(57)【要約】【課題】空中像を結像可能なマイクロミラーの間のデットスペースを有効に利用できる光学素子およびこの光学素子を備えたディスプレイシステムを提供する。【解決手段】本発明の光学素子Ｘは、光反射特性が異なる第１領域Ｓ１および第２領域Ｓ２を含む。第１領域Ｓ１は、素子面Ｓに対して立設する１以上の反射面による光の鏡面反射が起こる領域であり、第２領域Ｓ２は、素子面Ｓと平行な反射面による光の乱反射が起こる領域である。【選択図】図２
2011133642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光反射特性が異なる第１領域および第２領域を含み、
前記第１領域は、素子面に対して立設する１以上の反射面による光の鏡面反射が起こる領域であり、
前記第２領域は、前記素子面と平行な反射面による光の乱反射が起こる領域である光学素子。
【請求項２】
前記素子面を平面視した場合、矩形状の前記第１領域が、島状に点在して配列され、前記第２領域が、前記第１領域のそれぞれの周囲を取り囲んでいる請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１領域および前記第２領域によって区画された基板を備え、
前記第１領域のそれぞれの反射面は、前記基板に垂直に形成された矩形状の光学的な穴の内壁面に設けられ、
前記第２領域の反射面は、前記穴以外の前記基板の表面全域に設けられている請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
請求項１に記載の光学素子と、
前記光学素子の表面に向けて映像光を照射させるプロジェクタと、を備え、
前記光学素子の裏面側の空間に配された被投影物から発せられた光が前記素子面を透過する際に、前記第１領域における前記光の鏡面反射により、前記光学素子の表面側の空間に前記被投影物の実像を結像でき、
前記第２領域における前記映像光の乱反射により、前記被投影物の実像に関連する平面映像を前記第２領域に投影できるディスプレイシステム。
【請求項５】
前記第２領域は、前記平面映像を写し出すスクリーン領域として機能する請求項４に記載のディスプレイシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学素子およびディスプレイシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
鏡の中の虚像として結像する鏡映像、つまり、面対称位置に結像する像を、空間に実像として結像できるマイクロミラーを備えた透過型の光学素子がすでに提案されている（特許文献１参照）。この光学素子を用いると、素子上に歪がない等倍の空中像（実像）を観察者の至近距離に作ることができる。
【０００３】
詳しくは、光学素子Ｘ’は、図５に示すように、多数の２面コーナーリフレクタ２０’（以下、「マイクロミラー２０’」という場合がある）をマトリクス状に並べたマイクロミラーアレイ構造を備える。マイクロミラー２０’のそれぞれは、互いに直交する微小な２枚の鏡面２１’、２２’からなり、素子面Ｓ’に対して垂直に立設して配されている。
【０００４】
これにより、光学素子Ｘ’は、各マイクロミラー２０’への入射光の素子面Ｓ’に対する面内方向成分が再帰反射して、入射光の素子面Ｓ’に対する垂直方向成分がそのまま透過するので、面対称結像特性を有する。このため、光学素子Ｘ’では、素子面Ｓ’の裏面側の空間に配された被投影物Ｏの実像が、素子面Ｓ’の表面側の空間における当該素子面Ｓ’に対する面対称位置に、鏡映像Ｐ（空中像Ｐ）として結像するという作用を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＷＯ２００７／１１６６３９号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、光学素子Ｘ’によって作られる鏡映像Ｐの解像度は、素子面Ｓ’内における微小なマイクロミラー２０’の寸法に支配される。マイクロミラー２０’を小さくすると、幾何光学的には小さなスポットに集光できるが、小さすぎると、却って、回折の影響により解像度が悪化する。よって、マイクロミラー２０’の寸法には、鏡映像Ｐの高解像度化の観点での最適値が存在する。この場合、マイクロミラー２０’の間の領域においては、光学機能を有しないデットスペースとなり、このようなデットスペースの有効利用が望まれている。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、空中像を結像可能なマイクロミラーの間のデットスペースを有効に利用できる光学素子およびこの光学素子を備えたディスプレイシステム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】
【０００８】
本件発明者等は、上述のマイクロミラーの間のデットスペースに、空中像と関連する平面映像を投影できると、映像の表現性の向上が図れて好都合であると考えた。例えば、素子面を構成する基板上の空間に３次元の人物像を作り出す場合に、基板の表面上のデットスペースに、この人物像の二次元の影を同時に表示すると、従来の光学素子と比較してリアリティに富む映像を再現できる。
【０００９】
本発明は、このような知見に基づいてはじめて案出できたものであり、光反射特性が異なる第１領域および第２領域を含み、前記第１領域は、素子面に対して立設する１以上の反射面による光の鏡面反射が起こる領域であり、前記第２領域は、前記素子面と平行な反射面による光の乱反射が起こる領域である光学素子を提供する。
【００１０】
また、本発明は、上述の光学素子と、前記光学素子の表面に向けて映像光を照射させるプロジェクタと、を備え、前記光学素子の裏面側の空間に配された被投影物から発せられた光が前記素子面を透過する際に、前記第１領域における前記光の鏡面反射により、前記光学素子の表面側の空間に前記被投影物の実像を結像でき、前記第２領域における前記映像光の乱反射により、前記被投影物の実像に関連する平面映像を前記第２領域に投影できるディスプレイシステムを提供する。
【００１１】
なお、ここで、第２領域は、前記平面映像を写し出すスクリーン領域として機能している。
【００１２】
以上の構成により、本発明のディスプレイシステムでは、映像の表現性の向上を図れて有益である。例えば、第１領域によって空間に３次元の人物像を作り出す場合に、第２領域（スクリーン領域）に、この人物像の二次元の影を同時に表示すると、従来の光学素子と比較してリアリティに富む映像を再現できる。
【００１３】
また、本発明の光学素子では、前記素子面を平面視した場合、矩形状の前記第１領域を、島状に点在して配列させ、前記第２領域が、前記第１領域のそれぞれの周囲を取り囲んでもよい。
【００１４】
更に、本発明の光学素子では、前記第１領域および前記第２領域によって区画された基板を備え、前記第１領域のそれぞれの反射面を、前記基板に垂直に形成された矩形状の光学的な穴の内壁面に設け、前記第２領域の反射面を、前記穴以外の前記基板の表面全域に設けてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、空中像を結像可能なマイクロミラーの間のデットスペースを有効に利用できる光学素子およびこの光学素子を備えたディスプレイシステムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態によるディスプレイシステムの全体構成を模式的に示した斜視図である。
【図２】図１の光学素子の基板端部での拡大斜視図である。
【図３】図１の光学素子の基板端部での素子表面の拡大図である。
【図４】本発明の変形例による光学素子の基板端部での拡大斜視図である。
【図５】従来の光学素子を含む光学システムを模式的に示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態によるディスプレイシステムの全体構成を模式的に示した斜視図である。図２は、図１の光学素子の基板端部での拡大斜視図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態のディスプレイシステム１００は、光学素子Ｘを備える。
【００２０】
この光学素子Ｘを構成する基板１０は、図２に示すように、マイクロミラー領域Ｓ１（第１領域）およびスクリーン領域Ｓ２（第２領域）によって区画されている。
【００２１】
まず、マイクロミラー領域Ｓ１の構成および機能について述べる。
【００２２】
光学素子Ｘの基板１０では、島状に点在する多数のマイクロミラー領域Ｓ１毎に２面コーナーリフレクタ２０（以下、「マイクロミラー２０」という場合がある）が高密度に敷詰めて配列されている。
【００２３】
これらのマイクロミラー２０のそれぞれが、マイクロ光学素子（単位光学素子）として機能しており、図１に示すように、光学素子Ｘの裏面側の空間に配された被投影物Ｏから発せられた光２００が光学素子Ｘの素子面Ｓを透過する際に、マイクロミラー領域Ｓ１での各マイクロミラー２０による光２００の鏡面反射によって、光学素子Ｘの表面側の空間に被投影物Ｏの実像（鏡映像Ｐ）を結像できる（詳細は後述する）。
【００２４】
なお、本明細書では、図２に示しように、薄いシート状の基板１０の厚みの中央部を通り、かつ、基板１０の主面に平行な面（換言すると、マイクロミラー２０を形成する後述の内壁面２１、２２と直交する面）を、便宜上「素子面Ｓ」と定義するが、このような素子面Ｓは、本技術を具体化した製品に実在するものではなく、あくまで仮想面に過ぎない。但し、光学素子Ｘの基準面として、素子面Ｓを上述の如く選ぶと、光学素子Ｘの構成の説明において都合がよい。また、本技術を具体化した製品では、基板１０に微小なマイクロミラー２０が多数形成されているが、図面の図示では、マイクロミラー２０の大きさを誇張して表し、マイクロミラー２０の個数を図示できる程度に略している。
【００２５】
ところで、マイクロミラーアレイ構造（マイクロミラー２０）の形成では、図２に示すように、基板１０に垂直に形成された光学的な穴を用いることができる。例えば、基板１０の厚み方向に、基板１０の主面に対して垂直に貫通する複数の矩形状の貫通穴Ｈ（ここでは、正方形の貫通穴Ｈ）を形成するとよい。つまり、マイクロミラー２０は、貫通穴Ｈを区画する４つの内壁面２１〜２４の内の内壁面２１、２２に形成されて、直角に折れた２面コーナーリフレクタ（光の鏡面反射が起こる反射面）になっている。一方、鏡面仕上げが行われた内壁面２１、２２のそれぞれに対向する内壁面２３、２４では、光の多重散乱による迷光を抑制する観点から反射不能な面に仕上げるか、あるいは、これらの内壁面２３、２４を素子面Ｓに対して直角とならないよう傾けて形成して、鏡面と平行にならないようにするとよい。
【００２６】
なお、ここでは、「光学的な穴」として上述の中空状態の貫通穴Ｈを例示したが、本明細書において、「光学的な穴」とは、必ずしも、これに限らず、光を透過できる部分であればよい。例えば、このような貫通穴Ｈの中空部に透明な矩形状の固体を配設させること、あるいは、貫通穴Ｈの中空部に透明な気体や液体を充填させること、によっても、「光学的な穴」の機能が発揮され、これにより、貫通穴Ｈの中空部の屈折率を適切に調整できる。
【００２７】
次に、マイクロミラーアレイ構造の設計スペックの一例を説明する。
【００２８】
以上のマイクロミラーアレイ構造では、マイクロミラー２０に用いる貫通穴Ｈの２方向の幅を例えば、５０μｍ以上、１０００μｍ以下の範囲内に設定するとよい。本実施形態では、その幅を１００μｍ程度に設定している。また、貫通穴Ｈの高さ（基板１０の厚みに相当）を例えば、５０μｍ以上、１０００μｍ以下の範囲内に設定するとよい。本実施形態では、厚みを１００μｍ程度に設定している。上述の貫通穴Ｈの幅は、マイクロミラー２０に用いる２つの鏡面の幅を規定し、上述の貫通穴Ｈの高さは、マイクロミラー２０に用いる２つの鏡面の高さを規定する。よって、本実施形態では、これらの鏡面は、幅と高さとがほぼ等しい正方形となっている。このようにして、本実施形態では、微小なマイクロミラー２０を、約５ｃｍ角の基板１０に敷詰め、これにより、数万ないし数十万個のマイクロミラー２０が、基板１０内に組み込まれている。
【００２９】
次に、マイクロミラーアレイ構造の製造方法の一例を説明する。
【００３０】
まず、ナノ加工によって金属製の金型に整列した筒状体を作成する。そして、上述の内壁面２１、２２に対応する筒状体の側面に、面粗さを５０ｎｍ以下とした平滑な鏡面形成を行う。次いで、作成された金型を用いてナノインプリント工法または電鋳工法により反転転写を行い、これにより、所定ピッチの複数の貫通穴Ｈを利用した各マイクロミラー２０を形成する。
【００３１】
電鋳工法を用いて基板１０をアルミやニッケルなどの金属製とした場合、内壁面２１、２２は、金型の面粗さが充分に小さければ、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板１０を樹脂製とした場合、内壁面２１、２２に、スパッタリング法によって鏡面コーティングを施すとよい。
【００３２】
以上に述べたマイクロミラーアレイ構造によれば、基板１０の一方側（表面側或いは裏面側）から貫通穴Ｈに入った光を一方の鏡面（内壁面２１、２２のうちの一方）によって鏡面反射させ、更にその反射光を他方の鏡面（内壁面２１、２２のうちの他方）によって鏡面反射させて、基板１０の他方側（裏面側或いは表面側）へ通過させる機能を有する。
【００３３】
つまり、本実施形態の光学素子Ｘでは、素子面Ｓのマイクロミラー領域Ｓ１を光が透過する際に、素子面Ｓに対して垂直に立設している鏡面（内壁面２１、２２）による光の鏡面反射が２回起こる。これにより、素子面Ｓは、基板１０の一方側にある被投影物Ｏの実像を、その他方側の面対称位置に鏡映像Ｐとして結像させる面となる。
【００３４】
なお、このようなマイクロミラーアレイ構造の光学的な機能（２回反射光による光学特性）は、上述の特許文献１においてすでに詳細に説明されている。よって、ここでは、このマイクロミラーアレイ構造の機能の詳細な説明は省略する。
【００３５】
次に、本実施形態のディスプレイシステム１００の特徴部である平面映像Ｐ１（図１参照）を投影できるスクリーン領域Ｓ２の構成および機能について述べる。
【００３６】
図３は、図１の光学素子の基板端部での素子表面の拡大図である。
【００３７】
図１に示すように、本実施形態のディスプレイシステム１００は、上述の光学素子Ｘの基板１０の表面（おもて面）側に向けて映像光３０Ａを照射させるプロジェクタ３０を備える。このプロジェクタ３０としては、ＣＲＴプロジェクタ、液晶プロジェクタ、ＤＬＰプロジェクタなどを公知のシステムを用いることができる。よって、プロジェクタ３０の構成や機能の詳細な説明は、ここでは、省略する。
【００３８】
本実施形態の光学素子Ｘは、図２および図３に示すように、マイクロミラー領域Ｓ１と光反射特性が異なり、素子面Ｓと平行なスクリーン領域Ｓ２を含み、このようなスクリーン領域Ｓ２は、プロジェクタ３０からの映像光３０Ａの乱反射が起こる領域となっている。
【００３９】
そして、図３の網掛け図示から理解できるとおり、素子面Ｓを平面視した場合、光学素子Ｘのスクリーン領域Ｓ２は、上述の矩形状（ここでは、正方形）の貫通孔Ｈ以外の基板１０の表面全域に形成されており、詳しくは、このスクリーン領域Ｓ２は、矩形状（ここでは、正方形）のマイクロミラー領域Ｓ１のそれぞれを取り囲むように、貫通孔Ｈの幅方向と平行な２方向に帯状に延在している。
【００４０】
これにより、本実施形態の光学素子Ｘでは、従来の光学素子Ｘ’において光学機能を有しなかったマイクロミラー２０間のデットスペースを、プロジェクタ３０からの映像光３０Ａを用いた平面映像Ｐ１（図１参照）を投影できるスクリーン領域Ｓ２として有効に活用できる。また、本実施形態では、光学素子Ｘのマイクロミラー領域Ｓ１は、１００μｍ程度の微小な正方形領域なので、スクリーン領域Ｓ２に平面映像Ｐ１を投影させても、平面映像Ｐ１の視認においてマイクロミラー領域Ｓ１は問題とならない。
【００４１】
なお、上述のスクリーン領域Ｓ２を形成するには、映像光３０Ａが適度に乱反射するように、金型を用いて基板１０の表面にエンボス加工などを施すとよい。
【００４２】
以上のとおり、本実施形態の光学素子Ｘは、光反射特性が異なるマイクロミラー領域Ｓ１およびスクリーン領域Ｓ２を備える。マイクロミラー領域Ｓ１は、素子面Ｓに対して立設するマイクロミラー２０（反射面）による光の鏡面反射が起こる領域である。スクリーン領域Ｓ２は、素子面Ｓと平行な基板１０の表面（反射面）による光の乱反射が起こる領域である。
【００４３】
以上の構成により、本実施形態のディスプレイシステム１００では、光学素子Ｘの裏面側の空間に配された被投影物Ｏから発せられた光２００が素子面Ｓを透過する際に、マイクロミラー領域Ｓ１のマイクロミラー２０での光２００の鏡面反射により、光学素子Ｘの表面側の空間に被投影物Ｏの実像（鏡映像Ｐ）を結像できる。同時に、スクリーン領域Ｓ２でのプロジェクタ３０からの映像光３０Ａの乱反射により、被投影物Ｏの実像に関連する平面映像Ｐ１を基板１０の表面上のスクリーン領域Ｓ２にも投影できる。
【００４４】
このようにして、本実施形態のディスプレイシステム１００では、映像の表現性の向上を図れて有益である。例えば、素子面Ｓを構成する基板１０上の空間に３次元の人物像を作り出す場合に、基板１０の表面上のスクリーン領域Ｓ２に、この人物像の二次元の影を同時に表示すると、従来の光学素子Ｘ’と比較してリアリティに富む映像を再現できる。そして、このような映像の表現性の向上により、エンターテイメント立体映像、立体映像によるミュージアムでの展示、立体映像による商品広告などの様々な用途へのディスプレイシステム１００の利用拡大が期待できる。
【００４５】
（変形例）
本実施形態の光学素子Ｘでは、上述のとおり、中空状態の貫通孔Ｈの内壁面２１、２２にマイクロミラー２０が形成されている。
【００４６】
本変形例の光学素子ＸＸにおいては、このようなマイクロミラー２０に代えて、図４に示すように、基板１１０の表面から基板１１０の厚み方向に突出してマトリクス状に配された透明な矩形体Ｄを用いてマイクロミラー１２０が形成されている。この場合、マイクロミラー１２０は、矩形体Ｄを区画する４つの側壁面１２１〜１２４の内の側壁面１２１、１２２に形成されて、直角に折れた２面コーナーリフレクタ（光の鏡面反射が起こる反射面）になっている。一方、鏡面仕上げが行われた側壁面１２１、１２２のそれぞれに対向する側壁面１２３、１２４では、光の多重散乱による迷光を抑制する観点から反射不能な面に仕上げるか、あるいは、これらの側壁面１２３、１２４を素子面（図示せず）に対して直角とならないよう傾けて形成して、鏡面と平行にならないようにするとよい。
【００４７】
また、スクリーン領域（図４では図示せず）の形成では、矩形体Ｄの間の空間を適宜の充填部材（図示せず）で埋めて、この充填部材の表面が乱反射面となるように表面処理を行うとよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、空中像を結像可能なマイクロミラーの間のデットスペースを有効に利用できる光学素子およびこの光学素子を備えたディスプレイシステムを提供する。よって、本発明は、エンターテイメント立体映像、立体映像によるミュージアムでの展示、立体映像による商品広告などの様々な用途に利用できる。
【符号の説明】
【００４９】
１０、１１０  基板
２０、１２０  ２面コーナーリフレクタ（マイクロミラー）
３０  プロジェクタ
３０Ａ  映像光
１００  ディスプレイシステム
Ｏ  被投影物
Ｐ  鏡映像（空中像）
Ｐ１  平面映像
Ｓ  素子面
Ｓ１  マイクロミラー領域（第１領域）
Ｓ２  スクリーン領域（第２領域）
Ｘ、ＸＸ  光学素子
【図１】
2011133642.tif 000003
【図２】
2011133642.tif 000004
【図３】
2011133642.tif 000005
【図４】
2011133642.tif 000006
【図５】
2011133642.tif 000007