JPWO2016199540A1 - 空中映像表示装置 - Google Patents

Abstract

空中映像表示装置（１）は、平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレート（２）と、投影装置（３）と、鏡面ミラー（４）と、スクリーン（５）とを備える。鏡面ミラー（４）は、光学プレート（２）に対して映像Ｍの結像側とは反対側に、光学プレート（２）と間隔をあけて配置される対向ミラー（４ａ）を含む。投影装置（３）およびスクリーン（５）は、光学プレート（２）に対して映像（Ｍ）の結像側とは反対側に、対向ミラー（４ａ）と光学プレート（２）との間の光路を挟むように配置されている。投影装置（３）から出射された投影光は、対向ミラー（４ａ）で反射されてスクリーン（５）に入射し、スクリーン（５）で反射された後、同一の対向ミラー（４ａ）で反射されて光学プレート（２）に入射する。

Description

本発明は、空中に映像を表示する空中映像表示装置に関するものである。

従来から、光学プレートを用いて被観察物の実像を空中に結像させ、その実像を観察者に観察させる表示装置として、例えば特許文献１に開示されたものがある。この表示装置では、被観察物からの光を、光学プレート（２面コーナーリフレクタアレイ）で反射させ、被観察物とは反対側の空中に導くことにより、空中に被観察物の実像を結像させるようにしている。

通常、空中に結像する映像は、光学プレートに対して被観察物と面対称となる位置に結像する。このため、観察者に見やすい映像を提供すべく、光学プレートから大きく離れた位置に映像を結像させる場合には、光学プレートに対して被観察物を大きく離すことが必要となり、光学プレートに対して被観察物側の空間が大きくなる。この点、特許文献１では、被観察物と光学プレートとの間の光路中に少なくとも１枚の反射鏡を配置し、反射鏡で光路を折り曲げることで、光学プレートに対して被観察物側の空間を小さくして、表示装置の小型化を図っている。

また、例えば特許文献２では、光制御パネルと、表示部と、鏡部材（第１の鏡部材）とを有する光学結像装置が開示されている。光制御パネルは、複数の帯状の反射部を平行に配置した第１の光制御部材と、同じく複数の帯状の反射部を平行に配置した第２の光制御部材とを、互いの反射部が交差するように重ねて配置して構成されている。表示部は、光制御パネルと同一の高さ位置に配置されており、例えば液晶ディスプレイで構成されているが、平面または立体の物体であってもよい。鏡部材は、光制御パネルと隙間を介して平行に配置されている。

表示部からの映像光は、鏡部材で反射した後、光制御パネルに入射し、光制御パネルの第１の光制御部材および第２の光制御部材で反射して、光入射側（鏡部材側）とは反対側の空中に導かれる。これにより、表示部に表示された映像の実像が空中に結像される。鏡部材によって、表示部から光制御パネルに向かう映像光の光路を折り曲げることにより、光制御パネルに対して光入射側の空間を小さくし、これによって、装置の小型化、薄型化を図っている。

特開２０１０−２６２２２９号公報（請求項１、９、段落〔００２７〕、図１、図２等参照） 特許５６６７７２９号公報（請求項１、段落〔００１３〕、〔００１６〕〜〔００２１〕、図１、図２等参照）

ところが、特許文献１および２のように、単に、物体（被観察物、表示部に表示された映像など）の実像を空中に結像させる構成では、映像表現の自由度が低い。例えば、平面の映像のみならず、凹凸や段差のある映像を空中に結像させることができれば、映像表現の自由度を増大させることができるが、特許文献１および２では、映像表現の自由度を増大させるための構成については一切検討されていない。

また、特許文献２のように、液晶ディスプレイに表示された映像の実像を空中に結像させる構成において、明るい、高輝度の実像（空中映像）を結像させるためには、液晶ディスプレイの光源を高出力化する必要がある。光源の高出力化は、光源の大型化を招き、液晶ディスプレイの大型化（特に厚さの増大）につながるため、装置全体の厚さが増大する可能性がある。

さらに、特許文献２では、液晶ディスプレイから出射される光のうちで空中映像の結像に寄与する光の割合（光利用効率）を高め、なおかつ、空中映像の歪みを少なくすることについては全く検討されていない。このため、明るさと少ない歪みとを同時に満足する空中映像を提供することができない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、薄型の構成で、明るく、歪みの少ない空中映像を提供できるとともに、映像表現の自由度を増大させることができる空中映像表示装置を提供することにある。

本発明の一側面に係る空中映像表示装置は、平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレートを備え、前記光学プレートに光を入射させて前記複数の反射面で反射させ、該光学プレートに対して光入射側とは反対側の空中に前記光を集めることにより、前記空中に映像を結像する空中映像表示装置であって、前記映像を表す投影光を出射する投影装置と、前記投影光が照射されるスクリーンと、入射光を反射させる鏡面ミラーとをさらに備え、前記鏡面ミラーは、前記光学プレートに対して前記映像の結像側とは反対側に、前記光学プレートと間隔をあけて配置される対向ミラーを含み、前記投影装置および前記スクリーンは、前記光学プレートに対して前記映像の結像側とは反対側に、前記対向ミラーと前記光学プレートとの間の光路を挟むように配置されており、前記投影装置から出射された前記投影光は、前記対向ミラーで反射されて前記スクリーンに入射し、前記スクリーンで反射された後、同一の前記対向ミラーで反射されて前記光学プレートに入射する。

上記の構成によれば、薄型の構成で、明るく、歪みの少ない空中映像を提供できるとともに、映像表現の自由度を増大させることができる。

本発明の実施の一形態に係る空中映像表示装置の全体の構成を模式的に示す説明図である。 上記空中映像表示装置に適用可能な拡散反射型のスクリーンの反射特性を示す説明図である。 上記空中映像表示装置に適用可能な再帰反射型のスクリーンの反射特性を示す説明図である。 上記空中映像表示装置に適用可能な鏡面反射型のスクリーンの反射特性を示す説明図である。 上記空中映像表示装置のスクリーンの表面形状の一例を示す説明図である。 上記スクリーンの表面形状の他の例を示す説明図である。 上記スクリーンの表面形状のさらに他の例を示す説明図である。 上記スクリーンの表面形状のさらに他の例を示す説明図である。 参考例としての映像の結像位置を示す説明図である。 上記空中映像表示装置の他の構成を模式的に示す説明図である。 上記空中映像表示装置の光学プレートの概略の構成を示す斜視図である。 上記光学プレートを構成する板状部材の斜視図である。 上記光学プレートを構成する他の板状部材の斜視図である。 ２次元での実像の結像原理を示す説明図である。 ３次元空間での光線の反射を模式的に示す説明図である。 ３次元空間において、複数の光線が別々の反射面を介して１点に集光する様子を模式的に示す説明図である。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本明細書において、数値範囲をａ〜ｂと表記した場合、その数値範囲に下限ａおよび上限ｂの値は含まれるものとする。また、本発明は、以下の内容に限定されるものではない。

（空中映像表示装置の全体構成）
図１は、本実施形態の空中映像表示装置１の全体の構成を模式的に示す説明図である。空中映像表示装置１は、空中に映像Ｍを実像として表示するものであり、光学プレート２と、投影装置３と、鏡面ミラー４と、スクリーン５とを備えている。

光学プレート２は、入射光を内部で反射させて、該光学プレート２に対して光入射側とは反対側の空中に集めることにより、空中に映像Ｍを結像する。光学プレート２としては、例えば、互いに直交する反射面（平面視でＬ字型）を同一面上にアレイ状に並べた１層構造のものや、複数の反射面を平行に並べた層を２層設けるとともに、各層の間で反射面が平面視で直交するように２層を積層した２層構造のものを用いることができる。なお、光学プレート２の詳細な構成については後述する。投影装置３は、映像Ｍを表す投影光を出射する装置（プロジェクタ）である。

鏡面ミラー４は、入射光を反射させる少なくとも１枚のミラーで構成されている。この鏡面ミラー４は、対向ミラー４ａを含んでいる。対向ミラー４ａは、光学プレート２に対して映像Ｍの結像側とは反対側に、光学プレート２と間隔をあけて向かい合って配置されている。対向ミラー４ａは、光学プレート２と平行に配置されていてもよいが、本実施形態では、光学プレート２との間隔が、投影装置３側よりもスクリーン５側において大きくなるように配置されている。

スクリーン５は、投影装置３からの投影光の照射によって映像が投影されるとともに、照射された投影光を反射させる反射型のスクリーンである。図２Ａ〜図２Ｃは、反射型のスクリーンのバリエーションを示すとともに、各スクリーンの反射特性を示している。反射型のスクリーンには、入射光をあらゆる方向に反射する拡散反射型、入射光を主に入射方向と逆方向に反射する再帰反射型、入射光をほぼ正反射する鏡面反射型がある。本実施形態では、スクリーン５として、上記３種類のスクリーンのいずれを用いることもできるが、中でも、投影光に対して鏡面反射する方向への指向性が高い鏡面反射型スクリーンを用いている。鏡面反射型スクリーンの半値角は、２０〜４０°に設定されている。なお、半値角とは、スクリーンゲイン（投射光に対する反射光の輝度の比率）がピークゲインに対して半分になる角度を表す。鏡面反射型スクリーンには、パールスクリーンやシルバースクリーン等が含まれる。

図３Ａ〜図３Ｄは、スクリーン５の表面形状を模式的に示している。スクリーン５において、投影光が照射される面（以下、投影面とも称する）は、平面１１であってもよいし（図３Ａ参照）、単一の凹面または凸面からなる曲面１２であってもよいし（図３Ｂ参照）、凹凸が形成された凹凸面１３であってもよい（図３Ｃ、図３Ｄ参照）。また、上記の凹凸面１３は、凹部１４と凸部１５とが連続してつながることによって形成されていてもよいし（図３Ｃ参照）、複数の面（例えば面１６・１７）の不連続な段差によって形成されていてもよい（図３Ｄ参照）。上記の段差は、同一面上に並べた複数の面１６・１７を、これらの面に垂直な方向に相対的にずらすことによって不連続に（離れて）形成されている。このとき、上記の段差は、間隙を介して対向する２面１６・１７を、対向方向と垂直な方向に互いにずらすことによって不連続に形成されているとも言える。なお、３つ以上の面を不連続に並べて段差を形成してもよい。また、面１６・１７をつなげることによって、凹凸が連続してつながった凹凸面１３を形成してもよい。

つまり、凹凸面１３は、凹部１４と凸部１５とを含み、凹部１４と凸部１５とが連続してつながっていてもよいと言える。また、凹凸面１３は、複数の面（例えば面１６・１７）を含み、複数の面は、同一面上に並べた位置から、各面に垂直な方向に相対的にずれて互いに離れて位置していてもよいと言える。

上記した投影装置３およびスクリーン５は、図１に示すように、光学プレート２に対して映像Ｍの結像側とは反対側に、対向ミラー４ａと光学プレート２との間の光路を挟むように配置されている。

上記の構成において、投影装置３から出射された投影光は、対向ミラー４ａで反射されてスクリーン５に入射し、スクリーン５で反射された後、同一の対向ミラー４ａで反射されて光学プレート２に入射する。光学プレート２では、入射した投影光が内部で反射され、光学プレート２に対して光入射側とは反対側の空中に集まり、映像Ｍが結像される。したがって、観察者は、空中に結像された映像Ｍを観察することができる。なお、空中に結像した映像Ｍは、スクリーン５に投影された映像の実像である。

図１の構成では、空中に結像した映像Ｍ（２次元映像）のサイズは、縦１２０ｍｍ×横１９０ｍｍであった。なお、このときの装置の各パラメータは、以下の通りである。
光学プレート２の有効域（入射光を映像の結像側に反射させる領域）：３５０ｍｍ×３５０ｍｍ
投影光の光束の中心光線Ｌ１（図１で一点鎖線の光線）の光路上で、光学プレート２から映像Ｍまでの距離：３００ｍｍ
映像Ｍの中心から観察者の視点までの距離：５００ｍｍ
投影装置：サンワサプライ社製 ４００−ＰＲＪ０１４ＢＫ

なお、図１のように装置を鉛直方向（上下方向）に立てて配置する場合において、光学プレート２の互いに直交する反射面（後述する反射膜２１ｂ・３１ｂ（図７、図８参照）が形成された面）は、映像Ｍを空中に結像する原理上、鉛直方向（厳密には、鉛直方向の、光学プレート２の面に沿った成分の方向）に対してどちらも４５°の角度（一方の反射面が＋４５°の角度であれば、他方の反射面は−４５°の角度）となるように配置されているものとする。例えば、図６のＸＹ面内で、Ｘ軸およびＹ軸の両方に対して４５°となる方向が上記鉛直方向となるように、光学プレート２が配置されているものとする。なお、映像Ｍの結像原理については後述する。

以上のように、本実施形態では、投影装置３によってスクリーン５に映像を投影し、その投影した映像の実像（映像Ｍ）を、光学プレート２によって空中に結像させるようにしている。このように、投影装置３とスクリーン５とを用いることにより、投影装置３を、対向ミラー４ａと光学プレート２との間の光路に対してスクリーン５とは反対側に配置して、空中映像表示装置１を全体的にコンパクトに構成することができる。しかも、鏡面ミラー（対向ミラー４ａ）によって、入射光（投影光）の光路を折り曲げているので、空中映像表示装置１の厚み（対向ミラー４ａと光学プレート２との対向方向の幅）も薄型化できる。また、スクリーン５への投影光の入射と、光学プレート２への投影光の入射とを、共通の（１枚の）対向ミラー４ａを用いて行うため、低コストで薄型の構成を実現できる。

また、投影装置３を、対向ミラー４ａと光学プレート２との間の光路に対して、スクリーン５とは反対側に配置する構成では、薄型化を図り得る対向ミラー４ａと光学プレート２との間隔の範囲内であれば、投影装置３を大型化しても、装置全体の薄型化に支障をきたすことはない。したがって、投影装置３の大きさの許容範囲を広げることができ、装置の薄型化に支障を来たさない範囲で、投影装置３として光源が高出力で大型のものを用いることが可能となる。その結果、装置の薄型の構成で、明るい（高輝度の）映像Ｍを観察者に提供することが可能となる。

また、投影装置３から出射された投影光は、対向ミラー４ａで反射されてスクリーン５に入射し、スクリーン５で反射された後、同一の対向ミラー４ａで反射されて光学プレート２に入射する。このように、スクリーン５での反射光を、入射光の光路から分離して光学プレート２に入射させているため、スクリーン５に映像を投影する構成であっても、投影された映像の実像を光学プレート２によって空中に結像させることができる。

しかも、対向ミラー４ａからスクリーン５に投影光を入射させ、スクリーン５で反射された投影光を同じ対向ミラー４ａに入射させる構成とすることにより、スクリーン５に垂直に近い方向から投影光を入射させ、かつ、スクリーン５に垂直に近い方向に投影光を出射させることができる。これにより、スクリーン５に入射した投影光を効率よく反射させて、対向ミラー４ａを介して光学プレート２に効率よく入射させることができ、上記投影光の、映像Ｍの結像に寄与する割合（光利用効率）を増大させることができる。また、スクリーン５から垂直に近い方向に投影光が出射されるため、対向ミラー４ａおよび光学プレート２を介して空中に結像される映像Ｍとして、歪みの少ない映像を得ることができる。つまり、上記のように投影光の光路を設定することにより、明るく（高輝度で）、かつ、歪みの少ない映像Ｍを空中に結像させることができる。

また、投影装置３とスクリーン５とを用いて空中に映像Ｍを結像させる構成では、スクリーン５として、図３Ａ〜図３Ｄで示したいずれかの形状のものを選択することができる。この場合、空中に結像される映像Ｍの結像面も、スクリーン５の形状に応じた形状となる。例えば、スクリーン５の投影面が、平面１１、曲面１２、凹凸面１３である場合、空中に結像される映像Ｍの結像面も、それぞれ、平面、曲面、凹凸面（凹凸が連続した形状や不連続な段差形状を含む）となる。したがって、結像面に結像する映像Ｍとして、平面のみならず、曲面、凹凸、段差のある映像Ｍを実現することができ、映像表現の自由度を増大させることができる。

また、投影装置３およびスクリーン５を用いて空中に映像Ｍを結像する構成では、光学プレート２、対向ミラー４ａおよびスクリーン５の相対的な位置関係や角度を調整することにより、水平面に対する映像Ｍの角度（アオリ角）や結像位置を自由に調整することができる。したがって、観察者が観察しやすい位置に映像Ｍを結像させることが容易となる。特に、映像Ｍのアオリ角の設定に自由度が高まり、観察者の目線に対して浮遊感があり、かつ、見やすい映像Ｍを提供することができる。

また、図１のＡ部では、光学プレート２とスクリーン５とが近接しており、これらが干渉しやすく、また、光学プレート２の端部が、対向ミラー４ａからスクリーン５に入射する投影光と近接しており、これらが干渉しやすい。しかし、本実施形態のように、光学プレート２との間隔が投影装置３側よりもスクリーン５側において大きくなるように対向ミラー４ａを配置することにより、上記した光学部材同士の干渉および光学部材と光束との干渉を回避しながら、光学プレート２と対向ミラー４ａとの間隔を狭くして、装置の薄型化を図ることが可能となる。

また、スクリーン５は、上述のように、拡散反射型、再帰反射型、鏡面反射型のいずれであってもよいが、鏡面反射型スクリーンであることで、スクリーン５に入射した投影光をほぼ鏡面反射させて、光学プレート２に効率よく入射させることができる。特に、鏡面反射型スクリーンの半値角が４０°以下であることにより、スクリーン５に入射して反射される投影光のうち、対向ミラー４ａを介して光学プレート２に向かう光の割合を増大させることができる。その結果、スクリーン５に入射した投影光に対して、映像Ｍの結像に寄与する光の割合を向上させることができる。また、鏡面反射型スクリーンの半値角が２０°以上であることにより、光学プレート２に入射する投影光の光量を、光学プレート２の入射領域全体にわたってほぼ均一にすることができる。その結果、入射位置による光量差（光量ムラ）によって、映像Ｍの色ムラや輝度ムラなどの画質劣化が生じるのを低減することができる。例えば、映像Ｍの中心（設計中心）で明るく、端部で暗くなるというような輝度ムラが生じるのを低減できる。

ところで、図１に示すように、投影光の光束の中心光線Ｌ１のスクリーン５に対する入射角と反射角との和（角度α）は、１５〜３５°であることが望ましい。角度αが上記範囲であることにより、光路分離を行いながら、歪みの少ない明るい映像Ｍを空中に結像させることが確実に可能となる。ちなみに、角度αが１５°未満であると、スクリーン５への投影光の入射角が９０°に近づきすぎるため、スクリーン５で反射された投影光を、入射光の光路と分離して光学プレート２に導くことが困難となる。また、角度αが３５°よりも大きいと、スクリーン５での反射によって斜め方向に投影光が出射されるため、投影光の利用効率（映像Ｍの結像に寄与する光の割合）が低下しやすくなり、また、対向ミラー４ａおよび光学プレート２を介して空中に結像する映像Ｍに歪みも生じやすくなる。

また、スクリーン５の投影面は、平面１１、曲面１２、凹凸面１３のいずれであってもよいが、平面１１である場合は、スクリーン５の最も簡易な構成で、平面の映像Ｍを空中に結像させることができる。一方、スクリーン５の投影面が凹凸面１３である場合は、空中に結像する映像Ｍに凹凸や段差を与えて、観察者に映像Ｍの立体感や浮遊感をより感じさせることが可能となる。このような凹凸面１３は、上述したように、凹部１４と凸部１５とを連続してつなげる、あるいは、複数の面１６・１７によって不連続な段差を形成することによって確実に形成することができる。

ところで、スクリーン５の投影面を平面１１で構成して、平面の映像Ｍを空中に結像させる場合、図１に示すように、光学プレート２の面法線Ｐと、映像Ｍの結像面の法線Ｑとのなす角度βは、１５〜６０°であることが望ましい。なお、上記面法線Ｐ・Ｑは、どちらも、中心光線Ｌ１の光路と交わる点における面法線とする。この場合、観察方向が著しく制限されることなく、観察者に所定の大きさの映像Ｍを観察させることが可能となる。

ちなみに、角度βが１５°よりも小さいと、映像Ｍの結像面が光学プレート２に対して平行に近づき、かつ、光学プレート２の光出射側の面の真上に近づく。このため、そのような映像Ｍの結像面の位置に対応するように、スクリーン５も光学プレート２に対して映像Ｍと面対称となる位置に配置する必要がある。この場合、光学プレート２の面法線方向からは、映像Ｍを観察できず（スクリーン５からの投影光が光学プレート２の内部で反射されずに素通しとなる場合があるため）、観察できる方向が一部に限られる可能性がある。さらに、対向ミラー４ａを介して投影光の光路を折り返す構成では、スクリーン５が光学プレート２と干渉するおそれもある。一方、角度βが６０°よりも大きくなると、図４の参考例で示すように、光学プレート２から出射される投影光の光束幅が狭くなるため、映像Ｍの結像領域が小さくなる。

（空中映像表示装置の他の構成）
図５は、空中映像表示装置１の他の構成を模式的に示す説明図である。同図のように、空中映像表示装置１の鏡面ミラー４は、対向ミラー４ａに加えて、光路折り返しミラー４ｂをさらに含んでいてもよい。光路折り返しミラー４ｂは、入射光を反射させて光路を折り返すミラーであり、スクリーン５に対して光学プレート２側に配置されている。

また、図５では、スクリーン５に映像を適切な大きさで投影すべく、投影装置３と対向ミラー４ａとの間の光路中に平凸レンズ６を配置し、投影光をスクリーン５上に集光させている。なお、用いる投影装置３の仕様や、投影装置３とスクリーン５との位置関係によっては、平凸レンズ６の配置を省略することもできる。

この構成では、投影装置３から出射された投影光は、平凸レンズ６、対向ミラー４ａおよび光路折り返しミラー４ｂで順に反射されてスクリーン５に入射し、スクリーン５で反射された後、同一の光路折り返しミラー４ｂおよび同一の対向ミラー４ａで順に反射されて光学プレート２に入射する。以降は、図１の構成の場合と同様であり、光学プレート２によって空中に映像Ｍが結像される。

図５の構成では、空中に結像した映像Ｍ（２次元映像）のサイズは、縦１２０ｍｍ×横１９０ｍｍであった。なお、このときの装置の各パラメータは、以下の通りである。
光学プレート２の有効域（入射光を映像の結像側に反射させる領域）：３５０ｍｍ×３５０ｍｍ
投影光の光束の中心光線Ｌ１の光路上で、光学プレート２から映像Ｍまでの距離：３００ｍｍ
映像Ｍの中心から観察者の視点までの距離：５００ｍｍ
投影装置：サンワサプライ社製 ４００−ＰＲＪ０１４ＢＫ
平凸レンズ：レンズ直径４０ｍｍ、焦点距離４００ｍｍ
なお、光学プレート２の互いに直交する反射面が鉛直方向に対して±４５°の角度となっている点は、図１の構成と同様である。

以上のように、鏡面ミラー４を複数のミラー（対向ミラー４ａ、光路折り返しミラー４ｂ）で構成して、投影光の光路を折り曲げることにより、スクリーン５のサイズを維持しながら（空中に大きい映像Ｍを結像させながら）、装置をさらに薄型化することが可能となる。また、図示はしないが、鏡面ミラー４を３枚以上のミラーで構成して上記と同様に光路を折り曲げることにより、装置のさらなる薄型化を図ることも可能である。

（光学プレートの詳細）
次に、上述した光学プレート２の詳細について説明する。図６は、光学プレート２の概略の構成を示す斜視図である。光学プレート２は、２種の基板２０・３０を積層して構成されている。基板２０は、基板２０・３０の積層方向（例えばＺ方向）に垂直な面内で互いに垂直な２方向のうちの一方向（例えばＸ方向）に、複数の板状部材２１を隣接して並べることによって形成されており、基板３０は、上記２方向のうちの他の方向（例えばＹ方向）に、複数の板状部材３１を隣接して並べることによって形成されている。

図７は、１つの板状部材２１の斜視図であり、図８は、１つの板状部材３１の斜視図である。板状部材２１は、透明な樹脂（例えばアクリル樹脂）からなり、Ｙ方向に延びる直方体状の本体２１ａの側面、すなわち、ＹＺ面に沿った２面のうちの一方の面に、反射膜２１ｂを蒸着することによって形成されている。板状部材３１は、透明な樹脂（例えばアクリル樹脂）からなり、Ｘ方向に延びる直方体状の本体３１ａの側面、すなわち、ＺＸ面に沿った２面のうちの一方の面に、反射膜３１ｂを蒸着することによって形成されている。反射膜２１ｂ・３１ｂは、例えばアルミニウムのような金属膜で構成されており、入射光が全て反射するように膜厚が適切に制御されている。

Ｙ方向に延びる複数の板状部材２１をＸ方向に隣接して並べることにより、複数の反射膜２１ｂが、板状部材２１のＸ方向の幅に応じた間隔でＸ方向に並んで位置する。同様に、Ｘ方向に延びる複数の板状部材３１をＹ方向に隣接して並べることにより、複数の反射膜３１ｂが、板状部材３１のＹ方向の幅に応じた間隔でＹ方向に並んで位置する。そして、このような複数の板状部材２１・３１の配置により、各板状部材２１の反射膜２１ｂ（反射面）と各板状部材３１の反射膜３１ｂ（反射面）とは、平面視で（Ｚ軸方向から見て）互いに直交する位置関係となる。

図９は、２次元（ＺＸ平面内）での実像の結像原理を示している。点光源Ｐから発せられた複数の光線は、Ｚ軸に平行な反射面（反射膜２１ｂ）でそれぞれ反射され、Ｘ軸に対して点光源Ｐとは反対側の位置Ｐ’（点光源ＰとＸ軸に対して対称な位置）に集光する。これにより、位置Ｐ’にて、点光源Ｐの実像が結像される。

図１０は、３次元空間（ＸＹＺ座標系）での光線の反射を模式的に示している。３次元空間では、点光源Ｏから発せられた光線Ａを、ＺＸ平面内の光線ａ１と、ＹＺ平面内の光線ａ２とに分解し、図９に倣って、それぞれの光線ａ１・ａ２のＺＸ平面内またはＹＺ平面内での反射を考えることで、光線ＡのＺ軸との交点を求めることができる。つまり、ＺＸ平面内の光線ａ１は、ＹＺ面に平行な反射面（反射膜２１ｂ）で反射された後、Ｚ軸に向かい、ＹＺ平面内の光線ａ２は、ＺＸ面に平行な反射面（反射膜３１ｂ）で反射された後、Ｚ軸に向かう。これらの光線ａ１・ａ２は、Ｚ軸上の１点、つまり、点Ｏ’で交わる。したがって、光線Ａは、反射膜２１ｂおよび反射膜３１ｂにて計２回反射した後、Ｚ軸上の点Ｏ’に向かうことになる。

図１１は、３次元空間において、点光源Ｏから発せられた複数の光線が、別々の反射面を介して１点に集光する様子を模式的に示している。点光源Ｏから発せられた複数の光線は、図１０と同様にして、ＹＺ面に平行な反射面（反射膜２１ｂ）およびＺＸ面に平行な反射面（反射膜３１ｂ）で反射され、Ｚ軸上の同じ点Ｏ’に集光する。これにより、点Ｏ’にて、点光源Ｏの実像が結像される。

なお、実際には、各反射面の高さ方向（Ｚ軸方向）における光線の入射位置のずれや、各反射面の配置精度などにより、集光状態にずれが生じるが、このずれは実像の観察において無視できるほど小さいものとする。また、光線の中には、各反射面で３回以上反射するような複雑な経路を辿る光線も存在するが、そのような光線も無視できるものとする。

本実施形態では、２種の基板２０・３０を積層することで、各反射面（反射膜２１ｂ・３１ｂ）がＺ軸方向にずれた光学プレート２を構成しているが、反射膜２１ｂ・３１ｂが同一基板上に位置するようなプレートを光学プレート２として用いてもよい。つまり、光学プレート２は、２つの反射面が直交し、かつ、各反射面の法線を含む平面がプレートの厚み方向と直交するように、基板上に各反射面を形成したものであってもよい。

（その他）
以上で説明した本実施形態の空中映像表示装置は、以下のように表現されてもよい。

本実施形態の空中映像表示装置は、平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレートを備え、前記光学プレートに光を入射させて前記複数の反射面で反射させ、該光学プレートに対して光入射側とは反対側の空中に前記光を集めることにより、前記空中に映像を結像する空中映像表示装置であって、前記映像を表す投影光を出射する投影装置と、前記投影光が照射されるスクリーンと、入射光を反射させる鏡面ミラーとをさらに備え、前記鏡面ミラーは、前記光学プレートに対して前記映像の結像側とは反対側に、前記光学プレートと間隔をあけて配置される対向ミラーを含み、前記投影装置および前記スクリーンは、前記光学プレートに対して前記映像の結像側とは反対側に、前記対向ミラーと前記光学プレートとの間の光路を挟むように配置されており、前記投影装置から出射された前記投影光は、前記対向ミラーで反射されて前記スクリーンに入射し、前記スクリーンで反射された後、同一の前記対向ミラーで反射されて前記光学プレートに入射する。

前記対向ミラーは、前記光学プレートとの間隔が、前記投影装置側よりも前記スクリーン側において大きくなるように配置されていることが望ましい。

前記鏡面ミラーは、前記スクリーンに対して前記光学プレート側に配置されて、入射光の光路を折り返す光路折り返しミラーをさらに含み、前記投影装置から出射された前記投影光は、前記対向ミラーおよび前記光路折り返しミラーで順に反射されて前記スクリーンに入射し、前記スクリーンで反射された後、同一の前記光路折り返しミラーおよび同一の前記対向ミラーで順に反射されて前記光学プレートに入射してもよい。

前記スクリーンは、鏡面反射型スクリーンであり、前記スクリーンのゲインがピークゲインに対して半分になる角度を表す半値角が、２０〜４０°であることが望ましい。

前記投影光の光束の中心光線の前記スクリーンに対する入射角と反射角との和は、１５〜３５°であることが望ましい。

前記スクリーンにおいて、前記投影光が照射される面は、平面であってもよい。

前記光学プレートの面法線と、前記映像の結像面の法線とのなす角度が、１５〜６０°であることが望ましい。

前記スクリーンにおいて、前記投影光が照射される面は、凹凸が形成された凹凸面であってもよい。

前記凹凸面は、凹部と凸部とを含み、前記凹部と前記凸部とは、連続してつながっていてもよい。つまり、前記凹凸面は、凹部と凸部とが連続してつながることによって形成されていてもよい。

前記凹凸面は、複数の面を含み、前記複数の面は、同一面上に並べた位置から、前記各面に垂直な方向に相対的にずれて互いに離れて位置していてもよい。つまり、前記凹凸面は、複数の面の段差によって形成されており、前記段差は、同一面上に並べた複数の面を、前記面に垂直な方向に相対的にずらすことによって形成されていてもよい。

本発明は、光学プレートを用いて空中に映像を結像させる空中映像表示装置に利用可能である。

１ 空中像表示装置
２ 光学プレート
３ 投影装置
４ 鏡面ミラー
４ａ 対向ミラー（鏡面ミラー）
４ｂ 光路折り返しミラー（鏡面ミラー）
５ スクリーン
１１ 平面
１３ 凹凸面
１４ 凹部
１５ 凸部
１６ 面
１７ 面
２１ｂ 反射膜（反射面）
３１ｂ 反射膜（反射面）
Ｍ 映像

Claims (10)

1. 平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレートを備え、前記光学プレートに光を入射させて前記複数の反射面で反射させ、該光学プレートに対して光入射側とは反対側の空中に前記光を集めることにより、前記空中に映像を結像する空中映像表示装置であって、
   前記映像を表す投影光を出射する投影装置と、
   前記投影光が照射されるスクリーンと、
   入射光を反射させる鏡面ミラーとをさらに備え、
   前記鏡面ミラーは、前記光学プレートに対して前記映像の結像側とは反対側に、前記光学プレートと間隔をあけて配置される対向ミラーを含み、
   前記投影装置および前記スクリーンは、前記光学プレートに対して前記映像の結像側とは反対側に、前記対向ミラーと前記光学プレートとの間の光路を挟むように配置されており、
   前記投影装置から出射された前記投影光は、前記対向ミラーで反射されて前記スクリーンに入射し、前記スクリーンで反射された後、同一の前記対向ミラーで反射されて前記光学プレートに入射する、空中映像表示装置。
2. 前記対向ミラーは、前記光学プレートとの間隔が、前記投影装置側よりも前記スクリーン側において大きくなるように配置されている、請求項１に記載の空中映像表示装置。
3. 前記鏡面ミラーは、前記スクリーンに対して前記光学プレート側に配置されて、入射光の光路を折り返す光路折り返しミラーをさらに含み、
   前記投影装置から出射された前記投影光は、前記対向ミラーおよび前記光路折り返しミラーで順に反射されて前記スクリーンに入射し、前記スクリーンで反射された後、同一の前記光路折り返しミラーおよび同一の前記対向ミラーで順に反射されて前記光学プレートに入射する、請求項１または２に記載の空中映像表示装置。
4. 前記スクリーンは、鏡面反射型スクリーンであり、
   前記スクリーンのゲインがピークゲインに対して半分になる角度を表す半値角が、２０〜４０°である、請求項１から３のいずれかに記載の空中映像表示装置。
5. 前記投影光の光束の中心光線の前記スクリーンに対する入射角と反射角との和は、１５〜３５°である、請求項１から４のいずれかに記載の空中映像表示装置。
6. 前記スクリーンにおいて、前記投影光が照射される面は、平面である、請求項１から５のいずれかに記載の空中映像表示装置。
7. 前記光学プレートの面法線と、前記映像の結像面の法線とのなす角度が、１５〜６０°である、請求項６に記載の空中映像表示装置。
8. 前記スクリーンにおいて、前記投影光が照射される面は、凹凸が形成された凹凸面である、請求項１から５のいずれかに記載の空中映像表示装置。
9. 前記凹凸面は、凹部と凸部とを含み、
   前記凹部と前記凸部とは、連続してつながっている、請求項８に記載の空中映像表示装置。
10. 前記凹凸面は、複数の面を含み、
    前記複数の面は、同一面上に並べた位置から、前記各面に垂直な方向に相対的にずれて互いに離れて位置している、請求項８に記載の空中映像表示装置。

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