JP2014160183A - ３次元空中表示ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】判別することが不明瞭になってしまうようなキャラクターを持ったような被観察物でも正確な空中映像が得られる３次元空中表示ディスプレイ装置を提供する。
【解決手段】３次元空中表示ディスプレイ装置１は、被観察物４が存在する側の空間と観察者側の空間を仕切り且つ対称面を含む半透過性の基盤を有し且つ基盤を介して観察者側の空間に被観察物の実像を結像させる２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６と、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６を支持し且つ被観察物が存在する側の空間を覆う筐体３と、被観察物を照明する光源５と、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６に対する被観察物の位置を定める支持機構８と、を含むとともに、被観察物４は、結像すべき有意実像７を２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６内の対称面に対して面対称に写像した表面形状を有する物体である。
【選択図】図２

Description

本発明は、実鏡映像結像光学系を利用して、空中に被観察物の実像を結像させて見ることができるようにした３次元空中表示ディスプレイ装置に関する。

特許文献１は、実鏡映像結像光学系又は光学素子として、各々が互いに直交する２つの微小な鏡面（反射平面）からなる複数の単位光学素子（各々を２面コーナーリフレクタと称する）の平面的集合体を提案している。特許文献１は、複数の２面コーナーリフレクタを１つの平面上にアレイ状にすなわち碁盤目状に整列配置した２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を開示している。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子には、２面コーナーリフレクタとして、素子面を貫通する方向に想定される光学的な貫通穴の内壁を鏡面として利用するものや、透明材料からなる基盤の表面から突出した透明な筒状体の内壁を鏡面として利用するものがある。なお、透明な筒状体は光学的な穴を筒状に突出させてその内部を透光材料で充填した角柱等のプリズムであるので、以下、透明な筒状体を単に突出部と称することとする。

２面コーナーリフレクタアレイ光学素子においては、複数の整列された２面コーナーリフレクタ各々の各鏡面が素子面にほぼ垂直に直立配置されているので、該素子面の一方側に配置した被観察物からの光線は、該素子面を通過する際に２面コーナーリフレクタにて２回反射されて、光線が屈曲して素子面を通過して被観察物のない該素子面の他方の主面側の空間に実像として結像する。すなわち、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子は、被観察物が２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の素子面（対称面とも称する）に対して対称位置に存在するように、空中に被観察物の実像（実鏡映像）を結像させて見ることができる。

ＷＯ２００７−１１６６３９号公報

ところが、特許文献１に示した方法では、投影される空中映像が、裏表、上下の区別があり、それらが反転側から見ることによって、被観察物としてそれが何かを判別することが不明瞭になってしまう事があり、観察者等に正確な空中像を提供できない。

そこで本発明は、判別することが不明瞭になってしまうようなキャラクターを持ったような被観察物でも正確な空中映像が得られる３次元空中表示ディスプレイ装置を提供することを目的とする。

本発明の３次元空中表示ディスプレイ装置は、被観察物と、
前記被観察物が存在する側の空間と観察者側の空間を仕切り且つ対称面を含む半透過性の基盤を有し且つ前記基盤を介して前記観察者側の空間に前記被観察物の実像を結像させる２面コーナーリフレクタアレイ光学素子と、
前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を支持し且つ前記被観察物が存在する側の空間を覆う筐体と、
前記被観察物を照明する光源と、
前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子に対する前記被観察物の位置を定める支持機構と、を含み、
前記被観察物は、結像すべき有意実像を前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子内の対称面に対して面対称に写像した表面形状を有する物体であることを特徴とする。

図１は、本発明の実施例の３次元空中表示ディスプレイ装置の外観を示す概略斜視図である。 図２は、図１のＩ−Ｉ断面における一部切欠いた部分断面図である。 図３は、実施例の３次元空中表示ディスプレイ装置を一部分解して内部を示す概略斜視図である。 図４は、本発明の実施例に用いる２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の一部を模式的に示す概略部分平面図である。 図５は、図４の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の一部の２面コーナーリフレクタを模式的に示す概略部分切欠斜視図である。 図６は、本発明の実施例にかかる２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の１つの角錐台を模式的に示す斜視図である。 図７（ａ）は図５のＡ−Ａ断面における断面図であり、図７（ｂ）は図５のＢ−Ｂ断面における断面図である。 図８（ａ）は、実施例の３次元空中表示ディスプレイ装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の動作原理を説明するための１つの２面コーナーリフレクタの２つの直交鏡面の交線ＣＬをＹ軸に一致させて直交側面６１ａ，６１ｂが直角で開く範囲内で俯瞰した斜視図であり、図８（ｂ）は、Ｙ軸方向から眺めたＸＺ平面上の直交鏡面の平面図であり、図８（ｃ）は、Ｘ軸方向から眺めたＹＺ平面上の直交鏡面の平面図である。 図９は、実施例の３次元空中表示ディスプレイ装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイによる結像様式を模式的に示す概略平面図である。 図１０は、実施例の３次元空中表示ディスプレイ装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイによる結像様式を模式的に示す概略側面図である。 図１１は、実施例の３次元空中表示ディスプレイ装置の支持機構の一部を分解して示した概略斜視図である。 図１２は、実施例の３次元空中表示ディスプレイ装置を切り欠いて内部を示す概略斜視図である。 図１３は、本発明の他の実施例の３次元空中表示ディスプレイ装置の一部切欠いた部分断面図である。 図１４は、図１３の他の３次元空中表示ディスプレイ装置を一部分解して内部を示す概略斜視図である。

以下に、本発明の実施例の３次元空中表示ディスプレイ装置について、図面を用いて説明する。

図１に示すように、３次元空中表示ディスプレイ装置１は、筐体３と、筐体３の内部に配置された透光性材料からなる被観察物４と、被観察物４を照明する発光ダイオード等の光源５と、筐体３の頂面３ａに設けられた２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６と、備えている。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６は半透過性の基盤を有し且つ筐体３の内部に配置された被観察物４の実像７を外部の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６上に結像させる。

３次元空中表示ディスプレイ装置１は、さらに、光源５と共に被観察物４を定位置に支持する支持機構８と、を備えている。

光源５が被観察物４を照明したとき、光は被観察物４を通して２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６へ進行する。すなわち、この実施例において、光源５は透光性被観察物４を通して２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６へ照明する。

被観察物４が存在する側の空間を覆う筐体３の内部は、光源５の光を吸収するように黒等の暗色の着色が施されている。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６は、筐体３と共に、被観察物４が存在する内側の空間と観察者（図示せず）の存在する外側の空間を仕切る。

図２に示すように、被観察物４の支持機構８は、被観察物４を嵌め込むための支持板８ａ、一方の開口部で支持板８ａを支持する筒部８ｂと、筒部８ｂの他方の開口部を支持すると共にヒートシンクとして機能するベース板８ｃと、を有する。なお、支持機構８は、後述するが、ベース板８ｃを支持して筐体３に可動自在に固定するシャフトつきのＬ字形のステー（図示せず）と、シャフトを筐体３に固定するための留め具（図示せず）をも含む。光源５は筒部８ｂに囲まれるベース板８ｃの表面に配置されている。筒部８ｂは、ベース板８ｃに支持された光源５と被観察物４との間の光路を画定している。筒部８ｂの内面も光を吸収するように黒等の暗色の着色が施されていることが好ましい。

図２に示すように、支持機構８により、光源５と被観察物４との間の光路は、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６裏面に対して下方から斜め４５度（θ）をなすように、設定されている。よって、筐体３の内部の光源５を点灯させたとき、透光性の被観察物４を通過してきた光のうち、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６に入る光は、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６の対称面６Ｓ（素子面とも呼ばれる）上の複数の微細な鏡面（後述する）により反射され、外側の空間に被観察物４の実像７を形成する。

観察者は、筐体３の短手側面を正面に向け、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６を奥に見るような位置に筐体３を置き、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６を所定の角度分上方から見ることで、筐体３内に設置された被観察物４が、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６上にあたかも浮いているかのような実像７を見ることができる。実施例では、図２に示すように、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６表面に対して斜め４５度上方（θ）から観察者Ｖが見下ろすことで、実鏡映像７を確認することができる。この角度は、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６を構成する微細な鏡面いわゆる２面コーナーリフレクタの角度に依存する。

以下に、３次元空中表示ディスプレイ装置の要素ごとに詳細に説明する。

［筐体］
図３に示すように、筐体３は不透明の樹脂等の剛性材料によって作られたほぼ長方体の中空の箱である。

筐体３の頂面３ａには、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６とサイズを合わせた嵌め込み用の凹部状の光学素子用座部３ｂが設けられている。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６は光学素子用座部３ｂに嵌められ、光学素子用枠体３ｃによって、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６を筐体３へ固定される。すなわち、光学素子用座部３ｂに収められた２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６は、光学素子用枠体３ｃで上から挟み込まれ、光学素子用枠体３ｃ、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６、光学素子用座部３ｂの順に重ねられた後、光学素子用枠体３ｃの上から、筐体３に対してネジにて共締めされる。

光学素子用枠体３ｃは不透明の樹脂等の剛性材料によって構成されてもよい。なお、光学素子用座部３ｂも筐体３とは別個に不透明の樹脂によって構成されてもよい。

筐体３の両側面３ｄには、筐体３の内部における光源５の位置調整を行うための側面を貫通するスリット３eが平行にそれぞれ設けられている。光源位置調整用のスリット３eの近傍には、可動距離が視覚的に確認できるようにスリットの長手方向に沿って目盛（図示せず）が設けられている。

筐体３の両側面３ｄは筐体側面カバー３ｆで、筐体３の正面３ｇは筐体正面カバー３ｈでそれぞれ覆われる。これらカバーは不透明の樹脂等の剛性材料によって板状に作られている。２枚の筐体側面カバー３ｆはスリット３eから光源５の漏れ光が見えるのを防ぐために、筐体３に対してネジによって取り付けられている。筐体正面カバー３ｈは筐体３内部に光源５や内部構造を組み立てるための正面開口を塞ぐため、筐体３に対してネジによって取り付けられている。これらカバーの固定はネジに限らず、それに準ずる固定方法であれば方式はどんなものでも良い。

［２面コーナーリフレクタアレイ光学素子］
図４は１つの２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６の一部の平面図を示す。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６は、透明材料からなる基盤６０と、その上に一体的に碁盤目状に成型された複数の角錐台の突出部５１と、から構成されている。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６の表面には、それぞれが同一な角柱形状の複数の角錐台の突出部５１が整列されて設けられている。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６の裏面は平坦面である。

図５は図４の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６の一部（４×４の突出部５１）の斜視図を示す。１つの角錐台の突出部５１のうち隣接して直交する２つの内壁面６１ａ，６１ｂが２面コーナーリフレクタ６１である。 角錐台の突出部５１の４つの内側面の内の２つが基盤６０の主面に対して垂直面となり、他の２面が基盤６０の法線に対して傾斜したテーパー面となっている。

図５に示すように、基盤６０の裏側から入射し角錐台の突出部５１の内壁面６１ａ，６１ｂへ向かう光線は内壁面６１ａ，６１ｂで２回反射され、角錐台の突出部５１の上面から射出される。角錐台の突出部５１の各々には２面コーナーリフレクタ６１として２つの直交する側面（鏡面６１ａ，６１ｂ）が形成され、２面コーナーリフレクタを形成する上面と底面を除く２鏡面以外の側面６２ａ，６２ｂが基盤６０の主面の法線から一定の角度（傾斜面）を持っている。図５において側面６２ａは角錐台の突出部５１の奥側で見えていない。

図５に示すように、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６のいずれにおいても、各２面コーナーリフレクタ６１の２つの直交側面６１ａ，６１ｂの交線ＣＬは基盤６０の主面に直交する。各２面コーナーリフレクタ６１は、基盤６０の上において直交側面６１ａ，６１ｂがなす内角が全て同じ向きとなるように、規則的な格子点上に整列させて形成されている。すなわち、２面コーナーリフレクタ６１のすべては、基盤６０の主面に垂直で且つ直交側面６１ａ，６１ｂの内角の向きが一定方向に揃うように、同一ピッチでマトリクス状に整列されて基盤６０に一体的に形成されている。例えば、矩形の基盤６０に同一の複数の矩形の２面コーナーリフレクタ６１が矩形となるように配列されている。２面コーナーリフレクタ６１は光学的には必ずしも規則的に整列させる必要はないが、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を作製する上では規則的に配列させた方が好ましい。

図６は２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の１つの角錐台の突出部５１を模式的に示す斜視図を示す。

図６に示すように、１つの角錐台の突出部５１は基盤６０と一体となる底面５２とその面積より小なる面積の上面５３を有する。角錐台の突出部５１は２面コーナーリフレクタの直交側面６１ａ，６１ｂを含む立方体形状部Ｃと、立方体形状部Ｃと一体となった２面コーナーリフレクタ以外の側面６２ａ，６２ｂを平面として含むテーパー部Ｔと、からなる。角錐台突出部５１は、その４つある側面６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂのうちの直交する２面６１ａ，６１ｂが基盤６０と垂直な平面（２面コーナーリフレクタ６１）として形成され、且つ、当該２面以外の側面６２ａ，６２ｂが、角錐台突出部５１の基盤６０の側の平面（底面）から基盤側とは反対側の平面（上面）の方が小さくなるような傾斜をつけた平面として形成された構造を有する。樹脂成型法又は熱プレス成型によれば、薄い平板状の基盤６０の上に、平面視でほぼ角錐台（例えば正方形底面）の突出部５１（一辺が例えば５０〜２００μｍ）の多数を離型性よく形成できる。基盤６０の法線から傾斜する側面６２ａ，６２ｂの傾斜角度が５度以上２５度以下であることが好ましい。この傾斜角度は５度以上であれば、樹脂成型法のいわゆる「抜きテーパー」として働くため、金型からの２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６の成形品の取り外しを容易にすることができる。スタンパからの２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６の取り外しを考えると、この傾斜角度は大きい方が良いが、大き過ぎると２面コーナーリフレクタ６１で反射した光の出射面である角錐台突出部５１の上面の面積が小さくなることにより被観察物の実像（実鏡映像）が暗くなってしまう。また、上記上面面積を確保した場合には角錐台突出部５１の底面の面積が大きくなり単位面積当りの２面コーナーリフレクタ６１の数が減少してしまうため、やはり被観察物の実像（実鏡映像）が暗くなってしまう。これら相反する現象に対して様々な傾斜角度のスタンパを用いて成型実験を行った結果、上記傾斜角度は５度以上２５度以下にすることが好適である。角錐台突出部５１において、２面コーナーリフレクタ６１を形成する２面以外の側面（上面と底面除く）は２面存在することになり、その両面に上記傾斜を付けることになるが、それら両面の傾斜角度は等しくても良いし、等しくなくても良い。

図７に図５のＡ−Ａ断面及びＢ−Ｂ断面における拡大部分断面図を示す。

図７に記載した角錐台の突出部５１の寸法Ｈ、Ｌ、Ｄ及び角度φの値は、例えば、高さＨ＝１７０μｍ、正方形上面一辺Ｌ＝１５０μｍ、間隔Ｄ＝１０μｍ、テーパー角度φ＝１０８°である。角錐台の突出部５１は樹脂成型時の抜きテーパーを考慮した傾斜面（基盤に垂直な面からの角度１８度）を持つが、これら寸法は代表値であり、本発明の突出部５１は角錐台に限定されるものではない。

なお、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の作製方法としては、金型を用いたアクリル等の樹脂の射出成型法及び熱プレス成型法がある。スタンパ等の金型はナノ加工により金属製マスター板に複数の角錐台や直方体、立方体等の突出部に対応した形状を作製してから電鋳反転工法により作製できる。他の２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の作製方法として、例えば、直接Ｘ線リソグラフィ法等を用いることにより、透明樹脂基盤に直接、４面垂直側壁を持った突出部の複数を作製することができる。

また、２面コーナーリフレクタ６１として、透明基盤の表面から突出した透明突出部の内壁を鏡面として利用するものの他に、基盤を貫通する立方体形状の貫通穴５０の内壁を利用することができる。

２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の動作原理をＸＹＺ直交座標を用いて説明する。

図８（ａ）は１つの２面コーナーリフレクタ６１を、その２つの直交側面６１ａ，６１ｂの交線ＣＬを座標のＹ軸に一致させて直交側面６１ａ，６１ｂが直角で開く角度範囲内（ＸＹ平面から４５°から１３５°）で俯瞰した斜視図である。図８（ｂ）は、Ｙ軸方向から眺めたＸＺ平面上の直交側面６１ａ，６１ｂの平面図である。図８（ｃ）は、Ｘ軸方向から眺めたＹＺ平面上の直交側面６１ａ，６１ｂの平面図である。

図８（ａ）示すように、直交側面６１ｂの鏡面へ光線を下方から或角度で入射させると、直交側面６１ｂは点Ａにて光線を正反射し、反射光線を直交側面６１ａの鏡面へ他の角度で入射させる。直交側面６１ａは点Ｂにて光線を正反射し上方へ射出する。

図８（ｂ）示すように、入射光線は直交側面６１ａ，６１ｂ（点Ａ，点Ｂ）で２回反射され、Ｙ軸方向から眺めれば、射出光線は入射光線と平行になって同一方向へ戻されるように見える。すなわち、ＸＺ平面上の２面コーナーリフレクタ６１への入射光線であれば、ＸＺ平面のＹ軸から開く直交側面６１ａ，６１ｂの角度範囲内（９０度未満）で反転した光線として同一方向へ戻るすなわち、ＸＹ平面にて再帰反射することになる。

図８（ｃ）示すように、入射光線は直交側面６１ａ，６１ｂ（点Ａ，点Ｂ）で２回反射されるが、Ｘ軸方向から眺めれば、射出光線はＸＹ平面にて正反射して上方へ射出するように見える。すなわち、ＸＹ平面（交線ＣＬ，Ｙ軸）上の２面コーナーリフレクタ６１への入射光線であれば、直交側面６１ａ，６１ｂによる再帰性反射は現れない。

このように、２面コーナーリフレクタ６１が数十〜数百μｍオーダーの大きさであれば、ＸＹ平面で入射光線と射出光線とは再帰反射と正反射が達成されるので、入射光線と射出光線はＸＺ平面（対称面，素子面６Ｓ）に関して略面対称関係となる。

従って、複数の２面コーナーリフレクタ６１を素子面６Ｓにアレイ化した２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６の一方主面から入射した発光体の発散光は他方主面かから射出し、当該素子面６Ｓに対する発光体の面対称位置に収束する。２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６の素子面６Ｓは２面コーナーリフレクタ６１を構成するそれぞれ２つの鏡面６１ａ，６１ｂに対してほぼ垂直な仮想的な平面である。

図９に２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６を部分的に示す平面的な模式図で、図１０に２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６の模式的な側面図でそれぞれ示す。なお、２面コーナーリフレクタ６１は２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６の全体の大きさ（数十ｃｍオーダー）と比べて非常に微小（数十〜数百μｍオーダー）であるので、図９及び図１０では２面コーナーリフレクタ６１の内角の向きをＶ字形状で概念的に表してある。図９及び図１０に示すように、点光源ｏから発せられる光（１点鎖線矢印で示す。図９において３次元的には紙面奥側から紙面手前側へ進行する）は、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６を通過する際に、２面コーナーリフレクタ６１を構成する一方の鏡面６１ａ（又は６１ｂ）で反射して更に他方の鏡面６１ｂ（又は６１ａ）で反射した後に素子面（図１０の６Ｓ）を通過し、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６の素子面６Ｓに対して点光源ｏの面対称位置を広がりながら通過する。図９では入射光と反射光とが平行をなすように表されているが、これは図９では点光源ｏに対して２面コーナーリフレクタ６１を誇張して大きく記載しているためであり、実際には各２面コーナーリフレクタ６１は極めて微小なものであるため、図９のように２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６を上方から見た場合には、入射光と反射光とは殆ど重なってみえる。すなわち、結局は点光源ｏの素子面６Ｓに対する面対称位置に透過光が集まり、図１０においてｐの面対称位置に実鏡映像として結像することになる。

［被観察物］
図２に示す被観察物４は、結像すべき有意実像７を２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６内の対称面６Ｓに対して面対称に写像した表面形状７ａを有する透光性物体である。結像すべき有意実像は、例えばキャラクター等の意味を持った物体であって、単純な幾何学形態ではなく、裏表、上下の区別があり、それらが反転して見えることによって何かを判別することが不明瞭になってしまう場合があるような物体の像である。例えば、縁日にて露店で販売されるかもしれないプラスチックフィルム製仮面のような彩色してある半透明か透明材の被観察物４は光源側に表示させたい凸面を向け（つまり外側から見ると被観察物４の内側が見える状態）、表示させたい有意実像とは上下方向が逆向きになるよう設置し、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６に対して所定の角度で保持する。実施例の場合は２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６に対して４５度を保持している。このように結像すべき有意実像７の表裏を逆に、上下方向も逆向きで設置することで、筐体３の正面から空中の実鏡映像を見た時、あたかも実物が空中に浮かんでいるかのように見ることができる。

図１１は、実施例の３次元空中表示ディスプレイ装置の支持機構の一部を分解して被観察物４と光源５の関係を示した概略斜視図である。

実施例の場合、図２及び図１１に示すように、有意実像の凹凸を反転させた表面形状７ａを有する被観察物４を、凹面を２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６側に向け、さらに上下方向を逆にした状態で支持板８ａに固定し、一方の筒部８ｂの開口部８ｂ１に取り付ける。一方、支持板８ａを取り付けていない方の筒部８ｂの開口部８ｂ２に光源５が設置される。このような構成によって、筒部８ｂの内部の光路で拡散した光が半透明又は透明材で作られた被観察物４内を通り、通り抜けた光が２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６に到達し、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６に到達した光によって実鏡映像７が空中に表示される。実施例の場合、筒部８ｂの内部の光源５と被観察物４の間に拡散板５ａ等の光学系を設置することで、光源５からの光の配光を調整した上で被観察物４に照射しているが、必ずしも設けなくとも良い。さらに、筒部８ｂの内部の光源５から被観察物４の間の光路において凹レンズ又は凸レンズ等を設置して、被観察物４への光の照射範囲を変化させても良い。

このように、実施例の３次元空中表示ディスプレイ装置において、被観察物４を照明する光源５と、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６に対する被観察物の位置を定める支持機構８と、を含み、被観察物４は、結像すべき有意実像７を２面コーナーリフレクタアレイ光学素子内の対称面６Ｓに対して面対称に写像した表面形状を有する物体であるため、単純な幾何学形態ではなく、裏表、上下の区別があり、それらが反転側（逆方面）から見ることによって、それが何かを判別することが不明瞭になってしまうようなキャラクターを持ったような被観察物を表示する場合、キャラクターを損なうことなく、空中に実鏡映像を表示することができる。

被観察物４が透光性材料又は不透明材の素材で形成されても、それぞれの素材に合った位置関係で光を照射することによって、キャラクターを損なうことなく空中に実鏡映像を表示することができる。

よって、３次元空中表示ディスプレイ装置によれば、車両用信号灯、遊技機器、広告の看板、自動販売機等の一部の表示要素として、使用者等に正確な空中像を提供できる。

［光源］
図２及び図１１に示すように、ヒートシンクとして機能するベース板８ｃは、被観察物４を取り付けた支持板８ａを取り付けた筒部８ｂの、支持板８ａが取りついていない方の開口部８ｂ２を塞ぐような形で固着されている。

光源５は筒部８ｂの開口部８ｂ２の中心に位置するようにベース板８ｃ上に設置されることが望ましい。光源５は、筒部８ｂの内部に収まり、拡散光で被観察物４を照射可能なものであれば発光ダイオードＬＥＤに限らない。また、拡散板５ａ等で光を筒部８ｂの内部の広範囲にムラなく照射することができれば、必ずしも光源５が筒部８ｂの開口部の中心にある必要はない。ベース板８ｃが開口部８ｂ２を塞ぐような形で設置することによって、筒部８ｂの内部から乱反射した光が漏れてくるのを防いでいる。

光源５は、基板５ｂに半田等によって予め固定されている。

光源５を乗せた基板５ｂの反対の裏面が、熱伝導シート５ｃを挟んでベース板８ｃ上に貼着されている。

ヒートシンクとして機能するベース板８ｃは、その光源５を乗せた平面の反対の裏面に複数のフィン５ｄを備えた金属板である。フィン５ｄと熱伝導シート５ｃにより、光源５が設置された基板５ｂの熱を放熱する。

［支持機構］
図１２は、実施例の３次元空中表示ディスプレイ装置を切り欠いて内部を示す概略斜視図である。

図１２及び図１１に示すように、支持機構８は、前述した被観察物４を嵌め込むための支持板８ａ、筒部８ｂ、及びヒートシンクとして機能するベース板８ｃ、並びに、筐体に設けられたスリット３ｅ上を可動自在とするためのシャフト８ｄと回転防止用凸部８ｅとが設けられたステー８fと、ステー８fのシャフト８ｄを固定するための留め具８gから構成される。

ステー８fは金属製のＬ字型形状を有しており、左右１個ずつ、一対がヒートシンクとして機能するベース板８ｃのベース面に対してネジ止めされ、ベース面に沿って眺めたとき全体がコ字形状になるように組み立てられている。そして、一対のステー８fは、それらの一対のシャフト８ｄが同軸となるようにベース板８ｃの両脇にネジ留めされている。なお、ステー８fのベース部は金属板を曲げ加工することによってＬ字形に作製されてもよい。

図１１及び図１２に示すように、ステー８fのＬ字型を構成する２面のうち、一方の面には、筐体３に開けられたスリット３ｅの幅とほぼ同じ径の凸部（シャフト８ｄ）と回転防止の凸部８ｅとが設けられており、２つの凸部がスリット３ｅ内を滑ることでベース板８ｃと共に光源５の位置変更が可能になっている。

ステー８fの凸部８ｅが設けられていないＬ字脚のもう一方の面にはネジ穴（図示せず）が設けられており、ネジ（図示せず）によってベース板８ｃに固定されている。

シャフト８ｄにはボルトのようにネジが切られており、同軸となっている一対のシャフト８ｄが凸部８ｅと共に筐体３の両側面を貫通する平行なスリット３eに挿入されて、筐体３の両側面を挟んで互いに反対側より、ナットのようなネジが切られた留め具８gによって締められ、ベース板８ｃが筐体３に固定される。こうすることによって筐体３内で、光源５の位置変更と固定が可能になっている。回転防止用凸部８ｅはスリット３ｅ内での光源５の角度を一定に保つ機能を有する。なお、実施例では、ステー８fはシャフト８ｄと留め具８g及び回転防止用凸部８ｅによって同じ角度に固定されるが、固定方法はこれに限らない。

［その他の実施例］
上記の実施例においては、透光性材料の被観察物に対して２面コーナーリフレクタアレイ光学素子の反対から照明する内照式の場合を説明したが、他の実施例として、３次元空中表示ディスプレイ装置において、被観察物が不透光性材料からなり、光源が２面コーナーリフレクタアレイ光学素子側から被観察物へ照明する外照式とすることができる。

図１３は、本発明の他の実施例の３次元空中表示ディスプレイ装置の一部切欠いた部分断面図である。図１４は、図１３の３次元空中表示ディスプレイ装置を一部分解して内部を示す概略斜視図である。この実施例は、図１、図２及び図１１に示す先の実施例の構成要素のうち、光源５を乗せたベース板８ｃに代え無光源ベース板８０を採用し、光源を２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６の周縁の筐体３内部の頂面裏に冷陰極管蛍光ランプＣＣＦＬを設けた以外、同一の構成を有することができる。

不透明材で作られている被観察物を使用する場合は、結像すべき有意実像を２面コーナーリフレクタアレイ光学素子内の対称面に対して面対称に写像した表面形状７ａを有する物体４０を作製する。そして当該第２の被観察物４０に必要ならば彩色しておくことができる。なお、彩色されるのであれば第２の被観察物４０の基材は透光性を問わない。

図１３に示すように、無光源ベース板８０に第２の被観察物４０を、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６に対して所定の角度で筐体３内部にて固定する。固定の方法は、先の実施例と同様でも良く、第２の被観察物４０の形状によって適宜最適な方法を採用することができる。なお、取付け部までもが実鏡映像として表示されないように、筐体３内部の要素は光を吸収するように黒等の暗色のマット仕上げ等が施される。

光源は冷陰極管蛍光ランプＣＣＦＬに限定されず、ＬＥＤでもよいが、筐体３内に被観察物４を照らし出せるような第２の被観察物４０と２面コーナーリフレクタアレイ光学素子６の間を除く２面コーナーリフレクタアレイ光学素子側から第２の被観察物４０へ照明できる位置関係で設置する。また、光源は２面コーナーリフレクタアレイ光学素子から外部へ光が漏れない位置に設置する。例えば、図示しないが、第２の被観察物と光源との位置関係は、例えば第２の被観察物の左右斜め下より、ライトアップするように第２の被観察物を照射し、２面コーナーリフレクタアレイ光学素子へ光を届ける仕組みが挙げられる。この実施例でも、冷陰極管蛍光ランプＣＣＦＬを点灯すれば、上記の例と同様に第２の被観察物４０の実鏡映像が空中に結像され表示される。

１ ３次元空中表示ディスプレイ装置
３ 筐体
３ａ 頂面
３ｂ 光学素子用座部
３ｃ 光学素子用枠体
３ｄ 側面
３e スリット
３f 筐体側面カバー
３ｇ 正面
３ｈ 筐体正面カバー
４ 被観察物
５ 光源
５ａ 拡散板
５ｂ 基板
５ｃ 熱伝導シート
６ ２面コーナーリフレクタアレイ光学素子
６Ｓ 素子面
７ 実像
８ 支持機構
８ａ 支持板
８ｂ 筒部
８ｃ ベース板
８ｄ 軸
８ｅ 凸部
８f ステー
８g 留め具
４０ 第２の被観察物
５１ 角錐台
５２ 底面
５３ 上面
６０ 基盤
６１ ２面コーナーリフレクタ
６１ａ，６１ｂ 直交側面（鏡面）
６２ａ，６２ｂ ２面コーナーリフレクタ以外の側面（テーパー面）
８０ 無光源ベース板
ＣＬ 鏡面の交線
Ｃ 立方体形状部
Ｔ テーパー部
ＣＣＦＬ 冷陰極管蛍光ランプ

Claims (4)

1. 被観察物と、
   前記被観察物が存在する側の空間と観察者側の空間を仕切り且つ対称面を含む半透過性の基盤を有し且つ前記基盤を介して前記観察者側の空間に前記被観察物の実像を結像させる２面コーナーリフレクタアレイ光学素子と、
   前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子を支持し且つ前記被観察物が存在する側の空間を覆う筐体と、
   前記被観察物を照明する光源と、
   前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子に対する前記被観察物の位置を定める支持機構と、を含み、
   前記被観察物は、結像すべき有意実像を前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子内の対称面に対して面対称に写像した表面形状を有する物体であることを特徴とする３次元空中表示ディスプレイ装置。
2. 前記被観察物が透光性材料からなり、
   前記光源が前記被観察物を通して前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子へ照明することを特徴とする請求項１に記載の３次元空中表示ディスプレイ装置。
3. 前記光源が前記被観察物とともに前記支持機構に支持され、前記光源と前記被観察物の間の光路を画定する筒部を有することを特徴とする請求項２に記載の３次元空中表示ディスプレイ装置。
4. 前記被観察物が不透光性材料からなり、
   前記光源が前記２面コーナーリフレクタアレイ光学素子側から前記被観察物へ照明することを特徴とする請求項１に記載の３次元空中表示ディスプレイ装置。

Images