(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自らの素子面に対して収束状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に発散状態で出射する一方、自らの素子面に対して発散状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に収束状態で出射する板状の反射型面対称結像素子と、
光を前記反射型面対称結像素子へ収束又は発散状態で入射する中継光学素子と、
前記中継光学素子へ前記光を供給する発光体と、を備え、
前記中継光学素子から出射された光が前記素子面に対して発散状態で入射し、前記素子面に対して収束状態で出射された光が実像として結像されるように、前記発光体、前記中継光学素子、及び前記反射型面対称結像素子を配置することを特徴とする表示装置。
【請求項２】
自らの素子面に対して収束状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に発散状態で出射する一方、自らの素子面に対して発散状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に収束状態で出射する板状の反射型面対称結像素子と、
光を前記反射型面対称結像素子へ収束又は発散状態で入射する中継光学素子と、
前記中継光学素子へ前記光を供給する発光体と、を備え、
前記中継光学素子から出射された光が前記素子面に対して発散状態で入射し、前記素子面に対して収束状態で出射された光が実像として結像されるように、または前記中継光学素子から出射された光が前記素子面に対して収束状態で入射し、前記素子面に対して発散状態で出射された光が虚像として結像されるように、前記発光体、前記中継光学素子、及び前記反射型面対称結像素子を配置し、
前記反射型面対称結像素子は、第１及び第２光反射面を有する微小ミラーユニットがマトリクス状に配列された構造体で構成され、入射光を前記第１及び第２光反射面により２回反射させて鏡映像を作り出すものであり、
前記反射型面対称結像素子は、１つの光反射面を有する複数の長手部材をその光反射面が同一方向側となるように平行に配列した第１集合体及び第２集合体を、その光反射面が交差するように重ね合わせて構成されてなり、前記第１集合体の光反射面が前記微小ミラーユニットの前記第１光反射面を構成しかつ前記第２集合体の光反射面が前記微小ミラーユニットの前記第２光反射面を構成することを特徴とする表示装置。
【請求項３】
前記発光体は、自発光体又は被照射体であることを特徴とする請求項１又は２記載の表示装置。
【請求項４】
前記発光体、前記中継光学素子及び前記反射型面対称結像素子を含む遮光体を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項５】
前記遮光体の一部が前記反射型面対称結像素子からなることを特徴とする請求項４記載の表示装置。
【請求項６】
前記遮光体の内壁面は暗色であることを特徴とする請求項４又は５記載の表示装置。
【請求項７】
前記中継光学素子は、凸レンズ、凹レンズ、凹面鏡、凸面鏡のいずれかを含む結像光学素子であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項８】
前記中継光学素子において、前記結像光学素子と前記発光体との間に、ハーフミラーが配置され、光が前記ハーフミラーで合成されることを特徴とする請求項７記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズ、反射鏡に代表される結像光学素子により結像された虚像を実像、または実像を虚像に変換して映像を表示する表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
リアルな３次元空中映像を実現するために、光線を細かく分割する微細加工技術に着目し、鏡に映った像鏡映像を虚像でなく実像で空中に結像させることを可能とするナノ加工技術を用いた反射型面対称結像素子が開発されている（非特許文献１参照）。
【０００３】
かかる反射型面対称結像素子の素子面には１辺１００μｍ、深さ１００μｍの微小な貫通穴が多数開いている。この穴の内壁がマイクロミラーとなっており、隣接する２面のマイクロミラーによって２面コーナーリフレクターが構成されている。穴を通過する光はこのマイクロミラーに２回反射されることで鏡映像が形成される（特許文献１〜３、非特許文献１、参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１５８１１４
【特許文献２】特開２００９−２５７７６
【特許文献３】特開２００９−７５４８３
【非特許文献１】空中映像を結像する「鏡」の開発に成功〜リアルな３次元空中映像の実現に向けて〜、（URL:http://www2.nict.go.jp/pub/whatsnew/press/h18/061124-2/061124-2.html）［平成２０年４月２８日現在］
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
反射型面対称結像素子は、単独で使用する範囲において物体を実像として結像することが可能であり、物体と実像は等倍の関係にある。よって、物体と反射型面対称結像素子は得られる実像の大きさに比例して、大きい物体であれば大きいすなわち大面積の反射型面対称結像素子を必要とする。
【０００６】
よって、これらを表示装置に用いる場合など物体と反射型面対称結像素子の設置態様に制限されることが多いという問題点がある。
【０００７】
そこで、本発明が解決しようとする課題には、上記の問題点が一例として挙げられ、配置自由度の高い物体と反射型面対称結像素子の設置を可能にした表示装置を提供することが本発明の目的の一つである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様の表示装置は、
自らの素子面に対して収束状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に発散状態で出射する一方、自らの素子面に対して発散状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に収束状態で出射する板状の反射型面対称結像素子と、
光を前記反射型面対称結像素子へ収束又は発散状態で入射する中継光学素子と、
前記中継光学素子へ前記光を供給する発光体と、を備え、
前記中継光学素子から出射された光が前記素子面に対して発散状態で入射し、前記素子面に対して収束状態で出射された光が実像として結像されるように、前記発光体、前記中継光学素子、及び前記反射型面対称結像素子を配置することを特徴とする。
また、本発明の別の態様の表示装置は、自らの素子面に対して収束状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に発散状態で出射する一方、自らの素子面に対して発散状態で入射される光束を前記素子面に関して対称に収束状態で出射する板状の反射型面対称結像素子と、
光を前記反射型面対称結像素子へ収束又は発散状態で入射する中継光学素子と、
前記中継光学素子へ前記光を供給する発光体と、を備え、
前記中継光学素子から出射された光が前記素子面に対して発散状態で入射し、前記素子面に対して収束状態で出射された光が実像として結像されるように、または前記中継光学素子から出射された光が前記素子面に対して収束状態で入射し、前記素子面に対して発散状態で出射された光が虚像として結像されるように、前記発光体、前記中継光学素子、及び前記反射型面対称結像素子を配置し、
前記反射型面対称結像素子は、第１及び第２光反射面を有する微小ミラーユニットがマトリクス状に配列された構造体で構成され、入射光を前記第１及び第２光反射面により２回反射させて鏡映像を作り出すものであり、
前記反射型面対称結像素子は、１つの光反射面を有する複数の長手部材をその光反射面が同一方向側となるように平行に配列した第１集合体及び第２集合体を、その光反射面が交差するように重ね合わせて構成されてなり、前記第１集合体の光反射面が前記微小ミラーユニットの前記第１光反射面を構成しかつ前記第２集合体の光反射面が前記微小ミラーユニットの前記第２光反射面を構成することを特徴とする。
【０００９】
上記の表示装置においては、前記発光体は、自発光体又は被照射体であることとすることができる。
【００１０】
上記の表示装置においては、前記発光体、前記中継光学素子及び前記反射型面対称結像素子を含む遮光体を含むこととすることができる。
【００１１】
上記の表示装置においては、前記遮光体の一部が前記反射型面対称結像素子からなることとすることができる。
【００１２】
上記の表示装置においては、前記遮光体の内壁面は暗色であることとすることができる。
【００１３】
前記中継光学素子は、凸レンズ、凹レンズ、凹面鏡、凸面鏡のいずれかを含む結像光学素子であることとすることができる。
【００１４】
上記の表示装置においては、前記中継光学素子において、前記結像光学素子と前記発光体との間に、ハーフミラーが配置され、光が前記ハーフミラーで合成されることとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態の表示装置における微小ミラーユニットを概念的に説明するためのＸＹＺ直交座標における微小ミラーユニットの斜視図である。
【図２】本発明の実施形態の表示装置におけるＺ軸方向から眺めたＸＹ平面上の微小ミラーユニットの平面図である。
【図３】図２の第１及び第２光反射面のなす角の二等分線とＺ軸に直角な方向から眺めた第１及び第２光反射面の側面図である。
【図４】本発明の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の平面図である。
【図５】本発明の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の斜視図である。
【図６】本発明の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の斜視図である。
【図７】本発明の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の斜視図である。
【図８】本発明の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の斜視図である。
【図９】本発明の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子を構成する直方体材を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子を形成する２つのシート部の組み合わせを示す斜視図である。
【図１１】本発明の他の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の形成用の一面に階段状側面を有する直方体形成用の板状体の部分切欠斜視図である。
【図１２】本発明の他の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の形成用の一面に階段状側面を有する直方体形成用の板状体の部分切欠斜視図である。
【図１３】本発明の他の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の形成用の一面に階段状側面を有する直方体形成用の板状体の部分切欠斜視図である。
【図１４】本発明の他の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の形成用の一面に階段状側面を有する直方体形成用の板状体の部分切欠斜視図である。
【図１５】本発明の他の実施形態の表示装置における反射型面対称結像素子の形成用の一面に階段状側面を有する直方体形成用の板状体の接着した集合体を示す部分切欠斜視図である。
【図１６】本発明の実施形態の表示装置における中継光学素子の凸レンズによる光路を示す概略断面図である。
【図１７】図１６の中継光学素子の凸レンズと反射型面対称結像素子を含む表示装置における光路を示す概略断面図である。
【図１８】本発明の他の実施形態の表示装置における中継光学素子の凸レンズによる光路を示す概略断面図である。
【図１９】図１８の中継光学素子の凸レンズと反射型面対称結像素子を含む表示装置における光路を示す概略断面図である。
【図２０】本発明の他の実施形態の表示装置における中継光学素子の凹面鏡による光路を示す概略断面図である。
【図２１】図２０の中継光学素子の凹面鏡と反射型面対称結像素子を含む表示装置における光路を示す概略断面図である。
【図２２】本発明の他の実施形態の表示装置における中継光学素子の凹面鏡による光路を示す概略断面図である。
【図２３】図２２の中継光学素子の凹面鏡と反射型面対称結像素子を含む表示装置における光路を示す概略断面図である。
【図２４】本発明の他の実施形態の表示装置における中継光学素子の凹面鏡による光路を示す概略断面図である。
【図２５】図２４の中継光学素子の凹面鏡と反射型面対称結像素子を含む表示装置における光路を示す概略断面図である。
【図２６】ディスプレイと拡大光学系レンズと平面ミラーの組み合わせからなるプロジェクタ表示装置における光路を示す概略断面図である。
【図２７】本発明の実施例の表示装置のディスプレイと拡大光学系凸レンズと内部平面ミラーと反射型面対称結像素子の組み合わせからなるプロジェクタ表示装置における光路を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００１６】
１  物体
２、２ｂ  反射型面対称結像素子
３  実像
２０  直方体材
２１、２２  シート部
２３  光反射膜
２４  光吸収膜
３１  板状体
３２  板状体平行峰部
３３  板状体主面
３４  板状体集合体
４１  ディスプレイ
４２  凸レンズ
４３  平面ハーフミラー
４４  凸レンズ
４５  内部平面ミラー
ＣｖＬ  凸レンズ
ＣｃＭ  凹面鏡
ＨＭ  ハーフミラー
Ｍｕ  微小ミラーユニット
Ｍｘｚ  第１光反射面
Ｍｙｚ  第２光反射面
Ｔ  光透過面
【発明を実施するための形態】
【００１７】
凸レンズ、凹レンズや、凹面鏡、凸面鏡などの従来の結像光学素子は、像の拡大縮小は可能であるが、その像を観察できる位置はそれぞれの光学系の光路により制限されている。また、これら従来の結像光学素子は結ぶ像が実像になるか虚像になるかはそれぞれの光学系の種類と物体の位置関係において決められ、結像される像を実像にするか虚像にするかによって観察位置が大きく制約を受ける。
【００１８】
発明者は鋭意研究し、反射型面対称結像素子では、像の拡大縮小をすることができなかったが、今回これらを組み合わせた表示装置とするとこで、虚像を実像に変換、あるいは実像を虚像に変換し、かつ拡大縮小を可能にすると同時に、結像された像を観察できる範囲を変化させることを実現した。
【００１９】
かかる表示装置は、自らの素子面に対して収束又は発散状態で入射される光束を素子面に関して対称に発散又は収束状態で射出する板状の反射型面対称結像素子と、光を反射型面対称結像素子へ収束又は発散状態で入射する中継光学素子（上記の従来の結像光学素子）と、中継光学素子へ光を供給する物体と、を備えている。そして、反射型面対称結像素子、中継光学素子及び物体は、物体の実像または虚像を観察できるように配置なされている。
【００２０】
以下に本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２１】
＜反射型面対称結像素子＞
反射型面対称結像素子は微小ミラーユニットの多数配列により構成されるので、１つの微小ミラーユニットから説明する。
【００２２】
図１は、微小ミラーユニットを概念的に説明するためのＸＹＺ直交座標における微小ミラーユニットＭｕの斜視図である。微小ミラーユニットＭｕは素子面（ＸＹ平面）に直交する第１光反射面Ｍｘｚ及び第２光反射面Ｍｙｚからなる。
【００２３】
微小ミラーユニットＭｕにおいては、単位格子（１，１，１，）に或る点（黒丸）があるとすると、第１光反射面Ｍｘｚの鏡面に黒丸（１，−１，１，）が、第２光反射面Ｍｙｚの鏡面に黒丸（−１，１，１，）が、それぞれ像空間に投影される。ここでＸＹＺ直交座標値における−１は各軸方向の逆方向を意味し、各軸方向に垂直な平面に反転することを意味する。
【００２４】
それぞれ像空間における第１光反射面Ｍｘｚの鏡面と第２光反射面Ｍｙｚの鏡面が、ＸＹＺ直交座標で有るために、黒丸（１，−１，１，）と黒丸（−１，１，１，）の像を単位格子（１，１，１，）の実空間の対角位置の空間に星印（−１，−１，１，）を投影する。
【００２５】
したがって、対角位置空間の星印（−１，−１，１，）と実空間の黒丸（１，１，１，）の関係は、黒丸の（１，１，１，）のＸＹ軸方向の位置は星印（−１，−１，１，）のＸＹ軸方向の位置と反転する関係にある。
【００２６】
図２は、Ｚ軸方向から眺めたＸＹ平面上の微小ミラーユニットＭｕの平面図である。ここでは、実空間を（１，１，１，）と、第１光反射面Ｍｘｚの鏡面による像空間を（１，−１，１，）と、第２光反射面Ｍｙｚの鏡面による像空間を（−１，１，１，）と、第１及び第２光反射面Ｍｘｚ，Ｍｙｚの像空間の鏡面による像空間を（−１，−１，１，）と、表してある。実空間（１，１，１，）に線体Ｂがあるとすると、像空間（−１，−１，１，）ではＸＹ軸方向で反転する虚像Ｂｖが得られる。実空間（１，１，１，）の第２光反射面Ｍｙｚの鏡面へ光線を角度θで入射すると光線は反射され、第１光反射面Ｍｘｚの鏡面に角度φで反射され、第２光反射面Ｍｙｚの鏡面への入射光線と平行になって同一方向へ戻される。
【００２７】
したがって、第１光反射面Ｍｘｚ及び第２光反射面Ｍｙｚのそれぞれの法線方向以外の微小ミラーユニットＭｕへの入射光線は、ＸＹ平面のＺ軸から開く第１及び第２光反射面Ｍｘｚ，Ｍｙｚの範囲内（９０度未満）で反転した光線として同一方向へ戻るすなわち、再帰することになる。因みに、２枚の鏡を用意し、それを直角に合わせ鉛直に立て鏡の交線を覗いてみると、水平方向のいずれの位置でも自分の顔が常に真ん中にあることが観察できることからも再帰性は明らかである。
【００２８】
しかしながら、Ｚ軸方向においては、微小ミラーユニットＭｕの第１及び第２光反射面Ｍｘｚ，Ｍｙｚによる再帰性は現れない。図３は図２の第１及び第２光反射面Ｍｘｚ，Ｍｙｚのなす角の二等分線とＺ軸に直角な方向から眺めた第１及び第２光反射面Ｍｘｚ，Ｍｙｚの側面図である。ここで実空間（１，１，１，）の第２光反射面Ｍｙｚの鏡面へ光線をＺ軸に対して角度ψで入射すると光線は反射され、第１光反射面Ｍｘｚの鏡面で反射され、Ｚ軸に対して角度ψで反射される。因みに、完全な再帰性を得るためには図１のＸＹ平面に第３光反射面を更に設ければ、図１の白丸の像空間（−１，−１，−１，）による再帰性を得ることができる。この互いに直交する３枚の鏡を合わせたとき、３本の交線に向かう入射光線がいずれの入射位置でも同一入射方向に戻るコーナーキューブ、レトロリフレクタの再帰性として知られている。
【００２９】
実施形態の反射型面対称結像素子２においては、Ｚ軸方向成分においては入射光線を正反射するとともにＸＹ軸方向成分については入射光線を再帰性反射をする微小ミラーユニットＭｕの複数を、図４の平面図に示すように例えばＸＹ軸方向に第１光反射面Ｍｘｚ及び第２光反射面Ｍｙｚが一致するようにマトリクス状に平面的に配列して構成されている。なお、反射型面対称結像素子２においてＺ軸方向には光が通過（少なくとも一部は２回反射して）できるような構成されていることは云うまでもない。
【００３０】
図５に示すように例えば反射型面対称結像素子２のＺ軸上の正側（上側）に発散光ＣｖＢを発する発光体があれば、反射型面対称結像素子２の微小ミラーユニット有効領域に拡がった全ての光線のうち、各第１及び第２光反射面Ｍｘｚ，Ｍｙｚで２回、反射した光線のそれぞれは、当該発光体の反射型面対称結像素子２に対する面対称位置に収束する。
【００３１】
一方、図６に示すように例えば反射型面対称結像素子２のＺ軸上の正側（上側）から収束光ＤｖＢを、反射型面対称結像素子２の微小ミラーユニット有効領域に入射すれば、その中の集光領域内の各第１及び第２光反射面Ｍｘｚ，Ｍｙｚで２回、反射した光線は、反射型面対称結像素子２から面対称に発散して発散光として拡がる。
【００３２】
このように直交する第１及び第２光反射面Ｍｘｚ，Ｍｙｚの法線で作るＸＹ平面内においては光線を再帰的に反射しかつＺ軸方向で正反射するので、図７に示すように、自発光体又は被照射体の物体１がＺ軸上の負側（下側）に配置されるとき、当該物体１の像を実像Ｒｉで結像させることが可能となる。微小ミラーユニットに写った像の裏側からの観察となるので、三次元物体に対しては奥行きが反転する。一つの微小ミラーユニットが数１０μｍ〜数１０ｍｍ角の大きさで自由に製作することが可能であるので、かかる像の解像度は各微小ミラーユニットＭｕのサイズを小さくことにより、微小ミラーユニットＭｕを密に配列することにより像の明るさを向上できる。なお、物体１は自発光体又は被照射体でもよく、液晶ディスプレイなどの表示器の表示面を物体１として用いるがことができる。
【００３３】
このような微小ミラーユニットを平面内に並べると、点光源から発せられた光線は、あらゆる微小ミラーユニットによって反射され、必ず面対称位置を通るので、実像の結像或いは虚像の結像が可能となる。反射型面対称結像素子２は、マクロ的に見れば、板状なので、一方の主面から他方の主面へ光を透過する光屈曲透過型光学素子として動作する。
【００３４】
図７に示すように、反射型面対称結像素子２の主面上に空中映像を浮かばせ、観察者に対して、所定方向からの観察が可能となる。
【００３５】
反射型面対称結像素子２の一例は、例えば、図８に示すように、各々が同数の棒状の直方体材２０をその長手側面が並列に密着させることにより形成された２つのシート部（第１集合体及び第２集合体）２１，２２を有する。シート部２１，２２の互いの主面同士を接着してある。
【００３６】
長手方向に伸長した４面のうちの対向する２面は、図９に示すように、光の透過で使用する光透過面Ｔである。残る２面の一方は反射面であり鏡面処理を施されている。この鏡面処理は光を反射するという意味ではなく、非常に滑らかな状態にする処理である。残る２面の他方は光の吸収を行う面である。直方体材２０はシート部２１，２２各々で１００本〜２００００本程度用いられる。例えば、直方体材２０は、長手方向に垂直な方向、すなわち短手方向の四角形の断面の一辺が０．１〜１０ｍｍ前後の透明なアクリルに代表されるプラスチック又はガラスの棒からなる。長さは投影する画像の大きさによって変化するが、１００ｍｍ〜１０ｍ程度である。また、直方体材２０の長手方向に伸長した１面（残りの１面の反対側の面）には光反射膜２３が形成される。光反射膜２３はアルミや銀の蒸着或いはスパッタなどによって形成される。その光反射膜２３を形成した面とは反対側の面（残り１面）には光吸収膜２４が形成され、それにより光吸収面とされる。光吸収膜２４はつや消しの黒塗料などを用いたり、黒色の薄いシートを密着させて形成しても良い。
【００３７】
このような複数の直方体材２０について、図１０に示すように、１つの直方体材２０の光吸収膜面と別の直方体材２０の光反射膜面を密着させてシート部２１，２２がそれぞれ形成される。シート部２１，２２は、図１０に示すように、直方体材２０の並列方向が交差するようにいずれか一方を９０度回転させた状態で貼り合わせられ、それによって反射型面対称結像素子２が形成される。シート部２１の各直方体材２０とシート部２２の各直方体材２０とが交差する部分が微小ミラーユニットを構成し、各微小ミラーユニットのシート部２１の光反射膜面が第１集合体の第１光反射面であり、シート部２２の光反射膜面が第２集合体の第２光反射面である。
【００３８】
なお、シート部２１，２２を形成する際に、１つの直方体材２０の光吸収膜面と別の直方体材２０の光反射膜面を密着させるので、光吸収膜２４は光反射膜２３の上に積層して形成しておいても良い。
【００３９】
更に、直方体材２０はプラスチック樹脂やガラスなどによって形成されているため、約１．５程度の屈折率を持っているが、このことによって表面反射が起こる場合がある。そこで、反射型面対称結像素子２の物体（物体１）側及び実像３側の面に減反射コーティングを施すことにより鮮明な実像を空間に形成することができる。
【００４０】
上記の例では、反射型面対称結像素子２の各直方体材２０をアクリルやガラス等によって透明層として形成して、メンテナンスなどを容易にする構成を示したが、これらの代わりにごく薄いミラーシートを多数用いても同様の効果は得られる。構造的には平行するミラー群を２層に直交配置する構造である。
【００４１】
なお、各直方体材としてガラスミラーを使用する場合には、カットの際に切断面が傾いたり表面に微小な凹凸が発生するが、これが結合像をぼけさせる大きな要因となる。そこで、表面に低粘度のエポキシ樹脂やＵＶ硬化樹脂をコーティングすることにより、反射型面対称結像素子の表面が滑らかになり、結果として光軸ズレの少ない鮮明な実像を得ることができるようになる。コーティングする面は反射型面対称結像素子の両面が最も効果的であり、どこの面でも有効であるが、シート部の貼り合わせ面は接着層を兼ねることができる。
【００４２】
他の反射型面対称結像素子の例としては、２シート貼り合わせ構造の他に、単一シート構造でもよい。例えば、図１１に示すように、一面に階段状側面を有する直方体の階段状側面を側面として並べて接合した板状体の反射型面対称結像素子２ｂが挙げられる。図１１は反射型面対称結像素子２ｂの部分斜視図である。図に示す反射型面対称結像素子２ｂでは階段状側面の一段を９０度直交する第１及び第２光反射面の微小ミラーユニットとしている。
【００４３】
図１２は図１１の反射型面対称結像素子２ｂの形成用の一面に階段状側面を有する直方体形成用の板状体３１の部分切欠斜視図である。直方体形成用板状体３１はＺ軸方向に伸長する複数の同一形状の平行峰部３２を一方の主面に有する。その他方の主面は平面である。周期的に等しいピッチの平行峰部３２の各々のＸＹ平面における断面は同一形状の直角三角形（頂部）である。
【００４４】
図１３も一面に階段状側面を有する直方体形成用板状体３１の部分切欠斜視図である。この直方体形成用板状体３１では、その平行峰部３２側の主面３３上に、光反射膜及び光吸収膜（図示せず）を順に成膜してある。光反射膜及び光吸収膜を成膜した直方体形成用板状体３１の複数枚を製造しておく。直方体形成用板状体の材料は透明なアクリルに代表されるプラスチック又はガラスである。プラスチックの場合、射出成形などで平行峰部付きの金型により複数枚を製造することができる。
【００４５】
図１４は、製造された直方体形成用板状体３１の平面部側に、製造された別の直方体形成用板状体３１の平行峰部３２側部分を透明接着剤（図示せず）で接着した貼着板状体の部分切欠斜視図である。透明接着剤は、その屈折率が直方体形成用板状体３１の屈折率とほぼ等しい材料から選択することが好ましい。接着時に、直方体形成用板状体３１の平行峰部に気泡が残留しないように接合することが好ましい。
【００４６】
図１５は、直方体形成用板状体３１の平面部側に次々と別の直方体形成用板状体３１の平行峰部３２側部分を透明接着剤（図示せず）で接着した集合体３４の部分切欠斜視図である。
【００４７】
接着硬化後に、ＸＹ平面（破線）に平行に等しいピッチで切断して切り分けて、切断面の研磨や、透明保護膜成膜などを施して、図１１の反射型面対称結像素子２ｂが製造される。
【００４８】
＜中継光学素子及び物体との組み合わせ＞
中継光学素子は、凸レンズ、凹レンズや、凹面鏡、凸面鏡などの従来の結像光学素子であり、像の拡大又は縮小を可能とする素子である。また、素子単体での使用に限らずこれらを組み合わせて使用することもでき、その像を観察できる位置はそれぞれの従来の結像光学素子による結像光学系の光路により設定できる。また、これら従来の結像光学素子は結ぶ像が実像になるか虚像になるかは、それぞれの光学系の種類と物体の位置関係において決められ、結像される像を実像にするか虚像にするかによって観察位置を変更できる。
【００４９】
中継光学素子すなわち結像光学系には主にレンズを用いる場合と、反射鏡を用いる場合とがあるが、ここでは凸レンズを用いる場合について説明する。
【００５０】
図１６は、凸レンズＣｖＬの焦点距離をｆ、凸レンズＣｖＬと物体１との距離をａとし、ａがｆ＞ａ＞０の場合の結合光学系の光路図を示す。この場合、倍率ｆ／（ｆ−ａ）の虚像が得られる。この時、観察者Ｅの眼で虚像３Ｖの全体像が観察できる範囲をハッチングで示す。
【００５１】
図１６の凸レンズＣｖＬと物体１との関係がａがｆ＞ａ＞０の場合、凸レンズＣｖＬと観察者Ｅの眼の間の空間に、凸レンズＣｖＬの光軸にその法線が４５度傾斜するように反射型面対称結像素子２を配置した態様が図１７である。図１７においては、反射型面対称結像素子２を配置することで、倍率ｆ／（ｆ−ａ）の実像３が反射型面対称結像素子２と観察者Ｅの眼の間の空間に得られる。反射型面対称結像素子２により凸レンズＣｖＬで物体１からの発散光が収束光に変換されるからである。この時、観察者Ｅの眼で実像３の全体像が観察できる範囲をハッチングで示す。
【００５２】
ａに位置に置かれた物体１から発する光は凸レンズＣｖＬによって屈折された後、反射型面対称結像素子２の微小ミラーユニット有効領域に拡がった全ての光線のうち、各第１及び第２光反射面で２回、反射され全体として実像３を形成する。
【００５３】
この例では従来の凸レンズＣｖＬの奥に虚像３Ｖとして結像されていた像が実像３として形成される。実像３は結像位置にスクリーンなどを設置してその反射光を観察することもできる。また反射型面対称結像素子の手前の空間に結像しているから観察者Ｅの眼を実像３に最接近して観察することもできる。さらに実像の全体像を直接観察できる範囲も十分広く確保できる。
【００５４】
この反射型面対称結像素子は単独で使用した場合は物体から実像を形成する光学素子として機能するが、この反射型面対称結像素子を、他の結合光学系（従来から一般的に光学系に利用されている凸レンズや凹面鏡あるいは凹レンズや凸面鏡およびそれらの組合せで構成される、実像または虚像を形成する光学素子）と組み合わせることで、実像から虚像への変換、あるいは虚像から実像への変換を行うことが可能となる。また、反射型面対称結像素子は面対称結像系であるため像倍率が１であったが、従来の結像光学素子との組み合わせにより任意の像倍率を設定できるようになる。さらに従来の結像拡大光学系の多くが虚像表示であり、有効観察範囲が狭い範囲に限定されていたが、反射型面対称結像素子と組み合わせることによって有効観察範囲を拡大したり、像を手前の空間に結像させスクリーンに投影するなどして広範囲から像を観察できるようにすることが可能となる。
【００５５】
＜他の中継光学素子及び物体との組み合わせ＞
図１８は、凸レンズＣｖＬの焦点距離をｆ、凸レンズＣｖＬと物体１との距離をａとし、ａがａ＞ｆの場合の結合光学系の光路図を示す。この場合、倍率ｆ／（ａ−ｆ）の実像が得られる。この時、観察者Ｅの眼で実像３の全体像が観察できる範囲をハッチングで示す。
【００５６】
図１８の凸レンズＣｖＬと物体１との関係がａがａ＞ｆの場合、凸レンズＣｖＬと観察者Ｅの眼の間（凸レンズＣｖＬと実像３の間）の空間に、凸レンズＣｖＬの光軸にその法線が４５度傾斜するように反射型面対称結像素子２を配置した図が図１９である。図１８で示した凸レンズＣｖＬに対して物体１を配置した空間とは反対の空間に、反射型面対称結像素子２を配置することで、図１９に示すように、凸レンズＣｖＬと反射型面対称結像素子２の間の空間にて、倍率ｆ／（ａ−ｆ）の虚像３Ｖが得られる。反射型面対称結像素子２により凸レンズＣｖＬでの物体１からの収束光が発散光に変換されるからである。
【００５７】
さらに他の例として凹面鏡を用いて虚像を結像する結像光学系に反射型面対称結像素子を加えて実像を形成する場合について説明する。
【００５８】
図２０は、凹面鏡ＣｃＭの焦点距離をｆ、凹面鏡ＣｃＭと物体１との距離をａとし、ａがｆ＞ａ＞０の場合の結合光学系の光路図を示す。この場合、物体１が光を妨害しないようにハーフミラーＨＭを用いて凹面鏡ＣｃＭと物体１の光軸を一致させている。この場合、倍率ｆ／（ｆ−ａ）の虚像３Ｖが得られる。この時、観察者Ｅの眼で虚像３Ｖの全体像が観察できる範囲をハッチングで示す。
【００５９】
図２０の凹面鏡ＣｃＭと物体１との関係がａがｆ＞ａ＞０の場合、凹面鏡ＣｃＭと観察者Ｅの眼の間（ハーフミラーＨＭと観察者Ｅの眼の間）の空間に、物体１の光軸にその法線が４５度傾斜するように反射型面対称結像素子２を配置した態様が図２１である。
【００６０】
図２１に示すように、凹面鏡から見てハーフミラーＨＭの後方空間に、反射型面対称結像素子２を配置することで倍率ｆ／（ｆ−ａ）の実像３が得られる。反射型面対称結像素子２により凹面鏡ＣｃＭでの物体１からの発散光が収束光に変換されるからである。なお、図２１の光学系では実像位置に光を拡散させるスクリーンＳｃを配置し、投影された実像３を観察する場合について記載している。
【００６１】
もう一つの他の例として凹面鏡を用いて虚像を結像する結像光学系に反射型面対称結像素子を加えて実像を形成する場合について説明する。
【００６２】
図２２は、凹面鏡ＣｃＭの焦点距離をｆ、凹面鏡ＣｃＭと物体１との距離をａとし、ａがｆ＞ａ＞０の場合の結合光学系の光路図を示す。この場合、物体１が光を妨害しないようにハーフミラーＨＭを物体１と凹面鏡ＣｃＭとの間に用いて凹面鏡ＣｃＭと観察者Ｅの眼の光軸を一致させている。この場合、ハーフミラーＨＭから見て凹面鏡ＣｃＭの奥側に倍率ｆ／（ｆ−ａ）の虚像３Ｖ（破線）が得られるが、ハーフミラーＨＭにより凹面鏡ＣｃＭからの発散光が観察者Ｅの眼に届くので、倍率ｆ／（ｆ−ａ）の虚像３Ｖ（実線）が得られる。この時、観察者Ｅの眼で虚像３Ｖの全体像が観察できる範囲をハッチングで示す。
【００６３】
図２２の凹面鏡ＣｃＭと物体１との関係がａがｆ＞ａ＞０の場合、ハーフミラーＨＭと観察者Ｅの眼の間の空間に、物体１の光軸にその法線が４５度傾斜するように反射型面対称結像素子２を配置した態様が図２３である。
【００６４】
図２３に示すように、反射型面対称結像素子２を配置することで倍率ｆ／（ｆ−ａ）の実像３が得られる。反射型面対称結像素子２により凹面鏡ＣｃＭでの物体１からの発散光が収束光に変換されるからである。なお、図２３の光学系では実像位置に光を拡散させるスクリーンＳｃを配置し、投影された実像３を観察する場合について記載している。
【００６５】
別の例として凹面鏡を用いて実像を結像する光学系に反射型面対称結像素子を加えて虚像を形成する場合について説明する。
【００６６】
図２４は、凹面鏡ＣｃＭの焦点距離がｆ、凹面鏡ＣｃＭと物体１との距離がａであって、ａが２ｆ＞ａ＞ｆの条件を満たす場合の結合光学系の光路図を示す。この場合、物体１が光を妨害しないようにハーフミラーＨＭを用いて凹面鏡ＣｃＭと物体１の光軸を一致させている。なお、図２４の光学系では実像位置に光を拡散させるスクリーンＳｃを配置し、投影された実像３を観察する場合について記載している。
【００６７】
図２４の凹面鏡ＣｃＭと物体１との関係が２ｆ＞ａ＞ｆの場合、ハーフミラーＨＭとスクリーンＳｃの間の空間に、物体１の光軸にその法線が４５度傾斜するように反射型面対称結像素子２を配置した態様が図２５である。
【００６８】
図２５に示すように、凹面鏡から見てハーフミラーＨＭの後方空間に、反射型面対称結像素子２を配置することで倍率ｆ／（ａ−ｆ）の虚像３Ｖが得られる。反射型面対称結像素子２により凹面鏡ＣｃＭでの物体１からの収束光が発散光に変換されるからである。
【００６９】
以上のように、本発明によれば、反射型面対称結像素子と結像光学素子（中継光学素子）とを組み合わせ、虚像から実像を作る場合と同様に、実像を形成する光線束から虚像を作ることができる。以上の表示装置の構成は、凸レンズや凹レンズに代表される透過型の光学系のみならず、凹面鏡や凸面鏡を用いた反射型光学系においても同様の作用が得られる。
【００７０】
さらに、いずれの実施形態においても、物体１、凸レンズＣｖＬ又は凹面鏡ＣｃＭ、ハーフミラーＨＭ及び反射型面対称結像素子２を含む筐体などの遮光体（図示せず）を含むことができる。また、筐体などの遮光体の一部が反射型面対称結像素子２からなるようにすることもできる。遮光体の内壁面は暗色とすることにより、迷光などを吸収し得られる像のコントラストを向上されることもできる。
【００７１】
最後に、本発明の表示装置を車載用のフロントガラスプロジェクタの実施例と比較例とを説明する。車の運転席、操縦席まわりは操作装置が多く有るためフロントガラスプロジェクタの小型化が必要である。また、近年のハイビジョンディスプレイ（１６：９）の画角が３０度を確保することも必要である。図２６はディスプレイ４１と拡大光学系の凸レンズ４２と平面ハーフミラー４３の組み合わせからなるプロジェクタ（比較例）を示す。図２７は上述の図１９のａ＞ｆの場合と同等の実像虚像変換光学系（拡大光学系）を組み合わせからなるプロジェクタを示す。図２７の実施例の表示装置は図２６装置と同等のディスプレイ４１と拡大光学系の凸レンズ４４と内部平面ミラー４５と反射型面対称結像素子２を配置して構成され、図２６の比較例と同一サイズの投射映像（虚像）を形成している。
【００７２】
実施例と比較例を比べると焦点距離がほぼ同等の凸レンズ４２と凸レンズ４４であるが、比較例の凸レンズ４２に比べ実施例凸レンズ４４の口径は約１／３に減少したものを利用できる。よって、本発明の拡大光学系と反射型面対称結像素子の組み合わせによれば、従来よりも小型化可能でかつ高倍率の表示装置が容易に構成できる効果が得られる。
【００７３】
以上のように本実施形態によれば、反射型面対称結像素子と実像（または虚像）形成する従来の結像光学系とを組み合わせることによって、実像を虚像（または虚像を実像に）変換する素子として用いるので、中継光学素子すなわち従来の結像光学系（レンズあるいはミラー）によって結像状態を作り出す光線束を、反射型面対称結像素子に入射することによって、上記従来の結像光学系（レンズあるいはミラー）によって結像される虚像を実像に変換し、あるいは実像を虚像に変換し、変換された結像を取り出すことができる。
【００７４】
なお、反射型面対称結像素子は、その光学素子面内に互いに９０度直交する第１及び第２光反射面の微小ミラーユニットからなり、それらの交線が素子面に垂直になるように、微小ミラーユニットの多数が配列されて構成される。反射型面対称結像素子の個々の微小ミラーユニットでは、上記従来の結像光学系（レンズあるいはミラー）によって、結像状態を作り出す光線束は上記反射型面対称結像素子の第１及び第２光反射面によりそれぞれ１回ずつ計２回反射させる出射する。
【００７５】
上記の表示装置は、顕微鏡、望遠鏡、双眼鏡、空間映像ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ、フロントプロジェクター、リアプロジェクター、などの光学製品であって、凸レンズ、凹面鏡、凹レンズ、凸面鏡、またはそれらの組合せにより実像または虚像を結像し、その結像された像を観察できるようにした装置、またはその結像された像を観察するための技術分野に適用できる。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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