特許 7552457 導光板、表示装置、入力装置、および、表示装置を備えた機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-09

(45)【発行日】2024-09-18

(54)【発明の名称】導光板、表示装置、入力装置、および、表示装置を備えた機器

(51)【国際特許分類】

   G02B 30/26 20200101AFI20240910BHJP

   G02B 30/10 20200101ALI20240910BHJP

   G02B 30/33 20200101ALI20240910BHJP

   G02B 30/56 20200101ALI20240910BHJP

   G02B 6/00 20060101ALI20240910BHJP

   G03B 35/18 20210101ALI20240910BHJP

   H04N 13/302 20180101ALI20240910BHJP

【ＦＩ】

G02B30/26

G02B30/10

G02B30/33

G02B30/56

G02B6/00 301

G03B35/18

H04N13/302

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021040828

(22)【出願日】2021-03-12

(65)【公開番号】P2022140143

(43)【公開日】2022-09-26

【審査請求日】2024-01-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000002945

【氏名又は名称】オムロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100155712

【弁理士】

【氏名又は名称】村上 尚

(72)【発明者】

【氏名】田上 靖宏

【審査官】植田 裕美子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１８１９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５０７７９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１３９１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－８１２７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１３０８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２６８３２７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－２２０６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ３０／００－３０／６０

Ｇ０３Ｂ ３５／１８

Ｇ０２Ｂ ６／００

Ｇ０２Ｂ ５／００

Ｇ０９Ｆ １３／１８

Ｈ０４Ｎ １３／３０２

Ｆ２１Ｓ ２／００

Ｆ２１Ｙ １１５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の像を実像または虚像として空間に表示する導光板であって、
マトリックス状に並んだ複数のセルを含み、
各セルは、前記導光板に入射した光を複数の方向に偏向して出射する複数の偏向部を含み、
前記像の中間階調の線または面を構成する複数の点を表示するために、第１角度範囲に光を偏向する第１偏向部を含み、前記第１角度範囲に隣接する第２角度範囲に光を偏向する第２偏向部を含まない第１セルと、前記第１偏向部を含まず、前記第２偏向部を含む第２セルとが周期的に配置された、導光板。

【請求項2】

前記第１セルは、前記第２角度範囲に隣接する第３角度範囲に光を偏向する第３偏向部を含み、前記第２セルは、前記第３偏向部を含まない、請求項１に記載の導光板。

【請求項3】

前記第１セルと前記第２セルとが交互に並ぶ、請求項１または２に記載の導光板。

【請求項4】

前記第１セルおよび前記第２セルは、前記第２角度範囲に隣接する第３角度範囲に光を偏向する第３偏向部を含まず、かつ、前記第３角度範囲に隣接する第４角度範囲に光を偏向する第４偏向部を含まず、
前記第３偏向部を含み、前記第１偏向部、前記第２偏向部、及び前記第４偏向部を含まない第３セルと、前記第４偏向部を含み、前記第１偏向部ないし前記第３偏向部を含まない第４セルと、をさらに含み、
前記第１セルないし前記第４セルは周期的に配置された、請求項１に記載の導光板。

【請求項5】

前記複数の偏向部は、長さおよび高さの少なくとも一方が他と異なる偏向部を少なくとも１つ含む、請求項１に記載の導光板。

【請求項6】

請求項１から５の何れか１項に記載の導光板と、
前記導光板への入射光を照射する光源と、を備える表示装置。

【請求項7】

請求項６に記載の表示装置と、
物体を検知するセンサ部と、を備えた入力装置。

【請求項8】

請求項６に記載の表示装置を備えた機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、立体画像を表示する導光板等に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、立体画像を表示する導光板および光デバイスとして、例えば、特許文献１が知られている。

【0003】

特許文献１の光デバイス１Ａは、光源２から入射された光を導光して出射面１２から出射する導光板１０と、導光板１０に配置され、導光された光を光路偏向して出射させることにより空間上に画像を結像させる複数の光路偏向部２０とを備える（図１）。光路偏向部２０は、導光された光を光路偏向して出射させることにより空間上に面画像ＦＩを結像させる面画像用光路偏向部群２１と、導光された光を光路偏向して出射させることにより空間上に輪郭画像ＢＩを結像させる輪郭画像用光路偏向部群２４とを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－０１０２２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、前記従来の光デバイス１Ａには以下のような点で改善の余地がある。以下、具体的に説明する。

【0006】

特許文献１の図１は、空間上に立体画像Ｉが結像された様子を示す。図中、立体画像Ｉに３つの面画像ＦＩが記載されている。その３つの面画像ＦＩに階調差を作り出す場合に、面画像ＦＩの一部に対応する、導光板上の面画像用光路偏向部群２１の一部を使用しない（間引く）方法が考えらえる。その構成を図１６および図１７により説明する。

【0007】

図１６は、従来の導光板１００において、すべての光路偏向部群２００から光が出射される様子を示す図である。図示するとおり、すべての光路偏向部群２００から光が出射され、空中で像が結像される。このときの階調を１００階調とする。

【0008】

図１７は、従来の導光板１００において、光を出射する光路偏向部群２００と光を出射しない光路偏向部群２００とが交互に配置された様子を示す図である。図１７に記載された構成は、図１６に示す構成（１００階調）の５０％の５０階調を作り出すことを目的として検討された構成である。図中の破線は、間引かれた光路偏向部群２００に対応し、光が出射されていない様子を模式的に示す。図１７に記載された構成を採用した場合、一部の光路偏向部群２００から出射された光は空中で結像しなくなり、観察者がどこから見ても発光点が固定される。そうすると、本来空間上に見えるべき像が、飛び出し量０の位置、つまり、導光板１００上に位置するように見える。

【0009】

さらに、特許文献１の図１に記載された３つの面画像ＦＩに階調差を作り出す方法として、特許文献１の図１３に記載されるようなプリズムの長さ（または、高さ）を調整する方法も考えられる。そのことを図１８により説明する。

【0010】

図１８は、光路偏向部群を構成する、異なる長さを有する三角柱のプリズムの概略上面図である。図示するように、プリズム１０００、１００１、及び１００２は、その順に長さが４Ｌ、２Ｌ、Ｌであり、幅はいずれもＷであるものとする。プリズム１０００が作り出す階調を１００階調とする。このとき、プリズム１００１は、長さが２Ｌであるため、プリズム１０００と比較して明るさが５０％減となり、５０階調となる。プリズム１００２は、長さがＬであるため、プリズム１０００と比較して明るさが２５％減となり、２５階調となる。

【0011】

しかしながら、そもそもプリズムには加工限界があり、５０μｍより小さくすることは困難である。そのため、４Ｌ＝１００μｍとした場合、長さ２Ｌ未満のプリズム（つまり、プリズム１００２）を作製することは困難である。そのような加工限界を考慮して４Ｌ＝２００μｍと設計することも考えられるが、その場合、光路偏向部群のサイズが大きくなり、結果として光デバイスの解像度が低下する。そのため、単にプリズムの形状を変更するだけでは、加工限界または解像度の低下といった問題に直面する。

【0012】

本発明は、前記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、階調表現が向上した立体画像を空間に表示する導光板等を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る導光板は、所定の像を実像または虚像として空間に表示する導光板であって、マトリックス状に並んだ複数のセルを含み、各セルは、前記導光板に入射した光を複数の方向に偏向して出射する複数の偏向部を含み、前記像の中間階調の線または面を構成する複数の点を表示するために、第１角度範囲に光を偏向する第１偏向部を含み、前記第１角度範囲に隣接する第２角度範囲に光を偏向する第２偏向部を含まない第１セルと、前記第１偏向部を含まず、前記第２偏向部を含む第２セルとが周期的に配置された構成である。

【0014】

前記構成を備えることにより、本発明の一態様に係る導光板は、空中での結像点を減らすことができる。これにより、本発明の一態様に係る導光板は、立体感を保ちつつ、階調表現が向上した立体画像を空中に表示することができる。

【0015】

本発明の一態様に係る導光板では、前記第１セルは、前記第２角度範囲に隣接する第３角度範囲に光を偏向する第３偏向部を含み、前記第２セルは、前記第３偏向部を含まない構成であってよい。

【0016】

また、本発明の一態様に係る導光板は、前記第１セルと前記第２セルとが交互に並ぶ構成であってよい。

【0017】

前記各構成を備えることにより、本発明の一態様に係る導光板は、立体感を保ちつつ、階調表現が向上した立体画像を空中に表示することができる。

【0018】

本発明の一態様に係る導光板では、前記第１セルおよび前記第２セルは、前記第２角度範囲に隣接する第３角度範囲に光を偏向する第３偏向部を含まず、かつ、前記第３角度範囲に隣接する第４角度範囲に光を偏向する第４偏向部を含まず、前記第３偏向部を含み、前記第１偏向部、前記第２偏向部、及び前記第４偏向部を含まない第３セルと、前記第４偏向部を含み、前記第１偏向部ないし前記第３偏向部を含まない第４セルと、をさらに含、前記第１セルないし前記第４セルは周期的に配置された構成であってよい。

【0019】

前記構成を備えることにより、本発明の一態様に係る導光板は、さらに階調を低減することができる。これにより、本発明の一態様に係る導光板は、立体感を保ちつつ、さらに階調表現が向上した立体画像を空中に表示することができる。

【0020】

本発明の一態様に係る導光板では、前記複数の偏向部は、長さおよび高さの少なくとも一方が他と異なる偏向部を少なくとも１つ含む構成であってよい。

【0021】

前記構成を備えることにより、本発明の一態様に係る導光板は、偏光部の形状を介して、階調表現がさらに豊富な立体画像を空中に表示することができる。

【0022】

本発明の一態様に係る表示装置は、前記何れかに記載の導光板と、前記導光板への入射光を照射する光源と、を備える構成であってよい。

【0023】

本発明の一態様に係る入力装置は、前記表示装置と、物体を検知するセンサ部と、を備える構成であってよい。

【0024】

本発明の一態様に係る機器は、前記表示装置を備えた構成であってよい。

【0025】

前記構成を備えることにより、本発明の一態様に係る表示装置、入力装置、及び機器は、階調表現が向上した立体画像を空間に表示することができる。

【発明の効果】

【0026】

本発明の一態様によれば、階調表現が向上した立体画像を空間に表示する導光板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本実施形態に係る光デバイスの構成を示す斜視図である。

【図2】本実施形態に係る光デバイスの構成を示す断面図である。

【図3】本実施形態に係る光デバイスにより立体画像を結像させるための構成を示す平面図である。

【図4】本実施形態に係る光デバイスによって結像された立体画像の一例を示す正面図である。

【図5】本実施形態に係る光デバイスにおける導光板に形成されたプリズムの一例の構成を斜視図である。

【図6】光路偏向部群の使用例及び配列例を示す図である。

【図7】複数の光路偏向部から出た光が空中で結像する様子を示す図である。

【図8】図７の要部を説明する図である。

【図9】導光板上の発光イメージを示す図である。

【図10】導光板を用いて空間に表示された、階調表現が向上した立体画像の一例を示す。

【図11】１００階調を想定したときの、導光板上の発光イメージを示す図である。

【図12】５０階調を想定したときの、導光板上の発光イメージを示す図である。

【図13】５０階調を想定したときの、導光板上の発光イメージを示す図である。

【図14】２５階調を想定したときの、導光板上の発光イメージを示す図である。

【図15】２５階調を想定したときの、導光板上の発光イメージを示す図である。

【図16】従来の導光板において、すべての光路偏向部群から光が出射される様子を示す図である。

【図17】従来の導光板において、光を出射する光路偏向部群と光を出射しない光路偏向部群とが交互に配置された様子を示す図である。

【図18】光路偏向部群を構成する、異なる長さを有する三角柱のプリズムの概略上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、本発明の一側面に係る実施形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。

【0029】

〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態を図１等に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

【0030】

（光デバイスの構成）
図１は、光デバイス１Ａの構成を示す斜視図である。図２は、光デバイス１Ａの構成を示す断面図である。本実施の形態に係る光デバイス１Ａの構成を、図１及び図２に基づいて説明する。

【0031】

図１に示すように、光デバイス１Ａは、光源２と、光源２から入射された光を導光して出射面１２から出射する導光板１０と、導光板１０に配置された複数の光路偏向部２１（複数のセル）とを備えている。複数の光路偏向部２１は、複数の光路偏向部群２１ａ・２１ｂ・２１ｃ…（複数の偏向部）から構成されており、導光された光を光路偏向して出射させることにより空間上に立体画像Ｉを結像させる。

【0032】

光源２は、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）２ａにより構成されており、各発光ダイオード（ＬＥＤ）２ａから出射された光は、入射光調節部３にて調整されて、導光板１０の入射面１１に入射する。本実施の形態では、光源２は、複数から構成されているが、単数から構成されてよい。

【0033】

入射光調節部３は、発光ダイオード（ＬＥＤ）２ａに対して１対１に対応するように複数のレンズ３ａを備えている。各レンズ３ａは、対応する発光ダイオード（ＬＥＤ）２ａの出射光の光軸に沿う方向の後述するｘｙ平面の光の広がりを小さくしたり、大きくしたり、変化しないようにしたりする。この結果、レンズ３ａは、発光ダイオード（ＬＥＤ）２ａからの出射光を平行光に近づけたり、導光板１０の内部において全域に導光したりする。導光板１０によって導かれる光の広がり角は、５°以下であってよく、好ましくは１°未満である。導光板１０内のｘｙ面内における光の広がり角を小さくするための他の構成として、例えば、ｘ軸方向に所定幅より小さい開口を持つマスクを入射光調節部３に有していてもよい。

【0034】

本実施の形態では、図２に示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）２ａの出射光の光軸は、出射面１２に対して角度θをなしている。例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）２ａの出射光の光軸と出射面１２とがなす狭角である角度θは約２０°である。この結果、導光板１０への入射光が平行光に近い場合でも、入射光の光軸がｙ軸に平行である場合と比べて、出射面１２と裏面１３とで反射を繰り返しながら導光板１０内を導光する光量を増やすことができる。したがって、入射光の光軸がｙ軸に平行である場合と比べて、光路偏向部２０に入射する光量を増やすことができる。

【0035】

導光板１０は、透明で屈折率が比較的に高い樹脂材料で成形される。導光板１０を形成する材料としては、例えばポリカーボネート樹脂（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート樹脂（ＰＭＭＡ）ガラス等を使用することができる。

【0036】

導光板１０は、光源２からの光が入射される入射面１１と、導光板１０の表面である光を出射する出射面１２と、光路偏向部２１が形成されている裏面１３とを有している。

【0037】

本実施の形態では、導光板１０の出射面１２から光が出射され、その出射された光によって、空間中に立体画像Ｉが結像される。立体画像Ｉは、観察者によって立体的に認識される。立体画像Ｉとは、導光板１０の出射面１２とは異なる位置に存在するように認識される像をいう。立体画像Ｉは、例えば、導光板１０の出射面１２から離れた位置に認識される２次元像も含む。つまり、立体画像Ｉは、立体的な形状として認識される像だけでなく、光デバイス１Ａとは異なる位置に認識される２次元的な形状の像も含む概念である。本実施の形態においては、立体画像Ｉは出射面１２よりもｚ軸プラス側に位置する実像として説明するが、立体画像Ｉは出射面１２よりもｚ軸マイナス側に位置する虚像である場合もある。

【0038】

本実施の形態の説明において、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸からなる直交座標系を用いる場合がある。本実施の形態では、ｚ軸方向を、出射面１２に垂直な方向で定めると共に、裏面１３から出射面１２への向きをｚ軸プラス方向と定める。また、ｙ軸方向を、入射面１１に垂直な方向と定めると共に、導光板１０内を光が進む方向をｙ軸プラス方向と定める。ｘ軸は、ｙ軸とｚ軸に垂直な方向で定めると共に、図１において左の側面から右の側面への方向をｘ軸プラス方向と定める。ｘｙ平面に平行な面のことをｘｙ面、ｙｚ平面に平行な面のことをｙｚ面、ｘｚ平面に平行な面のことをｘｚ面と称する場合もある。

【0039】

導光板１０の裏面１３には、導光板１０内を導光された光を光路偏向して出射させることにより空間上に像としての立体画像Ｉを結像させる複数の光路偏向部２１が形成されている。複数の光路偏向部２１は、互いに異なる位置にｘｙ面内において、２次元的に、例えばマトリクス状に配置される。光路偏向部２１は、例えばプリズムにより構成される。

【0040】

図２において、光源２から出射した光は、入射光調節部３を介して導光板１０の入射面１１から入射する。導光板１０に入射した光は、導光板１０の出射面１２と裏面１３との間を全反射して導光される。そして、光路偏向部２１によって、全反射条件が破られ、光の光路が特定の向きに偏向されて出射面１２から光が出射する。

【0041】

以下、光路偏向部２１の構成及び機能について説明する。

【0042】

光デバイス１Ａにより立体画像Ｉを結像させる構成を、図１、図３、及び図４に基づいて説明する。図３は、光デバイス１Ａにより立体画像Ｉを結像させるための構成を示す平面図である。図４は、光デバイス１Ａによって結像された立体画像Ｉの一例を示す正面図である。

【0043】

図１に示すように、例えば、光デバイス１Ａにてｘｚ面に平行な立体画像結像面に、立体画像Ｉとして、例えば面画像ＦＩからなる斜め線入りリングマークを結像する場合を考える（図４）。

【0044】

光デバイス１Ａでは、導光板１０内を伝播する光のｙｚ面内における広がりが大きい方が好ましい。そこで、入射光調節部３は、光源２からの光のｘｙ面内における広がり角を小さくしない。すなわち、入射光調節部３は、光源２からの光のｙｚ面内における広がり角に実質的に影響を与えない。

【0045】

例えば、入射光調節部３が有するレンズ３ａは、ｘｙ面内で曲率を持ち、ｙｚ面内で曲率を実質的に持たない凸状のシリンドリカルレンズとすることができる。このシリンドリカルレンズは、例えば、両面が凸レンズからなっている。

【0046】

導光板１０の裏面１３には、光路偏向部群２１として機能する複数の光路偏向部群２１ａ・２１ｂ・２１ｃ…が配置されている。複数の光路偏向部群２１ａ・２１ｂ・２１ｃ…は、それぞれｘ軸に平行な方向に沿って設けられた複数のプリズムから形成されている。例えば、光路偏向部群２１ａは、複数のプリズムＰ２１ａから構成されている。同様に、光路偏向部群２１ｂは、複数のプリズムＰ２１ｂから構成されている。光路偏向部群２１ｃは、複数のプリズムＰ２１ｃから構成されている。

【0047】

例えばプリズムＰ２１ａは、入射した光を光路偏向してｘｙ面内に平行な方向に広げて、出射面１２から出射させる。プリズムＰ２１ａによって出射面１２から出射した光束は、立体画像結像面と実質的に線で交差する。図１及び図３に示すように、プリズムＰ２１ａによって出射面１２から２つの光束が出射する。出射した２つの光束は、立体画像結像面と線３１ａ_１及び線３１ａ_２で交差する。図１に示すように、光路偏向部群２１ａに含まれるいずれのプリズムＰ２１ａも、他のプリズムＰ２１ａと同様に、立体画像結像面と線３１ａ_１及び線３１ａ_２で交差する光束を出射面１２から出射させる。線３１ａ_１及び線３１ａ_２は、実質的にｘｙ面に平行な面内にあり、立体画像Ｉの一部を結像する。このように、光路偏向部群２１ａに属する複数のプリズムＰ２１ａからの光によって、線３１ａ_１及び線３１ａ_２の線画像ＬＩが結像される。線３１ａ_１及び線３１ａ_２の像を結像する光は、ｘ軸方向に沿って異なる位置に設けられた光路偏向部群２１ａにおける少なくとも２つのプリズムＰ２１ａ・Ｐ２１ａによって提供されていればよい。

【0048】

光路偏向部群２１ａに属する複数のプリズムＰ２１ａはそれぞれ、プリズムＰ２１ａそれぞれに入射した光を、出射面１２に平行な面内で、線３１ａ_１及び線３１ａ_２の像に応じた強度分布を有するようにｘ軸方向に広げて、出射面１２から出射させる。これにより、光路偏向部群２１ａに属し、ｘ軸方向に沿って配置された複数のプリズムＰ２１ａからの光が、線３１ａ_１及び線３１ａ_２の像に結像する光になる。

【0049】

同様に、図１に示すように、光路偏向部群２１ｂに属する複数のプリズムＰ２１ｂはそれぞれ、入射した光を光路偏向してｘｙ面内に平行な方向に広げて、３つの光束を出射面１２から出射させる。出射面１２から出射した３つの光束は、立体画像結像面と線３１ｂ_１、線３１ｂ_２及び線３１ｂ_３で交差する。そして、光路偏向部群２１ｂに含まれるいずれのプリズムＰ２１ｂも、他のプリズムＰ２１ｂと同様に、立体画像結像面と線３１ｂ_１・３１ｂ_２・３１ｂ_３で交差する光束を出射面１２から出射させる。このように、光路偏向部群２１ｂに属する複数のプリズムＰ２１ｂはそれぞれ、プリズムＰ２１ｂに入射した光を、出射面１２に平行な面内で、線３１ｂ_１・３１ｂ_２・３１ｂ_３の像に応じた強度分布を有するようにｘ軸方向に広げて、出射面１２から出射させる。これにより、光路偏向部群２１ｂに属し、ｘ軸方向に沿って配置された複数のプリズムＰ２１ｂからの光が、線３１ｂ_１・３１ｂ_２・３１ｂ_３の像に結像する光になる。線３１ｂ_１・３１ｂ_２・３１ｂ_３は、実質的にｘｙ面に平行な面内にあり、立体画像Ｉの一部を結像する。

【0050】

ここで、線３１ｂ_１・３１ｂ_２・３１ｂ_３の結像位置と、線３１ａ_１・３１ａ_２の結像位置とは、立体画像結像面内においてｚ軸方向の位置が異なる。

【0051】

同様に、図１に示すように、光路偏向部群２１ｃに属する複数のプリズムＰ２１ｃはそれぞれ、入射した光を光路偏向してｘｙ面内に平行な方向に広げて、２つの光束を出射面１２から出射させる。出射面１２から出射した２つの光束は、立体画像結像面と線３１ｃ_１及び線３１ｃ_２で交差する。そして、光路偏向部群２１ｃに含まれるいずれのプリズムＰ２１ｃも、他のプリズムＰ２１ｃと同様に、立体画像結像面と線３１ｃ_１・３１ｃ_２で交差する光束を出射面１２から出射させる。このように、光路偏向部群２１ｃに属する複数のプリズムＰ２１ｃはそれぞれ、プリズムＰ２１ｃに入射した光を、出射面１２に平行な面内で、線３１ｃ_１・３１ｃ_２の像に応じた強度分布を有するようにｘ軸方向に広げて、出射面１２から出射させる。これにより、光路偏向部群２１ｃに属し、ｘ軸方向に沿って配置された複数のプリズムＰ２１ｃからの光が、線３１ｃ_１・３１ｃ_２の像に結像する光になる。線３１ｃ_１・３１ｃ_２は、実質的にｘｙ面に平行な面内にあり、立体画像Ｉの一部を結像する。

【0052】

ここで、線３１ｃ_１・３１ｃ_２の結像位置と、線３１ｂ_１・３１ｂ_２・３１ｂ_３の結像位置と、線３１ａ_１・３１ａ_２の結像位置とは、立体画像結像面内においてｚ軸方向の位置がそれぞれ異なる。

【0053】

図１においては、前述したように、線３１ｃ_１・３１ｃ_２の結像位置と、線３１ｂ_１・３１ｂ_２・３１ｂ_３の結像位置と、線３１ａ_１・３１ａ_２の結像位置とは、立体画像結像面内においてｚ軸方向の位置がそれぞれ異なっており、それぞれが離れて視認される。しかしながら、実際には、光路偏向部群２１ａ・２１ｂ・２１ｃは、光路偏向部群２１ａ・２１ｂ・２１ｃ…のより多くの第１光路偏向部群により構成され、光路偏向部群２１ａ・２１ｂ・２１ｃのｙ軸方向の間隔を狭めることができる。或いは、光路偏向部群２１ａ・２１ｂ・２１ｃのｙ軸方向の間隔が離れていても、各プリズムＰ２１ａ・Ｐ２１ｂ・Ｐ２１ｃの光路偏向角度を調節することによって、線３１ａ_１・３１ａ_２の結像位置と線３１ｂ_１・３１ｂ_２・３１ｂ_３の結像位置と線３１ｃ_１・３１ｃ_２の結像位置との各位置をｚ軸方向において互い近づけることができる。その結果、図４に示すように、立体画像Ｉとして、斜め線入りリングマークの面画像ＦＩが視認されることになる。

【0054】

このように、光デバイス１Ａは、２次元的に配置された光路偏向部群２１ａ・２１ｂ・２１ｃ…の各複数のプリズムＰ２１ａ・Ｐ２１ｂ・２１ｃからの光束の集まりによって、光束を面画像ＦＩに結像して観察者側の空間に提供できる。そのため、観察者は、ｙ軸方向に沿う広い位置範囲から面画像ＦＩからなる立体画像Ｉを認識することができる。

【0055】

（光路偏向部群の形状）
面画像ＦＩを結像するための光路偏向部群２１ａ・２１ｂ・２１ｃ…のプリズムＰ２１ａ・Ｐ２１ｂ・Ｐ２１ｃ…の形状を、図５に基づいて説明する。

【0056】

図５は、光デバイス１Ａにおける導光板１０に形成されたプリズムＰ２１ａの一例の構成を斜視図である。

【0057】

図示するように、光路偏向部群２１ａのプリズムＰ２１ａは、例えば、概ね、断面形状が山形のリングの一部を切り取った形状をしており、反射面ｆ１・ｆ２・ｆ３・ｆ４・ｆ５を有している。これら反射面ｆ１・ｆ２・ｆ３・ｆ４・ｆ５は、光を光路偏向する偏向面として機能する光学面の一例であり、互いに異なる方向を向く曲面からなっている。前述したように、発光ダイオード（ＬＥＤ）２ａの光軸を導光板１０の出射面１２に対してｙｚ面内で角度θだけ傾けて設けている。そのため、導光板１０への入射光が平行光に近い場合でも、入射光の光軸がｙ軸に平行である場合と比べて、出射面１２と裏面１３とで反射を繰り返しながら導光板１０内を導光する光量を増やすことができる。したがって、入射光の光軸がｙ軸に平行である場合と比べて、反射面ｆ１・ｆ２・ｆ３・ｆ４・ｆ５に入射する光量を増やすことができる。

【0058】

反射面ｆ１は、導光板１０を導光する光Ｌ１に対して平行な方向において円弧状に湾曲する上り傾斜面となっており、反射面ｆ１に入射した光Ｌ１を、該反射面ｆ１の入射位置に応じて、出射面１２から異なる出射角で出射させる。この結果、反射面ｆ１は、該反射面ｆ１に入射した光Ｌ１を、図２に示すように、立体画像Ｉのうちの例えば辺３１の範囲に広げる。辺３１は、ｙ軸に平行な辺である。反射面ｆ１からの反射光は、辺３１が存在する方向に向かい、反射面ｆ１から辺３１が存在しない方向に向かう光は実質的に存在しない。したがって、反射面ｆ１から反射光は、ｙｚ面内において、反射面ｆ１から辺３１に向かう角度にのみ実質的に反射光を分布させる。このように、ｙｚ面内において、反射面ｆ１は、入射した光を角度方向に強度変調して出射する。反射面ｆ１は曲面であるので、反射面ｆ１への入射光である光Ｌ１が平行光である場合でも、像を描画する線を結像するための光を提供することができる。

【0059】

図５に示すように、反射面ｆ２・ｆ３は、プリズムＰ２１ａにおいて、断面形状が山形のドーナツ形状において反射面ｆ１を挟んで円弧上に延びており、それぞれ、反射面ｆ１と同様に、途中まで、山の斜面を上る傾斜面となっている。これにより、該反射面ｆ２・ｆ３に入射した光Ｌ１を反射して、図１に示すように、該反射した光を立体画像Ｉの線３１ａ_１及び線３１ａ_２の範囲に広げる。図１に示すように、立体画像Ｉの線３１ａ_１及び線３１ａ_２の間は、反射面ｆ１の存在により線が存在しない状態を形成する。

【0060】

図５に示すように、さらに、反射面ｆ４・ｆ５は、反射面ｆ４・ｆ５の途中に形成された変曲線を経て形成された上り傾斜面からなっている。この反射面ｆ４・ｆ５の存在により、図１に示すように、例えば、立体画像Ｉの線３１ｃ_１及び線３１ｃ_２を結像することができる。

【0061】

このように、例えば、プリズムＰ２１ａを反射面ｆ１～ｆ５の形状とすることにより、立体画像Ｉにおける面画像ＦＩの基になる線３１、線３１ａ_１・３１ａ_２、線３１ｂ_１・３１ｂ_２・３１ｂ_３、及び線３１ｃ_１・３１ｃ_２を結像することができる。

【0062】

（光路偏向部群の使用例及び配列例）
以下では、光路偏向部群２１ａ・２１ｂ・２１ｃ…の使用例及び配列例を図６に基づいて説明する。

【0063】

図６は、光路偏向部群２１ａ・２１ｂ・２１ｃ…の使用例及び配列例を示す図である。図６に示すように、例えば、光路偏向部群２１ａ・２１ｂ・２１ｃとして、三角柱のプリズムＰ２１ａ・Ｐ２１ｂ・Ｐ２１ｃをそれぞれ３行２列のマトリクス状であって、かつやや隙間を有するように配設する構成が例示される。この構成は一例であって、当然に他の構成を採用することができる。例えば、光路偏向部群２１ａ・２１ｂ・２１ｃとして、三角柱のプリズムＰ２１ａ・Ｐ２１ｂ・Ｐ２１ｃをそれぞれ３行３列のマトリクス状とすることもできる。

【0064】

（階調表現を向上させる導光板の構成）
次に、階調表現を向上させる導光板１０の詳細な構成を図７等により説明する。

【0065】

図７は、複数の光路偏向部２１から出た光が空中で結像する様子を示す図である。説明の便宜のため、図１６も参照しつつ説明する。図１６では、すべての光路偏向部群２００から光が出射され、空中で像が結像される。このときの階調を１００階調とする。図７に記載の構成は、図１６に示す構成の５０％の５０階調を作り出すことを目的として設計された構成である。図７において、実線は光が出射されている様子を示し、破線は光が出射されていない様子を模式的に示す。

【0066】

導光板１０は、マトリックス状に並んだ複数の光路偏向部２１を含む。図７は、その一断面を示す。複数の光路偏向部２１はそれぞれ、導光板１０に入射した光を複数の方向に偏向して出射する複数の光路偏向部群２１ａ・２１ｂ・２１ｃ…（不図示）を含む。ここで、複数の光路偏向部２１のうち、隣り合う第１の光路偏向部２１および第２の光路偏向部２１に注目して説明する。

【0067】

第１の光路偏向部２１は、立体画像の中間階調の線または面を構成する複数の点を表示するために、第１角度範囲に光を偏向する第１のプリズムを含む。第１の光路偏向部２１は、第１角度範囲に隣接する第２角度範囲に光を偏向する第２のプリズムを含まない。また、第１の光路偏向部２１は、第２角度範囲に隣接する第３角度範囲に光を偏向する第３のプリズムを含む。第２の光路偏向部２１は、第１のプリズムは含まず、第２のプリズムを含み、第３のプリズムは含まない。

【0068】

第１角度範囲と第２角度範囲との差は、６度以内が望ましく、さらに３度以内が望ましい。一般成人の両眼の間隔を約６ｃｍとすると、５０ｃｍ離れた位置と両眼とのなす角度が６．８度のため、その６．８度以下とするためである。３度以内としたのは、６度の５０％である３度にすることにより、距離が離れたとしても、また目の間隔が小さくなっても適用できるようにするためである。以上については、第２角度範囲と第３角度範囲、またそれ以降における角度範囲の差についても同様と考えてよい。

【0069】

図７に記載の導光板１０では、このように構成された第１の光路偏向部２１と第２の光路偏向部２１が周期的に交互に配置されている。このように構成された導光板１０から光が出射される様子を図８に示す。

【0070】

図８は、図７の要部を説明する図である。図８は、４つの光偏向部２１Ｐ、光偏向部２１Ｑ、光偏向部２１Ｒ、及び光偏向部２１Ｓを拡大して示す。

【0071】

光偏向部２１Ｐは、Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７で参照される方向に光を偏向する。つまり、光偏向部２１Ｐは、Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７で参照される方向に光を偏向する複数のプリズムを含む。しかしながら、光偏向部２１Ｐは、Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８、及びＲ１０で参照される方向には光を偏向しない。つまり、光偏向部２１Ｐは、Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８、及びＲ１０で参照される方向に光を偏向するプリズムを含まない。

【0072】

光偏向部２１Ｑは、Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８、及びＲ１０で参照される方向に光を偏向する。つまり、光偏向部２１Ｑは、Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８、及びＲ１０で参照される方向に光を偏向する複数のプリズムを含む。しかしながら、光偏向部２１Ｑは、Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７、及びＲ９で参照される方向に光を偏向しない。つまり、光偏向部２１Ｑは、Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７、及びＲ９で参照される方向に光を偏向するプリズムを含まない。

【0073】

光偏向部２１Ｒは、Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７で参照される方向に光を偏向する。つまり、光偏向部２１Ｒは、Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７で参照される方向に光を偏向する複数のプリズムを含む。しかしながら、光偏向部２１Ｒは、Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８、及びＲ１０で参照される方向には光を偏向しない。つまり、光偏向部２１Ｒは、Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８、及びＲ１０で参照される方向に光を偏向するプリズムを含まない。

【0074】

光偏向部２１Ｓは、Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、及びＲ８で参照される方向に光を偏向する。つまり、光偏向部２１Ｓは、Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、及びＲ８で参照される方向に光を偏向する複数のプリズムを含む。しかしながら、光偏向部２１Ｓは、Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７で参照される方向に光を偏向しない。つまり、光偏向部２１Ｓは、Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７で参照される方向に光を偏向するプリズムを含まない。このことを図９によりさらに説明する。

【0075】

図９は、導光板１０上の発光イメージを示す図である。導光板１０では、複数の光路偏向部２１がマトリックス状に並んでいる。図９の上図では、特定の方向（方向Ａ）に偏向する光路偏向部の位置に印が付けられている。方向Ａとは、図８を参照して説明した、Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７、及びＲ９で参照される方向と考えてよい。図９の下図では、特定の方向（方向Ｂ）に偏向する光路偏向部の位置に印が付けられている。方向Ｂとは、図８を参照して説明した、Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８、及びＲ１０で参照される方向と考えてよい。このように、複数の光路偏向部２１はそれぞれ、視野角が少しずつ変わるたびに、プリズムの抜き方（間引き方）を変えている。その結果、方向Ａと方向Ｂとで導光板１０上の発光イメージが変化する。

【0076】

前記の構成を備えることにより、図７に示すように、導光板１０は、所定の像を空間に表示しつつ、空中での結像点を５０％に減らしている。その結果、導光板１０は、図１６に示す構成（１００階調）の５０％の５０階調を作り出すことができる。このようにして、導光板１０は、従来よりも階調表現を向上させている。その一例を図１０に示す。

【0077】

図１０は、導光板１０を用いて空間に表示された、階調表現が向上した立体画像の一例を示す。図示するように、空間に表示された立体画像は、立体感を保ったまま、各面に階調をつけている。さらに、導光板１０では、視野角が少しずつ変わるたびに、プリズムの抜き方（間引き方）を変えている。これにより、導光板１０は、加工する点数を軽減し、加工時間を短縮できるというさらなる効果も奏することができる。

【0078】

〔実施の形態２（５０階調）〕
次に、本発明の実施形態２を説明する。説明の便宜上、前記の実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。このことは、後述する他の実施形態についても同様である。

【0079】

５０階調を作り出す構成を図１１等により説明する。図１１は、１００階調を想定したときの、導光板１０上の発光イメージを示す図である。図１２は、５０階調を想定したときの、導光板１０上の発光イメージを示す図である。図１１、１２には、複数の光路偏向部２１がマトリックス状に並べられている。

【0080】

図１１に示すように、１００階調を想定したときには、光路偏向部２１はそれぞれ、特定の方向に限定されることなく光を偏向する。そのため、図１１では、マトリックス状に並んだすべての光路偏向部２１に印が付けられている。

【0081】

一方、５０階調を想定したときには、図９を参照して説明したように、光路偏向部２１はそれぞれ、Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７で参照される方向、または、Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８、及びＲ１０で参照される方向というように、特定の方向に光を偏向する。そのため、図１２の上図（配置Ａ）と下図（配置Ｂ）とでは付けられる印の位置が互いに相違する。

【0082】

より具体的に説明する。図１２には、一例として８行×８列のマトリックスが記載されている。マトリックスにおける光路偏向部２１の位置を（行番号、列番号）で表現すると、例えば、配置Ａでは（１、１）および（２、２）に印が付けられている。配置Ｂでは（１、２）および（２、１）に印が付けられている。マトリックスの他の位置での説明は省略するが、図示するように、図１２の上図（配置Ａ）と下図（配置Ｂ）とでは付けられる印の位置が交互である。配置Ａ、配置Ｂを交互の関係とすることにより、導光板１０は、空中での結像点を５０％に減らし、図１１に示す構成（１００階調）の５０％の５０階調を作り出している。

【0083】

５０階調を作り出す他の構成を図１３により説明する。図１３は、５０階調を想定したときの、導光板１０上の発光イメージを示す図である。

【0084】

図１２の配置Ａ、Ｂとは異なり、図１３では、配置Ａでは（１、１）および（２、１）に印が付けられている。配置Ｂでは（１、２）および（２、２）に印が付けられている。つまり、図１３の上図（配置Ａ）と下図（配置Ｂ）とでは付けられる印の位置が交互である。マトリックスの他の位置での説明は省略するが、図示するように、配置Ａ、配置Ｂを交互の位置関係とすることにより、導光板１０は、空中での結像点を５０％に減らし、図１１に示す構成（１００階調）の５０％の５０階調を作り出している。

【0085】

このように、図１２、図１３の構成により、導光板１０は、所定の像を空間に表示しつつ、図１１に示す構成（１００階調）の５０％の５０階調を作り出すことができる。このようにして、導光板１０は、従来よりも階調表現を向上させている。なお、図示していないが、図１１に示す構成（１００階調）の５０％の５０階調を作り出すために、配置Ａでは（１、２）および（２、２）に印が付けられ、配置Ｂでは（１、１）および（２、１）に印が付けられる、といった構成も採用することができる。

【0086】

〔実施の形態３（２５階調）〕
次に、２５階調を作り出す構成を図１４、図１５により説明する。図１４および図１５はそれぞれ、２５階調を想定したときの、導光板１０上の発光イメージを示す図である。図１４および図１５には、複数の光路偏向部２１がマトリックス状に並べられている。以下の説明においても、マトリックスにおける光路偏向部２１の位置を（行番号、列番号）で表現する。

【0087】

最初に、複数の光路偏向部２１のうち、第１の光路偏向部２１～第４の光路偏向部２１に注目する。

【0088】

第１の光路偏向部２１は、立体画像の中間階調の線または面を構成する複数の点を表示するために、第１角度範囲に光を偏向する第１のプリズムを含む。第１の光路偏向部２１は、第１角度範囲に隣接する第２角度範囲に光を偏向する第２のプリズムを含まない。第２の光路偏向部２１は、第１のプリズムは含まず、第２のプリズムを含む。

【0089】

さらに、第１の光路偏向部２１および第２の光路偏向部２１は、第２角度範囲に隣接する第３角度範囲に光を偏向する第３のプリズムを含まず、かつ、第３角度範囲に隣接する第４角度範囲に光を偏向する第４のプリズムを含まない。

【0090】

そして、導光板１０は、第３のプリズムを含み、第１のプリズム、第２のプリズム、及び第４のプリズムを含まない第３の光路偏向部２１と、第４のプリズムを含み、第１のプリズムないし第３のプリズムを含まない第４の光路偏向部２１と、をさらに含む。

【0091】

このように構成された第１の光路偏向部２１ないし第４の光路偏向部２１が、導光板１０上で周期的に配置されている。

【0092】

図１４には、配置Ａ～Ｄが示されており、配置Ａ～Ｄの（１、１）、（１、２）、（２、１）、及び（２、２）に注目して説明する。配置Ａでは、（１、１）のみに印が付けられている。配置Ｂでは（１、２）のみに印が付けられている。配置Ｃでは（２、１）のみに印が付けられている。配置Ｄでは（２、２）のみに印が付けられている。マトリックスの他の位置での説明は省略するが、図示するように、図１４の配置Ａ～Ｄでは、付けられる印の位置が周期的に変化する。

【0093】

このように、複数の光路偏向部２１はそれぞれ、視野角が少しずつ変わるたびに、プリズムの抜き方（間引き方）を変えている。これは、例えば、配置ＡではＲ１、Ｒ５の方向のみに、配置ＢではＲ２、Ｒ６の方向のみに、配置ＣではＲ３、Ｒ７の方向のみに、配置ＤではＲ４、Ｒ８の方向のみにそれぞれ光を偏向する、という構成である。

【0094】

前記の構成を備えることにより、導光板１０は、所定の像を空間に表示しつつ、空中での結像点を２５％に減らしている。その結果、導光板１０は、図１１に示す構成（１００階調）の２５％の２５階調を作り出すことができる。

【0095】

図１４の配置Ａ～Ｄとは異なり、図１５では、配置Ａでは（１、１）に、配置Ｂでは（２、１）に、配置Ｃでは（１、２）に、配置Ｄでは（２、２）に、それぞれ印が付けられている。このようにプリズムの抜き方（間引き方）を変えることによっても、導光板１０は、図１１に示す構成（１００階調）の２５％の２５階調を作り出すことができる。

【0096】

〔実施の形態４（バリエーション）〕
本実施形態では、５０％、２５％以外の、さらに豊富な階調表現を作り出す構成を説明する。

【0097】

図１２～図１５を参照して説明した前記の実施形態では、「２×２」をマトリックスの一単位として扱った。しかしながら、例えば「３×３」をマトリックスの一単位として扱う場合には、９（３×３）段階の階調表現を作り出すことができる。また、「３×２」をマトリックスの一単位として扱う場合には、６（３×２）段階の階調表現を作り出すこともできる。また、「２×２」を一単位として扱う場合であっても、７５階調を作り出すこともできる。

【0098】

このように、本実施形態では、他の実施形態と同様に、視野角が少しずつ変わるたびに、光路偏向部２１それぞれにおけるプリズムの抜き方（間引き方）を変える。これにより、階調表現が向上した立体画像を空間に表示する導光板を実現することができる。

【0099】

さらに、前記の種々の実施形態と共に、光路偏向部２１に含まれるプリズムは、その長さおよび高さの少なくとも一方が他と異なるプリズムを少なくとも１つ含んでもよい。図１８を参照して説明したように、例えば、プリズムの長さを半分にすると、明るさが５０％減となり、階調が５０％となる。同様に、プリズムの高さ（つまり、幅）を半分にすると、明るさが５０％減となり、階調が５０％となる。

【0100】

そこで、例えば、図１２の構成により５０階調を作り出したうえで全てのプリズムの長さを半分にすると、明るさが半減することから、２５階調を作り出すことができる。同様に、図１４の構成により２５階調を作り出したうえで全てのプリズムの長さを半分にすると、明るさが半減することから、階調も半減する。

【0101】

このように、視野角が少しずつ変わるたびに、光路偏向部２１それぞれにおけるプリズムの抜き方（間引き方）を変え、さらに、プリズムの長さおよび高さの少なくとも一方を変える構成も組み合わせて採用することができる。そのとき、プリズムを長さ５０μｍまで短くし、その後でプリズムの高さを低くする（プリズムの幅を狭める）、といった構成も採用することができる。このような構成を採用することにより、さらに階調表現が向上した立体画像を空間に表示する導光板を提供することができる。

【0102】

〔表示装置、入力装置、アミューズメント機器等への適用〕
各実施形態に係る導光板１０と、導光板１０への入射光を照射する光源（発光ダイオード等）と、を備える表示装置も本発明の技術的範囲に含まれる。

【0103】

また、前記の表示装置と、空間上に結像した立体画像Ｉに近接する、あるいは、立体画像Ｉの近くに存在する物体（人の指など）を検知するセンサ部５０（図１参照）とを備えた入力装置も本発明の技術的範囲に含まれる。そのようなセンサ部５０は、所定の検出位置に物体が位置した場合に物体の存在を検出する限定反射センサ等の周知のセンサであってよい。

【0104】

また、前記の表示装置を備えた各種の機器も本発明の技術的範囲に含まれる。そのような装置としては、例えば、アミューズメント機器（パチンコ・パチスロ・ゲームセンター・カジノなどで使用される装置、機械）、玩具、車載、または家電等が挙げられる。

【0105】

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】

【0106】

１Ａ 光デバイス
２ 光源
３ 入射光調節部
３ａ レンズ
１０ 導光板
１１ 入射面
１２ 出射面
１３ 裏面
２１ 光路偏向部
２１、２１ａ、２１ａ・２１ｂ・２１ｃ、２１ｂ、２１ｃ、２００ 光路偏向部群
２１Ｐ、２１Ｑ、２１Ｒ、２１Ｓ 光偏向部
５０ センサ部

【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】

【図16】

【図17】

【図18】