JPWO2009017134A1 - 多視点空中映像表示装置 - Google Patents

Abstract

空間的に離れた複数の被投影物の鏡映像を実像として空間内の狭い領域に集合させて結像させ、複数の視点から観察することが可能な表示装置を提供するための多視点空中映像表示装置を、被投影物の実像を対称面となるある１つの幾何平面に対する面対称位置に結像可能な実鏡映像結像光学系を複数具備する多視点空中映像表示光学系を備え、任意の対称面同士のなす角度が当該対称面に対する実像側において１８０度未満となるように全ての実鏡映像結像光学系を配置し、被投影物を各実鏡映像結像光学系毎に対応させて配置した構成とした。

Description

本発明は、複数の被投影物の実像を空中の狭い領域に集めて結像させ、複数の観察位置から観察することを可能とする多視点空中映像表示光学系を備えた多視点空中映像表示装置に関するものである。

空間に想定される平面の一方側に被投影物を配置し、その平面を対称面として反対側の空間の面対称位置に被投影物の鏡映像を実像として結像させる機能を備えた光学素子（光学系）が種々発案されている。このうち本発明者は、２つの鏡面から構成される２面コーナーリフレクタを多数備えた光学素子である実鏡映像結像素子（以下、必要に応じて「２面コーナーリフレクタアレイ」という）（特許文献１参照）や、再帰反射機能を備えたレトロリフレクタアレイとハーフミラーとを利用した実鏡映像結像光学系（特許文献２参照）を提案している。

特許文献１の２面コーナーリフレクタアレイは、当該２面コーナーリフレクタアレイにおける素子平面の一方側に配置した被投影物（実体のある物体、映像を含む）から発せられる光を、各２面コーナーリフレクタの２つの鏡面でそれぞれ反射させつつこの素子平面を透過させることで、素子平面の他方側である観察側における空間に当該被投影物の鏡映像を実像として結像させるという、新規な結像様式を備えるものである。斯かる２面コーナーリフレクタアレイは、鏡面による光の反射をその基本原理としているが、素子としては透過型として機能する結像素子であって、例えば１つの素子平面内で複数の２面コーナーリフレクタを種々の方向に向けるなどしてその配置を工夫することで、多人数で様々な方向から同時に観察可能な空中映像を結像することができる実鏡映像結像光学系を構成することができる（特許文献３参照）。また、特許文献２の実鏡映像結像光学系は、光線を入射してきたそのままの方向に反射させるというレトロリフレクタの性質と、光線を反射及び透過させるというハーフミラーの性質を有効に組み合わせることで、広い視野角からの空中映像の観察を可能にするという新規な結像様式を備えるものである。

これらの他にも、光の屈折作用を利用するものであり、焦点距離が無限大であるアフォーカル光学系を備えたアフォーカルレンズアレイを用い、アフォーカルレンズ素子の素子平面を対称面として反対側の空間に被投影物の像を結像させる機能を実現した実鏡映像結像光学系も案出されている（特許文献４参照）。

特願２００６−０８０００９出願明細書 特願２００７−１６３３２３出願明細書 特願２００７−０５４８７１出願明細書 特願２００５−１０７５５号公報

ところで従来の特許文献１、３、４のような実鏡映像結像光学系では、被投影物が立体像である場合には、当該光学系により得られるその実像は、鏡映像をその裏側から見ることになり、奥行きが反転する。また、特許文献１の２面コーナーリフレクタアレイ及び特許文献４のアフォーカルレンズアレイにおいては、視野角が制限されており、そのままでは多視点で観察可能な空中映像を表示させることはできない。このうち、２面コーナーリフレクタアレイにおいては、特許文献３で示したように構成する２面コーナーリフレクタの配置の工夫等により、左右方向の視野角を拡大させることが可能であるが、奥行き反転はそのままである。特許文献２のレトロリフレクタ型の実鏡映像結像光学系においては、そのままで視野角を広く取ることが可能であるが、やはり奥行きは反転する。

そこで本発明は、上述した従来例における面対称位置への結像という光学素子又は光学系の性質を利用しつつ、複数の視点からの被投影物の像の観察を可能とし、正常な奥行きを持つ立体像を多視点から観察可能な空中映像として表示させることも可能とする新規な表示装置を提供することを主たる目的とするものである。

すなわち本発明の多視点空中映像表示光学装置は、被投影物の実像を、対称面となるある１つの幾何平面に対する面対称位置に結像可能な実鏡映像結像光学系を複数具備してなる多視点空中映像表示光学系を備え、任意の対称面同士のなす角度が当該対称面に対する実像側において１８０度未満となるように全ての実鏡映像結像光学系を配置し、被投影物を各実鏡映像結像光学系ごとに対応させて配置していることを特徴とするものである。

このようなものであれば、被投影物（物体又は映像であって、２次元でも３次元でもよい）を複数の実鏡映像結像光学系の対称面の全てを境にした一方の空間においてそれら各対称面に応じて個別に配置すれば、各被投影物の実像がそれぞれに対応する対称面に対して面対称位置に結像するため、複数の実鏡映像結像光学系に対する個別の視点から、すなわち複数の視点から各実像を観察することができる。ここで、各対称面は他の対称面と実像を結像させる側の空間（全対称面に対して被投影物とは反対側の空間）側に１８０度未満の角度を付けて配置されているので、異なる位置に配置された各被投影物の対称面との相対位置や相対角度を調整することで、全ての実鏡映像結像光学系による実像を空中に狭い領域に集めて結像させることもできる。ただし、実像の位置を当該空中の狭い領域に集中させない態様とすることも可能である。このように、１つの狭い領域に被投影物の実像を集合させたい場合は、その集合させたい空間上の場所の各対称面に対する面対称位置にそれぞれ被投影物を配置すればよい。なお一定の領域に集合させた実像を観察する場合、それぞれの視点は観察方向に向き合う対称面を経て形成された実像を観察することになることから、他の観察方向に対応する対称面を経て形成された実像の影響を受けることはない。すなわち集合させた被投影物の実像同士が空間的に重なり合った状態であっても、各視点からは複数の実像が干渉し合って重なって見えることはない。

個々の被投影物については、それぞれ異なる物体や映像であってもよいし、同一の物体や映像であってもよい。複数の被投影物が各視点に対して向きを含めて同じ物体や映像である場合は、各実鏡映像結像光学系により結像した実像は全て等しくなり、まったく同じ像を見ることになる。また、同一ではなく、一つの物体や映像を分割して立体であれば奥行きを反転したような複数の被投影物を用い、実像位置において元の物体や映像を再現するように配置した場合には、一つの物体や映像を異なる方向から見た被投影物の像となるので、例えば一人の観察者が視点の位置を変えれば、多方向から見ることができる一つの物体や映像として実像を観察することができることとなる。このとき、分割に重なりを持たせ、各実鏡映像結像光学系の境界部においても実像を観察できるようにすることで、連続性をもった一つの物体や映像として被投影物の実像を観察することができる。

このように、複数の被投影物の像を空中の狭い領域に集合させて観察することができるようになるため、例えば、予め奥行きを反転させた複数の立体像（被投影物）を対称面の一方側に配置すれば、観察側（実像側）では、正常な奥行きを持った立体空中像の観察が可能になる。一例を挙げると、例えば、内側をくり貫いた半球状のカップの内面に投影した映像を被投影物として考えると、観察側では、仮想的な半球状のカップの外周面に現れる映像としての「被投影物の実像」を観察することができる。したがって、同一形状の２つの半球状のカップの内面にそれぞれ映像を投影すれば、観察側では、仮想的な球体の表面に表れる「被投影物の像」を観察することができるようになる。なお、被投影物とその像とは、上下が逆転する関係にあるため、半球状のカップに投影する映像を予め上下を逆転しておくことが望ましい。

上述したような多視点空中映像表示装置の具体例の一つとしては、多視点空中映像表示光学系の構成要素である実鏡映像結像光学系の少なくとも１つが、所定の素子平面に垂直な相互に直交する２つの鏡面から構成される２面コーナーリフレクタを当該素子平面上に複数並べた２面コーナーリフレクタアレイであり、この素子平面を前記対称面とするものを挙げることができる。このようなものであれば、被投影物からの光が各素子平面を透過する際に、各２面コーナーリフレクタの２つの鏡面で１回ずつ反射して素子平面の反対側の空中に実像として結像する。すなわち、観察者からは、２つの鏡面の内角が視線方向と向き合っている２面コーナーリフレクタで反射して結像した被投影物の実像を観察することが可能となる。なお、全ての２面コーナーリフレクタが同一方向を向いた２面コーナーリフレクタアレイによる実像は、観察可能範囲が水平方向で数十度程度に限られているため、多視点化するためには視点に応じて２面コーナーリフレクタの向きを調整する必要がある。製造上、２面コーナーリフレクタを同一方向に向けることが低コスト化に寄与するため、各視点に対応して、同一方向を向いた２面コーナーリフレクタからなる２面コーナーリフレクタアレイを被投影物に向けて複数組み合わせることで多視点空中映像表示光学系を構成することが考えられる。その際、全ての素子平面は、観察側における任意の２つの素子平面がなす角度が１８０度未満となるように配置しているため、各素子平面に対応した複数の被投影物を配置することが可能になり、その被投影物の像を対応する各視点から観察することができる。

例えば、前記一つの素子平面を構成する複数の２面コーナーリフレクタの全てが、所定の一点を向くようにすることも可能である。この場合には、各２面コーナーリフレクタは、そのほぼ正面方向に被投影物または視点を持ってくることが可能になり、２面コーナーリフレクタの観察可能範囲を有効に利用することが可能となる。

より具体的に、２面コーナーリフレクタを利用した本発明の一態様としては、２面コーナーリフレクタアレイが、素子平面を共有する複数の２面コーナーリフレクタアレイの集合により構成したものが挙げられる。このようなものであれば、例えば、単一の素子平面に２面コーナーリフレクタを複数の方向を向けて同時に形成する態様と比較して、同じ方向を向く２面コーナーリフレクタを備えた２面コーナーリフレクタアレイを複数平面的に組み合わせて単一の２面コーナーリフレクタアレイとして機能するように構成して、製造の容易性とコストを低減することができる。また、所定の一点を向く２面コーナーリフレクタを備えた２面コーナーリフレクタアレイを複数、異なる方向を向くように平面的に組み合わせて単一の２面コーナーリフレクタアレイとして機能するように構成することもできる。所定の一点を向く２面コーナーリフレクタを備えた２面コーナーリフレクタアレイでは、端部において一回反射による迷光が問題になる場合があるため、このような構成によって迷光を抑制することが可能となる。

以上のような２面コーナーリフレクタを利用した多視点空中映像表示光学系ないしはそれを備えた多視点空中映像表示装置においては、被投影物のごく近くに異なる向きの２面コーナーリフレクタが接近して配置された場合、迷光が生じる可能性がある。そこで、被投影物を通る前記素子平面の垂線を含む当該素子平面上の一定の領域には、前記２面コーナーリフレクタを形成しないように多視点空中映像表示光学系を構成することで、迷光を防止して鮮明な像を観察することができるようになる。なお、迷光防止のために２面コーナーリフレクタを形成しない素子平面上の部位は、不透明にしたり遮光するなどの措置が好適である。

ここで、２面コーナーリフレクタについて考察すると、光線を２面コーナーリフレクタにおいて適切に屈曲させつつ素子平面を透過させるには、２面コーナーリフレクタを、素子平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２面コーナーリフレクタ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。

２面コーナーリフレクタアレイの構造を単純に述べれば、素子平面にほぼ垂直な鏡面を素子平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平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２面コーナーリフレクタアレイを、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つの平面を素子平面としてとして規定し、２面コーナーリフレクタを、素子平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２面コーナーリフレクタは、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２面コーナーリフレクタとして働くための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、２面コーナーリフレクタ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。ただし、被投影物方向を向く２面コーナーリフレクタ以外の面は、反射を抑制することが望ましい。

２面コーナーリフレクタ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、素子平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、被投影物の実鏡映像の高輝度化を図るには、複数の２面コーナーリフレクタを、前記素子平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。２面コーナーリフレクタ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、２面コーナーリフレクタアレイを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、光が素子平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。

上述した２面コーナーリフレクタを利用する態様以外の本発明の具体的態様の一例としては、実鏡映像結像光学系の少なくとも１つが、所定の素子平面に垂直な光軸を有するアフォーカルレンズを当該素子平面上に複数並べたアフォーカルレンズアレイであり、この素子平面を前記対称面とするものを挙げることができる。アフォーカルレンズは、焦点距離を無限大としたものであり、素子平面に対して垂直な光軸を有しそれぞれの焦点距離を隔てて配置した２つのレンズにより構成することができ、このようなアフォーカルレンズを素子平面上に多数並べて配置することでアフォーカルレンズアレイを構成することができる。アフォーカルレンズの２つのレンズの組み合わせとしては、２つとも凸レンズとしたもの、２つとも光ファイバレンズとしたもの等を採用することができる。

このようなアフォーカルレンズアレイを利用する多視点空中映像表示光学系の場合、結像した実像の観察は、複数の素子平面のそれぞれに対してほぼ垂直方向からとなるため、任意の素子平面同士が実像側で１８０度未満の角度に設定されていることから、素子平面の数すなわちアフォーカルレンズアレイの数に応じた複数の視点から被投影物の実像を観察できることになる。

２面コーナーリフレクタやアフォーカルレンズアレイを利用する態様以外にも、本発明の具体的態様の一例としては、多視点空中映像表示光学系を構成する実鏡映像結像光学系の少なくとも１つが、光線を再帰反射させるレトロリフレクタアレイと光線を反射及び透過させるハーフミラー面を有するハーフミラーとを具備するものであり、このハーフミラー面が前記対称面とし、レトロリフレクタアレイをハーフミラーに対して被投影物と同じ側の空間に配置しているものを挙げることができる。ここでレトロリフレクタの作用である「再帰反射」とは、反射光を入射光が入射してきた方向へ反射（逆反射）する現象をいい、入射光と反射光とは平行であり且つ逆向きとなる。このようなレトロリフレクタをアレイ状に配置したものがレトロリフレクタアレイであり、個々のレトロリフレクタが十分に小さい場合は、入射光と反射光の経路は重なると見なすことができる。このレトロリフレクタアレイにおいてレトロリフレクタは同一面上に存在している必要はなく、各レトロリフレクタは３次元的に散在していても構わない。また、ハーフミラーは、光線を透過させる機能と反射させる機能の両方を備えているものをいい、好ましくは透過率と反射率がほぼ１：１のものが理想的である。

レトロリフレクタには、３つの隣接する鏡面から構成されるもの（広義には「コーナーリフレクタ」と呼ぶことができる）や、キャッツアイレトロリフレクタを利用することができる。コーナーリフレクタには、相互に直交する３つの鏡面から構成されるコーナーリフレクタ、３つの隣接する鏡面がなす角度のうち２つが９０度であり、且つ他の１つの角度が９０／Ｎ度（ただしＮは整数）をなすもの、３つの鏡面がなす角度が９０度、６０度及び４５度となる鋭角レトロリフレクタ等を採用することができる。

このようなレトロリフレクタアレイとハーフミラーを利用する多視点空中映像表示光学系の場合、被投影物から出た光はハーフミラー面で反射し、さらにレトロリフレクタアレイで再帰反射して必ず元の方向に戻り、ハーフミラー面を透過して結像するため、ハーフミラーからの反射光を受けられる位置にある限りレトロリフレクタアレイの形状や位置は限定されない。そして、結像した実像の観察は、ハーフミラー面を透過する光線に対向する方向から観察することができ、斯かるハーフミラーが互いに実像側で１８０度未満の角度に設定されていることから、ハーフミラーの数に応じた複数の視点から被投影物の実像を観察できることになる。

なお、１つの多視点空中映像表示光学系における複数の実鏡映像結像光学系は、全て同一種類とすることも可能であるが、異なる種類の実鏡映像結像光学系を混在させてもよい。すなわち、例えば上述した２面コーナーリフレクタアレイを用いた実鏡映像結像光学系、アフォーカルレンズアレイを用いた実鏡映像結像光学系、レトロリフレクタアレイとハーフミラーとの組み合わせを用いた実鏡映像結像光学系を、適宜組み合わせて多視点空中映像表示光学系とすることができる。

また、本発明において各実鏡映像結像光学系の対称面にそれぞれ対応する各被投影物同士の間に、その被投影物に対応する前記対称面以外の対称面への光線の到達を遮断する遮蔽部を設けることで、被投影物がそれとは対応していない対称面を経て結像することを防止し、対称面と被投影物とを確実に１対１の関係として、より明瞭な実像の観察を可能とすることができる。

本発明における多視点空中映像表示装置によって被投影物の実像の観察を行う場合には、実像の背面に配置された複数の実鏡映像結像光学系の対称面から斜めに透過してくる光線を見ることになるが、この対称面を反対方向から見た場合には、対称面の下部に配置された被投影物を直接観察できてしまう場合がある。特に対称面としてハーフミラーを用いた光学系においては、極めて鮮明に被投影物を直接観察できてしまうことになる。そこで、対称面の実像が結像する側の面に、特定の方向の光線のみを透過・遮断若しくは拡散する光学的な視線制御手段を配置し、当該視線制御手段により、結像する光線のみを透過し、対称面を通じて被投影物を直接視する方向の光線を遮断するという対策が考えられる。これによって、観察者は、対称面下部の被投影物を目にすることなく、空中映像である実像のみを観察することが可能となる。なお視線制御手段の具体例としては、特定方向の光線のみを拡散させる視界制御フィルム（例えば「ルミスティ（商品名、住友化学株式会社製）」）や、特定方向の光線のみを遮断する視野角調整フィルム（例えば「ライトコントロールフィルム（商品名、住友スリーエム株式会社製）」）等の光学フィルムなどを用いることができる。

さらに本発明においては、各被投影物を、１つの立体（立体物、立体映像の何れをも含む）の奥行きを反転したものの一部分とし、各視点から見た各被投影物の前記各実像を組み合わせた場合にこれらの実像が元の立体を構成するように当該各被投影物を複数の実鏡映像結像光学系の各対称面に関係づけて配置することで、観察される実鏡映像の集合を、前記立体に対応して正しい奥行き形状を持った１つの立体静止像とすることができる。すなわち、各視点からは、立体静止像の一部分ずつを観察することができ、全ての視点から順次観察すれば立体静止像を種々の方向から見ることができるようになる。

また、各被投影物を、１つの立体を複数の視点からそれぞれ観察した場合に見える形状に対応させてそれぞれ当該立体の一部分とするとともに、これら各被投影物を回転させる回転手段と、この回転手段による各被投影物の回転に同期して当該各被投影物を静止させているように瞬間的に可視化する瞬間的可視化手段をさらに具備する多視点空中映像表示装置とすれば、回転手段による各被投影物の回転に伴って、１つの視点においては各被投影物の実鏡映像を順次観察することができるので、前記立体の空中映像の全体を見ることができ、このような視点を複数設定することができる。またこれらの場合も、各被投影物を、前記立体の奥行きを反転した一部分としておくことによって、当該立体と同じ正しい凹凸の空中映像の観察が可能となる。瞬間的可視手段としては、回転に同期して発光するストロボや、回転に同期して開くシャッターなどを用いることができる。

さらに、各被投影物を、曲面に現れる映像とすることも好ましい態様である。曲面に現れる映像とは、例えば曲面状スクリーンへのプロジェクタ等により投影された映像や、有機ＥＬディスプレイや電子ペーパのような曲面状に曲がるディスプレイに表示される映像を意味する。このようにすることで、被投影物の実像に凹凸を付けることができ、立体的な空中像の表示が可能となる。

本発明の多視点空中映像表示装置によれば、複数の被投影物の鏡映像を実像として結像させてそれぞれに対応する視点から観察することができ、空間的に狭い一定の位置に、視点によって異なる被投影物の実像を結像させてそれらを個別に観察することも可能である。多視点空中映像表示装置の構成要素である実鏡映像結像光学系は被投影物が立体である場合に奥行きが反転するという性質があるため、そのままでは正常な立体像を得ることができないが、本発明によれば、例えば各視点に対応させた奥行きを反転させた複数の立体像（被投影物）を素子平面の一方側に配置すれば、観察側では、正常な奥行きを持った立体空中像の観察が可能になる。

本発明の第１実施形態に係る多視点空中映像表示光学系を概略的に示す斜視図。 同実施形態の多視点空中映像表示光学系を概略的に示す側面図。 同実施形態に適用される２面コーナーリフレクタアレイを示す平面図。 同２面コーナーリフレクタアレイの一部を拡大して示す斜視図。 同実施形態の多視点空中映像表示光学系による結像様式を模式的に示す平面図。 同実施形態の変形例としての多視点空中映像表示光学系を概略的に示す平面図。 同実施形態に適用される２面コーナーリフレクタアレイを示す平面図。 同多視点空中映像表示光学系による結像様式を模式的に示す要部の平面図。 同実施形態の他の例に係る多視点空中映像表示光学系を概略的に示す平面図。 同実施形態に適用される２面コーナーリフレクタアレイの他の例を示す斜視図。 同実施形態において遮光部を配置した態様を示す概略的に示す側面図。 本発明の第２実施形態に係る多視点空中映像表示光学系を概略的に示す側面図。 同実施形態に適用されるアフォーカルレンズアレイを示す概略的な側面図。 本発明の第３実施形態に係る多視点空中映像表示光学系を概略的に示す側面図。 同実施形態に適用されるレトロリフレクタアレイの一部を拡大して示す概略的な正面図。 本発明の第４実施形態に係る多視点空中映像表示光学系を概略的に示す斜視図。 同実施形態の多視点空中映像表示光学系を概略的に示す側面図。 本発明の第５実施形態に係る多視点空中映像表示光学系を概略的に示す斜視図。 同実施形態の多視点空中映像表示光学系を概略的に示す側面図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞ まず、本発明の第１実施形態を図１〜図５を参照して説明する。本実施形態に係る多視点空中映像表示装置Ｘ１は、図１に示すように、実鏡映像結像光学系の１種として、多数の２面コーナーリフレクタ１を形成した実鏡映像結像素子（以下、「２面コーナーリフレクタアレイ」と称する）を２つ（図中、符号２Ａ１，２Ａ２で表す）を具備する多視点空中映像表示光学系３Ａと、各実鏡映像結像素子２Ａ１，２Ａ２の素子平面Ｓ１，Ｓ２ごとに対応して配置される被投影物Ｏ１，Ｏ２とを備えるものである。各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２は、それぞれにおける全２面コーナーリフレクタ１を各々構成する２つの鏡面１１，１２に対してほぼ垂直な共通の平面を素子平面Ｓ１，Ｓ２としている。なお、２面コーナーリフレクタアレイにおいては、各素子平面Ｓ１，Ｓ２を対称面として、面対称位置に実像が結像する。そして、これら一対の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を、図２に示すように各素子平面Ｓ１，Ｓ２同士のなす角度θが観察側で１８０度未満となるように向かい合わせて配置したものである。例えば、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の接合部分における素子平面Ｓ１，Ｓ２の一方側（図示例では下方）に被投影物Ｏ１，Ｏ２を配置することによって、素子平面Ｓ１，Ｓ２の他方側（図示例では上方）である視点Ｖ１からは２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１を通じて被投影物Ｏ１の実鏡映像Ｐ１、視点Ｖ２からは２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２を通じて被投影物Ｏ２の実鏡映像Ｐ２を観察することができる。同一の観察者が同時に２つの視点Ｖ１，Ｖ２から２つの実鏡映像Ｐ１，Ｐ２を観察することはできないが、全体を俯瞰して考慮すると、被投影物Ｏの実鏡映像Ｐ（被投影物Ｏ１，Ｏ２の実鏡映像Ｐ１，Ｐ２を１ヶ所に集合させた像）として観察できるように構成したものと見なすことができる。

なお、本実施形態において２面コーナーリフレクタ１は２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２全体と比べて非常に微小であるので、図１においては２面コーナーリフレクタ１の集合全体をグレーで表し、その内角の向きをＶ字形状で表してある。

以下、各部の具体的構成及び結像様式について説明する。なお、以降の説明では、２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２及び素子平面Ｓ１，Ｓ２を総称する場合は、符号２Ａ及びＳを用いるものとする。

各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａは、図３に示すように、平板状の基盤２１を備え、この基盤２１に、平らな基盤表面に対して垂直に肉厚を貫通する穴２２を多数形成し、各穴２２の内壁面を２面コーナーリフレクタ１として利用するために、穴２２の内壁面のうち直交する２つにそれぞれ鏡面１１，１２を形成したものである。

基盤２１は、厚み寸法が例えば５０〜２００μｍ、本実施形態では１００μｍの薄板状のものであり、一辺がそれぞれ約５ｃｍの平面視正方形状のものを適用しているが、基盤２１の厚さや平面寸法はこれらに限られることなく適宜設定することができる。図３のＡ部を拡大して図４に示すように、各２面コーナーリフレクタ１は、光を透過させるために基盤２１に形成した物理的・光学的な穴２２を利用して形成したものである。本実施形態では、まず基盤２１に平面視ほぼ矩形状（具体的に本実施形態では正方形状）の穴２２を多数形成し、各穴２２のうち隣接して直交する２つの内壁面に平滑鏡面処理を施して鏡面１１，１２とし、これら鏡面１１，１２を反射面として機能する２面コーナーリフレクタ１としている。なお、穴２２の内壁面のうち２面コーナーリフレクタ１以外の部分には鏡面処理を施さず光が反射不能な面とするか、もしくは角度をつけるなどして多重反射光を抑制することが好ましい。各２面コーナーリフレクタ１は、基盤２１上において鏡面１１，１２がなす内角が全て同じ向きとなるように形成している。以下、この鏡面１１，１２の内角の向きを、２面コーナーリフレクタ１の向き（方向）と称することがある。鏡面１１，１２の形成にあたって本実施形態では、金属製の金型をまず作成し、鏡面１１，１２を形成すべき内壁面をナノスケールの切削加工処理をすることによって鏡面形成を行い、これらの面粗さを１０ｎｍ以下とし、可視光スペクトル域に対して一様に鏡面となるようにしている。

具体的に各２面コーナーリフレクタ１を構成する鏡面１１，１２は、一辺が例えば５０〜２００μｍ、本実施形態では基盤２１の厚さに対応させた１００μｍであり、先に作成した金型を用いたプレス工法をナノスケールに応用したナノインプリント工法又は電鋳工法により、１つの基盤２１に所定ピッチで複数形成されている。本実施形態では、各２面コーナーリフレクタ１の素子平面Ｓ上でＶ字形状をなす各辺を、基盤２１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、全ての２面コーナーリフレクタ１が素子平面Ｓ上に想定される規則的な格子点上に整列されて同一方向を向くようにしている。なお、隣り合う２面コーナーリフレクタ１同士の離間寸法を極力小さく設定することで、透過率を向上させることができる。そして、前記基盤２１のうち、２面コーナーリフレクタ１を形成した部分以外の部位には遮光処理を施し、基盤２１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ている。本実施形態では、このような２面コーナーリフレクタ１を基盤２１に数万ないし数十万個設けた２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを採用している。

なお、電鋳工法によりアルミやニッケル等の金属で基盤２１を形成した場合、鏡面１１，１２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となる。また、ナノインプリント工法を用いて、基盤２１を樹脂製などとした場合には、鏡面１１，１２を作成するには、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。

このようにして基盤２１に形成した２面コーナーリフレクタ１は、基盤２１の表面側（又は裏面側）から穴２２に入った光を一方の鏡面（１１又は１２）で反射させ、さらにその反射光を他方の鏡面（１２又は１１）で反射させて基盤２１の裏面側（又は表面側）へと通過させる機能を有し、この光の進入経路と射出経路とが基盤２１を挟んで面対称をなすことから、上述のように基盤２１上に多数の２面コーナーリフレクタ１を形成することで、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａとして機能する。すなわち、斯かる２面コーナーリフレクタアレイ２Ａの素子平面Ｓ（基盤２１の肉厚の中央部を通り各鏡面と直交する面を仮定し、図４中に想像線で示す）は、基盤２１の一方側にある被投影物Ｏの実像Ｐを他方側の面対称位置に鏡像（実鏡映像）として結像させる対称面となる。

多視点空中映像表示光学系３Ａは、上述した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａを２つ（符号２Ａ１，２Ａ２）用い、両者の２面コーナーリフレクタ１を相互に対向させた状態で素子平面Ｓ１，Ｓ２同士のなす角度θが１８０度未満（例えば１６０度）となり且つ各素子平面Ｓ１，Ｓ２が所定の点（実像を結像させる点）を向くように、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の縁部同士を接合させた構成としている。さらに、両２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の接合部分において、素子平面Ｓ１，Ｓ２の一方側（基盤２１の下方側）の中央部には、被投影物Ｏ１，Ｏ２を配置するようにしている。被投影物Ｏ１，Ｏ２には、３次元の物体（立体物）、映像（立体映像）等を適用することができるし、２次元の物体（厳密には２次元物体ではないが、例えば紙に描いた文字や模様等）や映像（平面的なスクリーンに投影した映像）を適用することもできる。例えば図２に示したような半球状の被投影物Ｏ１，Ｏ２を、内側がくり抜かれたカップ状の物体（以下、「カップ」）であるとした場合、これらカップの内面側に投影した映像を被投影物Ｏ１，Ｏ２とすることもできるし、当該カップの内面自体を被投影物Ｏ１，Ｏ２としてもよい。但し、被投影物Ｏ１，Ｏ２とその像Ｐ１，Ｐ２とは上下が逆転する関係にあるため、被投影物Ｏ１，Ｏ２にそれぞれ映像を投影する場合は、観察される映像が上下正しい向きとなるように、上下を逆にして投影しておくとよい。図２（ａ）に示した例では、像Ｐ１，Ｐ２が重なり合わないように２つの被投影物Ｏ１，Ｏ２の位置及び向きを設定しているが、同図（ｂ）に示した例では、２つの被投影物Ｏ１，Ｏ２の位置及び向きを調整して像Ｐ１と像Ｐ２が若干重なり合うようにすることで、例えば１人の観察者が視点Ｖ１から像Ｐ１を観察したときと視点Ｖ２から像Ｐ２を観察したときとで、像Ｐ１，Ｐ２に若干の連続性を持たせて観察の便宜性を図っている。このように、像Ｐ１，Ｐ２に重なりを生じさせる態様は、一つの被投影物ＯをＯ１とＯ２とに分けて異なる方向から実鏡映像Ｐの観察を行う場合に適している。

次に、本実施形態の多視点空中映像表示光学系３Ａによる結像様式を、被投影物Ｏから発せられた光の経路とともに説明する。図５に平面的な模式図で示すように、被投影物Ｏから発せられる光（矢印方向、実線で示す。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２Ａの基盤２１（同図では省略）に形成した穴２２（同図では省略）を通過する際に、２面コーナーリフレクタ１を構成する一方の鏡面１１（又は１２）で反射して更に他方の鏡面１２（又は１１）で反射した後に素子平面Ｓを透過し（透過光の光線を破線で示す）、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の素子平面Ｓ１，Ｓ２（同図では省略）に対して被投影物Ｏ（Ｏ１，Ｏ２）の面対称位置（図５では、Ｏの位置）を広がりながら通過する。これが複数の２面コーナーリフレクタ２に対して同様に起こることから、結局面対称位置に透過光が集まり、実鏡映像Ｐ（Ｐ１，Ｐ２）として結像することになる。図２に模式的に示すように、一方の実鏡映像Ｐ１は、一方の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１の２面コーナーリフレクタ１の鏡面１１，１２が見える位置、すなわち他方側の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２の基盤２１の上方から観察することで視認可能となる。他方側の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２を透過・反射して結像する被投影物Ｏ２の実鏡映像Ｐ２についても作用は同様である。

具体例を挙げて詳述すれば、視点Ｖ１から見た場合、半球状のカップの内面側（凹面）に投影された映像である被投影物Ｏ１が、仮想的な球の表面（凸面）に投影された実鏡映像Ｐ１として観察される。一方、視点Ｖ２から見た場合、半球状のカップの内面側（凹面）に投影された映像である被投影物Ｏ２が、仮想的な球の表面（凸面）に投影された実鏡映像Ｐ２（図中、破線で示す）として観察される。例えば図２に準じていえば、一方の半球状のカップの内壁面に映像（但し上下反転している）を投影してこれを被投影物Ｏ１とし、他方の半球状のカップの内壁面にも被投影物Ｏ１と連続する映像を投影して被投影物Ｏ２とした場合、視点Ｖ１からはそれぞれ素子平面Ｓ１を挟んで面対称位置に、仮想的な球の表面に一方の映像が表示されているかのように観察され、視点Ｖ２からはその反対側の表面に他方の映像が表示されているかのように観察される。つまり、被投影物Ｏ１，Ｏ２と観察される実鏡映像Ｐ１，Ｐ２とは、凹凸関係が逆転することになる。そこで、観察しようとする３次元物である被投影物Ｏ１，Ｏ２を各素子平面Ｓにそれぞれ平行な方向の凹凸を予め反転させておけば、観察される実像の凹凸は期待通りに正しい凹凸を持つ像となる。このようにして、各基盤２１の下面側の空間に被投影物Ｏ１，Ｏ２として３次元物体を配置すれば、見かけ上、各基盤２１の上面側の１ヶ所に３次元像を集合させて観察することができる。

なお、本実施形態の多視点空中映像表示装置Ｘ１において、図１に示した２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を上述した実施形態の態様から姿勢を変更し、素子平面Ｓ１，Ｓ２が鉛直姿勢となるように各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を屏風や衝立（ついたて）等のように起立させて設置した多視点空中映像表示光学系３Ａを構成すれば、その２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の手前の空中に浮かび上がった実鏡映像Ｐ１，Ｐ２を観察できるようになる。このような利用形態は、以下で述べる他の実施形態についても同様に適用できる。

＜第１実施形態 変形例＞ ここで、本発明の第１実施形態の変形例を、図６〜図８を参照して説明する。図６に模式的な平面図で示す本発明の第２実施形態は、第１実施形態と同様に２面コーナーリフレクタアレイを複数利用するものであり、少なくとも３方向から被投影物Ｏの見かけ上１ヶ所の狭い領域に集合した空中像を観察できるようにした多視点空中映像表示光学系３Ｂを備えた多視点空中映像表示装置Ｘ２である。但し、同図では、２面コーナーリフレクタ１は、その集合全体をグレーで表し、その内角の向きをＶ字形状で大きく誇張して表してある（図７以降の図面についても同様である）。

本変形例において多視点空中映像表示光学系３Ｂは、例えば第１実施形態で用いた２面コーナーリフレクタアレイ２Ａと同様の２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂを６つ用意し、それらをそれぞれ半分に切断したうちの一方（符号２Ｂ１）を、向きを変えて再接合することにより構成することができる。具体的に、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂの具体的構成は、第１実施形態で用いた２面コーナーリフレクタアレイ２Ａとほぼ同様のものであるが、２面コーナーリフレクタ１の方向を各素子平面Ｓ内で４５°傾けて形成しており、図７に示すように素子の中心を通り側縁と角度６０°未満の角度αで交わる直線で２つの台形状に２分割され、そのうちの一方（図示例では左上半分）の２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１が使用される。そして、図８に示すように、裏返した２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１と裏返していない２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１とを２枚１組として、台形の長辺同士が隣接し且つ台形状の２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１の各素子平面Ｓ，Ｓが面一の平面を構成するように接合することで、１つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ’を構成する。この２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ’では、２つの素子平面Ｓ，Ｓ上において２面コーナーリフレクタ１，１の向きはやや異なっているものの、概ね１つの方向を向いている。このようにして得られる２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ’を３組用意し、３つの素子平面Ｓ同士がなす角度が観察側で１８０度未満となるように、全ての素子平面Ｓの端縁同士を接合することで、中心部における各２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ’の頂角（前記角度αの２倍の値）が１２０度未満となる、本変形例の多視点空中映像表示光学系３Ｂが得られる。このようにして得られる多視点空中映像表示光学系３Ｂでは、観察側から見ると図６に示す例では、６つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１の中心接合部が、紙面奥方に凹んだ態様となる。なお、この多視点空中映像表示光学系３Ｂは、正方形状の２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂを切断するのではなく、１つの基盤に所定の方向を向くように２面コーナーリフレクタ１を予め設けたものを用いて形成することができることは言うまでもない。

このようにして得られる多視点空中映像表示装置Ｘ２では、３つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ’の一方側の空間（紙面裏面側）にそれぞれ被投影物Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３を配置すれば、他方面側（紙面上方）である観察側からはそれぞれの被投影物Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３の各素子平面Ｓに対する面対称位置に実鏡映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が観察でき、図６に示したように、被投影物Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３の配置態様次第で、これらの実鏡映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３を１箇所に集合させてそれぞれの視点Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３から観察することができる。すなわち、円筒を視点に対応させた半円筒程度に分割したものを被投影物Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３（太い一点鎖線で示す）とした場合、観察側からは被投影物Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３それぞれに対して視点Ｖ１、Ｖ２，Ｖ３からは実鏡映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が観察され、これらを俯瞰すれば１ヶ所に集合した円筒状の実鏡映像Ｐ（図６に太い円形で表す）として観察することができるようになる。より具体的には、図６に示すように台形の斜辺同士を接合させた２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１，２Ｂ１から構成される２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ’では、２面コーナーリフレクタ１がほぼ同じ方向で視点Ｖ１の方を向いているので、多視点空中映像表示光学系３Ｂの中心部を挟んで台形の斜辺の延長方向（視点Ｖ１）から観察すれば、２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ’による被投影物Ｏ１の像が確認できる。そして、このようにほぼ同じ方向を向く２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１の組み合わせは、本実施形態の多視点空中映像表示光学系３Ｂでは３組あるため、少なくとも３方向（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３）からの像の観察が可能である。ただし、１つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ’を構成している２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｂ１では、それぞれ２面コーナーリフレクタ１は、正確に同一方向を向いているのではなく、それぞれ視線の方向とは約１５°程度の変位があるが、この程度の角度の差異は２面コーナーリフレクタ１の動作範囲内であり、ほぼ同一方向を向いていると見なすことができる。

なお、被投影物Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３の基盤２１’に対する直上にあたる多視点空中映像表示光学系３Ｂの中央部では、異なる方向を向く２面コーナーリフレクタ１が接近して多数存在する場合、迷光が生じて鮮明に結像しない可能性が高いため、平面視した場合に基盤２１’上の被投影物Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３と重なる部位には、２面コーナーリフレクタ１を形成しないなど、不透明として迷光を予め防止することが望ましい。

＜第１実施形態 他の変形例＞ なお、２面コーナーリフレクタアレイを利用する多視点空中映像表示装置は、上述した第１実施形態とその変形例に限定されるものではない。

例えば、図９に模式的な平面図で示すように、４方向の視点を持つ多視点空中映像表示光学系３Ｃを備えた多視点空中映像表示装置Ｘ３とすることもできる。この多視点空中映像表示装置Ｘ３において多視点空中映像表示光学系３Ｃは、４つの平面視扇型をなす２面コーナーリフレクタアレイ２Ｃから構成される。２面コーナーリフレクタアレイ２Ｃは、中心部の頂角βが何れも９０°未満をなす同形同大のものである。なお、このような２面コーナーリフレクタアレイ２Ｃにおいては、２面コーナーリフレクタ１は第１実施形態の場合と同様にして形成され、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ｃの２面コーナーリフレクタ１はそれぞれの頂角の方向に向けてあり、上記変形例の場合と同様に迷光を防止するべく、中心角近辺には２面コーナーリフレクタ１を形成しないものとしている。このように、２面コーナーリフレクタ１を２面コーナーリフレクタアレイ２Ｃの頂角方向に向けることにより、複数の２面コーナーリフレクタアレイ２の接続部分においても２面コーナーリフレクタ１の向きの変化が微小にとどまるため、視点を移動させたときに２面コーナーリフレクタアレイ２同士の接続部分でも連続して空中映像（実鏡映像Ｐ）を見ることができるようになる。そして、４つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ｃは、各素子平面Ｓ同士のなす角度θが観察側で１８０度未満となるように配置される。ここで、同図にそれぞれ半円弧形状で示される４つの被投影物Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３，Ｏ４を配置した場合、これらが１つの狭い領域に集合した円筒状の実鏡映像Ｐを４分割した像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４をそれぞれの視点Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の合計４方向から観察することができる。なお、２面コーナーリフレクタアレイの形状は上述のような扇形に限られるわけではなく、正方形等、面的な広がりがあり実像の観察に支障が無い限り任意の形状とすることができる。また、本変形例のような多視点空中映像表示装置３Ｃを構成知る２面コーナーリフレクタアレイの数は任意であり、その数が多くなるほど視点移動により空中像を結像させている２面コーナーリフレクタアレイの切り替わりでの像の連続性がより自然となり、また、２面コーナーリフレクタでの一回反射光による問題も起こりにくくなる。

また、各２面コーナーリフレクタアレイを構成する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、金属等の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、例えば、上述した実施形態とその変形例では、２面コーナーリフレクタアレイにおいて、薄板状の基盤２１に正方形状の穴２２を形成し、その穴の内周壁のうち隣接する２つにより２面コーナーリフレクタを形成したが、このような構成に変えて、図１０に拡大して示すように、基盤２１の厚み方向に突出する透明な筒状体２３のそれぞれに２面コーナーリフレクタを形成し、このような筒状体２３を碁盤目状に多数形成した２面コーナーリフレクタアレイとしてもよい。この場合、各筒状体２３の内壁面のうち、直交する２つを鏡面要素１１’，１２’とした態様によっても２面コーナーリフレクタ１’を形成することが可能である。この場合、上述した実施形態と同様に、２面コーナーリフレクタ１’で２回反射する光が、基盤２１の面方向すなわち素子平面Ｓ’に対して面対称な点を通過することにより、被投影物とは素子平面Ｓ’に対して反対側の空間に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２３の鏡面要素１１’，１２’以外の内壁面を鏡面としないか、もしくは素子平面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１’を構成する２つの鏡面１１’，１２’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１１’，１２’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２面コーナーリフレクタアレイを得ることができる。

その他、また、２面コーナーリフレクタを構成する２つの鏡面要素は、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いことや、多視点空中映像表示光学系又は２面コーナーリフレクタアレイの形状は自由に設定できることなど、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、種々変更が可能である。

なお、上記第１実施形態に準じて図１１に示す多視点空中映像表示装置Ｘ１’のように、一方の被投影物Ｏ１から発した光がそれと対応する２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１のみを通じてその素子平面Ｓに対する面対称位置に結像し、他方の２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２は透過しないようにするためには（他方の被投影物Ｏ２についても同様）、両被投影物Ｏ１，Ｏ２同士の間に、具体的には両被投影物Ｏ１，Ｏ２間において２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の下面側の空間を隔てるように、遮蔽部として例えば遮光板４を設けることが好ましいといえる。このような遮蔽部（ないしは遮光板４）を設けることにより、意図しない像が意図しない位置に結像して観察されるのを防止することができる。さらに、各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の上面には、それぞれ特定方向の光線を透過し且つ別の特定方向の光線を遮断するか、あるいは特定方向の光線のみを拡散する視線制御手段として、視界制御フィルム又は視野角調整フィルム等の光学フィルム２４を貼り付けて設けている。具体的にはこの光学フィルム２４により、被投影物Ｏ１，Ｏ２から発した光線が各２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を直接透過する方向の光が視点Ｖ１，Ｖ２には届かないようにすることで、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を通じて視点Ｖ１，Ｖ２から被投影物Ｏ１，Ｏ２が直接観察できるようになることを防止する一方で、２面コーナーリフレクタ１で２回反射して２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を透過する方向の光線のみを透過させることで、被投影物Ｏ１，Ｏ２の実像Ｐ１，Ｐ２のみを視点Ｖ１，Ｖ２から観察できるようにしている。

＜第２実施形態＞ 次に、本発明の第２実施形態を、図１２、図１３を参照して説明する。本実施形態に係る多視点空中映像表示装置Ｘ４は、実鏡映像結像光学系として２つのアフォーカルレンズアレイ２Ｄ（２Ｄ１，２Ｄ２）を適用した多視点空中映像表示光学系３Ｄを備えるものである。この多視点空中映像表示光学系３Ｄを構成する２つのアフォーカルレンズアレイ２Ｄ１，２Ｄ２は同等のものであり（総称する場合は符号２Ｄで示す）、図１２に示すように、多数のアフォーカルレンズ５を１つの素子平面Ｓ上に並べて構成される。各アフォーカルレンズ５は、素子平面Ｓに垂直な光軸ｇを共有し且つ互いの焦点距離ｆｓ，ｆｅを隔てた２つのレンズ５１、５２から構成される。この例では、レンズ５１、５２として共に凸レンズを適用している。これにより、素子平面Ｓの一方側からレンズ５１…に入射した光は、それぞれ対をなす他方側のレンズ５２…から出射して、光源とは素子平面Ｓに対して面対称となる位置に集光する。すなわち、光源が被投影物の場合は素子平面Ｓに対する面対称位置に結像する。そして、図１２に示すように、このようなアフォーカルレンズアレイ２Ｄ１，２Ｄ２を、互いの素子平面Ｓが観察側で１８０度未満の角度となるように向き合わせて配置することにより、本実施形態の多視点空中映像表示光学系３Ｄとしている。なお、アフォーカルレンズアレイ２Ｄを用いて被投影物Ｏを素子平面Ｓに対する面対称位置に実像として結像させる場合、視野角は素子平面Ｓに対して垂直に近い方向に制限されることから、結像する像の位置をアフォーカルレンズアレイ２Ｄから余り遠くない位置に設定するには、同図に示したように、第１実施形態の多視点空中映像表示光学系３Ａ等の場合よりも、素子平面Ｓ，Ｓ同士の実像側の角度を狭くしておく必要がある。

そして本実施形態の場合、２つのアフォーカルレンズアレイ２Ｄ１，２Ｄ２に対応させて素子平面Ｓ，Ｓを挟んで一方側の空間にそれぞれ被投影物Ｏ１，Ｏ２を配置すると、反対側の空間に実鏡映像Ｐ１，Ｐ２が結像し、それぞれを視点Ｖ１，Ｖ２から観察できるようになる。この場合も、第１実施形態と同様に、被投影物Ｏ１，Ｏ２の素子平面Ｓ，Ｓに対する位置及び向きを調整することで、実鏡映像Ｐ１，Ｐ２を１つの領域に集合させることができる。

なお、アフォーカルレンズアレイを用いる多視点空中映像表示光学系は、上述した実施形態に限らず、レンズやレンズアレイの具体的構成や形状など、種々変更することが可能であり、第１実施形態で言及したような遮光部を素子平面の被投影物側の空間に設けることも有用である。また、３つ以上の視点からの観察が可能なように多視点空中映像表示光学系を構成し、それを用いて多視点空中映像表示装置を構成してもよい。

＜第３実施形態＞ 次に、本発明の第３実施形態を、図１４、図１５を参照して説明する。本実施形態に係る多視点空中映像表示装置Ｘ５は、ハーフミラー６とレトロリフレクタアレイ７を利用した実鏡映像結像光学系２Ｅを適用した多視点空中映像表示光学系３Ｅを備えるものである。本実施形態で適用される実鏡映像結像光学系２Ｅは、図１４に示すように、ハーフミラー６のハーフミラー面６１を対称面Ｓ’として、ハーフミラー面６１の一方側の空間に配置した被投影物Ｏ１（又はＯ２）から発せられた光がハーフミラー面６１で反射し、さらにレトロリフレクタアレイ７で再帰反射して入射してきた方向に戻り、ハーフミラー面６１を透過することによって、被投影物Ｏ１（又はＯ２）の対称面Ｓ’としてのハーフミラー面６１に対する面対称位置に鏡映像を実像Ｐ１（又はＰ２）として結像させるものである。本実施形態に適用される多視点空中映像表示光学系３Ｅでは、このような実鏡映像結像光学系２Ｅを２つ用い、対称面Ｓ’となる２つのハーフミラー面６１，６１同士が実像Ｐ１，Ｐ２側で１８０度未満となるように配置している。

このような実鏡映像結像光学系２Ｅの構成要素であるハーフミラー６は、例えば透明樹脂やガラス等の透明薄板の一方の面に薄い反射膜をコーティングしたものを利用することができる。この透明薄板の反対側の面には、無反射処理（ＡＲコート）を施すことで、観察される実鏡映像Ｐが２重になるのを防止することができる。そして、ハーフミラー６の実像側Ｐである上面には、それぞれ特定方向の光線を透過し且つ別の特定方向の光線を遮断するか、あるいは特定方向の光線のみを拡散する視線制御手段として、視界制御フィルム又は視野角調整フィルム等の光学フィルム６２を貼り付けて設けている。具体的にはこの光学フィルム６２により、被投影物Ｏ１，Ｏ２から発した光線がハーフミラー６を直接透過した光が視点Ｖ１，Ｖ２には届かないようにすることで、ハーフミラー６を通じて視点Ｖ１，Ｖ２から被投影物Ｏ１，Ｏ２が直接観察できるようになることを防止する一方で、後述するハーフミラー７で一旦反射してレトロリフレクタアレイ７で再帰反射した後にハーフミラー７を透過する方向の光線のみを透過させることで、被投影物Ｏ１，Ｏ２の実像Ｐ１，Ｐ２のみを視点Ｖ１，Ｖ２から観察できるようにしている。

一方、レトロリフレクタアレイ７には、入射光を厳密に逆反射させるものであればあらゆる種類のものを適用することができ、例えば表面を鏡面精度の平滑度として光線を再帰反射するものや、素材表面への再帰反射膜や再帰反射塗料のコーティングなども考えられる。また、その形状も図１４に示すように曲面としてもよいし、平面とすることもできる。例えば、図１５（ａ）に正面図の一部を拡大して示すレトロリフレクタアレイ７は、立方体内角の１つの角を利用するコーナーキューブの集合であるコーナーキューブアレイである。個々のレトロリフレクタ７１は、３つの同形同大の直角二等辺三角形をなす鏡面７１ａ，７１ｂ，７１ｃを１点に集合させて正面視した場合に正三角形を形成するものであり、これら３つの鏡面７１ａ，７１ｂ，７１ｃは互いに直交してコーナーキューブを構成している。そして、鏡面のうちの一つ（例えば７１ａ）に入射した光は、順次他の鏡面（７１ｂ，７１ｃ）で反射することで、レトロリフレクタ７１へ光が入射してきた元の方向へ反射する。また、同図（ｂ）に正面図の一部を拡大して示すレトロリフレクタアレイ７も、立方体内角の１つの角を利用するコーナーキューブの集合であるコーナーキューブアレイである。個々のレトロリフレクタ７１は、３つの同形同大の正方形をなす鏡面７１ａ，７１ｂ，７１ｃを１点に集合させて正面視した場合に正六角形を形成するものであり、これら３つの鏡面７１ａ，７１ｂ，７１ｃは互いに直交している。このレトロリフレクタアレイ７は、同図（ａ）のレトロリフレクタアレイ７とは形状が異なるだけで再帰反射の原理は同じである。なおレトロリフレクタアレイ７に対する入射光と出射光の経路は、厳密には重ならず平行であるが、レトロリフレクタ７１がレトロリフレクタアレイ７と比べて十分小さい場合には、入射光と出射光の経路が重なっているとみなしてもよい。これら２種類のコーナーキューブアレイの違いは、鏡面が二等辺三角形のものは比較的作成しやすいが反射率が若干低くなり、鏡面が正方形のものは二等辺三角形のものと比較して作成がやや難しい反面、反射率が高い、ということである。

なお、レトロリフレクタアレイ７には、上述したコーナーキューブアレイの他にも、３つの鏡面により光線を再帰反射させるもの（広義には「コーナーリフレクタ」）を採用することができる。図示しないが、例えば、単位再帰反射素子として、３つの鏡面のうち２つの鏡面同士が直交し、且つ他の１つの鏡面が他の２つの鏡面に対して９０／Ｎ度（ただしＮは整数とする）をなすものや、３つの鏡面がそれぞれ隣接する鏡面となす角度が９０度、６０度及び４５度となる鋭角レトロリフレクタが、本実施形態に適用される再帰反射素子３として適している。その他にも、キャッツアイレトロリフレクタ等も単位再帰反射素子として利用することができる。これらのレトロリフレクタアレイは、平面的なものであっても、屈曲又は湾曲していてもよい。さらに、図１４の例では、レトロリフレクタアレイ７を被投影物Ｏ１，Ｏ２の外側に配置したが、被投影物Ｏ１，Ｏ２から発してハーフミラー６で反射した光を再帰反射することができる位置であれば、レトロリフレクタアレイ７の配置位置は適宜に設定することができる。

また、多視点空中映像表示光学系は、上述した実施形態に限らず、ハーフミラーやレトロリフレクタアレイの具体的構成や形状など、種々変更することが可能であり、第１実施形態で言及したような遮光部を素子平面の被投影物側の空間に設けることも有用である。また、３つ以上の視点からの観察が可能なように多視点空中映像表示光学系を構成してもよい。

＜第４実施形態＞ また、各実施形態では、各多視点空中映像表示光学系に適用した実鏡映像結像光学系をそれぞれ１種類としたが、２面コーナーリフレクタアレイを利用した実鏡映像結像光学系、アフォーカルレンズアレイを利用した実鏡映像結像光学系、ハーフミラーとレトロリフレクタアレイとを利用する実鏡映像結像光学系を適宜組み合わせて混在させても構わない。

ここで、複数種類の実鏡映像結像光学系を適用した多視点空中映像表示光学系を備えた多視点空中映像表示装置の一例について、説明する。図１６、図１７に示す多視点空中映像表示装置Ｘ６は、第１実施形態で用いた実鏡映像結像光学系である２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を離間して配置し、それらの間に第２実施形態で用いた実鏡映像結像光学系であるアフォーカルレンズアレイ２Ｄを１つ配置した多視点空中映像表示光学系３Ｆを有するものである。隣接する実鏡映像結像光学系の対称面同士、すなわち２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１とアフォーカルレンズアレイ２Ｄの各対称面である素子平面Ｓ１と素子平面Ｓ３、２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ２とアフォーカルレンズアレイ２Ｄの各対称面である素子平面Ｓ２と素子平面Ｓ３のなす角度θは、それぞれ１８０度以下となるように設定している。また、各実鏡映像結像光学系２Ａ１，２Ａ２，２Ｄに対応して、それぞれ被投影物Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３を配置し、それらの実鏡映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が１つの狭い領域に集合するように、実鏡映像結像光学系２Ａ１，２Ａ２，２Ｄの配置角度と被投影物Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３の配置位置を設定している。

このように、本実施形態の多視点空中映像表示装置Ｘ６では、素子平面に対する視野角が異なる実鏡映像結像光学系２Ａ１，２Ａ２，２Ｄを複数用い、実鏡映像Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が重なるように現れるようにすることで、３つの視点Ｖ１，Ｖ３，Ｖ２からそれぞれに対応する実鏡映像Ｐ１，Ｐ３，Ｐ２を観察できるだけでなく、各視点を順次変更すれば、実鏡映像Ｐ１，Ｐ３，Ｐ２を順次切り替えて連続的に観察することが可能となる。このように、隣接する実鏡映像結像光学系の対称面（素子平面）同士のなす角度θを１８０度未満として、それらの対称面の配置方向や被投影物の配置位置を変更すれば、垂直方向にも視点を広げることができる。このことから、多視点空中映像表示装置では、実鏡映像結像光学系が同一種類か異種類かに関わらず、４つ以上の実鏡映像結像光学系を組み合わせて多視点空中映像表示光学系を構成すれば、例えば半球に近いような多角形状の多視点空中映像表示光学系が得られることとなる。

＜第５実施形態＞ また、第４実施形態のように、視点の移動に伴って観察される実鏡映像を連続的に切り替える、という構成としては、次のようなものを例示することができる。例えば図１８，図１９に示す多視点空中映像表示装置Ｘ７は、第１実施形態の多視点空中映像表示装置Ｘ１において、２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２をそれらの２面コーナーリフレクタ１が向く方向を相反する外向きとし、これら２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２の素子平面Ｓ１，Ｓ２同士がなす角度θを図１に示した角度よりも狭め、例えば９０度程度とした多視点空中映像表示光学系３Ｇを有するものである。この場合、各被投影物Ｏ１，Ｏ２の各実鏡映像Ｐ１，Ｐ２は、多視点空中映像表示光学系３Ａの中央部上方付近（２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２が接している部位の上方付近）からの視点Ｖ１，Ｖ２から観察できることとなる。そして、視点をＶ１からＶ２へ（又はＶ２からＶ１へ）変更することで、観察される実鏡映像をＰ１からＰ２へ（又はＰ２からＰ１へ）連続的に切り替えることができる。また、このような多視点空中映像表示装置Ｘ１を上述したように素子平面Ｓ１，Ｓ２が鉛直姿勢となるように２つの２面コーナーリフレクタアレイ２Ａ１，２Ａ２を起立させた状態の多視点空中映像表示光学系３Ａを構成すれば、実鏡映像Ｐ１，Ｐ２に対する左右方向（水平方向）の視野角を広げることが可能となる。また、第４実施形態におけるＳ１、Ｓ２を本実施形態のように2面コーナーリフレクタが相反する外向きとしたものとすることもできる。この場合、視点を徐々にＶ１，Ｖ３，Ｖ２と移動させることに伴い、連続した視点変化の映像として観察させることが可能となる。

なお、以上に説明した各実施形態では、複数の被投影物の鏡映像を実像として１つの狭い領域に集合させて結像させた態様を示したが、必ずしも像を集合させる必要はなく、各視点から観察される像が相互に離間していても構わないのはいうまでもない。その他、本発明の各部の具体的構成についても上記各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。

本発明は、複数の視点からの被投影物の実像の観察を可能とし、正常な奥行きを持つ立体像を多視点から観察可能な新規なディスプレイ装置として利用可能である。

Claims (12)

1. 被投影物の実像を、対称面となるある１つの幾何平面に対する面対称位置に結像可能な実鏡映像結像光学系を複数具備してなる多視点空中映像表示光学系を備え、
   前記任意の対称面同士のなす角度が当該対称面に対する実像側において１８０度未満となるように全ての実鏡映像結像光学系を配置し、
   前記被投影物を各実鏡映像結像光学系毎に対応させて配置していることを特徴とする多視点空中映像表示装置。
2. 前記実鏡映像結像光学系の少なくとも１つが、所定の素子平面に垂直な相互に直交する２つの鏡面から構成される２面コーナーリフレクタを当該素子平面上に複数並べた２面コーナーリフレクタアレイであり、この素子平面を前記対称面とするものである請求項１に記載の多視点空中映像表示装置。
3. 前記複数の２面コーナーリフレクタの全てを、前記素子平面ごとに同一方向を向けている請求項２に記載の多視点空中映像表示装置。
4. 前記複数の２面コーナーリフレクタの全てを、前記素子平面ごとに所定の一点を向けている請求項２に記載の多視点空中映像表示装置。
5. 前記２面コーナーリフレクタアレイは、素子平面を共有する複数の２面コーナーリフレクタアレイの集合により構成したものである請求項２、３又は４の何れかに記載の多視点空中映像表示装置。
6. 前記実鏡映像結像光学系の少なくとも１つが、所定の素子平面に垂直な光軸を有するアフォーカルレンズを当該素子平面上に複数並べたアフォーカルレンズアレイであり、この素子平面を前記対称面とするものである請求項１乃至５の何れかに記載の多視点空中映像表示装置。
7. 前記実鏡映像結像光学系の少なくとも１つが、光線を再帰反射させるレトロリフレクタアレイと光線を反射及び透過させるハーフミラー面を有するハーフミラーとを具備するものであり、このハーフミラー面が前記対称面とし、前記レトロリフレクタアレイを当該ハーフミラーに対して前記被投影物と同じ側の空間に配置しているものである請求項１乃至６の何れかに記載の多視点空中映像表示装置。
8. 前記各被投影物同士の間に、その被投影物に対応する前記対称面以外の対称面への光線の到達を遮断する遮蔽部を設けている請求項１乃至７の何れかに記載の多視点空中映像表示装置。
9. 前記対称面の前記実像が結像する側の面に、特定の方向の光線のみを透過・遮断若しくは拡散する光学的な視線制御手段を配置し、当該視線制御手段により、結像する光線のみを透過し、対称面を通じて被投影物を直接視する方向の光線を遮断することを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の多視点空中映像表示装置。
10. 前記各被投影物を、１つの立体の奥行きを反転したものの一部分とし、各視点から見た各被投影物の前記各実像を組み合わせた場合にこれらの実像が元の立体を構成するように当該各被投影物を前記対称面に関係づけて配置している請求項１乃至９の何れかに記載の多視点空中映像表示装置。
11. 前記各被投影物を、視点の移動とともに漸次異なる形状に見えるものとし、これら各被投影物を回転させる回転手段と、この回転手段による各被投影物の回転に同期して当該各被投影物を静止させているように瞬間的に可視化する瞬間的可視化手段をさらに具備している請求項１乃至１０の何れかに記載の多視点空中映像表示装置。
12. 前記各被投影物を、曲面に現れる映像としている請求項１乃至１１の何れかに記載の多視点空中映像表示装置。

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