WO2019159758A1

WO2019159758A1 - 光学結像装置

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Publication number: WO2019159758A1
Application number: PCT/JP2019/004052
Authority: WO
Inventors: 浜野　正孝
Original assignee: 株式会社村上開明堂
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2019-02-05
Publication date: 2019-08-22
Also published as: US20210003858A1; DE112019000780T5; JPWO2019159758A1; CN111742256B; CN111742256A

Abstract

本発明は、映り込みを抑制すると共に空中浮遊像の視認性を高めることができる光学結像装置を提供することを目的とする。本発明に係る光学結像装置（１）は、光を照射して情報を表示する表示装置（１１）と、表示装置（１１）からの光を複数回反射させて虚像を表示する空中結像素子（１３）と、表示装置（１１）から空中結像素子（１３）までの光路上に配置され、表示装置（１１）から照射された光の方向を規制する光方向規制部材（１２）と、を備える。

Description

光学結像装置

　本開示は、虚像を表示する光学結像装置に関する。

　特開２０１５－１６６８４５号公報は、平板状の光学結像素子を開示する。光学結像素子は、光入射面を構成する一主面と、光出射面を構成する他主面とを有する。この光学結像素子は、四角柱状の複数の透光部材を備える。光学結像素子は、複数の透光部材が第１の方向及び第２の方向のそれぞれに沿ってマトリクス状に配置されることによって形成される。

　各透光部材の第１の方向を向く２つの側面のうちの一方、及び各透光部材の第２の方向を向く２つの側面のうちの一方には、反射膜が設けられている。各透光部材の上記の各側面の算術平均粗さは０．１ｎｍ以下とされている。反射膜としては、アルミニウム若しくは銀等の金属からなる金属膜、又は、相対的に高い屈折率を有する高屈折率膜と相対的に低い屈折率を有する低屈折率膜とが交互に積層された多層膜等が用いられる。

　光学結像素子では、各透光部材が反射面によって包囲されている。このため、反射面の光出射面側の部分に光が入射しにくくなっており、入射光の多くは光入射面側の部分において反射面により反射される。よって、１次反射光を光出射面から出射しにくくすることにより、１次反射光に起因する高輝度なゴーストの抑制を図っている。

特開２０１５－１６６８４５号公報

　ところで、図７に示されるように、ディスプレイ等の表示装置１０１から出射された光Ｌ２０を複数回反射させることによって空中浮遊像（虚像）を表示する空中結像素子１００が知られている。空中結像素子１００は複数の光制御パネル１０２を備えており、各光制御パネル１０２は複数の反射面１０２ａを有する。この空中結像素子１００が空中浮遊像を表示することにより、当該空中浮遊像は空中結像素子１００に対し面対称の位置に浮き出されたように表示される。

　前述した空中結像素子１００において、各光制御パネル１０２の反射面１０２ａで２回反射された光Ｌ２２は、空中結像素子１００の表示装置１０１との反対側に照射されて空中浮遊像の形成に寄与する。しかしながら、複数の光制御パネル１０２のうち１枚の光制御パネル１０２の反射面１０２ａで１回反射された光Ｌ２１は、光制御パネル１０２の面内方向に沿って左右方向に進む。この左右方向に進む光Ｌ２１により空中浮遊像の両側に映り込みが現れることがある。その結果、空中浮遊像が見えづらくなるという問題が生じうる。

　本開示は、映り込みを抑制すると共に空中浮遊像の視認性を高めることができる光学結像装置を提供することを目的とする。

　本開示に係る光学結像装置は、光を照射して情報を表示する表示装置と、表示装置からの光を複数回反射させて虚像を表示する空中結像素子と、表示装置から空中結像素子までの光路上に配置され、表示装置から照射された光の方向を規制する光方向規制部材と、を備える。

　この光学結像装置は、情報を表示する表示装置から照射された光を複数回反射させて虚像を表示する空中結像素子を備える。従って、表示装置よりも手前側に虚像を表示することにより、当該虚像を手前側に浮き出された空中浮遊像として表示できる。その結果、空中結像素子による虚像を空中浮遊像として表示することにより、表示する情報のインパクトを高めることができる。更に、光学結像装置は表示装置と空中結像素子との間の光路に光方向規制部材を備えており、光方向規制部材は表示装置から照射された光の方向を規制する。よって、表示装置から照射された光の方向を光方向規制部材が規制することにより、空中結像素子に入射する光の進行方向を規制できる。従って、表示装置からの光を空中結像素子の面内方向に沿って左右方向に進まないようにすることができる。その結果、空中浮遊像の両側に現れる映り込みを抑制できるので、空中浮遊像の視認性を高めることができる。

　光方向規制部材は、表示装置から照射された光の一部を遮断する複数の壁部を有してもよい。この場合、光方向規制部材の複数の壁部によって表示装置からの光の一部が遮断される。従って、空中結像素子に入射する光の進行方向をより確実に規制できる。

　光学結像装置は、空中結像素子の表示装置との反対側に設けられる反射防止部材を備えてもよい。この場合、ユーザーから見て空中結像素子の手前側に反射防止部材が設けられる。よって、反射防止部材が設けられることにより、空中結像素子の手前側における光の反射を抑制できるので、空中浮遊像の視認性をより高めることができる。

　光学結像装置は、空中結像素子の表示装置との反対側に設けられる防眩部材を備えてもよい。この場合、ユーザーから見て空中結像素子の手前側に防眩部材が設けられる。よって、防眩部材が設けられることにより、空中結像素子の手前側に映り込む白ぼけ、ぎらつき又は映り込みを抑制して防眩性を高めることができる。従って、空中浮遊像の視認性を更に高めることができる。

　本開示によれば、映り込みを抑制すると共に空中浮遊像の視認性を高めることができる。

図１は、第１実施形態に係る光学結像装置を示す概略構成図である。図２は、図１の光学結像装置の光方向規制部材及び表示装置を示す断面図である。図３（ａ）は、図２の光方向規制部材を備えた光学結像装置による映像のシミュレーション結果を示す図である。図３（ｂ）は、光方向規制部材を有しない比較例の光学結像装置による映像のシミュレーション結果を示す図である。図４は、第２実施形態に係る光学結像装置を示す概略構成図である。図５は、第３実施形態に係る光学結像装置の光方向規制部材及び表示装置を示す断面図である。図６（ａ）は、第４実施形態に係る光学結像装置の表示装置を模式的に示す平面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の表示装置のコリメートレンズを模式的に示す側面図である。図７は、従来の光学結像装置の空中結像素子を模式的に示す斜視図である。

　以下では、本開示に係る光学結像装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。図面の説明において同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。図面は、理解を容易にするため、一部を簡略化又は誇張して描いており、寸法比率等は図面に記載のものに限定されない。

（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態に係る光学結像装置１を示している。例えば、光学結像装置１は、乗用車等の車両に搭載されている。一例として、光学結像装置１は、速度情報等の車両に関する車両情報、目的地に向かう進路の情報等の進路情報、及び、車両に近接する歩行者の有無等を含む危険度情報を表示し、更に別の情報を表示してもよい。光学結像装置１は、ユーザーＵに充実した情報をよりユーザーフレンドリーな形で提供することにより、情報を把握しやすくすることが可能である。

　光学結像装置１は、モニタ等の表示装置１１と、表示装置１１からの光Ｌ１の方向を規制する光方向規制部材１２と、光方向規制部材１２からの光Ｌ２を受けて虚像Ｋを表示する空中結像素子１３と、空中結像素子１３から出射される光Ｌ３の光路の下流側に設けられる反射防止部材１４と、反射防止部材１４が貼り付けられるガラス板１５とを備える。

　表示装置１１は、例えば、前述した各情報を表示可能な液晶パネルである。表示装置１１は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、タブレット端末、又は携帯電話等の携帯端末のディスプレイであってもよい。空中結像素子１３は、表示装置１１の画像を、空中結像素子１３及び表示装置１１よりも手前（すなわちユーザーＵ側）の位置で虚像Ｋとして表示する。

　空中結像素子１３は２枚の光制御パネル１３ａを備える。光方向規制部材１２から例えば上方に出射して空中結像素子１３に入射した光Ｌ２は、空中結像素子１３において２回反射する。空中結像素子１３は、光Ｌ２を２回反射させることによって、ユーザーＵ側に位置する空間に虚像Ｋを結像する。各光制御パネル１３ａの厚さは、例えば、１．５ｍｍ程度であるため、空中結像素子１３の厚さは３．０ｍｍ程度である。上記のように、虚像Ｋが結像される位置は、表示装置１１及び空中結像素子１３よりもユーザーＵに近い位置とされるので、虚像Ｋを視認しやすくすることができる。空中結像素子１３は、例えば、像を空中に結像させるＡＩ（Aerial imaging）プレート（登録商標）であり、ＡＩプレートは特許第４８６５０８８号に記載された技術を用いて作製されている。

　反射防止部材１４は、例えば、ＡＲ（Anti Reflection）コーティングがなされたフィルム部材である。反射防止部材１４は、例えば、ガラス板１５のユーザーＵ側に貼り付けられた反射防止膜である。反射防止部材１４は、例えば、ハードコート層が形成されたベースフィルムに誘電体多層膜がコーティングされて作製されている。反射防止部材１４は、空中結像素子１３との反対側（すなわちユーザーＵ側）からの光の反射を防止するために設けられる。この反射防止部材１４により、ユーザーＵに反射光が向かうことを抑制できる。

　図１及び図２に示されるように、光方向規制部材１２は、例えば、表示装置１１の空中結像素子１３側を向く面１１ａに粘着剤１７によって貼り付けられている。粘着剤１７は、例えば、光学透明接着剤（ＯＣＡ：Optical Clear Adhesive）、又は光学透明接着樹脂（ＯＣＲ：Optical Clear Adhesive Resin）であってもよい。粘着剤１７の光の屈折率は、例えば、ガラスの屈折率と同程度である。

　光方向規制部材１２は、面１１ａの全域に貼り付けられてもよいし、面１１ａの外縁等、面１１ａに部分的に貼り付けられてもよい。光方向規制部材１２は、例えば両面テープ等、粘着剤１７以外の手段によって貼り付けられてもよい。光方向規制部材１２は、面１１ａに対して貼り付けられなくてもよく、例えば、固定部材によって面１１ａの上に固定されてもよい。このように、光方向規制部材１２の配置態様は適宜変更可能である。

　以降の説明では、表示装置１１に対して光方向規制部材１２が設けられる方向をＺ方向、Ｚ方向に対して直交する平面に沿う方向をＸ方向、Ｚ方向及びＸ方向の双方に直交する方向をＹ方向として説明する。但し、これらの方向は、説明の便宜上のものであって、本開示の範囲を限定するものではない。

　表示装置１１からの光Ｌ１は、Ｚ方向を向く面１１ａから発散光として出射されて光方向規制部材１２に入射する。光方向規制部材１２は、Ｘ方向及びＹ方向に延びる板状を成している。光方向規制部材１２の厚さ（例えばＺ方向の長さ）は、一例として０．１ｍｍ以上且つ０．８ｍｍ以下であり、好ましくは０．２ｍｍ以上且つ０．６ｍｍ以下であり、より好ましくは０．４ｍｍである。光方向規制部材１２の厚さが０．１ｍｍ以上であることによって光の方向の規制を確実に行うことができ、光方向規制部材１２の厚さが０．８ｍｍ以下であることによって光Ｌ２の光量の低下（すなわち虚像Ｋの輝度の低下）を抑えることができる。

　光方向規制部材１２は、表示装置１１からの光Ｌ１の一部を吸収する複数の壁部１２ａと、複数の壁部１２ａのＺ方向のそれぞれに設けられる主面部１２ｂとを備える。主面部１２ｂはＸ方向及びＹ方向に沿う平面状とされている。一例として、光方向規制部材１２はルーバーフィルムである。複数の壁部１２ａは、例えばＸ方向に沿って並ぶように配置されている。各壁部１２ａは、Ｚ方向に延在する光吸収面１２ｃを有する。各壁部１２ａはＹ方向に直線状に延在する。一対の主面部１２ｂのうち、一方の主面部１２ｂは面１１ａに対向し、他方の主面部１２ｂは空中結像素子１３側に露出する。

　表示装置１１からの発散光である光Ｌ１のうち、Ｚ方向に対する角度が所定値より大きい光Ｌ１１は複数の壁部１２ａ（具体的には光吸収面１２ｃ）のそれぞれによって遮断され、Ｚ方向に対する角度が当該所定値以下である光Ｌ２が光方向規制部材１２から出射される。このように、複数の壁部１２ａのそれぞれが光Ｌ１１を遮断すると共に光Ｌ２のみを出射することにより、角度が規制された光Ｌ２を出射できる。光吸収面１２ｃは、全ての光Ｌ１１を吸収しなくてもよく、光Ｌ１１の一部を反射してもよい。

　ところで、仮に表示装置の発散光がそのまま空中結像素子に入射する場合、空中結像素子にあらゆる方向の光が入射する。空中結像素子にあらゆる方向の光が入射すると、本来空中結像素子において光を２回反射させるべきところ、１回しか反射しない光が生じうる（図７の光Ｌ２１参照）。空中結像素子において１回しか反射しない光は、光制御パネルの面内方向に沿って左右方向に進み、映り込みの原因となりうる。

　具体的には、図３（ｂ）のシミュレーション結果に示されるように、空中結像素子において１回しか反射しない光は、光制御パネルの面内方向に沿って左右方向に進行し、この左右方向に進行する光により空中浮遊像である虚像Ｍの両側に映り込みＮが現れることがある。このように映り込みＮが現れることによって虚像Ｍが見えづらくなるという問題が生じうる。これに対し、本実施形態に係る光学結像装置１では、上記の問題を解消しており、具体的には以下の作用効果を奏する。

　以下では、本実施形態に係る光学結像装置１の作用効果について説明する。図１及び図２に示されるように、光学結像装置１は、情報を表示する表示装置１１から光方向規制部材１２を介して照射された光Ｌ２を複数回反射させて虚像Ｋを表示する空中結像素子１３を備える。従って、空中結像素子１３に面対称の位置でユーザーＵにより近い側に虚像Ｋを表示することにより、虚像Ｋを手前側に浮き出された空中浮遊像として表示できる。その結果、空中結像素子１３による虚像Ｋを空中浮遊像として表示することにより、表示する情報のインパクトを高めることができる。

　更に、光学結像装置１は表示装置１１と空中結像素子１３との間の光路に光方向規制部材１２を備えており、光方向規制部材１２は表示装置１１から照射された光Ｌ１の方向を規制する。よって、表示装置１１から照射された光Ｌ１の方向を光方向規制部材１２が規制することにより、空中結像素子１３に入射する光Ｌ２の進行方向を規制できる。従って、表示装置１１からの光を空中結像素子１３の面内方向に沿って左右方向に進まないようにすることができる。その結果、図３（ａ）に示されるように、空中浮遊像である虚像Ｋの両側に現れる映り込みを抑制できるので、空中浮遊像の視認性を高めることができる。

　図３（ａ）は、１枚の光方向規制部材１２を配置したときにおけるシミュレーションの結果を示している。光方向規制部材１２は、２枚以上配置しても図３（ａ）と同様の効果が得られる。具体的には、複数の壁部１２ａが延びる方向を互いに同一にした２枚の光方向規制部材１２を重ねて配置した場合、複数の壁部１２ａが延びる方向を互いに直交させた２枚の光方向規制部材１２を重ねて配置した場合、及び複数の壁部１２ａが延びる方向を互いに４５°ずらした２枚の光方向規制部材１２を重ねて配置した場合、にも同様の効果が得られる。

　しかしながら、２枚の光方向規制部材１２を重ねて配置した場合、虚像Ｋが若干薄く表示される。これに対し、１枚の光方向規制部材１２を配置した場合には、虚像Ｋの両側の映り込みを抑制できると共に、輝度を高めて虚像Ｋを鮮明に映し出すことができる。その結果、虚像Ｋの視認性を確実に維持できるため、結果的に視認性を更に高めることができる。

　光方向規制部材１２は、表示装置１１から照射された光Ｌ１の一部を遮断する複数の壁部１２ａを有する。よって、光方向規制部材１２の複数の壁部１２ａによって表示装置１１からの光Ｌ１の一部が遮断される。従って、空中結像素子１３に入射する光Ｌ２の進行方向をより確実に規制できる。

　光学結像装置１は、空中結像素子１３の表示装置１１との反対側に設けられる反射防止部材１４を備える。すなわち、ユーザーＵから見て空中結像素子１３の手前側に反射防止部材１４が設けられる。よって、反射防止部材１４が設けられることにより、空中結像素子１３の手前側における光の反射を抑制できるので、空中浮遊像の視認性をより高めることができる。

（第２実施形態）
　次に、第２実施形態に係る光学結像装置について図４を参照しながら説明する。第２実施形態に係る光学結像装置３１は、反射防止部材１４に代えて防眩部材３４を備える。防眩部材３４は、例えば反射防止部材１４と同様、ガラス板１５に貼り付けられる。以降の説明では、第１実施形態と重複する説明を適宜省略する。

　防眩部材３４は、例えば、ＡＧ（Anti Glare）処理が施された材料によって構成されたフィルム部材である。防眩部材３４は、表面に凹凸を有していてもよく、この場合、凹凸によって光を拡散して眩しさ及び映り込みを抑えることが可能となる。このように、防眩部材３４は、入射された光を拡散することにより、画像のぎらつきを抑えて画像の鮮明度を高めている。

　以上、第２実施形態に係る光学結像装置３１は、空中結像素子１３の表示装置１１との反対側に設けられる防眩部材３４を備える。ユーザーＵから見て空中結像素子１３の手前側に防眩部材３４が設けられる。よって、防眩部材３４が設けられることにより、空中結像素子１３の手前側に映り込む白ぼけ、ぎらつき又は映り込みを抑制して防眩性を高めることができる。従って、空中浮遊像の視認性を更に高めることができる。防眩部材３４と第１実施形態の反射防止部材１４とを併用することも可能である。

（第３実施形態）
　続いて、第３実施形態に係る光学結像装置について図５を参照しながら説明する。第３実施形態に係る光学結像装置では、光方向規制部材４２の壁部４２ａの構成が第１実施形態と異なっている。光方向規制部材４２は、Ｘ方向に沿って配列された複数の壁部４２ａと、前述した主面部１２ｂとを備える。各壁部４２ａは、Ｚ方向に対して傾斜する光反射面４２ｃを有する。例えば、光反射面４２ｃはＺ方向に向かうに従って壁部４２ａが細くなる方向に傾斜しており、Ｚ方向に対する光反射面４２ｃの傾斜角度θは０°より大きく且つ１５°以下である。光反射面４２ｃは、表示装置１１からの光Ｌ１の一部の光Ｌ２を反射し、光Ｌ１の残部の光Ｌ１１を吸収する。

　以上、第３実施形態に係る光学結像装置の光方向規制部材４２は、表示装置１１から照射された光Ｌ１の一部を反射する光反射面４２ｃを備えた複数の壁部４２ａを有し、各光反射面４２ｃは光方向規制部材４２の厚さ方向（Ｚ方向）に対して傾斜している。よって、光Ｌ２の進行方向を規制できると共に反射された光Ｌ２を出射できるので、光Ｌ２の光量を増加して輝度を高めることにより虚像Ｋをより鮮明に映し出すことができる。従って、虚像Ｋの視認性を更に高めることができる。

（第４実施形態）
　次に、第４実施形態に係る光学結像装置について図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照しながら説明する。第４実施形態に係る光学結像装置では、表示装置５１の構成が前述した各実施形態と異なっている。表示装置５１は、前述した表示装置１１よりも高輝度なディスプレイである。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示されるように、表示装置５１は、液晶ディスプレイであり、複数のマイクロレンズ５１ａを備える。複数のマイクロレンズ５１ａは、例えば、表示装置５１の画素ごとに設けられており、格子状に配列されている。すなわち、表示装置５１の液晶１つ１つに対してマイクロレンズ５１ａが配置されている。各マイクロレンズ５１ａは、発散光であった光Ｌ１を平行光に変換し、平行光に変換した光Ｌ１を光方向規制部材に出射する。

　以上、第４実施形態に係る光学結像装置では、表示装置５１が複数のマイクロレンズ５１ａを備えており、各マイクロレンズ５１ａは光Ｌ１を平行光として光方向規制部材に出射する。従って、光Ｌ１の方向を光方向規制部材に入射する前に規制できるので、光方向規制部材から空中結像素子に向かって出射する光Ｌ２の光量を増やすことができる。よって、虚像Ｋを更に鮮明に映し出すことができるので、虚像Ｋの視認性を一層高めることができる。

　以上、本開示に係る光学結像装置の各実施形態について説明した。しかしながら、本開示は、前述した各実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲において変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。すなわち、光学結像装置の各部の構成は、各請求項の要旨を変更しない範囲において適宜変更可能である。

　例えば、前述の実施形態では、図１及び図４に示されるように、反射防止部材１４を備える光学結像装置１、及び防眩部材３４を備える光学結像装置３１について説明した。しかしながら、光学結像装置では、反射防止部材１４及び防眩部材３４に代えて、指紋による汚れを防ぐ防指紋部材（Anti Finger）がガラス板１５に貼り付けられてもよい。防指紋部材は、指紋を目立ちにくく且つ拭き取りやすくする機能を有してもよいし、付着した指紋を除去する消指紋部材であってもよい。

　防指紋部材は、フィルム状の基材の表面に耐指紋コーティング添加剤（又は指紋付着防止剤）が塗布されたものであってもよい。前述した反射防止部材１４、防眩部材３４及び防指紋部材を含む機能膜のうち、複数の任意の部材をガラス板１５に貼り付けてもよい。更に、反射防止部材１４、防眩部材３４及び防指紋部材の少なくともいずれかをガラス板１５ではなく空中結像素子１３に貼り付けてもよい。この場合、ガラス板１５を省略できる。

　前述した実施形態では、光方向規制部材１２がルーバーフィルムである例について説明した。しかしながら、光方向規制部材は、ルーバーフィルム以外のものであってもよい。例えば、光方向規制部材は、複数の孔を有し、各孔の内面の一部が光吸収面とされ残部が光反射面とされた部材であってもよく、光方向規制部材の構成は適宜変更可能である。

　前述の実施形態では、空中結像素子１３が像を空中に結像させるＡＩプレートである例について説明した。しかしながら、空中結像素子は、例えば、ユーザーＵから見て手前側に立体的な虚像を結像する立体結像素子であってもよく、ＡＩプレート以外の素子であってもよい。

　前述した実施形態では、表示装置１１、光方向規制部材１２、空中結像素子１３、反射防止部材１４及びガラス板１５を備える光学結像装置１について説明した。しかしながら、表示装置、光方向規制部材、空中結像素子、反射防止部材及びガラス板の種類、形状、大きさ、数、材料及び配置態様は適宜変更可能である。更に、前述した実施形態では、乗用車等の車両に搭載される光学結像装置１について説明した。しかしながら、光学結像装置は、車両以外の種々の機器にも適用させることが可能である。

１，３１…光学結像装置、１１，５１…表示装置、１２，４２…光方向規制部材、１２ａ，４２ａ…壁部、１３…空中結像素子、１４…反射防止部材、３４…防眩部材、Ｋ…虚像、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ１１…光。

Claims

　光を照射して情報を表示する表示装置と、
　前記表示装置からの光を複数回反射させて虚像を表示する空中結像素子と、
　前記表示装置から前記空中結像素子までの光路上に配置され、前記表示装置から照射された光の方向を規制する光方向規制部材と、
を備える光学結像装置。
　前記光方向規制部材は、前記表示装置から照射された光の一部を遮断する複数の壁部を有する、
請求項１に記載の光学結像装置。
　前記空中結像素子の前記表示装置との反対側に設けられる反射防止部材を備える、
請求項１又は２に記載の光学結像装置。
　前記空中結像素子の前記表示装置との反対側に設けられる防眩部材を備える、
請求項１～３のいずれか一項に記載の光学結像装置。