JP2024059679A - 浮遊ディスプレイ用の光学結像システム、装置及びアラウンドビューディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一方向の視差を有する浮遊ディスプレイを実現すると共に、より薄型で軽量かつ低コストを可能にする浮遊ディスプレイ用の光学結像システムを提供する。【解決手段】浮遊ディスプレイ用の結像ユニットは、その光軸に沿って被写体面、第１の像平面および第２の像平面を順に画定する結像ユニットであって、結像ユニットは、一次元再帰反射スクリーンを備える、第１の方向に光を集光するように配置された主結像ユニットを備え、光軸上において被写体面と前記第１の像平面との間に介在され、光軸にそれぞれ直交する第１の方向および第２の方向において異なる、光線を集光する能力を有し、結像ユニットは、被写体面上の点からの光ビームが、第１の像平面に第１の方向のライン像を形成し、被写体面上の点からの光ビームが、第２の像平面に第２の方向のライン像を形成するように配置される。【選択図】図１Ａ

Description

本明細書に記載された実施例は、総体的に光学ディスプレイの技術分野に関して、より具体的には、裸眼３Ｄ表示に用いられることができる、浮遊ディスプレイ用の光学結像システム、浮遊ディスプレイ装置およびアラウンドビューディスプレイ装置に関する。

多くのディスプレイ技術の中で、空中浮遊ディスプレイ技術は画像を空中に浮かべることができ、見る者に強い視覚的衝撃と真か否かの触覚的な体験を与えることから、多くの研究者の注目を集めている。

従来の浮遊ディスプレイ技術は、再帰反射スクリーン、レンズ群、または集積結像を使用して浮遊ディスプレイを実現する技術を含む。しかしながら、再帰反射スクリーンまたはレンズ群の方法では、ディスプレイシステムの体積は大きく、浮遊画像の増加に伴い、ディスプレイシステムの体積も増加する必要があり、集積結像の方式では、多くのマイクロディスプレイユニットが空中に浮遊画像を投射し形成する必要があり、高い解像度を実現するのが難しく、同時にスクリーンのコストが高すぎる。
したがって、本分野では、浮遊ディスプレイのための新しい技術方案が必要となる。

本発明の例示的な実施例は、単一方向の視差を有する浮遊ディスプレイを実現することができると同時に、より薄型で軽量かつ低コストの設計を可能にする浮遊ディスプレイ用の光学結像システムを提供することを目的にする。

具体的には、本発明の例示的な実施例により、
その光軸に沿って被写体面、第１の像平面および第２の像平面を順に画定する結像ユニットであって、前記結像ユニットは、一次元再帰反射スクリーンを備える、第１の方向に光を集光するように配置された主結像ユニットを備え、光軸上において前記被写体面と前記第１の像平面との間に介在され、前記光軸にそれぞれ直交する第１の方向および第２の方向において異なる、光線を集光する能力を有し、前記結像ユニットは、前記被写体面上の点からの光ビームが、前記第１の像平面に前記第１の方向のライン像を形成し、前記被写体面上の点からの光ビームが、前記第２の像平面に前記第２の方向のライン像を形成するように配置されたことを特徴とする浮遊ディスプレイ装置用の結像ユニット
を提供する。

本発明のもう一つの実施例により、上述したような結像ユニットと、１つの画像を構成する光を前記結像ユニットの被写体面に向けて射出するように配置された画像表示ユニットとを備える浮遊ディスプレイ装置を提供する。

本発明のもう一つの実施例により、スプライス状に配置された、上記記載の浮遊ディスプレイ装置を複数備えたアラウンドビューディスプレイ装置を提供する。

本発明は、本発明の例示的な実施例について添付の図面を参照しながら説明することによって、本発明をよりよく理解されるであろう。添付の図面において、
本発明の実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム１００の結像プロセスの原理概略図を示す。 本発明の実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム１００のそれぞれ水平方向および垂直方向における光線伝搬の原理概略図を示す。 本発明の実施例に係る被写体面上の一点の光線の光学結像システム１００における結像の概略図を示す。 選択可能な実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム２００のそれぞれ第１の方向および第２の方向における光線伝搬の原理概略図を示す。 本発明の実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム３００の結像プロセスの原理概略図を示す。 本発明の実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム３００のそれぞれ第１の方向および第２の方向における光線伝搬の原理概略図を示す。 本発明の実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム４００のそれぞれ第１の方向および第２の方向における光線伝搬の原理概略図を示す。 本発明の実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム５００のそれぞれ第１の方向および第２の方向における光線伝搬の原理概略図を示す。 本発明の実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム６００のそれぞれ第１の方向および第２の方向における光線伝搬の原理概略図を示す。 本発明の実施例による結像ユニットの素子例を示す。 本発明の実施例に係る一次元再帰反射スクリーンの例を示す。 本発明の実施例による散乱スクリーンの例を示す。 本発明の実施例によるルーバー遮光構造の例を示す。 本発明の実施例による中継結像ユニットを追加する概略図を示す。 本発明の実施例による選択可能なアフォーカルシステムの概略図を示す。 本発明の第１例による浮遊ディスプレイ装置の概略図を示す。 本発明の第１例による浮遊ディスプレイ装置の概略図を示す。 本発明の第１例による浮遊ディスプレイ装置の概略図を示す。 本発明の第２例による浮遊ディスプレイ装置の概略的側面図及び平面図を示す。 本発明の第３例による浮遊ディスプレイ装置の概略図を示す。 本発明の第４例による浮遊ディスプレイ装置の概略的斜視図を示す。 本発明の第４例による浮遊ディスプレイ装置の概略的側面図を示す。 本発明の第４例による浮遊ディスプレイ装置の概略的平面図を示す。 本発明の第５例による浮遊ディスプレイ装置の概略図を示す。 本発明の第６例による浮遊ディスプレイ装置の概略図を示す。 本発明の第７例による浮遊ディスプレイ装置の概略図を示す。 本発明の第８例による浮遊ディスプレイ装置の概略図を示す。 本発明の実施例による環視表示装置２０００の概略図を示す。 本発明の実施例による環視表示装置２０００の概略図を示す。 本発明の実施例による環視表示装置２０００の概略図を示す。

以下、本発明の具体的な実施形態について説明するが、これらの実施形態の具体的な説明において、簡潔に説明するために、本明細書では、実際の実施形態の全ての特徴を完全に説明することは不可能であることに留意されたい。理解されるべきことは、いずれかの実施形態の実際に実施される過程において、いずれかのエンジニアリングプロジェクトまたは設計プロジェクトの過程において、開発者の具体的な目標を達成するために、システム関連または商業関連の制約を満たすために、様々な具体的な意思決定が行われることがよくあるように、これもある実施形態から別の実施形態へと変化することがある。また、理解できるのは、このような開発には複雑で冗長な努力が必要であるかもしれないが、本発明に開示した内容に関連する当業者にとっては、本開示で開示された技術内容を基に行われる設計、製造又は生産等の変更の一部は既存の技術的手段に過ぎず、本開示の内容が不十分であると理解すべきではない。

別段の定義がない限り、特許請求の範囲及び明細書において使用される技術用語又は科学用語は、当該発明が属する技術分野において一般的な技能を有する者が理解する一般的な意味を有するものでなければならない。本発明特許出願の明細書及び特許請求の範囲において使用されている「第１」、「第２」及び類似の語句は、いかなる順序、数量又は重要性を示すものではなく、単に異なる構成部分を区別するために使用されている。「１つ」や「１」などの類似語は数量制限を示すものではなく、少なくとも１つ存在することを示している。「備える」又は「含む」等の類似の語句は、「備える」又は「含む」の前にある素子又は被写体が「備える」又は「含む」の後に列挙された素子又は被写体及びその均等な素子を包含することを意味しており、他の素子又は被写体を排除するものではない。「接続」や「つながる」などの類似の語句は物理的あるいは機械的な接続に限定するものではなく、直接的なものか間接的なものかに限定下するものでもない。

図１Ａは本発明の実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム１００の結像プロセスの原理概略図を示す。図１Ｂは本発明の実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム１００のそれぞれ水平方向および垂直方向における光線伝搬の原理の概略図を示す。

図１Ａの光線伝送斜視図を参照すると、本発明の実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム１００は、その光軸に沿って、被写体面１０、第１の像平面１０１および第２の像平面１０２を順に画定することができる。光学結像システムは、少なくとも１つの結像ユニット１１０と一次散乱スクリーン１２０とを備えることができる。少なくとも１つの結像ユニット１１０は、光軸上で前記被写体面と第１の像平面との間に介在し、第１の方向と第２の方向とにおいて異なる、光線を集光する能力を有する。第１の方向と第２の方向は、それぞれ光軸に直交する。主散乱スクリーン１２０は、光を第２の方向に発散する。光学結像システム１００は、被写体面１０上の点からの光ビームが第１の像平面１０１に第１の方向のライン像を形成し、被写体面１０上の点からの光ビームが第２の像面１０２に第２の方向のライン像を形成するように配置されている。第２の像平面１０２は、浮遊画像面である。好ましくは、主散乱スクリーン１２０は、第１の像平面１０１の焦点深度（一般に被写界深度と呼んでもよい）内に配置されることができる。

光学結像システム１００の光ビーム伝搬は、第１の方向および第２の方向のそれぞれにおいて断面解析される。第１の方向は、第２の方向と実質的に直交し得る。例えば、第１の方向は水平方向であってもよく、第２の方向は垂直方向であってもよく、その逆であってもよい。図１Ｂを参照すると、第１の方向において、被写体面１０上の被写体点ａ１、ｏ、ａ２から発せられた光線は、より大きな発散角を有し、少なくとも１つの結像ユニット１１０（例えば、レンズ、再帰反射スクリーン、シリンドリカルミラーなど）を通って、第２の像平面１０２にａ１'、ｏ"、ａ２'として結像される。第２の方向において、被写体点ｂ１、ｏ、ｂ２から発せられた光線は、少なくとも１つの結像ユニット１１０を通って第１の像平面１０１に結像され、像点ｂ１'、ｏ'、ｂ２'を形成する。主散乱スクリーン１２０は、第１の像平面１０１の焦点深度内に配置され（例として、図では第１の像平面１０１に配置されていることを示す）、像点ｂ１'，ｏ'，ｂ２'の光線は、散乱スクリーン１２０によって第２の方向に散乱されて、第２の方向に大きな視野角範囲が形成される。このように、被写体面１０上の点が第１の方向に沿って主結像ユニット１１０によって結像された像側開き角（aperture angle）が、両眼視差条件を満足するように相対的に大きく（すなわち、２０度以上、好ましくは３０度以上）することで、第２の像平面１０２に、第１の方向の視差を有し第２の方向の視差を有しない浮遊画像が形成されることができる。

図２は本発明の実施例による被写体面上の一点の光線の光学結像システム１００における結像を示す概略図である。図２からわかるように、被写体面１０上の１点ｐは、結像ユニット１１０を介して、第１の像平面１０１および第２の像平面１０２のそれぞれにライン像ａｂおよびライン像ｃｄを形成する。

被写体面１０は、自発光ディスプレイの表示面であってもよく、投影型ディスプレイによって生成された投影面であってもよく、ディスプレイ（すなわち、画像源）から射出される光線が光線発散角度の要求に従って設定されてもよい。特に、被写体面上の被写体点から射出された光線は、第１の方向に一定の被写体側開き角（例えば、３０度から１８０度、具体的には、必要に応じて、像側開き角とラプラス不変量式との組み合わせによって決定される）を有する必要があり、これは光源（すなわち、画像源）の固有の特性によって、または光源（すなわち、画像源）からの光線を変調することによって実現されることができる。例えば、ＯＬＥＤ等の自発光ディスプレイは、大きな発散角を有する光線を発することができるので、その表示面が上記光学結像システム１００の被写体面に設置されることにより、浮遊ディスプレイの効果を実現することができる。

あるいは、被写体面１０上の被写体点から発せられた光線が第１の方向に大きな発散角を有しない場合には、第１の方向に光を発散するために被写体面１０において付加散乱スクリーンを設けることで、この付加散乱スクリーンから射出された光が第１の方向に大きな発散角を有するようにしてもよい。

以上のように、少なくとも１つの結像ユニット１１０は、第１の方向と第２の方向とで異なる、光線を集光する能力を有するように配置されている。レンズの場合、第１の方向と第２の方向とは異なる焦点距離ｆを有し、ｆは∞であってもよく、例えばシリンドリカルミラーは、第２の方向においてｆは∞である。一次元再帰反射スクリーンはこのような効果を実現するためにも用いられることができる。結像ユニット１１０は、結像するための主結像ユニットと、光線を伝搬または変調するための１つ以上の補助結像ユニットまたは光学素子とを備えることができる。なお、少なくとも１つの結像ユニット１１０における各々は、１つの光学素子であってもよいし、複数の光学素子の組み合わせであってもよい。

あるいは、いくつかの実施例では、少なくとも１つの結像ユニット１１０は、主結像ユニットおよび補助結像ユニットを備えることができる。主結像ユニットは、第１の方向に光線を集光するように配置されている。補助結像ユニットは、被写体面１０と第１の像平面１０１との間の任意の位置に設置されることができる。補助結像ユニットは、第２の方向に被写体面１０からの光線を拘束するための一次元開口絞りを備えることができる。一次元開口絞りは、例えばスリット格子であってもよい。一次元開口絞りは、第２の方向に相対的に大きな焦点深度が得られるように十分に小さく配置されることができる。補助結像ユニットは被写体面１０からのより多くの光線が当該一次元開口絞りを通過して結像光強度を高めることができるように、第２の方向に光線を集光するために被写体面１０と一次元開口絞りとの間に配置された光学要素を備えることができる。好ましくは、光学素子は、被写体面上の点からの光ビームを、光ビームが開口絞りを通過した後の光ビーム発散角が０に近づくように第２の方向に略平行光に変換することができる。例えば、光学素子は、レンズ又はレンズ群であってもよい。

あるいは、少なくとも１つの結像ユニットは、図１１Ｂに示すように、アフォーカルシステムの入射瞳からアフォーカルシステムへの異なる入射角度の第２の方向の平行ビームが、アフォーカルシステムを通過した後、その射出瞳での射出ビームが依然として異なる角度の第２の方向の平行ビームであるように、第２の方向にアフォーカルシステムを構成する複数の光学素子を備えることができる。

図３は選択可能な実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム２００のそれぞれ第１の方向および第２の方向における光線伝搬の原理概略図を示す。光学結像システム２００のいくつかの詳細は、図１Ａ～１Ｂに関して説明された光学結像システム１００と同じであり、ここで説明を省略する。以下、主に光学結像システム２００の相違点を説明する。

光学結像システム２００の光ビーム伝搬は、第１の方向および第２の方向のそれぞれにおいて断面解析される。図２を参照すると、第１の方向において、被写体面１０上の被写体点ａ１、ｏ、ａ２から発せられた光線は、より大きな発散角を有し、主結像ユニット２１１を通って、第２の像平面１０２にａ１'、ｏ"、ａ２'として結像される。第２の方向において、被写体点ｂ１、ｏ、ｂ２から発せられた光線は、補助結像ユニット２１２（図２では光学素子２１２２とスリット絞り２１２１を示す）を通って第１の像平面１０１に結像され、像点ｂ１'、ｏ'、ｂ２'を形成する。主散乱スクリーン２２０は、第１の像平面１０１の焦点深度内に配置され（例として、図では第１の像平面１０１に配置されていることを示す）、像点ｂ１'，ｏ'，ｂ２'の光線は、散乱スクリーン２２０によって第２の方向に散乱されて、第２の方向に大きな視野角範囲が形成される。このように、被写体面１０上の点が第１の方向に沿って主結像ユニット２１１によって結像された像側開き角が、両眼視差条件を満足するように相対的に大きく（すなわち、２０度以上、好ましくは３０度以上）することで、第２の像平面１０２に、第１の方向（例えば水平方向）の視差を有し第２の方向（例えば垂直方向）の視差を有しない浮遊画像が形成されることができる。

上述の好ましい実施例において、補助結像ユニット２１２は、小孔結像するための一次元開口絞り２１２１のみ備えることができ、図２に示すような光学素子２１２２を備えることなく、光学結像システム２００の浮遊ディスプレイ効果を実現することができる。しかしながら、光学効率および結像明瞭度を考慮して、光学結像システムは、結像効果を向上させるために光学素子２１２２（例えば、レンズまたはレンズ群）を含むことが好ましい。例えば、光学素子２１２２は、被写体面上の点からの光ビームを、光ビームが開口絞りを通過した後の光ビーム発散角が０に近づくように第２の方向に略平行光に変換することができる。なお、図３では、補助結像ユニット２１２が被写体面１０と主結像ユニット２１１との間に介在していることを示しているが、当業者にとっては理解できるように、補助結像ユニット２１２が主結像ユニット２１１と第１の像平面１０１との間に設置されてもよく、或いは、補助結像ユニット２１２の一部の光学素子が被写体面１０と主結像ユニット２１１との間に設置され、他の光学素子が主結像ユニット２１１と第１の像平面１０１との間に設置されてもよい。

特に、一次元開口絞り２１２１が十分に小さく設定すれば、第２の方向において大きな被写界深度を得ることができる。このようにして、主散乱スクリーン２２０は、一次元開口絞り２１２１と第２の像平面１０２との間の任意の位置に配置されることができる。あるいは、被写体面１０を光学素子２１２２の焦点面に配置することにより、第２の方向に略平行光ビームを得ることができる。光線伝送中、主結像ユニットは、光線の第２の方向においての発散角を変化させないので、被写体点から発せられた光は、主散乱スクリーンに照射され、第２の方向において平行光に近似される。ここの実施例では、被写体面１０は、自発光ディスプレイの表示面であってもよく、投影型ディスプレイによって生成された投影面であってもよく、ディスプレイ（すなわち、画像源）から発せられた光線が光線発散角度の要求に従って設定されてもよい。

あるいは、いくつかの実施例では、少なくとも１つの結像ユニット１１０は、主結像ユニットおよび補助結像ユニットを備えることができる。主結像ユニットは、第１の方向に光線を集光するように配置されている。補助結像ユニットは、光学結像システム１００が、光軸上で前記被写体面と前記主散乱スクリーンとの間に介在する１つ以上の中継像平面をさらに画定するように配置されることができる。光学結像システム１００は、第１の方向に沿って光を発散するために、１つ以上の中継像平面のうちの特定の中継像平面の焦点深度内に設置された付加散乱スクリーンをさらに備えることができる。補助結像ユニットは、被写体面１０上の点からの光ビームを、前記特定の中継像平面で第２の方向のライン像として形成するように配置されることができる。

図４Ａは本発明の実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム３００の結像プロセスの原理概略図を示す。図４Ｂは本発明の実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム３００のそれぞれ第１の方向および第２の方向における光線伝搬の原理概略図を示す。光学結像システム３００のいくつかの詳細は、図１Ａ～３に関して説明された光学結像システム１００または２００と同じであり、ここで説明を省略する。以下、主に光学結像システム３００の相違点を説明する。

図４Ａに示すように、光学結像システム３００では、被写体面１０上の被写体点から発せられた光ビームが、各像平面で以下のように結像される。光ビームが補助結像ユニット３１２を通過して、中継像平面１０３（すなわち、特定の中継像平面）にラインｅｆとして結像される。付加散乱スクリーン３３０は、中継像平面１０３の焦点深度内に設置されて第１の方向にのみ光線を発散させ、第２の方向の光線の伝搬方向を変えないことができ、すなわち、中継像平面上のラインビームｅｆを第１の方向に発散することができる。付加散乱スクリーンによって発散された光ビームは、主結像ユニット３１１を介して第１の方向に集光する。被写体面１０上の被写体点から発せられた光ビームは、補助結像ユニット３１２を経て第１の像平面１０１において、ｅｆと実質的に直交しかつそれぞれ光学結像システム３００の光軸と直交するラインａｂとして集光する。ラインビームａｂは主散乱スクリーン３２０によって第２の方向に散乱され、最終的に第２の像平面１０２にラインビームｃｄとして集光する。中継像平面１０３は、付加散乱スクリーン３３０の設定に関連しているので、本明細書では特定の中継像平面と呼ばれる。この例示的な光学結像システム３００は、被写体面上の被写体点からの光ビームが、第１、第２、および中継像平面のいずれにおいても１点ではなく、１本の線として結像されることを特徴とする。具体的には、ラインｅｆは被写体点ｏが中継像平面１０３に結像された像であり、ラインａｂは物点ｏが第１の像平面１０１上に結像された像であり、ラインｃｄは被写体点ｏが第の２像平面１０２上に結像された像である。

光学結像システム３００の光ビーム伝搬は、第１の方向および第２の方向のそれぞれにおいて断面解析される。図４Ｂを参照すると、第１の方向において、被写体面１０上の被写体点ａ１、ｏ、ａ２から発せられた光線は、補助結像ユニット３１２（例として、光学素子３１２２および開口絞り３１２１として示す）を通して、中継像平面３０３にａ１'、ｏ"、ａ２'として結像される。付加散乱スクリーン３３０は、中継像平面３０３の焦点深度内に配置され（例として、図には中継像平面３０３に配置されていることを示す）、像点ａ１'、ｏ"、ａ２'の光線は、付加散乱スクリーン３３０によって第１の方向に散乱され、主結像ユニット３１１を通して第２の像平面１０２に結像されて像点ａ１"、ｏ'''、ａ２"を形成する。第２の方向において、被写体点ｂ１、ｏ、ｂ２から発せられた光線は、補助結像ユニット３１２を通って第１の像平面１０１に結像され、像点ｂ１'、ｏ'、ｂ２'を形成する。主散乱スクリーン３２０は、第１の像平面１０１の焦点深度内に配置され（例として、図には第１の像平面１０１に配置されていることを示す）、像点ｂ１'、ｏ"、ｂ２'の光線は、主散乱スクリーン３２０によって第２の方向に散乱され、第２の方向に比較的に大きい視野角範囲を形成する。このように、被写体面１０上の点が第１の方向に沿って主結像ユニット３１１によって結像された像側開き角が、両眼視差条件を満足するように相対的に大きく（すなわち、２０度以上、好ましくは３０度以上）することで、第２の像平面１０２に、第１の方向の視差を有し第２の方向の視差を有しない浮遊画像を形成することができる。

被写体面１０上の被写体点は、中継像平面３０３、第１の像平面１０１および第２の像平面１０２上の１つの線分にそれぞれ対応し、光路は可逆的であるため、中継像平面３０３、第１の像平面１０１及び第２の像平面１０２上の１つの線分も被写体面上の１つの点に結像され、一定の規則的な写像関係を構成し、このような写像関係を本明細書では「光学共役」と呼ばれる。

なお、図４では、補助結像ユニット３１２が被写体面１０と主結像ユニット３１１との間に介在していることを示しているが、当業者にとっては理解できるように、補助結像ユニット３１２が主結像ユニット３１１と第１の像平面１０１との間に設置されてもよく、或いは、補助結像ユニット３１２の一部の光学素子が被写体面１０と主結像ユニット３１１との間に設置され、他の光学素子が主結像ユニット３１１と第１の像平面１０１との間に設置されてもよい。

本発明のいくつかの実施例では、補助結像ユニット３１２は必須的ではなく、光学結像システム３００と協働する表示源（すなわち、光源）の性質に依存する。例えば、表示源がレーザ走査あるいは平行光源である場合には、補助結像部３１２を省略してもよい。または、本発明の他の実施例では、補助結像ユニット３１２は、表示源に集積可能であるため、光学結像システム３００に含まれていない。

図５は本発明の実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム４００のそれぞれ第１の方向および第２の方向における光線伝搬を示す原理概略図である。光学結像システム４００のいくつかの詳細は、図４Ａ－４Ｂに関して説明された光学結像システム３００と同じであり、ここで説明を省略する。以下、主に光学結像システム４００の相違点を説明する。

本発明の実施例による光学結像システム４００は、投影によって使用されることができる。例えば、投影表示源の投影面を、この光学結像システム４００の被写体面とすることができる。

光学結像システム４００は、補助結像ユニット４１２、付加散乱スクリーン４３０、主結像ユニット４１１、および主散乱スクリーン４２０を含むことができる。補助結像ユニット４１２は、開口絞り４１２１と光学素子４１２２（例えば、レンズ又はレンズ群）とを含んでもよく、被写体面１０上の被写体点から発せられた光は、光学素子４１２２を経て略平行光としてコリメートされ、開口絞り４１２１によって、開口絞りが十分に小さく設定されている（例えば、２００μｍ未満）。第１の方向において、被写体面上の被写体点ａ１、ｏ、ａ２から発せられた光線は、光学素子４１２２及び開口絞り４１２１を通して中継像平面４０３にａ１'、ｏ'、ａ２'として結像される。付加散乱スクリーン４３０は中継像平面４０３に配置され、像点ａ１'、ｏ'、ａ２'の光線は付加散乱スクリーン４３０によって第１の方向に散乱され、散乱光は一定の発散角（例えば、３０度から１８０度）を有し、主結像ユニット４１１を通して第２の像平面１０２に結像されて像点ａ１"、ｏ'''、ａ２ｃを形成する。第２の方向において、被写体点ｂ１、ｏ、ｂ２から発せられた光線は、光学素子４１２２及び開口絞り４１２１を通って第１の像平面１０１に結像され、像点ｂ１'、ｏ"、ｂ２'を形成する。この場合、補助結像ユニット４１２は、被写体点から発せられた光ビームを第２の方向に平行光とし、発散角が０に近いので、光線伝送中に、主結像ユニットは、光ビームの第２の方向における発散角を変化させないので、被写体点から発せられた光ビームが主散乱スクリーンに照射されたときに、第２の方向で平行光として近似される。光学結像システムは、第２の方向に無限の焦点深度を有し、第１の像平面１０１は、主結像ユニット４１１と第２の像平面１０２との間の任意の位置にあることができる。主散乱スクリーン４２０が第１の像平面１０１に配置され、像点ｂ１'、ｏ'、ｂ２'の光線が主散乱スクリーン４２０によって第２の方向に散乱されて、第２の方向に広い視野角範囲が形成される。このように、被写体面１０上の点が第１の方向に沿って主結像ユニット４１１によって結像された像側開き角が、両眼視差条件を満足するように相対的に大きく（すなわち、２０度以上、好ましくは３０度以上）することで、第２の像平面１０２に、第１の方向の視差を有し第２の方向視差を有しない浮遊画像が形成されることができる。

あるいは、光学結像システム４００では、被写体面１０が光学素子４１２２の焦点面に設置され、被写体面１０の異なる位置の被写体点から発せられた光が光学素子４１２２を経て異なる角度の平行光としてコリメートされ、開口絞り４１２１が光学素子４１２２の他方の焦点位置に設置され、異なる角度の平行光が焦点位置に集光して開口絞り４１２１を通過して散乱スクリーンに投射される。このように、被写体点ビームが散乱スクリーンに投射され画素点を形成するように、開口絞り４１２１のサイズを非常に小さくすることができる。この場合、中継像平面および第１の像平面は無限の焦点深度を有するため、主散乱スクリーンおよび付加散乱スクリーンは、対応する像平面の焦点深度内の任意の位置に配置されることができる。また、主散乱スクリーン及び付加散乱スクリーンは、光軸に対して一定の角度（例えば、９０度ではない角度）となるように配置されてもよいため、浮遊画像が主散乱スクリーンに対して一定の角度を有するように結像される技術的効果を形成することができる。

なお、補助結像ユニット４１２は、小孔結像するための開口絞り４１２１のみ備えることができ、図５に示すような光学素子４１２２を備えることなく、光学結像システム４００の浮遊ディスプレイ効果を実現することができる。しかしながら、光学効率および結像明瞭度を考慮して、光学結像システムは、結像効果を向上させるためにレンズを含むことが好ましい。

図６は本発明の実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム５００のそれぞれ第１の方向および第２の方向における光線伝搬を示す原理概略図である。光学結像システム５００のいくつかの詳細は、図４Ａ～４Ｂに関して説明された光学結像システム３００と同じであり、ここで説明を省略する。以下、主に光学結像システム４００の相違点を説明する。

本発明の実施例による光学結像システム５００は、レーザ走査方式によって使用されることができる。光学結像システム５００は、中継像平面５０３をさらに画定することができ、付加散乱スクリーン５３０と、主結像ユニット５１１と、主散乱スクリーン５２０とを備える。付加散乱スクリーン５３０は、中継像平面５０３に設置されることができる。レーザ光源からの光ビームは、二次元走査振動ミラーを介して光学結像システム５００の中継像平面５０３を走査することができる。

図６を参照すると、ＲＧＢレーザ光源から発せられた平行レーザビームは、二次元走査型振動ミラーを介して付加散乱スクリーン５３０に像点ａ１'、ｏ'、ａ２'を形成し、像点ａ１'、ｏ'、ａ２'は、付加散乱スクリーン５３０によって第１の方向にビームが発散された後、主結像ユニット５１１によって第２の像平面１０２に像ａ１"、ｏ'''、ａ２"として集光される。第２の方向において、レーザビームは、二次元走査振動ミラーを通過して、主散乱スクリーン５２０に像点ｂ１'、ｏ'、ｂ２'を形成し、そして、第２の方向で大きな視野角を有するように主散乱スクリーン５２０によって散乱される。光線伝送中、主結像ユニットは、光線の第２の方向においての発散角を変化させないので、被写体点から発せられた光は、主散乱スクリーンに照射され、第２の方向で平行光に近似される。特に、走査されたレーザビームの逆方向の延長線は、第１の方向においてａ１、ｏ、ａ２、第２の方向においてｂ１、ｏ、ｂ２の仮想被写体面１０を形成していると考えることができる。このように、被写体面１０上の点が第１の方向に沿って主結像ユニット５１１によって結像された像側開き角が、両眼視差条件を満足するように相対的に大きく（すなわち、２０度以上、好ましくは３０度以上）することで、第２の像平面１０２に、第１の方向の視差を有し第２の方向の視差を有しない浮遊画像が形成されることができる。

図７は本発明の実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム６００のそれぞれ第１の方向および第２の方向における光線伝搬を示す原理概略図である。光学結像システム６００のいくつかの詳細は、図４Ａ～４Ｂに関して説明された光学結像システム３００と同じであり、ここで説明を省略する。以下、主に光学結像システム６００の相違点を説明する。

本発明の実施例による光学結像システム６００は、平行光と協働して使用されることができる。図７を参照すると、平行光源は空間光変調器（被写体面１０にあると見られる）に照射され、像要素ａ１、ｏ、ａ２（被写体面１０上の被写体点ａ１、ｏ、ａ２と見られる）を形成する。図４Ａ～６を参照して説明した結像原理と同様に、像要素ａ１、ｏ、ａ２の中継像平面６０３で平行に投影された像点は、付加散乱スクリーン６３０によって第１の方向に散乱され、主結像ユニット６１１を経て第２の像平面１０２に結像され、対応する像点ａ１"、ｏ'''、ａ２"を形成する像点ａ１'、ｏ'、ａ２'である。空間光変調器における像要素ｂ１、ｏ、ｂ２の第１の像平面１０１における像点は、第２の方向に大きな視野角を有するように主散乱スクリーン６２０によって第２の方向に散乱される像点ｂ１'、ｏ'、ｂ２'である。光線伝送中、主結像ユニットは、光線の第２の方向においての発散角を変化させないので、被写体点から発せられた光は、主散乱スクリーンに照射され、第２の方向で平行光に近似される。このように、被写体面１０上の点が第１の方向に沿って主結像ユニット６１１によって結像された像側開き角が、両眼視差条件を満足するように相対的に大きく（すなわち、２０度以上、好ましくは３０度以上）することで、同様に第２の像平面１０２に、第１の方向の視差を有し第２の方向の視差を有しない浮遊画像が形成されることができる。

空間光変調器は光波の空間分布を変調する装置である。一般的に、空間光変調器は、空間的に一次元または二次元のアレイのように並べられた多数の独立したユニットから構成され、各ユニットは、独立して光学信号または電気信号の制御を受け、その信号によって自身の光学的性質を変化させることができるため、そこに照明された光波を変調することができる。

図８を参照すると、上記の光学結像システムにおいて、主散乱スクリーンと付加散乱スクリーンとの間に介在した少なくとも１つの結像ユニット（特に主結像ユニット）は、第１方向の光線を調整するために、レンズ、フェースミラー、および／または一次元再帰反射スクリーン（そのＶ型溝角度は９０度である）を備えることができる。光学結像システムは、レンズ／フェースミラーを使用する場合には、画像拡大効果を有し得るが、一次元再帰反射スクリーンのみ使用する場合には、画像拡大効果を有さない。

図９を参照すると、本発明のいくつかの実施例では、一次元再帰反射スクリーンは、表面に反射層がコーティングされたマイクロプリズムアレイ構造とすることができ、マイクロプリズム間のＶ型溝の挟み角度は９０度であり、一次元再帰反射スクリーンの原理は、一次元再帰反射スクリーンの表面に照射された任意の光線が、一方の方向において元の角度で反射され、もう一方の方向において鏡面反射される。または、本発明のその他の実施例では、一次元再帰反射スクリーンは、ホログラフィック構造のような他の構造を有してもよい。

好ましくは、図１０Ａに示すように、散乱スクリーンは、散乱スクリーンから射出された光線の角度をより良く制御し表示品質を向上させるために、プリズムアレイとシリンドリカルミラーアレイとを組み合わせた指向性散乱スクリーンであってもよい。

好ましくは、ルーバー遮光構造は、散乱スクリーンから射出された光線を角度制御するために散乱スクリーンの出光側に配置されることができる。例えば、図１０Ｂを参照すると、散乱スクリーンの上方にルーバー構造の視野角制御フィルムを重ねて、散乱スクリーンから射出された光線を角度制御して、表示品質を向上させることができる。

好ましくは、システムの薄型軽量設計をさらに改善するために、光学結像システム３００または４００のサイズを第２の方向に圧縮することができる。例えば、中継結像ユニットを第２の方向に追加することができる。図１１Ａを参照すると、例えば、上述した光学結像システム３００の場合、被写体面１０と第１の像平面１０１との間に光学素子３１２３、３１２４（例えばシリンドリカルレンズ対）を追加することにより、開口絞り３１２１、光学素子３１２３、３１２４は、第２の方向にアフォーカルシステム（望遠系）を構成し、開口絞り３１２１は、当該アフォーカルシステムの入射瞳位置であり、位置３１２５は当該アフォーカルシステムの射出瞳位置であり、アフォーカルシステムは、図１１Ｂに示すように、開口絞りを通過した異なる入射角度の第２の方向における平行光ビームが、アフォーカルシステムを通過した後、射出瞳位置での射出光線が依然として異なる角度の第２の方向における平行光ビームであるように作用する。これにより、被写体点から発せられた光ビームは、主散乱スクリーン上に照射され、第２の方向で平行光として近似される。この設計により、非常に狭い空間内で第２の方向の光線を伝送することが可能となる。このように、光学結像システム３００または４００は、上述した焦点深度内に付加散乱スクリーンを設置するための特定の中継像平面に加えて、さらに多くの中継像平面を画定することができる。

上記の光学結像システムと同様に、本発明は、対応する浮遊ディスプレイ装置も提供する。浮遊ディスプレイ装置は、上述したような光学結像システムと、光学結像システムの被写体面に対して１つの画像を構成する光を発するように配置された画像表示ユニットとを備える。

好ましくは、浮遊ディスプレイ装置は、前記画像表示ユニットからの平行光を変調するために前記被写体面に設置された空間光変調器をさらに備える。

画像表示ユニットは直視型の表示源であってもよく、前記画像表示ユニットの表示面が前記被写体面に配置されてもよい。或いは、画像表示ユニットは投影型の表示源であってもよく、前記画像表示ユニットの投影面が前記被写体面に配置されてもよい。

以下、本発明の実施例による浮遊ディスプレイ装置のいくつかの例について説明する。

第１例
図１２Ａ～図１２Ｃは、本発明の第１例による浮遊ディスプレイ装置の概略図を示しており、浮遊ディスプレイ用の光学結像システム１２００は、レーザｍｅｍｓ走査投影と協働して使用される。第１例による浮遊ディスプレイ装置における光学結像システムのいくつかの詳細は、図５または図６に関して説明した光学結像システム４００または５００と同じであり、ここで説明を省略する。以下、主に第１例の光学結像システム１２００の相違点を説明する。

この例では、光学結像システム１２００は、補助結像ユニット、付加散乱スクリーン１２３０、主結像ユニット１２１１、および主散乱スクリーン１２２０を備えることができる。補助結像ユニット１２１２は、第１のレンズ１２１２１と、第２のレンズ１２１２２と、平面反射ミラー１２１２３とを備えることができる。

図１２Ａと図１２Ｂに示すように、仮想被写体面１０上の被写体点から発せられた光ビームが光学結像システム１２００を経て結像されたプロセスは以下のようになる。レーザビームはレンズ１２１２１を通過した後、水平方向ｘ及び垂直方向ｙの伝搬が平行である。平行のレーザビームは、付加散乱スクリーン１２３０（すなわち、中継像平面１２０３において）によって水平方向ｘに発散される。光学素子１２１２１と１２１２２は第２の方向にアフォーカルシステム（望遠系）を構成し、位置１２１２４はこのアフォーカルシステムの入射瞳位置（ｍｅｍｓ走査投影の振動ミラー位置）であり、位置１２１２５は当該システムの射出瞳位置であり、アフォーカルシステムは、開口絞りを通過した異なる入射角度の第２の方向における平行光ビームが、アフォーカルシステムを通過した後、射出瞳位置での射出光線が依然として異なる角度の第２の方向における平行光ビームであるように作用するため、被写体点から発せられた光ビームは主散乱スクリーンに照射され、第２の方向では平行光として近似された。主散乱スクリーン１２２０（すなわち、第１の像平面１０１）は、ｘ方向（光学システム１２００の光軸に対して水平方向に対応する）の光線の伝送を変えずに、ｚ方向（光学システム１２００の光軸に対して垂直方向に対応する）のみ光線を散乱させる。水平方向に発散された光線は、一次元再帰反射スクリーン１２１１で反射された後、主散乱スクリーン１２２０を通過し、浮遊画像面（すなわち、第２の像平面１０２）に集光する。垂直方向に伝搬された光線は、第２のレンズ（すなわちシリンドリカルレンズ）を経て垂直方向ｙに集光した後、平面反射ミラー１２１２３、一次元再帰反射スクリーン１２１１を経て反射されて主散乱スクリーン１２２０に向かって伝搬され、さらに主散乱スクリーン１２２０によって散乱されて、垂直方向ｙに大きな視野角を形成する。図１２Ｃに示すように、仮想被写体点から発せられた光は、付加散乱スクリーン１２３０を経て水平方向ｘに散乱され、平面反射ミラー１２１２３および一次元再帰反射スクリーン１２１１を経て反射され、第１の像平面１０１に水平方向に沿った直線ａｂとして結像される。主散乱スクリーン１２２０において垂直方向に沿って散乱され、第２の像平面１０２において垂直方向に沿った直線ｃｄとして結像される。このように、被写体面１０上の点が第１の方向に沿って主結像ユニット１２１１によって結像された像側開き角が、両眼視差条件を満足するように相対的に大きく（すなわち、２０度以上、好ましくは３０度以上）することで、浮遊画像面（第２の像平面１０２）に、水平の視差を有し垂直の視差を有しない浮遊画像が形成されることができる。

第２例
図１３は、本発明の第２例による浮遊ディスプレイ装置の概略的側面図と平面図を示しており、浮遊ディスプレイ用の光学結像システム１３００は、平行光投影と協働して使用される。第２例による浮遊ディスプレイ装置における光学結像システム１３００のいくつかの詳細は、図７に関して説明した光学結像システム６００と同じであり、ここで説明を省略する。以下、第２例の相違点を主に説明する。

図１３に示すように、浮遊ディスプレイ装置は平行光源、空間光変調器、および光学結像システム１３００を備える。この例では、空間光変調器は、ＬＣＤのような透過型ディスプレイ画面であってもよい。空間光変調器が位置する面を被写体面１０と見なすことができる。光学結像システム１３００は、その光軸に沿って、付加散乱スクリーン１３３０、結像ユニット１１０、および主散乱スクリーン１３２０を備えることができる。結像ユニット１１０は、光軸で付加散乱スクリーン１３３０と主散乱スクリーン１３２０との間に設置された一次元再帰反射スクリーンを備えることができる。

平行光源は空間光変調器に照射され、像要素ａ、ｏ、ｂ（被写体面上の被写体点ａ、ｏ、ｂと見なすことができる）を形成する。平行光は、中継像平面１３０３において付加散乱スクリーン１３３０により光軸に直交する水平方向に散乱され、第１の像平面１０１へ照射されるように一次元再帰反射スクリーンによって転向され、主散乱スクリーン１３２０は、垂直方向に大きな視野角を有するように光軸に直交する垂直方向に光を散乱させる。このように、被写体面１０上の点が第１の方向に沿って主結像ユニット１１０によって結像された像側開き角が、両眼視差条件を満足するように相対的に大きく（すなわち、２０度以上、好ましくは３０度以上）することで、第２の像平面１０２に、水平の視差を有し垂直の視差を有しない浮遊画像（ａ'，ｏ'，ｂ'）が形成されることができる。

第３例
図１４は本発明の第３例による付加散乱スクリーンと主散乱スクリーンとの間に導波路を用いて光線を伝送する浮遊ディスプレイ装置の概略図である。第３例による浮遊ディスプレイ装置における光学結像システム１４００の結像プロセスのいくつかの詳細は、図４Ａ－５に関して説明した結像プロセスと同じであり、ここで説明を省略する。以下、第３例の相違点を主に説明する。

この例では、浮遊ディスプレイ装置は、浮遊ディスプレイ用の光学結像システム１４００と、ＲＧＢレーザ光源と、ＲＧＢレーザ光源からの、一つの画像を構成する光を光学結像システム１４００に導くように配置された走査振動ミラーとを備える。

光学結像システム１４００は、その光軸に沿って、被写体面１０、中継像平面１４０３、第１の像平面１０１および第２の像平面１０２を画定することができる。光学結像システム１４００は、光路上で被写体面１０と第１の像平面１０１との間に設置された補助結像ユニットと、中継像平面１４０３に設置された付加散乱スクリーン１４３０と、光路上で被写体面１０と第１の像平面１０１との間に設置された主結像ユニットと、第１の像平面１０１に設置された主散乱スクリーン２と、を備える。

補助結像ユニットは、レンズ１（ｌｅｎｓ１）と、レンズ２（ｌｅｎｓ２）と、反射ミラーＭＲと、光導波路ＷＧとを備えることができる。光導波路ＷＧは、ガラスまたはＰＭＭＡ材質の平板構造であり、光線は導波路内で常時に全反射伝送される。レンズｌｅｎｓ２は、ｘ、ｙ両方向において異なる焦点距離を有するトーリックレンズであり、光導波路のｓ１、ｓ２面は自由曲面である。主結像ユニット１４１１は、シリンドリカルフレネルレンズであるレンズ３（ｌｅｎｓ３）を備えることができる。付加散乱スクリーン１４３０は、光軸に直交する垂直方向の光線の伝搬方向を変えずに、光軸に直交する水平方向のみで光線を発散する。主散乱スクリーン１４２０は、垂直方向に光線を発散する反射散乱スクリーンである。

具体的には、光学システム１４００では光ビームの伝送方向は光軸方向であり、第１の方向及び第２の方向は、光軸に直交する２つの方向であり、第１の方向及び第２の方向は互いに直交している。

ＲＧＢレーザ光源は、走査振動ミラーＳＧによって第１の方向、第２の方向に振動し、レーザビームを異なる角度に応じて投射し、まずレンズ１（ｌｅｎｓ１）を通して、第２の方向の異なる角度の光ビームを光軸に沿って伝送される平行光ビームに変調し、そして、第１の方向の焦点距離がｆ１であり、第２の方向の焦点距離がｆ２であり、トーリックレンズであるレンズ２（ｌｅｎｓ２）により、第１の方向の異なる角度の光ビームを光軸に沿って伝搬された平行光ビームに変調し、第２の方向の光ビームを再び集光し、反射ミラーＭＲにより光線の伝送角度を折り返して光導波路ＷＧに入射する。レンズ２（ｌｅｎｓ２）は平凸レンズであり、好ましくは、付加散乱スクリーン１４３０はシリンドリカルレンズアレイであり、レンズ２（ｌｅｎｓ２）の平面に取り付けられ、走査ビームは散乱スクリーン１４３０に照射され、第１の方向に光線を発散し、第２の方向での光線の伝送を変化させずに、散乱スクリーン１４３０が位置する面は中継像平面１４０３である。 光導波路に射入した光線は、導波路ＷＧ内の自由曲面Ｓ１を経て面変調され、第２方向の光ビームを平行にコリメートし、第１方向の発散光ビームの伝送を変えずに導波路内を全反射伝送する。その後、自由曲面Ｓ２による変調を経て、第２の方向の光ビームは集光ビームに変換されたが、第１の方向の発散光ビームの伝送を変化させない。主結像ユニット１４１１（ｌｅｎｓ３）は、反射型シリンドリカルフレネルレンズであり、導波路から射出された第１の方向の発散光を再び集光する。主散乱スクリーン１４２０は、反射型シリンドリカル凹面鏡アレイであり、反射型シリンドリカルフレネル鏡で反射された集光は、主散乱スクリーン１４２０に照射され、主散乱スクリーン１４２０によって散乱され、第１の方向において空間的に集光して結像され、第２の像面１０２に浮遊画像を形成する。特に、光線を第２の方向に発散することにより、第２の方向の視野角が拡大される。

光学素子ｌｅｎｓ１、ｌｅｎｓ２、Ｓ１、Ｓ２は、第２の方向にアフォーカルシステム（望遠系）を構成し、位置ｋ１は、このアフォーカルシステムの入射瞳位置（ｍｅｍｓ走査投影の振動ミラー位置）であり、位置ｋ２は当該システムの射出瞳位置であり、アフォーカルシステムは、開口絞りを通過した異なる入射角度の第２の方向における平行光ビームが、アフォーカルシステムを通過した後、射出瞳位置での射出光線が依然として異なる角度の第２の方向における平行光ビームであるように作用する。このため、被写体点から発せられた光線は、ｌｅｎｓ１、ｌｅｎｓ２、Ｓ１、Ｓ２を通して主散乱スクリーンに照射され、第２の方向で平行光として近似された。

このように、被写体面１０上の点が第１の方向において主結像ユニット１４１１によって結像された像側開き角が、両眼視差条件を満足するように相対的に大きく（すなわち、２０度以上、好ましくは３０度以上）することで、第２の像平面１０２（即ち浮遊画像面）に、水平の視差を有し垂直の視差を有しない浮遊画像が形成されることができる。また、光導波路を採用して光線を伝送するため、より軽量で薄型のオフアクシス設計を実現でき、より高い光学効率を有し、モジュール化生産に有利となる。

第４例
図１５Ａ～図１５Ｃは、本発明の第４例による浮遊ディスプレイ装置の概略的斜視図、側面図、平面図であり、凹面鏡を用いて結像されたものである。第４例による浮遊ディスプレイ装置における光学結像システム１５００の結像プロセスのいくつかの詳細は、第２例による浮遊ディスプレイ装置の光学結像システム１３００と同じであり、ここで説明を省略する。以下、第４例の相違点を主に説明する。

図に示すように、浮遊ディスプレイ装置は平行光源、空間光変調器（即ちディスプレイ画面）、および光学結像システム１５００を備える。この例では、光学結像システムは、第１の散乱スクリーン１５３０と、少なくとも１つの結像ユニット１５１０と、第２の散乱スクリーン１５２０とを備えることができる。少なくとも１つの結像ユニット１５１０は、光路上で第２の散乱スクリーン１５２０と第１の散乱スクリーン１５３０との間に設置されたハーフミラー（すなわち、補助結像ユニット）１５１２と、シリンドリカルミラー（すなわち、主結像ユニット）１５１１とを備えることができる。

光学システム１５００では光ビームの伝送方向は光軸方向であり、第１の方向及び第２の方向は、光軸に直交する２つの方向であり、第１の方向及び第２の方向は互いに直交している。

平行光源から発せられた光線がディスプレイ画面に照射されて表示画像が形成され、このとき表示画像が位置する面を被写体面１０と見なすことができる。表示画像が位置する面から発せられた光は平行光であり、このとき平行投影結像であり、ディスプレイ画面の後ろの任意の位置が像面とされることができる。表示画像は、第１の方向に光線を発散し第２の方向の光線の伝送を変化させない第１の散乱スクリーン１５３０に平行に照射され、このとき、第１の散乱スクリーン１５３０の位置は中継像面であると考えられる。第１の散乱スクリーン１５３０を通過した光線の一部は、ハーフミラー１５１２を透過して、第１方向に光線を集光し第２方向の光線の伝送を変化させないシリンドリカルミラー１５１１に照射され、シリンドリカルミラー１５１１で反射された光線は、ハーフミラー１５１２で部分的に反射され、反射された光線は、第２の散乱スクリーン１５２０に照射される。第２の散乱スクリーン１５２０は、シリンドリカルマイクロレンズアレイであってもよいし、一次元ホログラフィック散乱スクリーンであってもよい。第２の散乱スクリーン１５２０は、第２の方向に光を散乱し、第２の方向の視野角を拡大し、第１の方向の光線が空間内に集光され浮遊画像１０２を形成する（すなわち、第２の像平面１０２において）。光線伝送中、主結像ユニットは、光線の第２の方向においての発散角を変化させないので、被写体点から発せられた光ビームは、主散乱スクリーンに照射され、第２の方向で平行光として近似される。

このように、被写体面１０上の点が第１の方向に沿って主結像ユニット１５１１によって結像された像側開き角が、両眼視差条件を満足するように相対的に大きく（すなわち、２０度以上、好ましくは３０度以上）することで、浮遊画像面（第２の像平面１０２）に、水平の視差を有し垂直の視差を有しない浮遊画像が形成されることができる。また、シリンドリカルミラーを採用しているため、水平の方向には画像を拡大し、垂直方向には画像を拡大しないことができる。

第５例
図１６は、本発明の第５例による浮遊ディスプレイ装置の概略図を示しており、浮遊ディスプレイ用の光学結像システム１６００は、レーザｍｅｍｓ走査投影と協働して使用される。第５例による浮遊ディスプレイ装置における光学結像システム１６００のいくつかの詳細は、図１２Ａ～１２Ｃに関して説明した光学結像システム１２００と同じであり、ここで説明を省略する。以下、第５例の相違点を主に説明する。

この例では、ｘ、ｙ方向の走査振動ミラーを別々に配置してもよい。ｘ－振動ミラーは、レーザビームを、ｘ方向の画像を走査するように制御でき、ｙ－振動ミラーは、レーザビームを、ｙ方向の画像を走査するように制御できる。Ｖ型溝微細構造はＹ振動ミラーに集積可能である。本例では平行光走査結像であり、主結像ユニットは、光線の第２の方向においての発散角を変化させないので、被写体点から発せられた光ビームは、主散乱スクリーンに照射され、第２の方向で平行光として近似される。この構造の利点は、光学システムの厚さを薄くすることが可能である。

第６例
図１７は、本発明の第６例による浮遊ディスプレイ装置の概略図を示しており、浮遊ディスプレイ用の光学結像システム１７００は、レーザｍｅｍｓ走査投影と協働して使用される。第３例による浮遊ディスプレイ装置の結像プロセスのいくつかの詳細は、図１２Ａ～１２Ｃに関して説明した光学結像システム１２００と同じであり、ここで説明を省略する。以下、第６例の相違点を主に説明する。

本例では、光学結像システム１７００は、光路上で被写体面１０と第１の像平面１０１との間に設置された補助結像ユニットと、中継像平面１７０３に設置された付加散乱スクリーン１７３０と、光路上で被写体面１０と第１の像平面１０１との間に設置された主結像ユニットと、第１の像平面１０１に設置された主散乱スクリーン１７２０と、を備える。図１７を参照すると、第６例による光学結像システム１７００における補助結像ユニットおよび主結像ユニットの配置方法を示している。具体的には、補助結像ユニットは、第１の偏光分光プリズムｐｂｓ１、第１のレンズｌｅｎｓ１、複数の反射ミラーＭＲ１、ＭＲ２、第１の偏光分光プリズムｐｂｓ２、第２のレンズｌｅｎｓ２、第３の偏光分光プリズムｐｂｓ３、第３のレンズｌｅｎｓ３等の光学素子を備えてもよい。レンズｌｅｎｓ２は、ｘ、ｙ方向に異なる曲率半径を持つトーリックミラーであり、ｘ、ｙの二つの方向の光線を同時に変調することができる。主結像ユニットは再帰反射スクリーン１７１１を備えてもよい。この例では、第１のレンズｌｅｎｓ１、第２のレンズｌｅｎｓ２、第３のレンズｌｅｎｓ３はすべて平凸レンズであり、その平凸面に金属反射層がめっきされている。

光学システム１７００では光ビームの伝送方向は光軸方向であり、第１の方向及び第２の方向は、光軸に直交する２つの方向であり、第１の方向及び第２の方向は互いに直交している。

ＲＧＢレーザ光源は、走査振動ミラーによって第１の方向、第２の方向に振動され、レーザビームを異なる角度に応じて投射する。第１の偏光分光プリズムｐｂｓ１の前面には、高偏光度のＰ状態レーザビーム（単にＰ光と呼ぶ）を得るためのライン状偏光板が設置されている。第１の偏光分光プリズムｐｂｓ１と第１のレンズｌｅｎｓ１との間に１／４波長板が設置される。ｐ光は、第１の偏光分光プリズムｐｂｓ１を通過し、１／４波長板を通過した後、円偏光に変換され、第１レンズｌｅｎｓ１で反射され、再び１／４波長板を通過して、このとき、レーザビームはｓ状態偏光（単にｓ光と呼ぶ）となる。第１のレンズｌｅｎｓ１は、第２の方向のレーザビームを集光し、第２の方向における光学システムの高さを制限するためのシリンドリカルミラーである。Ｓ光は、第１の偏光分光プリズムｐｂｓ１の分光界面で反射された後、第１の反射ミラーＭＲ１で反射され、伝送路を変えられて第２の偏光分光プリズムｐｂｓ２に照射される。第２の偏光分光プリズムｐｂｓ２と第２のレンズｌｅｎｓ２との間に１／４波長板が設けられ、Ｓ光は、第２の偏光分光プリズムｐｂｓ２の分光界面で反射された後、第２のレンズｌｅｎｓ２で反射され、１／４波長板を２回通過してからｐ光に変換され、第２の偏光分光プリズムｐｂｓ２の分光界面を通過した後反射ミラーＭＲ２に照射される。第２のレンズｌｅｎｓ２は、第１の方向と第２の方向で異なる焦点距離を有するトーリックレンズであり、第１の方向と第２の方向で異なる角度のレーザビームを、第１の方向と第２の方向で光軸に沿って平行に伝送されるビームとしてコリメートするように作用する。反射ミラーＭＲ２と第２の偏光分光プリズムｐｂｓ２との間に１／４波長板が設置され、反射ミラーＭＲ２で反射された光線は１／４波長板を通過してからｓ光に変換され、第２の偏光分光プリズムｐｂｓ２の分光界面で反射されて第２の偏光分光プリズムｐｂｓ２から射出する。第２の偏光分光プリズムｐｂｓ２の出光面には中継像平面１７０３である付加散乱スクリーン１７３０が設けられ、仮想被写体面上の点から発せられた光が中継像平面１７０３で第２方向の線分像を形成する。付加散乱スクリーンは、第２の方向の光線の伝送を変えずに、散乱スクリーンに照射された光ビームを第１の方向で発散する。偏光分光プリズムｐｂｓ３と付加散乱スクリーンとの間に１／２波長板が設置され、付加散乱スクリーンから射出されたｓ光は、１／２波長板を通過してｐ光に変換された後、第３の偏光分光プリズムｐｂｓ３に入射し、第３の偏光分光プリズムｐｂｓ３の分光平面を通過してシリンドリカルミラーｌｅｎｓ３に照射され、偏光分光プリズムｐｂｓ３とシリンドリカルミラーｌｅｎｓ３との間に１／４波長板が設置され、シリンドリカルミラーｌｅｎｓ３から反射されたｐ光は１／４波長板を二回通過してｓ光に変換され、分光界面で反射され、光軸が９０度回転して一次元再帰反射スクリーンに照射され、この例では、一次元再帰反射スクリーンは、主結像ユニット１７１１であり、Ｖ型溝角度が９０度であり表面に金属反射層がめっきされているＶ型溝アレイ構造である。一次元再帰反射スクリーンはＸ－Ｚ平面に対して３０度の角度となるように設置され、付加散乱スクリーンから射出された第１の方向の発散ビームは一次元再帰反射スクリーンによって反射され、第１方向で空間内に集光し、第２の像平面（すなわち、浮遊画像面）１０２に、Ｘ－Ｚ平面との間の挟み角度が６０度である浮遊画像が形成される。浮遊画像面１０２と一次元再帰反射スクリーンとの間に主散乱スクリーン１７２０がＸ－Ｚ方向に沿って配置され、この位置が第１の像平面１０１の位置と見なされ、また、光ビームは第２の方向で平行光であり、無限の被写界深度を有するので、第１の像平面１０１及び主散乱スクリーン１７２０は、設計上の必要に応じて主結像ユニット１７１１と浮遊画像面１０２との間の任意の位置に設置されることができる。主散乱スクリーンは第２の方向で光線を発散し、第２の方向の視野角を拡大する。本例では、走査振動ミラーと主結像ユニット１７１１との間の光学素子がアフォーカルシステムを構成することにより、被写体点から発せられた光ビームが主散乱スクリーン上に照射され、第２の方向で平行光として近似される。

このようにして、第２の像平面（すなわち、浮遊画像面）１０２に、水平の視差を有し垂直の視差を有しない浮遊画像が形成されることができる。また、全システムは反射型光学システムであるため、色差がなく、空間的に折り畳み可能であり、大型で軽量化の浮遊ディスプレイ装置を実現するのが容易になる。
好ましくは、本例の偏光分光プリズムｐｂｓは、偏光反射板で代替してもよい。

第７例
図１８は、本発明の第７例による浮遊ディスプレイ装置の概略図を示しており、浮遊ディスプレイ用の光学結像システム１８００は、平行光投影と協働して用いられ、レンズ群を採用して第１の方向の画像を結像する。第７例による浮遊ディスプレイ装置における光学結像システム１８００のいくつかの詳細は、図７に関して説明した光学結像システム６００と同じであり、ここで説明を省略する。以下、第７例の相違点を主に説明する。

図に示すように、浮遊ディスプレイ装置は平行光画像源、および光学結像システム１８００を備える。この例では、光学結像システムは、付加散乱スクリーン１８３０と、結像ユニット１８１１と、主散乱スクリーン１８２０とを備えることができる。結像ユニットは、図１８に示すように、光路上で付加散乱スクリーン１８３０と主散乱スクリーン１８２０との間に設置された第１のレンズｌｅｎｓ１、第２のレンズｌｅｎｓ２、第３のレンズｌｅｎｓ３、第１の反射ミラー、および第２の反射ミラーを備えることができ、また、ｌｅｎｓ１、ｌｅｎｓ２、ｌｅｎｓ３は主結像ユニットである。第１のレンズｌｅｎｓ１、第２のレンズｌｅｎｓ２及び第３のレンズｌｅｎｓ３はシリンドリカルレンズであってもよい。レンズ群は、第１の方向の画像を拡大し、画像の像の差を補正するように作用する。第二の散乱スクリーン２は一定角度で傾けるように設置されている。

本例では、平行画像源は、平行バックライト光源とＬＣＤディスプレイから構成され、ＬＣＤディスプレイ面は被写体面１０であり、ＬＣＤから発せられた平行光は、垂直方向の光線の伝送を変更せずに水平方向に光線を発散する付加散乱スクリーン１８３０に平行に投影される。付加散乱スクリーンが位置する面は中継像平面１８０３である。付加散乱スクリーンから発せられた光は、第１のレンズｌｅｎｓ１、第２のレンズｌｅｎｓ２、第３のレンズｌｅｎｓ３を経て空間中に実像化され、浮遊画像面１０２を形成する。第１の反射ミラー及び第２の反射ミラーは、光線の伝送経路を変更するために用いられる。反射ミラー２で反射された光線は、斜めに設置された主散乱スクリーン１８２０に照射され、第２の方向で発散し、垂直方向の視野角を拡大する。

このようにして、被写体面１０上の第１の方向に沿った画像の結像面の第２の像面１０２における像側開き角が、相対的に大きく（すなわち、２０度以上、好ましくは３０度以上）することで、浮遊画像面に、水平の視差を有し垂直の視差を有しない第２の方向に拡大された浮遊画像が形成されることができる。

本例では、レンズ群によって第１の方向の画像が拡大し、斜めに配置された主散乱スクリーンに平行光が照射されることにより第２の方向の画像が拡大され、この２つの方向は異なる倍率を有してもよく、第１および第２の方向の通常のスケールの浮遊画像を得るために、空間光変調器（ＬＣＤディスプレイ）の画素サイズは、２つの方向において異なるように設定され、すなわち、表示画素は正方形ではなく長方形であることが望ましい。

第８例
図１９は、本発明の第８例による浮遊ディスプレイ装置の概略図を示しており、浮遊ディスプレイ用の光学結像システム１９００は、レーザｍｅｍｓ走査投影と協働して使用される。第８例による浮遊ディスプレイ装置における光学結像システム１９００の結像プロセスのいくつかの詳細は、第６例による光学結像システム１７００と同じであり、ここで説明を省略する。以下、第８例の相違点を主に説明する。

本例では、再帰反射スクリーンの代わりに第４のレンズｌｅｎｓ４と反射ミラーを用い、図１９に示すように配置する。第４のレンズｌｅｎｓ４はＹ方向に沿って素早く機械的に移動することができる。結像公式より、像距離ｖはｖ＝ｆ／（１－ｆ／ｕ）を満たし、ｕは被写体距離であることが分かる。この例では、ｆは変化せず、ｕが増加すればｖは減少する。浮遊画像面を光軸方向に前後的に移動させることが可能である。第４のレンズＬｅｎｓ４は、移動周期の時間が０．１ｓ未満になるようにＹ方向に沿って十分に速く移動し、各移動位置に現在必要な画像を表示することで、浮遊画像のダイナミックな効果を実現でき、各移動位置に３Ｄ画像の一つの切断面の画像を表示すると、多層３Ｄ表示の原理を利用して３Ｄ画像の効果を見ることができる。また、結像レンズが液体／液晶等のクイックズームレンズである場合には、結像レンズの焦点距離ｆを変化させることにより、浮遊画像の位置を変化させることも可能であり、ダイナミックな効果や３Ｄ効果を実現することができる。

本発明は、上述した浮遊ディスプレイ装置と同様に、対応するアラウンドビューディスプレイ装置を提供する。

図２０Ａは、本発明の実施例によるアラウンドビューディスプレイ装置２０００の概略図を示しており、ここでは、スプライス（splice）方式を使用して、３６０度視認可能なアラウンドビューディスプレイ装置が実現されている。

本例では、アラウンドビューディスプレイ装置２０００は、上述した８つのいずれか一つの浮遊ディスプレイ装置（例として、図２０Ｂは浮遊ディスプレイ装置の可能な構成の１つを示している）から構成されている。図２０Ａでは、８つの浮遊ディスプレイ装置がそれぞれ２００１～２００８の符号で示されている。図２０Ｃは、図２０Ｂの例である浮遊ディスプレイ装置の平面図であり、図に示すように、浮遊ディスプレイ装置は、台形構造であり、図２０Ａの方式に応じてつなぎ合わせて設置されている。浮遊画像１０２が水平に対して４５度～９０度の挟み角度となることが好ましい。さらに、８つの浮遊ディスプレイ装置ユニットで形成された浮遊画像１０２の中心点であるＯ点を一致させるようにより正確に設定することができる。例えば、各組の浮遊画像の水平画角が４５度であれば、８組の浮遊ディスプレイ装置が３６０度の全画角となるようにスプライスされることができる８組の浮遊ディスプレイ装置がそれぞれ３次元被写体の対応する８つの位置の画像を表示するために用いられる場合、このアラウンドビューディスプレイ装置は３Ｄ表示効果を有する。なお、８つの浮遊ディスプレイ装置を適用するためのスプライス方式の採用は、限定的ではなく単なる例として挙げられ、スプライスされた浮遊ディスプレイ装置の数は、２より大きい任意の整数であってもよく、いずれもアラウンドビュー／３Ｄ表示効果を達成できることが当業者には理解されるであろう。

以上、本発明の例示的な実施例による浮遊ディスプレイ用の光学結像システム、当該光学結像システムを含む浮遊ディスプレイ装置及びアラウンドビューディスプレイ装置について詳細に説明した。本発明の光学結像システムは、被写体面上の点の光ビームが第１の方向に沿って結像ユニットによって結像された像側開き角が、両眼視差条件を満たすように比較的大きくすることで、画像の浮遊ディスプレイが実現可能であり、浮遊画像は単一の方向の視差のみ有するので、裸眼３Ｄ表示にさらに用いられることができる。

上記の説明は、限定的ではなく概略的なものであることが理解されるべきである。例えば、上述の実施例（および／またはその様々な態様）は、互いに関連して使用されてもよい。さらに、本発明の範囲を逸脱することなく、特定の条件または材料を本発明の様々な実施形態の教示に適合させるために多くの修正を加えることができる。本明細書に記載された材料のサイズおよびタイプは、本発明の様々な実施例のパラメータを定義するために使用されるが、様々な実施例は限定的であることを意味するものではなく、例示的な実施例である。上記の説明を読んだ場合、他の多くの実施例は当業者にとって明白であろう。したがって、本発明の様々な実施例の範囲は、添付の請求項及びこれらの請求項で保護請求される均等な形態の全体的範囲を参照して決定されるべきであろう。

Claims (15)

1. その光軸に沿って被写体面、第１の像平面および第２の像平面を順に画定する結像ユニットであって、
   前記結像ユニットは、一次元再帰反射スクリーンを備える、第１の方向に光を集光するように配置された主結像ユニットを備え、光軸上において前記被写体面と前記第１の像平面との間に介在され、前記光軸にそれぞれ直交する第１の方向および第２の方向において異なる、光線を集光する能力を有し、
   前記結像ユニットは、前記被写体面上の点からの光ビームが、前記第１の像平面に前記第１の方向のライン像を形成し、前記被写体面上の点からの光ビームが、前記第２の像平面に前記第２の方向のライン像を形成するように配置されたことを特徴とする浮遊ディスプレイ装置用の結像ユニット。
2. 前記結像ユニットは、前記被写体面と前記第１の像平面との間に配置され、前記被写体面からの光線を前記第２の方向に拘束するための一次元開口絞りを含む補助結像ユニットをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の結像ユニット。
3. 前記結像ユニットは、前記結像ユニットが光軸上で前記被写体面と前記第１の像平面との間に介在した１つ以上の中継像平面をさらに画定するようにした補助結像ユニットをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の結像ユニット。
4. 前記補助結像ユニットは、前記被写体面上の点からの光ビームを、特定の中継像平面で前記第２の方向のライン像として形成するように配置されたことを特徴とする請求項３に記載の結像ユニット。
5. 光線を角度制御するためにルーバー遮光構造をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の結像ユニット。
6. 前記結像ユニットは、
   光の偏光状態を変換するための波長板と、
   光線を前記第１の方向と前記第２の方向に同時に変調するためのトーリックレンズと、
   光を伝搬するための光導波路と、
   一方の方向に直交するもう一方の方向の光線の伝搬を変えずに、前記一方の方向に光を集光するシリンドリカルレンズと、
   光軸上で前記被写体面と前記第１の像平面との間に介在され、その間に光を伝搬するレンズ群と、のいずれか一つ以上を備えたことを特徴とする請求項１に記載の結像ユニット。
7. 前記主結像ユニットは光軸に沿って往復移動可能にし、又はクイックズーム機能を有することで、前記第２の像平面の光軸方向における位置を変更可能に構成することを特徴とする請求項１に記載の結像ユニット。
8. 前記結像ユニットは、光路上における前記被写体面と前記主結像ユニットとの間であって、前記主結像ユニットと前記第１の像平面との間に配置されたハーフミラーをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の結像ユニット。
9. 前記被写体面からの結像光は、前記ハーフミラーを介して前記主結像ユニットに入射し、前記主結像ユニットから出射された結像光は前記ハーフミラーを介して前記第１の像平面に反射することを特徴とする請求項８に記載の結像ユニット。
10. 前記被写体面と前記第１の像平面とが互いに平行に配置されることを特徴とする請求項１に記載の結像ユニット。
11. 前記結像ユニットの前記第１の方向での像の高さは、前記第１の方向の被写体の高さに等しいことを特徴とする請求項１に記載の結像ユニット。
12. 前記被写体面と前記第２の像平面とが正の結像関係にあることを特徴とする請求項１に記載の結像ユニット。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の結像ユニットと、
    １つの画像を構成する光を前記結像ユニットの被写体面に向けて射出するように配置された画像表示ユニットと、を備えたことを特徴とする浮遊ディスプレイ装置。
14. 前記光軸上において前記被写体面と前記第２の像平面との間に介在され、前記第２の方向に沿って光を発散する主散乱スクリーンをさらに備えたことを特徴とする請求項１３に記載の浮遊ディスプレイ装置。
15. スプライス状に配置された、請求項１３または１４に記載の浮遊ディスプレイ装置を複数備えたことを特徴とするアラウンドビューディスプレイ装置。

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