WO2013054746A1 - 光学システム - Google Patents

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WO2013054746A1
WO2013054746A1 PCT/JP2012/075910 JP2012075910W WO2013054746A1 WO 2013054746 A1 WO2013054746 A1 WO 2013054746A1 JP 2012075910 W JP2012075910 W JP 2012075910W WO 2013054746 A1 WO2013054746 A1 WO 2013054746A1
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WO
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display panel
half mirror
point
mirror layer
angle
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PCT/JP2012/075910
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Inventor
和也 辻埜
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シャープ株式会社
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    • G06F1/32—Means for saving power
    • G06F1/3203—Power management, i.e. event-based initiation of a power-saving mode
    • G06F1/3234—Power saving characterised by the action undertaken
    • G06F1/325—Power saving in peripheral device
    • G06F1/3265—Power saving in display device
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    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/50—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels
    • G02B30/56—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels by projecting aerial or floating images
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    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D10/00—Energy efficient computing, e.g. low power processors, power management or thermal management

Definitions

  • the present invention relates to an optical system capable of forming an image of a projection object in a space.
  • Patent Documents 1 to 3 an optical system that forms an image of a projection object in a space using a reflective imaging element has been proposed (for example, Patent Documents 1 to 3).
  • the optical system has a reflective imaging element and a projection, and an image displayed in space (hereinafter referred to as “aerial image”) is in a plane-symmetric position with the reflective imaging element as a symmetry plane.
  • the image of the projection object is formed.
  • This optical system uses specular reflection of a reflective imaging element, and in principle, the ratio of the size of the image of the projection object and the image projected in space is 1: 1.
  • Patent Document 4 discloses an optical system that can display an aerial image and a planar image displayed by a reflective imaging element by using a reflective imaging element and a half mirror.
  • the viewer may have difficulty recognizing advertisements displayed by the optical system depending on the distance and viewing angle between the viewer and the optical system. .
  • an aerial image is displayed smaller than a planar image, it is difficult to recognize the aerial image depending on the position of the observer, which may hinder understanding of the display content of the planar image.
  • setting the aerial video display device that displays the aerial video to the display state leads to wasted power consumption.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical system having a reflective imaging element or a retroreflective layer with low power consumption.
  • An optical system includes a first display panel, a second display panel, a reflective imaging element, and a half mirror layer, and the reflective imaging element includes the first display panel.
  • the image to be displayed is arranged to form an image on the side opposite to the first display panel side of the reflective imaging element, and the half mirror layer receives light from the display surface of the second display panel.
  • an observer can display an image displayed on the first display panel, and the first display panel.
  • the first display panel is controlled to be turned on / off in accordance with the position of the observer.
  • the half mirror layer is disposed on the viewer side of the second display panel.
  • An optical system includes a first display panel, a second display panel, a first half mirror layer, a second half mirror layer, and a retroreflective layer, and the first half.
  • the mirror layer is emitted from the display surface of the first display panel, reflects light incident on the first half mirror layer, and reflects light reflected by the first half mirror layer to the retroreflective layer.
  • the incident light is transmitted through the light retroreflected by the retroreflective layer, and the second half mirror layer transmits light from the display surface of the second display panel and is retroreflected by the retroreflective layer.
  • the image displayed on the first display panel and the image displayed on the second display panel can be observed in an overlapping manner. So that is configured to, the first display panel, depending on the position of the observer, it is on / off controlled.
  • the second half mirror layer is disposed on the viewer side of the second display panel.
  • the optical system described above further includes a distance measuring sensor, and the distance measuring sensor measures a distance between the distance measuring sensor and an observer, and the first display according to the measured distance.
  • the panel is controlled on / off.
  • an optical system having a reflective imaging element or a retroreflective layer with low power consumption is provided.
  • (A) And (b) is a typical side view of optical system 100A in an embodiment of the present invention. It is a typical top view explaining optical system 100A.
  • (A) And (b) is a schematic diagram explaining the path
  • (A) And (b) is a schematic diagram explaining the problem when the aerial image 15 cannot be visually recognized or is difficult to visually recognize. It is a typical side view of the optical system 100B in other embodiment of this invention.
  • (A) is a schematic side view of an optical system 100C according to still another embodiment of the present invention, and (b) shows an image projected on the display surface of the first display panel 21 formed in the air. It is a typical top view explaining the path
  • FIGS. 1A and 1B are schematic side views illustrating the optical system 100A
  • FIG. 2 is a schematic plan view illustrating the optical system 100A.
  • the optical system 100A shown in FIG. 1A transmits light from the display surface of the first display panel 21, the second display panel 22, the reflective imaging element 10, and the second display panel 22,
  • the first display panel 21 includes a half mirror layer 30 that reflects light emitted from the display surface of the display panel 21 to the reflective imaging element 10 and reflects the light emitted from the reflective imaging element 10. Is formed on the side opposite to the first display panel 21 side of the reflective imaging element 10.
  • an image displayed on the first display panel 21 is imaged in space by the reflective imaging element 10, and an aerial image 15 is obtained.
  • the observer V can visually recognize an image displayed on the second display panel 22 and an image in which the aerial video 15 is combined.
  • the optical system 100A further includes a distance measuring sensor 40.
  • the distance measuring sensor 40 is connected to the first display panel 21, measures the distance d between the distance measuring sensor 40 and the observer V, and the first display panel 21 is in a display state according to the measured distance d. Or non-display state (controlled on / off). Depending on the distance d, the first display panel 21 is in a display state or in a non-display state. For example, when there is no observer, the first display panel 21 can be in a non-display state. This leads to lower power consumption of the optical system 100A.
  • the second display panel 22 and the half mirror layer 30 are preferably disposed on the opposite side of the reflective imaging element 10 from the first display panel 21 side.
  • the half mirror layer 30 is preferably disposed on the viewer V side of the second display panel 22.
  • the distance measuring sensor 40 is preferably disposed on the first display panel 21 side of the reflective imaging element 10, and is preferably disposed on the viewer V side with respect to the first display panel 21.
  • the distance d1 between the distance measuring sensor 40 and the observer V is large and the observer V1 cannot see the aerial image 15 of the optical system 100A or it is difficult to see the distance d1.
  • the first display panel 21 is not displayed by the signal from the distance measuring sensor 40.
  • the distance d2 is based on the signal from the distance measuring sensor 40.
  • the first display panel 21 is not displayed. Specifically, as shown in FIG. 2, when the viewer V is in the viewable area 40a, the first display panel 21 is in a display state.
  • the first display panel 21 is in a non-display state.
  • the visually recognizable area 40 a is defined by the viewing angle range ⁇ of the aerial video 15 and the distance from the aerial video 15. Further, the distance L1 at which the content of the aerial video 15 can be determined depends on the size of the aerial video 15 and the content of the aerial video 15. As will be described in detail later, the viewing angle range ⁇ of the aerial image 15 depends on the ratio between the size of the reflective imaging element 10 and the size of the first display panel 21, and the reflective imaging element 10 and the first display panel 21. Depends on the distance.
  • the detection range of the distance measuring sensor 40 depends on the type and arrangement position of the sensor.
  • the distance measuring sensor 40 for example, an infrared distance measuring sensor disclosed in Patent Document 5 can be used.
  • the distance measuring sensor 40 is preferably installed on the first display panel 21 side of the reflective imaging element 10 and closer to the observer V side than the first display panel 21 (see FIG. 1A). It is preferable that the detection range of the distance measuring sensor 40 coincides with the visible region 40a.
  • FIG. 3A is a schematic diagram for explaining a path through which light emitted from the point O by the reflective imaging element 10 and the half mirror layer 30 forms an image at the point P.
  • FIG. 3B is a schematic diagram for explaining a path until the light emitted from the first display panel 21 forms an image in the air by the reflective imaging element 10 and the half mirror layer 30.
  • the reflective imaging element 10 includes, for example, a hole penetrating in the thickness direction of a flat substrate, and two mirror surface elements 61a and 61b orthogonal to the inner wall of each hole.
  • a hole penetrating in the thickness direction of a flat substrate and two mirror surface elements 61a and 61b orthogonal to the inner wall of each hole.
  • the light emitted from the point O is incident on one of the two mirror surface elements 61a and 61b, the reflected light is incident on the other mirror surface element 61b, and the reflected light is the half mirror layer 30. And the reflected light forms an image at point P.
  • the light emitted from the right end point A of the display surface of the first display panel 21 is within a predetermined angle range (in FIG. 3B, within the range of the angle ⁇ 1 and the angle ⁇ 2).
  • the incident light enters the reflective imaging element 10, is reflected twice by the mirror element 61 described above, is further reflected by the half mirror layer 30, and forms an image at a point A ′ in the air.
  • the light reflected once or three times by the reflective imaging element 10 is not light that contributes to imaging, and light that does not fall within the above range does not enter the reflective imaging element 10 and forms an image. (Refer to the chain line arrow in FIG. 3B).
  • the light emitted from the left end point B of the display surface of the first display panel 21 that falls within a predetermined angle range is a reflection type.
  • the imaging element 10 After entering the imaging element 10 and being reflected twice by the above-described mirror element 61, it is further reflected by the half mirror layer 30 and forms an image at a point B 'in the air.
  • the light reflected once or three times by the reflective imaging element 10 is not light that contributes to imaging, and light that does not fall within the above range does not enter the reflective imaging element 10 and forms an image. (Refer to the dashed-dotted arrow in FIG. 3B).
  • the point A ′ is visually recognized within the range of the angle ⁇ 1 ′ corresponding to the angle ⁇ 1 and the angle ⁇ 2 ′ corresponding to the angle ⁇ 2, and the point B ′ is visually recognized.
  • the angle ⁇ 3 ′ corresponding to the angle ⁇ 3 and the angle ⁇ 4 ′ corresponding to the angle ⁇ 4 are within the range. Accordingly, the range in which the aerial image 15 can be viewed from end to end is the viewable region 40a within the range of the angle ⁇ 5 corresponding to the angle ⁇ 2 ′ and the angle ⁇ 6 corresponding to the angle ⁇ 4 ′ (within the range of ⁇ 5 + ⁇ 6). . Note that the angles ⁇ 5 and ⁇ 6 shown in FIG.
  • the angles ⁇ 2 and ⁇ 4 are determined by the ratio between the size of the first display panel 21 and the size of the reflective imaging element 10 and the distance between the first display panel 21 and the reflective imaging element 10, and the aerial image 15 is completely displayed. The visible range is determined by them.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of the optical system 100A (the second display panel 22 is omitted).
  • the light is emitted from the line segment AB extending in the horizontal direction among the light emitted from the display surface of the first display panel 21.
  • Dotted lines T1 to T6 in FIG. 4 include light that passes through a plane that includes the line segment AB and is orthogonal to the display surface of the first display panel 21, out of light emitted from the horizontal line segment AB of the first display panel 21. Shows the route.
  • a line T1 indicates a path of light emitted from the right end point A of the first display panel 21 in a direction perpendicular to the display surface of the first display panel 21.
  • An intersection point of this light and the imaging symmetry plane of the reflective imaging element 10 is defined as a point E.
  • This light enters the reflective imaging element 10, is reflected twice by the mirror element 61 in the reflective imaging element 10, and then is plane-symmetrical with respect to the imaging symmetry plane of the reflective imaging element 10. Is emitted. Then, after being reflected at the point K on the half mirror layer 30, it passes through the point A 'in the air.
  • a line T2 indicates a path of light emitted from the right end point A of the first display panel 21 in the left direction (front side in FIG. 4) with respect to the light indicated by the line T1. It intersects with the point D on the image symmetry plane.
  • the point D is a point at the left end (the end in the front direction in FIG. 4) of the imaging symmetry plane of the reflective imaging element 10. This light is reflected twice by the mirror surface element 61 of the reflective imaging element 10 and then emitted in a plane-symmetrical direction with respect to the imaging symmetry plane of the reflective imaging element 10. Then, after being reflected at a point N on the half mirror layer 30, it passes through an imaging point A 'in the air.
  • the length of the line segment AE depends on the distance between the arrangement position of the first display panel 21 and the arrangement position of the reflective imaging element 10.
  • the length of the line segment ED is determined by the size and arrangement position of the reflective imaging element 10 and the first display panel 21.
  • the light entering the range of the angle ⁇ ⁇ b> 1 passes through the imaging point A ′ and contributes to the formation of the aerial image 15.
  • a line T3 indicates a path of light emitted from the right end point A of the first display panel 21 in the right direction (backward direction in FIG. 4) with respect to the light indicated by the line T1. It intersects with point C on the image symmetry plane.
  • the point C is a point at the right end (the end in the back direction in FIG. 4) of the imaging symmetry plane of the reflective imaging element 10.
  • This light is reflected twice by the mirror surface element 61 of the reflective imaging element 10 and then emitted in a plane-symmetrical direction with respect to the imaging symmetry plane of the reflective imaging element 10. Then, after being reflected at a point I on the half mirror layer 30, it passes through an in-air imaging point A '.
  • the light emitted further to the right side than the light indicated by the line T ⁇ b> 3 exits to the outside of the reflective imaging element 10.
  • the image is not formed at point A ′.
  • the length of the line segment AE depends on the distance between the arrangement position of the first display panel 21 and the arrangement position of the reflective imaging element 10. On the other hand, the length of the line segment EC is determined by the size and arrangement position of the reflective imaging element 10 and the first display panel 21.
  • the light within the range of the angle ⁇ ⁇ b> 2 passes through the imaging point A ′ and contributes to the formation of the aerial image 15.
  • a line T4 indicates a path of light emitted perpendicularly to the display surface from the leftmost point B of the first display panel 21 and intersects at a point F on the imaging symmetry plane of the reflective imaging element 10.
  • the light is reflected twice by the mirror surface element 61 of the reflective imaging element 10 and then emitted in a plane symmetric with respect to the imaging target surface of the reflective imaging element 10. Then, after being reflected at a point M on the half mirror layer 30, it passes through an imaging point B 'in the air.
  • a line T5 indicates a path of light emitted from the left end point B of the first display panel 21 in the right direction (backward direction in FIG. 4) than the light indicated by the line T4. Intersects with the point C on the image symmetry plane.
  • the point C is a point at the right end (backward direction in FIG. 4) of the imaging symmetry plane of the reflective imaging element 10. This light is reflected twice by the mirror surface element 61 of the reflective imaging element 10 and then emitted in a plane-symmetrical direction with respect to the imaging symmetry plane of the reflective imaging element 10. Then, after being reflected at a point J on the half mirror layer 30, it passes through an aerial imaging point B '.
  • the light emitted further to the right side than the light indicated by the line T5 is emitted out of the reflective imaging element 10, so that it is in the air. No image is formed at point B ′.
  • the length of the line segment BF depends on the distance between the arrangement position of the first display panel 21 and the arrangement position of the reflective imaging element 10.
  • the length of the line segment FC is determined by the size and arrangement position of the reflective imaging element 10 and the first display panel 21.
  • the light entering the range of the angle ⁇ ⁇ b> 3 passes through the imaging point B ′ and contributes to the formation of the aerial image 15.
  • a line T6 indicates a path of light emitted from the left end point B of the first display panel 21 in the left direction (frontward in FIG. 4) with respect to the light indicated by the line T4. It intersects with point D on the image symmetry plane.
  • the point D is a point at the left end (frontward direction in FIG. 4) of the imaging symmetry plane of the imaging element.
  • This light is reflected twice by the mirror surface element 61 of the reflective imaging element 10 and then emitted in a plane-symmetrical direction with respect to the imaging symmetry plane of the reflective imaging element 10. Then, after being reflected at a point O on the half mirror, it passes through an in-air imaging point B '.
  • the light emitted further to the left than the light indicated by the line T6 is emitted out of the reflective imaging element 10, so No image is formed at the point B ′.
  • the length of the line segment BF depends on the distance between the arrangement position of the first display panel 21 and the arrangement position of the reflective imaging element 10.
  • the length of the line segment FD is determined by the size and arrangement position of the reflective imaging element 10 and the first display panel 21.
  • the light entering the range of the angle ⁇ 4 passes through the imaging point B ′ and contributes to the formation of the aerial image 15.
  • the light incident on the reflective imaging element 10 is also converted to the point A. It contributes to the formation of the aerial image 15 through the imaging point on the line segment connecting “and point B”.
  • the light emitted from the points A and B at the right end and the left end need only be considered.
  • the viewing angle range in which the point A ′ is visually recognized is within the range of the angle ⁇ 1 ′ and the angle ⁇ 2 ′ in FIG. 4, and the range in which the point B ′ is visually recognized is the angle in FIG. It is within the range of ⁇ 3 ′ and angle ⁇ 4 ′.
  • the angles ⁇ 1 ′ to ⁇ 4 ′ are defined as follows.
  • An angle formed by the straight line KA ′ and the straight line NA ′ is defined as an angle ⁇ 1 ′.
  • An angle formed by the straight line KA ′ and the straight line IA ′ is an angle ⁇ 2 ′.
  • An angle formed by the straight line MB ′ and the straight line JB ′ is defined as an angle ⁇ 3 ′.
  • An angle formed by the straight line MB ′ and the straight line OB ′ is defined as an angle ⁇ 4 ′.
  • the range in which the aerial image 15 is completely visible from end to end is an angular range in which both the point A ′ and the point B ′ are visible.
  • An intersection of the straight line IA 'and the straight line OB' is a point P, and a straight line passing through the point P and parallel to the straight line KA 'and the straight line MB' is indicated by a line T7.
  • the angle ⁇ 2 and the angle ⁇ 4 are determined by the distance between the first display panel 21 and the reflective imaging element 10, the size, the arrangement position, and the like.
  • a 10.4 type liquid crystal display panel is used as the first display panel 21, a 10.4 type liquid crystal display panel is used.
  • the size of the display surface of the 10.4 type liquid crystal display panel is 210 mm wide ⁇ 158 mm long.
  • the length of the line segment AB in FIG. 4 is 210 mm.
  • the shape of the reflective imaging element 10 is a square shape with a side of 410 mm.
  • the liquid crystal display panel and the reflective imaging element 10 are arranged so that the line segment EC and the line segment FD have the same length. That is, the length of the line segment EC and the length of the line segment FD are each 100 mm.
  • the shape of the half mirror layer 30 is a square shape with a side of 500 mm.
  • FIGS. 5A and 5B are schematic plan views of the aerial image 15 and the planar image 16 projected on the second display panel 22.
  • the letters “house” are described as the aerial image 15 and the picture of the house is described as the plane image 16 shown in FIGS.
  • the aerial image 15 is clearly visible as shown in FIG. Can do.
  • the aerial image 15 and the planar image 16 are viewed at a position far away from the aerial image 15 and the planar image 16, the aerial image 15 is displayed smaller than the planar image 16, so the visibility of the aerial image 15 is reduced. To do. For this reason, since the aerial image 15 interferes with the display of the planar image 16, it becomes difficult to understand the content of the planar image 16.
  • the size of the aerial image 15 is to be increased, the size of the reflective imaging element 10 and the first display panel 21 must be increased. In particular, when the size of the reflective imaging element 10 is increased, the installation area of the optical system 100A increases, and there arises a practical problem such that the optical system 100A cannot be installed in some places.
  • the distance L1 at which the content of the aerial video 15 can be determined depends on not only the size of the aerial video 15 but also the display content of the aerial video 15, and for example, when displaying fine characters or the like as the aerial video 15,
  • the distance L1 at which the content of the aerial video 15 can be determined becomes small. Therefore, when designing the optical system 100A, it is preferable to design in consideration of these matters.
  • the first display panel 21 can be switched between the display state and the non-display state depending on whether or not there is an observer within the distance L1 in which the content of the aerial image 15 can be determined. Does not hinder understanding.
  • a liquid crystal display panel is used as the first display panel 21.
  • the second display panel 22 for example, a liquid crystal display panel having a wide viewing angle, a plasma display, or the like is used.
  • a large display panel is used as the second display panel 22, it is easy to visually recognize the planar image 16 displayed on the large display panel even when the observer V is far away.
  • FIG. 6 is a schematic side view of the optical system 100B. Note that the same reference numerals are given to components common to the optical system 100A.
  • FIG. 6 is an optical system in which the half mirror layer 30 of the optical system 100A is pasted on the display surface of the second display panel 22.
  • the optical system 100B shown in FIG. A display panel to which a half mirror layer is attached is disclosed in Patent Document 6, for example. Since the optical system 100B can integrate the half mirror layer 30 and the display panel 22, the size of the optical system 100B can be reduced.
  • FIG. 7A is a schematic side view of the optical system 100C
  • FIG. 7B is a schematic plan view of the optical system 100C. Note that the same reference numerals are given to components common to the optical system 100A.
  • the optical system 100 ⁇ / b> C includes the first display panel 21, the second display panel 22, the first half mirror layer 31, the second half mirror layer 32, and the retroreflective layer 70. It is.
  • the first half mirror layer 31 is emitted from the display surface of the first display panel 21, reflects light incident on the first half mirror layer 31, and the light reflected by the first half mirror layer 31 is retroreflected. Light incident on the layer 70 and retroreflected by the retroreflective layer 70 is transmitted.
  • the second half mirror layer 32 transmits light from the display surface of the second display panel 22, is retroreflected by the retroreflective layer 70, and reflects light transmitted through the first half mirror layer 31.
  • the optical system 100 ⁇ / b> C is an optical system in which an image of the first display panel 21 is formed on the opposite side of the first half mirror layer 31 from the first display panel 21 side.
  • the second half mirror layer 32 may be attached to the display surface of the second display panel 22 as in the optical system 100B.
  • the optical system 100C further includes a distance measuring sensor 40.
  • the distance measuring sensor 40 is connected to the first display panel 21, measures the distance d between the distance measuring sensor 40 and the observer V, and the first display panel 21 is in a display state according to the measured distance d. Or become hidden.
  • an image displayed on the first display panel 21 is imaged in space by the first half mirror layer 31 and the retroreflective layer 70, and an aerial image 15 is obtained. Furthermore, the observer V can visually recognize an image in which the image displayed on the second display panel 22 and the aerial video 15 are combined. Further, since the first display panel 21 is in a display state or a non-display state according to the measured distance d, the power consumption of the optical system 100C is reduced.
  • the second display panel 22 and the second half mirror layer 32 are preferably disposed on the opposite side of the first half mirror layer 31 from the first display panel 21 side.
  • the second half mirror layer 32 is preferably disposed on the viewer V side of the second display panel 22.
  • the distance measuring sensor 40 is preferably arranged on the first display panel 21 side of the first half mirror layer 31, and is preferably arranged on the viewer V side with respect to the first display panel 21.
  • the retroreflective layer 70 is preferably disposed on the first display panel 21 side of the first half mirror layer 31 and is disposed between the distance measuring sensor 40 and the first display panel 21.
  • the retroreflector array is an element having an array of a plurality of unit structures (retroreflectors) that retroreflect incident light.
  • “retroreflection” refers to a phenomenon in which reflected light is reflected (reversely reflected) in the incident direction of light, and the direction in which the incident light travels is parallel to the direction in which the reflected light travels. The reverse direction.
  • Examples of the retro reflector array include a corner cube array, a microsphere array, and a microlens array.
  • the corner cube array is an array in which corner cubes composed of three surfaces orthogonal to each other are two-dimensionally arranged.
  • the light incident on the corner cube is ideally reflected by the three surfaces constituting the corner cube and returned in the same direction as the incident direction.
  • the light emitted from the right end point A of the display surface of the first display panel 21 is within a predetermined angle range (in FIG. 7B, within the range of angle ⁇ 7 and angle ⁇ 8).
  • the light that enters enters the first half mirror layer 31, is reflected, and then enters the retroreflective layer 70.
  • the light incident on the retroreflective layer 70 is retroreflected by the retroreflective layer 70, passes through the first half mirror layer 31, and then enters the second half mirror layer 32.
  • the light incident on the second half mirror layer 32 is reflected by the second half mirror layer 32 and forms an image at a point A ′ in the air.
  • the light that falls within a predetermined angle range is the first light.
  • the retroreflective layer 70 After entering and reflecting the half mirror layer 31, it enters the retroreflective layer 70.
  • the light incident on the retroreflective layer 70 is retroreflected by the retroreflective layer 70, passes through the first half mirror layer 31, and then enters the second half mirror layer 32.
  • the light incident on the second half mirror layer 32 is reflected by the second half mirror layer 32 and forms an image at a point B ′ in the air.
  • the point A ′ is visually recognized within the range of the angle ⁇ 7 ′ corresponding to the angle ⁇ 7 and the angle ⁇ 8 ′ corresponding to the angle ⁇ 8, and the point B ′ is visually recognized. It is within the range of ⁇ 9 ′ corresponding to angle ⁇ 9 and angle ⁇ 10 ′ corresponding to angle ⁇ 10. Accordingly, the range in which the aerial image 15 can be viewed from end to end is the viewable region 40a within the range of the angle ⁇ 11 corresponding to ⁇ 8 ′ and the angle ⁇ 12 corresponding to the angle ⁇ 10 ′. Note that the angles ⁇ 11 and ⁇ 12 shown in FIG.
  • the angle ⁇ 8 and the angle ⁇ 10 are the ratio between the size of the first display panel 21, the size of the first half mirror layer 31, and the size of the retroreflective layer 70, the first display panel 21, the first half mirror layer 31, and the recursiveness.
  • the range in which the aerial image 15 is completely visible is determined by the respective installation distances of the reflective layer 70, and is determined by them. Therefore, also in the optical system 100 ⁇ / b> C, the display state of the first display panel 21 is controlled by the distance measuring sensor 40, leading to low power consumption.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view of the optical system 100C (the second display panel 22 is omitted). Dotted lines T8 to T14 in FIG. 8 indicate paths of light emitted from the first display panel 21. As described above, the points A and B on the display surface of the first display panel 21 will be described. A region (virtual region) 75 surrounded by a chain line in FIG. 8 is a virtual surface in which the retroreflective layer 70 is arranged in plane symmetry with respect to the surface of the second half mirror layer 32.
  • a line T8 indicates a path of light emitted perpendicularly to the surface of the first display panel 21 from the right end point A of the first display panel 21. An intersection of this light and the surface of the first half mirror layer 31 is defined as a point H.
  • This light is reflected by the first half mirror layer 31 and enters the point I on the retroreflective layer 70. Then, it is retroreflected by the retroreflective layer 70, passes through the first half mirror layer 31, and is reflected at the point K on the second half mirror layer 32. Then, it passes through an in-air imaging point A '.
  • a line T9 indicates a path of light emitted from the right end point A of the first display panel 21 in the left direction (front direction in FIG. 8) with respect to the light indicated by the line T8, and is on the first half mirror layer 31. Then, the light enters the point M at the left end of the retroreflective layer 70. Thereafter, the light is retroreflected by the retroreflective layer 70, passes through the first half mirror layer 31, is reflected by the point O on the second half mirror layer 32, and passes through the imaging point A ′ in the air.
  • the light emitted from the point A at the right end of the first display panel 21 the light emitted further to the left (frontward in FIG. 8) than the light indicated by the line T 9 is reflected by the first half mirror layer 31. Then, since the light is emitted to the outside of the retroreflective layer 70, no image is formed at a point A ′ in the air.
  • the straight line AH and the straight line AL are extended, and points intersecting with the virtual region 75 in FIG. 8 are point J and point N, respectively.
  • the length of the line segment AJ depends on the distance between the arrangements of the first display panel 21, the first half mirror layer 31, and the retroreflective layer 70. On the other hand, the length of the line segment JN is determined by the retroreflective layer 70, the size of the first display panel 21, and the arrangement position.
  • a line T10 indicates a path of light emitted from the right end point A of the first display panel 21 in the right direction (backward direction in FIG. 8) with respect to the light indicated by the line T8.
  • the first half mirror After being reflected at the point D on the layer 31, the light enters the rightmost point E of the retroreflective layer 70. Thereafter, the light indicated by the line T10 is retroreflected by the retroreflective layer 70, passes through the first half mirror layer 31, is reflected by the point G on the second half mirror layer 32, and the imaging point A in the air. 'Pass through. Of the light emitted from the point A at the right end of the first display panel 21, the light emitted further to the right side (backward direction in FIG. 8) than the light indicated by the line T ⁇ b> 10 is reflected by the first half mirror layer 31. After that, the light is emitted to the outside of the retroreflective layer 70 and does not form an image at a point A ′ in the air.
  • a point that extends the straight line AD and intersects the virtual region 75 is defined as a point F.
  • the angle formed by the straight line AJ and the straight line AF is an angle ⁇ 8 and attention is paid to the right triangle AJF
  • the length of the line segment AJ depends on the distance between the arrangements of the first display panel 21, the first half mirror layer 31, and the retroreflective layer 70.
  • the length of the line segment JF is determined by the retroreflective layer 70, the size of the first display panel 21, and the arrangement position.
  • a line T11 indicates a path of light emitted from the leftmost point B of the first display panel 21 in a direction orthogonal to the surface of the first display panel 21.
  • An intersection point of this light and the surface of the first half mirror layer 31 is defined as a point T.
  • This light is reflected by the first half mirror layer 31 and enters the point U on the retroreflective layer 70.
  • the light is retroreflected by the retroreflective layer 70, passes through the first half mirror layer 31, and is reflected at the point W on the second half mirror layer 32. Thereafter, this light passes through the imaging point B 'in the air.
  • a line T12 indicates a path of light emitted from the left end point B of the first display panel 21 in the right direction (backward direction in FIG. 8) with respect to the light indicated by the line T11, and is on the first half mirror layer 31. Then, the light enters the right end point E of the retroreflective layer 70. Then, this light is retroreflected by the retroreflective layer 70, passes through the first half mirror layer 31, is reflected at the point S on the second half mirror layer 32, and passes through the imaging point B ′ in the air.
  • the light emitted from the leftmost point B of the first display panel 21 the light emitted further to the right side (the back direction in FIG. 8) than the light indicated by the line T ⁇ b> 12 is reflected by the first half mirror layer 31. Then, the light is emitted to the outside of the retroreflective layer 70 and does not form an image at a point B ′ in the air.
  • the points where the straight line BT and the straight line BR are extended and intersect with the virtual region 75 are point V and point F, respectively.
  • the length of the line segment BV depends on the distance between the first display panel 21, the first half mirror layer 31, and the retroreflective layer 70. On the other hand, the length of the line segment VF is determined by the size of the retroreflective layer 70, the first display panel 21, or the arrangement position.
  • a line T13 indicates a path of light emitted from the left end point B of the first display panel 21 in the left direction (frontward in FIG. 8) with respect to the light indicated by the line T11, and is on the first half mirror layer 31. Then, the light enters the point M at the left end of the retroreflection layer 70. Then, this light is retroreflected by the retroreflective layer 70, passes through the first half mirror layer 31, is reflected by the point Q on the second half mirror layer 32, and passes through the imaging point B ′ in the air. .
  • the light emitted from the left end point B of the first display panel 21 the light emitted further to the left (frontward in FIG. 8) than the light indicated by the line T 13 is reflected by the first half mirror layer 31. Then, the light is emitted to the outside of the retroreflective layer 70 and does not form an image at a point B ′ in the air.
  • the length of the line segment BV depends on the distance between the arrangements of the first display panel 21, the first half mirror layer 31, and the retroreflective layer 70. On the other hand, the length of the line segment VN is determined by the size of the retroreflective layer 70, the first display panel 21, or the arrangement position.
  • the light emitted from the point A and the point B of the first display panel 21 is reflected by the first half mirror layer 31 and then the retroreflective layer. Only the light incident on 70 (can enter between the line segment EM) passes through the imaging point on the line connecting the points A ′ and B ′, and contributes to the formation of the aerial image 15. However, when discussing the limit of the viewing angle range in which the aerial image 15 is viewed, only the light emitted from the points A and B need be considered.
  • the viewing angle range in which the point A ′ is visually recognized is within the range of the angle ⁇ 7 ′ and the angle ⁇ 8 ′ in FIG. 8, and the range in which the point B ′ is visually recognized is the angle ⁇ 9 in FIG. 'And angle ⁇ 10'.
  • the angles ⁇ 7 ′ to ⁇ 10 ′ are defined as follows. An angle formed by the straight line KA 'and the straight line OA' is an angle ⁇ 7 '. An angle formed by the straight line KA ′ and the straight line GA ′ is defined as an angle ⁇ 8 ′. An angle formed by the straight line WB ′ and the straight line SB ′ is defined as an angle ⁇ 9 ′. An angle formed by the straight line WB ′ and the straight line QB ′ is an angle ⁇ 10 ′.
  • the range in which the aerial image 15 is completely visible from end to end is an angular range in which both the point A ′ and the point B ′ are visible.
  • the intersection of the straight line GA 'and the straight line QB' is a point C, and a straight line passing through the point C and parallel to the straight line KA 'and the straight line WB' is indicated by a line T14 in FIG. If the angle formed by the line T14 and the straight line GC is the angle ⁇ 11, and the angle formed by the line T14 and the straight line QC is the angle ⁇ 12, the point A ′ and the point B are within the angle range of the sum of the angle ⁇ 11 and the angle ⁇ 12 ( ⁇ 11 + ⁇ 12). 'Is the angle range where both are visible.
  • the angle ⁇ 8 and the angle ⁇ 10 are determined by the inter-arrangement distance, size, and arrangement position of the first display panel 21, the first half mirror layer 31, and the retroreflective layer 70, respectively.
  • a 10.4 type liquid crystal display panel As the first display panel 21, a 10.4 type liquid crystal display panel is used.
  • the size of the display surface of the 10.4 type liquid crystal display panel is 210 mm wide ⁇ 158 mm long.
  • the length of the line segment AB in FIG. 8 is 210 mm.
  • the shape of the retroreflective layer 70 is a square shape with a side of 410 mm. Then, the first display panel 21 and the retroreflective layer 70 are arranged so that the length of the line segment EI and the length of the line segment UM are the same (the length of the line segment FJ is the same as the length of the line segment VN). .
  • the distance between the liquid crystal display panel and the virtual region 75 in which the retroreflective layer 70 is arranged in plane symmetry with respect to the surface of the first half mirror layer 31 (the distance between the liquid crystal display panel and the virtual region 75 is a line segment).
  • the length of AJ and the length of line segment BV are equal to 400 mm).
  • the first half mirror layer 31 and the second half mirror layer 32 have a square shape with a side of 500 mm.
  • the optical systems 100A to 100C provide an optical system having a reflective imaging element or a retroreflective layer with low power consumption.
  • the embodiment of the present invention can be widely applied to an optical system having an optical element capable of forming an image of a projection object in space and a display panel.

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Abstract

　光学システム（１００Ａ）は、第１表示パネル（２１）と、第２表示パネル（２２）と、反射型結像素子（１０）と、第２表示パネル（２２）の表示面からの光を透過させるとともに、第１表示パネル（２１）の表示面からの光が反射型結像素子（１０）に入射されて、反射型結像素子（１０）から出射される光を反射させるハーフミラー層（３０）とを有し、第１表示パネル（２１）の画像が反射型結像素子（１０）の第１表示パネル（２１）側とは反対側に結像され、第１表示パネル（２１）は、観察者の位置に応じて、オン／オフ制御される。

Description

光学システム
　本発明は、空間に被投影物の像を結像させることができる光学システムに関する。
　最近、反射型結像素子を用いて空間に被投影物を結像させる光学システムが提案されている（例えば、特許文献１～３）。光学システムは反射型結像素子と被投影物とを有し、空間に表示される像（以下、「空中映像」という。）は、反射型結像素子を対称面とする面対称な位置に、被投影物の像が結像したものである。この光学システムは、反射型結像素子の鏡面反射を利用しており、原理上、被投影物の像と空間に映し出される像との大きさの比は、１：１である。
　特許文献４は、反射型結像素子とハーフミラーとを用いて、反射型結像素子により表示された空中映像と平面映像とを重ねて表示させることができる光学システムを開示している。
特開２００８－１５８１１４号公報 国際公開第２００９／１３６５７８号 国際公開第２００７／１１６６３９号 特開２０１１－７００７３号公報 特開２００５－３７３２０号公報 特開２００３－２４１１７５号公報
　特許文献４に開示されている光学システムを、広告媒体として利用したとき、観察者と光学システムとの距離や見る角度により、光学システムにより表示された広告等を観察者が認識しにくい場合がある。特に、平面映像に比べて空中映像が小さく表示される場合において、観察者の位置によっては空中映像を認識することが困難であり、平面映像の表示内容の理解の妨げになったりする。このような場合において、空中映像を表示させる空中映像用の表示装置を表示状態にしておくことは、消費電力の無駄につながる。
　本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、消費電力の小さい、反射型結像素子または再帰性反射層を有する光学システムを提供することにある。
　本発明の実施形態における光学システムは、第１表示パネルと、第２表示パネルと、反射型結像素子と、ハーフミラー層とを備え、前記反射型結像素子は、前記第１表示パネルが表示する画像を前記反射型結像素子の前記第１表示パネル側とは反対側に結像させるように配置されており、前記ハーフミラー層は、前記第２表示パネルの表示面からの光を透過させるとともに、前記第１表示パネルの表示面から出射され、前記反射型結像素子によって反射された光を反射させることによって、観察者が、前記第１表示パネルが表示する画像と、前記第２表示パネルが表示する画像とを重ねて観察することができるように構成されており、前記第１表示パネルは、観察者の位置に応じて、オン／オフ制御される。
　ある実施形態において、前記ハーフミラー層は、前記第２表示パネルの観察者側に配置されている。
　本発明の他の実施形態における光学システムは、第１表示パネルと、第２表示パネルと、第１ハーフミラー層と、第２ハーフミラー層と、再帰性反射層とを備え、前記第１ハーフミラー層は、前記第１表示パネルの表示面から発せられ、前記第１ハーフミラー層に入射された光を反射させるとともに、前記第１ハーフミラー層により反射された光が前記再帰性反射層に入射され、前記再帰性反射層により再帰反射された光を透過させ、前記第２ハーフミラー層は、前記第２表示パネルの表示面からの光を透過させるとともに、前記再帰性反射層によって再帰反射され、前記第１ハーフミラー層を透過した光を反射させることによって、前記第１表示パネルが表示する画像と、前記第２表示パネルが表示する画像とを重ねて観察することができるように構成されており、前記第１表示パネルは、観察者の位置に応じて、オン／オフ制御される。
　ある実施形態において、前記第２ハーフミラー層は、前記第２表示パネルの観察者側に配置されている。
　ある実施形態において、上述の光学システムは、測距センサをさらに有し、前記測距センサは、前記測距センサと観察者との距離を測定し、測定した距離に応じて、前記第１表示パネルは、オン／オフ制御される。
　本発明の実施形態により、消費電力の小さい、反射型結像素子または再帰性反射層を有する光学システムが提供される。
（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態における光学システム１００Ａの模式的な側面図である。 光学システム１００Ａを説明する模式的な平面図である。 （ａ）および（ｂ）は、第１表示パネル２１の表示面に映し出された画像が空中に結像するまでの光の経路を説明する模式的な図である。 光学システム１００Ａの模式的な斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、空中映像１５が視認できないまたは視認しづらい場合の問題点について説明する模式的な図である。 本発明の他の実施形態における光学システム１００Ｂの模式的な側面図である。 （ａ）は、本発明のさらに他の実施形態における光学システム１００Ｃの模式的な側面図であり、（ｂ）は、第１表示パネル２１の表示面に映しだされた画像が空中に結像するまでの光の経路を説明する模式的な平面図である。 光学システム１００Ｃの模式的な斜視図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、本発明は例示する実施形態に限定されない。
　図１および図２を参照して、本発明の実施形態における光学システム１００Ａを説明する。図１（ａ）および図１（ｂ）は、光学システム１００Ａを説明する模式的な側面図であり、図２は、光学システム１００Ａを説明する模式的な平面図である。
　図１（ａ）に示す光学システム１００Ａは、第１表示パネル２１と、第２表示パネル２２と、反射型結像素子１０と、第２表示パネル２２の表示面からの光を透過させ、第１表示パネル２１の表示面からの光が反射型結像素子１０に入射されて、反射型結像素子１０から出射される光を反射させるハーフミラー層３０とを有し、第１表示パネル２１の画像が反射型結像素子１０の第１表示パネル２１側とは反対側に結像される。このような光学システム１００Ａにおいて、第１表示パネル２１に表示される画像が反射型結像素子１０により空間に結像し、空中映像１５が得られる。さらに、観察者Ｖは、第２表示パネル２２に表示される画像と空中映像１５とが組み合わされた画像とを視認できる。
　光学システム１００Ａは、測距センサ４０をさらに有する。測距センサ４０は、第１表示パネル２１と接続しており、測距センサ４０と観察者Ｖとの距離ｄを測定し、測定した距離ｄに応じて、第１表示パネル２１が表示状態になったり、非表示状態になったりする（オン／オフ制御される）。距離ｄに応じて、第１表示パネル２１が表示状態になったり、非表示状態になったりするので、例えば、観察者がいない場合は、第１表示パネル２１を非表示状態にすることができ、光学システム１００Ａの低消費電力化につながる。
　光学システム１００Ａにおいて、第２表示パネル２２およびハーフミラー層３０は、反射型結像素子１０の第１表示パネル２１側とは反対側に配置されることが好ましい。ハーフミラー層３０は、第２表示パネル２２の観察者Ｖ側に配置されることが好ましい。測距センサ４０は、反射型結像素子１０の第１表示パネル２１側に配置され、第１表示パネル２１よりも観察者Ｖ側に配置されることが好ましい。
　例えば、図１（ｂ）に示すように、測距センサ４０と観察者Ｖとの距離ｄ１が大きく、観察者Ｖ１が光学システム１００Ａの空中映像１５を視認できないまたは視認しづらい距離ｄ１である場合、測距センサ４０からの信号により、第１表示パネル２１は非表示状態になる。同様に、第２表示パネル２２に対して斜め方向に位置する観察者Ｖ２が光学システム１００Ａの空中映像１５を視認できないまたは視認しづらい距離ｄ２である場合も、測距センサ４０からの信号により、第１表示パネル２１は非表示状態になる。具体的には、図２に示すように、視認可能領域４０ａに観察者Ｖがいる場合は、第１表示パネル２１は表示状態になる。一方、視認可能領域４０ａから外れた領域に観察者Ｖがいる場合は、第１表示パネル２１は非表示状態になる。視認可能領域４０ａは、空中映像１５の視角範囲θと空中映像１５からの距離とで規定される。また、空中映像１５の内容が判別できる距離Ｌ１は、空中映像１５の大きさや空中映像１５の内容に依存する。詳細は後述するが、空中映像１５の視角範囲θは、反射型結像素子１０の大きさと第１表示パネル２１の大きさとの比、および、反射型結像素子１０と第１表示パネル２１との距離に依存する。
　一方、測距センサ４０の検出範囲は、センサの種類および配置位置に依存する。測距センサ４０は、例えば特許文献５に開示されている赤外線測距センサを利用し得る。測距センサ４０は、反射型結像素子１０の第１表示パネル２１側であって、第１表示パネル２１よりも観察者Ｖ側に設置されることが好ましい（図１（ａ）参照）。測距センサ４０の検出範囲は、上記の視認可能領域４０ａに一致していることが好ましい。
　次に、図３を参照しながら第１表示パネル２１の表示面に映し出された画像が空中に結像するまでの光の経路を説明する。図３（ａ）は、反射型結像素子１０およびハーフミラー層３０によって点Ｏから出射された光が、点Ｐに結像する経路を説明する模式的な図である。図３（ｂ）は、第１表示パネル２１から出射された光が、反射型結像素子１０およびハーフミラー層３０によって空中に結像するまでの経路を説明する模式的な図である。
　図３（ａ）に示すように、反射型結像素子１０は、例えば、平板状の基板の厚さ方向に貫通させた穴を備え、各穴の内壁に直交する２つの鏡面要素６１ａおよび６１ｂを有する。点Ｏから発せられた光は、２つの鏡面要素６１ａおよび６１ｂのうち一方の鏡面要素６１ａに入射し、反射した光が、他方の鏡面要素６１ｂに入射し、反射した光が、ハーフミラー層３０に入射し、反射した光が点Ｐに結像する。
　図３（ｂ）に示すように、第１表示パネル２１の表示面の右端点Ａから発せられる光のうち所定の角度範囲内（図３（ｂ）では、角度θ１および角度θ２の範囲内）に入る光は、反射型結像素子１０に入射し、上述の鏡面要素６１で２回反射した後、ハーフミラー層３０でさらに反射し、空中の点Ａ’に結像する。また、反射型結像素子１０で１回または３回反射した光は、結像に寄与する光ではなく、上記範囲内に入らない光は、反射型結像素子１０に入射せず、結像に寄与しない（図３（ｂ）の鎖線矢印参照）。
　同様に、第１表示パネル２１の表示面の左端点Ｂから発せられる光のうち所定の角度範囲内（図３（ｂ）では、角度θ３および角度θ４の範囲内）に入る光は、反射型結像素子１０に入射し、上述の鏡面要素６１で２回反射した後、ハーフミラー層３０でさらに反射し、空中の点Ｂ’に結像する。また、反射型結像素子１０で１回または３回反射した光は、結像に寄与する光ではなく、上記範囲内に入らない光は、反射型結像素子１０に入射せず、結像に寄与しない（図３（ｂ）の一点鎖線矢印参照）。
　空中映像１５のうち、点Ａ’が視認されるのは角度θ１に対応する角度θ１’と、角度θ２に対応する角度θ２’との範囲内であり、点Ｂ’が視認されるのは、角度θ３に対応する角度θ３’と、角度θ４に対応する角度θ４’との範囲内である。従って、空中映像１５を端から端まで視認できる範囲は、角度θ２’に対応する角度θ５と、角度θ４’に対応する角度θ６との範囲内（θ５＋θ６の範囲内）の視認可能領域４０ａである。なお、図３（ｂ）に示す角度θ５および角度θ６は、θ５＝θ２’＝θ２、およびθ６＝θ４’＝θ４を満たす。角度θ２および角度θ４は、第１表示パネル２１の大きさと反射型結像素子１０の大きさとの比、第１表示パネル２１と反射型結像素子１０との距離により決まり、空中映像１５を完全に視認できる範囲は、それらによって決まる。
　次に図４を参照しながら上述の角度θ１～θ６および角度θ１’～θ４’を説明する。図４は、光学システム１００Ａの模式的な斜視図（第２表示パネル２２は省略している）である。光学システム１００Ａにおいては、観察者Ｖから見て水平方向の空中映像１５の視認範囲を問題としているので、第１表示パネル２１の表示面から発せられる光のうち水平方向に延びる線分ＡＢから発せられる光を例に説明する。図４の一点鎖線Ｔ１～Ｔ６は、第１表示パネル２１の水平方向の線分ＡＢから出射される光のうち線分ＡＢを含み第１表示パネル２１の表示面に直交する面内を通る光の経路を示している。
　まず、第１表示パネル２１の右端の点Ａから出射される光について説明する。
　線Ｔ１は、第１表示パネル２１の右端の点Ａから第１表示パネル２１の表示面に対して垂直な方向に出射された光の経路を示している。この光と反射型結像素子１０の結像対称面との交点を点Ｅとする。この光は反射型結像素子１０に入射し、反射型結像素子１０内の鏡面要素６１により２回反射された後、反射型結像素子１０の結像対称面に対して面対称な方向に出射される。そして、ハーフミラー層３０上の点Ｋで反射された後、空中の点Ａ’を通る。
　線Ｔ２は、第１表示パネル２１の右端の点Ａから、線Ｔ１で示す光よりも左方向（図４中の手前方向）に出射される光の経路を示し、反射型結像素子１０の結像対称面上の点Ｄと交わる。ここで、点Ｄは反射型結像素子１０の結像対称面の左端（図４中手前方向の端）の点である。この光は、反射型結像素子１０の鏡面要素６１により２回反射された後、反射型結像素子１０の結像対称面に対して面対称な方向に出射される。そして、ハーフミラー層３０上の点Ｎで反射された後、空中の結像点Ａ’を通る。第１表示パネル２１の右端の点Ａから出射される光のうち、線Ｔ２で示した光よりもさらに左側（図４中手前方向）に出射される光は、反射型結像素子１０の外側に出射されてしまうので、空中の点Ａ’に結像しない。
　ここで、直線ＡＤと直線ＡＥとがなす角を角度θ１とする。直角三角形ＡＥＤに着目すると、角度θ１は、ｔａｎθ１＝（線分ＥＤの長さ）／（線分ＡＥの長さ）の関係を満たす。線分ＡＥの長さは、第１表示パネル２１の配置位置と反射型結像素子１０の配置位置との距離に依存する。一方、線分ＥＤの長さは、反射型結像素子１０および第１表示パネル２１の大きさおよび配置位置によって決まる。第１表示パネル２１の右端の点Ａから出射される光のうち、角度θ１の範囲に入る光は、結像点Ａ’を通り、空中映像１５の形成に寄与する。
　線Ｔ３は、第１表示パネル２１の右端の点Ａから、線Ｔ１で示した光よりも右方向（図４中奥方向）に出射される光の経路を示し、反射型結像素子１０の結像対称面上の点Ｃと交わる。ここで、点Ｃは反射型結像素子１０の結像対称面の右端（図４中奥方向の端）の点である。この光は、反射型結像素子１０の鏡面要素６１により２回反射された後、反射型結像素子１０の結像対称面に対して面対称な方向に出射される。そして、ハーフミラー層３０上の点Ｉで反射された後、空中の結像点Ａ’を通る。第１表示パネル２１の右端点Ａから出射される光のうち、線Ｔ３で示された光よりもさらに右側に出射される光は、反射型結像素子１０の外側に出てしまうので、空中の点Ａ’に結像しない。
　ここで、直線ＡＣと直線ＡＥとがなす角を角度θ２とする。直角三角形ＡＥＣに着目すると、角度θ２は、ｔａｎθ２＝（線分ＥＣの長さ）／（線分ＡＥの長さ）を満たす。線分ＡＥの長さは、第１表示パネル２１の配置位置と反射型結像素子１０の配置位置との距離に依存する。一方、線分ＥＣの長さは、反射型結像素子１０および第１表示パネル２１の大きさおよび配置位置によって決まる。第１表示パネル２１の右端の点Ａから出射される光のうち、角度θ２の範囲内の光は、結像点Ａ’を通り、空中映像１５の形成に寄与する。
　次に、第１表示パネル２１の左端の点Ｂから出射される光について説明する。
　線Ｔ４は、第１表示パネル２１の左端の点Ｂから表示面に対して垂直に出射された光の経路を示し、反射型結像素子１０の結像対称面上の点Ｆで交わる。そして、この光は反射型結像素子１０の鏡面要素６１により２回反射された後、反射型結像素子１０の結像対象面に対して面対称な方向に出射される。そして、ハーフミラー層３０上の点Ｍで反射された後、空中の結像点Ｂ’を通る。
　線Ｔ５は、第１表示パネル２１の左端の点Ｂから、線Ｔ４で示された光よりも右方向（図４中奥方向）に出射される光の経路を示し、反射型結像素子１０の結像対称面上の点Ｃと交わる。ここで、点Ｃは反射型結像素子１０の結像対称面の右端（図４中奥方向）の点である。この光は、反射型結像素子１０の鏡面要素６１により２回反射された後、反射型結像素子１０の結像対称面に対して面対称な方向に出射される。そして、ハーフミラー層３０上の点Ｊで反射された後、空中の結像点Ｂ’を通る。第１表示パネル２１の左端点Ｂから出射される光のうち、線Ｔ５で示された光よりもさらに右側に出射される光は、反射型結像素子１０の外に出射されるので、空中の点Ｂ’に結像しない。
　ここで、直線ＢＣと直線ＢＦとがなす角をθ３とし、直角三角形ＢＦＣに着目すると、角度θ３は、ｔａｎθ３＝（線分ＦＣの長さ）／（線分ＢＦの長さ）を満たす。線分ＢＦの長さは、第１表示パネル２１の配置位置と反射型結像素子１０の配置位置との距離に依存する。一方、線分ＦＣの長さは、反射型結像素子１０および第１表示パネル２１の大きさおよび配置位置によって決まる。第１表示パネル２１の左端の点Ｂから出射される光のうち、角度θ３の範囲に入る光は、結像点Ｂ’を通り、空中映像１５の形成に寄与する。
　線Ｔ６は、第１表示パネル２１の左端点Ｂから、線Ｔ４で示した光よりも左方向（図４中手前方向）に出射される光の経路を示し、反射型結像素子１０の結像対称面上の点Ｄと交わる。ここで、点Ｄは結像素子の結像対称面の左端（図４中手前方向）の点である。この光は、反射型結像素子１０の鏡面要素６１により２回反射された後、反射型結像素子１０の結像対称面に対して面対称な方向に出射される。そして、ハーフミラー上の点Ｏで反射された後、空中の結像点Ｂ’を通る。第１表示パネル２１の左端点Ｂから出射される光のうち、線Ｔ６で示した光よりもさらに左側に出射される光は、反射型結像素子１０の外に出射されるので、空中の点Ｂ’に結像しない。
　ここで、直線ＢＤと直線ＢＦとがなす角を角度θ４とし、また、直角三角形ＢＦＤに着目すると、角度θ４は、ｔａｎθ４＝（線分ＦＤの長さ）／（線分ＢＦの長さ）を満たす。線分ＢＦの長さは、第１表示パネル２１の配置位置と反射型結像素子１０の配置位置との距離に依存する。一方、線分ＦＤの長さは、反射型結像素子１０および第１表示パネル２１の大きさおよび配置位置によって決まる。第１表示パネル２１の右端の点Ｂから出射される光のうち、角度θ４の範囲に入る光は、結像点Ｂ’を通り、空中映像１５の形成に寄与する。
　第１表示パネル２１上の点Ａと点Ｂとの間から出射される光も、点Ａおよび点Ｂから出射される光と同様に、反射型結像素子１０に入射する光が、点Ａ’と点Ｂ’とを結ぶ線分上の結像点を通り、空中映像１５の形成に寄与する。しかしながら、空中映像１５が視認される範囲について議論する場合は、それぞれ右端および左端である点Ａおよび点Ｂから出射される光だけを考えればよい。
　空中映像１５のうち、点Ａ’が視認される視角範囲は、図４中の角度θ１’と角度θ２’との範囲内であり、点Ｂ’が視認される範囲は、図４中の角度θ３’と角度θ４’の範囲内である。ここで、角度θ１’～θ４’を、次のように定義する。直線ＫＡ’と直線ＮＡ’とがなす角を角度θ１’とする。直線ＫＡ’と直線ＩＡ’とがなす角を角度θ２’とする。直線ＭＢ’と直線ＪＢ’とがなす角を角度θ３’とする。直線ＭＢ’と直線ＯＢ’とがなす角を角度θ４’とする。
　特許文献４により公知の、反射型結像素子およびハーフミラー層の性質より、θ１’＝θ１、θ２’＝θ２、θ３’＝θ３、θ４’＝θ４を満たす。ここで、空中映像１５を完全に端から端まで視認できる範囲は、点Ａ’と点Ｂ’とが両方とも視認できる角度範囲である。直線ＩＡ’と直線ＯＢ’の交点を点Ｐとし、点Ｐを通り直線ＫＡ’および直線ＭＢ’に平行な直線を線Ｔ７で示す。線Ｔ７と直線ＩＰとがなす角を角度θ５とし、線Ｔ７と直線ＯＰとがなす角を角度θ６とすると、角度θ５と角度θ６との和（θ５＋θ６）の角度範囲内が点Ａ’および点Ｂ’の両方が見られる角度範囲となる。また、幾何計算により、角度θ５と角度θ６とは、それぞれ、θ５＝θ２’、θ６＝θ４’を満たす。さらに、反射型結像素子１０およびハーフミラー層３０の性質より、θ２’＝θ２、θ４’＝θ４を満たすので、θ５＝θ２、θ６＝θ４を満たす。角度θ２および角度θ４は、第１表示パネル２１および反射型結像素子１０の配置間距離、大きさ、または配置位置などによって決まる。
　以下、光学システム１００Ａについて、実施形態を説明する。
　第１表示パネル２１として、１０．４型の液晶表示パネルを用いる。１０．４型の液晶表示パネルの表示面の大きさは、横２１０ｍｍ×縦１５８ｍｍである。この場合、図４の線分ＡＢの長さが２１０ｍｍとなる。反射型結像素子１０の形状は、一辺が４１０ｍｍの正方形状である。そして、線分ＥＣと線分ＦＤとが同じ長さになるように液晶表示パネルと反射型結像素子１０とを配置する。すなわち、線分ＥＣの長さおよび線分ＦＤの長さは、それぞれ１００ｍｍである。また、液晶表示パネルと反射型結像素子１０との距離（＝線分ＡＥの長さ＝線分ＢＦの長さ）を４００ｍｍとする。ハーフミラー層３０の形状は、一辺が５００ｍｍの正方形状である。
　まず、角度θ１は、ｔａｎθ１＝（線分ＥＤの長さ）／（線分ＡＥの長さ）（式（１））であり、線分ＥＤの長さは、線分ＣＤの長さと線分ＥＣの長さとの差（線分ＣＤの長さ－線分ＥＣの長さ）であるので、３１０ｍｍとなる。線分ＡＥの長さは４００ｍｍであるので、式（１）からｔａｎθ１＝０．７７５となり、θ１＝３７．８°が導かれる。
　次に、角度θ２は、ｔａｎθ２＝（線分ＥＣの長さ）／（線分ＡＥの長さ）（式（２））であり、線分ＥＣの長さは１００ｍｍ、線分ＡＥの長さは４００ｍｍであるので、式（２）からｔａｎθ２＝０．２５となり、θ２＝１４．０°が導かれる。
　角度θ３は、ｔａｎθ３＝（線分ＦＣの長さ）／（線分ＢＦの長さ）（式（３））であり、線分ＦＣの長さは、線分ＣＤの長さと線分ＦＤの長さとの差（線分ＣＤの長さ－線分ＦＤの長さ）であるので、３１０ｍｍとなる。線分ＢＦの長さは４００ｍｍであるので、式（３）からｔａｎθ３＝０．７７５となり、θ３＝３７．８°が導かれる。
　角度θ４は、ｔａｎθ４＝（線分ＦＤの長さ）／（線分ＢＦの長さ）（式（４））であり、線分ＦＤの長さは１００ｍｍ、線分ＢＦの長さは４００ｍｍであるので、式（４）からｔａｎθ４＝０．２５となり、θ４＝１４．０°が導かれる。
　上述のとおり、θ５＝θ２、θ６＝θ４を満たすので、空中映像１５を完全に視認できる視角範囲は、（θ５＋θ６）＝１４．０°＋１４．０°＝２８°となる。
　次に、図５を参照しながら、空中映像１５が視認できないまたは視認しにくい場合の問題点について説明する。図５（ａ）および図５（ｂ）は、空中映像１５と第２表示パネル２２に映しだされる平面映像１６の模式的な平面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）に示されている空中映像１５として「家」の文字を、平面映像１６として家の絵をそれぞれ記載している。
　観察者Ｖが上述した視認可能領域４０ａから空中映像１５および平面映像１６を見たとき、図５（ａ）に示すように空中映像１５がはっきり見えるので、平面映像１６と重ね合わせて表示することができる。一方、空中映像１５および平面映像１６から大きく離れた地点で、空中映像１５および平面映像１６をみたとき、空中映像１５は平面映像１６よりも小さく表示されるため、空中映像１５の視認性が低下する。このため、かえって平面映像１６の表示を空中映像１５が邪魔するので、平面映像１６の内容を理解しにくくなる。さらに、空中映像１５の大きさを大きくしようとすると、反射型結像素子１０および第１表示パネル２１の大きさを大きくしなければならない。特に、反射型結像素子１０の大きさを大きくすると、光学システム１００Ａの設置面積が大きくなり、場所によっては光学システム１００Ａを設置できないなどの実用上の問題が生じる。
　以上より、空中映像１５の内容が判別できる距離Ｌ１については、空中映像１５の大きさだけでなく、空中映像１５の表示内容にも依存し、たとえば細かい文字等を空中映像１５として表示させる場合、空中映像１５の内容が判別できる距離Ｌ１は小さくなる。従って、光学システム１００Ａの設計時には、これらの事項も考慮して設計することが好ましい。光学システム１００Ａにおいて、空中映像１５の内容が判別できる距離Ｌ１の範囲内に観察者がいるかいないかによって、第１表示パネル２１を表示状態または非表示状態に切り替えられるので、少なくとも平面映像１６の内容の理解の妨げとならない。
　第１表示パネル２１として、例えば液晶表示パネルが用いられる。第２表示パネル２２として、例えば広視野角を有する液晶表示パネルやプラズマディスプレイ等が用いられる。第２表示パネル２２として、特に大型の表示パネルを用いると、観察者Ｖが遠くにいても大型の表示パネルに表示された平面映像１６を視認しやすい。
　次に、図６を参照しながら本発明の他の実施形態における光学システム１００Ｂを説明する。図６は、光学システム１００Ｂの模式的な側面図である。なお、光学システム１００Ａと共通する構成要素には、同じ参照符号を付す。
　図６に示す光学システム１００Ｂは、光学システム１００Ａのハーフミラー層３０が第２表示パネル２２の表示面に貼り付けられた光学システムである。ハーフミラー層が貼り付けられた表示パネルは、例えば特許文献６に開示されている。光学システム１００Ｂは、ハーフミラー層３０と表示パネル２２とを一体化できるので、光学システム１００Ｂの大きさを小さくできる。
　次に、図７を参照しながら本発明のさらに他の実施形態における光学システム１００Ｃを説明する。図７（ａ）は、光学システム１００Ｃの模式的な側面図であり、図７（ｂ）は、光学システム１００Ｃの模式的な平面図である。なお、光学システム１００Ａと共通する構成要素には、同じ参照符号を付す。
　図７に示す光学システム１００Ｃは、光学システム１００Ａの反射型結像素子１０のかわりに、第１ハーフミラー層３１と再帰性反射層７０とを用いた光学システムである。具体的には、光学システム１００Ｃは、第１表示パネル２１と、第２表示パネル２２と、第１ハーフミラー層３１と、第２ハーフミラー層３２と、再帰性反射層７０とを有する光学システムである。第１ハーフミラー層３１は、第１表示パネル２１の表示面から発せられ、第１ハーフミラー層３１に入射された光を反射させ、第１ハーフミラー層３１により反射された光が再帰性反射層７０に入射され、再帰性反射層７０により再帰反射された光を透過させる。第２ハーフミラー層３２は、第２表示パネル２２の表示面からの光を透過させ、再帰性反射層７０によって再帰反射され、第１ハーフミラー層３１を透過した光を反射させる。光学システム１００Ｃは、第１表示パネル２１の画像が第１ハーフミラー層３１の第１表示パネル２１側とは反対側に結像される光学システムである。なお、第２ハーフミラー層３２は、光学システム１００Ｂのように第２表示パネル２２の表示面に貼り付けられていてもよい。光学システム１００Ｃは、測距センサ４０をさらに有する。測距センサ４０は、第１表示パネル２１と接続しており、測距センサ４０と観察者Ｖとの距離ｄを測定し、測定した距離ｄに応じて、第１表示パネル２１が表示状態となったり、非表示状態となったりする。このような光学システム１００Ｃにおいても、第１表示パネル２１に表示される画像が第１ハーフミラー層３１と再帰性反射層７０とにより空間に結像し、空中映像１５が得られる。さらに、観察者Ｖは、第２表示パネル２２に表示される画像と空中映像１５とが組み合わされた画像を視認できる。また、測定した距離ｄに応じて、第１表示パネル２１が表示状態となったり、非表示状態となったりするので、光学システム１００Ｃの低消費電力化につながる。
　光学システム１００Ｃにおいて、第２表示パネル２２および第２ハーフミラー層３２は、第１ハーフミラー層３１の第１表示パネル２１側とは反対側に配置されることが好ましい。第２ハーフミラー層３２は、第２表示パネル２２の観察者Ｖ側に配置されることが好ましい。測距センサ４０は、第１ハーフミラー層３１の第１表示パネル２１側に配置され、第１表示パネル２１よりも観察者Ｖ側に配置されることが好ましい。再帰性反射層７０は、第１ハーフミラー層３１の第１表示パネル２１側に配置され、測距センサ４０と第１表示パネル２１との間に配置されることが好ましい。
　再帰性反射層７０および第１ハーフミラー層３１として、例えば特許文献４に開示されているレトロリフレクタアレイおよびハーフミラーを用いることができる。レトロリフレクタアレイは、入射された光を再帰反射させる複数の単位構造体（レトロリフレクタ）の配列を有する素子である。ここで、「再帰反射」とは、反射光が、光の入射方向へ反射される（逆反射される）現象をいい、入射光の進行する方向と反射光の進行する方向とは互いに平行かつ逆向きとなる。レトロリフレクタアレイとしては、例えば、コーナーキューブアレイ、微小球アレイ、マイクロレンズアレイなどが挙げられる。コーナーキューブアレイは、互いに直交する３面から構成されるコーナーキューブを２次元的に配列させたアレイである。コーナーキューブに入射した光は、理想的には、そのコーナーキューブを構成する３面で反射し、入射方向と同じ方向に戻される。
　次に、図７（ｂ）を参照しながら、光学システム１００Ｃにおいて第１表示パネル２１の画像が空中に結像するまでの光の経路を説明する。
　図７（ｂ）に示すように、第１表示パネル２１の表示面の右端点Ａから発せられる光のうち所定の角度範囲内（図７（ｂ）では、角度θ７および角度θ８の範囲内）に入る光は、第１ハーフミラー層３１に入射し、反射した後、再帰性反射層７０に入射する。再帰性反射層７０に入射した光は、再帰性反射層７０により再帰反射され、第１ハーフミラー層３１を透過した後、第２ハーフミラー層３２に入射する。第２ハーフミラー層３２に入射した光は、第２ハーフミラー層３２により反射されて、空中の点Ａ’に結像する。また、上記範囲内（角度θ７および角度θ８範囲内）に入らない光は、第１ハーフミラー層３１の外側に抜けたり、第１ハーフミラー層３１により反射されるが、再帰性反射層７０の外側に抜けたりし、結像に寄与しない。（図７（ｂ）の一点鎖線矢印参照）。
　同様に、第１表示パネル２１の表示面の左端点Ｂから発せられる光のうち所定の角度範囲内（図７（ｂ）では、角度θ９および角度θ１０の範囲内）に入る光は、第１ハーフミラー層３１に入射し、反射した後、再帰性反射層７０に入射する。再帰性反射層７０に入射した光は、再帰性反射層７０により再帰反射され、第１ハーフミラー層３１を透過した後、第２ハーフミラー層３２に入射する。第２ハーフミラー層３２に入射した光は、第２ハーフミラー層３２により反射されて、空中の点Ｂ’に結像する。また、上記範囲内（角度θ９およびθ１０の範囲内）に入らない光は、第１ハーフミラー層３１の外側に抜けたり、第１ハーフミラー層３１により反射されるが、再帰性反射層７０の外側に抜けたりし、結像に寄与しない。（図７（ｂ）の鎖線矢印参照）。
　空中映像１５のうち、点Ａ’が視認されるのは角度θ７に対応する角度θ７’と、角度θ８に対応する角度θ８’との範囲内であり、点Ｂ’が視認されるのは、角度θ９に対応するθ９’と、角度θ１０に対応する角度θ１０’との範囲内である。従って、空中映像１５を端から端まで視認できる範囲は、θ８’に対応する角度θ１１と、角度θ１０’に対応する角度θ１２との範囲内の視認可能領域４０ａである。なお、図７（ｂ）に示す角度θ１１および角度θ１２は、θ１１＝θ８’＝θ８、およびθ１２＝θ１０’＝θ１０を満たす。角度θ８および角度θ１０は、第１表示パネル２１の大きさと第１ハーフミラー層３１の大きさと再帰性反射層７０の大きさとの比、第１表示パネル２１、第１ハーフミラー層３１および再帰性反射層７０のそれぞれの設置距離で決まり、空中映像１５を完全に視認できる範囲は、それらによって決まる。従って、光学システム１００Ｃにおいても、測距センサ４０により、第１表示パネル２１の表示状態を制御することにより、低消費電力化につながる。
　次に、図８を参照しながら上述の角度θ７～θ１２および角度θ７’～θ１０’を説明する。図８は、光学システム１００Ｃの模式的な斜視図（第２表示パネル２２は省略されている）である。図８中の一点鎖線Ｔ８～Ｔ１４は、第１表示パネル２１から出射した光の経路を示している。上述したように、第１表示パネル２１の表示面上の点ＡおよびＢについて説明する。また、図８の鎖線で囲んだ領域（仮想領域）７５は、再帰性反射層７０を、第２ハーフミラー層３２の表面に対して面対称に配置した仮想の面である。
　まず、第１表示パネル２１の右端の点Ａから出射される光について説明する。
　線Ｔ８は、第１表示パネル２１の右端の点Ａから第１表示パネル２１の表面に対して垂直に出射された光の経路を示している。この光と第１ハーフミラー層３１の表面との交点を点Ｈとする。この光は、第１ハーフミラー層３１で反射され、再帰性反射層７０上の点Ｉに入射する。そして、再帰性反射層７０により、再帰反射され、第１ハーフミラー層３１を透過して、第２ハーフミラー層３２上の点Ｋで反射される。そして、空中の結像点Ａ’を通る。
　線Ｔ９は、第１表示パネル２１の右端の点Ａから、線Ｔ８で示した光よりも左方向（図８中手前方向）に出射される光の経路を示し、第１ハーフミラー層３１上の点Ｌで反射された後、再帰性反射層７０の左端の点Ｍに入射する。その後、再帰性反射層７０で再帰反射され、第１ハーフミラー層３１を透過し、第２ハーフミラー層３２上の点Ｏで反射され、空中の結像点Ａ’を通る。
　第１表示パネル２１の右端の点Ａから出射される光のうち、線Ｔ９で示した光よりもさらに左側（図８中手前方向）に出射される光は、第１ハーフミラー層３１で反射された後、再帰性反射層７０の外側に出射されるので、空中の点Ａ’に結像しない。
　ここで、直線ＡＨおよび直線ＡＬを延長して、図８中の仮想領域７５と交わる点をそれぞれ点Ｊ、点Ｎとする。また、直線ＡＪと直線ＡＮとがなす角を角度θ７とする。直角三角形ＡＪＮに着目すると、角度θ７は、ｔａｎθ７＝（線分ＪＮの長さ）／（線分ＡＪの長さ）を満たす。線分ＡＪの長さは、第１表示パネル２１、第１ハーフミラー層３１、および再帰性反射層７０の配置間距離に依存する。一方、線分ＪＮの長さは、再帰性反射層７０、第１表示パネル２１の大きさ、および配置位置によって決まる。
　次に、線Ｔ１０は、第１表示パネル２１の右端の点Ａから、線Ｔ８で示した光よりも右方向（図８中奥方向）に出射される光の経路を示し、第１ハーフミラー層３１上の点Ｄで反射された後、再帰性反射層７０の右端の点Ｅに入射する。その後、線Ｔ１０で示す光は、再帰性反射層７０で再帰反射され、第１ハーフミラー層３１を透過して、第２ハーフミラー層３２上の点Ｇで反射され、空中の結像点Ａ’を通る。第１表示パネル２１の右端の点Ａから出射される光のうち、線Ｔ１０で示す光よりもさらに右側（図８中奥方向）に出射される光は、第１ハーフミラー層３１で反射された後、再帰性反射層７０の外側に出射されてしまい、空中の点Ａ’に結像しない。
　ここで、直線ＡＤを延長して、仮想領域７５と交わる点を点Ｆとする。直線ＡＪと直線ＡＦとがなす角を角度θ８とし、直角三角形ＡＪＦに着目すると、角度θ８は、ｔａｎθ８＝（線分ＪＦの長さ）／（線分ＡＪの長さ）を満たす。線分ＡＪの長さは、第１表示パネル２１、第１ハーフミラー層３１、および再帰性反射層７０の配置間距離に依存する。一方、線分ＪＦの長さは、再帰性反射層７０、第１表示パネル２１の大きさ、および配置位置によって決まる。
　次に、第１表示パネル２１の左端の点Ｂから出射される光について説明する。
　線Ｔ１１は、第１表示パネル２１の左端の点Ｂから第１表示パネル２１の表面に対して直交する方向に出射した光の経路を示している。この光と第１ハーフミラー層３１の表面との交点を点Ｔとする。この光は第１ハーフミラー層３１で反射され、再帰性反射層７０上の点Ｕに入射する。そして、この光は、再帰性反射層７０により、再帰反射され、第１ハーフミラー層３１を透過して、第２ハーフミラー層３２上の点Ｗで反射される。その後、この光は空中の結像点Ｂ’を通る。
　線Ｔ１２は、第１表示パネル２１の左端の点Ｂから、線Ｔ１１で示した光よりも右方向（図８中奥方向）に出射される光の経路を示し、第１ハーフミラー層３１上の点Ｒで反射された後、再帰性反射層７０の右端の点Ｅに入射する。そして、この光は再帰性反射層７０で再帰反射され、第１ハーフミラー層３１を透過して、第２ハーフミラー層３２上の点Ｓで反射され、空中の結像点Ｂ’を通る。
　第１表示パネル２１の左端の点Ｂから出射される光のうち、線Ｔ１２で示される光よりもさらに右側（図８中奥方向）に出射される光は、第１ハーフミラー層３１で反射された後、再帰性反射層７０の外側に出射されてしまい、空中の点Ｂ’に結像しない。
　ここで、直線ＢＴおよび直線ＢＲを延長して、仮想領域７５と交わる点をそれぞれ点Ｖ、点Ｆとする。また、直線ＢＶと直線ＢＦとがなす角を角度θ９とする。直角三角形ＢＶＦに着目すると、角度θ９は、ｔａｎθ９＝（線分ＶＦの長さ）／（線分ＢＶの長さ）を満たす。線分ＢＶの長さは、第１表示パネル２１、第１ハーフミラー層３１、および再帰性反射層７０の配置間距離に依存する。一方、線分ＶＦの長さは、再帰性反射層７０、第１表示パネル２１の大きさ、または配置位置によって決まる。
　線Ｔ１３は、第１表示パネル２１の左端の点Ｂから、線Ｔ１１で示した光よりも左方向（図８中手前方向）に出射される光の経路を示し、第１ハーフミラー層３１上の点Ｐで反射された後、再帰性反射層７０の左端の点Ｍに入射する。そして、この光は、再帰性反射層７０で再帰反射され、第１ハーフミラー層３１を透過した後、第２ハーフミラー層３２上の点Ｑで反射され、空中の結像点Ｂ’を通る。
　第１表示パネル２１の左端の点Ｂから出射される光のうち、線Ｔ１３で示した光よりもさらに左側（図８中手前方向）に出射される光は、第１ハーフミラー層３１で反射された後、再帰性反射層７０の外側に出射されてしまい、空中の点Ｂ’に結像しない。
　ここで、直線ＢＰを延長して、図８の仮想領域７５と交わる点を点Ｎとする。そうして、直線ＢＶと直線ＢＮとがなす角を角度θ１０とする。直角三角形ＢＶＮに着目すると、角度θ１０は、ｔａｎθ１０＝（線分ＶＮの長さ）／（線分ＢＶの長さ）を満たす。線分ＢＶの長さは、第１表示パネル２１、第１ハーフミラー層３１、再帰性反射層７０の配置間距離に依存する。一方、線分ＶＮの長さは、再帰性反射層７０、第１表示パネル２１の大きさ、または配置位置によって決まる。
　第１表示パネル２１の点Ａと点Ｂの間から出射される光も、点Ａおよび点Ｂから出射される光と同様に、第１ハーフミラー層３１で反射された後、再帰性反射層７０に入射する（線分ＥＭの間に入射できる）光だけが、点Ａ’と点Ｂ’を結ぶ線上の結像点を通り、空中映像１５の形成に寄与する。しかしながら、空中映像１５が視認される視角範囲の限界について議論する場合は、点Ａおよび点Ｂから出射される光だけを考えればよい。
　空中映像１５のうち、点Ａ’が視認される視角範囲は、図８中の角度θ７’および角度θ８’の範囲内であり、点Ｂ’が視認される範囲は、図８中の角度θ９’および角度θ１０’の範囲内である。ここで、角度θ７’～θ１０’を次のように定義する。直線ＫＡ’と直線ＯＡ’とがなす角を角度θ７’とする。直線ＫＡ’と直線ＧＡ’とがなす角を角度θ８’とする。直線ＷＢ’と直線ＳＢ’とがなす角を角度θ９’とする。直線ＷＢ’と直線ＱＢ’とがなす角を角度θ１０’とする。
　上述したように特許文献４による光学系の性質より、θ７’＝θ７、θ８’＝θ８、θ９’＝θ９、θ１０’＝θ１０を満たす。ここで、空中映像１５を完全に端から端まで視認される範囲は、点Ａ’と点Ｂ’とが両方とも視認される角度範囲である。
　直線ＧＡ’と直線ＱＢ’との交点を点Ｃとし、点Ｃを通り直線ＫＡ’および直線ＷＢ’に平行な直線を図８中の線Ｔ１４で示す。線Ｔ１４と直線ＧＣとがなす角を角度θ１１、線Ｔ１４と直線ＱＣとがなす角を角度θ１２とすると、角度θ１１と角度θ１２との和（θ１１＋θ１２）の角度範囲内が点Ａ’と点Ｂ’の両方が視認される角度範囲である。また、幾何計算により、角度θ１１と角度θ１２とは、それぞれ、θ１１＝θ８’、θ１２＝θ１０’を満たす。さらに、θ８’＝θ８、θ１０’＝θ１０であるので、θ１１＝θ８、θ１２＝θ１０である。角度θ８および角度θ１０は、それぞれ第１表示パネル２１、第１ハーフミラー層３１、再帰性反射層７０の配置間距離、大きさ、配置位置によって決まる。
　以下、光学システム１００Ｃについて、具体的な実施形態を説明する。
　第１表示パネル２１として、１０．４型の液晶表示パネルを用いる。１０．４型の液晶表示パネルの表示面の大きさは、横２１０ｍｍ×縦１５８ｍｍである。この場合、図８の線分ＡＢの長さが２１０ｍｍとなる。再帰性反射層７０の形状は、一辺が４１０ｍｍの正方形状である。そして、線分ＥＩの長さと線分ＵＭの長さとが同じになるように（線分ＦＪの長さと線分ＶＮの長さも同じ）第１表示パネル２１と再帰性反射層７０とを配置する。すなわち、線分ＥＩの長さおよび線分ＵＭの長さがそれぞれ１００ｍｍ（線分ＥＩの長さ＝線分ＵＭの長さ＝１００ｍｍ）である。同様に、線分ＦＪの長さおよび線分ＶＮの長さもそれぞれ１００ｍｍである（線分ＦＪの長さ＝線分ＶＮの長さ＝１００ｍｍ）。また、液晶表示パネルと、再帰性反射層７０を第１ハーフミラー層３１の表面に対して面対称に配置した仮想領域７５との距離（液晶表示パネルと仮想領域７５との距離は、線分ＡＪの長さおよび線分ＢＶの長さと等しい）が４００ｍｍとなるように配置する。第１ハーフミラー層３１および第２ハーフミラー層３２の形状は、一辺が５００ｍｍの正方形状である。
　まず、角度θ７は、ｔａｎθ７＝（線分ＪＮの長さ）／（線分ＡＪの長さ）（式（５））を満たす。線分ＪＮの長さは、線分ＦＮの長さと線分ＦＪの長さの差（線分ＦＮの長さ－線分ＦＪの長さ）に等しいので、３１０ｍｍとなる。線分ＡＪの長さは４００ｍｍであるので、式（５）より、ｔａｎθ７＝０．７７５、θ７＝３７．８°となる。
　角度θ８は、ｔａｎθ８＝（線分ＪＦの長さ）／（線分ＡＪの長さ）（式（６））を満たす。線分ＪＦの長さは１００ｍｍであり、線分ＡＪの長さは４００ｍｍであるので、式（６）より、ｔａｎθ８＝０．２５となり、θ８＝１４．０°が導かれる。
　角度θ９は、ｔａｎθ９＝（線分ＶＦの長さ）／（線分ＢＶの長さ）（式（７））を満たす。線分ＶＦの長さは、線分ＦＮの長さと線分ＶＮの長さとの差（線分ＦＮの長さ－線分ＶＮの長さ）であるので、３１０ｍｍである。線分ＢＶの長さは４００ｍｍであるので、式（７）より、ｔａｎθ９＝０．７７５となり、θ９＝３７．８°が導かれる。
　角度θ１０は、ｔａｎθ１０＝（線分ＶＮの長さ）／（線分ＢＶの長さ）（式（８））を満たす。線分ＶＮの長さは１００ｍｍであり、線分ＢＶの長さは４００ｍｍであるので、式（８）から、ｔａｎθ１０＝０．２５となり、θ１０＝１４．０°が導かれる。
　上述の通り、θ１１＝θ８、θ１２＝θ１０を満たすので、空中映像１５を完全に視認できる視角範囲は、（θ１１＋θ１２）＝１４．０°＋１４．０°＝２８°である。
　以上、光学システム１００Ａ～１００Ｃにより、消費電力の小さい、反射型結像素子または再帰性反射層を有する光学システムが提供される。
　本発明の実施形態は、空間に被投影物の像を結像させることができる光学素子と、表示パネルとを有する光学システムに、広く適用することができる。
　１０　　　反射型結像素子
　１５　　　空中映像
　２１、２２　　　表示パネル
　３０　　　ハーフミラー層
　４０　　　測距センサ
　１００Ａ　　　光学システム
　ｄ、ｄ１、ｄ２　　　距離
　Ｖ、Ｖ１、Ｖ２　　　観察者

Claims (5)

  1. 　第１表示パネルと、第２表示パネルと、反射型結像素子と、ハーフミラー層とを備え、
    　前記反射型結像素子は、前記第１表示パネルが表示する画像を前記反射型結像素子の前記第１表示パネル側とは反対側に結像させるように配置されており、
    　前記ハーフミラー層は、前記第２表示パネルの表示面からの光を透過させるとともに、前記第１表示パネルの表示面から出射され、前記反射型結像素子によって反射された光を反射させることによって、観察者が、前記第１表示パネルが表示する画像と、前記第２表示パネルが表示する画像とを重ねて観察することができるように構成されており、
    　前記第１表示パネルは、観察者の位置に応じて、オン／オフ制御される、光学システム。
  2. 　前記ハーフミラー層は、前記第２表示パネルの観察者側に配置されている、請求項１に記載の光学システム。
  3. 　第１表示パネルと、第２表示パネルと、第１ハーフミラー層と、第２ハーフミラー層と、再帰性反射層とを備え、
    　前記第１ハーフミラー層は、前記第１表示パネルの表示面から発せられ、前記第１ハーフミラー層に入射された光を反射させるとともに、前記第１ハーフミラー層により反射された光が前記再帰性反射層に入射され、前記再帰性反射層により再帰反射された光を透過させ、
    　前記第２ハーフミラー層は、前記第２表示パネルの表示面からの光を透過させるとともに、前記再帰性反射層によって再帰反射され、前記第１ハーフミラー層を透過した光を反射させることによって、前記第１表示パネルが表示する画像と、前記第２表示パネルが表示する画像とを重ねて観察することができるように構成されており、
    　前記第１表示パネルは、観察者の位置に応じて、オン／オフ制御される、光学システム。
  4. 　前記第２ハーフミラー層は、前記第２表示パネルの観察者側に配置されている、請求項３に記載の光学システム。
  5. 　測距センサをさらに有し、
    　前記測距センサは、前記測距センサと観察者との距離を測定し、測定した距離に応じて、前記第１表示パネルは、オン／オフ制御される、請求項１から４のいずれかに記載の光学システム。
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