JPWO2019039600A1 - 空中像表示装置 - Google Patents

Abstract

少なくとも一個の光源（１）と、前記光源（１）の実像を結像させる光学系とを備え、該光学系は、表面側に配置されたハーフミラー（２）と、前記ハーフミラー（２）に対置されて、裏面側に配置された再帰反射部材（４）とを有し、前記ハーフミラー（２）の外方に、前記実像を結像させる、空中像表示装置（１００）であって、前記実像に前記光源（１）とは異なる光学的特性を付与するか、または前記光源（１）の虚像の生成を防止する、空中像強調手段を備えた空中像表示装置。

Description

関連出願

本願は、日本国で２０１７年８月２５日に出願した特願２０１７−１６２０８４の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本出願の一部をなすものとして引用する。

本発明は、光源の実像を空中に表示する空中像表示装置および、これを用いた車両の照明装置に関する。

ドアトリム、ルーフライニング、インストルメントパネル、スカッフプレート等の車両の内装部材は、操作用や装飾用の目的で、照明装置を備えている。特に、ドアトリム、ルーフライニング、スカッフプレート等においては、意匠性を向上する上で各種の工夫が施されている。

車両の内装品をユーザに視認させる手段の一つとして、被観察物の実像を空中に結像する、空中像表示装置の使用が検討されている。例えば特許文献１には、乗り物の内装部材に取り付けられる表示装置に関し、２面コーナーリフレクタアレイを含む結像光学系、またはハーフミラーとレトロリフレクタアレイ（再帰反射板）を含む結像光学系を用い、ダッシュボードなどの被観察物に表示される情報を、実像として結像させる表示装置が開示されている。

空中像の輝度を向上する技術も検討されている。特許文献２は、画像表示、ハーフミラー、再帰性反射材を有する空中像表示装置に関し、ハーフミラーを反射型偏光板とし、ハーフミラーと再帰性反射材の間にλ／４板を配置し、再帰性反射材の偏光維持度を５０％以上とすることにより、空中像の輝度を向上する構成を記載している。

光源の実像を複数の箇所に結像させる空中像表示装置も検討されている。特許文献３は、空中像表示装置に関して複数の実施形態を開示しており、その一つ（第九実施形態）において、光源をはさんで第一光分岐部と第二光分岐部を対向させ、第二光分岐部の裏面側に再帰反射部を設けて、複数の空中像と、複数の虚像を表示する装置を開示している。

ユーザに空中像を視認させる方向や用途も検討されている。特許文献４には、自動車の計器盤等の表示装置の前面に空中像を結像させる技術が記載されている。特許文献５には、乗客コンベア（エスカレータ）の乗降口において、逆進入を防止するために立体映像を結像させる技術が開示されている。

特開２０１０−１９０９６０号公報 国際公開ＷＯ２０１６／０８８６８３号 特開２０１７−１０７１６５号公報 特許第５３９２６１２号公報 特開２０１１−２０７５７号公報

車両の内装品における照明手段において、空中像表示手段を用いる場合、空中像を主として視認させるためには、光源、また場合によっては虚像に対し、空中像の視認性を強調することが望まれるが、これまで検討されているのは、立体的配置によって、光源を観察者から隠す方法であり、配置スペースに制約がある場合には、適用が困難である。

特許文献１や特許文献２に記載された装置では、光学系の最表面（最外面）を構成するハーフミラーや２面コーナーリフレクタアレイを対称面として、光源と面対象となる位置に実像（空中像）を結像させており、特許文献３にも、光源と面対象位置に実像を結像させる実施形態が記載されている。このような構成の装置では、光学系の外面から離れた位置に実像を表示するためには、光学系自体に一定の厚みを必要とする。空中像表示装置を車両の内装用照明装置として利用する場合において、ルーフやフロアなど、深さ方向の設置スペースの限られる場所では、上記のような装置構成では、光学系の表面から十分離れた位置に実像を表示することはできない。

特許文献３には、上記のように、光源の実像を光学系に対して離間する方向に複数結像させる技術が開示されているが、特許文献３に記載の構成では、実像に加え、光源からの直接光、および虚像も視認されるようになっており、これらに対し、空中像を強調する手段は提示されていない。

特許文献４は、観察者が視認する表示部の前面に空中像を結像することを記載しているが、空中像は、ユーザの目に近い高さでなく、例えば、建物の階段や自動車の乗降口などにおいて、足元に見下ろす形で利用する場合も考慮される。特許文献５は、段差状の構造の手前に逆進防止用に立体映像を表示することは記載しているが、結像の方法については公知の方法を用いるとしか記載していない。また段差状の構造においては、足元の照明も行われることが好ましい。

本発明は、配置スペースに制約がある場合にも、光源または虚像に対し、実像の視認性を強調し得る手段を備えた空中像表示装置、およびこのような装置を備えた車両用照明装置を提供することを目的とする。

さらに本発明は、配置スペースに制約がある場合にも、光学系の最外面から離れた箇所に実像を結像することができ、光源または虚像に対し、実像の視認性を強調し得る手段を備えた空中像表示装置、およびこのような装置を備えた車両用照明装置を提供することを目的とする。

さらに本発明は、上記空中像表示装置を段差状の構造で使用する場合において、視認性の良好な空中像を結像するとともに、間接照明の機能も提供し得る空中像表示装置を提供することを目的とする。

少なくとも一個の光源と、前記光源の実像を結像させる光学系とを備え、該光学系は、表面側に配置されたハーフミラーと、前記ハーフミラーに対置されて、裏面側に配置された再帰反射部材とを有し、前記ハーフミラーの外方に、前記実像を結像させる、空中像表示装置であって、前記実像に前記光源とは異なる光学的特性を付与するか、または前記光源の虚像の生成を防止する、空中像強調手段を備えた空中像表示装置である。

上記構成の空中像表示装置によれば、ハーフミラーと再帰反射部材により実像を結像させる空中像表示装置において、空中像強調手段により、空中像の視認性を高めることができる。

上記空中像表示装置は、前記空中像強調手段として、前記光源および前記虚像の視認を防ぐ遮光板を備える装置であってもよい。上記構成の空中像表示装置によれば、光源と虚像の視認を防ぎ、空中像のみを観察者に視認させることができる。

上記空中像表示装置は、前記ハーフミラーが前記空中像強調手段を形成するダイクロイックミラーを備え、前記実像に、前記光源から発光される光とは異なる色調を付与してもよい。この構成によれば、実像と光源の色調を異ならせることにより、視覚上、実像を光源から明瞭に区別し得るとともに、光学系で発生する迷光に対しても、実像を高いコントラストで際立たせることができる。

上記空中像表示装置は、例えば、光源上に配置され、前記光源から発光された光を直線偏光に変換する光源側偏光板と、前記ハーフミラーと、前記再帰反射部材との間に配置された１／４波長板とを備え、前記ハーフミラーは、反射型の偏光板からなるものであってもよい。ここで、前記光源側偏光板と、前記１／４波長板と、前記反射型の偏光板とが、前記空中像強調手段を構成する。前記反射型の偏光板は、光源側偏光板を透過した後、表面側のハーフミラーで反射されて１／４波長板に入射し、これを透過して、再帰反射部材で反射され、再度１／４波長板を透過して入射方向に戻る光は、透過するよう配置されていてもよい。

上記空中像表示装置によれば、光学系の表面側のハーフミラーを透過した偏光が実像を形成する一方、光源は、光学的に視認されないか、視認性が低下する状態におくことができ、実像の視覚効果を強調することができる。なお、上記構成において、前記光源側偏光板の透過軸と、前記反射型偏光板の透過軸は、直交してもよく。あるいは、０度〜３６０度の範囲で可変であってもよい。

上記空中像表示装置は、前記光学系表面側のハーフミラー（第１のハーフミラー）と、前記再帰反射部材との間に配置される、裏面側のハーフミラー（第２のハーフミラー）をさらに備え、一つの光源に対して複数の実像を結像する、空中像表示装置であってもよい。この構成においては、裏面側のハーフミラーは、表面側のハーフミラーに対置されて合わせ鏡構造を構成し、前記再帰反射部材は、裏面側のハーフミラーの背面に配置される。１／４波長板を備えた構成では、１／４波長板は、裏面側ハーフミラーと、再帰反射部材との間に配置されることが好ましい。

上記構成の空中像表示装置によれば、二枚のハーフミラーと再帰反射部材とが構成する合わせ鏡構造によって、複数の実像を結像させることができ、ハーフミラーを対称面とする光源の面対象位置から離れた場所にも、実像を結像させることができ、さらに空中像強調手段により、空中像の視認性を高めることができる。そのため、光学系の配置スペースに制約がある条件下でも、空中像による照明効果が大きい。また表面側ハーフミラーがダイクロイックミラーを備える場合には、空中に結像される複数の実像の色調も相互に変化させ、グラデーション的な視覚効果を実現することができる。

上記空中像表示装置は、透光性の基体と、前記基体の両面上に設けられたハーフミラー層とを備え、一方のハーフミラー層が前記表面側のハーフミラーを構成し、他方のハーフミラー層が前記裏面側のハーフミラーを構成していてもよい。この構成によれば、両面ハーフミラー板などを用いることにより、光学系の組み付け作業を簡略化できる。また、基体を用いない場合に、前記第１のハーフミラーおよび第２のハーフミラーのミラーコートされていない面で生じるフレネル反射が生成する意図しない空中像の発生をなくすことができる。さらに、前記第１のハーフミラーおよび第２のハーフミラーの間が空間として空いている構造に比べ、光学系の強度を増すことができる。

上記空中像表示装置において、前記光源を、前記再帰反射部材の外側に配置し、前記再帰反射部材および、前記再帰反射部材と前記表面側のハーフミラーの間で、該表面側のハーフミラーに対置される光学部材に開口領域を設けてもよい。すなわち、前記再帰反射部材と前記裏面側のハーフミラーに開口領域を設け、さらに１／４波長板が配される場合には、１／４波長板にも開口領域を設けてもよい。このような構成によれば、空中像表示装置の結像光学系を、より薄型のものとすることができる。

本発明に係る車両用照明装置は、上述の本発明に係る空中像表示装置と、筐体底面、筐体開口部および側壁を有し、前記空中像表示装置を収納する筐体とを備え、前記光源は、前記表面側のハーフミラーと、前記裏面側のハーフミラーの間の位置において、前記筐体の側壁近傍に配置されており、前記筐体開口部の外側に、前記光源の前記実像が結像される車両用照明装置である。この車両照明装置によれば、各光源から複数の実像を高い視認性で車室内に結像させることができ、意匠性にすぐれた照明装置を提供することができる。

上記車両用照明装置において、前記筐体の長手方向に沿って、複数の光源を配置し、各光源の近傍において、前記表面側のハーフミラー側に、前記側壁に沿った底辺を有する、略半円形状の遮光板が配置されている構成としてもよい。この構成によれば、照明を観察する場合において、各光源から結像される複数の空中像がなすパターンが、視線の角度によって変化することを防止することができる。

あるいは、上記本発明の空中像表示装置は、上向きに空中像を結像するとともに、下方を照明する空中像表示装置であってもよい。このような空中像表示装置を例えば、ステップ状の構造に配置することにより、空中像表示機能と、足元の照明機能の両方の機能を利用することができる。この空中像表示装置では、光学系を収納する収納体の上面を遮光部材とすることにより、一定の条件で、光源および虚像の視認を防止することができる。さらに、上述のダイクロイックミラーの使用や、偏光板と１／４波長板の使用と組み合わせて空中像を強調してもよい。

上記空中像表示装置は、前記再帰反射部材が、前記表面側ハーフミラーに対し、所定の角度で傾いたものであってもよい。前記再帰反射部材が、前記表面側ハーフミラーに平行な第１の面と、前記表面側ハーフミラーに垂直な第２の面とを有する断面Ｌ字状の形状を有し、前記表面側ハーフミラーを鉛直に配置し、前記再帰性反射部材の第２の面を水平に配置した際、上向きに空中像を結像するとともに、下方を照明する空中像表示装置であってもよい。この空中像表示装置は、前記再帰反射部材が、前記第１の面と、前記第２の面をつなぐ曲面状の第３の面を有する空中像表示装置であってもよい。

上記空中像表示装置は、空中像の形態および／または色彩の切り替え機能を有するものであってもよい。このような空中像表示装置は、例えば光源に、青色ＬＥＤと赤色ＬＥＤなど、異なる色の発光体を組み合わせることにより実現できる。あるいは、ＬＥＤ表示装置または液晶表示装置などのディスプレイを前記光源として用いてもよい。

上記空中像表示装置において、前記再帰反射部材の表面側に、透過光を着色するカラーフィルムが配設されていてもよい。これにより、極めて簡便な構成で空中像と照明光の色調を異ならせることができる。

上記空中像表示装置は、前記再帰反射部材に対置される反射面を有する全反射ミラーをさらに備え、前記光源の発光面は、前記全反射ミラーの反射面に対向配置されており、該光源より出光して前記全反射ミラーで反射された光により、空中像の結像が行われる、空中像表示装置であってもよい。ここで全反射ミラーの鏡像を光源として用いることにより、コンパクトな構成で、比較的高い位置に空中像を結像させることができる。

上記空中像表示装置において、前記ハーフミラーを鉛直に配置したとき、前記全反射ミラーは水平に配置されてもよいが、水平面から０〜４５度、前記ハーフミラー側に傾斜していることが好ましい。これにより低角で視認した場合にも光源が視野に入ることを防止できる。

上述の断面Ｌ字状の再帰反射部材を含む空中像表示装置は車両用照明装置に用いることができる。この車両用照明装置は、第１のステップと、第２のステップと、前記第１のステップと第２のステップの間の段差部とを備え、前記空中像表示装置の光学系が前記第２のステップの下に配置され、前記表面側ハーフミラーが、前記段差部に嵌め込まれており、上向きに空中像を表示するとともに、前記第１のステップの照明を行う、車両用照明装置であってもよい。このような照明装置を例えば、車両の乗降口に配することにより、ロゴマークや情報の表示機能と足元の照明機能の両方を利用することができる。

本発明の第２の構成にかかる空中像表示装置は、光源と、第１のハーフミラーと、前記第１のハーフミラーに対向する反射面を有する全反射ミラーと、前記第１のハーフミラーを透過した光が照射される位置に配置された第３のハーフミラーと、前記第３のハーフミラーに対向する反射面を有する再帰反射部材と、前記光源の虚像の生成を防止する空中像強調手段とを備え、前記再帰反射部材で反射された後、前記第３のハーフミラーを透過する光が、該第３のハーフミラーの外側に実像を結像するように構成されており、前記空中像強調手段が、前記第１のハーフミラーと、前記全反射ミラーと、前記光源とを、前記実像を視認する位置から視認されない位置に支持する手段である、空中像表示装置である。

上記構成の空中像表示装置においても、ハーフミラーと全反射ミラーとが構成する合わせ鏡構造から、空中像結像系光学系に光を投影することにより、比較的小さな装置構成で、装置表面から離れた位置まで、複数の実像を結像させることができる。

あるいは、本発明の第３の構成にかかる空中像表示装置は、光源と、第１のハーフミラーと、前記第１のハーフミラーに対向する反射面を有する全反射ミラーと、２面コーナーリフレクタアレイと、前記光源の虚像の生成を防止する空中像強調手段とを備え、前記第１のハーフミラーを透過し、前記２面コーナーリフレクタアレイで反射された光が、前記光源の実像を結像するように構成されており、前記空中像強調手段が、前記第１のハーフミラーと、前記全反射ミラーと、前記光源とを、前記実像を視認する位置から視認されない位置に支持する手段である。

上記構成の空中像表示装置においても、ハーフミラーと全反射ミラーとが構成する合わせ鏡構造から、空中像結像系光学系に光を投影することにより、比較的小さな装置構成で、装置表面から離れた位置まで、複数の実像を結像させることができる。

本発明の空中像表示装置によれば、空中像強調手段により、光源の像と区別の容易な空中像表示装置を提供することができる。さらに、二枚のハーフミラーまたはハーフミラーと全反射ミラーが合わせ鏡構造をとる実施形態では、スペース上の制約が大きい条件下で使用する際においても、光学系の表面から離間した位置に、視認性にすぐれた空中像を結像させることができる。この空中像表示装置を備える車両用照明装置によれば、例えばルーフライニング、スカッフプレートなど、深さ方向の設置スペースが限られる内装部材にも、空中像表示機能を持つ照明装置を組み込むことができ、意匠性に優れた内装品を提供することができる。

なお、請求の範囲および／または明細書に開示された少なくとも２つの構成要素のどのような組み合わせも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲に記載された請求項の２つ以上のどのような組み合わせも本発明に含まれる。

空中像（実像）の結像プロセスを示す、模式断面図である。 複数の空中像の結像と、虚像の形成プロセスを示す模式断面図である。 本発明の第１の構成にかかる空中像表示装置の第１実施形態を示す模式断面図である。 本発明の第１の構成にかかる空中像表示装置の第２実施形態を示す模式断面図である。 図４Ａに示す空中像表示装置の一変形例を示す模式断面図である。 本発明の第１の構成にかかる空中像表示装置の第３実施形態を示す模式断面図である。 本発明の第１の構成にかかる空中像表示装置の第４実施形態を示す模式断面図である。 図３に示した空中像表示装置の変形例を示す模式断面図である。 図５に示した空中像表示装置の変形例を示す模式断面図である。 本発明の第２の構成にかかる空中像表示装置の発光部を示す模式断面図である。 本発明の第２の構成にかかる空中像表示装置の第５実施形態を示す模式断面図である。 本発明の第３の構成にかかる空中像表示装置の第６実施形態を示す模式断面図である。 本発明の空中像表示装置の第７実施形態における、空中像の結像と、ステップの照明を示す模式断面図である。 第７実施形態における、再帰反射部材の形態の変形例を示す模式断面図である。 第７実施形態における、再帰反射部材の形態の別の変形例を示す模式断面図である。 第７実施形態の光学部材の組み合わせの変形例を示す模式断面図である。 第７実施形態の光学部材の組み合わせの他の変形例を示す模式断面図である。 本発明の空中像表示装置の第８の実施形態における、結像光学系を示す図である。 第８実施形態における、結像光学系の変形例を示す図である。 第８実施形態の空中像表示装置の配置形態の一例を示す模式断面図である。 第８実施形態の空中像表示装置の配置形態の別の例を示す模式断面図である。 本発明の空中像表示装置を備える車両量照明装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１４Ａに示した車両用照明装置の模式断面図である。 図１４Ａに示した車両用照明装置において、発光体と遮光部材の対置関係を示す平面図である。 図１４Ａに示した車両用照明装置において、発光体と別の構成の遮光部材の対置関係を示す平面図である 図１４Ａの車量照明装置の変形例を示す模式断面図である。 図１４Ａの車量照明装置の他の変形例を示す模式断面図である。 自動車のルーフに、本発明の車両用照明装置を用いた場合の照明の様子を模式的に示す図である。 自動車のスカッフプレートに、本発明の車両用照明装置を用いた場合の照明の様子を模式的に示す図である。 本発明の空中像表示装置を用い、自動車の乗降口におけるステップの照明と空中像表示を行う構成を模式的に示す図である。 車両のドアを開ける途中で待機信号が表示される状態を模式的に示す斜視図である。 車両のドアを開き終わった状態で、ロゴマークが表示される状態を模式的に示す図である。 実施例で用いた２種類のダイクロイックミラーの光透過率の波長依存性を示すグラフである。

以下、発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。

本発明の空中像表示装置の第１の構成は、少なくとも一個の光源と、前記光源の実像を結像させる光学系とを備え、該光学系は、表面側に配置されたハーフミラーと、前記ハーフミラーに対置されて裏面側に配置された再帰反射部材とを有し、前記ハーフミラーの外方（光学系の外側）に、前記実像を結像させる、空中像表示装置であって、前記実像に前記光源とは異なる光学的特性を付与するか、または前記光源の虚像の生成を防止する、空中像強調手段を備えた空中像表示装置である。

前記空中像強調手段は、例えば、遮光部材であってもよく、光の位相変換機能を備えた光学部材を有するものであってもよく、光の波長特性変換機構を備えた光学部材を有するものであってもよい。空中像表示装置が備える空中像強調手段は、一種類でもよく、二種以上であってもよい。

図１は、上記の光学系により、空中像が結像されるプロセスを説明するための概略図である。観察者は、図の左上の位置から空中像を見るものとする（図２〜図９でも同じ）。
支持体（図示せず）に設置された光源（発光体）１が、光学系の表面側に設置されたハーフミラー２と、再帰反射部材４の間に配置されている。光源１の発光部位ＰＬから上側の矢印に示される方向に出た光Ｌ１は、表面側ハーフミラー２の反射面２ｍ上の部位Ｐ１で一部反射されて再帰反射部材４に入射し、再帰反射部材４の部位Ｐ２で入射方向に反射される。この再帰反射された光の一部は、ハーフミラー２を透過して外方に発光する。他方、発光部位ＰＬから下の矢印で示される方向に発光した光Ｌ２は、ハーフミラー２の反射面２ｍ上の部位Ｐ３で一部反射されて再帰反射部材４に入射し、再帰反射部材４の部位Ｐ４で入射方向に（入射光と逆向きに進む光として）反射され、一部はハーフミラー２を透過して外方に発光する。二方向に発光した光は、空中の一箇所ＰＲで交わる。同様のプロセスにより、発光部位ＰＬからハーフミラー２の方向に出た各方向の光は、空気中の部位ＰＲで交わり、ＰＲに発光部位ＰＬの実像が形成される。このようなプロセスにより、光源１の第１の実像Ｓが、反射面２ｍに対して面対称に形成される。

なお、図１および以下の説明において、図面の寸法比は実際の寸法比を示すものではなく、ハーフミラー、再帰反射部材等の板状（シート状）光学部材の厚みは、説明のため強調されている。また、例えば、図１では部位Ｐ１でハーフミラー２を透過する光など、説明内容に関係しない光の光路は、図示を省略する。また、図示と説明の簡略化のため、光学部材の界面における屈折は図示していない。

上記空中像表示装置は、前記表面側に配置されたハーフミラーを第１のハーフミラーとして備えるとともに、光学系の裏面側（内側）に第２のハーフミラーをさらに備え、前記再帰反射部材は、該第２のハーフミラーの背面（外側）に配置されたものであってもよい。ここで第１のハーフミラーと第２のハーフミラーは、その反射面が互いに対向し、あわせ鏡のような構造をとる。第１のハーフミラーと、第２のハーフミラーの反射面は、互いに平行であってもよいが、０〜４５度、好ましくは１０〜３０度の範囲で所定の角度をなすものであってもよい。再帰反射部材（再帰反射板）の反射面は、第２のハーフミラーと平行または略平行で、第２のハーフミラーと同じ方向に面している。

図２は、二枚のハーフミラーが合わせ鏡構造をとる光学系の機能を説明するための図である。図１と同じ構成については、同一の符号を付して説明を省略する（以下同様）。図示される構成では、光学系表面側の第１のハーフミラー２に、第２のハーフミラー３が対置され、その反射面３ｍは、第１のハーフミラー２の反射面２ｍに対向している。再帰反射部材４は、第２のハーフミラー３の背面（裏面）に配されている。光源１から矢印Ａ１の方向に発光した光は、図１で説明したように、一部反射され（矢印Ａ２）、一部は第２のハーフミラー３を透過して再帰反射部材４で入射方向に反射され（矢印Ａ３）、第１再帰反射光ＲＲ１として発光し、実像Ｓ１を結像する。他方、第２のハーフミラー３の反射面３ｍで一回反射した光は、一部矢印Ａ４、Ａ５で示される光路をとって再帰反射部材４に入光し、矢印Ａ６で示される方向に再帰反射して第２再帰反射光ＲＲ２として発光し、実像Ｓ３を結像する。他方、光源２から第２のハーフミラーの方向に出光した光は、図に破線で示すような光路を取って実像Ｓ２を結像する。ここでは図示しないが、同様のプロセスにより、実像Ｓ４〜Ｓｎが結像する。

他方、光源１から矢印Ａ７の方向に発光した光は、一部第２のハーフミラー３の反射面３ｍで反射して矢印Ａ８の方向にすすみ、その一部は第１のハーフミラーを透過して第１反射光ＲＬ１として出光する。すると、図の左上から観察する観察者には、第１反射光が示す光源１の像は、見かけ上ＲＬ２を逆方向にたどった延長線（破線で示す）上の位置（反射面３ｍに対する面対象位置）に形成された虚像Ｆ１として観察される。他方、第１のハーフミラー２で反射した光は、矢印Ａ９、Ａ１０で示す光路をたどって、第２反射光Ｒとして出光し、その延長線上逆方向の位置に形成された第３の虚像Ｆ３として視認される。また破線で示すように、第１のハーフミラー側へ出光した光は、破線で示す光路により、第２の虚像Ｆ２を形成する。図示しないが、同様にして、第２のハーフミラー３の反射面３ｍからの反射光により、第２のハーフミラーから光学系の外方に離間する位置に配列する虚像Ｆ４〜ＦＮが見かけ上、形成される。なお、形成される実像の個数ｎ、虚像の個数Ｎは、図２からも理解し得るように、光源１の配置や光学系の寸法設計に依存して定まる。

［第１実施形態］
図３は、本発明の空中像結像装置１００の一実施形態を説明するための図である。この装置では、光源１の近傍（図では左側）に、遮光体５が設置されており、光源１から左側へ発光する光は、遮光体５によって遮蔽される。遮光体５は、光吸収性の部材で形成されているか、またはその表面に光吸収性の被膜を有することが好ましい。図２と図３を対比すると理解されるように、図の左上方向から観察する観察者には、光源の左側で反射された光が虚像Ｆ１〜ＦＮとして視認されるので、図３のように遮光体５を配した場合、虚像は形成されない。またこの例では、光源からの直接光の視認も避けることができる。すなわち、この実施形態では、遮光体５が、空中像強調手段の役割を果たしている。

［第２実施形態］
図４Ａは、本発明の空中像結像装置１００の第２の実施形態を説明するための図である。
光源１を再帰反射部材４に設けた開口ＯＰに設置している以外、光学系の基本的な構成は、図１に示したものと同じである。従って、図１で説明したプロセスによって、実像Ｓ１が結像されるが、本実施形態では、表面側のハーフミラー２Ｄが、ダイクロイックミラーの特性を有している。

ダイクロイックミラーは、特定範囲の波長の光は反射し、他の波長の光は透過させる特性を有するが、透過光強度の波長依存性は、ステップ状ではなく、極大値を持つ連続した曲線状のグラフを示す（図２１参照）。本実施形態では、ハーフミラー２Ｄが、ダイクロイックミラーの特性を有しているため、表面側のハーフミラー２Ｄで一回反射されると、反射光の波長分布（波長別強度分布）が変化するので、光源１から直接出光してハーフミラー２Ｄを透過した光ＤＬが示す光源１の像と、一度ハーフミラー２Ｄで反射された後、再帰反射されてハーフミラー２Ｄを透過した再帰反射光ＲＲＬが形成する実像Ｓ１とは、色調が異なることとなる。本実施形態では、表面側のハーフミラー２Ｄが、空中像強調手段の役割を持つ。なお、ハーフミラー２Ｄと再帰反射部材の反射面は互いに平行であってもよいが、０〜４５度、好ましくは１０〜３０度の範囲で所定の角度をなすものであってもよい。

空中像表示装置は、空中像結像機能に加え、間接照明の機能を備えたものであってもよい。図４Ｂは、上記第２の実施形態にかかる空中像表示装置の変形例を模式的に示す図である。表面側のハーフミラー（ダイクロイックミラー）２Ｄと、これに対向する再帰反射部材４は、所定角θ（例えば、０〜４５度）をなして配置されており、光源１はハーフミラー２Ｄと、再帰反射部材４の間に配置されている。この例の空中像表示装置１００は、空中像結像光学系の外側（ハーフミラー２Ｄの外側）に配置された拡散反射板８をさらに備えている。図１について説明したように、光源１から各方向に発光された光（実線、破線、一点鎖線で示す）は、一部は、ハーフミラー２Ｄで反射された後、再帰反射部材４で反射され、再帰反射光ＲＲＬとして実像Ｓ１を結像する。他方、光源１から発光してハーフミラー２Ｄを透過した光は、拡散反射部材８に入射し、表面で拡散反射される。

この例でもハーフミラー２Ｄとしてダイクロイックミラーを用いているので、ダイクロイックミラー２Ｄを透過した光ＴＬと、再帰反射光ＲＲＬでは、光の波長別強度分布は変化しており、拡散反射板８からの反射光と、空中像Ｓ１では色調が異なる。例えば、光源１を白色光源（例えば白色ＬＥＤ）とし、青色光を透過し、赤色光を反射するダイクロイックミラー２Ｄを使用した場合、拡散反射板８で反射される透過光ＴＬは青色であり、再帰反射光ＲＲＬが結像する実像Ｓ１は赤みがかった色となる。そのため、観察者ＶＥは、背景となる間接照明光と、空中像とを明瞭に識別することができる。なお、図４Ｂでは光源１から透過した光ＴＬの被照射物を拡散反射板８とする構成を例示したが、間接照明として機能するものであれば何でもよく、特に限定はされない。

［第３実施形態］
図４Ｃは、本発明の空中像結像装置１００の第３の実施形態を説明するための図である。光学系の基本的な構成は、図２に示したものと同じであり、図２で説明したプロセスによって、実像Ｓ１〜Ｓｎが結像され、虚像Ｆ１〜ＦＮが形成されるが、本実施形態では、第１のハーフミラー２Ｄが、ダイクロイックミラーの特性を有している。

上述のダイクロイックミラーの特性により、第１のハーフミラー２Ｄで一回反射される毎に、反射光の波長分布（波長別強度分布）が変化する。図４Ｃで見ると、光源１から直接出光する光ＤＬと第１の虚像Ｆ１を形成する第１反射光Ｒ１は、第１のハーフミラー２Ｄで反射されずに透過した光であるが、第１の実像Ｓ１を結像する第１再帰反射光ＲＲ１は、図２について説明したように、一端第１のハーフミラー２Ｄで反射された後に、再帰反射して出光した光であるので、第１のハーフミラー２Ｄに入射する時の波長分布は、直接光ＤＬ、第１反射光Ｒ１とは異なっており、そのため、第１の実像Ｓ１は、光源および第１の虚像Ｆ１とは異なる色調を示す。図示された例では、第２の実像Ｓ２は、下側へ出光した光が１回再帰反射したものであるので、第１の実像Ｓ１と同様の色調を示すが、第２再帰反射光ＲＲ２が結像する第３の実像Ｓ３の色調は、第１の実像Ｓ１、第２の実像Ｓ２とは異なるものとなる。このようにして実像の色調は、Ｓ１からＳｎまで段階的に変化する。虚像の側でも、第１のハーフミラー２Ｄで一回反射した光が形成する虚像Ｆ２、Ｆ３の色調は、光源および虚像Ｆ１の色調とは異なり、虚像の色調は、Ｆ１からＦＮまで段階的に変化する。上記に説明したように、本実施形態では、第１のハーフミラー２Ｄが、空中像強調手段の役割を持つ。

本実施形態によれば、空中像（実像）Ｓ１．．．．．Ｓｎと光源１との色調が異なるので、空中像を明確に視認し得る。さらに、装置内で発生する迷光とも色調が異なるので、迷光が背景となって空中像の視認性が阻害されることも避けることができる。なお、本実施形態および上述の第２実施形態で用いるハーフミラー２Ｄは、ダイクロイックミラー単層からなるものでもよく、ダイクロイックミラーと他のハーフミラーの積層体であってもよい。なお、図４Ｃでは、第１のハーフミラーをダイクロイックミラー２Ｄとする構成を示しているが、第２のハーフミラー３をダイクロイックミラーとしてもよい。

［第４実施形態］
図５は、第４の実施形態にかかる空中像表示装置１００の構成を説明するための図である。この装置は、光源１、第１のハーフミラー２Ｐ、第２のハーフミラー３、再帰反射部材４に加え、偏光板６および１／４波長板７を備えている。ここで第１のハーフミラー２Ｐは反射型の偏光板の特性を有し、１／４波長板７は、第２のハーフミラー３と、再帰反射部材４の間に配置されている。第２のハーフミラー３、１／４波長板７および再帰反射部材４には開口ＯＰが設けられ、開口ＯＰの下、再帰反射部材４の外側（裏側）にあたる位置に光源側偏光板６が配置され、光源１は、光源側偏光板６の下に設置されている。

ここで、光源側偏光板６は、光源１から発光した光を直線偏光に変換するものである。偏光板６は、吸収型偏光板であっても、反射型偏光板であってもよい。第１のハーフミラー２Ｐは、反射型偏光板（例えばワイヤーグリッド）であり、偏光板６から出光した直線偏光に対し、振動方向が平行な光は反射し、振動方向が垂直な光は透過する配置（第１配置）に、配置可能な構成を有する。例えば、光源側偏光板６からＳ偏光が出光する場合、第１のハーフミラー２Ｐは、上記の配置では、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する。光源側偏光板６からＰ偏光が出光する場合、第１のハーフミラー２Ｐは、上記の配置では、Ｐ偏光を反射し、Ｓ偏光を透過する。

図５で見ると、光源１からの光は光源側偏光板６により、例えばＳ偏光に変換される。この光は、上述のように配置された第１のハーフミラー２Ｐにより反射され、一部は第２のハーフミラー３を透過して１／４波長板７に入光する。Ｓ偏光は、１／４波長板７を透過する際、円偏光に変換されるが、再帰反射して再度１／４波長板７を透過する際、Ｐ偏光に変換される。そのため、第１再帰反射光ＲＲ１は、第１のハーフミラー２Ｐを透過して、第１の実像Ｓ１を結像する。同様にして、第２〜第ｎの実像が結像される。他方、図の左側で、第２のハーフミラー３により反射される光は、Ｓ偏光のままである。そのため、光源側偏光板６と第１のハーフミラー２Ｐの偏光軸が直交する条件で観察すると、完全に遮光され、光軸がずれる斜め方向から観察した場合にも、通常のハーフミラーを使用した場合に比べて虚像は暗くなり、実像の視認性を向上することができる。本実施形態では、偏光板６、第１のハーフミラー２Ｐおよび１／４波長板７を含む光学系が空中像強調手段となる。

なお、反射型偏光板２Ｐの配置は、上の配置には限定されない。
（１）上記の配置においては、光源１の前（上）に配置した偏光板６の透過軸と、第１のハーフミラーとして機能する反射型の偏光板２Ｐの透過軸は直交している。この構成では、光源１から発する光は第１のハーフミラー２Ｐにおいて反射されるため、観察者には光源１は見えず、空中像Ｓ１．．．．．Ｓｎをより明確に認識できる。

（２）他方、光源側偏光板６の透過軸と、第１のハーフミラー（反射型偏光板）２Ｐの透過軸を直交させず、直交角以外の適切な角度（例えば５〜４５度程度の角度）をとる構成としてもよい。この構成では、光源側偏光板６の透過軸と、第１のハーフミラー２Ｐの透過軸がなす角度を変化させることにより、第１のハーフミラー２Ｐが透過する光と、反射する光の割合（強度比）を変化させることができる。その結果、第１のハーフミラー２Ｐを透過する光は光源の実像として認識され、一旦反射される光は空中像を形成するため、光源像と空中像の明るさを調整することができ、例えば、光源像を、空中像の浮遊高さを強調する手段として利用することができる。

（３）また、空中像表示装置１００が、（図示しないが）第１のハーフミラー（反射型偏光板）２Ｐ、もしくは光源側偏光板６の偏光軸を回転する機構を備えていてもよい。これにより、光源１の前に配置した光源側偏光板６の透過軸と、反射型の偏光板２Ｐの透過軸のなす角度が可変となり、光源１の像と、空中像の明るさの比を切り替えたり、連続的に変化させることが可能となる。

上記の構成の空中像表示装置において、透光性の基体の両面にハーフミラー層を設けた両面ハーフミラーを用いてもよい。例えば、図６Ａに示す空中像表示装置１００は、図３に示した第１実施形態の変形例として、透光性の基体２３ａと、基体の片面に形成された第１のハーフミラー層２３ｂと、基体の他面に形成された第２のハーフミラー層２３ｃとを有する両面ハーフミラー２３を備える装置である。再帰反射部材４は、第２のハーフミラー層２３ｃの背面に設置され、第２のハーフミラー層２３ｃと、再帰反射部材４に設けられた開口ＯＰに光源１が配置されている。空中像強調手段としては、光源の左側、第１のハーフミラー層２３ｂ上に、遮光部材５が設けられており、観察者ＶＥが左上から観察した場合、遮光部材５によって光源１の下方の虚像が見えなくなる。なお、第３実施形態の変形例の場合には、図６Ａで、第１のハーフミラー層２３ｂおよび／または第２のハーフミラー層２３ｃをダイクロイックミラーとすればよい。その場合には、遮光部材５を設けなくてもよい。

図６Ｂに示す空中像表示装置１００は、図５に示した実施形態の変形例として、両面ハーフミラー２３の、第２のハーフミラー層２３ｃの外側に、１／４波長板、および再帰反射部材４を配置し、第２のハーフミラー層２３ｃ、１／４波長板、および再帰反射部材４に設けた開口の下に偏光板６を介して光源１を配置している。図６Ｂの実施形態では、第１のハーフミラー層２３ｂは、反射型の偏光板としての特性を有し、観察者ＶＥが左上から観察した場合、図５で説明したものと同様のプロセスにより、空中像の視認性が強調される。いずれの変形例においても、両面ハーフミラー２３を用いた場合の実像の結像プロセスは、各実施形態について説明したものと、ほぼ同様であるが、両面ハーフミラー２３を使用する場合、以下の利点がある。

ハーフミラーが一定の厚みを有する場合、ハーフミラー面の反対面によるフレネル反射によって意図しない空中像が結像される。ハーフミラーを薄型化することによりその影響を抑制することはできるが、その場合、フィルム強度が低下し、所定の平面特性を安定して維持できない場合がある。両面ハーフミラー２３では、ハーフミラー層２３ｂ、２３ｃを薄く形成した場合にも、基体２３ａにより構造は安定するので、フレネル反射の影響を低減する上で有効である。さらに、表示装置に荷重がかかるような箇所（たとえば後述するスカッフプレートなど）に配置をした場合、前記第１のハーフミラーおよび第２のハーフミラーの間が空間として空いている構造では強度的に弱くなるが、基体２３ａを用いることにより、強度を増すことができる。ここでハーフミラー層は、基体の表面に積層貼着されたフィルムであってもよいが、金属蒸着などにより、基体の表面加工を行って形成された層であってもよい。

本発明の空中像表示装置の第２の構成は、光源と、第１のハーフミラーと、前記第１のハーフミラーに対向する反射面を有する全反射ミラーからなる発光部と、前記発光部から発光された光源の実像を空中に結像する結像光学系とを備え、前記発光部を観察者から視認されない位置に支持する支持手段とを備えた空中像表示装置である。この構成では、前記支持手段が、空中像強調手段の役割を持つ。

図７は、発光部１０の構成の一例を示す図である。ここでは、第１のハーフミラー２０と、全反射ミラー９が対向配置され、全反射ミラー上に光源１が設置されている。光源からの光ＤＬに加え、全反射ミラー９で一回〜Ｎ回反射された光が出光する。

［第５実施形態］
図８は、上記第２の構成の空中像表示装置１００に係る第５の実施形態を示す図である。発光部を構成する第１のハーフミラー２０、光源１および全反射ミラー９は、支持体１１に収納され、観察者には見えない配置となっている。この例では、この支持体１１が空中像強調手段の役割を果たす。第２のハーフミラー２１は、上側に配置され、これに所定角度で再帰反射部材４０が対置され、両者の間に直接光ＤＬ、第１〜第Ｎ反射光が入光する。すると、図１Ａで説明したものとほぼ同様のプロセスで、実像Ｓ０、Ｓ１〜ＳＮとして結像される。

［第６実施形態］
本発明の空中像表示装置の第３の構成は、合わせ鏡構造をとる発光部と、前記発光部を観察者から視認されない位置に支持する支持手段とを備える点は、上記第２の構成（図７，８）と同じであるが、結像光学系に２面コーナーリフレクタアレイを用いている。図９は、この第３の構成の空中像表示装置１００に係る第６の実施形態を示す図である。発光部を構成する第１のハーフミラー２０、光源１、および全反射ミラー９は、第５実施形態と同様、支持体１１に収納され、観察者には見えない配置となっている。第１のハーフミラー２０から出光した直接光ＤＬ、第１〜第Ｎ反射光は、２面コーナーリフレクタアレイ１２に入光する。２面コーナーリフレクタアレイ１２は、直交する鏡面からなるリフレクタを、その一対の鏡面の交線に直交する平面（交線が法線となる平面）に沿って、同じ向きに複数配列した構造を有し、光源の実像を上記平面に対する面対象位置に結像するものである。上記の構成によっても、直接光ＤＬ、第１〜第Ｎ反射光を、実像Ｓ０、Ｓ１〜ＳＮとして結像することができる。

［第７実施形態］
本発明の空中像表示装置１００の第１の構成を、階段、車両のスカッフ等のステップ状の構造の照明装置として用いてもよい。図１０Aは、このような照明の基本原理を示す図である。観察者は、図の右上の位置から空中像を見るものとする（図１０Ｂ〜図１３Ｂ、図１９でも同じ）。段差状の構造では、人の足が乗る第１ステップ部ＳＴ１と、ステップ部ＳＴ１から直立して立ち上がる段差部Dと、段差部上の第２ステップ部ＳＴ２を備える。その際、光源１は、段差部Ｄの背後で第２ステップ部ＳＴ２の下部に配置されており、再帰反射部材４も段差部の背後に配置され、段差部Ｄのウィンドウには、ハーフミラー２が設置されている。図１０Aの形態では、ハーフミラー２は鉛直面に平行に配置され、再帰反射部材４は鉛直面に対し、所定の角度をなして配置されている。

光源１から発散した光は、図１について説明したようにして、実像Ｓを結像するが、一部はハーフミラー２を透過し、発散した状態で第１ステップＳＴ１に照射される。図で符号P及び破線で示したのは、光源から第１ステップＳＴ１への投影領域で、この領域およびその周囲が照明される。このようにして、本実施形態では、光源からの光が空中像Ｓを結像するとともに、第１ステップＳＴ１の広い範囲に照射され、足元の照明としての機能も備える。光源１の上には遮光性部材からなる第２ステップ部ＳＴ２が張り出していることから、低角で観察しないかぎり、光源１は観察されず、また光学系の配置により、虚像の観察も避けることができる。従って、ここでは、第２ステップ部ＳＴ２が主に空中像強調手段の役割を果たす。

図１０Ｂは、図１０Ａに示す実施形態の変形例を示す図であり、再帰反射部材４は、ハーフミラー２に平行な面（鉛直面）４ａと、垂直な面（水平面）４ｂとを含むL字状の断面を有しており、図の実施形態では、さらにこの二つの面４ａ、４ｂをつなぐ曲面４ｃを有する。図１０Ａに示すように、平板状の再帰反射部材４をハーフミラー２に対して傾斜させて配置した場合、再帰反射部材４と空中像Ｓ１の距離を近くできるため、明るくボケの少ない空中像を観察できる。但し、再帰反射部材４を正視するような角度で視認すると、フレネル反射による虚像が観察される。これに対し、再帰反射部材４を面４ａ、４ｂを直角でつないだ断面Ｌ字状形態とした場合（後述の図１２Ａ参照）には、低角で視認した場合にも、虚像の観察を避けることができる。但し、再帰反射部材４の面４ａからの再帰反射光と面４ｂからの再帰反射光では、入射角度の違いから再帰反射の反射率が異なるため、コーナーを視認する角度では、空中像Ｓの面４ａに重なる部分と面４ｂに重なる部分で明るさが異なり、再帰反射部材４の両面４ａおよび４ｂの境界線が明確に視認され、表示品位が低下する。そのため、図１０Ｂの実施形態では、コーナー部４ｃを湾曲面として再帰反射部材を連続させることにより空中像の境界線をなくし、表示品位の低下を防いでいる。

図１０Ｃは、図１０Ａに示す実施形態の別の変形例を示す図である。この変形例では、再帰反射部材４は、湾曲した断面形状を有する。この変形例では、視認角度によって虚像が観察されるが、図１０Ａに示す実施形態に比べ、虚像を暗くでき、かつぼやけさせることができる。再帰反射部材４の形状を平板状、断面Ｌ字状、湾曲面状のいずれとするかについて、また平板状とする際の傾斜角度については、光学系を配置する部分の寸法設計や、通常の使用時における視認角度に応じて適宜選択される。

空中像Ｓの輝度と、ステップ照明の輝度はハーフミラー２の透過率を調整することにより、調整することができる。例えば、ハーフミラー２の透過率を上げると、第１ステップを照射する照射光の輝度が増加し、空中像の輝度は低下する。ハーフミラー２の透過率の調整は、例えば基板上に蒸着される金属膜の厚さの調整などによって行うことができる。

図１１Ａ，１１Ｂは、上記第７実施形態の光学部材の組み合わせの変形例を示す模式断面図である。図１１Ａに示す第１変形例では、光源１が発光色の切り替え機能を有している。たとえば、光源１に青色ＬＥＤと赤色ＬＥＤを配置して赤青の発光色を切り替えてもよい。光源１の前面には、発光色により透過部分が切り替わるシート１５が配置されており、第１の発光色では、第１の透過部Ｔ１を透過した光が第１の空中像Ｓ₁を形成し、第２の発光色では、第２の透過部Ｔ２を透過した光が第２の空中像Ｓ₂を形成する。

第２の変形例として、図１０Ａ〜Ｃに示す構成において、光源１Ｄが画像や文字を発光表示するディスプレイからなり、画像・文字の切り替えをディスプレイの表示により行うこととしてもよい。必要に応じ、ディスプレイには画像や文字を動画として表示してもよい。光源１Ｄには、例えばＬＥＤディスプレイや、液晶ディスプレイを用いることができる。後者の場合、空中像Ｓは鮮明となるが、第１ステップの照明は弱くなる。

第３の変形例として、図１０Ａ〜Ｃに示す構成において、再帰反射部材４の前面に図１０Ａで二点鎖線で示すカラーフィルム１６を配設してもよい。例えば、光源１を白色光源とすると、ハーフミラー２を透過して第１ステップに照射される光は白色光であるが、空中像Ｓはカラーフィルム１６を透過した光が結像するため着色される。

第４の変形例として、図１０Ａ〜Ｃに示す構成において、ハーフミラー２Ｄとしてダイクロイックミラーを配設してもよい。ハーフミラー２Ｄを一回透過して第１ステップに照射される照射光と、ハーフミラー２Ｄで１回反射されて再帰反射した後、ハーフミラー２Ｄを透過して結像される空中像Ｓでは色調が異なるものとなる。第３変形例のカラーフィルム１６、第４変形例のダイクロイックミラー２Ｄは、空中像強調手段としての機能も備えることとなる。

図１１Ｂに示す第５変形例では、再帰反射部材４の前面に１/４波長板７が設置され、光源の前面にはP波のみ透過する偏光板１７が配置され、偏光板１７には、空中像Ｓとして表示すべき文字またはパターンに対応する切り抜きが設けられている。ハーフミラー２Ｐは、偏光反射ハーフミラー（反射型偏光板）からなり、P波を透過し、Ｓ波を反射するよう構成されている。この構成では、光源１の全面から出た光のP波成分がハーフミラー２Ｐを透過して第１ステップに照射される。ここで、偏光板１７を透過した光ＬＰはＳ波成分がないのでハーフミラー２Ｐで反射されず、空中像Ｓの結像には寄与しない一方、偏光板１７の切り抜き部を透過したＳ波成分を含む光Ｌは、ハーフミラー２ＰでＳ波成分が反射され、再帰反射部材４に入射し、再帰反射される過程で、１／４波長板を２回透過してＰ波に変換され、ハーフミラー２Ｐを透過して空中像Ｓを結像する。

なお、図１０Ａ，１１Ａ，１１Ｂでは、ハーフミラー２に対し傾斜した再帰反射部材４が示されているが、図１０Ｂに示す断面Ｌ字状の再帰反射部材４や、図１０Ｃに示す湾曲した再帰反射部材４を用いる場合にも、上記の構成は適用できる。上記の説明において、ハーフミラー２が段差部Dに配置され、光学系が第２ステップＳＴ２の下に配置され、第１ステップＳＴ１の照明を行う構成について説明したが、光学系を配置する収納体の構成については適宜変更が可能である。また、階段等の多段構造において、各段ごとに上記光学系を配置してもよく、段差部が横長の場合には、横方向に複数の光学系を並べて配置してもよい。

［第８実施形態］
上記第７実施形態のさらなる変形例として、第２のステップ部の下に全反射ミラーを配置し、光源からの光を全反射ミラーで反射し、これを光源としてハーフミラーを透過した光で下のステップを照射し、ハーフミラーで反射し、再帰反射した光によって、空中像を結像してもよい。この場合、空中像が形成される高さは、全反射ミラーによる鏡像（虚像）の（見かけの）高さと同じとなるので、コンパクトな装置構成で、高い位置に空中像を形成することができる。

図１２Ａ〜１２Ｂは、第８実施形態の空中像表示装置の光学系１００ａの結像原理を説明するための概略的な断面図である。図１２Ａで、全反射ミラー９は水平に設置され、水平の発光面１ａを有する光源１が対置されている。光源１の鏡像（虚像）ＦＩは、全反射ミラー９の反射面に対して面対称となる位置に見かけ上存在する。全反射ミラー９に対し垂直にハーフミラー２が設置されており、ハーフミラー２に平行な面４ａと垂直な面４ｂを有する、断面Ｌ字状に配置された再帰反射部材４がハーフミラー２に対置されている。全反射ミラー９からの反射光は、一部ハーフミラー２を透過して下方（ステップ面：図示せず）に照射されるが、ハーフミラー２で反射された光は、再帰反射部材４で再帰反射され、ハーフミラー２を透過して空中像Ｓを形成する。

上記の構成の光学系１００ａによれば、例えば文字情報などを空中像として表示する場合に、水平に空中像が表示され、これを見下ろす観察者にとって、浮き上がり感がより顕著になる。但し、空中像表示装置を図１２Ａに示す構成とした場合、観察者ＶＥが水平面に対し高角度で見下ろす場合、全反射ミラー９からの反射光が光源１自体に遮られ、空中像Ｓの観察に支障をきたす場合がある。

図１２Ｂに示す変形例の光学系１００ａにおいては、全反射ミラー９は、水平面Ｈから所定の角度θだけ、ハーフミラー側に傾いており、ハーフミラー２側が、再帰反射部材側よりも低くなっている。図でφ、εはそれぞれ空中像が途切れずに視認される小角側および広角側の限界角であり、ηは実光源が視認されない限界角である（φ、ε、ηのいずれも、直上から見下ろした場合を０度とする、鉛直方向からの角度である）。全反射ミラー９を傾けた場合、ハーフミラー２を設置し得る高さは低くなるので、空中像が途切れずに視認できる限界の角度εは小さくなるが、実光源が視認されない限界角ηを大きくすることができる。ηとεには、η＝ε＋２×θの関係が成り立つ。光源１の発光面１ａは、全反射ミラー９の反射面９ａに対し水平ではなく、所定の角度ω傾けて設置されている。ここで空中像が水平面となす角度をδとすると、ω＝δ+θがなりたつ。この構成で、角θと角ωを適切に調整することによって、（水平面に対し）高角度で見た場合も、光源１で視認を妨げられることがなく、低角度で見た場合にも光源１の視認を避けることができ、視認範囲の自由度が大きくなる。

上記の角θは０〜４５度であることが好ましく、０〜２０度であることがより好ましい。空中像が水平面となす角度δは、０〜４５度であることが好ましく、０〜２０度であることがより好ましい。小角側の視認限度φは１０〜２５度程度が好ましく、広角側の視認限度εは４０度以上であることが好ましい。実光源が見えない角度η＝ε＋θ×２は６０度以上あることが望ましい。これらの角度は、空中像表示装置のサイズや使用形態によって、適宜調整できる。

図１３Ａ、Ｂは、上記の光学系を有する空中像表示装置１００の配置形態の一例を示す図である。図１３Ａの配置では、第７実施形態で示したものと同様、ハーフミラー２を第１ステップ面から立ち上がる段差部Ｄに配置して、空中像Ｓの結像とステップＳＴ１の照明に用いている。あるいは、図１３Ｂの配置に示すように、空中像表示装置１００は第１１ステップＳＴ１より上に張り出したスペースに配置してもよい。本実施形態では、全反射ミラー９に映る虚像（ＦＩ）を光源とするため、コンパクトなスペースに空中像表示装置１００を配置することが可能である。

なお、上記の第７実施形態について述べた各変形例は第８実施形態に適用することができる。図１２Ａ〜１２Ｂでは、簡略化のため、再帰反射部材４は断面で直角状のコーナーを有するものとしているが、図１０Ｂで示したものと同様、曲面状のコーナーを有するものとしてもよい。

以下、本発明の空中像表示装置に使用される各部材について説明する。
［光源］
ここで使用される光源は特に限定されず、電球の利用も妨げないが、設置スペースが限られる条件下では、発光ダイオード（ＬＥＤ）が好適に利用できる。例えば、複数の発光体が所定間隔で配置された光源としては、市販のＬＥＤテープを用いてもよい。例えば（株）ルーチ製フラットフレックスや、林テレンプ製ＬＥＤ−ＡＳＳＹを使用することができる。青色ＬＥＤと赤色ＬＥＤ等、発光色の異なるＬＥＤ光源を組み合わせて用いてもよい。また、液晶表示装置やＬＥＤ表示装置等の画像表示装置を光源としてもよい。

［ハーフミラー］
通常のハーフミラーとしては、無機ガラスやアクリル等の有機ガラスの表面に、錫、銀等の金属薄膜を蒸着したものを使用することができ、市販品を用いてもよい。両面ハーフミラーの場合、所望の厚みの透明基材の両面に、金属薄膜を蒸着した物を用いてもよい。

［ダイクロイックミラー］
ダイクロイックミラーは、ガラス等の透明基板の表面に、誘電体多層膜を形成することにより得られるものであり、所望の色調に応じて市販品を用いることができる。例えば菱晃製 増反射ミラーを用いることができる。

［反射型偏光板］
反射型偏光板としては、Ｐ偏光とＳ偏光の直線偏光を分離する偏光板が用いられ、一軸延伸誘電体多層板やワイヤーグリッド偏光板を用いることができる。例えば、３Ｍ社製ＤＢＥＦ、旭化成（株）製ＷＧＦなどを用いることができる。

［吸収型偏光板］
光源の光を直線偏光に変換する偏光板としても、反射型偏光板を用いてもよいが、吸収型偏光板を用いてもよい。吸収型偏光板としては、延伸したポリビニルアルコール（ＰＶＡ）フィルムを染色したものや、これに補強フィルムを加えたものなどが各種市販されている。例えば（株）サンリッツ製ＨＬＣ２を用いてもよい。

［１／４波長板］
１／４波長板も、特に限定されず、各種市販品を用いることができる。例えば帝人（株）製ピュアエースを用いてもよい。

［再帰反射部材］
再帰反射部材（再帰性反射部材）は、入射光をほぼその光路に沿った方向に反射するものである。再帰反射部材としては、プリズム型の再帰反射部材や、マイクロビーズ型の再帰反射部材のシートが各種市販されており、例えば日本カーバイド工業（株）製ＲＦ−ＡＮ、日本カーバイド工業（株）製ニッカライトＥＧなどを用いることができる。

[カラーフィルム]
再帰性反射部材の前に配するカラーフィルムとしては、各種市販の着色フィルムを用いることができる。カラーフィルムはプラスチック膜であってもよく、あるいは薄板状の着色ガラスであってもよい。

車両用照明装置
本発明の空中像表示装置は、車両用照明装置として利用することができる。例えば、上述の本発明に係る空中像表示装置を筐体に収納し、筐体の開口部から、空中像を投影させる構成としてもよい。
図１４Ａ、１４Ｂは、車両用照明装置２００の一実施形態を示す斜視図および断面図である。なお、図１４Ｂおよび、以下の図１５〜１６では、観察者は右下から実像を視認するものとする。
図１４Ａ、１４Ｂに示す例では、空中像表示装置２００は、長手方向に延びる筐体１３に収納されている。筐体１３は、底面１３ａと、該底面１３ａの両側の側壁１３ｂと、該底面１３ａに対向する開口部１３ｃを有する（図では、開口部１３ｃを下にして置かれた状態を示している）。筐体の側壁１３ｂには、長手方向に複数の発光体が配置された光源（例えばＬＥＤテープ）１が配置されており、電源（図示せず）に接続されている。この光源１をはさむ形で、開口側には第１のハーフミラー２が、底面側には、第２のハーフミラー３が配置され、該第２のハーフミラー３と、底面１３ａとの間に再帰反射部材４が配置されている。光源が配置された側の側壁近傍において、第１のハーフミラー２の内側には、遮光部材（黒色紙、カーボンテープなど）５が、配置されており、側壁１３ｂからの反射を避けるため、光源１に対向する側壁１３ｂにも、遮光部材５０が配置されている。図のように、第１のハーフミラーの外側にカバー部材１４を設置してもよい。この車両用照明装置によれば、図２で説明したプロセスにより、各光源より、開口から離間する方向に配列した複数の実像Ｓ１〜Ｓ４が空中に結像される。

図１４Ｃ、１４Ｄは、上記の車両用照明装置で使用される遮光部材５の構成について説明するための図であり、開口部側から見た光源１に対する遮光部材５の配置を示している。
遮光部材５は、図１４Ｃのように、幅一定のテープ状であってもよいが、その場合、観察方向によって、遮光される範囲が異なるために、一部の実像の視認も阻害される場合がある。そのため、図１４Ｄに示されるように、各光源１の位置において、側壁１３ｂに沿った底辺を有する略半円形の遮光部材５を設けてもよい。

図１５は、上記の車両用照明装置２００の構成の変形例を示す模式断面図である。この例では、開口側の第１のハーフミラー層２３ｂと、底面側の第２のハーフミラー層２３ｃとを有する両面ハーフミラー２３が用いられ、遮光板５はカバー部材１４の内側に配置されている。この図では、光路の図示は省略するが、図１４Ｂと同様に、実像Ｓ１〜Ｓ４が結像される。

図１６は、車両用照明装置２００の構成の別の変形例を示す模式断面図である。この構成では、第２のハーフミラーをダイクロイックミラー３Ｄとしている。図４Ｃで説明したことと同様に、ダイクロイックミラー３Ｄで反射が行われる毎に、光の波長別強度分布は変化するので、Ｓ１からＳ４にかけて、色調が段階的に変化する実像を結像させることができる。

図１７は、上記の実施形態の照明装置２００を自動車のルーフライニングＲＦに配置した場合の効果を模式的に示す図である。図のように、天井ＲＦから下方へ（場合によっては色調を変化させながら）配列する複数の実像Ｓを長手方向に複数列形成することができ、車内装飾の意匠性向上の効果が高い。

図１８は、本発明の車両用照明装置を乗降口下部のサイドシルを覆うスカッフプレートＳＰに用いた場合の効果を模式的に示す図である。
図１８に示したように、光源を再帰性反射部材の外側に配置する場合（例えば図５、６）において、文字状のパターン（例えば自動車のロゴのパターン）を光源に付与した場合、空中に文字ＴＳを結像させることができ、スカッフプレートの意匠性を向上することができる。同様に、空中に任意の画像パターンを結像させることもできる。その際、上述の各実施形態における空中像強調手段を用いて、虚像は視認されないものとするか、実像ＴＳと虚像ＴＦを明瞭に区別し得るものとすることができる。

図１９は第７実施形態で記載した空中像表示装置１００を車両用照明装置として、乗降口に用いる例を示す概念図である。ここでは、乗降口のステップ（第1ステップ）ＳＴ１とフロア（第２ステップ）ＳＴ２をつなぐ段差部Ｄにハーフミラー２が設置され、その背後のスペースに光源や再帰反射部材が収納されている。搭乗者ＰＡがドア１８を開けると、空中像が表示されるとともに、ステップＳＴ１が照明される。このような装置を用いると、図２０Ａ、２０Ｂに示すように、ドア開閉時に表示切り替えを行うことができる。

図２０Ａは、ドア１８を開ける途中の状態を示し、ハーフミラー２を透過した光がステップＳＴ１の被照明部位（破線で示す）を照らすとともに、待機を要求する表示が、赤色の空中像Ｓ（ＷＡＩＴ）として表示される。ドアを開き終わると光源の表示が切り替わり、青色の空中像Ｓでロゴマークが表示される（図２０Ｂ）。この構成では、足元のステップＳＴ１を照明する照明装置としての機能と、ロゴマーク等を表示するプレートの機能を空中像表示装置が併せ持つとともに、表示の切り替え機能を備えたものとすることができる。

本発明の空中像表示装置、およびこれを用いる車両用照明装置については、上記の説明で記載したもの以外にも、各種の変形例を実施可能である。例えば、空中像強調手段は、それぞれ一個に限定されるわけではなく、車両用照明装置について図示したように、複数の手段を組み合わせて用いてもよい。車両用照明装置の用途は、ルーフやスカッフプレートには限定されず、ドアトリムの加飾部材等に用いてもよい。また空中像表示装置の用途は、車両の照明に限定されるものではなく、航空機や船舶、室内や屋外施設における照明などに利用可能である。たとえば、第７、第８実施形態で説明したステップ照明と、空中像表示の機能を併せ持つ装置は、屋内や屋外の階段、映画館や劇場、スタジアムの客席、その他、段差状の構造を有する部分において適宜利用可能である。

［素材］
以下の実施例１〜４において、ハーフミラーシートとしては、（株）菱晃社製アクリミラー、厚さ１．５ｍｍ、および（株）菱晃社製ＰＣミラー０．５ｍｍ、再帰反射シートとしては日本カーバイド工業（株）製ＲＦ−ＡＮを、１／４波長板としては帝人（株）社製ピュアエースを、反射型偏光板としてはワイヤーグリッドからなる３Ｍ社製ＤＢＥＦを、光源側偏光板としては旭化成製ＷＧＦを用いた。ダイクロイックミラーとしては、１種類目として水色の光（波長４００〜６００ｎｍの光）を反射し、２種類目として橙色の光（波長５７０〜８００ｎｍの光）を反射する（株）菱晃製増反射ミラーを使用した。図２１に２種類のダイクロイックミラーの光透過率の波長依存性を示すグラフを示す。光源として実施例１、２、４では、白色光を発するＬＥＤを所定間隔約１８ｍｍで配置したＬＥＤテープ林テレンプ製ＬＥＤ−ＡＳＳＹを使用し、実施例３では林テレンプ製５．７インチバックライトユニットを使用した。

［実施例１］
再帰反射シート上に、ハーフミラーシートを載置し、その上に光源としてＬＥＤテープを載置し、テープに沿って片側に、黒色紙を設置した。スペーサを置いて、下部のハーフミラーシートに反射面を対向させたハーフミラーシートを設置し、ＬＥＤテープに通電して観察を行ったところ、遮光部材を設置した側からは、ハーフミラーシートから立ち上がる空中像の列のみが観察された。

［実施例２］
実施例１で用いた構成に対し、上部ハーフミラー上にダイクロイックミラーを設置して観察を行った。ダイクロイックミラーから離間するにつれて、１種類目のダイクロイックミラー１を用いた場合には濃い青色、２種類目のダイクロイックミラー２を用いた場合には、濃い橙色に色調が変化する実像が観察された。

［実施例３］
ＬＥＤ製発光体の表面に遮光板の切り抜きによる文字パターンを設け、その上に、偏光板を設置し、発光をＳ偏光とした。この上に、開口（図５のＯＰ）を設けた再帰反射シート、１／４波長板、ハーフミラーシートを設置し、スペーサにより間隔５〜２０ｍｍを設けて、ワイヤーグリッドからなる反射型偏光板を設置した。反射型偏光板を回転させながら観察したところ、所定位置において、光源および虚像が消光し、実像のみが観察された。

［実施例４］
厚み２ｍｍのアルミニウム板を使用し、底面の幅３０ｍｍ、側面の高さ１５ｍｍの長手の筐体（図１１Ｂの１３）を作製した。筐体の底面に沿って、厚さ０．３ｍｍの再帰反射シートを配し、その上に厚さ１．５ｍｍのハーフミラーシートを設置した。このハーフミラー近傍において、筐体の側面に沿ってＬＥＤテープを配置した。ついで、筐体の開口に厚さ０．５ｍｍのハーフミラーシートを設置し、厚さ１．５ｍｍのスモーク板をカバー部材として設置し、車両用照明装置とした。開口側のハーフミラーの内側には、幅３〜５ｍｍの黒色テープを、光源の直視を避ける遮光部材として配置した。この照明装置を筐体の底面を上にして車両の天井に設置し、観察を行ったところ、下方へ向けて複数の実像が連なる空中像の列が、長手方向に沿って複数列配列したパターンが観察された。

本発明の空中像表示装置によれば、配置スペースに制約のある条件でも光学系から離れた空中の位置に実像を結像することができ、また光源や虚像に対する実像の視認性を強調することができる。そのため、車両用照明装置などにおいて、意匠性を向上することができ、その他の乗り物、屋内、屋外の施設において、新たな照明デザインを可能とすることができる。

１ 光源
１ａ 発光面
２、２Ｄ、２Ｐ 第１のハーフミラー
３、３Ｄ 第２のハーフミラー
４、４０ 再帰反射部材
５、５０ 遮光部材
６ 光源側偏光板
７ １／４波長板
８ 拡散反射板
９ 全反射ミラー
９ａ 反射面
１０ 発光部
１１ 支持体
１２ ２面コーナーリフレクタアレイ
１３ 筐体
１４ カバー部材
１５ 選択的透光シート
１６ カラーフィルム
１７ 偏光板
２０ 第１のハーフミラー（第２の構成）
２１ 第２のハーフミラー（第２の構成）
２３ 両面ハーフミラー
２３ａ 基体
２３ｂ 第１のハーフミラー層
２３ｃ 第２のハーフミラー層
１００ 空中像表示装置
１５０ 照明構造
２００ 車両用照明装置
Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓｎ、ＳＮ、Ｓ、Ｓ_１、Ｓ_２ 空中像
Ｆ１、Ｆ２、ＦＮ、ＦＩ 虚像

Claims (18)

1. 少なくとも一個の光源と、
   前記光源の実像を結像させる光学系とを備え、
   該光学系は、表面側に配置されたハーフミラーと、
   前記ハーフミラーに対置されて、裏面側に配置された再帰反射部材とを有し、
   前記ハーフミラーの外方に、前記実像を結像させる、空中像表示装置であって、
   前記実像に前記光源とは異なる光学的特性を付与するか、または前記光源の虚像の生成を防止する、
   空中像強調手段を備えた空中像表示装置。
2. 請求項１に記載の空中像表示装置において、前記空中像強調手段として、前記光源および前記虚像の視認を防ぐ遮光板を備える装置。
3. 請求項１または２に記載の空中像表示装置において、前記ハーフミラーが前記空中像強調手段を形成するダイクロイックミラーを備え、前記実像に、前記光源から発光される光とは異なる色調を付与する、空中像表示装置。
4. 請求項１または２に記載の空中像表示装置において、
   さらに前記光源上に配置され、前記光源から発光された光を直線偏光に変換する光源側偏光板と、
   前記ハーフミラーと前記再帰反射部材との間に配置された１／４波長板とを備え、
   前記ハーフミラーは、反射型の偏光板からなり、
   前記光源側偏光板と、前記１／４波長板と、前記反射型の偏光板とが、前記空中像強調手段を構成し、
   前記反射型の偏光板は、前記光源側偏光板を透過した後、該反射型の偏光板で反射されて前記１／４波長板に入射し、これを透過して、再帰反射部材で反射され、再度１／４波長板を透過して入射方向に戻る光は、透過するよう配置されている空中像表示装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の空中像表示装置において、前記光学系表面側のハーフミラーと、前記再帰反射部材との間に配置される、裏面側のハーフミラーをさらに備え、一つの光源に対して複数の実像を結像する、空中像表示装置。
6. 請求項５に記載の空中像表示装置において、透光性の基体と、前記基体の両面上に設けられたハーフミラー層とを備え、一方のハーフミラー層が前記表面側のハーフミラーを構成し、他方のハーフミラー層が前記裏面側のハーフミラーを構成する、空中像表示装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の空中像表示装置において、前記光源が、前記再帰反射部材の外側に配置されており、前記再帰反射部材および、前記再帰反射部材と前記表面側のハーフミラーの間で該表面側のハーフミラーに対置される光学部材に開口領域が設けられている空中像表示装置。
8. 請求項１から４のいずれか一項に記載の空中像表示装置であって、
   前記表面側ハーフミラーを鉛直に配置し、前記再帰性反射部材の第２の面を水平に配置した際、上向きに空中像を結像するとともに、下方を照明する空中像表示装置。
9. 請求項８に記載の空中像表示装置であって、前記再帰反射部材が、前記表面側ハーフミラーに平行な第１の面と、前記表面側ハーフミラーに垂直な第２の面と、前記第１の面と第２の面をつなぐ曲面状の第３の面を有する空中像表示装置。
10. 請求項８または９に記載の空中像表示装置であって、空中像の形態および／または色彩の切り替え機能を有する空中像表示装置。
11. 請求項８から１０のいずれか一項に記載の空中像表示装置であって。前記再帰反射部材の表面側に、透過光を着色するカラーフィルムが配設されている空中像表示装置。
12. 請求項８から１１のいずれか一項に記載の空中像表示装置であって、前記再帰反射部材に対置される反射面を有する全反射ミラーをさらに備え、前記光源の発光面は、前記全反射ミラーの反射面に対向配置されており、該光源より出光して前記全反射ミラーで反射された光により、空中像の結像が行われる、空中像表示装置。
13. 請求項１２に記載の空中像表示装置であって、前記ハーフミラーを鉛直に配置したとき、前記全反射ミラーが水平面から０〜４５度、前記ハーフミラー側に傾斜している、空中像表示装置。
14. 車両用照明装置であって、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の空中像表示装置と
    筐体底面、筐体開口部、および側壁を有し、前記空中像表示装置を収納する筐体とを備え、
    前記光源は、前記表面側のハーフミラーと、前記再帰反射部材の間の位置において、前記筐体の側壁近傍に配置されており、
    前記筐体開口部の外側に、前記光源の前記実像が結像される車両用照明装置。
15. 請求項１４に記載の車両用照明装置であって、
    前記筐体の長手方向に沿って、複数の前記光源が配置されており、
    各光源の近傍において、前記表面側ハーフミラー側に、前記側壁に沿った底辺を有する、略半円形状の遮光板が配置されている車両用照明装置。
16. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の空中像表示装置を含む
    車両用照明装置であって、
    第１のステップと、第２のステップと、前記第１のステップと第２のステップの間の段差部とを備え、
    前記空中像表示装置の光学系が前記第２のステップの下に配置され、前記表面側ハーフミラーが、前記段差部に嵌め込まれており、上向きに空中像を表示するとともに、前記第１のステップの照明を行う、車両用照明装置。
17. 光源と、
    第１のハーフミラーと、前記第１のハーフミラーに対向する反射面を有する全反射ミラーと、
    前記第１のハーフミラーを透過した光が照射される位置に配置された第３のハーフミラーと、
    前記第３のハーフミラーに対向する反射面を有する再帰反射部材と、
    前記光源の虚像の生成を防止する空中像強調手段とを備え、
    前記再帰反射部材で反射された後、前記第３のハーフミラーを透過する光が、該第３のハーフミラーの外側に実像を結像するように構成されており、
    前記空中像強調手段が、前記第１のハーフミラーと、前記全反射ミラーと、前記光源とを、前記実像を視認する位置から視認されない位置に支持する手段である、空中像表示装置。
18. 光源と、
    第１のハーフミラーと、前記第１のハーフミラーに対向する反射面を有する全反射ミラーと、２面コーナーリフレクタアレイと、
    前記光源の虚像の生成を防止する空中像強調手段とを備え、
    前記第１のハーフミラーを透過し、前記２面コーナーリフレクタアレイで反射された光が、前記光源の実像を結像するように構成されており、
    前記空中像強調手段が、前記第１のハーフミラーと、前記全反射ミラーと、前記光源とを、前記実像を視認する位置から視認されない位置に支持する手段である、空中像表示装置。

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