JP2011081309A

JP2011081309A - 空間映像表示装置

Info

Publication number: JP2011081309A
Application number: JP2009235362A
Authority: JP
Inventors: Hirokazu Hashikawa; 広和橋川
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-04-21
Anticipated expiration: 2029-10-09
Also published as: JP5352410B2

Abstract

【課題】物体の３次元形状を維持したまま空間に結像することを可能にした空間映像表示装置を提供する。
【解決手段】物体からの入射光を第１の反射型面対称結像素子の第１及び第２光反射面により２回反射して第１の反射型面対称結像素子について物体と面対称となるように物体の第１の実像を結像させ、第１の実像からの入射光を第２の反射型面対称結像素子の第１及び第２光反射面により２回反射して第２の反射型面対称結像素子について第１の実像と面対称となるように物体の第２の実像を結像させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、空間中に映像を表示する空間映像表示装置に関する。

特許文献１には反射型面対称結像素子を用いてその素子の一方側に置かれた被投影物である物体の像を素子の反対側の面対称となる位置に結像させるシステムが示されている。このシステムで用いられている反射型面対称結像素子は、所定の基盤を厚み方向に貫通させた複数の穴を備え、各穴の内壁に直交する２つの鏡面要素から構成される単位光学素子を形成したものであって、その穴を通じて基盤の一方の面方向から他方の面方向へ光が透過する際に、２つの鏡面要素でそれぞれ１回ずつ反射させるものである。被投影物から発せられた光は反射型面対称結像素子の単位光学素子を通過する際に２つの鏡面要素の一方で反射した後、鏡面で反射して反射光となり、その反射光が更に単位光学素子の２つの鏡面要素の他方で反射して、被投影物を仮想鏡に映した位置に結像することになる。

図１に示すように、反射型面対称結像素子１は平板状であり、物体２は反射型面対称結像素子１の一方の面側に配置され、反射型面対称結像素子１には物体２からの光が斜めに入射するようにされている。反射型面対称結像素子１の他方の面側に観察者の目Ｅが位置し、反射型面対称結像素子１について物体２と面対称となる空間位置に実像３、すなわち空間映像が形成される。

特開２００８−１５８１１４号公報

しかしながら、上記の従来技術において、図１に示すように、物体２に立体構造物が用いられる場合には、得られる空間映像はその凹凸が物体２の立体構造物とは反転してしまうという問題点があった。

本発明が解決しようとする課題には、上記の問題点が一例として挙げられ、物体の３次元形状を維持したまま空間に結像することを可能にした空間映像表示装置を提供することが本発明の目的である。

請求項１に係る発明の空間映像表示装置は、直交する第１及び第２光反射面を有する微小ミラーユニットがマトリクス状に配列された平板状の構造体からなり、入射光を前記第１及び第２光反射面により２回反射する第１及び第２の反射型面対称結像素子を備えた空間映像表示装置であって、前記第１の反射型面対称結像素子は物体からの入射光を前記第１及び第２光反射面により２回反射して前記第１の反射型面対称結像素子について前記物体と面対称となるように前記物体の第１の実像を結像させ、前記第２の反射型面対称結像素子は前記第１の実像からの入射光を前記第１及び第２光反射面により２回反射して前記第２の反射型面対称結像素子について前記第１の実像と面対称となるように前記物体の第２の実像を結像させることを特徴としている。

請求項１に係る発明の空間映像表示装置によれば、物体からの入射光を第１の反射型面対称結像素子の第１及び第２光反射面により２回反射して第１の反射型面対称結像素子について物体と面対称となるように第１の実像を結像させ、第１の実像からの入射光を第２の反射型面対称結像素子の第１及び第２光反射面により２回反射して第２の反射型面対称結像素子について第１の実像と面対称となるように第２の実像を結像させることが行われる。これにより、第２の実像は、第１の実像の凹凸を反転した像となるので、物体と同じ凹凸を持った空中映像として表示されることになる。

また、従来は実際に見せたい立体像に対して、凹凸の反転した物体を製作する必要があったが、本発明を利用することで、凹凸の情報が復元表示されるので、物体製作のイメージングが極めて容易に行えるようになるばかりか、実際に空間映像に変換したい物体そのものを設置することも可能にする。

従来の空間映像表示装置の光学系を示す図である。本発明の空間映像表示装置の光学系を示す図である。図２の装置中の反射型面対称結像素子を示す図である。図３の反射型面対称結像素子を構成する直方体材を示す図である。図３の反射型面対称結像素子を形成する２つのシート部の組み合わせを示す図である。図３の反射型面対称結像素子における表示光の２回反射を示す図である。本発明の他の実施例として空間映像表示装置の光学系を示す図である。本発明の他の実施例として空間映像表示装置の光学系を示す図である。本発明の他の実施例として空間映像表示装置の光学系を示す図である。ハーフミラーを備える場合の観察者の同一視線上の実像及び背景を示す図である。本発明の空間映像表示装置の外観例を示す図である。図１１の装置の内部構成を示す図である。

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。

図２は本発明の空間映像表示装置の光学系を示している。この空間映像表示装置は、２つの反射型面対称結像素子１１，１２を備えている。反射型面対称結像素子１１，１２は平板状であり、その平板面が互いにほぼ垂直となるように配置されている。反射型面対称結像素子１１の一方の面側に立体構造物の物体１３が配置される。物体１３からの光は反射型面対称結像素子１１の一方の面から入射し、反射型面対称結像素子１１内の２つの光反射面の一方で反射し、更に他方の反射面で反射して反射型面対称結像素子１１の他方の面から出力される。反射型面対称結像素子１１の他方の面側、すなわち物体１３と面対称となる空間位置に物体１３の実像１３Ａが結像される。

実像１３Ａは反射型面対称結像素子１２の一方の面側に位置している。反射型面対称結像素子１２の他方の面側に観察者の目Ｅが位置される。実像１３Ａからの光は反射型面対称結像素子１２の一方の面から入射し、反射型面対称結像素子１２内の２つの光反射面の一方で反射し、更に他方の反射面で反射して反射型面対称結像素子１２の他方の面から出力される。反射型面対称結像素子１２の他方の面側、すなわち実像１３Ａと面対称となる空間位置に実像１３Ｂが結像される。

図２に矢印で示したよう、物体１３から反射型面対称結像素子１１に至る光直線と、反射型面対称結像素子１１から実像１３Ａに至る光直線とが反射型面対称結像素子１１のほぼ中央で交わり、その２つの光直線がなす角度を２等分する角度位置に反射型面対称結像素子１１は配置されている。

同様に、実像１３Ａから反射型面対称結像素子１２に至る光直線と、反射型面対称結像素子１２から実像１３Ｂに至る光直線とが反射型面対称結像素子１２のほぼ中央で交わり、その２つの光直線がなす角度を２等分する角度位置に反射型面対称結像素子１２は配置されている。

反射型面対称結像素子１１の２回の反射によって形成される実像１３Ａは物体１３の凹凸が逆になる。反射型面対称結像素子１２の２回の反射によって形成される実像１３Ｂは実像１３Ａの凹凸が逆になる。従って、観察者は物体１３と同じ凹凸で実像１３Ｂを観察することができる。

反射型面対称結像素子１１，１２は図３に示すように形成されている。図３の反射型面対称結像素子は符号１９で示されている。反射型面対称結像素子１９は各々が同数の棒状の直方体材２０を並列に密着させることにより形成された２つのシート部（第１集合体及び第２集合体）２１，２２を有する。図２における反射型面対称結像素子１１，１２各々の両端部Ａ，Ｂは図３の反射型面対称結像素子１９の対向角Ａ，Ｂに対応している。

直方体材２０は、長手部材であり、長手方向に垂直な方向、すなわち短手方向の四角形の断面の一辺が数百μｍないし数ｃｍ前後の透明なアクリルに代表されるプラスチック又はガラスの棒からなる。長さは投影する画像の大きさによって変化するが、数十mm 〜数ｍ程度である。また、長手方向に伸長した４面のうちの３面は光の透過又は反射に使用する面であるから、滑らかな状態にされている。直方体材２０はシート部２１，２２各々で１００本〜２００００本程度用いられる。

図４に示すように、直方体材２０の長手方向に伸長した１面には光反射膜２３が形成される。光反射膜２３はアルミや銀の蒸着或いはスパッタなどによって形成される。

このような複数の直方体材２０について、１つの直方体材２０の光吸収膜面２３を形成した面とは反対側の面２４と別の直方体材２０の光反射膜面を密着させてシート部２１，２２が形成される。シート部２１，２２は、図５に示すように、直方体材２０の並列方向が交差するようにいずれか一方を９０度回転させた状態で貼り合わせられ、それによって反射型面対称結像素子１９が形成される。シート部２１の各直方体材２０とシート部２２の各直方体材２０とが交差する部分が微小ミラーユニット（単位光学素子）を構成し、各微小ミラーユニットのシート部２１の光反射膜面が第１集合体の第１光反射面であり、シート部２２の光反射膜面が第２集合体の第２光反射面である。

なお、光反射膜面を形成した面とは反対側の面２４には、錫、銀、クロム、アルミ等の金属膜を形成し、各直方体材２０同士を半田付け、ロウ付け等の接合技術を用いて平面接合するための下地層を形成しても良い。

或いは、光反射膜面を形成した面とは反対側の面２４には、反射型面対称結像素子として不用な素子内の迷光を低減することを目的とした光を吸収する膜を形成しても良い。この場合、シート部２１，２２を形成する際に、１つの直方体材２０の光反射膜面を形成した面とは反対側の面２４と別の直方体材２０の光反射膜面２３を密着させるので、光反射膜面を形成した面とは反対側の面２４に形成する膜は光反射膜２３の上に積層して形成しておいても良い。

かかる構成の反射型面対称結像素子１９においては、図６に示すように、入射光は矢印Ｙ１の方向でシート部２２の光反射膜面２３に反射し、その反射光は矢印Ｙ２の方向でシート部２１の光反射膜面２３に反射し、その反射光は矢印Ｙ３の方向で観察者に向けて進み、このように２回反射させて鏡映像を作り出すことが行われる。

反射型面対称結像素子１９の法線に対する観察方向の角度をθ、シート部２１，２２各々に形成された平行ミラー（光反射膜面）の間隔（＝直方体材２０の短手方向の幅）をＷ、シート部２１，２２各々を構成する直方体材２０の光学屈折率をｎとすると、１シート部当たりの厚み（すなわち直方体材２０の長手方向の長さ）をＤとすると、厚みＤは、

の如く表すことができる。Ｘは反射型面対称結像素子１９の中での法線に対する光線軸の傾き角である。

図７は本発明の他の実施例として空間映像表示装置の光学系を示している。この空間映像表示装置においては、２つの平板状の反射型面対称結像素子１１，１２がほぼ平行に配置されている。このように反射型面対称結像素子１１，１２を平行に配置した場合においても図２の実施例の場合と同様に、反射型面対称結像素子１１は物体１３と面対称となる空間位置に実像１３Ａを結像させ、反射型面対称結像素子１２は実像１３Ａと面対称となる空間位置に実像１３Ｂを結像させる。よって、観察者は物体１３と同じ凹凸で実像１３Ｂを観察することができる。

物体１３から反射型面対称結像素子１１に至る光直線と、反射型面対称結像素子１１から実像１３Ａに至る光直線とが反射型面対称結像素子１１のほぼ中央で交わり、その２つの光直線がなす角度を２等分する角度位置に反射型面対称結像素子１１は配置されている。

図８は更に本発明の他の実施例として空間映像表示装置の光学系を示している。この空間映像表示装置においては、反射型面対称結像素子１１，１２に加えてハーフミラー１５が備えられている。反射型面対称結像素子１１，１２は図２に示したようにその平板面が互いにほぼ垂直となるように配置されている。ハーフミラー１５は反射型面対称結像素子１２からの出力光の一部を通過させ、その残りを反射する。その反射光と透過光とは光強度はハーフミラーの反射率によって設定するが、一般的には３：７や１：１の関係である。ハーフミラー１５の透過光により実像１３Ｂが形成されると共に反射光により実像の反射像として実像１３Ｃが形成される。実像１３Ｂと実像１３Ｃとはハーフミラー１５について互いに対称となる位置に形成される。観察者は図８に示す目Ｅの位置から実像１３Ｃを物体１３と同じ凹凸で観察すると同時にハーフミラー１５を介してその先の風景(背景)を観察することができる。

また、図７に示したように反射型面対称結像素子１１，１２がほぼ平行に配置された装置においても図９に示すようにハーフミラー１５を同様に備えることができる。この場合においてもハーフミラー１５の反射光により実像１３Ｃが形成されハーフミラー１５を介しての背景と同一視線上に観察することができる。

図８及び図９のようにハーフミラー１５を備える場合には例えば、図１０に示すように観察者の目Ｅからは実像１３Ｃと、ハーフミラー１５を介した背景１６とを同一視線上に視認することができる。

図１１は本発明による空間映像表示装置の外観例を示し、図１２はその装置の前後方向における内部断面を示している。この空間映像表示装置は反射型面対称結像素子１１，１２が平行に配置された装置であり、図１１及び図１２に示すように、ハウジング３１は観察者側の光学系収納部３１ａと、光学系収納部３１ａの後部に連結した物体収納部３１ｂとからなる。光学系収納部３１ａは上面に傾斜部３２を有する箱形をしている。傾斜部３２は底面に対してほぼ４５度の角度にされている。傾斜部３２の中央に反射型面対称結像素子１２が露出して取り付けられている。光学系収納部３１ａ内に反射型面対称結像素子１１がほぼ４５度の斜めにして取り付けられており、反射型面対称結像素子１１と反射型面対称結像素子１２とが互いに平行にされている。物体収納部３１ｂは光学系収納部３１ａの下部に連通した空間を有し、そこには立体構造物の物体１３が置き台３４上に載置されている。また、物体収納部３１ｂ内には照明装置３５が備えられている。照明装置３５は例えば、ＬＥＤからなり、置き台３４上の物体１３を照らすために備えられている。

このような構成により、物体１３についての実像１３Ａ，１３Ｂが生じるので、観察者は反射型面対称結像素子１２の前方の図１２に示す観察方向から実像１３Ｂを物体１３と同じ凹凸で観察することになる。なお、光学系収納部３１ａの少なくとも傾斜部３２の表面は黒色を含む暗色にされており、観察者に実像が視認し易くされている。

なお、上記した各実施例において、反射型面対称結像素子１１，１２としては図３に示したシート部２１，２２からなる反射型面対称結像素子１９に限らず、特許文献１に示された構成のものを用いても良い。

１１，１２，１９反射型面対称結像素子
１３物体
１３Ａ〜１３Ｃ実像
１５ハーフミラー
２１，２２シート部
３１ハウジング

Claims

直交する第１及び第２光反射面を有する微小ミラーユニットがマトリクス状に配列された平板状の構造体からなり、入射光を前記第１及び第２光反射面により２回反射する第１及び第２の反射型面対称結像素子を備えた空間映像表示装置であって、
前記第１の反射型面対称結像素子は物体からの入射光を前記第１及び第２光反射面により２回反射して前記第１の反射型面対称結像素子について前記物体と面対称となるように前記物体の第１の実像を結像させ、
前記第２の反射型面対称結像素子は前記第１の実像からの入射光を前記第１及び第２光反射面により２回反射して前記第２の反射型面対称結像素子について前記第１の実像と面対称となるように前記物体の第２の実像を結像させることを特徴とする空間映像表示装置。
前記第１及び第２の反射型面対称結像素子の各々は、１つの光反射面を有する複数の長手部材をその光反射面が同一方向側となるように平行に配列した第１集合体及び第２集合体を、その光反射面が交差するように重ね合わせて構成されてなり、前記第１集合体の光反射面が前記微小ミラーユニットの前記第１光反射面を構成しかつ前記第２集合体の光反射面が前記微小ミラーユニットの前記第２光反射面を構成することを特徴とする請求項１記載の空間映像表示装置。
前記第１及び第２の反射型面対称結像素子は互いにほぼ垂直又は平行に配置されることを特徴とする請求項１又は２記載の空間映像表示装置。
前記第２の反射型面対称結像素子の反射光を反射して自身について前記第２の実像と面対称となるように前記物体の第３の実像を結像させるハーフミラーを有することを特徴とする請求項１記載の空間映像表示装置。
前記物体を照明する照明装置を有することを特徴とする請求項１記載の空間映像表示装置。
前記第１の反射型面対称結像素子を内部に固定し、前記第２の反射型面対称結像素子を外部に露出して固定するハウジングを有し、
前記ハウジングの前記第２の反射型面対称結像素子の露出部分の面は暗色にされていることを特徴とする請求項１記載の空間映像表示装置。
前記物体は立体物であることを特徴とする請求項１又は５記載の空間映像表示装置。