(57)【要約】【課題】  表示手段の外部空間に浮遊像を表示させる立体表示装置の構成の簡素化、小型化する。表示手段で３次元立体像を表示している場合でも、前記３次元立体像の全体を浮遊させて表示させる。【解決手段】  物体の画像を表示する表示手段と、前記表示手段に表示された画像を前記表示手段の外部空間に浮遊させる画像浮遊手段とからなる空間浮遊像表示装置であって、前記画像浮遊手段は、前記表示手段からの距離にかかわらず、前記表示手段に表示された画像と等倍率の正立像または倒立像を前記表示手段の外部空間に結像させる等倍結像光学系でなる空間浮遊像表示装置である。【選択図】        図１
2006293184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の画像を表示する表示手段と、前記表示手段に表示された画像を前記表示手段の外部空間に浮遊させる画像浮遊手段とからなる空間浮遊像表示装置であって、前記画像浮遊手段は、前記表示手段からの距離にかかわらず、前記表示手段に表示された画像と等倍率の正立像または倒立像を前記表示手段の外部空間に結像させる等倍結像光学系でなることを特徴とする空間浮遊像表示装置。
【請求項２】
前記等倍結像光学系は、焦点距離が同一である複数個の結像素子を備え、
前記複数個の結像素子は、等間隔であり、かつ、前記光学系に入射した光が前記光学系から出射するまでに結像素子をｎ回（ｎは２以上の整数）通過するように配置されており、
前記結像素子の間隔ｄは、前記結像素子の焦点距離をｆ、ｋ個の前記結像素子を通過した光の結像の倍率をＭkとしたときに下記数式（１）乃至数式（４）で表される漸化式において、Ｍk=n＝１または−１を満たし、かつ、Ｌ0に依存しない値とすることを特徴とする請求項１に記載の空間浮遊像表示装置。
【数１】
2006293184.tif 000014
【請求項３】
前記複数個の結像素子は、ｎ個のレンズ、またはｎ個の曲面鏡、あるいは総数ｎ個のレンズおよび曲面鏡からなることを特徴とする請求項２に記載の空間浮遊像表示装置。
【請求項４】
前記等倍結像光学系は、焦点距離が同一である複数個の結像素子と、平面鏡と、光の入射方向に応じて前記光の出射方向を切り替える光学部品とを備え、
前記複数個の結像素子、前記平面鏡、および前記光学部品は、前記結像素子が等間隔であり、かつ、前記光学系に入射した光が前記光学系から出射するまでに結像素子をｎ回（ｎは２以上の整数）通過するように配置されており、
前記結像素子の間隔ｄは、前記結像素子の焦点距離をｆ、ｋ個の前記結像素子を通過した光の結像の倍率をＭkとしたときに下記数式（１）乃至数式（４）で表される漸化式において、Ｍk=n＝１または−１を満たし、かつ、Ｌ0に依存しない値とすることを特徴とする請求項１に記載の空間浮遊像表示装置。
【数２】
2006293184.tif 000015
【請求項５】
前記複数個の結像素子はｎ個未満のレンズからなり、
前記光学部品はハーフミラーからなることを特徴とする請求項４に記載の空間浮遊像表示装置。
【請求項６】
前記複数個の結像素子はｎ個未満のレンズからなり、
前記光学部品は、偏光ビームスプリッタおよび１／４波長板の組み合わせ、または前記偏光ビームスプリッタおよび１／４波長板ならびに偏光板の組み合わせからなることを特徴とする請求項４に記載の空間浮遊像表示装置。
【請求項７】
前記等倍結像光学系は、焦点距離がｆ1であるｎ＋１枚（ｎは１以上の整数）のレンズと、焦点距離がｆ2であるｎ枚のレンズからなり、
前記焦点距離がｆ1のレンズと前記焦点距離がｆ2のレンズとが交互に配置され、かつ、前記焦点距離がｆ1のレンズが等間隔で配置されており、
前記焦点距離ｆ1のレンズの間隔ｄは、ｋ個の前記レンズを通過した光の結像の倍率をＭkとしたときに下記数式（５）乃至数式（８）で表される漸化式において、Ｍk=2n+1＝１または−１を満たし、かつ、Ｌ0に依存しない値とすることを特徴とする請求項１に記載の空間浮遊像表示装置。
【数３】
2006293184.tif 000016
【請求項８】
前記焦点距離がｆ1のレンズまたは前記焦点距離がｆ2のレンズのいずれか一方、または両方が、可変焦点レンズであることを特徴とする請求項７に記載の空間浮遊像表示装置。
【請求項９】
前記等倍結像光学系は、１つまたは２つ以上の凹面鏡の組み合わせでなることを特徴とする請求項１に記載の空間浮遊像表示装置。
【請求項１０】
前記等倍結像光学系は、中心から外周に向かって屈折率が連続的に変化する棒状レンズを２次元アレイ状に配列した棒状レンズアレイでなることを特徴とする請求項１に記載の空間浮遊像表示装置。
【請求項１１】
前記表示手段は、物体の２次元像を表示する２次元表示装置であることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の空間浮遊像表示装置。
【請求項１２】
前記表示手段は、物体の３次元立体像を表示する３次元表示装置であることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の空間浮遊像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間浮遊像表示装置に関し、特に、画像を表示する表示手段の外部空間に３次元的な画像を浮遊させる表示装置に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、物体などの画像を表示する表示装置として、前記画像を表示する表示手段（表示面）の外部空間に、前記表示手段に表示された画像を浮遊させて表示（提示）する表示装置がある。このような表示装置は、たとえば、タッチパネル表示装置などに適用されている。
【０００３】
前記タッチパネル表示装置は、たとえば、液晶ディスプレイなどの表示手段上にタッチパネルと呼ばれる平面スイッチを重ねた表示装置であり、観察者からみると、前記表示手段に表示されたメニューボタン等の画像と、前記観察者が指や入力ペン等で触れるタッチパネルの奥行き位置が異なり、違和感を抱くことがある。そこで、前記表示手段に表示されたメニューボタン等の画像を前記タッチパネルの近傍に浮遊させて表示（提示）することで、違和感を低減させることができる。
【０００４】
また、前記表示手段に表示された画像を浮遊させて表示（提示）する表示装置には、たとえば、物体の３次元像（立体像）を表示する表示装置がある。このような表示装置としては、たとえば、固定焦点レンズおよび屈折率可変物質を用いた立体表示装置（たとえば、特許文献１を参照。）や、DFDと呼ばれる３次元表示装置（たとえば、特許文献２を参照。）が知られている。
【０００５】
前記特許文献１に記載された立体表示装置は、表示手段に表示される２次元像を立体的に表示させる装置であり、第１の周波数の電圧を印加したときの誘電率の差が正の値となり、第２の周波数の電圧を印加したときの前記誘電率の差が負の値となる異なる２つ以上の誘電率を有する屈折率可変物質の層、所定の焦点距離を有する固定焦点レンズ、および、前記固定焦点レンズと前記屈折率可変物質とからなる層を挟持する少なくとも一対の透明電極からなり、前記表示手段に表示される前記２次元像の結像位置を移動させる結像位置移動手段と、前記表示手段に表示される２次元像の更新周期と前記結像位置移動手段の結像位置の移動周期とを同期させる同期手段と、前記同期手段に基づいて、異なる前記第１の周波数と前記第２の周波数とからなる駆動出力で前記結像位置移動手段を駆動する駆動手段とを具備する立体表示装置である。つまり、前記特許文献１に記載された立体表示装置は、前記屈折率可変物質の屈折率の変化を前記２次元像の切り替え周期と同期させることで、前記固定焦点レンズと前記屈折率可変物質とからなる層の焦点距離を変化させ、観察者から観て奥行き位置が異なる複数枚の浮遊画像を表示し、立体的な像を表示（提示）する装置である。そのため、前記立体的な像を表示するためには、画像の表示切り替え速度（応答速度）が高速な表示手段が必要であるとともに、前記屈折率可変物質の誘電率を画像の切り替えに同期させて変化させるための前記各手段が必要である。
【０００６】
また、前記特許文献１に記載された立体表示装置において、高速な表示素子を高解像度化することは、単に製造が困難であるだけでなく、駆動時にデバイスに供給すべき情報量が膨大となってしまい、現実的ではない。そのため、たとえば、文字情報のような精細度が要求される表示を行うタッチパネルを具備した表示装置への適用が困難であるという問題があった。
【０００７】
また、前記特許文献２などに記載された前記DFDは、観察者から見て異なった奥行き位置にある複数の表示面に対して、表示対象物体を前記観察者の視線方向から射影した二次元像を生成し、前記生成された二次元像を前記観察者から見て異なった奥行き位置にある複数の表示面にそれぞれ表示し、当該表示される二次元像の輝度を前記表示面毎にそれぞれ独立に変化させて三次元立体像を生成する装置である。このような前記DFDは、前記観察者から見て手前の表示面（表示手段）に表示された画像の輝度と、前記観察者から見て奥の表示面に表示された画像の輝度の比率を変えることで、前記各表示面の間の、各画像の輝度の比率に応じた位置に前記画像が表示されているようにみせる表示装置である。つまり、前記DFDでは、生成される三次元立体像は、二次元像を表示する表示面の間に限られている。そのため、たとえば、前記タッチパネル表示装置のように表示面の外部空間（タッチパネルの近傍）に三次元像立体像を表示させる場合には、そのままでは適用できないという問題がある。
【特許文献１】特許第３３１０１５７号明細書
【特許文献２】特許第３４６０６７１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする問題点は、前記背景技術で説明したように、前記特許文献１に記載されたような立体表示装置の場合、装置が大がかりになり、適用範囲が狭いという点である。
【０００９】
また、他の問題点として、前記特許文献２に記載されたような三次元表示装置（DFD）の場合、生成される三次元立体像は各表示面の間に限られ、全表示面でなる表示手段の外部空間に三次元立体像を生成することができないという点もある。
【００１０】
本発明の目的は、表示手段の外部空間に浮遊像を表示させる立体表示装置の構成の簡素化、小型化が可能な技術を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、表示手段で３次元立体像を表示している場合でも、前記３次元立体像の全体を浮遊させて表示させることが可能な技術を提供することにある。
【００１２】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面によって明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願において開示される発明の概略を説明すれば、以下の通りである。
【００１４】
（１）  物体の画像を表示する表示手段と、前記表示手段に表示された画像を前記表示手段の外部空間に浮遊させる画像浮遊手段とからなる空間浮遊像表示装置であって、前記画像浮遊手段は、前記表示手段からの距離にかかわらず、前記表示手段に表示された画像と等倍率の正立像または倒立像を前記表示手段の外部空間に結像させる等倍結像光学系でなる空間浮遊像表示装置である。
【００１５】
（２）  前記手段（１）において、前記等倍結像光学系は、焦点距離が同一である複数個の結像素子を備え、前記複数個の結像素子は、等間隔であり、かつ、前記光学系に入射した光が前記光学系から出射するまでに結像素子をｎ回（ｎは２以上の整数）通過するように配置されており、前記結像素子の間隔ｄは、前記結像素子の焦点距離をｆ、ｋ個の前記結像素子を通過した光の結像の倍率をＭkとしたときに下記数式（１）乃至数式（４）で表される漸化式において、Ｍk=n＝１または−１を満たし、かつ、Ｌ0に依存しない値とする。
【数４】
2006293184.tif 000003
【００１６】
（３）  前記手段（１）において、前記等倍結像光学系は、焦点距離がｆ1であるｎ＋１枚（ｎは１以上の整数）のレンズと、焦点距離がｆ2であるｎ枚のレンズからなり、前記焦点距離がｆ1のレンズと前記焦点距離がｆ2のレンズとが交互に配置され、かつ、前記焦点距離がｆ1のレンズが等間隔で配置されており、前記焦点距離ｆ1のレンズの間隔ｄは、ｋ個の前記レンズを通過した光の結像の倍率をＭkとしたときに下記数式（５）乃至数式（８）で表される漸化式において、Ｍk=2n+1＝１または−１を満たし、かつ、Ｌ0に依存しない値とする。
【数５】
2006293184.tif 000004
【００１７】
（４）  前記手段（１）において、前記等倍結像光学系は、１つまたは２つ以上の凹面鏡の組み合わせでなる光学系である。
【００１８】
（５）  前記手段（１）において、前記等倍結像光学系は、中心から外周に向かって屈折率が連続的に変化する棒状レンズを２次元アレイ状に配列した棒状レンズアレイでなる光学系である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の空間浮遊像表示装置は、前記手段（１）のように、前記等倍結像光学系を用いて、前記表示手段に実際に表示されている画像を、前記表示手段からの距離にかかわらず、前記表示手段の外部空間に結像させる。そのため、前記表示手段が、たとえば、DFDのように複数の表示面の間に３次元立体像を表示させる表示手段であっても、前記３次元立体像の全体を結像（浮遊）させることができる。
【００２０】
このとき、前記等倍結像光学系としては、たとえば、前記手段（２）のように、前記光学系に入射した光が、焦点距離が同一である複数個の結像素子をｎ回通過した後、前記光学系から出射するような光学系が好ましい。このとき、前記結像素子の間隔ｄが、前記数式（１）乃至数式（４）で表される漸化式において、Ｍk=n＝１または−１を満たし、かつ、Ｌ0に依存しない値であれば、前記Ｌ0、すなわち前記等倍結像光学系から表示手段までの距離によらず、どの距離にあっても前記表示手段に表示された画像を等倍率で結像させることができる。そのため、前記表示手段で３次元立体像を表示しているときのように、前記等倍結像光学系から前記画像上の各点までの距離が異なる場合でも、画像全体を結像させることができる。
【００２１】
またこのとき、前記結像素子は、たとえば、レンズのように光を透過する透明な素子であってもよいし、曲面鏡のように、光を反射する素子であってもよい。また、前記等倍結像光学系は、たとえば、ｎ個のレンズまたはｎ個の曲面鏡、あるいは総数ｎ個のレンズおよび曲面鏡の組み合わせであってもよい。
【００２２】
また、前記等倍結像光学系は、前記光学系に入射した光が前記光学系から出射するまでに、前記結像素子をｎ回通過すればよいので、前記結像素子の数はｎ個未満であってもよい。前記結像素子の数がｎ個未満の場合、たとえば、ある結像素子を通過した光を平面鏡で反射させ、前記ある結像素子を再び通過させることで、前記結像素子をｎ回通過させることができる。またこのとき、ハーフミラーや、偏光ビームスプリッタおよび１／４波長板ならびに偏光板を組み合わせた光学部品を用いることで、前記光学系に入射した光を、入射位置とは別の位置から出射させることができ、前記画像を浮遊させて表示させることができる。
【００２３】
また、焦点距離が同一である複数枚の結像素子（レンズ）を等間隔で配置した等倍結像光学系は、たとえば、前記特許文献１に記載された立体表示装置に比べ、表示装置の構成を簡素化することができ、小型化することができる。
【００２４】
また、焦点距離が同一である複数枚の結像素子（レンズ）を等間隔で配置した等倍結像光学系は、前記表示手段で表示されている画像をそのまま浮遊させることができる。そのため、前記表示手段として、たとえば、DFDなどの物体の３次元立体像を表示できる表示手段（装置）を用いれば、前記特許文献１に記載された立体表示装置のように前記表示手段上で画像を高速で切り替えるといったことをしなくてもよい。
【００２５】
また、前記等倍結像光学系として、複数個の結像素子（レンズ）を備える光学系を用いる場合、前記手段（３）のように、焦点距離がｆ1であるｎ＋１枚（ｎは１以上の整数）のレンズと、焦点距離がｆ2であるｎ枚のレンズを交互に配置した光学系でもよい。このとき、前記焦点距離ｆ1のレンズの間隔ｄは、前記手段（３）のように、前記数式（５）乃至数式（８）で表される漸化式において、Ｍk=2n+1＝１または−１を満たし、かつ、Ｌ0に依存しない値とする。このようにすると、焦点距離がｆ1のレンズをｍ枚積層するときの間隔が、前記手段（２）の光学系において焦点距離がｆ1のレンズのみをｍ枚積層したときの間隔に比べて狭くすることができ、表示装置をさらに小型化することができる。
【００２６】
またこのとき、前記レンズとして可変焦点レンズを用いれば、３次元表示装置で表示可能な奥行き表示範囲が狭い場合でも、広い奥行き範囲を表現することができる。
【００２７】
また、前記等倍結像光学系としては、前記手段（２）または手段（３）のように複数枚のレンズを積層した光学系に限らず、たとえば、前記手段（４）のように１つまたは２つ以上の凹面鏡を組み合わせた光学系であってもよい。またさらに、前記手段（５）のように棒状レンズを２次元アレイ状に配列した棒状レンズアレイでなる光学系であってもよい。
【００２８】
また、本発明の空間浮遊像表示装置において、前記表示手段は、物体などの画像を実際に表示できる手段であれば、どのような手段であってもよい。すなわち、前記表示手段は、たとえば、一般的な液晶ディスプレイやプラズマディスプレイなどの２次元像を表示する２次元表示装置でもよいし、たとえば、DFDや体積走査型表示装置のように３次元立体像を表示することが可能な３次元表示装置であってもよい。
【００２９】
以下、本発明について、図面を参照して実施の形態（実施例）とともに詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは、同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１および図２は、本発明の空間浮遊像表示装置の原理を示す模式図であり、図１は等倍の正立像を浮遊させる場合の図、図２は等倍の倒立像を浮遊させる場合の図である。
【００３１】
本発明の空間浮遊像表示装置は、図１および図２に示したように、物体などの画像を実際に表示する表示手段１Ａと、前記表示手段１Ａに表示された画像を前記表示手段１Ａの外部空間に等倍率で結像させる等倍結像光学系２とからなる。このとき、前記等倍結像光学系２による結像は、図１に示したような正立像１Ｂであってもよいし、図２に示したような倒立像１Ｃであってもよい。このように、前記等倍結像光学系２を用いて前記表示手段１Ａに表示された画像を前記表示手段１Ａの外部空間に等倍率で結像させると、観察者３は、前記結像１Ｂ，１Ｃの位置に、前記表示手段１Ａに表示されている画像が存在しているように知覚できる。
【実施例１】
【００３２】
図３は、本発明による実施例１の空間浮遊像表示装置の概略構成を示す模式図である。
図３において、１Ａは表示手段、１Ｂ，１Ｃは結像、２は等倍結像光学系、２０１h（h=1,2,3,…,n）は焦点距離がｆのレンズである。
【００３３】
本実施例１の空間浮遊像表示装置は、たとえば、図３に示すように、浮遊させる画像を実際に表示する表示手段１Ａと、焦点距離が同一（ｆ）のｎ枚のレンズ（ｎは２以上の整数）２０１h（h=1,2,3,…,n）が間隔ｄ１で等間隔に配置された等倍結像光学系２からなる。
【００３４】
本実施例１の空間浮遊像表示装置で用いる等倍結像光学系２のように、焦点距離が同一のｎ枚のレンズ２０１hが等間隔で配置されている場合、焦点距離をｆ、レンズの間隔をｄとすると、ｋ枚目のレンズまでによる結像の倍率Ｍkは、下記数式（１）から（４）のような漸化式で表される。
【数６】
2006293184.tif 000005
【００３５】
本実施例１の等倍結像光学系２のようにｎ枚のレンズ２０１hを用いて等倍率の正立像１Ｂを結像させる場合は、Ｍk=n＝１である。そのため、前記数式（１）から数式（４）を用いてＭk=n＝１を満たすｄを求めることで、前記レンズ２０１hの間隔ｄ１が求まる。また、等倍率の倒立像１Ｃを結像させる場合は、Ｍk=n＝−１である。そのため、前記数式（１）から数式（４）を用いてＭk=n＝−１を満たすｄを求めることで、前記レンズ２０１hの間隔ｄ１が求まる。
【００３６】
ここで、前記レンズ２０１hの間隔ｄ１の求め方の一例として、焦点距離がｆのレンズ２０１1，２０１2を２枚重ねた場合を挙げ、前記漸化式の解き方を簡単に説明する。
【００３７】
図４は、本実施例１の等倍積層光学系におけるレンズの間隔の求め方を説明するための模式図である。
【００３８】
前記２枚の焦点距離ｆのレンズ２０１1，２０１2は、図４に示すように、間隔ｄk-1＝ｄ1で配置されているとする。このとき、１枚目のレンズ２０１1から物体（表示手段１Ａ）までの距離を−Ｌ0とし、１枚目のレンズ２０１1から１枚目のレンズ２０１1による結像１Ｄの倍率をＭ1、結像１Ｄまでの距離をＬ1とし、２枚目のレンズ２０１2までによる結像１Ｂの倍率をＭ2、結像１Ｂまでの距離をＬ2とする。このとき、前記Ｌ2は前記数式（３）および数式（４）から下記数式（９）で表され、前記Ｍ2は前記数式（１）および数式（９）から下記数式（１０）で表される。
【数７】
2006293184.tif 000006
【００３９】
また、前記数式（９）および数式（１０）において、前記Ｌ1は前記数式（３）および数式（４）から下記数式（１１）で表され、前記Ｍ1は前記数式（１）および数式（１１）から下記数式（１２）で表される。
【数８】
2006293184.tif 000007
【００４０】
そして、前記数式（１１）で表されるＬ1および前記数式（１２）で表されるＭ1を前記数式（１０）に代入すると、Ｍ2は下記数式（１３）で表される。
【数９】
2006293184.tif 000008
【００４１】
こうして得られた前記数式（１３）を、Ｍ2＝１としてｄについて解くと、ｄは、下記数式（１４）のようになる。
【数１０】
2006293184.tif 000009
【００４２】
しかしながら、この場合、前記数式（１４）に示したように、ｄは１枚目のレンズ２０１1から表示手段１Ａまでの距離−Ｌ0に依存する。そのため、たとえば、前記表示手段１Ａが１枚の表示面からなり、前記表示面に表示された１つの２次元像をそのまま浮遊させる場合などは、前記１枚目のレンズ２０１1から表示面までの距離−Ｌ0に基づく間隔ｄでレンズを積層することで、前記表示面に表示された２次元像を結像させることができる。しかしながら、前記表示手段１Ａが、たとえば、DFD等の３次元立体像を表示する装置である場合、前記Ｌ0は、前記３次元立体像の各点において異なるため、前記数式（１４）に基づいてレンズの間隔ｄ１＝ｄを決定することができない。そのため、前記数式（１４）で得られるｄは、解としてはふさわしくない。
【００４３】
一方、前記数式（１４）を、Ｍ2＝−１としてｄについて解くと、ｄは、下記数式（１５）のようになる。
【数１１】
2006293184.tif 000010
【００４４】
この場合、ｄは１枚目のレンズ２０１1から表示手段１Ａまでの距離−Ｌ0に依存しないので、２枚のレンズの間隔ｄ１＝２ｆとすれば、前記１枚目のレンズ２０１1から任意の距離にある表示手段１Ａの画像を等倍の倒立像１Ｃとして結像させることができる。
【００４５】
また、ｎ＝３以上、すなわち３枚以上のレンズを積層する場合は、同様の手順で前記漸化式を解いて１枚目のレンズから物体までの距離−Ｌ0に依存しないｄが求まれば、その値の間隔でレンズを配置することで、等倍の正立像または倒立像を結像させることができる。このとき、詳細な計算手順は省略するが、前記漸化式を用いてｎ＝２から８までの場合について、等倍の正立像を結像させる場合のレンズの間隔ｄ１と等倍の倒立像を結像させる場合のレンズの間隔ｄ１の値を求めると、下記表１のようになる。
【００４６】
【表１】
2006293184.tif 000011
【００４７】
図５および図６は、本実施例１の空間浮遊像表示装置の一具体例を示す模式図であり、図５は表示手段として用いるDFDの原理を説明する図、図６は表示手段としてDFDを用いた場合の装置の構成例および動作を説明する図である。
【００４８】
本実施例１の空間浮遊像表示装置で用いる等倍結像光学系は、前述のように、焦点距離が同一のｎ枚のレンズ２０１h（h=1,2,3,…,n）を、前記数式（１）から数式（４）で表される漸化式において、Ｍn＝１または−１であり、かつ、前記表示手段１Ａと前記表示手段１Ａから最も近いレンズ２０１1との距離−Ｌ0に依存しない間隔ｄ１で配置することで、前記表示手段１Ａに表示された画像の等倍率の正立像１Ｂまたは倒立像１Ｃを前記表示手段１Ａの外部空間に結像させる。そのため、本実施例１の空間浮遊像表示装置では、前記表示手段１Ａとして、たとえば、DFDのような３次元表示装置を用いることもできる。
【００４９】
前記DFDは、たとえば、図５に示すように、２枚の表示面１Ａ1，１Ａ2が観察者３の視点Ｐから見て奥行き方向に重なるように配置された表示手段であって、物体などの画像を表示するときには、表示対象物体を観察者の視点方向から射影した２次元像を生成し、各表示面１Ａ1，１Ａ2に表示する。このとき、前記観察者から見て手前の表示面１Ａ1に表示された２次元像Ｏｂｊ1の輝度をγ1、奥の表示面１Ａ2に表示された２次元像Ｏｂｊ2の輝度をγ2とすると、前記観察者の視点Ｐからは、各表示面１Ａ1，１Ａ2の間であって、かつ、前記手前の表示面１Ａ1からの距離Ｈ１と奥の表示面１Ａ2からの距離Ｈ２の比Ｈ１：Ｈ２がγ2：γ1となるような奥行き位置に前記物体の像Ｏｂｊが表示されているように見える。そのため、たとえば、表示物体上の各点を表示する各画素の輝度の比γ1：γ2を変えることで、前記表示物体を立体的に表示（提示）することができる。
【００５０】
本実施例１の空間浮遊像表示装置の表示手段１Ａとして前記DFDを用いる場合、たとえば、図６に示すように、前記観察者から見て手前の表示面１Ａ1よりさらに手前に前記等倍結像光学系２を配置する。このとき、前記等倍結像光学系２は、たとえば、図６に示したように、焦点距離が同一の４枚のレンズ２０１h（h=1,2,3,4）を積層しておく。４枚のレンズを積層した場合、前記表１に示したように、正立像および倒立像のいずれの像も結像可能であるが、倒立像を結像させる場合のほうがレンズの間隔を狭くできる。そこで、前記等倍結像光学系２を、４枚のレンズ２０１hを積層して等倍率の倒立像を結像させる光学系とし、前記レンズ２０１hの焦点距離ｆを７７mmとすると、レンズの間隔は約４６mmとなる。このとき、前記レンズの間隔は、前述のように、前記表示手段１Ａと前記表示手段１Ａに最も近いレンズ２０１1との距離−Ｌ0に依存しないようにしているので、図６に示したように、前記表示手段１Ａに最も近いレンズからの距離が異なる２枚の表示面１Ａ1，１Ａ2がある場合でも、各表示面１Ａ1，１Ａ2の等倍の倒立像を結像させることができる。
【００５１】
このように、焦点距離ｆが７７mmの４枚のレンズ２０１hを４６mm間隔で配置した等倍結像光学系２を、２枚の表示面１Ａ1，１Ａ2を面間５mmで積層した前記表示手段（DFD）の手前（前面）の表示面１Ａ1にほぼ密着させるように配置したところ、前記DFDから最も遠いレンズ（紙面右端のレンズ２０１4）から約２０mmの位置に前面の表示面１Ａ1の倒立像１Ｃ1が結像し、約１５mmの位置に後面の表示面１Ａ2の倒立像１Ｃ2が結像することを、本発明の発明者らは実験により確かめた。
【００５２】
このとき、前記空間浮遊像表示装置では、前記DFDの各表示面１Ａ1，１Ａ2に表示された画像と等倍率の倒立像１Ｃ1，１Ｃ2が前記DFDの外部空間に浮遊して表示されており、前記倒立像１Ｃ1，１Ｃ2を見ることで、前記DFDを直接見たときと同じ視覚効果が得られる。そのため、前記DFDを用いて、前記DFDの外部空間に３次元立体像を表示させることができる。またこのとき、前記前面および後面の表示面の倒立像１Ｃ1，１Ｃ2が結像した位置の近傍にタッチパネル（図示しない）を設けておけば、タッチパネルの近傍に結像した画像（倒立像）を見ながら前記タッチパネルの操作をすることができる。
【００５３】
またこのとき、図６に示した例では、２つの表示面を利用して物体の３次元立体像を表示するDFDを用いている場合を挙げているが、３枚以上の表示面を利用するDFDであってもよい。また、前記表示手段は、３次元立体像を表示する手段であれば、前記DFDに限らず、たとえば、体積走査型表示装置のような３次元表示装置であってもよい。
【００５４】
また、積層するレンズの枚数は、図６に示したような４枚に限らず、たとえば、表１に示したように２枚以上であれば構わない。しかしながら、レンズの枚数が少ないと視野角が狭くなる。また、レンズの枚数が多いと視野角は広がるが、レンズの吸収損失や散乱などの原因により画像が劣化する。これらのことから、前記レンズの積層枚数は４枚から８枚程度とすることが好ましい。
【００５５】
また、レンズはバルクレンズ、フレネルレンズ、液晶レンズのような可変焦点レンズなどの種々のレンズを用いることが可能であるが、薄型化の観点からフレネルレンズを用いることが好ましい。
【００５６】
また、前記レンズの材料には、アクリル、ポリカーボネート、ガラスなどの種々の光学材料を用いることができるが、加工の容易さ、透明度の高さなどの観点からアクリルを用いることが好ましい。
【００５７】
図７乃至図１０は、本実施例１の空間浮遊像表示装置に用いる等倍結像光学系の応用例を説明するための模式図であり、図７は等倍結像光学系の原理を示す図、図８は図７に示した光学系と光学的に等価な光学系の第１の構成例を示す図、図９は図７に示した光学系と光学的に等価な光学系の第２の構成例を示す図、図１０は図７に示した光学系と光学的に等価な光学系の第３の構成例を示す図である。
【００５８】
本実施例１の空間浮遊像表示装置では、前記物体の画像を浮遊させるために用いる等倍結像光学系として、たとえば、図７に示すように、焦点距離が同一（ｆ）の４枚のレンズ２０１h（h=1,2,3,4）を間隔ｄ１で等間隔に積層している。このとき、前記レンズ２０１hの間隔ｄ１を、前記表１に示したように０．６ｆとすれば、図７に示したように、表示手段１Ａに表示された画像と等倍率の倒立像１Ｃを結像させることができる。これは、別の言い方をすれば、図７に示したような構成、配置でなくとも、前記表示手段１Ａ側から前記光学系に入射した光が、間隔ｄ１＝０．６ｆで配置されたレンズ（結像素子）を４回通過した後、前記光学系から出射すれば、前記表示手段１Ａに表示された画像と等倍率の倒立像１Ｃを結像させることができるということである。そこで、図７に示した光学系と光学的に等価であり、前記表示手段１Ａに表示された画像と等倍率の倒立像１Ｃを結像させることができる光学系の構成例を以下に説明する。
【００５９】
図７に示した光学系と光学的に等価な光学系としては、たとえば、図８に示すように、焦点距離が同一の３枚のレンズ２０１h（h=1,2,4）と、平面鏡２０２と、ハーフミラー２０３からなる光学系が考えられる。このとき、表示手段１Ａ側から入射した光が最初に通過する１枚目のレンズ２０１1と２回目に通過する２枚目のレンズ２０１2は間隔ｄ１＝０．６ｆで配置する。また、前記ハーフミラー２０３は、前記１枚目のレンズ２０１1と前記２枚目のレンズ２０１2の間に配置する。またこのとき、前記ハーフミラー２０３は、たとえば、前記１枚目のレンズ２０１1から２枚目のレンズ２０１2に向かう光は直進し、前記２枚目のレンズ２０１2から１枚目のレンズ２０１1に向かう光は直交する方向に進路が変わるように配置する。そして、前記ハーフミラー２０３で進路が変わった光の進行方向に３枚目のレンズ２０１4を配置する。このとき、前記２枚目のレンズ２０１2と３枚目のレンズ２０１4は、図８に一点鎖線で示した光軸上での間隔がｄ１になるように配置する。
【００６０】
また、前記平面鏡２０２は、前記２枚目のレンズ２０１2を通過した光が再び２枚目のレンズ２０１2を通過するように配置する。このとき、前記平面鏡２０２は前記２枚目のレンズ２０１2から距離ｄ１／２の位置に配置する。
【００６１】
このような構成の光学系の場合、前記表示手段１Ａ側から入射した光は、前記１枚目のレンズ２０１1、前記ハーフミラー２０３、前記２枚目のレンズ２０１2を通過した後、前記平面鏡２０２で反射され、再び２枚目のレンズ２０１2を通過する。そして、前記２枚目のレンズ２０１2を再度通過した光は、前記ハーフミラー２０３で進路が変更され、前記３枚目のレンズ２０１4を通過した後、前記光学系から出射される。
【００６２】
このとき、前記表示手段１Ａ側から入射した光は、出射されるまでに合計４回、焦点距離がｆのレンズを通過する。そのため、前記各レンズ２０１h（h=1,2,4）の間隔および前記２枚目のレンズ２０１2と前記平面鏡２０２の間隔を前述のようにすると、図７に示した光学系と光学的に等価になり、前記表示手段１Ａに表示された画像と等倍率の倒立像１Ｃを結像させることができる。
【００６３】
また、図８に示した光学系では、前記ハーフミラー２０３を用いて光の進路を変えたが、これに限らず、たとえば、偏光ビームスプリッタ２０４および１／４波長板２０５ならびに偏光板２０６を組み合わせて光の進路を変えることもできる。この場合、たとえば、図９に示すように、前記ハーフミラー２０３の代わりに前記偏光ビームスプリッタ２０４を前記１枚目のレンズ２０１1と２枚目のレンズ２０１2の間に配置し、前記２枚目のレンズ２０１2と前記平面鏡２０２の間に前記１／４波長板２０５を配置する。また、前記偏光板２０６は、たとえば、図９に示したように、前記１枚目のレンズ２０１1よりも光学的に手前の位置に、前記物体１Ａ側から入射する光がｐ偏光になるように配置する。またこのとき、前記各レンズ２０１h（h=1,2,4）の間隔および前記２枚目のレンズ２０１2と前記平面鏡２０２の間隔は、図８に示した光学系の場合と同じとする。
【００６４】
このような構成の光学系の場合、前記表示手段１Ａ側から入射した光は、ｐ偏光の状態で前記１枚目のレンズ２０１1、前記偏光ビームスプリッタ２０４、前記２枚目のレンズ２０１2を通過した後、前記１／４波長板２０５、前記平面鏡２０２、前記１／４波長板２０５の順に通過することで前記２枚目のレンズ２０１2を再度通過するときにはｓ偏光になっている。そのため、前記２枚目のレンズ２０１2を再度通過した光は、前記偏光ビームスプリッタ２０４で進路が変更され、前記３枚目のレンズ２０１4を通過した後、前記光学系から出射される。
【００６５】
この場合も、前記表示手段１Ａ側から入射した光は、出射されるまでに合計４回、焦点距離がｆのレンズを通過する。そのため、前記各レンズ２０１h（h=1,2,4）の間隔および前記２枚目のレンズ２０１2と前記平面鏡２０２の間隔を前述のようにすると、図７に示した光学系と光学的に等価になり、前記表示手段１Ａに表示された画像と等倍率の倒立像１Ｃを結像させることができる。
【００６６】
なお、図９に示した例では、前記光学系に前記偏光板２０６を設けているが、たとえば、前記表示手段１Ａが偏光板を備えるディスプレイであり、前記表示手段１Ａからの光があらかじめｐ偏光の状態になっている場合などには前記偏光板２０６は不要である。
【００６７】
このように、前記平面鏡２０２と、前記ハーフミラー２０３や偏光ビームスプリッタ２０４などの光学部品を用いると、３枚のレンズ２０１h（h=1,2,4）で図７に示した光学系と光学的に等価な等倍結像光学系を構成することができる。そのため、図７に示したような構成の光学系よりもコンパクトにすることができる。
【００６８】
また、図７に示した光学系は、４枚のレンズ２０１h（h=1,2,3,4）を積層しているが、前記レンズの代わりに、前記レンズと同等の結像効果が得られる曲面鏡、すなわち焦点距離がｆの曲面鏡を用いることもできる。
【００６９】
前記曲面鏡を用いた光学系としては、たとえば、図１０に示すように、３枚目のレンズ２０１3の代わりに焦点距離がｆの曲面鏡２０７を配置した光学系が挙げられる。この場合、１枚目のレンズ２０１1と２枚目のレンズ２０１2の間隔、図６に一点鎖線で示した光軸上での前記２枚目のレンズ２０１2と前記曲面鏡２０７の距離および前記曲面鏡２０７と４枚目のレンズ２０１4の距離がそれぞれｄ１＝０．６ｆとなるように配置すれば、図７に示した光学系と光学的に等価になり、前記表示手段１Ａに表示された画像と等倍率の倒立像１Ｃを結像させることができる。
【００７０】
なお、図１０では、３枚目のレンズ２０１3の代わりに前記曲面鏡２０７を用いた例を示しているが、これに限らず、他のレンズの代わりに前記曲面鏡を用いてもよい。また、１枚のレンズだけでなく、複数枚のレンズ、あるいは全てのレンズの代わりに前記曲面鏡を用いてもよい。
【００７１】
また、図８乃至図１０に示した光学系は、図７に示した光学系と光学的に等価な光学系の一例であり、これらの構成や配置に限らず、図７に示した光学系と光学的に等価であれば他の構成や配置であってもよい。また、図８乃至図９では、レンズが４枚の場合について説明したが、４枚以外の場合も、同様に、光学的に等価であればどのような構成や配置であってもよい。
【００７２】
図１１は、本実施例１の空間浮遊像表示装置の応用例を説明するための模式図であり、１枚の表示面からなる表示手段を用いて立体的な像を表示させる装置の構成例を示す図である。
【００７３】
本実施例１の空間浮遊像表示装置は、たとえば、図６に示したように、複数の表示面を積層したDFDによって表示される３次元立体像の浮遊像を表示（提示）することができるだけでなく、たとえば、１枚の表示面からなる表示手段を用いて３次元立体像の浮遊像を表示（提示）することもできる。
【００７４】
１枚の表示面からなる表示手段１Ａを用いて３次元立体像の浮遊像を表示（提示）する場合、たとえば、図１１に示すように、前記１枚の表示面上に前記DFDの前面の表示面および後面の表示面のそれぞれに表示する２次元像に相当する２次元像Ｏｂｊ1，Ｏｂｊ2を表示する。そして、前記前面の表示面に相当する２次元像Ｏｂｊ1は、図７に示したように、第１レンズ２０１1、平面鏡（全反射ミラー）２０２Ａ、ハーフミラー２０３、第２レンズ２０１2によって外部空間上に結像させる。また、前記後面の表示面に相当する２次元像Ｏｂｊ2は、図７に示したように、平面鏡２０２Ｂ、第３レンズ２０１1’、平面鏡２０２Ｃ、ハーフミラー２０３、第２レンズ２０１2によって外部空間上に結像させる。このとき、前記第１レンズ２０１1から第２レンズ２０１2までの光学距離および第３レンズ２０１1’から第２レンズ２０２2までの光学距離がそれぞれｄ＝２ｆとなるようにしておけば、前記前面の表示面に相当する２次元像Ｏｂｊ1および前記後面の表示面に相当する２次元像Ｏｂｊ2と等倍率の倒立像が、前記表示手段１Ａの外部空間に結像する。
【００７５】
またこのとき、前記前面の表示面に相当する２次元像Ｏｂｊ1から前記第１レンズ２０１1までの光学距離と、前記後面の表示面に相当する２次元像Ｏｂｊ2から前記第３レンズ２０１1’までの光学距離を変化させることで、前記表示面の外部空間に結像した倒立像Ｏｂｊ1，Ｏｂｊ2の間隔を制御することができる。
【００７６】
以上説明したように、本実施例１の空間浮遊像表示装置によれば、前記等倍結像光学系に入射した光が出射するまでに、焦点距離が同一である結像素子（レンズ）をｎ回通過するときに、前記数式（１）から数式（４）で表される漸化式において、Ｍk=n＝１または−１を満たし、かつ、Ｌ0に依存しない間隔ｄで前記結像素子を配置することにより、簡素な構成で等倍の正立像または倒立像を結像させることができる。
【００７７】
また、本実施例１の空間浮遊像表示装置であれば、前記DFDのように、そのままでは表示手段の外部空間に３次元立体像を表示できない表示手段を用いることもでき、立体的な浮遊像を容易に表示させることができる。
【００７８】
図１２は、前記実施例１の空間浮遊像表示装置における等倍結像光学系の応用例を説明するための模式図である。
図１２において、２０１h（h=1,2,…,n+1）は焦点距離がｆ1のレンズ、２０８j（j=1,2,…,n）は焦点距離がｆ2のレンズである。
【００７９】
前記実施例１の空間浮遊像表示装置における前記等倍結像光学系では、前記結像素子は、焦点距離がｆのレンズまたは曲面鏡のみであるが、これに限らず、たとえば、図１２に示すように、ｎ＋１枚の焦点距離がｆ1のレンズ２０１h（h=1,2,…,n+1）と、ｎ枚の焦点距離がｆ2のレンズ２０８j（j=1,2,…,n）を交互に積層し、かつ、前記焦点距離がｆ1のレンズ２０１hを間隔ｄ２で等間隔に配置してもよい。
【００８０】
図１２に示したような等倍結像光学系の場合、焦点距離がｆ1のレンズ２０１hの間隔をｄとすると、ｋ枚目のレンズまでによる結像の倍率Ｍkは、下記数式（５）から（８）のような漸化式で表される。
【数１２】
2006293184.tif 000012
【００８１】
図１２に示したような等倍結像光学系を用いて等倍率の正立像１Ｂを結像させる場合、前記数式（５）から数式（８）を用いてＭk=2n+1＝１を満たすｄを求めることで、前記焦点距離がｆ1のレンズ２０１hの間隔ｄ２が求まる。また、等倍率の倒立像１Ｃを結像させる場合は、前記数式（５）から数式（８）を用いてＭk=2n+1＝−１を満たすｄを求めることで、前記焦点距離ｆ1のレンズ２０１hの間隔ｄ２が求まる。なお、前記数式（５）乃至数式（８）を用いてＭk=2n+1＝１または−１を満たすｄを求める手順は、前記数式（１）乃至数式（４）を用いてレンズ２０１hの間隔ｄ１を求める場合と同じ手順であるので、詳細な説明は省略する。
【００８２】
また、図１２に示したような等倍結像光学系において、前記数式（５）乃至数式（８）で表される漸化式を用いてｎ＝１まで、すなわち焦点距離がｆ1のレンズが２枚の場合について、たとえば、ｆ2＝−２ｆ1として、等倍の倒立像を結像させるときのレンズの間隔ｄ２を求めると、ｄ２＝１．６ｆとなる。前記実施例１のような構成で焦点距離がｆ1のレンズが２枚の場合、前記表１に示したようにレンズの間隔ｄ１は２ｆである。つまり、焦点距離がｆ1の２枚のレンズの間に、焦点距離がｆ2のレンズを挟むことで、前記焦点距離がｆ1のレンズの間隔を狭くすることができる。また、説明は省略するが、他の枚数の場合も、焦点距離がｆ2のレンズを挟むことで、前記焦点距離がｆ1のレンズの間隔を狭くすることができる。
【００８３】
つまり、図１２に示したような等倍結像光学系にすると、焦点距離がｆ1のレンズをｍ枚積層させるときの間隔ｄ２は、前記実施例１のように焦点距離がｆ1のレンズのみをｍ枚積層させるときに比べて狭くすることが可能である。そのため、等倍結像光学系を薄くすることができる。
【００８４】
また、図１２に示したような等倍結像光学系では、焦点距離ｆ1と焦点距離ｆ2が独立変数なので、前記数式（５）においてＭ2n+1＝１または−１を満たすような条件下で焦点距離ｆ1と焦点距離ｆ2を変化させることで、結像位置Ｌk=2n+1を自由に変化させることができる。この点についての最も典型的な例として、ｎ＝２、すなわちレンズの総数が５枚の場合について考える。このとき、たとえば、前記数式（５）においてＭ5＝−１を解くと、解の１つとして、下記数式（１６）が得られる。
【数１３】
2006293184.tif 000013
【００８５】
このとき、前記数式（１６）を満たすようにｆ1とｆ2を変えることにより、等倍関係を維持したまま結像位置Ｌ5を制御することができる。
【００８６】
また、図１２に示したような構成の等倍結像光学系の場合、前記レンズ２０１h，２０８jとして可変焦点レンズ、すなわち焦点距離を変えられるレンズを用いることが好ましい。前記可変焦点レンズとしては、たとえば、液晶レンズが挙げられる。
【００８７】
前記レンズ２０１h，２０８jとして可変焦点レンズを用いると、たとえば、１組の光学系で、前記数式（５）においてＭ2n+1＝１または−１を満たすような条件下で焦点距離ｆ1と焦点距離ｆ2を変化させることができる。言い換えると、たとえば、前記レンズの総数が５枚の場合、前記焦点距離がｆ1のレンズ２０１h（h=1,2,3）をある間隔ｄ３で配置しているときには、前記各レンズ２０１h，２０８jの焦点距離ｆ1，ｆ2は、前記数式（１６）を満たしていれば、どのような組み合わせであってもよい。そして、前記各レンズ２０１h，２０８jの焦点距離ｆ1，ｆ2の組み合わせを変えた場合、前記数式（７）から、物体の結像位置Ｌ5が変わる。そのため、たとえば、３次元表示装置で表示可能な奥行き表示範囲が狭い場合でも、前記各レンズ２０１h，２０８jの焦点距離ｆ1，ｆ2を変化させることで、広い奥行き範囲を表現することができる。
【００８８】
なお、図１２に示した等倍結像光学系では、前記焦点距離がｆ2のレンズとして凹レンズを用いているが、これに限らず、凸レンズを用いてもよい。
【実施例２】
【００８９】
図１３および図１４は、本発明による実施例２の空間浮遊像表示装置の概略構成を示す模式図であり、図１３は等倍結像光学系として放物面鏡を用いた場合の構成例を示す図、図１４は等倍結像光学系として楕円鏡を用いた場合の構成例を示す図である。
図１３において、２０９1，２０９2は放物面鏡である。また、図１４において、２１０は楕円鏡である。
【００９０】
本発明の前記空間浮遊像表示装置における等倍結像光学系２は、前述のように、表示手段１Ａ（表示面）に実際に表示された画像を前記表示手段１Ａの外部空間に等倍率で結像させることが可能であればよいので、前記実施例１で説明したような複数枚の結像素子（レンズ）を積層した光学系に限らず、たとえば、凹面鏡を用いた光学系であってもよい。そこで、本実施例２では、前記等倍結像光学系として凹面鏡を用いた場合の空間浮遊像表示装置の構成例について説明する。
【００９１】
前記等倍結像光学系２として凹面鏡を用いる場合、前記凹面鏡としては、たとえば、図１３に示すように、放物面状の内部空間を有する放物面鏡２０９1，２０９2を用いることができる。このとき、前記放物面を鏡面とし、図１３に示したように、曲率が同一の２つの放物面鏡２０９1，２０９2を開口端が向かい合うように配置する。またこのとき、前記２つの放物面鏡２０９1，２０９2は、光軸が一致するように配置する。そして、前記放物面鏡の一方の焦点に表示手段１Ａを配置して画像を表示させると、前記放物面の他方の焦点に前記表示手段１Ａに表示された画像を等倍率で結像させることができる。
【００９２】
また、前記等倍結像光学系２として凹面鏡を用いる場合、前記凹面鏡としては、前記放物面鏡２０９1，２０９2に限らず、たとえば、図１４に示すように、回転楕円体状の内部空間を有する楕円鏡２１０を用いることもできる。このとき、前記回転楕円体面は鏡面とし、図１４に示したように、回転楕円体面の一方の焦点に表示手段１Ａを配置して画像を表示させると、前記回転楕円体面の他方の焦点に前記表示手段１Ａに表示された画像を等倍率で結像させることができる。
【００９３】
このように、前記等倍結像光学系として凹面鏡を用いた場合も、前記実施例１と同様に、前記空間浮遊像表示装置の構成を簡素化できる。
【００９４】
なお、本実施例２では、図１３に示したような放物面鏡２０９1，２０９2、図１４に示したような楕円鏡２１０を用いた例を挙げているが、これに限らず、他の鏡面形状を持つ凹面鏡を用いることも可能である。
【実施例３】
【００９５】
図１５は、本発明による実施例３の空間浮遊像表示装置の概略構成を示す模式図であり、等倍結像光学系として棒状レンズアレイを用いた場合の構成例を示す図である。
図１５において、２１１は棒状レンズである。
【００９６】
本発明の前記空間浮遊像表示装置における等倍結像光学系２は、前述のように、表示手段１Ａ（表示面）に実際に表示された画像を前記表示手段１Ａの外部空間に等倍率で結像させることが可能であればよいので、前記実施例１で説明した複数枚のレンズを積層した光学系、前記実施例２で説明した凹面鏡を用いた光学系の他に、たとえば、セルフォックレンズアレイ（Selfoc Lens Array；日本板硝子（株）の登録商標）のような棒状レンズアレイを用いることもできる。そこで、本実施例３では、前記等倍結像光学系２として棒状レンズアレイを用いた場合の空間浮遊像表示装置の構成例について簡単に説明する。
【００９７】
前記棒状レンズアレイは、たとえば、屈折率が中心から外周に向かって連続的に変化している棒状レンズ２１１を２次元アレイ状に束ねたものであって、前記等倍結像光学系２として用いる場合、たとえば、図１５に示すように、各棒状レンズ２１１の中心軸が表示手段（表示面）１Ａと垂直になるように配置する。
【００９８】
このとき、前記棒状レンズ２１１の長さＬLensは、前記棒状レンズ２１１を伝播する光線の１周期をＬpとしたときに、（ｎ−１／２）Ｌp＜ＬLens＜ｎＬp（n=1,2,3,…）となるようにする。このようにすると、前記棒状レンズアレイ２の一端に配置された表示手段（表示面）１Ａに表示された画像の等倍立像が前記棒状レンズアレイ２の他端側に結像される。
【００９９】
このように、前記等倍結像光学系２として棒状レンズアレイを用いた場合も、前記実施例１と同様に、前記空間浮遊像表示装置の構成を簡素化できる。
【０１００】
以上、本発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることはもちろんである。
【産業上の利用可能性】
【０１０１】
前記等倍結像光学系は、物体を等倍率で結像させることができる。そのため、前記等倍結像光学系を設けた空間浮遊像表示装置は、前記実施例１で説明したようなタッチパネル表示装置の他、たとえば、銅像，花瓶，彫刻などのインテリア（オブジェ）の表示や、屋外や公共施設等に設置された表示装置で表示する広告を空間に浮遊させて表示する表示システムなどに適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の空間浮遊像表示装置の原理を示す模式図であり、等倍率の正立像を浮遊させる場合の図である。
【図２】本発明の空間浮遊像表示装置の原理を示す模式図であり、等倍率の倒立像を浮遊させる場合の図である。
【図３】本発明による実施例１の空間浮遊像表示装置の概略構成を示す模式図である。
【図４】本実施例１の等倍結像光学系におけるレンズの間隔の求め方を説明するための模式図である。
【図５】本実施例１の空間浮遊像表示装置の一具体例を示す図であり、表示手段として用いるDFDの原理を説明する図である。
【図６】本実施例１の空間浮遊像表示装置の一具体例を示す模式図であり、表示手段としてDFDを用いた場合の装置の構成例および動作を説明する図である。
【図７】本実施例１の空間浮遊像表示装置に用いる等倍結像光学系の応用例を説明するための模式図であり、等倍結像光学系の原理を示す図である。
【図８】本実施例１の空間浮遊像表示装置に用いる等倍結像光学系の応用例を説明するための模式図であり、図７に示した光学系と光学的に等価な光学系の第１の構成例を示す図である。
【図９】本実施例１の空間浮遊像表示装置に用いる等倍結像光学系の応用例を説明するための模式図であり、図７に示した光学系と光学的に等価な光学系の第２の構成例を示す図である。
【図１０】本実施例１の空間浮遊像表示装置に用いる等倍結像光学系の応用例を説明するための模式図であり、図７に示した光学系と光学的に等価な光学系の第３の構成例を示す図である。
【図１１】本実施例１の空間浮遊像表示装置の応用例を説明するための模式図であり、１枚の表示面からなる表示手段を用いて立体的な像を表示させる装置の構成例を示す図である。
【図１２】前記実施例１の空間浮遊像表示装置における等倍結像光学系の応用例を説明するための模式図である。
【図１３】本発明による実施例２の空間浮遊像表示装置の概略構成を示す模式図であり、等倍結像光学系として放物面鏡を用いた場合の構成例を示す図である。
【図１４】本発明による実施例２の空間浮遊像表示装置の概略構成を示す模式図であり、等倍結像光学系として楕円鏡を用いた場合の構成例を示す図である。
【図１５】本発明による実施例３の空間浮遊像表示装置の概略構成を示す模式図であり、等倍結像光学系として棒状レンズアレイを用いた場合の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１Ａ…表示手段
１Ａ1…前面（手前）の表示面
１Ａ2…後面（奥）の表示面
１Ｂ…等倍率の正立像
１Ｃ…等倍率の倒立像
２０１1，２０１2，２０１3，２０１n，２０１n+1…焦点距離がｆ（ｆ1）のレンズ
２０２，２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃ…平面鏡（全反射ミラー）
２０３…ハーフミラー
２０４…偏光ビームスプリッタ
２０５…１／４波長板
２０６…偏光板
２０７…曲面鏡
２０８1，２０８2，２０８3，２０８n…焦点距離がｆ2のレンズ
２０９1，２０９2…放物面鏡
２１０…楕円鏡
２１１…棒状レンズ
３…観察者
【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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