(57)【要約】１つの平面を構成し光を透過させ得る素子面Ｓに、相互に直交させた２つの鏡面要素１１，１２からなる２面コーナーリフレクタ１を複数方向を向けて複数形成し、被投影物Ｏから発せられる光を各２面コーナーリフレクタ１で２回反射させて素子面Ｓを透過させることにより、素子面Ｓに対する被投影物Ｏの面対称位置に被投影物の空中に浮かぶ像Ｏを、素子面Ｓの他方側における複数の方向から多人数で観察できるように結像させるように多視点空中映像表示素子３を構成した。
2008111426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの平面を構成し光を透過させ得る素子面に、相互に直交させた２つの鏡面要素からなる２面コーナーリフレクタを、前記素子面に垂直な回転軸を持った回転方向において複数方向を向けて複数形成し、
前記素子面の一方側に配置される被投影物から発せられる光を前記各２面コーナーリフレクタにおける２つの鏡面要素にそれぞれ１回ずつ反射させて当該素子面を透過させることにより、
前記素子面に対する前記被投影物の面対称位置に該被投影物の像を、前記素子面の他方側における複数の方向から観察可能に結像させることを特徴とする多視点空中映像表示素子。
【請求項２】
前記素子面に形成される複数の２面コーナーリフレクタの向く方向を、ランダムとしている請求項１に記載の多視点空中映像表示素子。
【請求項３】
前記複数の２面コーナーリフレクタを、全てが所定の一点を向くように形成している請求項１に記載の多視点空中映像表示素子。
【請求項４】
前記素子面に、複数の前記２面コーナーリフレクタが同一方向を向く領域を複数形成し、当該各領域ごとに２面コーナーリフレクタが向く方向を異ならせている請求項１に記載の多視点空中映像表示素子。
【請求項５】
前記複数の領域を、所定位置を基準とする角度により前記素子面上を区分している請求項４に記載の多視点空中映像表示素子。
【請求項６】
前記各領域を、それぞれ独立した２面コーナーリフレクタアレイにより構成し、
当該各２面コーナーリフレクタアレイを、光を透過させ得る部分素子面に、相互に直交させた２つの鏡面要素からなる２面コーナーリフレクタを何れも同一方向に向けて複数形成し、当該部分素子面の一方側に配置される被投影物から発せられる光を前記各２面コーナーリフレクタにおける２つの鏡面要素にそれぞれ１回ずつ反射させて当該部分素子面を透過させることにより、前記部分素子面に対する前記被投影物の面対称位置に該被投影物の像を、前記素子面の他方側から観察可能に結像させるものとして、
前記複数の２面コーナーリフレクタアレイにおける部分素子面の集合により前記素子面を構成している請求項４又は５の何れかに記載の多視点空中映像表示素子。
【請求項７】
前記被投影物を通る前記素子面の垂線を含む当該素子面上の一定の領域には、前記２面コーナーリフレクタを形成しない請求項１乃至６の何れかに記載の多視点空中映像表示素子。
【請求項８】
前記２面コーナーリフレクタは、板状をなす基盤を厚み方向に貫通させた穴の内壁に前記直交する２つの鏡面要素を形成したものであって、当該穴を通じて基盤の一方の面方向から他方の面方向へ光が透過する際に、２つの鏡面要素でそれぞれ１回ずつ反射させるものである請求項１乃至７の何れかに記載の多視点空中映像表示素子。
【請求項９】
前記２面コーナーリフレクタは、透明な筒状体の内壁面に前記直交する２つの鏡面要素を形成したものであって、前記筒状体を通じて前記各鏡面要素に対して垂直な一方の面側から他方の面側へ光が透過する際に、２つの鏡面要素でそれぞれ１回ずつ反射させるものである請求項１乃至７の何れかに記載の多視点空中映像表示素子。
【請求項１０】
前記穴の内壁又は前記筒状体の内壁面のうち、前記２面コーナーリフレクタを形成する２つの鏡面以外の面を、非鏡面としている請求項８又は９の何れかに記載の多視点空中映像表示素子。
【請求項１１】
前記穴の内壁又は前記筒状体の内壁面のうち、前記２面コーナーリフレクタを形成する２つの鏡面要素以外の面を、前記素子面と垂直とならないように形成している請求項８乃至１０の何れかに記載の多視点空中映像表示素子。
【請求項１２】
前記素子面に、特定の方向の光線のみを透過・遮断若しくは拡散する光学的な視線制御手段を配置し、当該視線制御手段により、結像する光線のみを透過し、他の迷光となる光線を遮断することを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の多視点空中映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の観察位置から被投影物の空中に浮遊する実像を共有して観察すること
を可能とする光学素子である、多視点空中映像表示素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これまで本発明者は、ほぼ直交する２つの鏡面を多数備えた反射型実鏡映像結像素子である２面コーナーリフレクタアレイからなる光学デバイスを提案している（特許文献１参照）。この光学デバイスは、２面コーナーリフレクタアレイにおける素子面の一方側に配置した被投影物（実体のある物体、映像を含む）から発せられる光を、前記２つの鏡面（以下、２面コーナーリフレクタ）でそれぞれ反射させつつ２面コーナーリフレクタアレイを透過させることで、素子面の他方側における空間に当該被投影物の鏡映像の実像を結像させるという、新規な結像様式を備えるものである。【０００３】
斯かる光学デバイスは、鏡面による光の反射をその基本原理としており、マイクロレンズを利用した屈折型実鏡映像結像素子であるアフォーカルレンズアレイ（例えば、特許文献２参照）における問題点、すなわち、光の屈折作用を利用するため、素子面に対してほぼ垂直方向からしか観察できないという問題を解決するものであり、素子面に対して大きな角度をつけて観察することができるという利点がある。
【特許文献１】特願２００６−０８０００９出願明細書
【特許文献２】特開２００５−０１０７５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、２面コーナーリフレクタアレイは、被投影物から発せられた光が各２面コーナーリフレクタの２つの鏡面で１回ずつ（合計２回）反射して２面コーナーリフレクタアレイを透過する場合に、当該物体の像が正確に結像するように構成してある。迷光の抑制を考慮した最も簡単な構成としては、この２面コーナーリフレクタを全て同一方向に向けて配列するものであるが、この場合には、一方向のみからの観察が可能な構成となっている。そのために、観察者からは左右方向の視域が狭く、一つの被投影物の像を同時に多人数で観察することは困難であった。【０００５】
そこで本発明は、２面コーナーリフレクタを利用しつつ、被投影物の空中に浮かぶ像を多人数で様々な方向から観察できるようにする新規な光学素子を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち本発明は、１つの平面を構成し光を透過させ得る素子面に、相互に直交させた２つの鏡面要素からなる２面コーナーリフレクタを、前記素子面に垂直な回転軸を持った回転方向において複数方向を向けて複数形成し、前記素子面の一方側に配置される被投影物から発せられる光を前記各２面コーナーリフレクタにおける２つの鏡面要素にそれぞれ１回ずつ反射させて当該素子面を透過させることにより、前記素子面に対する前記被投影物の面対称位置に該被投影物の像を、前記素子面の他方側における複数の方向から観察可能に結像させることを特徴とする多視点空中映像表示素子である。このような多視点での観察は、素子面に対して角度をつけた観察が可能である、２面コーナーリフレクタアレイを用いることで初めて可能となる。【０００７】
このような構成の光学素子であれば、被投影物からの光が素子面を透過する際に、各２面コーナーリフレクタの２つの鏡面で１回ずつ反射して素子面の反対側の空中に結像する。すなわち、観察者からは、２つの鏡面要素の内角が視線方向と向き合っている２面コーナーリフレクタで反射して結像した被投影物の像を観察することが可能となる。そして、多数の２面コーナーリフレクタは、素子面上において複数の方向を向いて配置されているため、素子面に対して複数の方向から被投影物の像を観察することができることとなる。また、このような２面コーナーリフレクタを利用した結像方式によれば、奥行き方向に対して広い焦点範囲を確保することができ、結像したバーチャルな３次元像又は２次元像を複数の方向から共有して、同一の被投影物の実像を複数の方向から仮想的に手指等で触れ又はポインティングする行為が可能となり、これまでにない像の利用態様を得ることができる。なお、相互に直交する２面コーナーリフレクタを構成する２つの鏡面要素は、縁部を共有して相互に接触させていてもよいし、相互に接触させずに相互に間隙を空けて配置してもよい。また、被投影物は１つとしてもよいし、複数としてもよい。被投影物が１つのみの場合は、上述のように同一の被投影物の実像を複数方向から観察することができ、例えば複数の液晶画面を配置してそれらに表示される各映像を複数の被投影物とする場合には、各映像の実像を同時に結像させて複数方向から観察することができるようになる。【０００８】
特に、前記素子面に形成される複数の２面コーナーリフレクタの向く方向を、ランダムとする場合には、素子の構造が一様であるため、素子中心が存在せず、どの場所であっても全方位結像が可能であり、また被投影物の素子面に対する配置位置の自由度も高いという利点がある。ただし、被投影物から発せられる光の反射に使われない２面コーナーリフレクタが存在するため素子の透過率は低くなる。また観察方向と対向する鏡面要素が存在するため、１回反射による迷光が生じやすい可能性があるが、２面コーナーリフレクタを構成する鏡面要素の方向はランダムなため、1回反射による迷光では結像しない。【０００９】
また、前記複数の２面コーナーリフレクタを、全てが所定の一点を向くように形成する場合には、その一点を通る素子面の垂線近傍に被投影物の配置位置を定めることで、その素子面の反対側に結像する実像を複数の視点から共有することができる。【００１０】
以上の他にも、空中の実像を複数の方向から観察できるようにする多視点空中映像表示素子の構成としては、前記素子面に、複数の前記２面コーナーリフレクタが同一方向を向く領域を複数形成し、当該各領域ごとに２面コーナーリフレクタが向く方向を異ならせた態様を採用することもできる。【００１１】
この場合、前記複数の領域は、所定位置を基準とする角度により前記素子面上を区分したものとすることができる。このようにすることで、被投影物の素子面に対する反対側から、実像を複数の角度から観察することができることとなる。すなわち、基準となる所定位置に内角を向けた多数の２面コーナーリフレクタの集合がある角度範囲内の領域に存在し、その領域が素子面上に複数配置されることになるため、複数方向からの像の観察を角度を変えながら行うことができる。この態様の場合には、ある視点から見た場合に利用される２面コーナーリフレクタは密に配置されているため透過率は高くなる。ただし、素子構造が一様ではなくなり中央部が生じるため、結像可能位置が限定される。このような現象は、２面コーナーリフレクタを素子面上にランダムな方向で形成した多視点空中映像表示素子を除いて、それ以外の本発明に係る多視点空中映像表示素子に共通するものである。【００１２】
あるいはまた、複数の前記２面コーナーリフレクタが同一方向を向く領域を、それぞれ独立した２面コーナーリフレクタアレイにより構成することもできる。この場合当該各２面コーナーリフレクタアレイを、光を透過させ得る部分素子面に、相互に直交させた２つの鏡面要素からなる２面コーナーリフレクタを何れも同一方向に向けて複数形成し、当該部分素子面の一方側に配置される被投影物から発せられる光を前記各２面コーナーリフレクタにおける２つの鏡面要素にそれぞれ１回ずつ反射させて当該部分素子面を透過させることにより、前記部分素子面に対する前記被投影物の面対称位置に該被投影物の像を、前記素子面の他方側から観察可能に結像させるものとして、前記複数の２面コーナーリフレクタアレイにおける部分素子面の集合により前記素子面を構成することとなる。当該各２面コーナーリフレクタアレイは、光を透過させ得る部分素子面に、相互に直交させた２つの鏡面要素からなる２面コーナーリフレクタを何れも同一方向に向けて複数形成し、当該部分素子面の一方側に配置される被投影物から発せられる光を前記各２面コーナーリフレクタにおける２つの鏡面要素にそれぞれ１回ずつ反射させて当該部分素子面を透過させることにより、前記部分素子面に対する前記被投影物の面対称位置に該被投影物の像を、前記素子面の他方側から観察可能に結像させるものである。すなわち、各２面コーナーリフレクタアレイの部分素子面の集合により、前記素子面が構成される。この場合、単一の素子面に２面コーナーリフレクタを複数の方向を向けて同時に形成する態様と比較して、各２面コーナーリフレクタアレイには一方向を向く２面コーナーリフレクタを複数形成することが容易となるため、そのような２面コーナーリフレクタアレイを複数平面的に組み合わせることで本発明の多視点空中映像表示素子をより低コストで作成することができる。【００１３】
以上のような本発明の各多視点空中映像表示素子においては、被投影物のごく近くに異なる向きの２面コーナーリフレクタが接近して配置した場合、迷光が生じる可能性がある。そこで、被投影物を通る前記素子面の垂線を含む当該素子面上の一定の領域には、前記２面コーナーリフレクタを形成しないように多視点空中映像表示素子を構成することで、迷光を防止して鮮明な像を観察することができるようになる。なお、迷光防止のために２面コーナーリフレクタを形成しない素子面上の部位は、不透明にしたり遮光するなどの措置が好適である。【００１４】
具体的に２面コーナーリフレクタは、板状をなす基盤を厚み方向に貫通させた穴の内壁に前記直交する２つの鏡面要素を形成したものとして、当該穴を通じて基盤の一方の面方向から他方の面方向へ光が透過する際に、２つの鏡面要素でそれぞれ１回ずつ反射させるものとした態様を好ましい構成として挙げることができる。なお、この場合は、２つの鏡面要素に対して垂直な面、例えば基盤が平らな薄板状のものであればその肉厚の中央部を通り且つ２つの鏡面要素に垂直な面（通常は、基盤の外表面と平行な面）が、多視点空中映像表示素子の素子面に該当する。【００１５】
或いはまた、２面コーナーリフレクタを、透明な筒状体の内壁面に前記直交する２つの鏡面要素を形成したものとして、前記筒状体を通じて前記各鏡面要素に対して垂直な一方の面側から他方の面側へ光が透過する際に、２つの鏡面要素でそれぞれ１回ずつ反射させるものとしても、穴の内壁を利用する場合と同様の作用を得ることができる。なお、この場合も、２つの鏡面要素に対して垂直な面、例えば筒状体の外形が立方体形状のものであればその高さ方向の中央部を通り且つ２つの鏡面要素に垂直な面が、多視点空中映像表示素子の素子面に該当する。【００１６】
また、これら穴の内壁又は筒状体の内壁面のうち、前記２面コーナーリフレクタを形成する２つの鏡面以外の面を、非鏡面とすることで、１つの穴または筒状体において光が３回以上反射する多重反射を防止することができる。【００１７】
また、穴の内壁又は筒状体の内壁面のうち、前記２面コーナーリフレクタを形成する２つの鏡面以外の面を、前記素子面に対して垂直とならないように形成することによっても、多重反射の防止効果が得られる。【００１８】
本発明における多視点空中映像表示装置によって被投影物の実像の観察を行う場合には、実像の背面に配置された複数の２面コーナーリフレクタの素子面から斜めに透過してくる光線を見ることになるが、この素子面を反対方向から見た場合には、素子面の下部に配置された被投影物を直接観察できてしまう場合がある。そこで、素子面に、特定の方向の光線のみを透過・遮断若しくは拡散する光学的な視線制御手段を配置し、この視線制御手段により、結像する光線のみを透過し、他の迷光となる光線を遮断するという対策が考えられる。これによって、観察者は、素子面下部の被投影物を目にすることなく、空中映像である実像のみを観察することが可能となる。視線制御手段は、素子面における実像が結像する側の面に設けても、その被投影物側の面に設けてもよい。なお視線制御手段の具体例としては、特定方向の光線のみを拡散させる視界制御フィルム（例えば「ルミスティ（商品名、住友化学株式会社製）」）や、微小なルーバにより特定方向の光線のみを遮断する視野角調整フィルム（例えば「ライトコントロールフィルム（商品名、住友スリーエム株式会社製）」）等の光学フィルムなどを用いることができる。なお、ルーバ方式を拡張し、平行に羽板を配置するだけでなく、格子状になるように羽板を配置したものを用いることも可能である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、素子面上に多数の２面コーナーリフレクタを適宜に方向を変えて配置し、又は同一方向を向けた２面コーナーリフレクタを多数備える２面コーナーリフレクタアレイを部分素子面として方向を変えて複数配置することで、素子面の一方側に配置される被投影物の像を当該素子面の他方側の複数方向から観察することが可能である。このように観察される像は、被投影物が２次元物か３次元物か映像であるかを問わず、空中に結像させることができ、観察者が仮想的にアクセスすることができるものである。例えば本発明の多視点空中映像表示素子が、素子面を挟んで被投影物とは反対側の全方向（３６０°）から像を観察することができるものである場合には、被投影物が平面であれば、どこから見ても空中の同位置に見ることができ、被投影物が立体物であれば奥行きが反転した像を見ることができる。
また、このような本発明の多視点空中映像表示素子を所定のテーブル等の天板に埋め込み、天板の下方に被投影物を配置することで、被投影物の像を複数方向から同時に（複数人で）観察することが可能な、新しい表示形式のディスプレイ装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る多視点空中映像表示素子を概略的に示す斜視図。
【図２】同実施形態に適用される２面コーナーリフレクタアレイを示す平面図。
【図３】同２面コーナーリフレクタアレイの一部を拡大して示す斜視図。
【図４】同実施形態の多視点空中映像表示素子による結像様式を模式的に示す平面図。
【図５】同実施形態の多視点空中映像表示素子による結像様式を模式的に示す斜視図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る多視点空中映像表示素子を概略的に示す平面図。
【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を示す平面図。
【図８】本発明の第３実施形態に係る多視点空中映像表示素子を概略的に示す平面図。
【図９】同多視点空中映像表示素子の他の例を示す平面図。
【図１０】本発明の第４実施形態に係る多視点空中映像表示素子を概略的に示す平面図。
【図１１】本発明の第５実施形態に係る多視点空中映像表示素子を概略的に示す平面図。
【図１２】第１実施形態において、被投影物が３次元物体である場合に観察される実像の一例を概略的に示す斜視図。
【図１３】第１実施形態に適用される２面コーナーリフレクタアレイの他の例を示す斜視図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。【００２２】
＜第１実施形態＞図１に示す本発明の第１実施形態は、多数の２面コーナーリフレクタ１を備えた２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を有する多視点空中映像表示素子３Ａの一例である。本実施形態の多視点空中映像表示素子３Ａは、一対の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を正対させて配置するとともに、それら２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の接合部分における素子面Ｓの一方面側（図示例では下方）に被投影物Ｏを配置することによって、視点Ｖ１からは２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１を通じて、視点Ｖ２からは２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２を通じて、被投影物Ｏの像Ｐを観察するように構成したものである。但し、多視点空中映像表示素子Ｓは、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を部分素子面ｓとして構成されている。なお、２面コーナーリフレクタ１は２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２と比べて非常に微小であるので、同図においては２面コーナーリフレクタ１の集合全体をグレーで表し、その内角の向きをＶ字形状で表してある。以下、各部の具体的構成及び結像様式について説明する。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を総称する場合は、符号２Ａ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の内壁面うち直交する２つにそれぞれ鏡面要素１１，１２を形成したものである。【００２４】
基盤２１は、厚み寸法が例えば５０〜２００μｍ、本実施形態では１００μｍの薄板状のものであり、本実施形態では、一辺がそれぞれ約５ｃｍの平面視正方形状のものを適用しているが、基盤２１の厚さや平面寸法はこれらに限られることなく適宜設定することができる。図２のＡ部を拡大して図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要素１１，１２とし、これら鏡面要素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上において鏡面要素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、この鏡面要素１１，１２の内角の向きを、２面コーナーリフレクタ１の向き（方向）と称することがある。鏡面要素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、鏡面要素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を構成する鏡面要素１１，１２は、一辺が例えば５０〜２００μｍ、本実施形態では基盤２１の厚さに対応させた１００μｍであり、先に作成した金型を用いたプレス工法をナノスケールに応用したナノインプリント工法又は電鋳工法により、１つの基盤２１に所定ピッチで複数形成されている。本実施形態では、各２面コーナーリフレクタ１の部分素子面ｓ上でＶ字形状をなす各辺を、基盤２１の巾方向又は奥行き方向に対して４５度傾斜させるとともに、全ての２面コーナーリフレクタ１が素子面Ｓ上に想定される規則的な格子点上に整列されて同一方向を向くようにしている。なお、隣り合う２面コーナーリフレクタ１同士の離間寸法を極力小さく設定することで、透過率を向上させることができる。そして、前記基盤２１のうち、２面コーナーリフレクタ１を形成した部分以外の部位には遮光処理を施し、基盤２１の上面及び下面に図示しない薄板状をなす透明な補強材を設けている。本実施形態では、このような２面コーナーリフレクタ１を基盤２１に数万ないし数十万個設けた２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを採用している。【００２６】
他の鏡面要素の形成方法として、電鋳工法によりアルミやニッケル等の金属で基盤２１を形成した場合、鏡面要素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、鏡面要素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要素（１１又は１２）で反射させ、さらにその反射光を他方の鏡面要素（１２又は１１）で反射させて基盤２１の裏面側（又は表面側）へと通過させる機能を有し、この光の経路を側方から見れば光の進入経路と射出経路とが基盤２１を挟んで面対称をなすことから、上述のように基盤２１上に多数の２面コーナーリフレクタ１を形成することで、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａとして機能する。すなわち、斯かる２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの部分素子面ｓ（基盤２１の肉厚の中央部を通り各鏡面要素と直交する面を仮定し、図中に想像線で示す。）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結像させる面となる。【００２８】
多視点空中映像表示素子３Ａは、上述した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを２つ（符号２Ａ１，２Ａ２）用い、両者の２面コーナーリフレクタ１が相互に対向させた状態で部分素子面ｓ同士が面一となって１つの平面上に素子面Ｓが構成されるように、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の縁部同士を接合させた構成としている。さらに、両２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の接合部分において、素子面Ｓの一方側（基盤２１の下方側）の中央部には、被投影物Ｏを配置するようにしている。被投影物Ｏは、２次元の物体（厳密には２次元物体ではないが、例えば紙に描いた文字や模様等）、３次元の物体、映像等を適用することができる。本実施形態では、被投影物Ｏの一例として、図５にアルファベットの「Ｆ」の文字の２次元図形を適用した例を示す。但し、被投影物Ｏの「Ｆ」の文字は、観察される実像の「Ｆ」の文字が上下正しい向きとなるように、上下を逆にして配置される。【００２９】
ここで、本実施形態の多視点空中映像表示素子３Ａによる結像様式を、被投影物Ｏから発せられた光の経路とともに説明する。図４に平面的な模式図で示すように、被投影物Ｏから発せられる光（矢印方向、実線で示す。３次元的には紙面奥側から紙面手前側へ進行する）は、何れか一方の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの基盤２１に形成した穴２２を通過する際に、２面コーナーリフレクタ１を構成する一方の鏡面要素１１（又は１２）で反射して更に他方の鏡面要素１２（又は１１）で反射することで（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の部分素子面ｓに対して被投影物Ｏの面対称位置に、「Ｆ」の文字として結像する。なお、各鏡面要素１１，１２で１回ずつ反射した２面コーナーリフレクタ１による反射光は、図４では、被投影物Ｏの位置を通過していないように表されているが、これは２面コーナーリフレクタ１の大きさを誇張して拡大表示しているためであり、実際には被投影物からの距離と比較して２面コーナーリフレクタ１は極めて微小なものであるため、結像点における反射光の広がりは、同様に微小なものとなる。具体的には、２面コーナーリフレクタ１の大きさの２倍程度に広がることになる。この実像Ｐは、図５に模式的に示すように、当該２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの２面コーナーリフレクタの鏡面要素１１，１２が見える位置、すなわち他方側の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの基盤２１の上方から観察することで視認可能となる。他方側の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを透過・反射して結像する被投影物Ｏの像についても作用は同様であるが、被投影物Ｏである「Ｆ」の文字の裏側が２面コーナーリフレクタアレイ２Ａにより結像されるため、「Ｆ」の文字を裏返した状態の像が観察される。詳述すれば、相互に直交する鏡面要素１１，１２に対して光が２回反射すると、光の成分のうち、基盤２１の面方向に平行な成分（換言すれば素子面Ｓと平行な成分）は入射方向に戻る一方、鏡面要素１１，１２の面方向に平行な成分（換言すれば素子面Ｓに対して垂直な成分）はその成分を保存する。その結果、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを透過した２回反射光は、素子面Ｓに対して面対称な点を必ず通過することとなる。そして、光源である被投影物Ｏからはあらゆる方向の光が出ることから、それらの光が２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを透過する際に各２面コーナーリフレクタ１で２回反射し、全て同一点に集まって焦点を結ぶ。このように、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを透過した２回反射光は面対称位置へ集束するため、深さ方向（素子面Ｓに対して垂直な方向）に対して広い範囲で焦点を結ぶことが可能となる。そして、基盤２１の下面側の空間に被投影物Ｏとして３次元物体を配置する場合には、基盤２１の上面側に３次元像が浮かぶこととなる。ただし、その３次元像は、凹凸が反転する。なお、被投影物Ｏが３次元物体である場合に観察される像については、図１３を参照して後述する。【００３０】
＜第２実施形態＞図６に模式的な平面図で示す本発明の第２実施形態は、少なくとも３方向から被投影物Ｏの像を観察できるようにした多視点空中映像表示素子３Ｂである。但し、同図では、２面コーナーリフレクタ１は、その集合全体をグレーで表し、その内角の向きをＶ字形状で大きく誇張して表してある。（図６以降の図面についても同様である）。【００３１】
本実施形態の多視点空中映像表示素子３Ｂは、例えば第１実施形態で用いた６つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂをそれぞれ半分に切断したうちの一方を、向きを変えて再接合することにより構成することができる。具体的に、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂは、第１実施形態で用いた２面コーナーリフレクタアレイ２Ａと同様のものであるが、２面コーナーリフレクタ１の方向を素子面Ｓ内で４５°傾けて形成しており、図７に示すように素子の中心を通り側縁と角度６０°で交わる直線で２つの台形状に２分割され、そのうちの一方（図示例では左上半分）の２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１が使用される。すなわち、６つの台形状をなす２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂのうち、３つを裏返しにして、裏返したものと裏返していないものとを向きを変えつつ台形の長辺同士が隣接するように接合することで、図６に示した多視点空中映像表示素子３Ｂが得られる。なお、この多視点空中映像表示素子３Ｂは、正方形状の２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂを切断するのではなく、当初から２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１と同様の台形状をなす２面コーナーリフレクタアレイを６枚使用することによっても形成することができることは言うまでもない。なお、同一視点に対応する２つの結像素子の境界部分においては、各２面コーナーリフレクタを破壊しないように配慮して段差をつけた境界線とすることで、境界部分における結像の不連続を避けることが可能である。【００３２】
このようにして得られる多視点空中映像表示素子３Ｂでは、６つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１が、台形の斜辺と長辺がなす角を中心部に集合した態様となり、この中心部における基盤２１’の一方面側（紙面下方）に被投影物Ｏを配置し、他方面側（紙面上方）から被投影物Ｏの像を観察することができるようになる。すなわち、図６に示すように台形の斜辺同士を接合させた２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１は、２面コーナーリフレクタ１がほぼ同じ方向で被投影物Ｏを向いているので、多視点空中映像表示素子３Ｂの中心部を挟んで台形の斜辺の延長方向から観察すれば（同図において視線を矢印で示す）、２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１による被投影物Ｏの像が確認できる。そして、このようにほぼ同じ方向を向く２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１の組み合わせは、本実施形態の多視点空中映像表示素子３Ｂでは３組あるため、少なくとも３方向からの像の観察が可能であり、さらに６つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１の２面コーナーリフレクタ１それぞれに正対して観察すれば、この多視点空中映像表示素子３Ｂでは６方向からの像の観察が可能である。ただし、ほぼ同じ方向を向く２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１における２面コーナーリフレクタ１は、正確に同一方向を向いているのではなく、それぞれ視線の方向とは約１５°程度の変位があるが、この程度の角度の差異は観察者の両目の視差の範囲内であり、ほぼ同一方向を向いていると見なすことができる。【００３３】
なお、被投影物Ｏの基盤２１’に対する直上にあたる多視点空中映像表示素子３Ｂの中央部では、異なる方向を向く２面コーナーリフレクタ１が接近して多数存在する場合、迷光が生じて鮮明に結像しない可能性が高いため、平面視した場合に基盤２１’上の被投影物Ｏと重なる部位には、２面コーナーリフレクタ１を形成しないなど、不透明として迷光を予め防止することが望ましい。【００３４】
＜第３実施形態＞図８に模式的な平面図で示す本発明の第３実施形態は、円盤状をなす多視点空中映像表示素子３Ｃであって、１つの被投影物Ｏの像に対して４方向から観察可能としたものである。具体的に、この多視点空中映像表示素子３Ｃは、４つの平面視扇型をなす２面コーナーリフレクタアレイ２Ｃから構成される。各２面コーナーリフレクタアレイ２Ｃは、中心角が何れも９０°をなす同形同大のものであり、面一な円形状に接合されている。このような２面コーナーリフレクタアレイ２Ｃにおいて、２面コーナーリフレクタ１は第１実施形態の場合と同様にして形成され、部分素子面ｓと素子面Ｓとの関係も第１実施形態と同様であるが、本実施形態では各２面コーナーリフレクタアレイ２Ｃの２面コーナーリフレクタ１はそれぞれの中心角（頂点）の方向に向けてあり、第２実施形態の場合と同様に迷光を防止するべく、中心角近辺には２面コーナーリフレクタ１を形成しないものとしている。【００３５】
このような態様の多視点空中映像表示素子３Ｃでは、その中心を基準として、所定角度（この例では９０°）ごとに２面コーナーリフレクタ１が一定の方向を向く領域に区分され、各領域は２面コーナーリフレクタアレイ２Ｃにより構成されていることとなる。そして、当該中心部における一方面側（紙面下方）に被投影物Ｏを配置し、多方面側（紙面上方）から被投影物Ｏの像を観察することができるようになる。すなわち、中心部を挟んで対面する１つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｃの方向を観察すれば（同図において視線を矢印で示す）、その２面コーナーリフレクタアレイ２Ｃによる被投影物Ｏの像を見ることができ、合計４方向からの像の観察が可能である。【００３６】
なお、２面コーナーリフレクタアレイにおいては、その数と扇型形状の中心角の大きさは任意に設定することができ、それらに応じて被投影物Ｏを観察可能な視点の数も変更することができる。また、このような多視点空中映像表示素子３Ｃは、複数の２面コーナーリフレクタアレイを面一に接合した構成に変えて、図９に変形例を示すように素子面を有する１枚の基盤４に、その中心部から所定の角度毎（同図の例では９０°毎）に同一方向を向く２面コーナーリフレクタ１を多数形成することによって構成しても、同様の効果を奏する多視点空中映像表示素子３Ｃ’が得られる。その他にも、上述したような扇型をなす４つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｃに代えて、例えば四角形等の扇型以外の形状をなす４つの２面コーナーリフレクタアレイを利用することによっても、本実施形態と同様の効果を持つ多視点空中映像表示素子を得ることができる。【００３７】
＜第４実施形態＞図１０に模式的な平面図で表す本発明の第４実施形態は、第３実施形態及の変形例と同様に、円盤状をなす多視点空中映像表示素子３Ｄであって、基盤５に形成される全ての２面コーナーリフレクタ１を特定の１点を向けて形成したものである。本実施形態では、一例として全２面コーナーリフレクタ１を素子面Ｓの中心点に向けて形成したものを採用しているが、２面コーナーリフレクタ１が向く点は任意に設定することができ、多視点空中映像表示素子３Ｄの平面視形状も円形に限定されない。【００３８】
このような多視点空中映像表示素子３Ｄの場合、全２面コーナーリフレクタ１が向く１点、すなわち本例では多視点空中映像表示素子３Ｄの中心を通る垂線上の素子面Ｓの一方面側（図示例では裏面側）に配置される。それにより、被投影物Ｏの実像は、前記垂線上において素子面Ｓの他方面側の空中に結像することとなり、観察者はその実像を、素子面Ｓの他方面側（図示例では表面側）の上方の任意の方向から観察することができることとなる。【００３９】
＜第５実施形態＞図１１に模式的な平面図で表す本発明の第５実施形態は、第１実施形態と同様の基盤５に、基盤面の面上で多数の２面コーナーリフレクタ１をランダムな方向に向けて形成した多視点空中映像表示素子３Ｅである。この多視点空中映像表示素子３Ｅの場合、被投影物Ｏは基盤６の下面側のどこに配置してもよいが、本実施形態では基盤５の中央部の下方に配置しているものとする。このように多数の２面コーナーリフレクタ１の向きをランダムとした場合、一定の角度範囲にある２面コーナーリフレクタが同一方向を向く場合と比較して、迷光となる１回反射光がより拡散するとともに、２回反射光の横方向視野角が広がり、透過率の視野角に対するピークが平坦になるという効果が得られる。そして、基盤６の上方におけるある位置から観察すると、その視線方向にほぼ対面する方向に内角を向けた複数の２面コーナーリフレクタ１により結像された被投影物Ｏの像を見ることができる。すなわち、基盤６の上方からは、基盤面と平行な全方向（３６０°）から被投影物Ｏの像を観察することが可能である。なお、以上のような２面コーナーリフレクの向きをランダム配置する場合においては、図２及び図３で示すような結像素子の構造においても、穴もしくは筒状体の４つの側壁を全て直交面かつ反射面として、２面コーナーリフレクタを４組構成する形態をとることも有効である。この場合、多重反射の問題が生じるものの、４組の２面コーナーリフレクタによって結像の明るさを増すことができる。【００４０】
以上では、被投影物Ｏが２次元物又は２次元映像である場合について主に説明したが、ここでは被投影物Ｏが３次元の立体物又は立体映像である場合について、図１２を参照して説明する。ここでは同図に示すとおり、第１実施形態の多視点空中映像表示素子３Ａにおいて被投影物Ｏとして円柱状の物体を採用した場合の実像の観察態様一例として説明する。すなわち、被投影物Ｏの多視点空中映像表示素子３Ａ（詳細には、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２）による結像様式自体は上述したとおりであるが、視点Ｖ１から見た場合、被投影物Ｏの外壁面（凸面）のうち２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１側の面の一部が、凹面の実像Ｐ１として観察される。一方、視点Ｖ２から見た場合、被投影物Ｏの外壁面（凸面）のうち２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２側の一部が、凹面の実像Ｐ２（図中、破線で示す）として観察される。例えば図示例のように、被投影物Ｏである円柱の外壁面において２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１側には文字「Ｈ」（図中、破線で示す）、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２側には文字「Ｌ」が表示されている場合、視点Ｖ１からは円柱の内壁面に文字「Ｈ」が表示されているかのように観察され、視点Ｖ２からは円柱の内壁面に文字「Ｌ」が表示されているかのように観察される。つまり、被投影物Ｏと観察される実像Ｐ１，Ｐ２とは、素子面Ｓと平行な方向において凹凸関係が逆転することになる。このような被投影物と実像との凹凸の反転を利用して、観察しようとする３次元物である被投影物Ｏの素子面Ｓに平行な方向の凹凸を予め反転させておけば、観察される実像の凹凸は期待通りに正しい凹凸を持つ像となる。【００４１】
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。例えば、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、上述した各実施形態では、２面コーナーリフレクタアレイにおいて、薄板状の基盤２１に正方形状の穴２２を形成し、その穴の内周壁のうち隣接する２つにより２面コーナーリフレクタを形成したが、このような構成に変えて、図１３に拡大して示すように、基盤２１の厚み方向に突出する透明な筒状体２３を碁盤目状に多数形成し、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。この鏡面要素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。この場合、筒状体２３に形成した鏡面要素１１’，１２’以外の内壁面を反射面としないかもしくは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。【００４２】
さらに、上述した各実施形態においては、２面コーナーリフレクタアレイの上面又は下面に、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を貼り付けて設けることができる。具体的にはこの光学フィルムにより、被投影物から発した光線が各２面コーナーリフレクタアレイを直接透過する方向の光が視点には届かないようにすることで、２面コーナーリフレクタアレイを通じて視点から被投影物直接観察できるようになることを防止する一方で、２面コーナーリフレクタで２回反射して２面コーナーリフレクタアレイを透過する方向の光線のみを透過させることで、被投影物の実像のみを視点から観察できるようにすることが可能である。ただし、２面コーナーリフレクタアレイを透過又は遮断させる光線の方向は、光学フィルムを２面コーナーリフレクタアレイの上面側に貼り付ける場合と下面側に貼り付ける場合とで逆となる。【００４３】
その他、また、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素子又は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、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】
【００４４】
本発明は、被投影物の実鏡映像を同時に複数の視点から、すなわち複数人数で同時に観察することができるという、新しい空中映像の観察方法を可能とするディスプレイ装置として利用することが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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