JP5143898B2 - 空間映像表示装置 - Google Patents

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。

リアルな３次元空中映像を実現するために、光線を細かく分割する微細加工技術に着目し、鏡に映った像鏡映像を虚像でなく実像で空中に結像させることを可能とするナノ加工技術を用いた受動光学素子が開発されている（非特許文献１参照）。

かかる光学素子の素子面には１辺１００μm、深さ１００μmの微小な貫通穴が多数開いている。この穴の内壁がマイクロミラーとなっており、隣接する２面のマイクロミラーによって２面コーナーリフレクターが構成されている。穴を通過する光はこのマイクロミラーに２回反射されることで鏡映像が形成される。

空中映像を結像する「鏡」の開発に成功〜リアルな３次元空中映像の実現に向けて〜、［平成２０年４月２８日検索］、(URL:http://www2.nict.go.jp/pub/whatsnew/press/h18/061124-2/061124-2.html)

しかしながら、上記の光学素子には非常に微細な加工技術が要求されるために、そのような光学素子を用いた空間映像表示装置では製造コストがかかるという問題点がある。

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、低コストで空間映像表示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。

本発明の一態様の空間映像表示装置は、実体部と、前記実体部からの表示光を観察者に向けて反射する光反射光学素子とを備え、前記光反射光学素子は第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構造体で構成され、前記実体部からの表示光を前記第１及び第２光反射面により２回反射させて鏡映像を作り出す空間映像表示装置であって、前記光反射光学素子は、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第２光反射面を構成することを特徴としている。

本発明の一態様の空間映像表示装置においては、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構造体で構成された光反射光学素子が備えられている。光反射光学素子は、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、第１集合体の光反射面が微小ミラーユニットの第１光反射面を構成し、第２集合体の光反射面が微小ミラーユニットの第２光反射面を構成し、実体部からの表示光を第１及び第２光反射面により２回反射させて鏡映像を作り出すことが行われる。よって、光反射光学素子の製作にはコスト高となるような微細な加工技術が要求されないので、低コストで空間映像を実像表示することが可能となる。

本発明の実施例を示す光学系図である。 図１の空間映像表示装置のミラー及びディスプレイ部の他の配置を示す光学系図である。 図１の空間映像表示装置のミラー及びディスプレイ部の他の配置を示す光学系図である。 図１の空間映像表示装置のミラーを示す図である。 ミラーを構成する直方体材を示す図である。 ミラーを形成する２つのシート部の組み合わせを示す図である。 ミラーにおける表示光の２回反射を示す図である。 シート部の厚みを求めるためのミラーの法線に対する観察方向の角度を示す図である。 ディスプレイ部とミラーとの配置関係を示す図である。 本発明の他の実施例を示す光学系図である。 本発明の他の実施例を示す光学系図である。 本発明の他の実施例を示す光学系図である。 図１２の装置において表示光が視点から見て前後方向の光に分かれて２回反射して実像を形成する状態を示す図である。 図１２の装置において表示光が視点から見て左右方向の光に分かれて２回反射して実像を形成する状態を示す図である。

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１は本発明の一態様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、実体部であるディスプレイ部１と光反射光学素子であるミラー２とからなる。ディスプレイ部１は映像供給部（図示せず）から供給される映像信号に応じて映像を表示する。ミラー２はディスプレイ部１に表示された映像を観察者の目Ｅ（観察位置）に向けて反射し、観察者に対して空間に実像３を視覚的に与える。

ミラー２は図１に示すように平面板状であり、観察者の目Ｅの観察方向に対して斜めに配置される。ミラー２の一方の面がディスプレイ部１側に向けられ、他方の面が観察者の観察位置側に向けられている。

図１のディスプレイ部１及びミラー２の配置では、ディスプレイ部１の表示面はミラー２の下方で若干、観察位置側（前方側）にあってミラー２に斜めに向けられている。表示面に垂直でミラー２に至る直線と上記観察方向の直線とがミラー２のほぼ中央で交わり、その２つの直線がなす角度を２等分する角度位置にミラー２は配置されている。

ディスプレイ部１及びミラー２の配置は図２に示すように、ミラー２の下方でディスプレイ部１の表示面が水平にされ、その表示面からミラー２に至る垂直線と上記観察方向の直線とが９０度の角度でミラー２で交差するようにしても良い。また、図３に示すように、ディスプレイ部１の表示面はミラー２の下方で若干、ミラー２より後方側にあってミラー２に斜めに向けられた配置でも良い。

ミラー２は図４に示すように、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１〜図３におけるミラー２の両端部Ａ，Ｂは図４のミラー２の対向角Ａ，Ｂに対応している。端部Ａが下端部とし、端部Ｂが上端部とする。

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、滑らかな状態にする。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５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。その光反射膜２３を形成した面とは反対側の面には光吸収膜２４が形成され、それにより光吸収面とすることが望ましい。光吸収膜２４はつや消しの黒塗料などを用いたり、黒色の薄いシートを密着させて形成しても良い。

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６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、それによってミラー２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、シート部２１，２２を形成する際に、１つの直方体材２０の光吸収膜面と別の直方体材２０の光反射膜面を密着させるので、光吸収膜２４は光反射膜２３の上に積層して形成しておいても良い。

かかる構成の空間映像表示装置においては、ディスプレイ部１の表示面に表示された映像はミラー２の各光反射膜面によって反射されて視線上に空間実像３として形成される。すなわち、図７に示すように、ディスプレイ部１からの表示光は矢印Ｙ１の方向でシート部２２の光反射膜面２３に反射し、その反射表示光は矢印Ｙ２の方向でシート部２１の光反射膜面２３に反射し、その反射表示光は矢印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。

よって、ミラー２の製作にはコスト高となるような微細な加工技術が要求されないので、低コストで空間に実像表示することが可能となる。

図８に示すように、ミラー２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はミラー２の中での法線に対する光線軸の傾き角である。
θ＝６０度、Ｗ=１mm、ｎ＝１.５の場合には Ｄは約２.０mmとなる。
θ＝４５度、Ｗ=１mm、ｎ＝１.５の場合には Ｄは約２.７mmとなる。
θ＝３０度、Ｗ=１mm、ｎ＝１.５の場合には Ｄは約４.０mmとなる。

更に、直方体材２０はプラスチック樹脂やガラスなどによって形成されているため、約１.５程度の屈折率を持っているが、このことによって表面反射が起こる場合がある。そこで、ミラー２の実体（ディスプレイ部１）側及び実像３側の面に減反射コーティングを施すことにより鮮明な実像を空間に形成することができる。

上記の実施例では、ミラー２を構成する長手部材として各直方体材２０をアクリル樹脂やガラス等によって透明層として形成して、メンテナンスなどを容易にする構成を示したが、これらの代わりに、長手部材としてごく薄いミラーシートを多数用いても同様の効果は得られる。構造的には平行するミラー群を２層に直交配置する構造である。レイアウト設計においては光学屈折率ｎ＝1で計算すれば良い。

また、ミラー２の各直方体材２０としてガラス、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ＵＶ硬化樹脂等の材料を用いると、ミラー２と空気との間に大きな屈折率差を持つために表面反射が発生する。そこで、ミラー２の表面に減反射蒸着コーティングを施すことで、表面反射の少ない高品位の空間映像を得ることができる。減反射蒸着コーティングの代わりにＡＲ(アンチリフレクション)シート又は減反射フィルムをミラー２の表面に貼り合わせても同様である。

ミラー２で２回反射せず、１回だけ反射した光は図９に示すようにミラー２の法線方向に光軸を持っている。そこで、この１回反射光を回避するために観察される実像の範囲に１回反射光の範囲が重ならない位置に実体であるディスプレイ部１を設置すれば良い。この手法によって一回反射光は全く観察されなくなり、画像の品位を良好に保つことができる。

ミラー２の各直方体材２０の光反射膜２３はアルミや銀の蒸着、スパッタ膜、或いは銀等の金属反射膜によって形成されるが、金属以外の光反射膜でも良い。金属以外の光反射膜としては、屈折率が大きく異なる樹脂を積層したり、誘電体膜を形成することで同様の反射を得ることができる。屈折率差による反射では例えば光ファイバーの芯(コア)に使われるような高屈折率のガラス又は樹脂を基材として使用し、光ファイバーの外周(クラッド)に使われる様な低屈折率のガラス又は樹脂を金属の代わりに反射膜として使用する。

この時積層する材料は光学ガラス又は樹脂であり、ミラーシートを構成する部分品の全てが物理特性の比較的近い材料で構成できるので、機械的な強度分布が面内で均一になるばかりでなく、反射性能の劣化が起こりにくくできる。同時にこの方法によれば、接着(結合)部分の均一性にも寄与するため、反射膜間の平行精度を向上にも有効な手法となる。

また、光反射膜２３においては、アルミの蒸着膜やスパッタ膜、或いは銀などの金属反射膜上にクロム蒸着、黒色クロムめっき、ニッケル-クロムめっきや亜鉛めっき（黒色クロメート）、黒色アルマイトや銅の黒染め（化成処理膜）等の金属系の防錆層を積層することで、反射率の劣化を抑制することができる。また、これらの多くは黒色から暗青色を呈するものが多く、光吸収膜を兼ねることも可能である。

図１０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。図１０の空間映像表示装置においては、図２の空間映像表示装置と同様に、ディスプレイ部１とミラー２とが備えられている。同一部分は同一符号を用いて示している。図１０の空間映像表示装置は更にディスプレイ部４とハーフミラー５とを備えている。ディスプレイ部４は映像供給部から供給される映像信号に応じて映像を表示する。ディスプレイ部４に表示される映像はディスプレイ部１のそれとは異なるとする。ディスプレイ部１には背景映像供給部（図示せず）から背景を示す映像信号が供給され、ディスプレイ部４には近景映像供給部（図示せず）から近景を示す映像信号が供給される。

ハーフミラー５はディスプレイ部１とミラー２との間に配置され、ディスプレイ部１に表示された映像をミラー２に向けて透過させると共にディスプレイ部４に表示された映像をミラー２に向けて反射する。ディスプレイ部１からミラー２に至る光軸とハーフミラー５からミラー２に至る光軸とは同一直線上にある。ディスプレイ部４からミラー２に至る光経路の距離はディスプレイ部１からミラー２に至る光経路の距離より長い。

かかる構成の図１０の空間映像表示装置においては、ディスプレイ部１の表示面に表示された映像はハーフミラー５を透過してミラー２に到達し、ミラー２の各光反射膜面によって反射されて視線上に空間実像３として形成される。それと同時に、ディスプレイ部４の表示面に表示された映像はハーフミラー５によって反射されてミラー２に到達し、ミラー２の各光反射膜面によって反射されて視線上に別の空間実像６として形成される。すなわち、複数の空間映像を同時に投射することが可能となり、観察者はそれら複数の空間映像を視認することができる。

図１０の空間映像表示装置においてディスプレイ部１，４としてプラズマディスプレイを用いる場合には、一般的なプラズマディスプレイの表面に取り付けてある減光フィルタを取り外すことができる。これはハーフミラー５が減光フィルタと同等の役割を果たすためである。プラズマディスプレイの減光フィルタを取り外すことにより、プラズマディスプレイの表示面から得られる光量が約３倍になり、最終的に投影される実像の明るさも３倍になり、仮想現実感を更に増大させることができる。

また、図１０の空間映像表示装置においては、ディスプレイ部１には背景映像供給部が接続され、ディスプレイ部４には近景映像供給部が接続されているが、電子情報技術産業協会 (JEITA)が規格化している２次元画像とそれに適合したDepth（奥行き信号）マップを用いれば、２次元画像から容易に近景/遠景の映像信号を取り出すことができる。

図１１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。図１１の空間映像表示装置においては、図１０の空間映像表示装置に更にディスプレイ部７とハーフミラー８とが追加されている。ディスプレイ部７は映像供給部から供給される映像信号に応じて映像を表示する。ディスプレイ部７に表示される映像はディスプレイ部１，４のそれとは異なるが、同一映像の一部である。すなわち、１つの画像が上中下の３部に分割される。ディスプレイ部１には下部の画像が表示され、ディスプレイ部４には上部の画像が表示され、ディスプレイ部７には中部の画像が表示される。

ハーフミラー８はディスプレイ部１とハーフミラー５との間に配置され、ディスプレイ部１に表示された映像をハーフミラー５に向けて透過させると共にディスプレイ部７に表示された映像をハーフミラー５に向けて反射する。ディスプレイ部１からミラー２に至る光軸とハーフミラー８からハーフミラー５に至る光軸とは同一直線上にある。その他の構成は図１０の装置と同様である。ただし、各ディスプレイ部１，４，７からミラー２に至る光経路の距離は互いに等しい。

かかる構成の図１１の空間映像表示装置においては、ディスプレイ部１の表示面に表示された映像はハーフミラー８，５を透過してミラー２に到達し、ミラー２の各光反射膜面によって反射されて視線上に上部実像９ａとして形成される。それと同時に、ディスプレイ部４の表示面に表示された映像はハーフミラー５によって反射されてミラー２に到達し、ミラー２の各光反射膜面によって反射されて視線上に下部実像９ｂとして形成される。ディスプレイ部７の表示面に表示された映像はハーフミラー８によって反射されて更にハーフミラー５を透過してミラー２に到達し、ミラー２の各光反射膜面によって反射されて視線上に中部実像９ｃとして形成される。実像９ａ〜９ｃは１つの空間画像として視線上の同一位置に組み合わされて形成されるので、大きなサイズの実像、すなわちディスプレイとして観察者は観ることができる。

例えば、縦１ｍ横２ｍの表示面を有するディスプレイ部を７２個を備えた場合には、縦横が約１２ｍ×１２ｍの巨大な空間映像を得ることができる。

また、図１１の空間映像表示装置においては、シームレスな１つの画像を得るためにディスプレイ部１，４，７を互いに接することなく配置したレイアウトにすることができる。なお、図１１においてはディスプレイ部１，４，７各々の実線が表示される実体部分であり、破線部分は観察者が観る空間映像のサイズに対応した実体以外の部分である。破線部分は存在しなくて良い。

なお、各直方体材としてガラスミラーを使用する場合には、カットの際に切断面が傾いたり表面に微小な凹凸が発生するが、これが結合像をぼけさせる大きな要因となる。そこで、表面に低粘度のエポキシ樹脂やＵＶ硬化樹脂をコーティングすることにより、ミラーの表面が滑らかになり、結果として光軸ズレの少ない鮮明な実像を得ることができるようになる。コーティングする面はミラーの両面が最も効果的であるが、２つのシート部の貼り合わせ面にも施して２つのシート部の接着層としても良い。

図１２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。図１２の空間映像表示装置において、ミラー２はくさび状の断面にされている。すなわち、ミラー２の厚さＤが下端部Ａから上端部Ｂに向けて徐々に減少している。視線の入射角度が小さい下端部Ａの厚さが最大ＤＡであり、視線の入射角度が大きい上端部Ｂの厚さＤＢが最小である。

図１２に示したように、ミラー２における視線の中心位置が法線に対して角度θであると、その視線の中心位置から下方に−ａ度、上方に＋ｂ度が視角となる。ミラー２の下端部Ａでは入射する視線の傾きはθ−ａ度となり、上端部Ｂでは入射する視線の傾きはθ＋b度となる。この角度により上記の式(1)によりミラー２における視線の中心位置の厚みＤの他に、下端部Ａ及び上端部Ｂ各々の厚みＤをＤＡ及びＤＢとして算出することができる。

ミラー２の厚みＤは連続的に変化するので、図１２の装置中のミラー２を作製するに当たっては、先ず、下端部Ａの厚みＤＡが得られるように直方体材２０の短手方向の四角形の辺の長さが決定され、そのような寸法の直方体材２０で上記したようにシート部２１，２２が形成される。そして、そのシート部２１，２２を貼り合わせて全面で同じ厚みＤＡのミラー２を作製することが行われる。その後、そのミラー２の両表面が研磨され、それにより上端部Ｂに向けて厚みが徐々に薄くなるようにされる。その結果、図１２のように下端部Ａでは厚みＤＡ、上端部Ｂでは厚みＤＢ、そして断面がくさび状のミラー２が得られる。

また、図１２のミラー２の他の作製方法としては、図１２のミラー２を形成する直方体材２０各々の寸法を厚みＤの変化（分布）に基づいて予め算出しておき、その寸法に従って直方体材２０各々を形成して上記と同様にしてミラー２を作製しても良い。

図１３は図１２に示した空間映像表示装置において、ディスプレイ部１の実体からの表示光（矢印）が視点から見て前後方向の光に分かれてミラー２において２回反射して実像を形成する状態をミラー２の前面、側面及び上面から各々示している。また、図１４は図１２に示した空間映像表示装置において、ディスプレイ部１の実体からの表示光（矢印）が視点から見て左右方向の光に分かれてミラー２において２回反射して実像を形成する状態をミラー２の前面、側面及び上面から各々示している。

ディスプレイ部１から出射した表示光はミラー２の第１層目であるシート部２２のミラー群（光反射膜面２３）により反射され、第１層目のミラー群とは９０度直交してミラー２に配置された第２層目のシート部２１のミラー群（光反射膜面２３）へ導かれ、この第１層目からの反射光は第２層目のミラー群によって再び反射され、実体とは第１層目ミラー群と第２層目ミラー群の貼り合せ面を面対称とする位置に実像を形成する。

よって、観察者は視角内において空間映像３を全体的に均一な明るさでかつ良好な鮮明度で視認することができる。

更に、上記した各実施例においてディスプレイ部１は映像を表示するが、それに限定されず、写真プリント、人形等の実体物であっても良い。

１，４，７ ディスプレイ部
２ ミラー
５，８ ハーフミラー
２０ 直方体材
２１，２２ シート部

Claims (8)

1. 実体部と、前記実体部からの表示光を観察者に向けて反射する光反射光学素子とを備え、前記光反射光学素子は第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構造体で構成され、前記実体部からの表示光を前記第１及び第２光反射面により２回反射させて鏡映像を作り出す空間映像表示装置であって、
   前記光反射光学素子は、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第２光反射面を構成し、
   前記光反射光学素子において前記複数の長手部材各々は長手方向に伸張した４つの面を有する透光の直方体からなり、前記４つの面のうちの１面が前記光反射面であり、前記第１集合体及び前記第２集合体各々において１つの直方体の光反射面が隣接の直方体の前記４つの面のうちの前記光反射面とは反対側の面と当接するように前記直方体が配列されており、
   前記光反射光学素子において前記直方体各々の前記４つの面のうちの前記光反射面とは反対側の面は光吸収面をなすことを特徴とする空間映像表示装置。
2. 前記光反射光学素子は、観察者からの視線の入射角度の大きい位置での厚みが、観察者からの視線の入射角度の小さい位置での厚みより薄く形成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。
3. 前記光反射光学素子は、前記入射角度の大きい位置から前記入射角度の小さい位置に向けて前記厚みが連続的に増加するように形成されていることを特徴とする請求項２記載の空間映像表示装置。
4. 前記光反射光学素子の表面に減反射処理を施したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１記載の空間映像表示装置。
5. 前記光反射光学素子の前記微小ミラーユニットの前記第１及び第２光反射面の反射材料として、屈折率が大きく異なる複数の樹脂層又は誘電体膜を用いることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１記載の空間映像表示装置。
6. 前記光反射光学素子の前記微小ミラーユニットの前記第１及び第２光反射面の反射材料上に金属系の防錆層を積層することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１記載の空間映像表示装置。
7. 前記光反射光学素子の前記微小ミラーユニットの前記第１及び第２光反射面の反射材料上に金属系の減反射層を積層することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１記載の空間映像表示装置。
8. 前記実体部と前記光反射光学素子との間に、ハーフミラーが配置され、複数の実体部の表示光が前記ハーフミラーで合成され前記光反射光学素子に入射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。

Images