CN101868751A - 体积扫描型三维空中影像显示器装置 - Google Patents

Abstract

将体积扫描型三维空中影像显示器装置构成为具备：实镜影像成像光学系统，可以在相对作为对称面的几何平面的面对称位置成像被投影物的实像；显示器，具备配置在该对称面的下面侧且作为被投影物显示影像的显示面；以及驱动单元，进行动作，以使该显示器进行包括相对显示面垂直的方向的分量的运动，与通过驱动单元驱动的显示器的动作同步地改变显示在显示面中的影像，从而将该影像在对称面的上面侧的空间中成像为无失真的立体空中影像。

Description

体积扫描型三维空中影像显示器装置

技术领域

本发明涉及可以通过体积扫描方式显示立体空中影像的显示器。

背景技术

近年来，已开发出可以阅览立体影像的技术。在当前实用化的立体显示装置的大多数中，在立体视要因中仅利用两眼视差的情况较多，但还存在焦点调节和辐辏等技术面上的问题、由于长时间观察而眼睛疲劳等这样的问题，而期望更易于利用的技术。例如，作为将凸透镜、凹面镜用作成像光学系统的技术中，提出了通过体积扫描法实现的三维像的立体显示方法，即相对光学系统的光轴倾斜地配置可以实现高速显示的二维显示器，并通过镜扫描器使相对光轴倾斜的二维像移动，而与其对应地在二维显示器中显示显示物体的剖面像，从而形成三维像(参照非专利文献1)。根据该方法，由于形成三维实像，所以无需眼镜等安装物，可以满足所有人的立体视知觉要因。

非专利文献1：“Volumetric display system based on three-dimensional scanning of inclined optical image”，Daisuke Miyazaki etal、，Optic Express、Vol.14 Issue 26、pp12760-12769

在非专利文献1所公开的那样的立体显示方法中，将凸透镜、凹面镜用作光学系统，所以由于其像差而产生失真，难以使定位完全稳定。

另一方面，本发明者提出了：作为等倍成像光学系统，具备多个由两个镜面构成的双面角形反射器的光学元件即实镜影像成像元件(以下根据需要称为“双面角形反射器阵列”)(参照日本特愿2006-080009专利说明书)、和利用了具备回归反射功能的后向反射器阵列与半透半反镜的实镜影像成像光学系统(参照日本特愿2007-163323专利说明书)。另外，还提出了使用具备焦距为无限大的无焦光学系统的无焦透镜阵列，实现了将无焦透镜元件的元件面作为对称面而在相反侧的空间中成像被投影物的像的功能的实镜影像成像光学系统(参照日本特愿2005-10755号公报)。另外，还提出了如下技术：在将上述双面角形反射器阵列设为双面角形反射器朝向多个方向、或者利用回归反射的实镜影像成像光学系统中，对利用后向反射器阵列与半透半反镜包围被投影物等的结构进行研究，从而可以从多个方向观察实镜影像(参照日本特愿2007-054871专利说明书、日本特愿2007-211992专利说明书)。这些实镜影像成像光学系统将被投影物在相对设定于该光学系统中的对称面(双面角形反射器阵列的元件面、半透半反镜面、以及无焦透镜阵列的元件面)的面对称位置无失真地成像为等倍的实像，如果被投影物是二维则可以观察二维的实像，如果被投影物是三维则可以观察三维的实像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用了上述各实镜影像成像光学系统的利用体积扫描法的三维空中影像显示器、特别是无失真的三维空中影像显示器。

即，本发明提供一种体积扫描型三维空中影像显示器装置，其特征在于包括：实镜影像成像光学系统，能够将被投影物的实像成像在相对于成为对称面的某一个几何平面的面对称位置；显示器，具备配置在上述对称面的下面侧且作为上述被投影物显示影像的显示面；以及驱动单元，驱动上述显示器，以进行包括相对该显示面垂直方向的分量的运动，与通过上述驱动单元进行的上述显示器的动作同步地改变显示在上述显示面中的影像，从而使该影像在上述对称面的上面侧的空间中成像为立体影像(以下有时称为“立体空中影像”)。

在这样的三维空中影像显示器装置中，实镜影像成像光学系统将被投影物以对称面为边界而在面对称位置成像为无失真的实像。但是，观察的实像的纵深与被投影物的纵深反转。另外，本发明中应用的显示器是指，不仅是在画面中显示影像的一般意义上的显示器装置，而且还包括放映通过投影仪等投射的影像的屏幕等可以显示影像的所有装置，显示面既可以是平面也可以是曲面。而且，通过驱动单元，显示器进行包括与其显示面垂直的方向的分量的运动、即埋入三维空间的立体的动作，所以驱动单元与显示器实质上作为体积扫描型的立体显示器而发挥功能。在驱动单元中，采样使显示器按照埋入所期望的三维空间那样的运动而动作的适宜的方式的装置即可。此处，在显示器的运动中，以向一定方向的振动为首，只要显示面埋入某一三维空间那样地动作即可，如果包括与显示面垂直的方向的分量，则也可以是任意的运动。但是，显示器的“埋入三维空间的立体的动作”或者“三维运动”、“立体运动”这样的表现并非仅意味着显示器一定以三个自由度动作，而还包括即使是一个自由度的运动也埋入规定的三维空间的运动。另外，显示器优选配置在可以从对称面的上面侧的某视点观察显示在其显示面中的影像的实像的范围内即可，但容许显示器进入在立体的动作的期间暂时看不到像的位置。根据以上那样的本发明的三维空中影像显示器装置，可以将利用实镜影像成像光学系统进行在其对称面的一侧的空间中埋入三维空间那样的立体运动的显示器、换言之显示在体积扫描型立体显示器中的影像的实像，在另一侧的空间中显示为无失真的空中立体像而观察。

作为适合于本发明中应用的实镜影像成像光学系统的一种，可以举出如下结构：将由与规定的元件平面垂直的相互正交的两个镜面构成的双面角形反射器在该元件平面上排列多个而得到的双面角形反射器阵列，将该元件平面设为上述对称面。根据这样的结构，在来自作为被投影物的影像的光透射元件平面时，通过各双面角形反射器的两个镜面各反射一次而对与元件平面平行的光的分量进行回归反射，从而在元件平面的上面侧面对称位置的空中成像为实像。即，从观察者，可以观察通过两个镜面的内角与视线方向相对的双面角形反射器反射而成像的影像的实像、即立体空中影像。

此处，为了可以从多个视点观察立体空中影像，通过采用在具有与元件平面垂直的旋转轴的旋转方向上朝向多个方向而形成多个双面角形反射器的结构，可以构成使立体像相对元件平面成像在与该立体影像相同一侧的空间中而可以从多个方向观察的三维空中影像显示器装置。更详细而言，各双面角形反射器向配置于作为对称面的元件平面的下面侧的立体扫描型立体显示器的方向朝向开口即可。具体而言，作为利用了双面角形反射器的实镜影像成像光学系统，可以举出双面角形反射器阵列通过共用元件平面的多个双面角形反射器阵列的集合而构成的结构。如果是这样的结构，则例如，与在单一的元件平面中朝向多个方向同时形成双面角形反射器的方式相比，构成为平面地组合多个具备朝向相同方向的双面角形反射器的双面角形反射器阵列而作为单一的双面角形反射器阵列发挥功能，可以实现制造的容易性并降低成本。另外，还可以构成为以朝向不同的方向的方式，平面地组合多个具备朝向规定的一点的双面角形反射器的双面角形反射器阵列，而作为单一的双面角形反射器阵列发挥功能。

此处，在考察双面角形反射器时，为了使光线在双面角形反射器中适当地弯曲的同时透射元件平面，对于双面角形反射器，考虑将在贯通元件平面的方向上假设的光学性的孔的内壁用作镜面的结构即可。但是，这样的双面角形反射器是概念性的部件，无需一定反映由物理性的边界等决定的形状，例如可以将上述光学性的孔连结而不相互独立。

如果单纯地叙述双面角形反射器阵列的结构，则是在元件平面中排列多个与元件平面大致垂直的镜面的结构。作为结构上成为问题的是如何在元件平面中支撑固定该镜面。作为镜面形成的更具体的方法，例如可以设为如下方法：将双面角形反射器阵列设为具备划分规定空间的基盘的结构，将通过该基盘的一个平面规定为元件平面，将双面角形反射器设为在贯通元件平面的方向上假设的光学性的孔，将形成在基盘中的孔的内壁用作镜面。形成在该基盘中的孔只要透明以使光透射即可，例如也可以是内部为真空或者由透明的气体或液体充满的结构。另外，对于孔的形状，只要在其内壁具备用于作为单位光学元件而发挥功能的一个或多个不包含在同一平面中的镜面，并且通过镜面反射的光可以通过孔，则可以取任意形状，也可以是各孔连结或一部分缺损的复杂形状。例如，可以将在基盘的表面林立了各个独立的镜面的方式等理解为形成在基盘中的孔连结的结构。

或者，双面角形反射器也可以是作为光学性的孔，利用由透明的玻璃、树脂那样的固体形成的筒状体的结构。另外，在由固体形成了各个筒状体的情况下，这些筒状体既可以相互密接而作为元件的支撑部件发挥功能，也可以取作为具备基盘的结构而从该基盘的表面突出的方式。另外，对于筒状体的形状，只要在其内壁具备用于作为双面角形反射器而发挥功能的一个或多个不包含在同一平面的镜面，并且通过镜面反射的光可以透射筒状体，则可以取任意形状，虽然称为筒状体但也可以是各筒状体连结、或者一部分缺损的复杂形状。

此处，作为上述光学性的孔，可以考虑如立方体或长方体那样邻接的内壁面全部正交的形状。在该情况下，可以使双面角形反射器相互的间隔最小化，可以实现高密度的配置。但是，朝向被投影物方向的双面角形反射器以外的面优选抑制反射。

在双面角形反射器内存在多个镜面的情况下，有可能存在引起所假定次数以上的反射的多重反射的透射光。当作为该多重反射对策，在光学性的孔的内壁形成相互正交的两个镜面的情况下，通过将这些两个镜面以外的面设为非镜面而不反射光，或者以相对元件平面不成为垂直的方式附加角度地设置，或者设为曲面，可以减轻或去除引起三次以上的反射的多重反射光。为了设为非镜面，可以采用用反射防止用的涂料或薄膜来覆盖该面的结构、使面粗糙度增加而产生乱反射的结构。另外，在存在透明且平坦的基盘时不阻碍光学元件的作用，所以可以将基盘任意地用作支撑部件/保护部件。

进而，为了实现影像的实镜影像即立体空中影像的高亮度化，优选在上述元件平面上尽可能不空开间隔而配置多个双面角形反射器，例如格子状的配置是有效的。另外，在该情况下，具有至少也容易制造的优点。作为双面角形反射器中的镜面，不论是固体还是液体，都可以利用通过由金属或树脂等具有光泽的物质形成的平坦面反射的结构、或者在具有不同的折射率的透明介质彼此的平坦的边界面中进行反射或全反射的结构等。另外，在通过全反射构成了镜面的情况下，由于多个镜面引起的不期望的多重反射超过全反射的临界角的可能性变高，所以可以期待自然地抑制。

另外，镜面只要功能上没有问题，则既可以形成在光学性的孔的内壁的极小一部分中，也可以由平行地配置的多个单位镜面构成。如果换句话来说明后者的方式，则意味着也可以将一个镜面分割成多个单位镜面。另外，在该情况下，各单位镜面也可以不必一定存在于同一平面内，只要分别平行即可。进而，各单位镜面容许抵接的方式、离开的方式中的任意一个。另外，在将双面角形反射器阵列构成为实镜影像成像元件的情况下，需要通过正交的两个镜面来构成双面角形反射器，所以在一个单位光学元件中，必需形成正交的两个镜面。对于该正交的两个镜面彼此之间，以无需一定接触，在光从元件平面的一侧向另一侧透射时通过两个镜面各反射一次即可，所以两个镜面彼此之间抵接的方式、离开的方式中的任意一个都被容许。

另外，作为本发明中应用的其他实镜影像成像光学系统，可以举出如下结构：具备使光线回归反射的后向反射器阵列、与具有使光线反射以及透射的半透半反镜面的半透半反镜，将该半透半反镜面设为实镜影像成像光学系统中的对称面，将后向反射器阵列配置在相对半透半反镜与上述被投影物相同一侧的空间。此处，作为后向反射器的作用的“回归反射”是指，向入射光输入来的方向反射(逆反射)反射光的现象，入射光与反射光平行且成为逆向。矩阵状地配置这样的后向反射器而得到的部件是后向反射器阵列，在各个后向反射器充分小的情况下，可以视为入射光与反射光的路径重叠。在该后向反射器阵列中后向反射器无需存在于同一面上，各后向反射器也可以三维地分散。另外，半透半反镜是指具备使光线透射的功能与使光线反射的功能这两方的部件，优选透射率与反射率大致为1∶1的部件是理想的。

在后向反射器中，可以利用由三个邻接的镜面构成的部件(广义上可以称为“角反射器(Corner reflector)”)、猫眼后向反射器。在角反射器中，可以采用由相互正交的三个镜面构成的角反射器、三个邻接的镜面所成的角度中的两个是90度并且另一角度呈现90/N度(其中N是整数)的部件、以及三个镜面所成的角度成为90度、60度及45度的锐角后向反射器等。

在利用这样的后向反射器阵列与半透半反镜的多视点空中影像显示光学系统的情况下，从被投影物输出的光通过半透半反镜面反射，进而通过后向反射器阵列回归反射而一定返回到原来的方向，透射半透半反镜面而成像，所以只要处于接收到来自半透半反镜的反射光的位置，则后向反射器阵列的形状、位置没有限制。而且，对于成像的实像的观察，可以从与透射半透半反镜面的光线对向的方向观察，上述半透半反镜相互在实像侧被设定为小于180度的角度，所以可以从与半透半反镜的数量对应的多个视点观察被投影物的实像。

这样，在应用了后向反射器阵列与半透半反镜的实镜影像成像光学系统的三维空中影像显示器装置中，如果将后向反射器配置成在至少半透半反镜的背面侧中与该半透半反镜一起三维地包围显示器的显示面，则可以从多个视点观察立体空中影像。

除了以上之外，作为本发明中应用的其他实镜影像成像光学系统，可以举出如下结构：将具有与规定的元件平面垂直的光轴的无焦透镜在该元件平面上排列多个而成的无焦透镜阵列，将该元件平面设为对称面。无焦透镜的焦距无限大，例如可以由具有相对元件平面垂直的光轴且隔开各个焦距配置的两个透镜构成，通过在元件平面上排列配置多个这样的无焦透镜，可以构成无焦透镜阵列。作为无焦透镜的结构，可以采用凸透镜、光纤透镜等。

在以上叙述那样的本发明的三维空中影像显示器装置中，可以将显示器设为在表面与背面这两面具备显示面的结构。根据这样的结构，特别在从对称面的上面侧的视点观察而可以确认两个显示面的影像的立体空中影像的范围中以将两个显示面相对对称面竖立的姿势配置显示器的情况下，可以从各个对面方向视认显示在两个显示面中的影像，所以可以实现立体空中影像的多视点化。在通过两个显示面进行相同的影像的显示的情况下，可以从多个视点观察相同的立体像的透视像，如果积极地利用可以通过两个显示面显示不同的影像的现象，则即使从对面观察，也可以实现从相同方向观察的立体空中影像、或者完全不同的立体空中影像的显示以及观察。另外，在两个显示面中进行不同的影像的显示的情况下，可以个别地显示立体空中影像的表面与背面，可以实现不成为透视像的立体空中影像的显示。进而，由于通过本发明中使用的实镜影像成像光学系统得到的像的纵深反转，所以为了显示正常的立体空中影像，需要预先使被投影物的纵深反转，但通过设为两面显示器，可以对表面背面分别个别地进行纵深反转显示。但是，在将无焦透镜阵列用作实镜影像成像光学系统的情况下，在相对作为对称面的元件面将显示面设为垂直时，几乎看不到立体空中影像。

除此之外，在本发明的三维空中影像显示器装置中，也可以构成为将显示器配置成其显示面朝向实镜影像成像光学系统的对称面(除了显示面与对称面成为垂直的情况)，使驱动单元动作，以使显示器进行包括与对称面垂直方向的分量的运动。由此，由于无法进行按照视点的影像显示，所以仅能够进行透视影像的显示，但即使显示器的显示面仅为一个面，也可以实现立体空中影像的多视点化。

根据本发明，包括：实镜影像成像光学系统，将被投影物的实像成像在相对某一个几何平面(对称面)的面对称位置；以及作为体积扫描型立体显示器而发挥功能的显示器及驱动单元，从而可以提供可以使进行体积扫描的显示器中显示的影像在对称面的相反侧的空间中成像为无失真的立体空中影像这样的新的立体空中影像的显示方法、观察方法。

附图说明

图1是概略地示出本发明的第一实施方式的三维空中影像显示器装置的立体图。

图2是示意地示出该实施方式中应用的实镜影像成像光学系统即双面角形反射器阵列的俯视图。

图3是将该双面角形反射器阵列的一部分放大而示意地示出的立体图。

图4是示意地示出通过该双面角形反射器阵列实现的成像样式的图。

图5是示意地示出该三维空中影像显示器装置中的显示器的影像与其立体空中影像的关系的图。

图6是概略地示出作为该实施方式的变形例进行了多视点化的三维空中影像显示器装置的立体图。

图7是概略地示出作为该实施方式的另一变形例进行了多视点化的三维空中影像显示器装置的立体图。

图8是概略地示出该实施方式中应用的双面角形反射器阵列的另一例子的立体图。

图9是概略地示出本发明的第二实施方式的三维空中影像显示器装置的侧面图。

图10是将该实施方式中应用的实镜影像成像光学系统即后向反射器阵列的一部分放大而示出的概略的正面图。

图11是示意地示出通过该后向反射器阵列实现的光线的反射的样子的图。

图12是概略地示出作为该实施方式的变形例进行了多视点化的三维空中影像显示器装置的侧面图。

图13是概略地示出本发明的第二实施方式的三维空中影像显示器装置的侧面图。

图14是示意地示出该实施方式中应用的实镜影像成像光学系统即无焦透镜阵列的结构以及成像样式的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

首先，参照图1～图7，对本发明的第一实施方式进行说明。本实施方式的体积扫描型三维空中影像显示器装置(以下简称为“三维空中影像显示器装置”)X1如图1所示，作为实镜影像成像光学系统的一种，具备：形成有多个双面角形反射器1的实镜影像成像元件(以下称为“双面角形反射器阵列”)2；具备显示影像的显示面31的显示器3；以及使该显示器3进行立体的运动的驱动单元4。即，运动的显示器3的显示面31中逐次显示的影像O是成为在本实施方式中作为通过双面角形反射器阵列2A得到的镜影像的实像(实镜影像)而成像立体空中影像P的原来的被投影物。以下，对各部进行说明。

在双面角形反射器阵列2A中，将相对构成所有双面角形反射器1的各两个镜面11、12大致垂直的平面设为元件平面S1，将该元件平面S1作为对称面，在面对称位置成像作为被投影物的影像O的实镜影像，观察立体空中影像P。另外，在本实施方式中，双面角形反射器1与双面角形反射器阵列2A的整体相比非常微小，所以在图1中用灰色表示双面角形反射器1的集合整体，用V字形状表示其内角的朝向。双面角形反射器阵列2A如图2所示，具备平板状的基盘21，在该基盘21中，形成多个相对平坦的基盘表面垂直地贯通壁厚的孔22，将各孔22的内壁面用作双面角形反射器1，所以在孔22的内壁面中的正交的两个中分别形成有镜面11、12。

基盘21其厚度尺寸例如为50～200μm、在本实施方式中为100μm的薄板状的部件，适用于一边分别是约5cm的平面视正方形形状的部件，但基盘21的厚度、平面尺寸不限于此而可以适宜地设定。如将图2的A部分放大则如图3所示，各双面角形反射器1是利用为了使光透射而形成在基盘21中的物理/光学性的孔22而形成的。在本实施方式中，首先在基盘21中形成多个平面视大致矩形形状(具体而言在本实施方式中为正方形形状)的孔22，对各孔22中的邻接正交的两个内壁面实施平滑镜面处理而作为镜面11、12，以作为使这些镜面11、12作为反射面而发挥功能的双面角形反射器1。另外，优选对孔22的内壁面中的双面角形反射器1以外的部分不实施镜面处理而作为无法反射光的面，或者附加角度等来抑制多重反射光。各双面角形反射器1形成为在基盘21上镜面11、12所构成的内角全部成为相同朝向。以下，有时将该镜面11、12的内角的朝向称为双面角形反射器1的朝向(方向)。在形成镜面11、12时，在本实施方式中，首先制作金属制的模具，对应形成镜面11、12的内壁面进行纳米等级的切削加工处理，从而形成镜面，将它们的面粗糙度设为10nm以下，相对可见光光谱域一样地成为镜面。

具体而言，构成各双面角形反射器1的镜面11、12其一边例如是50～200μm、在本实施方式中是对应于基盘21的厚度的100μm，通过纳米等级地应用了使用之前制作的模具的冲压工艺的纳米印刷工艺或电镀工艺，在一个基盘21中按照规定间距形成多个。在本实施方式中，使在各双面角形反射器1的元件平面S上呈现V字形状的各边相对基盘21的宽度方向或纵深方向旋转45度，并且使所有双面角形反射器1在元件平面S1上假设的规则性的格子点上排列并朝向同一方向。另外，通过将相邻的双面角形反射器1彼此的离开尺寸设定得极其小，可以提高透射率。然后，在上述基盘21中，对形成有双面角形反射器1的部分之外的部位实施遮光处理，在基盘21的上面以及下面中设置未图示的呈现薄板状的透明的加强件。在本实施方式中，采用了在基盘21中设置了几万至几十万个这样的双面角形反射器1的双面角形反射器阵列2A。

另外，在通过电镀工艺用铝、镍等金属形成了基盘21的情况下，只要模具的面粗糙度充分小，则镜面11、12由此自然地成为镜面。另外，在使用纳米印刷工艺，将基盘21设为树脂制等的情况下，为了制作镜面11、12，需要通过溅射等来实施镜面涂层。

这样形成在基盘21中的双面角形反射器1具有如下功能：通过一个镜面(11或12)反射从基盘21的表面侧(或背面侧)进入到孔22的光，进而通过另一镜面(12或11)反射该反射光而向基盘21的背面侧(或表面侧)透射，该光的进入路径与射出路径夹持基盘21而呈现面对称，所以通过如上所述在基盘21上形成多个双面角形反射器1，作为双面角形反射器阵列2A而发挥功能。即，上述双面角形反射器阵列2A的元件平面S1(假设通过基盘21的壁厚的中央部而与各镜面正交的面，在图3中用虚线表示)成为将处于基盘21的一侧的被投影物的实像在另一侧的面对称位置成像为镜像(实镜影像)的对称面。

此处，关于通过双面角形反射器阵列2A实现的成像样式，与作为被投影物从点光源o发出的光的路径一起进行简单说明。如图4(a)的俯视的示意图、该图(b)的示意的侧面图所示，从点光源o发出的光(箭头方向，用实线表示。三维地从纸面里侧向纸面跟前侧行进)在通过形成于双面角形反射器阵列2A的基盘21(在该图中省略)的孔22(在该图中省略)时，通过构成双面角形反射器1的一个镜面11(12)反射进而通过另一个镜面12(11)反射之后，透射元件平面S1(用虚线表示透射光的光线)，一边相对双面角形反射器阵列2A的元件平面S1(在该图中省略)扩展点光源o的面对称位置(在该图中o的位置)一边通过。即，其结果，透射光集中到点光源o相对元件平面S1的面对称位置，成像为实镜影像p。

显示器3虽然也可以是曲面，但只要显示面31是大致平面，则可以适宜地使用适宜的公知方式的显示器。在本实施方式中，如图1所示，采用显示面31为平面形状的显示器3，该显示面31配置成在双面角形反射器阵列2A的下面侧的空间中与元件平面S1垂直。另外，显示器3的配置姿势不限于此，只要是在从双面角形反射器阵列2A的上面侧的某视点观察的情况下，观察到显示于显示面31上的影像O的实像那样的姿势，则可以适宜地设定。

驱动单元4对显示器3提供三维的动作，只要是用于驱动其他物体的结构、装置，则可以利用使用了电动机、弹簧、齿轮、传动装置、以及轨道等的适宜的结构。在本实施方式中，如图1所示，对于驱动单元4，采用使显示器3(以及显示面31)在双面角形反射器阵列2A的元件平面S1的下面侧的空间内与该元件平面S1平行地振动(往复运动)的结构。作为使显示器3进行这样的往复运动的驱动单元4，例如，可以应用：与双面角形反射器阵列2的元件平面S1平行的未图示的轨道；以及沿着该轨道使显示器3往复的未图示的电动机等驱动装置等。于是，与通过驱动单元4驱动的显示器3的位置变化对应地，依次改变显示在显示器3的显示面31中的影像O。这样，通过驱动单元4使显示器3立体运动，所以显示器3以及驱动单元4作为体积扫描型的立体显示器而发挥功能。

另外，此处，将显示器3的运动采用了使显示面平行地原样保持的往复运动，但不限于平行。另外，对于运动方向，也无需考虑与元件平面的关系性。进而，作为运动，采用了振动(往复运动)，但不限于往复，而还可以设为向单向的循环运动。

接下来，在本实施方式的三维空中影像显示器装置X1中，举出一个例子，对依次显示在显示器3的显示面31中的影像O、与该影像O的通过双面角形反射器阵列2A成像的立体空中影像P进行说明。在该例子中，示出了显示器3通过往复运动的一半(去路、回路)描绘了球的影像O依次显示在显示面31中，并与其相伴成像为实像即球的立体空中影像P(其中与影像O的纵深反转)的样子。如在图5(a)中追溯时间而间歇地示出双面角形反射器阵列2A与显示器3的位置关系那样，显示器3在一次往复运动的期间，在时刻t₁～t₉中到达该图所示的各位置，即在时刻t₁开始振动，在t₅的位置到达振幅的另一端侧，在t₉的位置返回到与t₁相同的位置。在各时刻t₁～t₉中，在显示器3的显示面31中，如该图(b)所示，依次显示中心的位置恒定且直径不同的圆的图形。与其对应地，如该图(a)、(c)所示，在相对显示面31的双面角形反射器阵列2A的元件平面S1的面对称位置，作为各时刻的影像O的实镜影像P，依次成像与影像O同一图形的圆像。显示器3的实际的动作由于是连续的，所以从观察者的视点V1作为球的透视像观察到立体空中影像P。另外，该球体与通过显示器3的运动而制作的立体像相比，纵深反转。

这样，根据本实施方式的三维空中影像显示器装置X1，使显示器3与驱动单元4作为实质上的立体显示器而发挥功能，可以使连续地显示于显示器3的显示面31中的影像O通过双面角形反射器阵列2A，在相对该元件平面S1的面对称位置成像为无失真的实像的三维空中影像P，所以可以提供在什么都没有的空中浮游，并相对上下左右的视点移动也在空中完全静止的立体空中影像这样的新的立体影像的提示样式。

另外，在使用了由朝向同一方向的双面角形反射器1构成的双面角形反射器阵列2A的情况下，视点被限制在某一方向，但通过使用使双面角形反射器1的朝向朝向了多个方向的双面角形反射器阵列2A，还可以作为能从多个视点观察立体空中影像P的三维空中影像显示器装置X1’。例如，如图6所示，将两个与上述实施方式中使用的双面角形反射器阵列2A同样的结构(在该图中设为双面角形反射器阵列2A、2B)配置成将各自的元件平面S1、S1’作为同一面且使双面角形反射器1对向，进而将显示器作为在两面具有显示面31、31的两面显示器3’并通过驱动单元4进行三维驱动，将两个显示面31、31中显示的影像O作为两面相同的影像而与显示位置同步，从而可以从两个视点V1、V1’同时观察到同一形状的透视立体空中影像P。除此以外，通过采用使双面角形反射器1按照其他方式朝向多个方向的双面角形反射器阵列2A，并且与双面角形反射器1的朝向对应地配置多个显示器3或显示面31并用驱动单元4使它们适宜地动作，也可以实现立体空中影像P的多视点化。另外，还可以将显示在两个显示面31、31中的影像O设为不同的影像，例如如果个别地显示立体空中影像的表面与背面，则可以显示不成为透视像的立体空中影像。进而，由于通过本发明中使用的实镜影像成像光学系统得到的像纵深反转，所以为了显示正常的立体空中影像，需要预先使被投影物的纵深反转，但通过将两面作为显示面，可以使表面背面分别个别地进行纵深反转显示。

另外，作为同样地使用两个双面角形反射器阵列2A1、2A2的结构，还可以设为如下结构：如图7所示的三维空中影像显示器装置X1”那样，使显示器3的显示面31朝向作为对称面的元件平面S1、S1’的方向，通过驱动单元4使显示器3在相对元件平面S1、S1’垂直的方向上三维动作。在该情况下，即使显示面31是1面，也可以进行多视点(在图示例的情况下视点V1、V1”这两个视点)的观察。但是，在该情况下无法针对每个视点改变影像，所以仅可以显示透视立体像。

另外，作为构成双面角形反射器阵列的双面角形反射器，存在简单地正交的两个反射面即可，作为该反射面，可以利用通过金属等反射光的物质的具有镜面精度的平坦度的端面或由膜实现的反射、以及折射率不同的透明的介质彼此的具有镜面精度的平坦度的边界处的全反射等现象。更具体而言，例如，在上述实施方式中，在双面角形反射器阵列2A中，在薄板状的基盘21中形成正方形形状的孔22，通过该孔的内周壁中的邻接的两个形成了双面角形反射器，但也可以代替这样的结构，而如图8的放大图所示，在向基盘21的厚度方向突出的透明的筒状体23的各自中形成双面角形反射器1’，作为棋盘格子状地形成有多个这样的筒状体23的双面角形反射器阵列2A’。在该情况下，在各筒状体23的内壁面中，通过将正交的两个设为镜面要素11’、12’的方式，也可以形成双面角形反射器1’。在该情况下，与上述实施方式同样地，由双面角形反射器1’反射两次的光通过相对基盘21的面方向即元件平面S1’面对称的点，从而可以在与被投影物相对元件平面S1’相反一侧的空间中成像立体空中影像。

另外，通过将筒状体23的镜面要素11’、12’以外的内壁面不设为镜面、或者附加相对元件平面S’垂直以外的角度，可以消除多余的反射，而得到更清晰的像。另外，构成双面角形反射器1’的两个镜面11’、12’还可以利用全反射，还可以利用通过反射膜实现的反射。特别，在利用镜面11’、12’的全反射的情况下，由于在全反射中存在临界角，所以可以期待不易引起多重反射。进而，还可以对应于形成镜面的筒状体的两个面附加金属反射膜，而粘接筒状体彼此。在该情况下，虽然需要向镜面以外的面实施非镜面化等多重反射对策，但可以得到开口率高且透射率高的双面角形反射器阵列。

另外，对于构成双面角形反射器的两个镜面要素，只要可以形成正交的两个反射面则也可以不相互接触而相互隔开空间地配置，或者可以自由地设定多视点空中影像显示光学系统或双面角形反射器阵列的形状等，对于各部的具体结构也不限于上述实施方式，而可以进行各种变更。

(第二实施方式)

接下来，参照图9～图12，对本发明的第二实施方式进行说明。本实施方式的三维空中影像显示器装置X2具有如下结构：将上述实施方式1中的实镜影像成像光学系统改变为代替双面角形反射器阵列2A而利用了半透半反镜5与后向反射器阵列6的实镜影像成像光学系统2B。显示器3以及驱动单元4的结构与第一实施方式相同。本实施方式中应用的实镜影像成像光学系统2B如图9所示，将半透半反镜5的半透半反镜面51作为对称面S2，通过半透半反镜面51反射在半透半反镜51的下面侧的空间中配置的显示器3的显示面31中显示的影像O，进而通过后向反射器阵列6回归反射而返回到入射来的方向，透射半透半反镜面51，从而在对于作为影像O的经时性的集合的对称面S2的半透半反镜面51的面对称位置，将镜影像成像为立体空中影像P。

作为这样的实镜影像成像光学系统2B的结构要素的半透半反镜5例如可以利用在透明树脂、玻璃等透明薄板的一个面中涂敷了薄薄的反射膜的部件。通过对该透明薄板的相反侧的面实施无反射处理(AR涂层)，可以防止所观察的实镜影像P成为双重。另外，在半透半反镜5的实际上面，作为分别使特定方向的光线透射且遮断其他特定方向的光线或者仅使特定方向的光线漫射的视线控制单元，可以设置视场控制膜或视角调整膜等光学膜52。具体而言，通过该光学膜52，影像O直接透射了半透半反镜5而得到的光不会到达视点V2以外的位置，从而防止可以通过半透半反镜5从视点V2以外直接观察到显示器3的显示面3的影像O的现象，另一方面，仅使通过后述的半透半反镜5临时反射并通过后向反射器阵列6回归反射之后透射半透半反镜6的方向的光线透射，从而可以从特定的视点V2仅观察作为影像O的实像的集合的立体空中影像P。

另一方面，在后向反射器阵列6中，只要是使入射光严密地逆反射的部件，则可以应用任意种类的部件，还考虑向材料表面涂敷后向反射膜、后向反射涂料等。另外，其形状也可以如图9所示设为曲面，还可以设为平面。例如，图10(a)的将主视图的一部分放大示出的后向反射器阵列6是作为利用立方体内角的一个角的角锥棱镜(Corner cube)的集合的角锥棱镜阵列。各个后向反射器阵列61是将三个呈现相同形状相同大小的直角等腰三角形的镜面61a、61b、61c集中到一点而在正面视的情况下形成正三角形的部件，这些三个镜面61a、61b、61c相互正交而构成角锥棱镜。另外，该图(b)的将主视图的一部分放大所示的后向反射器阵列6也是作为利用立方体内角的一个角的角锥棱镜的集合的角锥棱镜阵列。各个后向反射器61是将三个呈现相同形状相同大小的正方形的镜面61a、61b、61c集中到一点而在正面视的情况下形成正六边形的部件，这些三个镜面61a、61b、61c相互正交。该后向反射器阵列6仅形状与该图(a)的后向反射器阵列6不同，而回归反射的原理相同。在以图11(a)(b)、图10(a)(b)分别所示的后向反射器阵列6为例子进行说明时，入射到镜面中的一个(例如61a)的光依次通过其他镜面(61b、61c)反射，从而向后向反射器61向光入射来的原来的方向反射。另外，相对后向反射器阵列6的入射光与射出光的路径虽然并非严密地重叠而平行，但在后向反射器61与后向反射器阵列6相比充分小的情况下，也可以视为入射光与射出光的路径重叠。这些两种角锥棱镜阵列的差异在于，虽然镜面是等腰三角形的部件比较易于制作但反射率若干变低，虽然镜面是正方形的部件与等腰三角形的部件相比比较难以制作但反射率较高。

另外，在后向反射器阵列6中，除了上述角锥棱镜阵列以外，还可以采用通过三个镜面对光线进行回归反射的部件(广义上的“角反射器”)。虽然未图示，但例如，作为单位后向反射元件，三个镜面中的两个镜面彼此正交，并且另一个镜面相对其他镜面呈现90/N度(其中N设为整数)的反射器、三个镜面与分别邻接的镜面的角度成为90度、60度以及45度的锐角后向反射器适合于本实施方式中应用的后向反射元件3。除此以外，也可以将猫眼后向反射器等用作单位后向反射元件。这些后向反射器阵列既可以是平面的部件，也可以是折弯或弯曲的部件。在图9的例子中，在显示器3的外侧配置了部分球面形状的后向反射器阵列6，但只要是可以对从显示面31的影像O发出并通过半透半反镜5反射的光进行回归反射的部件，则可以适宜地设定后向反射器阵列6的形状以及配置位置。

在这样的结构的三维空中影像显示器装置X2中，也与第一实施方式的情况同样地，实镜影像成像光学系统2B总是在被投影物相对对称面S2的面对称位置成像其实镜影像，所以通过驱动单元4使显示器3三维动作，与该动作对应地使显示面31的影像O逐次变化，从而可以在半透半反镜5的上面侧的空间成像并观察作为影像O的实镜影像的集合的立体空中影像P。

另外，通过变更后向反射器阵列6的配置结构，并使用作为第一实施方式的变形例而说明的在两面具有显示面31、31的两面显示器3’，还可以实现立体空中影像P的多视点化、即同时从多个方向观察作为影像O的实镜影像的立体空中影像P。图12是示出实现多视点化的三维空中影像显示器装置X2’的一个例子的概略的纵剖面图。在该三维空中影像显示器装置X2’中，应用了在圆盘状的半透半反镜5’的下面侧通过呈现半球状的后向反射器阵列6’，包围了两面显示器3’的实镜影像成像光学系统2B’。半透半反镜5’仅形状与上述半透半反镜5不同而其他是等同的，将半透半反镜面51’设为对称面S2’。另外，在半透半反镜5’的上面，作为使特定方向的光线透射且遮断其他特定方向的光线、或者仅使特定方向的光线漫射的视线控制单元，粘贴设置视场控制膜或视角调整膜等光学膜52’。另一方面，后向反射器阵列6’与上述后向反射器阵列6同样地，具有在内面侧形成有多个后向反射器61的弯曲形状。另外，由于在光线的回归反射中不利用成为显示器3的正下方的后向反射器阵列6’的底部，所以不形成后向反射器61，但即使在底部形成了后向反射器61也没有特别的问题。

在该情况下，从显示在两面显示器3’的显示面31、31中的影像O中向各个方向输出的光通过半透半反镜5’反射，并通过处于半透半反镜5’的下面侧的后向反射器阵列6’向相同方向回归反射，进而直线地透射半透半反镜5’，从而在半透半反镜5’的上面的上方空间中的面对称位置成像。另外，从影像O朝向正上方输出并通过半透半反镜5’反射的光再次返回到影像O的位置，所以不会通过后向反射器阵列6’回归反射，由于该理由，在回归反射中不利用后向反射器阵列6’的底面。因此，对于作为成像点的集合的立体空中影像P，除了影像O的正上方以外，可以将半透半反镜5’的表面侧的空间的至少两个位置作为视点V2、V2’而同时观察。另外，在影像O中，不反射半透半反镜5’而直接透射的光不会通过光学膜52而到达视点，所以可以防止从半透半反镜5’的上面侧的视点直接观察影像O的现象。

可以实现这样的多视点化的实镜影像成像光学系统不限于上述方式，只要通过半透半反镜与后向反射元件包围被投影物，则可以适宜地变更它们的形状等。另外，在本实施方式中，实镜影像成像光学系统不限于上述实施方式，可以对半透半反镜、后向反射器阵列的具体的结构、形状进行各种变更。另外，与第一实施方式的情况同样地，还可以使显示器的显示表面朝向对称面方向，通过驱动单元4使该显示器在相对对称面垂直的方向上三维动作，在该情况下，即使显示面是1面，也可以实现多视点处的观察。但是，在该情况下，也与实施方式1的说明同样地，无法针对每个视点改变显示面的影像，所以仅可以显示透视立体像。

(第三实施方式)

接下来，参照图13、图14，对本发明的第三实施方式进行说明。本实施方式的三维空中影像显示器装置X3将无焦透镜阵列2C用作实镜影像成像光学系统，显示器3以及驱动单元4的结构与在第一实施方式中将显示器3与对称面平行地配置的变形例(参照图7)相同。该无焦透镜阵列2C如图14所示，构成为在一个元件平面S3上排列了多个无焦透镜7。具体而言，无焦透镜7由共用与元件平面S3垂直的光轴g并且隔开相互的焦距fs、fe的两个透镜71、72构成。在该例子中，作为透镜71、72都应用了凸透镜。由此，从元件平面S3的一侧入射到透镜71…的光从分别成对的另一侧的透镜72…射出，而聚光到与光源相对元件平面S3成为面对称的位置。即，成为光源的显示器3的显示面31中显示的影像O成像于相对元件平面S3的面对称位置。另外，当使用无焦透镜阵列2C使被投影物在相对元件平面S3的面对称位置成像为实像的情况下，视角被限制在相对元件平面S3接近垂直的方向上。

在这样的结构的三维空中影像显示器装置X3中，也与第一实施方式、第二实施方式的情况同样地，总是在对于作为被投影物的显示器3的显示面31中显示的影像O的对称面即元件平面S3的面对称位置，成像其实镜影像，所以通过驱动单元4使显示器3三维动作，与该动作对应地改变显示面31的影像O，从而可以在无焦透镜阵列7的上面侧的空间中成像并观察作为影像O的实镜影像的集合的立体空中影像P。

另外，本发明不限于上述实施方式。在上述各例子中，说明了如下方式：通过驱动单元使显示器振动运动(往复运动)，从而根据直径变化的圆形形状的影像作为其实镜影像而在空中成像球状的三维影像，但可以适宜地设定显示在显示器的显示面中的影像、与通过驱动单元驱动的显示器的三维运动的方式。例如，只要将显示器配置成显示面与实镜影像成像光学系统的对称面平行，并通过驱动单元在对称面的法线方向上驱动显示器，则即使使用仅在朝向对称面侧的单面中具备显示面的显示器，也可以对应于立体空中影像的多视点化。另外，对于各部的具体的结构，也不限于上述实施方式，可以在不脱离本发明的要旨的范围内进行各种变形。

产业上的可利用性

本发明可以用作通过使显示器进行体积扫描而使显示在该显示器中的影像显示为在空中浮动的三维影像的显示器装置。

Claims (8)

1.一种体积扫描型三维空中影像显示器装置，其特征在于包括：

实镜影像成像光学系统，能够将被投影物的实像成像在相对于成为对称面的某一个几何平面的面对称位置；

显示器，具备配置在上述对称面的下面侧且作为上述被投影物显示影像的显示面；以及

驱动单元，驱动上述显示器，以进行包括相对该显示面垂直方向的分量的运动，

与通过上述驱动单元进行的上述显示器的动作同步地改变显示在上述显示面中的影像，从而使该影像在上述对称面的上面侧的空间中成像为立体影像。

2.根据权利要求1所述的体积扫描型三维空中影像显示器装置，其特征在于：

上述实镜影像成像光学系统是将由与规定的元件平面垂直的相互正交的两个镜面构成的双面角形反射器在该元件平面上排列多个而得到的双面角形反射器阵列，将该元件平面作为上述对称面。

3.根据权利要求2所述的体积扫描型三维空中影像显示器装置，其特征在于：

在具有与上述元件平面垂直的旋转轴的旋转方向上朝向多个方向而形成多个上述双面角形反射器，使上述立体影像成像为能够从相对该元件平面与该立体影像相同一侧的空间中的多个方向观察。

4.根据权利要求1所述的体积扫描型三维空中影像显示器装置，其特征在于：

上述实镜影像成像光学系统具备：

后向反射器阵列，使光线回归反射；以及

半透半反镜，具有使光线反射及透射的半透半反镜面，

将该半透半反镜面作为上述对称面，将上述后向反射器阵列配置在相对该半透半反镜与上述被投影物相同一侧的空间中。

5.根据权利要求4所述的体积扫描型三维空中影像显示器装置，其特征在于：

将上述后向反射器配置成在至少上述半透半反镜的背面侧与该半透半反镜一起三维地包围上述显示器的显示面。

6.根据权利要求1所述的体积扫描型三维空中影像显示器装置，其特征在于：

上述实镜影像成像光学系统是将具有与规定的元件平面垂直的光轴的无焦透镜在该元件平面上排列多个的无焦透镜阵列，将该元件平面作为上述对称面。

7.根据权利要求1～6中的任一项所述的体积扫描型三维空中影像显示器装置，其特征在于：

将上述显示器设为在表面与背面这两面中具备上述显示面。

8.根据权利要求1～6中的任一项所述的体积扫描型三维空中影像显示器装置，其特征在于：

将上述显示器配置成其显示面朝向上述对称面，使上述驱动单元动作以使该显示器进行包括与对称面垂直方向的分量的动作。

Images