(57)【要約】【課題】装置の薄型化の阻害要因となり得る被対象物と光学プレートとのなす角を小さくしながらも、光学プレートに対して最適な入射角度で光線を入射できるようにすることで、薄型化と輝度の高い空中映像の確保とを両立できる空中映像表示装置及び入力装置を提供する。【解決手段】空中映像表示装置は、被対象物の近傍に配置され、前記被対象物からの光線を偏向するような偏向光学素子を備え、前記偏向光学素子は、片側の面は平面であり、もう片側の面は、一方向に同一形状で延びる構造体が複数並列に形成されていて、前記偏向光学素子は、前記構造体を有する側の面を前記被対象物に向けて配置され、前記被対象物から前記光学プレートの光入射側の面に向かう光線は、前記偏向光学素子を透過する際に、前記光入射側の面の法線を基準とする入射角度が大きくなる側に偏向される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレートを備え、被対象物からの光を前記複数の反射面で反射させて、該光学プレートに対して前記光の入射側とは反対側の空中に導き、前記被対象物の実像を前記空中に結像させる空中映像表示装置であって、
前記被対象物の近傍に配置され、前記被対象物からの光線を偏向するような偏向光学素子を備え、
前記偏向光学素子は、片側の面は平面であり、もう片側の面は、一方向に同一形状で延びる構造体が複数並列に形成されていて、
前記偏向光学素子は、前記構造体を有する側の面を前記被対象物に向けて配置され、前記被対象物から前記光学プレートの光入射側の面に向かう光線は、前記偏向光学素子を透過する際に、前記光入射側の面の法線を基準とする入射角度が大きくなる側に偏向される空中映像表示装置。
【請求項２】
前記偏向光学素子は、平面部の一面にプリズム形状としての前記構造体を設けている請求項１に記載の空中映像表示装置。
【請求項３】
前記プリズム形状は、前記平面部に接する垂直面と斜面とを有する請求項２に記載の空中映像表示装置。
【請求項４】
前記プリズム形状が以下の条件式を満足する請求項３に記載の空中映像表示装置。
２５°≦θ≦５０°      （１）
ここで、
θ：前記プリズム形状の前記斜面と前記平面部とのなす角
【請求項５】
前記プリズム形状の垂直面が拡散面になっている請求項４に記載の空中映像表示装置。
【請求項６】
被対象物は２次元的な画素を持つ表示素子であり、前記プリズム形状の隣り合うプリズム形状同士の間隔が表示素子の画素の間隔と略一致していて、ほぼズレなく配置されている請求項２〜５のいずれか１項に記載の空中映像表示装置。
【請求項７】
前記偏向光学素子と前記被対象物との間に、前記被対象物からの光線の広がり角を狭める光学素子が配置されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の空中映像表示装置。
【請求項８】
前記偏向光学素子と前記被対象物の間に、光を拡散させる光学素子が配置されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の空中映像表示装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の空中映像表示装置と、検出装置とを有する入力装置であって、
前記検出装置は、前記被対象物と前記光学プレートとの間に配置され、特定波長の光を拡散し、それ以外の光を透過するシートと、前記特定波長の光を前記シートに向けて出射する光源と、前記被対象物の実像が画角内に収まるように撮像するカメラと、前記カメラの撮像によって得られた情報に基づいて、前記実像に物体が接近したことを検出する検出部とを有する入力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被対象物の実像を空中に結像させる空中映像表示装置及び入力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、特殊な光学プレートを使用して被対象物の実像を空中に結像させ、その実像を観察者が観察できるようにした空中映像表示装置が提案されてきている。通常、空中における実像（空中像）の結像位置は、光学プレートに対して被対象物と面対称となる位置であるため、観察者に見やすい映像を提供すべく、光学プレートから大きく離れた位置に映像を結像させる場合には、光学プレートに対して被対象物を大きく離す必要がある。そのため、光学プレートと被対象物の空間が大きくなり、表示装置が大型化してしまうという問題がある。
【０００３】
一方、表示装置の小型化のため被対象物と光学プレートとの間隔を詰めようとすると、前記光学プレートに対しての光線入射角度が最適な角度（４５°〜５０°）から逸脱してしまい、それにより反射の効率が低下し、空中像が暗くなってしまったり、正規の実像以外にゴーストと呼ばれる像が見えてしまったりするといった不具合が生じるという問題がある。
【０００４】
これに対し特許文献１には、上記光学プレートの効率の観点を考慮しつつも薄型化を行っている例が開示されている。特許文献１の技術によれば、光学プレート近傍に片側面がプリズム形状になった光学素子を配置して被対象物からの光線を偏向させることで、光学プレートに対して被対象物からの光線角度を寝かした状態でも、光学プレートに対して最適な角度で光線を入射させることができるため、表示装置の小型化を図りつつも、効率低下やゴーストなどの不具合を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１７−２６７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では被対象物から出射される光線角度に関する問題について、特に言及されていない。かかる問題について、具体的に説明する。被対象物として、一般的なＬＣＤなどのディスプレイを考えた場合には、ディスプレイ表面の垂直方向に出射される光量が一番多く、ディスプレイからの光線を特許文献１のように光学プレートの法線に対して大きな角度（光学プレートに対して浅い角度と呼ぶ）で光学プレートに入射させようとすると、ディスプレイは、ディスプレイと光学プレートとのなす角φが大きくなるような配置になる。その結果、ディスプレイからの入射光線を光学プレートに対して浅い角度にして装置の厚みを薄型化しようとしても、今度はディスプレイの角度が薄型化の阻害要因となってしまう。特許文献１では、その対策について言及されていない。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、装置の薄型化の阻害要因となり得る被対象物と光学プレートとのなす角を小さくしながらも、光学プレートに対して最適な入射角度で光線を入射できるようにすることで、薄型化と輝度の高い空中映像の確保とを両立できる空中映像表示装置及び入力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】
本発明の空中映像表示装置は、平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレートを備え、被対象物からの光を前記複数の反射面で反射させて、該光学プレートに対して前記光の入射側とは反対側の空中に導き、前記被対象物の実像を前記空中に結像させる空中映像表示装置であって、
前記被対象物の近傍に配置され、前記被対象物からの光線を偏向するような偏向光学素子を備え、
前記偏向光学素子は、片側の面は平面であり、もう片側の面は、一方向に同一形状で延びる構造体が複数並列に形成されていて、
前記偏向光学素子は、前記構造体を有する側の面を前記被対象物に向けて配置され、前記被対象物から前記光学プレートの光入射側の面に向かう光線は、前記偏向光学素子を透過する際に、前記光入射側の面の法線を基準とする入射角度が大きくなる側に偏向されるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、装置の薄型化の阻害要因となり得る被対象物と光学プレートとのなす角を小さくしながらも、光学プレートに対して最適な入射角度で光線を入射できるようにすることで、薄型化と輝度の高い空中映像の確保とを両立できる空中映像表示装置及び入力装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は、本実施形態の空中映像表示装置１の全体の構成を模式的に示す図であり、（ｂ）は、図１（ａ）の構成を矢印IB方向に見た図である。
【図２】光学プレート３の概略の構成を示す斜視図である。
【図３】１つの板状部材２１の斜視図である。
【図４】１つの板状部材３１の斜視図である。
【図５】２次元（ＺＸ平面内）での実像の結像原理を示す図である。
【図６】３次元空間（ＸＹＺ座標系）での光線の反射を模式的に示す図である。
【図７】３次元空間において、点光源Ｏから発せられた複数の光線が、別々の反射面を介して１点に集光する様子を模式的に示す図である。
【図８】偏向光学素子４とディスプレイ２とを側方から見た図である。
【図９】偏向光学素子４の構造体４ａを拡大して示す図である。
【図１０】（ａ）は偏向光学素子４を用いない空中映像表示装置のレイアウトを示し、（ｂ）は偏向光学素子４を用いた空中映像表示装置のレイアウトを示している。
【図１１】偏向光学素子の参考例１を示す断面図である。
【図１２】偏向光学素子の参考例２を示す断面図である。
【図１３】光源の出射面の法線が−９０°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角９０°としたときに、プリズム角を２５°とした偏向光学素子通過後の光線の角度分布を示す図である。
【図１４】光源の出射面の法線が−９０°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角９０°としたときに、プリズム角を４０°とした偏向光学素子通過後の光線の角度分布を示す図である。
【図１５】光源の出射面の法線が−９０°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角９０°としたときに、プリズム角を５０°とした偏向光学素子通過後の光線の角度分布を示す図である。
【図１６】光源の出射面の法線が−９０°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角９０°としたときに、プリズム角を６０°とした偏向光学素子通過後の光線の角度分布を示す図である。
【図１７】面光源の出射面の法線が−９０°方向を向いた状態で、その配光特性をランバーシャンとした場合における光線の角度分布を示す図である。
【図１８】面光源の出射面の法線が−９０°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角９０°とした場合における光線の角度分布を示す図である。
【図１９】面光源の出射面の法線が−９０°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角６０°とした場合における光線の角度分布を示す図である。
【図２０】シミュレーションに用いた面光源と偏向光学素子との配置関係を示す図である。
【図２１】面光源の出射面の法線が−９０°方向を向いた状態で、その配光特性をランバーシャンとした場合における、プリズム角４０°の偏向光学素子を通過後の光線の角度分布を示す図である。
【図２２】面光源の出射面の法線が−９０°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角９０°とした場合における、プリズム角４０°の偏向光学素子を通過後の光線の角度分布を示す図である。
【図２３】面光源の出射面の法線が−９０°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角６０°とした場合における、プリズム角４０°の偏向光学素子を通過後の光線の角度分布を示す図である。
【図２４】別な実施の形態にかかる入力装置１０の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて説明する。図１（ａ）は、本実施形態の空中映像表示装置１の全体の構成を模式的に示す図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の構成を矢印IB方向に見た図である。空中映像表示装置１は、被対象物の実像を空中に映像Ｍとして結像させるものであり、ディスプレイ２と、光学プレート３と、偏向光学素子４、これらを保持する筐体５とを備えている。筐体５は、光学プレート３の外面３ａを露出させている。
【００１２】
ディスプレイ２は，映像を表示するために光を出射する例えばＬＣＤである。なお、ディスプレイ２の代わりに、３次元の物体を配置してもよい。したがって、上記の被対象物には、ディスプレイ２、表示装置、物体そのものが含まれるが、広義には、スクリーンに投影された映像、表示装置に表示された映像も含まれるものとする。
【００１３】
光学プレート３は、ディスプレイ２からの光を内部で反射させて、空中に映像Ｍを結像する。光学プレート３としては、例えば、互いに直交する反射面（平面視でＶ字型（Ｌ字型））を同一面上にアレイ状に並べた１層構造のものや、複数の反射面を平行に並べた光学パネルを２枚用い、各光学パネル間で反射面が平面視で直交するように、２枚の光学パネルを積層した２層構造のものを用いることができる。なお、光学プレート３の詳細な構成については後述する。
【００１４】
偏向光学素子４は、ディスプレイ２からの光を偏向して光学プレート３に導く機能を有する。なお、偏向光学素子４の詳細については後述する。
【００１５】
上記の構成において、ディスプレイ２からの光は、偏向光学素子４に入射した後、光入射側の面の法線を基準とする入射角度が大きくなる側に偏向されて出射し、更に光学プレート３に入射し、光学プレート３の複数の反射面で反射された後、光学プレート３に対して上記光の入射側とは反対側の空中に導かれる。これにより、ディスプレイ２に投影された映像の実像が映像Ｍとして空中に結像される。
【００１６】
（光学プレート）
次に、上述した光学プレート３について説明する。ここでは、２層構造の光学プレート３について説明する。図２は、光学プレート３の概略の構成を示す斜視図である。光学プレート３は、２枚の光学パネル２０、３０を積層して構成されている。光学パネル２０は、光学パネル２０、３０の積層方向（例えばＺ方向）に垂直な面内で互いに垂直な２方向のうちの一方向（例えばＸ方向）に、複数の板状部材２１を隣接して並べることによって形成されている。光学パネル３０は、上記２方向のうちの他の方向（例えばＹ方向）に、複数の板状部材３１を隣接して並べることによって形成されている。
【００１７】
図３は、１つの板状部材２１の斜視図である。板状部材２１は、透明なガラスや樹脂からなる直方体状の透明基板２１ａを有している。透明基板２１ａは、Ｙ方向に延びており、対向する２面（例えばＹＺ面に沿った２面）のうちの一方の面に、反射膜２１ｂが蒸着によって形成されている。なお、反射膜２１ｂは、透明基板２１ａの対向する２面の両面に形成されていてもよい。
【００１８】
図４は、１つの板状部材３１の斜視図である。板状部材３１は、透明なガラスや樹脂からなる直方体状の透明基板３１ａを有している。透明基板３１ａは、Ｘ方向に延びており、対向する２面（例えばＺＸ面に沿った２面）のうちの一方の面に、反射膜３１ｂが蒸着によって形成されている。なお、反射膜３１ｂは、透明基板３１ａの対向する２面の両面に形成されていてもよい。反射膜２１ｂ、３１ｂは、例えばアルミニウムのような金属膜で構成されており、入射光が全て反射するように膜厚が適切に制御されている。
【００１９】
Ｙ方向に延びる複数の板状部材２１をＸ方向に隣接して並べることにより、複数の反射膜２１ｂが、板状部材２１のＸ方向の幅に応じた間隔でＸ方向に並んで位置する。同様に、Ｘ方向に延びる複数の板状部材３１をＹ方向に隣接して並べることにより、複数の反射膜３１ｂが、板状部材３１のＹ方向の幅に応じた間隔でＹ方向に並んで位置する。そして、このような複数の板状部材２１、３１の配置により、各板状部材２１の反射膜２１ｂ（反射面）と各板状部材３１の反射膜３１ｂ（反射面）とは、平面視で（Ｚ軸方向から見て）互いに直交する位置関係となる。
【００２０】
次に、光学プレート３による結像原理について説明する。図５は、２次元（ＺＸ平面内）での実像の結像原理を示している。点光源Ｐから発せられた複数の光線は、Ｚ軸に平行な反射面（反射膜２１ｂ）でそれぞれ反射され、Ｘ軸に対して点光源Ｐとは反対側の位置Ｐ’（点光源ＰとＸ軸に対して対称な位置）に集光する。これにより、位置Ｐ’にて、点光源Ｐの実像が結像される。
【００２１】
図６は、３次元空間（ＸＹＺ座標系）での光線の反射を模式的に示している。３次元空間では、点光源Ｏから発せられた光線Ａを、ＺＸ平面内の光線ａ１と、ＹＺ平面内の光線ａ２とに分解し、図５に倣って、それぞれの光線ａ１、ａ２のＺＸ平面内またはＹＺ平面内での反射を考えることで、光線ＡのＺ軸との交点を求めることができる。つまり、ＺＸ平面内の光線ａ１は、ＹＺ面に平行な反射面（反射膜２１ｂ）で反射された後、Ｚ軸に向かい、ＹＺ平面内の光線ａ２は、ＺＸ面に平行な反射面（反射膜３１ｂ）で反射された後、Ｚ軸に向かう。これらの光線ａ１、ａ２は、Ｚ軸上の１点、つまり、点Ｏ’で交わる。したがって、光線Ａは、反射膜２１ｂおよび反射膜３１ｂにて計２回反射した後、Ｚ軸上の点Ｏ’に向かうことになる。
【００２２】
図７は、３次元空間において、点光源Ｏから発せられた複数の光線が、別々の反射面を介して１点に集光する様子を模式的に示している。点光源Ｏから発せられた複数の光線は、図６と同様にして、ＹＺ面に平行な反射面（反射膜２１ｂ）およびＺＸ面に平行な反射面（反射膜３１ｂ）で反射され、Ｚ軸上の同じ点Ｏ’に集光する。これにより、点Ｏ’にて、点光源Ｏの実像が結像される。
【００２３】
なお、以上では、光学パネル２０、３０を積層した２層構造の光学プレート３における結像原理を示したが、Ｖ字型（Ｌ字型）に並べた２枚の反射面をアレイ状に配置した１層構造の光学プレート３においても、結像原理は同じである。
【００２４】
（偏向光学素子）
次に、偏向光学素子４について説明する。偏向光学素子４は、光学プレート３に対して被対象物（ここではディスプレイ２）側に近接して配置されており、被対象物からの光を偏向して光学プレート３に導く機能を有する。
【００２５】
図８は、偏向光学素子４とディスプレイ２とを側方から見た図である。透明なガラス又は樹脂製の偏向光学素子４は、平面部４ｂを有し、この平面部４ｂのディスプレイ２側の面に沿って複数の構造体４ａ（プリズム）を並べて形成している。
【００２６】
ここで、以下での説明の便宜上、互いに垂直な３方向を、それぞれｘ方向、ｙ方向、ｚ方向とする。このうち、ｚ方向は、空中映像表示装置１の厚み方向に対応しており、図２等で示したＺ方向（光学パネル２０、３０の積層方向）とも対応しているが、ｙ方向は、図２等で示したＸ方向およびＹ方向とＸＹ面内で４５°の角度をなす方向と対応している。ｘ方向は、ｙｚ面に垂直な方向である。
【００２７】
各構造体４ａは、一方向（例えばｘ方向）に同一形状（例えば断面直角三角形）で延びて形成されている。そして、複数の構造体４ａは並列に、つまり、ｘ方向と垂直な方向（例えばｙ方向）に並んで配置されている。各構造体４ａの断面形状やプリズム角θ（プリズム形状の平面部とのなす角）は、全て同じであってもよいし、異なっていてもよい。なお、プリズム角とは、プリズムである構造体４ａの斜面と平面部４ｂ（または平面部４ｂと平行な面）とのなす角度を指す。平面部４ｂは、ｘｙ面に対して傾いていてもよい。
【００２８】
偏向光学素子４は、平面部４ｂが光学プレート３（図１）側に位置し、複数の構造体４ａがディスプレイ２側に位置するように配置されている。また、偏向光学素子４は、ディスプレイ２の光出射側でディスプレイ２に接するように（各構造体４ａがディスプレイ２に当たるように）配置されていると好ましい。
【００２９】
図９は、偏向光学素子４の構造体４ａを拡大して示す図である。偏向光学素子４は、複数の構造体４ａが同一形状で延びる一方向（図９で紙面垂直方向）に垂直な面内（図８でｙｚ面内）でのみ、ディスプレイ２からの光を偏向する。より詳しくは、図９において、ディスプレイ２から出射された光線Ｌは、構造体４ａの斜面４ｃに入射した際に屈折し、且つ平面部４ｂから出射する際に屈折する。これにより、光線Ｌは偏向光学素子４を通過することにより偏向角γで偏向されることとなる。
【００３０】
これを言い換えると、ディスプレイ２から光学プレート３の光入射側の面（内面）３ｂに向かう光線は、偏向光学素子４を透過する際に、内面３ｂの法線ＮＬ（図１）を基準とする入射角度が大きくなる側に偏向されることとなる。以下での説明において、「入射角度」は、全て、法線ＮＬを基準とする角度を指すものとする。
【００３１】
ところで、空中映像表示装置１の奥行き方向の厚みを薄型化するためには、被対象物、例えばディスプレイ２の角度がボトルネック（図１０（ａ）に示す最大距離Δ）となる。偏向光学素子４を用いずに、より薄型化するためには、図１０（ａ）に示すように、偏向光学素子４と光学プレート３とのなす角αを小さく（角α’と）すればよいが、そうすると光学プレート３へ入射する光線角度βが光学プレート３の法線ＮＬに対して小さく（角β’）なり、空中映像の輝度低下やゴースト発生といった不具合発生要因となる。
【００３２】
より具体的には、光学プレート３に対する光線の入射角度が所望の角度（例えば４５°〜５０°）よりも極端に大きくなると（つまり、光学プレート３側に倒れるような方向から光線が入射すると）、光学プレート３の同じ反射面で多重反射が起こり、これによって空中映像の劣化が生じるという現象が起きる。かかる不具合を避けるべく、点線で示すように光学プレート３を傾けることもできるが、更に装置の大型化を招く。
【００３３】
そこで、本実施の形態では、ディスプレイ２に近傍に、ディスプレイ２からの出射光線を偏向するような偏向光学素子４を配置したのである。「近傍」とは、１０ｍｍ以内の位置をいい、両者が接しているとより好ましい。その理由であるが、偏向光学素子は特定の1方向にのみ光線を偏向させる効果があるため、ディスプレイ２との空気間隔が大きくなると、ディスプレイ２に表示された映像が、偏向光学素子によって偏向される方向にのみ間延びした映像となってしまう。そこで、ディスプレイ２と偏向光学素子はできるだけ近接して配置されることが望ましいが、前述の画像の歪みが許容範囲になる条件として１０ｍｍ以内の位置に配置されることが望ましい。
【００３４】
図９に示すように偏向光学素子４の法線方向に入射してきた光線Ｌは、偏向光学素子４を通過することで偏向角γで傾いて出射されるから、図１０（ｂ）に示すように、光学プレート３の法線ＮＬとの角度β”が大きくなる方向に入射光線を偏向させることができる。これによりディスプレイ２と光学プレート３とのなす角α”を小さくしつつも、光学プレート３に対して最適な角度で光線を入射することが出来るようになるため、空中映像表示装置１の小型化と空中映像Ｍの劣化を抑制できる。
【００３５】
この時、偏向光学素子４内部での光の全反射を低減するために、偏向光学素子４の片側面，すなわち平面部４ｂの出射面は平面であることが望ましく、光線をある特定の方向にのみ偏向させるため、もう片側の面は一方向に同一形状で延びる構造体４ａが複数並列に形成されていることが望ましい。また、同様に偏向光学素子４内部での光の全反射を低減するためには、構造体４ａの形成されている側の面を光線の入射側、つまり、ディスプレイ２側に向けて配置されていることが望ましい。
【００３６】
更に、偏向光学素子４の片側面を一方向にプリズム形状で延びる構造体４ａとすることで、効率的に被対象物から入射してきた光線を一方向に偏向させることができるようになる。
【００３７】
ところで、構造体４ａのプリズム形状が、平面部４ｂに接する頂角の一方が直角でないようなものであると、本来偏向したい方向とは逆向きに出射する光線Ｌ’が増加してしまったり、成形性が損なわれたりしてしまう恐れがある。具体的には、図１１に示す参考例１のように、平面部４ｂに接する頂角θ１，θ２が両方とも９０°より小さい場合、光線Ｌの入射位置によって光線Ｌの屈折する方向が異なり、逆方向へ出射する光線が増加してしまう。一方、図１２に示す参考例２のように、平面部４ｂに接する頂角の一方（θ２）が９０°より大きい場合、偏向光学素子４を金型成形する際に、プリズム形状が金型から抜けず成形難易度が増加してしまう。よって、図９に示すように、プリズム形状は、平面部に接する頂角の一方が直角であることが望ましい。
【００３８】
更に、図９を参照して、構造体４ａのプリズム形状が、平面部４ｂに接する頂角の一方が直角である場合において、斜面４ｃの先端近傍に入射して屈折した光線Ｌ”は、垂直面４ｄにて全反射した後、反対方向へ出射してしまう恐れがある。これを防ぐため、垂直面４ｄを拡散面にして全反射を低減し、それにより反対方向へ出射する光線Ｌ”を低減することができる。垂直面４ｄを拡散面とするには、例えば垂直面４ｄを成形する金型の転写面を粗し面にすることなどがある。
【００３９】
更に、一方向に同一形状で延びる構造体４ａが複数並列に形成されている偏向光学素子４を使用した場合の課題の一つとしてモアレ現象がある。偏向光学素子４を、２次元的な画素を持つ表示素子であるＬＣＤ等のディスプレイ２に近接して配置すると、偏向光学素子４の構造体４ａのピッチとＬＣＤ等のディスプレイ２における画素ピッチとの微小なズレによってモアレ現象が生じてしまう恐れがある。そこで、偏向光学素子４の構造体４ａのピッチ（隣り合うプリズム形状同士の間隔）Ｐと、ＬＣＤ等の画素（不図示）のピッチとを略一致させ、ほぼズレなく配置することで、モアレ現象の発生を抑制することができる。「略一致」とは、ピッチＰに対して±１０％以内で差がある場合を含む。又、「ほぼズレなく」とは、互いのズレ量がピッチＰの±１０％以内の場合を含む。
【００４０】
更に、上述したモアレ現象を低減するために、偏向光学素子４とＬＣＤ等のディスプレイ２との間に光を拡散させる光学素子（拡散板等）を配置することもできる。拡散させる光学素子を使用することで、ＬＣＤ等の画素間の輪郭をボケさせることができ、結果としてモアレを低減することができる。拡散させる光学素子の設置と、上述したピッチの一致とを同時に行うと、より効果がある。
【００４１】
ところで、図９を参照して、偏向光学素子４は構造体４ａであるプリズム角θの角度によって光線が偏向する角度が変わってくる。例えば、偏向光学素子４の材質をＰＭＭＡとすると、プリズム角θが２５°では偏向角γは約１３°、プリズム角θが４０°では偏向角γは約２２°、プリズム角θが５０°では偏向角γは約２９°、プリズム角θが６０°では偏向角γは約３８°となる。したがって、偏向角γをより大きくするためにはプリズム角θを大きくしていけばよいが、一方でプリズム角θが大きくなるとプリズムの垂直面４ｄで全反射して、反対方向へ変更される光が増大してしまう。
【００４２】
本発明者は、シミュレーションによってプリズムの頂角を変化させた場合の偏向光学素子通過後の光線の角度分布を見積もった。そのシミュレーション結果を図１３〜１６に示す。かかるシミュレーション結果によれば、図１６に示すようにプリズム角θが６０°になると、原理的に偏向する角度よりも、それ以外の角度である２方向へ偏向してしまう光の量の方が多くなってしまい望ましくない。また、逆に図１３に示すようにプリズム角θが２５°であると、配光特性は良好であるものの偏向角γが小さくなり、本来の目的である装置の小型化が不十分となってしまう。これに対し、図２４，２５に示すプリズム角θが４０°、５０°では、偏向角γ方向の光量が十分であることが分かる。従って、プリズム形状が以下の条件式を満足することが望ましいといえる。
２５°≦θ≦５０°      （１）
ここで、
θ：プリズム角
【００４３】
更にディスプレイ２から偏向光学素子４に光線が入射する際に、ディスプレイ２から出射される光線の広がり角によって偏向光学素子通過後の光線の振る舞いが変わってくる。そこで、本発明者は、ディスプレイ２を光源とみなした場合、光源の光線の広がり方（すなわち配光特性）を変化させて、偏向光学素子通過後の光線角度特性をシミュレーションによって確認した。シミュレーションに用いた面光源の配光特性を、ランバーシャンの場合を図１７に、半値角９０°の場合を図１８に、半値角６０°の場合を図１９に示す。
【００４４】
ここでは、偏向光学素子４としてプリズム角θ＝４０°のものを仮定し、図２０に示すように偏向光学素子４に密着させて配置した。面光源の配光特性をランバーシャンとした偏向光学素子４の角度特性のシミュレーション結果を図２１に示し、面光源の配光特性を半値角９０°とした偏向光学素子４の角度特性のシミュレーション結果を図２２に示し、面光源の配光特性を半値角６０°とした偏向光学素子４の角度特性のシミュレーション結果を図２３に示す。
【００４５】
面光源の配光特性を狭くしていくと、原理的に光線が偏向する方向の光量が増大していくことが分かる。したがって、被対象物と偏向光学素子の間に光の広がり角を狭めるような光学素子、例えばプライバシー確保のための視野角制御フィルターなど、を配置することで、偏向したい方向の光を増大させることができるようになる。
【００４６】
図２４は、別な実施の形態にかかる入力装置１０の概略図である。図２４において、入力装置１０は、図１に示す空中映像表示装置１と，検出装置６とを有している。検出装置６は、特定波長として赤外帯域の波長を持つ赤外光を拡散し、可視光を透過する赤外拡散シート７と、赤外拡散シート７に向けて赤外光を出射する光源８と、空中映像Ｍが画角内に収まるように撮像する赤外カメラ９と、赤外カメラ９が撮像した情報を処理する検出部としての処理部ＰＲＯＣとを有する。赤外カメラ９は、可視光及び赤外光の双方を撮像するものであってもよい。又、赤外拡散シート７は、偏向光学素子４の出射側に近接して配置されると好ましい。特定波長としては赤外帯域に限らず、可視光域の単一波長であってよい。
【００４７】
空中映像を表示するだけでなく,空中映像を使用して非接触で入力できる機器が求められている。特に食品加工現場や医療現場など,衛生的な入力が必要なシーンでは,直接手で触れずに情報を入力できる機器が望まれている。そういった機器を実現するためには,空中像を手が触れたことを認識し、その触れた位置を検出する必要がある。
【００４８】
本実施の形態では、空中映像表示装置１により空中映像を表示している間、光源８から赤外光を赤外拡散シート７に向けて出射すると、赤外拡散シート７がその表面で赤外光を拡散して反射し、反射された赤外光は光学プレート３で反射されて、空中映像Ｍの近傍における赤外拡散シート７に対応する位置で、カーテン状の赤外像ＩＭを形成する。赤外像ＩＭは不可視像であるので、観察者は空中映像Ｍを素通しできる。かかる状態を赤外カメラ９で撮像すると、空中映像Ｍ上に形成されたカーテン状の赤外像ＩＭが撮像される。
【００４９】
ここで、観察者が指や指示棒などの物体を空中映像Ｍに近づけると、かかる物体によりカーテン状の赤外像ＩＭの一部が遮られて赤外光の影ができるが、観察者がそれに気づくことはない。しかしながら、赤外カメラ９で撮像した画像信号を処理部ＰＲＯＣで処理することで、赤外像ＩＭの遮られた位置が分かる。
【００５０】
具体的には、物体が前記空中映像Ｍに接近する前に赤外カメラ９により撮像して得られた画像信号と、物体が前記空中映像Ｍに接近した際に赤外カメラ９により撮像して得られた画像信号との差分をとることで赤外光の影の位置が分かり，従って物体が接近した位置を求めることができる。一方、赤外カメラ９から画像信号を入力された処理部ＰＲＯＣは、ディスプレイ２の駆動部に接続されているため、赤外像ＩＭの遮られた位置に対応する空中映像Ｍの位置を求めることができる。すなわち非接触でありながら、タッチパネルを使用するのと同手法で、入力すべき情報を読み出して出力することができるのである。本実施の形態の入力装置１０によれば、空中映像Ｍを視認する観察者が、非接触で必要な情報を入力することが出来るから、特に食品加工現場や医療現場など,衛生的な入力が必要なシーンでの使用が期待される。
【００５１】
本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。明細書の記載及び実施例は、あくまでも例証を目的としており、本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。
【符号の説明】
【００５２】
１            空中映像表示装置
２            ディスプレイ
３            光学プレート
３ａ            外面
３ｂ            内面
４            偏向光学素子
４ａ            構造体
４ｂ            平面部
４ｃ            斜面
４ｄ            垂直面
５            筐体
６            検出装置
７            赤外拡散シート
８            光源
９            カメラ
１０            入力装置
２０            光学パネル
２１            板状部材
２１ａ            透明基板
２１ｂ            反射膜
３０            光学パネル
３１            板状部材
３１ａ            透明基板
３１ｂ            反射膜
ＩＭ            赤外像
Ｍ            カメラ
Ｍ            空中映像
ＰＲＯＣ          処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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