JP2006317708A - 空中浮遊映像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安価なフレネルレンズ又は凹面鏡を使用した光学系において、投影映像の干渉縞や色収差の発生を軽減し、投影映像の視野角の増大を図ると共にゴーストイメージを消却した完全な正立映像ができる空中浮遊映像投影装置を提供する。
【解決手段】 ケーシングを上部室Ｒ１と下部室Ｒ２に区分し、下部室Ｒ２にディスプレイ画像又は実物等の投影対象８、１８を配置し、上部室Ｒ１と下部室Ｒ２の境界に第１フレネルレンズ１０を設け、上部室Ｒ１内の中央部に斜め４５°にビームスプリッタ１１を設け、上部室Ｒ１の正面開口２とはビームスプリッタ１１に対して反対側の背面に表面反射鏡１３を、前記を表面開口２の内側に第２フレネルレンズ１２をその外側に円偏光フィルム１４及び反射防止フィルム１５をそれぞれ設ける。このようにすれば、浮遊立体映像の遠近感が増すと共にゴーストイメージのない正立映像が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スクリーンを用いることなくディスプレイ画像又は実物等の投影対象の映像を空間に投射して裸眼で空中に浮遊して見える立体映像を投影する投影装置に関する。

一般に空中浮遊映像投影装置は、スクリーン無しに空中に浮遊して見える映像を作り出し、その映像は観察者の視覚に立体感を与える。しかしながら従来装置ではディスプレイ画面等の平面画像の投影については著しく立体感に欠ける。充分に立体感を与えるためには得られる投影映像の周辺部に充分な動的視差を与えることが必要であり、このためには投影対象の面積に対して約３倍以上の面積をもつ口径のレンズや反射鏡を使用した投影光学系が必要となる。

例えば、図１９に示す米国特許第５５５２９３４号の空中浮遊映像投影装置ＭXは、投影光学系に視野角を拡大する単体の凹面鏡を用いたものであり、ケーシング１００内の片側に凹面反射鏡１０１を有し、その中央部に４５°の角度でビームスプリッタ１０２が設けられケーシング１００の下側から入射する画像光束１０３がビームスプリッタ１０２でスプリットされて凹面鏡で反射してビームスプリッタ１０２を通過して点Ｐ１に収束するようになっている。

また、図２０に示す米国特許第５９４４４０３号の空中浮遊映像投影装置ＭYは投影光学系にフレネルレンズと反射光とを組合わせて視野角を拡大したものであり、ケーシング１００の左右に凹面反射鏡１０１とフレネルレンズ１０４を対向せしめ、その中央に４５°の角度でビームスプリッタ１０２が配置されている。
米国特許第５５５２９３４号 米国特許第５９４４４０３号

これらの従来の空中浮遊映像投影装置においては、口径の増大に伴い製作コストが飛躍的に増大するレンズに変えて凹面反射鏡を用いているが、凹面反射鏡においては非球面化が必要なので、その加工にコストがかかるばかりでなく、装置外部からの外光の浸入を防止する手段を講じていないのでフレネルレンズの使用により投影映像に干渉縞やゴーストイメージが発生する。

本件発明は、フレネル光学系の特有な問題として生じる投影映像への干渉縞（モアレ縞）の発生が、同材質、同ピッチ幅（刻み幅）の複数個のフレネルレンズ又はフレネル凹面鏡を一定の条件を満たす間隔で設置し、入射光線の屈折と外光による乱反射を防止した投影光学系を使用することにより著しく軽減できると共に、投影映像の遠近感が増進されることと投影映像の視野角が拡大され、且つ投影に必要な物理的光学距離も大幅に短縮されることの発見に起因する。

更に、本発明は発明者の各種の実験を通じて、フレネル光学系を通過する画像光束を平行光に近接して保つこと、及び外光の影響を遮断することにより干渉縞の解消又はその大幅の改善ができることの発見及び間隔が常に双方の焦点距離の和の半分に保たれた２枚のレンズを使用することにより、レンズに特有の色収差の発生をも大幅に軽減できることの発見にも起因する。

そこで、本発明の第１の空中浮遊映像投影装置は、ケーシング内に設けたディスプレイ画像及び実物等の投影対象と、この投影対象から発せられた画像光束を収斂する少なくとも１枚のフレネルレンズと、このフレネルレンズを通過した画像光束がケーシング外に出る正面開口部均衡に配せられた円偏光フィルム及び反射防止フィルムとから構成した。

前記フレネルレンズは２枚からなり、前記２枚のフレネルレンズは、ケーシング内の上部室と下部室の境界に水平に配置した第１フレネルレンズと、ケーシングの正面開口部に垂直に配した第２フレネルレンズとからなり、前記第１、第２フレネルレンズの画像光束路上に傾斜して配置されたビームスプリッタと、前記ビームスプリッタに対して前記第２フレネルレンズと反対側の背面のケーシング内に垂直に設けられた反射鏡とを備えるようにしてもよい。この場合に、前記第１フレネルレンズの中心点と、この点を通る光線がビームスプリッタと交わる交点の距離及び前記交点を通って前記第２フレネルレンズに入射する点との距離は、それぞれ前記第１．第２フレネルレンズの焦点距離の和の半分であることが好ましい。

更にまた、前記ケーシングは上部室と下部室に区分され、前記下部室には、実物を支持する回転テーブル上に固定された実物が配置され、この実物は下部室に配置された高強度光源から発せられた光が照射され、実物からの反射光が画像光束として前記第１フレネルレンズに入射するようにしてもよい。

更にまた、前記上部室の天板には、実物の背景表示をするためのディスプレイが取り付けられ、このディスプレイ画面と前記第２フレネルレンズとの前記ビームスプリッタを介する光学距離が前記第２フレネルレンズの焦点距離に等しくして平行光がケーシング外にでるようにしてもよい。

更にまた、前記ケーシング内の背面側にディスプレイを設け、前記ケーシングの前面の前面開口内側に水平方向に所定間隔を配して２枚のフレネルレンズが設けられ、前記前面開口外側に円偏光フィルム及び反射防止フィルムが設けられているようにしてもよい。

更に、また、前記ケーシングは上部室と下部室に区分され、前記下部室に投影対象が配置され、前記上部室と下部室の境界にフレネルレンズが配設され、前記上部室内には、前記フレネルレンズの画像光束をケーシングの前面開口部に反射させて向けるための反射鏡が設けられ、前記前面開口部の内側には微小間隔を配した２枚のフレネルレンズからなる複合フレネルレンズが設けられ、前記前面開口部の外側には円偏光フィルム及び防止フィルムが設けられているようにしてもよい。

更にまた、前記ケーシングは上部室と下部室に区分され、前記下部室に投影対象が配置され、前記上部室には、斜めにビームスプリッタが設けられ、このビームスプリッタに対して前記ケーシングの前面開口の反対側の背面にフレネル反射鏡が、前記前面開口近傍には、フレネルレンズ、円偏光フィルム及び反射防止フィルムがそれぞれ設けられているようにしてもよい。

更にまた、前記ケーシングは上部室と下部室に区分され、前記下部室に投影対象が配置され、前記上部室と下部室との境界にフレネルレンズが取り付けられ、前記上部室内には斜めにビームスプリッタが配せられ、このビームスプリッタに対して前記ケーシングの前面開口の反対側の背面にフレネル反射鏡が、前記前面開口近傍には、円偏光フィルム及び反射防止フィルムが取り付けられているようにしてもよい。

更にまた、前記ケーシングは上部室と下部室に区分され、前記下部室に投影対象が設置され、前記上部室内に斜めにビームスプリッタが配置され、このビームスプリッタに対して前記ケーシングの正面開口の反対側の背面に表面反射鏡とこれと微小な間隔を有するフレネルレンズとの組合わせ体が配置され、前記正面開口には円偏光フィルムと反射防止フィルムが設けられているようにしてもよい。この場合、前記組合わせ体のフレネルレンズの前面に電圧を印加すると光の透過度が変化する調光ガラスを設置してもよい。

更にまた、前記ケーシングは上部室と下部室に区分され、前記上部室と下部室の境界にフレネルレンズを設けるとともに上部室内には斜めにビームスプリッタが設けられ、上部室の前面と背面に前面開口部と背面開口部にフレネルレンズと、円偏光フィルムと反射防止フィルムとの組合わせたものがそれぞれ設けられ、前記上部室の天板に表面反射鏡が取り付けられていてもよい。

本発明の第２の空中浮遊映像投影装置は、ケーシングと、このケーシングの上部室と下部室の境界に設けられ上部室の天板に取り付けられた投影機からの投影画像を写し出す半透明スクリーンと、前記ケーシングの下部室内に斜めに設けられたビームスプリッタと前記下部室の底部に配置された曲率を変化できる凹面伸縮境と、前記下部室の正面開口部に取り付けられた円偏光フィルムとから構成される。この場合、前記凹面伸縮境は、円筒形の容器と、この容器のフランジに対応する円形枠と、その周囲がフランジと円形枠とで挟持され容器の開口部に閉塞するアルミニウムの皮膜をコーティングしたポリエステルフィルムと前記容器に取り付けられ容器内の空気量を調整する空気弁とから構成されてもよい。

安価なフレンネルレンズ又は伸縮鏡を使用したコンパクトな投影光学系を用いて、投影映像の干渉縞や色収差の発生を軽減すると共に投影映像の視野角の増大を図り、且つ外光の装置内への進入による影響を全く受けないために、ゴーストイメージの発生がない完全な立体映像の投影ができる。

図１は、本発明に係る空中浮遊映像投影装置M１を示し、この空中浮遊映像投影装置M１は角筒状のケーシング１を有し、このケーシング１は上部室Ｒ１と下部室Ｒ２に区分され、下部室Ｒ２の底部には、ディスプレイ８が設置され、このディスプレイ８から視野角αで画像光束９が投射される。前記ケーシング１内の上部室Ｒ１と下部室Ｒ２との境界にはフレネルレンズ１０が水平に設置され、このフレネルレンズ１０の上方にはビームスプリッタ１１が４５°傾斜して設けられ、このビームスプリッタ１１の左側のケーシング１の側面上には、表面反射鏡１３が垂直に設けられている。前記ビームスプリッタ１１の右側のケーシング１の側壁には開口部２が設けられ、この開口部２の内側にはフレネルレンズ１２が設置され、前記開口部２の外側には円偏光フィルム１４が設けられ、更にその円偏光フィルム１４の右側には、これと並列に反射防止フィルム１５が設けられている。

前記フレネルレンズ１０の中心点Ｃと、この中心点Ｃを通る光線がビームスプリッタ１１と交わる交点ｂとの距離ｂｃ、及び前記交点ｂと前記フレネルレンズ１２の中心点aとの距離ａｂの和がそれぞれ両フレネルレンズ１０、１２の焦点距離の和の二分の一又は四分の一になるように各部材が位置決めされている。

水平に設置されたフレネルレンズ１０の面から、その焦点距離だけ離れて設置されたディスプレイ８から出た画像光束９は、フレネルレンズ１０により平行光線に変換され、一部の透過光を除きビームスプリッタ１１で反射し、方向を変えて光路に垂直に設置された反射鏡に向かう。平行光束は、表面反射鏡１３で反射し、再びビームスプリッタ１１を透過した画像光束９は装置の開口部に光路に垂直に設置されたフレネルレンズ１２に入射して収斂を受け、装置の開口部から円偏光フィルム１４及び反射防止フィルム１５を透過して装置外部の空間位置Ｐ３に視野角βで結像する。このように、２つのフレネルレンズ１０、１２を設ければ投影対象の遠近感が増進されて画像の飛出効果が誇張される。

フレネルレンズ１０の焦点距離がフレネルレンズ１２のそれよりも長ければ、投影対象の視野角αはより大きな視野角βをもつ投影像に変換される。

図２においては、円偏光フィルム１４と反射防止フィルム１５の機能を示すものであり、反射防止フィルム１５は開口部２を通して入射した外光の一部がフレネルレンズ１２で反射してレンズ１２のゴーストイメージ１６を発生することを阻止し、また円偏光フィルム１４は反射防止フィルム１５をも通過して装置内部に進入した外光を右、又は左周りの単一偏光として透過させ、進入した外光が装置の投影光学系であるフレネルレンズ１０の表面で反射し、反転して左、又は右回りの偏光として再び装置外部に出てフレネルレンズ１０のゴーストイメージ１７を発生するのを防ぐ機能を果たす。

図３、４は図１のディスプレイ８の代わりに、投影対象が実物１８である場合の空中浮遊映像投影装置Ｍ２を示し、この空中浮遊映像投影装置Ｍ２においては、ケーシング１が上部室Ｒ１、下部室Ｒ２に隔壁２４とこれに支持されたフレネルレンズ１０により区分され、上部室Ｒ１の構造は図１の上部構造と同一であり、下部室Ｒ２の底部には、電動回転テーブル３２が設けられ、この電動回転テーブル３２上には、実物１８が固定され、この実物１８はその斜め上方に設けられたハロゲンランプ等の高輝度光源２０から発せられた光が左右上下方向に可変調整機構を有するミラー２１によって反射されたスポット光２２によって照明される。また、下部室Ｒ２の表面側壁には開閉蓋３３が設けられこの開閉蓋３３を用いて各種作業が行なわれる。実物１８で反射した画像光束２３は上部室Ｒ１に向かい、隔壁２４の開口部を通過しフレネルレンズ１０によって収斂され、水平面に４５°の角度で設置されたビームスプリッタ１１によって反射し、方向を変えて上部室Ｒ１の後部に光路と垂直に設置されている反射鏡１３に向かう。

この反射鏡１３で反射した画像光束２３は、再びビームスプリッタ１１を通過して上部室Ｒ１の開口部２の直前に光路と垂直に設置されたフレネルレンズ１２によって更に収斂され、開口部を経て円偏光フィルム１４及び反射フィルム１５を通過した後に、装置外部の空間の一点Ｐ７に結像して実物１８の正立の実像１９を形成する。

図３、４の実施態様では、焦点距離６０ｃｍのフレネルレンズ１０及び１２を６０ｃｍの光学距離を保つように設置して、フレネルレンズ１２の前面から大略６０ｃｍ離れた装置外部の空間点Ｐ７に実物１８とほぼ等倍の、視野角６５°に亘る正立の完全な立体映像１９が得られる（この場合のフレネルレンズ１０と実物１８との間隔は大略６０ｃｍ前後である。）。

なお、フレネルレンズ１０と実物１８の間隔を遠ざけると、フレネルレンズ１２面からの実像１９の位置Ｐ７はフレネルレンズ１２面に近づき、実像１９は縮小するが視野角は増大する。

図５は、実物１８の背景表示ができる空中浮遊映像投影装置Ｍ３を示し、この立体画像装置の上部室Ｒ１の天板部には背景表示用のディスプレイ３４が取付けられている。前記ディスプレイ３４はディスプレイ画面とフレネルレンズ１２面との光学距離ab,及びbc（aはディスプレイ画面の光軸上の位置点、ｂは点ａからの光線がビームスプリッタ１１に入射する点、点ｃは点ｂを通った光線がフレネルレンズ１２に入射する点である。）の和がフレネルレンズ１２の焦点距離に等しくなるようにして水平に設置され、ディスプレイ画面から出た画像光束３５は背景光として常にフレネルレンズ１２による収斂を受けない平行光として装置外部に出て行く。

図６、図７、図８、図９は、図３の上部室Ｒ１に用いた投影光学系の変形例を示したものである。

図６は、フレネルレンズ１０で収斂された画像光束２３が４５°の角度で傾斜している表面反射鏡３６で反射されて方向を変えて、微小な間隔を保って前記前記正面開口部２の内側に設置されたフレネルレンズ３７及び３８の複合フレネルレンズによって収斂されて、装置外部の点Ｐ７に結像する投影光学系を示したものである。

図７は、図３のフレネルレンズ１０を使用しない代わりに表面反射鏡１３をフレネル凹面鏡３９に置き換えたものであり、ビームスプリッタ１１で反射した画像光束２３はフレネル凹面鏡３９で反射して収斂され、ビームスプリッタ１１を通過した後に再びフレネルレンズ１２で収斂されて装置外部の点Ｐ７に結像する投影光学系を示したものである。

図８は、図７の変形で、フレネルレンズ１２を使用しない代わりにフレネルレンズ１０を用いた投影光学系を示したものである。

図９は、単体のフレネルレンズと表面反射鏡を対にして凹面鏡と同等の機能を持たせた投影光学系を示したものであり、ビームスプリッタ１１で反射した画像光束２３は表面反射鏡２７の前面に微小の適当な間隔で設置されたフレネルレンズ４０（鏡とレンズの組合せ体）を通過して収斂を受け、表面反射鏡２７で反射された後に再びフレネルレンズ４０を通過して収斂され、ビームスプリッタ１１を通過した後に装置外部の点Ｐ７に結像する。

図９のフレネルレンズ４０の干渉縞の発生はフレネルレンズ４０と表面反射鏡２７の間隔を適当に調整することで軽減できる。

図１０はフレネルレンズ４０の前面に電圧を印加すると光の透過度が変化する調光ガラス４１を付加して、空中浮遊映像の有無の切り替えが出来る投影光学系を持つ装置例を示したものである。すなわち、装置の下部室Ｒ２の底部の固定用湾曲壁４４の中央部分に設置されたディスプレイ４３から出た画像光束２３はビームスプリッタ１１で反射されてフレネルレンズ４０の前面に設置された調光ガラス４１に向かう。

図１１は、調光ガラス４１面に電圧を印加して光が透過できる状態を示したものであり、画像光束２３は調光ガラス面４１を通過してフレネルレンズ４０及び表面反射鏡２７によって反復して収斂を受けた後に、再び調光ガラス面４１を通過して図９と同様に装置の外部の点Ｐ７に結像する。

図１２は調光ガラス面に電圧が印加されない不透明な状態を示したものであり、画像光束２３は調光ガラス面４１で反射されて平行光４２として、ビームスプリッタ２６を通過して装置の外部に出て行く。このように調光ガラス面４１への電圧の印加を制御することでディスプレイの画像を２Ｄから３Ｄ表示へと自由に切り替えられるから、現行の視差方式による３Ｄ表示への長時間の観察に起因する眼精疲労が理由で普及が遅れている、ゲームや視聴覚機器等の分野での３Ｄ表示に特に有効である。

図１３は図３の上部室Ｒ１の正面開口部２と対象の背面位置に新たな背面開口部６９を設けて同時に対象の２個の投影を可能にした装置の例である。すなわち、画像光束２３はフレネルレンズ１０によって収斂された後に、図３のビームスプリッタ１１とは反対方向に４５°傾斜して設けられたビームスプリッタ４６を介して反射光束４９と透過光束
５０に分離される。

反射光束４９はフレネルレンズ１２によって再度、収斂を加えられた後に開口部２を通して装置外部の空間点Ｐ８に結像する。

一方の透過光束５０は上部容器Ｒ１の天板に設置された表面反射鏡４７での反射によって進路を変え、再度ビームスプリッタ４６で反射された後にフレネルレンズ４８によって再び収斂を加えられ、次いで、開口部６９を通過して装置外部の空間点Ｐ９に結像する。装置の正面開口部２及び背面開口部６９の外部には反射防止フィルム１５及び円偏光フィルム１４がそれぞれ設けられ、これらは、各開口部からの外部光線の入射を防止し、又は入射した外部光がフレネルレンズ１０、フレネルレンズ４８及びフレネルレンズ１２の表面で反射して起こすゴーストイメージの発生を防止して投影像の視認性を高める機能を果たす。

次に、凹面反射鏡を利用した他の実施例について説明する。凹面反射鏡が従来の投影光学系での画像光束の収斂手段として利用される大きな理由に、レンズ系では不可避である色収差の発生がないことがある。凹面反射鏡を用いた投影光学系を使用する従来の装置では、その光学特性から必然的にビームスプリッタの使用が要求されるが、一方ではこの使用が装置内での光学系の占める容積比率を高める要因となって装置自体のコンパクト化を阻害する。

しかしながら、ビームスプリッタを使用する従来装置の最大の弱点は、画像光束のビームスプリッタでの反射及びビームスプリッタを通過することによる画像光束の強度の減衰である。このため、ビームスプリッタを使用する従来装置の投影像の輝度は、元の画像光束の持つ輝度の約２５％程度にまで減衰した先鋭度に欠けたものになる。

本発明の投影光学系では必ずしも上記の原因となるビームスプリッタの使用を必要としないので、元の画像光束の輝度に近い極めて先鋭な投影象が得られる特徴がある。

この一例を図１４に示す。図１４において、ビームスプリッタを必要としない空中浮遊映像投影装置M４、ケーシング７１の正面に開口部７０を有し、背面にディスプレイが設けられ、ケーシング７１の正面開口部７０を挟んで内部には適当な距離を保って２枚のフレネルレンズ５２及びフレネルレンズ５３が、また外部には円偏光フィルム３０と反射防止フィルム３１が設置されている。また、ディスプレイ５１とフレネルレンズ５３の間隔は、ほぼフレネル５３の焦点距離に等しくなるようにして設置されている。

前記ディスプレイ５１から出た画像光束２３はフレネルレンズ５３とフレネルレンズ５２で収斂を重ねた後に正面開口部７０を通して投影され、容器外部の空間点Ｐ１０に結像する。

また、図１４の装置ではフレネルレンズ５３に口径比(Ｆ／Ｎ)の小さいもの又はマイクロアレイレンズを使用すれば、装置の奥行きを大幅に短縮することができる。

図１４の装置では４０ｃｍ×３０ｃｍの画面サイズでフレネルレンズ５３に焦点距離２５ｃｍ、フレネルレンズ５２に焦点距離３０ｃｍを使用して正面開口部７０から大略３５ｃｍ離れた空間に正立の実像が形成される。

なお、ディスプレイ５１の画面にマイクロアレイレンズのフィルムを装着して簡単に画像光束を空間に結像させる投影方式がある。

しかし、この投影方式では装置から充分な空間距離を持つ映像を結像させることが困難であると共に、本発明の投影光学系の特質である投影映像全般が球面状に分布して結像する性質を用いて観察者の両眼に映像の立体化に必要な充分な動的視差を与えることが出来ないので、得られる映像は図１４の装置の投影像とは異なり、平坦で著しく立体感の欠けたものになる。

なお、本発明の背景は投影光学系に市販の安価なフレネルレンズを使用して装置全般のコストを軽減することにあるが、投影映像の大型化への要求に従って投影光学系も大型化せざるを得なく、フレネル光学部品を利用した大型投影装置にも限界が生じる。

図１５乃至図１８に、この限界を簡単に打破することができる伸縮鏡を利用した投影装置の例を示す。

図１５〜図１７に示す伸縮鏡Ｔにおいて、鍔の付いた円筒形の容器５５のフランジと円形の枠５６の間に容器の開口部を閉塞し、アルミニウムの皮膜をコーティングした適当な厚みのポリエステルフィルム５４が挟持され、これらがボルト５８とナット５９で固定される。前記容器５５には、空気弁５７が設けられ、空気弁５７から適量の空気６０を抜くとフィルム５４の面が凹面状になる。容器５５の空気６０の排出量を調整することによって、任意の曲率半径を持つ凹面鏡としての伸縮鏡が簡単に得られる。

また、伸縮鏡の曲率を一定に保つ必要があれば、フィルム５４の裏面に適当な樹脂（例えばアクリル系樹脂）を塗布することで固定することもできる。このような伸縮鏡は容器５５や枠５６のサイズを変えるだけで、いかなる口径サイズのものでも極めて簡単に、且つ経済的に作成することができる。

図１８に伸縮鏡を用いた、施設や展示会又は各種のシュミレータ用の超大型の空中浮遊映像投影装置Ｍ５の一例を示す。

装置Ｍ５は上部室Ｒ１と下部室Ｒ２に開口部を設けた隔壁７３によって分けられている。上部室Ｒ１の天板には投影機６１が設置されており、隔壁７３の開口部の前面に設置された半透明スクリーン６２上に投影対象６４の映像を投影する。下部室Ｒ２には円偏光フィルム６７を装着した正面開口部７２が設けてあり、また正面開口部７２の下部室R2内には水平面に対して大略４５°の傾斜を保つようにしてビームスプリッタ６５が設置されている。

また、下部室Ｒ２の底部には凹面伸縮鏡Ｔがフィルム面５４を上向きにして、且つスクリーン６２との距離をほぼ伸縮鏡のフィルム面５４の曲率半径に等しくなるようにして設置されている。

上部室Ｒ１の天板に設置された投影機６１により半透明スクリーン６２上に投影された
対象６４の画像光束６３は下部室Ｒ２に向かい、ビームスプリッタ６５を通過して伸縮鏡のフィルム面で反射して収斂され、再びビームスプリッタ６５で反射した後に正面開口部７２を経て、円偏光フィルム６７を通過して装置外部の空間の一点Ｐ１１に投影対象の正立実像６６を結像する。点Ｐ１１の位置は伸縮鏡野フィルム面５４の曲率を変えることで簡単に調整できる。

特に、口径が1ｍを越える大型の投影光学系に凹面伸縮鏡Ｔを用いれば、従来のガラスやプラステック、又は金属製の光学部品を使用した同規模の投影光学系に比べて、そのコストを格段に軽減することができる。

また、伸縮鏡は図７、図８の投影光学系でのフレネル凹面鏡にも使用できることは無論だが、反射光学系の代表例である反射望遠鏡の主鏡にも共通して使用することができる。

装置の高価格が問題で普及が遅れている国内の立体表示市場に、フレネルレンズ、又は伸縮鏡を使用した廉価な装置を提供して国内の立体表示市場の普及に貢献できると共に本発明での空中浮遊映像は広告、宣伝、及び娯楽分野に新しい表示手段を提供することができる。

フレネルレンズを使用した投影光学系の原理図である。 円偏光フィルムと反射防止フィルムの機能の説明図である。 投影対象の実物投影装置の構成図である。 図３の装置の斜視図である。 背景表示用にディスプレイを用いた実物投影装置の構成図である。 ３枚のフレネルレンズを用いた投影光学系の構成図である。 フレネル凹面鏡とフレネルレンズを用いた投影光学系の構成図である。 図７の投影光学系の変形例である。 単体のフレネルレンズを使用した投影光学系の構成図である。 調光ガラスを用いた投影装置の構成図である。 調光ガラスが透明時の画像光束の進路を示す説明図である。 調光ガラスが不透明時の画像光束の進路を示す説明図である。 複数投影が可能な投影光学系を示す説明図である。 ビームスプリッタを使用しない投影装置の説明図である。 伸縮鏡の組立図である。 伸縮鏡の断面図である。 伸縮鏡の斜視図である。 伸縮鏡を用いた大型装置の構成図である。 従来の投影光学系の構成図である。 従来の投影光学系の構成図である。

符号の説明

１…ケーシング
２…（ケーシングの）開口部
８…ディスプレイ
９…画像光束
１０…フレネルレンズ
１１…ビームスプリッタ
１２…フレネルレンズ
１３…表面反射鏡
１４…円偏光フィルム
１５…反射防止フィルム
１６…フレネルレンズ（１０）のゴーストイメージ
１７…フレネルレンズ（１２）のゴーストイメージ
１８…投影対象（実物）
１９…投影映像（正立の実像）
２０…高輝度光源
２１…可変反射鏡
２２…スポット光
２３…画像光束
２４…隔壁
２７…表面反射鏡
３０…円偏光フィルム
３１…反射防止フィルム
３２…電動回転テーブル
３３…作業用開閉蓋
３４…背景表示用ディスプレイ
３５…ディスプレイ（３４）の平行画像光束
３６…ビームスプリッタ
３７…フレネルレンズ
３８…フレネルレンズ
３９…フレネル反射鏡
４０…フレネルレンズ
４１…調光ガラス
４３…画像表示用ディスプレイ
４６…ビームスプリッタ
４７…表面反射鏡
４８…フレネルレンズ
５１…画像表示用ディスプレイ
５２…フレネルレンズ
５３…フレネルレンズ
５４…伸縮鏡（T）のフィルム面
５５…伸縮鏡（T）の円筒容器部
５６…伸縮鏡（T）の円形フランジ部
５７…伸縮鏡（T）の空気排出弁
５８…伸縮鏡（T）の固定用ボルト
５９…伸縮鏡（T）の固定用ナット
６１…投影機
６２…半透明スクリーン
６３…画像光束
６４…投影対象
６５…ビームスプリッタ
６６…正立実像（投影映像）
６７…円偏光フィルム
６９…（ケーシングの）背面開口部
７２…装置（M５）の開口部
７３…装置（M５）の隔壁
P１、P３、P７、P８、P１０、P１１…投影映像の結像点を示す

Claims (14)

1. ケーシング内に設けたディスプレイ画像及び実物等の投影対象と、この投影対象から発せられた画像光束を収斂する少なくとも１枚のフレネルレンズと、このフレネルレンズを通過した画像光束がケーシング外に出る正面開口部の近傍に配せられた円偏光フィルム及び反射防止フィルムとからなることを特徴とする空中浮遊映像投影装置。
2. 前記フレネルレンズは２枚からなり、前記２枚のフレネルレンズは、ケーシング内の上部室と下部室の境界に水平に配置した第１フレネルレンズと、ケーシングの正面開口部に垂直に配した第２フレネルレンズとからなり、前記第１、第２フレネルレンズの画像光束路上に傾斜して配置されたビームスプリッタと、前記ビームスプリッタに対して前記第２フレネルレンズと反対側の背面のケーシング内に垂直に設けられた表面反射鏡とを備えたことを特徴とする請求項１記載の空中浮遊映像投影装置。
3. 前記第１フレネルレンズの中心点と、この点を通る光線がビームスプリッタと交わる交点の距離及び前記交点を通って前記第２フレネルレンズに入射する点との距離は、それぞれ前記第１．第２フレネルレンズの焦点距離の和の二分の一又は四分の一であることを特徴とする請求項２記載の空中浮遊映像投影装置。
4. 前記ケーシングは上部室と下部室に区分され、前記下部室には、実物を支持する回転テーブルが配置され、この実物には下部室に配置された高強度光源から発せられた光が照射され、実物からの反射光が画像光束として前記第１フレネルレンズに入射することを特徴とする請求項２又は３のいずれかに記載の空中浮遊映像投影装置。
5. 前記上部室の天板には、実物の背景表示をするためのディスプレイが取り付けられ、このディスプレイ画面と前記第２フレネルレンズとの前記ビームスプリッタを介する光学距離を前記第２フレネルレンズの焦点距離に等しくして平行光がケーシング外にでることを
   特徴とする請求項４記載の空中浮遊映像投影装置。
6. 前記ケーシング内の背面側にディスプレイを設け、前記ケーシングの前面の前面開口内側に水平方向に所定間隔を配して２枚のフレネルレンズが設けられ、前記前面開口外側に円偏光フィルム及び反射防止フィルムが設けられていることを特徴とする請求項１記載の空中浮遊映像投影装置。
7. 前記ケーシングは上部室と下部室に区分され、前記下部室に投影対象が配置され、前記上部室と下部室の境界にフレネルレンズが配設され、前記上部室内には、前記フレネルレンズの画像光束をケーシングの前面開口部に反射させて向けるための反射鏡が設けられ、前記前面開口部の内側には微小間隔を配した２枚のフレネルレンズからなる複合フレネルレンズが設けられ、前記前面開口部の外側には円偏光フィルム及び反射防止フィルムが設けられていることを特徴とする請求項１記載の空中浮遊映像投影装置。
8. 前記ケーシングは上部室と下部室に区分され、前記下部室に投影対象が配置され、前記上部室には、斜めにビームスプリッタが設けられ、このビームスプリッタに対して前記ケーシングの前面開口の反対側の背面にフレネル反射鏡が、前記前面開口近傍には、フレネルレンズ、円偏光フィルム及び反射防止フィルムがそれぞれ並設されていることを特徴とする請求項１記載の空中浮遊映像投影装置。
9. 前記ケーシングは上部室と下部室に区分され、前記下部室に投影対象が配置され、前記上部室と下部室との境界にフレネルレンズが取り付けられ、前記上部室内には斜めにビームスプリッタが配せられ、このビームスプリッタに対して前記ケーシングの前面開口の反対側の背面にフレネル反射鏡が、前記前面開口近傍には、円偏光フィルム及び反射防止フィルムが取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の空中浮遊映像投影装置。
10. 前記ケーシングは上部室と下部室に区分され、前記下部室に投影対象が設置され、前記上部室内に斜めにビームスプリッタが配置され、このビームスプリッタに対して前記ケーシングの正面開口の反対側の背面に表面反射鏡とこれと微小な間隔を有するフレネルレンズとの組合わせ体が配置され、前記正面開口には円偏光フィルムと反射防止フィルムが設けられていることを特徴とする請求項１記載の空中浮遊映像投影装置。
11. 前記組合わせ体のフレネルレンズの前面に電圧を印加すると光の透過度が変化する調光ガラスを設置したことを特徴とする請求項１０記載の空中浮遊映像投影装置。
12. 前記ケーシングは上部室と下部室に区分され、前記上部室と下部室の境界にフレネルレンズを設けるとともに上部室内には斜めにビームスプリッタが設けられ上部室の前面と背面に形成された前面開口部と背面開口部には、フレネルレンズと円偏光フィルムと反射防止フィルムとの組合わせたものがそれぞれ設けられ、前記上部室の天板に表面反射鏡が取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の空中浮遊映像投影装置。
13. ケーシングと、このケーシングの上部室と下部室の境界に設けられ上部室の天板に取り付けられた投影機からの投影画像を写し出す半透明スクリーンと、前記ケーシングの下部室内に斜めに設けられたビームスプリッタと、前記下部室の底部に配置された曲率を変化できる凹面伸縮境と、前記下部室の正面開口部に取り付けられた円偏光フィルムとからなることを特徴とする空中浮遊映像投影装置。
14. 前記凹面伸縮境は、円筒形の容器と、この容器のフランジに対応する円形枠と、その周囲がフランジと円形枠とで挟持され容器の開口部に閉塞するアルミニウムの皮膜をコーティングしたポリエスティルフィルムと、前記容器に取り付けられ容器内の空気量を調整する空気弁とからなることを特徴とする請求項１３記載の空中浮遊映像投影装置。