JP2020060752A - 空中像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設置場所の自由度が高く、観察者側から表示部の表示内容が直接視認されない空中像形成装置を提供する。【解決手段】本発明の空中像形成装置１１は、床面１０１に立てられて光７１を出射する表示部２０と、表示部から照射される光７１をＺ方向の奥側に向けて光７２として反射させる反射部５０と、光７１を遮蔽し且つ光７２を透過させる遮光部３０と、光７２を所定の方向に透過及び結像させる透光結像部４０と、を備え、表示部２０と反射部５０と遮光部３０と透光結像部４０は、床面１０１に対して同じ側に設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、空中像形成装置に関する。

空中像は、光源から出射された光を光学素子等によって反射・屈折させ、空間の任意の位置に結像させた実像である。空中像を表示する位置にはスクリーンやディスプレイが配置されておらず、空中像を見る観察者は不思議な感覚を得る。そのため、近年、バーチャルリアリティをはじめとする様々なアプリケーションで、空中像が活用されている。

例えば、非特許文献１には、テーブルの上面の反射を用いてテーブル上に空中像を表示する直立空中像ディスプレイが開示されている。直立する結像させるためのハーフミラーがテーブルの上面に配置されるので、非特許文献１に記載されている直立空中像ディスプレイは既存の様々なテーブルに対して適用可能である。

山本紘暉，梶田創，小泉直也，苗村健，EnchanTable：テーブル面の反射を用いた直立空中像ディスプレイ，日本バーチャルリアリティ学会論文誌，Vol.21，No.3，pp.401-410，2016.

しかしながら、非特許文献１に記載されている直立空中像ディスプレイでは、空中像を表示するディスプレイがテーブルの上面より下側に配置されている。そのため、非特許文献１に記載されている直立空中像ディスプレイを用いて既存の床に直立する空中像を形成しようとすると、床を掘り下げて穴底にディスプレイを配置しなければならず、実現が困難になる。このように床に直立する空中像を形成する形態は一例であるが、従来の空中像形成装置では設置場所の自由度が低いという問題があった。また、観察者側からは、表示元の画像が見えず、空中像のみが視認できる空中像形成装置が望まれていた。

本発明は、上述の事情を勘案したものであって、設置場所の自由度が高く、観察者側から表示部の表示内容が直接視認されない空中像形成装置を提供する。

本発明の空中像形成装置は、基準面に立てられた表示面を有し、第１光を出射する表示部と、前記第１光の進行方向において前記表示部より奥側の前記基準面に沿って設けられ、前記表示部から照射される前記第１光を前記進行方向の奥側に向けて第２光として反射させる第１反射面を有する第１反射部と、前記進行方向において前記表示部より奥側の前記基準面に設けられ、前記第１光を遮蔽し且つ前記第２光を透過させる遮光部と、前記進行方向において前記第１反射部より奥側の前記基準面に立てられ、前記第２光を所定の方向に透過及び結像させる透光結像部と、を備え、前記表示部と前記第１反射部と前記遮光部と前記透光結像部は、前記基準面に対して同じ側に設けられている。

本発明の空中像形成装置では、前記第１光の偏光方向は、前記進行方向の手前側から奥側に向かって見たときに前記基準面を中心として非対称な第１の向きになっており、前記第２光の偏光方向は、前記進行方向の手前側から奥側に向かって見たときに前記第１の向きとは異なる第２の向きになっており、前記遮光部は、前記第１反射部より奥側の前記基準面に立てられて前記進行方向から見て偏光方向が前記第２の向きになっている偏光板を備えてもよい。

本発明の空中像形成装置では、前記第１光の偏光方向は、前記進行方向の手前側から奥側に向かって見たときに前記基準面を中心として対称な第１の向きになっており、前記第２光の偏光方向は、前記進行方向の手前側から奥側に向かって見たときに前記第１の向きとは異なる第２の向きになっており、前記遮光部は、前記反射部における前記第１光の入射側に設けられて前記第１光の偏光方向を前記第１の向きとは異なる第２の向きに変える偏光光学素子と、前記第１反射部より奥側の前記基準面に立てられて前記進行方向から見て偏光方向が前記第２の向きになっている偏光板とを備えてもよい。

本発明の空中像形成装置では、前記透光結像部は、入射する光を再帰透過させる再帰透過光学素子を備えてもよい。

本発明の空中像形成装置では、前記進行方向において前記透光結像部より奥側の前記基準面に沿って設けられ、前記透光結像部から出射される前記第２光を前記進行方向の奥側に向けて反射させる第２反射面を有する第２反射部を備えてもよい。

本発明によれば、設置場所の自由度が高く、観察者側から表示部の表示内容が直接視認されない空中像形成装置を提供できる。

本発明の第１の態様の空中像形成装置の側面図である。 図１に示す空中像形成装置の各構成における偏光方向及び像の向きを示す模式図である。 図１に示す空中像形成装置の透光結像部の側面図である。 図１に示す空中像形成装置の変形例を説明するための側面図である。 図１に示す空中像形成装置の変形例を説明するための側面図である。 図１に示す空中像形成装置の変形例を説明するための側面図である。 図１に示す空中像形成装置の変形例を説明するための側面図である。 図１に示す空中像形成装置の変形例を説明するための側面図である。 本発明の第２の態様の空中像形成装置の側面図である。 図９に示す空中像形成装置の各構成における偏光方向及び像の向きを示す模式図である。 本発明の第３の態様の空中像形成装置の側面図である。 本発明の第４の態様の空中像形成装置の側面図である。 本発明の第５の態様の空中像形成装置の側面図である。 本発明の第６の態様の空中像形成装置の側面図である。 実施例の空中像形成装置の側面図である。 実施例の空中像形成装置で形成された空中像の写真である。

以下、本発明の空中像形成装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の態様）
図１に示すように、本発明の一実施形態の第１の態様の空中像形成装置１１は、少なくとも表示部２０、遮光部３０、透光結像部４０、反射部５０を備え、さらに補助遮光部６０を備えている。

表示部２０は、平坦な床面（基準面）１０１に立てられた表示面２８を有し、偏光方向が第１の向きＰ１である光（第１光）７１を表示面２８から出射する。本明細書では、床面１０１に平行な方向且つ光７１の進行方向をＺ方向とし、表示部２０に近い側を手前側、後述する空中像９１及び観察者に近い側を奥側という。また、Ｚ方向に直交し且つ床面１０１に対して近接離間する方向をＹ方向とし、床面１０１に近い側を手前側、床面１０１から遠い側を奥側という。また、Ｙ方向及びＺ方向に直交し且つ床面１０１に水平な方向をＸ方向とし、Ｚ方向の手前側から奥側に向かって見たときに左側を手前側、右側を奥側とする。

表示部２０は、液晶ディスプレイ２１で構成されている。液晶ディスプレイ２１は、バックライト光源と、バックライト光源のＺ方向の奥側において２枚の偏光板２３，２４の間に、さらに２枚のガラス基板等で挟まれた液晶２５を備えている。液晶２５の動きと偏光板２３，２４の偏光方向との組み合わせによって、バックライト光源から出射される光の透過量が制御される。液晶ディスプレイ２１では、Ｘ方向及びＹ方向に複数の画素が配列し、各画素に対してカラーフィルタや薄膜トランジスタが配置されている。図１では、液晶ディスプレイ２１の構成のうち、偏光板２３，２４及び液晶２５の層のみ示され、その他の構成は省略されている。

空中像形成装置１１では、液晶２５は、ツイストネマティック（twisted nematic：ＴＮ）液晶２５−１である。ＴＮ液晶２５−１の長軸は、Ｘ方向及びＹ方向を含むＸＹ面内で回転しており、電界がＯＮ状態になるとＺ方向に沿う。図２に示すように、偏光板２４からは、偏光方向がＸ方向及びＹ方向に対して略４５°傾いた光７１がＺ方向（第１光の進行方向）に沿って出射する。光７１の偏光方向は、Ｘ方向及びＹ方向に対して略４５°傾いた第１の向きＰ１であり、Ｚ方向の手前側から奥側に向かって見たときに床面１０１を中心として非対称である。なお、図２及び後述する図１０では、偏光方向及び像の向きをわかりやすく示すために、Ｙ方向において略同じ位置に配置又は形成される構成であっても紙面の上下方向にずらして模式的に示している。

図１に示すように、第１反射部５０は、Ｚ方向において表示部２０より奥側の床面１０１に沿って設けられている。第１反射部５０、表示部２０から照射される光７１をＺ方向の奥側に向けて光（第２光）７２として反射させる反射面（第１反射面）５１を有する。反射部５０は、ＸＺ面に拡がる板状の鏡５２で構成されている。反射面５１は、Ｙ方向において鏡５２の床面１０１に接する側とは反対側に向けられている。鏡５２は、Ｚ方向の手前側且つＹ方向の表示部２０の先端側から斜めに入射する光７１を、入射角と同じ反射角で、Ｚ方向の奥側且つＹ方向の表示部２０の先端側に反射する。光７２の偏光方向は、図２に示すように第１の向きＰ１が反射面５１を中心として折り返された第２の向きＰ２になっている。即ち、第２の向きＰ２は、Ｘ方向に対して第１の向きＰ１と同じ側に略４５°傾き、Ｙ方向に対して第１の向きＰ１とは反対側に略４５°傾いている。

遮光部３０は、Ｚ方向において表示部２０より奥側の床面１０１に設けられている。遮光部３０は、光７１を遮蔽し且つ光７２を透過させる。図１及び図２に示すように、遮光部３０は、Ｚ方向の手前側から奥側に向かって見たときに偏光方向が第１の向きＰ１に直交する（第１の向きとは異なる）第２の向きＰ２である偏光板３１を備えている。

図１に示すように、透光結像部４０は、Ｚ方向において第１反射部５０より奥側の床面１０１に立てられ、少なくとも光７２を所定の方向に透過及び結像させる。空中像形成装置１１では、透光結像部４０は、Ｚ方向において遮光部３０より手前側の床面１０１に立てられ、遮光部３０に接している。

空中像形成装置１１では、透光結像部４０は、マイクロミラーアレイプレート（micro-mirror array plate：ＭＭＡＰ、再帰透過光学素子）４１で構成されている。ＭＭＡＰ４１は、Ｙ方向において所定の間隔をあけて配置された複数のマイクロミラー４２を備えている。マイクロミラー４２は、ＸＹ面に延在している。図３に示すように、Ｙ方向で隣り合うマイクロミラー４２同士は、互いに平行になっている。Ｙ方向において隣り合うマイクロミラー４２−１，４２−２の間に、Ｚ方向の手前側且つＹ方向の床面１０１側又は床面１０１から離れた側から所定の入射角で入射する光は、同じ角度でＺ方向の奥側且つＴ方向の入射時と同じ側に入射角と同じ角度の反射角で反射する。即ち、ＭＭＡＰ４１は、入射する光を再帰透過させる。

補助遮光部６０は、Ｚ方向において透光結像部４０より奥側の床面１０１に立てられている。補助遮光部６０は、ルーバーフィルム（louver film：ＬＦ）６１で構成されている。ＬＦ６１は、Ｙ方向において所定の間隔をあけて配置された複数の遮蔽素子６２を備えている。遮蔽素子６２は、ＸＹ面に対してＺ方向の奥側に進むにしたがって下降するように傾斜している。Ｙ方向で隣り合うマイクロミラー４２同士は、互いに平行になっている。Ｙ方向において隣り合う遮蔽素子６２の間に、Ｚ方向の手前側且つＹ方向の床面１０１側から、Ｚ方向の奥側且つ床面１０１から離れる側に向けて入射する光７２−２は、遮蔽素子６２によって拡散又は吸光され、Ｚ方向において遮蔽される。一方、Ｙ方向において隣り合う遮蔽素子６２の間に、Ｚ方向の手前側且つＹ方向の床面１０１かな離れている側から、Ｚ方向の奥側且つ床面１０１に近づく側に向けて入射する光７２−１は、そのまま直進し、遮蔽されない。

少なくともＺ方向の補助遮光部６０より奥側の床面（第２反射部）１０１は、光７２を反射する。ここで、光７２を反射するとは、略１００％の光７２を反射することに限定されず、観察者が視認可能な空中像９１を形成可能な程度に光７２を反射することを意味する。床面１０１は、大理石の床面や光沢が出るようにコーティングされた床面で構成されている。

上述の各構成を備える空中像形成装置１１では、液晶ディスプレイ２１の各画素から光７１が出射されると、Ｚ方向の手前側から奥側に進むにしたがってＹ方向において床面１０１に近づく光７１は、反射面５１で反射される。反射面５１で反射される光７２は、表示部２０の虚像８１から出射される光７２としてふるまう。図２に示すように、光７２の偏光方向は、第１の向きＰ１を床面１０１を中心として床面１０１の反対側に折り返した向きに相当し、第２の向きＰ２になる。虚像８１では、液晶ディスプレイ２１で表示される画像５が反射面５１を中心として反転する。

図１に示すように、ＭＭＡＰ４１に入射する光７１−１，７２−１は、ＭＭＡＰ４１によって再帰透過する。但し、図３に示すように、Ｙ方向で隣り合うマイクロミラー４２−１，４２−２の間に、床面１０１に対して浅い入射角でＺ方向の手前側且つＹ方向の床面１０１側又は床面１０１から離れた側から入射する光７１−２，７２−２は、ＭＭＡＰ４１を透過する。浅い入射角とは、マイクロミラー４２−１，４２−２のＺ方向に沿う反射面に対して、マイクロミラー４２−１のＺ方向の手前側の端縁とマイクロミラー４２−２のＺ方向の奥側の端縁とを結ぶ対角面がなす角度より小さいことを意味する。図２に示すように、ＭＭＡＰ４１で再帰反射された後でも、画像５の向きは、虚像８１の向きと同じになっている。

ＭＭＡＰ４１によって再帰反射される光７１−１，７２−１及びＭＭＡＰ４１を透過する光７１−２，７２−２は、偏光板３１に入射する。図２に示すように、偏光板３１の偏光方向は光７１の偏光方向と直交しているので、偏光板３１によって光７１が遮断される。一方、偏光板３１の偏光方向は光７２の偏光方向と平行になっているので、光７２は偏光板３１を透過する。

偏光板３１を透過する光７２は、ＬＦ６１に入射する。光７２のうち光７２−１は、Ｙ方向において隣り合う遮蔽素子６２の間に、Ｚ方向の手前側且つＹ方向の床面１０１から離れている側から、Ｚ方向の奥側且つ床面１０１側に向けて入射する。図３に示すように、光７２−１は、進行方向を変えずに、遮蔽素子６２同士の間を通過し、ＬＦ６１から出射される。一方、光７２−２は、Ｙ方向において隣り合う遮蔽素子６２の間に、Ｚ方向の手前側且つＹ方向の床面１０１側から、Ｚ方向の奥側且つ床面１０１から離れる側に向けて入射するので、遮蔽素子６２によって拡散又は吸光され、遮断される。

図１に示すように、ＬＦ６１を透過する光７２−１は、床面１０１で反射し、空中像９１を形成する。Ｚ方向の手前側且つ床面１０１から、Ｚ方向の奥側且つＹ方向において表示部２０と遮光部３０と透光結像部４０と反射部５０と同じ側に床面１０１から離れる方向に、空中像９１が視認される。図２に示すように、ＭＭＡＰ４１で再帰反射された後では、画像５の向きは、虚像８１における向きとは反転している。即ち、ＬＦ６１から出射される光７２−１を床面１０１で反射させて空中像９１を形成する場合には、液晶ディスプレイ２１で画像５の向きを、Ｘ方向を中心に反転させる必要はなく、空中像９１と同じ向きにすることができる。

以上説明した第１の態様の空中像形成装置１１によれば、表示部２０、遮光部３０、透光結像部４０、反射部５０及び補助遮光部６０からなる全ての構成要素が床面１０１に対してＹ方向の同じ側に配置できる。このことによって、テーブル面に限らず、床面１０１をはじめとするあらゆる既存の面を基準面として、既存の面に加工や工事を施すことなく、空中像９１を形成できる。また、空中像形成装置１１によれば、遮光部３０を備えるので、表示部２０から出射され且つＺ方向の奥側で観察者に直接届き得る光７１を、Ｚ方向の空中像９１の形成位置より手前側で遮断できる。このことによって、観察者に対して表示部２０から出射される光７１を直接視認させずに、空中像９１のみを視認させることができる。

また、空中像形成装置１１によれば、遮光部３０が偏光板３１で構成されているので、１枚の板状の偏光板３１を用いて光７１を容易に遮蔽できる。また、空中像形成装置１１の小型化を図ることができる。

また、空中像形成装置１１によれば、透光結像部４０はＭＭＡＰ４１を備え、Ｚ方向の透光結像部４０より奥側の床面１０１は光７２−１を反射させる。このことによって、空中像９１の基端を表示部２０及び透光結像部４０の各基端と同じく床面１０１に合わせ、空中像９１を床面１０１に対して表示部２０、遮光部３０、透光結像部４０及び反射部５０とＹ方向の同じ側に形成できる。即ち、空中像９１を床面１０１上で容易に形成できる。また、空中像形成装置１１のＹ方向の大きさを抑え、空中像形成装置１１の小型化を図ることができる。

＜空中像形成装置１１の変形例＞
＜＜偏光板３１の位置＞＞
空中像形成装置１１では、遮光部３０と透光結像部４０と補助遮光部６０のそれぞれとして、偏光板３１とＭＭＡＰ４１とＬＦ６１が用いられている。これらの光学素子の組み合わせを用いる場合、Ｚ方向において手前側から奥側に向かってＭＭＡＰ４１、ＬＦ６１の順にこれらが配置される。この順に配置されないと、空中像９１を形成すべき光７２がＭＭＡＰ４１に入射する前にＬＦ６１によって拡散又は吸光されてしまい、空中像９１が形成されない。

偏光板３１は、Ｚ方向においてＭＭＡＰ４１の手前側に配置されてもよく、空中像形成装置１１のようにＭＭＡＰ４１とＬＦ６１との間に配置されてもよい。一方、偏光板３１は、Ｚ方向においてＭＭＡＰ４１の手前側か、ＭＭＡＰ４１とＬＦ６１との間の何れかに配置される。このような配置によって、表示部２０から出射され且つ反射部５０で反射されない光７１が偏光板３１で遮蔽された後に光７２のみがＭＭＡＰ４１で再帰透過される、又は空中像形成装置１１のように光７１，７２の双方が再帰透過された後に表示部２０から出射され且つ反射部５０で反射されない光７１のみが偏光板３１で遮蔽される。偏光板３１がＺ方向においてＬＦ６１の奥側に配置されると、表示部２０から出射され且つ反射部５０で反射されない光７１が偏光板３１で遮蔽する前にＬＦ６１で拡散する、又は光７１の位相がずれてしまう。そのため、光７１の偏光方向が第１の向きＰ１ではなくなり、結果的に光７１が偏光板３１で遮蔽されずに観察者に視認される虞がある。

＜＜ＭＭＡＰ４１の傾きと空中像９１の位置＞＞
Ｚ方向において、ＭＭＡＰ４１に対する液晶ディスプレイ２１の距離及び床面１０１からのＹ方向の距離は、少なくとも光７２がマイクロミラー４２−１，４２−２の間に斜め方向から入射可能且つ、マイクロミラー４２−１，４２−２の何れか一方によって反射可能である範囲で適宜調節できる。この範囲は、主に、Ｚ方向のマイクロミラー４２の大きさとＹ方向におけるマイクロミラー４２−１，４２−２の間隔によって決まる。

図４に示すように、空中像形成装置１１において、床面１０１に接する基端を中心としてＭＭＡＰ４１の先端をＺ方向の手前側に側面視でＹ方向に対する角度θで傾斜させる場合を想定する。図４から図９までの各図面では、ＭＭＡＰ４１の傾きと空中像９１が改正される位置との関係をわかりやすく示すため、床面１０１、液晶ディスプレイ２１、虚像８１、ＭＭＡＰ４１、空中像９１のみが簡略化して示され、これら以外の空中像形成装置１１の構成の図示は省略されている。

図４から図９までに示す各構成では、図１に示す構成と同様の原理に基づき、光７２の経路の始点Ｄ１−ｋと経過点Ｄ２−ｋとの長さと経過点Ｄ３−ｋと経過点Ｄ４−ｋとの長さが等しくなる位置に空中像９１が形成される。ｋは、任意の自然数を表す。ＭＭＡＰ４１がＺ方向の手前側へ角度θで傾斜することによって、空中像９１はＺ方向の奥側に少し傾く。ここで、角度θについては、４５°＜θ＜９０°とする。光７２のＭＭＡＰ４１への入射角γが０°＜γ＜θであれば、光７２が床面１０１で反射し、空中像９１をＺ方向におけるＭＭＡＰ４１より奥側且つ床面１０１から立ち上がるように形成できる。但し、この場合、角度γについては、０°＜γ＜２θ−９０°の条件を考慮している。

図４に示す角度αを導入し、床面１０１に基端が接してＹ方向に立ち上がる空中像９１を得る条件を考えると、α＋γ＜θの関係が満たされる必要がある。言い換えれば、α＋γ≧θの条件が成立すると、Ｙ方向において床面１０１の近くを進行する光７２がＭＭＡＰ４１で床面１０１から離れる側に再帰透過する。図５に示すように、ＭＭＡＰ４１から出射する光７２が床面１０１に到達せずに床面１０１から離れて結像し、空中像９１を形成する。そこで、空中像９１を床面１０１で立つように形成するためには、０＜γ、α＝９０−θという条件が導かれる。

図６に示すように、角度φが４５°以上になると、図５に示す構成と同様に、ＭＭＡＰ４１から出射する光７２が床面１０１では反射せずに床面１０１から離れて結像し、空中像９１−ｋが形成される。しかしながら、空中像９１−ｋをＹ方向においてＭＭＡＰ４１の床面１０１側とは反対側で視認できる。Ｚ方向における液晶ディスプレイ２１−ｋの基端とＭＭＡＰ４１の基端との距離が長くなるほど、空中像９１−ｋはＺ方向の手前側かつＹ方向の床面１０１から離れる側に形成される。

一方、図７及び図８に示すように、空中像形成装置１１において、床面１０１に接する基端を中心としてＭＭＡＰ４１の先端をＺ方向の奥側に側面視でＹ方向に対する角度θで傾斜させる場合を想定する。ＭＭＡＰ４１を９０°＜θ＜１３５°に傾ける場合、（θ−９０°）＜γ＜（１８０°−θ）であれば、図７に示すように空中像９１−１をＺ方向のＭＭＡＰ４１より奥側に視認できる。基端が床面１０１に接するように空中像９１−１を形成するためには、Ｙ方向において床面１０１から離れる側に進行する光７２を床面１０１側に折り返す鏡９５を設ける必要がある。空中で空中像９１を見る場合には、鏡９５を設置しなくてもよい。

前述の場合、α＋γ＜９０°及びα＜γを満たさなければ、床面１０１に空中像９１が形成されない。α＝θ−９０°であることから、角度θについて（θ−９０°）＜γ＜（１８０°−θ）が条件式として得られる。角度θが１３５°である場合、角度αは４５°となり、４５＜γとなる。そうなるとα＋γ＜９０に当てはまらなくなるため、θ＜１３５°の関係が満たされる必要がある。

図７に示す構成では、床面１０１より床の内部に入り込む側にも空中像９１−２が形成される。但し、Ｚ方向においてＭＭＡＰ４１の基端より奥側に不透明な床面１０１が続く場合は、観察者は空中像９１−２を視認できない。Ｚ方向においてＭＭＡＰ４１の基端より奥側に床面１０１がない又は床が光７２を透過可能である場合には、空中像９１−２を視認できる。

図８に示す構成では、図７の構成に比べてＭＭＡＰ４１がさらにＺ方向の奥側に傾斜している。このような構成では、ＭＭＡＰ４１で再帰透過した光７１，７２がＺ方向においてＭＭＡＰ４１の基端より奥側の床面１０１に向かって進行する。Ｚ方向においてＭＭＡＰ４１の基端より奥側の床面１０１が光７１，７２を反射可能であれば、ＭＭＡＰ４１で再帰透過した光７１，７２は、再度ＭＭＡＰ４１に入射し、マイクロミラー４２−１，４２−２（図８では図示略）の間を通過し、空中像９１−１，９２を形成する。床が光７２を透過可能である場合には、ＭＭＡＰ４１で再帰透過された光７２は、空中像９１−２を形成する。また、床が光７２を反射可能である場合には、観察者の視野２０２にＭＭＡＰ４１の虚像８２が見える。

また、第１の態様をはじめとして本発明の空中像形成装置では、各構成が基準面に対して同じ側に設けられるため、例えば、装置全体を箱状（直方体形状）に構成する等、可搬容易な形で一体として形成することができる。この場合、床面の反射を必須とする構成においては、例えば、本発明の空中像形成装置を大理石等の床面（反射面）に置くだけで空中像を表示でき、事前の設置準備等の省略できるため、簡便である。また、設置場所が大理石等の反射面でなかったとしても、装置の前面に鏡等の反射面を配置することで空中像を簡易に表示できる。なお、床面の反射を必須としない構成においても、同様に、本発明の空中像形成装置を可搬容易に一体として形成することで、事前の設置準備等を省略できるため簡便である。

（第２の態様）
次いで、本発明の一実施形態の第２の態様の空中像形成装置について説明する。以下の各態様の空中像形成装置の構成要素において、第１の態様の空中像形成装置１１と共通の構成要素には、空中像形成装置１１と同一の符号を付す。空中像形成装置１１と共通の構成要素の説明を省略する。

図９に示すように、第２の態様の空中像形成装置１２は、表示部２６、遮光部３５、透光結像部４０、反射部５０、補助遮光部６０を備えている。

表示部２６は、ＴＮ液晶２５−１に替えてＩＰＳ（In-Plane-Switching）液晶２５−２を備えていること以外は、表示部２０と同様に構成されている。ＩＰＳ液晶２５−２の長軸は、ＸＹ面内で回転しており、電界がＯＮ状態であってもＸＹ面内で回転する。回転するＩＰＳ液晶２５−２により、バックライト光源から出射された光の屈折を起こす。偏光板２４からは、偏光方向がＸ方向及びＹ方向に平行な且つＸ方向に直交する光７１がＺ方向に沿って出射する。図９及び図１０の（例１）に示すように、第１の向きＰ１がＺ方向から見て床面１０１に対して面対称である場合、あたかも虚像８１から発せられて見える光の偏光方向の向きは、第１の向きＰ１になっている。

遮光部３５は、偏光板３１に加えて、光７１の入射側に波長板（偏光光学素子）３６を備えている。波長板３６は、λ／４板で構成されている。波長板３６は、表示部２６から出射される光７１の偏光方向をＸＹ面内で光７１の周波数で回転させる。即ち、図１０に示すように、波長板３６は、直線偏光である光７１とは向きが異なる偏光の光７３にする。即ち、波長板３６は、光７２の偏光方向を少なくとも第２の向きＰ２に変える。

上述の各構成を備える空中像形成装置１２では、空中像形成装置１１と同様にして空中像９１が形成される。但し、空中像形成装置１２では、液晶ディスプレイ２１の各画素から出射されてＺ方向の手前側から奥側に進むにしたがってＹ方向において床面１０１に近づく光７１は、波長板３６で所定の方向の円偏光になり、反射面５１で反射されて所定の方向とは逆回りの円偏光になり、再び波長板３６を通って第２の向きＰ２の光７２になる。即ち、Ｚ方向の手前側から奥側に進むにしたがってＹ方向において床面１０１に近づく光７１の偏光方向は、波長板３６によって第２の向きＰ２を含み且つＸＹ面内で回転するようになる。波長板３６を通過した光７３は、虚像８１から出射される光７３としてふるまう。

ＭＭＡＰ４０に入射する光７１−１，７３−１は、ＭＭＡＰ４０によって再帰透過する。光７３−１は、マイクロミラー４２−１，４２−２の間に、床面１０１に対して浅い入射角でＺ方向の手前側且つＹ方向の床面１０１側又は床面１０１から離れた側から入射する光７３を表す。

ＭＭＡＰ４０によって再帰反射される光７１−１，７３−１及びＭＭＡＰ４０を透過する光７１−２，７３−２は、偏光板３１に入射する。光７３−２は、光７３のうち、Ｙ方向において隣り合う遮蔽素子６２の間に、Ｚ方向の手前側且つＹ方向の床面１０１側から、Ｚ方向の奥側且つ床面１０１から離れる側に向けて入射する光７３を表す。図１０に示すように、偏光板３１の偏光方向は光７１の偏光方向と直交しているので、偏光板３１によって、光７１と偏光方向が第２の向きＰ２の以外の光７３とが遮断される。一方、偏光板３１の偏光方向は第２の向きＰ２になっているので、光７３のうち偏光方向が第２の向きＰ２である光７３−３は偏光板３１を透過する。

偏光板３１を透過する光７３−３は、ＬＦ６１に入射する。光７３−３のうち光７３−３−１は、Ｙ方向において隣り合う遮蔽素子６２の間に、Ｚ方向の手前側且つＹ方向の床面１０１から離れている側から、Ｚ方向の奥側且つ床面１０１側に向けて入射する。図９に示すように、光７３−３−１は、進行方向を変えずに、遮蔽素子６２同士の間を通過し、ＬＦ６１から出射される。一方、光７３−３−２は、Ｙ方向において隣り合う遮蔽素子６２の間に、Ｚ方向の手前側且つＹ方向の床面１０１側から、Ｚ方向の奥側且つ床面１０１から離れる側に向けて入射するので、遮蔽素子６２によって拡散又は吸光され、ＬＦ６１によって遮断される。

ＬＦ６１を透過する光７３−３−１は、床面１０１で反射し、空中像９１を形成する。Ｚ方向の手前側且つ床面１０１から、Ｚ方向の奥側且つＹ方向において表示部２０と遮光部３０と透光結像部４０と反射部５０と同じ側に床面１０１から離れる方向に、空中像９１が視認される。

以上説明した第２の態様の空中像形成装置１２は、第１の態様の空中像形成装置１１と同様の構成を備えるので、空中像形成装置１１と同様の効果を奏する。

また、ＩＰＳ液晶２５−２のように、表示部２６から出射される光７１の偏光方向がＺ方向から見て床面１０１に対して面対称であると、第１の態様で説明したように単に反射面５１で折り返しても、虚像８１の偏光方向は第１の向きＰ１と同じになる。その場合、反射面５１で反射されて本来透過させるべき光が偏光板３１によって遮蔽されてしまう。空中像形成装置１２によれば、遮光部３５が波長板３６を備えるので、光７１の偏光方向を第１の向きＰ１からＸＹ面で回転させ、第１の向きＰ１とは異なる向きを含む偏光方向の光７３を生成できる。このことによって、空中像形成装置１２では、空中像形成装置１１と同様に、表示部２６から出射され且つＺ方向の奥側で観察者に直接届き得る光７１を、Ｚ方向の手前側で遮断できる。したがって、観察者に対して表示部２６から出射される光７１を直接視認させずに、空中像９１のみを視認させることができる。

なお、空中像形成装置１２において、ＩＰＳ液晶２５−２に替えてＶＡ（Vertical Alignment）液晶２５−３を用いることができる。ＶＡ液晶２５−３の長軸は、Ｚ方向に沿っているが、電界がＯＮ状態になるとＩＰＳ液晶２５−２と同様に、ＸＹ面内で回転する。そのため、ＩＰＳ液晶２５−２に替えてＶＡ液晶２５−３を採用した場合でも、空中像形成装置１２を適用し、空中像形成装置１２と同様の作用効果を得ることができる。

また、ＩＰＳ液晶２５−２やＶＡ液晶２５−３が用いられる場合に限らず、例えば図１０の（例２）に示すように、第１の向きＰ１がＸ方向に沿って反射面５１と平行になっている場合にも、波長板３６を備える空中像形成装置１２によって、観察者に空中像９１のみを視認させることができる。即ち、光７１の偏光方向がＺ方向の手前側から奥側に向かって見たときに床面１０１を中心として対称な第１の向きＰ１である場合は、第２の態様の空中像形成装置１２を採用できる。一方、光７１の偏光方向がＺ方向の手前側から奥側に向かって見たときに床面１０１を中心として非対称な第１の向きＰ１である場合は、第１の態様の空中像形成装置１１を採用できる。

（第３の態様）
次いで、本発明の一実施形態の第３の態様の空中像形成装置について説明する。

図１１に示すように、第３の態様の空中像形成装置１３は、第１の態様の空中像形成装置１１と同様の構成を備えている。但し、空中像形成装置１３では、表示部２０、遮光部３０、透光結像部４０、反射部５０及び補助遮光部６０が天井面（基準面）１０２の同じ側に設けられている。

以上説明した第３の態様の空中像形成装置１３によれば、空中像形成装置１１と同様の原理によって、天井面１０２を基準面として、天井面１０２に加工や工事を施すことなく、天井面１０２から垂下する空中像９１を形成し、観察者に視認させることができる。また、空中像形成装置１３においても、観察者に直接届き得る光７１を遮光部３０によってＺ方向の手前側で遮断し、観察者に対して表示部２０から出射される光７１を直接視認させずに、空中像９１のみを視認させることができる。

（第４の態様）
次いで、本発明の一実施形態の第４の態様の空中像形成装置について説明する。

図１１に示すように、第４の態様の空中像形成装置１４は、第３の態様の空中像形成装置１３と同様の構成を備えている。但し、空中像形成装置１４では、透光結像部４０と遮光部３０と補助遮光部６０は、天井面１０２から遠い側の各先端が天井面１０２に近い側の各基端よりＺ方向において手前側になるように、傾斜している。このような構成において、図６を参照してもわかるように、空中像９１が天井面１０２から離れた室内空間Ｒに形成される。

以上説明した第４の態様の空中像形成装置１４によれば、空中像形成装置１３と同様の構成を備えることによって、空中像形成装置１３と同様の効果を得ることができる。また、空中像形成装置１４によれば、空中像９１が室内空間Ｒに形成されるので、観察者は天井面１０２から離れた室内空間Ｒの床面側の観察位置ＯＢ−２から見上げるようにして、視野２０２−２内に空中像９１を視認できる。観察位置ＯＢ−２より深い仰角での観察位置ＯＢ−１からは、視野２０２−１内に空中像９１の一部が入るので、観察者は空中像９１の一部を視認できる。一方、観察位置ＯＢ−３より浅い仰角での観察位置ＯＢ−３からは、視野２０２−３から空中像９１が外れるので、観察者は空中像９１を視認できない。このような原理をふまえて、観察位置に合わせ、空中像９１の形成位置、及び透光結像部４０と遮光部３０と補助遮光部６０の傾斜角度を調節できる。

なお、空中像形成装置１４のように、補助遮光部６０から出射される光７２−１を天井面１０２で反射させずに空中像９１を形成する場合は、液晶ディスプレイ２１で表示する画像５の向きを、Ｘ方向を中心に反転させる。このようにすることによって、空中像９１の向きを観察者に視認させたい画像の向きにすることができる。

（第５の態様）
次いで、本発明の一実施形態の第５の態様の空中像形成装置について説明する。

図１３に示すように、第５の態様の空中像形成装置１５は、第３の態様の空中像形成装置１３と同様の構成を備えている。但し、空中像形成装置１４では、天井面１０２の裏側、即ち天井面１０２の室内側とは反対側に天井空間Ｍが予め設けられており、天井面１０２を基準面として、各構成が天井空間Ｍに配置されている。空中像形成装置１４において、Ｙ方向は、天井面１０２から天井空間Ｍ内を進行する方向を意味する。また、Ｚ方向において補助遮光部６０より奥側には、天井面１０２に沿って透過面（基準面）１０３が設けられている。言い換えれば、Ｚ方向において補助遮光部６０より奥側の天井面１０２は、光７２−１を透過可能になっている。透過面１０３は、光７２−１の少なくとも一部を透過できる。空中像形成装置１５では、空中像９１が透過面１０３に接してＹ方向の奥側に立つように形成される。

以上説明した第５の態様の空中像形成装置１５によれば、空中像形成装置１３と同様の構成を備えることによって、空中像形成装置１３と同様の効果を得ることができる。また、透過面１０３が設けられることによって、空中像形成装置１５を天井空間Ｍに隠しつつ、透過面１０３から垂下する空中像９１を観察者に視認させることができる。空中像形成装置１５においても、液晶ディスプレイ２１で表示する画像５の向きをＸ方向を中心に反転させることによって、空中像９１の向きを観察者に視認させたい画像の向きにすることができる。

（第６の態様）
次いで、本発明の一実施形態の第６の態様の空中像形成装置について説明する。

図１４に示すように、第６の態様の空中像形成装置１６は、第１の態様の空中像形成装置１１と同様の構成を備えている。但し、空中像形成装置１６における透光結像部４０は、ＭＭＡＰ４１と同じ位置で床面１０１に立てられたハーフミラー４４と、ハーフミラー４４のＹ方向の先端からＺ方向の奥側へ向かって延在する再帰反射光学素子４６とを備えている。

上述の各構成を備える空中像形成装置１６では、液晶ディスプレイ２１の各画素から光７１が出射されて透光結像部４０に光７１，７２が入射するまでの原理は、空中像形成装置１１と同様である。ハーフミラー４４に入射する光７１，７２の一部は、光７１−４，７２−４としてハーフミラー４４を透過し、光７１−４は遮光部３０で遮蔽され、光７２−４は補助遮光部６０で遮蔽される。ハーフミラー４４に入射する光７１，７２の残部は、光７１−３，７２−３としてハーフミラー４４で反射され、再帰反射光学素子４６によって再帰反射される。再帰反射される光７１−５，７２−５は、ハーフミラー４４に入射する。光７１−５，７２−５の一部は、光７１−７，７２−７としてハーフミラー４４を透過し、光７１−７は遮光部３０で遮蔽され、光７２−７は遮光部３０及び補助遮光部６０を透過する。光７１−５，７２−５の残部は、光７１−６，７２−６としてハーフミラーで再び反射され、観察者に向かう方向とは反対方向に向かい、視認されない。光７２−７は、床面１０１で反射され、空中像９１を形成する。

以上説明した第６の態様の空中像形成装置１６によれば、透光結像部４０としてＭＭＡＰ４１に替えてハーフミラー４４及び再帰反射光学素子４６を備えるので、空中像形成装置１１と同様の原理に基づいて空中像９１を形成し、空中像形成装置１１と同様の効果を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は特定の態様に限定されない。本発明は、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々変形及び変更可能である。

例えば、表示部２０は液晶ディスプレイ２１で構成されていることに限定されない。但し、表示部２０は偏光方向が第１の向きＰ１である光７１を出射する必要があるので、表示部２０を無偏光のディスプレイや装置で構成する場合は、表示部２０のＺ方向の最も奥側に偏光板を設ければよい。この偏光板の偏光方向が第１の向きＰ１となる。

また、上述の各態様において、透光結像部４０はＭＭＡＰ４１で構成されているが、透光結像部４０はＭＭＡＰ４１以外の再帰透過光学素子で構成されていてもよく、再帰透過光学素子とは異なり、且つ光７２を所定の方向に透過させる光学素子で構成されていてもよい。このような光学素子としては、例えばAerial Imaging Plate（ＡＩＰ）、２面コーナーリフレクタアレイ（Dihedral Corner Reflector Array:ＤＣＲＡ）、パリティミラーが挙げられる。

また、上述の第２の態様において、遮光部３５の波長板３６としてλ／４波長板が用いられているが、λ／４波長板に替えて、偏光状態を変化させることが可能な光学素子が用いられてもよい。このような光学素子としては、例えばλ／８板や公知の位相板が挙げられる。即ち、光７１と偏光状態が異なる虚像８１を生成できる光学素子であれば、波長板３６の位置に配置する遮光部３５として機能する。

さらに、第２の態様の空中像形成装置１２のように、反射面５１で反射する光７２を第１の向きＰ１とは向きの異なる偏光にすることは、光７１の位相をずらすことと同義である。したがって、遮光部３５では、光７１を遮蔽し、光７１とは異なる位相の光７２を透過するということもできる。このような例に限らず、本発明の空中像形成装置の遮光部としては、偏光方向の向きに限定されず、任意の光学特性に基づいて光７１を遮蔽し且つ光７２を透過させることができる光学素子が機能し得る。

また、上述の各態様は、適宜組み合わせることができる。

次いで、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されない。

以下の装置及び設定を用いて、図２に示す空中像形成装置１２の構成に基づく空中像形成装置１７を構築した。図１５に示すように、Ｚ方向におけるＬＦ６１より奥側の床面１０１が光７２−１を反射し難いため、空中像形成装置１７では、ＬＦ６１より奥側の床面１０１に反射材（第２反射部）１１０を配置した。反射材１１０は光７２−１を反射可能且つ床面１０１に沿う反射面（第２反射面）１１１を有し、反射面１１１はＹ方向の奥側に向けた。また、空中像形成装置１７では、光７１，７２以外の外光が透光結像部４０に入射するのを防ぐために、表示部２０と遮光部３０と透光結像部４０と第１反射部５０と補助遮光部６０とを囲む枠１００を設けた。枠１００は、骨組みの役割を担う枠体と、枠体に取り付けられた板状のカバーとを有する。

試作した空中像形成装置１７では、観察者２００−１が床面１０１にしゃがんで空中像９１に手を延ばせることを想定した。この際、観察者２００−１が肘をまげつつ手を延ばす方が疲れにくいこと、及び観察者２００−１が女性であれば女性の肩から指先までの長さの平均値が６２ｃｍであることをふまえ、平均値６２ｃｍの０．８倍を参照値として、空中像形成装置１７の各構成の位置や大きさを以下の［設定］のように決めた。

空中像形成装置１７の仕様を以下に示す。
［装置等］
＊液晶ディスプレイ２１；７インチ高輝度ＬＣＤディスプレイDurapixel0708-T（製造元；LITEMAX社）
＊偏光板３１；直線偏光板SHLP41（製造元；株式会社美舘イメージングホーム）
＊波長板３６；シートタイプ1/4波長板MCR140N（製造元；株式会社美舘イメージングホーム）
＊ＭＭＡＰ４１；ASKA3D-488（製造元；株式会社アスカネット）
＊鏡５２；アクリミラー Ｍ−００１ Ｓ ２ 鏡シルバー （製造元；アクリサンデー株式会社）
＊ＬＦ６１；ウインコスビジョンコントロールフィルムW-0055（製造元；リンテック株式会社）
＊反射材１１０；本磨き加工された大理石ネロマルキーナ
［設定］
＊液晶ディスプレイ２１のＹ方向の大きさ；１５ｃｍ
＊Ｚ方向における液晶ディスプレイ２１とＭＭＡＰ４１との距離；１５ｃｍ
＊ＭＭＡＰ４１、偏光板３１、ＬＦ６１のＹ方向の大きさ；４８．８ｃｍ
＊Ｚ方向におけるＬＦ６１と観察者との距離；６５ｃｍ
＊空中像９１のＹ方向の大きさ；１５ｃｍ
＊Ｚ方向における空中像９１と観察者２００−１，２００−２との距離；５０ｃｍ

試作した空中像形成装置１７では、床面１０１にしゃがむ観察者２００−１がＹ方向において床面１０１から７９ｃｍ奥側の眼の位置から、視野２０２−１−１内に空中像９１を観察できた。図１６は、空中像９１を観察者２００−１の目線から撮影した写真である。図１６に示すように、本実施例では、液晶ディスプレイ２１で表示する画像５を白色且つ円形のパターンとした。また、Ｚ方向において観察者２００−１と同じ位置において、床面１０１に立ち上がる観察者２００−２が床面１０１から１６８ｃｍ奥側の眼の位置から、視野２０２−１−２内に空中像９１を観察できた。また、視野２０２−１−１，２０２−１−２には、反射面１１１に映る虚像８２も観察された。さらに、観察者２００−１，２００−２には、液晶ディスプレイ２１の表示画面は視認されなかった。

本実施例では、空中像形成装置１７を床面１０１に設置したが、例えば任意のテーブルの天板に空中像形成装置１７を設置し、椅子に座る観察者が空中像９１を観察することもできる。

以上説明した本実施例によれば、本発明の空中像形成装置によって設置場所の自由度を高くすることができ、観察者側から表示部の表示内容が直接視認されにくいことを確認した。

１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７ 空中像形成装置
２０ 表示部
２８ 表示面
３０，３５ 遮蔽部
３１ 偏光板
３６ 波長板（偏光光学素子）
４０ 透光結像部
４１ ＭＭＡＰ（再帰透過光学素子）
５０ 反射部
５１ 反射面（第１反射面）
７１ 光（第１光）
７２ 光（第２光）
１０１ 床面（基準面、第２反射面）
１０２ 天井面（基準面）
１０３ 透過面（基準面）
１１０ 反射材（第２反射部）
１１１ 反射面（第２反射面）
Ｚ 方向（進行方向）

Claims (5)

1. 基準面に立てられた表示面を有し、第１光を出射する表示部と、
   前記第１光の進行方向において前記表示部より奥側の前記基準面に沿って設けられ、前記表示部から照射される前記第１光を前記進行方向の奥側に向けて第２光として反射させる第１反射面を有する第１反射部と、
   前記進行方向において前記表示部より奥側の前記基準面に設けられ、前記第１光を遮蔽し且つ前記第２光を透過させる遮光部と、
   前記進行方向において前記第１反射部より奥側の前記基準面に立てられ、前記第２光を所定の方向に透過及び結像させる透光結像部と、
   を備え、
   前記表示部と前記第１反射部と前記遮光部と前記透光結像部は、前記基準面に対して同じ側に設けられている空中像形成装置。
2. 前記第１光の偏光方向は、前記進行方向の手前側から奥側に向かって見たときに前記基準面を中心として非対称な第１の向きになっており、
   前記第２光の偏光方向は、前記進行方向の手前側から奥側に向かって見たときに前記第１の向きとは異なる第２の向きになっており、
   前記遮光部は、前記第１反射部より奥側の前記基準面に立てられて前記進行方向から見て偏光方向が前記第２の向きになっている偏光板を備える、
   請求項１に記載の空中像形成装置。
3. 前記第１光の偏光方向は、前記進行方向の手前側から奥側に向かって見たときに前記基準面を中心として対称な第１の向きになっており、
   前記第２光の偏光方向は、前記進行方向の手前側から奥側に向かって見たときに前記第１の向きとは異なる第２の向きになっており、
   前記遮光部は、前記第１反射部における前記第１光の入射側に設けられて前記第１光の偏光方向を前記第１の向きとは異なる第２の向きに変える偏光光学素子と、前記反射部より奥側の前記基準面に立てられて前記進行方向から見て偏光方向が前記第２の向きになっている偏光板とを備える、
   請求項１に記載の空中像形成装置。
4. 前記透光結像部は、入射する光を再帰透過させる再帰透過光学素子を備える、
   請求項１から請求項３の何れか一項に記載の空中像形成装置。
5. 前記進行方向において前記透光結像部より奥側の前記基準面に沿って設けられ、前記透光結像部から出射される前記第２光を前記進行方向の奥側に向けて反射させる第２反射面を有する第２反射部を備える、
   請求項４に記載の空中像形成装置。