JP2017032665A - 光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】光源と導光板の端面との間の位置合わせが容易でないこと。
【解決手段】光デバイスは、光源からの光を、出射面に平行な面内で伝播する導光板と、出射面に平行な面内に２次元的に配置され、それぞれ導光板内を伝播する光を偏向して、空間上の像を形成する光を出射面から出射させる複数の光偏向部とを備え、複数の光偏向部のそれぞれが、複数の光偏向部のそれぞれに入射した光を、出射面に平行な面内で導光板の導光方向に直交する方向に像に応じた強度分布を持つ光に広げて出射面から出射させることによって、導光方向に直交する方向に沿って配置された複数の光偏向部からの光の集まりによって、像から発散する方向の光が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光デバイスに関する。

導光板と、導光板の端面に設けられた光源と、導光板の表面側に配置した、パララックスバリア方式又はレンズアレイ方式におけるマスク又はレンズアレイとを備えた、立体視可能な表示装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、二次元画像を表示する画像表示面を備えた表示部と、画像表示面に離間して配置されたマイクロレンズアレイとから構成され、画像表示面から出射される光をマイクロレンズアレイの表示部とは反対側に位置する空間中の結像面に結像して、立体的二次元画像を表示する立体的二次元画像表示装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特許文献１ 特開２０１２−００８４６４号公報
特許文献２ 特開２００１−２５５４９３号公報

従来、立体像を表示するために、マスク又はレンズアレイ等の光学部材を必要とするという課題があった。立体像をきちんと表示するためには、マスク又はレンズアレイ等の光学部材と、導光板やカラー液晶表示装置等の光学部材とを厳密に位置合わせする必要がある。また、導光板を用いて立体像を提供できる範囲を広げることが容易でないという課題があった。

第１の態様においては、光デバイスは、光源からの光を、出射面に平行な面内で伝播する導光板と、出射面に平行な面内に２次元的に配置され、それぞれ導光板内を伝播する光を偏向して、空間上の像を形成する光を出射面から出射させる複数の光偏向部とを備え、複数の光偏向部のそれぞれが、複数の光偏向部のそれぞれに入射した光を、出射面に平行な面内で導光板の導光方向に直交する方向に像に応じた強度分布を持つ光に広げて出射面から出射させることによって、導光方向に直交する方向に沿って配置された複数の光偏向部からの光の集まりによって、像から発散する方向の光が形成される。

第２の態様においては、光デバイスは、光源からの光を、出射面に平行な面内で伝播する導光板と、出射面に平行な面内に２次元的に配置され、それぞれ導光板内を伝播する光を偏向して出射面から出射させる複数の光偏向部とを備え、複数の光偏向部のそれぞれが、複数の光偏向部のそれぞれに入射した光を、像に応じた強度分布の光に２次元的に広げて出射面から出射させることによって、同一直線上にない３つ以上の光偏向部からの光の集まりによって、像から発散する方向の光が形成される。

複数の光偏向部のそれぞれは、導光板の表面又は内部に設けられ、反射、屈折又は回折させる、出射面に対して傾いた偏向面の１つ又は複数の集合を有してよい。

偏向面の少なくとも１つは、異なる方向を向く複数の平面又は曲面を有してよい。

偏向面のうちの少なくとも１つは、出射面に平行な面に投影した場合に、導光板の導光方向に直交する方向に延伸する、折れ線又は曲線の形状を持ってよい。

複数の光偏向部の少なくとも一部は、出射面に平行な面に投影した場合に、線形状で延伸する複数の偏向面を有してよい。

複数の光偏向部のうちの少なくとも一部は、出射面に平行な面に投影した場合に、曲線の形状で延伸する複数の偏向面と、直線形状の１以上の偏向面とを有してよい。

複数の光偏向部のうちの少なくとも一部は、像に対応する位置に配されたフレネルレンズの一部を形成する偏向面を有してよい。

複数の光偏向部のうちの少なくとも一部は、出射面に平行な面に投影した場合に、１つの円弧に沿う形状を持つ１以上の偏向面を有してよい。

導光板の出射面又は出射面とは反対側の面には、入射した光を、像を包含する範囲に広げて出射面から出射させる複数の偏向面が実質的に一様に形成されており、光デバイスは、一様に設けられた複数の偏向面のうちの一部の偏向面に設けられた光反射材をさらに備え、一様に形成された複数の偏向面のうち、光反射材が設けられた偏向面によって、複数の光偏向部のうちの少なくとも一部が形成されてよい。

複数の光偏向部のうちの少なくとも一部の光偏向部を有し、出射面又は出射面とは反対側の面に配設された光学部材をさらに備えてよい。

導光板の出射面又は出射面とは反対側の面には、入射した光を、像を包含する範囲に広げて出射面から出射させる複数の偏向面が実質的に一様に形成されており、光デバイスは、導光板の屈折率と実質的に同じ屈折率を持ち、一様に設けられた複数の偏向面のうちの一部の偏向面に接する面を持つ光学部材をさらに備え、一様に設けられた複数の偏向面のうち、光学部材の面と接していない偏向面によって、複数の光偏向部のうちの少なくとも一部が形成されてよい。

複数の光偏向部のうちの少なくとも一部は、出射面に平行な面に投影した場合に、光源側に曲率中心を持つ円弧に沿う形状の偏向面を有してよい。

光源をさらに備えてよい。

なお、上記の発明の概要は、本発明の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。

光デバイスの一実施形態における表示装置１０を、空間上に形成される像と共に概略的に示す。 表示装置１０のｙｚ平面の断面を概略的に示す。 光偏向部３０が有する光素子３１の一例を概略的に示す。 特定の観察位置に向かう光を提供する光偏向部３０を模式的に示す。 光偏向部３０の変形例としての光偏向部３０Ａを模式的に示す斜視図である。 光偏向部３０の変形例としての光偏向部３０Ｂを模式的に示す。 光偏向部３０の変形例としての光偏向部３０Ｃを模式的に示す。 光偏向部３０の変形例としての光偏向部３０Ｄを模式的に示す。 光偏向部３０Ａの変形例としての光偏向部３０Ｇを形成する方法を説明する図である。 光偏向部３０Ａの変形例としての光偏向部３０Ｇを形成する方法を説明する図である。 表示装置１０の変形例としての表示装置１０Ａの一例を模式的に示す。 光偏向部３０の配置例を模式的に示す。 光素子３１の形状の他の例を模式的に示す。 ｘｙ面内における光素子３１の配置例を模式的に示す。 光素子３１の反射面の形状の他の例を模式的に示す。 光素子３１の反射面の形状の他の例を模式的に示す。 光素子３１の反射面の形状の他の例を模式的に示す。 反射面４０の面積による出射光量の違いを説明する図である。 入射光調節部５０の変形例としての導光板５３及びレンズ５１を模式的に示す。 表示装置１０の変形例としての表示装置１０Ｂの一例を立体像６Ｂとともに模式的に示す。 表示装置１０Ｂのｘｙ面内の平面図である。 表示装置１０Ｂによって投影される面３００内の立体像６Ｂを模式的に示す。 光偏向部３０Ｂｂの形状を模式的に示す。 光偏向部３０Ｂｂの変形例を模式的に示す。 光偏向部３０Ｂｂの変形例を模式的に示す。 光学面３８０に生じるダレ４４０を模式的に示す。 表示装置１０Ｂの変形例としての表示装置１０Ｃの一例を模式的に示す。 。 表示装置１０Ｂの変形例としての表示装置１０Ｄのｘｙ平面図の一例である。

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は、一実施形態における表示装置１０を、空間上に形成される像と共に概略的に示す。実施形態の説明に用いる図面は、分かり易く説明することを目的として、概略的又は模式的である場合がある。また、図面は、実際のスケールで描かれていない場合がある。また、立体像を含む図面は、空間に形成される像の位置を分かり易く示すために、必ずしも観察者の位置から見た場合の図ではなく、観察者とは異なる位置から見た図を示す場合がある。

表示装置１０は、光を出射する出射面７１を有する。表示装置１０は、出射面７１から出射する光によって、空間中に立体像としての像６を形成する。像６は、ユーザによって、立体的に認識される。なお、立体像とは、表示装置１０の出射面７１とは異なる位置にあるように認識される像をいう。立体像とは、例えば、表示装置１０の出射面７１から離れた位置に認識される２次元像も含む。つまり、立体像とは、立体的な形状として認識される像だけでなく、表示装置１０の表示面上とは異なる位置に認識される２次元的な形状の像も含む概念である。本実施形態において、立体像６は、出射面７１よりｚ軸プラス側に位置する面２００内の「Ａ」の字の像である。面２００は、ｘｙ面に平行な面である。

表示装置１０は、導光板７０と、光源２０と、入射光調節部５０とを備える。導光板７０は、透明で屈折率が比較的に高い樹脂材料で成形される。導光板７０を形成する材料は、例えばポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート樹脂（ＰＭＭＡ）、ガラス等であってよい。

導光板７０は、出射面７１とは反対側の背面７２とを有する。導光板７０は、導光板７０の四方の端面である端面７３、端面７４、端面７５及び端面７６を有する。端面７４は、端面７３とは反対側の面である。端面７６は、端面７５とは反対側の面である。光源２０からの光は、端面７３を介して導光板７０に入射する。導光板７０は、光源２０からの光を出射面７１に平行な面内で面状に広げて、端面７３から端面７４に向かう方向に導く。

実施形態の説明において、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の右手系の直交座標系を用いる場合がある。ｚ軸方向を、出射面７１に垂直な方向で定める。背面７２から出射面７１への向きをｚ軸プラス方向と定める。また、ｙ軸方向を、端面７３に垂直な方向で定める。端面７３から端面７４への向きをｙ軸プラス方向と定める。ｘ軸は、端面７５及び端面７６に垂直な方向であり、端面７５から端面７６への向きをｘ軸プラス方向と定める。なお、記載が冗長にならないよう、ｘｙ平面に平行な面のことをｘｙ面、ｙｚ平面に平行な面のことをｙｚ面、ｘｚ平面に平行な面のことをｘｚ面と呼ぶ場合がある。

光源２０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。光源２０からの光は、入射光調節部５０において調整されて、導光板７０への入射光として端面７３に入射する。

導光板７０の背面７２には、光偏向部３０ａ、光偏向部３０ｂ及び光偏向部３０ｃを含む、互いに異なる位置に設けられた複数の光偏向部３０が設けられている。光偏向部３０は、ｘｙ面内において２次元的に設けられる。例えば、光偏向部３０は、ｘｙ面内においてマトリクス状に設けられる。光偏向部３０には、導光板７０によって導かれている光が入射する。

光偏向部３０ａ、光偏向部３０ｂ及び光偏向部３０ｃは、それぞれ導光板７０内を伝播する光を偏向して、それぞれ立体像６を描く光を出射面７１から出射させる。具体的には、光偏向部３０ａは、立体像６の各位置に向かう光を、出射面７１から出射させる。光偏向部３０ａは、導光板７０によって導かれている光を偏向してｘｙ面内及びｙｚ面内で広げて、立体像６の各位置に向かわせる。図１には、光偏向部３０ａからの光が、立体像６のいくつかの位置に向けて広がっていく様子が示されている。光偏向部３０ｂ及び光偏向部３０ｃ並びに光偏向部３０の他の光偏向部３０のそれぞれも同様である。光偏向部３０のそれぞれは、背面７２内において微小な領域を占める。光偏向部３０のそれぞれは、立体像６をｘｙ面内に投影した場合に占める面積より小さい。立体像６は、それぞれが立体像６内の各位置に向けて光を広げる多数の光偏向部３０からの光によって、形成される。すなわち、多数の光偏向部３０からの光が、立体像６から発散する方向の光を形成する。なお、立体像６を形成する光は、同一直線上にない少なくとも３つの光偏向部３０によって提供されてよい。すなわち、光偏向部３０のそれぞれは、光偏向部３０のそれぞれに入射した光を、立体像６に応じた強度分布の光に２次元的に広げて出射面から出射させる。これにより、同一直線上にない３つ以上の光偏向部３０からの光が、立体像６に結像する。このようにして、表示装置１０は空間上に立体像を投影する。表示装置１０によれば、同一直線上にない複数の光偏向部３０からの光束の集まりによって、立体像６から発散する光束を観察者側に提供できる。そのため、観察者はｘ軸方向及びｙ軸方向のどちらの方向から見ても立体像６を認識できる。

図２は、表示装置１０のｙｚ平面の断面を概略的に示す。図３は、光偏向部３０が有する光素子３１の一例を概略的に示す。

光源２０は、例えばＬＥＤ２１を有する。ＬＥＤ２１は、ｘ軸方向に沿って複数設けられる。ＬＥＤ２１の出射光の光軸は、出射面７１に対して角度θをなす。例えば、ＬＥＤ２１の出射光の光軸と、出射面７１とがなす狭角θは、約２０°である。ＬＥＤ２１の出射光は、入射光調節部５０に入射する。

入射光調節部５０は、レンズ５１を有する。レンズ５１は、ｘ軸方向に沿って、複数のＬＥＤ２１に対応して１対１に設けられる。レンズ５１のそれぞれは、対応するＬＥＤ２１の出射光の光軸に沿う方向の光の広がりを小さくする。レンズ５１は、ＬＥＤ２１からの出射光を平行光に近づける。例えば、レンズ５１は、ＬＥＤ２１からの出射光のｘｙ面内における広がり角を低減する。また、レンズ５１は、ＬＥＤ２１からの出射光のｙｚ面内における広がり角を低減する。これにより、導光板７０には、平行光により近づけた光を入射することができる。

これにより、ｘｙ面内において、導光板７０によって導かれて導光板７０内の各位置を通過する光束は、導光板７０内の各位置と光源２０とを結ぶ方向を中心として、所定値より小さい角度で各位置から広がりながら進む光束となる。本明細書において、導光板内又は導光板外のある点を通過して進む光束をその点から出力された光とみなした場合の光の広がりのことを、単に「光の広がり」等と呼ぶ。また、その光の広がりの角度のことを、単に「広がり角」等と呼ぶ。広がり角とは、角度方向の光強度分布において、光強度が最大値の半分となる角度の幅（半値全幅）であってよい。導光板７０によって導かれている光の広がり角は、５°以下であってよい。光の広がり角は、望ましくは１°未満であってよい。ｘｙ面内に投影した場合における光の広がり角が、５°以下であってよく、望ましくは１°未満であってよい。また、ｙｚ面内に投影した場合における光の広がり角も、５°以下であってよく、望ましくは１°未満であってよい。

図２及び図３に示されるように、光偏向部３０ａは反射面４０ａを有する。また、光偏向部３０ａは、反射面４０ｂと、反射面４０ｃと、反射面４０ｄと、反射面４０ｅとを有する。反射面４０は、光を偏向する偏向面として機能する光学面の一例である。反射面４０ａ、反射面４０ｂ、反射面４０ｃ、反射面４０ｄ及び反射面４０ｅは、異なる方向を向く曲面である。なお、上述したように、ＬＥＤ２１の光軸を出射面７１に対してｙｚ面内で角度θ傾けて設けている。そのため、導光板７０への入射光が平行光に近い場合でも、入射光の光軸がｙ軸に平行である場合と比べて、出射面７１と背面７２とで反射を繰り返しながら導光板７０内を伝搬する光量を増やすことができる。したがって、入射光の光軸がｙ軸に平行である場合と比べて、反射面４０に入射する光量を増やすことができる。

反射面４０ａは、反射面４０ａに入射した光を、反射面４０ａの入射位置に応じて、出射面７１から異なる出射角で出射させる。反射面４０ａは、反射面４０ａに入射した光を、立体像６のうちの辺６１の範囲に広げる。本実施形態において、辺６１は、ｙ軸に平行な辺である。反射面４０ａからの反射光は、辺６１が存在する方向に向かい、反射面４０ａから辺６１が存在しない方向に向かう光は実質的に存在しない。したがって、反射面４０ａから反射光は、ｙｚ面内において、反射面４０ａから辺６１に向かう角度にのみ実質的に反射光を分布させる。このように、ｙｚ面内において、反射面４０ａは、入射した光を角度方向に強度変調して出射する。反射面４０ａは曲面であるので、反射面４０ａへの入射光が平行光である場合でも、像を描画する線を形成するための光を提供することができる。

また、反射面４０ｂは、反射面４０ｂに入射した光を反射して、反射した光を立体像６の辺６２の範囲に広げる。辺６２は、Ａの文字を形成するｙ軸マイナス側の辺のうち、辺６１との交点と、最もｘ軸プラス側の端点との間の辺である。また、反射面４０ｃは、反射面４０ｃに入射した光を反射して、反射した光を立体像６の辺６３の範囲に広げる。辺６３は、Ａの文字を形成するｙ軸プラス側の辺のうち、辺６１との交点と、ｘ軸方向で最もプラス側の端点との間の辺である。反射面４０ｄは、反射面４０ｄに入射した光を反射して、反射した光を立体像６の辺６４の範囲に広げる。辺６４は、Ａの文字を形成するｙ軸マイナス側の辺のうち、辺６１との交点と、最もｘ軸マイナス側の端点との間の辺である。また、反射面４０ｅは、反射面４０ｅに入射した光を反射して、反射した光を立体像６の辺６５の範囲に広げる。辺６５は、Ａの文字を形成するｙ軸プラス側の辺のうち、辺６１との交点と、最もｘ軸方向マイナス側の端点との間の辺である。反射面４０ｂ、反射面４０ｃ、反射面４０ｄ及び反射面４０ｅはいずれも曲面であるので、各反射面４０への入射光が平行光である場合でも、像を描画する線を形成するための光を提供することができる。

このように、反射面４０ａは、入射した光を、少なくともｚ軸方向に辺６１の像に応じた強度分布を持つ光に広げて出射させる。反射面４０ｂは、入射した光を、少なくともｘ軸方向に辺６２の像に応じた強度分布を持つ光に広げて出射させる。反射面４０ｃは、入射した光を、少なくともｘ軸方向に辺６３の像に応じた強度分布を持つ光に広げて出射させる。反射面４０ｄは、入射した光を、少なくともｘ軸方向に辺６４の像に応じた強度分布を持つ光に広げて出射させる。反射面４０ｅは、入射した光を、少なくともｘ軸方向に辺６５の像に応じた強度分布を持つ光に広げて出射させる。このように、光偏向部３０ａは、立体像６における線に向けて反射する複数の反射面を持ち、入射した光を、立体像６に応じて２次元的又は２方向に強度変調して、出射面７１から出射させる。これにより、１つの光偏向部３０ａが、立体像６の実質的に全体を通過する光束を提供する。

光偏向部３０ｂは反射面４１ｂを有する。反射面４１ｂは、反射面４０ａと同様に、反射面４１ｂに入射した光を、反射面４１ｂの入射位置に応じて、出射面７１から異なる出射角で出射する。具体的には、反射面４１ｂは、反射面４１ｂで反射した光を、立体像６のうちの辺６１の範囲に広げる。なお、図３では、反射面４０ａ及び反射面４１ｂについてのみ示したが、光偏向部３０のそれぞれは、入射した光を辺６１の範囲に広げる反射面を有する。また、光偏向部３０のそれぞれは、光偏向部３０ａと同様に、立体像６における線に向けて反射する複数の反射面を持つ光素子を持つ。そして、光偏向部３０のそれぞれは、入射した光を、立体像６に応じて２次元的又は２方向に強度変調して、出射面７１から出射させる。このように、光偏向部３０のぞれぞれは、立体像６の実質的に全体を通過する光束を提供する。

なお、出射面７１からの出射光は、実際には、出射面７１において屈折する。そのため、光偏向部３０は実際には、出射面７１における屈折を考慮して設計される。しかし、本実施形態では、分かり易く説明することを目的として、出射面７１で屈折が生じないとして説明する。

図４は、特定の観察位置に向かう光を提供する光偏向部３０を模式的に示す。例えば、辺６２を形成する光は、光偏向部３０ｅ内の特定の反射面と、光偏向部３０ｆ内の特定の反射面からの光によって提供され、光偏向部３０ｄ及び光偏向部３０ｇによっては提供されない。このように、特定の観察位置から見た場合、立体像６の特定の部位は、複数の光偏向部３０内のうちの特定の光偏向部３０内の特定の部位からの光によって形成される。

表示装置１０によれば、ｘｙ面内に２次元的に設けられた複数の光偏向部３０のそれぞれが、立体像６の各部位を通過する光を提供する。そのため、立体像を視認できる範囲が広がる。また、ｘｙ面内の特定箇所から、立体像６全体の部位を通過する光を提供できるので、立体像を点ではなく面で形成し得る。

図５は、光偏向部３０の変形例としての光偏向部３０Ａを模式的に示す斜視図である。光偏向部３０Ａは、全体として凸形状の反射面を持つ。光偏向部３０Ａは、導光板７０の背面７２に設けられる。光偏向部３０Ａの凸形状の反射面は、導光板７０内を導光する光を偏向して、立体像６を包含する面２００を通過する光束が出射面７１から出射されるように、形成される。

光偏向部３０Ａにおいて、「Ａ」の文字に対応する部分を除いて、反射防止膜１１０が形成されている。光偏向部３０Ａにおいて、反射防止膜１１０が形成された部位に入射した光は実質的に反射しない。光偏向部３０Ａにおいて反射防止膜１１０が形成されていない部位に入射した光だけが実質的に反射する。これにより、光偏向部３０Ａは、入射した光を偏向して、Ａの字の立体像６を通過する光束を出射面７１から出射させる。反射防止膜１１０は、例えば、背面７２において「Ａ」の文字に対応する領域を除いて黒塗料を塗ることによって形成されてよい。反射防止膜１１０は、「Ａ」の文字に対応する領域を除いて黒塗料を印刷することによって形成されてよい。導光板７０に凸部を形成した後に黒塗料を印刷することで光偏向部３０Ａを形成できるので、光偏向部の製造が容易になる。

図６は、光偏向部３０の変形例としての光偏向部３０Ｂを模式的に示す。図６（ａ）は、光偏向部３０Ｂの斜視図であり、図６（ｂ）は、Ｃ−Ｃ部のｙｚ断面である。光偏向部３０Ｂは、「Ａ」の文字に対応する部分領域に形成された複数の反射面１２０を持つ。「Ａ」の文字に対応する部分領域以外の領域には、反射面は形成されていない。光偏向部３０Ｂにおいて反射面１２０が形成されていない領域に入射した光は実質的に反射しない。一方、光偏向部３０Ｂは、反射面１２０が形成された部位に入射した光を偏向させて、立体像６を通過する光束を出射面７１から出射させる。

図７は、光偏向部３０の変形例としての光偏向部３０Ｃを模式的に示す。光偏向部３０Ｃは、別個の位置に設けられた複数の光素子３１Ｃを有する。各光素子３１Ｃは、それぞれ単一平面の反射面を持つ。各光素子３１Ｃがそれぞれ有する反射面は、入射した光を、立体像６のうちの互いに異なる点に向けて光を反射する。

なお、光素子３１は、全て別個に設けられてよいし、一部が接して設けられてもよい。また、光素子３１の配置パターンは、光偏向部３０が設けられる位置によって異なってよい。

図８（ａ）は、光偏向部３０の変形例としての光偏向部３０Ｄを模式的に示す断面図である。導光板７０の背面７２には、全体として複数の反射面が一様に形成されている。

背面７２には、光学部材１４０が設けられる。光学部材１４０は、導光板７０と屈折率が実質的に同じ材料で形成されている。光学部材１４０が背面７２と対向する面には、背面７２に形成された反射面と接する光学面を持つ。光学部材１４０は、背面７２のうち、立体像６の「Ａ」の文字に対応しない領域以外の領域に設けられ、立体像６の「Ａ」の文字に対応する領域には設けられていない。光偏向部３０Ｄは、背面７２に形成された反射面のうち、光学部材１４０が設けられていない部分の反射面によって提供される。

背面７２のうち、光学部材１４０と接した領域に入射した光は、背面７２を通過する。すなわち、光学部材１４０と接した領域に入射した光は、出射面７１から出射する向きには偏向されない。一方、背面７２のうち光学部材１４０と接していない領域に入射した光は偏向されて出射面７１から出射し、立体像６の各部位を通過する光束となる。

図８（ｂ）は、光偏向部３０の変形例としての光偏向部３０Ｅを模式的に示す断面図である。導光板７０の背面７２には、全体として複数の反射面が形成されている。

背面７２には、光学部材１７０が設けられる。光学部材１７０は、導光板７０と屈折率が実質的に同じ材料で形成されている。光学部材１７０が背面７２と対向する面には、背面７２に形成された反射面と接する光学面を持つ。光学部材１７０のうち、立体像６の「Ａ」の文字に対応する領域には、反射膜１６０が設けられている。立体像６の「Ａ」の文字に対応する領域以外の領域には、反射膜は設けられていない。光偏向部３０Ｅは、背面７２に形成された反射面のうち、光学部材１７０に設けられた反射膜１６０と接する部分の反射面によって提供される。

背面７２のうち、反射膜１６０と接していない領域に入射した光は、背面７２を通過する。すなわち、反射膜１６０と接していない領域に入射した光は、出射面７１から出射する向きには偏向されない。一方、背面７２のうち反射膜１６０と接する領域に入射した光は偏向されて出射面７１から出射し、立体像６の各部位を通過する光束となる。なお、反射膜１６０は、銀蒸着膜、アルムニウム蒸着膜、銀めっき膜、クロムめっき膜等であってよい。光偏向部３０Ｅのそれぞれにおいて、反射膜１６０の反射率は、対応する像の位置によって互いに異なってよい。これにより、輝度に違いを持つ像を形成することができる。また、反射膜１６０は、特定の色を選択的に反射してよい。これにより、色を持つ像を形成することができる。また、光偏向部３０Ｅのそれぞれにおいて、反射膜１６０が選択的に反射する光の色は、対応する像の位置によって互いに異なってよい。これにより、複数の色を持つ像を形成することができる。なお、導光板７０及び光学部材１７０を、１つの導光板とみなすことができる。この場合、複数の光偏向部３０は、導光板７０の内部に設けられることになる。

図８（ｃ）は、光偏向部３０の変形例としての光偏向部３０Ｆを模式的に示す断面図である。導光板７０の背面７２には、立体像６の「Ａ」の文字に対応する領域に、光学部材１９０が設けられる。光学部材１９０は、背面７２に接する面の反対側の面に、複数の反射面を有する。光学部材１９０に入射した光は、複数の反射面によって偏向されて、出射面７１から出射し、立体像６の各部位を通過する光束となる。

図９、図１０（ａ）、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）は、光偏向部３０Ａの変形例としての光偏向部３０Ｇを形成する方法を説明する図である。光偏向部３０Ｇは、フレネルレンズの一部によって提供される。

導光板７０の背面７２には、フレネルレンズを形成する光学面を、光偏向部３０単位で設ける。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、光偏向部３０のうちの１つの光偏向部３０Ｇに、フレネルレンズが形成された状態を示す。光偏向部３０のそれぞれのフレネルレンズは、導光板７０内を導光する光を偏向して、立体像６を包含する面２００を通過する光束が出射面７１から出射されるように、形成される。

続いて、図１０（ｃ）に示されるように、導光板７０の背面７２側に、立体像６の「Ａ」の字に対応する領域以外の領域に、反射防止膜２１０が形成される。例えば、「Ａ」の文字に対応する領域以外の領域に黒塗料を印刷することによって反射防止膜２１０を形成してよい。これにより、「Ａ」の字に対応するフレネルレンズの一部の領域に入射した光のみが実質的に偏向されて、立体像６の位置を通過する光束となって、出射面７１から出射される。導光板７０にフレネルレンズの光学面を形成した後に黒塗料を印刷することで光偏向部３０を形成できるので、光偏向部の製造が容易になる。

図１１は、表示装置１０の変形例としての表示装置１０Ａの一例を模式的に示す。表示装置１０Ａは、出射面７１とは反対側の空間に擬似的に立体像を投影する。ここでは、出射面７１に平行な面２４０内に位置する立体像を形成する場合を取り上げて説明する。

図１１には、互いに異なる光偏向部３０に属する反射面４２ａ及び反射面４２ｂが示されている。図１１の辺６１Ａは、立体像を形成する１つの線である。例えば、辺６１Ａは、立体像６の辺６１に対応する。

反射面４２ａに入射した光は、反射面４２ａに入射する位置によって、異なる角度で偏向されて出射面７１から出射する。具体的には、反射面４２ａは、反射面４２ａに対して辺６１Ａが対称な辺６６の位置に向かう光を出射面７１から出射させる。例えば、反射面４２ａは、入射した光を、辺６２のｙ軸マイナス側の端点と光の入射点とを結ぶ線に沿う方向に反射する。また、反射面４２ａは、入射した光を、辺６２のｙ軸プラス側の端点と光の入射点とを結ぶ線に沿う方向に反射する。このように、反射面４２ａは、辺６１Ａ上の任意の点と反射面４２ａとを結ぶ方向の光束を提供できる。これにより、反射面４２ａは、辺６１Ａから生じる光束と同様の光束を提供できる。反射面４２ｂも同様に、辺６１Ａ上の点と反射面４２ｂとを結ぶ方向の光束を提供できる。このように、出射面７１とは反対側の空間の像を形成する場合、光偏向部に対して像が点対称をなす位置に出射光が向かうように、光偏向部の反射面を形成すればよい。背面７２側の空間に立体像を形成する場合も、出射面７１側の空間に立体像６を形成する場合と同様に、背面７２側の立体像に応じた強度分布の光を出射する３つ以上の光偏向部からの光によって、背面７２側の立体像から発散する方向の光を形成する。このように、表示装置１０Ａによれば、２次元的に配置された複数の光偏向部からの光束の集まりによって、背面７２側の立体像から発散する方向の光束を観察者側の空間に提供できる。

以上において、表示装置１０および表示装置１０Ａが、出射面７１に平行な面内に形成される立体像を提供する場合を取り上げて説明した。しかし、立体像を形成する位置は、出射面７１に平行な面内に限られない。

また、上述したように、光偏向部３０は、ｘｙ面内においてマトリクス状に配列される。例えば、光偏向部３０は、ｘ軸方向に等ピッチで設けられるとともに、ｙ軸方向にも等ピッチで設けられる。光偏向部３０のｘ軸方向のピッチは、ｙ軸方向のピッチと同じであってよいし、異なってもよい。光偏向部３０のｘ軸方向のピッチは、ｙ軸方向のピッチより小さくてよい。光偏向部３０のｘ軸方向のピッチを、ｙ軸方向のピッチより小さくした場合には、ｘ軸方向における立体像６を形成する点の密度が高まる。そのため、立体像６を形成する複数の点がｘ軸方向につながって、線のように認識され易くなる。これにより、観察者は線の両端を容易に認識できるので、立体像６の形状を認識し易くなる。

また、光偏向部３０のピッチは、ｘｙ面内で異なってもよい。光偏向部３０のピッチをｘｙ面内で異ならせることで、立体像６の解像度を領域毎に調節することができる。また、光偏向部３０は、周期的に設けられていなくてもよい。光偏向部３０は、ｘｙ面内でランダムに設けられてよい。なお、観察者によって表示装置１０が透明と認識されるようにするためには、光素子３１のパターン密度は、５０％以下であることが望ましい。光素子３１のパターン密度は、１０％以下であることがより望ましい。

図１２（ａ）は、光偏向部３０をストライプ状に設けた配置例を模式的に示す。この配置例では、光偏向部３０は、ｘ軸方向及びｙ軸方向に整列して設けられるが、光偏向部３０のｘ軸方向のピッチは、光偏向部３０のｙ方向のピッチより小さい。

図１２（ｂ）は、光偏向部３０をジグザグ状に設けた配置例を模式的に示す。例えば、ｘ軸方向を「行」とした場合、各行における光偏向部３０のピッチは同一である。ｙ軸方向に隣接する光偏向部３０の行の間では、光偏向部３０はｘ軸方向の位置がシフトして設けられる。例えば、隣接する行の間における光偏向部３０のｘ軸方向のシフト量は、行方向の光偏向部３０のピッチの半分である。

図１３は、光素子３１の形状の他の例を模式的に示す。図１３（ａ）は、光素子３１の斜視図を示す。図１３（ｂ）は、反射面４０をｘｙ面に投影した場合を示す。反射面４０をｘｙ面に投影した場合、反射面４０の外形を画定するｙ軸プラス方向の外形線及びｙ軸マイナス方向の外形線は、同心円の円弧を持つ。なお、ｘｙ面に投影した反射面４０のｙ軸マイナス側の外形線を前側外形線と呼び、ｙ軸プラス方向の外形線を後側外形線と呼ぶ場合がある。反射面４０の前側外形線及び後側外形線は、同心円の円弧である。

図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示す光素子３１をｚｙ面に平行な平面で切断した場合、反射面４０との交線は直線である。しかし、前側外形線及び後側外形線は曲線であるので、図１３の反射面４０は曲面である。そのため、像の少なくとも一部を形成する線又は面を形成するための光を、１つの反射面４０によって提供することができる。

図１４は、ｘｙ面内における光素子３１の配置例を模式的に示す。図１４（ａ）は、光偏向部３０において、複数の光素子３１がｙ軸方向に沿って整列して設けられた配置例を示す。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の変形例として、ｙ軸方向に整列した光素子３１をｙ軸方向に沿って順に見た場合に、ｘ軸方向に一定量ずつシフトして設けた配置例を示す。図１４（ｃ）は、ｘ軸方向に１つの光素子３１として連続して設けられた配置例を示す。図１４（ｃ）は、ｘ軸方向に隣接し合う光素子の端部を接続して、１つの光素子として設けたものである。図１４（ｃ）において点線で示す位置が、隣接し合う光素子のｘ軸方向の端部に対応する。

図１５は、光素子３１の反射面の形状の他の例を模式的に示す。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）は、ｘｙ面内に投影した反射面４０の形状を示す。図１５（ａ）に示す反射面４０は、前側外形線及び後側前側外形線が第１の曲率の同心円の円弧である反射面部分と、前側外形線及び後側前側外形線が第２の曲率の同心円の円弧である反射面部分とがｘ軸方向に連続する形状を持つ。図１５（ｂ）に示す反射面４０は、前側外形線及び後側前側外形線が同心円の円弧である反射面を分割して、複数の部分に分離して設けたものである。

図１６は、光素子３１の反射面の形状の他の例を模式的に示す。図１６（ａ）は、光素子３１の斜視図を示す。図１６（ｂ）は、光素子３１の反射面４０をｘｙ面に投影した場合を示す。光素子３１は、法線方向が互いに異なる３つの平面で形成される。反射面４０をｘｙ面に投影した場合、前側外形線及び後側前側外形線はそれぞれ、延伸方向が異なる３つの折れ線で形成される。図１６に示す反射面４０は平面であるので、各反射面４０に入射した光は、互いに異なる３つの方向に向かう。そのため、図１６に示す光素子３１は、像の一部である３点を形成するための光を提供することができる。

図１７は、光素子３１の反射面の形状の他の例を模式的に示す。図１７（ａ）及び図１７（ｂ）に示す光素子３１の反射面４０は、図１３（ａ）に示す光素子３１と異なり、反射面４０のｚ軸プラス側の縁部のｚ軸方向の高さが異なる。反射面４０をｘｚ面に投影した場合、ｚ軸プラス側の縁部は、ｘ軸方向に連続的に変化する。ｙｚ平面に平行な面で反射面４０を切断した場合の反射面４０の直線の長さは、ｘ軸方向に沿って変化する。そのため、反射面４０による反射光の強度は、ｘ軸方向に沿って変化する。そのため、図１７（ａ）及び図１７（ｂ）に示す光素子３１によれば、輝度がｘ方向に変化する線の像を形成するための光を提供することができる。

図１７（ｃ）は、ｘｙ面内における光素子３１の配置例を模式的に示す。光素子３１はそれぞれ、前側外形線及び後側前側外形線が同心円の円弧である曲面の反射面（例えば、反射面４１ａ）を持つ複数の光素子と、平面の反射面（例えば、反射面４１ｂ）を持つ光素子とを含む。平面の反射面を持つ光素子は、曲面の反射面を持つ光素子より、単位面積あたりで比較的に高い強度の反射光を提供できる。そのため、図１７（ｃ）に示すような光素子の配置によれば、平面の反射面から出射される方向だけ光の強度が高まる。これにより、輝度が比較的に高い点を持つ像を形成するための光を提供することができる。図１７（ａ）、図１７（ｂ）及び図１７（ｃ）に示す光素子３１によれば、入射した光を、強度分布が角度方向に連続的又は段階的に変化する光に広げて、出射面７１から出射させることができる。

図１８は、反射面４０の面積による出射光量の違いを説明する図である。図１８（ａ）は、反射面４０をｘｙ平面に投影した場合の形状を示す。図１８（ａ）に示す３つの反射面は、外形線の曲率が互いに異なり、ｙ軸方向の長さが互いに異なる。ｙ軸方向の長さは、ｙｚ平面に平行な面と反射面４０とが交わる直線の長さに比例する。ｙｚ平面に平行な面と反射面４０との交線の直線の長さが長いほど、出射光量が大きくなる。図１８（ａ）に示されるように、基準となる反射面による出射光量を１とすると、交線の長さが２倍の反射面からは２倍の出射光量が得られ、像における対応する部位の輝度も２倍となる。また、交線の長さが４倍の反射面からは、４倍の出射光量が得られ、像における対応する部位の輝度も４倍となる。このように、交線の長さが異なる反射面を持つ光素子によって、像の領域毎に輝度を調節することが可能になる。一般に、交線の長さがｎ種類の複数の光素子を用いれば、少なくともｎ階調の階調表示を行うことが可能になる。交線の長さが任意の基数（例えば、２）の冪となるｎ種類の複数の光素子の組み合わせによって、２^ｎ階調の階調表示を行うことが可能になる。ここで、ｎは２以上の任意の正の数である。図１８に示すように面積が異なる反射面４０を用いることで、入射した光を、像の位置に応じて階調が連続的又は段階的に変化する光に広げて、出射面７１から出射させることができる。なお、階調表示を行うことができる複数の導光板を用いて、各導光板に互いに異なる色（例えば、赤、青及び緑の３色）の光を入射することによって、カラー表示を行うこともできる。

図１８（ｂ）は、交線の長さが異なる複数の反射面を組み合わせて、出射光量を調節する場合の配置例を示す。例えば、出射光量が１の反射面と出射光量が２の反射面とを組み合わせることで、出射光量を３にすることができる。この反射面から像の同じ位置又は近傍の位置に向けて光が出射されるようにすることで、像の対応する部分の輝度を３倍にすることができる。図１８（ａ）及び図１８（ｂ）に示されるように、交線の長さが３種類の光素子を組み合わせて、８階調の階調表示を行うことが可能になる。

図１８（ｃ）は、反射面４０のｚ方向プラス側の縁部からｘｙ面内に下ろした垂線の高さｈを示す。反射面の高さｈを異ならせることによって、出射光量を異ならせることもできる。

なお、表示装置１０では、レンズ５１を有する入射光調節部５０によって、光の広がり角が小さい入射光を得ることができる。入射光調節部５０を備えずに、上述した光の広がり角を満たす光を出射する光源を用いてもよい。係る光源として、レーザダイオード等のレーザ光源を用いてよい。また、１つのＬＥＤ２１を光源として用いて、１つのＬＥＤ２１からの光を放射状に広げることによって、上述した光の広がり角を満たす光を得てよい。ＬＥＤ２１の出射開口を絞ることによって、上述した光の広がり角を満たす光を得てよい。また、ＬＥＤ等の単一の光源と端面７３との間に、導光板７０の端面７３に対向する出射面を持つ導光板を介在させて、当該導光板からの出射光を、端面７３に入射してよい。

図１９は、入射光調節部５０の変形例としての導光板５３及びレンズ５１を模式的に示す。ＬＥＤ２１からの光は、レンズ５１によってｘ軸方向に沿う方向に実質的に平行化され、導光板５３に入射される。導光板５３は、入射した光をｘ軸に沿う方向に伝播する。導光板５３の出射面は、端面７３に対向して設けられている。導光板５３を伝播する光は、導光板５３の出射面とは反対側の面の一部に形成された複数の反射面で反射して、導光板５３の出射面から、ｘｙ面内で実質的に平行な光束が出射される。これにより、端面７３からは、ｙ軸方向に沿う平行光束が入射されて、導光板７０に入射する。これにより導光板７０は、ｘｙ面内及びｙｚ面内において広がり角が小さい光を伝播することができる。

なお、以上の説明では、導光板７０内でのｘｙ面内及びｙｚ面内における光の広がり角を小さくするために、ｙ軸方向に略平行な光を入射光として用いる構成を説明した。ｘｙ面内及びｙｚ面内における光の広がり角を小さくするための他の構成として、実質的な点光源を１つ含む光源２０と、当該点光源からの光のｙｚ面内における光の広がりを小さくする入射光調節部５０とを用いてもよい。この場合、入射光調節部５０として、ｙｚ面内において、ｙ軸プラス方向及びｙ軸マイナス方向の少なくとも一方に突出した形状を有するシリンドリカル平凸レンズを用いてよい。

図２０は、表示装置１０の変形例としての表示装置１０Ｂの一例を立体像６Ｂとともに模式的に示す。図２１は、表示装置１０Ｂのｘｙ面内の平面図である。表示装置１０Ｂは、ｘｚ面に平行な面３００に立体像６Ｂを投影する。

表示装置１０Ｂは、表示装置１０と比較して、導光板７０内を伝播する光のｙｚ面内における広がりが大きい。後述するように、入射光調節部５０Ｂは、入射光調節部５０と同様に、光源２０からの光のｘｙ面内における広がり角を小さくする。しかし、入射光調節部５０Ｂは、光源２０からの光のｙｚ面内における広がり角を小さくしない。入射光調節部５０Ｂは、光源２０からの光のｙｚ面内における広がり角に実質的に影響を与えない。例えば、入射光調節部５０Ｂが有するレンズ５１Ｂは、ｘｙ面内で曲率を持ち、ｙｚ面内で曲率を実質的に持たない凸状のシリンドリカルレンズであってよい。レンズ５１は、シリンドリカル両凸レンズである。導光板７０に入射する光の広がり角について、ｙｚ面内に投影した場合の光の広がり角は、ｘｙ面内に投影した場合の光の広がり角より大きい。導光板７０によって導かれている光をｘｙ面内に投影した場合の光の広がり角は、５°以下であってよい。ｘｙ面内における光の広がり角は、望ましくは１°未満であってよい。なお、導光板７０内のｘｙ面内における光の広がり角を小さくするための他の構成として、ＬＥＤ等の１つの光源を光源２０として適用し、ｘ軸方向に所定幅より小さい開口を持つマスクを入射光調節部５０Ｂとして適用してもよい。

表示装置１０Ｂは、光偏向部群３３０ａ、光偏向部群３３０ｂ及び光偏向部群３３０ｃを含む複数の光偏向部群を有する。光偏向部群３３０は、ｘ軸に平行な方向に沿って設けられた複数の光偏向部を有する。例えば、光偏向部群３３０ａは、光偏向部３０Ｂａを含む複数の光偏向部３０を有する。また、光偏向部群３３０ｂは、光偏向部３０Ｂｂを含む複数の光偏向部を有する。また、光偏向部群３３０ｃは、光偏向部３０Ｂｃを含む複数の光偏向部を有する。

光偏向部３０Ｂａは、入射した光を偏向してｘｙ面内に平行な方向に広げて、出射面７１から出射させる。光偏向部３０Ｂａによって出射面７１から出射した光束は、面３００と実質的に線で交差する。図２０及び図２１に示されるように、光偏向部３０Ｂａによって出射面７１から２つの光束が出射される。出射した２つの光束は、面３００と線３５１及び線３５２で交差する。図２１に示されるように、光偏向部群３３０ａに含まれるいずれの光偏向部も、光偏向部３０Ｂａと同様に、面３００と線３５１及び線３５２で交差する光束を出射面７１から出射させる。線３５１及び線３５２は、実質的にｘｙ面に平行な面内にあり、立体像６Ｂの一部を形成する。このように、光偏向部群３３０ａに属する多数の光偏向部３０からの光によって、線３５１及び線３５２の像が形成される。なお、線３５１及び線３５２の像を形成する光は、ｘ軸方向に沿って異なる位置に設けられた少なくとも２つの光偏向部３０によって提供されてよい。すなわち、光偏向部群３３０ａに属する複数の光偏向部３０のそれぞれは、複数の光偏向部３０のそれぞれに入射した光を、出射面７１に平行な面内で、線３５１及び線３５２の像に応じた強度分布の光にｘ軸方向に広げて、出射面７１から出射させる。これにより、光偏向部群３３０ａに属し、ｘ軸方向に沿って配置された複数の光偏向部３０からの光が、線３５１及び線３５２の像に結像する光になる。

光偏向部３０Ｂｂは、入射した光を偏向してｘｙ面内に平行な方向に広げて、３つの光束を出射面７１から出射させる。出射面７１から出射した３つの光束は、面３００と線３６１、線３６２及び線３６３で交差する。光偏向部群３３０ｂに含まれるいずれの光偏向部も、光偏向部３０Ｂｂと同様に、面３００と線３６１、線３６２及び線３６３で交差する光束を出射面７１から出射させる。このように、光偏向部群３３０ｂに属する複数の光偏向部３０のそれぞれは、複数の光偏向部３０のそれぞれに入射した光を、出射面７１に平行な面内で、線３６１、線３６２及び線３６３の像に応じた強度分布の光にｘ軸方向に広げて、出射面７１から出射させる。これにより、光偏向部群３３０ｂに属し、ｘ軸方向に沿って配置された複数の光偏向部３０からの光が、線３６１、線３６２及び線３６３の像に結像する光になる。なお、線３６１、線３６２及び線３６３は、実質的にｘｙ面に平行な面内にあり、立体像６Ｂの一部を形成する。線３６１、線３６２及び線３６３と、線３５１及び線３５２とは、面３００内においてｚ軸方向の位置が異なる。

また、光偏向部３０Ｂｃは、入射した光を偏向してｘｙ面内に平行な方向に広げて、３つの光束を出射面７１から出射させる。出射面７１から出射した２つの光束は、面３００と線３７１及び線３７２で交差する。光偏向部群３３０ｃに含まれるいずれの光偏向部も、光偏向部３０Ｂｃと同様に、面３００と線３７１及び線３７２で交差する光束を出射面７１から出射させる。このように、光偏向部群３３０ｃに属する複数の光偏向部３０のそれぞれは、複数の光偏向部３０のそれぞれに入射した光を、出射面７１に平行な面内で、線３７１及び線３７２の像に応じた強度分布の光にｘ軸方向に広げて、出射面７１から出射させる。これにより、光偏向部群３３０ｃに属し、ｘ軸方向に沿って配置された複数の光偏向部３０からの光が、線３７１及び線３７２の像に結像する光になる。なお、線３７１及び線３７２は、実質的にｘｙ面に平行な面内にあり、立体像６Ｂの一部を形成する。線３７１及び線３７２と、線３５１及び線３５２とは、面３００内においてｚ軸方向の位置が異なる。また、線３７１及び線３７２と、線３６１、線３６２及び線３６３とは、面３００内においてｚ軸方向の位置が異なる。

このように、表示装置１０Ｂによれば、２次元的に配置された複数の光偏向部からの光束の集まりによって、像６Ｂから発散する光束を観察者側の空間に提供できる。そのため、観察者はｘ軸方向に沿う広い位置範囲から立体像６Ｂを認識できる。

図２２は、表示装置１０Ｂによって投影される面３００内の立体像６Ｂを模式的に示す。このように、表示装置１０Ｂが有する複数の光偏向素子群からの光束は、立体像６Ｂが形成する面３００内において、ｚ軸方向に互いに位置が異なる複数の線を形成する。面３００において、複数の光偏向素子群からの光束による複数の線によって、立体像６Ｂが形成される。

なお、表示装置１０Ｂにおいても、表示装置１０と同様、光偏向部３０を周期的に設けても良いし、周期的に設けなくても良い。また、立体像６Ｂ内の輝度を異ならせるために、光偏向部３０のｘ軸方向のピッチを領域毎に異ならせてよい。なお、輝度を調節する他の方法として、光偏向部３０の光学面の面積を領域毎に異ならせてもよい。例えば、光偏向部３０が有する光学面の高さ及び長さの少なくとも一方を異ならせることによって、領域毎に輝度を調節してよい。表示装置１０Ｂに８階調の輝度差を持たせることで、モノクロまたは単一色の８階調表示を行うことが可能になる。また、８階調の階調表示を行うことができる３つの導光板を用いて、各導光板に互いに異なる色（例えば、赤、青及び緑）の光を入射することによって、フルカラー表示を行うこともできる。

なお、１つの光偏向部群３３０によって形成される像の輝度は、形成される像の位置からｘｚ面内で単位角度の範囲内に存在する光偏向部３０からの光量に比例する。各光偏向部３０から出射される光量が同一であるとすると、形成される像の輝度は、単位角度の範囲内に存在する光偏向部３０の数に比例する。したがって、輝度が一定の像を形成する場合、光偏向部３０のｘ軸方向のピッチは、それぞれの光偏向部３０に対応する像の位置と導光板７０との間のｚ軸方向の距離が長いほど、大きくすることが望ましい。例えば、線３５１及び線３５２に対応する光偏向部群３３０ａに属する光偏向部３０のピッチは、線３５１及び線３５２より導光板７０に近い位置の線に対応する光偏向部群３３０（例えば、光偏向部群３３０ｂ、光偏向部群３３０ｃ等）に属する光偏向部３０のピッチより、大きいことが好ましい。光偏向部群３３０のそれぞれに属する光偏向部群３３０に属する光偏向部３０のピッチは、例えば、それぞれの光偏向部３０からの光が形成する線の位置と導光板７０との間のｚ軸方向の距離に比例させてよい。これにより、形成される像の位置から見て単位角度の範囲内に存在する光偏向部３０の数を同一にすることができるので、像のｚ軸方向の位置によって光強度の差が大きくなることを抑制できる。

図２３（ａ）は、光偏向部３０Ｂｂの光学面をｘｙ面に投影した形状を模式的に示す。光偏向部３０Ｂｂは、円弧状の外形線を持つ光学面３８０ａ及び光学面３８０ｂを持つ。光学面３８０ａ及び光学面３８０ｂは、入射した光をｘｙ面内で広げる。光学面３８０ａと光学面３８０ｂとの間は、離間して設けられる。光学面３８０ａと光学面３８０ｂとが離間した領域は、立体像６Ｂの像の線が存在しない部分に対応する。

なお、光学面３８０ａと光学面３８０ｂとを連結して設けてもよい。光学面３８０ａの外形線の曲率は光学面３８０ｂの外形線の曲率と異なっていてもよい。また、例えば、立体像６Ｂの明るさがｘ軸方向に沿って異なる場合、光学面３８０とｙｚ面との交線の長さをｘ軸方向に異ならせてもよい。例えば、光学面３８０の高さを異ならせてよい。また、同一の線を形成する光学面３８０を複数有してもよい。

図２２に示されるように連続する線の集合で面状の像を形成する場合、図２３に示すように曲面の反射面を持つ光学面３８０を持つ光要素を用いることで、面状の像を形成するための光をより小数の光要素で提供することが可能になる。

図２４（ａ）は、光偏向部３０Ｂｂの変形例が有する光要素の光学面をｘｙ面に投影した形状を模式的に示す。図２４（ｂ）は、本変形例によって投影される面３００内の立体像３５０を模式的に示す。本変形例は、平面状の４つの光学面３６０ａ、光学面３６０ｂ、光学面３６０ｃ及び光学面３６０ｄを持つ。光学面３６０ａ、光学面３６０ｂ、光学面３６０ｃ及び光学面３６０ｄは、直線状のプリズムによって提供される。各光学面３６０は、導光板７０の背面７２と線で交差する。

各光学面３６０は、入射した光を反射する。各光学面３６０は平面であるので、各光学面３６０で反射した光は、面３００と実質的に点で交差する。具体的には、光学面３６０ａからの光は、面３００と実質的に点３７０ａで交差する。光学面３６０ｂからの光は、面３００と実質的に点３７０ｂで交差する。光学面３６０ｃからの光は、面３００と実質的に点３７０ｃで交差する。光学面３６０ｄからの光は、面３００と実質的に点３７０ｄで交差する。このように、各光学面３６０からの光が面３００で交差する点３７０は、互いに異なる。本変形例によれば、立体像６Ｂの輪郭線を形成する複数の点を形成する光束が、出射面７１から出射される。

なお、本変形例では、４つの光学面３６０をｘ軸方向に沿って連結して設けられる。そのため、この光要素とｘｙ面との交線は折れ線となる。図２４（ａ）及び図２４（ｂ）に示されるように、任意の線の像を形成するために、各光偏向部３０において平面形状の複数の反射面の集合が必要となる。

なお、光学面３６０を連結して設けなくてもよい。光学面３６０の一部を連結して設けてもよいし、全ての光学面３６０を離間して設けてもよい。例えば、図２４（ｂ）のように４点を形成する光要素を提供する場合、３つの光学面３６０を連結した光要素と、１つの光学面３６０を持つ光要素とを、離間して設けてよい。他の例では、２つの光学面３６０を連結した光要素と、２つの光学面３６０を持つ光要素とを、離間して設けてよい。他の例では、２つの光学面３６０を連結した光要素と、１つの光学面３６０を持つ光要素と、１つの光学面３６０を持つ光要素とを、互いに離間して設けてよい。

図２５（ａ）は、光偏向部３０Ｂｂの変形例が有する光要素の光学面をｘｙ面に投影した形状を模式的に示す。図２５（ｂ）は、本変形例によって投影される面３００内の立体像４００を模式的に示す。本変形例は、図２３（ａ）等に関連して説明した光偏向部３０Ｂｂの構成に加えて、図２４（ａ）に関連して説明した４つの光学面３６０の構成を有する。本変形例によれば、立体像は、立体像６Ｂに加えて、立体像６Ｂの輪郭線を形成することができる。そのため、立体像６Ｂの輪郭を強調することができる。これにより、観察者は立体像６Ｂの形状をはっきりと認識することができる。

図２５（ｃ）は、光偏向部３０Ｂｂの変形例をｘｙ面に投影した形状を模式的に示す。図２５（ｃ）は、図２５（ａ）において、直線状のプリズムによる光学面３６０を、円弧状プリズムによる光学面３８０の端に移動させたものに相当する。具体的には、光学面３８０ａのｘ軸方向マイナス側の端部には、光学面３６０ａが設けられる。光学面３８０ａのｘ軸方向プラス側の端部には、光学面３６０ｂが設けられる。また、光学面３８０ｂのｘ軸方向マイナス側の端部には、光学面３６０ｃが設けられる。光学面３８０ｂのｘ軸方向プラス側の端部には、光学面３６０ｄが設けられる。このように、ｘ軸に沿う方向において、各光学面３８０の両端に、立体像の輪郭線の形成を担う光学面３６０が位置する。なお、本変形例では光学面３８０の端部と光学面３６０の端部とを連結しているが、光学面３８０の端部と光学面３６０の端部とを離間して設けてもよい。

図２６（ａ）は、光学面３８０に生じるダレ４４０を模式的に示す。ダレ４４０は、光学面３８０を導光板７０に作成する場合に生じ得る。一般に、ダレが生じた面の向きと、ダレが生じていない面の向きとの差が大きくなると、導光板７０を導光される光の広がり角が大きくなってしまう場合がある。

図２６（ａ）に示されるように、光学面３８０の外形線はｘｙ面内において円弧形状を有し、曲率中心が光学面３８０より光源２０側にある。そのため、光学面３８０において生じたダレ４４０の面の法線方向４５０は、光学面３８０においてダレが生じていない面の法線方向４６０との差が小さくなる。

図２６（ｂ）は、光学面３８０からの光束のｘ方向の強度分布を模式的に示す。図２６（ｂ）に示されるように、光学面３８０においてダレが生じていない部分からの光束の分布４７０と、ダレ４４０からの光束の分布４８０とは、大部分が重なる。そのため、光学面３８０からの光束の広がりにダレ４４０が与える影響は小さい。

図２６（ｃ）には、外形線の曲率中心が光学面より光源２０とは反対側にある光学面３８２を模式的に示す。この場合、ダレ４４２が生じた面の法線４５２の方向と、光学面３８２においてダレ４４２が生じていない面の法線４６２の方向との差が大きくなる。

図２６（ｄ）は、光学面３８０からの光束のｘ方向の強度分布を模式的に示す。図２６（ｄ）に示されるように、ダレ４４２からの光束の分布４８２の一部は、光学面３８０においてダレが生じていない部分からの光束の分布４７２より外にある。そのため、光学面３８０からの光束の広がりにダレ４４２が与える影響は大きい。以上に説明したように、光学面３８０の曲率中心が光学面３８０より光源２０側にあることが好ましい。

図２７は、表示装置１０Ｂの変形例としての表示装置１０Ｃの一例を模式的に示す。表示装置１０Ｃは、出射面７１とは反対側の空間に擬似的に立体像を投影する。ここでは、出射面７１に直交する面５００内に位置する立体像を形成する場合を取り上げて説明する。

表示装置１０Ｃは、光偏向部群３３０Ｃａ、光偏向部群３３０Ｃｂ及び光偏向部群３３０Ｃｃを含む複数の光偏向素子群を有する。

光偏向部３０Ｃａは、入射した光を偏向してｘｙ面内に平行な方向に広げて、２つの光束を出射面７１から出射させる。光偏向部３０Ｃａによって出射面７１から出射した光束の一方は、面５００の線５５１上の点と光偏向部３０Ｃａとを結ぶ方向の光束である。光偏向部３０Ｃａによって出射面７１から出射した光束の他方は、面５００の線５５２上の点と光偏向部３０Ｃａとを結ぶ方向の光束である。光偏向部３０Ｃａと同様に、光偏向部群３３０Ｃａに含まれるいずれの光偏向部も、面５００の線５５１上の点とそれぞれの光偏向部３０とを結ぶ方向の光束と、面５００の線５５２上の点とそれぞれの光偏向部３０とを結ぶ方向の光束とを、出射面７１から出射させる。線５５１及び線５５２は、実質的にｘｙ面に平行な面内にあり、立体像６Ｃの一部を形成する。このように、光偏向部群３３０Ｃａに属する複数の光偏向部３０のそれぞれは、複数の光偏向部３０のそれぞれに入射した光を、出射面７１に平行な面内で、線５５１及び線５５２の像に応じた強度分布の光にｘ軸方向に広げて、出射面７１から出射させる。これにより、光偏向部群３３０Ｃａに属し、ｘ軸方向に沿って配置された複数の光偏向部３０からの光が、線５５１及び線５５２の像から発散する方向の光になる。

光偏向部３０Ｃｂは、入射した光を偏向してｘｙ面内に平行な方向に広げて、３つの光束を出射面７１から出射させる。出射面７１から出射した３つの光束は、面５００の線５６１上の点と光偏向部３０Ｃｂとを結ぶ方向の光束、面５００の線５６２上の点と光偏向部３０Ｃｂとを結ぶ方向の光束、及び、面５００の線５６３上の点と光偏向部３０Ｃｂとを結ぶ方向の光束である。光偏向部３０Ｃｂと同様に、光偏向部群３３０Ｃｂに含まれるいずれの光偏向部も、面５００の線５６１上の点とそれぞれの光偏向部３０とを結ぶ方向の光束と、面５００の線５６２上の点とそれぞれの光偏向部３０とを結ぶ方向の光束と、面５００の線５６３上の点とそれぞれの光偏向部３０とを結ぶ方向の光束とを、出射面７１から出射させる。線５６１、線５６２及び線５６３は、実質的にｘｙ面に平行な面内にあり、立体像６Ｃの一部を形成する。このように、光偏向部群３３０Ｃｂに属する複数の光偏向部３０のそれぞれは、複数の光偏向部３０のそれぞれに入射した光を、出射面７１に平行な面内で、線５６１、線５６２及び線５６３の像に応じた強度分布の光にｘ軸方向に広げて、出射面７１から出射させる。これにより、光偏向部群３３０Ｃｂに属し、ｘ軸方向に沿って配置された複数の光偏向部３０からの光が、線５６１、線５６２及び線５６３の像から発散する方向の光になる。

また、光偏向部３０Ｃｃは、入射した光を偏向してｘｙ面内に平行な方向に広げて、２つの光束を出射面７１から出射させる。光偏向部３０Ｃｃによって出射面７１から出射する２つの光束は、面５００の線５７１上の点と光偏向部３０Ｃｃとを結ぶ方向の光束、及び、面５００の線５７２上の点と光偏向部３０Ｃｃとを結ぶ方向の光束である。光偏向部３０Ｃｃと同様に、光偏向部群３３０Ｃｃに含まれるいずれの光偏向部も、面５００の線５７１上の点とそれぞれの光偏向部３０とを結ぶ方向の光束と、面５００の線５７２上の点とそれぞれの光偏向部３０とを結ぶ方向の光束とを、出射面７１から出射させる。線５７１及び線５７２は、実質的にｘｙ面に平行な面内にあり、立体像６Ｃの一部を形成する。このように、光偏向部群３３０Ｃｃに属する複数の光偏向部３０のそれぞれは、複数の光偏向部３０のそれぞれに入射した光を、出射面７１に平行な面内で、線５７１及び線５７２の像に応じた強度分布の光にｘ軸方向に広げて、出射面７１から出射させる。これにより、光偏向部群３３０Ｃａに属し、ｘ軸方向に沿って配置された複数の光偏向部３０からの光が、線５７１及び線５７２の像から発散する方向の光になる。

このように、表示装置１０Ｃによれば、２次元的に配置された複数の光偏向部からの光束の集まりによって、像６Ｃから発散する方向の光束を観察者側の空間に提供できる。なお、表示装置１０Ｃでは、立体像６Ｃの形成される位置が出射面７１とは反対側であり、立体像６Ｃを形成する面５００が出射面７１から出射する光束と交差しない。しかし、表示装置１０Ｂも、表示装置１０Ｃと同様に、各光偏向部３０が出射面７１から出射させる光束は、立体像を形成する線上の点と光偏向部３０とを結ぶ方向の光束である。そのため、表示装置１０Ｂに関連して上述した事項と同様の事項を、表示装置１０Ｃに適用できる。そのため、表示装置１０Ｃについての詳細な説明を省略する。

図２０から図２７に関連して、出射面７１に直交する面内に形成される立体像を取り上げて説明した。しかし、立体像を形成する位置は、出射面７１に直交な面内に限られない。立体像を形成する位置は、出射面７１に平行な面内でない限り、どのような位置にあってもよい。

また、上述したように、光偏向部３０は、ｘｙ面内においてマトリクス状に配列される。例えば、光偏向部３０は、ｘ軸方向に等ピッチで設けられるとともに、ｙ軸方向にも等ピッチで設けられる。ここで、光偏向部３０のｘ軸方向のピッチは、ｙ軸方向のピッチと同じであってよいし、異なってもよい。光偏向部３０のｘ軸方向のピッチは、ｙ軸方向のピッチより小さくてよい。光偏向部３０のｘ軸方向のピッチを、ｙ軸方向のピッチより小さくした場合には、ｘ軸方向における立体像６を形成する点の密度が高まる。そのため、立体像６を形成する点がｘ軸方向につながった線のように認識され易くなる。これにより、観察者は線の両端を容易に認識できるので、立体像６の形状を認識し易くなる。

また、光偏向部３０のピッチは、ｘｙ面内で異なってもよい。光偏向部３０のピッチをｘｙ面内で異ならせることで、立体像６の解像度を領域毎に調節することができる。また、光偏向部３０は、周期的に設けられていなくてもよい。光偏向部３０は、ｘｙ面内でランダムに設けられてよい。

図２８（ａ）は、表示装置１０Ｂの変形例としての表示装置１０Ｄのｘｙ平面図の一例である。表示装置１０Ｄは、端面７３に一体に形成されている複数のレンズ５１Ｄを有する入射光調節部５０Ｄを備える点で、表示装置１０Ｂと異なる。レンズ５１Ｄは、ｘｙ面内において、端面７３からｙ軸マイナス方向に突出した凸部である。

図２８（ｂ）は、表示装置１０Ｂにおいて、レンズ５１Ｂに代えて、シリンドリカル平凸レンズであるレンズ５１ＢＡを用いたものである。レンズ５１ＢＡは、ｘｙ面内においてｙ軸プラス方向に突出した形状を有する。なお、レンズ５１Ｂに代えて、ｘｙ面内においてｙ軸マイナス方向に突出した形状を有するシリンドリカル平凸レンズを用いてもよい。

また、以上の説明において、光偏向部３０の機能を持つ光学面として、直線プリズムや円弧形のプリズムにより提供される光学面や、フレネルレンズを形成する光学面を例示した。その他にも、光偏向部３０の機能を持つ光学面として、回折格子等の回折面を適用できる。これらの光学面はいずれも、出射面７１に対して傾いている。光偏向部３０として回折面を適用する場合、回折面は背面７２に設けてもよいし、出射面７１に設けてもよい。また、反射、回折の他に、屈折によって光源からの光を偏向する光学面を用いてもよい。図２９（ａ）は、光偏向部３０の一部として屈折面４３を持つ表示装置１０Ｅのｙｚ断面の一例を模式的に示す。図２９（ｂ）は、光偏向部３０の一部として屈折面４４を持つ表示装置１０Ｆのｙｚ断面の一例を模式的に示す。図２９（ａ）及び図２９（ｂ）に示されるように屈折面４３は、出射面７１に設けられる。

以上に説明した表示装置１０又は表示装置１０の変形例によれば、導光板７０の出射面に平行な面内に２次元的に設けられた複数の光偏向部のそれぞれが、立体像内の複数の部位の像を形成する光を提供する。そのため、立体像を視認できる範囲が広がる。また、立体像の少なくとも一部を点ではなく面的に形成することができる。

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、多様な変更又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。その様な変更又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。

特許請求の範囲、明細書、及び図面中において示した装置、システム、プログラム、及び方法における動作、手順、ステップ、及び段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、及び図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

６ 像
１０ 表示装置
２０ 光源
２１ ＬＥＤ
３０ 光偏向部
３１ 光素子
４０、４１、４２ 反射面
４３、４４ 屈折面
５０ 入射光調節部
５１ レンズ
５３ 導光板
６１、６２、６３、６４、６５、６６ 辺
７０ 導光板
７１ 出射面
７２ 背面
７３、７４、７５、７６ 端面
１１０ 反射防止膜
１２０ 反射面
１４０ 光学部材
１６０ 反射膜
１７０、１９０ 光学部材
２００、２４０、３００、５００ 面
２１０ 反射防止膜
３３０ 光偏向部群
３５０ 立体像
３５１、３５２、３６１、３６２、３６３、３７１、３７２、５５１、５５２、５６１、５６２、５６３、５７１、５７２ 線
３６０ 光学面
３７０ 点
３８０、３８２ 光学面
４００ 立体像
４４０、４４２ ダレ
４５０、４６０ 法線方向
４７０、４７２、４８０、４８２ 分布

Claims (14)

1. 光源からの光を、出射面に平行な面内で伝播する導光板と、
   前記出射面に平行な面内に２次元的に配置され、それぞれ前記導光板内を伝播する光を偏向して、空間上の像を形成する光を前記出射面から出射させる複数の光偏向部と
   を備え、
   前記複数の光偏向部のそれぞれが、前記複数の光偏向部のそれぞれに入射した光を、前記出射面に平行な面内で前記導光板の導光方向に直交する方向に前記像に応じた強度分布を持つ光に広げて前記出射面から出射させることによって、前記導光方向に直交する方向に沿って配置された前記複数の光偏向部からの光の集まりによって、前記像から発散する方向の光が形成される
   光デバイス。
2. 光源からの光を、出射面に平行な面内で伝播する導光板と、
   前記出射面に平行な面内に２次元的に配置され、それぞれ前記導光板内を伝播する光を偏向して、空間上の像を形成する光を前記出射面から出射させる複数の光偏向部と
   を備え、
   前記複数の光偏向部のそれぞれが、前記複数の光偏向部のそれぞれに入射した光を、前記像に応じた強度分布の光に２次元的に広げて前記出射面から出射させることによって、同一直線上にない３つ以上の光偏向部からの光の集まりによって、前記像から発散する方向の光が形成される
   光デバイス。
3. 前記複数の光偏向部のそれぞれは、前記導光板の表面又は内部に設けられ、反射、屈折又は回折させる、前記出射面に対して傾いた偏向面の１つ又は複数の集合を有する
   請求項１又は２に記載の光デバイス。
4. 前記偏向面の少なくとも１つは、異なる方向を向く複数の平面又は曲面を有する
   請求項３に記載の光デバイス。
5. 前記偏向面のうちの少なくとも１つは、前記出射面に平行な面に投影した場合に、前記導光板の導光方向に直交する方向に延伸する、折れ線又は曲線の形状を持つ
   請求項３又は４に記載の光デバイス。
6. 前記複数の光偏向部の少なくとも一部は、前記出射面に平行な面に投影した場合に、線形状で延伸する複数の偏向面を有する
   請求項１から５のいずれか一項に記載の光デバイス。
7. 前記複数の光偏向部のうちの少なくとも一部は、前記出射面に平行な面に投影した場合に、曲線の形状で延伸する複数の偏向面と、直線形状の１以上の偏向面とを有する
   請求項１から６のいずれか一項に記載の光デバイス。
8. 前記複数の光偏向部のうちの少なくとも一部は、前記像に対応する位置に配されたフレネルレンズの一部を形成する偏向面を有する
   請求項１又は２に記載の光デバイス。
9. 前記複数の光偏向部のうちの少なくとも一部は、前記出射面に平行な面に投影した場合に、１つの円弧に沿う形状を持つ１以上の偏向面を有する
   請求項１から７のいずれか一項に記載の光デバイス。
10. 前記導光板の前記出射面又は前記出射面とは反対側の面には、入射した光を、前記像を包含する範囲に広げて前記出射面から出射させる複数の偏向面が実質的に一様に形成されており、
    前記光デバイスは、
    前記一様に設けられた前記複数の偏向面のうちの一部の偏向面に設けられた光反射材
    をさらに備え、
    前記一様に形成された前記複数の偏向面のうち、前記光反射材が設けられた偏向面によって、前記複数の光偏向部のうちの少なくとも一部が形成される
    請求項１から９のいずれか一項に記載の光デバイス。
11. 前記複数の光偏向部のうちの少なくとも一部の光偏向部を有し、前記出射面又は前記出射面とは反対側の面に配設された光学部材
    をさらに備える請求項１から９のいずれか一項に記載の光デバイス。
12. 前記導光板の前記出射面又は前記出射面とは反対側の面には、入射した光を、前記像を包含する範囲に広げて前記出射面から出射させる複数の偏向面が実質的に一様に形成されており、
    前記光デバイスは、
    前記導光板の屈折率と実質的に同じ屈折率を持ち、前記一様に設けられた前記複数の偏向面のうちの一部の偏向面に接する面を持つ光学部材
    をさらに備え、
    前記一様に設けられた前記複数の偏向面のうち、前記光学部材の面と接していない偏向面によって、前記複数の光偏向部のうちの少なくとも一部が形成される
    請求項１から９のいずれか一項に記載の光デバイス。
13. 前記複数の光偏向部のうちの少なくとも一部は、前記出射面に平行な面に投影した場合に、前記光源側に曲率中心を持つ円弧に沿う形状の偏向面を有する
    請求項１から７のいずれか一項に記載の光デバイス。
14. 前記光源をさらに備える
    請求項１から１３のいずれか一項に記載の光デバイス。

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