JP2022029476A - 空中像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化および表示される像の高品質化の双方を実現した「空中像表示装置」を提供する。【解決手段】空中像表示装置１は、光出力装置３と再帰反射材４と偏光ビームスプリッタ５とが、各部材の面が平行な状態で、同一直線上にこの順番で並んで配置されており、再帰反射材４は、再帰反射構造１３が形成された再帰反射膜１０と、再帰反射構造１３に由来する凹凸が埋まるように再帰反射膜１０を挟む透明材料１５とによって構成されている。これにより、再帰反射材４の材裏面６に入射する光について、再帰反射構造１３の凹凸に起因する乱反射が抑制された状態で、当該材を透過するようにしている。【選択図】図３

Description

本発明は、空中像表示装置に関し、特に、再帰反射材を備える空中像表示装置に用いて好適なものである。

従来、再帰反射材を用いた再帰反射方式により空中像を表示する空中像表示装置が知られている。この種の空中像表示装置について、特許文献１には、光出力装置（画像出力装置１０）、再帰反射材（再帰反射部材１４）およびビームスプリッタ（ハーフミラー１８）が、各部材の面が平行な状態で、同一直線上にこの順番で並んで配置された空中像表示装置（画像表示装置１）が記載されている。特許文献１の空中像表示装置では、光出力装置から出力された光（の一部）が再帰反射材を通過し、偏光ビームスプリッタに至って偏光ビームスプリッタで反射され、その反射光が再帰反射材に至って再帰反射材で再帰反射され、その再帰反射された光が空中で結像し、空中像が表示される。

そして光出力装置側から入射する光を透過し、偏光ビームスプリッタ側から入射する光を再帰反射させるという再帰反射材の機能を実現するために、特許文献１では、再帰反射材に格子状に開口（開口１４ｈ）を形成している。特許文献１の技術によれば、光出力装置、再帰反射材および偏光ビームスプリッタが、各部材の面が平行な状態で、同一直線状に順番に並んで配置されているため、これら部材を近づけることによって、空中像を結像する機能を維持しつつ、装置の小型化を図ることができる。

特開２０１８－８１１３８号公報

しかしながら特許文献１の空中像表示装置は、再帰反射材に開口を形成し、光出力装置の出力光についてはこの開口を通させ、偏光ビームスプリッタからの反射光については開口でない部分により再帰反射することによって、再帰反射材の透過性および再帰反射性を実現する構成となっている。そのため、光出力装置からの光を透過する過程、および、偏光ビームスプリッタからの光を再帰反射する過程の双方で、構造に由来する偏った光の損失が生じる。その結果、最終的に結像される像の視野角が狭くなると共に、当該像に明暗のムラが生じてしまい、当該像の品質がよくないという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、空中像表示装置について、装置の小型化および表示される像の高品質化の双方を実現することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明は、光出力装置と再帰反射材と偏光ビームスプリッタとを、各部材の面が平行な状態で、同一直線上にこの順番で並んで配置し、再帰反射材を、再帰反射構造が形成された再帰反射膜と、再帰反射構造に由来する凹凸が埋まるように再帰反射膜を挟む透明材料とによって構成している。

上記のように構成した本発明によれば、光出力装置と再帰反射材と偏光ビームスプリッタとが、各部材の面が平行な状態で、同一直線上にこの順番で並んで配置されているため、装置の小型化を実現できる。その上で本発明によれば、以下の効果を奏する。すなわち、再帰反射膜は、膜に形成された再帰反射構造（所定形状の凹凸）により、一方の面（便宜的に「表面」という）に入射した光を再帰反射する膜状の部材である。この再帰反射膜は、表面と逆側の面（便宜的に「裏面」という）に入射した光については、再帰反射構造が乱反射の原因となって、これを透過しにくいという性質がある。

そして本発明によれば、再帰反射材が、再帰反射膜と、再帰反射構造に由来する凹凸が埋まるように再帰反射膜を挟む透明材料とによって構成されている。このため、再帰反射材に表面側から入射した光については、再帰反射膜の再帰反射の機能により再帰反射がなされる一方、裏面側から入射した光については、再帰反射構造による乱反射が抑制され、光の損失を抑えた状態で光が透過する。従って本発明によれば、再帰反射材に開口を設けることなく、再帰反射材における表面に入射する光を再帰反射し、裏面に入射する光を透過するという機能を実現することができ、開口に起因したムラや視野角の縮小が生じず、像の高品質化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る空中像表示装置の内部構造を横から見た図である。 本発明の一実施形態に係る空中像表示装置の要部の部材を示す図である。 再帰反射材を横から見た図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る空中像表示装置１の内部構造を横から見た図である。図１では、図面の見やすさのため、各部材の大きさ（特に厚み）については、実際の寸法と若干異なる寸法で描画されている。空中像表示装置１は、その筐体２の外部において、光出力装置３（後述）の出力光に基づく像を結像し、空中に浮いたように見える空中像Ｇを表示する装置である。

図１で示すように、空中像表示装置１は、光出力装置３と再帰反射材４と偏光ビームスプリッタ５（特許請求の範囲の「ビームスプリッタ」に相当）とを有し、これら部材が、各部材の面が平行な状態で、同一直線上に並ぶように配置されている。

詳述すると、図１で示すように空中像表示装置１の内部には液晶ディスプレイからなる光出力装置３が設けられている。図中の矢印Ｙ１が示す向きが、光出力装置３の出力光（画像光）が出力される向き（以下「出力向き」という）である。本実施形態では、液晶ディスプレイを光出力装置３としているが、光出力装置３は光を出力向きに出力する装置であればよく、例えば、有機ＥＬディスプレイや、プラズマディスプレイ、ＬＥＤ等を光出力装置３とすることができる。

光出力装置３の出力向き側には、光出力装置３から間隔をあけて再帰反射材４が設けられている。再帰反射材４は、その面が光出力装置３の面と平行となるように配置されている。再帰反射材４は、光出力装置３側の面６（以下「材裏面６」という）に入射した光（つまり、光出力装置３の出力光）を透過し、偏光ビームスプリッタ５側の面７（以下「材表面７」という）に入射した光（つまり、偏光ビームスプリッタ５の反射光）を再帰反射する機能を有する。再帰反射材４の構造については後に詳述する。

なお「再帰反射材４を光が透過する」との表現は、再帰反射材４に入射した光のうち、再帰反射材４を透過した光に着目したものであり、「再帰反射材４を光が透過する」という現象において、再帰反射材４を透過しない光も当然に存在する。また「再帰反射材４が光を反射（再帰反射）する」との表現は、再帰反射材４に入射した光のうち、再帰反射材４が反射した光に着目したものであり、「再帰反射材４が光を反射する」との現象において、再帰反射材４により反射されない光も当然に存在する。以上のことは他の部材による光の透過／反射についても同様である。

再帰反射材４の出力向き側には、再帰反射材４の面に沿ってλ／４板８が設けられている。λ／４板８は、その面が再帰反射材４の面と平行になるように配置されている。λ／４板８は、入射した光に位相差をλ／４（９０°）与え、直線偏光を円偏光に変える部材である。

λ／４板８の出力向き側には、λ／４板８と間隔をあけて偏光ビームスプリッタ５が設けられている。偏光ビームスプリッタ５は、その面がλ／４板８の面と平行となるように配置されている。偏光ビームスプリッタ５は、入射光の一部を反射し、一部を透過する部材であり、入射光をｐ偏光成分とｓ偏光成分とに分離する機能を有する。

以上の構造の下、空中像表示装置１は、以下の仕組みで空中像Ｇを表示する。図２は、空中像表示装置１の要部の部材を示す図である。図２は、空中像Ｇを表示する仕組みの説明に利用することを主たる目的とした図であり、各部材が配置された順番は正確である一方、各部材の位置関係や大きさについては図面の見やすさを優先し実際のものとは異ならせてある。以下、図１および図２を用いて空中像表示装置１が空中像を表示する仕組みについて説明する。

図１、２の矢印Ｙ２で示すように、光出力装置３が出力した光（画像光）は、再帰反射材４に入射し、再帰反射材４を透過し、更にλ／４板８を透過し、偏光ビームスプリッタ５に入射する。光は、λ／４板８を透過するときに、λ／４の位相差が与えられ、直線偏光から円偏光に変換される。

図１、２の矢印Ｙ３で示すように、偏光ビームスプリッタ５に入射した光は、その一部が偏光ビームスプリッタ５により反射される。偏光ビームスプリッタ５が反射した光は、λ／４板８を透過し、再帰反射材４に入射する。光は、λ／４板８を透過するとき、円偏光から直線偏光に変換される。

図１，２の矢印Ｙ４で示すように、再帰反射材４に入射した光は、再帰反射材４により再帰反射される。再帰反射材４が反射した光は、λ／４板８を透過し、偏光ビームスプリッタ５に入射する。光は、λ／４板８を透過するときに、再び直線偏光から円偏光に変換される。偏光ビームスプリッタ５に入射した光は、その一部が偏光ビームスプリッタ５を透過する。光は、偏光ビームスプリッタ５を透過するときに、直線偏光となる。偏光ビームスプリッタ５を透過した光は、偏光ビームスプリッタ５から所定距離だけ離間した位置で結像し空中像Ｇを形成する。この所定距離は、光出力装置３と偏光ビームスプリッタ５との離間距離とほぼ等しくなる。

さて上述したように、再帰反射材４は、裏面に入射した光を透過し、表面に入射した光を再帰反射する機能を有する。そして本実施形態では、この機能を再帰反射材４の以下の構造的特徴により実現する。図３は、再帰反射材４を横から見た図である。図３は、再帰反射材４の構造的特徴の説明に利用することを主たる目的とした図であり、各部材について、その特徴部分を誇張して描画すると共に、実際の寸法と異なる比率の寸法で描画している。以下、図２、３を用いて再帰反射材４の構造について詳述する。

図２、３において符号１０は、再帰反射膜である。再帰反射膜１０の膜表面１１（材表面７に対応する面であり、偏光ビームスプリッタ５に対向する面）には、三角錐の単位構造体１２が並んで配置された再帰反射構造１３が形成されている。周知の通り、膜表面１１に入射した光は、再帰反射構造１３の機能により、再帰反射される。なお、本実施形態では、再帰反射構造１３のタイプを三角錐型としているが、これに限られず、フルキューブコーナー型や、ビーズ型、その他の周知のタイプとしてもよい。

図２，３で示すように、再帰反射膜１０は、例えば格子状の開口等の欠損部分が存在することなく、再帰反射材４の水平方向の全域に亘って延在している。再帰反射膜１０として、所定の材料の蒸着膜を用いることができる。例えば、誘電体物質の蒸着膜や、蒸着法により形成されたワイヤーグリッドフィルム等を再帰反射膜１０として用いることができる。ただしこれらはあくまで一例である。

図２、３で示すように、再帰反射膜の膜表面１１側、および、膜表面１１と逆の面である膜裏面１４側の双方には、透明材料１５が取り付けられている。以下、適宜、膜裏面１４側の透明材料１５を「表面側透明材料１６」といい、膜裏面１４側の透明材料１５を「裏面側透明材料１７」という。透明材料１５は、膜表面１１および膜裏面１４の双方において、再帰反射膜１０の再帰反射構造１３に由来する凹凸が埋まるように、再帰反射膜１０を挟んで取り付けられている。表面側透明材料１６は、再帰反射膜１０の膜表面１１の全域に延在し、その全域において再帰反射構造１３に由来する凹凸を埋め、裏面側透明材料１７は、再帰反射膜１０の膜裏面１４の全域に延在し、その全域において再帰反射構造１３に由来する凹凸を埋めている。

本実施形態では、表面側透明材料１６に用いられる材料と、裏面側透明材料１７に用いられる材料とは同じである。ただし、製造上の都合で、異なる材料を用いることも可能である。その場合、表面側透明材料１６に用いられる材料と、裏面側透明材料１７に用いられる材料とについて、互いに近似する屈折率の材料が用いられる（このことの理由は後に説明する）。透明材料１５に用いる材料としては、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリオレフィン系或いはオレフィン系の樹脂、ポリメタクリル酸メチル樹脂、無機のガラス等を用いることができる。ただしこれらはあくまで一例である。

以上の構造の下、再帰反射材４の材表面７に入射した光は、表面側透明材料１６を透過して再帰反射膜１０に至り、再帰反射膜１０の機能により、再帰反射される。一方、再帰反射材４の材裏面６に入射した光は、仮に透明材料１５が存在せず、再帰反射材４が再帰反射膜１０のみにより構成されていた場合と比較して、より多量の光量が再帰反射材４を透過する。これは、再帰反射構造１３に由来する凹凸が、再帰反射膜１０の膜表面１１および膜裏面１４の双方において透明材料１５により埋められていることに起因して、当該凹凸による乱反射が抑制されるからである。なお本実施形態では、再帰反射構造１３により乱反射が抑制され、より多量の光が再帰反射材４を透過する現象を「再帰反射材４が光を透過する」と表現している。

なお表面側透明材料１６と裏面側透明材料１７とに異なる材料を用いる場合、互いに近似する屈折率の材料を用いることとしたのは、再帰反射材４の材裏面６に入射し、再帰反射材４を透過する光について、表面側透明材料１６と裏面側透明材料１７との屈折率の相違に起因した光の屈折を抑制することによって、透過中の光の直進性を高め、光の透過効率を高めるためである。

以上の通り、本実施形態では、再帰反射材４に開口を設けることなく、再帰反射材４における材表面７に入射する光を再帰反射し、材裏面６に入射する光を透過するという機能を実現している。これにより、開口に起因したムラや視野角の縮小が生じず、像の高品質化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態（変形例を含む）を説明したが、上記各実施形態は、本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、または、その主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

例えば、本実施形態では、再帰反射材４と偏光ビームスプリッタ５との間にλ／４板８を配置し、光の偏光を行う構成であったが、光の経路上でどのように光を偏光させるか、および、それを実現するための物理的構造は設計事項であり、本実施形態で例示した構造に限定されない。一例として、λ／２板、その他の波長板を組み合わせて用いたり、他の偏光部材を用いたりするようにしてもよい。

１ 空中像表示装置
３ 光出力装置
４ 再帰反射材
５ 偏光ビームスプリッタ
１０ 再帰反射膜
１３ 再帰反射構造
１５ 透明材料
１６ 表面側透明材料（透明材料）
１７ 裏面側透明材料（透明材料）

Claims (5)

1. 光出力装置と再帰反射材とビームスプリッタとが、各部材の面が平行な状態で、同一直線上にこの順番で並んで配置され、
   前記再帰反射材を、再帰反射構造が形成された再帰反射膜と、前記再帰反射構造に由来する凹凸が埋まるように前記再帰反射膜を挟む透明材料とによって構成したことを特徴とする空中像表示装置。
2. 前記再帰反射膜の一方の面側の前記透明材料と、他方の面側の前記透明材料とについて、近似する屈折率の材料を用いることを特徴とする請求項１に記載の空中像表示装置。
3. 前記再帰反射膜の一方の面側の前記透明材料と、他方の面側の前記透明材料とについて、同じ材料を用いることを特徴とする請求項２に記載の空中像表示装置。
4. 前記再帰反射膜は、所定の材料の蒸着膜であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の空中像表示装置。
5. 前記再帰反射材と前記ビームスプリッタとの間にλ／４板を配置したことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の空中像表示装置。

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