JP2014145936A

JP2014145936A - 表示装置

Info

Publication number: JP2014145936A
Application number: JP2013014742A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Juni; 紀行十二
Original assignee: Nitto Denko Corp
Current assignee: Nitto Denko Corp
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2014-08-14

Abstract

【課題】奥行き感に富む立体的な像を、比較的小面積のディスプレイを使用して空間に投影することのできる、コンパクトな表示装置を提供する。
【解決手段】本発明の表示装置は、パネル状の結像光学素子（Ｍ）と、ＬＣＤ等のディスプレイ（Ｄ）とを備え、ディスプレイＤに表示された映像（画像Ｉ）を、結像光学素子の上方の空間に、空間像Ｉ’として結像させる表示装置であって、結像光学素子（Ｍ）の下面ＭｂとディスプレイＤの表示面Ｄａとの間に、画像拡大機能を有する拡大光学素子（フレネルレンズＲ）を配設する。これにより、ディスプレイＤに表示された映像が、結像光学素子の上面Ｍａ側の空間に浮かび上がるように、拡大されて結像する。
【選択図】図１

Description

本発明は、静止画・動画等の二次元画像を、空間に浮かび上がった状態で拡大して投影することにより、奥行き感を持った立体的な映像を表示する表示装置に関するものである。

３次元または２次元の物体，画像等を空間に結像する結像光学素子として、光学素子の素子面を構成する基板（基盤）に、「１つ以上の鏡面による光の反射を行う単位光学素子」を複数配置したマイクロミラーアレイが開発されている。なかでも、この基板に垂直もしくはそれに近い角度で配置された「互いに直交する２つの鏡面」（直角のコーナーを構成する、一対の隣接した光反射面。すなわち「コーナーリフレクタ」。）を有する凹状単位光学素子または凸状単位光学素子を、多数個アレイ状に配列したマイクロミラーアレイは、構造が単純で、製造コストの低減が見込めることから、近年注目を集めている（特許文献１，２を参照）。

このマイクロミラーアレイのなかでも、「コーナーリフレクタアレイ」は、上記アレイの片側から入射した光が素子面（基板）を通過する際、この光が各単位光学素子（コーナーリフレクタ）を構成する一対の光反射面の間で２回反射し、その２回反射後の光（通過光）が、上記アレイの反対側（素子面に対して面対称）の空間位置に像を結ぶ作用を利用したものである。例えば、図４のような、透明な基板１１（素子面Ｐ）の一面（下面Ｍｂ側）から、その厚さ方向（下方向）に突出した透明な凸状の直方体１２（縦・横と高さの比ｈ／ｗが約１．５の四角柱）が、碁盤目状に多数配列された凸型のマイクロミラーアレイＭの場合、各直方体１２の４つの側面のうち、１つの角部（コーナー１２ｃ）を構成する２面（この例では第１の側面１２ａ，第２の側面１２ｂ）が鏡面（光反射性の側面）に形成されている。そして、基板１１の一面（下面Ｍｂ）側から各直方体１２に入射した光（映像）は、これら一対の光反射面（側面１２ａ，１２ｂ）の間で２回反射して、基板１１の他面（上面）側に通り抜ける。この通り抜けた光により、マイクロミラーアレイＭの上方の空間（すなわち観察者側の空間）に、被投影物の鏡映像（反転像）が、収差のない実像（正立等倍像）として結像する。

なお、上記マイクロミラーアレイＭは、上記のような原理にもとづくものであることから、図５のように、上記基板１１の表面（下面）から突出する各直方体１２は、コーナーリフレクタを構成する直角の角部（コーナー１２ｃ）が観察者の正面（手前）を向くように、直方体１２を観察者に対して４５°回転させた状態で配置されている。

また、各単位光学素子（直方体１２）は、観察者（符号Ｅ側）から見て、斜め碁盤目状に並ぶように配列されており、マイクロミラーアレイＭの一面（下面）側に配置された画像Ｉや物体等の鏡映像（反転像）が、このマイクロミラーアレイＭの他面（上面）側の空間に、空間像Ｉ’として結像する。

国際公開第ＷＯ２００７／１１６６３９号特開２０１１−１９１４０４号公報

ところで、上記従来の画像表示装置は、画像表示面に表示された映像を「等倍像」として結像するため、大きく見易い映像を投影しようとすると、その表示面の大きさ（広さ）に見合う大面積のディスプレイが必要で、コンパクトに構成することが難しく、その設置費用も嵩んでしまうという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、奥行き感に富む立体的な像を、比較的小面積のディスプレイを使用して空間に投影することのできる、コンパクトな表示装置の提供をその目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の表示装置は、結像機能を有するパネル状の結像光学素子と、表示面を有するディスプレイとを備え、上記結像光学素子の結像機能により、上記結像光学素子の一面側に配置されたディスプレイの表示面に表示された映像を、この結像光学素子の他面側の空間に浮かび上がる空間像として結像させる表示装置であって、上記結像光学素子の一面と上記ディスプレイの表示面との間に、画像拡大機能を有する拡大光学素子が配設され、上記表示面に表示された映像が、上記結像光学素子の他面側の空間に拡大して投影されるようになっているという構成をとる。

すなわち、本発明者は、前記課題を解決するため研究を重ね、その結果、パネル状の結像光学素子とディスプレイの表示面との間に、画像拡大機能を有するレンズ様の拡大光学素子を配置し、この表示面に表示される映像（画像，動画等）を、等倍以上に拡大して上記結像光学素子に入射させて上方の空間に投影することにより、従来と同じ大きさの空間像を、コンパクトな装置構成で達成できることを見出した。

上記のように、本発明の表示装置は、結像機能を有するパネル状の結像光学素子の一面と、ディスプレイの表示面との間に、画像拡大機能を有する拡大光学素子が配設されている。そのため、ディスプレイの表示面に表示された映像が、上記拡大光学素子により拡大された状態で、結像光学素子の他面側の空間に投影される。したがって、本発明の表示装置は、同じ大きさの空間像を投影しようとする場合でも、その表示元として、比較的小形のディスプレイを使用することができる。また、これにより、表示装置全体をコンパクトに構成することが可能になる。

また、本発明の表示装置のなかでも、上記結像光学素子がマイクロミラーアレイであり、上記拡大光学素子がフレネルレンズであるとともに、この拡大光学素子およびディスプレイの表示面が、上記結像光学素子の一面に対して所定の傾斜角αで傾斜するように配置され、上記表示面に表示された映像が、上記結像光学素子の他面に対して斜め状に立ち上がる空間像として結像するようになっているものは、上記のようなコンパクトな装置構成でありながら、従来と同様の立体感（奥行き），浮遊感や臨場感等を持った立体的な空間像を、明るく鮮明に表示することができる。

本発明の実施形態における表示装置の基本構成を説明する一部断面図である。上記表示装置の斜視図である。上記表示装置の構成を説明する断面図である。表示装置に用いられるマイクロミラーアレイの構造を説明する図である。マイクロミラーアレイによる空間像の結像を説明する図である。

つぎに、本発明の実施の形態を、図面にもとづいて詳しく説明する。ただし、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の表示装置の基本的な構成を説明する図である。なお、図１は、本発明の原理のみを簡潔に説明するために、ケース，ハウジング等の筐体や、配線，電装品等の部品の図示を省略している。また、本例においては、ディスプレイ（フラットパネルディスプレイ）Ｄには、携帯電話（スマートフォン等）の液晶表示画面（ＬＣＤ）を利用しており、その表示面Ｄａに表示される画像Ｉおよび空間に投影される空間像Ｉ’（ともに、図１中の太線矢印）は、その厚みを強調して図示している。なお、光の経路（広がり）を示す仮想線（二点鎖線）は、便宜的に描いており、必ずしもこのようになっているとは限らない（以下の図も同じ）。

本実施形態における表示装置は、図１に示すように、パネル状のマイクロミラーアレイ結像光学素子（以下、マイクロミラーアレイＭ、または、単にアレイＭという）と、フラットパネルディスプレイ（以下、ディスプレイＤ）とを備え、マイクロミラーアレイＭに設けられた多数のマイクロミラー（コーナーリフレクタ）による光の反射により、アレイＭの一面（図では下面Ｍｂ）側に配置されたディスプレイＤに表示された映像（画像Ｉ）を、このアレイＭの他面（図では上面Ｍａ）側の空間に、斜め状に立ち上がる空間像Ｉ’として、浮かび上がるように結像させるものである。

そして、この表示装置は、上記ディスプレイＤが、その表示面ＤａをマイクロミラーアレイＭの下面Ｍｂに対して所定角度αで傾斜する状態で配置され、このディスプレイＤの表示面Ｄａと上記マイクロミラーアレイＭの間に、ディスプレイＤの表示面Ｄａと平行な状態（アレイＭの下面Ｍｂに対する傾斜角α）で、画像拡大機能を有する拡大光学素子（平板状の凸型フレネルレンズＲ）が配設されており、ディスプレイＤに表示された画像Ｉが、上記フレネルレンズＲにより拡大されて、アレイＭの上方に空間像Ｉ’として結像するようになっている。これが、本発明の表示装置の特徴である。

上記表示装置について、詳しく説明すると、この表示装置に使用する結像光学素子としては、アフォーカル光学系のマイクロミラー，コーナーリフレクタ等の屈折型結像素子や、凹面鏡等を用いることができる。なかでも、本実施形態においては、図４に示すような、素子面Ｐに対して面対称の位置に像を結ぶ、マイクロミラーアレイＭ（凸型コーナーリフレクタアレイ）を好適に採用する。このマイクロミラーアレイＭは、図示しない固定部材や筐体等により、鑑賞者の視点（感覚）に対して略水平になるように配設されている。

なお、先にも述べたように、上記マイクロミラーアレイＭの各四角柱状の直方体１２（単位光学素子）は、コーナーリフレクタを構成する一対（２つ）の光反射面（四角柱側方の第１の側面１２ａ，第２の側面１２ｂ）が、それぞれ、「基板表面方向の横幅（幅ｗ）に対する基板厚さ方向の縦長さ（高さｈ）の比」〔アスペクト比（ｈ／ｗ）〕が１．５以上の長方形状に形成されている。

また、画像拡大機能を有する拡大光学素子としては、上記例のような凸型フレネルレンズＲの他、球面または非球面の一般的な凸レンズ等を使用することができる。上記フレネルレンズＲは、後記するディスプレイＤの表示面Ｄａと平行な（表示面Ｄａと同様、マイクロミラーアレイＭの下面Ｍｂに対してα度傾いた）状態で、この表示面Ｄａから所定の距離（この例では約５〜２５ｍｍ）離れた位置に配設されている。なお、上記フレネルレンズＲは、ディスプレイＤの表示面Ｄａと平行に配置するのが好ましいが、必ずしもそうする必要はない。また、上記フレネルレンズＲとディスプレイ表示面Ｄａとの距離を調整することで、このフレネルレンズＲによる画像Ｉの拡大倍率を適宜変更することができる。

上記画像Ｉを表示するフラットパネルディスプレイ（ディスプレイＤ）は、図１のように、上記マイクロミラーアレイＭの下面Ｍｂに対して、鑑賞者の手前側（Ｅ側）から装置奥側に向かって所定の傾斜角αで下向きに傾くように配置されており、上記マイクロミラーアレイＭを介して投影される空間像Ｉ’が、鑑賞者の方向（正面）を向くようになっている。

なお、上記画像Ｉの表示に用いるディスプレイＤとしては、バックライトを備える液晶表示パネル（ＬＣＤ）の他、プラズマディスプレイパネル，有機ＥＬ表示パネル等、全可視光波長にわたってなるべく偏りのない「白色」と、非表示時の「黒色」とを、コントラスト良く再現できるディスプレイパネルを使用することができる。さらに、ディスプレイＤは、携帯電話または携帯情報端末等の表示部であってもよく、具体的には、上記ディスプレイＤとして、スマートフォン，タブレット型ＰＣ，デジタルフォトフレームや、携帯型ゲーム機，携帯型ブックリーダー，ＰＤＡ，電子辞書等のうち、表示部（表示面Ｄａ）が常時露出する（カバーされていない）タイプのなかで、その表示面Ｄａの寸法が、上記マイクロミラーアレイＭの大きさ（平面形状）に対応するサイズのものを使用することができる。

また、上記ディスプレイＤのマイクロミラーアレイＭに対する下向きの傾斜角αは、この表示装置を利用する鑑賞者の姿勢や距離等を考慮して、３０°以上９０°未満（３０°≦α＜９０°）に設定される。

上記実施の形態の表示装置の構成によれば、ディスプレイＤの表示面Ｄａに表示される映像（画像Ｉや動画等）が、等倍以上に拡大された状態でマイクロミラーアレイＭに入射し、この拡大された映像が上記アレイＭを通してその上方の空間に投影される。したがって、本実施形態の表示装置は、従来と同じ大きさの空間像Ｉ’を投影しようとする場合、その表示元として、従来用いていたものより小形のディスプレイＤを使用することが可能になる。

つぎに、より具体的な実施の形態（第１実施形態）について説明する。
図２は、本発明の第１実施形態の表示装置の外観斜視図であり、図３は、その内部構造を示す断面図である。

この第１実施形態の表示装置も、パネル状のマイクロミラーアレイ結像光学素子（マイクロミラーアレイ１）と、フラットパネルディスプレイ（ディスプレイ２）とを備え、マイクロミラーアレイ１が有する多数のマイクロミラー（コーナーリフレクタ）による光の反射により、アレイ１の一面（図では下面１ｂ）側に配置されたディスプレイ２に表示された映像（画像Ｉ）を、このアレイ１の他面（図では上面１ａ）側の空間に、斜め状に立ち上がる空間像Ｉ’として、空間に浮かび上がるように結像させるものである。

そして、この表示装置は、上記ディスプレイ２に、比較的小形のＬＣＤ（画面の対角が約２〜７インチ）が使用されており、このディスプレイ２が、その表示面２ａをマイクロミラーアレイ１の下面１ａに対して所定角度αで傾斜させた状態で載置台４（ディスプレイ載置台）上に載置され、このディスプレイ２の表示面２ａと上記アレイ１の間に、表示面２ａ（傾斜角α）と平行に、平板状の凸型フレネルレンズ３が配設されている。

より詳しく説明すると、ディスプレイ２を載置するための載置面４ａを備える載置台４は、上記載置面４ａを兼用する板状部材４ｂと、基台４ｃ，４ｃとからなり、筐体（箱状のケース５）の内部に配設されている。上記板状部材４ｂは、図３のように、ケース５の底面５ｂおよびマイクロミラーアレイ１の下面１ｂ（または素子面Ｐ）に対して所定角度α傾いた状態で、上記基台４ｃ，４ｃに支持されており、その上面が、ディスプレイ２の載置面４ａとなっている。

そして、この載置台４の載置面４ａ上に、ディスプレイ２として小形のＬＣＤパネル等を載置することにより、上記ディスプレイ２の表示面２ａが、マイクロミラーアレイ１の素子面Ｐに対してα度傾いた状態で保持されるようになっている。なお、ケース５内における上記載置面４ａの、マイクロミラーアレイ１の下面１ｂ（素子面Ｐ）に対する傾斜角αは、アレイ１による結像が最適となるように調整されており、通常３０°以上９０°未満、好ましくは４０°以上８０°以下に設定されている。

なお、上記載置台４上へのＬＣＤパネル等の載置は、ケース５の上部を持ち上げて上面を開放させて行うか、あるいは、ケース５の側面に設けられた挿入口（図示省略）を介して行うことができる。また、載置台４上に載置するフラットパネルディスプレイとして、大きさの異なる複数種類の携帯電話やスマートフォン等を利用する場合は、この載置台４を可変（傾斜角度変更）式あるいは可動式，交換式とするか、もしくは、ケース５内に、各ディスプレイに対応する複数の載置台を設置してもよい。

上記ディスプレイ２および載置台４を収容するケース５は、図３に示すように略箱形（ボックス状）で、その上面５ａに設けられた開口に、略正方形状のマイクロミラーアレイ１が嵌め入れられている（図２参照）。

つぎに、上記マイクロミラーアレイ１とディスプレイ２の表示面２ａとの間に配設されるフレネルレンズ３は、図２，図３に示すように、ディスプレイ２の表示面２ａ（傾斜角α）と平行な状態で、この表示面２ａに対して所定の間隔（この例では約１０ｍｍ）を空けて、ケース５の壁面に設けられた固定部材５ｃ，５ｃ（図２では図示省略、図３を参照）により、所定位置に固定されている。

なお、上記フレネルレンズ３およびディスプレイ２（表示面２ａ）の傾斜方向は、図３のように、空間像Ｉ’が鑑賞者（Ｅ）から見て装置奥側に向けて上り傾斜（斜めに立ち上がる状態）になるように、ディスプレイ２が装置手前から奥側にかけて下向き傾斜になるように配設されている。また、上記ディスプレイ２の表示面２ａに表示される映像（画像Ｉ）は、マイクロミラーアレイ１の介在により映像の上下が反転するため、下り傾斜方向に向かって天地が逆（映像上部が下側）となるように映し出される。

また、上記第１実施形態においては、ディスプレイ２，フレネルレンズ３および載置台４を収容する筐体（ケース５）を、図２に示すような略立方体の箱形（閉鎖形のボックス状）としたが、この筐体は、多角柱状や円柱状としてもよい。さらに、この筐体は、開放形のハウジングとしてもよく、例えば、横方向の壁面（側面）が１面または２面しかない形状としてもよい。この場合、壁面のうちの１面を、所定角度αで傾く傾斜面とすることにより、この傾斜面（斜め状の側面）を、ディスプレイ載置面として利用することができる。

以上の第１実施形態の表示装置によっても、ディスプレイ２の表示面２ａに表示される映像（画像Ｉや動画等）が、等倍以上（この例では約１．４倍）に拡大された状態でマイクロミラーアレイ１に入射し、この拡大された映像が上記アレイ１を通してその上方の空間に、空間像Ｉ’として投影される。したがって、本実施形態の表示装置も、従来と同じ大きさの空間像Ｉ’を投影しようとする場合、従来用いていたものより小形のディスプレイ（ＬＣＤ等）を使用することができる。これにより、表示装置全体をコンパクトに構成することが可能になる。

しかも、本実施形態の表示装置は、結像光学素子としてマイクロミラーアレイを採用し、画像拡大機能を有する拡大光学素子としてフレネルレンズを使用しているため、上記のようなコンパクトな装置構成でありながら、従来の表示装置と同様の立体感（奥行き），浮遊感や臨場感等を持った立体的な空間像を、明るく鮮明に表示することができるという利点を有する。

［実施例］
結像光学素子として１００ｍｍ角の凸型マイクロミラーアレイを用意した。
＜凸型マイクロミラーアレイの作製＞
アクリル板〈１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚さ２ｍｍ〉を粘着テープ〈ダイシングテープ：日東電工社製，エレップテープ〉に貼り付けて固定し、その状態で、上記アクリル板固定体をダイシング装置〈ＤＩＳＣＯ社製〉のチャックテーブルにセットした。そして、後記の＜ダイシング条件＞に示す条件で、深さ４００μｍの溝を、所定の格子状に彫り込み（掘り込み）、図４のような凸型マイクロミラーアレイを得た。得られた凸型マイクロミラーアレイの単位光学素子（各光反射面）は、高さｈ＝４００μｍ，幅ｗ＝１５０μｍ，アスペクト比（ｈ／ｗ）＝約２．６７であった。
＜ダイシング条件＞
・ダイシングブレード〈ＤＩＳＣＯ社製，ＮＢＣ−Ｚ２０５０〉厚さ２５μｍ
・スピンドル回転数：３００００ｒｐｍ
・テーブル送り速度：３．０ｍｍ／ｓｅｃ

また、画像拡大機能を有する拡大光学素子として、凸型フレネルレンズ（エドモンド・オプティクス社製５８ｍｍ×５８ｍｍ厚さ１．５ｍｍｆ＝３８ｍｍ）を、ディスプレイとしてアップル社製３．５インチＬＣＤ〔ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）を利用〕を用いて、図１のように配置し、上記ディスプレイとフレネルレンズとの距離（間隙）を１０ｍｍにセットして、上記ディスプレイの表示面に「文字」を表示した。そして、上記フレネルレンズを介在させた場合とさせない場合の「空間像Ｉ’の大きさ」を、同一距離からデジタルカメラで撮影して比べてみると、フレネルレンズを介在させた場合は、フレネルレンズを介在させない場合に比べ、空間像Ｉ’が１．４倍に拡大されて投影（結像）されることが確認できた。

本発明の表示装置によれば、奥行き感に富むリアルな立体的二次元画像を、装置本体の上方に拡大して表示することができる。

Ｄディスプレイ
Ｄａ表示面
Ｍマイクロミラーアレイ
Ｍａ上面
Ｍｂ下面
Ｒフレネルレンズ
Ｉ画像
Ｉ’ 空間像

Claims

結像機能を有するパネル状の結像光学素子と、表示面を有するディスプレイとを備え、上記結像光学素子の結像機能により、上記結像光学素子の一面側に配置されたディスプレイの表示面に表示された映像を、この結像光学素子の他面側の空間に浮かび上がる空間像として結像させる表示装置であって、上記結像光学素子の一面と上記ディスプレイの表示面との間に、画像拡大機能を有する拡大光学素子が配設され、上記表示面に表示された映像が、上記結像光学素子の他面側の空間に拡大して投影されるようになっていることを特徴とする表示装置。
上記結像光学素子がマイクロミラーアレイであり、上記拡大光学素子がフレネルレンズであるとともに、この拡大光学素子およびディスプレイの表示面が、上記結像光学素子の一面に対して所定の傾斜角αで傾斜するように配置され、上記表示面に表示された映像が、上記結像光学素子の他面に対して斜め状に立ち上がる空間像として結像するようになっている請求項１記載の表示装置。