JP5498853B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、実鏡映像結像光学系を利用して、観察対象物である被観察物の実像を観察者に見せることができる表示装置に関する。

映像など被観察物の実像を空中に浮かせて観察者に見せることができる表示装置として、例えばマイクロレンズアレイを利用した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し、空中映像を実現するものである。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、表示装置のコンパクト化にも資する。しかしながら、このような表示装置では、立体映像に見える２次元の実像が得られるが、これでは実際に３次元物体の実像を得ることはできない。また、この表示装置では、マイクロレンズアレイによる光の屈折を利用して結像する実像を観察するものであるために、観察者は、マイクロレンズアレイの正面からしか画像を見ることができない。

一方、マイクロミラーアレイ（２つの直交する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２面コーナーリフレクタアレイ）を利用して、２次元又は３次元の被投影物である物体や映像を空中に実鏡映像（実像）として観察することを可能とする実鏡映像結像結像素子を用いるディスプレイ装置がある（例えば、特許文献２参照）。この２面コーナーリフレククアレイによれば、被観察物の実像は、その素子面を対称面として被観察物の面対称となる位置に実鏡映像として歪み無く結像する。２面コーナーリフレククアレイを利用した表示装置は、被観察物が２次元であれば２次元の実像を、被観察物が３次元であれば３次元の実像を、素子面を挟んで被観察物とは反対側の空間において素子面に対して斜め方向の視点から観察することを可能とするものである。すなわち、実鏡映像結像光学系は、観察者側の反対側の空間（被観察物側空間）に配置された被観察物の実像を、観察者側の空間（観察者側空間）に結像させるように、これら空間を仕切り且つ被観察物とその実像の対称面を含む結像光学系でもある。

素子面に対して斜め方向の視点から被観察物の実像を観察できる実鏡映像結像光学系を利用して、電子ディスプレイのような画像表示面や、自動車の計器盤などのインストルメンタルパネルのような装置類の表示面の手前、すなわち観察者側空間に被観察物の実像を空中映像として表示できる表示装置が提案されている（特許文献３、参照）。この特許文献３では、一例として、自動車を運転中の運転者（観察者）が目を向ける計器盤の手前の空間に、被観察物として適用される電子ディスプレイの表示面に表示される画像の実像を結像させることで、本来何もないはずの計器盤の手前の空間に注意を喚起するような画像表示を浮かび上がらせて、運転者の注意を喚起するような構成を実施例として開示している。

特開２００１−２５５４９３号公報 ＷＯ２００７−１１６６３９号公報 特開２００９−２２３２３２号公報

上述の特許文献３に開示した表示装置では、例えば自動車などに適用した場合、運転者の視線方向に計器盤の表示と、その手前の空中に浮いた画像とが見え、さらにその画像を動いて見えるようにもできるため、運転者の注意を引くことができるものではあるが、より多くの情報をより大きなインパクトを以て観察者に与えることが要望されている。

そこで本発明は、実鏡映像結像光学系を利用した被観察物の実鏡映像と更なる投影像とを組み合わせて観察者に見せることで、さらに大きなインパクトで多様な情報を与えることができる表示装置を提供することを目的とする。

本発明の表示装置は、観察者側空間を画定する壁部と、壁部の一部により隔てられた被観察物側空間に配置される被観察物と、観察者側空間と被観察物側空間を壁部の一部として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該観察者側空間に被観察物の実像を結像させる実鏡映像結像光学系と、観察者側空間に面した基盤に設けられ且つ拡散反射機能を有するスクリーン面と、観察者側空間にてスクリーン面に投影像を投影する投影光学系と、を含むことを特徴とする。また、本発明に係る態様によれば、表示装置は、奥壁と対面する観察者側に向けて設けられる表示部と、奥壁よりも観察者側に配置される壁部と、壁部の一部に沿って設けられ且つ被観察物の実像を結像させる実鏡映像結像光学系と、壁部の一部に沿って設けられ且つ拡散反射機能を有するスクリーン面と、スクリーン面へ投影像を投影する投影光学系と、投影光学系とは反対側の空間に配置される当該被観察物と、を組み合わせて表示装置を構成することもできる。

このような表示装置であれば、被観察物の実像を面対称位置に結像させる実鏡映像結像光学系を用いて、奥壁に設けられた表示部の観察者側手前の空間に、当該被観察物の実鏡映像を対称面（基盤）に対して斜め方向から観察することができるうえに、壁部である基盤に設けたスクリーン面に投影された投影像をも観察することができ、これら投影像と実鏡映像とを同じ観察位置から同時に観察することも可能となる。このように、本発明では、実鏡映像結像光学系による結像と投影光学系から投影された投影像の２つの像を同時に観察可能なインパクトがあり情報量の多い表示をなすことができる。なお、実鏡映像結像光学系は、スクリーン面を一部に有するものとしてもよいし、実鏡映像結像光学系とスクリーン面とを別部材により構成してもよい。

本発明では、該投影光学系と該被観察物との間における壁部に露出する位置に実鏡映像結像光学系の対称面とスクリーン面とを配置することができる。この場合、スクリーン面が対称面に対する該被観察物の結像の障害とならないようにするには、実鏡映像結像光学系におけるスクリーン面（基盤）は、該被観察物から対称面に到達するまでの光線又は該被観察物から発して対称面を透過し且つ屈曲した光線を、透過又は通過させるものとすることが好ましい。

ここで、表示部には、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ、ＣＲＴなどの画像表示装置の表示部や、機械装置などの計器盤などの表示部など、適宜のものを適用することができ、この表示部を本発明の表示装置において奥まった位置に設けられる奥壁に配置すればよい。また、本発明の表示装置には、奥壁よりも観察者側に位置付けられる壁部を、上下左右の何れかを向けて配置していればよく、この壁部の一部に実鏡映像結像光学系における対称面とスクリーン面が設けられ、このスクリーン面で投影像を観察できるように、壁部の一部に沿って投影像を投影する投影光学系が設けられる。さらに対称面を設けた壁部の背面側には、実鏡映像結像光学系により実鏡映像を結像させるための被観察物が設けられる。被観察物には、２次元又は３次元の物体又は映像を適用することができる。

このような表示装置であれば、表示部と投影光学系と被観察物とを空間的に離れた位置に配置しつつ、観察者の視線上に表示部における表示と実鏡映像結像光学系による２つの像とを同時に存在させることが可能となる。すなわち観察者は、奥壁にある表示部を観察しながらも、表示部の手前に結像する被観察物の実像とスクリーン面に投影された投影像を同時に観察することができるようになる。このように、表示部の手前に２つの像が観察されるため、従来の表示装置（特許文献３）よりも多様な情報を観察者に与えることができ、さらに２つの像を組み合わせて同時に観察可能とすれば、観察者に与えるインバクトもより大きくなる。

本発明の表示装置における投影光学系は、液晶プロジェクターを小型化したようなものが利用できる。投影光学系は観察者から直接視認できない位置に配置することが表示装置の品位という観点からは好ましい。

また、被観察物を電子ディスプレイの表示面に表示される画像とすれば、被観察物の変更が容易となり、観察者が見ることができる像のバリエーションを容易に多様化することができる。

また、本発明に適用される実鏡映像結像光学系は、被観察物が２次元であれば２次元の画像を結像し、３次元であれば３次元の像を結像するという特徴を有していることから、被観察物を、３次元画像を表示し得る電子ディスプレイの表示面に表示される立体画像、もしくは、２次元画像であっても立体に見える画像とすれば、観察者にさらにインパクトの大きい像を観察させることができる。

さらに、被観察物又は投影光学系から投影される投影像の少なくとも一方を経時的に動的に変化させれば、表示部の手前に観察される被観察物の実像とスクリーン面に投影された投影像のどちらか一方又は両方を動く像として観察者に見せることができる。被観察物の経時的、動的変化は電子ディスプレイを用いれば容易に作り出すことができるが、被観察物には、時間の経過と共に動作する実体物を適用することも可能である。投影光学系から投影される投影像の経時的、動的変化は電子ディスプレイを用いれば容易に作り出すことができる。

ここで、本発明において実鏡映像結像光学系とは、対称面（基盤）に対して斜め方向からの視点から被観察物の実鏡映像を観察することができるものであり、その１つの具体例としては、２面コーナーリフレクタアレイからなる実鏡映像結像光学系を挙げることができる。２面コーナーリフレクタアレイは、２つの直交する鏡面により構成される２面コーナーリフレクタを複数、平面的に集合させたものであり、全ての鏡面に対して垂直となる共通な平面を、被観察物と実像との対称面となる素子面としたものである。この２面コーナーリフレクタアレイは、被観察物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１回ずつ反射させ且つその素子面を透過させることにより、２面コーナーリフレクタアレイの素子面を対称面として被観察物の面対称位置に、その被観察物の実鏡映像を結像させる作用を有している。２面コーナーリフレクタアレイの素子面の実像側の面（例えば上面）に光を拡散反射する面を配置すれば、投影光学系から投影される投影像を観察者に見せるスクリーン面として作用する。その際、このスクリーン面により素子面を透過し且つ屈曲する被観察物からの光線が妨げられないようにすることが肝心である。具体的にはスクリーン面のうち、素子面を透過し且つ屈曲する被観察物からの光線が通る箇所は透明状態とし、それ以外の箇所を光が散乱反射するようにする方法や、スクリーン面全体を光を拡散反射するようにするが素子面を透過し且つ屈曲する被観察物からの光線が像を結べなくなるほどに拡散度を高くしない方法が考えられる。

次に、２面コーナーリフレクタアレイとスクリーン面を一体形成することを考える。２面コーナーリフレクタアレイについて考察すると、光線を各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。従って、実像の結像を可能としつつ素子上面にスクリーン面を形成するには、この２面コーナーリフレクタアレイの上面全面を投影光学系から投影される投影像を映し出すためのスクリーン面としたものとすればよい。ただしこの場合は、素子面を透過し且つ屈曲する被察物からの光線が像を結ぶ必要があるため光散乱の小さなスクリーン面とすることが肝要である。あるいは、素子面には前記穴（２面コーナーリフレクタ）が離散的に形成されているため、この穴以外の２面コーナーリフレクタアレイ上面をスクリーン面とすることができる。この場合は、光散乱を大きくしても問題は無い。

２面コーナーリフレクタアレイの構造は、単純に述べれば、素子面にほぼ垂直な鏡面を、素子面上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つの平面を素子面としてとして規定し、各２面コーナーリフレクタを、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、且つ、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（当該基盤の表面から突出した態様をとっている時は外壁内側）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、且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。

あるいは２面コーナーリフレクタは、ＰＣＴ／ＷＯ２００９−１３１１２８号公報やＰＣＴ／ＷＯ２００９−１３６５７８号公報で開示されているような、垂直方向に光反射面を有する細長い鏡面体を多数並べたミラーアレイ（スリットミラーアレイ）を、お互いに直交するように重ねたものを利用してもよい。

ここで、前記光学的な穴として、立方体又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、被観察物方向を向く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、透明で平坦な基盤としても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、映像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、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。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など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。

本発明において実鏡映像結像光学系として適用可能な他の具体例としては、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実鏡映像結像光学系である。この実鏡映像結像光学系においては、ハーフミラー面を壁部に露出して設定される対称面とし、被観察物から出た光線のうちハーフミラーで反射又は透過した光線を再帰反射し得る位置にレトロリフレククアレイを配置しているものを挙げることができる。なお、レトロリフレクタアレイは、壁部の奥側に奥壁及び表示部が存在することを考慮すれば、ハーフミラーに対して被観察物と同じ側の空間にのみ配置され、ハーフミラーで反射した光を再帰反射する位置に設けられる。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平面上に存在している必要はなく、曲面上にあってもよく、さらに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、ハーフミラー面は、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。さらに具体的にハーフミラーをスクリーン兼用ハーフミラーとて利用した場合を説明する。スクリーン兼用ハーフミラーでは、ハーフミラー本体を形成する透明板の被観察物側の面に上記の性能を有するハーフミラー面が形成されており、反対側の面、すなわち実像側の面には投影光学系から投影された投影像を映し出すためにスクリーン面が形成されている。この時、このスクリーン面によりスクリーン兼用ハーフミラーを透過し且つ屈曲する被観察物からの光線が妨げられないようにすることが肝心である。具体的にはスクリーン兼用ハーフミラーを形成する透明板の実像面側であるスクリーン面全体は光を散乱反射するように構成されるが、スクリーン面を透過する被観察物からの光線が像を結べなくなるほどに散乱度を高くない透過性と散乱性とを兼ね備えている。

レトロリフレククには、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など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スクリーン兼用ハーフミラーを利用する実鏡映像結像光学系の場合、被観察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、スクリーン兼用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、被観察物の結像した実鏡映像と投影光学系から投影された投影像の観察は、ハーフミラー面を透過する光線に対向する方向から行うことができる。

本発明の表示装置によれば、電子ディスプレイや装置類の表示面を搭載可能な奥壁よりも観察者側に設けられる壁部の一部に実鏡映像結像光学系を設け、この実鏡映像結像光学系における対称面を設けた壁部内側に観察物を配置することで、表示面よりも手前側の空間に、被観察物の実鏡映像を空中映像として観察できるようにし、さらに実鏡映像結像光学系に設けたスクリーン面に投影された投影像をも観察することができこれら投影像と実鏡映像とを同じ観察位置から同時に観察することも可能となる。このように、本発明では、実鏡映像結像光学系による結像と投影光学系から投影された投影像の２つの像を同時に観察可能な、インパクトがあり多くの情報を表示できる新しい表示装置を提供することが可能である。

本発明による実施形態の表示装置を観察者側から見た状態を示す概略正面図である。 実施形態の表示装置の要部を側方から見た状態を模式的に示す概略側面図である。 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結像様式を模式的に示す概略斜視図である。 実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタレイの具体的構成例を模式的に示す概略平面図である。 実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタレイの具体的構成例を模式的に示す部分切欠斜視図である。 実施形態の表示装置に適用される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。 実施形態の表示装置に適用される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。 本発明の一実施形態の変形例の表示装置の要部を側方から見た状態を模式的に示す概略側面図である。 本発明の一実施形態の変形例の表示装置の要部を側方から見た状態を模式的に示す概略側面図である。 本発明の他の実施形態を示す実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイおよびレトロリフレクタの他の例による光線の再帰反射の態様を模式的に示す概略側面図である。 本発明の他の実施形態を示す実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイおよびレトロリフレクタの他の例による光線の再帰反射の結像様式を模式的に示す概略斜視図である。 本発明の他の実施形態を示す実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイを模式的に示す概略部分拡大平面図である。 本発明の他の実施形態を示す実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイの単位レトロリフレクタによる光線の再帰反射の態様を模式的に示す概略斜視図である。 本発明の更なる他の実施形態を示す実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイを模式的に示す概略部分拡大平面図である。 本発明の更なる他の実施形態を示す実鏡映像結像光学系に適用されるレトロリフレクタアレイの単位レトロリフレクタによる光線の再帰反射の態様を模式的に示す概略斜視図である。

以下に、本発明による一実施形態の表示装置について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態である表示装置１を含む自動車などの車両の計器盤周りを示す概略正面図である。図２は、当該表示装置１の動作を説明するための概略断面図である。

実施形態の表示装置１は、自動車などの輸送機器の運転台に設けられる計器盤とその周囲の部分に本実施形態を適用したものである。具体的に表示装置１は、図２に示すように、観察者である運転者の視点Ｖから最も遠い部分に奥壁２を配置し、この奥壁２に連続する運転者側から見て手前の空間の四方を囲むように壁部として機能する底壁３、左右の側壁４，４、上壁５を備えており、奥壁２に計器盤の一種（計器類）の表示部２１を設けている。表示部２１は、速度情報を運転者に伝えるための、いわゆるスピードメータを表示する例えば液晶ディスプレイなどである。なお、表示部２１は手前側を透明なプラスティック製のカバー（図示せず）で覆われている。奥壁２に設けられる表示部２１には、図１に示すような速度計だけでなく、種々の計器類を搭載できることはいうまでもない。

本実施形態の表示装置１では、底壁３に、実鏡映像結像光学系として２面コーナーリフレクタアレイ６を設け、この２面コーナーリフレクタアレイ６を通じて奥壁２の手前側且つ底壁３の上方の空間（観察者側空間）に空中映像Ｐを結像するために、底壁３の下（被観察物側空間）に被観察物７２を配置している。被観察物７２としては、本実施形態では小型液晶ディスプレイ７の表示面７１に表示される画像を適用している。図１の例では、画像の被観察物７２は液晶ディスプレイ７の表示面７１に表示される。表示される画像（被観察物７２）は、浮かび上がらせる実鏡映像Ｐとは上下逆にした画像とする。なお、画像の被観察物７２が観察者である運転者の視線からは直接見えないようになされている。なお、ディスプレイ７は、図２に示すように、運転者の視線にあわせて、その表示面７１が後述する素子面６Ｓに対して９０度よりもやや小さい角度で鋭角をなすように傾けている。

さらに、本実施形態の表示装置１では、図２に示すように、観察者側空間において、上壁５の部分に投影光学系８２が配置され、底壁３の２面コーナーリフレクタアレイ６の表面に形成されたスクリーン面６２が配置されている。投影光学系８２は、光源や投影用ディスプレイと投射レンズ系など（図示せず）から構成されており上壁５から２面コーナーリフレクタアレイ６のスクリーン面６２に向けて投影像を投影する機能を有している。この投影像は、２面コーナーリフレクタアレイ６のスクリーン面６２において拡散反射することにより、運転者に観察されることができる。なお、２面コーナーリフレクタアレイ６（スクリーン面６２を含む）の底壁３における位置や、ディスプレイ７および投射光学系８２の位置、壁部の構成は適宜に設定することができる。スクリーン面６２は、画像の被観察物７２から対称面に到達するまでの光線又は画像の被観察物７２から発して対称面を透過し且つ屈曲した光線を、透過又は通過させる。

このように、本実施形態の表示装置１は、実鏡映像結像光学系としての２面コーナーリフレクタアレイ６とこれを挟んで被観察物側空間に設けられた画像の被観察物７２を有するとともに、反対側の観察者側空間に投影光学系８２とスクリーン面６２が配置されている。画像の被観察物７２から発せられた光は２面コーナーリフレクタアレイ６で２回の反射を伴って２面コーナーリフレクタアレイ６を通過し、次いでスクリーン面６２を通過し、観察者Ｖの視線上に実鏡映像Ｐを結像する。そして、投影光学系８２により投射された投影像Ｑはスクリーン面６２上に映されているので、観察者Ｖの視線に投影像Ｑ上に重なって実鏡映像Ｐが目視される。

本実施形態では、ディスプレイ７をカーナビゲーションシステムの構成要素とし、投影光学系８２の表示面には投影画像８２として例えば予めカーナビゲーションソフトウェアに記憶させてある地図が自動車の走行に従ってリアルタイムで表示され、ディスプレイ７の表示面７１には例えば地図上での進行方向を示す矢印などのその時々で変化する被観察物である画像の被観察物７２が表示される。なお、画像の被観察物７２の実鏡映像Ｐと画像８２の投影像Ｑは共に運転者に正しい方向で観察させる必要があるため、上述の通り、画像の被観察物７２は本来の方向とは上下を逆にした姿勢で表示される。

ここで、本実施形態に適用される２面コーナーリフレクタアレイ６の構成及び作用について説明する。図３は、実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタアレイの結像様式を模式的に示す概略斜視図である。図４Ａ及び図４Ｂは、実施形態の表示装置に適用される２面コーナーリフレクタレイの具体的構成例を模式的に示す概略平面図及び部分切欠斜視図である。

２面コーナーリフレクタアレイ６は、図４Ａ及び図４Ｂに模式的に示すように、２つの相互に直交する鏡面６１ａ，６１ｂから構成される２面コーナーリフレクタ６１の多数の集合であり、全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平面を素子面６Ｓとし、この素子面６Ｓを対称面とする面対称位置に画像の被観察物７２の実鏡映像Ｐを結像させることができるものである。なお、本実施形態において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６の全体の大きさ（ｃｍオーダ）と比べて非常に微小（μｍオーダ）であるので、図３では２面コーナーリフレクタ６１の集合全体をグレーで表し、鏡面の開く内角の向きをＶ字形状で表し２面コーナーリフレクタ６１を誇張して表現してある。

２面コーナーリフレクタアレイ６は、例えば光線を屈曲しつつ透過し得るように、平板状の基盤６０に、その平らな表面に対して垂直に肉厚を貫通する物理的・光学的な穴を多数形成し、各穴の内壁面を２面コーナーリフレクタ６１として利用するために、穴の内壁面のうち直交する２つにそれぞれ鏡面６１ａ，６１ｂを形成したものを採用することができる。したがって、基盤６０が少なくとも半透過性となるように、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、薄い平板状の基盤６０に平面視ほぼ矩形状（例えば正方形状）の光線が透過する物理的・光学的な穴（例えば一辺が例えば５０μｍ〜２００μｍ）を多数形成し、各穴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６１ａ，６１ｂとすれば、これら２つの鏡面６１ａ，６１ｂが反射面として機能する２面コーナーリフレクタ６１を得ることができる。一方、各鏡面６１ａ，６１ｂの上端を含む基盤６０の上面には、例えばサンドブラスト加工などにより微細な凹凸状に加工され、微細な穴が多数空けられた光拡散反射面としてスクリーン面６２が得られる。なお、穴の内壁面のうち２面コーナーリフレクタ６１を構成しない部分には鏡面処理を施さず光が反射不能な面とするか、又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。また、各２面コーナーリフレクタ６１は、基盤６０上において鏡面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することが好ましい。よって、各２面コーナーリフレクタでは、２つの直交する鏡面の交線ＣＬが素子面６Ｓに直交することが好ましい。以下、この鏡面６１ａ，６１ｂの内角の向きを、２面コーナーリフレクタ６１の向き（方向）と称することがある。

鏡面６１ａ，６１ｂの形成にあたっては、例えば金属製の金型をまず作成し、鏡面６１ａ，６１ｂを形成すべき内壁面をナノスケールの切削加工処理や、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る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するとよい。なお、電鋳工法によりアルミニウムやニッケルなどの金属で基盤６０を形成した場合、鏡面６１ａ，６１ｂ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が、ナノインプリント工法を用いて、基盤６０を樹脂製などとした場合には、鏡面６１ａ，６１ｂを作成するには、スパッタリングなどによって、鏡面コーティングを施す必要がある。また、隣り合う２面コーナーリフレクタ６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。但し、２面コーナーリフレクタアレイ６の構成は上述のものに限定されず、直交する２つの鏡面６１ａ，６１ｂにより２面コーナーリフレクタ６１が多数形成され、且つ各２面コーナーリフレクタ６１が光学的な穴として光を透過し、さらに上面をスクリーン面６２とするものであれば、適宜の構成及び製造方法を採用することができる。

そして、２面コーナーリフレクタアレイ６では、各２面コーナーリフレクタ６１は、裏面側（被観察物側空間）から穴に入った光を一方の鏡面６１ａ（又は６１ｂ）で反射させ、さらにその反射光を他方の鏡面６１ｂ（又は６１ａ）で反射させて表面側（観察者側空間）へと通過させるいわゆる２回反射機能を有し、この光の進入経路と射出経路とが素子面６Ｓを挟んで面対称をなすこととなる。すなわち、２面コーナーリフレクタアレイ６の素子面６Ｓ（各鏡面の高さ方向中央部を通り且つ各鏡面と直交する面を仮定）は、底壁３の内部にある画像の被観察物７２の実像を、底壁３の上方空間における面対称位置に鏡像（実鏡映像）として結像させる対称面となる。

ここで、２面コーナーリフレクタアレイ６による結像様式について、被観察物として点光源ｏから発せられた光の経路とともに簡単に説明する。図５は２面コーナーリフレクタアレイ６の模式的な概略平面図を、図６は２面コーナーリフレクタアレイ６の模式的な概略側面図を示す。但し、図５では、２面コーナーリフレクタアレイ６の全体に比して、２面コーナーリフレクタ６１および鏡面６１ａ，６１ｂを大きく誇張して表している。

図５及び図６に示すように、点光源ｏから発せられる光（一点鎖線矢印で示す。図５において面対称位置ｐに一致する点光源（図示せず）から鏡面６１ａ，６１ｂを２回反射して３次元的には紙面奥側から紙面手前側へ進行する一点鎖線矢印）は、２面コーナーリフレクタアレイ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６Ｓを通過し、２面コーナーリフレクタアレイ６の素子面６Ｓに対して点光源ｏの面対称位置ｐを広がりながら通過する。図５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、これは同図では点光源に対して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、同図のように２面コーナーリフレクタアレイ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（図５では２面コーナーリフレクタ６１の２つの鏡面（６１ａ，６１ｂ）それぞれに最初に当たる光の経路、つまり２本の経路を描いて説明しているが、図６では煩雑さを避けるためにどちらか一方の鏡面に最初に当たる光のみを描いている）。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ｐに透過光が集まり、図５、図６においてｐの位置に実鏡映像として結像することになる。

このように、画像の被観察物７２の実像Ｐを素子面６Ｓに対して面対称位置に鏡映像として結像させる機能を有する２面コーナーリフレクタアレイ６を底壁３に組み込んでいるため、図１に示したように、奥壁２に設けられた表示部２１の手前側（観察者である運転者から見て）の空中に、被観察物である画像の被観察物７２の実鏡映像Ｐを投影することができる。すなわち、本来は何もないはずの空中に本例のような注意表示が現れるため、観察者に対する注意喚起を促しやすくなる。また、計器類の表示部２１の手前側に画像の被観察物７２の実鏡映像Ｐが浮かび上がるので、観察者（運転者）が表示部２１を見る視線を他の箇所に外さなくても注意表示を見ることができるので、安全運転にも役立つといえる。

ここで、観察者が見ることになる実鏡映像Ｐは、上記のように空中の一箇所に固定して現れるようにしてもよいが、ディスプレイ７を動作させたり、表示面７１に表示される画像の被観察物７２を動かすなどして、奥壁２の手前側及び底壁３の上方で動くようにすることも、観察者の注意を引きやすくするためには極めて有用である。

また、２面コーナーリフレクタアレイ６の上面に形成されたスクリーン面６２は、投射光学系８２から投影された画像を拡散反射させる機能も有しているため、図６に示すように、素子面６Ｓを挟んで点光源ｏとは反対側（実鏡映像Ｐと同じ側）にある投射光学系８２から発した光は、スクリーン面６２で拡散反射して実像Ｐと同時に観察可能となる。

このように、本実施形態の表示装置１では、自動車の計器盤に適用したものとして、奥壁２に計器類の表示部２１を設け、奥壁よりも運転手側に突出している底壁３に２面コーナーリフレクタアレイ６を設け、上壁５の部分に投射光学系８２を配置し、投影光学系８２の表示面に表示される画像を適用し、さらに底壁３の内部に被観察物として液晶ディスプレイ７の表示面７１に表示される画像の被観察物７２を適用したものである。このため、表示装置１によれば、運転者の表示部２１を見る視線付近であり且つ表示部２１よりも手前の空間に、画像の被観察物７２の実鏡映像Ｐとして空中映像を浮かび上がるとともに、その同じ視線上に、スクリーン面６２に投影像が見え、これらの連動してカーナビゲーションの画像として機能する投影像と実鏡映像Ｐを同時に観察することができる。したがって、表示部２１の手前の空間に実鏡映像Ｐのみを観察できるようにした従来の表示装置と比べて、より多くの情報を運転者にインパクトをもって提示することが可能である。

なお、被観察物は２次元の画像に限らず、３次元の立体画像としたり、３次元の物体とすることも可能であり、それに応じて観察される実鏡映像Ｐも立体とすることができる。ただし、２面コーナーリフレクタアレイ６を利用する場合、被観察物と実鏡映像Ｐの奥行きは反転したものとなるため、被観察物を奥行きが予め反転した状態のものとすることで、正しい奥行きの実鏡映像を運転者に見せることができるようになる。

また、投影光学系８２は、上述した実施形態のように上壁５の表面に露出するものだけでなく、その変形例として図７Ａに示すように、上壁５の一部に開口５１を形成して投射光学系８２を内部に配置して、開口５１を通じて投影光学系よりスクリーン面６２に投影するように構成しても構わない。このようにすれば、投影光学系８２を運転者の視線から完全に隠すことができる。更なる変形例として図７Ｂに示すように、上壁５の一部にミラーＭを配置するとともに底壁３の一部に開口５２を形成して投射光学系８２を内部に配置して、開口５２及びミラーＭを介して投影光学系よりスクリーン面６２に投影するように構成しても構わない。このようにすれば、投影光学系８２本体を底壁３側に隠すととも上壁５側の投影光学系のミラーＭで薄くコンパクトにでき、車載用表示装置に好適となる。

その他、本実施形態においては、２面コーナーリフレクタアレイ６の上面に微細凹凸加工を施してスクリーン面６２とするもの以外にも、２面コーナーリフレクタアレイ６の上面に薄い光散乱膜を貼り付けるなどの方怯によりスクリーン面を形成した構成としてもよい。ただしこの場合は、２面コーナーリフレクタアレイ６を透過し且つ屈曲する被観察物からの光線が像を結ぶ必要があるため光散乱の小さなスクリーン面とすることが肝要である。

図８は、本発明が適用される表示装置の更なる他の実施形態を示すための概略断面図である。図９は、かかる更なる他の実施形態の表示装置に適用される実鏡映像結像光学系の結像様式を模式的に示す概略斜視図である。表示装置１ａは、実鏡映像結像光学系のみが上述した実施形態の表示装置１と異なる。したがって、表示装置１と同一の構成については同一の名称および符号を用いて説明するものとする。

本実施形態で適用される実鏡映像結像光学系は、スクリーン兼用ハーフミラー９１とレトロリフレクタアレイ９２とを組み合わせたものである。そして、壁部として機能する底壁３に、スクリーン兼用ハーフミラー９１を設ける。対称面となる素子面６Ｓはハーフミラー面となる。スクリーン兼用ハーフミラー９１（上述した実施形態の基盤６０に対応）を挟んで観察者Ｖ（観察者側空間）と反対側の空間（被観察物側空間）に分けられ、被観察物側空間に画像の被観察物７２とレトロリフレクタアレイ９２が配置されている。画像の被観察物７２から発せられた光はスクリーン兼用ハーフミラー９１で反射され、次にレトロリフレクタアレイ９２へと導かれる。レトロリフレクタアレイ９２はスクリーン兼用ハーフミラー９１からの光を再帰反射させる機能を有しているので、再びスクリーン兼用ハーフミラー９１に向かうことになる。そして今度はスクリーン兼用ハーフミラー９１を透過して、観察者Ｖ側の空間にて観察者Ｖの視線上の空間に結像する。

この実施形態においても、上記実施形態の表示装置１と同様に、底壁３の内部に、空中映像の元となる被観察物として画像の被観察物７２を表示するディスプレイ７を配置し、さらにディスプレイ７と対向させてレトロリフレクタアレイ９２を配置し、また上壁５の部分に投射光学系８２を設けている。なお、投射光学系８２及びディスプレイ７は連動させて表示するカーナビゲーションシステムの構成要素とすることができる。

スクリーン兼用ハーフミラー９１は、例えば透明樹脂やガラスなどの透明薄板の一方の面（下面）側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（上面）側には、被観察物からの光線が像を結ぶことができることを限度とする散乱度の、比較的光散乱反射の小さなスクリーン面がサンドブラスト法などによる微細な凹凸面を作製することにより形成されている。

一方、レトロリフレクタアレイ９２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、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、その形状も曲面としてもよいし、平面とすることもできる。例えば、図１０Ａ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９２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９２Ａは、３つの同形同大の直角二等辺三角形をなす鏡面９２Ａａ，９２Ａｂ，９２Ａｃ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９２Ａａ，９２Ａｂ，９２Ａｃは互いに直交してコーナーキューブを構成している（図１０Ｂ）。

また、図１１Ａ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９２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９２Ｂは、３つの同形同大の正方形をなす鏡面９２Ｂａ，９２Ｂｂ，９２Ｂｃ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９２Ｂａ，９２Ｂｂ，９２Ｂｃは互いに直交している（図１１Ｂ）。

図１１Ａ、図１１Ｂのレトロリフレクタアレイ９２は、図１０Ａのレトロリフレクタアレイ９２とは形状が異なるだけで再帰反射の原理は同じである。図１０Ｂおよび図１１Ｂに、図１０Ａおよび図１１Ａにそれぞれ示したレトロリフレクタアレイ９２を例にして説明すると、各レトロリフレクタ９２Ａ，９２Ｂの鏡面のうちの一つ（例えば９２Ａａ，９２Ｂａ）に入射した光は、他の鏡面（９２Ａｂ，９２Ｂｂ）、さらに他の鏡面（９２Ａｃ，９２Ｂｃ）で順次反射することで、レトロリフレクタ９２Ａ，９２Ｂへ光が入射してきた元の方向へ反射する。なおレトロリフレクタアレイ９２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９２Ａ，９２Ｂがレトロリフレクタアレイ９２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９２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度および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など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。また、レトロリフレクタアレイの配置位置も、画像の被観察物７２から発してスクリーン兼用ハーフミラー９１で反射した光を再帰反射することができるのであれば、適宜に設定することができる。

このようなスクリーン兼用ハーフミラー９１とレトロリフレクタアレイ９２を備えた実鏡映像結像光学系９を適用したこの実施形態の表示装置１ａでは、図８及び図９に示すように、ディスプレイ７の表示面７１に表示される画像の被観察物７２は、スクリーン兼用ハーフミラー９１のハーフミラー面９１Ｓで反射し、レトロリフレクタアレイ９２で再帰反射した後、スクリーン兼用ハーフミラー９１を透過して、ハーフミラー面９１に対して面対称位置に結像する。すなわち、ハーフミラー面９１が被観察物である画像の被観察物７２と実鏡映像Ｐの対称面として機能する。したがって、２面コーナーリフレクタアレイ６を適用した表示装置１と同様に、ハーフミラー面９１に対して斜め方向から見る観察者（運転者）の視点からは、奥壁２の手前側に実鏡映像Ｐが浮かんで見えることになる。さらに、ハーフミラー面９１は、投影光学系８２から投影される画像を表示するスクリーン面としても機能するので、投影像として運転者の視点から見えることになる。すなわちこの表示装置１ａにおいても、上述した実施形態の表示装置１の場合と同様に、運転者には、投影画像と画像の被観察物７２の実鏡映像Ｐが同時に連動して観察されることとなる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で表示装置を構成する各部の具体的構成は適宜に変更することができ、表示装置の適用例として、自動車の計器盤以外にも、奥まった部分に表示部が設けられる種々の装置に対してその表示部の手前に空中映像を浮かび上がらせる表示装置など、２つの被観察物の実鏡映像と投影像を共に観察できる表示装置として本発明を適宜構成することが可能である。

本発明は、車輌など乗り物における運転者または操縦者など搭乗者に対する情報表示手段や、乗り物の内装部材に取り付けられる乗り物用の情報表示装置として利用できる。

１，１ａ…表示装置
２…奥壁
３…壁部（底壁）
４…側壁
５…上壁
６…２面コーナーリフレクタアレイ（実鏡映像結像光学系）
６Ｓ…素子面（対称面）
７…ディスプレイ
９…実鏡映像結像光学系
２１…表示部
６０…基盤
６１…２面コーナーリフレクタ
６１ａ，６１ｂ…鏡面
６２…スクリーン面
７１…表示面
７２…被観察物（画像）
８２…投影光学系
９１…スクリーン兼用ハーフミラー
９１Ｓ…ハーフミラー面（対称面，スクリーン面）
９２…レトロリフレクタアレイ
９２Ａ，９２Ｂ…レトロリフレクタ
９２Ａａ，９２Ａｂ，９２Ａｃ，９２Ｂａ，９２Ｂｂ，９２ｂｃ…鏡面
ＣＬ…鏡面の交線
Ｐ…実鏡映像

Claims (3)

1. 観察者の視点から最も遠い部分に奥壁を配置し、この奥壁に連続する観察者側から見て手前の空間の四方を囲み観察者側空間を画定する壁部として機能する底壁、左右の側壁及び上壁を備え、
   前記底壁により前記観察者側空間から隔てられた被観察物側空間に配置される被観察物と、
   前記底壁の一部として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該観察者側空間に前記被観察物の実像を結像させる実鏡映像結像光学系と、
   前記観察者側空間に面した前記基盤に設けられ且つ拡散反射機能を有するスクリーン面と、
   前記観察者側空間にて前記スクリーン面に投影像を投影する投影光学系と、を含み、
   前記実鏡映像結像光学系が前記スクリーン面と兼用するハーフミラーとレトロリフレクタアレイの組合せにより形成されていることを特徴とする表示装置。
2. 前記被観察物は、電子ディスプレイの表示面に表示される立体画像であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記投影光学系により投射される画像と前記被観察物の少なくとも一方は、経時的に動的に変化する画像であることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか１に記載の表示装置。