(57)【要約】【課題】従来装置において、多くのオブジェクを空中に並べて奥行感をユーザに感じさせるためには、ミラーの裏側にその全てのオブジェクトを置く必要があり、ミラーの裏側の限られた空間が煩雑となっていた。【解決手段】光学素子は、第１物体より放射される第１光束を反射して第１像を形成する表面部と、第２物体より放射される第２光束を前記表面部より観察者の側の空間に結像させて第２像を形成する結像部とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１物体より放射される第１光束を反射して第１像を形成する表面部と、
第２物体より放射される第２光束を前記表面部より観察者の側の空間に結像させて第２像を形成する結像部と
を備える光学素子。
【請求項２】
前記表面部は、前記第１光束を反射する反射層により形成される請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記結像部は、前記光学素子に対して前記観察者の側と反対側の空間に配置された前記第２物体から放射される前記第２光束を複数回反射させて前記観察者の側の空間へ向けて反射する微小ミラーがマトリックス状に配列されたミラー構造体を含む請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１像と前記第２像は、奥行方向に少なくとも一部が重なるように前記観察者に観察される請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記表面部は、前記第２光束の一部を透過するハーフミラーにより形成される請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記結像部は、予めコヒーレント光による干渉縞を記録し、再生機から放射される再生照明光を受け、空間に像を浮かび上がらせるホログラフィック素子を含む請求項１から５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記第１物体および前記第２物体の少なくともいずれかを設置する設置部と
を備える表示装置。
【請求項８】
前記第１像と前記第２像の相対的なコントラストを調整する調整部を備える請求項７に記載の表示装置。
【請求項９】
第３物体より放射される第３光束は、互いに平行でないように配置された少なくとも２つの前記光学素子で反射されて第３像を形成する請求項７または８に記載の表示装置。
【請求項１０】
観察者の側と反対側の空間に配置された物体から放射される光束を複数回反射させて前記観察者の側の空間へ向けて反射する微小ミラーがマトリックス状に配列されたミラー構造体を含む結像部を形成する第１工程と、
前記結像部のうち、前記観察者の側の表面を鏡面加工する第２工程と
を有する光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子、表示装置及び光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
格子状に組まれた微小ミラーで構成されるミラーを用いて、ミラーとユーザとの間に、ミラーの奥にあるオブジェクトの像を結像させることによって、そのオブジェクトが空中に浮いているように見せられる表示装置が知られている（特許文献１参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２０１２−１７７９２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近景や背景となるオブジェクトを空中に複数並列させて、奥行感をユーザに与えるためには、ミラーの裏側に全てのオブジェクトを置く必要があり、ミラーの裏側の限られた空間が煩雑となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の第１の態様における光学素子は、第１物体より放射される第１光束を反射して第１像を形成する表面部と、第２物体より放射される第２光束を前記表面部より観察者の側の空間に結像させて第２像を形成する結像部とを備える。
【０００５】
本発明の第２の態様における表示装置は、上記の光学素子と、上記第１物体及び前記第２物体の少なくともいずれかを設置する設置部とを備える。
【０００６】
本発明の第３の態様における光学素子の製造方法は、観察者の側と反対側の空間に配置された物体から放射される光束を複数回反射させて上記観察者の側の空間へ向けて反射する微小ミラーがマトリックス状に配列されたミラー構造体を含む結像部を形成する第１工程と、上記結像部のうち、上記観察者の側の表面を鏡面加工する第２工程とを有する。
【０００７】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施例に係る表示装置１００の説明図である。
【図２】第１実施例に係るマイクロミラー素子１４０の光学系の説明図である。
【図３】第１実施例に係るマイクロミラー素子１４０の光学系の説明図である。
【図４】第２実施例に係る表示装置２００の光学系の説明図である。
【図５】第２実施例に係る表示装置２００により形成される像の説明図である。
【図６】第３実施例に係る表示装置３００の光学系の説明図である。
【図７】本実施形態におけるマイクロミラー素子１４０の製造工程のフロー図である。
【図８】第４実施例に係るマイクロミラー素子３４０の光学系の説明図である。
【図９】第５実施例に係るホログラフィック素子４４０の光学系の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１０】
図１は第１実施例に係る表示装置１００の説明図である。図１（ａ）は表示装置１００全体の概念図であり、図１（ｂ）は観察者の目に映る像の図である。
【００１１】
本実施例に係る表示装置１００は、第１映像を表示する第１ディスプレイ１１１と、第２映像を表示する第２ディスプレイ１１２と、第１ディスプレイ１１１を設置する第１設置部１２１と、第２ディスプレイ１１２を設置する第２設置部１２２と、を備える。さらに、表示装置１００は、第１設置部１２１を移動させる第１可動アーム１３１と、第２設置部１２２を移動させる第２可動アーム１３２と、虚像である第１像１７１および実像である第２像１７２を形成するマイクロミラー素子１４０と、を備える。なお、第１ディスプレイ１１１から放射される第１光束１１によって第１像１７１が形成され、第２ディスプレイから放射される第２光束１２によって第２像１７２が形成される。加えて、表示装置１００は、第１可動アーム１３１、第２可動アーム１３２およびマイクロミラー素子１４０を支持する支持台１５０と、少なくとも第１可動アーム１３１および第２可動アーム１３２を制御する制御部１６０と、を備える。
【００１２】
第１ディスプレイ１１１および第２ディスプレイ１１２は、略四角形の薄型映像表示機器であり、例えば液晶ディスプレイである。第１ディスプレイ１１１および第２ディスプレイ１１２は、制御部１６０によって信号が供給されると、信号に応じて映像を表示する。ディスプレイに表示される映像は、空中像として形成する像以外、発光しない映像とする。例えば空中像として形成する像の背景を、黒色で塗りつぶすものとしても良い。これにより、観察者は空中で複数の像を重ねて観察することができる。また、第１ディスプレイ１１１および第２ディスプレイ１１２は、制御部１６０の制御によって各々のディスプレイの輝度を調整する輝度調整部を備える。
【００１３】
本実施例において、第１ディスプレイ１１１は、表示面がマイクロミラー素子１４０に向くように第１設置部１２１に設置されている。第２ディスプレイ１１２は、表示面がマイクロミラー素子１４０に向くように第２設置部１２２に設置されている。また、マイクロミラー素子１４０は、第１ディスプレイ１１１および第２ディスプレイ１１２の間に位置する。よって、第１ディスプレイ１１１および第２ディスプレイ１１２は、互いに表示面が向かい合うように設置されている。
【００１４】
第１設置部１２１は、第１可動アーム１３１に固定され、第１ディスプレイ１１１を挿入させて保持するための長孔を有する。第２設置部１２２は、第２可動アーム１３２に固定され、第２ディスプレイ１１２を挿入させて保持するための長孔を有する。なお、本実施例においては、オブジェクトとしてディスプレイを用いるが、オブジェクトは立体物であっても良い。ここで、オブジェクトとは、空中像を形成する実体としての物体を指すが、オブジェクトをディスプレイとする場合には、空中像として形成する像の映像を含むものとする。なお、立体物は、自発光体であっても良く、また、光の照射を受ける反射体であっても良い。かかる場合、本実施例における設置部とは、立体物を積載するために、例えばアクリル板を長孔に挿入した設置台全体を指す。
【００１５】
マイクロミラー素子１４０は、詳しくは後述するが、第１ディスプレイ１１１側の表面部としてのハーフミラー２３０と、第２ディスプレイ１１２側の結像部２２０とを備える。ハーフミラー２３０は、第１ディスプレイ１１１より放射される第１光束１１を反射して、虚像である第１像１７１を形成する。結像部２２０は、第２ディスプレイ１１２より放射される第２光束１２を第１ディスプレイ１１１側の空間に投影して、第１ディスプレイ１１１が表示する映像に対応する第２像１７２を実像として結像させる。
【００１６】
本実施例において、図１（ａ）で図示するように、第１ディスプレイ１１１は山の映像を表示し、第２ディスプレイ１１２はバスの映像を表示する。かかる場合、観察者は、第１ディスプレイ１１１側の空間から当該マイクロミラー素子１４０を斜視することにより、観察者とマイクロミラー素子１４０との間の空間に浮かぶバスと、マイクロミラー素子１４０の奥の空間に浮かぶ山とを、同一直線上で重ねて観察することができる。すなわち、近景を実像として観察者の手前に浮かび上がらせ、背景をハーフミラー２３０に映し出すことにより、観察者に映像の奥行感を与えることができる。並列する空中像は、図１（ｂ）で図示するように、山の手前にバスが位置するものとして、観察者から見ることができる。なお、図示するように、観察者のから見て手前に形成された像が、観察者から見て奥に形成された像を隠すものではない。以降の実施例においても、同様である。
【００１７】
第１可動アーム１３１および第２可動アーム１３２は、任意の方向に第１設置部１２１および第２設置部１２２を移動することができる電動アームである。すなわち、第１可動アーム１３１は第１ディスプレイ１１１の位置および角度を調整することができ、第２可動アーム１３２は第２ディスプレイ１１２の位置および角度を調整することができる。電動アームは、例えば、軸回転自在な複数の回転軸をアームの途中に備え、アームは支持台に対してロール方向に回転自在に固定されていても良い。これによって、第１像１７１および第２像１７２の形成場所を動かすことができる。
【００１８】
具体的に説明すると、例えば、本実施例において近景のバスを背景の山の前で広範囲に渡り動かしたい場合、第２ディスプレイ１１２内で映像を動かすことによって第２像１７２であるバスを動かせる範囲には、第２ディスプレイ１１２の画面サイズによる制限がある。しかし、第２可動アーム１３２を動かすことによって、第２ディスプレイ１１２をマイクロミラー素子１４０の下方の空間内で動かせば、第２ディスプレイ１１２から放射される第２光束１２の光路を変動させ、第２像１７２の形成場所を動かすことができる。すなわち、第２可動アーム１３２を動かすことにより、第２像１７２であるバスを、観察者とマイクロミラー素子１４０との間の空間内で自由に動かすことができる。さらに、第１可動アーム１３１および第２可動アーム１３２により第１像１７１および第２像１７２の形成場所を操作可能とすることによって、例えばディスプレイ自体の小型化を行えるので、表示装置１００全体の小型化を図ることもできる。
【００１９】
制御部１６０は、第１可動アーム１３１および第２可動アーム１３２の上記動作を制御することにより、第１像１７１および第２像１７２の形成場所を変動させることができる。例えば、表示装置１００に設けた視点センサーが観察者の目の位置を検出し、制御部１６０に検出結果が入力されると、制御部１６０は、第１光束１１および第２光束１２が検出位置に入射するように、第１可動アーム１３１および第２可動アーム１３２の角度等を調整しても良い。これにより、観察者は視点位置を変えても空中像を観察することができる。
【００２０】
また、制御部１６０は、第１ディスプレイ１１１および第２ディスプレイ１１２の各輝度調整部を制御することにより、両ディスプレイのコントラスト比を調整することができる。すなわち、例えば第１ディスプレイ１１１に対して第２ディスプレイ１１２の輝度を高くすれば、第１像１７１に比べて第２像１７２を鮮明に形成することができる。また、制御部１６０は、各ディスプレイの映像の輪郭を調整しても良い。例えば、第２ディスプレイ１１２の映像の輪郭を強調すれば、第２像１７２と第１像１７１との境界、すなわち近景と背景との境界を明確にし、メリハリを与えることができる。
【００２１】
なお、本実施例においては、当該表示装置１００の設置場所を、他に光源のない暗所とすることが好ましい。ハーフミラー２３０は、詳しくは後述するが、透過性を有する反射面となっている。そのため、暗所に表示装置１００を設置すれば、第１ディスプレイ１１１以外の光源からの光束が、ハーフミラー２３０で反射して観察者の視野角に入射することを防止でき、これにより明瞭な空中像を得ることができる。また、当該表示装置１００の全体を、外部からの光を遮断できる筐体内に収容して、観察者用の覗き穴を設けても良い。これにより、当該表示装置１００の設置場所が暗所でなくとも、上記同様、第１ディスプレイ１１１以外の光源からの光束が、ハーフミラー２３０で反射して観察者の視野角に入射することを防止でき、明瞭な空中像を得ることができる。
【００２２】
図２は第１実施例に係るマイクロミラー素子１４０における光学系の説明図である。図２（ａ）はマイクロミラー素子１４０の全体図であり、図２（ｂ）はマイクロミラー素子１４０に光束が入射する部分を拡大した拡大図である。なお、以後の説明に用いる各図において、図１と同一の符番を付した要素については、特に言及する場合を除き、同一の機能を発揮する要素としてその説明を省略する。
【００２３】
マイクロミラー素子１４０は、並列に並べられた複数の直方体材からなる平板２２１、２２２と、反射層としてハーフミラー２３０とを備える。ハーフミラー２３０は、平板２２１の表面に形成される。平板２２１、２２２によってミラー構造体が形成され、ミラー構造体は結像部２２０を構成する。
【００２４】
直方体材は、短手方向における正方形状断面の一辺が、数百μｍから数ｃｍ前後で、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。直方体材の長手方向長さは、数ｃｍから数メートル程度である。また、長手方向に伸長した４面のうちの３面は、光の透過又は反射に使用する面であるので、滑らかな状態にする。直方体材は、平板２２１、２２２各々で、１００本から２００００本程度用いられる。直方体材の長手方向に伸長した１面には、光反射膜が形成される。光反射膜は、アルミ又は銀の蒸着又はスパッタなどによって形成される。その光反射膜を形成した面と反対側の面には、光吸収膜が形成され、当該光吸収膜により光吸収面が形成される。光吸収膜は、黒色の薄いシートを密着させて形成しても良い。また、光吸収膜は、つや消しの黒塗料を添付して形成しても良い。
【００２５】
複数の直方体材は、一の直方体材の光吸収膜面と、隣接する他の直方体材の光反射膜面とを密着させることによって形成される。平板２２１は、平板２２２の上に積層して貼り合わされる。平板２２１の直方体材の並列方向は、平板２２２の直方体材の並列方向と直交する。以上により、ミラー構造体が形成される。
【００２６】
なお、１つの直方体材の光吸収膜面と別の直方体材の光反射膜面を密着させるのではなく、光吸収膜を光反射膜の上に積層して形成しても良い。これにより、例えば製造工程の簡素化を図ることができる。
【００２７】
ハーフミラー２３０は、平板２２１の平面のうち、平板２２２側の面と反対側の面に積層して形成される。また、ハーフミラー２３０は、光の反射性と透過性を兼ね備える反射層を構成する。
【００２８】
本実施例においては、図２（ａ）で図示するように、ハーフミラー２３０に第１光束１１が入射すると、ハーフミラー２３０で反射した第１光束１１は観察者の目に入射する。また、ハーフミラー２３０と反対側の面の結像部２２０に第２光束１２が入射すると、結像部２２０内で反射した第２光束１２は、ハーフミラー２３０側の空間の観察者の目に入射する。当該光学系を拡大すると、図２（ｂ）で図示するように、マイクロミラー素子１４０への入射のときには異なった光路を辿ってきた両光束が、観察者の目に入射するときには同一の光路となる。
【００２９】
以下、具体的に説明する。まず、第１光束１１は、ハーフミラー２３０に入射すると、ハーフミラー２３０の表面で入射角に等しい反射角をもって１回反射する。一方で、第２光束１２は、マイクロミラー素子１４０の平板２２２に入射すると、平板２２２の光反射膜面で最初の反射をする。最初の反射をした第２光束は、平板２２１に入射すると、平板２２１の光反射膜面で２度目の反射をする。すなわち、第２光束１２は、結像部２２０で計２回反射して、結像部２２０から射出する。結像部２２０で２回反射した第２光束１２は、ハーフミラー２３０を透過する。すなわち、第２光束１２は、結像部２２０に入射すると、入射時と反対側のハーフミラー２３０から射出する。
【００３０】
以上より、本実施例において、異なる面からマイクロミラー素子１４０に入射した第１光束１１および第２光束１２は、ハーフミラー２３０側の空間にいる観察者の目に、同一の光路で入射する。これにより、観察者は、第１ディスプレイに映る像と第２ディスプレイに映る像を、同一直線上で観察することができる。
【００３１】
なお、本実施例においては反射層としてハーフミラー２３０を用いたが、反射層としてカバーガラスを用いても良い。カバーガラスは、ハーフミラー２３０と同様に、光束を反射し、また光束を透過することができる。また、反射層を設けずに、マイクロミラー素子１４０の表面を平面研磨することによって、マイクロミラー素子１４０の表面を反射面としても良い。これによって、例えば製造工程を短縮することができる。
【００３２】
図３は第１実施例に係るマイクロミラー素子１４０の光学系の説明図である。図３では、マイクロミラー素子１４０に対し、観察者、第１ディスプレイ１１１、第２ディスプレイ１１２、第１像１７１および第２像１７２の位置関係を、観察軸１０および各光束の中心軸と共に描いている。図３は、説明上、概念図として描いている具体的には、マイクロミラー素子１４０を断面図として図示しているのに対し、第１ディスプレイ１１１および第２ディスプレイ１１２を斜視図として図示している。特に、第１ディスプレイ１１１および第２ディスプレイ１１２については、各々の表示面に表示された像を視認できるように、各々の表示面が表れるように図示している。より詳細には、第１ディスプレイ１１１の表示面は、マイクロミラー素子１４０から見た場合に、第１ディスプレイ１１１の４辺のうちＵＰと記載されている１辺が上側となるよう図示されている。同様に、第２ディスプレイ１１２の表示面は、マイクロミラー素子１４０から見た場合に、第２ディスプレイ１１２の４辺のうちＵＰと記載されている１辺が上側となるよう図示されている。また、第１像１７１および第２像１７２についても、像として視認できるように図示している。後述する図８、図９においても、同様とする。
【００３３】
第１ディスプレイ１１１は、第１ディスプレイ１１１の表示面から放射される第１光束１１が、ハーフミラー２３０に入射する位置に配置されている。第２ディスプレイ１１２は、第２ディスプレイ１１２の表示面から放射される第２光束１２が、結像部２２０に入射する位置に配置されている。
【００３４】
観察軸１０は、マイクロミラー素子１４０の中心を、マイクロミラー素子１４０の積層方向に延びる仮想上の光軸であって、マイクロミラー素子１４０に対し傾斜を有する。本実施形態において、空中像は観察軸１０上に並べて形成される。したがって、観察者は、視線を観察軸１０に一致させて空中像を観察することで、連なる空中像を重ねて観察することができる。
【００３５】
本実施例において、第１ディスプレイ１１１には、山の映像が映し出されている。第１ディスプレイ１１１の表示面を、ハーフミラー２３０から仰角で正面視した場合、山の映像は、観察者に見せる像に対して上下反転した映像が映し出されている。第１ディスプレイ１１１の映像をこのように映すことにより、観察者は、ハーフミラー２３０に反射した山の像を、上下左右が正しい正立像として、観察することができる。
【００３６】
また、第２ディスプレイ１１２には、バスの映像が映し出されている。第２ディスプレイ１１２の表示部を、マイクロミラー素子１４０の結像部２２０から俯角で正面視した場合、バスの映像は、観察者に見せる像に対して上下左右反転した映像が映し出されている。第２ディスプレイ１１２の映像をこのように映すことにより、観察者は、結像部２２０で２度反射したバスの像を、上下左右が正しい正立像として、観察することができる。
【００３７】
本実施例において、山の像は、ハーフミラー２３０を中心に、第１ディスプレイ１１１と平面対称の位置に形成される。バスの像は、結像部２２０を中心に、第２ディスプレイ１１２と略平面対称の位置に形成される。また、第１ディスプレイ１１１および第２ディスプレイ１１２は、観察軸１０を中心に、略軸対称の位置関係にある。したがって、第１ディスプレイ１１１および第２ディスプレイ１１２の配置を調整することにより、山の像およびバスの像を観察軸１０上に形成することができる。また、各ディスプレイの映像の上下左右を上記のように設定することで、上下左右の正しいバスの像と山の像を、観察者は観察軸１０上で重ねて観察することができる。
【００３８】
以上のことから、マイクロミラー素子１４０の表面を反射面とすることによって、観察者は同一視線上に実像および虚像を観察することができる。換言すると、空中像を観察者とマイクロミラー素子の間の空間にのみ形成する場合に比べて、本実施形態は、観察者に空中像の奥行感をより強く与えることができる。また、これによって、ディスプレイをマイクロミラー素子１４０の裏側だけでなく表側にも配置することできる。換言すると、マイクロミラー素子１４０の裏側にディスプレイをすべて配置することによる煩雑さを回避することができる。
【００３９】
以上の第１実施例では、表示装置１００は１つのマイクロミラー素子１４０を備える構成として説明したが、複数のマイクロミラー素子１４０を備える構成としても良い。第２実施例においては、表示装置は２つのマイクロミラー素子を備える構成である。
【００４０】
図４は第２実施例に係る表示装置２００の光学系の説明図である。本実施例に係る表示装置２００は、マイクロミラー素子１４１、１４２と、第３映像を表示する第３ディスプレイ１１３と、第４映像を表示する第４ディスプレイ１１４と、第５映像を表示する第５ディスプレイ１１５とを備える。
【００４１】
図４では、表示装置２００における、第３ディスプレイ１１３、第４ディスプレイ１１４および第５ディスプレイ１１５の位置を、それぞれＰ３、Ｐ４、Ｐ５として表している。また、図面を簡略化する目的で、観察軸１０上に形成される第３像１７３、第４像１７４および第５像１７５をそれぞれＩ３、Ｉ４、Ｉ５で表している。さらに、第３像１７３、第４像１７４および第５像１７５の形成位置を、それぞれＦ３、Ｆ４、Ｆ５として表している。そして、第３ディスプレイ１１３から放射される第３光束１３と、第４ディスプレイ１１４から放射される第４光束１４と、第５ディスプレイ１１５から放射される第５光束１５とを、観察軸１０および各光束の中心軸と共に描いている。なお、第３ディスプレイ１１３から放射される第３光束１３によって第３像１７３が形成され、第４ディスプレイから放射される第４光束１４によって第４像１７４が形成され、第５ディスプレイから放射される第５光束１５によって第５像１７５が形成される。
【００４２】
マイクロミラー素子１４１、１４２は、第１実施例で用いたマイクロミラー素子１４０と、同一である。マイクロミラー素子１４１、１４２は、ハーフミラー２３１、２３２の面方向が互いに直交するように配置されている。さらに、マイクロミラー素子１４２のハーフミラー２３２の表面の端部は、マイクロミラー素子１４１の積層方向の側面と面接合されている。これにより、マイクロミラー素子１４１およびマイクロミラー素子１４２の裏側に位置するディスプレイから放射される光束が、観察者の目に直接入射することを防ぐことができる。
【００４３】
観察軸１０は、マイクロミラー素子１４１の中心を、マイクロミラー素子１４１の積層方向に延びる仮想上の光軸であって、マイクロミラー素子１４１に対し傾斜を有している。本実施形態において、空中像は観察軸１０上に並べて形成される。したがって、観察者は、視線を観察軸１０に一致させて空中像を観察することで、連なる空中像を重ねて観察することができる。
【００４４】
本実施例においては、観察軸１０上で、観察者の手前から順に、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５が整列している。Ｆ３，Ｆ４は共に、観察者とマイクロミラー素子１４１の間の観察軸１０上であるのに対し、Ｆ５は、観察者から見てマイクロミラー素子１４１の奥に延びる観察軸１０上である。
【００４５】
第３ディスプレイ１１３は、観察軸１０が中心を通るマイクロミラー素子１４１の平面が形成する水平面に対して、Ｆ３と略平面対称の位置Ｐ３にある。さらに、第３ディスプレイ１１３から放射される第３光束１３が、マイクロミラー素子１４１の結像部に入射する向きで、第３ディスプレイ１１３は設置されている。
【００４６】
第４ディスプレイ１１４の位置は、上記水平面に対してＦ４と略平面対称の位置を第１の位置とし、当該水平面と直交する平面のうち、マイクロミラー素子１４２の平面が形成する鉛直平面に対して、第１の位置と平面対称の位置Ｐ４にある。さらに、第４ディスプレイ１１４から放射される第４光束１４が、マイクロミラー素子１４２の結像部に入射する向きで、第４ディスプレイ１１４は設置されている。
【００４７】
第５ディスプレイ１１５の位置は、上記水平面に対してＦ５と略平面対称の位置を第２の位置とし、上記鉛直平面に対して第２の位置と平面対称の位置Ｐ５にある。さらに、第５ディスプレイ１１５から放射される第５光束１５が、マイクロミラー素子１４２のハーフミラー２３２に入射する向きで、第５ディスプレイ１１５は設置されている。以下、本実施例の光学系を、具体的に説明する。
【００４８】
まず、第３ディスプレイ１１３から放射される第３光束１３は、マイクロミラー素子１４１の結像部２２０で２回反射し、上記水平面に対し、第３ディスプレイ１１３と略平面対称の光路で射出する。これにより、上記水平面に対して、第３ディスプレイ１１３と略平面対称の位置に、第３像１７３が形成される。
【００４９】
次に、第４ディスプレイ１１４から放射される第４光束１４は、マイクロミラー素子１４２の結像部２２０で２回反射され、上記鉛直面に対して、第４ディスプレイ１１４と略平面対称の光路で射出する。ここで、第４ディスプレイ１１４からマイクロミラー素子１４２までの第４光束１４の光路長は、マイクロミラー素子１４２からマイクロミラー素子１４１までの第４光束１４の光路長より長い。したがって、マイクロミラー素子１４２から射出した第４光束１４は、マイクロミラー素子１４２からマイクロミラー素子１４１までの光路間で収束せずに、マイクロミラー素子１４１のハーフミラー２３１で１回反射される。ハーフミラー２３１で反射した第４光束１４の光路は、観察軸１０と一致し、第４光束１４は観察軸１０上で収束する。すなわち、当該収束位置に第４像１７４が形成される。
【００５０】
ここで、第４ディスプレイ１１４からマイクロミラー素子１４２までの第４光束１４の光路長は、マイクロミラー素子１４２からハーフミラー２３１までの第４光束１４の光路長と、ハーフミラー２３１で反射した第４光束１４が収束するまでの光路長との和と、略一致する。
【００５１】
以上より、観察者とマイクロミラー素子１４１との間の観察軸１０上に、観察者の手前から順に、第３像１７３、第４像１７４が並べて形成される。
【００５２】
そして、第５ディスプレイ１１５から放射される第５光束１５は、ハーフミラー２３２で反射し、ハーフミラー２３１で更に反射する。計２回反射した第５光束１５の光路は、観察軸１０と一致し、第５光束１５は観察者の目に入射する。第５ディスプレイ１１５の映像の虚像である第５像１７５は、観察者から見て、マイクロミラー素子１４１の奥の観察軸１０上に形成される。ここで、第５ディスプレイ１１５からハーフミラー２３２までの第５光束１５の光路長と、ハーフミラー２３２からハーフミラー２３１までの第５光束１５の光路長との和は、ハーフミラー２３１から第５像１７５の形成位置までの観察軸１０上の距離と一致する。
【００５３】
以上より、本実施例においては、観察軸１０上に、観察者の手前から順に、第３像１７３、第４像１７４、第５像１７５が並べて形成される。ディスプレイの映像と、観察軸１０上に形成される像の詳細は、図５を用いて詳述する。
【００５４】
さらに、本実施例においては、マイクロミラー素子１４１とマイクロミラー素子１４２とを接合させたが、両マイクロミラー素子を隔てて配置しても良い。ただし、両マイクロミラー素子は、観察軸１０上に第３像１７３、第４像１７４および第５像１７５が形成されるように配置される。例えば、マイクロミラー素子１４２とマイクロミラー素子１４１との間の光路の延長線に沿って、マイクロミラー素子１４２がマイクロミラー素子１４１と離間するように、マイクロミラー素子１４２を平行移動させても良い。ただし、マイクロミラー素子１４２の移動に伴い、第３ディスプレイ１１３および第４ディスプレイ１１４も位置を適宜調整する。これにより、例えば各像の形成場所を変えることができる。また、後述する第３実施例においても同様である。
【００５５】
図５は第２実施例に係る表示装置２００により形成される像の説明図である。図５（ａ）は、各ディスプレイの映像を示す図である。図５（ｂ）は、観察軸１０上に像が形成された状態の概念斜視図である。図５（ｃ）は、観察軸１０上に形成された像を、観察者の目から見た図である。
【００５６】
図５（ａ）において、第３ディスプレイ１１３にはバスの映像、第４ディスプレイ１１４には森の映像、第５ディスプレイ１１５には山の映像が映し出されている。ここで、図５（ｂ）および図５（ｃ）で図示するように、観察者から見た観察軸１０上の各像は、バスの像と山の像は、各ディスプレイの映像と一致するが、森の像は、第４ディスプレイ１１４の映像と反転している。これは、マイクロミラー素子１４１およびマイクロミラー素子１４２で第４光束が反射すると、反転した第４像１７４が観察軸１０上に形成されるからである。したがって、第４ディスプレイ１１４の映像を予め反転処することで、正立した第４像１７４を観察軸１０上に形成することができる。各ディスプレイに表示させる映像を反転増とするか正立像とするかは、鏡による反射の回数を考慮して決定する。なお、映像信号の反転処理は、制御部が行っても良いし、他の映像処理部が行っても良い。
【００５７】
図６は第３実施例に係る表示装置３００の光学系の説明図である。図６（ａ）は表示装置３００における各構成の配置を説明する図であり、図６（ｂ）は、観察軸１０上に形成された像を、観察者の目から見た図である。
【００５８】
本実施例に係る表示装置３００は、マイクロミラー素子１４１、１４２と、第３ディスプレイ１１３と、第４ディスプレイ１１４と、第５ディスプレイ１１５と、第６映像を表示する第６ディスプレイ１１６と、第７映像を表示する第７ディスプレイ１１７と、を備える。さらに、表示装置３００は、第１ハーフミラー２６１と、第２ハーフミラー２６２と、を備える。第６ディスプレイ１１６、第７ディスプレイ１１７、第１ハーフミラー２６１および第２ハーフミラー２６２を設けたこと以外は、第２実施例に係る表示装置２００と同じである。
【００５９】
図６では、表示装置３００における、第３ディスプレイ１１３、第４ディスプレイ１１４、第５ディスプレイ１１５、第６ディスプレイ１１６および第７ディスプレイ１１７の配置を、それぞれＰ３、Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７として表している。また、図面を簡略化する目的で、観察軸１０上に形成される第３像１７３、第４像１７４、第５像１７５、第６像１７６および第７像１７７をそれぞれＩ３、Ｉ４、Ｉ５、Ｉ６、Ｉ７で表している。さらに、第３像１７３、第４像１７４、第５像１７５、第６像１７６および第７像１７７の形成位置を、それぞれＦ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６、Ｆ７として表している。そして、第３ディスプレイ１１３から放射される第３光束１３と、第４ディスプレイ１１４から放射される第４光束１４と、第５ディスプレイ１１５から放射される第５光束１５と、第６ディスプレイ１１６から放射される第６光束１６と、第７ディスプレイ１１７から放射される第７光束１７とを、観察軸１０および各光束の中心軸と共に描いている。なお、第３ディスプレイ１１３から放射される第３光束１３によって第３像１７３が形成され、第４ディスプレイから放射される第４光束１４によって第４像１７４が形成され、第５ディスプレイから放射される第５光束１５によって第５像１７５が形成され、第６ディスプレイから放射される第６光束１６によって第６像１７６が形成され、第７ディスプレイから放射される第７光束１７によって第７像１７７が形成される。
【００６０】
本実施例では、観察軸１０上において、観察者の手前から順にＦ３、Ｆ４、Ｆ７、Ｆ６、Ｆ５が位置する。Ｆ３，Ｆ４、Ｆ７は共に、観察者とマイクロミラー素子１４１の間の観察軸１０上に位置するのに対し、Ｆ６、Ｆ５は、観察者から見てマイクロミラー素子１４１の奥に延びる観察軸１０上に位置する。
【００６１】
第１ハーフミラー２６１および第２ハーフミラー２６２は、一平面が反射面であり、反射面の裏面は透過面である。よって、１つの光束の光路上に、当該ハーフミラーの透過面を当該光束の入射面として、当該ハーフミラーを配置し、当該ハーフミラーの反射面には他の光束を入射させることによって、異なる光束の中心軸を合致させることができる。
【００６２】
本実施例において、第１ハーフミラー２６１は、第５ディスプレイ１１５とマイクロミラー素子１４２との間の空間、かつ、第５ディスプレイ１１５から放射される第５光束１５の中心軸上に配置されている。さらに、第１ハーフミラー２６１は、第５光束１５の入射側が透過面となるよう配置されている。当該透過面は、第５光束１５の中心軸と４５度を成す。
【００６３】
同様に、第２ハーフミラー２６２は、第４ディスプレイ１１４とマイクロミラー素子１４２との間の空間、かつ、第４ディスプレイ１１４から放射される第４光束１４の中心軸上に配置されている。さらに、第２ハーフミラー２６２は、第４光束１４の入射側が透過面となるよう配置されている。当該透過面は、第４光束１４の中心軸と４５度を成す。
【００６４】
第６ディスプレイ１１６の位置は、上記水平面に対してＦ６と平面対称の位置を第１の位置とし、上記鉛直平面に対して第１の位置と平面対称の位置を第２の位置とし、さらに、第１ハーフミラー２６１の平面が形成する水平面に対して、第２の位置と平面対称の位置Ｐ６にある。さらに、第６ディスプレイ１１６から放射される第６光束１６が、第１ハーフミラー２６１に入射する向きで、第６ディスプレイ１１６は設置されている。
【００６５】
第７ディスプレイ１１７の位置は、上記水平面に対してＦ７と平面対称の位置を第３の位置とし、上記鉛直平面に対して第３の位置と平面対称の位置を第４の位置とし、さらに、第２ハーフミラー２６２の平面が形成する水平面に対して、第４の位置と平面対称の位置Ｐ７にある。さらに、第７ディスプレイ１１７から放射される第７光束１７が、第２ハーフミラー２６２に入射する向きで、第７ディスプレイ１１７は設置されている。
【００６６】
ここで、第１ハーフミラー２６１で反射する第６光束１６の中心軸は、第１ハーフミラー２６１を透過する第５光束１５の中心軸と合致する。ただし、第６ディスプレイ１１６から第１ハーフミラー２６１までの第６光束１６の中心軸の光路長は、第５ディスプレイ１１５から第１ハーフミラー２６１までの第５光束１５の中心軸の光路長より短い。これにより、虚像である第６像１７６は、観察者から見てマイクロミラー素子１４１の奥に延びる観察軸１０上で、虚像である第５像１７５の手前に形成される。
【００６７】
また、第２ハーフミラー２６２で反射する第７光束１７の中心軸は、第２ハーフミラー２６２を透過する第４光束１４の中心軸と合致する。ただし、第７ディスプレイ１１７から第２ハーフミラー２６２までの第７光束１７の中心軸の光路長と、第２ハーフミラー２６２からマイクロミラー素子１４２までの第７光束１７の中心軸の光路長との和は、マイクロミラー素子１４２からマイクロミラー素子１４１までの第７光束１７の中心軸の光路長より長い。したがって、マイクロミラー素子１４２から放射された第７光束１７は、マイクロミラー素子１４２からマイクロミラー素子１４１までの光路間で収束せずに、マイクロミラー素子１４１のハーフミラー２３１で１回反射される。当該ハーフミラー２３１で反射した第７光束１７の中心軸は、観察軸１０上に位置し、第７光束１７は観察軸１０上で収束する。すなわち、当該収束位置に第７像１７７が形成される。
【００６８】
したがって、本実施例においては、観察軸１０上に、観察者の手前から順に、第３像１７３、第４像１７４、第７像１７７、第６像１７６、第５像１７５を並べて形成することができる。例えば、第３像１７３をバスの像、第４像１７４を森の像、第５像１７５を山の像、第６像１７６を太陽の像、第７像１７７を家の像とすると、図６（ｂ）で図示するように、観察軸１０上に形成された各像を、観察者は同一直線上で重ねて観察することができる。
【００６９】
以上のことから、第２実施例の表示装置２００に対して、第１ハーフミラー２６１および第２ハーフミラー２６２を設けることにより、観察軸１０上に形成される像の数を増やすことができる。また、複数のハーフミラーの配置位置は、本実施例における配置位置に限らず、各光束上において、各光束の入射側を透過面として自由に配置することができる。すなわち、複数のハーフミラーを用いることで、例えば表示装置における機器配置の煩雑さを回避することができる。
【００７０】
図７は本実施形態におけるマイクロミラー素子１４０の製造工程のフロー図である。製造工程は、ステップＳ１０１とステップＳ１０２から成る第１工程と、ステップＳ１０３から成る第２工程と、ステップＳ１０４から成る第３工程とを有する。
【００７１】
ステップＳ１０１においては、光反射面と光吸収面を有するガラス製の長手部材を複数用いて、隣接する両面が密着するよう並設した平板２２１、２２２を形成する。ステップＳ１０２においては、平板２２１、２２２を、長手部材の並列方向が直交するように貼り合せることにより、結像部２２０を形成する。
【００７２】
ステップＳ１０３においては、ステップＳ１０２で製造された結像部２２０を用いて、平板２２１のうち長手部材が並列する１平面を研磨する。研磨方法として、例えば研磨機による自動研磨を用いることができる。平面研磨は、研磨面が反射性を有する平滑面となったら終了する。
【００７３】
ステップＳ１０４においては、ステップＳ１０３で研磨した結像部２２０の研磨面に、アルミ又は銀を蒸着させ、研磨面にハーフミラー２３０を形成する。以上の製造工程により、本実施形態におけるマイクロミラー素子１４０は製造される。
【００７４】
なお、本実施形態においては、結像部２２０の研磨面にハーフミラー２３０を形成したが、マイクロミラー素子はハーフミラー２３０を有さなくとも良い。すなわち、ステップＳ１０３により研磨した結像部２２０の研磨面を、反射面として用いても良い。これにより、結像部２２０から放射される実像の光透過率を高めることができる。
【００７５】
図８は第４実施例に係るマイクロミラー素子３４０の光学系の説明図である。ここまでの実施例においては、反射層として平面のハーフミラー２３０を用いたが、本実施例においては、反射層として凹面のハーフミラー３３０を用いる。
マイクロミラー素子３４０は、上記の結像部２２０と、ガラス製の片面凹面レンズ３８０と、当該片面凹面レンズ３８０の凹面に形成されたハーフミラー３３０と、を備える。片面凹面レンズ３８０の凹面の反対側の平面は、結像部２２０の研磨面に固定されている。片面凹面レンズ３８０の凹面の表面は研磨されている。ハーフミラー３３０は、片面凹面レンズ３８０の凹面に、アルミ又は銀を蒸着させて形成される。
【００７６】
ハーフミラー３３０の凹面は、楕円の曲面として形成されている。第１ディスプレイ１１１は、凹面のハーフミラー３３０の２つの焦点のうち、一方に配置されている。楕円曲面の凹面鏡は、２つの焦点のうち、一方に点光源を配置すると、他方の焦点に結像させることができる。すなわち、ハーフミラー３３０の一方の焦点に配置した第１ディスプレイ１１１から放射される第１光束１１が、ハーフミラー３３０に対して点光源程度にみなせることができれば、他方の焦点に結像させることができる。したがって、第１ディスプレイ１１１は、ハーフミラー３３０に対して相対的に小さい。第２ディスプレイ１１２は、マイクロミラー素子３４０の結像部２２０側に配置されている。
【００７７】
本実施例においては、第１ディスプレイ１１１から放射される第１光束１１と、第２ディスプレイ１１２から放射される第２光束１２が、マイクロミラー素子３４０に入射して、観察者の目に入射するまでの光学系を説明する。
【００７８】
まず、結像部２２０を２回反射して片面凹面レンズ３８０に入射する第２光束１２は、片面凹面レンズ３８０で屈折して、実像である第２像３７２を形成する。第２像３７２は、片面凹面レンズ３８０を有さないマイクロミラー素子１４０に比べて、マイクロミラー素子３４０からより離れた位置に形成される。
【００７９】
次に、ハーフミラー３３０の一方の焦点から放射され、ハーフミラー３３０に入射する第１光束１１は、凹面のハーフミラー３３０で反射すると、ハーフミラー３３０の他方の焦点付近で収束し、実像である第１像３７１を形成する。
【００８０】
以上より、第１光束１１および第２光束１２によって各々形成される、実像である第１像３７１および第２像３７２の光路が、観察軸１０上に位置する。これによって、マイクロミラー素子３４０の手前の観察軸１０上で、観察者の手前から順に第２像３７２、第１像３７１と並べて形成することができる。すなわち、マイクロミラー素子３４０を用いることにより、観察者は、観察軸１０上において手前から順に、第２像３７２、第１像３７１を重ねて観察することができる。なお、マイクロミラー素子３４０の２平面のうち、片面凹面レンズ３８０を固定していない側の面には、当該凹面と近い曲率を持つ曲面を備えた片面凹面レンズを設置しても良い。マイクロミラー素子３４０の両平面に対し、片面凹面レンズを平面同士が貼り合わされるように設けることにより、第２光束１２の歪みを抑えることができる。また、ハーフミラー３３０の代わりに、自然光によって実像を形成し、凹面鏡としての作用を持つホログラフィック素子を用いても良い。
【００８１】
図９は第５実施例に係るホログラフィック素子４４０の光学系の説明図である。ここまでの実施例においては、マイクロミラー素子を光学素子として用いる光学系を説明したが、本実施例においては、ホログラフィック素子４４０を光学素子として用いる光学系を説明する。
【００８２】
ホログラフィック素子４４０には、レーザを用いて、浮かび上がらせる第２像４７２からの参照光を、予め干渉縞として記録している。また、ホログラフィック素子４４０の表面部４３０は、平面研磨がなされており、ハーフミラーの反射層を設けずに、表面部４３０を反射面としている。
【００８３】
第１ディスプレイ１１１は、ホログラフィック素子４４０の表面部４３０側の空間に位置する。さらに、第１ディスプレイ１１１は、第１ディスプレイ１１１から放射される第１光束１１の中心軸が、表面部４３０に対して傾きを有するように配置されている。また、第１光束１１は、表面部４３０で反射する。
【００８４】
本実施例にいては、ホログラフィック素子４４０に対し、再生機４９０からの再生照明光を、観察者の側の空間から照射する。これにより、観察者の手前の観察軸１０上に、スードスコピックな実像である第２像４７２が形成される。また、第１ディスプレイ１１１から放射される第１光束１１が、当該表面部４３０で反射した後の光路は、観察軸１０上に位置するため、観察者から見てホログラフィック素子４４０の奥に延びる観察軸１０上に、虚像である第１像４７１が形成される。すなわち、観察者の手前から順に、実像である第２像４７２、虚像である第１像４７１が観察軸１０上に並んで形成される。したがって、本実施例によれば、ホログラフィック素子４４０の表面部４３０の反対側の空間を用いることなく、観察者は観察軸１０上で第２像４７２、第１像４７１を重ねて観察することができる。
【００８５】
なお、本実施例においては、再生機４９０からの再生照明光を、観察者の側の空間から照射することとしたが、観察者と反対側の空間から再生照明光を照射することとしても良い。これにより、観察者から見てホログラフィック素子４４０の奥に延びる観察軸１０上に、オルソスコピックな実像である第２像４７２を形成することができる。
【００８６】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００８７】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００８８】
１０  観察軸、１１  第１光束、１２  第２光束、１３  第３光束、１４  第４光束、１５  第５光束、１６  第６光束、１７  第７光束、１００  表示装置、１１１  第１ディスプレイ、１１２  第２ディスプレイ、１１３  第３ディスプレイ、１１４  第４ディスプレイ、１１５  第５ディスプレイ、１１６  第６ディスプレイ、１１７  第７ディスプレイ、１２１  第１設置部、１２２  第２設置部、１３１  第１可動アーム、１３２  第２可動アーム、１４０、１４１、１４２  マイクロミラー素子、１５０  支持台、１６０  制御部、１７１  第１像、１７２  第２像、１７３  第３像、１７４  第４像、１７５  第５像、１７６  第６像、１７７  第７像、２００  表示装置、２２０  結像部、２２１、２２２  平板、２３０、２３１、２３２  ハーフミラー、２６１  第１ハーフミラー、２６２  第２ハーフミラー、３００  表示装置、３３０  ハーフミラー、３４０  マイクロミラー素子、３７１  第１像、３７２  第２像、３８０  片面凹面レンズ、４３０  表面部、４４０  ホログラフィック素子、４７１  第１像、４７２  第２像、４９０  再生機
【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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