(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022129523
(43)【公開日】2022-09-06
(54)【発明の名称】画像投影装置
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20220830BHJP
H04N 5/74 20060101ALI20220830BHJP
H04N 5/64 20060101ALI20220830BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
H04N5/74 A
H04N5/64 511A
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021028219
(22)【出願日】2021-02-25
(71)【出願人】
【識別番号】000001133
【氏名又は名称】株式会社小糸製作所
(74)【代理人】
【識別番号】110001667
【氏名又は名称】弁理士法人プロウィン
(72)【発明者】
【氏名】尾形 洋一
【テーマコード（参考）】
2H199
5C058
【Ｆターム（参考）】
2H199CA12
2H199CA23
2H199CA27
2H199CA29
2H199CA44
2H199CA45
2H199CA46
2H199CA47
2H199CA53
2H199CA63
2H199CA65
2H199CA66
2H199CA67
2H199CA68
2H199CA69
2H199CA70
2H199CA74
2H199CA87
5C058AA18
5C058EA03
5C058EA11
5C058EA26
5C058EA27
5C058EA32
5C058EA33
5C058EA54
(57)【要約】
【課題】視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、さらに小型化と軽量化を図ることが可能な画像投影装置を提供する。
【解決手段】第１光を照射する第１画像照射部（４０）と、第１光が入射される第１光入射部（２２）と、第１光の一部を全反射しながら導波光として導波する光導波部（２１）と、導波光の一部を視点方向に出射する第１光出射部を有する導光板部（２０）と、第１光入射部（２２）に設けられた回折格子部（１０）を備え、第１光出射部は、光導波部（２１）内に設けられたビームスプリッター（２３）と、光導波部（２１）の端部に設けられた再帰反射部（２４）を備える画像投影装置。
【選択図】図２
【解決手段】第１光を照射する第１画像照射部（４０）と、第１光が入射される第１光入射部（２２）と、第１光の一部を全反射しながら導波光として導波する光導波部（２１）と、導波光の一部を視点方向に出射する第１光出射部を有する導光板部（２０）と、第１光入射部（２２）に設けられた回折格子部（１０）を備え、第１光出射部は、光導波部（２１）内に設けられたビームスプリッター（２３）と、光導波部（２１）の端部に設けられた再帰反射部（２４）を備える画像投影装置。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１光を照射する第１画像照射部と、
前記第１光が入射される第１光入射部と、前記第１光の一部を全反射しながら導波光として導波する光導波部と、前記導波光の一部を視点方向に出射する第１光出射部を有する導光板部と、
前記第１光入射部に設けられた回折格子部を備え、
前記第１光出射部は、前記光導波部内に設けられたビームスプリッターと、前記光導波部の端部に設けられた再帰反射部を備えることを特徴とする画像投影装置。
前記第１光が入射される第１光入射部と、前記第１光の一部を全反射しながら導波光として導波する光導波部と、前記導波光の一部を視点方向に出射する第１光出射部を有する導光板部と、
前記第１光入射部に設けられた回折格子部を備え、
前記第１光出射部は、前記光導波部内に設けられたビームスプリッターと、前記光導波部の端部に設けられた再帰反射部を備えることを特徴とする画像投影装置。
【請求項2】
請求項１に記載の画像投影装置であって、
前記導光板部は、前記回折格子部で分岐された光の一つを透過して前記視点方向とは異なる外部スクリーン方向に出射する第２光出射部を備えることを特徴とする画像投影装置。
前記導光板部は、前記回折格子部で分岐された光の一つを透過して前記視点方向とは異なる外部スクリーン方向に出射する第２光出射部を備えることを特徴とする画像投影装置。
【請求項3】
請求項２に記載の画像投影装置であって、
前記視点方向と前記外部スクリーン方向とは、略平行であることを特徴とする画像投影装置。
前記視点方向と前記外部スクリーン方向とは、略平行であることを特徴とする画像投影装置。
【請求項4】
請求項２または３に記載の画像投影装置であって、
光の透過と遮断を切り替える光シャッター部が、前記第１光出射部または前記第２光出射部に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
光の透過と遮断を切り替える光シャッター部が、前記第１光出射部または前記第２光出射部に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
【請求項5】
請求項２から４の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記第１光の波長を変換する波長変換部が、前記第１光出射部または前記第２光出射部に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
前記第１光の波長を変換する波長変換部が、前記第１光出射部または前記第２光出射部に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
【請求項6】
請求項１から５の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記再帰反射部は、光を正反射する正反射領域と再帰反射する再帰反射領域が混在して形成されていることを特徴とする画像投影装置。
前記再帰反射部は、光を正反射する正反射領域と再帰反射する再帰反射領域が混在して形成されていることを特徴とする画像投影装置。
【請求項7】
請求項１から５の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記導波光の一部を反射して残りを透過する部分反射部が、前記ビームスプリッターと前記再帰反射部の間に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
前記導波光の一部を反射して残りを透過する部分反射部が、前記ビームスプリッターと前記再帰反射部の間に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
【請求項8】
請求項１から７の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
第２光を前記回折格子に対して照射する第２画像照射部を備え、
前記回折格子部に対する前記第１光と前記第２光の入射角度が異なっており、
前記光導波部は、前記第２光の一部を全反射しながら導波光として導波することを特徴とする画像投影装置。
第２光を前記回折格子に対して照射する第２画像照射部を備え、
前記回折格子部に対する前記第１光と前記第２光の入射角度が異なっており、
前記光導波部は、前記第２光の一部を全反射しながら導波光として導波することを特徴とする画像投影装置。
【請求項9】
請求項８に記載の画像投影装置であって、
前記第１光の波長を反射し前記第２光の波長を透過する選択反射部が、前記ビームスプリッターと前記再帰反射部の間に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
前記第１光の波長を反射し前記第２光の波長を透過する選択反射部が、前記ビームスプリッターと前記再帰反射部の間に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
【請求項10】
請求項８または９に記載の画像投影装置であって、
前記第１光の波長または前記第２光の波長を選択的に遮断する光フィルターが、前記第２光出射部に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
前記第１光の波長または前記第２光の波長を選択的に遮断する光フィルターが、前記第２光出射部に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
【請求項11】
請求項１から１０の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
二つの前記導光板部を備え、
前記導光板部のそれぞれの前記第１光入射部に、一つの前記回折格子部が共通に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
二つの前記導光板部を備え、
前記導光板部のそれぞれの前記第１光入射部に、一つの前記回折格子部が共通に設けられていることを特徴とする画像投影装置。
【請求項12】
請求項１から１１の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記光導波部が曲面形状を有することを特徴とする画像投影装置。
前記光導波部が曲面形状を有することを特徴とする画像投影装置。
【請求項13】
請求項１から１２の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記第１画像照射部は、液晶表示素子またはデジタルミラーデバイスを備え、前記第１光に含まれる第１画像の内容を経時的に変化させることを特徴とする画像投影装置。
前記第１画像照射部は、液晶表示素子またはデジタルミラーデバイスを備え、前記第１光に含まれる第１画像の内容を経時的に変化させることを特徴とする画像投影装置。
【請求項14】
請求項１から１３の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記回折格子部は、光入射面を構成する平板状部分と、前記平板状部分と一体に構成された凹凸部分を備え、前記導光板部とは別体に形成されていることを特徴とする画像投影装置。
前記回折格子部は、光入射面を構成する平板状部分と、前記平板状部分と一体に構成された凹凸部分を備え、前記導光板部とは別体に形成されていることを特徴とする画像投影装置。
【請求項15】
請求項１から１３の何れか一つに記載の画像投影装置であって、
前記回折格子部は、少なくとも二つの方向に光を回折するホログラフィックグレーティングを有することを特徴とする画像投影装置。
前記回折格子部は、少なくとも二つの方向に光を回折するホログラフィックグレーティングを有することを特徴とする画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、画像投影装置に関し、特に回折格子を用いた画像投影装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、車両内に各種情報を表示する装置として、アイコンを点灯表示する計器盤が用いられている。また、表示する情報量の増加とともに、計器盤に画像表示装置を埋め込むことや、計器盤全体を画像表示装置で構成することも提案されている。
【0003】
しかし、計器盤は車両のフロントガラスより下方に位置しているため、計器盤に表示された情報を運転者が視認するには、運転中に視線を下方に移動させる必要があるため好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、運転者が車両の前方を視認したときに情報を読み取れるようにするヘッドアップディスプレイ（以下ＨＵＤ：Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）も提案されている（例えば、特許文献１を参照）。このようなＨＵＤでは、フロントガラスの広い範囲に画像を投影するための光学装置が必要であり、光学装置の小型化および軽量化が望まれている。
【0004】
一方で、小型の光学装置を用いて光を投影する画像表示装置としては、導光板の一端から光を入射させて他端側で視点方向に光を取り出すウェアラブル型のＨＵＤが知られている（例えば、特許文献２を参照）。ウェアラブル型のＨＵＤでは、光源から照射された光を視聴者の眼に直接照射して、視聴者の網膜に画像を投影している。このようなウェアラブル型のＨＵＤでは、光源から視聴者に光を照射する際に回折格子やハーフミラーを用いている。ウェアラブル型のＨＵＤは、頭部に装着することで利用者個人の視点に対して画像を投影するため、没入感の高い仮想現実（ＶＲ：Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）や拡張現実（ＡＲ： Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）等に用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１９－１１９２６２号公報
【特許文献2】特開２０２０－１４４１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、従来のウェアラブル型のＨＵＤでは、回折格子やハーフミラーで導光板から画像を視点方向に投影するため、視点からの距離が同じである平面内に全ての画像が表示される。そのため、複数の画像を異なる視点からの距離に表示して重ね合わせることが困難であった。また、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影するには、投影位置に対応した画像投影部と光学系部材を設計して個別に配置する必要があるため、部品点数が増加して装置の小型化と軽量化が困難になるという問題があった。
【0007】
そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、さらに小型化と軽量化を図ることが可能な画像投影装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、本発明の画像投影装置は、第１光を照射する第１画像照射部と、前記第１光が入射される第１光入射部と、前記第１光の一部を全反射しながら導波光として導波する光導波部と、前記導波光の一部を視点方向に出射する第１光出射部を有する導光板部と、前記第１光入射部に設けられた回折格子部を備え、前記第１光出射部は、前記光導波部内に設けられたビームスプリッターと、前記光導波部の端部に設けられた再帰反射部を備えることを特徴とする。
【0009】
このような本発明の画像投影装置では、ビームスプリッターで第１光を分岐してスクリーンに画像を投影するとともに、光導波部の端部で再帰反射部によって第１光を再帰反射し、ビームスプリッターで視点方向に投影してエアリアルイメージを結像することができる。これにより、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、さらに小型化と軽量化を図ることが可能となる。
【0010】
また、本発明の一態様では、前記導光板部は、前記回折格子部で分岐された光の一つを透過して前記視点方向とは異なる外部スクリーン方向に出射する第２光出射部を備える。
【0011】
また、本発明の一態様では、前記視点方向と前記外部スクリーン方向とは、略平行である。
【0012】
また、本発明の一態様では、光の透過と遮断を切り替える光シャッター部が、前記第１光出射部または前記第２光出射部に設けられている。
【0013】
また、本発明の一態様では、前記第１光の波長を変換する波長変換部が、前記第１光出射部または前記第２光出射部に設けられている。
【0014】
また、本発明の一態様では、前記再帰反射部は、光を正反射する正反射領域と再帰反射する再帰反射領域が混在して形成されている。
【0015】
また、本発明の一態様では、前記導波光の一部を反射して残りを透過する部分反射部が、前記ビームスプリッターと前記再帰反射部の間に設けられている。
【0016】
また、本発明の一態様では、第２光を前記回折格子に対して照射する第２画像照射部を備え、前記回折格子部に対する前記第１光と前記第２光の入射角度が異なっており、前記光導波部は、前記第２光の一部を全反射しながら導波光として導波する。
【0017】
また、本発明の一態様では、前記第１光の波長を反射し前記第２光の波長を透過する選択反射部が、前記ビームスプリッターと前記再帰反射部の間に設けられている。
【0018】
また、本発明の一態様では、前記第１光の波長または前記第２光の波長を選択的に遮断する光フィルターが、前記第２光出射部に設けられている。
【0019】
また、本発明の一態様では、前記光導波部が曲面形状を有する。
【0020】
また、本発明の一態様では、前記第１画像照射部は、液晶表示素子またはデジタルミラーデバイスを備え、前記第１光に含まれる第１画像の内容を経時的に変化させる。
【0021】
また、本発明の一態様では、二つの前記導光板部を備え、前記導光板部のそれぞれの前記第１光入射部に、一つの前記回折格子部が共通に設けられている。
【0022】
また、本発明の一態様では、前記回折格子部は、光入射面を構成する平板状部分と、前記平板状部分と一体に構成された凹凸部分を備え、前記導光板部とは別体に形成されている。
【0023】
また、本発明の一態様では、前記回折格子部は、少なくとも二つの方向に光を回折するホログラフィックグレーティングを有する。
【発明の効果】
【0024】
本発明では、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、さらに小型化と軽量化を図ることが可能な画像投影装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】第１実施形態における回折格子部１０の構造を示す模式断面図である。
【図2】第１実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。
【図3】第１実施形態に係る画像投影装置の第１光出射部を拡大して示す模式断面図である。
【図4】視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸと空中に結像したエアリアルイメージＡ１を撮像した写真であり、図４（ａ）は外部スクリーン３０にカメラの焦点をあて、図４（ｂ）はエアリアルイメージＡ１の結像位置にカメラの焦点をあてたものである。
【図5】第２実施形態に係る画像投影装置の第１光出射部を拡大して示す模式断面図である。
【図6】視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸおよび画像Ｖ１と、空中に結像したエアリアルイメージＡ１を撮像した写真であり、図６（ａ）は外部スクリーン３０にカメラの焦点をあて、図６（ｂ）はエアリアルイメージＡ１の結像位置にカメラの焦点をあてたものである。
【図7】第３実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。
【図8】第３実施形態に係る画像投影装置の第１光出射部を拡大して示す模式断面図である。
【図9】視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸおよび画像Ｖ１と、空中に結像したエアリアルイメージＡ１、Ａ２を撮像した写真であり、図９（ａ）はエアリアルイメージＡ１の結像位置にカメラの焦点をあて、図９（ｂ）はエアリアルイメージＡ２の結像位置にカメラの焦点をあて、図９（ｃ）は外部スクリーン３０にカメラの焦点をあてたものである。
【図10】エアリアルイメージＡ１，Ａ２のビームプロファイルを示す図であり、図１０（ａ）は視点６０位置から焦点を合わせた写真であり、図１０（ｂ）（ｃ）は結像位置での三次元輝度プロファイルを示し、図１０（ｄ）はｘ方向での輝度プロファイルであり、図１０（ｅ）はｙ方向での輝度プロファイルである。
【図11】第４実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。
【図12】第４実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。
【図13】第５実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。
【図14】第５実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。
【図15】第６実施形態における再帰反射部２４の構造例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0026】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態における回折格子部１０の構造を示す模式断面図である。図１に示すように回折格子部１０は、平板状部分１１と、凸部１２と凹部１３を備えている。ここで凸部１２および凹部１３は、回折格子部１０において面内方向において周期的な屈折率の繰り返しを構成する部分であり、本発明における凹凸部分に相当している。平板状部分１１と凸部１２は同一の材料で一体に形成されている。なお図１は、回折格子部１０の構造を模式的に示したものであり、図中の寸法や角度は回折格子部１０における実寸を示すものではない。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態における回折格子部１０の構造を示す模式断面図である。図１に示すように回折格子部１０は、平板状部分１１と、凸部１２と凹部１３を備えている。ここで凸部１２および凹部１３は、回折格子部１０において面内方向において周期的な屈折率の繰り返しを構成する部分であり、本発明における凹凸部分に相当している。平板状部分１１と凸部１２は同一の材料で一体に形成されている。なお図１は、回折格子部１０の構造を模式的に示したものであり、図中の寸法や角度は回折格子部１０における実寸を示すものではない。
【0027】
図１に示した例では、回折格子部１０の凸部１２と凹部は、それぞれ紙面の奥行方向にストライプ状に延伸して形成されている。凸部１２は、平板状部分１１の主面に対して所定の角度φだけ傾斜して形成されており、スランテッドグレーティングを構成している。また、凸部１２および凹部１３上は、平板状部分１１とは屈折率が異なる材料で構成される被覆部により覆われている。回折格子部１０を構成する材料は限定されないが、一例としては、平板状部分１１および凸部１２を構成する材料としてＴｉＯ２を主成分とする屈折率２．５程度の誘電体が挙げられ、凸部１２および凹部１３を覆う被覆部としてＳｉＯ２を主成分とするガラスやポリマーが挙げられる。
【0028】
回折格子部１０の凹凸部分は公知の方法で形成することができ、例えばフォトリソグラフィー技術やナノインプリント技術、ＥＢＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）技術等を用いることができる。また、被覆部を傾斜させた状態で保持し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法等を用いることで、角度φだけ傾斜して凸部１２および凹部１３を形成することができる。このとき、凸部１２および凹部１３の傾斜角度φとは、凸部１２の上端と下端における中央を結んだ線が、回折格子部１０の主面との間でなす角度である。図１では回折格子部１０の凹凸部分として、凸部１２および凹部１３が傾斜したスランテッドグレーティングを示したが、主面に垂直なピラードグレーティングであってもよい。
【0029】
次に図１を用いて、回折格子部１０における光路について説明する。なお図１は、矢印を用いて回折格子部１０における光の進行を模式的に示しているが、正確な光の入射位置や進行経路、出射位置を反映したものではない。図示しない光源部からは、回折格子部１０に向けてレーザ光が照射される。ここでレーザ光は位相が揃ったコヒーレントな光であり、コリメートレンズ等によってコリメート光として照射される。光源部から照射された入射光は、回折格子部１０の界面から所定の傾斜角度で平板状部分１１の内部に入射する。
【0030】
ここで、入射光の偏光方向は、凸部１２のストライプとは平行な方向とされている。図１では、入射光の傾斜角度と、回折格子部１０における凸部１２および凹部１３の傾斜方向φとが同じ方向である例を示しているが、逆方向であってもよい。回折格子部１０内に入射した光は、凸部１２と凹部１３との周期的な屈折率差により一部が回折光として所定角度で外部方向に進行し、一部は伝搬光として平板状部分１１の面内を漏れ伝搬光として伝搬する。平板状部分１１内を伝搬する漏れ伝搬光は、空気との界面において反射されて再度凹凸部分に到達し、凸部１２および凹部１３によって回折される。
【0031】
図１に示した例では、回折格子部１０により回折された光のうち、０次光Ｔ１は被覆部を透過して外部に照射される。また、凸部１２が傾斜した方向に回折された一次光（－１次光Ｔ２）も被覆部を透過して外部に照射される。これは、０次光Ｔ１と－１次光Ｔ２は、回折格子部１０主面に対して垂直に近い角度で回折されるため、被覆部と空気層との界面における全反射条件を満たさないためである。
【0032】
また、凸部１２の傾斜と反対方向に回折された一次光（＋１次光Ｉ１）は、被覆部と空気層の界面により全反射して被覆部内を伝搬する。同様に、凸部１２の傾斜した方向に回折された二次光（－２次光Ｉ２）も、被覆部と空気層の界面により全反射して被覆部内を伝搬する。被覆部と空気層の界面での全反射条件は、被覆部を構成する材料の屈折率で決まる。被覆部内を全反射して伝搬した＋１次光Ｉ１と－２次光Ｉ２は、被覆部の端部から外部に照射される。このとき、０次光Ｔ１、－１次光Ｔ２、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２は、凸部１２および凹部１３によって回折された光であるため、僅かに光径が拡がりながら進行する。
【0033】
図２は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図２に示すように画像投影装置は、回折格子部１０と、導光板部２０と、外部スクリーン３０と、画像照射部４０，５０とを備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、視点６０の位置から導光板部２０および外部スクリーン３０方向を視認する。回折格子部１０は、図１に示したように平板状部分１１と、凸部１２と凹部１３と被覆部を備えた光学素子であり、導光板部２０とは別体に形成されている。導光板部２０は、透光性の材料で構成された板状の部材であり、光導波部２１と、光入射部２２と、ビームスプリッター２３と、再帰反射部２４を備えている。
【0034】
光導波部２１は、透光性材料からなる平板状の部材であり、空気との界面で光が全反射を繰り返すことで、一端側から他端側に光を導波する。また、光導波部２１は一方の面側から他方の面側に光が透過するため、視点６０から光導波部２１を介して外部スクリーン３０方向を視認することが可能である。光導波部２１の一端側は主面に対して傾斜した面である光入射部２２が形成されており、回折格子部１０が配置されている。光導波部２１の他端側には、端面が形成されるとともに再帰反射部２４が設けられている。図１では光導波部２１として平板状のものを示しているが、内部で光を全反射により伝搬させることができれば曲面形状であってもよい。
【0035】
光入射部２２は、光導波部２１の一端に形成された傾斜面であり、回折格子部１０が隣接して配置され、本発明における第１光入射部に相当する部分である。光入射部２２には、回折格子部１０との光結合率を高めるために、反射防止膜や屈折率調整部を設けるとしてもよい。
【0036】
ビームスプリッター２３は、一方の面から入射した光の一部を反射し残りを透過する光学要素であり、図１に示した例では光導波部２１の内部において、主面に対して傾斜した平面として形成されている。ビームスプリッター２３の具体的な構成は限定されず、公知の構造と設計方法を用いることができる。
【0037】
再帰反射部２４は、入射した光を入射方向に対して集光性を保ったまま反射させる光学部材であり、反射膜の表面側に微小なガラスビーズを敷き詰めた構造やプリズムを用いた構造の再帰反射部を用いることができる。再帰反射部２４では、光導波部２１内を伝搬してきた光が入射すると、光の入射してきた方向に光を反射するため、光径が拡大して進行する光は、光径が縮小する光として反射される。
【0038】
後述するように、光導波部２１においてビームスプリッター２３が設けられた領域から再帰反射部２４が設けられた端部までの間は、光導波部２１内を伝搬してきた光を外部に照射する領域とされており、本発明における第１光出射部を構成している。
【0039】
外部スクリーン３０は、後述するように導光板部２０から照射された光が投影されて画像を表示する部分である。外部スクリーン３０を構成する材料は限定されず、光を透過する透光性材料を用いるとしてもよく、光を遮って反射する白色材料を用いるとしてもよい。透光性材料を用いた場合には、画像投影装置の外部環境を背景として画像の重ね合わせ投影をすることができる。図１に示した例では、外部スクリーン３０とアーム部分を一体に形成して、アーム部分を導光板部２０に固定することで、外部スクリーン３０と導光板部２０の相対的な位置関係を保つ例を示しているが、外部スクリーン３０を画像投影装置とは別体に設けるとしてもよい。
【0040】
画像照射部４０は、第１画像を投影するための第１光を回折格子部１０に対して照射する装置であり、本発明における第１画像照射部に相当している。画像照射部４０の具体的構成は限定されないが、図１に示した例では画像照射部４０は、光源部４１と、半波長板４２と、偏光子４３，４４を備えている。画像照射部４０はミラー４５，４６，４７、バンドパスフィルター４８を介して光を回折格子部１０に照射する。光源部４１はレーザ光源を用いることが好ましく、光源部４１から照射されるレーザ光を図示しない画像形成部に照射して、第１画像を第１光に含ませる。画像形成部は液晶表示素子やデジタルミラーデバイス等の公知のものを用いることができ、画像照射部４０の内部に設けるとしてもよく、回折格子部１０までの光路上に配置するとしてもよい。画像照射部４０に画像形成部である液晶表示素子またはデジタルミラーデバイスを備えることで、第１光に含まれる第１画像の内容を経時的に変化させて、動画を投影することも可能である。
【0041】
画像照射部５０は、第２画像を投影するための第２光を回折格子部１０に対して照射する装置であり、本発明における第２画像照射部に相当している。画像照射部５０は画像照射部４０とは別に設けられており、回折格子部１０に対する第２光の入射角度は、画像照射部４０が照射する第１光の入射角度とは異なっている。画像照射部５０の具体的構成は限定されず、画像照射部４０と同様な構成を用いることができるが、第１光と第２光の波長は異なっている。
【0042】
次に図２および図３を用いて本実施形態の画像投影装置における画像投影について説明する。図３は、本実施形態に係る画像投影装置の第１光出射部を拡大して示す模式断面図である。図中に示した実線矢印および破線矢印は、光の経路を模式的に示すものである。
【0043】
画像照射部４０から照射された第１光は、ミラー４５，４６，４７で反射されてバンドパスフィルター４８を介して回折格子部１０に到達する。回折格子部１０では、第１光の入射角度に応じて０次光Ｔ１と＋１次光Ｉ１が回折光として取り出され、光入射部２２に入射する。回折格子部１０から光入射部２２に入射した第１光は、光導波部２１内を全反射して導波光として伝搬する。ここで、回折格子部１０から光入射部２２に入射する第１光は、回折条件によって光入射部２２への入射角度が決まるため、０次光Ｔ１、－１次光Ｔ２、＋１次光Ｉ１および－２次光Ｉ２の何れか一つが光導波部２１の両面での全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度を設定しておく。
【0044】
光導波部２１内を全反射しながら導波光として伝搬した第１光は、一部がビームスプリッター２３の一方の面で反射され、残りがビームスプリッター２３を透過する。ビームスプリッター２３で反射された導波光は照射光ＬＥとして外部スクリーン３０方向に取り出され、外部スクリーン３０上に画像ＥＸが投影される。ここで、ビームスプリッター２３の一方の面での反射率を低く設計することで、照射光ＬＥの強度を抑制して画像ＥＸを視認できないようにすることも可能である。
【0045】
また、ビームスプリッター２３を透過した導波光は、光導波部２１で再度全反射されて再帰反射部２４に到達して再帰反射される。再帰反射部２４で再帰反射された導波光は、光導波部２１内を逆方向に進行して、全反射された後にビームスプリッター２３に到達して反射され、結像光Ｌ１として視点６０方向に取り出される。このとき、光導波部２１を伝搬してきた導波光は光径が拡大しているが、再帰反射部２４で反射された導波光は光径が縮小して進行することになる。また、図２，３に示した例では再帰反射部２４の反射面を凹面形状としているため、光径はさらに縮小されながらビームスプリッター２３まで到達する。
【0046】
したがって、ビームスプリッター２３で反射されて視点６０方向に進行する結像光Ｌ１は、所定位置が焦点となり空中でエアリアルイメージＡ１が結像される。ここで再起反射部２４を平坦面で形成した場合には、回折格子部１０から再起反射部２４までの光路長と、再起反射部２４からエアリアルイメージＡ１までの光路長は同じとなる。エアリアルイメージＡ１を結像した後に、結像光Ｌ１は光径が拡大しながら視点６０に入射する。これにより、視聴者は視点６０から光導波部２１および外部スクリーン３０方向を見ることで、空中に結像されたエアリアルイメージＡ１と外部スクリーン３０上に投影された画像ＥＸを同時に視認することができる。
【0047】
図２，図３では、光導波部２１の他端を凸形状に形成して、再帰反射部２４を凹面形状としたものを示しているが、他端を平板形状や凹形状に形成して再帰反射部２４を平板状や凸面形状としてもよい。再帰反射部２４の形状と曲率を適切に設計することで、再帰反射部２４で再帰反射された後の光径の縮小率を調整することができ、ビームスプリッター２３で反射されてエアリアルイメージＡ１が結像される位置を微調整することができる。
【0048】
また、光導波部２１内を伝搬する導波光が、ビームスプリッター２３から再帰反射部２４に到達するまでに、少なくとも一度は空気との界面で全反射することが必要である。光学設計に応じて、界面での全反射回数を偶数回か奇数回のどちらかに選択することが好ましい。ビームスプリッター２３と再帰反射部２４の間で光が全反射される程度に両者の距離を確保することで、視点６０からビームスプリッター２３を介して外部スクリーン３０方向を視認した際に、視界の中心近傍に再帰反射部２４が位置することを防止できる。加えて、再帰反射部２４は光を透過せず視認可能なため、視界の中心に再帰反射部２４が位置するとエアリアルイメージＡ１の視認性が低下するため好ましくない。
【0049】
また、回折格子部１０で回折されて分岐された第１光のうち、光導波部２１の両面での全反射条件を満たさないものは、光導波部２１の外部スクリーン３０側の面から外部に照射光ＬＶとして取り出される。ここで、光導波部２１のうち照射光ＬＶが取り出される領域は、本発明における第２光出射部に相当している。第２光出射部から取り出された照射光ＬＶは外部スクリーン３０に到達して画像Ｖ１（図示省略）を投影する。
【0050】
図２に示した例では、結像光Ｌ１の進行方向である視点方向と、照射光ＬＶの進行方向である外部スクリーン方向が略平行とされている。これにより、外部スクリーン３０と光導波部２１との距離を変更しても、外部スクリーン３０上での画像Ｖ１の投影位置が変化しない。したがって、視聴者が視点６０から外部スクリーン３０方向を視認した際に、エアリアルイメージＡ１が結像される位置と画像Ｖ１が投影される位置が重ならず、同一の視界内でエアリアルイメージＡ１と画像Ｖ１を並べて視認することが可能となる。ここでは視点方向と外部スクリーン方向を平行とした例を示したが、両者が所定の角度で交差する方向であってもよい。外部スクリーン３０と光導波部２１の距離を適切に設定することで、外部スクリーン３０上での画像Ｖ１の投影位置を調整することができるため、エアリアルイメージＡ１と画像Ｖ１の位置関係を調整して視点６０で視認することが可能となる。
【0051】
画像照射部５０から照射された第２光も、回折格子部１０で回折された光の一部が光導波部２１での全反射条件を満たすことで、第１光と同様に画像ＥＸの投影とエアリアルイメージＡ１の結像を行うことができる。また、回折格子部１０で回折された第２光のうち光導波部２１での全反射条件を満たさないもので、画像Ｖ１の投影を行うこともできる。また、回折格子部１０で回折された第２光が全て光導波部２１での全反射条件を満たさないようにして、第２光では外部スクリーン３０への画像Ｖ１の投影のみを行うとしてもよい。また、画像照射部５０から照射された第２光を回折格子部１０に入射させず、光導波部２１の視点６０に対向する面から入射させて外部スクリーン３０に画像Ｖ１を直接投影するとしてもよい。この場合、画像Ｖ１を投影する照射光ＬＶが透過する領域が、光導波部２１における第２光出射部に相当する。
【0052】
図４は、視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸと空中に結像したエアリアルイメージＡ１を撮像した写真であり、図４（ａ）は外部スクリーン３０にカメラの焦点をあて、図４（ｂ）はエアリアルイメージＡ１の結像位置にカメラの焦点をあてたものである。図４（ａ）（ｂ）において、左側の写真は室内灯を点灯した明るい状態での見え方を示しており、右側の写真は室内灯を消灯した暗い状態での見え方を示している。写真中に白線の楕円で示した位置にそれぞれ画像ＥＸおよびエアリアルイメージＡ１が写っている。図４（ａ）に示したように、画像ＥＸは明るい環境では視認が困難であり暗い環境では視認可能となっている。また図４（ｂ）に示したように、エアリアルイメージＡ１は明るい環境でも暗い環境でも視認可能となっている。また、エアリアルイメージＡ１と画像ＥＸは同一視界において近接して視認可能であり、視聴者が視覚の焦点距離を調整するだけで視認する対象を選択することができる。
【0053】
上述したように、本実施形態の画像投影装置では、ビームスプリッター２３で第１光を分岐して外部スクリーン３０に画像ＥＸを投影するとともに、光導波部２１の端部で再帰反射部２４によって第１光を再帰反射し、ビームスプリッター２３で視点方向に第１光を反射してエアリアルイメージＡ１を結像することができる。これにより、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、視認させることが可能となる。また、導光板部２０の光入射部２２に回折格子部１０を設け、ビームスプリッター２３と再帰反射部２４を設けて第１光出射部を構成するため、複雑な光学設計や部品点数の増加が不要であり、小型化と軽量化を図ることが可能となる。
【0054】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５、図６を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図５は、本実施形態に係る画像投影装置の第１光出射部を拡大して示す模式断面図である。図中に示した実線矢印および破線矢印は、光の経路を模式的に示すものである。また、図中に斜線でハッチングを施した領域は照射光ＬＶが照射される領域を示している。本実施形態の画像投影装置は、画像Ｖ１の投影位置のみが第１実施形態と異なっており、他の構成は第１実施形態で図１を用いて説明したものと同様である。本実施形態では、画像照射部５０から照射される第２光を照射光ＬＶとして、照射光ＬＶの進行方向である外部スクリーン方向を視点方向と交差させて、画像ＥＸと画像Ｖ１とを同じ領域に投影するものである。
次に、本発明の第２実施形態について図５、図６を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図５は、本実施形態に係る画像投影装置の第１光出射部を拡大して示す模式断面図である。図中に示した実線矢印および破線矢印は、光の経路を模式的に示すものである。また、図中に斜線でハッチングを施した領域は照射光ＬＶが照射される領域を示している。本実施形態の画像投影装置は、画像Ｖ１の投影位置のみが第１実施形態と異なっており、他の構成は第１実施形態で図１を用いて説明したものと同様である。本実施形態では、画像照射部５０から照射される第２光を照射光ＬＶとして、照射光ＬＶの進行方向である外部スクリーン方向を視点方向と交差させて、画像ＥＸと画像Ｖ１とを同じ領域に投影するものである。
【0055】
図５に示すように、光導波部２１の内部を全反射して伝搬する光は、ビームスプリッター２３で分岐されて照射光ＬＥとして画像ＥＸを外部スクリーン３０上に投影する。また、ビームスプリッター２３を透過した光は光導波部２１で再度全反射されて再帰反射部２４に到達し、再帰反射された後にビームスプリッター２３で反射された結像光Ｌ１としてエアリアルイメージＡ１を結像する。
【0056】
また、第２光出射部から外部スクリーン３０に投影される照射光ＬＶの進行方向は、結像光Ｌ１の進行方向である視点方向とは交差する方向である。図５に示した例では、画像照射部５０から照射された第２光は、回折格子部１０に入射されず光導波部２１を介して外部スクリーン３０に照射光ＬＶとして直接照射されており、画像Ｖ１が外部スクリーン３０上に投影されている。
【0057】
図６は、視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸおよび画像Ｖ１と、空中に結像したエアリアルイメージＡ１を撮像した写真であり、図６（ａ）は外部スクリーン３０にカメラの焦点をあて、図６（ｂ）はエアリアルイメージＡ１の結像位置にカメラの焦点をあてたものである。写真中に白線の楕円で示した位置にそれぞれ画像ＥＸおよびエアリアルイメージＡ１が写っており、画像ＥＸよりも大きな範囲に画像Ｖ１が写っている。図６（ａ）に示したように、画像ＥＸは画像Ｖ１に重ね合わせて表示されており、同時に両者を視認することが可能である。また、視聴者は視覚の焦点距離を調整するだけで視認する対象を選択することができる。
【0058】
本実施形態では、第２光を照射光ＬＶとして外部スクリーン３０の広い範囲に画像Ｖ１を投影しているため、画像Ｖ１を背景画像としてエアリアルイメージＡ１と重ね合わせた画像投影を行うことができる。また、外部スクリーン３０上に画像ＥＸを投影することで、背景画像である画像Ｖ１と画像ＥＸの投影位置は視点６０からの距離が同じになり、視聴者は同時に異なる２つの画像Ｖ１，Ａ１と画像ＥＸを視認することができる。
【0059】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図７から図１０を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、第１光出射部を構成するビームスプリッター２３と再帰反射部２４の間に、所定の反射率で導波光の一部を反射して残りを透過する部分反射部を設けた点が第１実施形態と異なっている。図７は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。
次に、本発明の第３実施形態について図７から図１０を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、第１光出射部を構成するビームスプリッター２３と再帰反射部２４の間に、所定の反射率で導波光の一部を反射して残りを透過する部分反射部を設けた点が第１実施形態と異なっている。図７は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。
【0060】
図７に示すように、画像投影装置は回折格子部１０と、導光板部２０と、外部スクリーン３０と、画像照射部４０，５０とを備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、視点６０の位置から導光板部２０および外部スクリーン３０方向を視認する。回折格子部１０は、図１に示したように平板状部分１１と、凸部１２と凹部１３と被覆部を備えた光学素子であり、導光板部２０とは別体に形成されている。導光板部２０は、透光性の材料で構成された板状の部材であり、光導波部２１と、光入射部２２と、ビームスプリッター２３と、再帰反射部２４と、部分反射部２５を備えている。
【0061】
部分反射部２５は、光の一部を所定の反射率で反射するとともに残りの光を透過する光学要素であり、ビームスプリッター２３と再帰反射部２４の間の光路上に設けられている。図７に示した例では、光導波部２１の端部と再帰反射部２４の間に部分反射部２５を形成している。また図７では光導波部２１の端部と再帰反射部２４および部分反射部２５を平坦形状とした例を示しているが、第１実施形態と同様に凸形状と凹面鏡としてもよく、凹形状と凸面鏡としてもよい。また、３次元形状のパラボラ凹凸形状の組み合わせとしてもよい。
【0062】
図８は、本実施形態に係る画像投影装置の第１光出射部を拡大して示す模式断面図である。図中に示した実線矢印および破線矢印は、光の経路を模式的に示すものである。また、図中に斜線でハッチングを施した領域は照射光ＬＶが照射される領域を示している。第１実施形態と同様に、画像照射部４０から照射された第１光または画像照射部５０から照射された第２光は、光入射部２２から光導波部２１に入射して導波光として光導波部２１で全反射されながら導波される。ビームスプリッター２３で反射された導波光は、外部スクリーン３０に対して照射光ＬＥとして取り出され、外部スクリーン３０上に画像ＥＸを投影する。
【0063】
ビームスプリッター２３を透過した導波光は、部分反射部２５および再帰反射部２４で反射された後にビームスプリッター２３に再入射して反射され、結像光Ｌ１，Ｌ２として視点６０方向に取り出される。このとき、部分反射部２５で反射された光は正反射であるため、光導波部２１内で光径が拡大しながら伝搬してきた導波光は、ビームスプリッター２３で反射されて視点６０に到達するまで光径が拡大しながら進行する。これにより、視点６０では、光導波部２１と外部スクリーン３０との間の空間にエアリアルイメージＡ２が結像されているように視認される。
【0064】
また、部分反射部２５を透過した光は再帰反射部２４に入射し、再帰反射部２４では導波光が再帰反射され、ビームスプリッター２３で反射されて視点６０に到達するまで光径が縮小しながら進行する。これにより、視点６０では、光導波部２１と視点６０との間の空間にエアリアルイメージＡ１が結像されているように視認される。また、第２光出射部から外部スクリーン３０に投影される照射光ＬＶの進行方向は、結像光Ｌ１、Ｌ２の進行方向である視点方向とは交差する方向であり、画像Ｖ１が外部スクリーン３０上に投影されている。
【0065】
図９は、視点６０位置にカメラを設置して、外部スクリーン３０上に投影した画像ＥＸおよび画像Ｖ１と、空中に結像したエアリアルイメージＡ１、Ａ２を撮像した写真であり、図９（ａ）はエアリアルイメージＡ１の結像位置にカメラの焦点をあて、図９（ｂ）はエアリアルイメージＡ２の結像位置にカメラの焦点をあて、図９（ｃ）は外部スクリーン３０にカメラの焦点をあてたものである。写真中に白線の楕円で示した位置にそれぞれエアリアルイメージＡ１、Ａ２および画像ＥＸが写っており、画像ＥＸよりも大きな範囲に画像Ｖ１が写っている。
【0066】
図９（ａ）に示すように、光導波部２１よりも視点６０側に焦点をあてることで、エアリアルイメージＡ１を鮮明に写すことができる。また、図９（ｂ）に示すように、光導波部２１と外部スクリーン３０の間に焦点をあてることで、エアリアルイメージＡ２を鮮明に写すことができる。また、図９（ｃ）に示すように、外部スクリーン３０に焦点をあてると、画像ＥＸおよび画像Ｖ１を鮮明に写すことができる。また、エアリアルイメージＡ１、Ａ２と画像ＥＸおよび画像Ｖ１は同一視界において近接して視認可能であり、視聴者が視覚の焦点距離を調整するだけで視認する対象を選択することができる。
【0067】
図１０は、エアリアルイメージＡ１，Ａ２のビームプロファイルを示す図であり、図１０（ａ）は視点６０位置から焦点を合わせた写真であり、図１０（ｂ）（ｃ）は結像位置での三次元輝度プロファイルを示し、図１０（ｄ）はｘ方向での輝度プロファイルであり、図１０（ｅ）はｙ方向での輝度プロファイルである。図１０（ａ）（ｂ）は、それぞれ図９（ａ）（ｂ）において白線で囲んだ領域を拡大して示している。図１０（ｃ）～図１０（ｅ）は、それぞれエアリアルイメージＡ１，Ａ２の結像位置における輝度の測定結果を示している。図１０中に示された「ｘ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ」と「ｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ」は、図９（ｃ）中に示されたｘ軸方向とｙ軸方向を示している。
【0068】
図１０（ａ）～図１０（ｃ）に示したように、エアリアルイメージＡ１はｘ軸方向に長い楕円形状として結像され、エアリアルイメージＡ２はｙ軸方向に長い楕円形状として結像されている。また、図１０（ｄ）（ｅ）に示したように、エアリアルイメージＡ１のｘ軸方向での半値幅は３１ピクセル程度であり、ｙ軸方向での半値幅は１０ピクセル程度であった。また、エアリアルイメージＡ２のｘ軸方向での半値幅は２０ピクセル程度であり、ｙ軸方向での半値幅は２５ピクセル程度であった。したがって、エアリアルイメージＡ１とＡ２は異なる形状に結像されており、視聴者が視覚の焦点距離を変更した際に視認される形状は、エアリアルイメージＡ１とＡ２で変化することになる。
【0069】
上述したように、本実施形態の画像投影装置では、光導波部２１の端部において部分反射部２５で正反射した導波光でエアリアルイメージＡ２を結像し、再帰反射部２４によって再帰反射した導波光でエアリアルイメージＡ１を結像する。また、外部スクリーン３０上には画像ＥＸと画像Ｖ１を投影する。これにより、視点からの距離が異なる位置に複数の画像を投影し、視認させることが可能となる。また、導光板部２０の光入射部２２に回折格子部１０を設け、ビームスプリッター２３と部分反射部２５と再帰反射部２４を設けて第１光出射部を構成するため、複雑な光学設計や部品点数の増加が不要であり、小型化と軽量化を図ることが可能となる。
【0070】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１１を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１１は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。本実施形態では、導光板部２０を二つ備えて、それぞれの導光板部２０に設けられた光入射部２２に対向して共通の回折格子部１０が配置されている。
次に、本発明の第４実施形態について図１１を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１１は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。本実施形態では、導光板部２０を二つ備えて、それぞれの導光板部２０に設けられた光入射部２２に対向して共通の回折格子部１０が配置されている。
【0071】
図１１に示すように、画像投影装置は一つの回折格子部１０と、二つの導光板部２０と、外部スクリーン３０と、画像照射部４０，５０とを備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、二つの視点６０の位置から両眼で導光板部２０および外部スクリーン３０方向を視認する。回折格子部１０は、図１に示したように平板状部分１１と、凸部１２と凹部１３と被覆部を備えた光学素子であり、導光板部２０とは別体に形成されている。導光板部２０は、透光性の材料で構成された板状の部材であり、それぞれ光導波部２１と、光入射部２２と、ビームスプリッター２３と、再帰反射部２４を備えている。
【0072】
二つの導光板部２０は、互いの光入射部２２が隣接して配置されており、共通の回折格子部１０が二つの光入射部２２に跨って対向して配置されている。また、一つの画像照射部４０から回折格子部１０に第１光が入射され、回折格子部１０で回折された第１光がそれぞれの導光板部２０における光入射部２２から光導波部２１内に入射する。二つの導光板部２０はそれぞれ平板状であり、Ｖ字形状に配置されている。
【0073】
図１で示したように回折格子部１０では、凸部１２と凹部１３で構成された凹凸部によって第１光が回折され、０次光Ｔ１と＋１次光Ｉ１が図中右方向に進行し、－１次光Ｔ２と－２次光Ｉ２が図中左方向に進行する。したがって、回折格子部１０の右半分に対向して配置された光導波部２１には０次光Ｔ１と＋１次光Ｉ１が入射し、回折格子部１０の左半分に対向して配置された光導波部２１には－１次光Ｔ２と－２次光Ｉ２が入射する。
【0074】
図１１に示した例では、＋１次光Ｉ１が右側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、＋１次光Ｉ１が導波光として導波される。同様に、－２次光Ｉ２が左側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、－２次光Ｉ２が導波光として導波される。
【0075】
二つの導光板部２０内を導波された第１光（導波光）は、それぞれ他端側に設けられたビームスプリッター２３と再帰反射部２４で反射されて視点６０方向に取り出されて、エアリアルイメージＡ１を結像する。図１１では図示を省略したが、第３実施形態と同様に再帰反射部２４とビームスプリッター２３の間に部分反射部２５を設けた場合には、光導波部２１と外部スクリーン３０との間にエアリアルイメージＡ２を結像することもできる。
【0076】
画像照射部５０からは、導光板部２０を介して外部スクリーン３０に対して照射光ＬＶを直接照射し、外部スクリーン３０上の広い領域にわたって画像Ｖ１を投影することができる。図１１では画像照射部５０から照射される照射光ＬＶが外部スクリーン３０の左半分に投影された状態を示しているが、別途レンズ等の光学部材を用いることで、外部スクリーン３０の全域に照射光ＬＶを照射して、画像Ｖ１を外部スクリーン３０全域に視界全体を覆うように投影することもできる。
【0077】
上述したように本実施形態の画像投影装置では、二つの導光板部２０に共通の回折格子部１０を設けることで、視聴者の両眼に対してエアリアルイメージＡ１，Ａ２の結像を視認させることができる。また、画像照射部５０が照射する照射光ＬＶで外部スクリーン３０上に背景画像である画像Ｖ１を投影することで、画像Ｖ１にエアリアルイメージＡ１，Ａ２を重ね合わせて投影することができる。また、本実施形態の画像投影装置でも、複雑な光学設計や部品点数の増加が不要であり、小型化と軽量化を図ることが可能となる。
【0078】
（第４実施形態の変形例）
次に、本発明の第４実施形態の変形例について図１２を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１２は、第４実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。本変形例では、導光板部２０が曲面形状を有している点が第４実施形態と異なっている。
次に、本発明の第４実施形態の変形例について図１２を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１２は、第４実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。本変形例では、導光板部２０が曲面形状を有している点が第４実施形態と異なっている。
【0079】
図１２に示した例では、０次光Ｔ１が右側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、０次光Ｔ１が導波光として導波される。同様に、－１次光Ｔ２が左側に配置された光導波部２１の全反射条件を満たすように光入射部２２の傾斜角度および光導波部２１の形状を設計することで、－１次光Ｔ２が導波光として導波される。本変形例でも、第４実施形態と同様に、二つの視点６０位置から空中に結像されたエアリアルイメージＡ１，Ａ２と、外部スクリーン３０上に投影された画像Ｖ１を視認することができる。
【0080】
また、図１２に示した例では、二つの導光板部２０は視点６０方向に沿った曲面形状を有しているが、回折格子部１０から光入射部２２への第１光の入射角度は回折条件によって決まるため、曲面に沿って全反射を繰り返すように導光板部２０を設計することは可能である。また、図１２では左右の導光板部２０が線対象に近い形状で描かれているが、回折格子部１０で回折された第１光のうち、どの光を導波光とするかで光入射部２２の傾斜角度等を左右で異ならせるとしてもよい。
【0081】
本変形例では、光導波部２１が曲面形状を有していることで、画像投影装置の設計自由度が向上し、意匠性向上や装着時の快適性向上を図ることができる。
【0082】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図１３、図１４を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１３は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図１３に示すように、画像投影装置は回折格子部１０と、導光板部２０と、外部スクリーン３０と、画像照射部４０，５０とを備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、視点６０の位置から導光板部２０および外部スクリーン３０方向を視認する。
次に、本発明の第５実施形態について図１３、図１４を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１３は、本実施形態に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図１３に示すように、画像投影装置は回折格子部１０と、導光板部２０と、外部スクリーン３０と、画像照射部４０，５０とを備えている。画像投影装置を装着する視聴者は、視点６０の位置から導光板部２０および外部スクリーン３０方向を視認する。
【0083】
回折格子部１０は、図１に示したように平板状部分１１と、凸部１２と凹部１３と被覆部を備えた光学素子であり、導光板部２０とは別体に形成されている。導光板部２０は、透光性の材料で構成された板状の部材であり、光導波部２１と、光入射部２２と、ビームスプリッター２３と、再帰反射部２４と、部分反射部２５と、光フィルター２６を備えている。また、画像照射部５０からの第２光が取り出される第２光出射部には、光フィルター６１と光シャッター部６２と投影レンズ６３が設けられている。
【0084】
光フィルター２６、６１は、所定波長範囲の光を透過しその他の波長の光を遮る光学部材である。本実施形態では、光フィルター２６として第２光の波長を遮り第１光の波長を透過するバンドパスフィルターあるいはそれに相当する光フィルターを用い、光フィルター６１として第１光の波長を遮り第２光の波長を透過するバンドパスフィルターあるいはそれに相当する光フィルターを用いる。一例としては、画像照射部４０が照射する第１光は赤色光であり、画像照射部５０が照射する第２光は緑色光である。したがって、光フィルター２６はロングパスフィルターを用い、光フィルター６１はショートパスフィルターを用いるとしてもよい。
【0085】
光シャッター部６２は、制御部（図示省略）によって駆動制御され、光の透過と遮断を切り替える光学部材である。光シャッター部６２の具体的構成は限定されず、公知の液晶シャッター等を用いることができる。投影レンズ６３は第２光出射部から取り出された照射光ＬＶの光径を拡大して、外部スクリーン３０に対して投影するための光学部材である。図１３では投影レンズ６３として一つのレンズを示しているが、複数のレンズを組み合わせて投影レンズ６３を構成するとしてもよい。
【0086】
画像照射部４０から照射された第１光は、回折格子部１０で回折された光の一部が光入射部２２から入射し、光導波部２１内を全反射して導波光として導波される。第１光の導波光は全反射しながらビームスプリッター２３まで到達し、一部が反射されて外部スクリーン３０に画像ＥＸが投影される。第１光の導波光のうちビームスプリッター２３を透過した光は再度全反射されて光導波部２１の端部にまで到達する。
【0087】
光導波部２１の端部にまで到達した第１光の導波光は、光フィルター２６を透過して部分反射部２５に入射し、一部が正反射されて残りは透過して再帰反射部２４に到達する。再帰反射部２４では導波光が再帰反射される。再帰反射部２４で再帰反射された第１光は、第１実施形態で述べたように視点６０と光導波部２１の間の空中にエアリアルイメージＡ１として結像される。また、部分反射部２５で正反射された光は光導波部２１と外部スクリーン３０の間の空中にエアリアルイメージＡ２として結像される。
【0088】
第１光のうち光導波部２１での全反射条件を満たさない光は、第２光出射部から外部スクリーン３０方向に取り出されるが、第２光出射部には光フィルター６１が設けられているため、第１光は光フィルター６１で遮られて外部スクリーン３０には投影されない。
【0089】
画像照射部５０から照射された第２光は、回折格子部１０で回折された光の一部が光入射部２２から入射し、光導波部２１内を全反射して導波光として導波される。このとき、第２光の回折格子部１０に対する入射角度を第１光の入射角度とは異ならせて、適切な回折条件となる入射角度を選択することで、第１光と第２光の光導波部２１への入射角度を同じに設定することができる。また、第１光と第２光の回折格子部１０への入射位置も同じとすると、光導波部２１内を全反射して導波する第１光と第２光の経路を同じにすることができる。
【0090】
第２光の導波光も全反射しながらビームスプリッター２３まで到達し、一部が反射されて外部スクリーン３０に画像ＥＸが投影される。第２光の導波光のうちビームスプリッター２３を透過した光は再度全反射されて光導波部２１の端部にまで到達する。光導波部２１の端部にまで到達した第２光の導波光は、光フィルター２６によって遮られ、部分反射部２５および再帰反射部２４には到達しない。したがって、ビームスプリッター２３にまで反射して戻る第２光が無くなり、第２光によってはエアリアルイメージＡ１，Ａ２は結像されない。
【0091】
第２光のうち光導波部２１での全反射条件を満たさない光は、第２光出射部から外部スクリーン３０方向に取り出され、光シャッター部６２が透過状態の場合には、投影レンズ６３を介して外部スクリーン３０に照射光ＬＶが照射されて画像Ｖ１が投影される。光シャッター部６２が遮断状態の場合には、第２光の照射光ＬＶが遮られて画像Ｖ１は投影されない。
【0092】
上述したように本実施形態では、光フィルター２６をビームスプリッター２３と再帰反射部２４の間に設けていることで、第１光のみでエアリアルイメージＡ１，Ａ２を結像させることができる。また、光フィルター６１を第２光出射部に設けていることで、第２光のみで外部スクリーン３０に画像Ｖ１を投影することができる。したがって、画像照射部４０から照射された第１光で結像されるエアリアルイメージＡ１，Ａ２の内容と、画像照射部５０から照射された第２光で投影される画像Ｖ１の内容を異ならせることで、多彩な画像投影を実現することができる。
【0093】
また、画像照射部４０に焦点距離を可変としたレンズ光学部を含ませて、回折格子部１０に入射する第１光の拡がり角を調整することで、エアリアルイメージＡ１，Ａ２の結像効率を変化させることもできる。
【0094】
（第５実施形態の変形例）
次に、本発明の第５実施形態の変形例について図１４を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１４は、第５実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図１４に示すように、画像投影装置は回折格子部１０と、導光板部２０と、外部スクリーン３０と、画像照射部４０ａ，４０ｂ，５０とを備えている。
次に、本発明の第５実施形態の変形例について図１４を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１４は、第５実施形態の変形例に係る画像投影装置の構造を示す模式図である。図１４に示すように、画像投影装置は回折格子部１０と、導光板部２０と、外部スクリーン３０と、画像照射部４０ａ，４０ｂ，５０とを備えている。
【0095】
本変形例では、画像照射部４０ａからは第１画像を含んだ第１波長の第１光が照射され、画像照射部４０ｂからは第２画像を含んだ第２波長の第２光が照射され、画像照射部５０からは第３画像を含んだ第３波長の第３光が照射される。一例としては、第１波長は赤色光であり、第２波長は青色光であり、第３波長は緑色光である。また本変形例では、光フィルター２６として第３波長を遮り第１波長と第２波長を透過するノッチフィルターを用い、光フィルター６１として第１波長と第２波長を遮り第３波長を透過するバンドパスフィルターを用いる。また本変形例では、部分反射部２５として第１波長を反射し第２波長を透過するダイクロイックミラー（選択反射部）を用いる。
【0096】
画像照射部４０ａ，４０ｂ，５０から回折格子部１０に照射される第１光、第２光、第３光の入射角は、適切な回折条件を満たすように選択されており、回折格子部１０から光導波部２１に入射する光は同じ経路で全反射して光導波部２１内を伝搬する。
【0097】
画像照射部４０ａ，４０ｂから照射された第１光と第２光は、回折格子部１０で回折された光の一部が光入射部２２から入射し、光導波部２１内を全反射して導波光として導波される。第１光および第２光の導波光は、全反射しながらビームスプリッター２３まで到達し、一部が反射されて外部スクリーン３０に画像ＥＸが投影される。第１光および第２光の導波光のうちビームスプリッター２３を透過した光は、再度全反射されて光導波部２１の端部にまで到達する。
【0098】
光導波部２１の端部にまで到達した第１光の導波光は、光フィルター２６を透過して部分反射部２５に入射して正反射される。部分反射部２５で正反射された第１光は、光導波部２１と外部スクリーン３０の間の空中にエアリアルイメージＡ２として結像される。また、光導波部２１の端部にまで到達した第２光の導波光は、光フィルター２６と部分反射部２５を透過して再帰反射部２４に入射して再帰反射される。再帰反射部２４で再帰反射された第２光は、第１実施形態で述べたように視点６０と光導波部２１の間の空中にエアリアルイメージＡ１として結像される。
【0099】
第１光および第２光のうち光導波部２１での全反射条件を満たさない光は、第２光出射部から外部スクリーン３０方向に取り出されるが、第２光出射部には光フィルター６１が設けられているため、第１光および第２光は光フィルター６１で遮られて外部スクリーン３０には投影されない。
【0100】
画像照射部５０から照射された第３光は、回折格子部１０で回折された光の一部が光入射部２２から入射し、光導波部２１内を全反射して導波光として導波される。第３光の導波光も全反射しながらビームスプリッター２３まで到達し、一部が反射されて外部スクリーン３０に画像ＥＸが投影される。第３光の導波光のうちビームスプリッター２３を透過した光は再度全反射されて光導波部２１の端部にまで到達する。
【0101】
光導波部２１の端部にまで到達した第３光の導波光は、光フィルター２６によって遮られ、部分反射部２５および再帰反射部２４には到達しない。したがって、ビームスプリッター２３にまで反射して戻る第３光が無くなり、第３光によってはエアリアルイメージＡ１，Ａ２は結像されない。
【0102】
第３光のうち光導波部２１での全反射条件を満たさない光は、第２光出射部から外部スクリーン３０方向に取り出され、光シャッター部６２が透過状態の場合には、投影レンズ６３を介して外部スクリーン３０に照射光ＬＶが照射されて画像Ｖ１が投影される。光シャッター部６２が遮断状態の場合には、第２光の照射光ＬＶが遮られて画像Ｖ１は投影されない。
【0103】
上述したように本実施形態では、光フィルター２６をビームスプリッター２３と再帰反射部２４の間に設けていることで、第１光と第２光それぞれでエアリアルイメージＡ１，Ａ２を結像させることができる。また、光フィルター６１を第２光出射部に設けていることで、第３光のみで外部スクリーン３０に画像Ｖ１を投影することができる。したがって、画像照射部４０から照射された第１光と第２光で結像されるエアリアルイメージＡ１，Ａ２の内容と、画像照射部５０から照射された第３光で投影される画像Ｖ１の内容を異ならせることで、多彩な画像投影を実現することができる。
【0104】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図１５を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１５は、本実施形態における再帰反射部２４の構造例を示す模式図である。図１５に示すように、再帰反射部２４は、シート部２４ａ上に選択的にマイクロビーズが形成されており、マイクロビーズが形成された再帰反射領域２４ｂと、シート部２４ａが露出した正反射領域２４ｃが混在して形成されている。
次に、本発明の第６実施形態について図１５を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図１５は、本実施形態における再帰反射部２４の構造例を示す模式図である。図１５に示すように、再帰反射部２４は、シート部２４ａ上に選択的にマイクロビーズが形成されており、マイクロビーズが形成された再帰反射領域２４ｂと、シート部２４ａが露出した正反射領域２４ｃが混在して形成されている。
【0105】
シート部２４ａは、表面が反射面として形成された薄板状の部材である。シート部２４ａは可撓性を有していることが好ましく、可撓性を有することで図１５（ａ）に示した平板状や図１５（ｂ）に示した凹面鏡、図１５（ｃ）に示した凸面鏡の形状をとることができる。
【0106】
再帰反射領域２４ｂは、シート部２４ａ表面にマイクロビーズが形成された領域であり、再帰反射領域２４ｂに入射した光はマイクロビーズ内で反射されることで入射してきた方向に再帰反射される。正反射領域２４ｃにはマイクロビーズが形成されておらず、シート部２４ａの反射面が露出しているため、正反射領域２４ｃに入射した光はシート部２４ａの反射面で正反射される。
【0107】
本実施例の再帰反射部２４は、フォトリソグラフィー技術を用いてシート部２４ａの正反射領域２４ｃ上にマスクを形成し、マスクが形成されていない領域にマイクロビーズを堆積させることで再帰反射領域２４ｂを形成する方法等で形成することができる。マイクロビーズの堆積後にはマスク層を除去して正反射領域２４ｃでシート部２４ａの反射面を露出させる。
【0108】
図１５（ａ）～図１５（ｃ）に示したように、光径が拡大しながら再帰反射部２４に入射した光の一部は、再帰反射領域２４ｂで光が結像光Ｌ１として再帰反射され、光径が縮小して反射される。また、正反射領域２４ｃでは光が結像光Ｌ２として再帰反射され、光径が拡大して反射される。ここで、図１５（ａ）～図１５（ｃ）に示したように再帰反射部２４が平板状であるか、凹面鏡であるか、凸面鏡であるかによって、結像光Ｌ１，Ｌ２の光径の拡大率と縮小率を調整することが可能である。
【0109】
本実施形態の再帰反射部２４を用いることで、光導波部２１の端部にまで到達した導波光を部分的に再反射し残りを正反射して、第３実施形態において図８に示したものと同様にエアリアルイメージＡ１，Ａ２を結像することができる。第３実施形態との違いは、先に記載したようにシート部２４ａが薄板状の部材であり可撓性を有する点である。それに加えて、シート部２４ａ表面でのマイクロビーズの配列や純度などを調整することで、再起反射効率を設計することもできる。また、シート部２４ａの表面に金属薄膜を蒸着することで、反射と再帰反射を混在させた反射再帰反射素子あるいは再帰反射型光フィルターを構成することもできる。シート部２４ａにこれらの構造を用いることで、光学設計の自由度向上や意匠性の向上を図ることができる。
【0110】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。第１実施形態から第６実施形態までは、画像照射部４０から照射された第１光をそのままの波長で画像ＥＸ、画像Ｖ１の投影およびエアリアルイメージＡ１，Ａ２の結像に用いていた。しかし、第１光出射部または第２光出射部に第１光の波長を変換する波長変換部材を設けることで、画像照射部４０から照射された光と異なる色で画像ＥＸ、画像Ｖ１の投影およびエアリアルイメージＡ１，Ａ２の結像を行うとしてもよい。
次に、本発明の第７実施形態について説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。第１実施形態から第６実施形態までは、画像照射部４０から照射された第１光をそのままの波長で画像ＥＸ、画像Ｖ１の投影およびエアリアルイメージＡ１，Ａ２の結像に用いていた。しかし、第１光出射部または第２光出射部に第１光の波長を変換する波長変換部材を設けることで、画像照射部４０から照射された光と異なる色で画像ＥＸ、画像Ｖ１の投影およびエアリアルイメージＡ１，Ａ２の結像を行うとしてもよい。
【0111】
（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態について説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。第１実施形態から第７実施形態までは、回折格子部１０として周期的な凹凸部を備えたグレーティングを用いていた。しかし、回折格子部１０の凹凸部が周期構造である必要はなく、少なくとも二つの方向に光を回折することができれば、ホログラフィックグレーティング構造であってもよい。また、回折格子部１０を導光板部２０と別体に形成した例を示したが、光導波部２１内部や光入射部２２の表面に回折格子部１０を形成するとしてもよい。
次に、本発明の第８実施形態について説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。第１実施形態から第７実施形態までは、回折格子部１０として周期的な凹凸部を備えたグレーティングを用いていた。しかし、回折格子部１０の凹凸部が周期構造である必要はなく、少なくとも二つの方向に光を回折することができれば、ホログラフィックグレーティング構造であってもよい。また、回折格子部１０を導光板部２０と別体に形成した例を示したが、光導波部２１内部や光入射部２２の表面に回折格子部１０を形成するとしてもよい。
【0112】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0113】
１０…回折格子部
２０…導光板部
３０…外部スクリーン
４０，４０ａ，４０ｂ，５０…画像照射部
６０…視点
１１…平板状部分
１２…凸部
１３…凹部
２１…光導波部
２２…光入射部
２３…ビームスプリッター
２４…再帰反射部
２４ａ…シート部
２４ｂ…再帰反射領域
２４ｃ…正反射領域
２５…部分反射部
２６…光フィルター
４１…光源部
４２…半波長板
４３…偏光子
４５，４６，４７…ミラー
４８…バンドパスフィルター
６１…光フィルター
６２…光シャッター部
６３…投影レンズ
Ａ１，Ａ２…エアリアルイメージ
Ｖ１，ＥＸ…画像
２０…導光板部
３０…外部スクリーン
４０，４０ａ，４０ｂ，５０…画像照射部
６０…視点
１１…平板状部分
１２…凸部
１３…凹部
２１…光導波部
２２…光入射部
２３…ビームスプリッター
２４…再帰反射部
２４ａ…シート部
２４ｂ…再帰反射領域
２４ｃ…正反射領域
２５…部分反射部
２６…光フィルター
４１…光源部
４２…半波長板
４３…偏光子
４５，４６，４７…ミラー
４８…バンドパスフィルター
６１…光フィルター
６２…光シャッター部
６３…投影レンズ
Ａ１，Ａ２…エアリアルイメージ
Ｖ１，ＥＸ…画像
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
