結像させることができる。ここで、観察者Ｗから見て相対的に向かって左側に配置した実鏡映像結像光学系である２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１が本発明の右目用結像光学系として機能し、相対的に向かって右側に配置した実鏡映像結像光学系である２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２が本発明の左目用結像光学系として機能する。その結果、空中で重なり合う実鏡映像Ｐ１，Ｐ２を両目で観察した場合、視差によって空中に浮かぶ立体映像が観察できる。なお、両眼視差を与えるためには、例えば観察距離が３０ｃｍであれば、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の中心角（２つの等辺の挟む角度）は１１度以下に設定すればよい。ちなみに本実施形態では、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の中心角を１０度に設定している。
【００２２】
以下、各部の具体的構成及び結像様式について説明する。なお、以降の説明では、２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２及び素子平面Ｓ１，Ｓ２を総称する場合は、符号２Ａ及びＳを用いるものとする。
【００２３】
各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａは、図２及び図３（図３は図２のＡ領域拡大図である）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の内壁面のうち直交する２つにそれぞれ鏡面１１，１２を形成したものである。基盤２１は、厚み寸法が例えば５０〜２００μｍ、本実施形態では１００μｍの薄板状をなす平面視二等辺三角形状のものを適用しているが、図２及び図３では、説明の便宜上、平面視正方形状のものを示している。なお。基盤２１の厚さや平面形状、平面寸法は適宜設定することができる。
【００２４】
そして、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａは、２つの鏡面１１，１２に対してほぼ垂直な平面を素子平面Ｓとするものであり、この素子平面Ｓを対称面として、面対称位置に被投影物の実鏡映像が結像する。本実施形態において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字形状で模式的に表してある。また、図３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に平面視ほぼ矩形状（具体的に本実施形態では正方形状）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。本実施形態では、２面コーナーリフレクタ１の向きを全て２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの中心方向（相等しい二辺の交点）に設定している。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。
【００２５】
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、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を平面視二等辺三角形状の基盤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。
【００２６】
なお、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。
【００２７】
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３中に想像線で示す）は、基盤２１の一方側にある被投影物の実像を他方側の面対称位置に鏡像（実鏡映像）として結像させる対称面となる。
【００２８】
ここで、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａによる結像様式について、被投影物として点光源ｏから発せられた光の経路とともに簡単に説明する。図４（ａ）に平面的な模式図で、同図（ｂ）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（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（同図では省略）に形成した穴２２（同図では省略）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）で反射した後に素子平面Ｓを透過し（透過光の光線を破線で示す）、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの素子平面Ｓ（図４（ｂ）参照）に対して点光源ｏの面対称位置（同図では、ｏの位置）を広がりながら通過する。すなわち、結局は点光源ｏの素子平面Ｓに対する面対称位置に透過光が集まり、実鏡映像ｐとして結像することになる。
【００２９】
本実施形態では、図１に示すように、このような２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の下方側に配置される被投影物Ｏ１，Ｏ２として、それぞれ２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の下方側に配置される各ディスプレイ３１，３２の表示領域（表示面）３ａ１，３ａ２に表示させた映像を適用している。すなわち、ディスプレイ３１，３２の表示面３ａ１，３ａ２に表示される映像Ｏ１，Ｏ２が、本実施形態においては２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２による鏡映像の実像（実鏡映像）Ｐ１，Ｐ２として立体空中映像を結像させる元となる被投影物である。
【００３０】
各ディスプレイ３１，３２は、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａと同一ないし略同一の平面形状をなすものである。ディスプレイ３１，３２の表面（上面）側に形成される表示面３ａ１，３ａ２は曲面であってもよいが、ほぼ平面であれば適宜の公知の形態のディスプレイを適宜使用することができる。そして、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１に対する被投影物Ｏ１の相対位置及び相対角度と、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２に対する被投影物Ｏ２の相対位置及び相対角度とが同一になるように、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１に対するディスプレイ３１の相対位置及び相対角度と、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２に対するディスプレイ３２の相対位置及び相対角度とを同一に設定している。これにより、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１を通じて観察できる被投影物Ｏ１の実鏡映像Ｐ１と、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２を通じて観察できる被投影物Ｏ２の実鏡映像Ｐ２とが空間的に重なり合うように実像として結像させることができる。
【００３１】
本実施形態では、図１に示すように、表示面３ａ１，３ａ２が平面形状をなすディスプレイ３１，３２を採用し、その表示面３ａ１，３ａ２が２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの下面側の空間において素子平面Ｓ１，Ｓ２に対して任意の角度、例えば９０度（垂直）となるように配置している。また、本実施形態では、各ディスプレイ３１，３２を、中心部（各ディスプレイ３１，３２における相等しい二辺の交点）が２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの中心部（相等しい二辺の交点）に接した状態で配置している。なお、ディスプレイ３１，３２の配置姿勢は必ずしもこの限りとする必要はなく、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の上面側のある視点から見た場合に、表示面３ａ１，３ａ２に表示される映像Ｏ１，Ｏ２の実像（実鏡映像Ｐ１，Ｐ２）が見えるような姿勢であれば、適宜に設定することができる。
【００３２】
次に、本実施形態に係る視差式３次元空中映像表示装置Ｘ１の作用について説明する。２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２のうち観察者Ｗから見て相対的に左側に配置した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１を通じて、表示面３ａ１の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１の素子平面Ｓ１に対する面対称位置には、表示面３ａ１に表示された映像Ｏ１の実鏡映像Ｐ１として、映像Ｏ１と同一図形の像が結像する。また、観察者Ｗから見て相対的に右側に配置した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２を通じて、表示面３ａ２の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２の素子平面Ｓ２に対する面対称位置には、表示面３ａ２に表示された映像Ｏ２の実鏡映像Ｐ２として、映像Ｏ２と同一図形の像が結像する。そして、これら実鏡映像Ｐ１，Ｐ２は空間的に重なり合う位置（本実施形態では２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の中心部における上方空間）に結像し、観察者Ｗが右目で２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１を通じて結像される実鏡映像Ｐ１を見るとともに、左目で２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２を通じて結像される実鏡映像Ｐ２を見ると、両眼視差により立体空中映像を観察することができる。
【００３３】
このように、本実施形態の３次元空中映像表示装置Ｘ１によれば、ディスプレイ３１，３２の表示面３ａ１，３ａ２に表示される各映像Ｏ１，Ｏ２をそれぞれ２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を通じてそれぞれの素子平面Ｓ１、Ｓ２に対する面対称位置に歪みのない実像Ｐ１，Ｐ２を視差方式により３次元空中映像として表示させることができ、何もない空中に浮遊して上下の視点移動に対しても映像位置が動かない立体空中映像という新しい立体映像の提示様式を提供することが可能である。
【００３４】
しかも、本実施形態に係る立体空中映像表示装置Ｘ１は、視差による立体画像が表示可能であり、実鏡映像Ｐ１，Ｐ２の位置が立体画像の提示位置と一致することにより、少数の視差画像しかなくても輻輳と焦点の不一致を解消することができる。
【００３５】
また、本実施形態の視差式立体空中映像表示装置Ｘ１は、１つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを通じて結像される実像を片眼で観察するものとして捉え、上述した実施形態のように２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を並べて配置した場合、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を通じて結像される各実像Ｐ１，Ｐ２を、視差方式を利用して立体空中映像として表示するものである。したがって、２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を並べて配置した場合には、視点がある方向に制限されてしまうが、上記実施形態で用いた２面コーナーリフレクタアレイ２Ａと同様の構成のものを３つ以上環状ないし部分環状（扇状）に並べて配置し、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａに対応してそれぞれに同一の被投影物を同じ位置及び角度関係で配置した場合には、複数の視点から立体空中映像を観察可能な３次元空中映像表示装置とすることも可能である。つまり、所定の視点から観察可能な立体空中映像を表示する２つの２面コーナーリフレクタアレイのうち右目用結像光学系として機能する２面コーナーリフレクタアレイは、異なる視点から観察可能な立体空中映像を表示する２つの２面コーナーリフレクタアレイのうち左目用結像光学系として機能する場合がある。すなわち、本実施形態の立体空中映像表示装置では、複数並べた２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの枚数から１を引いた数が、両眼視差を利用して３次元空中映像を観察可能な視点の数になり、複数の視点から同一形状の立体空中映像を同時に観察することが可能となり、立体空中映像の多視点化を容易に実現することができる。
【００３６】
また、環状ないし部分環状（扇状）に並べた複数の２面コーナーリフレクタアレイをそれぞれ中心部（相等しい２辺の交点）側を反中心部側よりも凹ませた姿勢で配置したり、反中心部側を中心部（相等しい２辺の交点）側よりも凹ませた姿勢で配置することも可能である。これらの場合、隣り合う各２面コーナーリフレクタアレイの素子平面（対象面）は同一平面上に形成されないが、各２面コーナーリフレクタを通じて結像する被投影物の実鏡映像が空中で重なり合うように設定すれば、視差により空中立体映像を観察することができる。
【００３７】
さらに、図５に示すように、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａのうち被投影物Ｏを配置する側（図示例では下方側）に素子平面Ｓと直交する姿勢で鏡Ｍを配置し、この鏡Ｍに対して所定角度でディスプレイ３’を配置した立体空中実鏡映像表示装置Ｘ２を構成することもできる。なお、図５では、説明の便宜上、１つの２面コーナーリフレクタ２Ａに対する鏡Ｍ及び被投影物Ｏ（ディスプレイ３’）の配置態様を示しているが、図１に倣って２つ以上の２面コーナーリフレクタ２Ａを並べ、各２面コーナーリフレクタ２Ａに対応してそれぞれ鏡Ｍ及び被投影物Ｏ（ディスプレイ３’）を配置することによって立体空中実鏡映像表示装置Ｘ２を構成している。また、２面コーナーリフレクタ２Ａ自体は上述した実施形態における２面コーナーリフレクタ２Ａと同様のものである。
【００３８】
具体的には、図５に示すように、鏡Ｍを境界にして外側（反中心部側）にディスプレイ３’を任意の角度で配置すると、ディスプレイ３’に表示される映像（図示例ではディスプレイ３’の表示面３ａ’に表示させた被投影物Ｏ）の虚像Ｖが鏡Ｍに対する面対象位置（中心部側）に表示され、この虚像Ｖが鏡Ｍ及び２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを通じて、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの素子平面Ｓに対する面対象位置に実像（実鏡映像）Ｐとして表示される。したがって、２つ以上並べて配置した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを通じて、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの上方側における虚像Ｖの素子平面Ｓに対する面対称位置に、各ディスプレイ３’に表示された映像Ｏの実鏡映像Ｐ’として、映像Ｏと同一図形の像がそれぞれ結像する。そして、これら各実鏡映像Ｐは空間的に重なり合う位置に結像し、観察者Ｗは両眼視差により立体空中映像として観察することができる。
【００３９】
このような立体空中実鏡映像表示装置Ｘ２であっても、上述した視差方式により、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの上方側に空中立体映像を表示することができる。このような態様であれば、ディスプレイ３’（被投影物Ｏ）として、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの平面形状よりも大きい平面形状のものを適用することが可能になるとともに、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの中心部側にディスプレイ３’を配置する必要がないため、中心部側の下方に広いフリースペースを確保することができる。
【００４０】
また、図６に示す立体空中実鏡映像表示装置Ｘ３においては、３つ以上の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを環状又は部分環状（図示例では環状）に並べて配置するとともに、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａに対応させてそれぞれ鏡Ｍ及びディスプレイ３’を配置した場合には、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの上方に複数の視点毎に観察可能な実像Ｐが結像し、観察者は両眼視差により立体空中映像として観察することができる。なお、図６では、ディスプレイ３’の表示面全体に表示させた四角形状の映像Ｏを２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの上方側に実鏡映像Ｐとして結像させた場合を模式的に示し、実鏡映像Ｐを被投影物（映像Ｏ）よりも意図的に大きく示している。
【００４１】
また、上述した各実施形態において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。より具体的には、例えば、上述した実施形態では、図２、図３で示したように、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ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７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筒状体２３のそれぞれに２面コーナーリフレクタ１’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２Ａ’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立体空中映像を結像させることができる。
【００４２】
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。
【００４３】
その他、２面コーナーリフレクタを構成する２つの鏡面要素は、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光学系又は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に限られるものではなく、種々変更が可能である。
【００４４】
＜第２実施形態＞ 次に、本発明の第２実施形態について図８〜図１０を参照して説明する。本実施形態に係る３次元空中映像表示装置Ｘ４は、上記第１実施形態における実鏡映像結像光学系を２面コーナーリフレクタアレイ２Ａから、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に換えた構成を有するものである。図８では、説明の便宜上、１つの実鏡映像結像光学系２Ｂ、及びこの実鏡映像結像光学系２Ｂに対する被投影物Ｏ（ディスプレイ３）の配置態様を示しているが、図１に倣って２つ以上の実鏡映像結像光学系２Ｂを並べて配置するとともに、各の実鏡映像結像光学系２Ｂに対応してそれぞれ被投影物Ｏ（ディスプレイ３）を配置することによって立体空中実鏡映像表示装置Ｘ４を構成している。ディスプレイ３は第１実施形態のものに準じる構成であるが、平面形状は三角形状又は四角形状或いはその他の形状であっても構わない。
【００４５】
本実施形態で適用される実鏡映像結像光学系２Ｂは、図８に示すように、ハーフミラー５のハーフミラー面５１を対称面として、ハーフミラー面５１の下面側の空間に配置したディスプレイ３の表示面３１に表示される映像Ｏをハーフミラー面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、映像Ｏの経時的な集合の対称面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Ｐを結像させるものである。ここで「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。このような再帰反射作用を奏する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６である。
【００４６】
レトロリフレクタアレイ６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、その形状も図８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。例えば、図９（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つの同形同大の直角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。また、同図（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る。図１０（ａ）（ｂ）に、図９（ａ）（ｂ）にそれぞれ示したレトロリフレクタアレイ６を例にして説明すると、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。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。図８の例では、部分球面形状のレトロリフレクタアレイ６をディスプレイ３の外側に配置したが、表示面３１の映像Ｏから発してハーフミラー５で反射した光を再帰反射することができるのであれば、レトロリフレクタアレイ６の形状及び配置位置は適宜に設定することができる。
【００４８】
一方、ハーフミラー５は、例えば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の実上面には、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。具体的にはこの光学フィルム５２により、映像Ｏがハーフミラー５を直接透過した光が所定の視点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を通じて所定の視点以外からディスプレイ３の表示面３の映像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６を透過する方向の光線のみを透過させることで、映像Ｏの実像Ｐのみを特定の視点から観察できるようにしている。
【００４９】
このようなハーフミラー５及びレトロリフレクタアレイ６で構成した実鏡映像結像光学系２Ｂを第１実施形態の場合と同様に少なくとも２つ並べて配置するとともに、実鏡映像結像光学系２Ｂに対応してそれぞれに同一の被投影物Ｏを同じ位置及び角度関係で配置した３次元空中映像表示装置Ｘ４では、相対的に左側に配置した実鏡映像結像光学系２Ｂである右目用結像光学系によって結像される対応する被投影物の実鏡映像と、相対的に右側に配置した実鏡映像結像光学系２Ｂである左目用結像光学系によって結像される対応する被投影の実鏡映像とを同じ位置で重ね合わせて表示させることができ、視差により立体空中映像をハーフミラー５の上面側の空間に結像させて観察することが可能である。
【００５０】
＜第３実施形態＞ 次に、本発明の第３実施形態を、図１１、図１２を参照して説明する。本実施形態に係る３次元空中映像表示装置Ｘ５は、実鏡映像結像光学系としてマイクロレンズアレイ２Ｃ（図１１に示すマイクロレンズアレイ２Ｃ１，２Ｃ２を総称して２Ｃとする）を適用したものであり、ディスプレイ３（図１１に示すディスプレイ３１、３２を総称して３とする）は第１実施形態のものに準じる構成であり、任意の平面形状をなす。なお、図１１には平面視略矩形状のディスプレイ３を示している。本実施形態ではこのディスプレイ３をマイクロレンズアレイ２Ｃと対向する位置（図１１では、ディスプレイ３１の表示面３ａ１とマイクロレンズアレイ２Ｃ１の素子平面Ｓ３とが平行になる位置、ディスプレイ３２の表示面３ａ２とマイクロレンズアレイ２Ｃ２の素子平面Ｓ４とが平行になる位置）に配置している。
【００５１】
マイクロレンズアレイ２Ｃは、図１２に示すように、多数のマイクロレンズ７を１つの素子平面Ｓ（図１１に示す素子平面Ｓ３，Ｓ４を総称してＳとする）上に並べて構成される。マイクロレンズ７は無焦点型または焦点側の何れであってもよい。なお、無焦点側のマイクロレンズはアフォーカルレンズと称される。具体的にマイクロレンズ７は、素子平面Ｓに垂直な光軸ｇを共有し且つ互いの焦点距離ｆｓ，ｆｅを隔てた２つのレンズ７１、７２から構成される。この例では、レンズ７１、７２として共に凸レンズを適用している。これにより、素子平面Ｓの一方側からレンズ７１…に入射した光は、それぞれ対をなす他方側のレンズ７２…から出射して、光源とは素子平面Ｓに対して面対称となる位置に集光する。すなわち、図１１において光源となるディスプレイ３１，３２の表示面３ａ１，３ａ２に表示される映像Ｏ１，Ｏ２は、素子平面Ｓ３，Ｓ４に対する面対称位置に結像する。なお、マイクロレンズアレイ２Ｃを用いて被投影物を素子平面Ｓに対する面対称位置に実像として結像させる場合、視野角は素子平面Ｓに対して垂直に近い方向に制限される。
【００５２】
そして、第１実施形態と同様に、このような実鏡映像結像光学系２Ｃを少なくとも２つ（図示例では２つ）並べて配置するとともに、各実鏡映像結像光学系２Ｃ１，２Ｃ２に対応してそれぞれに同一の被投影物Ｏ１，Ｏ２を同じ位置及び角度関係で配置した３次元空中映像表示装置Ｘ５を構成することにより、相対的に左側に配置した実鏡映像結像光学系２Ｃ１である右目用結像光学系によって結像される対応する被投影物Ｏ１の実鏡映像Ｐ１と、相対的に右側に配置した実鏡映像結像光学系２Ｃ２である左目用結像光学系によって結像される対応する被投影Ｏ２の実鏡映像Ｐ２とを同じ位置で重ね合わせて表示させることができ、視差により立体空中映像を実鏡映像結像光学系２Ｃ１，２Ｃ２の上面側の空間に結像させて観察することが可能である。
【００５３】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。上述した各例では、被投影物としてディスプレイに表示させた映像を用いたが、物体（３次元）そのものを被投影物として適用することもできる。ただし、観察される実像の奥行きは被投影物の奥行きとは反転したものとなる。また、被投影物としてディスプレイに表示される映像を適用する場合には、ディスプレイとして、画面に映像を表示する一般的な意味でのディスプレイだけでなく、プロジェクタ等で投射された映像を映すスクリーンを採用することもできる。また、ディスプレイの表示面は平面だけでなく曲面であってもよい。
【００５４】
また、実鏡映像結像光学系を２面コーナーリフレクタアレイで構成する場合には、各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。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。また、光が２面コーナーリフレクタアレイの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面コーナーリフレクタにおいて直交する２つの鏡面同士が離れている態様であってもよい。
【００５５】
さらに、本発明において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を適用する場合、上述した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。
【００５６】
その他、各部の具体的構成についても上記実施形態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。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、ディスプレイに表示される映像を、視差により空中に浮かぶ３次元映像として表示させる表示装置として利用することが可能である。
【符号の説明】
【００５８】
Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４，Ｘ５…視差式立体空中映像表示装置
Ｓ（Ｓ１，Ｓ２），Ｓ３，Ｓ４…対称面（素子平面）
Ｏ（Ｏ１，Ｏ２）…被投影物
Ｐ（Ｐ１，Ｐ２）…実鏡映像
２Ａ（２Ａ１，２Ａ２），２Ａ’，２Ｂ，２Ｃ（２Ｃ１，２Ｃ２）…実鏡映像結像光学系
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被投影物の実像を、対称面となるある１つの幾何平面に対する面対称位置に結像可能な実鏡映像結像光学系を少なくとも２つ並べて配置し、
各結像光学系に対応してそれぞれに被投影物を配置してなり、
相対的に左側に配置した前記実鏡映像結像光学系である右目用結像光学系によって結像される対応する被投影物の実鏡映像と、
相対的に右側に配置した前記実鏡映像結像光学系である左目用結像光学系によって結像される対応する被投影物の実鏡映像とを同じ位置で重ね合わせて表示させることを特徴とする視差式３次元空中映像表示装置。
【請求項２】
３つ以上の前記実鏡映像結像光学系を並べて配置している請求項１に記載の視差式３次元空中映像表示装置。
【請求項３】
複数の前記実鏡映像光学系を環状に並べて配置している請求項１又は２の何れかに記載の視差式３次元空中映像表示装置。
【請求項１】
被投影物の実像を、対称面となるある１つの幾何平面に対する面対称位置に結像可能な実鏡映像結像光学系を少なくとも２つ並べて配置し、
各結像光学系に対応してそれぞれに被投影物を配置してなり、
相対的に左側に配置した前記実鏡映像結像光学系である右目用結像光学系によって結像される対応する被投影物の実鏡映像と、
相対的に右側に配置した前記実鏡映像結像光学系である左目用結像光学系によって結像される対応する被投影物の実鏡映像とを同じ位置で重ね合わせて表示させることを特徴とする視差式３次元空中映像表示装置。
【請求項２】
３つ以上の前記実鏡映像結像光学系を並べて配置している請求項１に記載の視差式３次元空中映像表示装置。
【請求項３】
複数の前記実鏡映像光学系を環状に並べて配置している請求項１又は２の何れかに記載の視差式３次元空中映像表示装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１６３７０２（Ｐ２０１２−１６３７０２Ａ）
【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２０１１−２２９９４（Ｐ２０１１−２２９９４）
【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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