JP2017026734A - 空中映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示装置の薄型化を図りつつ、光学プレートに対する被対象物からの光線の入射角度を所望の角度に近づけて、空中映像の劣化を低減する。【解決手段】空中映像表示装置１は、平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレート３と、偏向光学素子（例えばリニアプリズム４）とを備える。偏向光学素子は、光学プレート３に対して被対象物（例えばスクリーン２）側に配置され、被対象物からの光を偏向して光学プレート３に導く。偏向光学素子は、一方向に同一形状で延びる構造体４ａが複数並列に形成されて、上記一方向に垂直な面内でのみ、被対象物からの光を偏向するとともに、光学プレート３の光入射側の面３ａに入射する光線の、面３ａの法線Ｎを基準とする入射角度が小さくなる側に、被対象物からの光を偏向する。【選択図】図１

Description

本発明は、被対象物の実像を空中に結像させる空中映像表示装置に関するものである。

従来から、光学プレートを用いて被対象物の実像を空中に結像させ、その実像を観察者に観察させる表示装置が種々提案されている。通常、空中における実像（映像）の結像位置は、光学プレートに対して被対象物と面対称となる位置であるため、観察者に見やすい映像を提供すべく、光学プレートから大きく離れた位置に映像を結像させる場合には、光学プレートに対して被対象物を大きく離すことが必要となる。この場合、光学プレートに対して被対象物側の空間が大きくなり、表示装置が大型化する。

そこで、例えば特許文献１では、被対象物と光学プレートとの間の光路中に少なくとも１枚の反射鏡を配置し、反射鏡で光路を折り曲げることで、光学プレートに対して被対象物側の空間を小さくして、表示装置の小型化を図っている。

また、例えば特許文献２では、凸レンズなどの中継光学素子を、物体と光学プレートとの間の光路中に配置することで、小さい物体の実像を拡大して空中に結像させるようにしている。この構成では、物体の大きさを小さくして、光学プレートに対して物体側の空間を小さくできるため、表示装置の小型化を図れるものと考えられる。

特許５６６７７２９号公報（請求項１、段落〔００１３〕、〔００１６〕〜〔００２１〕、図１、図２等参照） 特許５３８５０８０号公報（請求項１、段落〔００４８〕〜〔００５４〕、図１６、１７等参照）

ところで、上述した光学プレートは、例えば、複数の反射面が平行に並んで配置された光学パネルを２枚用い、複数の反射面が平面視で互いに直交するように、２枚の光学パネルを貼り合わせることによって構成される。被対象物からの光は、互いに直交する反射面で１回ずつ反射して空中に導かれることにより、被対象物の実像が空中に結像される。

ここで、光学プレートに対する光線の入射角度（光学プレートの光入射側の面の法線に対する角度）が所望の角度（例えば４５°〜５０°）よりも極端に大きくなると、直交して配置された各反射面での光線の反射回数が各１回ずつではなくなり、平行に並んだ反射面間を行き来して、同じ反射面で光線が複数回反射する現象（以下、多重反射とも称する）が発生する。この場合、反射による光の損失が累積されて光量が低下するため、空中に結像する映像が暗くなる。また、多重反射が起こると、反射面の粗さや平行からのずれが累積されて、被対象物の１点から出た光線に対する結像ポイントのばらつきが拡大され、空中に結像する映像がボケてしまう。被対象物の大きさを確保しながら表示装置を薄型化しようとすると、光学プレートに対する被対象物からの光線の入射角度が大きくなりやすく、それゆえ、上述した空中映像の輝度低下やボケなど、空中映像の劣化が生じやすくなる。

この点、特許文献１および２では、表示装置の薄型化を図りつつ、光学プレートに対する光線の入射角度を所望の角度に近づけて空中映像の劣化を低減するための検討は一切行われていない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、表示装置の薄型化を図りつつ、光学プレートに対する被対象物からの光線の入射角度を所望の角度に近づけることができ、これによって、空中映像の劣化を低減することができる空中映像表示装置を提供することにある。

本発明の一側面に係る空中映像表示装置は、平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレートを備え、被対象物からの光を前記複数の反射面で反射させて、該光学プレートに対して前記光の入射側とは反対側の空中に導き、前記被対象物の実像を前記空中に結像させる空中映像表示装置であって、前記光学プレートに対して前記被対象物側に配置され、前記被対象物からの光を偏向して前記光学プレートに導く偏向光学素子をさらに備え、前記偏向光学素子は、一方向に同一形状で延びる構造体が複数並列に形成されて、前記一方向に垂直な面内でのみ、前記被対象物からの光を偏向するとともに、前記光学プレートの光入射側の面に入射する光線の、前記光入射側の面の法線を基準とする入射角度が小さくなる側に、前記被対象物からの光を偏向する。

前記偏向光学素子は、リニアプリズムであってもよい。

前記リニアプリズムは、該プリズムの平面が前記被対象物側に位置し、前記複数の構造体が前記光学プレート側に位置するように配置されていることが望ましい。

前記リニアプリズムは、前記平面側に反射防止層を有していることが望ましい。

前記偏向光学素子を、第１の偏向光学素子とすると、該空中映像表示装置は、前記光学プレートに対して前記実像の結像側に配置され、前記光学プレートから出射される光を偏向して前記実像の結像位置に導く第２の偏向光学素子をさらに備えており、前記第２の偏向光学素子は、一方向に同一形状で延びる構造体が複数並列に形成されて、前記一方向に垂直な面内でのみ、前記光学プレートから出射される光を偏向するとともに、前記光学プレートの光出射側の面から出射される光線の、前記光出射側の面の法線を基準とする出射角度が大きくなる側に、前記光学プレートから出射される光を偏向することが望ましい。

前記第２の偏向光学素子は、リニアプリズムであってもよい。

前記リニアプリズムは、該プリズムの平面が前記実像の結像側に位置し、前記複数の構造体が前記光学プレート側に位置するように配置されていることが望ましい。

前記第１の偏向光学素子の構造体および前記第２の偏向光学素子の構造体は、ともにプリズムであり、前記光学プレートに対して対称な位置関係にある前記第１の偏向光学素子の構造体と、前記第２の偏向光学素子の構造体とで、プリズム角は同じであることが望ましい。

前記被対象物は、映像が投影されるスクリーンであってもよい。

上記の構成によれば、薄型の構成であっても、光学プレートに対する被対象物からの光線の入射角度を、偏向光学素子によって所望の角度（例えば４５°〜５０°）に近づけることができる。これにより、薄型の構成であっても、光学プレートの同じ反射面での多重反射を低減して、空中映像の劣化を低減することができる。

本発明の実施の一形態に係る空中映像表示装置の全体の構成を、リニアプリズムも含めて模式的に示す説明図である。 上記空中映像表示装置の光学プレートの概略の構成を示す斜視図である。 上記光学プレートを構成する板状部材の斜視図である。 上記光学プレートを構成する他の板状部材の斜視図である。 ２次元での実像の結像原理を示す説明図である。 ３次元空間での光線の反射を模式的に示す説明図である。 ３次元空間において、複数の光線が別々の反射面を介して１点に集光する様子を模式的に示す説明図である。 参考例の空中映像表示デバイスの構成を示す説明図である。 上記リニアプリズムの他の構成を示す断面図である。 図１のリニアプリズムの各パラメータを示す説明図である。 上記空中映像表示装置の他の構成を模式的に示す説明図である。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本明細書において、数値範囲をａ〜ｂと表記した場合、その数値範囲に下限ａおよび上限ｂの値は含まれるものとする。また、本発明は、以下の内容に限定されるものではない。

（空中映像表示装置の全体構成）
図１は、本実施形態の空中映像表示装置１の全体の構成を模式的に示す説明図である。空中映像表示装置１は、被対象物の実像を空中に映像Ｍとして結像させるものであり、スクリーン２と、光学プレート３と、リニアプリズム４とを備えている。

スクリーン２は、投影装置（図示せず）からの投影光の照射によって映像が投影されるとともに、照射された投影光を反射させる反射型のスクリーンである。なお、スクリーン２の代わりに、映像を表示する液晶表示装置などの表示装置を用いてもよく、３次元の物体を配置してもよい。したがって、上記の被対象物には、スクリーン２、表示装置、物体そのものが含まれるが、広義には、スクリーン２に投影された映像、表示装置に表示された映像も含まれるものとする。

光学プレート３は、スクリーン２からの光を内部で反射させて、空中に映像Ｍを結像する。光学プレート３としては、例えば、互いに直交する反射面（平面視でＶ字型（Ｌ字型））を同一面上にアレイ状に並べた１層構造のものや、複数の反射面を平行に並べた光学パネルを２枚用い、各光学パネル間で反射面が平面視で直交するように、２枚の光学パネルを積層した２層構造のものを用いることができる。なお、光学プレート３の詳細な構成については後述する。

リニアプリズム４は、スクリーン２からの光を偏向して光学プレート３に導く偏向光学素子（第１の偏向光学素子）である。なお、リニアプリズム４の詳細については後述する。

上記の構成において、スクリーン２からの光は、リニアプリズム４にて偏向された後、光学プレート３に入射し、光学プレート３の複数の反射面で反射された後、光学プレート３に対して上記光の入射側とは反対側の空中に導かれる。これにより、スクリーン２に投影された映像の実像が映像Ｍとして空中に結像される。

（光学プレートの詳細について）
次に、上述した光学プレート３の詳細について説明する。ここでは、２層構造の光学プレート３について説明する。図２は、光学プレート３の概略の構成を示す斜視図である。光学プレート３は、２枚の光学パネル２０・３０を積層して構成されている。光学パネル２０は、光学パネル２０・３０の積層方向（例えばＺ方向）に垂直な面内で互いに垂直な２方向のうちの一方向（例えばＸ方向）に、複数の板状部材２１を隣接して並べることによって形成されている。光学パネル３０は、上記２方向のうちの他の方向（例えばＹ方向）に、複数の板状部材３１を隣接して並べることによって形成されている。

図３は、１つの板状部材２１の斜視図である。板状部材２１は、透明なガラスや樹脂からなる直方体状の透明基板２１ａを有している。透明基板２１ａは、Ｙ方向に延びており、対向する２面（例えばＹＺ面に沿った２面）のうちの一方の面に、反射膜２１ｂが蒸着によって形成されている。なお、反射膜２１ｂは、透明基板２１ａの対向する２面の両面に形成されていてもよい。

図４は、１つの板状部材３１の斜視図である。板状部材３１は、透明なガラスや樹脂からなる直方体状の透明基板３１ａを有している。透明基板３１ａは、Ｘ方向に延びており、対向する２面（例えばＺＸ面に沿った２面）のうちの一方の面に、反射膜３１ｂが蒸着によって形成されている。なお、反射膜３１ｂは、透明基板３１ａの対向する２面の両面に形成されていてもよい。反射膜２１ｂ・３１ｂは、例えばアルミニウムのような金属膜で構成されており、入射光が全て反射するように膜厚が適切に制御されている。

Ｙ方向に延びる複数の板状部材２１をＸ方向に隣接して並べることにより、複数の反射膜２１ｂが、板状部材２１のＸ方向の幅に応じた間隔でＸ方向に並んで位置する。同様に、Ｘ方向に延びる複数の板状部材３１をＹ方向に隣接して並べることにより、複数の反射膜３１ｂが、板状部材３１のＹ方向の幅に応じた間隔でＹ方向に並んで位置する。そして、このような複数の板状部材２１・３１の配置により、各板状部材２１の反射膜２１ｂ（反射面）と各板状部材３１の反射膜３１ｂ（反射面）とは、平面視で（Ｚ軸方向から見て）互いに直交する位置関係となる。

次に、光学プレート３による結像原理について説明する。図５は、２次元（ＺＸ平面内）での実像の結像原理を示している。点光源Ｐから発せられた複数の光線は、Ｚ軸に平行な反射面（反射膜２１ｂ）でそれぞれ反射され、Ｘ軸に対して点光源Ｐとは反対側の位置Ｐ’（点光源ＰとＸ軸に対して対称な位置）に集光する。これにより、位置Ｐ’にて、点光源Ｐの実像が結像される。

図６は、３次元空間（ＸＹＺ座標系）での光線の反射を模式的に示している。３次元空間では、点光源Ｏから発せられた光線Ａを、ＺＸ平面内の光線ａ１と、ＹＺ平面内の光線ａ２とに分解し、図５に倣って、それぞれの光線ａ１・ａ２のＺＸ平面内またはＹＺ平面内での反射を考えることで、光線ＡのＺ軸との交点を求めることができる。つまり、ＺＸ平面内の光線ａ１は、ＹＺ面に平行な反射面（反射膜２１ｂ）で反射された後、Ｚ軸に向かい、ＹＺ平面内の光線ａ２は、ＺＸ面に平行な反射面（反射膜３１ｂ）で反射された後、Ｚ軸に向かう。これらの光線ａ１・ａ２は、Ｚ軸上の１点、つまり、点Ｏ’で交わる。したがって、光線Ａは、反射膜２１ｂおよび反射膜３１ｂにて計２回反射した後、Ｚ軸上の点Ｏ’に向かうことになる。

図７は、３次元空間において、点光源Ｏから発せられた複数の光線が、別々の反射面を介して１点に集光する様子を模式的に示している。点光源Ｏから発せられた複数の光線は、図６と同様にして、ＹＺ面に平行な反射面（反射膜２１ｂ）およびＺＸ面に平行な反射面（反射膜３１ｂ）で反射され、Ｚ軸上の同じ点Ｏ’に集光する。これにより、点Ｏ’にて、点光源Ｏの実像が結像される。

なお、以上では、光学パネル２０・３０を積層した２層構造の光学プレート３における結像原理を示したが、Ｖ字型（Ｌ字型）に並べた２枚の反射面をアレイ状に配置した１層構造の光学プレート３においても、結像原理は同じである。

（リニアプリズムの詳細について）
次に、図１で示したリニアプリズム４の詳細について説明する。リニアプリズム４は、光学プレート３に対して被対象物（ここではスクリーン２）側に配置されており、被対象物からの光を偏向して光学プレート３に導く。このリニアプリズム４は、平面４ｂを有し、この平面４ｂに沿って複数の構造体４ａ（プリズム）を並べて形成したものである。

ここで、以下での説明の便宜上、互いに垂直な３方向を、それぞれｘ方向、ｙ方向、ｚ方向とする。このうち、ｚ方向は、空中映像表示装置１の厚み方向に対応しており、図２等で示したＺ方向（光学パネル２０・３０の積層方向）とも対応しているが、ｙ方向は、図２等で示したＸ方向およびＹ方向とＸＹ面内で４５°の角度をなす方向と対応している。ｘ方向は、ｙｚ面に垂直な方向である。

各構造体４ａは、一方向（例えばｘ方向）に同一形状（例えば断面直角三角形）で延びて形成されている。そして、複数の構造体４ａは並列に、つまり、ｘ方向と垂直な方向（例えばｙ方向）に並んで配置されている。各構造体４ａの断面形状やプリズム角（図１０の角度θ参照）は、全て同じであってもよいし、異なっていてもよい。なお、プリズム角とは、プリズムである構造体４ａの斜面と平面４ｂ（または平面４ｂと平行な面）とのなす角度を指す。平面４ｂは、例えばｘｙ面と平行に位置しているが、ｘｙ面に対して傾いていてもよい。

リニアプリズム４は、平面４ｂがスクリーン２側に位置し、複数の構造体４ａが光学プレート３側に位置するように配置されている。また、リニアプリズム４は、光学プレート３の光入射側で光学プレート３に接するように（各構造体４ａが光学プレート３に当たるように）配置されている。なお、リニアプリズム４は、スクリーン２と光学プレート３との間の光路中に配置されていればよく、光学プレート３と離れて配置されていてもよい。

リニアプリズム４は、複数の構造体４ａが同一形状で延びる一方向（ｘ方向）に垂直な面内（ｙｚ面内）でのみ、スクリーン２からの光を偏向する。より詳しくは、リニアプリズム４は、光学プレート３の光入射側の面３ａに入射するスクリーン２からの光線の、上記面３ａの法線Ｎを基準とする入射角度が小さくなる側に（つまりｙ方向に）、スクリーン２からの光を偏向する。これにより、装置の薄型化を図りつつ、空中映像の劣化を低減することができる。以下、この点について詳細に説明する。なお、以下での説明において、「入射角度」は、全て、法線Ｎを基準とする角度を指すものとする。

図８は、参考例の空中映像表示デバイス１’の構成を示している。この空中映像表示デバイス１’は、本実施形態の空中映像表示デバイス１から、リニアプリズム４を省いて構成したものである。光学プレート３に対する光線の入射角度が所望の角度（例えば４５°〜５０°）よりも極端に大きくなると、つまり、光学プレート３側に倒れるような方向から光線が入射すると、光学プレート３の同じ反射面で多重反射が起こり、これによって空中映像の劣化が生じることは前述の通りである。このため、空中映像表示デバイス１’では、スクリーン２から出射される光のうち、ｙｚ面内で、光学プレート３に対する入射角度が最も大きくなる光線Ｌ１について、入射角度が所望の角度に近くなるように、光学プレート３とスクリーン２との位置関係を設定している。つまり、光線Ｌ１以外の光線については、光線Ｌ１よりも光学プレート３に対する入射角度が小さくなり、光学プレート３での多重反射が起こりにくくなるため、光線Ｌ１の入射角度を基準にして光学プレート３とスクリーン２との位置関係を設定している。このときの光学プレート３に対する光線Ｌ１の入射角度をβ（°）とする。なお、光線Ｌ１が光学プレート３の複数の反射面で反射して光学プレート３から出射されるときの、法線Ｎを基準とする出射角度をγ（°）とすると、β＝γ≒４５°〜５０°である。

図１で示したように、光学プレート３の光入射側にリニアプリズム４を配置し、リニアプリズム４によって、上記のようにスクリーン２からの光を偏向することにより、リニアプリズム４に対して光線Ｌ１の入射角度が大きくなるように（入射角度がβよりも大きいα（°）となるように）スクリーン２を配置しても、リニアプリズム４から光学プレート３に対しては、所望の入射角度βで光線Ｌ１を入射させることができる。つまり、入射角度αでリニアプリズム４に入射する光線Ｌ１を、入射角度βに変換して光学プレート３に入射させることができる。

上記のようにリニアプリズム４に対して光線Ｌ１の入射角度が大きくなるようにスクリーン２を配置することにより、図８の構成に比べて、装置の厚み方向であるｚ方向において、スクリーン２を光学プレート３に近づけることができる。これにより、装置を薄型化することができる。しかも、複数の構造体４ａを並列に並べたリニアプリズム４は、１個の三角柱からなる通常のプリズム（偏向角度はリニアプリズム４と同じとする）に比べて厚みが格段に薄いため、通常のプリズムを配置する場合よりも、装置の薄型化を確実に実現できる。また、光線Ｌ１は、リニアプリズム４から光学プレート３に対して所望の入射角度βで入射するため、光学プレート３での多重反射を低減して、空中映像の劣化を低減することができる。つまり、リニアプリズム４の配置により、装置の薄型化を図りつつ、空中映像の劣化を低減することができる。また、装置の薄型化により、装置の設置の自由度が高くなり、例えば壁掛け設置や天井部への設置も容易となる。

スクリーン２からの光を一方向（ｙ方向）にのみ偏向して光学プレート３に導く偏向光学素子は、上記のリニアプリズム４に限定されるわけではなく、例えばリニアフレネルレンズ（リニアフレネルとも呼ばれる）で構成されてもよい。通常のフレネルレンズは、溝が同心円状に設けられており、透過光は一点に集光するが、リニアフレネルレンズは、溝が平行な直線状に設けられており、透過光は直線上に集光する。このようなリニアフレネルレンズを光学プレート３の光入射側に配置しても、リニアプリズム４と同様に、大きい入射角度で入射する光線を、所望の入射角度に変換して光学プレート３に入射させることができる。これにより、ｚ方向においてスクリーン２を光学プレート３に近づけて配置して、装置の薄型化を図りつつ、空中映像の劣化を低減することができる。

本実施形態で用いたリニアプリズム４は、表面が全て平面で形成されるため、リニアフレネルレンズに比べて加工が容易である。このため、リニアプリズム４を偏向光学素子として用いることで、薄型で空中映像の劣化を低減できる空中映像表示装置１を安価に実現できることが期待される。

また、本実施形態では、リニアプリズム４の平面４ｂがスクリーン２側に位置し、複数の構造体４ａが光学プレート３側に位置するように、リニアプリズム４が配置されている。リニアプリズム４の光入射側が凹凸面であると、その凹凸面での光の散乱による光量低下やゴーストの発生が懸念される。リニアプリズム４の光入射側が平面４ｂであることで、そのような光の散乱による光量低下やゴーストの発生を低減することができる。

図９は、リニアプリズム４の他の構成を示している。リニアプリズム４は、平面４ｂ側に反射防止層４ｃを有していてもよい。反射防止層４ｃは、例えば反射防止コートや、モスアイ型の反射防止フィルムで構成することができる。リニアプリズム４の光入射側に反射防止層４ｃを設けることにより、リニアプリズム４の表面での入射光の全反射を抑えることができ、全反射による光量低下やゴーストの発生を低減することができる。

また、本実施形態では、被対象物として、映像が投影されるスクリーン２を用いている。このため、スクリーン２に投影された映像の実像を空中に結像させる装置において、上述した本実施形態の効果を得ることができる。

被対象物としてスクリーン２を用い、図１のようにリニアプリズム４を配置した構成では、装置のｚ方向の厚みを、リニアプリズムを配置しない図８の構成に比べて２／３程度まで薄型化できることがシミュレーションによりわかった。このときの各パラメータは、以下の通りである。
光学プレート３の有効域（入射光を映像の結像側に反射させる領域）：３５０ｍｍ×３５０ｍｍ
（光学プレート３の各反射面は、鉛直方向（ｙ方向）に対して±４５°で交差）
投影光の光束の中心光線Ｌｃ（図１で一点鎖線の光線）の光路上で、光学プレート３から映像Ｍまでの距離：３００ｍｍ
映像Ｍの中心から観察者の視点までの距離：５００ｍｍ
リニアプリズム４のプリズムピッチＰ（図１０参照）：０．３ｍｍ
リニアプリズム４のプリズム角θ（図１０参照）：２５°
リニアプリズム４の厚みＴ（図１０参照）：２ｍｍ
リニア方向（構造体の延設方向）：水平方向（ｘ方向）
スクリーン２の寸法：縦１００ｍｍ×横１９０ｍｍ（横方向はｘ方向）
リニアプリズム４に対する光線Ｌ１の入射角度α：７８°
光学プレート３からの光線Ｌ１の出射角度γ：５０°
（＝光学プレート３に対する光線Ｌ１の入射角度β）
装置の厚み（ｚ方向）：２００ｍｍ

（空中映像表示装置の他の構成）
図１１は、空中映像表示装置１の他の構成を模式的に示す説明図である。同図のように、空中映像表示装置１は、図１の構成に加えて、リニアプリズム５をさらに備えていてもよい。リニアプリズム５は、光学プレート３から出射される光を偏向して空中（実像の結像位置）に導く第２の偏向光学素子である。すなわち、リニアプリズム４は、光学プレート３に対して実像の結像側に配置される。このリニアプリズム５は、平面５ｂを有し、この平面５ｂに沿って複数の構造体５ａ（プリズム）を並べて形成したものである。

各構造体５ａは、一方向（例えばｘ方向）に同一形状（例えば断面直角三角形）で延びて形成されている。そして、複数の構造体５ａは並列に、つまり、ｘ方向と垂直な方向（例えばｙ方向）に並んで配置されている。各構造体５ａの断面形状やプリズム角は、全て同じであってもよいし、異なっていてもよい。平面５ｂは、例えばｘｙ面と平行に位置しているが、ｘｙ面に対して傾いていてもよい。

リニアプリズム５は、平面５ｂが実像の結像側に位置し、複数の構造体５ａが光学プレート３側に位置するように配置されている。また、リニアプリズム５は、光学プレート３の光出射側で光学プレート３に接するように（各構造体５ａが光学プレート３に当たるように）配置されている。なお、リニアプリズム５は、光学プレート３と実像の結像位置（映像Ｍ）との間の光路中に配置されていればよく、光学プレート３と離れて配置されていてもよい。

リニアプリズム５は、上述したリニアプリズム４と、同一形状であってもよいし、異なる形状であってもよい。ここでは、リニアプリズム４・５は同一形状となっている。そして、リニアプリズム４・５は、光学プレート３に対して対称となるように配置されている。したがって、光学プレート３に対して対称な位置関係にあるリニアプリズム４の構造体４ａと、リニアプリズム５の構造体５ａとでは、プリズム角は同じとなっている。

リニアプリズム５は、複数の構造体５ａが同一形状で延びる一方向（ｘ方向）に垂直な面内（ｙｚ面内）でのみ、光学プレート３から出射される光を偏向する。より詳しくは、リニアプリズム５は、光学プレート３の光出射側の面３ｂから出射される光線の、上記面３ｂの法線を基準とする出射角度が大きくなる側に（つまりｙ方向に）、光学プレート３から出射される光を偏向する。これにより、リニアプリズム４を用いることによって生じる空中映像の伸びを抑えて、さらに良好な空中映像を結像させることができる。以下、この点についてさらに説明する。なお、光学プレート３において、光入射側の面３ａと光出射側の面３ｂとは平行であるため、面３ｂの法線は、面３ａの法線Ｎと方向が同じである（平行や一致する場合も含む）。

図１のように、ｙｚ面内で、リニアプリズム４に入射する光線の入射角度が場所（入射位置）によって異なると、屈折の法則により、光線のリニアプリズム４からの出射角度も、場所によって異なる（空気の屈折率とプリズムの屈折率との比は一定であるため）。すなわち、リニアプリズム４における入射光線の偏向の度合いが、リニアプリズム４のｙ方向の位置で異なる。リニアプリズム４での偏向度合いの大きい光線が映像Ｍの結像位置に導かれると、上記結像位置では、点を表す像が線状に伸びることになり、結果として、映像Ｍがｙｚ面内で図１の矢印の方向（映像Ｍの結像面に沿った方向）に伸びることになる。

光学プレート３の光出射側にリニアプリズム５を配置し、光学プレート３から出射される光線の出射角度が大きくなる側に、リニアプリズム５によって光学プレート３から出射される光を偏向することにより、リニアプリズム４における偏向度合いの入射位置による違いを、リニアプリズム５の偏向特性（偏向度合いの入射位置による違い）で相殺することができる。これにより、上記したｙｚ面内での映像Ｍの伸びを抑えることが可能となる。

第２の偏向光学素子は、上記のリニアプリズム５に限定されるわけではなく、例えばリニアフレネルレンズで構成されてもよい。ただし、リニアプリズム５はリニアフレネルレンズよりも加工が容易であり、空中映像表示装置１を安価に実現できることが期待される。この点では、第２の偏向光学素子は、リニアプリズム５で構成されることが望ましい。

また、リニアプリズム５は、平面５ｂが実像（映像Ｍ）の結像側に位置し、複数の構造体５ａが光学プレート３側に位置するように配置されている。これにより、光学プレート３に対して、リニアプリズム４・５を対称に配置して、上述のように映像Ｍの伸びを抑える構成を実現することが可能となる。

また、光学プレート３に対して対称な位置関係にあるリニアプリズム４の構造体４ａと、リニアプリズム５の構造体５ａとで、プリズム角は同じであるため、光学プレート３に対してスクリーン２と対称な位置に、映像Ｍを結像させる空中映像表示装置１を実現することができる。

図１１の構成においては、薄型でありながら、映像Ｍの伸びを抑えた良好な空中映像を結像させることができることがシミュレーションによりわかった。このときの各パラメータは、以下の通りである。
光学プレート３の有効域（入射光を映像の結像側に反射させる領域）：３５０ｍｍ×３５０ｍｍ
（光学プレート３の各反射面は、鉛直方向（ｙ方向）に対して±４５°で交差）
投影光の光束の中心光線Ｌｃ（図１１で一点鎖線の光線）の光路上で、光学プレート３から映像Ｍまでの距離：３００ｍｍ
映像Ｍの中心から観察者の視点までの距離：５００ｍｍ
リニアプリズム４・５（２個同一仕様）のプリズムピッチＰ：０．３ｍｍ
リニアプリズム４・５（２個同一仕様）のプリズム角θ：２５°
リニアプリズム４・５（２個同一仕様）の厚みＴ：２ｍｍ
リニア方向（構造体の延設方向）：水平方向（ｘ方向）
スクリーン２の寸法：縦８０ｍｍ×横１９０ｍｍ（横方向はｘ方向）
リニアプリズム４に対する光線Ｌ１の入射角度α１：７８°
リニアプリズム５からの光線Ｌ１の出射角度α２：７８°
装置の厚み（ｚ方向）：２００ｍｍ

本発明は、光学プレートを用いて空中に映像を結像させる空中映像表示装置に利用可能である。

１ 空中映像表示装置
２ スクリーン（被対象物）
３ 光学プレート
３ａ 面（光入射側の面）
３ｂ 面（光出射側の面）
４ リニアプリズム（偏向光学素子、第１の偏向光学素子）
４ａ 構造物
４ｂ 平面
４ｃ 反射防止層
５ リニアプリズム（第２の偏向光学素子）
５ａ 構造物
５ｂ 平面
２１ｂ 反射膜（反射面）
３１ｂ 反射膜（反射面）

Claims (9)

1. 平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレートを備え、被対象物からの光を前記複数の反射面で反射させて、該光学プレートに対して前記光の入射側とは反対側の空中に導き、前記被対象物の実像を前記空中に結像させる空中映像表示装置であって、
   前記光学プレートに対して前記被対象物側に配置され、前記被対象物からの光を偏向して前記光学プレートに導く偏向光学素子をさらに備え、
   前記偏向光学素子は、
   一方向に同一形状で延びる構造体が複数並列に形成されて、前記一方向に垂直な面内でのみ、前記被対象物からの光を偏向するとともに、前記光学プレートの光入射側の面に入射する光線の、前記光入射側の面の法線を基準とする入射角度が小さくなる側に、前記被対象物からの光を偏向することを特徴とする空中映像表示装置。
2. 前記偏向光学素子は、リニアプリズムであることを特徴とする請求項１に記載の空中映像表示装置。
3. 前記リニアプリズムは、該プリズムの平面が前記被対象物側に位置し、前記複数の構造体が前記光学プレート側に位置するように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の空中映像表示装置。
4. 前記リニアプリズムは、前記平面側に反射防止層を有していることを特徴とする請求項３に記載の空中映像表示装置。
5. 前記偏向光学素子を、第１の偏向光学素子とすると、
   該空中映像表示装置は、
   前記光学プレートに対して前記実像の結像側に配置され、前記光学プレートから出射される光を偏向して前記実像の結像位置に導く第２の偏向光学素子をさらに備えており、
   前記第２の偏向光学素子は、
   一方向に同一形状で延びる構造体が複数並列に形成されて、前記一方向に垂直な面内でのみ、前記光学プレートから出射される光を偏向するとともに、前記光学プレートの光出射側の面から出射される光線の、前記光出射側の面の法線を基準とする出射角度が大きくなる側に、前記光学プレートから出射される光を偏向することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の空中映像表示装置。
6. 前記第２の偏向光学素子は、リニアプリズムであることを特徴とする請求項５に記載の空中映像表示装置。
7. 前記リニアプリズムは、該プリズムの平面が前記実像の結像側に位置し、前記複数の構造体が前記光学プレート側に位置するように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の空中映像表示装置。
8. 前記第１の偏向光学素子の構造体および前記第２の偏向光学素子の構造体は、ともにプリズムであり、
   前記光学プレートに対して対称な位置関係にある前記第１の偏向光学素子の構造体と、前記第２の偏向光学素子の構造体とで、プリズム角は同じであることを特徴とする請求項７に記載の空中映像表示装置。
9. 前記被対象物は、映像が投影されるスクリーンであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の空中映像表示装置。

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