JP2015040943A

JP2015040943A - 光学装置

Info

Publication number: JP2015040943A
Application number: JP2013171287A
Authority: JP
Inventors: 裕屋比久; Yutaka Yabiku; 英範栗林; Hidenori Kuribayashi
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2013-08-21
Filing date: 2013-08-21
Publication date: 2015-03-02

Abstract

【課題】観察者は、視覚的刺激の強いハーフミラーを注目してしまい、視覚的刺激の弱い空中像がハーフミラーに引き寄せられ、空中像として見えない、という課題があった。【解決手段】光学装置であって、対象物体より放射される光束を反射および透過させる部分反射部材と、部分反射部材で反射された光束を部分反射部材へ反射させる再帰性反射部材と、再帰性反射部材で部分反射部材へ反射され、部分反射部材を透過する前記光束を、部分反射部材の側へ傾ける光学素子とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、光学装置に関する。

表示装置からの光束を、発散または収束させた状態で反射型面対称結像素子に入射させることで、実像または虚像の空中像を結像させる技術が知られている。（例えば、特許文献１参照）。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］特開２０１１−８１２９６号公報

上記の方法において、結像された空中像を観察する場合、観察者の視線の同一直線上に視覚的刺激の弱い空中像の後方に視覚的刺激の強いハーフミラーが存在する。このため、観察者は、視覚的刺激の強いハーフミラーを注目してしまい、視覚的刺激の弱い空中像がハーフミラーに引き寄せられ、空中像として見えない、という課題があった。

本発明の態様における光学装置は、対象物体より放射される光束を反射および透過させる部分反射部材と、部分反射部材で反射された光束を部分反射部材へ反射させる再帰性反射部材と、再帰性反射部材で部分反射部材へ反射され、部分反射部材を透過する光束を、部分反射部材の側へ傾ける光学素子とを備える。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

（Ａ）本実施形態に係る光学装置の斜視図である。（Ｂ）ディスプレイに表示される画像の一例を示す。（Ａ）従来の光学装置の概略を示す側面図である。（Ｂ）本実施形態に係る光学装置の概略を示す側面図である。本実施形態に係る光学装置の概略を示す側面図である。本実施形態に係る他の光学装置の概略を示す側面図である。本実施形態に係る他の光学装置の概略を示す側面図である。本実施形態に係る他の光学装置の概略を示す側面図である。本実施形態に係る他の光学装置の概略を示す側面図である。本実施形態に係る他の光学装置の概略を示す側面図である。（Ａ）本実施形態に係る他の光学装置の斜視図である。（Ｂ）ディスプレイに表示される画像の一例を示す。（Ａ）従来の光学装置の概略を示す側面図である。（Ｂ）本実施形態に係る他の光学装置の概略を示す側面図である。本実施形態に係る他の光学装置の概略を示す側面図である。本実施形態に係る他の光学装置の第２再帰性反射部材反射材の展開状態を示す部分断面図である。本実施形態に係る他の光学装置の第２再帰性反射部材反射材の収容状態を示す部分段面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１（Ａ）は、本実施形態に係る光学装置１０の斜視図である。また、図１（Ｂ）は、ディスプレイ２２に表示される画像の一例を示す。図１（Ａ）において、図中左上に示す矢印方向を光学装置１０の前後上下左右方向とする。

本実施形態に係る光学装置１０は、表示部２０に表示された画像等を観察者に空中像として表示する。光学装置１０は、支持台１２と、表示部２０と、第１再帰性反射部材３０と、可動アーム３２と、可動部３４と、位置調整ユニット３６と、ハーフミラー４０と、接続アーム４２と、支柱４４と、支持部４６と、光学素子５０と、制御部６０とを有する。

表示部２０は、支持台１２の左側中央部に設けられる。表示部２０は、ディスプレイ２２と、可動アーム２４と、位置調整ユニット２６と、可動部２８とを有する。ディスプレイ２２は、可動アーム２４と、ユニバーサルジョイントにより結合される。可動アーム２４は、位置調整ユニット２６を介して支持台１２に接続する。可動アーム２４は、中央部に上下方向の位置を調整できる可動部２８を有する。位置調整ユニット２６は、支持台１２の左側方中央部に固定されて設置される。可動アーム２４は、可動部２８により上下方向に移動できるとともに、位置調整ユニット２６の位置制御機能により、前後左右方向に移動できる。ディスプレイ２２と可動アーム２４とは、ユニバーサルジョイントにより、結合されており、上下左右方向に傾斜できる。したがって、ディスプレイ２２は、前後上下左右方向に移動でき、且つ、ディスプレイ２２は、上下左右方向に傾斜できる。なお、ディスプレイ２２は、像を形成させる対象物体の一例であり、可動アーム２４、位置調整ユニット２６、可動部２８は、調整機構の一例である。

第１再帰性反射部材３０は、支持台１２の中央部に設けられる。第１再帰性反射部材３０は、表示部２０と同様に可動アーム３２と、可動部３４と、位置調整ユニット３６とを有する。第１再帰性反射部材３０は、可動アーム３２とユニバーサルジョイントにより結合される。可動アーム３２は、位置調整ユニット３６を介して支持台１２に接続する。可動アーム３２は、支持台１２の右側中央部に固定されて設置される。可動アーム３２は、中央部に上下方向の位置を調整できる可動部３４を有する。位置調整ユニット３６は、支持台１２の右側方中央部に固定されて設置される。可動アーム３２は、可動部３４により上下方向に移動できるとともに、位置調整ユニット３６の位置制御機能により、前後左右方向に移動できる。第１再帰性反射部材３０と可動アーム３２とは、ユニバーサルジョイントにより、結合されており、上下左右方向に傾斜できる。したがって、第１再帰性反射部材３０は、前後上下左右方向に移動でき、且つ、ディスプレイ２２は、上下左右方向に傾斜できる。

第１再帰性反射部材３０は、第１再帰性反射部材３０に入射した光束を入射した方向に反射する機能を有する。第１再帰性反射部材３０には、入射した光束を反射する反射媒体として、三角錐のマイクロプリズムを設けた再帰性反射部材と、ガラスビーズを設けた再帰性反射部材とがある。本実施形態においては、対候性の優れるマイクロプリズムを設けた再帰性反射部材を使用したが、ガラスビーズを設けた再帰性反射部材を用いてもよい。

ハーフミラー４０は、表示部２０および第１再帰性反射部材３０の上方に設けられ、支持台１２の右側中央部に設けられた支柱４４に支持される。ハーフミラー４０と支柱４４とは、接続アーム４２と支持部４６を介して接続される。ハーフミラー４０は、接続アーム４２と左右方向に移動自在に結合される。ハーフミラー４０は、支持部４６と支柱４４との高さ位置を変更することで、上下方向に移動できる。ハーフミラー４０は、支柱４４を中心に支持部４６を回転させることで、支柱４４を中心に回転できる。

ハーフミラー４０は、ハーフミラー４０に入射した光束の半分を反射し、半分を透過させる機能を有する。なお本実施例においては、ハーフミラー４０を用いて説明をするが、透過率と反射率とは必ずしも同じでなくてもよい。例えば、透過率７０パーセント、反射率３０パーセントとなるような反射部材（部分反射部材）であってもよく、透過率、反射率は適宜変更してもよい。なお、この場合の反射部材は、反射率、透過率が波長に依存しないような部材であるほうがより好ましい。

ハーフミラー４０の上面には、光学素子５０が設けられている。光学素子５０は、入射した光束をハーフミラー４０側に傾ける機能を有する。光学素子５０としては、例えば、マイクロレンズ、平凸レンズ、平凹レンズなど、光を屈折させるための光学素子を用いることができる。

制御部６０は、ディスプレイ２２に表示させる画像の信号を外部から受信し、ディスプレイ２２に出力する。制御部６０は、ディスプレイ２２の光量を制御する光量制御部を有する。また、制御部６０は、ディスプレイ２２または第１再帰性反射部材３０の傾斜角度または位置を制御する位置制御部を有してもよく、ハーフミラー４０の位置および回転角度を制御する位置制御部を有してもよい。

ディスプレイ２２から放射された発散光束の半数は、ハーフミラー４０によって発散状態を維持しながら第１再帰性反射部材３０方向へ反射される。ハーフミラー４０に反射された光束は、第１再帰性反射部材３０に入射する。第１再帰性反射部材３０は、入射した光束を反射する。反射された光束は入射光束と略同じ光路をたどるように反射（再帰性反射）される。したがって、第１再帰性反射部材３０に反射された光束は、収束状態に変化する。反射された光束の半数は、ハーフミラー４０を、収束状態を維持しながら透過する。透過した光束は、光学素子５０によって、ハーフミラー４０側に傾けられる。ハーフミラー４０側に傾けられた光束は、収束状態を維持しているので、ハーフミラー４０の上側であって、ハーフミラー４０側で結像し、空中像を形成する。図１に示した例において、ディスプレイ２２は、バスの画像を表示するので、ハーフミラー４０の上側であって、ハーフミラー４０側には、バスの空中像が表示される。なお、図１に示した例において、ディスプレイ２２は、バスの画像を上下反転させて表示する。これにより、観察者は、結像する空中像を正位置で観察できる。

ディスプレイ２２を前後左右方向に移動すると、空中像の位置は、前後左右方向に移動する。また、ディスプレイ２２の傾斜角度を変えても、空中像の位置は移動する。ディスプレイ２２の位置および傾斜角度を変えることで、観察者の視線の位置に合わせて、空中像の位置を調整できる。なお、ディスプレイ２２の傾斜角度は、ハーフミラー４０の面に対し例えば４５°となるように設定する。ディスプレイ２２の傾斜角度は、ハーフミラー４０の特性に応じて適宜変更して設定してもよい。

図２の（Ａ）は、従来の光学装置７０の概略を示す側面図である。図２の（Ｂ）は、本実施形態に係る光学装置１０の概略を示す側面図である。

図２（Ａ）に示した従来の光学装置７０において、ディスプレイ２２から放射された放射状態の光束は、ハーフミラー４０により反射され、第１再帰性反射部材３０に入射する。第１再帰性反射部材３０に入射された放射状態の光束は、第１再帰性反射部材３０によって入射方向と同じ方向に反射される。したがって、反射された光束は、収束状態となる。収束状態となった光束は、ハーフミラー４０を透過し、ハーフミラー４０に対し、第１再帰性反射部材３０が設けられていない側で結像して空中像７２が形成される。

観察者は、当該空中像をハーフミラー４０が設けられていない側から、結像した光束が瞳に入るように見る。すると、観察者の視線の同一直線上であって、前方には視覚的刺激の低い空中像７２が、後方には視覚的刺激の強いハーフミラー４０が存在する。この場合におけるハーフミラー４０の、空中像を形成する光束の中心軸方向に対して垂直となる方向に投影した長さはＸとなる。ここで、視覚的刺激とは、像または物体が観察者に与える視覚的な印象であり、コントラストが高いもの、または、反射の光量が多いものの視覚的刺激は強く、コントラストが低いもの、または、反射の光量が少ないものの視覚的刺激は弱い。

図２（Ｂ）に示した光学装置１０において、ディスプレイ２２から放射された放射状態の光束は、ハーフミラー４０により反射され、第１再帰性反射部材３０に入射する。第１再帰性反射部材３０に入射された放射状態の光束は、第１再帰性反射部材３０によって入射方向と同じ方向に反射されるので、反射された光束は、収束状態となる。収束状態となった光束は、ハーフミラー４０を透過する。

図２（Ｂ）に示した光学装置１０には、ハーフミラー４０の、ディスプレイ２２が配置される面の側とは反対の面の側に、光学素子５０が設けられている。光学素子５０は、ハーフミラー４０を透過して出射する光束を屈折させて、ハーフミラー４０側に傾ける。すなわち、光学素子５０は、ハーフミラー４０を透過した光束を屈折させて、当該光束の出射角度を、第１再帰性反射部材３０に反射され、ハーフミラー４０へ入射する光束の入射角度よりも大きくする。これにより、ハーフミラー４０側に傾けられた光束は、ハーフミラー４０に対し、第１再帰性反射部材３０が設けられていない側であって、従来の光学装置７０よりもハーフミラー４０に近い側で結像して空中像１４が形成される。

観察者は、当該空中像をハーフミラー４０が設けられていない側から、結像した光束が瞳に入るように見る。この場合におけるハーフミラー４０の、空中像を形成する光束の中心軸方向に対して垂直となる方向に投影した長さはＹとなる。

ここで、ハーフミラー４０の幅をＬ、第１再帰性反射部材３０に反射された光束のハーフミラー４０への入射角度をθとする。従来の光学装置７０において、ハーフミラー４０を透過して放射される光束の出射角度はθとなり、図２（Ａ）における長さＸは、Ｌｃｏｓθ（０＜θ＜π／２）で表される。一方、光学装置１０において、ハーフミラー４０を透過して放射される光束は、光学素子５０により屈折されるので、屈折される光束の屈折角度をＫとすると、図２（Ｂ）における長さＹは、Ｌｃｏｓ（θ＋Ｋ）（０＜θ＋Ｋ＜π／２）で表される。ｃｏｓθは、０＜θ＜π／２において、θが大きくなると、ｃｏｓθの値は小さくなる。ここで、θ＜θ＋Ｋであるので、Ｌｃｏｓθ＞Ｌｃｏｓ（θ＋Ｋ）となる。したがって、光学素子５０を用いて、光束をハーフミラー４０側に屈折させることで、ハーフミラー４０の空中像を形成する光束の中心軸方向に対して垂直となる方向に投影した長さを短くすることができる。なお、入射角度とは、光束が入射するとき、光束の入射方向とハーフミラー４０の法線とがなす角度をいい、出射角度とは、光束が出射するとき、光束の出射方向とハーフミラー４０の法線とがなす角度をいう。これにより、観察者の視界におけるハーフミラーの占める面積を小さくでき、観察者は、視覚的刺激の弱い空中像を注目しやすくなり、結像された像を空中像として見ることができる。

図３は、本実施形態に係る光学装置８０の概略図を示す側面図である。図３に示した光学装置８０は、光学素子５０の一例としてマイクロプリズム８２を用いた例を示す。図３に示した光学装置８０は、ハーフミラー４０の、ディスプレイ２２が配置される面の側とは反対の面の側に、マイクロプリズム８２が設けられている。

ディスプレイ２２から放射された放射状態の光束は、ハーフミラー４０により反射され、第１再帰性反射部材３０に入射する。第１再帰性反射部材３０に入射された放射状態の光束は、第１再帰性反射部材３０によって入射方向と同じ方向に反射されるので、反射された光束は、収束状態となる。収束状態となった光束は、ハーフミラー４０を透過する。透過した光束は、マイクロプリズム８２により屈折され、ハーフミラー４０側に傾けられる。ハーフミラー４０側に傾けられた光束は、ハーフミラー４０に対し、第１再帰性反射部材３０が設けられていない側であって、ハーフミラー４０に近い側で結像して空中像８６が形成される。

このように、マイクロプリズム８２を用いて、ハーフミラー４０を透過した収束状態の光束を、ハーフミラー側に屈折させる。これにより、ハーフミラー４０の空中像を形成する光束の中心軸方向に対して垂直となる方向に投影した長さ８４を短くすることができる。これにより、観察者の視界におけるハーフミラーの占める面積を小さくでき、観察者は、視覚的刺激の弱い空中像を注目しやすくなり、結像された像を空中像としてみることができる。

図４は、本実施形態に係る他の光学装置９０の概略を示す側面図である。図４に示した光学装置９０は、光学素子の一例として凸レンズ９２の一部を用いた例を示す。図４に示した光学装置９０は、ハーフミラー４０の、ディスプレイ２２が配置される面の側とは反対の面の側に、凸レンズ９２の一部が設けられている。なお、ディスプレイ２２から光束が放射され、ハーフミラーを透過するまでは、図３に示した光学装置８０と同様であるので、説明を省略する。

図４に示した例において、凸レンズ９２は、右側に凸部を有する平凸レンズであって、ハーフミラー４０の光束を透過させる領域の上部に凸レンズの端部が、下部に凸レンズの中央部がくるように配される。ハーフミラー４０を透過した光束は、凸レンズ９２を透過すると、凸レンズ９２の凸面で集光される。すなわち、ハーフミラー４０の上部および中央部を透過した光束は、凸レンズ９２によりハーフミラー４０側に屈折される。一方、ハーフミラー４０の下部を透過した光束は、凸レンズの中央部を透過するので屈折されることなく凸レンズを透過する。したがって、ハーフミラー４０を透過した光束は、光学装置８０と同様に、ハーフミラー４０側に傾斜され、さらに光学装置９０においては、ハーフミラー４０を透過してから空中像９６が結像するまでの光路長を短くできる。

このように、凸レンズ９２の一部を用いて、ハーフミラー４０を透過した収束状態の光束を、ハーフミラー４０側に屈折させる。これにより、ハーフミラー４０の空中像を形成する光束の中心軸方向に対して垂直となる方向に投影した長さ９４を短くすることができる。これにより、観察者の視界におけるハーフミラーの占める面積を小さくでき、観察者は、視覚的刺激の弱い空中像を注目しやすくなり、結像された像を空中像としてみることができる。また、凸レンズ９２の一部を用いることで、ハーフミラーを透過してから結像するまでの光路長を、観察者の位置に合わせて、短くする側に調節できる。

なお、図４に示した例においては、光学素子として凸レンズ９２の一部を用いたが、凸レンズ９２に代えて、フレネルレンズ、自由曲面、ＤＯＥ（ＤｉｆｆｒａｃｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔ）等の正の屈折力を持つ光学素子を用いてもよい。さらに、正の屈折力をもつ光学素子を用いた場合、空中像に歪みが生じる場合がある。この場合、ディスプレイ２２に表示する画像を補正することによって、当該歪みを減少させてもよい。すなわち、ディスプレイ２２に表示する画像を予め逆に歪ませることにより、光学素子による歪みと相殺させて、均整のとれた結像を実現する。

図５は、本実施形態に係る他の光学装置１００の概略を示す側面図である。図４に示した光学装置１００は、光学素子の一例として凹レンズ１０２の一部を用いた例を示す。図４に示した光学装置１００は、ハーフミラー４０の、ディスプレイ２２が配置される面の側とは反対の面の側に、凹レンズ１０２の一部が設けられている。なお、ディスプレイ２２から光束が放射され、ハーフミラーを透過するまでは、図３に示した光学装置８０と同様であるので、説明を省略する。

図５に示した例において、凹レンズ１０２は、右側に凹面を有する平凹レンズであって、ハーフミラー４０の光束を透過させる領域の上部に凹レンズの中央部が、下部に凹レンズの端部がくるように配される。ハーフミラー４０を透過した光束は、凹レンズ１０２を透過すると、凹レンズ１０２の凹面で発散される。ハーフミラー４０の上部を透過した光束は、凹レンズ１０２の中央部を透過するので、凹レンズ１０２により屈折されることなく、凹レンズ１０２を透過する。一方、ハーフミラー４０の中央部および下部を透過した光束は、凹レンズ１０２により、ハーフミラー４０側に屈折される。したがって、ハーフミラー４０を透過した光束は、光学装置８０と同様に、ハーフミラー４０側に傾斜され、さらに光学装置１００においては、ハーフミラー４０を透過してから空中像１０６が結像するまでの光路長を長くできる。

このように、凹レンズ１０２の一部を用いて、ハーフミラー４０を透過した収束状態の光束を、ハーフミラー４０側に屈折させる。これにより、ハーフミラー４０の空中像を形成する光束の中心軸方向に対して垂直となる方向に投影した長さ１０４を短くすることができる。これにより、観察者の視界におけるハーフミラーの占める面積を小さくでき、観察者は、視覚的刺激の弱い空中像を注目しやすくなり、結像された像を空中像としてみることができる。また、凹レンズ１０２の一部を用いることで、ハーフミラーを透過してから結像するまでの光路長を、観察者の位置に合わせて、長くする側に調節できる。

図６は、本実施形態に係る他の光学装置１１０の概略を示す側面図である。図６に示した光学装置１１０は、図３に示した光学装置８０に追加して、偏光状態を制御するＥＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏ―ＯｐｔｉｃＭｏｄｕｌａｔｏｒ）１１２と、１／４波長板１１４とを有する。また、ハーフミラー４０に代えて、偏光ビームスプリッタ１１６（偏光分離素子）を設けている。

ＥＯＭ１１２は、ディスプレイ２２から放射する光束の偏光を制御する。ディスプレイ２２から放射された光束は、ＥＯＭ１１２によって、例えば、縦方向の直線偏光に制御される。この場合において、光学装置１１０に用いる偏光ビームスプリッタ１１６は、縦方向の直線偏光は反射させ、横方向の直線偏光を透過させる。したがって、縦方向の直線偏光に制御された光束は、偏光ビームスプリッタ１１６によって、その全てが第１再帰性反射部材３０の方向へ反射される。

反射された光束は、１／４波長板１１４に入射する。１／４波長板１１４は、入射した直線偏光に一方の偏光成分と一方の偏光成分に直交する他方の偏光成分に対してπ／２の位相差を生じさせる。その結果、例えば、縦方向の直線偏光は、円偏光となる。偏光状態が円偏光となった光束は、第１再帰性反射部材３０により反射され、再び１／４波長板１１４に入射する。すると、１／４波長板１１４により、さらにπ／２の位相差が生じ、当該円偏光は、縦方向の偏光成分とは直交する横方向の直線偏光となる。偏光ビームスプリッタ１１６は、横方向の直線偏光は透過するため、当該反射光束は偏光ビームスプリッタ１１６を透過し、偏光ビームスプリッタ１１６のディスプレイ２２が配置される面の側とは反対の面の側に設けられたマイクロプリズム８２により屈折されて、偏光ビームスプリッタ１１６側に傾けられる。偏光ビームスプリッタ１１６側に傾けられた光束は、偏光ビームスプリッタ１１６に対し、第１再帰性反射部材３０が設けられていない側であって、偏光ビームスプリッタ１１６に近い側で結像して空中像１１８が形成される。

図３に示した光学装置８０は、ハーフミラー４０を有する。したがって、ディスプレイ２２から放射された光束は、ハーフミラー４０によって第１再帰性反射部材３０側に反射されるときに、光束の半分が反射されずにハーフミラー４０を透過する。また、第１再帰性反射部材３０で反射された光束は、ハーフミラー４０を透過するときに、光束の半分が透過できずに反射する。したがって、空中像８６として結像する光束は、ディスプレイ２２から放射された光束のおおよそ１／４となる。

一方、図６に示した光学装置１１０は、ＥＯＭ１１２によって偏光が制御された光束に対し、偏光ビームスプリッタ１１６と、１／４波長板１１４を用いることで、光束を減少させることなく結像させて空中像１１８を得ることができる。このため、図３に示した光学装置８０に対し、空中像の発光効率を向上できる。なお、ディスプレイ２２が液晶ディスプレイである場合、放射光束の偏光状態は直線偏光となるので、ディスプレイ２２と１／４波長板１１４との配置関係を適切に設定すれば、ディスプレイ２２と偏光ビームスプリッタの間に設けたＥＯＭ１１２は、設けなくてよい。

図７は、本実施形態に係る他の光学装置１２０の概略を示す側面図である。図７に示した光学装置１２０は、光学素子の一例として、マイクロプリズム８２と凸レンズ９２の一部を用いた例を示す。図７に示した光学装置１２０は、ハーフミラー４０の、ディスプレイ２２が配置される面の側とは反対の面の側に、マイクロプリズム８２と凸レンズ９２の一部が設けられている。図７に示した例において、凸レンズ９２は、図４に示した光学装置９０と同様に、右側に凸部を有する平凸レンズであって、ハーフミラー４０に対して上部に凸レンズ９２の端部が、下部に凸レンズ９２の中央部がくるように配される。なお、ディスプレイ２２から光束が放射され、ハーフミラーを透過するまでは、図３に示した光学装置８０と同様であるので、説明を省略する。

ハーフミラー４０を透過した光束は、マイクロプリズム８２により屈折され、ハーフミラー４０側に傾けられる。さらに、マイクロプリズム８２により屈折された光束は、凸レンズ９２の一部に入射する。凸レンズ９２の上部に入射した光束は、さらにハーフミラー４０側に屈折されるが、凸レンズ９２の下部に入射した光束は、凸レンズ９２の中央部を透過するので、凸レンズ９２により屈折されることなく凸レンズ９２を透過する。したがって、ハーフミラー４０を透過した光束は、図３に示した光学装置８０よりも、ハーフミラー４０側に傾斜される。これにより、ハーフミラー４０の空中像を形成する光束の中心軸方向に対して垂直となる方向に投影した長さ１２２を短くすることができる。そして更に、凸レンズ９２を用いることで、ハーフミラー４０を透過してから空中像１２４が結像するまでの光路長を短くできる。

図７に示した光学装置１２０は、マイクロプリズム８２と、凸レンズ９２の一部を組み合わせた例を示したが、マイクロプリズム８２と、凹レンズ１０２の一部とを組み合わせてもよい。また、凸レンズ９２の一部と、凹レンズ１０２の一部を組み合わせてもよい。

図８は、本実施形態に係る他の光学装置１３０の概略を示す側面図である。図８に示した光学装置１３０は、ディスプレイ２２の代わりにリンゴ１３２を用いた例を示す。なお、リンゴ１３２は物体の一例である。

光学装置１３０において、放射される放射状態のリンゴの反射光束は、ディスプレイ２２から放射される放射状態の光束と同様に、ハーフミラー４０により反射され、第１再帰性反射部材３０で反射される。第１再帰性反射部材３０で反射された光束は、ハーフミラー４０を透過して、マイクロプリズム８２により、ハーフミラー４０側に屈折され、ハーフミラー４０側に傾けられる。ハーフミラー４０側に傾けられた光束は、ハーフミラー４０に対し、第１再帰性反射部材３０が用いられていない側であって、ハーフミラー４０に近い側で結像し、リンゴの空中像１３４が形成される。

図９（Ａ）は、本実施形態に係る他の光学装置１４０の斜視図である。また、図９（Ｂ）は、ディスプレイ２２に表示される画像の一例を示す。図９（Ａ）において、図中左上に示す矢印方向を光学装置１４０の前後上下左右方向とする。なお、図９（Ａ）において、図１と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

本実施形態に係る光学装置１４０は、表示部２０に表示された画像等を観察者に空中像として表示する。光学装置１０は、支持台１２と、表示部２０と、第１再帰性反射部材３０と、可動アーム３２と、可動部３４と、位置調整ユニット３６と、ハーフミラー４０と、接続アーム４２と、支柱４４と、支持部４６と、第２再帰性反射部材１５０と、接続アーム１５２と、支持アーム１５４と、支持部１５６と、角度調整機構１５８と、位置調整機構１６０と、回転駆動部１６２と、位置駆動部１６４と、検出部１７０と、制御部１７２とを有する。

第２再帰性反射部材１５０は、ハーフミラー４０の上方右側に設けられ、ハーフミラー４０と同様に支柱４４に支持される。第２再帰性反射部材１５０は、接続アーム１５２と支持アーム１５４を介して支柱４４に接続する。第２再帰性反射部材１５０と接続アーム１５２との接合部には、角度調整機構１５８が設けられる。角度調整機構１５８には、回転駆動部１６２が隣接して設けられる。回転駆動部１６２は、角度調整機構１５８を駆動して第２再帰性反射部材１５０の傾斜角度を変更する。これにより、角度調整機構１５８は、第２再帰性反射部材１５０の傾斜角度を調整できる。

接続アーム１５２は、位置調整機構１６０を介して支持アーム１５４に接続する。位置調整機構１６０には、位置駆動部１６４が隣接して設けられる。位置駆動部１６４は、位置調整機構１６０を駆動して、接続アーム１５２を左右方向に移動させる。これにより、位置調整機構１６０は、第２再帰性反射部材１５０の左右方向の位置を調整できる。

支持アーム１５４は、支持部１５６を介して支柱４４に接続する。支持部１５６は、支柱４４と上下方向に移動自在に接続する。また、支持部１５６は、支柱４４を中心に回転できる。第２再帰性反射部材１５０は、支持部１５６と支柱４４との上下方向の位置を変更することで、上下方向に移動できる。また、第２再帰性反射部材１５０は、支柱４４を中心に支持部４６を回転させることで、支柱４４を中心に回転できる。第２再帰性反射部材１５０は、第１再帰性反射部材３０と同様に、入射した光束を入射した方向に反射する機能を有する。図９に示した例において、第２再帰性反射部材１５０は、ハーフミラー４０に対して平行となる方向へ傾けて配置されている。

検出部１７０は、支持台１２の左後方に設けられ、観察者の観察位置を検出する。ここで、観察者の観察位置とは、例えば、観察者の目の位置である。検出部１７０は、観察者の目の位置を示す位置データを制御部１７２に出力する。検出部１７０は、例えば、ライトフィールドカメラである。

検出部１７０は、合焦距離を変えて複数回撮像を行い、合焦距離の異なる複数の画像データを生成する。検出部１７０は、例えば、特定の大きさのウィンドウで走査しつつ、当該ウィンドウ内の画像と人物を示すテンプレート画像とを照合させるパターンマッチングを行うことにより、当該画像に人物の画像が含まれるか否かを判断してもよい。

検出部１７０は、当該画像に人物の画像が含まれていると判断した場合に、当該画像内の人物の位置、例えば、人物の目の位置に基づいて、当該人物の検出部１７０に対する方向を特定する。さらに検出部１７０は、当該人物の画像のコントラストと合焦距離から、検出部１７０から当該人物までの距離を算出する。また、検出部１７０はカメラで撮影した画像に基づいて、人物の目の位置を判定し、赤外線等を照射することによって、距離を測距するような構成であってもよい。

検出部１７０は、特定した画像データ中の位置と、算出した距離から、観察者の目の位置を示す位置データを作成する。なお、位置データは、検出部１７０の位置を原点としたＸＹＺ座標系における、角度データと距離データとから構成される。

制御部１７２は、検出部１７０から位置データを取得する。制御部１７２は、取得した位置データに基づいて、観察者の視界に対して、第２再帰性反射部材１５０の占める割合が少なくなる、第２再帰性反射部材１５０の位置および向きを算出する。制御部１７２は、算出した位置に第２再帰性反射部材１５０を移動させる駆動データを作成する。制御部１７２は、当該駆動データを回転駆動部１６２および位置駆動部１６４に出力する。回転駆動部１６２および位置駆動部１６４は、駆動データを取得すると、それぞれ角度調整機構１５８および位置調整機構１６０を駆動する。これにより、角度調整機構１５８および位置調整機構１６０は、ハーフミラー４０を透過した光束を反射できる位置であって、観察者の視界に対して、第２再帰性反射部材１５０の占める割合を少なくする傾斜角度および位置に、第２再帰性反射部材１５０の角度および位置を調整する。

また、制御部１７２は、ディスプレイ２２に表示させる画像の信号を外部から受信し、ディスプレイ２２に出力する。制御部１７２は、ディスプレイ２２の光量を制御する光量制御部を有する。

さらに、制御部１７２は、ディスプレイ２２または第１再帰性反射部材３０の傾斜角度または位置を制御してもよく、ハーフミラー４０の位置および回転角度を制御する位置制御部を有してもよい。

ディスプレイ２２から放射された発散光束の半数は、ハーフミラー４０によって発散状態を維持しながら第１再帰性反射部材３０方向へ反射される。ハーフミラー４０に反射された光束は、第１再帰性反射部材３０に入射する。第１再帰性反射部材３０は、入射した光束を入射した方向に反射する。したがって、第１再帰性反射部材３０に反射された光束は、収束状態に変化する。反射された光束の半数は、ハーフミラー４０を、収束状態を維持しながら透過する。

一方、ディスプレイ２２から放射された発散光束の半数は、ハーフミラー４０を透過して、第２再帰性反射部材１５０に入射する。第２再帰性反射部材１５０は、入射した光束を入射した方向に再反射する。したがって、第２再帰性反射部材１５０に反射された光束は、収束状態に変化する。反射された光束の半数は、ハーフミラー４０を、収束状態を維持しながら反射する。

第１再帰性反射部材３０を反射して、ハーフミラー４０を透過した光束は、第２再帰性反射部材１５０を反射して、ハーフミラー４０を反射した光束と合成される。合成された光束は、収束状態を維持しているので、ハーフミラー４０の上側であって、ハーフミラー４０側で結像し、空中像を形成する。

このように、第１再帰性反射部材３０と、第２再帰性反射部材１５０を用いることによって、ディスプレイ２２の表示画像の明るさに対して、空中像の明るさを５０％まで上げることができる。図１に示した例において、ディスプレイ２２は、バスの画像を表示しているので、ハーフミラー４０の上側であって、ハーフミラー４０側では、ディスプレイ２２の表示画像の明るさに対して５０％の明るさのバスの空中像が表示される。なお、図９に示した例において、ディスプレイ２２は、バスの画像を上下反転させて表示する。これにより、観察者は、結像する空中像を正位置で観察できる。

ディスプレイ２２を前後左右方向に移動すると、空中像の位置は、前後左右方向に移動する。また、ディスプレイ２２の傾斜角度を変えても、空中像の位置は移動する。ディスプレイ２２の位置および傾斜角度を変えることで、観察者の視線の位置に合わせて、空中像の位置を調整できる。なお、ディスプレイ２２の傾斜角度は、ハーフミラー４０の面に対し４５°が好ましい。

図１０の（Ａ）は、従来の光学装置１８０の概略を示す側面図である。図１０の（Ｂ）は、本実施形態に係る光学装置１４０の概略を示す側面図である。

図１０（Ａ）に示した従来の光学装置１８０において、ディスプレイ２２から放射された放射状態の光束の半数は、ハーフミラー４０により反射され、第１再帰性反射部材３０に入射する。第１再帰性反射部材３０に入射された放射状態の光束は、第１再帰性反射部材３０によって入射方向と同じ方向に反射される。したがって、反射された光束は、収束状態となる。収束状態となった光束の半数は、ハーフミラー４０を透過する。ハーフミラー４０は、第１再帰性反射部材３０でハーフミラー４０側へ反射された光束を透過して、ディスプレイ２２から放射された方向とは異なる方向へ放射する。

一方、ディスプレイ２２から放射された放射状態の光束は、その半数がハーフミラー４０を透過して、第２再帰性反射部材１５０に反射される。反射された光束は、収束状態となる。収束状態となった光束の半数は、ハーフミラー４０を反射する。ハーフミラー４０は、第２再帰性反射部材１５０でハーフミラー４０側へ反射された光束を反射して、ディスプレイ２２から放射された方向とは異なる方向へ放射する。

第１再帰性反射部材３０を反射して、ハーフミラー４０を透過した光束は、第２再帰性反射部材１５０を反射して、ハーフミラー４０を反射した光束と合成される。合成された光束は、ハーフミラー４０に対し、第１再帰性反射部材３０が設けられていない側で結像して空中像１８２が形成される。

観察者は、空中像１８２をハーフミラー４０が設けられていない側から、結像した光束が瞳に入るように観察する。すると、観察者の視界の前方には、視覚的刺激の低い空中像１８２が、右側には視覚的刺激の強い第２再帰性反射部材１５０が存在する。この場合における第２再帰性反射部材１５０の、観察者の視界に占める第２再帰性反射部材１５０の角度はＶとなる。ここで、視覚的刺激とは、像または物体が観察者に与える視覚的な印象であり、コントラストが高いもの、または、反射の光量が多いものの視覚的刺激は強く、コントラストが低いもの、または、反射の光量が少ないものの視覚的刺激は弱い。

図１０（Ｂ）に示した光学装置１４０において、ディスプレイ２２から放射された放射状態の光束の半数は、ハーフミラー４０により反射され、第１再帰性反射部材３０に入射する。第１再帰性反射部材３０に入射された放射状態の光束は、第１再帰性反射部材３０によって入射方向と同じ方向に反射されるので、反射された光束は、収束状態となる。収束状態となった光束の半数は、ハーフミラー４０を透過する。

一方、ディスプレイ２２から放射された放射状態の光束の半数は、ハーフミラー４０を透過して、第２再帰性反射部材１５０に反射される。反射された光束は、収束状態となる。収束状態となった光束の半数は、ハーフミラー４０を反射する。

第１再帰性反射部材３０を反射して、ハーフミラー４０を透過した光束は、第２再帰性反射部材１５０を反射して、ハーフミラー４０を反射した光束と合成される。合成された光束は、ハーフミラー４０に対し、第１再帰性反射部材３０が設けられていない側で結像して空中像１４２が形成される。

図１０（Ｂ）に示した光学装置１４０において、第２再帰性反射部材１５０は、ハーフミラー４０を透過した光束の中心軸に対して直交するよりもハーフミラー４０に対して平行となる方向へ傾けて配置されている。観察者は、空中像１４２をハーフミラー４０が設けられていない側から、結像した光束が瞳に入るように観察する。この場合における第２再帰性反射部材１５０の、観察者の視界に占める第２再帰性反射部材１５０の角度はＷとなる。

このように、第２再帰性反射部材１５０を、ハーフミラー４０を透過した光束の中心軸に対して直交するよりもハーフミラー４０に対して平行となる方向へ傾けて配置することで、観察者の視界における第２再帰性反射部材１５０の占める角度を小さくできる。これにより、観察者は、視覚的刺激の弱い空中像１４を注目しやすくなり、結像された像を、視覚的刺激の強い第２再帰性反射部材１５０に引き寄せられることなく、空中像として見ることができる。

図１１は、本実施形態に係る光学装置１９０の概略図を示す側面図である。図１１に示した光学装置１９０における第２再帰性反射部材１９２は、光学装置１４０における第２再帰性反射部材１５０よりも面積が広い。また、第２再帰性反射部材１９２は、ハーフミラー４０に対して平行となる方向へ傾けられるとともに、光学装置１０における第２再帰性反射部材１５０よりも、ハーフミラー４０から離されて配置されている。図１１に示した光学装置１９０において、第１再帰性反射部材３０は、第２再帰性反射部材１９２よりもハーフミラー４０の近くに配置される。

ディスプレイ２２から放射された放射状態の光束の半数は、ハーフミラー４０により反射され、第１再帰性反射部材３０に入射する。第１再帰性反射部材３０に入射された放射状態の光束は、第１再帰性反射部材３０によって入射方向と同じ方向に反射されるので、反射された光束は、収束状態となる。収束状態となった光束の半数は、ハーフミラー４０を透過する。

一方、ディスプレイ２２から放射された放射状態の光束の半数は、ハーフミラー４０を透過する。第２再帰性反射部材１９２は、ハーフミラー４０から離れて配置されているので、ハーフミラー４０を透過した放射状態の光束は拡散する。しかし、第２再帰性反射部材１９２は、第２再帰性反射部材１５０より面積が広いので、ハーフミラー４０を透過した光束の全てを、入射方向と同じ方向に反射する。反射された光束は、収束状態となる。収束状態となった光束の半数は、ハーフミラー４０を反射する。

第１再帰性反射部材３０を反射して、ハーフミラー４０を透過した光束は、第２再帰性反射部材１９２を反射して、ハーフミラー４０を反射した光束と合成される。合成された光束は、ハーフミラー４０に対し、第１再帰性反射部材３０が設けられていない側で結像して空中像１９４が形成される。

光学装置１９０において、第２再帰性反射部材１９２は、ハーフミラー４０を透過した光束の中心軸に対して直交するよりもハーフミラー４０に対して平行となる方向へ傾けて配置される。これにより、観察者の視界に占める第２再帰性反射部材１９２の占める角度を小さくできる。さらに、第２再帰性反射部材１９２を、第１再帰性反射部材３０よりもハーフミラー４０から離して配置することで、空中像１９４と第２再帰性反射部材１９２とを離すことができ、視覚的刺激の強い第２再帰性反射部材１９２の空中像１９４への影響を少なくすることができる。これにより、観察者は、視覚的刺激の弱い空中像を注目しやすくなり、結像された像を、視覚的刺激の強い第２再帰性反射部材１９２に引き寄せられることなく、空中像として見ることができる。

図１２は、本実施形態に係る他の光学装置２００の第２再帰性反射部材１５０の展開状態を示す部分断面図である。また、図１３は、光学装置２００の第２再帰性反射部材１５０の収容状態を示す部分段面図である。図１２および図１３において、図１と共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。

図１２において、光学装置２００は、表示部２０に対して第１再帰性反射部材３０が上となるように設置される。光学装置２００は、表示部２０および第１再帰性反射部材３０等を収容する収容ケース２０２と、接続アーム１５２と接続する支持アーム２０４と、位置駆動部２０６と、検出部２０８とを有する。なお、図１２、図１３に示した光学装置２００において、図の説明のため、収容ケース２０２を断面とし、また、左側の接続アーム１５２と支持アーム２０４等は、図示していない。

収容ケース２０２は、支持台１２を囲むように構成され、表示部２０、第１再帰性反射部材３０および制御部１７２等を収容する。収容ケース２０２の前面は、ハーフミラー４０の前面と同一面となっている。収容ケース２０２を設けることによって、ハーフミラー４０の後方からの外乱を抑制することができる。なお、外乱とは、ディスプレイ２２の表示画像以外の光が、外側から空中像を結像する光の光路へ混入することである。

支持アーム２０４は、位置駆動部２０６を介して収容ケース２０２の上側の側面に接続する。位置駆動部２０６は、支持アーム２０４を前後方向に駆動する。これにより、第２再帰性反射部材１５０は、前後方向に移動できる。検出部２０８は、収容ケース２０２の前面右側の下方に設けられ、観察者の観察位置を検出する。検出部２０８は、検出した観察者の観察位置に基づいて位置データを作成して、制御部１７２に出力する。なお、検出部２０８の機能の詳細は、検出部１７０と同じなので説明を省略する。

制御部１７２は、取得した位置データに基づいて、駆動データを作成する。制御部１７２は、当該駆動データを回転駆動部１６２および位置駆動部１６４、２０６へ出力する。回転駆動部１６２および位置駆動部１６４、２０６は、取得した駆動データに基づいて角度調整機構１５８、位置調整機構１６０および支持アーム２０４を駆動する。

第２再帰性反射部材１５０は、制御部１７２が算出した、観察者の視界に対して第２再帰性反射部材１５０の占める角度が小さくなる位置に移動され、観察者の視界に対して第２再帰性反射部材１５０の占める角度が小さくなる傾斜角度に回転される。これにより、観察者の視界における第２再帰性反射部材１５０の占める角度を小さくでき、観察者は、視覚的刺激の弱い空中像を注目しやすくなり、結像された像を空中像として見ることができる。

また、光学装置２００は、収容ケース２０２に対して第２再帰性反射部材１５０を収容できる。使用者からの収容指示を制御部１７２が受け付けると、制御部１７２は、予め定められた収容姿勢となる駆動データ作成して、回転駆動部１６２および位置駆動部１６４、２０６に出力する。回転駆動部１６２および位置駆動部１６４、２０６は、取得した駆動データに基づいて、角度調整機構１５８、位置調整機構１６０および支持アーム２０４を駆動して、第２再帰性反射部材１５０を収容状態へと移動する。この収容状態を示したのが図１３である。

図１３に示した光学装置２００において、第２再帰性反射部材１５０の反射面は、ハーフミラー４０の前面と重なって配置される。この状態が、第２再帰性反射部材１５０を収容ケース２０２に収容した状態の一例であり、他の例として、収容ケース２０２の左右の側面を前面よりも突出させて、第２再帰性反射部材１５０を当該突出部より低くなるように配置させてもよい。

なお、再び使用者からの展開指示を制御部１７２が受け付けると、検出部１７０により検出された観察者の観察位置に基づいて、第２再帰性反射部材１５０は、再び展開される。そして、ディスプレイ２２に表示画像を表示することによって、再び、空中像が表示される。

このように、光学装置２００は、収容ケース２０２を有し、収容ケース２０２に対し第２再帰性反射部材１５０を収容、および展開できる。これにより、光学装置２００の持ち運びを容易にでき、光学装置２００の運用性を高めることができる。

また、光学装置２００における第２再帰性反射部材１５０は、伸縮機能を有していてもよい。第２再帰性反射部材１５０が伸縮機能を有することで、ハーフミラー４０からの第２再帰性反射部材１５０の位置によって、第２再帰性反射部材１５０の面積を調整できる。すなわち、第２再帰性反射部材１５０をハーフミラー４０から離して、空中像に対する第２再帰性反射部材１５０の影響を小さくした場合には、第２再帰性反射部材１５０の面積を広げることによって、ハーフミラー４０を透過した全ての光束を反射させてよい。また、第２再帰性反射部材１５０がハーフミラー４０に近い場合には、第２再帰性反射部材１５０の面積を狭くして、観察者の視界に占める第２再帰性反射部材１５０の大きさを小さくしてもよい。

本発明の実施の形態に係る光学装置１０を用いることによって、観察者は、結像された像を、視覚的刺激の強いハーフミラー４０に引き寄せられることなく、空中像として見ることができる。また、光学装置１４０を用いることによって、観察者は、結像された像を、視覚的刺激の強い第２再帰性反射部材１５０に引き寄せられることなく、空中像として見ることができる。そして、光学装置１０の特徴と、光学装置１４０の特徴とを互いに組合せてもよい。

本実施形態に係る光学装置１０および光学装置１４０を、家庭用ゲーム機、業務用ゲーム機の表示装置として用いてもよく、フィットネスクラブでのインストラクターを表示する装置として用いてよい。また、光学装置１０を、ハーフミラー４０の面が建物の窓の面と一致するように配置して、表示部２０と第１再帰性反射部材３０を屋内に配置する。これにより、表示部２０に表示した画像を、屋外に空中像として表示させることができる。このように屋外に空中像を表示できれば、当該空中像を、歩道を歩く人に対する広告として利用することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１９０、２００光学装置、１２支持台、１４、７２、８６、９６、１０６、１１８、１２４、１３４、１４２、１８２、１９４空中像、２０表示部、２２ディスプレイ、２４可動アーム、２６位置調整ユニット、２８可動部、３０第１再帰性反射部材、３２可動アーム、３４可動部、３６位置調整ユニット、４０ハーフミラー、４２接続アーム、４４支柱、４６支持部、５０光学素子、６０制御部、７０、１８０従来の光学装置、８２マイクロプリズム、８４、９４、１０４、１２２長さ、９２凸レンズ、１０２凹レンズ、１１２ＥＯＭ、１１４１／４波長板、１１６偏光ビームスプリッタ、１３２リンゴ、１５０、１９２第２再帰性反射部材、１５２接続アーム、１５４支持アーム、１５６支持部、１５８角度調整機構、１６０位置調整機構、１６２回転駆動部、１６４位置駆動部、１７０検出部、１７２制御部、２０２収容ケース、２０４支持アーム、２０６位置駆動部、２０８検出部

Claims

対象物体より放射される光束を反射および透過させる部分反射部材と、
前記部分反射部材で反射された前記光束を前記部分反射部材へ反射させる再帰性反射部材と、
前記再帰性反射部材で前記部分反射部材へ反射され、前記部分反射部材を透過する前記光束を、前記部分反射部材の側へ傾ける光学素子とを備える光学装置。
前記光学素子は、前記部分反射部材を透過して出射する前記光束の出射角度を、前記再帰性反射部材に反射され、前記部分反射部材へ入射する前記光束の入射角度よりも大きくする請求項１に記載の光学装置。
前記光学素子は、前記部分反射部材のうち前記対象物体が配置される第１面の側とは反対の第２面の側に設けられる請求項１または２に記載の光学装置。
前記光学素子は、プリズムを含む請求項３に記載の光学装置。
前記光学素子は、凸レンズ成分を含む請求項３または４に記載の光学装置。
前記光学素子は、凹レンズ成分を含む請求項３から５のいずれか１項に記載の光学装置。
前記対象物体と前記部分反射部材の間に配置された位相変調器と、
前記再帰性反射部材と前記部分反射部材との間に配置された位相板と
を備え、
前記部分反射部材は、偏光分離素子である請求項１から６のいずれか１項に記載の光学装置。
前記部分反射部材に対する前記対象物体の位置を調整する調整機構を備える請求項１から７のいずれか１項に記載の光学装置。
前記対象物体として表示装置を備え、
前記表示装置に表示された映像に対応する空中像を形成する請求項１から８のいずれか１項に記載の光学装置。