JP6632747B2

JP6632747B2 - 光学装置

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Publication number: JP6632747B2
Application number: JP2018568605A
Authority: JP
Inventors: 直良山田; 隆米本; 浩史遠山; 齊藤　之人; 之人齊藤
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2017-02-15
Filing date: 2018-02-15
Publication date: 2020-01-22
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Also published as: US11294198B2; WO2018151220A1; US20190369409A1; JPWO2018151220A1

Description

本発明は、空中に画像を表示する空中画像表示装置を実現するための光学装置に関する。

近年、スクリーンの存在しない空中に画像を表示する空中画像表示装置が提案され、アイキャッチ効果の高い販促用ディスプレイや、スクリーンに触れることなく、空中に表示される映像をタッチ操作可能な入力デバイスとしての活用が期待されている。

たとえば、特開２０１２−１２８４５４号公報（以下において、特許文献１という。）では、ディスプレイ部と、微小ミラーユニットがマトリクス状に配列された構造体とを備え、ディスプレイ部からの光を２回反射させることで空中映像を表示する装置が提案されている。

また、Shusei Ito and Hirotsugu Yamamoto, IDW/AD’16, 3DSAp2/3Dp2-11(2016)（以下において、非特許文献１という。）では、液晶表示装置と、ビームスプリッターと、再帰反射部材を備え、液晶表示装置から出射した光線の一部をビームスプリッターで正反射させた後、再帰反射部材で再帰反射させ、さらにビームスプリッターを透過させて、空中に結像させる空中画像表示装置が提案されている。

本発明者らの検討によれば、特許文献１に記載の空中画像表示装置は、ミラーユニットから前方（離れる方向）への空中像の突出距離が不十分であり、販促用ディスプレイとしてのアイキャッチ効果が不十分であることがわかった。また、ディスプレイ部をミラーから離して設置することにより、空中像をより前方へ突出させることが可能であるものの、その場合、装置が大型化してしまう問題があった。さらに、特許文献１に記載の空中画像表示装置は、観察者が空中像を視認できる範囲が狭く、空中像の全体を視認できる位置が狭い範囲に限られていた。

同様に、非特許文献１に記載の空中画像表示装置も、ビームスプリッターから前方への空中像の突出距離が不十分であり、突出距離を大きくするためには液晶表示装置をビームスプリッターから離して設置しなければならず、装置が大型化する問題があった。また、非特許文献１に記載の空中画像表示装置は、観察者が空中像を視認できる範囲が狭く、空中像の全体を視認できる位置が狭い範囲に限られていた。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、装置を大型化することなく、空中像を前方へと突出させ、かつ、空中像の視認範囲が広い空中画像表示を実現する光学装置を提供することである。

本発明の光学装置は、入射光の一部を透過し、一部を反射するビームスプリッターと、
ビームスプリッターを透過した光が入射する位置に配置されたミラー面を有するミラー部材と、
ミラー面で正反射されてビームスプリッターに入射され、ビームスプリッターで正反射された光が入射する位置に配置された再帰反射部材とを備えた光学装置である。

本発明の光学装置においては、ビームスプリッターに関して、ミラー部材とは反対の側に被投影物を設置する設置部を備えた構成であってもよい。この場合、設置部に設置された被投影物の像を被投影物に対して光学的に共役な位置に結像する。

本発明の光学装置においては、被投影物としての画像を表示する画像表示部を設置部に備えていてもよい。

本発明の光学装置においては、画像表示部を備える場合、画像表示部が偏光を出射する画像表示装置であってもよい。

本発明の光学装置においては、画像表示部を備える場合、画像表示部が、液晶表示装置、または有機ＥＬ表示装置であってもよい。

本発明の光学装置においては、ビームスプリッターが、偏光選択反射材を有してもよい。
この場合、偏光選択反射材が反射型偏光子であってもよい。

本発明の光学装置においては、ビームスプリッターが反射型偏光子を有する場合に、さらに吸収型偏光子を有し、反射型偏光子および吸収型偏光子の透過軸の方向が同一であり、かつ、反射型偏光子が吸収型偏光子よりもミラー部材側に設置されてなることが好ましい。

本発明の光学装置においては、ビームスプリッターの、光が入射する少なくとも一つの表面に反射防止処理が施されていることが好ましい。

本発明の光学装置においては、ミラー部材のミラー面に偏光変換素子が設置されていてもよい。
この場合、偏光変換素子が１／４波長位相差板であることが好ましい。

本発明の光学装置においては、再帰反射部材が、コーナーキューブリフレクタを多数並べた再帰反射部材であることが好ましい。

本発明の光学装置においては、再帰反射部材の光入射面に偏光変換素子が設置されていてもよい。
この場合、偏光変換素子が１／４波長位相差板であることが好ましい。

本発明の光学装置によれば、装置を大型化することなく、空中像を前方へと突出させることができ、かつ、空中像の視認範囲が広い空中画像表示装置を実現することができる。
本発明の光学装置により実現される空中画像表示装置は、画像表示部とミラー面が離れていることにより、その距離に応じて空中像をビームスプリッターから前方へと突出させることができる。このとき、画像表示部がビームスプリッターの面に対してミラー面および再帰反射部材とは反対側に設置されていることにより、装置の大型化を伴わない。さらに、観察者の視点から見て、前述の再帰反射部材が見通せる範囲内に加え、前述のミラー面が見通せる範囲内でも空中像を視認することができるため、空中像の視認範囲を従来の空中画像表示装置と比較して大幅に拡げることが可能である。

本発明の実施形態の光学装置の概略構成である。本発明の実施形態の光学装置の説明図である。本発明の実施形態の光学装置が内包される筐体の斜視図である。第１の空中画像表示装置を表す概略構成である。第１の空中画像表示装置における光学作用を説明するための図である。第１の空中画像表示装置における光学作用を説明するための図である。第１の空中画像表示装置における光学作用を説明するための図である。第１の空中画像表示装置における光学作用を説明するための図である。第１の空中画像表示装置における光学作用を説明するための図である。第１の空中画像表示装置における光学作用を説明するための図である。第２の空中画像表示装置を表す概略構成である。第２の空中画像表示装置のビームスプリッターの詳細図である。第２の空中画像表示装置における光学作用を説明するための図である。実施例および比較例の空中画像表示装置の筐体の説明図である。ビームスプリッター３２の詳細図である。ビームスプリッター３３の詳細図である。ビームスプリッター３４の詳細図である。ビームスプリッター３５の詳細図である。実施例１〜８の空中画像表示装置の説明図である。実施例９の空中画像表示装置の説明図である。比較例１の空中画像表示装置の説明図である。比較例２の空中画像表示装置の説明図である。従来の空中画像表示装置の概略構成である。従来の空中画像表示装置の説明図である。従来の空中画像表示装置の概略構成である。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は「〜」前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。

［本発明の光学装置］
図１に、本発明の第１の実施形態の光学装置１０の斜視図を示す。
本実施形態の光学装置１０は、入射光の一部を透過し、一部を反射するビームスプリッター３０と、ビームスプリッター３０を透過した光が入射する位置に配置されたミラー面４０ａを有するミラー部材４０と、ミラー面４０ａで正反射されてビームスプリッター３０に入射され、ビームスプリッター３０で正反射された光が入射する位置に配置された再帰反射部材５０とを備えている。本実施形態においては、ミラー面４０ａと再帰反射部材５０の光入射面５０ａが直交し、ビームスプリッター３０の面（反射透過面）がミラー面４０ａおよび再帰反射部材の光入射面５０ａと４５°の角度をなすように配置されている。

図２に示すように、光学装置１０は、ビームスプリッター３０に関して、ミラー部材４０とは反対の側に、被投影物を設置するための設置部１５を備えていてもよい。設置部１５に被投影物２が設置されると、その被投影物２の像２Ｂが被投影物２に対して光学的に共役な位置に結像される。ここで、光学的に共役な位置とは、ビームスプリッター３０、ミラー面４０ａおよび再帰反射部材５０を組み合わせて構成される光学系によって形成される共役な位置である。

図２に示すように、設置部１５に光る球体が被投影物２として設置された場合、光球体２の像２Ｂが光学装置１０から突出した空中に結像され、観察者にはあたかも光る球体が浮かんでいるかのように見える。なお、設置部１５に配置される被投影物は、自ら光を発する物に限らず、自発光を生じない物であってもよい。自発光を生じない被投影物の場合、外光あるいは照明光が被投影物の表面で反射されて生じる反射光が被投影物から出射した光として機能し、共役な位置に像を観察することができる。

なお、設置部１５は、被投影物の像を形成したい位置と共役な位置に被投影物を支持可能に備えられていればよい。本実施形態においては、設置部１５は、例えば、ビームスプリッター３０を挟んでミラー面対向する位置に備えられた樹脂あるいはガラスからなる透明板である。このような設置部１５として設けられる透明板は、表面が反射防止処理されていることが好ましい。なお、光学装置１０に設置部１５は必ずしも備えられていなくてもよい。

なお、光学装置１０に対して、像を形成したい位置に対して共役な位置に画像を表示する画像表示部を備えることにより、光学装置１０を空中画像表示装置として機能させることができる。

光学装置１０を、図３に示す、面ａｂｆｅが開口された直方体形状の筐体７０の内部に内包させることにより、取扱い性を向上させることができる。筐体内の面ｃｇｈｄに沿ってミラー部材４０を配置し、面ｂｆｇｃに沿って再帰反射部材５０を配置する。また、面ｂｆｈｄに沿ってビームスプリッター３０を配置する。図３においては簡便のため、各部材を面として表している。また、開口となっている面ａｂｆｅの枠ａｂｆｅが設置部１５である。枠ａｂｆｅに筐体内側に画像表示面を向けた画像表示部２０を設置することにより、画像表示部２０に表示された画像の像が筐体７０の面ａｅｈｄから外側に突出した位置に結像される。

ここで、非特許文献１に記載されている、すでに知られた空中画像表示装置について、空中像が結像される仕組みを説明し、次に、本発明の光学装置によって実現される空中画像表示装置の仕組みを説明することによって、両者の違いを明らかにする。

［従来の空中画像表示装置］
図２３は、従来の空中画像表示装置１１０の概略構成を示す。空中画像表示装置１１０は、画像表示部２０と、ビームスプリッター３０と、再帰反射部材５０とを備え、画像表示部２０および再帰反射部材５０はビームスプリッター３０の反射透過面３０ａに対して同一の側に設置されている。画像表示部２０から出射した光線の一部１００は、ビームスプリッター３０上の点３０１で正反射し、再帰反射部材５０へ入射する。次に、再帰反射部材５０によって入射方向と逆方向に再帰反射され、再びビームスプリッター３０上の点３０１へ入射し、一部はビームスプリッター３０を透過する。

図２４は、図２３におけるビームスプリッター３０上の点３０１付近の拡大図である。ビームスプリッター３０への一度目の入射において、入射角と反射角は等しい角αである。また、再帰反射部材５０で再帰反射された光線は、再び入射角αでビームスプリッター３０上の点３０１に入射し、出射角αでビームスプリッター３０を透過する。

図２５には、空中画像表示装置１１０において、画像表示部２０上の一点から出射した光線１００と、同じ点から異なる角度で出射した光線２００が図示されている。上記の通り、光線１００および光線２００は、それぞれビームスプリッター３０への一度目の入射角と、再帰反射部材５０で再帰反射した後に再びビームスプリッター３０上の同一の点に入射されてビームスプリッターを透過して出射する際の出射角とが等しくなる。よって、光線１００および光線２００は、それらが出射された画像表示面の点とビームスプリッター３０の反射透過面３０ａに関して面対称となる空間中の点に結像する。以上の画像表示面２０ａと、ビームスプリッター３０の面３０ａに関して面対称となる空間に実像としての空中像Ｂが形成される。

図２５からわかるように、空中画像表示装置１１０において、空中像Ｂはビームスプリッター３０の反射透過面３０ａに関して画像表示部の画像表示面２０ａと面対象な位置に表示されるため、ビームスプリッター３０の反射透過面３０ａからの突出距離が小さい。また、空中画像表示装置１１０においては、観察者が再帰反射部材５０を見通せる範囲でしか、空中像Ｂが視認されない。

［本発明の光学装置の一実施形態である空中画像表示装置］

次に本発明の光学装置の実施形態である空中画像表示装置において、空中像の突出距離を大きくすることができる理由について、説明する。

＜第１の空中画像表示装置＞
図４は、本発明の光学装置の一実施形態である第１の空中画像表示装置１１の概略構成を示す図である。空中画像表示装置１１は、少なくとも画像表示部２０と、ビームスプリッター３０と、ミラー部材４０と、再帰反射部材５０とを備えている。ミラー部材４０および再帰反射部材５０は、ビームスプリッター３０の反射透過面３０ａに対して同一の側に設置され、画像表示部２０は、ビームスプリッター３０の反射透過面３０ａに対してミラー部材４０および再帰反射部材５０とは反対側に設置される。

図５には、空中画像表示装置１１において、画像表示部２０の画像表示面２０ａ上の一点から異なる角度で出射した光線１０１、および光線２０１が図示されている。光線１０１および光線２０１それぞれの少なくとも一部はビームスプリッター３０を透過し、ミラー部材４０のミラー面４０ａで正反射される。このとき、図６に示すように、画像表示部２０の画像表示面２０ａに対しミラー面４０ａに関して面対称の位置に虚像Ａが形成され、ミラー面４０ａで正反射された光線の光路は、虚像Ａから出射した光線の光路と同一であると見なすことができる。その後の光路は、図２５を用いて説明した光路と類似の光路をとる。すなわち、ミラー面４０ａで正反射された光の少なくとも一部は、ビームスプリッター３０で反射され、再帰反射部材５０に入射し、再帰反射部材５０で再帰反射されてビームスプリッター３０に入射した光の一部はビームスプリッター３０を透過し、その光が出射された虚像Ａの点に対してビームスプリッター３０の反射透過面３０ａに関して面対称となる空間中の点に結像する。すなわち、この空間中の点が画像表示面２０ａ上の一点と光学的に共役な位置にある。従って、空中画像表示装置１１は、虚像Ａに対して、ビームスプリッター３０の面に関して面対称となる位置に、実像Ｂとしての空中像を結像することができる。
以上より、空中画像表示装置１１は、空中像をビームスプリッター３０から前方へと突出させることが可能になる。また、虚像Ａは実体としては存在しないため、装置の大型化を伴わない。

次に、空中画像表示装置１１において、空中像の視認範囲（観察者が空中像を視認することができる範囲）を広くすることができる理由について、説明する。
図７には、空中画像表示装置１１において、画像表示部２０上の一点から出射した、図５に示したものとは異なる光線である光線１０２および光線２０２が図示されている。光線１０２および光線２０２の少なくとも一部はビームスプリッター３０を透過し、ミラー面４０ａで正反射される。このとき、画像表示部２０に対しミラー面４０ａに関して面対称の位置に、虚像Ａが形成される。従って、ミラー面４０ａで正反射された光線の光路は、虚像Ａから出射した光線の光路と同一であると見なすことができる。

次に、図８に示すように、光線１０２および光線２０２の少なくとも一部はビームスプリッター３０で正反射される。このとき、虚像Ａに対してビームスプリッター３０の反射透過面３０ａに関して面対称の位置に、虚像Ｃが形成されることとなる。従って、ビームスプリッター３０で正反射された光線の光路は、虚像Ｃから出射した光線の光路と同一であると見なすことができる。

そして、ビームスプリッター３０で正反射された光線１０２および光線２０２は、図９に示すようにミラー面４０ａでさらに正反射された後、再帰反射部材５０へ入射する。

そして、図１０に示すように、光線１０２および光線２０２は再帰反射部材５０で再帰反射され、図９に示した光路を逆向きに辿った後、ビームスプリッター３０を通過して虚像Ｃと同じ位置上の点に結像する。すなわち、虚像Ｃと同じ位置に実像Ｂが結像される。このときの実像Ｂは、観察者から見て図６に示した実像Ｂと全く同一の像である。従って、空中画像表示装置１１は、観察者が再帰反射部材５０を見通せる範囲に加え、ミラー面４０ａを見通せる範囲でも空中像Ｂを視認させることができ、空中像の視認範囲が従来の装置と比較して広い。

［ビームスプリッター］
本空中画像表示装置に用いるビームスプリッターは、入射光の一部を正反射し、他の一部の光を透過させる光学部材である。歪みのない空中像を得るために、ビームスプリッターの反射透過面は平面であることが好ましい。

ビームスプリッターは、例えば、ハーフミラーであってもよいし、偏光選択反射素子であってもよい。偏光選択反射素子は、入射光のうち第１の偏光を正反射し、第１の偏光とは異なる第２の偏光を透過させる光学部材である。反射および透過する偏光は直線偏光であってもよいし、円偏光であってもよい。中でも、偏光選択反射素子としては、直線偏光の選択反射性を有する反射型偏光子が好ましい。反射型偏光子をビームスプリッターとして用いた場合、画像表示部として偏光を出射する画像表示装置を用いることで、画像表示装置から出射した光線の大部分がビームスプリッターを透過するように設置することが可能になり、空中像の輝度を向上するとともに、空中像の視認性を悪化させる迷光や、二重像を低減することができる。反射型偏光子としては、特開２０１１−０５３７０５号公報に記載されているような、２種のポリマーを含む層を延伸したフィルムや、ワイヤグリッド偏光子等を用いることができる。市販品としては、３Ｍ社製の反射型偏光子（商品名ＡＰＦ）や、旭化成株式会社製のワイヤグリッド偏光子（商品名ＷＧＦ）等を、好適に用いることができる。

また、ビームスプリッターとして反射型偏光子を用いる場合は、ビームスプリッターの画像表示部の側の面に、吸収型偏光子を、反射型偏光子と透過軸が一致するように積層してもよい。このようにすることで、画像表示部の側からビームスプリッターに入射する外光の一部を吸収し、空中像の視認性を悪化させる外光反射を抑えることができる。

また、ビームスプリッターの光が入射する面（表面）には、反射防止処理が施されていることが好ましい。反射防止処理としては、可視光の反射率を低減するように、特定の屈折率および膜厚を有する薄層を積層することや、モスアイフィルムを貼合すること等が含まれ得る。反射防止処理を施すことにより、ビームスプリッターの表面で生じる不要な反射を抑えることができ、空中像の輝度を向上するとともに、空中像の視認性を悪化させる迷光や二重像を抑制することができる。

［ミラー面］
ミラー部材は、ミラー面が入射光を正反射する平面であればよく、一般的な平面鏡を用いることができる。また、ミラー面は、ビームスプリッターの反射透過面に対して１０°〜９０°の角度で設置されることが好ましく、４０°〜９０°の角度で設置されることがより好ましく、４０°〜５０°の角度で設置されることがさらに好ましく、４５°の角度で設置されることが最も好ましい。ビームスプリッターの反射透過面に対する角度が上記範囲であると、空中像の突出距離を大きくするとともに、空中像の視認範囲を広くすることができるため、好ましい。

［再帰反射部材］
再帰反射部材は、入射光を、入射してきた方向へと反転させる反射部材である。歪みのない空中像を得るために、再帰反射部材はシート状あるいは平板状の部材であることが好ましい。上記のような機能を発現する再帰反射部材としては、ガラスビーズのような透明球体を敷き詰めたシートや、コーナーキューブ構造を敷き詰めたシート等が知られている。正規反射部材としては、空中像の解像度を高める観点から、コーナーキューブリフレクタを多数並べたコーナーキューブアレイシートが好ましい。コーナーキューブアレイシートとしては、日本カーバイド工業株式会社製の再帰反射シート（商品名Ｎｉｋｋａｌｉｔｅ）等を好適に使用することができる。

再帰反射部材は、ビームスプリッターに対してミラー部材と同一の側に、ビームスプリッターの面に対して１０°〜９０°の角度で設置されることが好ましく、４０°〜９０°の角度で設置されることがより好ましく、４０°〜５０°の角度で設置されることがさらに好ましく、４５°の角度で設置されることが最も好ましい。ビームスプリッターの面に対する角度が上記範囲であると、空中像の突出距離を大きくするとともに、空中像の視認可能範囲を広くすることができるため、好ましい。

また、再帰反射部材が、ビームスプリッターに対してミラー部材と同一の側において、複数設置されていてもよい。ビームスプリッター、ミラー部材および再帰反射部材は、ビームスプリッターと、ミラー面と、複数の再帰反射部材の面とによって、閉空間が形成されるように設置されることが好ましい。この場合、空中像の輝度を向上することができるため、好ましい。

［画像表示部］
画像表示部は、ビームスプリッターに対してミラー部材および再帰反射部材とは反対側に設置される。また、画像表示部はミラー面に対向するように設置されることが好ましい。

画像表示部の画像表示面は平面であってもよく、曲面であってもよい。画像表示面が曲面である場合、空中像も曲面となり、画像を立体的に見せることや、アイキャッチ効果を高めることができる。
また、画像表示面が平面である場合、画像表示面とミラー面が平行になるように設置することが好ましい。この場合、空中像を歪みのないものにすることができる。

画像表示部は、静止画や写真であってもよいし、画像表示装置であってもよい。画像表示装置としては、液晶表示装置や、有機ＥＬ表示装置等を好適に用いることができる。また、画像表示装置として、ライトフィールド方式やパララックスバリア方式等の立体画像表示装置を用いることによって、空中像の立体視を可能にすることもできる。

また、画像表示装置としては、偏光を出射する画像表示装置を用いることが好ましい。この場合、偏光選択反射性を有するビームスプリッターと組み合わせることで、画像表示装置から出射した光線の大部分がビームスプリッターを透過するように設置することが可能になり、空中像の輝度を向上するとともに、空中像の視認性を悪化させる迷光や二重像を低減することができるため、好ましい。液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置の中には、出射光が直線偏光となるものがあり、これらを好適に使用することができる。

さらに、画像表示装置は、出射される偏光が直線偏光であり、ビームスプリッターに対してｐ偏光で入射するように設置されていることが好ましい。ビームスプリッターに入射する光がｐ偏光であると、ビームスプリッターの表面における不要な正反射を抑制することができ、空中像の視認性を悪化させる二重像を低減することができるため、好ましい。ここで、ｐ偏光とは、電場の振動方向が、光の入射面に対して垂直方向である直線偏光を意味する。

［偏光変換素子］
ミラー部材、および再帰反射部材の表面に偏光変換素子が設置されていることが好ましい。偏光変換素子としては、偏光解消素子や、位相差板を用いることができる。

ビームスプリッターに偏光選択反射材を使用した場合、画像表示部から出射しビームスプリッターを透過した光線は、偏光している。続いてこの光線がミラー面で反射されるとき、ミラー面の表面に偏光変換素子があると、光線の偏光状態を一部異なる偏光状態に変換することができる。これにより、光線が再びビームスプリッターに入射するとき、ビームスプリッターでの反射率を高めることができる。

また、再帰反射部材に入射する光線が偏光している場合、再帰反射部材の表面に偏光変換素子があると、光線の偏光状態を一部異なる偏光状態に変換することができ、光線が再びビームスプリッターに入射するとき、ビームスプリッターでの透過率を高めることができる。

ミラー面の表面に設置する偏光変換素子としては、１／４波長位相差板が好ましい。また、ミラー面へ入射する光線が直線偏光である場合は、その偏光軸のミラー面への射影と、１／４波長位相差板の遅相軸とのなす角が、およそ４５°になるように設置されることが好ましい。このような構成であると、光線はミラー面での反射において１／４波長位相差板を２度通過し、再びビームスプリッターに入射するとき、偏光軸がおよそ９０°回転している。これにより、ビームスプリッターにおける反射率を１００％に近づけることができ、空中像の輝度を向上させることができる。

同様に、再帰反射部材の表面に設置する偏光変換素子も、１／４波長位相差板を用いることが好ましい。また、再帰反射部材へ入射する光線が直線偏光である場合は、その偏光軸の再帰反射部材への射影と、１／４波長位相差板の遅相軸とのなす角が、およそ４５°になるように設置されることが好ましい。

１／４波長位相差板は、可視域の波長のいずれかにおいて、およそ１／４波長となる位相差を有していればよい。例えば、波長５５０ｎｍにおいて、およそ１３８ｎｍの位相差を有する位相差板を好適に用いることができる。また、空中像の色ムラを低減するため、１／４波長位相差板は波長に対して逆分散性を有していることが好ましい。ここで、波長に対して逆分散性を有するとは、波長が大きくなるに伴い、当該波長における位相差の値が大きくなることをいう。

偏光変換素子は、ビームスプリッターの表面（光が入射する面）のうち、ミラー部材および再帰反射部材の側の表面に設置されていてもよい。この場合も、１／４波長位相差板を用いることが好ましい。また、ビームスプリッターに入射する偏光の偏光軸と、１／４波長位相差板の遅相軸とのなす角が、およそ４５°になるように設置されることが好ましい。この場合においても、ビームスプリッターにおける反射率および透過率を高めることができ、空中像の輝度を向上させることができる。

［第２の空中画像表示装置］
本発明の光学装置の一実施形態である第２の空中画像表示装置について説明する。

図１１は、第２の空中画像表示装置の概略構成図である。空中画像表示装置１２は、画像表示部２１と、ビームスプリッター３１と、ミラー部材４０と、再帰反射部材５０と、偏光変換素子である１／４波長位相差板６０および６１とを備えている。画像表示部２１、ビームスプリッター３１、ミラー部材４０および再帰反射部材５０の配置は第１の空中画像表示装置１１と同様であり、光線の光路は同様である。本空中画像表示装置１２においては、１／４波長位相差板６０がミラー部材４０のミラー面４０ａに備えられ、１／４波長位相差板６１が再帰反射部材５０の光入射面５０ａに備えられている。

図１２は、空中画像表示装置１２に備えられているビームスプリッター３１の構成を示す詳細図である。ビームスプリッター３１は、画像表示部２１の側の面より、反射防止フィルム３１１、吸収型偏光子３１２、ガラス基板３１３、反射型偏光子３１４、および反射防止フィルム３１５が、この順に積層されている。吸収型偏光子３１２の透過軸と、反射型偏光子３１４の透過軸は平行である。

図１３は、空中画像表示装置１２において、画像表示部２１の画像表示面２０ａの一点から出射した光線１０３の光路を示す。光線１０３は、画像表示部２１から出射したとき、ｐ偏光である。図１３において、実線で示される光路は光線がｐ偏光であることを示し、破線で示された光路は光線がｓ偏光であることを示すものとする。

ビームスプリッター３１は、吸収型偏光子３１２および反射型偏光子３１４が、前述のｐ偏光を透過する向きに設置されている。これにより、光線１０３の大部分がビームスプリッター３１を透過し、１／４波長位相差板６０を経てミラー面４０ａに入射する。また、ビームスプリッター３１の光が入射する表面に反射防止フィルム３１１および３１５が設置されていることにより、ビームスプリッター３１の表面における反射が抑制され、迷光や二重像の生成を抑制している。また、光線１０３がビームスプリッター３１に対してｐ偏光で入射することにより、ビームスプリッター３１の表面における反射をさらに抑制している。

ミラー部材４０でのミラー面４０ａの反射において、光線１０３は１／４波長位相差板６０を２回通過することにより、偏光状態がｓ偏光へと変換される。ここで、１／４波長位相差板６０は、その遅相軸と光線１０３の偏光軸のミラー面４０ａへの射影とのなす角が、およそ４５°になるように設置されている。

続いて、光線１０３は再びビームスプリッター３１に入射するが、反射型偏光子３１４はｓ偏光を反射する向きであるため、光線１０３の大部分が正反射され、１／４波長位相差板６１を経て再帰反射部材５０に入射する。

再帰反射部材５０での反射において、光線１０３は１／４波長位相差板６１を２回通過することにより、偏光状態がｐ偏光へと変換される。ここで、１／４波長位相差板６１は、その遅相軸と光線１０３の偏光軸の再帰反射部材５０への射影とのなす角が、およそ４５°になるように設置されている。

再帰反射部材５０で再帰反射した光線１０３は、三たびビームスプリッター３１に入射するが、このとき、偏光状態はｐ偏光であるため、光線１０３の大部分がビームスプリッター３１を透過する。

このようにして、光線１０３は、光路の途中における不要な反射や透過が抑制されながら、観察者の視点まで到達する。画像表示部２１から出射したその他の光線も考慮すれば、図５および図６を用いて説明したのと同様の原理によって、ビームスプリッター３１から前方へ突出した実像Ｂとしての空中像Ｂが形成されることが理解される。
また、これらの光線は光路の途中において不要な反射や透過が抑制されているため、輝度が高く、迷光や二重像が抑制された空中像を得ることができる。さらに、観察者の視点から見て、再帰反射部材５０が見通せる範囲内に加え、ミラー面４０ａが見通せる範囲内でも空中像を視認することができるため、視認範囲が広い空中像となる。

なお、上記において本発明の光学装置の実施形態として空中画像表示装置について説明したが、本発明の光学装置を用いれば、空中のみならず水中などの液体中に像を表示させることも可能である。

以下に実施例を挙げて、本発明の特徴をさらに具体的に説明する。なお、以下に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更することができる。また、本発明の趣旨を逸脱しない限り、以下に示す構成以外の構成とすることもできる。

［空中画像表示装置の筐体の作製］
黒色のアクリル板（厚み１ｍｍ）を加工し、図１４に示す直方体形状の筐体７０を作製した。筐体７０は、底面ｃｇｈｄにおける長辺の長さが１６ｃｍ、短辺の長さが９ｃｍである。また、筐体７０の高さは９ｃｍである。筐体７０の上面ａｂｆｅはアクリル板が存在せず、開口部７１である。また、側面ａｅｈｄは、各辺より１ｃｍ内側が切り取られ、開口部７２が設けられている。

［ビームスプリッターの作製］
（ビームスプリッター３２）
透過率５０％、反射率５０％の誘電体多層膜ハーフミラー（商品名Ｈ２１６、株式会社渋谷光学より入手）３１０を、長辺が１５．２ｃｍ、短辺が１２ｃｍになるように加工し、ビームスプリッター３２として用意した（図１５参照）。

（偏光ビームスプリッター３３）
長辺１６ｃｍ、短辺１２ｃｍ、厚み１ｍｍのガラス基板３１３の片面に、反射型偏光子３１４としてワイヤグリッド偏光フィルム（商品名ＷＧＦ、旭化成株式会社製）（以下において、ワイヤグリッド偏光フィルム３１４とする。）を、透過軸がガラス基板３１３の短辺方向と等しくなるように貼合し、図１６に示す偏光ビームスプリッター３３を作製した。

（反射防止偏光ビームスプリッター３４）
偏光ビームスプリッター３３と同様にガラス基板３１３の片面にワイヤグリッド偏光フィルム３１４を貼合し、さらにガラス基板３１３のワイヤグリッド偏光フィルム３１４とは反対の面に、吸収型偏光子３１２として吸収型偏光フィルム（以下において吸収型偏光フィルム３１２とする。）を、透過軸の方向がワイヤグリッド偏光フィルム３１４の透過軸方向と等しくなるように貼合した。さらに、吸収型偏光フィルム３１２およびワイヤグリッド偏光フィルム３１４の表面に、特開２０１７−１６０６５号公報の実施例２のフィルムＮｏ．１５に従って作製したモスアイフィルムからなる反射防止フィルム３１１および３１５（以下において、モスアイフィルム３１１、モスアイフィルム３１５という。）を貼合した。こうして、図１７に示す反射防止偏光ビームスプリッター３４を作製した。

（反射防止円偏光ビームスプリッター３５）
前述の反射防止偏光ビームスプリッター３４の作製において、ワイヤグリッド偏光フィルム３１４の表面にモスアイフィルム３１５を貼合する前に、偏光変換素子３１６として逆分散性のポリカーボネート１／４波長位相差フィルム（商品名ピュアエースＷＲＷ−１４２、帝人株式会社製）（以下において位相差フィルム３１６という。）を、遅相軸の方向がワイヤグリッド偏光フィルム３１４の透過軸方向と４５°をなすように貼合した。その後、位相差フィルム３１６の表面にモスアイフィルム３１５を貼合した。こうして、図１８に示す反射防止円偏光ビームスプリッター３５を作製した。

[実施例１]
図１９に、実施例１〜８の空中画像表示装置８１〜８８における画像表示部２２、筐体７０および空中画像Ｂの位置関係を示す。
筐体７０の側面ｂｆｇｃの内側に、ビーズタイプの再帰反射シート（商品名スコッチライト、３Ｍ社製）を貼り合わせ、底面ｃｇｈｄの内側に平面鏡を貼り合わせた。また、平面ｂｆｈｄの位置に、ビームスプリッター３２を設置した。
さらに、画像表示部２２として、Ａｐｐｌｅ社製スマートフォンｉＰｈｏｎｅ（登録商標）６ｓＰｌｕｓを上面ａｂｆｅに設置した。この筐体７０の開口した上面ａｂｆｅを囲む枠ａｂｆｅが投影物を設置する設置部に相当する。なお、ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）６ｓＰｌｕｓは、出射光が楕円偏光であり、直線偏光ではなかった。
このようにして、実施例１の空中画像表示装置８１を作製した。なお、図１９において、画像表示部２２と筐体７０の枠ａｂｆｅとは離隔されているように示しているが、実施例１〜実施例８においては、枠ａｂｆｅに接して画像表示部２２が載置されている。

[実施例２]
実施例１の空中画像表示装置８１において、筐体７０の側面ｂｆｇｃの内側に、前述のスコッチライトに換えてコーナーキューブアレイタイプの再帰反射シート（商品名Ｎｉｋｋａｌｉｔｅ、日本カーバイド工業株式会社製）を貼り合わせた。
このようにして、実施例２の空中画像表示装置８２を作製した（図１９参照）。

[実施例３]
実施例２の空中画像表示装置８２において、側面ａｂｃｄの内側および側面ｅｆｇｈの内側に、三角形ｂｃｄおよび三角形ｆｇｈと重なるように、再帰反射シートＮｉｋｋａｌｉｔｅを貼合した。
このようにして、実施例３の空中画像表示装置８３を作製した（図１９参照）。

[実施例４]
実施例３の空中画像表示装置８３において、側面ｂｆｇｃ、側面ａｂｃｄ、および側面ｅｆｇｈの内側に貼合された再帰反射シートの表面に、逆分散性のポリカーボネート１／４波長位相差フィルム（商品名ピュアエースＷＲＷ−１４２、帝人株式会社製）を、遅相軸が筐体７０の底面に対して４５°の角度になるように貼合した。
また、底面ｃｇｈｄの内側に貼合された平面鏡の表面にも、逆分散性のポリカーボネート１／４波長位相差フィルムを、遅相軸が底面の辺に対して４５°の角度になるように貼合した。
さらに、ビームスプリッター３２に換えて、偏光ビームスプリッター３３を設置した。このようにして、実施例４の空中画像表示装置８４を作製した（図１９参照）。

[実施例５]
実施例４の空中画像表示装置８４において、画像表示部２２をＡｍａｚｏｎ社製タブレット端末ＫｉｎｄｌｅｆｉｒｅＨＤＸに換えた。ＫｉｎｄｌｅｆｉｒｅＨＤＸから出射する光は直線偏光であり、その偏光軸が偏光ビームスプリッター３３に対してｐ偏光入射となるように設置した。
このようにして、実施例５の空中画像表示装置８５を作製した（図１９参照）。

[実施例６]
実施例５の空中画像表示装置８５において、偏光ビームスプリッター３３に換えて、反射防止偏光ビームスプリッター３４を、吸収型偏光フィルム３１２が画像表示部２２の側、ワイヤグリッド偏光フィルム３１４が平面鏡の側になるように設置した。
このようにして、実施例６の空中画像表示装置８６を作製した（図１９参照）。

[実施例７]
実施例３の空中画像表示装置８３において、ビームスプリッター３２に換えて、反射防止円偏光ビームスプリッター３５を、吸収型偏光フィルム３１２が画像表示部２２の側、ワイヤグリッド偏光フィルム３１４が平面鏡の側になるように設置した。
また、画像表示部２２をＡｍａｚｏｎ社製タブレット端末ＫｉｎｄｌｅｆｉｒｅＨＤＸに換えた。なお、ＫｉｎｄｌｅＦｉｒｅＨＤＸは、出射光が直線偏光であった。
このようにして、実施例７の空中画像表示装置８７を作製した（図１９参照）。

[実施例８]
実施例６の空中画像表示装置８６において、画像表示部２２を、裸眼による画像の立体視が可能な立体画像表示装置、富士フイルム株式会社製デジタルフォトフレームＦｉｎｅＰｉｘＲＥＡＬ３ＤＶ１に換えた。画像表示装置からの出射光は直線偏光であった。
このようにして、実施例８の空中画像表示装置８８を作製した（図１９参照）。

[実施例９]
実施例６の空中画像表示装置８６において、画像表示部２２として、タブレット端末ＫｉｎｄｌｅｆｉｒｅＨＤＸを、筐体７０の上面ａｂｆｅより上方１０ｃｍの位置に設置した。
このようにして、実施例９の空中画像表示装置８９を作製した（図２０参照）。

[比較例１]
図２１に、比較例１の空中画像表示装置９０における画像表示部２２、筐体７０および空中画像Ｂの位置関係を示す。
筐体７０の側面ｂｆｇｃの内側に、コーナーキューブアレイタイプの再帰反射シート（商品名Ｎｉｋｋａｌｉｔｅ、日本カーバイド工業株式会社製）を貼合した。また、側面ａｂｃｄの内側および側面ｅｆｇｈの内側に、三角形ａｂｃおよび三角形ｅｆｇと重なるように、再帰反射シートＮｉｋｋａｌｉｔｅを貼合した。
さらに、上記３枚の再帰反射シートＮｉｋｋａｌｉｔｅの表面に、逆分散性のポリカーボネート１／４波長位相差フィルム（商品名ピュアエースＷＲＷ−１４２、帝人株式会社製）を、遅相軸が筐体７０の底面に対して４５°の角度になるように貼合した。
次に、平面ａｅｇｃの位置に、反射防止偏光ビームスプリッター３４を、吸収型偏光フィルム３１２が底面ｃｇｈｄの側、ワイヤグリッド偏光フィルム３１４が画像表示部２２の側になるように設置した。
また、画像表示部２２として、Ａｍａｚｏｎ社製タブレット端末ＫｉｎｄｌｅｆｉｒｅＨＤＸを上面ａｂｆｅに設置した。
このようにして、比較例１の空中画像表示装置９０を作製した。

[比較例２]
図２２に、比較例２の空中画像表示装置９１における画像表示部２２、筐体７０および空中画像Ｂの位置関係を示す。
比較例１の空中画像表示装置９０において、画像表示部２２として、タブレット端末ＫｉｎｄｌｅｆｉｒｅＨＤＸを、筐体７０の上面ａｂｆｅより上方１９ｃｍの位置に設置した。このようにして、比較例２の空中画像表示装置９１を作製した。

[空中像の突出距離の評価方法]
作製した空中画像表示装置において、面ａｅｈｄから空中像が結像している位置までの距離を測定した。

[輝度の評価方法]
株式会社トプコンテクノハウス社製分光放射計「ＳＲ−３」を用い、作製した空中画像表示装置の面ａｅｈｄに対し垂直な方向から空中像の中央に焦点を合わせ、輝度を測定した。

[解像度の評価方法]
作製した空中画像表示装置において、画像表示部に５ｍｍ四方の大きさの文字列を表示し、目視により空中像における当該文字列が読み取れるかどうかを評価した。
＜評価基準＞
Ａ：文字列が読み取れる。
Ｃ：文字列が読み取れない。

[視認範囲の評価方法]
作製した空中画像表示装置において、観察者が筐体７０の特定の面を見込む位置から観察した際に空中像を視認できたかどうかを評価した。特定の面が、面ｂｆｇｃである場合、および面ｃｇｈｄである場合についてそれぞれ評価した。
＜評価基準＞
Ａ：空中像を視認できた。
Ｃ：空中像を視認できなかった。

[二重像の評価方法]
作製した空中画像表示装置において、二重像が視認されるかどうかを評価した。
＜評価基準＞
Ａ：二重像が視認されない。
Ｂ：二重像がわずかに視認される。
Ｃ：二重像が視認される。

実施例１〜９および比較例１、２の構成および評価結果を表１および表２にまとめて示す。

実施例１〜８の空中画像表示装置８１〜８８は、いずれも、空中像が筐体７０の面ａｅｈｄより約９ｃｍ前方へ突出した位置に結像していた。一方、比較例１の空中画像表示装置９０は、空中像は面ａｅｈｄから前方へは突出していなかった。

実施例９の空中画像表示装置８９および比較例２の空中画像表示装置９１は、いずれも、空中像が筐体７０の面ａｅｈｄより約１９ｃｍ前方へ突出した位置に結像していた。しかしながら、比較例２の空中画像表示装置９１が、装置全体の高さが約２９ｃｍであったのに対し、実施例の空中画像表示装置８９は装置全体の高さが約２０ｃｍに抑えられていた。

実施例２の空中画像表示装置８２は、実施例１に比較して空中像の解像度が高く、文字列の視認性が高かった。これは再帰反射部材として、コーナーキューブアレイシートを使用したためと考えられる。

実施例３の空中画像表示装置８３は、実施例２に比較して、空中像の輝度が向上していた。これは、再帰反射部材を側面ｂｆｇｃだけでなく、側面ａｂｃｄ、および側面ｅｆｇｈにも設置したためと考えられる。

実施例４の空中画像表示装置８４は、実施例３に比較して、空中像の輝度がさらに向上していた。これは、偏光ビームスプリッター、および１／４波長位相差フィルムを使用し、光線の不要な反射および透過を抑制したためと考えられる。

実施例５の空中画像表示装置８５は、実施例４に比較して、空中像の輝度がさらに向上していた。また、二重像も効果的に抑制されていた。これは、画像表示部として直線偏光を出射する画像表示装置を使用し、ビームスプリッターにおける光線の不要な反射を抑制したためと考えられる。

実施例６の空中画像表示装置８６は、二重像が視認されず、空中像は良好な視認性を有していた。これは、反射防止偏光ビームスプリッター３４を使用したことにより、ビームスプリッターの表面における光線の反射が抑制されたためと考えられる。

実施例７の空中画像表示装置８７は、空中像の輝度、および視認性が実施例６と同等の品質を示していた。

実施例８の空中画像表示装置８８では、裸眼で立体視することのできる空中像が得られていた。

Claims

入射光の一部を透過し、一部を反射するビームスプリッターと、
該ビームスプリッターを透過した光が入射する位置に配置されたミラー面を有するミラー部材と、
前記ミラー面で正反射されて前記ビームスプリッターに入射され、該ビームスプリッターで正反射された光が入射する位置に配置された再帰反射部材と、
を備えた光学装置。
前記ビームスプリッターに関して、前記ミラー部材とは反対の側に被投影物を設置する設置部を備え、
前記設置部に設置された被投影物の像を前記被投影物に対して光学的に共役な位置に結像する請求項１に記載の光学装置。
前記被投影物としての画像を表示する画像表示部を前記設置部に備えた請求項２に記載の光学装置。
前記画像表示部が、偏光を出射する画像表示装置である請求項３に記載の光学装置。
前記画像表示部が、液晶表示装置、または有機ＥＬ表示装置である請求項３に記載の光学装置。
前記ビームスプリッターが、偏光選択反射材を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学装置。
前記偏光選択反射材が、反射型偏光子である請求項６に記載の光学装置。
前記ビームスプリッターが、吸収型偏光子を有し、前記反射型偏光子および前記吸収型偏光子の透過軸の方向が同一であり、かつ、前記反射型偏光子が前記吸収型偏光子よりも前記ミラー部材側に設置されてなる請求項７に記載の光学装置。
前記ビームスプリッターの、光が入射する少なくとも一つの表面に反射防止処理が施されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学装置。
前記ミラー部材の前記ミラー面に偏光変換素子が設置されてなる請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学装置。
前記偏光変換素子が１／４波長位相差板である請求項１０に記載の光学装置。
前記再帰反射部材が、コーナーキューブリフレクタを多数並べた再帰反射部材である請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学装置。
前記再帰反射部材の光入射面に偏光変換素子が設置されてなる請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光学装置。
前記偏光変換素子が１／４波長位相差板である請求項１３に記載の光学装置。