JP2014006462A - ピンホールアレイ並びにそれを用いた表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
観察者が空中に映像が浮遊しているかのように視認できる表示装置を提供する。
【解決手段】
天頂にピンホールを形成し，且つ内側を反射鏡とする楕円半球面を２個をそれぞれ内側面で向合せる。片方のピンホールから入射した光線は，向かい合う楕円半球面間で２回反射し，反対側のピンホールより入射角と面対称の角度で出射する。向かい合った楕円半球面を平面上に複数個配置してピンホールアレイ（光学シート）を形成する。ピンホールアレイの片側に配した表示対象物を反射或いは発せられた複数の光線は，ピンホールアレイの複数のピンホールを透過してピンホールアレイの反対側の面対称の位置に結像する。これにより、空中に前記表示対象物に対応する浮遊像を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、観察者が立体像を認識可能な映像表示をおこなう光学素子とそれを使った表示装置に関する。

従来から、観察者が空間上に映像が表示しているように知覚可能な表示装置に関する技術が検討されている。
例えば、特許文献１には、観察者と直交する平面反射部との間の空中に，直交する平面反射部を介して観察者と反対側にある対象物の光線情報を導くようにして，実像（映像）を簡便に結像させる技術が開示されている。

また、特許文献２には、光を直交する２つの鏡面要素を平面上に複数個形成した光学システムと鏡を用いて，光を屈曲させつつ透過させて面対称位置へ実像（映像）を結像させ，鏡にて実像（映像）を観察できる視点を自由に設定（表示）できる技術が開示されている。

国際公開2009/131125号公報 特開2010-262228号公報

観察者が立体像を認識可能な表示装置においては、何れの方向から観察しても，観察方向に応じた映像を解像度良く知覚できることが好ましい。
しかしながら、上記特許文献１に開示される従来技術では、対象物の光線情報を導く際に，光線の反射条件が一様で無い場合に，結像する実像（映像）の品質に影響を与える恐れがあり，観察者が高品位な空中映像を知覚する為には，平面反射部の高精度化が要求される。一方，上記特許文献２に開示される従来技術では、観察者が空中の映像を知覚できる観察範囲が限定される。

本発明は、上記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、観察者が空中の映像を知覚する際、スクリーン等の反射物や拡散物の存在を意識せず，また，明暗の精悦度や解像度（映像密度）が良く，更には，何れの方向からも空中の映像を知覚できる範囲（知覚領域）を広くすることで，あたかも空中に映像が浮かび上がっている様に観察することが可能な技術を提供するものである。

本願発明は、光線を取り込む複数の入射ピンホールと、光線を放射する複数の出射ピンホールと、一対の入射ピンホールと出射ピンホールが対向するように形成され、前記入射ピンホールから入射した光線が少なくとも２回反射した後に前記出射ピンホールから出射する複数のピンホール反射体と、から成るピンホールアレイにより、複数の前記出射ピンホールからの光線により結像を生じるようにしたものである。

また、前記ピンホール反射体は、楕円半球面の凹反射面を向い合せてもち、該楕円半球面の天頂部にピンホールを設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、観察者が空中の映像を知覚する際、スクリーン等の反射物や拡散物の存在を意識する必要がなくなり、また、明暗の精悦度や解像度（映像密度）が良く、更には何れの方向からも空中の映像を知覚できる範囲（知覚領域）を広くすることができるので、立体映像の性能向上を図ることができる。

本発明の実施例に係るピンホールアレイ並びにそれを用いた表示装置の構成図である。 本発明の実施例のピンホール反射体を補足する構成図である。 本発明の他の実施例のピンホール反射体を補足する構成図である。 本発明の他の実施例のピンホール反射体を補足する構成図である。 本発明の他の実施例のピンホール反射体を補足する構成図である。 本発明の他の実施例のピンホール反射体を補足する構成図である。 本発明の実施例のピンホールアレイを説明する構成図である。 本発明の実施例のピンホールアレイを説明する構成図である。 本発明の実施例のピンホールアレイを説明する構成図である。 本発明の実施例のピンホールアレイを説明する構成図である。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を用いて説明する。尚、各図または各実施例において、同一の構成、機能または作用を有する要素には同じ番号を付し、重複した説明を省略するものとする。

図１〜８は、本発明の第１実施例に係るピンホールアレイ並びにそれを用いた表示装置を説明するものであり、浮遊体表示方法による平面（２Ｄ）や立体（３Ｄ）映像を表示可能な表示装置の構成を図で示している。

図１〜８で，１はピンホール，２はピンホール反射部，３はピンホールアレイ，４は散乱光源，５，６，７，８，１３，１４は光線，９は結像光源，１５，１６は迷光である。尚，説明のため，図１で実体像の一部を、散乱光源４で且つ３本の光線を挙げて現している。図２は，ピンホール反射体の側面（断面図）で示す。詳細には、ピンホール反射部2は、紙面前後に円を成す立体構造をもつ構成である。

（動作の説明）
図１に示す本実施例のピンホールアレイ（光学シート）３は、天頂にφPHのピンホールを形成し、且つ内側或いは外側を反射鏡とする楕円半球面の反射部２と、該楕円半球面の反射部２を２個それぞれ内側面で向合せた一対のピンホール反射部２と、ピンホール反射部２を平面状に複数個配置して構成する。

図３により、ひとつのピンホール反射部２の構成を説明する。一対のピンホール反射部２で、片方のピンホール（例えば図２の紙面下側）から所望の角度θinで入射した光線５が、向かい合う楕円半球面の反射部２間で少なくとも２回反射し、反対側のピンホール（同、紙面上側）より入射角と面対称（楕円半球面の合せ面を基準）の角度θinで出射するように、反射部２の反射形状を定める。

尚、ピンホールアレイ３を構成する一対のピンホール反射部２のそれぞれは、楕円半球面の合せ面がほぼ同一面になるよう形成する。
つぎに、実体像がピンホールアレイ３の対向側に結像する様子を説明する。ピンホールアレイ３の片側（図１の紙面下側）に配した物体或いは表示体を散乱光源４として反射或いは発せられた光線５、７、１３は、ピンホールアレイ３と面対称の位置に結像９する。

より詳細には、上述のとおり、光線５は、ピンホールアレイ３の片方のピンホールから入射して、ピンホールアレイ３の内部で２回反射し、入射側の反対側のピンホールから入射角度の同じ角度で出射される。同様に、光線７や光線１３は異なるピンホール反射部の一方のピンホールに入射して反対側のピンホールから出射される。このとき、光線５、７、１３の入射角と光線６、８、１４の出射角が等しいため、光線６、８、１４により結像９が生じる。

つぎに、ピンホールの形状について説明する。ピンホールの直径φPHは、可視光の波長成分を有する光線が十分通過できる寸法であれば良く、所望の光線量を取り込めるよう定める物である。また、半球面大きさ形状（直径ＲＭｒ、高さＲＭｈ／２）や曲率も上記の入射角θｉｎが所望する入射角を満足するよう定める物である。

例えば、φＰＨ=２０μｍ、ＲＭｒ＝１００μｍ、ＲＭｈ＝３３μｍであれば、ピンホール反射部２の光の取込み効率は面積比から約４％、ピンホール中心部では約４５度の入射角θｉｎまで取り込めるよう曲率を定める。同じくφＰＨが４０μｍであれば光の取込み効率は約１６％と増加する。

しかしながら、ピンホールを抜ける光線は、出射角が入射角と異なるため結像に寄与しない。図９で示す様に、反射部２に当たらず抜けてしまう無反射領域（図９のＮＧ領域の光線成分）が増大すると、結像する光線が少なくなるため、用途に応じて調整する。もちろん、構造を工夫して無反射領域を低減しても良く、図３、４、５、６、１０により後述する。

また、上記した数値は、これに限る物では無く、用途により定めるものである。

以下、ピンホール１や楕円半球面２の成形方法として一例を挙げる。
（製造方法１：中空）
まず、楕円半球面２の内側が中空である場合を示す。

ナノメートル精度の微細加工が可能なプレス加工機にて、楕円半球面２の凹みを複数個で平面状に配列する様にカラスやプラスチック等の透明部材を成形し、ピンホールアレイ３の片面（ピンホールアレイシート）を得る。つぎに、内面の凹み面に光線を良く反射する反射膜を形成する。

楕円半球面２の天頂部分のそれぞれに直径φＰＨの穴（ピンホール）は、上述のプレス加工時に打ち抜くか、切削しても良く、或いは上述の反射膜を形成する際、ピンホール部分をマスクし反射膜を形成しないようにして、光を透過する様にしても良い。

さらに、図３、４、５に示す様にピンホールにレンズ１０、１１や反射板を付加し、取り込む光線量や角度を増減させても良い。

尚、ピンホールアレイの形状も、用途や製造能力により自在である。

以上により成形したピンホールアレイ３（ピンホールアレイシート）を楕円半球面２の凹みが向かい合い、且つ、ピンホール間の間隙がＲＭｈとなるよう貼り合わせる。この間隙調整は、シート間にスペーサを用いても良く、或いは、プレス加工時、楕円半球面の凹み量（奥行き量）を調整しても良い。

ピンホールアレイ３の直径ＲＭｒの楕円半球面２の配列方法として、例えば図８で示すようなＲｐｉｃｈ（Ｒｐｉｃｈ≧ＲＭｒ）間隔の千鳥配列が望ましいが、縦横整列配置、円周部分を６角形にし、蜂の巣（ハニカム）状に配置等、何れでも良い。

ピンホール反射部２を透過した光が結像されるため、ピンホールアレイ３の単位面積あたりのピンホールの数が多い方が光量的には優位であるが、入射角度が狭くなるため、対象の実体像によりピンホールアレイ寸法や配列を適宜選択する。

（製造方法２：一体）
次に、楕円半球面２の内側が透明物質で充填されている場合を示す。
加工機や反射膜の形成等は上記同様である。片面に楕円半球面２の凸とするピンホールアレイシートを貼り合わせ、或いは両面とも凸とるよう一体成形する。一体成形であれば、光軸やシート間隔を考慮して成形する為、調整が不要である。ピンホール１の処理は、プレス加工時の打ち抜き処理は施さず、削りだし或いは反射膜を形成しないことで成型する。さらに、図３、４、５に示す様にピンホールにレンズ１０、１１や反射板を付加する場合も同様である。

以上のようにして形成したピンホール反射部２が複数個配列されているピンホールアレイ３（ピンホールアレイシート）を貼り合わせる際には、ピンホールアレイ３（ピンホールアレイシート）を貼り合わする対向面をピンホール反射体２の楕円半球面を向合せる際の端面処理として、空洞としてもよい。また、前記空洞面を光線吸収材料でコーティングして迷光を低減しても良い。

（光線取込と出射）
図２、３、４、５、６、１０を用いて、ピンホール反射部２での光透過の状態を異なる構造をもつ実施例を説明する。
図２で、ピンホール反射体２の反射面の曲率は、ピンホール１の中心を通過するように斜め入射した光線が反射体の何れの面に当たっても向かい合うピンホール反射部２に直角で反射するよう設定する。散乱光源４を発した光線５は入射角θｉｎでピンホール１を通過しピンホール反射体２を反射の後、向かい合うピンホール反射部２を反射し、光線６として出射角θｉｎでピンホール１より出射する。

図９はピンホール１の入射光線と出射光線の範囲を領域で示した図である。ｂ−ｃ間から入射する光線（縦線のハッチング域）は、ピンホール反射部２を介さず直接ピンホールから出射する。このため、結像に寄与せず、不感域となっている。同様に、ａより左の領域とｄより右の領域も不感域である。ａ−ｂ間とｃ−ｄ間から入射する光線（横線のハッチング域）は、ピンホール反射部２を２回反射してピンホールから出射し、他のピンホールから出射光線とで結増する光線の領域である。

上記のとおり、図２の実施例のピンホールアレイ３では、結像に寄与しない不感域が生じている。結像性能の点からは、この不感域はより少ないほうが望ましい。以下に、取り込む光線量や角度を増減して不感域を少なくする方法や、無反射領域の低減方法を説明する。

図３は、ピンホール１にレンズ１０を設けたピンホール反射部２の断面構成図である。レンズ１０は、屈折レンズであり、入射角θｉｎを増大＞θinとする特性（縮小レンズ）を有する。出射側も入射側と同様に光線が屈折され、出射角が増大する。これによりａ−ｂ間とｃ−ｄ間の領域を左右外側にシフトし、領域拡大を実現する。

図４は、ピンホール１にレンズ１１を設けたピンホール反射部２の断面構成図である。レンズ１１は、屈折レンズであり、入射角θｉｎを縮小＜θinとする特性（拡大レンズ）を有する。出射側も入射側と同様に光線が屈折され、出射角が縮小する。これによりａ−ｂ間とｃ−ｄ間の領域を左右内側にシフトし、領域拡大を実現する。

図５は、ピンホール１の入射口と出射口の周囲に内側が反射面である所望の高さの遮蔽壁を付加したピンホール反射部２の断面構成図である。例えば、ピンホール１中央への入射光線の入射角θinが４５度以上を除外する高さとする。図５に示されるように、散乱光源４を発した光線５は、遮蔽壁で反射してピンホール反射体２の内部に入射し、ピンホール反射体２の内部で反射して、出射口の遮蔽壁で反射して、ピンホール１から出射する。出射光５は、他のピンホールからの出射光とにより結像する。これによりａ−ｂ間とｃ−ｄ間の領域が縮小するが、光線の取込み角の拡大を実現する。

図６は、ピンホール１の入射口と出射口の外にレンズ１２を設けたピンホール反射部２の断面構成図である。レンズ１２は、ピンホール１の中央がレンズ焦点位置になるように設けられている。これによりａ−ｂ間とｃ−ｄ間の領域拡大を実現する。

図７は、本実施例のピンホールアレイ３と散乱光源４と結像光源９の位置関係を示す図である。散乱光源４から放射される光線の内光線５、１３は、先に説明したようにピンホール１に入射して、結像光源９を生じる。散乱光源４から放射される光線１６は、ピンホール１に入射せず、迷光成分と成り、結像に寄与しない。また、図９に示したように、ピンホール反射部２で反射せずに、直接ピンホールからすり抜けた光線１５も結像に寄与しない。

図１０は、図９のすり抜けた光線１５を除外するためのピンホール外するためのピンホール反射部２の構造を示すものである。具体的には、ピンホール反射部２の向かいたった面の中央部にピンホール１の直径φＰＨ以下の大きさの遮光板１８を設置する。これにより、不感域ｂ−ｃ間の一部を除外でき、結像側の迷光を低減できる。

上述したピンホールアレイ３と、散乱光源４として光線を再生する表示装置、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）からの光線（散乱光）やプロジェクタでスクリーンに結像した２Ｄ平面からの光線（散乱光）を用いることで、静止画や動画像の映像を表示することができる。

また、上述したピンホールアレイ３と、散乱光源４として光線を再生する表示装置、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）からの光線（散乱光）やプロジェクタでスクリーンに結像して立体状の光線（散乱光）を再生させる場合、静止画や動画像の立体映像を表示することができる。もちろん、時分割で左右の映像表示と、同期して動作するシャッターメガネを用いた立体映像であっても良い。

１…ピンホール、２…ピンホール反射体、３…ピンホールアレイ、４…散乱光源、５・６・７・８・１３・１４・１５・１６・１７…光線、９…結像光源、１０・１１・１２…レンズ、１８…遮光板

Claims (10)

1. 光線を取り込む複数の入射ピンホールと、
   光線を放射する複数の出射ピンホールと、
   一対の入射ピンホールと出射ピンホールが対向するように形成され、前記入射ピンホールから入射した光線が少なくとも２回反射した後に前記出射ピンホールから出射する複数のピンホール反射体と、から成り、
   複数の前記出射ピンホールからの光線により結像を生じる
   ことを特徴とするピンホールアレイ。
2. 請求項１に記載のピンホールアレイにおいて、
   前記ピンホール反射体は、楕円半球面の凹反射面を向い合せてもち、該楕円半球面の天頂部にピンホールを設けたことを特徴とするピンホールアレイ。
3. 請求項２に記載のピンホールアレイにおいて、
   複数の前記ピンホール反射体の楕円半球面の向い合せ面は、ほぼ同一面となるように形成されることを特徴とするピンホールアレイ。
4. 請求項１或いは２に記載のピンホールアレイにおいて、
   前記ピンホール反射体は、片方のピンホールから所望の角度θinで入射した光線が，向かい合う楕円半球面間で少なくとも２回反射し，反対側のピンホールより入射角と面対称の角度θinで出射するよう形成することを特徴とするピンホールアレイ。
5. 請求項１〜４に記載のピンホールアレイにおいて、
   前記ピンホール反射手段は、楕円半球面の内側が中空かつ、内面に反射膜を形成するものであり、楕円半球面の天頂部分に穴を形成、或いは反射膜を除去して光を透過する様に形成することを特徴とするピンホールアレイ。
6. 請求項１〜４に記載のピンホールアレイにおいて、
   前記ピンホール反射手段は、楕円半球面を光が十分に透過する素材で形成し、外側を反射膜で覆い、さらに楕円半球面の天頂部分に穴を形成、或いは反射膜を除去して光を透過する様に形成することを特徴とするピンホールアレイ。
7. 請求項１〜６に記載のピンホールアレイにおいて、
   前記ピンホールアレイのピンホールに屈折レンズを付加して取り込む光線量や角度を増減させることを特徴とするピンホールアレイ。
8. 請求項１〜６に記載のピンホールアレイにおいて、
   前記ピンホールアレイのピンホールの周囲に、内側が反射面である所定の高さの遮蔽壁を設けたことを特徴とするピンホールアレイ。
9. 請求項１〜６に記載のピンホールアレイにおいて、
   前記ピンホールアレイを構成するピンホール反射手段の中心にピンホールの直径以下の遮光手段を設けたことを特徴とするピンホールアレイ。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載のピンホールアレイに配した物体或いは表示体を反射或いは発せられた光線を、該ピンホールアレイ手段と面対称の位置に結像することを特徴とする表示装置。

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