WO2007116639A1 - 結像素子、ディスプレイ装置 - Google Patents

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WO2007116639A1
WO2007116639A1 PCT/JP2007/055910 JP2007055910W WO2007116639A1 WO 2007116639 A1 WO2007116639 A1 WO 2007116639A1 JP 2007055910 W JP2007055910 W JP 2007055910W WO 2007116639 A1 WO2007116639 A1 WO 2007116639A1
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mirror
imaging element
unit optical
element according
image
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PCT/JP2007/055910
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Inventor
Satoshi Maekawa
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National Institute Of Information And Communications Technology
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/50—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels
    • G02B30/56—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels by projecting aerial or floating images
    • G—PHYSICS
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/12—Reflex reflectors
    • G02B5/136—Reflex reflectors plural reflecting elements forming part of a unitary body
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/388—Volumetric displays, i.e. systems where the image is built up from picture elements distributed through a volume

Definitions

  • the present invention is an optical element using specular reflection by a micromirror, and includes an imaging element that forms a real image in the air on the surface opposite to the projection object, and such an imaging element.
  • the present invention relates to a display device.
  • a convex lens or a concave mirror is used as an optical element used to form a three-dimensional or two-dimensional object or image as a real image at a spatially moved position. It has been.
  • an optical element with a large width is required, and on the other hand, it is necessary to use an optical element with a short focal length due to aberrations and other problems. Since this is difficult, the depth of the optical system becomes long, which causes a problem of enlarging the device using the optical element, and further increasing the size of the display device itself using the optical element. Even if the device is enlarged, it is difficult to completely eliminate the aberration. If the viewpoint is changed, the spatial position of the real image changes, and the image of the three-dimensional object is distorted.
  • Patent Document 1 An aerial video display device using a recent microlens array that solves these problems has been developed (see, for example, Patent Document 1).
  • This uses an erecting equal-magnification imaging system for a two-dimensional image, and is spatially parallel to the two-dimensional image without distortion by an optical device of the same size as the display surface that displays the two-dimensional image. It is possible to move. If this is the case, the optical device can be made smaller and thinner than a normal lens, which contributes to the compactness of the display device. However, it is not possible to obtain a real image of a 3D object.
  • an optical element in which the individual optical systems constituting it are made a focal optical system with an infinite focal length.
  • This optical element can form a mirror image of the projection object as a real image, and the basic principle is the refraction of light by the lens. Therefore, hereinafter, this optical element will be referred to as a refractive real mirror image forming element. Forming a mirror image means that a real image of a three-dimensional object can be formed without distortion.
  • This refracting real mirror image forming element is arranged on the same optical axis with the focal lengths of the first lens element and the second lens element separated from each other to form a focal optical system.
  • the lens surface and the exit lens surface are arranged in the same plane in the same plane, and the combination of the first lens element and the second lens element is two convex lenses, 2
  • One optical fiber lens has been proposed.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-234240
  • Patent Document 2 JP 2005-010755 A
  • the present invention has been made paying attention to such problems, and a main purpose thereof is to use a mirror surface having a reflection action, thereby simplifying the structure and reducing costs.
  • An imaging element using a micromirror which is an optical element that can be made very thin and can be observed at an angle to the element surface, and such an imaging element. It is providing the display apparatus provided with.
  • the imaging element according to the present invention is an optical element that causes a light beam to bend when light is transmitted through an element surface constituting one plane, and is perpendicular to the element surface.
  • Multiple unit optical elements that reflect light by one or more mirror surfaces arranged at close angles It is arranged.
  • each mirror surface in the plurality of unit optical elements By reflecting, it is possible to form an object or an image arranged in one space with the element surface in between as a real image in the opposite space. Therefore, compared to conventional optical elements that require multiple high-precision microlenses, it is made with a mirror surface with a planar structure, so the structure can be simplified, the cost can be reduced, and the thickness can be reduced. Can also respond flexibly.
  • the mirror surface is provided substantially perpendicular to the element surface, the light beam can be bent at a steep angle on the element surface.
  • the formed real image is inclined at an angle with respect to the element surface. It becomes possible to observe. Therefore, an object placed in one space on the element surface or a projection object having a projected image power can be observed as a standing image standing from the element surface on the opposite side.
  • the mirror surface may be provided within a force range that is almost perpendicular to the element surface, or within an angular range of several degrees before and after it can be regarded as being substantially perpendicular. Since the three-dimensional image or the real image of the two-dimensional image formed through this imaging element is formed in the air, it can be touched or pointed with a finger or the like, and the force is also oblique to the element surface.
  • the real image of the 3D image is a reverse view image with the depth reversed. For this reason, it is necessary to take measures such as transmitting the imaging element twice for the real object, and pre-arranging the depth for the synthesized three-dimensional image.
  • the imaging element is not particularly limited as long as the number of mirror surfaces constituting the unit optical element is 1 or more.
  • the number of reflections of light can be changed according to the number of mirror surfaces.
  • the imaging mode differs depending on the number and arrangement of mirror surfaces. If all the unit optical elements have a specular force of S1 and they are parallel, both real and virtual images are formed on both sides of the element.
  • a preferred unit optical element configuration with a simple structure for obtaining a real image is provided with two mirror surfaces, and the light transmitted through the unit optical element is reflected by the two mirror surfaces one time at a time.
  • the unit optical elements In order to form an image on the opposite side of the surface, it is effective to configure the unit optical elements to have two specular forces that are not parallel, especially as a two-surface corner reflector by allowing two mirror surfaces to cross each other.
  • the real image of the mirror image This is a reflective real mirror image forming element that can be performed.
  • the two mirror surfaces are not orthogonal, aberration occurs, and two real images are formed depending on which mirror surface the light is reflected first of the total of two reflections.
  • the unit optical elements for example, even if the above-described dihedral corner reflectors are arranged in a plurality of directions on the element surface, the light is retroreflected in the in-plane direction of the element. The image is formed at the same position regardless of the orientation of the two-surface corner reflector.
  • unit optical elements with two mirror surfaces that are orthogonal to each other! /, And are not parallel, all unit optical elements have an angle between two mirror surfaces, etc.
  • the orientation and the imaging position are irrelevant even if they are arranged in multiple directions as in the case of the two-surface corner reflector.
  • the unit optical element uses an inner wall of an optical hole assumed in a direction penetrating the element surface as a mirror surface. I think that.
  • a unit optical element is a conceptual object and does not necessarily reflect the shape determined by the physical boundary.
  • the optical holes are independent of each other. It can be made to be connected.
  • the imaging element of the present invention is provided with a base that partitions a predetermined space, and one plane passing through the base is defined as an element surface,
  • the optical element can be used as an optical hole assumed in a direction penetrating the element surface, and the inner wall of the hole formed in the substrate can be used as a mirror surface.
  • the hole formed in the substrate only needs to be transparent so that light can pass through, for example, the inside may be filled with a vacuum or a transparent gas or liquid.
  • the shape of the hole may be any shape as long as the inner wall has one or more mirror surfaces not acting on the same plane for acting as a unit optical element, and the light reflected by the mirror surface can pass through the hole. It may be a complex shape in which each hole is connected or partly missing. For example, it can be understood that holes formed in the base are connected to each other when the individual mirror surfaces stand on the base.
  • the unit optical element may use a cylindrical body formed of a solid such as transparent glass resin as an optical hole.
  • these cylindrical bodies are assumed to have a base that can be brought into close contact with each other and work as a support member of the element.
  • the surface may protrude from the surface.
  • the inner wall has one or more mirror surfaces not included in the same plane for acting as a unit optical element, and the light reflected by the mirror surface can pass through the cylindrical body.
  • it may be a cylindrical body, but it may be a complicated shape in which each cylindrical body is connected or partially missing.
  • the optical hole a shape in which adjacent inner wall surfaces are all orthogonal, such as a cube or a rectangular parallelepiped, can be considered.
  • the interval between the unit optical elements can be minimized, and a high-density arrangement becomes possible.
  • all the inner wall surfaces are mirror surfaces, it is possible to configure four pairs of two-sided corner reflectors facing different directions in one hole, and it is possible to configure an imaging element that can be observed from various directions. .
  • the presence of parallel and opposing mirror surfaces increases the possibility of unwanted multiple reflections.
  • the substrate can be arbitrarily used as a support member or a protective member.
  • a mirror surface in the unit optical element regardless of whether it is a solid force liquid, it reflects on a flat surface formed of a glossy substance such as a metal resin or has a different refractive index. A material that reflects or totally reflects at a flat boundary surface between transparent media can be used.
  • the mirror surface is configured by total reflection, it is expected that unwanted multiple reflection by a plurality of mirror surfaces is likely to exceed the critical angle of total reflection, and is naturally suppressed.
  • the mirror surface may be formed by a plurality of unit mirror surfaces arranged in parallel, which may be formed in a very small part of the inner wall of the optical hole, as long as there is no functional problem.
  • the latter aspect means that one mirror surface may be divided into a plurality of unit mirror surfaces.
  • the unit mirror surfaces do not necessarily have to be on the same plane, and they need only be parallel to each other.
  • each unit mirror surface is allowed to be either in contact with or apart from each other.
  • the imaging element of the present invention is configured as a reflective real mirror image imaging element, a two-surface corner reflector with two orthogonal mirror surfaces is required, so one unit optical element is orthogonal to each other. Two mirror surfaces must be formed.
  • the two mirror surfaces that are perpendicular to each other need not necessarily be in contact with each other. When light passes from one side of the element surface to the other side, it only needs to be reflected once by the two mirror surfaces. Either a mode in which mirror surfaces are in contact with each other or a mode in which they are separated is allowed.
  • the imaging element as described above forms an object as a real image in an opposite direction of the element surface, with an object disposed on one side of the element surface or a projected object having a projected image power of a display device. It can be used as Here, the “opposite direction of the element surface” is intended to include a position that is plane-symmetric with respect to the element surface and a position that is not plane-symmetric.
  • an aspect in which the projection object is imaged at a plane-symmetrical position opposite to the element surface is realized when the unit optical element includes a two-surface corner reflector, and the two-surface corner reflector is configured.
  • the image point of the image will also deviate in plane symmetry.
  • a display device includes a main body including the above-described imaging element, and a projection object disposed on the back side of the main body, and light emitted from the projection object. Is transmitted through the imaging element so that a real image of the projection object is formed and projected in a space on the surface side of the main body.
  • the projection object includes an object and an image displayed on an image display device such as a screen or a display.
  • the formation and projection of a real image on a plane-symmetrical position with respect to the element surface of the projection object can be suitably realized when the imaging element includes the above-described dihedral corner reflector.
  • a desk top plate is used as a main body having the above-described imaging element, and an object or video display device is placed as a projection object or an image is projected in a space under the top plate, thereby forming an imaging element.
  • an object or video display device is placed as a projection object or an image is projected in a space under the top plate, thereby forming an imaging element.
  • the image of the projection object can be projected in the air on the top board.
  • building structures such as walls, floors, and ceilings, and partitions, screens, curtains, screens, and other fixtures are used as the main body with imaging elements, and the object that is the projection object is placed in the space behind it.
  • any object can be used as the projection object, it is possible to generate a moving aerial image without using an image display device by moving the entity behind the imaging element. Furthermore, even if the projection object is a three-dimensional object, it is possible to form an image without distortion although the depth in the line-of-sight direction is reversed. For depth inversion, 3D objects or 3D images It is also possible to display an aerial image with a normal depth by reversing the depth in advance.
  • a three-dimensional image or two-dimensional object or image can be displayed on any of a three-dimensional or two-dimensional object while reducing the thickness and thickness of the structure. It is possible to form an image in the air as a real image and observe it at an angle from the oblique direction with respect to the element surface.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a reflective real mirror image forming element according to an embodiment of an image forming element of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing a reflective real mirror image forming element of the embodiment.
  • FIG. 3 Enlarged view of part A in Fig. 1.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing an imaging mode of the reflection-type real mirror image imaging element.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing a display device including a reflective real mirror image forming element according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a state in which an image is formed by applying a three-dimensional object as an object to be projected by the display device.
  • FIG. 8 is a perspective view showing a reflective real mirror image forming element according to a modification of the embodiment in correspondence with FIG.
  • the imaging element X includes a first inner wall surface and a second inner wall surface that are two inner wall surfaces penetrating in the thickness direction and orthogonal to the base 1.
  • a plurality of unit optical elements 2 having mirror surfaces 21 and 22 are provided, and a function as a reflection type real mirror image forming element is provided.
  • this reflective real mirror image forming element will be described with the symbol X as necessary.
  • the reflective real mirror image-forming element X has a surface passing through the central portion of the thickness of the base plate 1 in parallel with the surface of the base plate 1 as an element surface S.
  • the real image of the projection object o placed in the space on one side of the element surface S is the other side of the element surface S (in the illustrated example, the surface side of the substrate 1). It has the effect of forming an image as a mirror image P at a plane symmetrical position with respect to the element surface S in space.
  • a unit optical element 2 having a two-surface corner reflector 20 with two orthogonal mirror surfaces 21 and 22 is employed.
  • the mirror surfaces 21 and 22 are finer than the base 1, so the entire set of unit optical elements 2 is shown in gray, and the direction of the inner angle of the two-sided corner reflector 20 is shown in a V shape.
  • Each unit optical element 2 is a physical and optical hole through which light passes. Since this hole is fine with respect to the base 1, in FIGS. 2 to 4, the hole is enlarged and exaggerated.
  • a hole having a substantially rectangular shape (specifically, a square shape) in plan view is applied as the unit optical element 2, and the first inner wall surface and the second inner wall surface that are orthogonal to each other are mirror-finished, and these are processed.
  • a two-surface corner / one reflector 20 is configured by causing the first inner wall surface and the second inner wall surface to function as mirror surfaces 21 and 22 which are reflection surfaces.
  • the third inner wall surface 23 and the fourth inner wall surface 24 are also mirror-finished, four two-sided corner reflectors are formed, and real images can be observed from multiple directions, but stray light due to multiple reflections also occurs. become.
  • the third inner wall surface 23 and the fourth inner wall surface 24 are made to be non-reflective surfaces, or the third inner wall surface 23 and the fourth inner wall surface 24 are set to an angle other than a right angle with respect to the element surface S. It should be formed so that it is parallel to the mirror surfaces 21 and 22 of the first inner wall surface and the second inner wall surface.
  • each side extending in the vertical and horizontal directions of each unit optical element 2 is 45 degrees with respect to the width direction or depth direction of the substrate 1.
  • the two unit optical elements 2 that are arbitrarily different from each other are made to be parallel to each other in order to be inclined and to simplify the manufacture. That is, the unit optical element 2 is formed on the base 1 so that the inner angles formed by the two mirror surfaces 21 and 22 constituting the two-surface corner reflector 20 in all the unit optical elements 2 are directed in the same direction. However, ideally, it is better to have various (random) angles rather than parallel.
  • each unit optical element 2 is not optically sealed with this plate material.
  • tens of thousands to hundreds of thousands of such unit optical elements 2 are provided on a 5 cm square substrate 1.
  • the unit optical element 2 formed on the base 1 in this way reflects light entering the hole constituting the unit optical element 2 from one surface (21 or 22) from the front side (or back side) of the base 1. Furthermore, the reflected light is reflected by the other mirror surface (22 or 21) and passed to the back side (or front side) of the substrate 1.
  • FIG. 5 shows a projection of this light path on the element surface S.
  • the double reflection of light by the dihedral corner reflector 20 is retroreflected in the element surface S, and the incident path and the outgoing path are parallel in opposite directions.
  • the light component perpendicular to the element surface S is not converted at all, so that the light generated by the point light source O force passes through a plane symmetric with respect to the element surface S. I understand.
  • the distance between the parallel incident path and output path in the element surface S is about the opening of the two-sided corner reflector 20, and depending on which mirror surface the first reflection is performed on, it is either left or right Therefore, when the light emitted from the point light source O passes through a plane symmetric with respect to the element surface S, it is about twice the opening of the two-surface corner reflector 20, that is, the mirror surface (21 Or 22) twice the size of 22) (twice the square root of 2), that is, about 3 times.
  • the retroreflection by the dihedral corner reflector 20 occurs regardless of the angle of the incident light, and light from all directions is emitted from the point light source, so that the light passes through the different unit optical elements 2 and is all the same.
  • Reflective real mirror image forming element X is formed by forming a large number of unit optical elements 2 having a dihedral corner reflector 20 on the base 1 as described above. Function as. That is, the element surface S of such a reflective real mirror imaging element X (as described above, assuming a plane that passes through the center of the thickness of the base 1 and is orthogonal to each mirror element, Is a surface on which a real image of the object O on one side of the base 1 is formed as a mirror image P at a plane-symmetrical position on the other side.
  • the twice reflected light that has passed through the unit optical element 2 is focused to a plane-symmetrical position regardless of the distance from the element surface S, so that even a three-dimensional object is imaged as a mirror image P without distortion. It is possible. However, This image is equivalent to a mirror image entering the mirror and viewed from the back side, and the depth is reversed.
  • each unit optical element 2 has one side of, for example, 50 to: LOOO ⁇ m, preferably 100 m in this embodiment.
  • the substrate 1 is a thin flat plate having a thickness dimension of 50 to 1000 / ⁇ , for example, 100 m in this embodiment.
  • one side of the unit optical element is a force that defines the width of the mirror surfaces 21 and 22, and the thickness of the substrate is the height that defines the height of the mirror surfaces 21 and 22.
  • each mirror surface has dimensions approximately equal in width and height. ing.
  • the size of the unit optical element 2 defines the resolution. As shown in FIG. 5, the point light source is about twice as large as the unit optical element 2 in terms of geometrical optics. It spreads and collects light. If it is made smaller, it will be strongly affected by the force diffraction that can be focused on a small spot in geometric optics, and if it is too small, the resolution will be worse. Therefore, it is necessary to set the optimal size according to the distance to collect light. In this embodiment, the distance is optimized to about 1 to 2 cm.
  • the ratio of the size of the unit optical element 2 defines the optimum observation angle. As the thickness increases, the optimum observation angle becomes more suitable for observation from the direction perpendicular to the element surface S, and vice versa as the thickness decreases. In the case of this embodiment, the ratio is 1: 1, and observation of an upward force of 30 to 40 degrees from the horizontal direction is optimal.
  • the width and depth of the substrate 1 can be arbitrarily set because the structure of the imaging element X is uniform and there is no optical axis like a convex lens or a concave mirror. This size may be determined according to the size of the object to be projected, similar to a plane mirror.
  • a cylindrical body aligned with a metal mold by nano machining is first created, and a smooth mirror surface with a surface roughness of 50 nm or less on the side surfaces corresponding to the first inner wall surface and the second inner wall surface.
  • the unit optical element is formed as a plurality of holes with a predetermined pitch on one substrate 1 by reverse transfer using the previously created mold by the nanoimprint method or the electroplating method.
  • the base 1 is formed of a metal such as aluminum or nickel by the electroplating method, the first inner wall surface and the second inner wall surface are naturally mirror-finished if the surface roughness of the mold is sufficiently small. 21 and 22. Nanoin If the substrate 1 is made of resin or the like using the printing method, the first inner wall surface and the second inner wall surface must be mirror-coated by sputtering or the like.
  • the light that passes through the reflective real mirror image forming element X includes direct light that is not reflected by the two-surface corner reflector 20 composed of the mirror surfaces 21 and 22 of the first inner wall surface and the second inner wall surface, 2 One-time reflected light that reflects only one of the two mirror surfaces 21 and 22 of the surface corner reflector 20, and once for each of the two mirror surfaces 21 and 22 of the two-surface corner reflector 20 Reflected twice in total, reflected twice, two mirror surfaces 21, 22 of the two-sided corner reflector 20, multiple reflected light that causes reflection three times or more in total on the third inner wall surface 23 or the fourth inner wall surface 24, etc.
  • only the two-time reflected light is related to the formation of a real image of the mirror image.
  • the maximum is the direction facing the mirror surface 21 or 22, and the direction where the maximum intensity is obtained by imaging with the two-surface corner reflector 20 is 45 degrees. There is a shift. For this reason, this is not a problem for a narrow range of viewpoints.
  • the multiple reflected light of 3 times or more becomes a problem that reflection on the opposite side occurs, it is formed on the first inner wall surface and the second inner wall surface when the oblique arrangement described above is performed.
  • the inner wall surfaces (the third inner wall surface 23 and the fourth inner wall surface 24) respectively facing the mirror surfaces 21 and 22 can be avoided or reduced by not using a mirror surface or by making them parallel.
  • the display device D includes a single or plural reflective real mirror image forming elements X embedded in a horizontal position in a top plate as a main body, Foundation 1 A position where the projection object O, which is a two-dimensional or three-dimensional object displayed or arranged in the space on the lower surface side, is plane-symmetric with respect to the surface direction of the base 1 (more specifically, with respect to the element surface S) The image is to be imaged.
  • a display body H such as a liquid crystal display, which is an example of an image display device, is placed in a substantially vertical posture with respect to the surface direction of the top panel T as a projection object O in the space below the top panel T.
  • An example of the display of characters (Roman letter “A”) on display H is shown as an example!
  • the twice-reflected light transmitted through the unit optical element 2 is focused to a plane-symmetrical position, so that the depth direction (direction perpendicular to the element surface S of the reflective real mirror image forming element X) is It is possible to focus on a wide range, and the light emitted from the projection object O, which is a two-dimensional image displayed on the display body H under the top plate T, does not physically exist.
  • a mirror image P is imaged on a virtual display (phantom display) that stands upright above T, and the mirror image P can be observed from a viewpoint V with an angular force oblique to the element surface S. As shown in FIG.
  • the three-dimensional image floats on the upper surface side of the base plate 1.
  • the 3D image P is observed as if the irregularities in the line of sight were reversed and the inner surface of the cylinder was visible.
  • the unevenness of the three-dimensional image arranged in the space on the lower surface side of the substrate 1 may be reversed with respect to the element surface S in advance.
  • the imaging element according to the present embodiment that is, the reflective real mirror image imaging element X has two inner wall surfaces (first inner wall surface, penetrating through the substrate 1 in the thickness direction and orthogonal thereto. Since a plurality of unit optical elements 2 having two-surface corner reflectors 20 with the second inner wall surfaces as mirror surfaces 21 and 22 are provided, the two inner wall surfaces orthogonal to each other when passing through each unit optical element 2 are mirror surfaces 21 and 22.
  • the light reflected twice in 22 times, in total, passes through a surface-symmetrical point with respect to the element surface S (that is, the surface direction of the substrate XI), so that the light on one side of the substrate 1 (element surface S) Projection object O (2D or 3D object or image) placed in space can be imaged as a real image of 2D image or 3D image without distortion in the other side space. It is possible to move a 3D image to a space where no physical object exists. It is also possible to touch or point on a virtual three-dimensional image or two-dimensional image imaged through the reflective real mirror image forming element X with a finger, etc. Realize the aspect be able to.
  • the image forming element can be used as a reflective real mirror image forming element X.
  • the real image of the object o can be observed as a mirror image P from an angle oblique to the element surface S.
  • the structure can be simplified and the cost can be reduced, and the thickness can be reduced, so that various usage modes can be flexibly dealt with.
  • the unit optical element 2 applied in the present embodiment is a hole that penetrates in the thickness direction of the substrate XI, the hole is filled with a transparent gas or liquid to change the refractive index. You can also.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment.
  • a two-sided corner reflector that constitutes a reflective real-mirror image imaging device it is only necessary to have two orthogonal reflecting surfaces.
  • This reflecting surface has a flatness with a mirror accuracy of the material that reflects light. Phenomena such as reflection by an end face or a film and total reflection at a boundary having a mirror surface flatness between transparent media having different refractive indexes can be used.
  • a square hole is formed in the thin plate-like base 1, and two adjacent inner peripheral walls of the hole are mirror surfaces.
  • the unit is formed by a transparent cylindrical body protruding in the thickness direction of the base 1 ′. It may be a reflection type real mirror image forming element X that constitutes the optical element 2 ′ and has a large number of such cylindrical bodies formed in a grid pattern.
  • the two-sided corner reflector 20 ′ can be configured with the first inner wall surface and the second inner wall surface orthogonal to each other as mirror surfaces 21 ′ and 22 ′.
  • the light reflected twice by the two-surface corner reflector 20 ′ passes a point that is plane-symmetric with respect to the surface direction of the substrate 1 ′, that is, the element surface S ′. Not only 2D images but also 3D images can be formed in space.
  • the third inner wall surface 23 ′ and the fourth inner wall surface 24 ′ other than the mirror surfaces 21 ′ and 22 ′ of the cylindrical body are not mirror surfaces or have an angle other than perpendicular to the element surface S.
  • the two mirror surfaces 21 ′ and 22 ′ constituting the two-surface corner reflector 20 ′ can use total reflection, and can also use reflection by a reflecting film. Especially when using the total reflection of mirror surfaces 21 'and 22' Since there is a critical angle, multiple reflections can be expected to occur.
  • the two mirror surfaces constituting the two-surface corner reflector may be arranged with a gap between each other without being in contact with each other if two orthogonal reflecting surfaces can be formed.
  • the angle between the two surfaces that function as the mirror surface that constitutes the two-surface corner reflector in the hole or cylindrical body and the other surfaces There are no particular restrictions on the angle between the two surfaces that function as the mirror surface that constitutes the two-surface corner reflector in the hole or cylindrical body and the other surfaces.
  • a plane shape having a polygonal shape other than a rectangular shape, a triangular shape, or a surface that connects the ends of the two mirror surfaces at the intersection point side is substantially a circular arc in plan view. It doesn't matter.
  • the planar shape of the unit optical element is a right triangle, this means that a right angle prism is used as the unit optical element.
  • the shape and size of the imaging element (including the reflective real mirror image imaging element), the thickness dimension of the base, the planar shape, the material, and the like are appropriately changed in accordance with various usage modes. Therefore.
  • the imaging element of the present invention (including the reflection type real mirror image imaging element) has a projection line arranged on one side of the element surface as a real image in space without a physical entity on the other side. Since this optical element has a new imaging function of reversing the depth direction of the image, it can be used as an image display device such as a display or an observation device such as an exhibit.

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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

明 細 書
結像素子、ディスプレイ装置
技術分野
[0001] 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。
背景技術
[0002] 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。し力しながら、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 、、 3次元物体に対する像は歪んでしまう。
[0003] このような問題点を解決すベぐ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ィ匕にも資する。ただし、これでは 3 次元物体の実像を得ることはできな 、。
[0004] 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ァ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ァフォーカル光学 系とし、当該ァ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ァレ 一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。
特許文献 1：特開 2005— 234240号公報
特許文献 2 :特開 2005— 010755号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] 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、構造の複雑ィ匕及び 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 方向からし力観察できず、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。
[0006] 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、構造の単純ィ匕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。
課題を解決するための手段
[0007] 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。
[0008] 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〖こよって、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 の単純ィ匕及びコストの削減、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力もなる被投影物を、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、素子面に対してちようど垂直に設 ける力、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、し力も素子面に対して斜め 力も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力じめ奥行きを反転しておく等の対策が必要となる。
[0009] 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。鏡面力 S1枚で全ての単位光 学素子にお 、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つの鏡面力 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 つて 2つの実像が結像することになる。
[0010] 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!/、な 、が平行ではな 、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!、て 2つの鏡面同士のなす角が等 、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。
[0011] 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ぐ例え 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。
[0012] 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 ベたものである。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 ぐ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 ヽるものと理解できる。
[0013] あるいは単位光学素子は、光学的な穴として、透明なガラスゃ榭脂のような固体に 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 材として働カゝせてもよぐ基盤を具備するものとして当該基盤の表面カゝら突出した態 様をとつてもよい。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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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ぐ例えば格子状に配 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。
[0018] 単位光学素子における鏡面としては、固体である力液体であるかに関わらず金属 ゃ榭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 力 、自然に抑制されることが期待できる。
[0019] 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 ていてもよぐ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〖こ、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ぐ光 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。 [0020] 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 映写された映像力 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力もずれる ことになる。
[0021] 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。
[0022] 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、壁や間仕切り等力 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。
発明の効果
[0023] 以上説明したように本発明によれば、構造の単純ィ匕及びコストの削減、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。
図面の簡単な説明
[0024] [図 1]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。
[図 2]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 3]図 1の A部分拡大図。
圆 4]同 A部の拡大斜視図。
[図 5]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。
[図 6]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。
[図 7]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。
[図 8]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。
発明を実施するための最良の形態
[0025] 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 ヽる。
[0026] 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 一リフレクタ 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力 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 、ようにしてもょ 、。
[0027] 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 、ようにして 、ることは 、うまでもな 、。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 、ことから、点光源 O力 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つて、左右どちらかに分 かれることから、点光源 Oカゝら発せられた光は、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、斯カゝ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。
[0029] 本実施形態では、各単位光学素子 2は、一辺が例えば 50〜： LOOO μ m、好ましくは 本実施形態では 100 mである。また基盤 1は、図 4に示したように、厚み寸法が 50 〜1000 /ζ πι、例えば本実施形態では 100 m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 規定する力 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。
[0030] 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力 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ィ匕する。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 、る。
[0031] 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 力 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。
[0032] 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铸工法により反転転写し、 1つの基盤 1に所定ピ ツ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、電铸工法により、アル ミゃ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、それによつて自然に鏡面 21, 22となる。また、ナノイン プリント工法を用いて、基盤 1を榭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。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 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。
[0037] 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 ヽことで回避な 、し軽減が可能である。
[0038] 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、本体部である天板丁に 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!/、る。
[0039] 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 ヽ天板 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 向の角度力もの視点 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。
[0040] 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 XI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。し力も、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、構造の単純ィ匕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 XI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 折率を変ィ匕させることもできる。
[0041] 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 すればよぐ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力 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。
[0042] 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《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。
[0043] 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ぐさら 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。
[0044] 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 、。
[0045] 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ぐ本 発明の趣旨を逸脱しな 、範囲で種々変形が可能である。
産業上の利用可能性
[0046] 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 、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、デイス 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

請求の範囲
[I] 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 ヽ 2つの鏡面から構成されて ヽる請求項 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 、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つの鏡面力 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。
[II] 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!/、ように設けて 、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 ヽ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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