JP5842443B2 - 実像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、実像表示装置に関する。

空間に実像を結像させて観察する表示装置として、下記の特許文献１に示すような空間映像表示装置が提案されている。図１２に示すように、この空間映像表示装置１０１は、フラットパネルディスプレイ１０２（Flat Panel Display, 以下、ＦＰＤと略記する）に表示した画像を結像レンズ１０３で結像させるものであり、結像レンズ１０３の後段に設けたハーフミラー１０４により光軸を曲げ、空間に実像Ｍが表示される。

特開２００８−６５２８８号公報

図１２に示した空間映像表示装置１０１のうち、ハーフミラー１０４を除く残りの構成要素を直線状に並べたものが図１３である。図１３に示すように、ＦＰＤ１０２から結像レンズ１０３に入射する光線のうち、光線ａ１は結像レンズ１０３によって光線ａ２のように曲げられ、光線ａ１とは反対側を通る光線ｂ１は結像レンズ１０３によって光線ｂ２のように曲げられる。したがって、実像Ｍの全体が観察される適視範囲は、図１３に斜線で示す範囲となる。

ところが、ＦＰＤ１０２と実像Ｍのサイズを変えない条件下で適視範囲を広げようとすると、実像のサイズに対する結像レンズのサイズを大きくするしか方法がない。すると、結像レンズが巨大なものとなり、得られる実像のサイズに対して表示装置全体が巨大なものにならざるを得ない、という問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、装置のサイズを大型にすることなく、実像の適視範囲を広げることができる実像表示装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の実像表示装置は、画像生成装置と、前記画像生成装置により生成された画像を実像として結像させる結像光学系と、前記結像光学系から射出された光線が入射された際に前記光線を互いに異なる複数の方向に分割して射出させる光線分離素子と、を備え、空間の複数の位置に実像を結像させることを特徴とする。

この構成において、結像光学系から射出された光線は光線分離素子に入射された際に複数の方向に分離されるため、空間の複数の位置に実像が結像される。このとき、観察者は光線分離素子が見える範囲内に存在する実像を観察することができ、観察者が観察位置を変えると、光線分離素子が見える範囲内に存在する他の実像を観察することができる。すなわち、生成される実像の数に対応した数の適視範囲ができる。このようにして、本発明の実像表示装置によれば、装置のサイズを大型にすることなく、実像の適視範囲を広げることができる。

本発明の実像表示装置において、前記光線分離素子は、複数のプリズムを規則的に配列した構成を有し、前記複数のプリズムの各々は、前記光線を互いに異なる複数の方向に分割して射出させる構成を採用することが好ましい。
この構成によれば、所定の機能を有する光線分離素子を簡易な構成で実現でき、結像光学系と光線分離素子とによって空間の複数の位置に実像を結像することができる。

本発明の実像表示装置において、互いに隣り合う前記プリズムのピッチをＰ、観察者の瞳孔のサイズをＤ、前記光線分離素子から前記実像までの距離をＲ、前記実像から観察位置までの距離をＴとしたとき、下記の（１）式の関係を満たすことが好ましい。
Ｐ≦Ｄ×Ｒ／Ｔ …（１）

（１）式の関係を満たす場合、光線分離素子から射出されて一つの実像を形成する光線の少なくとも一部が観察者の瞳孔に必ず入射するため、観察者は実像を欠落することなく見ることができる。

前記（１）式において、Ｄ＝２［ｍｍ］とし、下記の（２）式の関係を満たすことが好ましい。
Ｐ≦２×Ｒ／Ｔ［ｍｍ］ …（２）

人間の瞳孔のサイズは一般的に２〜８ｍｍと言われている。したがって、（１）式において、Ｄ＝２［ｍｍ］とすれば、実像の欠落を生じさせないための設計を最も厳しい条件で行うことができる。

本発明の実像表示装置において、互いに隣り合う前記プリズムのピッチをＰ、観察者の視力をＣ、前記光線分離素子から前記実像までの距離をＲ、前記実像から観察位置までの距離をＴとしたとき、下記の（３）式の関係を満たすことが好ましい。
Ｐ≦（Ｒ＋Ｔ）×π／（５４００×Ｃ） …（３）

（３）式の関係を満たす場合、プリズムのピッチが観察者の視力の分解能よりも小さいため、観察者はプリズム間の境界線を視認することができない。よって、観察者が実像を見る際にプリズムの配列構造が邪魔にならず、実像の視認性を高めることができる。

前記（３）式において、Ｃ＝１．５とし、下記の（４）式の関係を満たすことが好ましい。
Ｐ≦（Ｒ＋Ｔ）×π／８１００［ｍｍ］ …（４）

観察者の視力を考慮した場合、一般的には視力１．５が最も良いと考えることができる。したがって、（３）式において、Ｃ＝１．５とすれば、最も視力が優れた人でもプリズムの配列構造を視認できないことになり、プリズムの配列構造を観察者が視認できないようにするための設計を最も厳しい条件で行うことができる。

本発明の実像表示装置において、前記プリズムの形状は三角柱状であり、三角柱の３つの側面のうちの少なくとも１つの側面が光入射面とされた構成を採用することができる。
この構成によれば、三角柱の３つの側面のうち、１つの光入射面を除く他の２つの側面が光射出面となる。あるいは、２つの光入射面を除く他の１つの側面が光射出面となる。したがって、この実像表示装置では２つの光射出面もしくは光入射面の位置に対応して２つの実像が形成されることになり、２箇所の適視範囲を作ることができる。

本発明の実像表示装置において、前記プリズムの形状は四角柱状であり、四角柱の長手方向と直交する断面形状が台形であり、台形の互いに平行な２辺のうちの長辺に対応する面が光入射面とされた構成を採用することができる。
この構成によれば、台形の４辺のうち、光入射面に対応する１辺を除く他の３辺に対応する面が光射出面となる。したがって、この実像表示装置では３つの光射出面の位置に対応して３つの実像が形成されることになり、３箇所の適視範囲を作ることができる。

本発明の実像表示装置において、前記プリズムの形状は四角錐状であり、四角錐の底面が光入射面とされた構成を採用することができる。
この構成によれば、四角錐の４つの斜面が光射出面となる。したがって、この実像表示装置では４つの光射出面の位置に対応して４つの実像が形成され、４箇所の適視範囲を作ることができる。プリズムを四角錐状とした場合、直交する２方向において離間した位置に４つの実像（適視範囲）を形成することができる。

本発明の実像表示装置において、前記結像光学系がフレネルレンズで構成されていることが好ましい。
この構成によれば、小型、軽量の結像光学系を実現することができ、実像表示装置全体の小型化が図れる。

本発明の実像表示装置において、前記画像生成装置がフラットパネルディスプレイで構成されていても良い。
この構成によれば、薄型の画像生成装置を実現することができ、実像表示装置全体の小型化が図れる。

本発明の実像表示装置において、前記画像生成装置が投射型表示装置とスクリーンとで構成されていても良い。
この構成によれば、スクリーン上で十分な明るさが得られるため、明るい実像を表示することができる。

本発明の第１実施形態の実像表示装置を示す平面図である。 本実施形態の結像レンズおよび光線分離素子を示す図であり、（ａ）側面図、（ｂ）正面図である。 本実施形態の結像レンズを示す図であり、（ａ）正面図、（ｂ）側面図である。 （ａ）、（ｂ）本実施形態の実像表示装置における実像の見え方を示す図である。 実像の欠落について説明するための図である。 光線分離素子から実像までの距離（Ｒ）／実像から観察位置までの距離（Ｔ）とプリズムのピッチＰとの関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態の実像表示装置を示す平面図である。 本実施形態の結像レンズおよび光線分離素子を示す図であり、（ａ）側面図、（ｂ）正面図である。 本発明の第３実施形態の実像表示装置を示す平面図である。 本発明の第４実施形態の実像表示装置に用いる結像レンズおよび光線分離素子を示す図であり、（ａ）側面図、（ｂ）正面図、（ｃ）（ａ）と直交する方向から見た側面図である。 （ａ）、（ｂ）本実施形態の実像表示装置における実像の見え方を示す図である。 従来の空間映像表示装置の構成を示す図である。 図１２に示した空間映像表示装置のうち、ハーフミラーを除く残りの構成要素を直線状に並べた図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図６を用いて説明する。
本実施形態の実像表示装置は、空間に実像を生成することができる表示装置の一例である。
図１は、本実施形態の実像表示装置を示す平面図である。図２は、本実施形態の結像レンズおよび光線分離素子を示す図であり、（ａ）側面図、（ｂ）光線分離素子側から見た正面図である。図３は、本実施形態の結像レンズを示す図であり、（ａ）正面図、（ｂ）側面図である。図４（ａ）、（ｂ）は本実施形態の実像表示装置における実像の見え方を示す図である。図５は、実像の欠落について説明するための図である。図６は、光線分離素子から実像までの距離（Ｒ）／実像から観察位置までの距離（Ｔ）とプリズムのピッチＰとの関係を示すグラフである。
以下の全ての図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

本実施形態の実像表示装置１は、図１に示すように、ＦＰＤ２（画像生成装置）と、結像レンズ３（結像光学系）と、光線分離素子４と、を備えている。ＦＰＤ２には、図示しないパーソナルコンピューターなどの映像信号生成装置が接続されており、ＦＰＤ２は映像信号生成装置から入力された映像信号に基づいて画面２ａ上に画像を生成する。もしくは、ＦＰＤ２は、例えば液晶テレビジョンのように、ディスプレイと映像信号生成装置とが一体化した装置であっても良い。図１においては、紙面に平行な方向をＦＰＤ２の画面２ａの水平方向Ｈ（左右方向）とし、紙面に垂直な方向をＦＰＤ２の画面２ａの垂直方向Ｖ（上下方向）とする。

ＦＰＤ２の画面２ａから射出される光の光路上には、結像レンズ３、光線分離素子４がＦＰＤ２側からこの順に配置されている。図２（ａ）に示すように、結像レンズ３と光線分離素子４とは互いに密着した状態で配置されている。結像レンズ３と光線分離素子４とを密着して固定する手段としては、結像レンズ３と光線分離素子４の双方をフレーム等の固定用部材に収容して固定する方法を採ることができる。あるいは、結像レンズ３と光線分離素子４とを光学接着剤を用いて直接接着しても良い。

結像レンズ３は、ＦＰＤ２により生成された画像を、ＦＰＤ２が位置する側とは反対側の空間上に実像として結像させるものである。本実施形態では、結像レンズ３はフレネルレンズで構成されている。

結像レンズ３を構成するフレネルレンズは、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、同心円状に配置された複数の微小プリズム５を有している。これら複数の微小プリズム５は、全体として凸レンズを構成し、単体の凸レンズと同等の機能を発揮する。一般的な凸レンズを用いた場合、レンズの口径を大きくすると中心部の厚さが厚くなり、重量が重くなる。これに対して、フレネルレンズは凸レンズを中心から同心円状に分割したときの曲率の差分のみを並べた構造であるため、全面の厚さが略均一で薄く、軽量の結像レンズ３を実現することができる。ただし、フレネルレンズに代えて、凸レンズを用いても良い。

光線分離素子４は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、各々が三角柱状の同一寸法のプリズム６を複数備えた構成となっている。これら複数のプリズム６は、各プリズム６の長手方向と直交する方向に一定のピッチＰで規則的に配列されている。本実施形態では、光線分離素子４は、プリズム６の形状である三角柱の３つの側面のうち、１つの側面が光入射面となり、互いに所定の角度で接する他の２つの側面が光射出面となる姿勢で配置されている。ただし、この配置とは逆に、光線分離素子４は、プリズム６の互いに所定の角度で接する２つの側面が光入射面となり、他の１つの側面が光射出面となる姿勢で配置されていても良い。

結像レンズ３は、光線分離素子４を配置しない場合に空間上の１箇所に実像を形成するように配置されている。すなわち、結像レンズ３は、図１に示すように、ＦＰＤ２から射出された光線を光軸Ｘ上に集光するように配置されている。ところが、実際には結像レンズ３の光射出側に光線分離素子４が配置されているため、結像レンズ３から射出された光線は、プリズム６の２つの光射出面に対応して互いに異なる２つの方向に分離される。これにより、図１に示すように、ＦＰＤ２の画面２ａの水平方向Ｈに離間した空間上の２つの位置に実像Ｒおよび実像Ｌが形成される。

本実施形態の実像表示装置１は、図１に示すように、適視範囲Ｒおよび適視範囲Ｌの２つの適視範囲を有する。観察者がいずれか１つの適視範囲から実像を見る場合、光線分離素子４が見える範囲の中に存在する実像だけが見えることになる。したがって、観察者が図１の適視範囲Ｌから実像を見た場合、図４（ａ）に示すように、光線分離素子４が見える範囲の中に存在する実像Ｌは見えるが、光線分離素子４が見える範囲の中に存在しない実像Ｒは見えない。また、観察者が図１の適視範囲Ｒから実像を見た場合、図４（ｂ）に示すように、光線分離素子４が見える範囲の中に存在する実像Ｒは見えるが、光線分離素子４が見える範囲の中に存在しない実像Ｌは見えない。

本実施形態の場合、実像Ｒ、実像Ｌの２つの実像が形成されるため、光線分離素子４を使用せずに結像レンズ３だけで１つの実像を形成した場合に比べて、実像の明るさは半分になる。しかしながら、ＦＰＤ２上の元の画像（物体像）の明るさが十分であれば特に問題はない。

光線分離素子４を配置した位置では実像が形成されていないため、結像レンズ３により生成される実像が部分的に欠落することはない。そのため、仮に実像の形成位置にスクリーンを配置し、スクリーンを観察したとすると、元の物体像を全て観察することができる。ところが、本実施形態の実像表示装置１のように、実像を眼で直接観察する場合には眼における結像を考慮する必要がある。そうしないと、観察者が実像を見たときに像の欠落が生じる場合がある。

図５は、光線分離素子４と実像と瞳孔位置との関係を示したものである。光線分離素子４は実際には三角柱状のプリズム６を有しているが、ここでは図示の都合上、プリズム６の２つの光射出面を平面状に示す。光線分離素子４のうち、実線で示した部分は観察者が観察する側の実像を生成する光線を射出する射出部６ａを示している。すなわち、射出部６ａから射出された光線が実像を形成し、瞳孔位置で瞳孔に入射する。一方、光線分離素子４のうち、破線で示した部分は観察者が観察しない側の実像を生成する光線を射出する他方向部６ｂを示している。図５の上側に光線Ｌ１で示すように、瞳孔を微小な点と仮定すると、光線分離素子４の他方向部６ｂに対応する実像部分は見えないことがわかる。

そこで、実像が完全に見えるためには、実像部分で欠落が生じないようにすれば良い。したがって、実像上の任意の微小部分に着目し、図５の下側に示すように、光線が光線分離素子６の射出部６ａと他方向部６ｂの双方から実像上の任意の微小部分を通って瞳孔に入射することを想定すると、瞳孔位置では光線Ｌ２が存在する有部分と光線Ｌ２が存在しない無部分が現れることになる。瞳孔には少なくとも有部分が入るようにすれば、光線分離素子４からの光線Ｌ２が見えることになる。ここで、瞳孔位置では像は結像していないため、光線の一部が通過するだけで実像の全体が見えることになる。

したがって、互いに隣り合うプリズムのピッチをＰ、観察者の瞳孔のサイズをＤ、光線分離素子４から実像までの距離をＲ、実像から観察位置までの距離をＴとしたとき、下記の（５）式の関係が成立する。ここで言う観察位置は、瞳孔位置に相当する。
Ｐ＝Ｄ×Ｒ／Ｔ …（５）

したがって、実像が欠落することなく見える条件は、
Ｐ≦Ｄ×Ｒ／Ｔ …（６）
上記の（６）式を満たすようなプリズムのピッチＰで光線分離素子４を設計すれば、像の欠落が生じないことがわかる。

人間の瞳孔のサイズは一般的に２〜８ｍｍと言われている。したがって、Ｄ＝２［ｍｍ］とするのが、実像の欠落を生じさせないためのプリズムのピッチＰの設計を最も厳しい条件で行うことになる。よって、（６）式において、Ｄ＝２［ｍｍ］を代入すると、
Ｐ≦２×Ｒ／Ｔ［ｍｍ］ …（７）
となる。

ところが、実像の欠落が生じなかったとしても、実像を見るのと同時にプリズムの配列構造（例えば本実施形態では隣り合うプリズム間のストライプ状の境界線）が見えると、実像を見るのに邪魔になり、実像の視認性が低下してしまう。したがって、プリズムのピッチＰを観察者の視力の分解能よりも小さくすれば、プリズムの配置構造は見えなくなり、邪魔にならないことになる。

よって、以下では、観察者の視力を考慮したプリズムのピッチＰの設定方法について説明する。
視力は分単位で表した視角の逆数で表される。例えば、視力１．０とは視角１分（＝１／６０度）だけ離間した対象物を分離して識別できる能力である。したがって、観察者の視力をＣとすると、観察者の眼の分解能は１／６０Ｃ［度］となり、換算すると、１／６０Ｃ×π／１８０［rad］となる。この分解能を持った観察者にとって、プリズム間ピッチＰの半分（Ｐ／２）が見えなければ、プリズムの配置構造は認識できなくなる。

したがって、光線分離素子４から実像までの距離をＲ、実像から観察位置までの距離をＴとしたとき、下記の（８）式の関係を満たせば良い。
Ｐ／［２×（Ｒ＋Ｔ）］≦１／６０Ｃ×π／１８０ …（８）
（８）式を変形すると、
Ｐ≦２×（Ｒ＋Ｔ）×π／（６０×１８０×Ｃ）＝（Ｒ＋Ｔ）×π／（５４００×Ｃ） …（９）

上の（９）式を満たすようにプリズムのピッチＰを設計すれば、観察者が実像を見る際にプリズムの配列構造を認識できない。これにより、実像の視認性を高めることができる。

一般的に最も良い視力を１．５と考えると、Ｃ＝１．５とするのが、観察者の視力を考慮したプリズムのピッチＰの設計を最も厳しい条件で行うことになる。よって、（９）式において、Ｃ＝１．５を代入すると、
Ｐ≦（Ｒ＋Ｔ）×π／８１００［ｍｍ］ …（１０）

上の（７）式、および（１０）式において、光線分離素子４から実像までの距離Ｒを１０００［ｍｍ］とし、Ｔ／Ｒを横軸、Ｐを縦軸に取ってグラフ化したものが図６である。像の欠落の問題については、Ｔ／Ｒが大きくなる程、すなわち観察位置が遠くなる程、Ｐが小さくなる傾向にある。一方、視力の問題については、Ｔ／Ｒが大きくなる程、すなわち観察位置が遠くなる程、Ｐが大きくなる傾向にある。

具体的な数値の一例として、光線分離素子４から実像までの距離Ｒを１０００［ｍｍ］とし、Ｔ／Ｒ＝３、すなわち、Ｔ＝３×Ｒ＝３０００［ｍｍ］（光線分離素子４から観察位置までの距離Ｒ＋Ｔ＝４０００［ｍｍ］）とする。
このとき、像の欠落を考慮した条件として、（７）式に上記の値を代入すると、
Ｐ≦２×Ｒ／Ｔ＝２×１／３＝０．６７［ｍｍ］
視力を考慮した条件として、（１０）式に上記の値を代入すると、
Ｐ≦（Ｒ＋Ｔ）×π／８１００＝４０００×π／８１００＝１．５５［ｍｍ］
となる。

像の欠落の問題と視力の問題の双方を考慮した場合、いずれかの小さい方の値が支配的になる。したがって、本例においては、像の欠落を考慮した条件の方を採用し、プリズムのピッチＰを０．６７ｍｍ以下にすれば良い。

図６において、像の欠落の問題と視力の問題の双方を考慮したときの２つのプリズムのピッチＰの値のうち、小さい方の値を［表１］に示す。

本実施形態の実像表示装置１においては、結像レンズ３から射出された光線が光線分離素子４に入射された際に２つの方向に分離されるため、空間上に２つの実像が結像される。このとき、観察者は、光線分離素子４が見える範囲内に存在する実像Ｌを適視範囲Ｌから観察することができ、光線分離素子４が見える範囲内に存在する実像Ｒを適視範囲Ｒから観察することができる。このようにして、本実施形態の実像表示装置によれば、装置のサイズを大型にすることなく、実像の適視範囲を広げることができる。

このようにすることで、例えば通路に面した店舗の店頭などに実像表示装置１を設置した場合、空中に浮上した画像（実像）を歩行者が発見しやすくなり、広告表示などを効果的に行うことができる。また、光線分離素子のプリズムのピッチＰを最適化することにより、像の欠落による解像度の低下やプリズムの配列構造が見えることによる視認性の低下を回避することができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図７、図８を用いて説明する。
本実施形態の実像表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、実像表示装置に用いる光線分離素子の構成が異なるのみである。
図７は、本実施形態の実像表示装置を示す平面図である。図８は、本実施形態の実像表示装置に用いる結像レンズおよび光線分離素子を示す図であり、（ａ）側面図、（ｂ）正面図である。
図７、図８において、第１実施形態の図１、図２と共通する構成要素には同一の符号を付し、説明は省略する。

本実施形態の実像表示装置１１は、図７に示すように、ＦＰＤ２（画像生成装置）と、結像レンズ３（結像光学系）と、光線分離素子１２と、を備えている。画像生成装置としてＦＰＤ２が用いられている点、および結像レンズ３にフレネルレンズが用いられている点は第１実施形態と共通である。結像レンズ３の光射出側に光線分離素子１２が密着して設けられている。

本実施形態の光線分離素子１２は、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、各々が四角柱状の同一寸法のプリズム１３を複数備えた構成となっている。これら複数のプリズム１３は、プリズム１３の長手方向と直交する方向に一定のピッチで規則的に配列されている。各プリズム１３は、四角柱の長手方向と直交する平面で切断したときの断面形状が台形であり、台形の互いに平行な２辺のうちの長辺に対応する側面が光入射面となり、他の３つの側面が光射出面となる向きに配置されている。言い換えると、本実施形態のプリズム１３は、第１実施形態の三角柱状のプリズム６の稜線部分をカットして平面にしたものである。

本実施形態の場合、結像レンズ３の光射出側に３つの光射出面を有するプリズム１３を備えた光線分離素子１２が配置されているため、結像レンズ３から射出された光線は、プリズム１３の３つの光射出面に対応して互いに異なる３つの方向に分離される。これにより、図７に示すように、ＦＰＤ２の画面２ａの水平方向Ｈに連なる空間上の３つの位置に実像Ｒ、実像Ｃ、実像Ｌが形成される。

３つの実像（実像Ｒ、実像Ｃ、実像Ｌ）が形成されることに伴って、本実施形態の実像表示装置１１は３つの適視範囲（適視範囲Ｒ、適視範囲Ｃ、適視範囲Ｌ）を有する。観察者が１つの適視範囲から実像を見る場合、光線分離素子が見える範囲の中に存在する実像だけが見えることになる。したがって、観察者が適視範囲Ｒから実像を見た場合、光線分離素子４が見える範囲の中に存在する実像Ｒのみを見ることができる。同様に、観察者は、適視範囲Ｃから実像Ｃのみを見ることができ、適視範囲Ｌから実像Ｌのみを見ることができる。

このように、本実施形態の実像表示装置１１によれば、３つの方向から実像Ｒ、実像Ｃ、実像Ｌを見ることができるため、装置を大型にすることなく、実像の適視範囲を広げることができる。本実施形態の実像表示装置１１では、第１実施形態の実像表示装置１に比べて適視範囲を１つ増やせるため、例えばこの実像表示装置を店舗の広告用途に用いた場合に広告効果をさらに向上することができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図９を用いて説明する。
本実施形態の実像表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、画像生成装置の構成が異なるのみである。
図９は、本実施形態の実像表示装置を示す平面図である。
図９において、第１実施形態の図１と共通する構成要素には同一の符号を付し、説明は省略する。

本実施形態の実像表示装置２１は、図９に示すように、画像生成装置２２と、結像レンズ３（結像光学系）と、光線分離素子４と、を備えている。画像生成装置２２は、投射型表示装置２３と、スクリーン２４と、から構成されている。投射型表示装置２３には、図示しない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おり、投射型表示装置２３は映像信号生成手段から入力された映像信号に基づいてスクリーン２４上に画像を投射する。

スクリーン２４は透過型スクリーンである。スクリーン２４は、光拡散機能を備えたスクリーン本体２５とフレネルレンズ２６とが積層された構成を有している。スクリーン本体２５にフレネルレンズ２６が積層されたことにより、周辺光の広がりを制御し、実像を形成するための結像レンズ３以外の箇所に向けて無駄な光線が射出されないようにしている。
その他、結像レンズ３と光線分離素子４の構成は第１実施形態と同様である。

本実施形態の実像表示装置２１においても、装置を大型にすることなく、実像の適視範囲を広げることができる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。また、スクリーン２４から射出される光線の拡散角度は、次段の結像レンズ３で飲み込めるだけの狭い角度で良い。そのため、スクリーン２４上では十分な明るさを得ることができ、実像Ｒ、実像Ｌの２つの実像を生成することによる明るさの低下は問題にならない。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図１０、図１１を用いて説明する。
本実施形態の実像表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、光線分離素子の構成が異なるのみである。
図１０は、本実施形態の実像表示装置における結像レンズおよび光線分離素子を示す図であり、（ａ）側面図、（ｂ）正面図、（ｃ）（ａ）と直交する方向から見た側面図である。図１１（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の実像表示装置における実像の見え方を示す図である。
図１０において、第１実施形態の図２と共通する構成要素には同一の符号を付し、説明は省略する。

本実施形態の光線分離素子３２は、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、各々が四角錐状の同一寸法のプリズム３３を複数備えた構成となっている。これら複数のプリズム３３は、互いに直交する２つの方向に一定のピッチでアレイ状に配列されている。本実施形態では、光線分離素子３２は、プリズム３３の形状である四角錐の５つの面のうち、正方形状の底面が光入射面となり、他の４つの三角形状の側面が光射出面となる向きに配置されている。光線分離素子３２は、結像レンズ３の光射出側に密着して配置されている。

上述したように、結像レンズ３の光射出側に光線分離素子３２が配置されているため、結像レンズ３から射出された光線は、プリズム３３の４つの光射出面に対応して互いに異なる４つの方向に分離される。これにより、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、ＦＰＤ２の画面２ａの水平方向Ｈに離間した空間上の２つの位置に実像Ｌ、実像Ｒが形成され、水平方向Ｈの中央において垂直方向Ｖに離間した空間上の２つの位置に実像Ｔ、実像Ｂが形成される。

４つの実像（実像Ｌ、実像Ｒ、実像Ｔ、実像Ｂ）が形成されることに伴って、本実施形態の実像表示装置は４つの適視範囲を有する。第１〜第３実施形態と同様、本実施形態においても、観察者が４つの適視範囲のうちの１つの適視範囲から実像を見ると、実像Ｌ、実像Ｒ、実像Ｔ、実像Ｂの４つの実像のうち、光線分離素子３２が見える範囲の中に存在する実像だけが見えることになる。

例えば、観察者が光線分離素子３２に向かって左側の適視範囲から実像を見た場合、図１１（ａ）に示すように、光線分離素子３２が見える範囲の中に存在する実像Ｌは見えるが、それ以外の実像Ｒ、実像Ｔ、実像Ｂは見えない。また、観察者が光線分離素子３２に向かって下側の適視範囲から実像を見た場合、図１１（ｂ）に示すように、光線分離素子３２が見える範囲の中に存在する実像Ｂは見えるが、それ以外の実像Ｌ、実像Ｒ、実像Ｔは見えない。

以下同様に、図示しないが、観察者が光線分離素子３２に向かって右側の適視範囲から実像を見た場合、実像Ｒは見えるが、それ以外の実像Ｌ、実像Ｔ、実像Ｂは見えない。観察者が光線分離素子３２に向かって上側の適視範囲から実像を見た場合、実像Ｔは見えるが、それ以外の実像Ｌ、実像Ｒ、実像Ｂは見えない。

このように、本実施形態の実像表示装置によれば、４つの異なる方向から実像を見ることができるため、装置を大型にすることなく、実像の適視範囲を広げることができる。本実施形態の実像表示装置では、第１実施形態の実像表示装置に比べて適視範囲を上下方向にも２つ増やせるため、例えばこの実像表示装置を店舗の広告用途に用いた場合に広告効果をさらに向上することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば第１実施形態では、プリズムの長手方向がＦＰＤの垂直方向に一致するように光線分離素子を配置し、ＦＰＤの水平方向に２つの実像を形成する例を示した。この構成に代えて、プリズムの長手方向がＦＰＤの水平方向（左右方向）に一致するように光線分離素子を配置し、例えば第４実施形態の実像Ｔ、実像Ｂのように、ＦＰＤの垂直方向（上下方向）に２つの実像を形成する構成としても良い。このようにすれば、上下方向に複数の適視範囲を作ることができる。同様に、プリズムの長手方向がＦＰＤの斜め方向に一致するように光線分離素子を配置し、これと直交する斜め方向に複数の実像を形成する構成としてもよい。

また、上記実施形態では、ＦＰＤと結像レンズと光線分離素子とを直線状に配置する構成としたが、この構成に代えて、ＦＰＤと結像レンズと光線分離素子とを結ぶ光路の途中にミラーを配置し、ミラーを用いて光路を折り曲げた構成としてもよい。

また、上記実施形態では、結像レンズと光線分離素子とを密着させて固定した構成としたため、結像レンズと光線分離素子との位置合わせが不要となり、取り扱いが容易になる、という利点が得られる。ただし、結像レンズと光線分離素子とを必ずしも密着させなくても良く、結像レンズと光線分離素子とを離れた位置に配置しても良い。その他、実像表示装置を構成する各構成要素の形状、数、配置等に関しては適宜変更が可能である。

１，１１，２１…実像表示装置、２…ＦＰＤ（画像生成装置）、３…結像レンズ（結像光学系）、４，１２，３２…光線分離素子、６，１３，３３…プリズム、２２…画像生成装置、２３…投射型表示装置、２４…スクリーン。

Claims (7)

1. 画像生成装置と、
   前記画像生成装置により生成された画像を実像として結像させる結像光学系と、
   前記結像光学系から射出された光線が入射された際に前記光線を互いに異なる複数の方向に分割して射出させる光線分離素子と、を備え、
   前記光線分離素子は、各々が前記光線を互いに異なる複数の方向に分割して射出させる複数のプリズムを規則的に配列した構成を有し、
   互いに隣り合う前記プリズムのピッチＰは、観察者の瞳孔のサイズＤを２［ｍｍ］、前記観察者の視力Ｃを１．５、前記光線分離素子から前記実像までの距離をＲ、前記実像から観察位置までの距離をＴとしたとき、下記の式（２）および式（４）前記実像が欠落しない条件および前記プリズムの配置構造が認識されない条件のうちピッチの小さくなる条件に設定されていることを特徴とする実像表示装置。
   Ｐ≦２×Ｒ／Ｔ［ｍｍ］ …（２）
   Ｐ≦（Ｒ＋Ｔ）×π／８１００［ｍｍ］ …（４）
2. 前記プリズムの形状は三角柱状であり、三角柱の３つの側面のうちの少なくとも１つの側面が光入射面とされたことを特徴とする請求項１に記載の実像表示装置。
3. 前記プリズムの形状は四角柱状であり、四角柱の長手方向と直交する断面形状が台形であり、台形の互いに平行な２辺のうちの長辺に対応する面が光入射面とされたことを特徴とする請求項１に記載の実像表示装置。
4. 前記プリズムの形状は四角錐状であり、四角錐の底面が光入射面とされたことを特徴とする請求項１に記載の実像表示装置。
5. 前記結像光学系が、フレネルレンズで構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の実像表示装置。
6. 前記画像生成装置が、フラットパネルディスプレイで構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の実像表示装置。
7. 前記画像生成装置が、投射型表示装置とスクリーンとで構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の実像表示装置。

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