２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置
【課題】
空中像がより見え易くなるような２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置を提供する。
【解決手段】
表示装置は、各々が互いに直交する２つの鏡面を含む複数の２面コーナーリフレクタを鏡面が基盤に対して垂直面となるように配置された２面コーナーリフレクタアレイ光学素子と、基盤の一方の主面側にある空間内に配置された被観察物と、を含み、被観察物の実像を基盤の他方の主面側にある空間に結像させる表示装置である。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子は、基盤とともに透明材料で形成された、各々が基盤の一方の主面内の接合平面から突出した複数の突出部を含み、突出部の各々に２面コーナーリフレクタとして少なくとも２つの直交する側面が形成されている。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子は、さらに、突出部が被観察物の配置された空間に向くように配置されている。
空中像がより見え易くなるような２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置を提供する。
【解決手段】
表示装置は、各々が互いに直交する２つの鏡面を含む複数の２面コーナーリフレクタを鏡面が基盤に対して垂直面となるように配置された２面コーナーリフレクタアレイ光学素子と、基盤の一方の主面側にある空間内に配置された被観察物と、を含み、被観察物の実像を基盤の他方の主面側にある空間に結像させる表示装置である。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子は、基盤とともに透明材料で形成された、各々が基盤の一方の主面内の接合平面から突出した複数の突出部を含み、突出部の各々に２面コーナーリフレクタとして少なくとも２つの直交する側面が形成されている。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子は、さらに、突出部が被観察物の配置された空間に向くように配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被観察物の実像（実鏡映像）を観察者側の空間に結像させる反射型実鏡映像結像光学素子に関し、特に、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
反射型実鏡映像結像光学素子を利用して、空中に被観察物の実像（実鏡映像）を結像させて、それを観察者が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】
具体的には、かかる表示装置は、被観察物の実像（実鏡映像）を観察者側の空間に結像させる反射型実鏡映像結像光学素子と、当該反射型実鏡映像結像光学素子の該観察者側とは反対側の空間に配置される該実鏡映像を形成するための被観察物と、を備えたものである。
【０００４】
特許文献１には、各々が互いに直交する２つの鏡面からなる複数の単位光学素子（各々を２面コーナーリフレクタと称する）を、１つの平面を構成する基盤の素子面にアレイ状にすなわち整列配置した反射型実鏡映像結像光学素子（２面コーナーリフレクタアレイ光学素子と称する）が開示されている。特許文献１に開示される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および部分切欠斜視図および部分断面図を図１、図２および図３に示す。
【０００５】
２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の具体例として、特許文献１においては、図１に示すように、基盤６０の主面を貫通する方向に穿孔された正方形穴の内壁６１ａ、６１ｂ（側面の鏡面）を２面コーナーリフレクタ６１として利用するものが示されている。図１および図２に示すように、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６では、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・光学的な正方形穴を多数形成し、その貫通穴の平らな内壁面のうち直交する２つにそれぞれ鏡面６１ａ，６１ｂを２面コーナーリフレクタ６１として形成している。図３に示すように、点光源ｏから発せられた光線は２面コーナーリフレクタ（貫通穴側面の鏡面６１ａ，６１ｂ）にて２回反射して、屈曲しつつ基盤６０を透過する。
【０００６】
特許文献１には更に、図４に示すように、透明材料からなる基盤６０の表面（ＸＹ平面）からその厚さ方向（Ｚ方向）に垂直に突出した透明材料からなる立方体形状の筒状体５１の内壁（鏡面６１ａ、６１ｂ）を２面コーナーリフレクタ６１として利用し該筒状体を碁盤目状に複数を形成した２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６も示されている。筒状体５１は光学的な穴を筒状に突出させ、その内部を透光材料で充填したもので、上記貫通穴と同様の機能を有する。図５に示すように、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６の突出した筒状体５１では、その側面の平らな透明材料側内壁面のうち直交する２つにそれぞれ鏡面６１ａ，６１ｂとしているので、点光源ｏから発せられた光線は２面コーナーリフレクタ（筒状体の透明材料側内壁面の鏡面６１ａ，６１ｂ）にて２回反射して屈曲しつつ基盤６０と２面コーナーリフレクタ６１を透過する。
【０００７】
これら２面コーナーリフレクタアレイ光学素子においては、複数の整列された２面コーナーリフレクタの各鏡面が素子面にほぼ垂直に直立配置されているので、該素子面の一方側に配置した被投影物からの光は、該素子面を通過する際に２面コーナーリフレクタに２回反射して、被投影物のない該素子面の他方側の空間に実像として結像する。すなわち、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子は、被観察物が２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の素子面６Ｓ（対称面とも称する）に対して対称位置に存在するように、その実像ｐを結像させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＷＯ２００７−１１６６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来技術においては、被観察物の実像を空中に結像できる２面コーナーリフレクタアレイ光学素子をディスプレイ装置として利用することを提案している。しかし、図４に示すような筒状体の２面コーナーリフレクタを有する２面コーナーリフレクタアレイの場合は、空中像が見え難く、またその実像の空中での浮遊感が十分得られないという問題があった。
【００１０】
すなわち、発明者は、図２に示すような貫通穴の内壁を鏡面として利用する２面コーナーリフレクタアレイを用いた場合は、裏表どちらに置いても、結像として得られる空中像の見え方は同じであるが、図４に示すような突出する透明材料の筒状体内面を鏡面として２面コーナーリフレクタアレイを用いた場合には、該突出部が存在する側を被観察物側にして置くか、その逆（観察者側）にするかによって、結像として得られる空中像の見え方が大きく異なることを見出した。図２に示す２面コーナーリフレクタアレイの場合は、素子構造（貫通穴）が裏表で対称となるが、図４に示す２面コーナーリフレクタアレイの場合では、素子構造（筒状体と基盤）が表裏で非対称となる。すなわち、突出した筒状体がある側では筒状体として例えば立方体形状の突出部が多数連なった凹凸構造を持つ形状になるのに対して、逆側、つまり基盤側は滑らかな平面となることによる非対称が、空中像が見え難くなる問題となることを見出した。なお、筒状体は、光学的な穴を筒状に突出させてその内部を透光材料で充填したプリズムであるので、以下、一般的に、突出部と称することとする。
【００１１】
そこで、かかる問題を解決すべく、本発明は、透明材料の突出部の複数を設けた基盤からなる非対称構造の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の配置による空中像の見え方の違いを考慮して、空中像がより見え易くなるような２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた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】
【００１２】
本発明による２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置は、各々が互いに直交する２つの鏡面を含む複数の２面コーナーリフレクタを鏡面が基盤に対して垂直面となるように配置された２面コーナーリフレクタアレイ光学素子と、基盤の一方の主面側にある空間内に配置された被観察物と、を含み、被観察物の実像を基盤の他方の主面側にある空間に結像させる表示装置である。この２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置においては、かかる２面コーナーリフレクタアレイ光学素子は、前記基盤とともに透明材料で形成された、各々が前記基盤の一方の主面内の接合平面から突出した複数の突出部を含み、前記突出部の各々に前記２面コーナーリフレクタとして少なくとも２つの直交する側面が形成されていることと、かかる２面コーナーリフレクタアレイ光学素子は、さらに、前記突出部が前記被観察物の配置された空間に向くように配置されていることと、を特徴とする。
【００１３】
ここで、前記突出部は、その前記基盤側とは反対側の端面の面積の方が小となるように、前記２面コーナーリフレクタとなる２つの直交する平面の直交側面を含む直方体形状部と前記直方体形状部と一体となった前記直交側面に非平行な側面を含むテーパー部と、からなる切頭角錐台形状を有することとすることができる。四角錐の切頭錐台形状の突出部の場合、２面コーナーリフレクタを形成する２面以外の側面（端面と底面除く）は２面存在することになり、その両面に上記傾斜を付けることになるが、それら両面のテーパー角度は等しくても良いし、等しくなくても良い。
【００１４】
そして、この２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置は特に、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の、前記被観察物が配置された空間と反対側の面、つまり観察者側の面に、光が照射されている環境下で、大きな効果を発揮する。これは、結像される実像は背後には必ず２面コーナーリフレクタアレイ光学素子が存在していなければならないことが関係する。つまり、観察者は被観察物からの光によって結像する実像からの光と、観察者側の面に照射された光の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子での反射光を重ねて観察することになる。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子からの反射光が実像からの光に対して強ければ強いほど実像が見難くなり、さらに空中にある実像の空中での浮遊感が減ることになる。
【００１５】
一般的に、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の観察者側の面に照射される光は、使用の態様に応じて、周囲光と呼ばれる様々な方向からの入射する光となることが多い。平滑な面への入射光は正反射方向に反射することになるため、平滑な面での反射光のうち、観察者に対して正反射方向以外からの光は観察者にとっては観察されないが、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の前記突出部が複数配置された側での反射光は、突出部の凸構造体で複雑に反射することにより、正反射方向以外の様々な光が観察者の目に入ることになる。つまり、この２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置では、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子（突出部が複数配置された側）からの反射光が実像からの光に対して強くなってしまい、空中像が見え難く、また実像の空中での浮遊感が減ることなる。
【００１６】
これに対して、本発明によれば、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の、前記被観察物が配置された空間と反対側の面に、照明光を照射する照明手段を設け、前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の平滑面を観察者側にして配置した場合でも、周囲光は正反射方向に反射することになり、観察者に対して正反射方向以外からの光は観察者にとっては観察されないことになる。つまり、この配置では、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子（平滑面側）からの反射光が実像からの光に、対して弱くなり、空中像が見え易くなり、また実像の空中での浮遊感が強くなる。よって、照明光のうち、観察者から見て前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子に対して正反射の位置関係にある光が、その他の光よりも弱く、又は最も弱くなるように、前記照明手段により照明光が照射されていることが好ましい。ただし、観察者側の面に照射された光のうち、観察者から見て２面コーナーリフレクタァレイ光学素子に対して正反射の位置関係にある光が強い場合は、本発明の配置とは逆の配置、すなわち、観察者側の空間側に、前記突出部が複数配置された側を向けて２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を配置した方が良いことも判った。これは２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の滑らかな平面での正反射光が散乱を受けることなく、ほぼそのまま観察者に到達したためである。しかし、本発明の表示装置を用いる場合の実際の使用上、観察者は、この配置になることを意識的に避けて空中像を観察しようとするため、この配置関係となることは稀であり、ほとんどの場合は本発明が役立つことになる。
【００１７】
つまり、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の観察者側の面に照射される光のうち、観察者から見て２面コーナーリフレクタアレイ光学素子に対して正反射の位置関係にある光が、その他の光よりも弱い時に、本発明は効果を、より発揮することになる。
【００１８】
さらに、２面コーナーリフレクタとして機能する前記突出部の側面に金属反射膜をさらに付けた時には、突出部の凸構造体で複雑に反射する光が強くなるため、本発明はなお一層の効果を発揮することになる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、突出部形状を有する２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置において、実像を空中像として見易い状態で観察可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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である。
【図２】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部分切欠斜視図である。
【図３】図１のＡ−Ａ断面を模式的に示す部分断面図である。
【図４】他の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部分切欠斜視図である。
【図５】他の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部分断面図である。
【図６】本発明による実施形態の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の具体的構成例を模式的に示す概略部分切欠斜視図である。
【図７】図６のＡ−Ａ断面およびＢ−Ｂ断面における断面図である。
【図８】本発明による実施形態の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の突出部を模式的に示す斜視図である。
【図９】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光学素子を模式的に示す概略部分切欠平面図である。
【図１０】本発明による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光学素子の結像様式を模式的に示す概略斜視図である。
【図１１】本発明による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光学素子による結像様式を模式的に示す概略平面図である。
【図１２】本発明による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光学素子による結像様式を模式的に示す概略側面図である。
【図１３】本発明による実施形態の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置の主要構成を模式的に説明するための概略側面図である。
【図１４】図１３に示した表示装置による空中像を観察者が目線（図中の矢印）より観察した場合の様子を模式的に示す概略斜視図である。
【図１５】上方に照明灯がある部屋の中で、図１３に示した光学装置を用いて空中像を観察する場合の様子を説明するための概略側面図である。
【図１６】比較例の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置の主要構成を模式的に説明するための概略側面図である。
【図１７】上方に照明灯がある部屋の中で、図１６に示した光学装置を用いて空中像を観察する場合の様子を説明するための概略側面図である。
【図１８】図１６に示した表示装置による空中像を観察者が目線（図中の矢印）より観察した場合の様子を説明するための概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明による実施形態の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置について、図面を用いて説明する。
【００２２】
図６に、本発明が適用された実施形態の、透明な突出部５１を有する２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６の拡大部分斜視図を示す。また、図７（ａ）（ｂ）に図６のＡ−Ａ断面およびＢ−Ｂ断面における拡大部分断面図を示す。
【００２３】
本実施形態の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６は、透明材料で一体的に成型された平板状の基盤６０とその表面内の接合平面から突出部５１の複数とからなる。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の突出部５１を有する面と反対側の基盤６０の主面は平滑な面である。この光学素子は金型を用いたアクリル等の透明樹脂での射出成型法などに作製可能である。また、突出部５１は基盤６０とともに透明材料で形成されていればよく、透明材料の突出部５１を平板状の基盤６０に貼り合わせる転写法などでも作製可能である。突出部５１の各々には２面コーナーリフレクタ６１として交線ＣＬにて２つの直交する平面の側面（鏡面６１ａ、６１ｂ）が形成されている。突出部の各々の２面コーナーリフレクタを除く２鏡面以外の平面の側面６２ａ、６２ｂは基盤６０主面の法線から一定の角度（傾斜）を持っている。図７には、突出部５１の寸法、高さＨ、端面一辺Ｌ、間隔Ｄおよび角度θ（端面となす傾斜角度）が記載してあるが、これらの値は、一例としての高さＨ＝１７０μｍ、正方形一辺Ｌ＝１５０μｍ、間隔Ｄ＝１０μｍ、傾斜角度θ＝１０８°であるが、これらは代表値であり、これに限定されるものではない。
【００２４】
図８に示すように、突出部５１の２面コーナーリフレクタに非平行な側面６２ａ、６２ｂは、突出部の基盤側の基盤との接合平面５２（底面）の面積より突出部の基盤側とは反対側の端面５３の面積の方が小となるような切頭角錐台形状の突出部５１のテーパー部を画定する。２面コーナーリフレクタに非平行な側面６２ａ、６２ｂはテーパー面となる。テーパー面のテーパー角度φ（基盤に垂直な面からの角度）は、５度以上、２５度以下に設定することが好適である。テーパー角度が５度未満または２５度を超えると、離型が難しくなり、または、突出部の密度が下がり結像のための光量が減る。
【００２５】
突出部５１は、図８に示すように、切頭角錐台であって、２面コーナーリフレクタとした直交側面６１ａ、６１ｂを含む直方体形状部Ｃ（例えは立方体）と直方体形状部Ｃと一体となった２面コーナーリフレクタに非平行な側面６２ａ、６２ｂを平面として含むテーパー部Ｔとからなる。
【００２６】
本実施形態によれば、図９に示すように、薄い平板状の基盤６０に、平面視でほぼ切頭角錐台（例えば正方形底面）であって、その接合平面（底面）乃至天面すなわち端面の間を光線が屈曲して通過する透明な突出部５１（一辺が例えば５０〜２００μｍ）を多数形成し、各突出部５１のうち隣接して直交する２つの内壁面６１ａ，６１ｂを２面コーナーリフレクタ６１とする２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６を得ることができる。なお、２面コーナーリフレクタ６１を構成しないテーパー部分（６２ａ，６２ｂ）には、つや消しなど反射不能な面とすることができる。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、図６に示すように、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。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。また、２面コーナーリフレクタとして機能する各突出部５１の外側面（内壁面６１ａ，６１ｂの部分）に金属反射膜をさらに付けることで、反射効率が向上する。
【００２７】
本実施形態による表示装置の動作は、図１０に模式的に示すように、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子と基盤の一方の主面側にある被観察物４とを含む表示装置が、被観察物の実像５（実鏡映像）を基盤の他方側の空間に結像させる。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６は、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５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光学素子６６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１０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、その内角の向きをＶ字形状で表してある。
【００２８】
本実施形態の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６では、突出部の側面のうち傾斜した面以外が基盤に垂直な面として設けられている（図１０の６１ａ，６１ｂ）。
【００２９】
そして、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６では、各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光学素子の裏面側（被観察物４）から、突出部に入った光を一方の鏡面６１ａ（または６１ｂ）で反射させ、さらにその反射光を他方の鏡面６１ｂ（または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光学素子６６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４の実像（実鏡映像）を、面対称位置に空中像（実鏡映像）５として結像させる対称面となる。
【００３０】
ここで、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６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。図１１に平面的な模式図で、図１２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１１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光学素子６６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（または６１ｂ）で反射して更に他方の鏡面６１ｂ（または６１ａ）で反射した後に素子面６Ｓを通過し、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６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１１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光学素子６６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（図１１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１２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）。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１１、図１２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。
【００３１】
−−実施例−−
実施例として図１３に、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置の模式的な構成図を示す。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６と被観察物４が図１３に示すように観察者側の反対側に配置されている。被観察物４の実像５（実鏡映像）を上記の原理により、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６を挟んで観察者側（観察者の目線を矢印で示す）の空間に結像させ、観察者は空中像５として観察できる。被観察物４としては実物体を用いても良いし、液晶ディスプレイ等に表示された画像を用いても良い。図１３に示した表示装置による空中像５を観察者が目線（図中の矢印）より観察した場合の様子を図１４に示す。図１４は、液晶ディスプレイＬＣＤに犬の画像を被観察物４として被観察物側空間にて表示して、観察者側空間に実像５（実鏡映像）を結像している様子を示す。
【００３２】
図１４に示すように、実鏡映像５は２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６が背後に存在する状態で結像し空中像として観察される。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６の観察者側の面に照射される光が無い時には、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の平面での反射は起こらず、黒い背景に浮かぶ空中像５のみを観察することになるが、実際の使用状態では周囲光と呼ばれる様々な方向からの入射する光が２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６の観察者側の基盤６０の平面に照射されていることが多い。最も一般的な環境として考えられるのは天井など上方に照明灯ｉＬがある部屋の中で、本実施形態の光学装置を用いて空中像を観察する場合であり、この場合は上方から照明灯ｉＬからの直接光が照射される（図１５参照）。もっとも直接光の他にも壁面などで反射された光が様々な方向から基盤６０へ照射されることになるが、これらの光は直接光に比べて格段に弱いので、説明を簡略化するためにここでは考えないことにする。本実施例では、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６の立方体の突出部５１を有する面が被観察物側に向くように配置されているので、観察者側には平滑な基盤６０の平面が向いている。そして、上方から来る照明灯ｉＬからの直接光はこの平滑な面で入射角と反射角が等しくなるように上方に反射し、そのほとんどが観察者の視界には入らないことになる。ただし、照明光は実際には広がるような配光を持つため、その一部は観察者に対し基盤表面から正反対となってしまう。よって、あらかじめ照明光は観察者の目線と想定される実像の位置に対して正反射する光が最も弱くなるように設定される。従って、観察者は周囲光があるにも拘らず、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６での周囲光の反射光に比べて実鏡映像５からの光を強く観察できるため、空中像が見え易くなり、実像５の空中での浮遊感が強くなる。
【００３３】
比較例として、図１６に模式的な構成図を示す。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６と被観察物４が図１６に示すように配置されている。実施例との違いは２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６が裏表反対に、つまり、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６の立方体の突出部５１を有する面が観察者側に向くように配置されているだけである。実施例の場合と同様に、最も一般的な使用環境として考えられる天井に照明灯ｉＬがある部屋の中での空中像５を観察する場合で考察する（図１７参照）。
【００３４】
比較例では、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６の立方体の突出部５１を有する面が観察者を向くように配置されており、上方から来る照明灯ｉＬからの直接光は２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６上の突出部５１の凸構造体で複雑に反射することにより、正反射方向以外の様々な光となり、そのうちのいくらかが観察者の目に入ることになる。つまり、この配置では、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６（突出部５１が複数配置された側）からの反射光が実鏡映像５からの光に対して強くなってしまい、空中像５が見え難くなりまた実鏡映像の空中での浮遊感が減ることとなる（図１８参照）。
【００３５】
実施例および比較例で用いた２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６はアクリル樹脂の射出成型により作製された物であるため透明である。従って、入射面側での反射とともに、透明樹脂内を伝搬して入射面とは反対側の面でも反射することになる。もし、この両面での反射が同じ大きさで生じるとすれば、実施例と比較例のような差、すなわち、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の表裏のどちら側を観察者側に向けるかによる差は生じないように思えるが、今回使用した２面コーナーリフレクタアレイ光学素子では入射面側での反射が支配的であるためにこれらの差が生じているものと思われる。このような関係は表示装置として照明手段と２面コーナーリフレクタアレイを一体として共に備えている場合でも同様である。
【００３６】
２面コーナーリフレクタアレイ光学素子をアクリル樹脂とは屈折率が異なる透明樹脂で作製した場合には、本実施形態の効果に差が生じる可能性があるようにも思えるが、本実施例の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の配置（裏表）と空中像の見え方の関係が逆転することはないものと考える。
【００３７】
これまで述べてきたように２面コーナーリフレクタは反射鏡として働くため、前記樹脂成型品の突出部の側面のうちの２面コーナーリフレクタとして働く基盤に垂直な面には、例えば金属膜などの反射面を付けることが好ましいが、発明者は樹脂成型品だけ、つまり反射面を追加加工しなくても、樹脂と空気界面の屈折率差によって十分な反射が得られるため実用上問題ない明るさの実鏡映像を空中に結像させることができることを発見した。反射面を設けることなく樹脂成型品のみの２面コーナーリフレクタを用いた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ので低コストで表示装置を作製することができるので好ましい。この場合も本発明が適用可能であり、金属反射膜を付けた時には、突出部の凸構造体で複雑、に反射する光が強くなるため、本実施形態はなお一層の効果を発揮することが判った。
【符号の説明】
【００３８】
４ 被観察物
５ 空中映像（実鏡映像）
６Ｓ 素子面（対称面）
５１ 突出部
５２ 接合平面
５３ 端面
６０ 基盤
６１ ２面コーナーリフレクタ
６１ａ、６１ｂ 鏡面（側面）
６２ａ、６２ｂ ２面コーナーリフレクタに非平行な側面（テーパー面）
６６ ２面コーナーリフレクタアレイ光学素子
ＣＬ 鏡面の交線
Ｃ 直方体形状部
Ｔ テーパー部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被観察物の実像（実鏡映像）を観察者側の空間に結像させる反射型実鏡映像結像光学素子に関し、特に、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
反射型実鏡映像結像光学素子を利用して、空中に被観察物の実像（実鏡映像）を結像させて、それを観察者が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】
具体的には、かかる表示装置は、被観察物の実像（実鏡映像）を観察者側の空間に結像させる反射型実鏡映像結像光学素子と、当該反射型実鏡映像結像光学素子の該観察者側とは反対側の空間に配置される該実鏡映像を形成するための被観察物と、を備えたものである。
【０００４】
特許文献１には、各々が互いに直交する２つの鏡面からなる複数の単位光学素子（各々を２面コーナーリフレクタと称する）を、１つの平面を構成する基盤の素子面にアレイ状にすなわち整列配置した反射型実鏡映像結像光学素子（２面コーナーリフレクタアレイ光学素子と称する）が開示されている。特許文献１に開示される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および部分切欠斜視図および部分断面図を図１、図２および図３に示す。
【０００５】
２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の具体例として、特許文献１においては、図１に示すように、基盤６０の主面を貫通する方向に穿孔された正方形穴の内壁６１ａ、６１ｂ（側面の鏡面）を２面コーナーリフレクタ６１として利用するものが示されている。図１および図２に示すように、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６では、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・光学的な正方形穴を多数形成し、その貫通穴の平らな内壁面のうち直交する２つにそれぞれ鏡面６１ａ，６１ｂを２面コーナーリフレクタ６１として形成している。図３に示すように、点光源ｏから発せられた光線は２面コーナーリフレクタ（貫通穴側面の鏡面６１ａ，６１ｂ）にて２回反射して、屈曲しつつ基盤６０を透過する。
【０００６】
特許文献１には更に、図４に示すように、透明材料からなる基盤６０の表面（ＸＹ平面）からその厚さ方向（Ｚ方向）に垂直に突出した透明材料からなる立方体形状の筒状体５１の内壁（鏡面６１ａ、６１ｂ）を２面コーナーリフレクタ６１として利用し該筒状体を碁盤目状に複数を形成した２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６も示されている。筒状体５１は光学的な穴を筒状に突出させ、その内部を透光材料で充填したもので、上記貫通穴と同様の機能を有する。図５に示すように、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６の突出した筒状体５１では、その側面の平らな透明材料側内壁面のうち直交する２つにそれぞれ鏡面６１ａ，６１ｂとしているので、点光源ｏから発せられた光線は２面コーナーリフレクタ（筒状体の透明材料側内壁面の鏡面６１ａ，６１ｂ）にて２回反射して屈曲しつつ基盤６０と２面コーナーリフレクタ６１を透過する。
【０００７】
これら２面コーナーリフレクタアレイ光学素子においては、複数の整列された２面コーナーリフレクタの各鏡面が素子面にほぼ垂直に直立配置されているので、該素子面の一方側に配置した被投影物からの光は、該素子面を通過する際に２面コーナーリフレクタに２回反射して、被投影物のない該素子面の他方側の空間に実像として結像する。すなわち、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子は、被観察物が２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の素子面６Ｓ（対称面とも称する）に対して対称位置に存在するように、その実像ｐを結像させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＷＯ２００７−１１６６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来技術においては、被観察物の実像を空中に結像できる２面コーナーリフレクタアレイ光学素子をディスプレイ装置として利用することを提案している。しかし、図４に示すような筒状体の２面コーナーリフレクタを有する２面コーナーリフレクタアレイの場合は、空中像が見え難く、またその実像の空中での浮遊感が十分得られないという問題があった。
【００１０】
すなわち、発明者は、図２に示すような貫通穴の内壁を鏡面として利用する２面コーナーリフレクタアレイを用いた場合は、裏表どちらに置いても、結像として得られる空中像の見え方は同じであるが、図４に示すような突出する透明材料の筒状体内面を鏡面として２面コーナーリフレクタアレイを用いた場合には、該突出部が存在する側を被観察物側にして置くか、その逆（観察者側）にするかによって、結像として得られる空中像の見え方が大きく異なることを見出した。図２に示す２面コーナーリフレクタアレイの場合は、素子構造（貫通穴）が裏表で対称となるが、図４に示す２面コーナーリフレクタアレイの場合では、素子構造（筒状体と基盤）が表裏で非対称となる。すなわち、突出した筒状体がある側では筒状体として例えば立方体形状の突出部が多数連なった凹凸構造を持つ形状になるのに対して、逆側、つまり基盤側は滑らかな平面となることによる非対称が、空中像が見え難くなる問題となることを見出した。なお、筒状体は、光学的な穴を筒状に突出させてその内部を透光材料で充填したプリズムであるので、以下、一般的に、突出部と称することとする。
【００１１】
そこで、かかる問題を解決すべく、本発明は、透明材料の突出部の複数を設けた基盤からなる非対称構造の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の配置による空中像の見え方の違いを考慮して、空中像がより見え易くなるような２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた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】
【００１２】
本発明による２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置は、各々が互いに直交する２つの鏡面を含む複数の２面コーナーリフレクタを鏡面が基盤に対して垂直面となるように配置された２面コーナーリフレクタアレイ光学素子と、基盤の一方の主面側にある空間内に配置された被観察物と、を含み、被観察物の実像を基盤の他方の主面側にある空間に結像させる表示装置である。この２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置においては、かかる２面コーナーリフレクタアレイ光学素子は、前記基盤とともに透明材料で形成された、各々が前記基盤の一方の主面内の接合平面から突出した複数の突出部を含み、前記突出部の各々に前記２面コーナーリフレクタとして少なくとも２つの直交する側面が形成されていることと、かかる２面コーナーリフレクタアレイ光学素子は、さらに、前記突出部が前記被観察物の配置された空間に向くように配置されていることと、を特徴とする。
【００１３】
ここで、前記突出部は、その前記基盤側とは反対側の端面の面積の方が小となるように、前記２面コーナーリフレクタとなる２つの直交する平面の直交側面を含む直方体形状部と前記直方体形状部と一体となった前記直交側面に非平行な側面を含むテーパー部と、からなる切頭角錐台形状を有することとすることができる。四角錐の切頭錐台形状の突出部の場合、２面コーナーリフレクタを形成する２面以外の側面（端面と底面除く）は２面存在することになり、その両面に上記傾斜を付けることになるが、それら両面のテーパー角度は等しくても良いし、等しくなくても良い。
【００１４】
そして、この２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置は特に、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の、前記被観察物が配置された空間と反対側の面、つまり観察者側の面に、光が照射されている環境下で、大きな効果を発揮する。これは、結像される実像は背後には必ず２面コーナーリフレクタアレイ光学素子が存在していなければならないことが関係する。つまり、観察者は被観察物からの光によって結像する実像からの光と、観察者側の面に照射された光の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子での反射光を重ねて観察することになる。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子からの反射光が実像からの光に対して強ければ強いほど実像が見難くなり、さらに空中にある実像の空中での浮遊感が減ることになる。
【００１５】
一般的に、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の観察者側の面に照射される光は、使用の態様に応じて、周囲光と呼ばれる様々な方向からの入射する光となることが多い。平滑な面への入射光は正反射方向に反射することになるため、平滑な面での反射光のうち、観察者に対して正反射方向以外からの光は観察者にとっては観察されないが、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の前記突出部が複数配置された側での反射光は、突出部の凸構造体で複雑に反射することにより、正反射方向以外の様々な光が観察者の目に入ることになる。つまり、この２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置では、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子（突出部が複数配置された側）からの反射光が実像からの光に対して強くなってしまい、空中像が見え難く、また実像の空中での浮遊感が減ることなる。
【００１６】
これに対して、本発明によれば、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の、前記被観察物が配置された空間と反対側の面に、照明光を照射する照明手段を設け、前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の平滑面を観察者側にして配置した場合でも、周囲光は正反射方向に反射することになり、観察者に対して正反射方向以外からの光は観察者にとっては観察されないことになる。つまり、この配置では、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子（平滑面側）からの反射光が実像からの光に、対して弱くなり、空中像が見え易くなり、また実像の空中での浮遊感が強くなる。よって、照明光のうち、観察者から見て前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子に対して正反射の位置関係にある光が、その他の光よりも弱く、又は最も弱くなるように、前記照明手段により照明光が照射されていることが好ましい。ただし、観察者側の面に照射された光のうち、観察者から見て２面コーナーリフレクタァレイ光学素子に対して正反射の位置関係にある光が強い場合は、本発明の配置とは逆の配置、すなわち、観察者側の空間側に、前記突出部が複数配置された側を向けて２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を配置した方が良いことも判った。これは２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の滑らかな平面での正反射光が散乱を受けることなく、ほぼそのまま観察者に到達したためである。しかし、本発明の表示装置を用いる場合の実際の使用上、観察者は、この配置になることを意識的に避けて空中像を観察しようとするため、この配置関係となることは稀であり、ほとんどの場合は本発明が役立つことになる。
【００１７】
つまり、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の観察者側の面に照射される光のうち、観察者から見て２面コーナーリフレクタアレイ光学素子に対して正反射の位置関係にある光が、その他の光よりも弱い時に、本発明は効果を、より発揮することになる。
【００１８】
さらに、２面コーナーリフレクタとして機能する前記突出部の側面に金属反射膜をさらに付けた時には、突出部の凸構造体で複雑に反射する光が強くなるため、本発明はなお一層の効果を発揮することになる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、突出部形状を有する２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置において、実像を空中像として見易い状態で観察可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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である。
【図２】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部分切欠斜視図である。
【図３】図１のＡ−Ａ断面を模式的に示す部分断面図である。
【図４】他の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部分切欠斜視図である。
【図５】他の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部分断面図である。
【図６】本発明による実施形態の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の具体的構成例を模式的に示す概略部分切欠斜視図である。
【図７】図６のＡ−Ａ断面およびＢ−Ｂ断面における断面図である。
【図８】本発明による実施形態の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の突出部を模式的に示す斜視図である。
【図９】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光学素子を模式的に示す概略部分切欠平面図である。
【図１０】本発明による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光学素子の結像様式を模式的に示す概略斜視図である。
【図１１】本発明による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光学素子による結像様式を模式的に示す概略平面図である。
【図１２】本発明による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光学素子による結像様式を模式的に示す概略側面図である。
【図１３】本発明による実施形態の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置の主要構成を模式的に説明するための概略側面図である。
【図１４】図１３に示した表示装置による空中像を観察者が目線（図中の矢印）より観察した場合の様子を模式的に示す概略斜視図である。
【図１５】上方に照明灯がある部屋の中で、図１３に示した光学装置を用いて空中像を観察する場合の様子を説明するための概略側面図である。
【図１６】比較例の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置の主要構成を模式的に説明するための概略側面図である。
【図１７】上方に照明灯がある部屋の中で、図１６に示した光学装置を用いて空中像を観察する場合の様子を説明するための概略側面図である。
【図１８】図１６に示した表示装置による空中像を観察者が目線（図中の矢印）より観察した場合の様子を説明するための概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明による実施形態の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置について、図面を用いて説明する。
【００２２】
図６に、本発明が適用された実施形態の、透明な突出部５１を有する２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６の拡大部分斜視図を示す。また、図７（ａ）（ｂ）に図６のＡ−Ａ断面およびＢ−Ｂ断面における拡大部分断面図を示す。
【００２３】
本実施形態の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６は、透明材料で一体的に成型された平板状の基盤６０とその表面内の接合平面から突出部５１の複数とからなる。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の突出部５１を有する面と反対側の基盤６０の主面は平滑な面である。この光学素子は金型を用いたアクリル等の透明樹脂での射出成型法などに作製可能である。また、突出部５１は基盤６０とともに透明材料で形成されていればよく、透明材料の突出部５１を平板状の基盤６０に貼り合わせる転写法などでも作製可能である。突出部５１の各々には２面コーナーリフレクタ６１として交線ＣＬにて２つの直交する平面の側面（鏡面６１ａ、６１ｂ）が形成されている。突出部の各々の２面コーナーリフレクタを除く２鏡面以外の平面の側面６２ａ、６２ｂは基盤６０主面の法線から一定の角度（傾斜）を持っている。図７には、突出部５１の寸法、高さＨ、端面一辺Ｌ、間隔Ｄおよび角度θ（端面となす傾斜角度）が記載してあるが、これらの値は、一例としての高さＨ＝１７０μｍ、正方形一辺Ｌ＝１５０μｍ、間隔Ｄ＝１０μｍ、傾斜角度θ＝１０８°であるが、これらは代表値であり、これに限定されるものではない。
【００２４】
図８に示すように、突出部５１の２面コーナーリフレクタに非平行な側面６２ａ、６２ｂは、突出部の基盤側の基盤との接合平面５２（底面）の面積より突出部の基盤側とは反対側の端面５３の面積の方が小となるような切頭角錐台形状の突出部５１のテーパー部を画定する。２面コーナーリフレクタに非平行な側面６２ａ、６２ｂはテーパー面となる。テーパー面のテーパー角度φ（基盤に垂直な面からの角度）は、５度以上、２５度以下に設定することが好適である。テーパー角度が５度未満または２５度を超えると、離型が難しくなり、または、突出部の密度が下がり結像のための光量が減る。
【００２５】
突出部５１は、図８に示すように、切頭角錐台であって、２面コーナーリフレクタとした直交側面６１ａ、６１ｂを含む直方体形状部Ｃ（例えは立方体）と直方体形状部Ｃと一体となった２面コーナーリフレクタに非平行な側面６２ａ、６２ｂを平面として含むテーパー部Ｔとからなる。
【００２６】
本実施形態によれば、図９に示すように、薄い平板状の基盤６０に、平面視でほぼ切頭角錐台（例えば正方形底面）であって、その接合平面（底面）乃至天面すなわち端面の間を光線が屈曲して通過する透明な突出部５１（一辺が例えば５０〜２００μｍ）を多数形成し、各突出部５１のうち隣接して直交する２つの内壁面６１ａ，６１ｂを２面コーナーリフレクタ６１とする２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６を得ることができる。なお、２面コーナーリフレクタ６１を構成しないテーパー部分（６２ａ，６２ｂ）には、つや消しなど反射不能な面とすることができる。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、図６に示すように、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。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。また、２面コーナーリフレクタとして機能する各突出部５１の外側面（内壁面６１ａ，６１ｂの部分）に金属反射膜をさらに付けることで、反射効率が向上する。
【００２７】
本実施形態による表示装置の動作は、図１０に模式的に示すように、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子と基盤の一方の主面側にある被観察物４とを含む表示装置が、被観察物の実像５（実鏡映像）を基盤の他方側の空間に結像させる。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６は、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５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光学素子６６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１０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、その内角の向きをＶ字形状で表してある。
【００２８】
本実施形態の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６では、突出部の側面のうち傾斜した面以外が基盤に垂直な面として設けられている（図１０の６１ａ，６１ｂ）。
【００２９】
そして、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６では、各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光学素子の裏面側（被観察物４）から、突出部に入った光を一方の鏡面６１ａ（または６１ｂ）で反射させ、さらにその反射光を他方の鏡面６１ｂ（または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光学素子６６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４の実像（実鏡映像）を、面対称位置に空中像（実鏡映像）５として結像させる対称面となる。
【００３０】
ここで、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６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。図１１に平面的な模式図で、図１２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１１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光学素子６６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（または６１ｂ）で反射して更に他方の鏡面６１ｂ（または６１ａ）で反射した後に素子面６Ｓを通過し、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６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１１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光学素子６６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（図１１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１２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）。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１１、図１２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。
【００３１】
−−実施例−−
実施例として図１３に、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を用いた表示装置の模式的な構成図を示す。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６と被観察物４が図１３に示すように観察者側の反対側に配置されている。被観察物４の実像５（実鏡映像）を上記の原理により、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６を挟んで観察者側（観察者の目線を矢印で示す）の空間に結像させ、観察者は空中像５として観察できる。被観察物４としては実物体を用いても良いし、液晶ディスプレイ等に表示された画像を用いても良い。図１３に示した表示装置による空中像５を観察者が目線（図中の矢印）より観察した場合の様子を図１４に示す。図１４は、液晶ディスプレイＬＣＤに犬の画像を被観察物４として被観察物側空間にて表示して、観察者側空間に実像５（実鏡映像）を結像している様子を示す。
【００３２】
図１４に示すように、実鏡映像５は２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６が背後に存在する状態で結像し空中像として観察される。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６の観察者側の面に照射される光が無い時には、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の平面での反射は起こらず、黒い背景に浮かぶ空中像５のみを観察することになるが、実際の使用状態では周囲光と呼ばれる様々な方向からの入射する光が２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６の観察者側の基盤６０の平面に照射されていることが多い。最も一般的な環境として考えられるのは天井など上方に照明灯ｉＬがある部屋の中で、本実施形態の光学装置を用いて空中像を観察する場合であり、この場合は上方から照明灯ｉＬからの直接光が照射される（図１５参照）。もっとも直接光の他にも壁面などで反射された光が様々な方向から基盤６０へ照射されることになるが、これらの光は直接光に比べて格段に弱いので、説明を簡略化するためにここでは考えないことにする。本実施例では、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６の立方体の突出部５１を有する面が被観察物側に向くように配置されているので、観察者側には平滑な基盤６０の平面が向いている。そして、上方から来る照明灯ｉＬからの直接光はこの平滑な面で入射角と反射角が等しくなるように上方に反射し、そのほとんどが観察者の視界には入らないことになる。ただし、照明光は実際には広がるような配光を持つため、その一部は観察者に対し基盤表面から正反対となってしまう。よって、あらかじめ照明光は観察者の目線と想定される実像の位置に対して正反射する光が最も弱くなるように設定される。従って、観察者は周囲光があるにも拘らず、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６での周囲光の反射光に比べて実鏡映像５からの光を強く観察できるため、空中像が見え易くなり、実像５の空中での浮遊感が強くなる。
【００３３】
比較例として、図１６に模式的な構成図を示す。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６と被観察物４が図１６に示すように配置されている。実施例との違いは２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６が裏表反対に、つまり、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６の立方体の突出部５１を有する面が観察者側に向くように配置されているだけである。実施例の場合と同様に、最も一般的な使用環境として考えられる天井に照明灯ｉＬがある部屋の中での空中像５を観察する場合で考察する（図１７参照）。
【００３４】
比較例では、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６の立方体の突出部５１を有する面が観察者を向くように配置されており、上方から来る照明灯ｉＬからの直接光は２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６上の突出部５１の凸構造体で複雑に反射することにより、正反射方向以外の様々な光となり、そのうちのいくらかが観察者の目に入ることになる。つまり、この配置では、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６（突出部５１が複数配置された側）からの反射光が実鏡映像５からの光に対して強くなってしまい、空中像５が見え難くなりまた実鏡映像の空中での浮遊感が減ることとなる（図１８参照）。
【００３５】
実施例および比較例で用いた２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６６はアクリル樹脂の射出成型により作製された物であるため透明である。従って、入射面側での反射とともに、透明樹脂内を伝搬して入射面とは反対側の面でも反射することになる。もし、この両面での反射が同じ大きさで生じるとすれば、実施例と比較例のような差、すなわち、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の表裏のどちら側を観察者側に向けるかによる差は生じないように思えるが、今回使用した２面コーナーリフレクタアレイ光学素子では入射面側での反射が支配的であるためにこれらの差が生じているものと思われる。このような関係は表示装置として照明手段と２面コーナーリフレクタアレイを一体として共に備えている場合でも同様である。
【００３６】
２面コーナーリフレクタアレイ光学素子をアクリル樹脂とは屈折率が異なる透明樹脂で作製した場合には、本実施形態の効果に差が生じる可能性があるようにも思えるが、本実施例の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の配置（裏表）と空中像の見え方の関係が逆転することはないものと考える。
【００３７】
これまで述べてきたように２面コーナーリフレクタは反射鏡として働くため、前記樹脂成型品の突出部の側面のうちの２面コーナーリフレクタとして働く基盤に垂直な面には、例えば金属膜などの反射面を付けることが好ましいが、発明者は樹脂成型品だけ、つまり反射面を追加加工しなくても、樹脂と空気界面の屈折率差によって十分な反射が得られるため実用上問題ない明るさの実鏡映像を空中に結像させることができることを発見した。反射面を設けることなく樹脂成型品のみの２面コーナーリフレクタを用いた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ので低コストで表示装置を作製することができるので好ましい。この場合も本発明が適用可能であり、金属反射膜を付けた時には、突出部の凸構造体で複雑、に反射する光が強くなるため、本実施形態はなお一層の効果を発揮することが判った。
【符号の説明】
【００３８】
４ 被観察物
５ 空中映像（実鏡映像）
６Ｓ 素子面（対称面）
５１ 突出部
５２ 接合平面
５３ 端面
６０ 基盤
６１ ２面コーナーリフレクタ
６１ａ、６１ｂ 鏡面（側面）
６２ａ、６２ｂ ２面コーナーリフレクタに非平行な側面（テーパー面）
６６ ２面コーナーリフレクタアレイ光学素子
ＣＬ 鏡面の交線
Ｃ 直方体形状部
Ｔ テーパー部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が互いに直交する２つの鏡面を含む複数の２面コーナーリフレクタを鏡面が基盤に対して垂直面となるように配置された２面コーナーリフレクタアレイ光学素子と、基盤の一方の主面側にある空間内に配置された被観察物と、を含み、被観察物の実像を基盤の他方の主面側にある空間に結像させる表示装置であって、
前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子は、前記基盤とともに透明材料で形成された、各々が前記基盤の一方の主面内の接合平面から突出した複数の突出部を含み、前記突出部の各々に前記２面コーナーリフレクタとして少なくとも２つの直交する側面が形成されていること、
前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子は、前記突出部が前記被観察物の配置された空間に向くように配置されていること、を特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記突出部は、その前記基盤側とは反対側の端面の面積の方が小となるように、前記２面コーナーリフレクタとなる２つの直交する平面の直交側面を含む直方体形状部と前記直方体形状部と一体となった前記直交側面に非平行な側面を含むテーパー部と、からなる切頭角錐台形状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３】
前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の、前記被観察物が配置された空間と反対側の面に、照明光を照射する照明手段を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記照明手段は、前記実像の位置において、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子に対して正反射の位置関係にある光が最も弱くなるように、前記照明光を照射することことを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
【請求項５】
前記突出部の側面に付着した前記２面コーナーリフレクタとして機能する金属反射膜を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１に記載の表示装置。
【請求項１】
各々が互いに直交する２つの鏡面を含む複数の２面コーナーリフレクタを鏡面が基盤に対して垂直面となるように配置された２面コーナーリフレクタアレイ光学素子と、基盤の一方の主面側にある空間内に配置された被観察物と、を含み、被観察物の実像を基盤の他方の主面側にある空間に結像させる表示装置であって、
前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子は、前記基盤とともに透明材料で形成された、各々が前記基盤の一方の主面内の接合平面から突出した複数の突出部を含み、前記突出部の各々に前記２面コーナーリフレクタとして少なくとも２つの直交する側面が形成されていること、
前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子は、前記突出部が前記被観察物の配置された空間に向くように配置されていること、を特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記突出部は、その前記基盤側とは反対側の端面の面積の方が小となるように、前記２面コーナーリフレクタとなる２つの直交する平面の直交側面を含む直方体形状部と前記直方体形状部と一体となった前記直交側面に非平行な側面を含むテーパー部と、からなる切頭角錐台形状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３】
前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の、前記被観察物が配置された空間と反対側の面に、照明光を照射する照明手段を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記照明手段は、前記実像の位置において、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子に対して正反射の位置関係にある光が最も弱くなるように、前記照明光を照射することことを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
【請求項５】
前記突出部の側面に付着した前記２面コーナーリフレクタとして機能する金属反射膜を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１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１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１２−１１８４４５（Ｐ２０１２−１１８４４５Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７０２５７（Ｐ２０１０−２７０２５７）
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【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６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月３日（２０１０．１２．３）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【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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