JP5821518B2 - 光学素子および映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子および映像表示装置に関するものである。

従来から、映像を空間に表示する映像表示装置が知られている。
特許文献１には、画像表示器において表示される画像をフレネルレンズにより結像し、フレネルレンズの画像表示器とは反対側の空間に、平面映像（空間像）を表示する映像表示装置が知られている。
特許文献２には、再帰性透過材を用いて空間像を表示する構成の装置が開示されている。

特開２００９−３００９８７号公報 特開２００８−１５８１１４号公報

従来の映像表示装置のように、装置前方の空間に実像として空間映像（空間像）を表示する方法の場合、観察者において空間像が観察される適視範囲は光軸上に存在する。そのため、観察者の視線の先に装置が存在することになり、観察者は装置と重なった空間像を観察することになる。そのため、空間像の背景として他の映像を表示して違和感を抑制したいが、観察者の視線の先に画像表示器が存在するため、空間像と他の映像とを重ねて表示することができない。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、空間映像と２次元映像とを重ねて表示することができる光学素子および映像表示装置を提供することを目的の一つとしている。

本発明の光学素子は、光入射面側に位置する像を光射出面側の空間に結像させる結像素子と、前記光射出面の法線方向を含み、前記法線方向に対して所定の範囲の角度で入射した光を拡散させ、前記所定の範囲の角度より大きい角度から入射した光を透過させる異方性拡散材と、を備え、前記結像素子が、前記所定の範囲の角度で入射した光を直進させるとともに、前記所定の範囲の角度よりも大きい角度で入射した光を素子面に対する面対称の位置に結像させることを特徴とする。

これによれば、光入射面に対して所定角度で入射した光を拡散させてその他の角度から入射した光を透過させる異方性拡散材がスクリーンとして機能することになる。これにより、光学素子上に映像を表示することが可能となる。また、結像素子により、光射出面側の空間にも別の像を形成することが可能となる。そのため、２次元映像と空間像とを重ねて表示することができるようになる。

また、前記結像素子が、光を透過させる複数の矩形状の透過部を有し、前記透過部の４つの壁面のうち、少なくとも互いに直交する２つの壁面が反射面とされた再帰性透過材からなり、前記透過部の内部に前記異方性拡散材が配置されている構成としてもよい。
これによれば、結像素子の透過部の内部に異方性拡散材を配置することによって、光学素子を薄型化することができる。

また、前記結像素子が、光を透過させる複数の矩形状の透過部を有し、前記透過部の４つの壁面のうち、少なくとも互いに直交する２つの壁面が反射面とされた再帰性透過材からなり、前記再帰性透過材と前記異方性拡散材とが厚さ方向で積層されている構成としてもよい。

これによれば、再帰性透過材と結像素子との積層構造とすることにより、別々に用意しておくことが可能になるため製造が容易である。

また、前記異方性拡散材は、前記所定の範囲の角度が、前記素子面の中央から外側に行くに従って大きくなるとともに、前記所定の範囲の角度が前記素子面の中心軸に対して対称になっている構成としてもよい。

これによれば、異方性拡散材の中心だけでなく周辺においても所定の範囲の角度で光が入射することになるため、異方性拡散材の中心部分と周辺部分で拡散される光の量を均一にすることが可能となり、表示の明るさを均一にすることができる。

本発明の映像表示装置は、上記の光学素子と、前記光学素子の光入射面に対して斜め側方に配置された画像生成装置と、前記光入射面に向かって投射光を射出する投射装置と、を備え、前記画像生成装置は、前記光学素子に対して垂直になるように配置されていることを特徴とする。

これによれば、光学素子の光入射面に対して所定角度で入射した投射装置からの投射光を拡散させて、その他の角度から入射した投射光を透過させる異方性拡散材がスクリーンとして機能することになる。これにより、光学素子上に映像を表示することが可能となる。また、結像素子により、光射出面側の空間に別の像を形成することが可能となる。そのため、２次元映像と空間像とを重ねて表示することができるようになる。

また、前記光学素子の結像素子が異方性拡散材よりも前記投射装置側に配置されている構成としてもよい。
これによれば、投射装置から投射された投射光を異方性拡散材において効率よく拡散させることができる。

第１実施形態の光学素子を示す図。 第１実施形態の光学素子に用いる再帰性透過材を示す図。 第１実施形態の光学素子の構成を示す断面図。 （Ａ）は、異方性拡散材の機能について説明するための図、（Ｂ）は再帰性透過材の機能について説明するための図。 第１実施形態の映像表示装置の構成および機能について説明するための図。 第２実施形態の光学素子の構成を示す断面図。 （Ａ）は、異方性透過材よりも再帰性透過材の方がプロジェクター側に位置する場合の図、（Ｂ）は、再帰性透過材よりも異方性拡散材の方がプロジェクター側に位置する場合の図。 第２実施形態の映像表示装置の機能について説明するための図。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態の光学素子を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は角部の拡大斜視図である。図２は、本実施形態の光学素子に用いる再帰性透過材を示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は角部の拡大斜視図である。図３は、光学素子の構成を示す断面図である。

本実施形態の光学素子１は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように再帰性透過材（結像素子）４および異方性拡散材３を備えて構成されるものである。
再帰性透過材４は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、矩形状の板材７に、光を透過させるための複数の四角柱状の開口部８が設けられた構成を備える。素子面Ｓに垂直な方向から見た開口部８の平面形状は正方形である。なお、本明細書における「素子面」とは、再帰性透過材４を構成する板材７の主面（光を入射もしくは射出させる面）と定義する。板材７は２つの主面を有しているため、いずれか一方の面を素子面と定義すればよい。
複数の開口部８は、板材７の各辺に沿って互いに等ピッチとなるように配置されている。開口部８の４つの内壁面のうち互いに直交する２つの内壁面には、例えば金属反射膜が形成されており、これら２つの内壁面が反射面９となっている。これら２つの反射面９は、いわゆる２面コーナーリフレクターを構成している。

本実施形態の再帰性透過材４においては、図２（Ａ）,（Ｂ）に示すように、平面視して正方形状の開口部８の各辺が板材７の各辺と平行に形成されており、全ての開口部８において、４つの内壁面のうちの同じ側に位置する２つの内壁面が反射面９となっている。
このような構成の再帰性透過材４は、光入射面１ａ側に位置する像を光射出面１ｂ側の空間における光射出面１ｂに対する面対称位置に結像させる結像素子である。

異方性拡散材３は、図３に示すように、再帰性透過材４の各開口部８内に充填されている。異方性拡散材３は、屈折率の異なる部分が厚み方向に対して傾斜して層状に分布してなるもので、この屈折率の異なる部分の傾斜方向に沿って拡散軸Ｐが存在する。この拡散軸Ｐは、素子面Ｓの中央から外側に行くに従って素子面Ｓの法線方向に対する傾斜角度θが連続的に大きくなるとともに（θ１＜θ２＜θ３）、その傾斜方向が中心軸に対して対称になっている。

次に、異方性拡散材および再帰性透過材の機能について説明する。
図４（Ａ）は、異方性拡散材の機能について説明するための図であり、図４（Ｂ）は再帰性透過材の機能について説明するための図である。
異方性拡散材３は、図４（Ａ）に示すように、素子面Ｓの法線方向に対して光の入射角度θが大きい光を透過するとともに、入射角度θが小さい光（略垂直な光）を拡散する機能を有する。一方、再帰性透過材４は、図４（Ｂ）に示すように、素子面Ｓの法線方向に対して光の入射角度θが小さい光を透過させるとともに、入射角度θが大きい光を光射出面１ｂ側の空間に集光する機能を有する。

次に、上記構成の光学素子を備えた映像表示装置について述べる。
図５は、映像表示装置の構成および機能について説明するための図である。
映像表示装置１００は、上記した光学素子１と、光学素子１の光入射面１ａに対して斜め側方（斜め下方）に位置する表示装置（画像生成装置）５と、光入射面１ａに向かって投射光を射出するプロジェクター（投射装置）６と、を備えて構成されている。

表示装置５は、電子的に表示画像を生成するもので液晶表示装置やプラズマ表示装置などのＦＰＤからなる。この表示装置５は、光学素子１の光入射面１ａに対して表示面５ａが垂直になるような姿勢で配置されている。

プロジェクター６には、光学素子１の光入射面１ａに対向してその下方に配置され、光学素子１の光軸（中心軸）と投射光の光軸とが一致している。なお、光学素子１の光軸とは、素子面Ｓの中心を通り、素子面Ｓに垂直な軸のことである。プロジェクター６には、ライトバルブや投射レンズなどが搭載されているとともに、パーソナルコンピューターなどの映像信号生成手段が接続されている（いずれも不図示）。映像信号生成手段から入力された映像信号に基づいて光学素子１に映像を投射する。そして、プロジェクター６内のライトバルブは図示しない光源によって照明され、投射レンズで拡大投射されて光学素子１上で結像する。

表示装置５から射出した光は、光学素子１の光入射面１ａの法線方向に対して大きい角度で入射するため、異方性拡散材３をそのまま透過する。そして、再帰性透過材４の反射面９において反射した光は光射出面１ｂから出射して、光学素子１の光軸方向で表示装置５とは反対側（光射出面１ｂ側）の空間に集光する。再帰性透過材４は、レンズと同じような役割を果たすため、表示装置５の映像が光学素子１の光射出面１ｂ側の空間に表示されることになる。

プロジェクター６から投射された投射光のうち、中心側の光は光学素子１の素子面Ｓに対してその中央部分に垂直に入射するが、周辺の光ほど素子面Ｓに対して角度を持って入射することになる。そこで、本実施形態の光学素子１は、異方性拡散材３の拡散軸Ｐを周辺部に行くに従ってその中心軸（法線方向）に対する傾斜角度が大きくなるように構成している。これにより、等方的に拡がる投射光の全て（中心部分の光だけでなく周囲の光も全て）が異方性拡散材３の拡散軸Ｐに対して垂直に入射することになる。その結果、プロジェクター６から投射された投射光が効率よく拡散される。

また、プロジェクター６からの投射光は光学素子１の拡散軸Ｐに対して略垂直に入射するため、再帰性透過材４をそのまま透過し、異方性拡散材３によって投射光が拡散される。異方性拡散材３はプロジェクター６からの投射光のみを拡散するため、光学素子１自体が透過型拡散スクリーンと同じような役割を果たすことになる。よって、光学素子１上に映像が表示されることになる。
このように、異方性拡散材３および再帰性透過材４の２つの材料を組み合わせることで構成される光学素子１を用いることで、空間像Ｚの後方にもう１つの映像を映し出すことができる。

したがって、観察者は、光学素子１の斜め上方から素子面Ｓ上に映し出された映像を空間像Ｚと重ねて見ることができる。従来、プロジェクター６から投射される投射光の光路上にスクリーンとフレネルレンズとがこの順で一方向に配置されてなる映像表示装置では、光の直進性により、空間像の後方には映像表示装置が存在することになる。つまり、観測者の視線の先には映像表示装置が存在することになるため、空間像と他の映像とを重ねて表示することができなかった。しかし、本実施形態の映像表示装置によれば、異方性拡散材３と再帰性透過材４とによって構成された光学素子１を備えたことにより、スクリーンとしても機能するため、光学素子１上に映し出された２次元映像と空間像とを重ねた状態で見ることが可能である。

これにより、空間像のバックに光学素子１上に映し出された２次元映像が見えるため、違和感を抑制するとともに奥行きのある表示とすることができる。さらに、複数の観察者に共通で観察することができる２次元映像と、適視範囲が限定されて、複数の観察者のうち一部の観察者にしか見えない空間像という特性を利用してプレゼンテーション等に使用することもできる。
また、再帰性透過材４の開口部８内に異方性拡散材３を充填する構成とすることによって、光学素子１において再帰性透過材４と異方性拡散材３との位置が面方向で一致する。このような構成により光学素子１の薄型化が可能となるので、映像表示装置１００の全体的な小型化も図れる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態の光学素子の構成について述べる。
図６は、第２実施形態の光学素子の構成を示す断面図である。図７（Ａ）は、異方性透過材よりも再帰性透過材の方がプロジェクター側に位置する場合の図であり、図７（Ｂ）は、再帰性透過材よりも異方性拡散材の方がプロジェクター側に位置する場合の図である。

図６に示すように、本実施形態における光学素子１０は、板状の異方性拡散材１３と再帰性透過材４とが厚さ方向で積層されている。
本実施形態における異方性拡散材１３は、平面視において再帰性透過材４と同等の大きさを有する矩形状を呈する板材であり、所定の厚さを有している。異方性拡散材１３は、素子面Ｓの法線方向に対する拡散軸Ｐの傾斜角度が、素子面Ｓの中央から外側に行くに従って大きくなるとともに（θ１＜θ２＜θ３）、その傾斜方向が中心軸に対して対称となるように構成されている。

拡散軸Ｐの傾斜角度が異なる領域Ｒはそれぞれ複数の開口部８に対応しており、拡散軸Ｐの傾斜角度が異なる領域Ｒの境界と、再帰性透過材４の開口部８同士の境界とが平面視で一致している。これにより、開口部８内の反射面９において反射した光が拡散軸Ｐの傾斜角度に影響を受けることなく、入射角度に応じて所定の方向に反射される。
このような異方性拡散材１３は、一面側に向かって拡散軸Ｐの傾斜角度が外側に向かって拡がるような構成となっており、他面側が再帰性透過材４と接している。

本実施形態の光学素子１０は、プロジェクター６側に再帰性透過材４を向けた状態で配置される。つまり、光入射面１ａ側に再帰性透過材４が位置し、光射出面１ｂ側に異方性拡散材３が位置しており、再帰性透過材４が異方性拡散材３よりもプロジェクター６側に存在する。

プロジェクター６から投射された投射光Ｌｐは、図７（Ａ）に示すように、光学素子１０の光入射面１ａ側から入射して再帰性透過材４を透過し、異方性拡散材１３で効率よく拡散されて出射する。これにより、光学素子１上に２次元映像が表示される。
一方、表示装置５から射出した光Ｌｃは再帰性透過材４の反射面９において反射され、光射出面１ｂ側の空間に集光される。このようにして光学素子１０の表示装置５とは反対側の空間に空間像Ｚが表示される。

本実施形態の光学素子１０は、再帰性透過材４側をプロジェクター６に向けて配置してある。つまり、異方性拡散材１３よりも再帰性透過材４の方が光入射面１ａ側に位置する構成となっている。
これに対して、図７（Ｂ）に示すように、再帰性透過材４よりも光入射面１ａ側に異方性拡散材１３が位置する構成とした場合には、異方性拡散材１３によって拡散された投射光Ｌｐが再帰性透過材４で反射してしまい、異方性拡散材１３によって映し出される映像が乱れてしまうという問題が生じることになる。

そのため、本実施形態では、プロジェクター６からの投射光がまず最初に再帰性透過材４に入射するよう、再帰性透過材４側をプロジェクター６に向けて光学素子１０を配置してある。これにより、図８に示すように、観察者は空間像Ｚとその後方に映し出された映像とを重ねて見ることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、先の実施形態では、異方性拡散材３の開口部８の大きさが素子面Ｓ内において均一な寸法で設定されていたが、例えば、一方向に並ぶ開口部８の同方向における寸法が素子面Ｓの中央から外側に行くに従って大きくなるように構成されていてもよい。

１，１０…光学素子、１ａ…光入射面、１ｂ…光射出面、３，１３…異方性拡散材、４…再帰性透過材、４…再帰性透過材（結像素子）、５…表示装置（画像生成装置）、６…プロジェクター（投射装置）、９…反射面、Ｐ…拡散軸、Ｓ…素子面、Ｚ…空間像、１００…映像表示装置

Claims (5)

1. 光入射面側に位置する像を光射出面側の空間に結像させる結像素子と、
   前記光射出面の法線方向を含み、前記法線方向に対して所定の範囲の角度で入射した光を拡散させ、前記所定の範囲の角度よりも大きい角度から入射した光を透過させる異方性拡散材と、を備え、
   前記結像素子が、前記所定の範囲の角度で入射した光を直進させるとともに、前記所定の範囲の角度よりも大きい角度で入射した光を当該結像素子の素子面に対する面対称の位置に結像させ、
   前記異方性拡散材は、前記所定の範囲の角度が、前記素子面の中央から外側に行くに従って大きくなるとともに、前記所定の範囲の角度が前記素子面の中心軸に対して対称になっている
   ことを特徴とする光学素子。
2. 前記結像素子が、光を透過させる複数の矩形状の透過部を有し、前記透過部の４つの壁面のうち、少なくとも互いに直交する２つの壁面が反射面とされた再帰性透過材からなり、
   前記透過部の内部に前記異方性拡散材が配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記結像素子が、光を透過させる複数の矩形状の透過部を有し、前記透過部の４つの壁面のうち、少なくとも互いに直交する２つの壁面が反射面とされた再帰性透過材からなり、
   前記再帰性透過材と前記異方性拡散材とが厚さ方向で積層されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の光学素子と、
   前記光学素子の光入射面に対して斜め側方に配置された画像生成装置と、
   前記光入射面に向かって投射光を射出する投射装置と、を備え、
   前記画像生成装置は、前記光学素子に対して垂直になるように配置されている
   ことを特徴とする映像表示装置。
5. 前記光学素子の結像素子が異方性拡散材よりも前記投射装置側に配置されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の映像表示装置。

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