(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
奥壁と、当該奥壁と対面する観察者側に向けて設けられる表示部と、前記奥壁よりも観察者側に配置される壁部と、当該壁部の背面側に配置される被観察物と、当該壁部に露出して設けられ前記被観察物の実像を前記表示部の観察者側の空間において前記被観察物の面対称位置に結像させる実鏡映像結像光学系と、を具備し、
前記実鏡映像結像光学系は、前記被観察物の実像を面対称位置に結像させる対称面を前記壁部に露出して有し、当該対称面に対して斜め方向にある観察者の視点から前記実像を観察可能とするものであることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記被観察物は、所定形状の画像面に表示される画像である請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記画像を、前記画像面に対する垂直成分を持つ運動を行うものとしている請求項２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記画像を、前記画像面上における大きさが時間的に変化するものとしている請求項２又は３の何れかに記載の表示装置。
【請求項５】
前記画像を、前記画像面上における位置が時間的に変化するものとしている請求項２乃至４の何れかに記載の表示装置。
【請求項６】
前記画像の時間的な変化が連続的なものである請求項４又は５の何れかに記載の表示装置。
【請求項７】
前記画像の時間的な変化が不連続的である請求項４又は５の何れかに記載の表示装置。
【請求項８】
前記画像面は、電子ディスプレイの表示面である請求項２乃至７の何れかに記載の表示装置。
【請求項９】
前記画像面は、前記画像を立体的に表示するものである請求項２乃至８の何れかに記載の表示装置。
【請求項１０】
前記実鏡映像結像光学系の対称面のうち前記壁部に露出する面に、低反射処理を施している請求項１乃至９の何れかに記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実鏡映像結像光学系を利用して、装置本来の表示部の手前側における空中に別の実像を結像させて見ることができるようにした表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
３次元又は２次元の物体又は映像などを空中に実像として結像する技術として、例えばマイクロレンズアレイを利用した空中映像の表示装置が開発されている（例えば特許文献１参照）。これは、２次元像に対する正立等倍の結像系を利用したものであり、２次元像を表示する表示面と同じ大きさの光学デバイスによって、歪み無しに２次元像の空間的な平行移動を可能とするものである。このようなものであれば、通常のレンズに比較して光学デバイスの小型化及び薄型化を図ることができ、ディスプレイ装置のコンパクト化にも資する。しかしながら、このような表示装置では、立体映像に見える２次元の実像が得られるが、これでは実際に３次元物体の実像を得ることはできない。また、この表示装置では、マイクロレンズアレイによる光の屈折を利用して結像する実像を観察するものであるために、観察者は、マイクロレンズアレイの正面からしか像を見ることができない。
【特許文献１】特開２００１−２５５４９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例えば電子ディスプレイのような画像表示面や、自動車の計器盤（インパネ；インストルメンタルパネルの略）のような装置類の表示面の手前（すなわち観察者側）の空間に空中映像を表示できるようにすれば、映像の新しい表示様式を提案できるものと考えられる。一例として、自動車を運転中に運転者（観察者）は、フロントガラスの前方の車外の様子を注視しながら、時折計器盤を見て速度やエンジンの回転数や時刻表示等を確認しているものであるが、例えば速度が出すぎているときなどにそのことを表す表示を計器盤に表示するよりは、計器盤の手前の本来何もないはずの空間に注意を喚起するような表示を浮かび上がらせた方が、運転者の注意をより引きやすく、交通事故の防止にも資することがあると考えられる。
【０００４】
ところが、上述の通り、マイクロレンズアレイを用いた空中映像の結像方式では、観察者から見てマイクロレンズアレイの奥側に被観察物とディスプレイや装置類の表示面の両方を配置することは物理的に不可能であることから、このような新しい表示様式にはマイクロレンズアレイは適していない。
【０００５】
一方、本発明者は、被観察物の実像を鏡映像と同じ面対称位置に結像させて、その対称面に対する斜め方向からこの実像（実鏡映像）を観察できるようにする実鏡映像結像光学系を案出している。実鏡映像結像光学系の１つとしては、直交する２つの小さな鏡を１組の２面コーナーリフレクタとし、それを平面的に多数配置した２面コーナーリフレクタアレイを案出している（例えば、ＷＯ２００７／１１６６３９国際公開公報参照）。この２面コーナーリフレクタアレイによれば、被観察物の実像は、素子面を対称面として被観察物の面対称となる位置に鏡映像として歪み無く結像することから、被観察物が２次元であれば２次元の実像を、被観察物が３次元であれば３次元の実像を、素子面を挟んで被観察物とは反対側の空間において素子面に対して斜め方向の視点から観察することを可能とするものである。
【０００６】
もう一つの本発明者により案出された実鏡映像結像光学系は、再帰反射機能を備えたレトロリフレクタアレイとハーフミラーとを利用するものである（特願２００７−１６３３２３出願明細書参照）。この実鏡映像結像光学系は、被観察物から出てハーフミラーで反射した光をレトロリフレクタアレイにより再帰反射させ、ハーフミラーを透過させることにより、ハーフミラー面を対称面として、被観察物の実像を鏡映像として面対象位置に鏡映像として歪み無く結像させるものであり、２面コーナーリフレクタアレイと同様に、２次元の被観察物であれば２次元の実像を、被観察物が３次元であれば３次元の実像を、ハーフミラー面に対して斜め方向から被観察物の実鏡映像の観察を可能とするものである。
【０００７】
そこで本発明は、このような斜め方向からの観察ができる実鏡映像結像光学系を利用することで、電子ディスプレイや装置類の表示面の手前に空中映像を表示することができる、新しい表示様式を備えた表示装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち本発明は、奥壁と、この奥壁と対面する観察者側に向けて設けられる表示部と、奥壁よりも観察者側に配置される壁部と、この壁部の背面側に配置される被観察物と、壁部に露出して設けられて被観察物の実像を表示部の観察者側の空間において被観察物の面対称位置に結像させる実鏡映像結像光学系とを具備する表示装置であり、この実鏡映像結像光学系を、被観察物の実像を面対称位置に結像させる対称面を前記壁部に露出して有し、この対称面に対して斜め方向にある観察者の視点から実像を観察可能とするものである。
【０００９】
ここで、表示部には、液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイ等の画像表示装置の表示部や、機械装置等の計器盤等の表示部など、適宜のものを適用することができ、この表示部を本発明の表示装置において奥まった位置に設けられる奥壁に配置すればよい。また、本発明の表示装置には、奥壁よりも観察者側に位置付けられる壁部を、上下左右の何れかを向けて配置していればよく、この壁部に実鏡映像結像光学系における対称面が設けられる。さらに壁部の背面側には、実鏡映像結像光学系により実鏡映像を結像させるための被観察物が設けられる。被観察物には、２次元又は３次元の物体又は映像を適用することができる。
【００１０】
このような表示装置であれば、表示部と被観察物とを空間的に離れた位置に配置しつつ、観察者の視線上に表示部における表示と実鏡映像結像光学系による被観察物の実鏡映像とを同時に存在させることが可能となる。すなわち観察者は、奥壁にある表示部を観察しながらも、表示部の手前に結像する被観察物の実鏡映像を同時に観察することができるようになる。例えば、通常は表示部のみを観察するようにしておき、何らかのきっかけがあった場合にのみ被観察物の実鏡映像が表示部の手前の空間に結像するような構成とすれば、何もないはずの空間に像が現れることから、観察者の注意をより喚起しやすい映像の観察方法が得られることになる。
【００１１】
このような本発明の表示装置において、被観察物を、所定形状の画像面に表示される画像とする場合には、被観察物である画像の表示位置や大きさの変更だけでなく、画像自体の変更も容易であるため、観察者が見ることができる実像のバリエーションを多様化することができる。
【００１２】
また、この被観察物である画像を、それが表示される画像面に対する垂直成分を持つ運動を行うものとすれば、画像の運動に従ってその実像も３次元的な運動をすることになることから、観察者には、表示部の手前において前後に飛び出して動くように立体的に動作する実像を観察させることができるようになる。このように、画像を画像面に対して垂直方向を含むように動かすためには、画像面を含む画像表示装置を機械的に動作させればよい。
【００１３】
このような画像の動作は、画像面上における画像の大きさが時間的に変化するものや、画像面上における画像の位置が時間的に変化するものとした場合には、画像の変化に伴って実像も同様に大きさや位置が時間的に臨場感をもって変化するため、実像に対する観察者の注意をより喚起しやすくなり、また観察者が実像の動きを認知しやすくなる。
【００１４】
また、被観察物である画像面上の画像の時間的な変化は、連続的なもの、または不連続的なもののいずれとしてもよい。画像の時間的変化を連続的とする場合には、観察対象である実像を、連続的に変化する映像としたり、連続的に変化する数量等の情報とすることが有用となり、画像の時間的変化を不連続とする場合には、実像の時間的な変化量を大きくすることができるため、観察者に対する注意喚起機能を際立たせることができる。
【００１５】
このように、被観察物である画像に変化を持たせやすくするには、画像面として、電子ディスプレイの表示面を採用することが望ましく、そうすることで種々の実像を観察者に提供することができるようになる。例えば電子ディスプレイの表示面をフルドットマトリクス表示の液晶表示素子等を用いるものとすれば、映像信号の制御により画像面と実像の変化を容易に実現することができる。
【００１６】
また、被観察物となる画像及び実像は２次元に限らず、画像面として画像を立体的に表示するものとすれば、３次元の立体像を実像として観察者に提示することもできる。
【００１７】
以上のような本発明の表示装置においては、表示面に対する視認性を阻害することなく、実像も鮮明に観察できるようにすることが望ましいことから、実鏡映像結像光学系において壁部に露出する面に、低反射処理を施すことで、実鏡映像結像光学系において対称面となる面への外部からの映り込みや表示部の表示の映り込みを防止することができる。
【００１８】
本発明において実鏡映像結像光学系とは、対称面に対して斜め方向からの視点から被観察物の実像を観察することができるものであり、その一つの具体例としては、２面コーナーリフレクタアレイからなる実鏡映像結像光学系を揚げることができる。２面コーナーリフレクタアレイは、２つの直交する鏡面により構成される２面コーナーリフレクタを複数、平面的に集合させたものであり、全ての鏡面に対して垂直となる平面を、被観察物と実像との対称面となる素子面としたものである。この２面コーナーリフレクタアレイは、被観察物から発せられる光を各２面コーナーリフレクタの２つの鏡面で１回ずつ反射させ且つその素子面を透過させることにより、２面コーナーリフレクタアレイの素子面を対称面として被観察物の面対称位置に、その被観察物の実鏡映像を結像させる作用を有している。
【００１９】
ここで、２面コーナーリフレクタアレイについて考察すると、光線を各２面コーナーリフレクタにおいて適切に屈曲させつつ素子平面を透過させるには、２面コーナーリフレクタを、素子面を貫通する方向に想定される光学的な穴の内壁を鏡面として利用するものと考えればよい。ただし、このような２面コーナーリフレクタは概念的なものであり、必ずしも物理的な境界などにより決定される形状を反映している必要は無く、例えば光学的な穴は相互に独立させることなく連結させたものとすることができる。
【００２０】
２面コーナーリフレクタアレイの構造を単純に述べれば、素子面にほぼ垂直な鏡面を、素子面上に多数並べたものである。構造として問題となるのは、この鏡面をどのように素子面に支持固定するかということになる。鏡面形成のより具体的な方法としては、例えば２面コーナーリフレクタアレイを、所定の空間を区画する基盤を具備するものとして、当該基盤を通る１つの平面を素子面としてとして規定し、各２面コーナーリフレクタを、素子面を貫通する方向に想定される光学的な穴として、基盤に形成された穴の内壁を鏡面として利用するものとすることができる。この基盤に形成された穴は、光が透過するように透明でありさえすればよく、例えば内部が真空もしくは透明な気体もしくは液体で満たしたものでもよい。また穴の形状についても、その内壁に単位光学素子として働くための１枚もしくは複数の同一平面に含まれない鏡面を具備し、かつ鏡面で反射した光が穴を透過できる限り、任意の形状を取ることが可能であり、各穴が連結していたり、一部が欠損している複雑な形状であってもよい。例えば、基盤の表面に個々の独立した鏡面が林立する態様などは、基盤に形成された穴が連結しているものと理解できる。
【００２１】
あるいは２面コーナーリフレクタは、光学的な穴として、透明なガラスや樹脂のような固体によって形成された筒状体を利用するものであってもよい。なお、固体によって個々の筒状体が形成されている場合、これらの筒状体は、相互に密着させて素子の支持部材として働かせてもよく、基盤を具備するものとして当該基盤の表面から突出した態様をとってもよい。また筒状体の形状についても、その内壁に２面コーナーリフレクタとして働くための１枚もしくは複数の同一平面に含まれない鏡面を具備し、かつ鏡面で反射した光が筒状体を透過できる限り、任意の形状を取ることが可能であり、筒状体と称してはいるが各筒状体が連結していたり、一部が欠損している複雑な形状であってもよい。
【００２２】
ここで、前記光学的な穴として、立方体もしくは直方体のように隣接する内壁面が全て直交する形状を考えることができる。この場合、２面コーナーリフレクタ相互の間隔を最小化することができ、高密度な配置が可能となる。ただし、被観察物方向を向く２面コーナーリフレクタ以外の面は、反射を抑制することが望ましい。
【００２３】
２面コーナーリフレクタ内に複数の鏡面が存在する場合には、想定された回数以上の反射を起こす多重反射の透過光が存在する可能性がある。この多重反射対策として、光学的な穴の内壁に相互に直交する２つの鏡面を形成する場合は、これら２鏡面以外の面を、非鏡面として光が反射しないようにしたり、素子面に対して垂直とならないように角度を付けて設けたり曲面としたりすることで、３回以上の反射を起こす多重反射光を軽減もしくは除去できる。非鏡面とするには、その面を反射防止用の塗料や薄膜で覆う構成や、面粗さを粗くして乱反射を生じさせる構成を採用することができる。なお、透明で平坦な基盤の存在は光学素子の働きを阻害するものではないので、基盤を任意に支持部材・保護部材として用いることが可能である。
【００２４】
さらに、映像の実鏡映像の高輝度化を図るには、複数の２面コーナーリフレクタを、素子面上においてできるだけ間隔を空けずに配置することが望ましく、例えば格子状に配置することが有効である。またこの場合、製造も容易になるという利点がある。２面コーナーリフレクタにおける鏡面としては、固体であるか液体であるかに関わらず金属や樹脂等の光沢のある物質によって形成された平坦面で反射するもの、あるいは異なる屈折率を持つ透明媒質同士の平坦な境界面において反射もしくは全反射するものなどを利用することができる。また、鏡面を全反射によって構成した場合には、複数の鏡面による望まない多重反射は、全反射の臨界角を超える可能性が高くなることから、自然に抑制されることが期待できる。また鏡面は、機能的に問題ない限り、光学的な穴の内壁のごく一部分に形成されていてもよく、平行に配置される複数の単位鏡面により構成されても構わない。後者の態様を換言すれば、１つの鏡面が複数の単位鏡面に分割されても構わないことを意味する。またこの場合、各単位鏡面は、必ずしも同一平面に存在していなくてもよく、それぞれが平行であればよい。さらに、各単位鏡面は、当接している態様、離れている態様のいずれもが許容される。
【００２５】
本発明において実鏡映像結像光学系として適用可能な他の具体例としては、光線を再帰反射させるレトロリフレクタアレイと光線を反射及び透過させるハーフミラー面を有するハーフミラーとを具備する実鏡映像結像光学系である。この実鏡映像結像光学系においては、ハーフミラー面を壁部に露出して設定される対称面とし、被観察物から出た光線のうちハーフミラーで反射又は透過した光線を再帰反射し得る位置に配置しているものを挙げることができる。なお、レトロリフレクタアレイは、壁部の奥側に奥壁及び表示部が存在することを考慮すれば、ハーフミラーに対して被観察物と同じ側の空間にのみ配置され、ハーフミラーで反射した光を再帰反射する位置に設けられる。ここでレトロリフレクタの作用である「再帰反射」とは、反射光を入射光が入射してきた方向へ反射（逆反射）する現象をいい、入射光と反射光とは平行であり且つ逆向きとなる。このようなレトロリフレクタをアレイ状に配置したものがレトロリフレクタアレイであり、個々のレトロリフレクタが十分に小さい場合は、入射光と反射光の経路は重なると見なすことができる。このレトロリフレクタアレイにおいてレトロリフレクタは平面上に存在している必要はなく、曲面上にあってもよく、さらには同一面上に存在している必要はなく、各レトロリフレクタは３次元的に散在していても構わない。また、ハーフミラーは、光線を透過させる機能と反射させる機能の両方を備えているものをいい、好ましくは透過率と反射率がほぼ１：１のものが理想的である。
【００２６】
レトロリフレクタには、３つの隣接する鏡面から構成されるもの（広義には「コーナーリフレクタ」と呼ぶことができる）や、キャッツアイレトロリフレクタを利用することができる。コーナーリフレクタには、相互に直交する３つの鏡面から構成されるコーナーリフレクタ、３つの隣接する鏡面がなす角度のうち２つが９０度であり、且つ他の１つの角度が９０／Ｎ度（ただしＮは整数）をなすもの、３つの鏡面がなす角度が９０度、６０度及び４５度となる鋭角レトロリフレクタ等を採用することができる。
【００２７】
このようなレトロリフレクタアレイとハーフミラーを利用する実鏡映像結像光学系の場合、被観察物から出た光はハーフミラー面で反射し、さらにレトロリフレクタアレイで再帰反射して必ず元の方向に戻り、ハーフミラー面を透過して結像するため、ハーフミラーからの反射光を受けられる位置にある限りレトロリフレクタアレイの形状や位置は限定されない。そして、結像した実像の観察は、ハーフミラー面を透過する光線に対向する方向から観察することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の表示装置によれば、電子ディスプレイや装置類の表示面を奥壁に設けるとともに、それよりも観察者側に設けられる壁部に実鏡映像結像光学系を設け、この実鏡映像結像光学系における対称面を設けた壁部内側に被観察物を配置することで、表示面よりも手前側の空間に、被観察物の実像である鏡映像を空中映像として観察することを可能とする、新しい映像の観察手法を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００３０】
図１、図２は、本発明が適用される表示装置１の一実施形態を示す概観図である。この表示装置１は、自動車等の輸送機器の運転台に設けられる計器盤とその周囲の部分に本発明を適用したものである。具体的に表示装置１は、観察者である運転者の視点Ｖから最も遠い部分に奥壁２を配置し、この奥壁２に連続する運転者側から見て手前の空間の四方を囲むように底壁３、左右の側壁４，４、上壁５を備えており、奥壁２の背面側に計器盤の一種（計器類）の表示部を設けている。表示部２１は、手前側を透明なプラスティック製のカバー２２で覆われている。なお、奥壁２に設けられる表示部２１には、図示例のような速度計だけでなく、種々の計器類を搭載できることはいうまでもない。
【００３１】
本実施形態では、本発明における壁部として機能する底壁３に、実鏡映像結像光学系として２面コーナーリフレクタアレイ６を設け、この２面コーナーリフレクタアレイ６を通じて奥壁２の手前側に空中映像を投影するために、底壁３の内部（すなわち下面側の空間）に空中映像の元となる被観察物７２を配置している。被観察物７２としては、本実施形態では小型液晶ディスプレイ７の画像面７１に表示される画像を適用している。図示例では、自動車の速度が一定値を超えた場合に、液晶ディスプレイ７の画像面７１に表示される被観察物である画像７２を上下逆にした「速度注意！」の文字とすることで、奥壁２の手前側且つ底壁３の上方の空間に、「速度注意！」の文字を画像７２の実鏡映像８として浮かび上がらせるようにしている。なお、ディスプレイ７は、その画像面７１が後述する素子面６Ｓと９０°よりもやや小さい角度で鋭角をなすように傾けている。
【００３２】
ここで、本実施形態に適用される２面コーナーリフレクタアレイ６の構成及び作用について説明する。２面コーナーリフレクタアレイ６は、図３に模式的に示すように、２つの相互に直交する鏡面６１ａ，６１ｂから構成される２面コーナーリフレクタ６１の多数の集合であり、全２面コーナーリフレクタ６１を構成するそれぞれ２つの鏡面６１ａ，６１ｂに対してほぼ垂直な平面を素子面６Ｓとして、この素子面６Ｓを対称面とする面対称位置に被観察物である画像７２の実鏡映像８を結像させることで、観察者である運転者により立体空中映像が観察されるようにしたものである。なお、本実施形態において２面コーナーリフレクタ６１は２面コーナーリフレクタアレイ６の全体と比べて非常に微小であるので、図３では２面コーナーリフレクタ６１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。
【００３３】
２面コーナーリフレクタアレイ６は、例えば光線を透過し得る透明な平板状のベースに、平らなベース表面に対して垂直に肉厚を貫通する物理的・光学的な穴を多数形成し、各穴の内壁面を２面コーナーリフレクタ６１として利用するために、穴の内壁面のうち直交する２つにそれぞれ鏡面６１ａ，６１ｂを形成したものを採用することができる。この場合、まずベースに平面視ほぼ矩形状（例えば正方形状）の穴（例えば一辺が例えば５０〜２００μｍ）を多数形成し、各穴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６１ａ，６１ｂとすれば、これら２つの鏡面６１ａ，６１ｂを反射面として機能する２面コーナーリフレクタ６１を得ることができる。なお、穴の内壁面のうち２面コーナーリフレクタ６１を構成しない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。また、各２面コーナーリフレクタ６１は、ベース上において鏡面６１ａ，６１ｂがなす内角が全て同じ向きとなるように、規則的な格子点上に整列させて形成することが好ましい。以下、この鏡面６１ａ，６１ｂの内角の向きを、２面コーナーリフレクタ６１の向き（方向）と称することがある。鏡面６１ａ，６１ｂの形成にあたっては、例えば金属製の金型をまず作成し、鏡面６１ａ，６１ｂを形成すべき内壁面をナノスケールの切削加工処理や、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る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するとよい。なお、電鋳工法によりアルミやニッケル等の金属でベースを形成した場合、鏡面６１ａ，６１ｂ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が、ナノインプリント工法を用いて、ベースを樹脂製などとした場合には、鏡面６１ａ，６１ｂ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。また、隣り合う２面コーナーリフレクタ６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。また、このような２面コーナーリフレクタアレイ６の上面（観察者から見える側の面）には、低反射剤を塗布するなどの処理を行うことで、２面コーナーリフレクタアレイ６への被観察物である画像７２以外の映り込みを低減させることができる。但し、２面コーナーリフレクタアレイ６の構成は上述のものに限定されず、直交する２つの鏡面６１ａ，６１ｂにより２面コーナーリフレクタ６１が多数形成され、且つ各２面コーナーリフレクタ６１が光学的な穴として光を透過するものであれば、適宜の構成及び製造方法を採用することができる。
【００３４】
そして、２面コーナーリフレクタアレイ６では、各２面コーナーリフレクタ６１は、裏面側から穴に入った光を一方の鏡面６１ａ（又は６１ｂ）で反射させ、さらにその反射光を他方の鏡面６１ｂ（又は６１ａ）で反射させて表面側へと通過させる機能を有し、この光の進入経路と射出経路とが素子面６Ｓを挟んで面対称をなすこととなる。すなわち、２面コーナーリフレクタアレイ６の素子面６Ｓ（各鏡面の高さ方向中央部を通り且つ各鏡面と直交する面を仮定）は、底壁３の内部にある被観察物７２の実像を、底壁３の上方空間における面対称位置に鏡像（実鏡映像）として結像させる対称面となる。
【００３５】
ここで、２面コーナーリフレクタアレイ６による結像様式について、被観察物として点光源ｏから発せられた光の経路とともに簡単に説明する。図４に平面的な模式図で、図５に模式的な側面図でそれぞれ示すように、点光源ｏから発せられる光（一点鎖線矢印で示す。図４において３次元的には紙面奥側から紙面手前側へ進行する）は、２面コーナーリフレクタアレイ６を通過する際に、２面コーナーリフレクタ６１を構成する一方の鏡面６１ａ（又は６１ｂ）で反射して更に他方の鏡面６１ｂ（又は６１ａ）で反射した後に素子面６Ｓを通過し、２面コーナーリフレクタアレイ６の素子面６Ｓに対して点光源ｏの面対称位置を広がりながら通過する。図４では入射光と反射光とが平行をなすように表されているが、これは同図では点光源ｏに対して２面コーナーリフレクタ６１を誇張して大きく記載しているためであり、実際には各２面コーナーリフレクタ６１は極めて微小なものであるため、同図のように２面コーナーリフレクタアレイ６を上方から見た場合には、入射光と反射光とは殆ど重なってみえる。すなわち、結局は点光源ｏの素子面６Ｓに対する面対称位置に透過光が集まり、図４、図５においてｐの位置に実鏡映像として結像することになる。
【００３６】
このように、被観察物７２の実像８を素子面６Ｓに対して面対称位置に鏡映像として結像させる機能を有する２面コーナーリフレクタアレイ６を底壁３に組み込んでいるため、図１に示したように、奥壁２に設けられた表示部２１の手前側（観察者である運転者から見て）の空中に、画像７２の実鏡映像８を投影することができる。すなわち、本来は何もないはずの空中に本例のような注意表示が現れるため、観察者に対する注意喚起を促しやすくなる。また、計器類の表示部２１の手前側に画像７２の実鏡映像８が浮かび上がるので、観察者（運転者）が表示部２１を見る視線を他の箇所に外さなくても注意表示を見ることができるので、安全運転にも役立つといえる。
【００３７】
ここで、観察者が見ることになる実鏡映像８は、上記のように空中の一箇所に固定して現れるようにしてもよいが、奥壁２の手前側及び底壁３の上方で動くようにすることも、観察者の注意を引きやすくするためには極めて有用である。
【００３８】
例えば、図６に模式的に示す例では、画像面７１に被観察物として画像７２を表示する液晶ディスプレイ７を、底壁３の内部において２面コーナーリフレクタアレイ６の素子面６Ｓに対して一定の傾斜角度で直線的に往復運動させる態様を示している。ここで、本例では同図（Ａ）に示す通り、図２で示した場合と同様に、液晶ディスプレイ７をその画像面７１が素子面６Ｓと鋭角をなすように傾けられているため、被観察物である画像７２は画像面７１に対して垂直成分を持った運動をすることになる。液晶ディスプレイ７を動作させるには、例えばレールとローラの組み合わせ、ラックとピニオンの組み合わせ、リンク機構等の適宜の機械駆動装置を適用すればよい。
【００３９】
この場合、液晶ディスプレイ７の画像面７１に表示される画像７２が常に図６（Ｂ）に示すような「速度注意！」の文字表示を上下逆にしたものとする場合、液晶ディスプレイ７が同図（Ａ）中における（ａ）から（ｅ）まで連続的に動くとすると、観察者には、画像７２の実鏡映像８（同図（Ｃ））が（ａ’）から（ｅ’）まで連続的に飛び出してくるように見える。これとは逆に、液晶ディスプレイ７が同図（Ａ）中における（ｅ）から（ａ）まで連続的に動くとすると、観察者には、画像７２の実鏡映像８が（ｅ’）から（ａ’）まで連続的に遠ざかるように見える。あるいはまた、液晶ディスプレイ７が（ａ）から（ｅ）まで往復運動を行う過程で、図中（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）の５箇所でのみ画像７２が表示され、それ以外の位置では画像面７２が暗くなるように設定すれば、観察者には、画像７２の実鏡映像８が（ａ’）（ｂ’）（ｃ’）（ｄ’）（ｅ’）の５箇所で近付いたり遠ざかったりしながら不連続に点滅しているように見える。
【００４０】
あるいはまた、図２に示したように液晶ディスプレイ７の位置は固定しているが、その画像面７１における画像７２の表示位置や大きさを変化させることで、観察される画像７２の実鏡映像８に変化を持たせることも可能である。例えば図７に示す例では、同図（Ａ）に示すように、画像７２の「速度注意！」を上下反転させた文字表示が大小切り替わるようにすれば、その実鏡映像８である「速度注意！」の文字が同図（Ｂ）に示すように定位置で大小に変化する。また、図８に示す例のように、画像７２の「速度注意！」を上下反転させた文字表示が大中小又は小中大と順次切り替わるようにすれば（同図（Ａ））、その実鏡映像８である「速度注意！」の文字も同図（Ｂ）に示すように定位置で大中小又は小中大と順次変化する。さらにまた、図９に示す例のように、画像７２の「速度注意！」を上下反転させた文字表示が画像面上で上下に位置を変化するようにすれば（同図（Ａ））、その実鏡映像８である「速度注意！」の文字も同図（Ｂ）に示すように空中で上下に位置が変化する。これらの画像７２の時間的な大きさや位置の変化は、連続的なものであってもよいし、不連続なものであってもよい。
【００４１】
以上に述べたように、本実施形態の表示装置１は自動車の計器盤に本発明を適用したものとして、奥壁２に計器類の表示部２１を設け、奥壁よりも運転手側に突出している底壁３に２面コーナーリフレクタアレイ６を設け、さらに底壁３の内部に被観察物として液晶ディスプレイ７の画像面７１に表示される画像７２を適用したものであるので、運転者の表示部２１を見る視線上であり且つ表示部２１よりも手前の空間に、画像７２の実鏡映像８として空中映像を浮かび上がらせて、運転者に注意を促すことができるものである。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。上述した例では、空中映像として「速度注意！」の文字が観察されるようにしたものについて説明したが、被観察物として液晶ディスプレイ７の画像面７１に表示される画像７２を適用しているので、他にも様々な文字や映像（静止画、動画の何れでも良い）を表示して、その実鏡映像８を空中に結像させて運転者に見せることができる。また、被観察物は２次元の画像に限らず、３次元の立体画像としたり、３次元の物体とすることも可能であり、それに応じて観察される実鏡映像８も立体とすることができる。ただし、２面コーナーリフレクタアレイ６を利用する場合、被観察物と実鏡映像の奥行きは反転したものとなるため、被観察物を奥行きが予め反転した状態のものとすることで、正しい奥行きの実鏡映像を運転者に見せることができるようになる。
【００４２】
図１０は、本発明が適用される表示装置１’の他の実施形態を示す側方から見た概観図である。表示装置１’を正面から見た概観図は図１と同様である。この表示装置１’は、実鏡映像結像光学系のみが上述した実施形態の表示装置１と異なる。したがって、表示装置１と同一の構成については同一の名称及び符号を用いて説明するものとする。
【００４３】
本実施形態で適用される実鏡映像結像光学系９は、ハーフミラー９１とレトロリフレクタアレイ９２とを組み合わせたものである。そして、壁部として機能する底壁３に、ハーフミラー９１を設けるとともに、底壁３の内部に、空中映像の元となる被観察物として画像７２を表示する液晶ディスプレイ７を配置し、さらに液晶ディスプレイ７と対向させてレトロリフレクタアレイ９２を配置している。被観察物７２としては、本実施形態では小型液晶ディスプレイ７の画像面７１に表示される画像を適用している。本実施形態においても、自動車の速度が一定値を超えた場合に、液晶ディスプレイ７の画像面７１に表示される被観察物である画像７２を上下逆にした「速度注意！」の文字とすることで、奥壁２の手前側且つ底壁３の上方の空間に、「速度注意！」の文字を画像７２の実鏡映像８として浮かび上がらせるようにしている。
【００４４】
ハーフミラー９１は、例えば透明樹脂やガラス等の透明薄板の一方の面に薄い反射膜をコーティングしたものを利用することができる。この透明薄板の反対側の面には、無反射処理（ＡＲコート）を施すことで、観察される実鏡映像８が２重になるのを防止することができる。なお、ハーフミラー９２の上面には、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（図示省略）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、画像７２がハーフミラー９１を直接透過した光が視点Ｖ以外の位置には届かないようにすることで、ハーフミラー９１を通じて視点Ｖ以外から画像７２が直接観察できるようになることを防止する一方で、後述するハーフミラー９１で一旦反射してレトロリフレクタアレイ９２で再帰反射した後にハーフミラー９１を透過する方向の光線のみを透過させることで、画像７２の実鏡映像８のみを特定の視点Ｖから観察できるようにしている。
【００４５】
一方、レトロリフレクタアレイ９２には、入射光を厳密に逆反射させるものであればあらゆる種類のものを適用することができ、素材表面への再帰反射膜や再帰反射塗料のコーティングなども考えられる。また、その形状も曲面としてもよいし、平面とすることもできる。例えば、図１２（ａ）に正面図の一部を拡大して示すレトロリフレクタアレイ９２は、立方体内角の１つの角を利用するコーナーキューブの集合であるコーナーキューブアレイである。個々のレトロリフレクタ９２Ａは、３つの同形同大の直角二等辺三角形をなす鏡面９２Ａａ，９２Ａｂ，９２Ａｃを１点に集合させて正面視した場合に正三角形を形成するものであり、これら３つの鏡面９２Ａａ，９２Ａｂ，９２Ａｃは互いに直交してコーナーキューブを構成している。また、図１３（ａ）に正面図の一部を拡大して示すレトロリフレクタアレイ９２も、立方体内角の１つの角を利用するコーナーキューブの集合であるコーナーキューブアレイである。個々のレトロリフレクタ９２Ｂは、３つの同形同大の正方形をなす鏡面９２Ｂａ，９２Ｂｂ，９２Ｂｃを１点に集合させて正面視した場合に正六角形を形成するものであり、これら３つの鏡面９２Ｂａ，９２Ｂｂ，９２Ｂｃは互いに直交している。このレトロリフレクタアレイ９２は、図１２（ａ）のレトロリフレクタアレイ６とは形状が異なるだけで再帰反射の原理は同じである。図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）に、図１２（ａ）及び図１３（ａ）にそれぞれ示したレトロリフレクタアレイ９２を例にして説明すると、各レトロリフレクタ９２Ａ，９２Ｂの鏡面のうちの一つ（例えば９２Ａａ，９２Ｂａ）に入射した光は、他の鏡面（９２Ａｂ，９２Ｂｂ）、さらに他の鏡面（９２Ａｃ，９２Ｂｃ）で順次反射することで、レトロリフレクタ９２Ａ，９２Ｂへ光が入射してきた元の方向へ反射する。なおレトロリフレクタアレイ９２に対する入射光と出射光の経路は、厳密には重ならず平行であるが、レトロリフレクタ９２Ａ，９２Ｂがレトロリフレクタアレイ９２と比べて十分小さい場合には、入射光と出射光の経路が重なっているとみなしてもよい。これら２種類のコーナーキューブアレイの違いは、鏡面が二等辺三角形のものは比較的作成しやすいが反射率が若干低くなり、鏡面が正方形のものは二等辺三角形のものと比較して作成がやや難しい反面、反射率が高い、ということである。
【００４６】
なお、レトロリフレクタアレイ９２には、上述したコーナーキューブアレイの他にも、３つの鏡面により光線を再帰反射させるもの（広義には「コーナーリフレクタ」）を採用することができる。図示しないが、例えば、単位再帰反射素子として、３つの鏡面のうち２つの鏡面同士が直交し、且つ他の１つの鏡面が他の２つの鏡面に対して９０／Ｎ度（ただしＮは整数とする）をなすものや、３つの鏡面がそれぞれ隣接する鏡面となす角度が９０度、６０度及び４５度となる鋭角レトロリフレクタが、本実施形態に適用される再帰反射素子３として適している。その他にも、キャッツアイレトロリフレクタ等も単位再帰反射素子として利用することができる。これらのレトロリフレクタアレイは、平面的なものであっても、屈曲又は湾曲していてもよい。また、レトロリフレクタアレイの配置位置も、画像７２から発してハーフミラー９１で反射した光を再帰反射することができるのであれば、適宜に設定することができる。
【００４７】
このようなハーフミラー９１とレトロリフレクタアレイ９２を備えた実鏡映像結像光学系９を適用したこの実施形態の表示装置１’では、図１０及び図１１に示すように、液晶ディスプレイ７の画像面７１に表示される画像７２は、ハーフミラー９１のハーフミラー面９１Ｓで反射し、レトロリフレクタアレイ９２で再帰反射した後、ハーフミラー９１を透過して、ハーフミラー面９１に対して面対称位置に結像する。すなわち、ハーフミラー面９１が被観察物である画像７２（「速度注意！」の文字を上下反転させたもの）と実鏡映像８の対称面として機能する。したがって、２面コーナーリフレクタアレイ６を適用した表示装置１と同様に、ハーフミラー面９１に対して斜め方向から見る観察者（運転者）の視点からは、奥壁２の手前側に実鏡映像８（「速度注意！」の文字）が浮かんで見えることになる。また、この表示装置１’において、図６に示したように液晶ディスプレイ７を動作させたり、図７、図８、図９に示したように液晶ディスプレイ７の画像面７１上で画像７２を動かしたりした場合に、実鏡映像８が動いて見えるようになることも、上述した表示装置１の場合と同様である。
【００４８】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で表示装置を構成する各部の具体的構成は適宜に変更することができ、表示装置の適用例としても、自動車の計器盤以外にも、奥まった部分に表示部が設けられる種々の装置に対してその表示部の手前に空中映像を浮かび上がらせる表示装置として本発明を適宜構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態を正面側から見た状態を示す概観図。
【図２】同実施形態を側方から見た状態を示す概観図。
【図３】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の結像様式を模式的に示す斜視図。
【図４】同２面コーナーリフレクタアレイによる結像様式を模式的に示す平面図。
【図５】同２面コーナーリフレクタアレイによる結像様式を模式的に示す側面図。
【図６】同実施形態において、被観察物である画像を表示する液晶ディスプレイを動作させる態様を模式的に示す図。
【図７】同実施形態において、固定された液晶ディスプレイの画像面上で画像を変化させる一例と、それに伴って変化する実鏡映像の様子を模式的に示す図。
【図８】同実施形態において、固定された液晶ディスプレイの画像面上で画像を変化させる一例と、それに伴って変化する実鏡映像の様子を模式的に示す図。
【図９】同実施形態において、固定された液晶ディスプレイの画像面上で画像を変化させる一例と、それに伴って変化する実鏡映像の様子を模式的に示す図。
【図１０】本発明の他の実施形態を側方から見た状態を示す概観図。
【図１１】同実施形態に適用される実鏡映像結像光学系の結像様式を模式的に示す図。
【図１２】同実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイ及びレトロリフレクタの一例による光線の再帰反射の態様を模式的に示す図。
【図１３】同実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイ及びレトロリフレクタの他の例による光線の再帰反射の態様を模式的に示す図。
【符号の説明】
【００５０】
１，１’…表示装置
２…奥壁
３…壁部（底壁）
４…側壁
５…上壁
６…２面コーナーリフレクタアレイ（実鏡映像結像光学系）
６Ｓ…素子面（対称面）
７…液晶ディスプレイ
８…実鏡映像
９…実鏡映像結像光学系
２１…表示部
２２…カバー
６Ｓ…素子面
６１…２面コーナーリフレクタ
６１ａ，６１ｂ…鏡面
７１…画像面
７２…被観察物（画像）
９１…ハーフミラー
９１Ｓ…ハーフミラー面（対称面）
９２…レトロリフレクタアレイ
９２Ａ，９２Ｂ…レトロリフレクタ
９２Ａａ，９２Ａｂ，９２Ａｃ，９２Ｂａ，９２Ｂｂ，９２ｂｃ…鏡面
【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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