JPWO2007116639A1 - 結像素子、ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

１つの平面を構成する素子面を光が透過する際に光線の屈曲を生じさせる光学素子として、素子面に垂直もしくはそれに近い角度で配置された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することにより結像素子を構成し、素子面の一方側に配置した被投影物から発せられる光を、素子面を透過する際に鏡面に反射させることで、素子面の他方側の物理的実体のない空間に実像として結像させ、またこのような結像素子を備えたディスプレイ装置を構成することで、従来にない空中映像の投影形態を提供する。

Description

本発明は、マイクロミラーによる鏡面反射を利用した光学素子において、被投影物に対して素子反対面の空中に実像を結像させる結像素子、及びこのような結像素子を備えたディスプレイ装置に関するものである。

従来より、３次元又は２次元の物体又は映像などを空間的に移動した位置に実像として結像するために使用される光学素子として、例えば凸レンズあるいは凹面鏡を用いた態様が知られている。しかしながら、適切な視野角を確保するという要請に応えるためには、巾寸法の大きな光学素子が必要であり、一方で、収差等の問題により短焦点距離の光学素子を用いることが困難であるため、光学系の奥行き寸法も長くなり、光学素子を利用したデバイスの巨大化、ひいては光学素子を適用したディスプレイ装置自体の大型化を招来するという問題があった。また、デバイスを大型化したとしても収差を完全に消すことは困難であり、視点を変化させると実像の空間的な位置は変化してしまい、３次元物体に対する像は歪んでしまう。

このような問題点を解決すべく、近時マイクロレンズアレイを利用した空中映像の表示装置が開発されている（例えば特許文献１参照）。これは、２次元像に対する正立等倍の結像系を利用したものであり、２次元像を表示する表示面と同じ大きさの光学デバイスによって、歪み無しに２次元像の空間的な平行移動を可能とするものである。このようなものであれば、通常のレンズに比較して光学デバイスの小型化及び薄型化を図ることができ、ディスプレイ装置のコンパクト化にも資する。ただし、これでは３次元物体の実像を得ることはできない。

そこで、上記システムに利用されている正立等倍の結像光学素子に対して、それを構成する個々の光学系を焦点距離が無限大のアフォーカル光学系とした光学素子が提案されている（例えば特許文献２参照）。この光学素子は、被投影物の鏡映像を実像として結像させることが可能であり、レンズによる光の屈折作用をその基本原理として用いていることより、以下、この光学素子を屈折型実鏡映像結像素子と呼ぶものとする。なお鏡映像を結像するということは、３次元物体の実像を歪み無しに結像可能であることを意味する。この屈折型実鏡映像結像素子は、第１レンズ要素と第２レンズ要素のそれぞれの焦点距離を隔てて同一光学軸上に配置してアフォーカル光学系とし、当該アフォーカル光学系の入射レンズ面及び出射レンズ面をそれぞれアレー状に同一平面上として配置した光学部としたものであり、第１レンズ要素及び第２レンズ要素の組み合わせとしては、２つの凸レンズとしたもの、２つの光ファイバレンズとしたもの、等が提案されている。
特開２００５−２３４２４０号公報 特開２００５−０１０７５５号公報

ところで、レンズによる屈折を利用した屈折型実鏡映像結像素子の場合、高精度のマイクロレンズを精度良く並べる又は組み付ける必要があるため、構造の複雑化及びコストの増加を招来するという不具合が生じる。また、レンズ作用によって光学素子内で少なくとも一度焦点を結ぶ必要があるため、素子の厚さをそれほど薄くすることができない。また、光の屈折作用を利用するものであるため、素子面に対してほぼ垂直方向からしか観察できず、素子面に対して斜め方向から大きな角度を付けて像を観察することが困難であるという問題がある。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、主たる目的は、反射作用を持つ鏡面を利用することで、構造の単純化及びコストの削減を図ることができるとともに、非常に薄く作成することができ、また素子面に対して角度を付けて観察することも可能な光学素子であるマイクロミラーを利用した結像素子、及びこのような結像素子を備えたディスプレイ装置を提供することにある。

すなわち、本発明に係る結像素子は、１つの平面を構成する素子面を光が透過する際に光線の屈曲を生じさせる光学素子であって、前記素子面に垂直もしくはそれに近い角度で配置された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ことを特徴とする。

このようなものであれば、単位光学素子を構成する鏡面の数と配置とを適切に設定することで、光が素子面を透過する際に、複数の単位光学素子における各鏡面で反射することによって、素子面を挟んで一方の空間に配置された物体や映像を反対側の空間に実像として結像させることができる。そのため、複数の高精度マイクロレンズを必要とする従来の光学素子と比較して、平面構造の鏡面により作られるため、構造の単純化及びコストの削減、薄型化ができ、種々の使用態様にも柔軟に対応することができる。また、鏡面を素子面に対してほぼ垂直に設けていることから、素子面において光線を急角度で屈曲させることができるため、結像した実像を素子面に対して斜めに角度を付けて観察することが可能となる。そのため素子面の一方の空間に配置した物体や映した映像からなる被投影物を、反対側において素子面から起立した立像として観察することができる。また、この鏡面は、素子面に対してちょうど垂直に設けるか、或いは概ね垂直と見なせる前後数度の角度範囲で設ければよい。この結像素子を介して結像した３次元像又は２次元像の実像は、空中に結像しているため手指等で触れる又はポインティングする行為が可能となり、しかも素子面に対して斜めからの観察ができるため、平面上に浮遊する空中像としてこれまでにない斬新な像の観察方法を提供できることとなる。ただし、３次元像の実像については、奥行きが反転した逆視像となる。そのため、実物についてはこの結像素子を２回透過させる、合成された３次元像についてはあらかじめ奥行きを反転しておく等の対策が必要となる。

なお、結像素子としては、単位光学素子を構成する鏡面の数は１以上であれば、特に限定されるものではない。鏡面の数に応じて光の反射回数も変化させることができる。ただし、結像様式は鏡面の数や配置によって異なる。鏡面が1枚で全ての単位光学素子においてそれらが平行であれば、素子両側に実像と虚像の両方が結像することとなる。また、実像を得るための簡易な構造にして好ましい単位光学素子の構成は、２つの鏡面を備えたものであり、単位光学素子を透過する光がそれら２つの鏡面で１回ずつ反射して素子面の反対側で結像するようにするためには、単位光学素子を平行ではない２つの鏡面から構成することが有効であり、特に鏡面２枚を相互に直交させて２面コーナーリフレクタとして機能させる場合には、鏡映像の実像の結像を行うことができる反射型実鏡映像結像素子となる。また、２つの鏡面が直交しない場合には、収差が生じ、合計２回の反射のうち光がどちらの鏡面で先に反射するかによって２つの実像が結像することになる。

また、単位光学素子の配置に関しては、例えば前述の２面コーナーリフレクタを、素子面上において複数方向を向けて配置しても、素子面内方向においては光は再帰反射するので、２面コーナーリフレクタの向きとは無関係に同一位置で結像する。また、直交していないが平行ではない２つの鏡面を持つ単位光学素子を利用した場合、全ての単位光学素子において２つの鏡面同士のなす角が等しい機能的に同一な単位光学素子を用いた場合には、２面コーナーリフレクタと同様に複数方向を向けて配置しても、向きと結像位置とは無関係となる。平行ではない２つの鏡面を持つ単位光学素子においては、２回反射以外にも、１回反射の透過光、無反射の透過光などが存在し、２回反射の透過光による結像の邪魔となる。このうち、無反射の透過光は素子面に対してほぼ垂直方向へと透過するため、角度を持って透過する２回反射光とは直接干渉する可能性は少ない。一方、１回反射光はある程度の角度を持って透過・結像するため、干渉する可能性が高い。この問題に対しては、前記単位光学素子の配置の際に、素子面と直交する軸周りに任意の回転方向で配置することで、１回反射による結像を避けることができ、その影響を軽減することができる。また、個々の単位光学素子が異なる方向を向く場合、それらの合成によって視野角を広げる効果ももたらすが、一方では製造が困難になるとともに光の結像素子透過率が減少するため、これらが問題となる場合には、全ての単位光学素子を同一方向を向けて配置するのがよい。

光線を単位光学素子において適切に屈曲させつつ素子面を透過させるには、単位光学素子を、素子面を貫通する方向に想定される光学的な穴の内壁を鏡面として利用するものと考えればよい。ただし、このような単位光学素子は、概念的な物であり、必ずしも物理的な境界などにより決定される形状を反映している必要は無く、例えば前記光学的な穴は相互に独立させることなく連結させたものとすることができる。

光学素子の構造を単純に述べれば、素子面にほぼ垂直な鏡面を素子面に多数並べたものである。構造として問題となるのは、この鏡面をどのように素子面に支持固定するかということになる。鏡面形成のより具体的な方法としては、例えば本発明の結像素子を、所定の空間を区画する基盤を具備するものとして、当該基盤を通る１つの平面を素子面としてとして規定し、単位光学素子を、素子面を貫通する方向に想定される光学的な穴として、基盤に形成された穴の内壁を鏡面として利用するものとすることができる。この基盤に形成された穴は、光が透過するように透明でありさえすればよく、例えば内部が真空もしくは透明な気体もしくは液体で満たしたものでもよい。また穴の形状についても、その内壁に単位光学素子として働くための１枚もしくは複数の同一平面に含まれない鏡面を具備し、かつ鏡面で反射した光が穴を透過できる限り、任意の形状を取ることが可能であり、各穴が連結していたり、一部が欠損している複雑な形状であってもよい。例えば、基盤の表面に個々の独立した鏡面が林立する態様などは、基盤に形成された穴が連結しているものと理解できる。

あるいは単位光学素子は、光学的な穴として、透明なガラスや樹脂のような固体によって形成された筒状体を利用するものであってもよい。なお、固体によって個々の筒状体が形成されている場合、これらの筒状体は、相互に密着させて素子の支持部材として働かせてもよく、基盤を具備するものとして当該基盤の表面から突出した態様をとってもよい。また筒状体の形状についても、その内壁に単位光学素子として働くための1枚もしくは複数の同一平面に含まれない鏡面を具備し、かつ鏡面で反射した光が筒状体を透過できる限り、任意の形状を取ることが可能であり、筒状体と称してはいるが各筒状体が連結していたり、一部が欠損している複雑な形状であってもよい。

ここで、前記光学的な穴として、立方体もしくは直方体のように隣接する内壁面が全て直交する形状を考えることができる。この場合、単位光学素子相互の間隔を最小化することができ、高密度な配置が可能となる。また、全ての内壁面を鏡面とすると、４組の異なる方向を向く２面コーナーリフレクタを１つの穴に構成することが可能となり、様々な方向から観察可能な結像素子を構成することができる。ただし、平行で対向する鏡面の存在により、望まない多重反射が起こる可能性が高まることになる。

単位光学素子内に複数の鏡面が存在する場合には、想定された回数以上の反射を起こす多重反射の透過光が存在する可能性がある。この多重反射対策として、光学的な穴の内壁に相互に直交する２つの鏡面を形成する場合は、これら２鏡面以外の面を、非鏡面として光が反射しないようにしたり、素子面に対して垂直とならないように角度を付けて設けたり曲面としたりすることで、３回以上の反射を起こす多重反射光を軽減もしくは除去できる。非鏡面とするには、その面を反射防止用の塗料や薄膜で覆う構成や、面粗さを粗くして乱反射を生じさせる構成を採用することができる。

なお、透明で平坦な基盤の存在は光学素子の働きを阻害するものではないので、基盤を任意に支持部材・保護部材として用いることが可能である。

さらに、被投影物の像の高精細化を図るには、複数の単位光学素子を、前記素子面上においてできるだけ間隔を空けずに配置することが望ましく、例えば格子状に配置することが有効である。またこの場合、製造も容易になるという利点がある。

単位光学素子における鏡面としては、固体であるか液体であるかに関わらず金属や樹脂等の光沢のある物質によって形成された平坦面で反射するもの、あるいは異なる屈折率を持つ透明媒質同士の平坦な境界面において反射もしくは全反射するものなどを利用することができる。また、鏡面を全反射によって構成した場合には、複数の鏡面による望まない多重反射は、全反射の臨界角を超える可能性が高くなることから、自然に抑制されることが期待できる。

また鏡面は、機能的に問題ない限り、光学的な穴の内壁のごく一部分に形成されていてもよく、平行に配置される複数の単位鏡面により構成されても構わない。後者の態様を換言すれば、１つの鏡面が複数の単位鏡面に分割されても構わないことを意味する。またこの場合、各単位鏡面は、必ずしも同一平面に存在していなくてもよく、それぞれが平行であればよい。さらに、各単位鏡面は、当接している態様、離れている態様のいずれもが許容される。なお、本発明の結像素子を反射型実鏡映像結像素子として構成する場合には、直交する２鏡面による２面コーナーリフレクタを必要とするため、１つの単位光学素子には、直交する２つの鏡面が形成されなければならない。この直交する２つの鏡面同士についても、必ずしも接触している必要はなく、光が素子面の一方側から他方側へと透過する際に２つの鏡面で１回ずつ反射すればよいので、２つの鏡面同士が当接している態様、離れている態様のいずれもが許容される。

以上のような結像素子は、素子面を挟んで一方に配置される物体又は表示装置の映写された映像からなる被投影物を当該素子面の反対方向に実像として結像させるものとしての利用が可能である。ここで、「素子面の反対方向」とは、素子面に対して面対称な位置も、面対称ではない位置も含まれる趣旨である。特に、被投影物を素子面に対して反対側の面対称位置に結像させる態様は、単位光学素子が２面コーナーリフレクタを備える場合に実現され、２面コーナーリフレクタを構成する２つの鏡面を素子面に対して垂直から傾けた場合には、その結像点は面対称位置からずれることになる。

また、本発明に係るディスプレイ装置は、上述した結像素子を具備する本体部と、当該本体部の裏面側に配される被投影物とを備え、前記被投影物から発せられる光を前記結像素子を透過させることで、前記本体部の表面側の空間に前記被投影物の実像を結像させて投影するように構成していることを特徴とする。ここで、被投影物には、物体や、スクリーンやディスプレイ等の映像表示装置に表示される映像が含まれる。特に、被投影物の素子面に対する面対称位置への実像の結像及び投影には、結像素子が上述した２面コーナーリフレクタを備える場合に好適に実現することができる。

このようなディスプレイ装置であれば、上述した結像素子が奏する作用効果を得ることができ、新規で有用なディスプレイ装置となる。例えばデスクの天板を、前述した結像素子を具備する本体部として、天板下の空間に、被投影物として物体又は映像表示装置を配置したり映像を映写したりすることで、結像素子を経て天板上の空中に被投影物の像を映し出すことができるようになる。また、壁、床、天井等の建築構造物や間仕切り、衝立（ついたて）、カーテン、スクリーン等の備品を結像素子を具備する本体部として、その裏側の空間に被投影物である物体を配置したり映像を映写したりすることで、壁や間仕切り等から空中に飛び出す映像を見せることも可能である。また、被投影物として任意の物を用いることができるため、実体物を結像素子の背面で動かすことで、映像表示装置を用いなくとも動きのある空中像を生み出すことも可能であり、さらに被投影物が立体物であっても、視線方向の奥行きが反転するものの歪み無に結像させることができる。奥行き反転に対しては、３次元物体又は３次元映像をあらかじめ奥行き反転させることで、奥行きが正常な空中像を表示させることもできる。

以上説明したように本発明によれば、構造の単純化及びコストの削減、薄型化を図りつつ、３次元又は２次元の物体又は映像の何れをも３次元像又は２次元像の実像として空中に結像させ、素子面に対して斜め方向から角度を付けて観察することが可能である。

本発明の結像素子の一実施形態に係る反射型実鏡映像結像素子を概略的に示す斜視図。 同実施形態の反射型実鏡映像結像素子を概略的に示す平面図。 図１のＡ部分拡大図。 同Ａ部の拡大斜視図。 同反射型実鏡映像結像素子の結像様式を模式的に示す図。 同実施形態に係る反射型実鏡映像結像素子を備えたディスプレイ装置を模式的に示す図。 同ディスプレイ装置により被投影物として立体物を適用して結像させた状態を模式的に示す図。 同実施形態の一変形例に係る反射型実鏡映像結像素子を図２に対応させて示す斜視図。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る結像素子Ｘは、図１〜図４に示すように、基盤１に、厚み方向に貫通し且つ直交する２つの内壁面である第１内壁面、及び第２内壁面を鏡面２１，２２にした単位光学素子２を複数設け、反射型実鏡映像結像素子としての機能を持たせたものである。以下、必要に応じてこの反射型実鏡映像結像素子について符号Ｘを付して説明するものとする。すなわち、この反射型実鏡映像結像素子Ｘは、図１に示すとおり、基盤１の肉厚の中央部をこの基盤１の表面と並行に通る面を素子面Ｓとして、この素子面Ｓの一方側（図示例では基盤１の裏面側）の空間に配置される被投影物Ｏの実像が、素子面Ｓの他方側（図示例では基盤１の表面側）の空間における当該素子面Ｓに対する面対称位置に、鏡映像Ｐとして結像するという作用を有している。ここで、本実施形態では、単位光学素子２として、直交する２つの鏡面２１，２２により２面コーナーリフレクタ２０を有するものを採用している。図１においては、鏡面２１，２２が基盤１と比較して微細であるため、単位光学素子２の集合全体をグレーで表し、２面コーナーリフレクタ２０の内角の向きをＶ字形状で表している。

各単位光学素子２は、光が透過する物理的かつ光学的な穴である。なお、この穴は基盤１に対して微細であるため、図２〜図４では、穴を拡大誇張して示している。本実施形態では、単位光学素子２として、平面視略矩形状（具体的には正方形状）の穴を適用し、相互に直交する第１内壁面及び第２内壁面に鏡面処理を施し、これら第１内壁面及び第２内壁面を反射面である鏡面２１，２２として機能させて、２面コーナーリフレクタ２０を構成している。第３内壁面２３及び第４内壁面２４にも鏡面処理を施した場合には、４つの２面コーナーリフレクタが形成され、複数の方向から実像を観察できるが、多重反射による迷光も発生することになる。この迷光を防ぐにはこれら第３内壁面２３及び第４内壁面２４を反射不能な面とするか、あるいは第３内壁面２３及び第４内壁面２４を素子面Ｓに対して直角以外の角度をもたせて形成し、第１内壁面及び第２内壁面の鏡面２１，２２と平行とならないようにしてもよい。

本実施形態では、矩形状の基盤１の辺方向からの観察を行うために、各単位光学素子２の縦横に延びる各辺を、基盤１の巾方向又は奥行き方向に対して４５度傾斜させるとともに、製造を簡便にするために任意の異なる２つの単位光学素子２同士は相互に平行をなすようにしている。すなわち、全ての単位光学素子２において２面コーナーリフレクタ２０を構成する２つの鏡面２１，２２がなす内角が同一の方向を向くように、基盤１に単位光学素子２を形成している。ただし、理想的には、平行ではなく様々（ランダム）な角度をつけたほうがよい。角度をつけることによって、（１）１回反射光が結像せずに拡散する、（２）２回反射光の横方向視野角が広がり、透過率の視野角に対するピークが平坦になるからである。なお、隣り合う単位光学素子２同士の離間寸法を極力小さく設定している。そして、前記基盤１のうち、単位光学素子２を形成した部分以外の部位に、遮光処理を施している。また基盤１の上面及び下面に図示しない薄板状をなす透明な補強材を設けることができる。なお、この板材によって各単位光学素子２が光学的に蓋封されないようにしていることはいうまでもない。本実施形態では、一例として５ｃｍ角の基盤１に、このような単位光学素子２を、数万ないし数十万個設けている。

このようにして基盤１に形成される単位光学素子２は、基盤１の表面側（又は裏面側）から単位光学素子２を構成する穴に入った光を一方の鏡面（２１又は２２）で反射させ、さらにその反射光を他方の鏡面（２２又は２１）で反射させて基盤１の裏面側（又は表面側）へと通過させる機能を有する。この光の経路を素子面Ｓに投影したものが図５である。２面コーナーリフレクタ２０による光の２回反射は、素子面Ｓ内においては再帰反射となり、入射経路と出射経路は逆方向を向いて平行となる。また、素子面Ｓに対して垂直な光の成分はなんら変換を受けないことから、点光源Ｏから発せられた光は、ほぼ素子面Ｓに対して面対称な位置を通過していくことが分かる。平行となる入射経路と出射経路の素子面Ｓ内での距離は、２面コーナーリフレクタ２０の開口程度となり、さらに初回の反射がどちらの鏡面により行われたかによって、左右どちらかに分かれることから、点光源Ｏから発せられた光は、素子面Ｓに対して面対称な位置を通過するときには、２面コーナーリフレクタ２０の開口の２倍程度、すなわち、鏡面（２１又は２２）の大きさの２√２倍（２の平方根の２倍）つまり、約３倍程度に広がることになる。そして、２面コーナーリフレクタ２０による再帰反射は、入射光の角度に依らずに起こり、点光源からはあらゆる方向の光の出ることから、それらの光が異なる単位光学素子２を透過し、全て同一点に集まる、すなわち焦点を結ぶことになり、上述のように基盤１上に２面コーナーリフレクタ２０を備えた多数の単位光学素子２を形成することで、反射型実鏡映像結像素子Ｘとして機能する。すなわち、斯かる反射型実鏡映像結像素子Ｘの素子面Ｓ（上述の通り、基盤１の肉厚の中央部を通り各鏡面要素と直交する面を仮定し、図中に想像線で示す。）は、基盤１の一方側にある被投影物Ｏの実像を他方側の面対称位置に鏡映像Ｐとして結像させる面となる。また、単位光学素子２を透過した２回反射光は素子面Ｓからの距離とは無関係に面対称位置へ集束するため、３次元物体であっても歪み無しに鏡映像Ｐとして結像させることが可能である。ただし、この像は、鏡映像を、鏡の中に入って、その裏側から眺めた場合と等価であり、奥行きが反転することになる。

本実施形態では、各単位光学素子２は、一辺が例えば５０〜１０００μｍ、好ましくは本実施形態では１００μｍである。また基盤１は、図４に示したように、厚み寸法が５０〜１０００μｍ、例えば本実施形態では１００μｍの薄い平板状のものとなっている。なお、単位光学素子の1辺は鏡面２１、２２の幅を、基盤の厚みは鏡面２１、２２の高さを規定するが、本実施形態では各鏡面は幅と高さがほぼ等しい寸法となっている。

単位光学素子２の大きさは、解像度を規定することになり、図５に示したように、幾何光学的には、点光源は単位光学素子２の大きさの約２倍の大きさに広がって集光する。小さくすると、幾何光学的には小さなスポットに集光できることになるが、回折の影響を強く受けるようになり、あまり小さすぎると却って解像度は悪化する。そのため、集光する距離に応じて最適な大きさに設定する必要がある。本実施例の場合には、１〜２ｃｍ程度の距離に最適化されている。

鏡面２１、２２の高さ、つまり本実施形態においては基盤1の厚さについては、単位光学素子２の大きさとの比が、最適観察角度を規定する。厚さが厚くなれば最適観察角度が、素子面Ｓに対してより垂直方向からの観察に適するようになり、薄くなればその逆となる。本実施形態の場合には１：１となっており、水平方向から３０〜４０度上方からの観察が最適となっている。また基盤1の巾寸法及び奥行き寸法については、結像素子Ｘの構造が一様であり、凸レンズあるいは凹面鏡のような光軸が存在しないことから、任意に設定することが可能である。この大きさについては、平面鏡と同様に、映す物体の大きさに応じて決定すればよい。

次に、具体的な製造方法について述べる。本実施形態では、ナノ加工によって金属製の金型に整列した筒状体をまず作成し、第１内壁面及び第２内壁面に相当する側面に面粗さを５０ｎｍ以下とした平滑な鏡面形成を行う。そして、先に作成した金型を用いてナノインプリント工法又は電鋳工法により反転転写し、１つの基盤１に所定ピッチで複数の穴として各単位光学素子を形成している。なお、電鋳工法により、アルミやニッケル等の金属で基盤１を形成した場合、第１内壁面及び第２内壁面は、金型の面粗さが十分小さければ、それによって自然に鏡面２１，２２となる。また、ナノインプリント工法を用いて、基盤１を樹脂製などとした場合には、第１内壁面及び第２内壁面には、スパッタリング等によって、鏡面コーティングを施す必要がある。

反射型実鏡映像結像素子Ｘを透過する光としては、第１内壁面及び第２内壁面の各鏡面２１，２２から構成される２面コーナーリフレクタ２０で反射しない直接光、２面コーナーリフレクタ２０の２つの鏡面２１，２２のうちの何れか一方に対して１回だけ反射する１回反射光、２面コーナーリフレクタ２０の２つの鏡面２１，２２に対して各１回ずつの合計２回反射する２回反射光、２面コーナーリフレクタ２０の２つの鏡面２１，２２及び、第３内壁面２３あるいは第４内壁面２４に対して合計３回以上の反射を起こす多重反射光などが存在するが、鏡映像の実像の結像に係わるのは、それらの光のうち前記２回反射光のみである。

なお、２回反射光以外の光は、それぞれ２回反射光とは異なる特性を有し、結像素子を反射型実鏡映像結像素子Ｘとして利用する上で迷光となり支障をきたす恐れがある。そこで、２回反射光以外の光に対する対策について述べる。

先ず、直接光は、反射型実鏡映像結像素子Ｘの素子面Ｓに対して垂直方向における比較的狭い範囲内で観察されるため、素子面Ｓに対して斜め方向の角度を付けた視点から観察される鏡映像の実像に対しては、それほどの問題とはならない。

１回反射光の強度分布を解析すると、最大となるのは鏡面２１又は２２に対向する方向であり、２面コーナーリフレクタ２０による結像で最大強度となる方向とは４５度のずれがある。そのため、狭い範囲の視点に対しては、それほどの問題とはならないが、1回反射光は２回反射光とは異なる様式で結像しているため、視点を広げると、邪魔な像として認識されることになる。これについては、各２面コーナーリフレクタ２０を素子面Ｓ内でランダムに回転させるなどの対策がある。

また、３回以上の多重反射光は、対面での反射が起こることが問題となるため、上述した斜め配置を行った場合、第１内壁面及び第２内壁面に形成された鏡面２１，２２にそれぞれ対向する内壁面（第３内壁面２３、第４内壁面２４）を鏡面としないことや、平行としないことで回避ないし軽減が可能である。

本実施形態に係るディスプレイ装置Ｄは、図６に示すように、本体部である天板Ｔに水平姿勢で埋め込んだ単一又は複数の反射型実鏡映像結像素子Ｘを備え、基盤１の下面側の空間に表示又は配置した２次元又は３次元の物体である被投影物Ｏを基盤１の面方向に対して（より詳細には素子面Ｓに対して）面対称となる位置に結像させるものである。同図には、天板Ｔの下方空間に、被投影物Ｏとして映像表示装置の一例である液晶ディスプレイ等の表示体Ｈを天板Ｔの面方向に対してほぼ垂直姿勢に配し、表示体Ｈに文字（ローマ字の「Ａ」）を表示した態様を例示している。

次に、このディスプレイ装置Ｄの作用について説明する。上述したように、単位光学素子２を透過した２回反射光は面対称位置へ集束するため、深さ方向（反射型実鏡映像結像素子Ｘの素子面Ｓに垂直な方向）に対して広い範囲で焦点を結ぶことが可能となり、天板Ｔの下の表示体Ｈに表示した２次元像である被投影物Ｏから発せられた光が、物理的には存在しない天板Ｔ上方に直立する仮想的なディスプレイ（ファントムディスプレイ）に鏡映像Ｐとして結像し、その鏡映像Ｐを素子面Ｓに対して斜め方向の角度からの視点Ｖから観察できることとなる。なお、図７に示すように、基盤１の下面側の空間に被投影物Ｏとして、例えば円柱状の３次元像を配置すれば、基盤１の上面側に３次元像が浮かぶこととなる。ただし、その３次元像Ｐは、視線方向の凹凸が反転して、円柱の内面側が見えているかのように観察される。このような被投影物Ｏと像Ｐの凹凸の反転を回避するには、基盤１の下面側の空間に配置する３次元像の凹凸を素子面Ｓに対して予め逆転しておけばよい。

このように、本実施形態に係る結像素子、すなわち反射型実鏡像結像素子Ｘは、基盤１に、厚み方向に貫通し且つ直交する２つの内壁面（第１内壁面、第２内壁面）を鏡面２１，２２にした２面コーナーリフレクタ２０を備える単位光学素子２を複数設けているため、各単位光学素子２を透過する際に直交する２つの内壁面を鏡面２１，２２で各１回、合計２回反射した光が、素子面Ｓ（すなわち基盤Ｘ１の面方向）に対して面対称な点を通過することにより、基盤１（素子面Ｓ）の一方側の空間に配置した被投影物Ｏ（２次元又は３次元の物体若しくは映像）を他方側の空間に歪みの無い２次元像又は３次元像の実像として結像させることができ、２次元像及び３次元像を物理的な実体が存在しない空間に移動させることが可能となる。しかも、反射型実鏡像結像素子Ｘを介して結像したバーチャルな３次元像又は２次元像上を手指等で触れる又はポインティングする行為が可能となり、これまでにない新規有用な利用態様を実現することができる。特に複数のマイクロレンズを利用した従来の屈折型実鏡映像結像素子と比較すると、本実施形態では、結像素子を反射型実鏡映像結像素子Ｘとして利用できるものであるため、被投影物Ｏの実像は、鏡映像Ｐとして素子面Ｓに対して斜め方向の角度から観察することができる。また、構造の単純化及びコストの削減を図ることができるとともに、薄型化が可能であるため、種々の使用態様にも柔軟に対応することができる。特に、本実施形態で適用した単位光学素子２が、基盤Ｘ１の厚み方向に貫通させてなる穴であるため、この穴に透明な気体あるいは液体などを充填し、屈折率を変化させることもできる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。反射型実鏡映像結像素子を構成する２面コーナーリフレクタとしては単に直交する２枚の反射面が存在すればよく、この反射面としては、光を反射する物質の鏡面精度の平坦度を持つ端面もしくは膜による反射および、屈折率の異なる透明な媒質同士の鏡面精度の平坦度を持つ境界における全反射などの現象を利用することができる。より具体的には、上述した実施形態では、反射型実鏡映像結像素子Ｘにおいて、薄板状の基盤１に正方形状の穴を形成し、その穴の内周壁のうち隣接する２つを鏡面２１，２２として２面コーナーリフレクタ２０を形成した例を示したが、例えば、このような構成に変えて、図８に示すように、基盤１’の厚み方向に突出する透明な筒状体により単位光学素子２’を構成し、このような筒状体を碁盤目状に多数形成した反射型実鏡映像結像素子Ｘ’であっても構わない。この場合、各筒状体２’の内壁面のうち、直交する第１内壁面及び第２内壁面を鏡面２１’，２２’として２面コーナーリフレクタ２０’を構成することができる。この場合、前記実施形態と同様に、２面コーナーリフレクタ２０’で２回反射する光が、基盤１’の面方向すなわち素子面Ｓ’に対して面対称な点を通過することにより、所定の空間に２次元像のみならず３次元像をも結像させることができる。

なお、筒状体の鏡面２１’，２２’以外の第３内壁面２３’及び第４内壁面２４’を鏡面としないか、もしくは素子面Ｓに対して垂直以外の角度をつけることにより、余分な反射をなくして、より鮮明な像を得ることができる。また、２面コーナーリフレクタ２０’を構成する２つの鏡面２１’，２２’は全反射を利用することもできるし、反射膜による反射を利用することも可能である。特に、鏡面２１’，２２’の全反射を利用する場合、全反射には臨界角が存在するため、多重反射は起こりにくくなることが期待できる。さらに、鏡面を形成すべき筒状体の２つの面に金属反射膜を付け、筒状体同士を接着することも可能である。この場合、鏡面以外の面への非鏡面化等の多重反射対策は必要であるが、開口率が高くなり、透過率が高い反射型実鏡映像結像素子を得ることができる。

その他、２面コーナーリフレクタを構成する２つの鏡面は、直交する２枚の反射面さえ形成できれば相互に接触させずに相互に間隙を空けて配置されていてもよく、さらに上述した穴や筒状体において２面コーナーリフレクタを構成する鏡面として機能する２つの面と他の面同士の角度については特に制約はない。単位光学素子として、平面形状が矩形状以外の多角形状のもの、三角形のもの、或いは２つの鏡面の反交点側の端部同士を接続する面が平面視ほぼ部分円弧状のものを適用しても構わない。なお、単位光学素子の平面形状を直角三角形とした場合には、単位光学素子として直角プリズムを利用することを意味する。

さらに、種々の使用態様に対応させて、結像素子（反射型実鏡映像結像素子を含む）の形状や大きさ、基盤の厚み寸法や平面形状や素材等を適宜変更してもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の結像素子（反射型実鏡像結像素子を含む）は、素子面の一方側に配置した被投影物を他方側の物理的実体のない空間に実像として視線方向の奥行き方向を反転して結像させるという、新たな結像作用を有する光学素子であるため、ディスプレイ等の映像表示装置や、展示物等の観察装置として利用することができるものである。

Claims (23)

1. １つの平面を構成する素子面を光が透過する際に光線の屈曲を生じさせる光学素子であって、
   前記素子面に垂直もしくはそれに近い角度で配置された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ことを特徴とする結像素子。
2. 前記単位光学素子が、平行ではない２つの鏡面から構成されている請求項１に記載の結像素子。
3. 前記複数の単位光学素子が機能的に同一の構造を有し、前記素子面上において複数方向を向けて配置している請求項２に記載の結像素子。
4. 前記単位光学素子が、直交する２つの鏡面から構成され２面コーナーリフレクタとして機能するものである請求項２に記載の結像素子。
5. 前記２面コーナーリフレクタを、素子面上において複数方向を向けて配置している請求項４に記載の結像素子。
6. 前記２面コーナーリフレクタを、素子面上において同一方向を向けて配置している請求項４に記載の結像素子。
7. 前記単位光学素子は、前記素子面を貫通する方向に想定される光学的な穴の内壁を前記鏡面として利用するものである請求項１乃至６の何れかに記載の結像素子。
8. 前記単位光学素子は、前記光学的な穴を相互に独立させることなく連結させたものである請求項７に記載の結像素子。
9. 所定の空間を区画する基盤を具備し、当該基盤を通る１つの平面を前記素子面としてとして規定し、前記単位光学素子は、前記素子面を貫通する方向に想定される前記光学的な穴として、前記基盤に形成された穴の内壁を前記鏡面として利用するものである請求項７又は８に記載の結像素子。
10. 前記単位光学素子は、基盤に形成された穴を透明な気体もしくは液体で満たしたものである請求項９に記載の結像素子。
11. 前記単位光学素子は、前記素子面を貫通する方向に想定される光学的な穴として、透明な固体により構成される筒状体を利用するものである請求項７乃至９の何れかに記載の結像素子。
12. 前記単位光学素子は、前記筒状体を相互に密着させたものである請求項１１に記載の結像素子。
13. 前記光学的な穴は、立方体もしくは直方体形状をなすものである請求項７乃至１２の何れかに記載の結像素子。
14. 前記光学的な穴における４つの内壁の表面全てを鏡面としている請求項１３に記載の結像素子。
15. 前記光学的な穴の内壁に相互に直交する２つの鏡面を形成し、当該内壁における前記直交する２鏡面以外の面を、前記素子面と垂直とならないように設けている請求項７乃至１２の何れかに記載の結像素子。
16. 前記光学的な穴の内壁に相互に直交する２つの鏡面を形成し、当該内壁における前記直交する２鏡面以外の面を、非鏡面としている請求項７乃至１５の何れかに記載の結像素子。
17. 前記複数の単位光学素子を、前記素子面上において規則的な格子状に配置している請求項１乃至１６の何れかに記載の結像素子。
18. 前記単位光学素子における鏡面は、光沢のある物質によって形成された平坦面での反射を利用するものである請求項１乃至１７の何れかに記載の結像素子。
19. 前記単位光学素子における鏡面は、異なる屈折率を持つ透明媒質同士の平坦な境界における反射もしくは全反射を利用するものである請求項１乃至１７の何れかに記載の結像素子。
20. 前記単位光学素子における鏡面は、平行に配置される複数の単位鏡面により構成される請求項１乃至１９の何れかに記載の結像素子。
21. 請求項１乃至２０の何れかに記載の結像素子を具備する本体部と、当該本体部の裏面側に配される被投影物とを備え、前記被投影物から発せられる光を前記結像素子を透過させることで、前記本体部の表面側の空間に前記被投影物の実像を結像させて投影するように構成していることを特徴とするディスプレイ装置。
22. 前記被投影物は、予め前記実像を観察する視線方向の奥行きを反転させた３次元物体又は映像表示装置に表示される３次元映像である請求項２１に記載のディスプレイ装置。
23. 前記被投影物は、自動的又は外力により動作する物体であり、当該物体の実像として前記本体部の表面側の空間に動きのある空中映像を投影する請求項２１又は２２に記載のディスプレイ装置。

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