7587417 空間浮遊映像表示装置および光源装置

(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】2024-11-12

(45)【発行日】2024-11-20

(54)【発明の名称】空間浮遊映像表示装置および光源装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 30/56 20200101AFI20241113BHJP

   B60R 11/02 20060101ALI20241113BHJP

   B60K 35/23 20240101ALI20241113BHJP

   H04N 13/388 20180101ALI20241113BHJP

【ＦＩ】

G02B30/56

B60R11/02 C

B60K35/23

H04N13/388

【請求項の数】 31

(21)【出願番号】P 2020217259

(22)【出願日】2020-12-25

(65)【公開番号】P2022102491

(43)【公開日】2022-07-07

【審査請求日】2023-09-15

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000005810

【氏名又は名称】マクセル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】平田 浩二

(72)【発明者】

【氏名】藤田 浩司

(72)【発明者】

【氏名】杉山 寿紀

【審査官】近藤 幸浩

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００２４３７３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－１３４８４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１０９４０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１０１０５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ３０／５６

Ｂ６０Ｒ １１／０２

Ｂ６０Ｋ ３５／２３

Ｈ０４Ｎ １３／３８８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空間浮遊映像を形成する空間浮遊映像表示装置であって、
前記空間浮遊映像を形成する特定偏波の映像光が通過する開口部と、
前記開口部に配置され前記映像光が通過する透明部材と、
映像源としての表示パネルと、
前記映像源に特定の偏光方向の光を供給する光源装置と、
再帰反射面に位相差板を設けた再帰反射光学部材と、
１枚以上の反射ミラーと、
前記映像源と前記再帰反射光学部材とを結んだ空間内に設けられた偏光分離部材と、
を備え、
前記映像源からの特定偏波の映像光について前記偏光分離部材を一旦透過させ、
前記偏光分離部材を透過した映像光を前記反射ミラーとして第一の反射ミラーで前記再帰反射光学部材に向けて反射させ、
前記第一の反射ミラーで反射した映像光を前記再帰反射光学部材の前記再帰反射面に設けられた前記位相差板で偏光変換することで前記映像光の一方の偏波を他方の偏波に変換し、
前記変換後の映像光を前記第一の反射ミラーで再度反射させ、
前記第一の反射ミラーで再度反射した映像光を前記偏光分離部材で前記開口部に向けて反射させ、
前記偏光分離部材で反射した映像光に基づいて前記開口部の前記透明部材の外側に実像である前記空間浮遊映像を表示し、
前記映像源から前記再帰反射光学部材までの距離を変更する構造によって、前記空間浮遊映像が形成される位置を変更する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項2】

請求項１に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記空間浮遊映像と前記偏光分離部材とを結ぶ光路内に、前記反射ミラーとして少なくとも１枚の反射ミラーを有し、
前記少なくとも１枚の反射ミラーを前記光路内で回転させることで、前記空間浮遊映像が形成される位置を変更する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項3】

請求項１に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記空間浮遊映像と前記偏光分離部材とを結ぶ光路内に、前記反射ミラーとして少なくとも１枚の反射ミラーを有し、
前記少なくとも１枚の反射ミラーのうち前記空間浮遊映像に最も近接配置された反射ミラーは、前記映像光の特定の偏波を反射し他方の偏波を透過する金属多層膜から形成されている、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項4】

請求項１に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記偏光分離部材は、反射型偏光板、あるいは特定偏波を反射させる金属多層膜から形成されている、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項5】

請求項１に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記透明部材の少なくとも一面に、吸収型偏光板を有する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項6】

請求項１に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記透明部材は、前記映像光が通過する部分が透明体で形成され、前記映像光が通過しない部分が遮光部材で形成されている、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項7】

請求項１に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記表示パネルの映像表示面に反射防止膜を有し、
前記表示パネルに設けた吸収型偏光板を有し、
前記吸収型偏光板により前記偏光分離部材から前記表示パネルへ戻る反射光を吸収させる、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項8】

空間浮遊映像を形成する空間浮遊映像表示装置であって、
前記空間浮遊映像を形成する特定偏波の映像光が通過する開口部と、
前記開口部に配置され前記映像光が通過する透明部材と、
映像源としての表示パネルと、
前記映像源に特定の偏光方向の光を供給する光源装置と、
再帰反射面に位相差板を設けた再帰反射光学部材と、
複数枚の反射ミラーと、
前記映像源と前記再帰反射光学部材とを結んだ空間内に設けられた偏光分離部材と、を備え、
前記映像源からの特定偏波の映像光について前記偏光分離部材を一旦透過させ、
前記偏光分離部材で透過した映像光を前記反射ミラーのうち第一の反射ミラーで前記再帰反射光学部材に向けて反射させ、
前記第一の反射ミラーで反射した映像光を前記再帰反射光学部材の前記再帰反射面に設けられた前記位相差板で偏光変換することで一方の偏波を他方の偏波に変換し、
前記変換後の映像光を前記第一の反射ミラーで再度反射させ、
前記第一の反射ミラーで再度反射した映像光を前記偏光分離部材で前記開口部へ向けて反射させ、
前記偏光分離部材で反射した映像光に基づいて、前記開口部の前記透明部材の外側に実像である前記空間浮遊映像を表示し、
前記映像源から前記再帰反射光学部材までの距離を変更する構造によって、前記空間浮遊映像が形成される位置を変更し、
前記再帰反射光学部材の反射面の面粗さは、前記空間浮遊映像のボケ量と前記映像源の画素サイズとの比率が４０％以下となるように設定され、
前記光源装置は、点状または面状の光源と、前記光源からの光の発散角を低減する光学手段と、前記光源からの光を特定方向の偏光に揃える偏光変換手段と、前記映像源に伝搬する反射面を有する導光体と、を有し、
前記映像光を前記光源装置に設けられた反射面の形状と面粗さによって調整し、
前記映像源からの挟角な発散角を有する映像光束を前記再帰反射光学部材で反射させ、
空中に前記空間浮遊映像を形成する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項9】

請求項８に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記再帰反射光学部材の反射面の面粗さは、１６０ｎｍ以下となるように設定されており、
前記光源装置は、点状または面状の光源と、前記光源からの光の発散角を低減する光学手段と、前記光源からの光を特定方向の偏光に揃える偏光変換手段と、前記映像源に伝搬する反射面を有する導光体と、を有し、
前記導光体は、前記映像源と対向して配置され、内部または表面には前記光源装置からの光を前記映像源に向けて反射させる反射面が設けられ、前記反射面によって前記映像源に光を伝搬し、
前記映像源は、映像信号に合わせて光強度を変調し、
前記映像源からの挟角な発散角を有する映像光束を前記再帰反射光学部材で反射させ、
空中に前記空間浮遊映像を形成する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項10】

請求項８に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記光源装置は、前記表示パネルの光線発散角が±３０度以内となるように、光束の発散角の一部または全部を、前記光源装置の前記反射面の形状と面粗さによって調整する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項11】

請求項８に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記光源装置は、前記表示パネルの光線発散角が±１５度以内となるように、光束の発散角の一部または全部を、前記光源装置の前記反射面の形状と面粗さによって調整する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項12】

請求項８に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記光源装置は、前記表示パネルの光線発散角が、水平発散角と垂直発散角とで異なるように、光束の発散角の一部または全部を、前記光源装置の前記反射面の形状と面粗さによって調整する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項13】

請求項８に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記光源装置は、前記映像源の光入射面と光出射面とに設けられた偏光板の特性により得られるコントラストに、前記偏光変換手段における偏光変換の効率の逆数を乗じたコントラスト性能を有する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項14】

請求項８に記載の空間浮遊映像表示装置において、
反射型偏光板と、
前記再帰反射光学部材の映像光入射面に設けられた前記位相差板と、を備え、
前記反射型偏光板は、前記映像源からの映像光が一旦前記反射型偏光板で反射されて前記再帰反射光学部材に入射するように配置されており、
前記映像光が前記位相差板を２度通過することで前記映像光の偏波が他方の偏波に変換され、変換後の映像光が前記反射型偏光板を通過する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項15】

請求項１４に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記光源装置は、前記映像源の光入射面と光出射面とに設けられた２枚の偏光板の特性により得られるコントラストに、前記偏光変換手段における偏光変換の効率の逆数と前記反射型偏光板のクロス透過率の逆数とを乗じたコントラスト性能を有する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項16】

空間浮遊映像を形成する空間浮遊映像表示装置であって、
前記空間浮遊映像を形成する特定偏波の映像光が通過する開口部と、
前記開口部に配置され前記映像光が通過する透明部材と、
映像源としての表示パネルと、
前記映像源に特定の偏光方向の光を供給する光源装置と、
再帰反射面に位相差板を設けた再帰反射光学部材と、
複数枚の反射ミラーと、
前記映像源と前記再帰反射光学部材とを結んだ空間内に設けられた偏光分離部材と、を備え、
前記映像源からの特定偏波の映像光について前記偏光分離部材を一旦透過させ、
前記偏光分離部材で透過した映像光を前記反射ミラーのうち第一の反射ミラーで前記再帰反射光学部材に向けて反射させ、
前記第一の反射ミラーで反射した映像光を前記再帰反射光学部材の前記再帰反射面に設けられた前記位相差板で偏光変換することで一方の偏波を他方の偏波に変換し、
前記変換後の映像光を前記第一の反射ミラーで再度反射させ、
前記第一の反射ミラーで再度反射した映像光を前記偏光分離部材で前記開口部へ向けて反射させ、
前記偏光分離部材で反射した映像光に基づいて、前記開口部の前記透明部材の外側に実像である前記空間浮遊映像を表示し、
前記映像源からの特定角度を超える発散角を有した映像光が前記再帰反射光学部材に入射することを遮る遮光部材を備え、
前記映像源から前記再帰反射光学部材までの距離を変更する構造によって、前記空間浮遊映像が形成される位置を変更し、
前記再帰反射光学部材の反射面の面粗さは、前記空間浮遊映像のボケ量と前記映像源の画素サイズとの比率が４０％以下となるように設定されており、
前記光源装置は、点状または面状の光源と、前記光源からの光の発散角を低減する光学手段と、前記光源からの光を特定方向の偏光に揃える偏光変換手段と、前記映像源に伝搬する反射面を有する導光体と、を有し、
反射型偏光板を備え、
前記導光体は、前記映像源と対向して配置され、内部または表面には前記光源からの光を前記映像源に向けて反射させる反射面が設けられ、前記反射型偏光板で反射した特定の偏光方向の光を、前記導光体の隣り合う前記反射面を繋ぐ面を透過して、前記導光体の前記映像源と接する面とは反対面に設けた反射板で反射させ、前記反射板の上面に配置された位相差板を２度通過させて偏光変換することで前記反射型偏光板を通過する偏波に変換し、変換後の光を、前記導光体を通過させることで前記映像源に伝搬し、
前記映像源は、映像信号に合わせて光強度を変調し、
前記光源装置は、前記光源から前記映像源に入射する光束の発散角の一部または全部を、前記光源装置に設けられた前記反射面の形状と面粗さによって調整し、
前記映像源からの挟角な発散角を有する映像光束を前記再帰反射光学部材で反射させ、空中に前記空間浮遊映像を形成する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項17】

空間浮遊映像を形成する空間浮遊映像表示装置であって、
前記空間浮遊映像を形成する特定偏波の映像光が通過する開口部と、
前記開口部に配置され前記映像光が通過する透明部材と、
映像源としての表示パネルと、
前記映像源に特定の偏光方向の光を供給する光源装置と、
再帰反射面に位相差板を設けた再帰反射光学部材と、
複数枚の反射ミラーと、
前記映像源と前記再帰反射光学部材とを結んだ空間内に設けられた偏光分離部材と、を備え、
前記映像源からの特定偏波の映像光について前記偏光分離部材を一旦透過させ、
前記偏光分離部材で透過した映像光を、前記反射ミラーのうち第一の反射ミラーで前記再帰反射光学部材に向けて反射させ、
前記第一の反射ミラーで反射した映像光を前記再帰反射光学部材の前記再帰反射面に設けられた前記位相差板で偏光変換することで一方の偏波を他方の偏波に変換し、
前記変換後の映像光を前記第一の反射ミラーで再度反射させ、
前記第一の反射ミラーで再度反射した映像光を前記偏光分離部材で前記開口部に向けて反射させ、
前記偏光分離部材で反射した映像光に基づいて、前記開口部の前記透明部材の外側に実像である前記空間浮遊映像を表示し、
前記映像源と前記再帰反射光学部材とを結んだ空間内に、前記映像源からの特定角度を超える発散角を有した映像光が前記再帰反射光学部材に入射することを遮る遮光部材を備え、
前記再帰反射光学部材の反射面の面粗さは、前記空間浮遊映像のボケ量と前記映像源の画素サイズとの比率が４０％以下となるように設定されており、
前記光源装置は、点状または面状の光源と、前記光源からの光の発散角を低減する光学手段と、前記光源からの光を反射し前記映像源に伝搬する反射面を有する導光体と、前記導光体の他方の面に対向して前記導光体から順に配置される位相差板および反射面と、を有し、
前記導光体の前記反射面は、前記光源からの光を反射させて前記導光体に対向して配置された前記映像源に伝搬するように配置されており、
前記導光体の前記反射面と前記映像源との間に配置された反射型偏光板を備え、
前記反射型偏光板で反射した特定の偏光方向の光を前記導光体の他方の面に対向して近接配置された反射面で反射させ、反射された光を前記導光体と前記反射面との間に配置された前記位相差板を２度通過させることで偏光変換し、変換後の光を、前記反射型偏光板を通過させて前記映像源に特定の偏光方向の光を伝搬し、
前記映像源は、映像信号に合わせて光強度を変調し、
前記光源装置は、前記光源から前記映像源に入射する光束の発散角の一部または全部を、前記光源装置に設けられた前記反射面の形状と面粗さとによって調整し、
前記映像源からの挟角な発散角を有する映像光束を前記再帰反射光学部材で反射させ、
空中に前記空間浮遊映像を形成する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項18】

請求項１６に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記光源装置は、前記表示パネルの光線発散角が±３０度以内となるように、光束の発散角の一部または全部を、前記光源装置に設けられた前記反射面の形状と面粗さとによって調整する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項19】

請求項１６に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記光源装置は、前記表示パネルの光線発散角が±１０度以内となるように、光束の発散角の一部または全部を、前記光源装置に設けられた前記反射面の形状と面粗さとによって調整する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項20】

請求項１６に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記光源装置は、前記表示パネルの光線発散角が水平発散角と垂直発散角とで異なるように、光束の発散角の一部または全部を、前記光源装置に設けられた前記反射面の形状と面粗さによって調整する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項21】

請求項１６に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記光源装置は、前記表示パネルの光入射面と光出射面とに設けた２枚の偏光板の特性により得られるコントラストに、前記反射型偏光板のクロス透過率の逆数を乗じたコントラスト性能を有する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項22】

請求項１６に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記反射型偏光板は、前記映像源からの映像光が前記反射型偏光板で一旦反射して前記再帰反射光学部材に入射するように配置されており、
前記再帰反射光学部材の映像光入射面には前記位相差板を有し、
前記位相差板を２度通過させて前記映像光の偏波を他方の偏波に変換することで前記反射型偏光板を通過させる、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項23】

請求項２０に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記光源装置は、前記表示パネルの光入射面と光出射面とに設けられた２枚の偏光板の特性により得られるコントラストに、前記反射型偏光板のクロス透過率の逆数を乗じたコントラスト性能を有する、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項24】

請求項１６～２１のいずれか一項に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記光源装置は、１つの映像表示素子に対して、前記光源として複数の光源を備える、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項25】

請求項１６～２２のいずれか一項に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記光源装置は、１つの映像表示素子に対して、前記光源として光の出射方向が異なる複数の面発光光源を備える、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項26】

請求項２１～２３のいずれか一項に記載の空間浮遊映像表示装置に用いられる光源装置であって、
発散角が±３０度以内である、
光源装置。

【請求項27】

請求項２４に記載の空間浮遊映像表示装置に用いられる光源装置であって、
発散角が±１０度以内である、
光源装置。

【請求項28】

請求項２５に記載の空間浮遊映像表示装置に用いられる光源装置であって、
水平拡散角と垂直拡散角とが異なる、
光源装置。

【請求項29】

空間浮遊映像を形成する空間浮遊映像表示装置であって、
前記空間浮遊映像を形成する特定偏波の映像光が通過する開口部と、
前記開口部に配置され前記映像光が通過する透明部材と、
映像源としての表示パネルと、
前記映像源に特定の偏光方向の光を供給する光源装置と、
再帰反射面に位相差板を設けた再帰反射光学部材と、
反射ミラーと、
前記映像源と前記再帰反射光学部材とを結んだ空間内に設けられた偏光分離部材と、を備え、
前記映像源からの特定偏波の映像光について前記偏光分離部材を一旦透過させ、
前記偏光分離部材で透過された映像光を前記反射ミラーで前記再帰反射光学部材に向けて反射させ、
前記反射ミラーで反射した映像光を前記再帰反射光学部材の前記再帰反射面に設けられた前記位相差板で偏光変換することで一方の偏波を他方の偏波に変換し、
前記変換後の映像光を前記偏光分離部材で反射させ、
前記偏光分離部材で反射した映像光を前記反射ミラーで前記開口部へ向けて反射させ、
前記反射ミラーで反射した映像光に基づいて、前記開口部の前記透明部材の外側に実像である前記空間浮遊映像を表示し、
前記光源装置は、点状または面状の光源と、前記光源からの光の発散角を低減する光学手段と、前記光源からの光を特定方向の偏光に揃える偏光変換手段と、前記映像源に伝搬する反射面を有する導光体と、を有し、
前記再帰反射光学部材の反射面の面粗さは、前記空間浮遊映像のボケ量と前記映像源の画素サイズとの比率が４０％以下となるように設定されており、
前記導光体は、前記映像源と対向して配置され、内部または表面には前記光源からの光を前記映像源に向けて反射させる反射面を有し、前記反射面によって前記映像源に光を伝搬し、
前記映像源は、映像信号に合わせて光強度を変調し、
前記光源から前記映像源に入射する光束の発散角の一部または全部を、前記光源装置に設けられた前記反射面の形状と面粗さによって調整し、
前記映像源からの挟角な発散角を有する映像光束を前記再帰反射光学部材で反射させ、空中に前記空間浮遊映像を形成し、
前記再帰反射光学部材の形状は、前記映像源に対して曲率半径が２００ｍｍ以上の凹面または凸面形状である、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項30】

請求項１７に記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記再帰反射光学部材の形状は、前記映像源に対して曲率半径が２００ｍｍ以下の凹面または凸面形状である、
空間浮遊映像表示装置。

【請求項31】

空間浮遊映像を形成する空間浮遊映像表示装置であって、
映像源としての表示パネルと、
前記映像源に特定の偏光方向の光を供給する光源装置と、
表面に偏光分離部材を設けた透過性プレートと、
位相差板を設けた再帰反射光学部材から成る光学システムと、
反射ミラーと、
それらの構成部材を収納する筐体と、
前記透過性プレートを保持し前記筐体に連結する外枠と、を備え、
前記映像源からの特定偏波の映像光を前記偏光分離部材で反射させ、
前記偏光分離部材で反射した映像光を前記再帰反射光学部材で再帰反射させて前記再帰反射光学部材に設けられた前記位相差板により偏光変換し、
前記変換後の映像光を前記偏光分離部材で反射させ、
前記偏光分離部材で反射した映像光を前記反射ミラーで反射させ、
前記反射ミラーで反射した映像光を、前記透過性プレートを透過させ、
前記透過性プレートを透過した映像光に基づいて、前記空間浮遊映像を形成し、
前記空間浮遊映像の観視者が前記空間浮遊映像を観視する場合に、前記空間浮遊映像の一部または全部が前記外枠の一部または全部に掛かるように、前記光学システムが前記筐体内に配置されている、
空間浮遊映像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、自動車や電車や航空機等（「乗り物」とも言う）の運転者に空間浮遊映像を表示する空間浮遊映像表示装置の技術に関し、その空間浮遊映像の画像を運転者に実像として観察できるようにした光学系を用いた空間浮遊映像表示装置の技術に関する。

【背景技術】

【0002】

乗り物のフロントガラスやコンバイナに映像光を投写して虚像を形成し、例えば自動車のルート情報や渋滞情報などの交通情報や、燃料残量や冷却水温度等の自動車情報を表示する映像表示装置として、所謂、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ－Ｕｐ－Ｄｉｓｐｌａｙ）装置が知られている。特開２０１５－１９４７０７号公報（特許文献１）には、ＨＵＤ装置の例が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１５－１９４７０７号公報

【文献】特許第４７８８８８２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この種の映像表示装置においては、運転者が虚像を観視できる領域を拡大することが望まれる一方、虚像が高解像度で視認性が高いことも重要な性能要因である。また、ＨＵＤは、運転者の視点移動を少なくするために虚像の成立する位置を運転者視点からより遠方とし、運転者が視認している実景に虚像を重ねる拡張現実（ＡＲ）表示ができるものがある。このようなＨＵＤは、虚像の発生位置を遠方にし、かつ高倍率化の実現のためには、装置やシステムのセットが大型化する課題がある。

【0005】

さらに、上述したＨＵＤ装置は、液晶ディスプレイ等の映像表示装置に表示された映像を、凹面ミラー（凸レンズの作用を持つ）を含む光学系を用いて、運転者に拡大像として虚像を提供する。図２に示すように、自動車のフロントガラス６は、本体垂直方向の曲率半径Ｒｖと水平方向の曲率半径Ｒｈとが異なり、一般には、Ｒｈ＞Ｒｖの関係にある。このため、図２２に示す従来のＨＵＤにおいては、反射面としてフロントガラス６を捉えると、その反射面は凹面ミラー４０１のトロイダル面となる。このため、従来のＨＵＤでは、凹面ミラー４０１の形状は、フロントガラス６の形状による虚像倍率を補正するように設計される。すなわち、凹面ミラー４０１の形状は、フロントガラス６の垂直方向の曲率半径Ｒｈと水平方向の曲率半径Ｒｖとの違いを補正するように、水平方向と垂直方向で異なる平均曲率半径とされる。

【0006】

以上述べたように、最終反射面としてフロントガラスを用いるために、デザイン性を重視する自動車などの乗り物では、以下の課題がある。すなわち、（１）量産直前までデザイン変更が発生し、設計仕様が決まりにくい。（２）それぞれの自動車のデザインが異なるため、同一仕様のＨＵＤ装置を他の車種に展開することが難しい。この展開の難しさから、ＨＵＤの市場拡大の足かせになっていた。また、フロントガラスを通じて、ＨＵＤ装置内に対し、特定の角度で入射した太陽光などの外光が、凹面ミラー４０１で集光し、液晶表示パネル４０４に入射する場合がある。その場合、液晶表示パネル４０４の出射側偏光板にダメージが生じないように、凹面ミラー４０１の反射特性の最適化や、特定偏波を反射する光学素子４０３を設ける等の対策が必要となる。

【0007】

本発明の目的は、上記課題を考慮して、好適な空間浮遊映像表示装置を提供することである。

【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、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。一実施の形態の空間浮遊映像表示装置は、映像源（映像表示装置）としての液晶表示パネルと、映像源に特定の偏光方向の光を供給する光源装置とを備える。光源装置は、点状または面状の光源と、光源からの光の発散角を低減する光学手段と、映像源に伝搬する反射面を有する導光体と、を備える。導光体は、映像源と対向して配置され、内部または表面には光源からの光を映像源に向けて反射させる反射面を有し、映像源に光を伝搬する。映像源は、映像信号に合わせて光強度を変調する。光源装置は、光源から映像源に入射する光束の発散角の一部または全部を、光源装置に設けられた反射面の形状と面粗さによって制御する。空間浮遊映像表示装置は、映像源からの挟角な発散角を有する映像光束を再帰反射光学部材で反射させ、空中に空間浮遊映像を形成する。空間浮遊映像表示装置は、空間浮遊映像のコントラスト性能を改善するために光源からの光を特定方向の偏光に揃える偏光変換手段を設けてもよい。

【0009】

更に、空間浮遊映像のゴースト像発生を低減するために、上述したように、映像源からの映像光は、挟角な発散特性を持つとともに、映像源と再帰反射光学部材との間に不要な光を遮光する遮光部材を備え、外光が再帰反射光学部材に入射しないように光学系の配置を考慮することで、ゴーストの発生を軽減する。空間浮遊映像のボケ量を軽減するために、再帰反射光学部材の反射面の表面粗さを単位長さ当たり所定の数値以下に低減することで、空間浮遊映像のボケ量を軽減して視認性を向上する。また、空間浮遊映像表示装置は、映像源と再帰反射光学部材との距離を変更できる機構を設けることで、空間浮遊映像の表示の位置を変更できるようにする。

【発明の効果】

【0010】

本発明の代表的な実施の形態によれば、好適な空間浮遊映像表示装置を提供することができる。上記以外の課題、構成および効果等については［発明を実施するための形態］において示される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施例に係る空間浮遊映像表示装置の使用形態の一例を示す図である。

【図2】空間浮遊映像装置を搭載した自動車の上面図、およびフロントガラスの曲率半径の違いを説明する説明図である。

【図3】空間浮遊映像表示装置を自動車に設置した場合の主要部構成の第１の実施例を示す図である。

【図4】空間浮遊映像表示装置を自動車に設置した場合の主要部構成の第２の実施例を示す図である。

【図5】本発明の一実施例に係る空間浮遊映像表示装置の原理を説明するための主要部構成と再帰反射光学部構成の一例を示す図である。

【図6】空間浮遊映像表示装置の課題を示す図である。

【図7】再帰反射光学部材の表面粗さと再帰反射像のボケ量の関係を表す特性図である。

【図8】本発明の一実施例に係る空間浮遊映像表示装置の主要部構成の他の実施例を示す図である。

【図9】一実施例に係る表示装置の構成を示す構成図である。

【図10】光源装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。

【図11】光源装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。

【図12】光源装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。

【図13】光源装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。

【図14】光源装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。

【図15】光源装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。

【図16】表示装置の拡散特性を説明するための説明図である。

【図17】表示装置の拡散特性を説明するための説明図である。

【図18】光源装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。

【図19】一実施例に係る光源装置の具体的な構成の一例を示す図である。

【図20】偏光成分の違いによる光線入射角度に対するガラスの反射特性を示す特性図である。

【図21】太陽光の分光放射照度を示す特性図である。

【図22】従来（比較例）のＨＵＤを自動車に設置した場合の主要部構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

＜従来の空間浮遊映像表示装置＞
従来の空間浮遊映像表示装置では、高解像度なカラー表示映像源としての有機ＥＬパネルや液晶表示パネルを、再帰反射光学部材と組み合わせる。この空間浮遊映像表示装置では、図６に示すように映像光源である液晶パネルから出射される映像光の拡散特性が広角で再帰反射光学部材が６面体であるために、正規な映像光６００１によって生じる反射光６００２の他に、再帰反射光学部材２ａに斜めから入射する映像光６００３によって発生する反射光６００４が原因でゴースト像が発生し、空間浮遊映像の画質を損ねていた。従来技術例として示した再帰反射光学部材は６面体であるために、正規な空間浮遊映像Ｒ１の他に、第１ゴースト像Ｇ１から第６ゴースト像Ｇ６（図示せず）まで複数のゴースト像が発生する。このため、観視者以外にも同一の空間浮遊映像であるゴースト像が観視され、空間浮遊映像の見かけ上の解像度が大幅に低下するなどの大きな課題があった。なおここでは、図６に示す６面体による反射によって再帰反射を実現する構造の例を示した。これに限らず、再帰反射を起こす少なくとも２回以上の反射により再帰反射像を得る光学部材において、同様の理由でゴースト像が発生する課題がある。以上反射面が突起形状の６面体について説明したが周囲に対して凹面形状の反射面による６面体としても同様の効果が得られることは言うまでもない。

【0013】

また、後述する狭角な指向特性を有する表示装置からの映像光を再帰反射光学部材によって反射させ、それにより空間浮遊映像を得る構成がある。発明者の実験によれば、それにより得られた空間浮遊映像は、上述したゴースト像の他に、図７に示したように、液晶表示パネルの画素ごとにボケが視認された。

【0014】

＜空間浮遊映像表示装置の概要＞
図１は、本発明の空間浮遊映像表示装置を車載用途に用いる場合の優位性を説明するための概略構成図である。ここでは、その一例として、特に、自動車のフロントガラス６を使用しないで空間浮遊映像を得る空間浮遊映像表示装置１０００について説明する。空間浮遊映像表示装置１０００は、運転者の視線に対応するアイポイント８（後に詳述する）において自車両の内部空間に空間浮遊映像２２０を得る。これにより、自車両の前方に疑似的に虚像Ｖ１を形成したことと同様の視覚効果が得られる。発明者は実験によりそのことを確認した。以下詳細に説明する。

【0015】

図１に示すように、アイポイント８から空間浮遊映像２２０を観視した場合には、従来のＨＵＤで被投影部材６（本実施例ではフロントガラスの内面。車両内の運転者に向いた面。）にて反射された虚像Ｖ１を見ている場合と同様に、運転者が視認している実景に空間浮遊映像２２０（対応する虚像Ｖ１）を重ねることができる。空間浮遊映像２２０として表示する情報としては、例えば、車両情報や、監視カメラやアラウンドビュアーなどのカメラ（図示せず）で撮影した前景情報や、始動前の車両周辺の景観や、速度計、エンジンの回転計、エネルギー残量表示などの情報が挙げられる。

【0016】

また、本実施例では、空間浮遊映像表示装置１０００は、情報に対応する映像を表示して対応する映像光を投射する映像表示装置４と、映像表示装置４に表示された映像を反射させ空間浮遊映像２２０を形成する再帰反射光学部材２１００（言い換えると再帰反射光学素子)とを備える。再帰反射光学部材２１００は、空間的に移動可能な構造として（図中では上下移動可能として表示）、上下に移動させることで、空間浮遊映像２２０が形成される位置を移動（図中では上下移動）させることができる。この結果、運転者がアイボックス（アイポイント８が含まれる所定の空間をいう）から観視する空間浮遊映像２２０が形成される位置を、上下に移動することで、伏角θｅが変化する。これにより、従来のＨＵＤにおいて虚像の表示位置を変化させることと同等の効果が得られる。また、運転者の視線（アイポイント８）の移動を例えば車両内のモニターカメラ（図示せず）で検出することで、この視線の動きに合わせて、この空間浮遊映像２２０の表示位置を上下左右に移動させることもできる。

【0017】

本実施例では、空間浮遊映像２２０が形成される位置を、車両のダッシュボードの上面（図示せず）よりも高い位置とする。そのため、本実施例では、映像表示装置４と再帰反射光学部材２１００との光路上に設けた反射ミラー(言い換えると折り返しミラー)２１１０によって、映像表示装置４からの映像光を一旦折り返すことで、映像表示装置４から再帰反射光学部材２１００までの光学距離を長くした構成である。この構成で、再帰反射光学部材２１００で反射後に得られる空間浮遊映像２２０の位置を、運転者からみて遠方の位置の虚像に対応付けられた、図中では上下方向でより高い位置にすることができる。

【0018】

＜空間浮遊映像表示装置の例１＞
以下、図３を用いて、本願発明の車載用途の空間浮遊映像表示装置の第一の例について説明する。なお、この実施例では空間浮遊映像表示装置１０００がダッシュボード４８に内蔵されている。空間浮遊映像表示装置１０００は、映像表示装置４、再帰反射光学部材２１００等を備える。映像表示装置４としては、光源装置１０から供給された光を映像信号に合わせて変調し特定の偏波の光として出射する液晶表示パネルを用いる。この液晶表示パネルで変調された特定の偏波（ここではＳ偏波）の映像は、Ｓ偏波の光を透過しＰ偏光の光を反射させるビームスプリッタまたは反射型偏光板２１４０を透過して、反射ミラー２１１０に入射し、空間浮遊映像表示装置１０００の底面に配置された再帰反射光学部材２１００により反射されて、空間浮遊映像２２０を形成する。再帰反射光学部材２１００の映像光入射面には、λ／４板１５が設けられている。Ｓ偏波の映像光は、再帰反射光学部材２１００に入射して反射することで、λ／４板２１５を２度通過し、これによりＰ偏光に変換される。そのＰ偏光の映像光は、反射ミラー２１１０で光路を折り返し、ビームスプリッタまたは反射型偏光板２１４０で反射され、空間浮遊映像表示装置１０００の上部に設けられた反射ミラー２１２０で反射される。その映像光は、ダッシュボード４８に設けられた開口部４１から出射し、図示する位置（車両内でフロントガラス６よりも前の位置）に空間浮遊映像２２０を得ることができる。この時得られる空間浮遊映像の結像位置は、反射ミラー２１２０と視点を結ぶ線分上に形成され、ミラー上端部より上部に結像することで従来技術のＡＲ－ＨＵＤと同様に運転者が運転中に監視する実景に実像として映像を重ねることができる。この時、従来のＨＵＤとは異なりウィンドガラスを光学系として使用しないため自動車のデザインによりウィンドガラスの曲率半径や傾きが変化しても影響を受けることがなく異なる車種への展開性が優れた空間浮遊映像表示装置となる。

【0019】

反射ミラー２１２０は、金属反射膜をコートまたはステッパで成膜した反射膜や、特定の偏波を選択的に反射するビームスプリッタ、または反射型偏光板を用いることができる。これにより以下の作用を有する。フロントガラス６から入射する太陽光等の外光の成分は、入射角度が大きい場合には、図２０に示すように、Ｓ偏波の光の反射率が高い。そのため、車内にはＰ偏光成分が入射する。反射ミラー２１２０は、このＰ偏光成分を選択的に反射する。そのため、反射ミラー２１２０の後段（図中での下側）の光学部品（空間浮遊映像表示装置１０００の筐体内にある各部品、映像表示装置４（液晶表示パネル），ビームスプリッタまたは反射型偏光板２１４０，再帰反射光学部材２１００等）に外光が入射することが無い。これにより、その光学部品や映像表示装置４（液晶表示パネル）および液晶表示パネルの映像光出射側に配置された偏光板（図示せず）等の信頼性を損なうことが無い。

【0020】

さらに、反射ミラー２１２０は、図２１に示す太陽光の分光放射エネルギーのうち、温度上昇に寄与する８００ｎｍ以上の波長の光と紫外線を反射する特性であれば、さらに良い。また、この実施例でも、図１で示した例と同様に、再帰反射光学部材２１００を図面中の上下方向に移動可能な構造とすることで、空間浮遊映像２２０が形成される位置を上下に移動することができる。この結果、運転者のアイポイント８から見える空間浮遊映像２２０の俯角が変化し、運転者が視認している実景に対して疑似的にその空間浮遊映像２２０の映像表示距離と大きさを変化させることができる。更に、この実施例でも、運転者の視線を感知するためのカメラ（図示せず）を設け、運転者の視線を追尾することで、視線位置に合わせて空間浮遊映像２２０の表示位置を連動させてもよい。また、この時に空間浮遊映像２２０として表示する映像は、運転者が見ている実景にマッチしたアラート情報などとすることで、運転中の注意喚起を実現すると良い。また、図３に示す例において、装置の光路上の最終の位置に配置された反射ミラー２１２０を除いた構成とした場合、映像光の一部または全部がフロントガラス６を通過して、フロントガラス６内面に、または、車外のフロントガラス６上方の位置に、空間浮遊映像６０を表示することが可能となる。

【0021】

＜空間浮遊映像表示装置の例２＞
以下、図４を用いて、本願発明の車載用途の空間浮遊映像表示装置の第二の例について説明する。第一の例と同様に、第二の例での映像表示装置４としては、光源装置１０から供給された光を映像信号に合わせて変調し特定の偏波の光として出射する液晶表示パネルを用いる。液晶表示パネルで変調された特定の偏波（ここではＳ偏波）の映像は、Ｓ偏波の光を透過しＰ偏光の光を反射させるビームスプリッタまたは反射型偏光板２１４０を透過して、再帰反射光学部材２１００により反射され、空間浮遊映像２２０を形成する。再帰反射光学部材２１００の映像光入射面には、λ／４板２１５が設けられている。Ｓ偏波の映像光は、再帰反射光学部材２１００に入射して反射されることで、λ／４板を２度通過し、Ｐ偏光に変換される。Ｐ偏光の映像光は、ビームスプリッタまたは反射型偏光板２１４０で反射され、上部に設けられた反射ミラー２１２０で反射され、ダッシュボード４８に設けられた開口部４１から出射する。これにより、所定の位置に空間浮遊映像２２０を得ることができる。この時得られる空間浮遊映像の結像位置は、反射ミラー２１２０と視点を結ぶ線分上に形成され、ミラー上端部より上部に結像することで従来技術のＨＵＤと同様に運転者が運転中に監視する実景の一部に実像として映像を重ねることができる。この時、従来のＨＵＤとは異なりウィンドガラスを光学系として使用しないため自動車のデザインによりウィンドガラスの曲率半径や傾きが変化しても影響を受けることがなく異なる車種への展開性が優れた空間浮遊映像表示装置となる。

【0022】

反射ミラー２１２０は、第一の例と同様のものを用いることができる。これにより、反射ミラー２１２０は、前述（図２０）のように車内に入射するＰ偏光成分を選択的に反射する。そのため、反射ミラー２１２０の後段の光学部品には外光が入射せず、光学部品や液晶表示パネル４等の信頼性を損なうことが無い。さらに、反射ミラー２１２０の特性は、第一の例と同様（図２１）の特性であればさらに良い。また、図１で示した例と同様に、再帰反射光学部材２１００を図面中の上下方向に移動可能な構造とする。これにより、空間浮遊映像２２０が形成される位置を、上下に移動することができる。この結果、運転者のアイポイント８から見える空間浮遊映像２２０の俯角が変化し、運転者が視認している実景に対して疑似的に空間浮遊映像２２０の映像表示距離と大きさを変化させることができる。

【0023】

以上述べた実施例によれば、例えば、ダッシュボード４８上の開口部４１の延長線（例えば反射ミラー２１２０で反射された光の路上）上に、高解像度な映像を、空間浮遊した状態で見える空間浮遊映像２２０として表示可能となる。このとき、実施例では、空間浮遊映像表示装置１０００の開口部４１から出射する映像光の発散角を小さく、即ち鋭角とし、さらに特定の偏波に揃える構成とする。これにより、再帰反射光学部材２１００に対して正規の反射光だけを効率良く反射させる。このため、実施例によれば、光の利用効率が高く、従来の再帰反射方式で課題となっていた前述の主空間浮遊映像の他に発生するゴースト像を抑えることができ、鮮明な空間浮遊映像を得ることができる。また本実施例の光源（光源装置１０）を含む構成により、消費電力を大幅に低減可能な、新規で利用性に優れた空間浮遊映像表示装置を提供することができる。また、上述したように、車両のフロントガラス６を介して、車両内部または外部において視認可能である、いわゆる、一方向性の空間浮遊映像の表示が可能な車両用空間浮遊映像表示装置を提供できる。

【0024】

図５を用いて、本実施例に係る空間浮遊映像表示装置の構成をより具体的に説明する。図５（Ａ）に示すように、ガラス等の透明な部材１００の斜め方向（図示のように透明な部材１００の平面の方向およびそれに垂直な方向に対し斜めになるように角度を持つ所定の方向。光軸５００１の方向。）には、特定偏波の映像光を挟角に発散させる表示装置１を備える。表示装置１は、映像源であり映像光を出射する液晶表示パネル１１と、挟角な拡散特性を有する特定偏波の光を生成する光源装置１３（言い換えるとバックライト）とを備えている。

【0025】

表示装置１からの特定偏波の映像光は、透明な部材１００に設けた特定偏波の映像光を選択的に反射する膜を有する偏光分離部材１０１によって反射され、反射光が光軸５００２の方向で再帰反射光学部材２に入射する。図中では、偏光分離部材１０１はシート状に形成され、透明な部材１００の面に粘着されている。再帰反射光学部材２の映像光入射面には、λ／４板２１が設けられている。映像光は、再帰反射光学部材２への入射のときと出射のときとで２回、λ／４板２１を通過させられることで、特定偏波から他方の偏波へ偏光変換される。ここで、特定偏波の映像光を選択的に反射する偏光分離部材１０１は、偏光変換された他方の偏波の偏光を透過する性質を有する。よって、光軸５００２の方向で、偏光変換後の特定偏波の映像光は、偏光分離部材１０１を透過する。偏光分離部材１０１を透過した映像光は、光軸５００３の方向で、透明部材１００の外側の所定の位置に、実像である空間浮遊映像２２０を形成する。

【0026】

なお、空間浮遊映像２２０を形成する光は、再帰反射光学部材２から空間浮遊映像２２０の光学像へ収束する光線の集合であり、これらの光線は、空間浮遊映像２２０の光学像を通過後も直進する。よって、空間浮遊映像２２０は、一般的なプロジェクタなどでスクリーン上に形成される拡散映像光とは異なり、高い指向性を有する映像である。よって、図５の構成では、矢印Ａの方向からユーザ（対応するアイポイント）が空間浮遊映像２２０を視認する場合には、空間浮遊映像２２０は好適な明るい映像として視認されるが、矢印Ａとは異なる矢印Ｂの方向から他の人物が視認する場合には、空間浮遊映像２２０は映像として一切視認することはできない。この高い指向性の特性は、運転者（方向Ａに対応したアイポイントの位置を持つユーザ）のみが必要な映像情報を表示するシステムや、その運転者に正対する車外の他の人物（方向Ｂに対応するアイポイントを持つ人）や車内の他の位置にいる人物には秘匿したい秘匿性の高い映像を表示するシステム等に採用する場合に、非常に好適である。

【0027】

なお、再帰反射光学部材２の性能によっては、反射後の映像光の偏光軸が不揃いになる場合がある。この場合、偏光軸が不揃いになった一部の映像光は、上述した偏光分離部材１０１で反射されて表示装置１に戻る。この光が、表示装置１を構成する液晶表示パネル１１の映像表示面で再反射し、前述のようなゴースト像を発生させて、空間浮遊映像２２０の画質を低下させる可能性がある。そこで、本実施例では、表示装置１の映像表示面に吸収型偏光板１２が設けられている。表示装置１から出射する映像光は、吸収型偏光板１２を透過させ、偏光分離部材１０１から戻ってくる反射光は、吸収型偏光板１２で吸収させる。これにより、上記再反射等を抑制でき、空間浮遊映像２２０のゴースト像による画質低下を防止することができる。

【0028】

上述した偏光分離部材１０１は、例えば反射型偏光板や特定偏波を反射させる金属多層膜などで形成されたものを適用できる。

【0029】

次に、図５（Ｂ）に、代表的な再帰反射光学部材２として、今回の検討に用いた日本カ－バイト工業株式会社製の再帰反射光学部材の表面形状を示す。この再帰反射光学部材は、面内において規則的に配列された６角柱を有する。規則的に配列された６角柱の内部に入射した光線は、６角柱の壁面と底面で反射されて再帰反射光として、入射光に対応した方向に出射して、図５（Ａ）に示す空間浮遊映像２２０の正規像Ｒ１（所定の位置に形成される像）を形成する。再帰反射光学部材は、図中の６角柱を空気に接する面となるように底面に反射面を設け、反射面の上部に６角コーナー面を形成し、６面体と６角柱を中空とし、残りの部分に樹脂を充填した構成としても、同様の効果が得られる。

【0030】

一方、図６に示したように、表示装置１からの映像光のうちで、再帰反射光学部材に斜めに入射した映像光によっては、正規像Ｒ１とは別にゴースト像が形成される。本発明の空間浮遊映像表示装置は、表示装置１に表示した映像に基づいて実像である空間浮遊映像を表示する。この空間浮遊映像の解像度は、液晶表示パネル１１の解像度の他に、図５（Ｂ）で示す再帰反射光学部材２（６角柱）の外形ＤとピッチＰに大きく依存する。例えば、７インチのＷＵＸＧＡ（１９２０×１２００画素）液晶表示パネルを用いる場合には、１画素（１トリプレット）が約８０μｍであっても、例えば再帰反射光学部材２（６角柱）の直径Ｄが２４０μｍでピッチＰが３００μｍであれば、空間浮遊映像の１画素は３００μｍ相当となる。このため、空間浮遊映像の実効的な解像度は、１／３程度に低下する。

【0031】

そこで、空間浮遊映像の解像度を表示装置１の解像度と同等にするためには、再帰反射光学部材２（６角柱）の直径ＤとピッチＰを液晶表示パネル１１の１画素に近づけることが望まれる。他方、再帰反射光学部材２と液晶表示パネル１１の画素とによるモアレの発生を抑えるために、それぞれのピッチ比を１画素の整数倍から外して設計すると良い。また、形状は、再帰反射光学部材２のいずれの一辺も液晶表示パネル１１の１画素のいずれの一辺とも重ならないように配置すると良い。

【0032】

さらに、図６に示すように、再帰反射光学部材２に斜め方向から外光６０００が入ると、再帰反射光学部材２の表面（６角柱２ａ，２ｂ，２ｃ等）で反射し、様々な方向にゴースト像を発生させ、空間浮遊映像の画質を大幅に低下させる。発明者は、空間浮遊映像の画質と視認性を向上するために許容できる空間浮遊映像の像のボケｌと画素サイズＬとの関係を実験により求めた。その際、発明者は、画素ピッチ４０μｍの液晶表示パネルと、本実施例の狭発散角（例えば発散角が１５°）の特性を持つ光源装置とを組み合わせた表示装置１を作成して、その関係を求めた。

【0033】

視認性が悪化するボケ量ｌは、画素サイズの４０％以下が望ましく、１５％以下であれば、ほとんど目立たないことが分かった。このときのボケ量ｌが許容量となる反射面の面粗さ（図６での再帰面の表面粗さ６０１０）は、測定距離４０μｍの範囲において平均粗さが１６０ｎｍ以下であり、より目立たないボケ量ｌとなるには、その反射面の面粗さは１２０ｎｍ以下が望ましいことが分かった。このため、前述した再帰反射光学部材の表面粗さを軽減するとともに、反射面を形成する反射膜とその保護膜とを含めた面粗さを、上述した値以下とすることが望まれる。

【0034】

一方、再帰反射光学部材を低価格で製造するためには、ロールプレス法を用いて成形すると良い。具体的には、再帰部（図６での６角柱）を整列させてフィルム上に賦形する方法である。この方法では、賦形する形状の逆形状をロール表面に形成し、固定用のベース材の上に紫外線硬化樹脂を塗布し、ロール間を通過させることで、必要な形状を賦形し、紫外線を照射して硬化させることで、所望形状の再帰反射光学部材２を得る。

【0035】

図５に示した本実施例の表示装置１は、液晶表示パネル１１と、後に詳細に説明する挟角な拡散特性を有する特定偏波の光を生成する光源装置１３とにより、上述した再帰反射光学部材２に対して斜め（図６）から映像光が入射する可能性を小さくすることができる。これにより、ゴースト像が発生したとしても輝度が低いという構造的に優れた装置となる。

【0036】

＜空間浮遊映像表示装置の例３＞
図８は、本発明の一実施例に係る空間浮遊映像表示装置の主要部構成の他の例を示す。表示装置１は、映像表示素子としての液晶表示パネル１１と、挟角な拡散特性を有する特定偏波の光を生成する光源装置１３とを有して構成される。液晶表示パネル１１は、画面サイズが３インチ程度の小型のものから８０インチを超える大型なものまでの範囲内で選択された液晶表示パネルで構成される。液晶表示パネル１１からの映像光は、例えばＰ偏光とした場合、Ｐ偏光を透過する偏光分離部材１０１を透過し、再帰反射光学部材２に向かう。再帰反射光学部材２の光入射面にはλ／４板２１が設けられ、映像光を２度通過させることで偏光変換し、特定偏波（Ｐ偏波）を他方の偏波（Ｓ偏波）に変換する。その他方の偏波（Ｓ偏波）は、偏光分離部材１０１で反射され、透明な部材１００の外側に、反射ミラー３００を設けた場合には、破線で示すように実像の立体像３を表示する。Ｐ偏波を実線、Ｓ偏波を破線で示す。

【0037】

また、反射ミラー３００を回転させることができる構成とする。反射ミラー３００を回転させることにより、この立体像３の向きと位置を調整することができる。

【0038】

また、反射ミラー３００を除いた形態とした場合では、図面に垂直な方向（透明な部材１００の平面の方向）に、実像の平面像３ｂを表示する。

【0039】

また、偏光分離部材１０１を回転させることができる構成とする。偏光分離部材１０１を回転させることで、平面像３ｂの向きと位置を調整することができる。

【0040】

透明な部材１００の外光入射窓には、吸収型の偏光板１２が設けられている。この吸収型の偏光板１２により、Ｐ波の外光成分や照明光を吸収する。再帰反射光学部材２で映像光が再帰反射する際に一部の映像光は偏光軸が不揃いになる場合がある。その場合の映像光は、偏光分離部材１０１を透過して表示装置１に戻る。この光が再度、表示装置１を構成する液晶表示パネル１１の映像表示面で反射し、ゴースト像を発生させ、空間浮遊映像の画質を著しく低下させる。そこで、本実施例では、表示装置１の映像表示面に、吸収型偏光板１２が設けられている。表示装置１に戻ってきた映像光を吸収型偏光板１２で吸収させることで、空間浮遊映像のゴースト像による画質低下が防止される。

【0041】

さらに、再帰反射光学部材２に外光が入射した場合には、強力なゴースト像を発生させるおそれがある。そのため、この実施例では、透明な部材１００の内面で外光入射窓の吸収型偏光板１２以外の箇所に設けられた遮光部材２５によって、外光の入射を妨げる構成とする。偏光分離部材１０１は、反射型偏光板や特定偏波を反射させる金属多層膜を成膜した透明部材などで形成される。

【0042】

また、偏光分離部材１０１と液晶表示パネル１１との間に、空間浮遊映像を形成する正規映像光以外の斜め映像光を遮光する遮光部材（図示せず）を併設してもよい。また、再帰反射光学部材２と偏光分離部材１０１との間にも、正規映像光以外の斜め映像光を遮光する遮光部材（図示せず）を併設してもよい。更に、上述したように外光が直接再帰反射光学部材２に入射しないように遮光部材２５も併設し、ゴースト像を発生させる斜め光を遮光する。発明者は、この結果、ゴースト像の発生が抑えられることを実験により確認した。

【0043】

＜反射型偏光板＞
本実施例のグリッド構造の反射型偏光板は、偏光軸に対して垂直方向からの光についての特性は低下する。このため、偏光軸に沿った仕様が望ましく、液晶表示パネル１１からの出射映像光を挟角で出射可能な本実施例の光源（光源装置１３）が理想的な光源となる。また、水平方向の特性も同様に斜めからの光については特性低下がある。以上の特性を考慮して、以下、液晶表示パネルからの出射映像光をより挟角に出射可能な光源を液晶表示パネルのバックライトとして使用する、本実施例の構成例について説明する。これにより、高コントラストな空間浮遊映像が提供可能となる。

【0044】

＜表示装置＞
次に、本実施例の表示装置１について図面を用いて説明する。本実施例の表示装置１は、映像表示素子（液晶表示パネル）１１と共に、その光源を構成する光源装置１３を備えており、図９では、光源装置１３を映像表示素子（液晶表示パネル）１１と共に展開斜視図として示している。

【0045】

この映像表示素子（液晶表示パネル）１１は、図９に矢印（出射光束）３０で示すように、バックライト装置である光源装置１３からの光により、挟角な拡散特性を有する、即ち、指向性（言い換えると直進性）が強く、かつ、偏光面を一方向に揃えたレーザ光に似た特性の照明光束を得て、入力される映像信号に応じて変調をかけた映像光を出射する。そして、その映像光を、再帰反射光学部材２により反射させ、ウィンドガラスを透過させて、実像である空間浮遊映像を形成する（図１参照）。また、本実施例の表示装置１は、図９では、表示装置１を構成する液晶表示パネル１１と、更に、光源装置１３からの出射光束の指向特性を制御する光方向変換パネル５４、および、必要に応じて挟角拡散板（図示せず）を備えて構成されている。即ち、液晶表示パネル１１の両面には偏光板が設けられ、特定の偏波の映像光が映像信号により光の強度を変調して出射する（図９の矢印（出射光束）３０を参照）構成となっている。これにより、本実施例の表示装置１は、所望の映像を指向性（直進性）の高い特定偏波の光として、光方向変換パネル５４を介して、再帰反射光学部材２に向けて投写し、再帰反射光学部材２で反射後、車両（空間）の内部／外部の観視者の眼に向けて透過して空間浮遊映像を形成する。なお、上述した光方向変換パネル５４の表面には保護カバーを設けてもよい。

【0046】

本実施例では、光源装置１３からの出射光束３０の利用効率を向上させ、消費電力を大幅に低減するために、光源装置１３と液晶表示パネル１１を含んで構成される表示装置１において、以下の構成とすることができる。すなわち、表示装置１は、光源装置１３からの光（図９の矢印（出射光束）３０を参照）を、再帰反射光学部材２に向けて投写し、再帰反射光学部材２で反射後、ウィンドガラスの表面に設けた透明シート（図示せず）により、空間浮遊映像を所望の位置に形成するよう指向性を制御することもできる。具体的には、この透明シートは、フレネルレンズやリニアフレネルレンズ等の光学部品によって高い指向性を付与したまま空間浮遊映像の結像位置を制御する。このことによれば、表示装置１からの映像光は、レーザ光のようにウィンドガラスの外側（例えば歩道）にいる観察者に対して高い指向性（直進性）で効率良く届くこととなる。その結果、高品位な空間浮遊映像を高解像度で表示すると共に、光源装置１３のＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子２０１を含む表示装置１による消費電力を著しく低減することが可能となる。

【0047】

＜表示装置の例１＞
図９には、表示装置１の具体的な構成の一例を示す。図１０では、図９の光源装置１３の上に液晶表示パネル１１と光方向変換パネル５４を配置している。この光源装置１３は、例えば、プラスチックなどにより形成され、その内部にＬＥＤ素子２０１、導光体２０３を収納して構成されている。導光体２０３の端面には、図１０等にも示したように、それぞれのＬＥＤ素子２０１からの発散光を略平行光束に変換するために、受光部に対して対面に向かって徐々に断面積が大きくなる形状を有し、内部を伝搬する際に複数回全反射することで発散角が徐々に小さくなるような作用を有するレンズ形状を設けている。その導光体２０３の上面には、表示装置１を構成する液晶表示パネル１１が取り付けられている。また、光源装置１３のケースのひとつの側面（本例では左側の端面）には、半導体光源であるＬＥＤ素子２０１や、そのＬＥＤ素子２０１の制御回路を実装したＬＥＤ基板２０２が取り付けられている。それと共に、ＬＥＤ基板２０２の外側面には、ＬＥＤ素子２０１および制御回路で発生する熱を冷却するための部材であるヒートシンクが取り付けられてもよい。

【0048】

また、光源装置１３のケースの上面に取り付けられる液晶表示パネル１１のフレーム（図示せず）には、当該フレームに取り付けられた液晶表示パネル１１と、更に、当該液晶表示パネル１１に電気的に接続されたＦＰＣ（Flexible Printed Circuits：フレキシブル配線基板）（図示せず）などが取り付けられて構成される。即ち、液晶表示素子である液晶表示パネル１１は、固体光源であるＬＥＤ素子２０１と共に、電子装置を構成する制御回路（図示せず）からの制御信号に基づいて、透過光の強度を変調することによって表示映像を生成する。この時、生成される映像光は、拡散角度が狭く特定の偏波成分のみとなるため、映像信号により駆動された面発光レーザ映像源に近い、従来に無い新しい表示装置が得られることとなる。なお、現状では、レーザ装置により、上述した表示装置１で得られる画像と同等のサイズのレーザ光束を得ることは、技術的にも安全上からも不可能である。そこで、本実施例では、例えば、ＬＥＤ素子を備えた一般的な光源からの光束から、上述した面発光レーザ映像光に近い光を得る。

【0049】

続いて、光源装置１３のケース内に収納されている光学系の構成について、図１０と共に、図１１を参照しながら詳細に説明する。図１０および図１１は断面図であるため、光源を構成する複数のＬＥＤ素子２０１が１つだけ示されている。これらの複数のＬＥＤ素子２０１からの光は、導光体２０３の受光端面２０３ａの形状により、略コリメート光に変換される。このため、導光体２０３端面の受光部とＬＥＤ素子２０１は、所定の位置関係を保って取り付けられている。なお、この導光体２０３は、各々、例えば、アクリル等の透光性の樹脂により形成されている。そして、この導光体２０３端部のＬＥＤ受光面は、例えば、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面を有し、その外周面の頂部では、その頂部の中央部に凸部（即ち、凸レンズ面）を形成した凹部を有し、その導光体２０３の受光端面２０３ａの平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でもよい）を有するものである（図示せず。後述の図１３等と同様）。なお、ＬＥＤ素子２０１を取り付ける導光体の受光部の外形形状は、円錐形状の外周面を形成する放物面形状を成し、ＬＥＤ素子２０１から周辺方向に出射する光をその外周面の内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。

【0050】

他方、ＬＥＤ素子２０１は、その回路基板であるＬＥＤ基板２０２の表面上の所定の位置にそれぞれ配置されている。このＬＥＤ基板２０２は、ＬＥＤコリメータである受光端面２０３ａに対して、その表面上のＬＥＤ素子２０１が、それぞれ、前述した凹部の中央部に位置するように配置されて固定されている。

【0051】

かかる構成によれば、導光体２０３の受光端面２０３ａの形状によって、ＬＥＤ素子２０１から放射される光を略平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。

【0052】

以上述べたように、図９等の光源装置１３は、導光体２０３の端面に設けた受光部である受光端面２０３ａに、光源であるＬＥＤ素子２０１を複数並べた光源ユニットを取り付けて構成されている。これにより、ＬＥＤ素子２０１からの発散光束を導光体２０３端面の受光端面２０３ａのレンズ形状によって略平行光として、矢印で示すように（図面に平行な方向）、導光体２０３内部を導光し、光束方向変換手段２０４によって、導光体２０３に対して略平行に配置された液晶表示パネル１１に向かって（図面から手前に垂直な方向）出射する。導光体２０３内部または表面の形状によって、この光束方向変換手段２０４の分布（言い換えると密度）を最適化することで、液晶表示パネル１１に入射する光束の均一性を制御することができる。上述した光束方向変換手段２０４は、導光体２０３表面の形状や、導光体２０３内部に例えば屈折率の異なる部分を設けることで、導光体２０３内を伝搬した光束を、導光体２０３に対して略平行に配置された液晶表示パネル１１に向かって（図面から手前に垂直な方向）出射する。このとき、液晶表示パネル１１を画面中央に正対し画面対角寸法と同じ位置に視点を置いた状態で画面中央と画面周辺部の輝度を比較した場合の相対輝度比が２０％以上あれば、実用上問題無く、３０％を超えていれば、更に優れた特性となる。

【0053】

なお、図１１は、図１０と同様に、上述した導光体２０３とＬＥＤ素子２０１を含む光源装置１３において、偏光変換する本実施例の光源（光源装置１３）の構成とその作用を説明するための断面配置図である。図１１において、光源装置１３は、例えば、プラスチックなどにより形成される表面または内部に光束方向変換手段２０４を設けた導光体２０３、光源としてのＬＥＤ素子２０１、反射シート２０５、位相差板２０６、レンチキュラーレンズなどから構成されている。その光源装置１３の上面には、映像表示素子として、光源光入射面と映像光出射面に偏光板を備える液晶表示パネル１１が取り付けられている。

【0054】

また、表示装置１は、以下の構成としてもよい。図１０で、光源装置１３に対応した液晶表示パネル１１の光源光入射面（図面での下面）には、フィルムまたはシート状の反射型偏光板４９を設ける。光源装置１３は、ＬＥＤ素子２０１から出射した自然光束２１０のうち、片側の偏波（例えばＰ波）２１２を選択的に反射させ、導光体２０３の一方（図面での下方）の面に設けた反射シート２０５で反射して、再度、液晶表示パネル１１に向かうようにする。そこで、反射シート２０５と導光体２０３の間、もしくは導光体２０３と反射型偏光板４９の間に、位相差板であるλ／４板を設ける。この構成で、光を反射シート２０５で反射させ、λ／４板を２回通過させることで、反射光束をＰ偏光からＳ偏光に変換し、映像光としての光源光の利用効率を向上する。液晶表示パネル１１で映像信号により光強度を変調された映像光束（図１０の矢印２１３）は、図１に示したように、再帰反射光学部材２１００に入射して、反射後に、反射ミラー２１１０、および反射ミラー２１２０を経由して、フロントガラス６の内部である車内の空間、または車外の空間に、実像である空間浮遊映像を得る。

【0055】

また、表示装置１は、以下の構成としてもよい。図１１で、光源装置１３に対応した液晶表示パネル１１の光源光入射面（図面での下面）には、フィルムまたはシート状の反射型偏光板４９を設ける。光源装置１３は、ＬＥＤ素子２０１から出射した自然光束２１０のうち、片側の偏波（例えばＳ波）２１１を選択的に反射させ、導光体２０３の一方（図面での下方）の面に設けた反射シート２０５で反射して、再度、液晶表示パネル１１に向かうようにする。反射シート２０５と導光体２０３の間、もしくは導光体２０３と反射型偏光板４９の間に、位相差板であるλ／４板を設ける。この構成で、光を反射シート２０５で反射させ、λ／４板を２回通過させることで、反射光束をＳ偏光からＰ偏光に変換し、映像光として光源光の利用効率を向上する。液晶表示パネル１１で映像信号により光強度変調された映像光束（図１１の矢印２１４）は、図１に示したように、再帰反射光学部材２１００に入射して、反射後に、反射ミラー２１１０、および反射ミラー２１２０を経由して、フロントガラス６の内部である車内の空間、または車外の空間に、実像である空間浮遊映像を得る。

【0056】

図１０および図１１に示す光源装置１３においては、対応する液晶表示パネル１１の光入射面に設けた偏光板の作用の他に、反射型偏光板で片側の偏光成分を反射するため、理論上得られるコントラスト比は、反射型偏光板のクロス透過率の逆数と液晶表示パネルに付帯した２枚の偏光板により得られるクロス透過率の逆数とを乗じたものとなる。これにより、高いコントラスト性能が得られる。実際には、表示画像のコントラスト性能が１０倍以上向上することを、発明者は実験により確認した。この結果、自発光型の有機ＥＬに比較しても遜色ない高品位な映像が得られた。

【0057】

＜表示装置の例２＞
続いて、図１２を用いて、表示装置１の具体的な構成の他の例を説明する。この表示装置１の光源装置は、ＬＥＤ１４からの自然光（Ｐ偏波とＳ偏波が混在）の発散光束を、ＬＥＤコリメータ１８により略平行光束（図面での上下の方向）に変換し、反射型導光体３０４により、液晶表示パネル１１に向けて（図面での左右の方向）反射する。この反射型導光体３０４での反射光は、液晶表示パネル１１と反射型導光体３０４の間に配置された波長板２０６と反射型偏光板４９に入射する。反射型偏光板４９で特定の偏波（例えばＳ偏波）が反射され、波長板２０６で位相が変換され、反射型導光体３０４の反射面に戻り、反射され、再び波長板２０６を通過して反射型偏光板４９を透過する偏波（例えばＰ偏波）に変換される。

【0058】

この結果、ＬＥＤ１４からの自然光は、特定の偏波（例えばＰ偏波）に揃えられ、液晶表示パネル１１に入射し、映像信号に合わせて輝度変調されパネル面に映像を表示する。図１２では、前述の例と同様に、光源を構成する複数のＬＥＤ１４（ただし図１２では縦断面のため１個のみ図示）が示されており、これらのＬＥＤ１４はＬＥＤコリメータ１８に対して所定の位置に取り付けられている。なお、このＬＥＤコリメータ１８は、各々、例えばアクリル等の透光性の樹脂またはガラスにより形成されている。そして、前述の例と同様に、このＬＥＤコリメータ１８は、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面を有すると共に、その外周面の頂部では、その頂部の中央部に凸部（即ち、凸レンズ面）を形成した凹部を有する。また、そのＬＥＤコリメータ１８の平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でもよい）を有している。なお、ＬＥＤコリメータ１８の円錐形状の外周面を形成する放物面は、ＬＥＤ１４から周辺方向に出射する光をその外周面の内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。

【0059】

以上の構成は、図１８に示した表示装置１の光源装置と同様の構成である。更に、図１８に示したＬＥＤコリメータ１８により略平行光に変換された光は、反射型導光体３０４で反射し、反射型偏光板４９の作用により特定の偏波の光が透過させられ、反射した他方の偏波の光は、再度、反射型導光体３０４を透過して、液晶表示パネル１１と接しない反射型導光体３０４の他方の面に設けた反射板２７１で反射する。このとき、その光は、反射板２７１と液晶表示パネル１１の間に配置した位相差板であるλ／４板２７０を２度通過することで偏光変換され、再び反射型導光体３０４を透過して、反対面に設けた反射型偏光板４９を透過して、偏光方向を揃えて液晶表示パネル１１に入射される。この結果、この構成では、光源の光を全て利用できるので、光の利用効率が２倍になる。

【0060】

液晶表示パネルからの出射光は、従来のＴＶセットでは、図１６に示すように、画面水平方向（図１６（Ａ）ではＸ軸で表示）と画面垂直方向（図１６（Ａ）ではＹ軸で表示）ともに同様な拡散特性を持っている。これに対して、本実施例の液晶表示パネルからの出射光束の拡散特性は、例えば図１７の例１に示すように、輝度が正面視（角度０度）の５０％になる視野角が１３度とすることで、従来の６２度に対して１／５となる。同様に垂直方向の視野角は、上下不均等として上側の視野角を下側の視野角に対して１／３程度に抑えるように、反射型導光体３０４の反射角度と反射面の面積等を最適化する。この結果、本実施例では、従来の液晶ＴＶに比べ、観視方向に向かう映像光量が大幅に向上し、輝度は５０倍以上となる。なお図１７でのＸ，Ｙ方向は図１６（Ａ）と同様である。

【0061】

更に、図１７の例２に示す視野角特性とすれば、輝度が正面視（角度０度）の５０％になる視野角が５度とすることで、従来の６２度に対して１／１２となる。同様に垂直方向の視野角は、上下均等として視野角を従来に対して１／１２程度に抑えるように、反射型導光体３０４の反射角度と反射面の面積等を最適化する。この結果、本実施例では、従来の液晶ＴＶに比べ、観視方向に向かう映像光量が大幅に向上し、輝度は１００倍以上となる。

【0062】

以上述べたように、視野角を挟角とすることで、観視方向に向かう光束量を集中できるので、光の利用効率が大幅に向上する。この結果、実施例によれば、従来のＴＶ用の液晶表示パネルを使用しても、光源装置の光拡散特性を制御することで、同様な消費電力で大幅な輝度向上が実現可能であり、屋外に向けての表示装置とすることができる。

【0063】

実施例の基本構成としては、図３及び図４に示すように、光源装置１０により挟角な指向特性の光束を液晶表示パネル４に入射させ、映像信号に合わせて輝度変調することで、液晶表示パネル４の画面上に表示した映像情報を、再帰反射光学部材２１００で反射させて得られた空間浮遊映像２２０を、室内または室外に表示する。

【0064】

＜光源装置の例１＞
続いて、ケース内に収納されている光源装置等の光学系の構成例について、図１３と共に、図１４（Ａ）および（Ｂ）を参照しながら、詳細に説明する。

【0065】

図１３および図１４には、光源を構成するＬＥＤ１４（１４ａ，１４ｂ）が示されており、これらのＬＥＤ１４はＬＥＤコリメータ１５に対して所定の位置に取り付けられている。なお、このＬＥＤコリメータ１５は、各々、例えばアクリル等の透光性の樹脂により形成されている。そして、このＬＥＤコリメータ１５は、図１４（Ｂ）にも示すように、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面１５６を有すると共に、その外周面１５６の頂部では、その頂部の中央部に凸部（即ち、凸レンズ面）１５７を形成した凹部１５３を有する。また、そのＬＥＤコリメータ１５の平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でも良い）１５４を有している。なお、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面を形成する放物面１５６は、ＬＥＤ１４（１４ａ，１４ｂ）から周辺方向に出射する光をその外周面の放物面１５６の内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。

【0066】

また、ＬＥＤ１４（１４ａ，１４ｂ）は、その回路基板であるＬＥＤ基板１０２の表面上の所定の位置にそれぞれ配置されている。このＬＥＤ基板１０２は、ＬＥＤコリメータ１５に対して、その表面上のＬＥＤ１４が、それぞれ、ＬＥＤコリメータ１５の凹部１５３の中央部に位置するように配置されて固定されている。

【0067】

かかる構成によれば、上述したＬＥＤコリメータ１５によって、ＬＥＤ１４（１４ａまたは１４ｂ）から放射される光のうち、特に、そのＬＥＤ１４の中央部分から上方（図面での右方向）に向かって放射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の外形を形成する２つの凸レンズ面１５７，１５４により集光されて平行光となる。また、その他の部分から周辺方向に向かって出射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面を形成する放物面１５６によって反射され、同様に、集光されて平行光となる。換言すれば、その中央部に凸レンズを構成すると共に、その周辺部に放物面を形成したＬＥＤコリメータ１５によれば、ＬＥＤ１４（１４ａまたは１４ｂ）により発生された光のほぼ全てを平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。

【0068】

なお、図１３でＬＥＤコリメータ１５の光の出射側には偏光変換素子２１が設けられている。この偏光変換素子２１は、図１４（Ａ）からも明らかなように、断面が平行四辺形である柱状（以下、平行四辺形柱）の透光性部材と、断面が三角形である柱状（以下、三角形柱）の透光性部材とを組み合わせ、ＬＥＤコリメータ１５からの平行光の光軸に対して直交する面に平行に、複数、アレイ状に配列して構成されている。更に、これらアレイ状に配列された隣接する透光性部材間の界面には、交互に、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ膜と記載する）２１１１と反射膜２１２１とが設けられている。また、偏光変換素子２１へ入射してＰＢＳ膜２１１１を透過した光が出射する出射面には、λ／２位相板２１３が備えられている。

【0069】

この偏光変換素子２１の出射面には、更に、図１４（Ａ）にも示す矩形状の合成拡散ブロック１６が設けられている。即ち、ＬＥＤ１４（１４ａまたは１４ｂ）から出射された光は、ＬＥＤコリメータ１５の働きにより平行光となって合成拡散ブロック１６へ入射し、合成拡散ブロック１６の出射側のテクスチャー１６１により拡散された後、導光体１７に到る。

【0070】

導光体１７は、例えばアクリル等の透光性の樹脂により断面が略三角形（図１４（Ｂ）参照）の棒状に形成された部材である。そして、導光体１７は、図１３からも明らかなように、合成拡散ブロック１６の出射面に第１の拡散板１８ａを介して対向する導光体光入射部（導光体光入射面を含む）１７１と、斜面を形成する導光体光反射部（導光体光反射面を含む）１７２と、第２の拡散板１８ｂを介して、液晶表示素子である液晶表示パネル１１と対向する導光体光出射部（導光体光出射面を含む）１７３とを備えている。

【0071】

この導光体１７の導光体光反射部（面）１７２には、その一部拡大図である図１３にも示すように、多数の反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが交互に鋸歯状に形成されている。そして、反射面１７２ａ（図面では右上がりの線分）は、図面中において一点鎖線で示す水平面（図面での左右方向）に対して角度αｎ（ｎ：自然数であり、本例では、例えば、１～１３０である）を形成している。その一例として、ここでは、角度αｎを４３度以下（ただし、０度以上）に設定している。

【0072】

導光体入射部（面）１７１は、光源側に傾斜した湾曲の凸形状に形成されている。これによれば、合成拡散ブロック１６の出射面からの平行光は、第１の拡散板１８ａを介して拡散されて導光体入射部（面）１７１に入射し、図面からも明らかなように、導光体入射部（面）１７１により上方に僅かに屈曲（言い換えると偏向）しながら、導光体光反射部（面）１７２に達する。その光は、導光体光反射部（面）１７２で反射して、図面での上方の導光体光出射部１７３の上方に設けた液晶表示パネル１１に到る。

【0073】

以上に詳述した表示装置１によれば、光利用効率やその均一な照明特性をより向上すると同時に、モジュール化されたＳ偏光波の光源装置を含め、小型かつ低コストで製造することが可能となる。なお、上記の説明では、偏光変換素子２１をＬＥＤコリメータ１５の後に取り付けるものとして説明したが、本発明はそれに限定されず、偏光変換素子２１を液晶表示パネル１１に到る光路中に設けることによっても、同様の作用・効果が得られる。

【0074】

なお、導光体光反射部（面）１７２には、多数の反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが交互に鋸歯状に形成されており、照明光束は、各々の反射面１７２ａ上で全反射されて上方に向かう。更には、導光体光出射部（面）１７３に挟角拡散板を設け、照明光束は、略平行な拡散光束として、指向特性を制御する光方向変換パネル５４に入射し、指向特性が制御されて、図１３のように斜め方向から液晶表示パネル１１へ入射する。本実施例では、光方向変換パネル５４を導光体出射面１７３と液晶表示パネル１１の間に設けたが、これに限定されず、光方向変換パネル５４を液晶表示パネル１１の出射面に設けても、同様の効果が得られる。

【0075】

＜光源装置の例２＞
光源装置１３等の光学系の構成についての他の例を図１５に示す。図１５は、図１３に示した例と同様に、光源を構成する複数（本例では２個）のＬＥＤ１４（１４ａ，１４ｂ）が示されている。これらのＬＥＤ１４は、ＬＥＤコリメータ１５に対して所定の位置に取り付けられている。なお、このＬＥＤコリメータ１５は、各々、例えばアクリル等の透光性の樹脂により形成されている。そして、図１３に示した例と同様に、このＬＥＤコリメータ１５は、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面１５６を有すると共に、その外周面１５６の頂部では、その頂部の中央部に凸部（即ち、凸レンズ面）１５７を形成した凹部１５３を有する。また、そのＬＥＤコリメータ１５の平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でもよい）１５４を有している。なお、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面を形成する放物面１５６は、ＬＥＤ１４から周辺方向に出射する光をその放物面１５６の内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。

【0076】

また、ＬＥＤ１４（１４ａ，１４ｂ）は、その回路基板であるＬＥＤ基板１０２の表面上の所定の位置にそれぞれ配置されている。このＬＥＤ基板１０２は、ＬＥＤコリメータ１５に対して、その表面上のＬＥＤ１４（１４ａまたは１４ｂ）が、それぞれ、凹部１５３の中央部に位置するように配置されて固定されている。

【0077】

かかる構成によれば、上述したＬＥＤコリメータ１５によって、ＬＥＤ１４（１４ａまたは１４ｂ）から放射される光のうち、特に、ＬＥＤの中央部分から上方（図面での右方向）に向かって放射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の外形を形成する２つの凸レンズ面１５７，１５４により集光されて平行光となる。また、その他の部分から周辺方向に向かって出射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面を形成する放物面１５６によって反射され、同様に、集光されて平行光となる。換言すれば、その中央部に凸レンズを構成すると共に、その周辺部に放物面を形成したＬＥＤコリメータ１５によれば、ＬＥＤ１４（１４ａまたは１４ｂ）により発生された光のほぼ全てを平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。

【0078】

なお、図１５（Ａ）で、ＬＥＤコリメータ１５の光の出射側には、第一の拡散板１８aを介して、導光体１７０が設けられている。導光体１７０は、例えばアクリル等の透光性の樹脂により断面が略三角形の棒状に形成された部材である。そして、導光体１７０は、図１５（Ａ）からも明らかなように、拡散ブロック１６の出射面に第１の拡散板１８ａを介して対向する導光体１７０の導光体入射部（面）１７１と、斜面を形成する導光体光反射部（面）１７２と、反射式偏光板２００を介して液晶表示素子である液晶表示パネル１１と対向する導光体光出射部（面）１７３とを備えている。

【0079】

この反射型偏光板２００は、例えばＰ偏光を反射、Ｓ偏光を透過させる特性を有する物が選択される。そうすれば、この反射型偏光板２００は、光源であるＬＥＤから発した自然光のうち、Ｐ偏光を反射し、図１５（Ｂ）に示した導光体光反射部１７２に設けたλ／４板５００２を通過して反射面５００１で反射し、再びλ／４板５００２を通過することでＳ偏光に変換される。これにより、液晶表示パネル１１に入射する光束は、全てＳ偏光に統一される。

【0080】

同様に、反射型偏光板２００として、Ｓ偏光を反射、Ｐ偏光を透過させる特性を有する物が選択されてもよい。そうすれば、この反射型偏光板２００は、光源であるＬＥＤから発した自然光のうち、Ｓ偏光を反射し、図１５（Ｂ）に示した導光体光反射部１７２に設けたλ／４板５００２を通過して反射面５００１で反射し、再びλ／４板５００２を通過することでＰ偏光に変換される。これにより、液晶表示パネル５２に入射する光束は、全てＰ偏光に統一される。以上述べた構成でも、偏光変換が実現できる。

【0081】

＜光源装置の例３＞
光源装置等の光学系の構成についての他の例を、図１２を用いて説明する。この例では、図１２に示すように、ＬＥＤ１４からの自然光（Ｐ偏光とＳ偏光が混在）の発散光束をコリメータレンズ１８により略平行光束に変換し、反射型導光体３０４により液晶表示パネル１１に向けて反射する。反射光は、液晶表示パネル１１と反射型導光体３０４の間に配置された反射型偏光板２０６に入射する。反射型偏光板２０６では特定の偏波（例えばＳ偏波）が反射され、反射光は反射型導光体３０４の反射面を繋ぐ面を透過し、反射型導光体３０４の反対面に面して配置された反射板２７１で反射され、位相板であるλ／４波長板２７０を２度透過することで、偏光変換される。その偏光変換された光（例えばＰ偏波）は、反射型導光体３０４と反射型偏光板２０６を透過して、液晶表示パネル１１に入射し、映像光に変調される。このとき、特定偏波と偏光変換された偏波面を合わせることで、光の利用効率が通常の２倍となり、反射型偏光板２０６の偏光度（言い換えると消光比）もシステム全体の消光比に乗せられる。よって、本実施例の光源装置を用いることで、空間浮遊映像表示装置のコントラスト比が大幅に向上する。

【0082】

この結果、本実施例では、ＬＥＤ１４からの自然光は、特定の偏波（例えばＰ偏波）に揃えられる。前述の例と同様に、本実施例では、光源を構成する複数のＬＥＤ１４が設けられており（ただし図１２では縦断面のため１個のみ図示）、これらのＬＥＤ１４は、ＬＥＤコリメータ１８に対して所定の位置に取り付けられている。なお、このＬＥＤコリメータ１８は、各々、例えばアクリル等の透光性の樹脂またはガラスにより形成されている。そして、このＬＥＤコリメータ１８は、前述と同様に、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面を有すると共に、その外周面の頂部では、中央部に凸部（即ち、凸レンズ面）を形成した凹部を有する。また、ＬＥＤコリメータ１８の平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でもよい）を有している。なお、ＬＥＤコリメータ１８の円錐形状の外周面を形成する放物面は、ＬＥＤ１４から周辺方向に出射する光をその放物面の内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。

【0083】

また、ＬＥＤ１４は、その回路基板であるＬＥＤ基板１０２の表面上の所定の位置にそれぞれ配置されている。このＬＥＤ基板１０２は、ＬＥＤコリメータ１８に対して、その表面上のＬＥＤ１４が、それぞれ、ＬＥＤコリメータ１８の凹部の中央部に位置するように配置されて固定される。

【0084】

かかる構成によれば、ＬＥＤコリメータ１８によって、ＬＥＤ１４から放射される光のうち、特に、その中央部分から放射される光は、ＬＥＤコリメータ１８の外形を形成する２つの凸レンズ面により集光されて平行光となる。また、その他の部分から周辺方向に向かって出射される光は、ＬＥＤコリメータ１８の円錐形状の外周面を形成する放物面によって反射され、同様に、集光されて平行光となる。換言すれば、その中央部に凸レンズを構成すると共に、その周辺部に放物面を形成したＬＥＤコリメータ１８によれば、ＬＥＤ１４により発生された光のほぼ全てを平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。

【0085】

＜光源装置の例４＞
更に、光源装置等の光学系の構成についての他の例を、図１８を用いて説明する。図１８で、ＬＥＤコリメータ１８の光の出射側には、拡散特性を変換する光学シート（言い換えると拡散シート、拡散フィルム）２０７を２枚用いて、ＬＥＤコリメータ１８からの光をこれらの２枚の光学シート２０７の間に入射させる。この光学シート２０７は、面を構成する図面での垂直方向（上下方向。画面内垂直方向）と水平方向（前後方向。画面内水平方向）の拡散特性を変換する。この光学シート２０７は、１枚で構成する場合には、そのシートの表面と裏面の微細形状によって、垂直方向と水平方向の拡散特性を制御する。また、光学シート（拡散シート）を複数枚使用して作用を分担してもよい。光学シート２０７の表面形状と裏面形状により、ＬＥＤコリメータ１８からの光の画面垂直方向の拡散角を光学シート（拡散シート）２０７の反射面の垂直面の幅に合わせ、水平方向については液晶表示パネル１１から出射する光束の面密度が均一になるように、ＬＥＤ１４の数量と光学素子（光学シート２０７）からの発散角を設計パラメータとして最適設計すると良い。つまり、本実施例では、前述の導光体３０４の代わりに、１枚以上の光学シート（拡散シート）２０７の表面形状により、拡散特性を制御する。本実施例では、偏光変換は、前述した光源装置の例３と同様の方法で行われる。これに対し、ＬＥＤコリメータ１８と光学シート２０７の間に偏光変換素子２１を設けて、偏光変換を行った後、光学シート２０７に光源光を入射させてもよい。

【0086】

前述した反射型偏光板２０６は、例えばＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過させる特性を有する物を選択する。そうすれば、光源であるＬＥＤ１４から発した自然光のうち、反射型偏光板２０６でＳ偏光を反射し、位相差板２７０を通過して、反射面２７１で反射し、再び位相差板２７０を通過することでＰ偏光に変換され、液晶表示パネル１１に入射する。この位相差板２７０の厚さは、位相差板２７０への光線の入射角度により最適値を選ぶ必要があり、λ／１６からλ／４の範囲に最適値が存在する。

【0087】

＜光源装置の例５＞
光源装置の光学系の構成についての他の例を、図１９を用いて説明する。本実施例では、光源装置１３は、図１９（Ｃ）に示すように、ＬＥＤコリメータ１８の光の出射側には偏光変換素子５０１を備え、偏光変換素子５０１によって、ＬＥＤ素子（ＬＥＤ１４）からの自然光を特定の偏波に揃えて、拡散特性を制御する光学素子８１に入射する。そして、光学素子８１では、入射光について、図１９（Ｃ）での垂直方向（上下方向）と水平方向（前後方向）の拡散特性を制御することで、反射型導光体２００の反射面に向けての配光特性を最適なものとする。反射型導光体２００の表面には、図１９（Ｂ）に示すように、凹凸パターン５０２を設け、光学素子８１からの入射光を、反射型導光体２００の対向面に配置される映像表示装置（図示せず）に向けて反射し、所望の拡散特性を得る。光源のＬＥＤ素子（ＬＥＤ１４）とＬＥＤコリメータ１８の配置精度は、光源の効率に大きく影響する。そのため、通常、光軸精度は５０μｍ程度の精度が必要となる。そのため、発明者は、ＬＥＤ１４の発熱によるＬＥＤコリメータ１８の膨張により取り付け精度が低下する課題への対策として、以下の構成とした。すなわち、本実施例では、図１９（Ａ）および（Ｂ）のように、いくつかのＬＥＤ素子（ＬＥＤ１４）とＬＥＤコリメータ１８を一体とした光源ユニット５０３の構造として、単独または複数（本例では３個）の光源ユニット５０３を光源装置に用いることで、上記取り付け精度の低下を軽減した。

【0088】

図１９（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示した実施例では、反射型導光体２００の長辺方向（図面での左右方向）の両端部には、それぞれ、光ＬＥＤ素子とＬＥＤコリメータ１８を一体化した光源ユニット５０３が複数（合計６個）、組み込まれている。本実施例では、反射型導光体２００の左右の片側毎に画面内垂直方向（図１９（Ｂ）での上下方向）で３個ずつの光源ユニット５０３が組み込まれている。これにより、光源装置１３の輝度均一化を実現している。反射型導光体２００の反射面（図１９（Ｂ）で凹凸パターン５０２が形成された面）には、光源ユニット５０３に略平行の凹凸パターン５０２が複数形成されている。凹凸パターン５０２の凹凸が形成される断面は図１９（Ｃ）での面であり、凹凸パターン５０２の凹凸の繰り返しの方向は図１９（Ｂ）での左右方向であり、一つの凹凸の延在の方向は図１９（Ｂ）での上下方向である。一つの凹凸パターン５０２においても、その表面には多面体を形成する。これにより、映像表示装置に入射する光量を高精度に制御することができる。本実施例では、反射型導光体２００の反射面の形状を凹凸パターン５０２として説明したが、これに限らず、三角面、波形面などの形状が規則的または不規則的に配列されたパターンとして、そのパターン面形状により反射型導光体２００から映像表示装置に向けた配光パターンを制御する構成とすればよい。また、図１９（Ａ）のように、反射型導光体２００の側面（光源ユニット５０３が設けられていない方の側面）には、ＬＥＤコリメータ１８で制御された光が光源装置１３から外部に漏れないように遮光壁５０４を設け、ＬＥＤ素子（ＬＥＤ１４）は外側に設けた金属製の基盤５０５により放熱性を高めた設計とするとよい。

【0089】

＜レンチキュラーレンズ＞
以下、表示装置１からの出射光の拡散特性を制御するレンチキュラーレンズによる作用について説明する。レンチキュラーレンズは、レンズ形状を最適化することで、上述した表示装置１から出射されてウィンドガラス（図１）を透過または反射して効率良く空間浮遊映像を得ることが可能となる。即ち、本実施例では、表示装置１からの映像光に対し、２枚のレンチキュラーレンズを組み合わせ、または、マイクロレンズアレイをマトリックス状に配置して拡散特性を制御するシートを設けた構成とすることで、画面内のＸ軸およびＹ軸の方向（図１７）において、映像光の輝度（言い換えると相対輝度）を、その反射角度（垂直方向を０度）に応じて制御することができる。本実施例では、このようなレンチキュラーレンズにより、従来に比較し、図１７（Ｂ）に示すように、垂直方向（Ｙ軸方向）の輝度特性を急峻にし、更に上下方向（Ｙ軸の正負方向）の指向特性のバランスを変化させることで、反射や拡散による光の輝度（相対輝度）を高める。これにより、本実施例では、面発光レーザ映像源からの映像光のように、拡散角度が狭く（言い換えると直進性が高く）、かつ特定の偏波成分のみの映像光とし、従来技術を用いた場合に再帰反射光学部材で発生していたゴースト像を抑え、効率良く観視者の眼に再帰反射による空間浮遊映像が届くように制御することができる。

【0090】

また上述した光源装置により、図１７（Ａ），（Ｂ）に示した一般的な液晶表示パネルからの出射光拡散特性（図中では「従来」と表記）に対して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向ともに大幅に挟角な指向特性とすることで、特定方向に対して平行に近い映像光束を出射する特定偏波の光を出射する表示装置が実現できる。

【0091】

図１６には、本実施例で採用するレンチキュラーレンズの特性の一例を示している。この例では、特に、図１６（Ａ）のＸ方向（垂直方向）における特性を示している。図１６（Ｂ）で、特性Ｏは、光の出射方向のピークが垂直方向（０度）から上方に３０度付近の角度であり、上下に対称な輝度特性を示している。また、特性Ａや特性Ｂは、更に、３０度付近においてピーク輝度の上方の映像光を集光して輝度（相対輝度）を高めた特性の例を示している。このため、これらの特性Ａや特性Ｂでは、３０度を超えた角度において、特性Ｏに比較して、急激に光の輝度（相対輝度）が低減する。

【0092】

即ち、上述したレンチキュラーレンズを含んだ光学系によれば、表示装置１からの映像光束を再帰反射光学部材２に入射させる際、光源装置１３で挟角に揃えられた映像光の出射角度や視野角を制御でき再帰反射光学部材２の設置の自由度を大幅に向上できる。その結果、ウィンドガラスを反射または透過して所望の位置に結像する空間浮遊映像の結像位置の関係の自由度を大幅に向上できる。この結果、拡散角度が狭く（直進性が高く）、かつ特定の偏波成分のみの光として効率良く室外または室内の観視者の眼に届くようにすることが可能となる。このことによれば、表示装置１からの映像光の強度（対応する輝度）が低減しても、観視者は映像光を正確に認識して情報を得ることができる。換言すれば、表示装置１の出力を小さくすることにより、消費電力の低い表示装置を実現することが可能となる。

【0093】

本実施例によれば、従来のＨＵＤ装置に代えて、映像をフロントガラスに反射させることなく、車内、特にフロントガラスと運転者に挟まれた空間に、必要な映像を空間浮遊映像として表示することができる空間浮遊映像表示装置を提供できる。これにより、車体のデザインが異なる車種間でも展開可能な空間浮遊映像表示装置を提供できる。

【0094】

また、本実施例によれば、従来技術のＨＵＤに対して、設置上の障害要因となっていたフロントガラスの形状や傾きが異なる車種間での展開が可能で、視認性の高い空間浮遊映像を表示することができる空間浮遊表示装置を実現できる。

【0095】

以上、種々の実施例について詳述したが、本発明は、上述した実施例のみに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために装置全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【符号の説明】

【0096】

１…表示装置、２…再帰反射光学部材、３…立体像、４…映像表示装置、１０…光源装置、１１…液晶表示パネル、２１…偏光変換素子、６…フロントガラス、８…アイポイント、１００…透過性プレート、１０００…空間浮遊映像表示装置、１０１…偏光分離部材、１２…吸収型偏光板、１３…光源装置、４１…開口部、１１０…筐体、２０３…導光体、２１４０…反射型偏光板、２０５，２７１…反射シート、２０６，２７０…位相差板、３，３ｂ…空間浮遊映像、３０１…空間浮遊映像のゴースト像、２１００…再帰反射光学部材、３００，２１１０，２１２０…反射ミラー、６０，２２０…空間浮遊映像（空間浮遊像）、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ６…空間浮遊映像のゴースト像、Ｒ１…空間浮遊映像、４０１…凹面ミラー、４０３…光学素子、４０４…映像表示装置（液晶表示パネル)。

【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】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】