JP2017134151A - 空中映像表示デバイスおよび空中映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学パネルを単層で用いる構成で、部品点数およびコスト削減を図る。実像の良好な結像状態を実現する。デバイスの奥行方向の配置スペースを削減する。【解決手段】表示デバイス１は、平板状の光学パネル１ａを有する。光学パネル１ａは、平面状の第１光反射部３と、積層される各透明基板１１の少なくとも１つの面に第１光反射部３と垂直に位置する平面状の第２光反射部１２とを有する。光学パネル１ａは、物体ＯＢから出射される発散光に含まれる各光線が、第１光反射部３と第２光反射部１２とで２回反射されて物体ＯＢとは異なる位置に向かい、かつ、上記２回の反射が上記各光線を投影した所定の基準面内で再帰反射となるように配置されることにより、光学パネル１ａに対して物体ＯＢと同じ側の空間ＳＰ１に物体ＯＢの実像Ｒを、光学パネル１ａに対して物体ＯＢとは反対側の空間ＳＰ２に物体ＯＢの虚像Ｑをそれぞれ提供する。【選択図】図１２

Description

本発明は、物体の実像を映像として空中に表示する空中映像表示デバイスと、その空中映像表示デバイスを備えた空中映像表示装置とに関するものである。

従来から、物体の実像を空中に表示する空中映像表示デバイス（以下、単に表示デバイスとも言う）が種々提案されている。例えば特許文献１では、２枚の光学パネルを用いた表示デバイスが開示されている。各光学パネルは、片面が反射面である複数の透明基板を、各反射面が平行となるように並べて接着することで得られる。そして、各光学パネルの反射面が平面視で直交するように、各光学パネルを貼り合わせることで、表示デバイスが構成される。この構成では、物体からの光は、一方の光学パネルの反射面および他方の光学パネルの反射面でそれぞれ反射され、該表示デバイスに対して物体とは反対側の空中に集まる。これにより、上記空中に物体の実像が表示される。

また、例えば特許文献２では、図２４Ａおよび図２４Ｂに示すように、平板状の複数の鏡面部１０１を平行に配置した光学パネル１００を用いて表示デバイスを構成している。この構成では、以下の原理によって、物体の実像と虚像とを観察することが可能となっている。すなわち、図２４Ａに示すように、鏡面部１０１の長辺方向（水平方向）においては、点光源Ｓから出射される発散光は、鏡面部１０１で反射された後、発散状態を保ったまま空中に向かう。このため、発散光の進行方向と逆方向からは、鏡面部１０１に対して点光源Ｓと面対称となる位置Ａに、点光源Ｓの虚像を観察することが可能となる。また、図２４Ｂに示すように、鏡面部１０１の短辺方向（上下方向）においては、点光源Ｓから出射される発散光に含まれる各光線は、複数の鏡面部１０１で反射された後、各鏡面部１０１を通る共通垂線Ｖに対して点光源Ｓとは反対側の位置Ｂに集まる。この結果、位置Ｂにおいて点光源Ｓの実像が結像され、観察者は上記実像を観察することが可能となる。

特許５０８５７６７号公報（請求項１、段落〔００３４〕〜〔００３９〕、図４〜図６等参照） 特許５７６９２１８号公報（請求項１、段落〔０００６〕、図１、図２等参照）

ところが、特許文献１のように、複数の反射面が平行に配置された光学パネルを２枚積層して表示デバイスを構成する場合、必ず、積層する枚数分（２枚）だけ光学パネルを用意しなければならない。このため、表示デバイスを構成する部品点数が増大し、材料費を含む生産コストが増大する。

一方、特許文献２では、複数の鏡面部１０１を含む光学パネル１００を１枚だけ用いて表示デバイスを構成していることから、部品点数およびコスト削減の観点では、特許文献１よりも有利な構成と言える。しかし、特許文献２のように、点光源Ｓから出射される光を、いずれかの鏡面部１０１での１回反射によって空中（実像の結像位置）に導く構成では、点光源Ｓから出射される光が発散光であるため、点光源Ｓから鏡面部１０１までの距離、または鏡面部１０１から位置Ｂまでの距離が長くなると、実像の結像状態の劣化が起こる。

さらに、特許文献２のように、光学パネル１００に対して、点光源Ｓと、実像が結像する位置Ｂとを互いに反対側の空間に位置させる構成では、上述のように実像を結像させる原理上、複数の鏡面部１０１を奥行方向（図２４Ａでは点光源Ｓと位置Ａとを結ぶ方向）に並べる必要がある。このため、光学パネル１００が奥行方向に延びる形状となり、表示デバイスを配置する際に、奥行方向に大きなスペースを確保することが必要となる。

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、光学パネルを単層で用いる構成で、部品点数およびコスト削減を図るとともに、実像の良好な結像状態を実現でき、しかも、奥行方向の配置スペースを削減することができる空中映像表示デバイスと、その空中映像表示デバイスを備えた空中映像表示装置と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デバイスは、物体の実像を映像として空中に表示する空中映像表示デバイスであって、平板状の光学パネルを有し、前記光学パネルは、該光学パネルの厚み方向に垂直な一方向に複数の板状部材が並んだ積層体と、前記積層体における該光学パネルの厚み方向に垂直な一側面を、前記複数の板状部材にわたって覆う平面状の第１光反射部とを有しており、前記複数の板状部材は、それぞれ、透明基板と、前記透明基板における前記一方向に垂直な２面の少なくとも一方に、前記第１光反射部と垂直に位置する平面状の第２光反射部とを有しており、前記第１光反射部および各第２光反射部の両方に垂直な任意の面を基準面としたとき、前記光学パネルは、前記物体から出射される発散光に含まれる各光線が、前記第１光反射部といずれかの前記第２光反射部とで合計２回反射されて前記物体とは異なる位置に向かい、かつ、前記２回の反射が前記各光線を投影した前記基準面内で再帰反射となるように配置されることにより、該光学パネルに対して前記物体と同じ側の第１の空間に前記実像を、前記光学パネルに対して前記物体とは反対側の第２の空間に前記物体の虚像をそれぞれ提供する。

前記第１光反射部の法線は、前記２回の反射が前記基準面内で再帰反射となるように、前記基準面に投影した、前記光学パネルに入射する前記発散光の中心光線に対して、前記基準面内で傾いていることが望ましい。

前記透明基板および前記第２光反射部は、前記第１光反射部上で、前記基準面に垂直な方向に長尺状に設けられていることが望ましい。

前記第１光反射部は、金属膜であってもよい。

前記第１光反射部は、シート状のミラーと、接着層とを有していてもよい。

前記接着層の屈折率と、前記積層体に含まれる前記透明基板の屈折率との差は、０．０１以下であることが望ましい。

前記光学パネルは、前記基準面内で、前記実像に最も近い側の端部から、前記実像から最も遠い側の端部に向かうにつれて、厚みが段階的または連続的に減少する形状であることが望ましい。

前記空中映像表示デバイスは、前記光学パネルを複数有しており、前記複数の光学パネルは、前記基準面内でつながるように、並んで配置されていてもよい。

前記複数の光学パネルは、前記基準面内での各第１光反射部の法線の向きが、前記基準面内で各光学パネルにおける連結側とは反対側の端部同士を結ぶ線分に垂直な軸に対して傾斜し、かつ、対称となるように配置されていることが望ましい。

本発明の他の側面に係る空中映像表示装置は、上述した空中映像表示デバイスと、前記物体とを含んでいる。

平板状の光学パネルは、物体からの発散光に含まれる各光線の、第１光反射部および第２光反射部での２回の反射が、基準面内で再帰反射となるように配置されているため、物体から出射される光が発散光であっても、実像の良好な結像状態を実現することができる。しかも、１枚の光学パネルを上記のように配置することによって実像を提供するため、複数の光学パネルを積層して実像を提供する構成に比べて、表示デバイスの部品点数およびコストの削減を図ることができる。

また、光学パネルは、上記各光線の２回の反射により、該光学パネルに対して物体と同じ側の第１の空間に実像を提供し、光学パネルに対して物体とは反対側の第２の空間に虚像を提供するため、第１光反射部に対して各第２光反射部が物体側（実像側）に位置するように、平板状の光学パネルを立てて使用する形態が可能となる。つまり、平板状の光学パネルを立てた配置で、上記それぞれの空間に実像および虚像を提供することが可能となる。このような光学パネルの配置では、光学パネルを寝かした構成に比べて、つまり、物体と実像とを光学パネルに対して互いに反対側の空間に位置させる構成に比べて、表示デバイスの奥行方向の長さが短くなる。これにより、表示デバイスの奥行方向の配置スペースを削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デバイスの一例である表示デバイスの平面図である。 上記表示デバイスの正面図である。 上記表示デバイスの側面図である。 上記表示デバイスが有する光学パネルの断面図である。 他の光学パネルの断面図である。 積層構造体の斜視図である。 上記積層構造体から切断された積層体の斜視図である。 上記積層体の側面に第１光反射部を形成した光学パネルの斜視図である。 他の表示デバイスの平面図である。 上記他の表示デバイスの正面図である。 上記他の表示デバイスの側面図である。 上記他の表示デバイスが有する光学パネルの断面図である。 他の光学パネルの断面図である。 空中映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。 物体の任意の１点から出射される光を模式的に示す説明図である。 物体から出射される発散光に含まれる各光線のＺＸ面内での振る舞いを模式的に示す説明図である。 上記各光線のＹＺ面内での振る舞いを模式的に示す説明図である。 複数の反射面が平行に配置された２枚の光学パネルを、各光学パネルの反射面が平面視で直交するように積層した表示デバイスの製法の一部を示す説明図である。 上記表示デバイスの他の製法の一部を示す説明図である。 ２枚の光学パネルを積層した上記表示デバイスを、平面上に並べて大判化したときのデバイスの平面図である。 本発明の実施の一形態に係る表示デバイスを平面上に並べて大判化したときのデバイスの平面図である。 上記表示デバイスの光学パネルにおける各パラメータを図示した説明図である。 上記光学パネルにおける第２光反射部のピッチと、上記光学パネルの厚みとの関係を模式的に示す説明図である。 上記光学パネルの第１光反射部と第２光反射部とで入射光の２回反射が起こる状態を模式的に示す説明図である。 上記光学パネルがＺＸ面内で所定の角度だけ傾く場合の、ＺＸ面内での、上記光学パネルの幅と、上記光学パネルから実像までの距離と、観察者による実像の観察距離との関係を模式的に示す説明図である。 上記光学パネルの他の構成を示す説明図である。 上記光学パネルのさらに他の構成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示す説明図である。 従来の表示デバイスにおいて、物体と虚像との位置関係を模式的に示す説明図である。 上記従来の表示デバイスにおいて、物体と実像との位置関係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。

〔空中映像表示デバイスの構成について〕
図１Ａ〜図１Ｃは、本実施形態の空中映像表示デバイスの一例である表示デバイス１の平面図、正面図および側面図である。なお、これらの図において、ｚ方向は、後述する光学パネル１ａの厚み方向に対応しており、ｘ方向は、光学パネル１ａの厚み方向（ｚ方向）に垂直な一方向であって、光学パネル１ａの幅方向に対応しており、ｙ方向は、ｚ方向およびｘ方向に垂直な方向であって、光学パネル１ａの上下方向に対応している。

表示デバイス１は、物体（被投影物）の実像を映像として空中に表示するデバイスであり、平板状の光学パネル１ａで構成されている。光学パネル１ａは、積層体２と、平面状の第１光反射部３とを備えている。

積層体２は、ｘ方向に複数の板状部材１０が並んで（積層されて）構成されている。第１光反射部３は、積層体２における光学パネル１ａの厚み方向に垂直な一側面（ｘｙ面）を、複数の板状部材１０にわたって覆うように設けられている。第１光反射部３は、例えばアルミニウムや多層膜などの金属膜３ａで構成されている。金属膜３ａは、蒸着やスパッタなどの手法で積層体２の側面に容易に形成することができる。このため、金属膜３ａ（第１光反射部３）と、後述する第２光反射部１２（図２参照）とからなる２面コーナーミラーを容易に形成することが可能となる。また、第１光反射部３を金属膜３ａで構成する場合は、金属膜３ａを蒸着等の手段で形成できるため、第１光反射部３を積層体２の側面に接着するための接着層が不要となり、上記接着層による光量ロスや不要な屈折もなくなる。

図２は、光学パネル１ａのｚｘ面での断面図である。各板状部材１０は、透明基板１１と、第２光反射部１２とをそれぞれ有している。透明基板１１は、例えば透明なガラスや樹脂で構成されており、ｙ方向に長尺状に形成されている。第２光反射部１２は、透明基板１１におけるｘ方向に垂直な２つの面（ｙｚ面）のうちの一方に、アルミニウムや多層膜などの金属膜の蒸着によって平面状に形成されており、第１光反射部３と垂直に位置している。また、第２光反射部１２は、第１光反射部３上で、ｙ方向に長尺状（帯状）に形成されている。各板状部材１０は、各第２光反射部１２がｘ方向に所定間隔で平行に並ぶように、接着剤２１（例えばエポキシ樹脂）を介して接着されている。

図３は、他の光学パネル１ａのｚｘ面での断面図である。光学パネル１ａの積層体２において、各板状部材１０は、透明基板１１の対向する２面の両方に第２光反射部１２を有していてもよい。つまり、第２光反射部１２は、透明基板１１におけるｘ方向に垂直な２つの面の両方に平面状に形成されていてもよい。この場合でも、第１光反射部３と各第２光反射部１２とで、２面コーナーミラーが形成される。

図１Ａ等で示した光学パネル１ａは、例えば以下の手順によって製造される。まず、図４に示すように、平板状の透明基板１１の片面または両面に第２光反射部１２を蒸着等によって形成した板状部材１０を、接着剤２１を介して複数層積層して、積層構造体３０を得る。そして、図５に示すように、積層構造体３０をワイヤーソーなどによって等間隔で切断して積層体２を得る。なお、同図の破線は、ワイヤーソーによる切断線を示している。そして、得られた積層体２の切断面を研磨した後、図６に示すように、積層体２の側面（上記切断面または切断面と反対側の面）に金属膜３ａを蒸着して第１光反射部３を形成する。これによって、光学パネル１ａが得られる。

図７Ａ〜図７Ｃは、他の表示デバイス１の平面図、正面図および側面図である。表示デバイス１は、積層体２の一側面（ｘｙ面）に第１光反射部３を接着した光学パネル１ａで構成されていてもよい。接着タイプの第１光反射部３は、シート状のミラー３ｂと、接着層３ｃとを有して構成される。シート状のミラー３ｂは、薄いガラス板や樹脂フィルムからなる基材上に反射膜を形成して構成されている。接着層３ｃは、接着剤または粘着シートで構成されている。なお、接着層３ｃを構成する接着剤は、接着剤２１と同じ材料（例えばエポキシ樹脂）であってもよいし、異なる材料であってもよい。このような光学パネル１ａは、図４および図５の過程を経て得られた積層体２の側面に、接着層３ｃが対向するように第１光反射部３を貼り合わせることによって得ることができる。

接着タイプの第１光反射部３を用いる場合でも、積層体２としては、図２および図３と同様の構成を採用することができる。すなわち、積層体２は、図８に示すように、透明基板１１の片面に第２光反射部１２を有する板状部材１０をｘ方向に複数積層した構成であってもよいし、図９に示すように、透明基板１１の両面に第２光反射部１２を有する板状部材１０をｘ方向に複数積層した構成であってもよい。いずれの場合でも、第１光反射部３と各第２光反射部１２とが垂直となるように、第１光反射部３が積層体２の側面に貼り合わされて光学パネル１ａが構成され、第１光反射部３と各第２光反射部１２とで、２面コーナーミラーが形成される。

ここで、接着タイプの第１光反射部３を用いる場合において、接着層３ｃの屈折率をｎａとし、積層体２に含まれる透明基板１１の屈折率をｎｂとしたとき、屈折率ｎａと屈折率ｎｂとの差は、０．０１以下であることが望ましい。例えば、透明基板１１ａとして、屈折率ｎａ＝１．５２〜１．５３のガラスを用いる場合、接着層３ｃとして、屈折率ｎｂ＝１．５２８の透明なエポキシ系接着剤を用いることができる。このようにすることで、透明基板１１と接着層３ｃとの界面でのフレネル反射による不要光の発生を抑え、上記不要光によるゴーストの発生を抑えることができる。同様の観点から、各板状部材１０を接着する接着剤２１についても、透明基板１１との屈折率差が０．０１以下であることが望ましく、接着層３ｃとの屈折率差も０．０１以下であることが望ましい。

なお、光学パネル１ａは、片面または両面（対向する２面）に反射面を形成した角柱を積層して積層体２を形成し、この積層体２を、反射面が形成された１枚のガラス板に接着するなどの方法で作製されてもよい。この場合は、角柱の積層によって積層体２が直接得られるため、図５で示した切断工程を不要として、製造工程の簡略化を図ることができる。

〔光学パネルの配置および実像等の観察原理について〕
図１０は、本実施形態の空中映像表示装置４０の概略の構成を示す説明図である。なお、同図では、空中映像表示装置４０の表示デバイス１の奥行方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な面内で上下方向をＹ方向とし、ＹＺ面に垂直な左右方向をＸ方向としている。なお、後述するように、表示デバイス１はＺＸ面内で傾き角θ（°）だけ傾いているため、図１０におけるＸ方向およびＺ方向は、図１Ａ等で示したｘ方向およびｚ方向と一致していないが、Ｙ方向については、図１Ａ等で示したｙ方向と一致している。

空中映像表示装置４０は、上述した構成の表示デバイス１（光学パネル１ａ）と、物体ＯＢとを有している。物体ＯＢは、３次元の物体であってもよいし、画像を表示する表示装置であってもよい。また、表示デバイス１には、物体ＯＢそのものが発光する光が入射してもよいし、物体ＯＢに光が当たったときに周囲に散乱される光（散乱光）が入射してもよい。

図１０に示すように、平板状の光学パネル１ａは、第１光反射部３が積層体２に対して物体ＯＢとは反対側に位置し、かつ、積層体２に含まれる透明基板１１および第２光反射部１２が全て、第１光反射部３上で、ＺＸ面に垂直なＹ方向に長尺状に位置するように配置される。しかも、光学パネル１ａは、ＺＸ面内で傾くように配置されている（図１２参照）。これにより、物体ＯＢから入射する光線を、第１光反射部３およびいずれかの第２光反射部１２で合計２回反射させて、物体ＯＢの実像Ｒおよび虚像Ｑ（図１３参照）を観察者に観察させることができる。以下、その観察原理について説明する。

図１１は、物体ＯＢの任意の１点から出射される光を模式的に示している。物体ＯＢから出射される光が、自ら発光する光である場合、あるいは、照明光が物体ＯＢに入射して反射された光である場合のいずれにおいても、光は物体ＯＢからある広がりを持った光束として空間に発散していく。このとき、特定の方向の光を光線（ベクトル）と捉えると、空間では３次元的なベクトルの集まりとして光束を表現できる。各ベクトルは、任意の成分（例えばＺＸ面内の成分とＹＺ面内の成分）に分解できるため、このように各ベクトルを任意の成分に分解して考えることで、本実施形態の空中映像表示装置４０における光線の振る舞いを分かりやすく説明することができる。

図１２は、物体ＯＢの任意の１点から出射される発散光に含まれる各光線のＺＸ面内での振る舞いを模式的に示している。なお、図１２では、上記各光線の例として、３つの光線Ｌ１〜Ｌ３を考えており、そのうち、光線Ｌ１が、上記発散光の中心光線（例えば強度の最も高い光線）に相当している。上記のＺＸ面は、第１光反射部３および各第２光反射部１２の両方に垂直な任意の面であるが、この面のことを、以下では基準面と呼ぶこともある。

本実施形態では、光学パネル１ａは、物体ＯＢの任意の１点から出射される発散光に含まれる各光線が、第１光反射部３といずれかの第２光反射部１２とで合計２回反射されて、物体ＯＢとは異なる位置に向かい、かつ、その２回の反射が上記各光線を投影したＺＸ面内で再帰反射となるように配置されている。より詳しくは、上記２回の反射がＺＸ面内で再帰反射となるように、光学パネル１ａの第１光反射部３の法線Ｎが、ＺＸ面に投影した、光学パネル１ａに入射する上記発散光の中心光線（光線Ｌ１）に対して、ＺＸ面内で傾き角θだけ傾いている。

なお、光学パネル１ａに向かう光線Ｌ１の空気中での進行方向（入射方向）は、表示デバイス１の奥行方向（Ｚ方向）に沿っているため、表示デバイス１の奥行方向に対して第１光反射部３の法線ＮがＺＸ面内で傾き角θだけ傾くように光学パネル１ａを配置することにより、ＺＸ面内で光線Ｌ１と法線Ｎとを傾き角θだけ傾ける構成を実現することができる。

このように光学パネル１ａが配置されていることにより、物体ＯＢの任意の１点から出射された発散光に含まれる各光線Ｌ１〜Ｌ３は、光学パネル１ａに入射して第１光反射部３およびいずれかの第２光反射部１２で反射された後、光学パネル１ａに対して物体ＯＢと同じ側の空間ＳＰ１（第１の空間）に向かう。なお、各光線Ｌ１〜Ｌ３の第１光反射部３および第２光反射部１２での反射の順序は特に限定されず、第２光反射部１２および第１光反射部３の順に反射されてもよいし（光線Ｌ１、Ｌ２参照）、第１光反射部３および第２光反射部１２の順に反射されてもよい（光線Ｌ３参照）。このとき、ＺＸ面内では、第１光反射部３および第２光反射部１２での２回反射が、２面コーナーミラーによる再帰反射となるため、各光線Ｌ１〜Ｌ３は、空間ＳＰ１内で、Ｚ方向およびＸ方向においては物体ＯＢと同じ位置で、Ｙ方向には物体ＯＢと異なる位置に集まる（図１０参照）。これにより、空間ＳＰ１内の上記位置に、物体ＯＢの実像Ｒが良好に結像される。

一方、図１３は、物体ＯＢから出射される光線のＹＺ面内での振る舞いを模式的に示している。物体ＯＢの任意の１点から出射された発散光に含まれる各光線は、光学パネル１ａに入射して第１光反射部３およびいずれかの第２光反射部１２で反射された後、光学パネル１ａに対して物体ＯＢと同じ側の空間ＳＰ１に向かう。ＹＺ面内では、第１光反射部３および第２光反射部１２での２回の反射により、物体ＯＢからの光の発散状態が維持されるため、観察者が空間ＳＰ１側から、光線の進行方向とは逆向きに光学パネル１ａを見ると、光学パネル１ａに対して物体ＯＢとは反対側の空間ＳＰ２（第２の空間）に、物体ＯＢの虚像Ｑを観察することができる。なお、空間ＳＰ２で虚像Ｑが観察される位置は、光学パネル１ａから空間ＳＰ１側に出射された発散光を逆トレースして光学パネル１ａを透過させたときの集光位置である。

このように、複数の第２光反射部１２が第１光反射部３と垂直に位置するように、積層体２の側面を第１光反射部３で覆った平板状の光学パネル１ａを用いることにより、上述した光学パネル１ａの傾斜配置によって、空間ＳＰ１に物体ＯＢの実像Ｒを提供することができる。このように、光学パネル１ａの単層（１枚）の構成で実像Ｒを提供できるため、複数の光学パネルを積層する構成に比べて、表示デバイス１の部品点数およびコストの削減を図ることができる。

また、光学パネル１ａは、物体ＯＢからの発散光に含まれる各光線の、第１光反射部３およびいずれかの第２光反射部１２での２回の反射がＺＸ面内で再帰反射となるため、物体ＯＢから出射される光が発散光であっても、ＺＸ面内において、実像Ｒの結像位置に各光線を集光させて、実像Ｒの良好な結像状態を実現することができる。

また、例えば、光学パネルを寝かして配置して、物体と実像とを上記光学パネルに対して互いに反対側の空間に位置させる構成では、実像を空中に結像させる原理上、上記光学パネルが奥行方向に延びた形状となる。その結果、表示デバイスを配置する際に、奥行方向に大きなスペースを確保することが必要となる（図２４Ａ、図２４Ｂ参照）。

これに対して、本実施形態では、上述のように、光学パネル１ａは、物体ＯＢからの発散光に含まれる各光線の第１光反射部３および第２光反射部での２回反射により、光学パネル１ａに対して物体ＯＢと同じ側の空間ＳＰ１に実像Ｒを提供し、光学パネル１ａに対して物体ＯＢとは反対側の空間ＳＰ２に虚像Ｑを提供するため、図１０等に示したように、第１光反射部３に対して第２光反射部１２が物体ＯＢ側（実像Ｒ側）となるように、平板状の光学パネル１ａを立てて使用することが可能となる。このような光学パネル１ａの配置では、図２４Ａの構成に比べて、表示デバイス１の奥行方向（Ｚ方向）の長さが短くなり、表示デバイス１の配置において、実用上、奥行方向の空間を大きく占有することがなくなる。したがって、表示デバイス１の奥行方向の配置スペースを削減することができる。

つまり、本実施形態の構成によれば、実像Ｒと虚像Ｑとを両方観察可能な構成でありながら、部品点数およびコストを削減しつつ、実像Ｒの結像状態が良好で、奥行方向の配置スペースを削減できる表示デバイス１および空中映像表示装置４０を実現することが可能となる。

特に、第１光反射部３の法線Ｎは、第１光反射部３および第２光反射部１２での２回の反射がＺＸ面内で再帰反射となるように、ＺＸ面に投影した光線Ｌ１（光学パネル１ａに入射する上記発散光の中心光線）に対して、ＺＸ面内で傾き角θだけ傾いているため、ＺＸ面内で上記の再帰反射を確実に実現して、実像Ｒの良好な結像状態を確実に実現することができる。

また、積層体２に含まれる透明基板１１および第２光反射部１２は全て、第１光反射部３上で、ＺＸ面に垂直なＹ方向に長尺状に設けられているので、Ｙ方向において、光学パネル１ａに斜めから入射する物体ＯＢからの発散光を発散状態のまま（第１光反射部３および第２光反射部１２にてＹ方向の光束幅を規制することなく）、空間ＳＰ１側へ反射させることができる。これにより、空間ＳＰ１内には上述の再帰反射によって結像状態の良好な実像Ｒを提供しつつ、上記発散光が空間ＳＰ２内で集光する位置に虚像Ｑを提供する構成を確実に実現することが可能となる。

また、本実施形態の構成によれば、さらに以下の効果を得ることもできる。すなわち、用いる光学パネル１ａの枚数が、積層タイプに比べて減るため、上記した部品点数および材料費等のコスト削減のみならず、表示デバイス１の軽量化も図れる。さらに、光学パネル１ａが単層であることで、光学パネルを２枚積層する場合に比べて厚みが確実に減る。このため、１つの積層構造体３０（図４参照）から、１つの表示デバイス１を作製するのに必要な部材（積層体２）の取り数が、積層タイプ（光学パネル２枚分）よりも増える。これにより、デバイスの生産性（量産性）を向上させることも可能となる。なお、光学パネル１ａの厚みの数値例については後述する。

また、図１４は、複数の反射面が平行に配置された２枚の光学パネルを、各光学パネルの反射面が平面視で直交するように積層した表示デバイス５０の製法の一部を示している。なお、最も外側の枠よりも内側の格子状の実線は、反射面を示しているものとする（他の図面でも同様とする）。表示デバイス５０は、通常、平面視で正方形（または長方形）の形状で、かつ、奥行方向が各反射面と４５°の角度をなす状態で配置される（２面コーナーミラーによる実像形成のため）。このため、表示デバイス５０は、２枚の上記光学パネルを積層して積層体５０ａを得た後、表示デバイス５０の外形を構成する各辺が積層体５０ａの各反射面と４５°の角度をなすように、積層体５０ａから上記正方形（または長方形）の領域を切り出すことによって形成される。つまり、積層タイプの表示デバイス５０の作製においては、このような切り出し工程が必要である。

また、図１５は、表示デバイス５０の他の製法の一部を示している。同図のように、積層体５０ａから表示デバイス５０を切り出すと、４つの直角二等辺三角形状の破片部５０ｂが残る。これら４つの破片部５０ｂを、１つの正方形の形状となるように並べて貼り合わせることにより、表示デバイス５０を製造することもできる。この場合は、各破片部５０ｂを並べて貼り合わせる工程（タイリング工程）が必要となる。

これに対して、本実施形態の表示デバイス１（光学パネル１ａ）は、積層体２の側面に第１光反射部３を形成することによって得られ、これをＺＸ面内で傾ける配置によって、２面コーナーミラーによる反射を実現できる。つまり、積層タイプで必要であった上記の切り出し工程やタイリング工程を行わなくても、２面コーナーミラーによる反射を実現できる。よって、デバイスの製造において、上記の切り出し工程等が不要になる分、製造工程を簡略化することができる。

また、図１６は、複数の表示デバイス５０を平面上に並べて大判化（大面積化）したデバイスの平面図である。大判のデバイスを構成する場合、個々の表示デバイス５０によって結像される実像を滑らかにつなげるために、隣り合う表示デバイス５０のつなぎ目で反射面が面一となるように、隣り合う表示デバイス５０を精度よくつなぎ合わせることが必要である。各表示デバイス５０においては、つなぎ合わせの境界線Ｂ１・Ｂ２の両方に対して、反射面が傾斜しているため、境界線Ｂ１・Ｂ２に沿う各方向において、精度よく隣り合う表示デバイス５０をつなぎ合わせることが必要となる。

これに対して、図１７は、複数の表示デバイス１（光学パネル１ａ）を平面上に並べて大判化したデバイスの平面図である。複数の光学パネル１ａは、各々の第１光反射部３が面一となるように並べられる。このとき、各光学パネル１ａの第２光反射部１２は、つなぎ合わせの境界線Ｂ１・Ｂ２のうち、一方の境界線Ｂ２と平行であり、他方の境界線Ｂ１と交わるため、境界線Ｂ２に沿う方向の光学パネル１ａの位置ズレは許容され、境界線Ｂ１に沿う方向においてのみ、つなぎ目で第２光反射部１２がＢ２方向に面一となるように、精度よく隣り合う光学パネル１ａをつなぎ合わせることが必要となる。このように、一方の境界線Ｂ２に沿う方向の位置ズレが許容されるため、大判化の際の各光学パネル１ａのつなぎ合わせ（タイリング）が、図１６で示した積層タイプの場合よりも容易になる。

〔光学パネルの厚みの数値例〕
次に、光学パネル１ａの厚みの数値例について説明する。光学パネル１ａは、板状部材１０を多数枚積層して積層構造体３０（図４参照）を作製し、この積層構造体３０を所定間隔で切断して切断面を研磨した後、切断面に金属膜からなる第１光反射部３を形成することで作製されている。ここでは、上記の板状部材１０は、薄板ガラス等の透明基板１１の両面にアルミ等の金属膜をコートして第２光反射部１２を形成したもので構成されているとする。

図１８に示すように、光学パネル１ａの第１光反射部３に垂直な方向の厚みをｔ（ｍｍ）とし、複数の第２光反射部１２の形成ピッチ（配置間隔）をｐ（ｍｍ）とする。また、第１光反射部３の法線Ｎは、基準面（ＺＸ面）内で物体からの発散光の中心光線（光線Ｌ１）に対して、傾き角θ（°）だけ傾いているものとする。また、透明基板１１を構成するガラスの屈折率をｎとし、空気の屈折率をｎ₀とする。なお、光学パネル１ａの厚みｔは、積層体２の厚みと第１光反射部３の厚みとの和となるが、第１光反射部３（金属膜）の厚みは例えば数ｎｍ〜数百ｎｍであり、積層体２の厚みに比べて十分に薄いため、ここでは積層体２の厚みとほぼ等しいものとする。

図１９Ａは、ピッチｐと厚みｔとの関係を模式的に示しており、図１９Ｂは、第１光反射部３と第２光反射部１２とで入射光の２回反射が起こる状態を模式的に示している。透明基板１１に入射角θで入射する光線の透明基板１１内での屈折角をθ’（°）としたとき、屈折の法則より、
ｎ₀×ｓｉｎθ＝ｎ×ｓｉｎθ’ ・・・（１）
が成り立つ。また、図１９Ａより幾何学的に、ピッチｐは、厚みｔを用いて以下の式で表される。
ｐ＝ｔ×ｔａｎθ’×２ ・・・（２）

第１光反射部３と第２光反射部１２とで２回反射が起こるためには、ｐは、式（２）の右辺よりも小さいことが条件となる（図１９Ｂ参照）。すなわち、
ｐ＜ｔ×ｔａｎθ’×２ ・・・（３）
を満足することが必要である。

ここで、例えば、透明基板１１として、厚み０．５ｍｍの薄板ガラス（Schott社のD263Teco）を使用し、このガラスの両面にアルミ膜を１００ｎｍ程度蒸着して第２光反射部１２を形成した場合、板状部材１０を積層したときの第２光反射部のピッチｐは、透明基板１１の厚み（０．５ｍｍ）にほぼ等しい。このため、光学パネル１ａにて２回反射が起こるためには、ｐ＝０．５を式（３）に代入して、
０．５＜ｔ×ｔａｎθ’×２ ・・・（４）
を満足することが必要である。

一方、上記した傾き角θを例えば２２．５°とした場合、上記薄板ガラスの屈折率ｎ＝１．５２３とし、ｎ₀＝１とすると、式（１）より、
ｓｉｎ２２．５°＝１．５２３×ｓｉｎθ’
が成り立つため、この式より、
θ’＝１４．５５°
となる。したがって、得られたθ’の値を式（４）に代入してｔについて整理すると、
ｔ＞０．９６３
が得られる。すなわち、光学パネル１ａの厚みｔが０．９６３ｍｍよりも大きい場合、第１光反射部３と第２光反射部１２とで入射光の２回反射が起こり、１ｍｍ程度の薄さで上記２回反射を実現できることになる。

２枚の光学パネルを積層してデバイスを構成する方式では、各光学パネルにおける反射面の形成ピッチを上記と同様に０．５ｍｍとした場合、１枚の光学パネルの厚みは１．５ｍｍ程度となることがわかっている。したがって、上記の数値例では、光学パネル１ａの厚みは、積層タイプ（光学パネル２枚分）の約２／３の厚みでよいことになる。よって、このことからも、本実施形態の光学パネル１ａは、デバイスの軽量化および生産性向上に寄与できると言える。

図２０は、光学パネル１ａの傾き角θが２２．５°の場合の、ＺＸ面内での、光学パネル１ａの幅Ｗ（第２光反射部１２が並ぶ方向の幅）と、光学パネル１ａから実像Ｒ（または物体ＯＢ）までの距離Ｄと、観察者による実像Ｒの観察距離Ｅとの関係を模式的に示している。ＺＸ面内において、光学パネル１ａの幅Ｗを例えば４００ｍｍとすると、光学パネル１ａからの距離Ｄが５００ｍｍとなる位置に、上述した入射光の２回反射によって実像Ｒが表示される。観察者は、この実像ＲをＥ＝５００ｍｍの距離から観察することができる。

〔光学パネルの他の構成〕
図２１は、本実施形態の光学パネル１ａの他の構成を示している。光学パネル１ａは、第１光反射部３に垂直な方向の厚みｔが、ＺＸ面内で、実像Ｒに最も近い側の端部Ｅ１から、実像Ｒから最も遠い側の端部Ｅ２に向かうにつれて、連続的に減少する形状であってもよい。

上述したように、光学パネル１ａをＺＸ面内で傾き角θだけ傾ける構成では、物体ＯＢから出射された光線の光学パネル１ａに対する入射角が、端部Ｅ１から端部Ｅ２に向かうにつれて大きくなる。このため、端部Ｅ１から端部Ｅ２に向かうにつれて、物体ＯＢから出射された光線が、光学パネル１ａの厚み方向（第１光反射部３に垂直な方向）の深くまで入射しにくくなる。その結果、物体ＯＢから出射されて第１光反射部３および第２光反射部１２で２回反射される光線の量が、端部Ｅ１から端部Ｅ２に向かうにつれて少なくなり、端部Ｅ１・Ｅ２を結ぶ幅方向において、再帰反射光の光量ムラが生じる。

しかし、光学パネル１ａの厚みｔを、ＺＸ面内で端部Ｅ１から端部Ｅ２に向かうにつれて連続的に減少させることにより、光学パネル１ａの上記幅方向のいずれの入射位置においても、物体ＯＢから出射された各光線を光学パネル１ａの厚み方向の深くまで入射させて、第１光反射部３および第２光反射部１２にて２回反射させることが可能となる。これにより、光学パネル１ａの上記幅方向の各入射位置において、２回反射される光線の量を均一にすることができる。その結果、上記幅方向において、再帰反射光に光量ムラが生じるのを抑えることができ、観察される実像Ｒに輝度ムラが生じるのを抑えることができる。

図２２は、本実施形態の光学パネル１ａのさらに他の構成を示している。同図に示すように、光学パネル１ａは、第１光反射部３に垂直な方向の厚みｔが、ＺＸ面内で、実像Ｒに最も近い側の端部Ｅ１から、実像Ｒから最も遠い側の端部Ｅ２に向かうにつれて、段階的に減少する形状であってもよい。なお、「厚みｔが段階的に減少する」とは、光学パネル１ａを、端部Ｅ１・Ｅ２を結ぶ幅方向において複数の領域に分割したときに、各領域同士では厚みが互いに異なり、同じ領域では厚みが一定となるように、端部Ｅ１から端部Ｅ２に向かって光学パネル１ａの厚みｔが変化（減少）することを指す。同図では、例として、光学パネル１ａの厚みｔを３段階に変化させているが、２段階以上の変化であればよい（段階数は特に限定されない）。

このように光学パネル１ａの形状を設定した場合でも、物体ＯＢから出射された光線の入射角が大きくなる端部Ｅ２およびそれに近い位置では、各光線を光学パネル１ａの厚み方向の深くまで入射させて、第１光反射部３および第２光反射部２にて２回反射させることが可能となる。これにより、上記幅方向における厚みが一定の光学パネル１ａを用いる場合に比べて、端部Ｅ２およびそれに近い位置での再帰反射光の光量を増大させて、上記幅方向における再帰反射光の光量ムラを抑えることが可能となる。

〔空中映像表示装置の他の構成〕
図２３は、本実施形態の空中映像表示装置４０の他の構成を模式的に示している。同図のように、空中映像表示装置４０の表示デバイス１は、複数の光学パネル１ａ・１ａを有していてもよい。複数の光学パネル１ａ・１ａは、ＺＸ面内でつながるように、並んで配置されている。なお、ここでは、光学パネル１ａを２枚並べて配置しているが、３枚以上並べて配置してもよい。また、２枚の光学パネル１ａ・１ａは、各第１光反射部３が面一となるように並べられてもよいが、ここでは、ＺＸ面内での各第１光反射部３の法線Ｎの向きが、ＺＸ面内で各光学パネル１ａにおける連結側とは反対側の端部Ｆ１・Ｆ１同士を結ぶ線分Ｖに垂直な軸ＡＸに対して傾斜し、かつ、対称となるように配置されている。

上記のように複数の光学パネル１ａ・１ａをＺＸ面内でつながるように並べることにより、例えば物体ＯＢを大画面の液晶表示装置で構成した場合には、そのような大画面の液晶表示装置から出射される光を各光学パネル１ａ・１ａにて反射させて、大画面の実像Ｒを空中に結像させることが可能となる。

また、複数の光学パネル１ａ・１ａは、ＺＸ面内において、各第１光反射部３の法線Ｎの向きが、軸ＡＸに対して傾斜し、かつ、対称となるように配置されているので、各第１光反射部３が面一となるように各光学パネル１ａ・１ａを並べて配置する場合に比べて、表示デバイス１の奥行方向（Ｚ方向）の長さを短くすることができる。これにより、複数の光学パネル１ａ・１ａを用いる場合でも、表示デバイス１の奥行方向の配置スペースを削減できる薄型の構成で、大画面の実像Ｒを空中に結像させることが可能となる。

本発明は、空中に物体の実像を表示する空中映像表示装置に利用可能である。

１ 表示デバイス（空中映像表示デバイス）
１ａ 光学パネル
２ 積層体
３ 第１光反射部
３ａ 金属膜
３ｂ ミラー
３ｃ 接着層
１０ 板状部材
１１ 透明基板
１２ 第２光反射部
４０ 空中映像表示装置
ＡＸ 軸
Ｅ１ 端部
Ｅ２ 端部
Ｆ１ 端部
Ｌ１ 光線（中心光線）
Ｌ２ 光線
Ｌ３ 光線
Ｎ 法線
ＯＢ 物体
Ｑ 虚像
Ｒ 実像
ＳＰ１ 空間（第１の空間）
ＳＰ２ 空間（第２の空間）
Ｖ 線分

Claims (10)

1. 物体の実像を映像として空中に表示する空中映像表示デバイスであって、
   平板状の光学パネルを有し、
   前記光学パネルは、
   該光学パネルの厚み方向に垂直な一方向に複数の板状部材が並んだ積層体と、
   前記積層体における該光学パネルの厚み方向に垂直な一側面を、前記複数の板状部材にわたって覆う平面状の第１光反射部とを有しており、
   前記複数の板状部材は、それぞれ、
   透明基板と、前記透明基板における前記一方向に垂直な２面の少なくとも一方に、前記第１光反射部と垂直に位置する平面状の第２光反射部とを有しており、
   前記第１光反射部および各第２光反射部の両方に垂直な任意の面を基準面としたとき、
   前記光学パネルは、前記物体から出射される発散光に含まれる各光線が、前記第１光反射部といずれかの前記第２光反射部とで合計２回反射されて前記物体とは異なる位置に向かい、かつ、前記２回の反射が前記各光線を投影した前記基準面内で再帰反射となるように配置されることにより、該光学パネルに対して前記物体と同じ側の第１の空間に前記実像を、前記光学パネルに対して前記物体とは反対側の第２の空間に前記物体の虚像をそれぞれ提供することを特徴とする空中映像表示デバイス。
2. 前記第１光反射部の法線は、前記２回の反射が前記基準面内で再帰反射となるように、前記基準面に投影した、前記光学パネルに入射する前記発散光の中心光線に対して、前記基準面内で傾いていることを特徴とする請求項１に記載の空中映像表示デバイス。
3. 前記透明基板および前記第２光反射部は、前記第１光反射部上で、前記基準面に垂直な方向に長尺状に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の空中映像表示デバイス。
4. 前記第１光反射部は、金属膜であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の空中映像表示デバイス。
5. 前記第１光反射部は、シート状のミラーと、接着層とを有していることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の空中映像表示デバイス。
6. 前記接着層の屈折率と、前記積層体に含まれる前記透明基板の屈折率との差は、０．０１以下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デバイス。
7. 前記光学パネルは、前記基準面内で、前記実像に最も近い側の端部から、前記実像から最も遠い側の端部に向かうにつれて、厚みが段階的または連続的に減少する形状であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の空中映像表示デバイス。
8. 前記光学パネルを複数有しており、
   前記複数の光学パネルは、前記基準面内でつながるように、並んで配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の空中映像表示デバイス。
9. 前記複数の光学パネルは、前記基準面内での各第１光反射部の法線の向きが、前記基準面内で各光学パネルにおける連結側とは反対側の端部同士を結ぶ線分に垂直な軸に対して傾斜し、かつ、対称となるように配置されていることを特徴とする請求項８に記載の空中映像表示デバイス。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の空中映像表示デバイスと、前記物体とを含むことを特徴とする空中映像表示装置。

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