JP2019032404A - 空中映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏向光学素子を用いた構成で、装置の薄型化を図りつつ、広がりを持つ光の偏向に起因するゴーストの発生を低減する。【解決手段】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と、被対象物と光学プレートとの間に、被対象物側から順に、偏向光学素子と、透過制御部材５とを有する。偏向光学素子は、被対象物からの光を偏向して出射する。透過制御部材５は、偏向光学素子からの光を所定範囲内の拡散角度に制限して透過させ、厚み方向とは異なる方向に透過率が最大である。透過制御部材５は、透過率が最大である方向に透過する光線が、光学プレートに対して所望の角度範囲で入射するように配置される。【選択図】図７

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。

近年、特殊な光学プレートを使用し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空中映像表示装置が提案されてきている。ここで、被対象物には、ディスプレイ（例えば液晶表示装置（ＬＣＤ））のほか、３次元的な物体も含まれるが、広義には、ディスプレイに表示される画像も含まれるものとする。

通常、空中における実像（空中像）の結像位置は、光学プレートに対して被対象物と面対象となる位置であるため、観察者に見やすい空中像を提供すべく、光学プレートから大きく離れた位置に空中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必要がある。そのため、光学プレートと被対象物とを含む空間が大きくなり、空中映像表示装置が大型化してしまう。また、空中像の観察時にゴースト像が併せて観察されると、ゴースト像が空中像の視認性を低下させる要因となる。このため、装置の薄型化とゴースト像の低減とを両立し得る空中映像表示装置を実現することが望まれる。

ここで、空中像は、被対象物からの光が光学プレートの複数の反射面（平面視で互いに直交する）で２回反射されることによって空中に結像される。このとき、光学プレートでの反射回数が１回のみである光（１回反射光とも称する）が、上記空中像を観察する観察者の目に入ると、観察者には１回反射光による虚像がゴースト像として視認されてしまう。その結果、観察者は、空中に結像された正規の実像を観察しにくくなる。

この点、例えば特許文献１では、被対象物（例えばフラットパネルディスプレイ）から光学プレートに向かう光の拡散角度を、拡散角度制限部材によって所定の角度範囲内に制限することにより、１回反射光が観察者の目に入るのを回避し、これによってゴーストとなる虚像の発生を抑えて、観察者に実像を見やすくしている。しかし、特許文献１では、装置の薄型化についての方策は何ら示されていない。

一方、例えば特許文献２では、光学プレートに対して被対象物側に、偏向光学素子としてリニアプリズムを配置することで、装置を薄型化する構成が開示されている。リニアプリズムは、一方向に同一形状（例えば断面直角三角形）で延びる複数の構造体（プリズム）を複数並列に形成した光学部材である。被対象物からの光をリニアプリズムによって屈折させて偏向し、光学プレートに入射させることにより、光学プレートに対して被対象物を傾けて近づけた配置であっても、リニアプリズムから光学プレートに対しては所望の入射角度（例えば４５°〜５０°）に近づけて光線を入射させることができる。これにより、装置の薄型化を実現するようにしている。

特開２０１３−１８２１２１号公報（請求項１、２、段落〔０００８〕、〔００４６〕、図１等参照） 特開２０１７−２６７３４号公報（請求項１、段落〔０００７〕、〔００１９〕、図１等参照）

被対象物（例えばＬＣＤ）から出射される光は、一般的に完全な平行光ではなく、一定の広がりを持っている。このように広がりを持つ光が偏向光学素子に入射すると、偏向光学素子の内部で、上記所望の入射角度以外の角度に偏向されて、光学プレートに入射する光線も存在する。このような光線は、ゴースト像を生じさせる要因となる。特許文献２では、装置の薄型化を図りつつ、広がりを持つ光の偏向によって生じるゴースト像を低減する対策までは検討されていない。

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、偏向光学素子を用いた構成で、装置の薄型化を図りつつ、広がりを持つ光の偏向に起因するゴーストの発生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、前記被対象物と前記光学プレートとの間に、前記被対象物側から順に、前記被対象物からの光を偏向して出射する偏向光学素子と、前記偏向光学素子からの光を所定範囲内の拡散角度に制限して透過させ、厚み方向とは異なる方向に透過率が最大である透過制御部材とを有しており、前記透過制御部材は、透過率が最大である方向に透過する光線が、前記光学プレートに対して所望の角度範囲で入射するように配置されている。

前記透過制御部材は、透光性の平板部材と、前記平板部材の内部で互いに離間して配置される複数の遮光板とを有しており、前記複数の遮光板は、透過率が最大となる方向と平行または略平行となるように、前記平板部材の厚み方向に対して傾斜した状態で配置されていることが望ましい。

上記の空中映像表示装置は、前記偏向光学素子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、所定範囲内の拡散角度に制限して出射する拡散制限部材をさらに備えていることが望ましい。

前記拡散制限部材は、透光性部材と、前記透光性部材の内部で互いに離間して配置される複数の遮光板とを有していることが望ましい。

前記拡散制限部材の前記複数の遮光板は、前記透光性部材の内部に、前記透光性部材の厚み方向と平行に配置されていることが望ましい。

前記偏向光学素子に対して光入射側および光出射側の少なくとも一方に、拡散板が配置されていることが望ましい。

前記偏向光学素子は、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大きくなる側に、前記被対象物からの光を屈折させて偏向する屈折型の光学素子であってもよい。

前記屈折型の光学素子は、透光性の平板と、一方向に同一形状で延び、前記平板に対して前記被対象物側に並列に配置される複数の構造体とを有し、前記被対象物からの光が、前記構造体および前記平板を順次透過する際の屈折によって、前記一方向に垂直な面内で前記被対象物からの光を偏向するリニアプリズムであってもよい。

前記偏向光学素子は、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大きくなる側に、前記被対象物からの光を反射させて偏向する反射型の光学素子であってもよい。

前記反射型の光学素子は、透光性の平板と、前記平板の内部に互いに離間して配置され、前記平板の互いに対向する２面のうちの一方の面から入射した前記被対象物からの光を反射によって偏向して、他方の面から出射させる複数の反射偏向面とを有していてもよい。

上記の構成によれば、偏向光学素子を用いた構成で、装置の薄型化を図りつつ、広がりを持つ光の偏向に起因するゴーストの発生を低減することができる。

本発明の実施形態に係る空中映像表示装置の全体の構成を模式的に示す断面図である。 上記空中映像表示装置が備える光学プレートの概略の構成を示す斜視図である。 上記空中映像表示装置が備える屈折型の偏向光学素子の概略の構成を示す断面図である。 上記屈折型の偏向光学素子の平面図である。 参考例の空中映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 上記屈折型の偏向光学素子に入射して偏向される異なる光線の光路を示す説明図である。 上記空中映像表示装置の透過制御部材の概略の構成を示す断面図である。 上記透過制御部材の透過率分布を示すグラフである。 上記空中映像表示装置が備える反射型の偏向光学素子の概略の構成を示す断面図である。 上記反射型の偏向光学素子の製造工程を模式的に示す説明図である。 上記反射型の偏向光学素子に入射して偏向される異なる光線の光路を示す説明図である。 空中像の輝度を測定する様子を模式的に示す説明図である。 観察角度と空中像の輝度との関係を模式的に示すグラフである。 観察角度とゴースト像の輝度との関係を模式的に示すグラフである。 上記空中映像表示装置の他の構成を模式的に示す断面図である。 上記空中映像表示装置が備える拡散制限部材の詳細な構成を示す断面図である。 半値角１２０°の光源から出射される光線の角度分布を示す説明図である。 半値角９０°の光源から出射される光線の角度分布を示す説明図である。 半値角６０°の光源から出射される光線の角度分布を示す説明図である。 図１７の角度分布を有する光源を用いて偏向光学素子に光を垂直に入射させた場合に、偏向光学素子から出射される光線の角度分布を示す説明図である。 図１８の角度分布を有する光源を用いて偏向光学素子に光を垂直に入射させた場合に、偏向光学素子から出射される光線の角度分布を示す説明図である。 図１９の角度分布を有する光源を用いて偏向光学素子に光を垂直に入射させた場合に、偏向光学素子から出射される光線の角度分布を示す説明図である。 上記空中映像表示装置のさらに他の構成を模式的に示す断面図である。

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断面図である。空中映像表示装置１は、被対象物の実像を空中に映像Ｍ（空中像）として結像させるものであり、ディスプレイ２と、光学プレート３と、偏向光学素子４と、透過制御部材５とを備えている。偏向光学素子４および透過制御部材５は、ディスプレイ２と光学プレート３との間に、ディスプレイ２側からこの順で配置されている。ディスプレイ２、偏向光学素子４および透過制御部材５は、互いに接して配置されているが、互いに離間して配置されてもよい。なお、偏向光学素子４および透過制御部材５の詳細については後述する。

ディスプレイ２は、画像を表示するデバイスであり、例えば液晶表示装置（ＬＣＤ）や有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示装置で構成される。本実施形態では、ディスプレイ２自体またはディスプレイ２の表示面２ａに表示される画像が被対象物を構成している。したがって、本実施形態において、被対象物の実像とは、ディスプレイ２の表示面２ａに表示される画像の実像を指す。ディスプレイ２は、偏向光学素子４および透過制御部材５とともに、筐体６内に配置されている。

光学プレート３は、ディスプレイ２から偏向光学素子４および透過制御部材５を介して入射する光を内部で反射させて、空中に映像Ｍを結像する光学素子であり、筐体６の開口部６ａに位置している。なお、光学プレート３は、筐体６の内部に収容されてもよい。この場合、筐体６内部の光学プレート３から出射される光を、開口部６ａを介して素通しする構成であってもよく、上記の開口部６ａに透明カバーを設置して、透明カバーを透過させる構成としてもよい。

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。本実施形態では、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を接着層を介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を接着層を介して並べることによって形成されている。

各板状部材２１は、Ｙ方向に長尺状に形成される透明基板２１ａと、該透明基板２１ａにおけるＸ方向に対向する２面のうちの少なくとも一方に形成される反射面２１ｂとを有している。同様に、各板状部材３１は、Ｘ方向に長尺状に形成される透明基板３１ａと、該透明基板３１ａにおけるＹ方向に対向する２面のうちの少なくとも一方に形成される反射面３１ｂとを有している。

上記の構成において、ディスプレイ２からの光は、偏向光学素子４および透過制御部材を介して光学プレート３に入射し、光学プレート３の複数の反射面（反射面２１ｂ・３１ｂ）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、ディスプレイ２の表示面２ａに表示された画像の実像が映像（空中像）Ｍとして空中に結像される。なお、光学プレート３によって空中に実像が結像される原理については、特許文献２と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

なお、光学プレート３としては、上記の２層構造のほか、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層構造のものを用いることもできる。

（偏向光学素子について）
図１で示した偏向光学素子４は、光学プレート３の光入射側の面３ａに入射する光線の、光入射側の面３ａの法線Ｔを基準とする入射角度θが大きくなる側に、ディスプレイ２からの光を屈折させて偏向する屈折型の光学素子である。つまり、光学プレート３に対するディスプレイ２の傾斜角度を一定とし、ディスプレイ２からの光を（偏向光学素子４を介さずに）光学プレート３に直接入射させたときの、面３ａの法線Ｔを基準とする入射角度をθ’としたとき、偏向光学素子４は、θ＞θ’となるようにディスプレイ２からの光を屈折させて偏向する。

図３は、偏向光学素子４の概略の構成を示す断面図であり、図４は、偏向光学素子４のディスプレイ２側からの平面図である。偏向光学素子４は、透光性の平板４１と、一方向（図３では紙面に垂直な方向）に同一形状（例えば断面直角三角形状）で延び、平板４１に対してディスプレイ２側に、平板４１に沿う上記一方向とは垂直な方向において、並列に配置される複数の構造体（プリズム）４２とを有するリニアプリズムである。平板４１および複数の構造体４２は、同一材料（例えば樹脂）で一体的に形成されている。ディスプレイ２からの光は、構造体４２および平板４１を順次透過する際の屈折により、上記一方向に垂直な面内で上記入射角度θが大きくなる側に偏向される。なお、上記一方向は、光学プレート３の反射面２１ｂ・３１ｂのそれぞれと平面視で４５°の角度で交差する方向である。

ここで、偏向光学素子４の構造体４２の斜面４２ａと平板４１とのなす角度を、プリズム角α（°）と呼ぶ。なお、このプリズム角αは、立ち上がり角とも呼ばれる。偏向光学素子４での入射光の偏向角度は、偏向光学素子４の材質の屈折率と、プリズム角αとによって決まる。例えば、偏向光学素子４の材質が、屈折率１．４９のＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）であるとすると、プリズム角αが４０°である場合、ディスプレイ２から出射され、平板４１の法線方向から構造体４２に入射した光線は、構造体４２と空気層との界面、および平板４１と空気層との界面での屈折により、偏向光学素子４（平板４１）から出射されるときに、約２２°偏向される。したがって、図１に示す、光学プレート３に対するディスプレイ２の傾斜角度φ（°）が例えば２３°となるようにディスプレイ２を配置することにより、ディスプレイ２から出射される光線を、偏向光学素子４を介して、光学プレート３に対して（光学プレート３に対する角度で）４５°に近い所望の範囲で入射させることが可能となる。

また、図５は、参考例１の空中映像表示装置１ａの概略の構成を示す断面図である。この空中映像表示装置１ａは、ディスプレイ２と光学プレート３との間に偏向光学素子４を配置せず、光学プレート３に対してディスプレイ２を４５°傾斜させて配置し、ディスプレイ２からの光を直接光学プレート３に入射させる構成である。被対象物（ディスプレイ２）として、ＬＣＤなどの一般的な表示装置を用いる場合、上記表示装置は正面輝度が最も高いため、図５のように、上記表示装置から出射される光が光学プレート３に対して所望の角度（４５°）で入射するようにディスプレイ２を配置することで、光学プレート３を介して結像される空中像の輝度を増大させることができる。しかし、この構成では、ディスプレイ２が上記のように傾斜して配置されていることにより、空中映像表示装置１ａの厚み（奥行きＤ２）がディスプレイ２の大きさによって決定してしまい（具体的には、奥行きＤ２を、（ディスプレイ２の表示面の長さ）×（１／√２）よりも大きくすることが必要となり）、空中映像表示装置１ａの薄型化が困難となる。

また、空中映像表示装置１ａの薄型化を図るべく、光学プレート３に対してディスプレイ２を平行に配置する構成が考えられる。しかし、この構成では、光学プレート３に対して所望の角度（４５°）から大きく乖離した角度でディスプレイ２からの光が入射することになるため、光学プレート３での反射の効率が低下し、空中像の輝度が低下したり、ゴーストが発生することが懸念される。

この点、本実施形態のように、ディスプレイ２と光学プレート３との間に偏向光学素子４を配置することにより、光学プレート３に対してディスプレイ２を平行に配置しなくても、ディスプレイ２から出射される光線を、偏向光学素子４を介して、光学プレート３に対して所望の角度範囲で入射させることができるため、空中像の輝度低下およびゴーストの発生を抑えることが可能となる。しかも、光学プレート３に対するディスプレイ２の傾斜角度として４５°以下（上記の例では２３°）を実現できるため、空中映像表示装置１の厚み（奥行きＤ１）を、参考例１の空中映像表示装置１ａの厚み（奥行きＤ２）よりも確実に薄くすることが可能となる。

また、屈折型の偏向光学素子４は、透光性の平板４１と、複数の構造体４２とを有する上述のリニアプリズムで構成されているため、構造体４２および平板４２により、光学プレート３の法線Ｔに対する入射角度θが大きくなる側に、ディスプレイ２からの光を確実に屈折させることができ、屈折型の偏向光学素子４を確実に実現することができる。

ところで、図６は、本実施形態の偏向光学素子４に入射して偏向される異なる光線Ｌ１１・Ｌ１２の光路を示している。ディスプレイ２からの光は、完全な平行光ではなく、広がりを持つ光であるため、ディスプレイ２から偏向光学素子４に入射する光線の位置や入射角度によっては、偏向光学素子４での偏向によって光学プレート３に対して所望の角度範囲（例えば４５°〜５０°）で入射する光線（例えば光線Ｌ１１）も存在するし、上記所望の角度範囲から大きく離れた角度で入射する光線（例えば光線Ｌ１１とは逆方向に偏向される光線Ｌ１２）も存在する。なお、光線Ｌ１２としては、例えば、ディスプレイ２から出射されて、偏向光学素子４の構造体４２の斜面４２ａを透過し、平板４１に垂直な側面４２ｂで全反射され、平板４１から出射される光線が考えられる。このような光線Ｌ１２は、光学プレート３に対して所望の角度範囲で入射しないため、ゴーストを発生させる原因となる。したがって、このような光線Ｌ１２の光学プレート３への入射を低減することが望ましい。

そこで、本実施形態では、偏向光学素子４の光学プレート３側に透過制御部材５を配置することによって、広がりを持つ光の偏向光学素子４での偏向に起因するゴーストの発生を低減するようにしている。以下、透過制御部材５の詳細について説明する。

（透過制御部材について）
図７は、透過制御部材５の概略の構成を示す断面図である。透過制御部材５は、偏向光学素子４からの光を所定範囲内の拡散角度に制限して透過させる平板状の光学部材である。透過制御部材５は、透光性の平板部材５１と、平板部材５１の内部で互いに離間して配置される複数の遮光板５２とを有している。平板部材５１は、例えば透明な樹脂（例えばシリコーンゴム）で構成されており、光入射側の面５１ａおよび光出射側の面５１ｂを有している。これらの面５１ａ・５１ｂは、平板部材５１の厚み方向に垂直な面であり、互いに対向している。複数の遮光板５２は、例えば黒色顔料を含有する樹脂（例えばシリコーンゴム）で構成されており、帯状に形成され、平板部材５１の内部に所定のピッチで並んで配置されているとともに、平板部材５１の厚み方向（面５１ａ・５１ｂの法線Ｎの方向）に対して傾斜した状態で配置されている。本実施形態では、複数の遮光板５２は、法線Ｎに対して約２０°傾斜しているが、この傾斜角度は適宜変更可能である。

また、図８は、本実施形態の透過制御部材５の透過率分布を示している。上記のように複数の遮光板５２が法線Ｎに対して傾斜していることにより、透過制御部材５の面５１ａに入射する光線の入射方向（透過制御部材５の透過方向）によっては、遮光板５２で吸収される光線や、遮光板５２で吸収されずに面５１ｂから出射される光線が存在する。その結果、透過制御部材５を透過する光線の透過率は、平板部材５１の厚み方向を基準とする角度に応じて変化する特性となっている。具体的には、複数の遮光板５２が法線Ｎに対して約２０°傾斜している場合、透過制御部材５（例えば１．０ｍｍ厚）を透過する光線の透過率は、法線Ｎに対して約２０°傾斜した方向（γ≒２０°）において最大（８０％）となり、上記透過率が最大の方向に対する角度差が大きくなるにしたがって、光線の透過率が減少する特性となっている。このように、本実施形態の透過制御部材５は、厚み方向とは異なる方向に透過率が最大となる特性を有している。

なお、複数の遮光板５２が法線Ｎに対して例えば約１０°傾斜している場合、透過制御部材５（例えば１．０ｍｍ厚）を透過する光線の透過率は、法線Ｎに対して約１０°傾斜した方向において最大となることがわかっている。また、複数の遮光板５２の傾斜角度によっては、透過制御部材５において透過率が最大となる方向と各遮光板５２とが完全に平行となる場合もあり得る。以上のことから、複数の遮光板５２は、透過率が最大となる方向と平行または略平行となるように、平板部材５１の厚み方向に対して傾斜した状態で配置されていると言うことができる。なお、厚み方向に対して傾斜した状態には、厚み方向に対する傾斜角度が０°（厚み方向と平行）となる状態は含まれない。また、上記の略平行とは、角度差が例えば１０°以下であることを指すが、５°以下であることが望ましい。

このように、複数の遮光板５２が平板部材５１の内部で傾斜して設けられていることにより、ディスプレイ２から偏向光学素子４を介して透過制御部材５に光が入射する際に、偏向光学素子４から出射される光のうちで角度β（図７参照）よりも大きい角度で拡散する光線については遮光板５２で吸収され、角度β以下の角度で拡散する光線は、遮光板５２で吸収されずに透過制御部材５から出射され、光学プレート３に入射する。つまり、透過制限部材５に入射した光は、拡散角度が入射光よりも狭い所定範囲内（上記の例では角度β以下）に制限されて出射され、光学プレート３に入射することになる。

上記のように、偏向光学素子４からの光を所定範囲内の拡散角度に制限して透過させるとともに、厚み方向とは異なる方向に透過率が最大である特性を有する透過制御部材５としては、例えば信越ポリマー株式会社製の視野角制御フィルム（ＶＣＦ；View Control Film）を用いることができる。

本実施形態では、透過制御部材５は、偏向光学素子４から出射されて、透過率が最大である方向（例えば法線Ｎに対して約２０°方向）に内部を透過する光線が、光学プレート３に対して所望の角度範囲で入射するように配置されている。例えば、ディスプレイ２を光学プレート３に対して所定の角度（約２５°付近）だけ傾けて配置するとともに、そのディスプレイ２と平行となるように、ディスプレイ２側から偏向光学素子４および透過制御部材５をこの順で配置することにより、ディスプレイ２から出射され、偏向光学素子４にて約２０°偏向されて透過制御部材５に入射し、透過率が最大である約２０°方向に透過制御部材５の内部を透過する光線を、光学プレート３に対して所望の角度範囲（例えば４５°〜５０°）で入射させることができる。

以上のように、偏向光学素子４の光学プレート３側に透過制御部材５を配置することにより、ディスプレイ２から出射され、偏向光学素子４で偏向される光に含まれる光線のうち、光学プレート３に対して所望の角度範囲で入射する方向に向かう光線を、透過制御部材５によって高い透過率で透過させる一方、偏向光学素子４にて上記角度範囲以外の方向に偏向される光線（例えば図６の光線Ｌ１２）の進行を、透過制御部材５での拡散角度の制限（遮光板５２での光吸収）によって抑えることができる。これにより、光学プレート３によって結像される空中像の輝度低下を抑えつつ、上記角度範囲以外の方向に偏向される光線に起因するゴーストの発生を抑えることができる。また、ディスプレイ２を光学プレート３に対して約２５°傾けた配置で上記の効果を得ることができるため、ディスプレイ２を光学プレート３に対して４５°傾けて配置する構成に比べて装置の薄型化を図りつつ、空中像の輝度低下を抑えるとともに、広がりを持つ光の偏向に起因する上記ゴーストの発生を抑えることができる。

また、透過制御部材５は、透光性の平板部材５１と、平板部材５１の内部で互いに離間して配置される複数の遮光板５２とを有しており、複数の遮光板５２は、透過率が最大となる方向と平行または略平行となるように、平板部材５１の厚み方向に対して傾斜した状態で配置されている。このように平板部材５１と複数の遮光板５２とを組み合わせて透過制御部材５を構成することにより、偏向光学素子４からの光を所定範囲内の拡散角度に制限して透過させ、厚み方向とは異なる方向に透過率が最大である透過制御部材５を確実に実現することができる。

（偏向光学素子の他の構成）
図９は、反射型の偏向光学素子４ａの概略の構成を示す断面図である。本実施形態では、上記した屈折型の偏向光学素子４の代わりに、反射型の偏向光学素子４ａを用いてもよい。この偏向光学素子４ａは、透光性の平板４４と、複数の反射偏向面４５とを有している。平板４４は、例えばガラスや樹脂などからなる透明基材であり、互いに対向する２面として、面４４ａおよび面４４ｂを有している。なお、これらの面４４ａおよび面４４ｂは、平板４４の厚み方向に垂直な面である。反射偏向面４５は、平板４４の一方の面４４ａから入射したディスプレイ２からの光を反射によって偏向して、他方の面４４ｂから出射させる金属反射面（ミラー、ルーバー）で構成されており、平板４４の内部に互いに離間して配置されている。

複数の反射偏向面４５は、平板４４の２面（面４４ａ、面４４ｂ）の少なくとも一方（ここでは両方）に対して傾斜している。なお、各反射偏向面４５の傾き角度（厳密には、上記２面の少なくとも一方の面の法線に対する各反射偏向面４５の傾斜角度）のことを、以下では、ルーバー角度とも称する。

また、複数の反射偏向面４５は、図９の紙面に平行な面内、つまり、ディスプレイ２から任意の反射偏向面４５に入射する入射光線（例えば光線Ｌａ）と、該入射光線が反射偏向面４５で反射偏向されて出射されるときの出射光線（例えば光線Ｌｂ）とを含む面内で、平板４４の厚み方向に垂直な一方向に所定のピッチで離間して配置されている。

上記偏向光学素子４ａを用いた構成では、ディスプレイ２からの光は、偏向光学素子４ａの面４４ａを介して内部に入射し、各反射偏向面４５で反射され、面４４ｂを介して出射される。この結果、屈折型の偏向光学素子４を用いた場合と同様に、ディスプレイ２からの光は、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Ｔを基準とする入射角度θが大きくなる側に偏向される（図１参照）。したがって、反射型の偏向光学素子４ａを用いた場合でも、光学プレート３に対してディスプレイ２を４５°以下の傾斜角度で配置して、ディスプレイ２からの光線を、偏向光学素子４ａおよび透過制御部材５を介して、光学プレート３に対して最適な角度で入射させることができ、光学プレート３に対してディスプレイ２を４５°で配置する図５の構成に比べて、装置を薄型化することができる。

また、偏向光学素子４ａは、透光性の平板４４と、平板４４の内部に互いに離間して配置される複数の反射偏向面４５とを有している。これにより、入射光を各反射偏向面４５での反射によって偏向して光学プレート３に導く反射型の偏向光学素子４ａを確実に実現することができる。

上記構成の偏向光学素子４ａは、例えば以下のようにして製造することができる。図１０は、反射型の偏向光学素子４ａの製造工程を模式的に示している。まず、所定の厚みのガラス基板７１を用意する（工程（Ａ））。そして、ガラス基板７１の両面に反射膜７２をコーティングする（工程（Ｂ））。この反射膜７２のコーティングは、例えばアルミニウムの蒸着によって行うことができる。なお、この反射膜７２は、上述した反射偏向面４５を形成する膜である。次に、反射膜７２をコーティングしたガラス基板７１を、接着剤を介して複数枚（例えば数百枚）積層して接着し、ガラスブロック７３を形成する（工程（Ｃ））。その後、得られたガラスブロック７３を、反射膜７２に対して斜め方向から、所定のピッチで切断する（工程（Ｄ））。切断した個片を所定の形状（例えば薄い直方体形状）に整形することにより、薄い平板状の偏向光学素子４ａを得ることができる。なお、工程Ｄにおいて、ガラスブロック７３を切断する向き（反射膜７２に対する切断角度）は、得ようとする偏向光学素子４ａの所望のルーバー角度に応じて適宜調整されればよい。

なお、ガラス基板５１の代わりに樹脂基板（例えばＰＭＭＡからなる基板）を用いても、上記と同様の手法で偏向光学素子４ａを製造することができる。樹脂基板を用いた場合は、ガラス基板７１を用いた場合よりも安価に偏向光学素子４ａを製造することができる。

ここで、図１１は、反射型の偏向光学素子４ａに入射して偏向される異なる光線Ｌ２１・Ｌ２２の光路を示している。ディスプレイ２からの光は、完全な平行光ではなく、広がりを持つ光であることは上述の通りである。このため、ディスプレイ２から偏向光学素子４ａに入射する光線の位置や入射角度によっては、偏向光学素子４ａでの偏向によって光学プレート３に対して所望の角度範囲（例えば４５°〜５０°）で入射する光線（例えば光線Ｌ２１）も存在するし、上記所望の角度範囲から大きく離れた角度で入射する光線（例えば隣り合う反射傾斜面４５での複数回反射によって光線Ｌ２１とは逆方向に偏向される光線Ｌ２２）も存在する。このような光線Ｌ２２は、光学プレート３に対して所望の角度範囲で入射しないため、ゴーストを発生させる原因となる。したがって、このような光線Ｌ２２の光学プレート３への入射を低減することが望ましい。

そこで、偏向光学素子４ａの光学プレート３側に、上述した透過制御部材５を配置することにより、光学プレート３に対して所望の角度範囲で入射する光線（例えば光線Ｌ２１）を、透過制御部材５によって高い透過率で透過させる一方、偏向光学素子４ａにて上記角度範囲以外の方向に偏向される光線（例えば光線Ｌ２２）の進行を、透過制御部材５での拡散角度の制限（遮光板５２での光吸収）によって抑えることができる。これにより、光学プレート３によって結像される空中像の輝度低下を抑えつつ、上記角度範囲以外の方向に偏向される光線に起因するゴーストの発生を抑えることができる。また、ディスプレイ２を光学プレート３に対して約４５°以下で傾けた配置で上記の効果を得ることができるため、ディスプレイ２を光学プレート３に対して４５°傾けて配置する構成に比べて装置の薄型化を図りつつ、空中像の輝度低下を抑えるとともに、広がりを持つ光の偏向に起因する上記ゴーストの発生を抑えることができる。

（シミュレーションについて）
次に、本実施形態の効果を確認するため、以下のシミュレーションを行った。その結果について説明する。

図１２は、ディスプレイ２と光学プレート３との間に、ディスプレイ２側から偏向光学素子４および透過制御部材５をこの順で配置し、光学プレート３によって結像される空中像（映像Ｍ）の輝度を、測定装置８０を用いて測定する様子を模式的に示している。ここでは、光学プレート３から一定距離だけ離した位置にディスプレイ２（ＬＣＤ）を配置し、光学プレート３を介して空中に結像した空中像を、光学プレート３の面３ａに垂直な法線に対して上方から斜め４５°下向きに観察する位置（観察角度θａ＝４５°とする）を基準とし、この位置から垂直下方に観察角度θａを減少させながら、各観察角度θａでの空中像の中心部の輝度を測定した。また、上記と同様にして、各観察角度θａごとに、正規の空中像とは異なる位置に発生するゴースト像の輝度を測定した。なお、空中像およびゴースト像の輝度を測定する測定装置８０としては、コニカミノルタ製の２次元色彩輝度計（ＣＡ−２０００）を用いた。

なお、ディスプレイ２は、光学プレート３に対して２５°傾けて配置されており、偏向光学素子４としては、図３で示したリニアプリズムを使用した。リニアプリズムは、プリズムの立ち上がり角度αが４０°である既存のプリズムであり、理論上は、入射光線を約２０°偏向して出射する。つまり、光学プレート３に対して２５°傾けたディスプレイ２から、正面方向に出射される光線は、偏向光学素子４によって約２０°偏向され、２５°＋２０°＝４５°で光学プレート３に入射することになる。

また、透過制御部材５としては、正面方向に対して約２０°方向の光を最も多く透過させる既存のＶＣＦ（信越ポリマー株式会社製）を使用した。つまり、偏向光学素子４で２０°偏向された光線成分が透過制御部材５を最も多く透過することになる。

上記のように、ディスプレイ２と光学プレート３との間に、ディスプレイ２側から偏向光学素子４および透過制御部材５をこの順で配置した空中映像表示装置の構成を、実施例１とする。

一方、実施例１の構成から、偏向光学素子４および透過制御部材５を削除した空中映像表示装置の構成を、比較例１とする。そして、比較例１についても、実施例１と同様の手法で、各観察角度θａごとに、空中像（中心部）の輝度およびゴースト像の輝度を測定した。

図１３は、実施例１と比較例１とで、観察角度と空中像の輝度との関係を模式的に示している。なお、縦軸の空中像輝度は、基準値に対する測定輝度の相対値で示している。同図より、観察角度θａが３６°以上４５°以下では、比較例１よりも実施例１のほうが、空中像の輝度が高く（明るく）、特にθａ＝４５°では、実施例１で観察される空中像の明るさは、比較例１で観察される空中像の明るさの約２倍であることがわかる。

また、図１４は、実施例１と比較例１とで、観察角度とゴースト像の輝度との関係を模式的に示している。なお、縦軸のゴースト像の輝度についても、図１３と同様に、基準値に対する測定輝度の相対値で示している。ゴースト像の輝度に関しては、比較例１では、観察角度θａが４５°から小さくなるにつれて、ゴースト像の輝度が高くなっていき、ゴースト像が目立ってくることがわかる。これに対して、実施例１では、観察角度θａを４５°から小さくしても、ゴースト像の輝度は低いままであることがわかる。

以上より、偏向光学素子４および透過制御部材５を用いる実施例１の構成によれば、空中像の輝度が高く（明るく）、ゴースト像の発生を抑制しつつ、光学プレート３に対するディスプレイ２の４５°以下の傾斜配置によって、装置の薄型化を達成できると言える。

（空中映像表示装置の他の構成）
図１５は、本実施形態の空中映像表示装置１の他の構成を模式的に示す断面図である。同図に示すように、空中映像表示装置１は、図１の構成に加えて、拡散制限部材１０をさらに備えていてもよい。拡散制限部材１０は、偏向光学素子４に対して被対象物側（ディスプレイ２側）に配置され、被対象物からの光（拡散光）を、所定範囲内の拡散角度に制限して（狭めて）出射する平板状の光学部材である。

図１６は、拡散制限部材１０の詳細な構成を示す断面図である。拡散制限部材１０は、透光性部材１１と、透光性部材１１の内部で互いに離間して所定のピッチで配置される複数の遮光板１２とを有している。遮光板１２の配列ピッチは、偏向光学素子４の構造体４２の配列ピッチ（または偏向光学素子４ａの反射偏向面４５の配列ピッチ）と一致していることが望ましいが、互いに異なっていてもよい。また、遮光板１２は、平板状の拡散制限部材１０の厚み方向に垂直な面１１ａに対して垂直に設けられていることが望ましいが、入射光を所定範囲内の拡散角度に制限して出射できるのであれば、面１１ａに対して傾いていてもよい。

上記のように、入射光を所定範囲内の拡散角度に制限して出射する拡散制限部材１０としては、例えば住友スリーエム社製のプライバシーフィルターを用いることができる。

被対象物として、例えばＬＣＤなどのディスプレイ２を用いた場合、ディスプレイ２から出射される光が一定の広がりを有していることは前述の通りである。ディスプレイ２から完全な平行光だけが出射されれば、偏向光学素子４で偏向されて出射される光線は、きれいに所望の角度成分（例えば光学プレート３に対して４５°で入射する成分）だけを持つ光線となるが、広がりを持った角度成分の光が偏向光学素子４に入射すると、偏向光学素子４にて所望の角度以外の角度で偏向されて出射される光線が存在してしまう。上記光線が光学プレート３に入射すると、光学プレート３の内部での多重反射により、空中像の輝度が低下し、また、ゴースト像も発生する。本実施形態では、上述した透過制御部材５により、偏向光学素子４にて所望の角度以外の角度で偏向されて出射される光線を低減できるが、できれば、上記光線が発生するもととなる光（不要な拡散光）の偏向光学素子４への入射自体を予め低減しておくことが望ましい。

本実施形態のように、偏向光学素子４に対して被対象物側に拡散制限部材１０を配置することにより、ディスプレイ２から広がりを持つ光が拡散制限部材１０に入射した場合でも、入射光のうちで角度ψよりも大きい角度で拡散する光線を遮光板１２で吸収し、角度ψ以下の角度で拡散する光線を、遮光板１２で吸収せずに拡散制限部材１０から出射させて偏向光学素子４に入射させることができる。つまり、拡散制限部材１０に入射した光は、拡散角度が入射光よりも狭い所定範囲内（上記の例では角度ψ以下）に制限されて出射され、偏向光学素子４に入射する。これにより、偏向光学素子４にて所望の角度以外の角度で偏向される光線を減らし、さらに透過制御部材５との併用によって上記光線の光学プレート３への入射を確実に減らすことができる。その結果、上記光線の光学プレート３での多重反射に起因する輝度低下やゴーストの発生を確実に抑えることができる。

ここで、偏向光学素子４に入射する光の広がりと、偏向光学素子４から出射される光の角度分布との関係について考察する。図１７は、半値角１２０°（ランバーシアン配向）の光源から出射される光線の角度分布（出射方向と強度との関係）を示し、図１８は、半値角９０°の光源から出射される光線の角度分布を示し、図１９は、半値角６０°の光源から出射される光線の角度分布を示している。ここで、半値角とは、正面（ここでは−９０°の方向とする）の光の強度に比べて、強度が半分になるときの角度を指し、同心円の中心から半径方向外側に向かう方向は、光の強度が増大する方向に対応する。また、図２０〜図２２は、偏向光学素子４から出射される光線の角度分布（出射方向と強度との関係）を示しており、図２０は、図１７の角度分布を有する光源を用いて偏向光学素子４に光を垂直に入射させた場合を示し、図２１は、図１８の角度分布を有する光源を用いて偏向光学素子４に光を垂直に入射させた場合を示し、図２２は、図１９の角度分布を有する光源を用いて偏向光学素子４に光を垂直に入射させた場合を示している。

なお、偏向光学素子４において、−９０°の方向は、出射面の法線方向に対応し、−７０°の方向は、光学プレート３に所望の角度（４５°）で光線を入射させるために偏向光学素子４で偏向するときの偏向方向（偏向角度２０°）に対応している。

各光源からの光を偏向光学素子４にて偏向する場合、図２０〜図２２より、半値角１２０°の光源よりも半値角９０°および６０°の光源を用いたほうが、つまり、光線の広がり（拡散角度）のより小さい光源を用いたほうが、偏向光学素子４にて偏向されて出射され、光学プレート３に対して所望の角度（例えば４５°方向）で入射する光の強度が高いことがわかる。これは、偏向光学素子４に入射する光線の広がりが大きいと、偏向光学素子４での偏向により、光学プレート３に対して所望の角度以外の角度で入射する光が増大し、光学プレート３に対して所望の角度で入射する光が減少することによる。したがって、このような考察からも、拡散角度の狭い光を偏向光学素子４に入射させるほうが、光学プレート３に対して所望の角度で入射する光を増大させるのに有利であることがわかる。

よって、本実施形態のように、拡散制限部材１０を配置して被対象物からの光の拡散角度を制限し、拡散角度の狭い光を偏向光学素子４に入射させることにより、偏向光学素子４から光学プレート３に対して所望の角度で入射する光を増大させて、光学プレート３での多重反射を低減し、多重反射に起因する輝度低下やゴースト像の発生を抑えることができると言える。

特に、拡散制限部材１０は、透光性部材１１と、透光性部材１１の内部で互いに離間して配置される複数の遮光板１２とを有していることにより、被対象物からの光を、複数の遮光板１２によって、所定範囲内の拡散角度に制限して出射することができ、拡散制限部材１０の機能を確実に発揮させることができる。また、複数の遮光板１２は、透光性部材１１の内部に、透光性部材１１の厚み方向と平行に配置されているため、透光性部材１１の配列ピッチおよび遮光板の高さ（透光性基板１１の厚み）を適切に設定することで、制限する拡散角度（角度ψ）の設定が容易となる。

なお、図２０〜図２２の角度分布より、偏向光学素子４に入射する光の半値角は、９０°以下であることが、光学プレート３に対して所望の角度で入射する光を増大させて、多重反射に起因する輝度低下やゴーストの発生を抑える点で望ましく、半値角６０°以下であることがさらに望ましいと言える。したがって、拡散制限部材１０が、被対象物からの光を所定範囲の拡散角度に制限して出射する際の上記所定範囲（角度ψ）としては、全角９０°以下（垂直入射に対して±４５°以下）であることが望ましく、全角６０°以下（垂直入射に対して±３０°以下）であることがさらに望ましいと言える。

（空中映像表示装置のさらに他の構成）
図２３は、本実施形態の空中映像表示装置１のさらに他の構成を模式的に示す断面図である。同図に示すように、空中映像表示装置１は、図１５の構成に加えて、拡散板１５をさらに備えていてもよい。本実施形態では、拡散板１５は、偏向光学素子４に対して光入射側および光出射側の両方に配置されているが、光入射側および光出射側の少なくとも一方に配置されていればよい。また、拡散板１５の配置位置は、被対象物（ディスプレイ２）と光学プレート３との間であればどの位置であってもよく、図２３で示した位置には限定されない。

なお、拡散制御部材１０を有していない図１の構成に、上記の拡散板１５を適用してもよい。また、リニアプリズムからなる屈折型の偏向光学素子４の代わりに、反射型の偏向光学素子４ａを用いた構成において、その光入射側および光出射側の少なくとも一方に拡散板１５を配置してもよい。さらに、拡散板１５は、偏向光学素子４（４ａ）と近接して配置されていてもよいし、離間して配置されていてもよい。

偏向光学素子として、リニアプリズムからなる屈折型の偏向光学素子４を用いた場合であっても、反射型の偏向光学素子４ａを用いた場合でも、偏向光学素子の周期的なプリズム（構造体４２）の配列ピッチまたはミラー（反射偏向面４５）の配列ピッチと、その入射面側に配置されるＬＣＤなどのディスプレイ２の画素ピッチとの微小な差異（周期のズレ）により、空中に結像される映像Ｍに濃淡の縞模様（いわゆるモアレ）が発生する。このようなモアレは、空中像の品質を劣化させる原因となる。

上記のように、偏向光学素子４（４ａ）の光入射側および光出射側の少なくとも一方に拡散板１５を配置することにより、拡散板１５によって画素の輪郭をぼかすことができる。これにより、空中像のモアレを低減することができ、空中像の品質劣化を回避することができる。

なお、図１５および図２３の構成では、拡散制限部材１０または拡散板１５の配置により、図１の構成に比べて、空中映像表示装置１の厚みが若干増大するが、光学プレート３に対してディスプレイ２を４５°よりも十分に小さい傾斜角度で配置しているため、光学プレート３に対してディスプレイ２を４５°で配置する参考例１の空中映像表示装置１ａ（図５参照）に比べて、装置の厚みを十分に薄くできることに変わりはない。

（その他）
以上では、ディスプレイ２からの光が光学プレート３に入射するときの光学プレート３に対する所望の角度範囲（光学プレート３と入射光線とのなす角度）として、光学プレート３にて最も効率よく光を反射させることができる範囲、つまり、θ＝４５°〜５０°を想定して説明したが、θ＝３５°〜５５°（４５°±１０°の範囲）であればよい。つまり、上記所望の角度範囲が３５°〜５５°であれば、ディスプレイ２からの光を光学プレート３にて効率よく反射させて、明るい空中像を得ることができる。また、ディスプレイ２から出射される光線のうち、少なくとも、ディスプレイ２の表示面２ａの中心から空中像の中心に向かって進行する光線が光学プレート３に入射するときの入射位置にて、上記所望の角度範囲を実現することにより、装置の薄型化を図りつつ、広がりを持つ光の偏向に起因するゴーストの発生を低減する本実施形態の効果を得ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で拡張または変更して実施することができる。

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 ディスプレイ（被対象物）
３ 光学プレート
４ 偏向光学素子
４ａ 偏向光学素子
５ 透過制御部材
１０ 拡散制限部材
１１ 透光性部材
１２ 遮光板
１５ 拡散板
２１ｂ 反射面
３１ｂ 反射面
４１ 平板
４２ 構造体
４４ 平板
４５ 反射偏向面
５１ 平板部材
５２ 遮光板

Claims (10)

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、
   前記被対象物と前記光学プレートとの間に、前記被対象物側から順に、
   前記被対象物からの光を偏向して出射する偏向光学素子と、
   前記偏向光学素子からの光を所定範囲内の拡散角度に制限して透過させ、厚み方向とは異なる方向に透過率が最大である透過制御部材とを有しており、
   前記透過制御部材は、透過率が最大である方向に透過する光線が、前記光学プレートに対して所望の角度範囲で入射するように配置されていることを特徴とする空中映像表示装置。
2. 前記透過制御部材は、
   透光性の平板部材と、
   前記平板部材の内部で互いに離間して配置される複数の遮光板とを有しており、
   前記複数の遮光板は、透過率が最大となる方向と平行または略平行となるように、前記平板部材の厚み方向に対して傾斜した状態で配置され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装置。
3. 前記偏向光学素子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、所定範囲内の拡散角度に制限して出射する拡散制限部材をさらに備え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装置。
4. 前記拡散制限部材は、
   透光性部材と、
   前記透光性部材の内部で互いに離間して配置される複数の遮光板と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. 前記拡散制限部材の前記複数の遮光板は、前記透光性部材の内部に、前記透光性部材の厚み方向と平行に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の空中映像表示装置。
6. 前記偏向光学素子に対して光入射側および光出射側の少なくとも一方に、拡散板が配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の空中映像表示装置。
7. 前記偏向光学素子は、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大きくなる側に、前記被対象物からの光を屈折させて偏向する屈折型の光学素子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装置。
8. 前記屈折型の光学素子は、透光性の平板と、一方向に同一形状で延び、前記平板に対して前記被対象物側に並列に配置される複数の構造体とを有し、前記被対象物からの光が、前記構造体および前記平板を順次透過する際の屈折によって、前記一方向に垂直な面内で前記被対象物からの光を偏向するリニアプリズム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. 前記偏向光学素子は、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大きくなる側に、前記被対象物からの光を反射させて偏向する反射型の光学素子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装置。
10. 前記反射型の光学素子は、透光性の平板と、前記平板の内部に互いに離間して配置され、前記平板の互いに対向する２面のうちの一方の面から入射した前記被対象物からの光を反射によって偏向して、他方の面から出射させる複数の反射偏向面とを有していることを特徴とする請求項９に記載の空中映像表示装置。

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