(57)【要約】【課題】視認性の高い実像を形成可能な空中像形成光学系を提供する。【解決手段】本発明に係る空中像形成光学系１Ａは、入射した光Ｌ０を所定の角度範囲θで拡散させる拡散部１２と、拡散された光Ｌ１の偏光方向を所定の方向に変更する偏光方向変更部１４と、前記偏光方向が前記所定の方向に変更された第一の光Ｌ１１に所望の画像情報Ｉを付与して第二の光Ｌ１２として出射する画像情報付与部１６と、画像情報Ｉが付与された第二の光Ｌ１２を所定の結像位置Ｐ２に結像させる結像部２０と、結像部２０から出射された第二の光Ｌ１３の進行経路上に配置され、偏光方向が前記所定の方向である光を透過させ、且つ偏光方向が前記所定の方向とは異なる方向である光を遮光する偏光方向選択部３０と、を備えている。【選択図】図１
2019040096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光を所定の角度範囲で拡散させる拡散部と、
前記拡散部によって拡散された光の偏光方向を所定の方向に変更する偏光方向変更部と、
前記偏光方向が前記所定の方向に変更された第一の光に所望の画像情報を付与して第二の光として出射する画像情報付与部と、
前記画像情報が付与されて入射される前記第二の光を所定の結像位置に結像させる結像部と、
前記結像部から出射された前記第二の光の進行経路上に配置され、偏光方向が前記所定の方向である光を透過させ、且つ偏光方向が前記所定の方向とは異なる方向である光を遮光する偏光方向選択部と、
を備えていることを特徴とする空中像形成光学系。
【請求項２】
前記偏光方向選択部は、前記第二の光の進行経路上において前記結像部と前記所定の結像位置との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の空中像形成光学系。
【請求項３】
前記偏光方向選択部は、前記第二の光の進行経路上において前記所定の結像位置より奥側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の空中像形成光学系。
【請求項４】
前記結像部は再帰性透過材を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の空中像形成光学系。
【請求項５】
前記結像部は再帰性反射材を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の空中像形成光学系。
【請求項６】
光源と、
前記光源から出射された光の偏光方向を所定の方向に変更する偏光方向変更部と、
偏光方向が前記所定の方向に変更された第一の光に所望の画像情報を付与して第二の光として出射する画像情報付与部と、
前記画像情報が付与されて入射される前記第二の光を所定の結像位置に結像させる結像部と、
前記結像部から出射された前記第二の光の進行経路上に配置され、偏光方向が前記所定の方向である光を透過させ、且つ偏光方向が前記所定の方向とは異なる方向である光を遮光する偏光方向選択部と、
を備えていることを特徴とする空中像形成装置。
【請求項７】
前記光源から出射された光を拡散させて前記偏光方向変更部に照射する拡散部を備えていることを特徴する請求項６に記載の空中像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空中像形成光学系及び空中像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
空中像は、光源から出射された光を光学素子等によって反射・屈折させ、空間の任意の位置に結像させた実像である。近年、空中像は、バーチャルリアリティやデジタルサイネージをはじめとする様々なアプリケーションで活用されている。具体的には、空中像及び空中像を形成する技術は、空中に映像が飛び出すディジタルサイネージや、空中に浮かぶ透明なスクリーン上に表示された情報をジェスチャーで操作するシステムに導入されている。
【０００３】
空中像を形成するための光学系（空中像形成光学系）としては、再帰性反射に基づくＡＩＲＲ（Aerial Imaging by Retroreflection）方式が知られている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。ＡＩＲＲ方式では、再帰性反射材とハーフミラーとを用いて、広い視野から観察可能な大画面の空中スクリーンを形成することができる。最近では、ＡＩＲＲ方式の光学系で発生し易い実像の歪みを抑える目的で、二面コーナーリフレクタアレイ（Dihedral Corner Reflector Array；ＤＣＲＡ）を用いる光学系（非特許文献２参照）、ルーフミラーアレイ（ＲＭＡ）を用いる光学系（非特許文献３参照）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−４０９４４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】H. Yamamoto, “Screen-free display formed using retro-reflector,” (Newsroom)10.1117/2.120151.005769
【非特許文献２】Y. Maeda, D. Miyazaki, and S. Maekawa, “Aerial imaging display based on a heterogeneous imaging system consisting of roof mirror arrays,” Proc. IEEE 3rd Global Conference (2014).
【非特許文献３】S. Maekawa, K. Nitta, and O. Matoba, “Transmissive Optical Imaging Device with Micromirror Array,” Proc. SPIE 6392, Three-Dimensional TV, Video, and Display V, 63920
【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、従来の空中像形成光学系では、各種ディスプレイやプロジェクションされた映像を光源として用いているので、実像の輝度に上限があった。この上限まで実像の輝度を高めたとしても、周囲の環境が明るい程、観察者は実像を見難くなる。その一方で、周囲の環境が明るい程、観察者は空中像に関係しない実物体を見易くなる。このような実像と実物体の見易さの違いからもわかるように、屋外等の明るい環境下で、空中像を形成するための光学系を利用した場合に、実像の視認性が低くなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上述の事情を勘案したものであって、視認性の高い実像を形成可能な空中像形成光学系及び空中像形成装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、例えば屋外等の明るい環境下であっても、視認性の高い実像を形成するために、空中像形成光学系が、太陽光等の環境光の採光による映像形成構造と、光学系を構成する光学的要素を遮蔽して、観察者に光学系の外側から視認させないようにする遮蔽構造と、を備えていると好ましいという新たな知見を見出した。また、本発明者は、前述の知見に基づき、映像形成構造及び遮蔽構造を構成する光学的要素の選定及びこれらの光学的要素の好適な相対配置について鋭意検討し、本発明を完成させた。
【０００９】
本発明に係る空中像形成光学系は、入射した光を所定の角度範囲で拡散させる拡散部と、前記拡散部によって拡散された光の偏光方向を所定の方向に変更する偏光方向変更部と、前記偏光方向が前記所定の方向に変更された第一の光に所望の画像情報を付与して第二の光として出射する画像情報付与部と、前記画像情報が付与されて入射される前記第二の光を所定の結像位置に結像させる結像部と、前記結像部から出射された前記第二の光の進行経路上に配置され、偏光方向が前記所定の方向である光を透過させ、且つ偏光方向が前記所定の方向とは異なる方向である光を遮光する偏光方向選択部と、を備えている。
【００１０】
本発明に係る空中像形成光学系は、光学的要素（例えば、光学部品）の遮蔽構造として、偏光方向変更部及び偏光方向選択部を備えている。偏光方向変更部によって空中像（実像）の形成に寄与する光の偏光方向は、所定の方向に変更される。偏光方向選択部では、所定の方向に沿った偏光方向の光のみが透過され、観察者に届く。このことによって、空中像の視認性が高くなり、観察者の注意や意識が空中像に集中することによっても光学的要素の遮蔽効果が高まる。また、偏光方向選択部は、空中像形成光学系における第二の光の進行経路上の最奥側、即ち観察者の最も近くに配置されている。このような構成を備えた空中像形成光学系では、空中像形成光学系の外側から該光学系の内側に入射する外光（例えば、自然光）の偏光方向は、基本的にあらゆる方向に向いていると考えられる。従って、光学系の外側から内側に向かう方向に進む前記外光の大部分（即ち、偏光方向が所定の方向ではない部分）は、偏光方向選択部によって遮断される。即ち、偏光方向選択部を、結像部から出射された第二の光の進行経路上に配置することで、観察者側から空中像形成光学系に向かって入射する光を遮断することができる。そのため、前記外光が光学系の内側に進入し難く、観察者に対して光学的要素が効果的に遮蔽される。このことによって、空中像の視認性が高くなる。
【００１１】
また、本発明に係る空中像形成光学系は、従来の空中像形成光学系とは異なり、光源を有していない。本発明に係る空中像形成光学系は、外部から環境光等の任意の明るい照明光を取り込み可能な映像形成構造として、拡散部、偏光方向変更部及び画像情報付与部を備えている。映像形成構造は、空中像形成光学系の外部から任意の光を受光することで映像光源として機能する。このような映像形成構造を備えていることで、本発明に係る空中像形成光学系は、環境光に基づく映像情報及び空中像を形成すると共に、映像形成構造の光量を増やし、空中像の輝度を高くすることができる。その結果、屋外等の明るい環境下でも高輝度の空中像を結び、明るい場所でも利用可能になる。
【００１２】
また、本発明に係る空中像形成光学系では、前記偏光方向選択部は、前記結像部と前記所定の結像位置との間に配置されていてもよい。
【００１３】
上述の空中像形成光学系によれば、偏光方向選択部を結像部の近くに配置し、観察者に対して偏光方向選択部の視認度を下げることができる。
【００１４】
また、本発明に係る空中像形成光学系では、前記偏光方向選択部は、前記所定の結像位置より前記進行方向の前側に配置されていてもよい。
【００１５】
上述の空中像形成光学系によれば、前記偏光方向選択部を所望の大きさ（例えば、空中像形成光学系の全体）に拡大することで、観察者に対して空中像形成光学系の所望の部分（例えば、空中像形成光学系の全体）の視認度を下げることができる。
【００１６】
また、本発明に係る空中像形成光学系では、前記結像部は再帰性透過材を備えていてもよい。
【００１７】
上述の空中像形成光学系によれば、結像部が再帰性光学素子を備えているので、空中像の輝度を高くすることができる。また、拡散部及び偏光方向変更部の相対位置を維持しつつ、再帰性光学素子に対してこれらの部材を近接又は離間させることで、空中像の形成位置を移動させ、観察者に空中像の動きを視認させることができる。さらに、再帰性光学素子の中でも再帰性透過材を用いることによって、結像部を単体の再帰性透過材のみで構成し、空中像形成光学系の構成を簡易にすることができる。このことによって、使用目的等に応じた空中像形成光学系の小型化や薄型化を図ることができる。
【００１８】
また、本発明に係る空中像形成光学系では、前記結像部は再帰性反射材を備えていてもよい。
【００１９】
上述の空中像形成光学系によれば、再帰性反射材を用いるので、空中像形成光学系の内部の形状及び構成要素の設計が不定形でもよい等の設計の自由度を拡げることができる。また、再帰性反射材は再帰性透過材に比べて素子そのものの大型化が容易であるため、空中像形成光学系の大型化を容易に図ることができる。
【００２０】
本発明に係る空中像形成装置は、光源と、前記光源から出射された光の偏光方向を所定の方向に変更する偏光方向変更部と、偏光方向が前記所定の方向に変更された第一の光に所望の画像情報を付与して第二の光として出射する画像情報付与部と、前記画像情報が付与されて入射される前記第二の光を所定の結像位置に結像させる結像部と、前記結像部から出射された前記第二の光の進行経路上に配置され、偏光方向が前記所定の方向である光を透過させ、且つ偏光方向が前記所定の方向とは異なる方向である光を遮光する偏光方向選択部と、を備えていることを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る空中像形成装置は、光学的要素（例えば、光学部品）の遮蔽構造として、偏光方向変更部及び偏光方向選択部を備えている。従って、上述の空中像形成光学系と同様に、空中像形成装置の外側から内側に向かう方向に進む前記外光は、偏光方向選択部によって遮光される。このことによって、前記外光が光学系の内側に進入し難く、観察者に対して光学的要素が遮蔽される。即ち、偏光方向選択部を、結像部から出射された第二の光の進行経路上に配置することで、観察者側から空中像形成光学系に向かって入射する光が遮断される。また、空中像の視認性が極めて高くなり、観察者の注意が空中像に集中することによって光学的要素の遮蔽効果が高まる。
【００２２】
本発明に空中像形成装置では、前記光源から出射された光を拡散させて前記偏光方向変更部に照射する拡散部を備えていてもよい。
【００２３】
上述の空中像形成装置によれば、光源から出射された光が光軸に対して略平行な光であっても、拡散部によって光を拡散させ、その後に結像させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、視認性の高い実像を形成可能な空中像形成光学系及び空中像形成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明を適用した第一実施形態の空中像形成光学系の側面図である。
【図２】図１に示す空中像形成光学系の偏光方向変更部及び画像情報付与部の構成例と動作原理を説明するための模式図である。
【図３】図１に示す空中像形成光学系の光の拡散角度と空中像の視域との関係を説明するための側面図である。
【図４】図１に示す空中像形成光学系の光の拡散角度と空中像の視域との関係を説明するための別の側面図である。
【図５】本発明を適用した第二実施形態の空中像形成光学系の側面図である。
【図６】本発明を適用した第二実施形態の変形例の空中像形成光学系の側面図である。
【図７】本発明を適用した第三実施形態の空中像形成光学系の側面図である。
【図８】本発明を適用した第四実施形態の空中像形成光学系の側面図である。
【図９】本発明を適用した第五実施形態の空中像形成装置の側面図である。
【図１０】本発明を適用した第一実施形態の変形例の空中像形成光学系の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る計測用デバイス及び計測センサの実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的なものであり、長さ、幅、及び厚みの比率等は実際のものと同一とは限らず、適宜変更することができる。
【００２７】
図１に例示するように、本発明に係る空中像形成光学系１は、拡散部１２、偏光方向変更部１４、画像情報付与部１６、結像部２０、及び、偏光方向選択部３０を備えている。
【００２８】
拡散部１２は、任意の光源Ｓから出射された光Ｌ０を受光し、入射した光Ｌ０を光軸（入射光軸）Ａを基準とする所定の角度範囲θで拡散させる。拡散部１２としては、公知の拡散板、和紙等が挙げられるが、光Ｌ０を所定の角度範囲θで拡散させることができる部材であれば、特に限定されない。
【００２９】
偏光方向変更部１４は、拡散部１２によって拡散された光Ｌ１の偏光方向を所定の方向（例えば、図１に示すＶ２方向やＶ１方向）に変更する。偏光方向変更部１４としては、公知の偏光板や偏光フィルター、偏光フィルム等が挙げられる。
【００３０】
画像情報付与部１６は、偏光方向が所定の方向に変更された第一の光Ｌ１１に所望の画像情報Ｉを付与する。具体的には、画像情報付与部１６は、画像情報Ｉに合わせて光軸Ａに直交する面（即ち、図１に示すＶ１方向及びＶ２方向を含む面）に沿って、第一の光Ｌ１１の強度、波長、等の光学特性を変更する。このことによって、第一の光Ｌ１１に所望の画像情報Ｉが付与される。
【００３１】
偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６をコンパクトに兼ね備える光学デバイスとして、例えばバックライトを除去した液晶ディスプレイ（所謂、透明液晶ディスプレイ）が挙げられる。図２に示すように、液晶ディスプレイは、光軸Ａに直交する面に沿ってＶ１方向及びＶ２方向に配列された複数のセルＣを備えている。
【００３２】
図２に、Ｖ１方向に沿って隣接する三つのセルＣを示す。図２の矢印（両端が矢先である矢印）は、光の偏光方向を表している。各々のセルＣには、Ｄ３方向に沿って、手前側から奥側（図２の紙面の上側から下側）に向かって、偏光フィルター１３Ａ／１３Ｂ／１３Ｃ、第一の配向板１７Ａ／１７Ｂ／１７Ｃ、複数の液晶分子１５、第二の配向板１８Ａ／１８Ｂ／１８Ｃ、及び、赤（Red）、緑（Green）、又は青（Blue）のカラーフィルター１９Ａ／１９Ｂ／１９Ｃが配置されている。偏光フィルター１３Ａ／１３Ｂ／１３Ｃは、入射した光Ｌ１のうち、偏光方向がＶ２方向である光Ｌ１のみを透過させる。Ｖ２方向に延在する溝が第一の配向板１７Ａ／１７Ｂ／１７Ｃに複数形成されている。Ｖ２方向を含む面内にあり、且つＶ２方向に直交する方向、即ちＶ１方向に延在する溝が第二の配向板１８Ａ／１８Ｂ／１８Ｃに複数形成されている。
【００３３】
Ｄ３方向において、複数の液晶分子１５は、第一の配向板１７Ａ／１７Ｂ／１７Ｃと第二の配向板１８Ａ／１８Ｂ／１８Ｃに挟まれている。液晶分子１５の向きや、各配向板に電圧をかけた際の液晶分子１５の挙動は、公知である。液晶分子１５がツイストネマティック（ＴＮ）液晶の場合、第一の配向板１７Ａ／１７Ｂ／１７Ｃと第二の配向板１８Ａ／１８Ｂ／１８Ｃに電圧がかかると、複数の液晶分子１５が側面視で直立するので、入射した光Ｌ１１の偏光方向はＶ２方向に維持される。例えば、図２の緑（Green）のカラーフィルター１９Ｂを通る光の偏光方向は、Ｖ２方向である。一方、第一の配向板１７Ａ／１７Ｂ／１７Ｃと第二の配向板１８Ａ／１８Ｂ／１８Ｃに電圧がかからなければ、液晶分子１５の長軸は、液晶分子の隙間に沿って、Ｖ１方向及びＶ２方向を含む平面上で略９０度ねじれる。この際、入射した光Ｌ１１の偏光方向は、Ｖ１方向になる。例えば、図２の赤（Red）のカラーフィルター１９Ａや青（Blue）のカラーフィルター１９Ａ，Ｃを通る光の偏光方向は、Ｖ１方向になっている。
【００３４】
上述のように、第一の配向板１７Ａ／１７Ｂ／１７Ｃ、第二の配向板１８Ａ／１８Ｂ／１８Ｃ、及び、複数の液晶分子１５を用いて、複数のセルＣ毎に、画像情報Ｉに応じた偏光方向を設定することができる。即ち、第一の配向板１７Ａ／１７Ｂ／１７Ｃ、第二の配向板１８Ａ／１８Ｂ／１８Ｃ、及び、複数の液晶分子１５によって、空中像Ｍの形成に寄与するセルＣの偏光方向を所定の方向とし、空中像Ｍの形成に寄与するセルＣの偏光方向を所定の方向とは異なる方向にすることができる。
【００３５】
また、複数のセルＣの各々で、画像情報Ｉのパターンやカラーフィルター１９Ａ／１９Ｂ／１９Ｃの配置に応じて、第一の配向板１７Ａ／１７Ｂ／１７Ｃと第二の配向板１８Ａ／１８Ｂ／１８Ｃにかける電圧を変えることができる。このことにより、複数のセルＣ毎に、画像情報Ｉに応じた偏光方向と、波長情報（即ち、カラーフィルター１９Ａ／１９Ｂ／１９Ｃを透過する波長の情報）が付与される。偏光フィルター１３Ａ／１３Ｂ／１３Ｃ、第一の配向板１７Ａ／１７Ｂ／１７Ｃ、複数の液晶分子１５、及び、第二の配向板１８Ａ／１８Ｂ／１８Ｃは、偏光方向変更部１４として機能する。また、第一の配向板１７Ａ／１７Ｂ／１７Ｃ、複数の液晶分子１５、及び、第二の配向板１８Ａ／１８Ｂ／１８Ｃ、及び、カラーフィルター１９Ａ／１９Ｂ／１９Ｃは、画像情報付与部１６として機能する。
【００３６】
図１に示すように、結像部２０は、画像情報Ｉが付与された第二の光Ｌ１３を所定の結像位置Ｐ２に実像として結像させる。結像位置Ｐ２に結像した第二の光Ｌ１３によって、実像である空中像Ｍが形成される。結像部２０を構成する光学デバイスの例は、後述の各実施形態で説明する。
【００３７】
偏光方向選択部３０は、結像部２０から出射された第二の光Ｌ１２の進行経路上に配置されている。偏光方向選択部３０は、偏光方向が所定の方向（例えば、図１に示すＶ２方向）である光を透過させ、且つ偏光方向が所定の方向とは異なる方向である光を反射等によって遮光する。偏光方向選択部３０としては、公知の偏光板や、偏光フィルター、偏光フィルム等が挙げられる。偏光方向選択部３０としての偏光板や、偏光フィルター、偏光フィルム等は、透過させる光の偏光方向が所定の方向と平行になるように配置されている。所定の方向は、画像情報Ｉが付加され、空中像Ｍの形成に寄与する第二の光Ｌ１２の偏光方向である。
【００３８】
以下、図１から図９を参照し、空中像形成光学系１の実施形態について説明する。
【００３９】
（第一実施形態）
図１に示すように、本発明を適用した第一実施形態の空中像形成光学系１Ａでは、拡散部１２は、太陽等の光源Ｓから出射された太陽光等の光Ｌ０を略上方から受光するように、水平方向に沿って配置されている。
【００４０】
偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６は、光Ｌ１の進行方向（即ち、Ｄ３方向）において拡散部１２に近接し、且つ拡散部１２の奥側（空中像形成光学系１Ａの側面視では、拡散部１２の下側）に配置されている。画像情報付与部１６には、上述の透明液晶ディスプレイが用いられている。具体的には、拡散部１２の出射面に透明液晶ディスプレイが貼り付けられている。
【００４１】
結像部２０は、再帰性透過材２０Ａである。再帰性透過材２０Ａの入射面２１は、画像情報付与部１６の出射面１６Ｅ（又は、偏光方向変更部１４の出射面）に対向し、且つ出射面１６Ｅに対して略４５°をなすように傾斜している。再帰性透過材２０Ａは、板状に形成されている。再帰性透過材２０Ａの出射面２２は、入射面２１と略平行し、画像情報付与部１６の出射面１６Ｅに対して略４５°をなすように傾斜している。このように再帰性透過材２０Ａが偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６に対して傾斜していることで、第二の光Ｌ１２の進行方向及び進行経路は、再帰性透過材２０Ａを中心として略鉛直方向から略水平方向に折り返す。
【００４２】
所定の結像位置Ｐ２は、拡散部１２によって拡散された光Ｌ１の原点Ｏ１を、再帰性透過材２０Ａを中心にして折り返した位置にある。即ち、結像位置Ｐ２は、拡散部１２と結像部２０との相対位置が決まれば一義的に決まる。また、鉛直方向（即ち、Ｄ３方向）における原点Ｏ１と再帰性透過材２０Ａの任意の位置との距離と、水平方向（即ち、Ｄ４方向）における再帰性透過材２０Ａの前記任意の位置と結像位置Ｐ２との距離は、等しい。また、結像位置Ｐ２は、結像部２０への第二の光Ｌ１２の入射位置Ｐ１より、第二の光Ｌ１３の進行方向（即ち、図１に示すＤ３方向及びＤ４方向）の奥側にある。
【００４３】
偏光方向選択部３０は、再帰性透過材２０Ａの出射面２２から出射された第二の光Ｌ１３の進行経路上（即ち、Ｄ４方向）において、再帰性透過材２０Ａと結像位置Ｐ２との間に配置されている。再帰性透過材２０Ａから出射された第二の光Ｌ１２の光軸Ａに直交する方向（即ち、図１に示す鉛直方向）において、偏光方向選択部３０の外側に、遮光性を有するマスク部３２が設けられている。マスク部３２としては、遮光性を有する光学フィルター、黒い紙や該黒い紙を表面に貼着した部材等が挙げられる。
【００４４】
観察者Ｅは、第二の光Ｌ１３の進行経路上で、光Ｌ１３の進行方向とは逆向き（即ち、図１に示すＤ５方向；以下、観察方向ともいう）に向かって、結像位置Ｐ２に形成される空中像Ｍを観察することができる。
【００４５】
観察方向において、少なくとも再帰性透過材２０Ａの奥側に、遮光部材４０が設けられている。空中像Ｍの視認度を確実に高める点から、観察方向において、再帰性透過材２０Ａに加えて拡散部１２、偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６の奥側及び、これらの側方に遮光部材４０が設けられていることが好ましい。つまり、拡散部１２、偏光方向変更部１４、画像情報付与部１６、及び、再帰性透過材２０Ａ（即ち、偏光方向選択部３０以外の光構成要素）が遮光部材４０で囲まれた空間に配置され、拡散部１２から出射された光Ｌ０以外の光が遮光部材４０で囲まれた空間に入射しないことが好ましい。
【００４６】
空中像形成光学系１Ａでは、拡散部１２に光Ｌ０が入射すると、拡散部１２によって光Ｌ０が角度範囲θで拡散され、光Ｌ１として偏光方向変更部１４に入射する。偏光方向変更部１４によって光Ｌ１の偏光方向が所定の方向に変更され、光Ｌ１１として画像情報付与部１６に入射する。
【００４７】
画像情報付与部１６の透明液晶ディスプレイの各セルＣでは、画像情報Ｉに応じて、空中像Ｍの形成に寄与する光Ｌ１の偏光方向を所定の方向とし、空中像Ｍの形成に寄与しない光Ｌ１の偏光方向を所定の方向とは異なる方向にする。偏光方向が適宜変更された光Ｌ１１は、カラーフィルター１９Ａ／１９Ｂ／１９Ｃを通過し、第二の光Ｌ１２として画像情報付与部１６から出射される。カラーフィルター１９Ａ／１９Ｂ／１９Ｃを通過することで、第二の光Ｌ１２には、画像情報Ｉに応じた偏光方向に加えて波長情報が付与される。
【００４８】
画像情報付与部１６から出射された第二の光Ｌ１２は、Ｄ３方向に沿って進行し、再帰性透過材２０Ａに入射する。再帰性透過材２０Ａに入射した第二の光Ｌ１２は、再帰透過し、光Ｌ１３として、再帰性透過材２０ＡからＤ４方向に沿って出射され、偏光方向選択部３０に入射する。偏光方向選択部３０に入射した光Ｌ１３のうち、偏光方向が所定の方向である光Ｌ１３は、偏光方向選択部３０を透過し、所定の結像位置Ｐ２で結像し、実像である空中像Ｍを形成する。偏光方向選択部３０に入射した光Ｌ１３のうち、偏光方向が所定の方向とは異なる光Ｌ１３は、偏光方向選択部３０で反射され、観察者Ｅには視認されない。
【００４９】
なお、図１では、光源Ｓから出射された光Ｌ０が鉛直方向の上側から下側に進行する場合を例示しているため、拡散部１２が水平方向に沿って配置されている。拡散部１２の向きは水平方向に限定されない。また、偏光方向変更部１４、画像情報付与部１６、再帰性透過材２０Ａ、及び、偏光方向選択部３０の配置や向き、角度は、拡散部１２から出射される光Ｌ０の向きに応じて適宜変更される。
【００５０】
以上説明した第一実施形態の空中像形成光学系１Ａは、再帰性透過材２０Ａをはじめ、拡散部１２等の光学的要素の遮蔽構造として、偏光方向変更部１４及び偏光方向選択部３０を備えている。これらの構成を備えることによって、偏光方向が所定の方向である第二の光Ｌ１３のみが偏光方向選択部３０から透過され、空中像Ｍが形成される。観察者Ｅは、実像である空中像Ｍを視認することができる。例えば空中像形成光学系１Ａの外側から第二の光Ｌ１２，Ｌ１３の進行経路に進入する外光等のように、空中像Ｍの形成に寄与しない光の偏光方向は、偏光方向変更部１４によって所定の方向に変更されない。そのため、空中像Ｍの形成に寄与しない光は、偏光方向選択部３０を透過しない。また、偏光方向選択部３０の外側からＤ５方向に進入する外光ＬＸの大部分の偏光方向も偏光方向変更部１４によって所定の方向に変更されない。そのため、外光ＬＸの大部分が偏光方向選択部３０で遮光される。即ち、偏光方向選択部３０を、第二の光Ｌ１３の進行経路上に配置することで、観察者Ｅ側から空中像形成光学系１Ａに向かって入射する光（例えば外光ＬＸ）を遮断することができる。このことによって、空中像Ｍの視認性が高くなり、観察者Ｅの注意意識が空中像Ｍに集中する。従って、空中像形成光学系１Ａによれば、空中像Ｍの視認性を高め、空中像形成光学系１Ａの光学的要素の遮蔽効果を高くすることができる。
【００５１】
また、第一実施形態の空中像形成光学系１Ａは、従来の空中像形成装置や空中像ディスプレイとは異なり、光源を有していない。空中像形成光学系１Ａは、太陽光や人工的な光源から出射された光（即ち、環境光）等の任意の明るい光を受光可能な映像形成構造として、拡散部１２、偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６を備えている。このような映像形成構造を備えていることで、空中像形成光学系１Ａは、環境光に基づく映像情報及び空中像Ｍを形成することができ、屋外や照明が付けられた室内等の明るい環境下で利用可能になる。そして、空中像形成光学系１Ａによれば、拡散部１２及び映像形成構造から出射される光Ｌ０，Ｌ１２の光量を増やし、高輝度の空中像Ｍを形成することができる。
【００５２】
また、第一実施形態の空中像形成光学系１Ａでは、偏光方向選択部３０が再帰性透過材２０Ａと所定の結像位置Ｐ２との間に配置され、再帰性透過材２０Ａの比較的近くに配置されている。このような相対配置によれば、偏光方向選択部３０の大きさを、偏光方向が所定の方向である第二の光Ｌ１３が透過する範囲に抑えつつ、観察者Ｅに対して再帰性透過材２０Ａの視認度を下げることができる。このことによって、空中像Ｍの視認度を高めることができる。
【００５３】
また、第一実施形態の空中像形成光学系１Ａでは、結像部２０は再帰性透過材２０Ａを備えているので、空中像Ｍの輝度を高くすることができる。また、再帰性透過材２０Ａの位置を固定し、図１に示すように、拡散部１２、偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６（即ち、映像形成構造をなす光学的要素）の相対位置を維持しつつ、再帰性透過材２０Ａに対してこれらの部材を近接又は離間させると、空中像Ｍを崩すことなく、空中像Ｍの形成位置を移動させることができる。例えば、拡散部１２、偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６が位置Ｐ３から位置Ｐ４に移動すると、空中像Ｍの結像位置が位置Ｐ２から位置Ｐ５に移動し、空中像Ｍ´が形成される。このように再帰性透過材２０Ａの位置を固定し、再帰性透過材２０Ａに対する拡散部１２、偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６の相対位置を移動させることで、観察者Ｅに空中像Ｍの動きを視認させることができる。言い換えれば、空中像Ｍに四次元的な動きを付与することができ、例えば空中像Ｍが観察者Ｅの手前に飛んでくるような効果や飛び跳ねるような効果をもたらすことができる。
【００５４】
また、第一実施形態の空中像形成光学系１Ａでは、結像部２０を再帰性透過材２０Ａとすることによって、光学系における光の反射回数を少なくし、拡散部１２から出射された光Ｌ０の光量の低下を抑えることができる。このことによっても、空中像Ｍの輝度をさらに高めることができる。
【００５５】
また、第一実施形態の空中像形成光学系１Ａでは、結像部２０は再帰性透過材２０Ａを備えているので、空中像形成光学系１Ａの全体構成を簡素にすることができる。このことによって、例えばディジタルサイネージ等の使用目的に合わせた空中像形成光学系１Ａの小型化や薄型化を図ることができる。
【００５６】
また、第一実施形態の空中像形成光学系１Ａでは、光Ｌ０の角度範囲θを変化させることによって、観察者Ｅが空中像Ｍを観察する際の視域を変えることができる。図３に示すように、空間像Ｍとして一旦結像した第二の光Ｌ１３は、結像した後に観察者Ｅに向けてＤ４方向に進むと共に拡散する。結像した後に拡散する第二の光Ｌ１３の角度範囲αは、観察者Ｅが空中像Ｍを観察する際の視域に対応している。図４に示すように、光Ｌ０の角度範囲θが角度範囲θ´に縮小されると、第二の光Ｌ１３の角度範囲αも角度範囲α´に縮小され、空中像Ｍの視域が狭くなる。このような原理をふまえ、光Ｌ０の角度範囲θは、光軸Ａに沿った光源Ｓと拡散部１２との距離に依存し、この距離をふまえて適宜設定されている。
【００５７】
また、第一実施形態の空中像形成光学系１Ａでは、映像形成構造をなす拡散部１２、偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６は、鉛直方向に沿って（所謂、縦並びに）配置されている。一方、再帰性透過材２０Ａ及び偏光方向選択部３０は、鉛直方向では映像形成構造の下方、かつ水平方向に沿って（所謂、横並びに）配置されている。このことにより、空中像形成光学系１Ａの奥行き方向（即ち、図１における水平方向）の大きさを抑え、薄型化を図ることができる。また、観察者Ｅの視線上には主に再帰性透過材２０Ａ及び偏光方向選択部３０が配置されるので、空中像形成光学系１Ａを構成する光学的要素のうち、再帰性透過材２０Ａが主な遮蔽対象になる。再帰性透過材２０Ａは偏光方向選択部３０によって偏光方向選択部３０よりＤ４方向の手前側に配置されているので、空中像形成光学系１Ａによれば、再帰性透過材２０Ａを効果的に遮蔽することができる。
【００５８】
（第二実施形態）
次に、本発明を適用した第二実施形態の空中像形成光学系１Ｂについて説明する。なお、図５に示す空中像形成光学系１Ｂの構成要素のうち、第一実施形態の空中像形成光学系１Ａと共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５９】
図５に示すように、空中像形成光学系１Ｂでは、空中像形成光学系１Ａと共通の構成要素と、反射部６０と、を備えている。但し、空中像形成光学系１Ａと共通の構成要素の一部の配置は、空中像形成光学系１Ａでの配置とは以下のように異なる。
【００６０】
空中像形成光学系１Ｂでは、拡散部１２、偏光方向変更部１４、画像情報付与部１６、再帰性透過材２０Ａ、偏光方向選択部３０が鉛直方向に沿って延在している。また、鉛直方向において、再帰性透過材２０Ａの下端部２０ｄが画像情報付与部１６の上端部１６ｃ（又は、拡散部１２の上端部、偏光方向変更部１４の上端部）と同程度、又は、画像情報付与部１６の上端部１６ｃより上方に位置している。
【００６１】
偏光方向選択部３０は、再帰性透過材２０Ａの出射面２２に近接するように配置されている。具体的には、板状の偏光方向選択部３０が再帰性透過材２０Ａの出射面２２に貼り付けられている。
【００６２】
反射部６０は、水平方向に沿って延在している。反射部６０の一方の端部６０ａは、再帰性透過材２０Ａの下端部２０ｄに接続されている。反射部６０としては、例えばミラーが挙げられる。なお、反射部６０は、再帰性透過材２０Ａに向いている面６０ｒで、再帰性透過材２０Ａから再帰透過されて出射した第二の光Ｌ１３を正反射させることができる部材であれば、特に限定されない。
【００６３】
反射部６０の他方の端部６０ｂは、少なくとも、端部６０ａから水平方向に沿って延ばした不図示の仮想線と、再帰性透過材２０Ａの出射面２２から出射された光Ｌ１３とが交差する位置より水平方向の奥側（即ち、前記仮想線と光Ｌ１３とが交差する位置から見て端部６０ａとは反対側）に位置している。
【００６４】
空中像形成光学系１Ｂでは、拡散部１２に光Ｌ０が入射すると、拡散部１２によって光Ｌ０が所定の角度範囲θで拡散され、光Ｌ１として偏光方向変更部１４に入射する。偏光方向変更部１４によって光Ｌ１の偏光方向が所定の方向に変更され、光Ｌ１１として画像情報付与部１６に入射する。第一実施形態の空中像形成光学系１Ａと同様に、画像情報付与部１６によって、光Ｌ１１に画像情報Ｉに応じた偏光方向のパターン及び波長情報が付与される。
【００６５】
画像情報付与部１６から出射された第二の光Ｌ１２は、Ｄ３方向に沿って進行し、再帰性透過材２０Ａに入射する。再帰性透過材２０Ａに入射した第二の光Ｌ１２は、再帰透過し、第二の光Ｌ１３として、再帰性透過材２０ＡからＤ４方向に沿って出射され、偏光方向選択部３０に入射する。偏光方向選択部３０に入射した第二の光Ｌ１３のうち、偏光方向が所定の方向である第二の光Ｌ１３は、偏光方向選択部３０を透過し、反射部６０の面（反射面）６０ｒに入射し、面６０ｒでＤ３方向に正反射される。反射部６０によって正反射された第二の光Ｌ１３は、所定の結像位置Ｐ２で結像し、実像である空中像Ｍを形成する。空中像形成光学系１Ａと同様に、偏光方向選択部３０に入射した光Ｌ１３のうち、偏光方向が所定の方向とは異なる光Ｌ１３は、偏光方向選択部３０で反射され、観察者Ｅには視認されない。
【００６６】
以上説明した第二実施形態の空中像形成光学系１Ｂは、再帰性透過材２０Ａをはじめ、拡散部１２等の光学的要素の遮蔽構造として、偏光方向変更部１４及び偏光方向選択部３０を備えている。これらの構成を備えることによって、偏光方向が所定の方向である光Ｌ１３のみが偏光方向選択部３０から透過され、空中像Ｍが形成される。観察者Ｅは、実像である空中像Ｍを視認することができる。従って、空中像形成光学系１Ｂによれば、第一実施形態の空中像形成光学系１Ａと同様に、空中像Ｍの視認性を高め、空中像形成光学系１Ｂの光学的要素の遮蔽効果を高くすることができる。
【００６７】
また、第二実施形態の空中像形成光学系１Ｂでは、鉛直方向において、再帰性透過材２０Ａ及び偏光方向選択部３０が拡散部１２、偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６からなる映像形成構造より上方に配置されている。また、反射部６０が再帰性透過材２０Ａの下端部２０ｄから水位方向に沿って映像形成構造とは反対側に延在している。このような構成によって、再帰性透過材２０Ａから出射された第二の光Ｌ１３が鉛直方向において映像形成構造の上方で進行し、観察者Ｅに届く。このことにより、空中像形成光学系１Ｂの光学的要素の遮蔽効果を高くすることができる。
【００６８】
また、第二実施形態の空中像形成光学系１Ｂでは、映像形成構造をなす拡散部１２、偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６は、水平方向に沿って（所謂、横並びに）配置されている。一方、再帰性透過材２０Ａ及び偏光方向選択部３０は、鉛直方向では映像形成構造の上方、かつ水平方向に沿って（所謂、横並びに）配置されている。このことにより、空中像形成光学系１Ａの高さ方向（即ち、図１における鉛直方向）の大きさを抑え、小型化を図ることができる。また、観察者Ｅの視線上には主に再帰性透過材２０Ａ及び偏光方向選択部３０が配置されるので、空中像形成光学系１Ａと同様に、空中像形成光学系１Ｂを構成する光学的要素のうち、再帰性透過材２０Ａが主な遮蔽対象になる。再帰性透過材２０Ａは偏光方向選択部３０によって偏光方向選択部３０よりＤ４方向手前側に配置されているので、空中像形成光学系１Ｂによれば、再帰性透過材２０Ａを効果的に遮蔽することができる。また、空中像形成光学系１Ｂでは、偏光方向選択部３０が再帰性透過材２０Ａの出射面２２に貼られているので、再帰性透過材２０Ａを偏光板や、偏光フィルター、偏光フィルム等で覆い、再帰性透過材２０Ａを見え難くすることができる。
【００６９】
また、本発明に係る映像形成構造では、第一実施形態で説明したように、拡散部１２及び映像形成構造から出射される光Ｌ０，Ｌ１２の光量を高くしている。このことによって、本発明に係る映像形成構造は、第二実施形態の空中像形成光学系１Ｂや後述する各実施形態の空中像形成光学系のように空中像形成光学系１Ａよりも光の反射回数が多い光学系にも適応し易い。
【００７０】
（第二実施形態の変形例）
次に、本発明を適用した第二実施形態の空中像形成光学系１Ｂを変形した空中像形成光学系１Ｃについて説明する。なお、図６に示す空中像形成光学系１Ｃの構成要素のうち、第二実施形態の空中像形成光学系１Ｂと共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７１】
図６に示すように、空中像形成光学系１Ｃは、空中像形成光学系１Ｂと共通の構成要素を備えている。但し、偏光方向選択部３０の配置は、空中像形成光学系１Ｂでの配置とは異なる。偏光方向選択部３０は、反射部６０において再帰性透過材２０Ａに向いている面６０ｒに近接及び平行するように配置されている。具体的には、板状の偏光方向選択部３０が反射部６０の面６０ｒに貼り付けられている。
【００７２】
空中像形成光学系１Ｃでの光の進行は、前述した空中像形成光学系１Ｂでの光の進行と同様である。但し、空中像形成光学系１Ｃでは、再帰性透過材２０Ａを再帰透過した第二の光Ｌ１３は、再帰性透過材２０ＡからＤ４方向に沿って出射され、偏光方向選択部３０に入射する。偏光方向選択部３０に入射した第二の光Ｌ１３のうち、偏光方向が所定の方向である第二の光Ｌ１３は、偏光方向選択部３０を透過した直後に、反射部６０の面（反射面）６０ｒに入射し、面６０ｒで正反射される。反射部６０によって正反射された第二の光Ｌ１３は、所定の結像位置Ｐ２で結像し、実像である空中像Ｍを形成する。空中像形成光学系１Ａと同様に、偏光方向選択部３０に入射した光Ｌ１３のうち、偏光方向が所定の方向とは異なる光Ｌ１３は、偏光方向選択部３０で反射され、観察者Ｅには視認されない。
【００７３】
以上説明した第二実施形態の変形例の空中像形成光学系１Ｃによれば、空中像形成光学系１Ｂと同様の作用効果が得られ、空中像Ｍの視認性を高めると共に、空中像形成光学系１Ｃの光学的要素の遮蔽効果を高くすることができる。
【００７４】
また、第二実施形態の変形例の空中像形成光学系１Ｃでは、偏光方向選択部３０が反射部６０の面６０ｒに貼られているので、面６０ｒのぎらつきを抑え、観察者Ｅに反射部６０の光沢を見え難くすることができる。なお、観察者Ｅの視域内に再帰性透過材２０Ａがあるが、再帰性透過材２０Ａは第二の光Ｌ１３の波長域で透明（例えば、透過率が８０％以上１００％以下であること）であり、再帰性透過材２０Ａの透過率（透明度）は、空中像Ｍの輝度値に反映される。再帰性透過材２０Ａの透過率が高い程、反射部６０の光沢が観察者Ｅに対して見え難くなるので、好ましい。
【００７５】
（第三実施形態）
次に、本発明を適用した第三実施形態の空中像形成光学系１Ｄについて説明する。なお、図７に示す空中像形成光学系１Ｄの構成要素のうち、第二実施形態の空中像形成光学系１Ｂと共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７６】
図７に示すように、空中像形成光学系１Ｄは、空中像形成光学系１Ｂと共通の構成要素を備えている。但し、偏光方向選択部３０の配置は、空中像形成光学系１Ｂ，１Ｃでの配置とは異なる。偏光方向選択部３０は、水平方向において少なくとも所定の結像位置Ｐ２よりも第二の光Ｌ１３の進行方向の奥側（即ち、観察者Ｅ側）、好ましくは反射部６０の他方の端部６０ｂよりも前記進行方向の奥側に配置されている。
【００７７】
偏光方向選択部３０は、鉛直方向に沿って延在している。偏光方向選択部３０の上端部３０ｃは、再帰性透過材２０Ａの上端部２０ｃと同程度、又は、再帰性透過材２０Ａの上端部２０ｃより上方に位置している。偏光方向選択部３０の下端部３０ｄは、画像情報付与部１６の下端部１６ｄ（又は、拡散部１２の下端部、偏光方向変更部１４の下端部）と同程度、又は、画像情報付与部１６の下端部１６ｄより下方に位置している。即ち、Ｄ５方向から見ると、偏光方向選択部３０は、偏光方向選択部３０以外の空中像形成光学系１Ｄの光学的要素の全体を隠すように配置されている。
【００７８】
空中像形成光学系１Ｄでの光の進行は、前述した空中像形成光学系１Ｂでの光の進行と同様である。但し、再帰性透過材２０Ａを再帰透過した第二の光Ｌ１３は、再帰性透過材２０ＡからＤ４方向に沿って出射され、反射部６０の面（反射面）６０ｒに入射し、面６０ｒでＤ３方向に正反射される。反射部６０によって正反射された第二の光Ｌ１３は、偏光方向に関係なく、所定の結像位置Ｐ２で結像し、実像である空中像Ｍを形成する。結像位置Ｐ２で一旦結像した第二の光Ｌ１３は、光軸Ａを基準にして拡散しながらＤ３方向に沿って進み、偏光方向選択部３０の上部に入射する。偏光方向選択部３０に入射した光Ｌ１３のうち、偏光方向が所定の方向である光Ｌ１３は、偏光方向選択部３０を透過する。偏光方向選択部３０に入射した光Ｌ１３のうち、偏光方向が所定の方向とは異なる光Ｌ１３は、偏光方向選択部３０で反射される。その結果、第二の光Ｌ１３のうち偏光方向が所定の方向である光で形成される空中像Ｍのみが観察者Ｅに視認される。
【００７９】
以上説明した第三実施形態の変形例の空中像形成光学系１Ｄによれば、空中像形成光学系１Ｂと同様の作用効果が得られ、空中像Ｍの視認性を高めると共に、空中像形成光学系１Ｄの光学的要素の遮蔽効果を高くすることができる。
【００８０】
また、第三実施形態の空中像形成光学系１Ｄでは、偏光方向選択部３０が偏光方向選択部３０以外の空中像形成光学系１Ｄの光学的要素の全体を隠すように配置されているので、観察者Ｅに対して光学的要素の全体を見え難くすることができる。また、偏光方向選択部３０による遮光範囲が広いので、観察者Ｅに対して、空中像形成光学系１Ｄの上述の光学的要素に付設されている部材や空中像形成光学系１Ｄに進入する外光等を包括的に見え難くすることができる。
【００８１】
（第四実施形態）
次に、本発明を適用した第四実施形態の空中像形成光学系１Ｅについて説明する。なお、図８に示す空中像形成光学系１Ｅの構成要素のうち、第一実施形態の空中像形成光学系１Ａと共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８２】
図８に示すように、空中像形成光学系１Ｅは、拡散部１２、偏光方向変更部１４、画像情報付与部１６、光分岐部８０、結像部２０、及び、偏光方向選択部３０を備えている。
【００８３】
光分岐部８０は、入射する第二の光Ｌ１２の一部を正反射させ、第二の光Ｌ１２の残部を透過させる。光分岐部８０は、画像情報付与部１６から出射された第二の光Ｌ１２の進行経路上に配置され、第二の光Ｌ１２の光軸Ａに対して略４５°をなすように傾斜している。このように光分岐部８０が偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６に対して傾斜していることで、第二の光Ｌ１２の進行方向及び進行経路は、光分岐部８０を基点としてＤ５方向とＤ３方向に一旦分岐する。後述するように再帰反射された後、第二の光Ｌ１４，Ｌ１５の進行方向及び進行経路は、光分岐部８０で合流し、Ｄ５方向に重なる。つまり、第二の光Ｌ１２，Ｌ１３の進行方向及び進行経路は、光分岐部８０を中心として略鉛直方向から略水平方向に折り返す。光分岐部８０としては、例えばハーフミラーが挙げられる。
【００８４】
結像部２０は、二つの再帰性反射材２０Ｂ，２０Ｃで構成されている。二つの再帰性反射材２０Ｂ，２０Ｃは、各々、再帰反射面２４を有している。再帰反射面２４の構造は、公知の再帰反射構造であってよく、入射する第二の光Ｌ１２を再帰反射させることができる構造であって、特に限定されない。例えば、再帰反射面２４に、微小な直径及び空気より高い屈折率を有する球体２８が再帰性反射材２０Ｂ／２０Ｃの各々の延在方向に沿って間隔をあけずに複数配列されている。
【００８５】
再帰性反射材２０Ｂは、光分岐部８０の入射面８１で正反射された第二の光Ｌ１２の進行経路上に配置されている。再帰性反射材２０Ｂは、再帰反射面２４を光分岐部８０の入射面８１（即ち、分岐面）に対向させ、鉛直方向に沿って延在している。再帰性反射材２０Ｃは、光分岐部８０の出射面８２から出射（透過）された第二の光Ｌ１２の進行経路上に配置されている。再帰性反射材２０Ｃは、再帰反射面２４を光分岐部８０の出射面８２に対向させ、水平方向に沿って延在している。
【００８６】
所定の結像位置Ｐ２は、拡散部１２によって拡散された光Ｌ１の原点を、光分岐部８０を中心にしてＤ４方向の奥側に折り返した位置にある。光分岐部８０、再帰性反射材２０Ｂ，２０Ｃの相対位置が固定されている場合、結像位置Ｐ２は、拡散部１２、偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６の相対位置が決まれば一義的に決まる。また、鉛直方向（即ち、Ｄ３方向）における光Ｌ１の原点と光分岐部８０の任意の位置との距離と、水平方向（即ち、Ｄ４方向）における光分岐部８０の前記任意の位置と結像位置Ｐ２との距離は、等しい。
【００８７】
偏光方向選択部３０は、光分岐部８０の出射面８２から出射された第二の光Ｌ１３の進行経路上（即ち、Ｄ４方向）において、光分岐部８０と結像位置Ｐ２との間に配置されている。偏光方向選択部３０は、鉛直方向に沿って延在している。
【００８８】
空中像形成光学系１Ｅでは、拡散部１２に光Ｌ０が入射すると、拡散部１２によって光Ｌ０が角度範囲θで拡散され、光Ｌ１として偏光方向変更部１４に入射する。偏光方向変更部１４によって光Ｌ１の偏光方向が所定の方向に変更され、光Ｌ１１として画像情報付与部１６に入射する。第一実施形態の空中像形成光学系１Ａと同様に、画像情報付与部１６によって、光Ｌ１１に画像情報Ｉに応じた偏光方向のパターン及び波長情報が付与される。
【００８９】
画像情報付与部１６から出射された第二の光Ｌ１２は、Ｄ３方向に沿って進行し、光分岐部８０に入射面８１から入射する。光分岐部８０に入射した第二の光Ｌ１２の一部（略半分）は、入射面８１で正反射され、Ｄ５方向に沿って出射され、再帰性反射材２０Ｂに入射する。再帰性反射材２０Ｂに入射した第二の光Ｌ１２は、再帰反射面２４の球体２８に入射し、屈折及び反射した後、光軸Ａに対して入射角度と同じ角度で、入射方向とは逆向きに球体２８から出射される。即ち、第二の光Ｌ１２は、球体２８で再帰反射される。再帰性反射材２０Ｂによって再帰反射されて出射された第二の光Ｌ１４は、Ｄ４方向沿って進行し、再び光分岐部８０に入射面８１から入射し、光分岐部８０を透過し、そのままＤ４方向に沿って進行する。
【００９０】
光分岐部８０に入射した第二の光Ｌ１２の残部（略半分）は、光分岐部８０を透過し、Ｄ３方向に沿って出射され、再帰性反射材２０Ｃに入射する。再帰性反射材２０Ｃに入射した第二の光Ｌ１２は、再帰性反射材２０Ｂについて説明した内容と同様に、球体２８で再帰反射される。再帰性反射材２０Ｃによって再帰反射されて出射された第二の光Ｌ１５は、Ｄ３方向とは逆向きに沿って進行し、光分岐部８０に出射面８２から入射する。出射面８２に入射した第二の光Ｌ１５は、入射面８１で正反射され、第二の光Ｌ１４と合流し、出射面８２からＤ４方向に沿って出射される。
【００９１】
合流した第二の光Ｌ１４，Ｌ１５は、第二の光Ｌ１３として、Ｄ４方向に沿って進行し、偏光方向選択部３０に入射する。偏光方向選択部３０に入射した第二の光Ｌ１３のうち、偏光方向が所定の方向である光Ｌ１３は、偏光方向選択部３０を透過し、所定の結像位置Ｐ２で結像し、実像である空中像Ｍを形成する。偏光方向選択部３０に入射した光Ｌ１３のうち、偏光方向が所定の方向とは異なる光Ｌ１３は、偏光方向選択部３０で反射され、観察者Ｅには視認されない。
【００９２】
以上説明した第四実施形態の空中像形成光学系１Ｅは、再帰性反射材２０Ｂ，２０Ｃをはじめ、拡散部１２等の光学的要素の遮蔽構造として、偏光方向変更部１４及び偏光方向選択部３０を備えている。これらの構成を備えることによって、偏光方向が所定の方向である光Ｌ１３のみが偏光方向選択部３０から透過され、空中像Ｍが形成される。観察者Ｅは、実像である空中像Ｍを視認することができる。また、空中像形成光学系１Ａと同様に、偏光方向選択部３０の外側から空中像形成光学系１Ｅに向かう外光の大部分が偏光方向選択部３０で遮光される。このことによって、空中像Ｍの視認性が高くなり、観察者Ｅの注意意識が空中像Ｍに集中する。従って、空中像形成光学系１Ｅによれば、空中像Ｍの視認性を高め、空中像形成光学系１Ｅの光学的要素の遮蔽効果を高くすることができる。
【００９３】
また、第四実施形態の空中像形成光学系１Ｅは、任意の光を受光可能な映像形成構造として、拡散部１２、偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６を備えている。このような映像形成構造を備えていることで、空中像形成光学系１Ｅは、空中像形成光学系１Ａと同様に、環境光に基づく映像情報及び空中像Ｍを形成することができ、屋外や照明が付けられた室内等の明るい環境下で利用可能になる。
【００９４】
また、第四実施形態の空中像形成光学系１Ｅでは、偏光方向選択部３０が第二の光Ｌ１３の進行経路上で光分岐部８０と所定の結像位置Ｐ２との間に配置されている。このような相対配置によれば、偏光方向選択部３０の大きさを、偏光方向が所定の方向である第二の光Ｌ１３が透過する範囲に抑えつつ、観察者Ｅに対して光分岐部８０や再帰性反射材２０Ｂの視認度を下げることができる。このことによって、空中像Ｍの視認度を高めることができる。
【００９５】
また、第四実施形態の空中像形成光学系１Ｅでは、結像部２０は再帰性反射材２０Ｂ，２０Ｃを備えているので、空中像Ｍの輝度を高くすることができる。また、光分岐部８０及び再帰性反射材２０Ｂ，２０Ｃの位置を固定し、映像形成構造をなす拡散部１２、偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６の相対位置を維持しつつ、光分岐部８０に対してこれらの部材を近接又は離間させると、空中像Ｍを崩すことなく、空中像Ｍの形成位置を移動させることができる。このように光分岐部８０に対する拡散部１２、偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６の相対位置を移動させることで、観察者Ｅに空中像Ｍの動きを視認させることができる。即ち、空中像形成光学系１Ａと同様に、結像部２０に再帰性光学素子を適用することによって、空中像Ｍに四次元的な動きを付けることができ、例えば空中像Ｍが観察者Ｅの手前に飛んでくるような効果や飛び跳ねるような効果をもたらすことができる。
【００９６】
また、第四実施形態の空中像形成光学系１Ｅでは、空中像形成光学系１Ａと同様に、光Ｌ０の角度範囲θを変化させることによって、観察者Ｅが空中像Ｍを観察する際の視域を変えることができる。
【００９７】
また、第四実施形態の空中像形成光学系１Ｅでは、光分岐部８０を挟んで入射面８１側に再帰性反射材２０Ｂが配置され、出射面８２側に再帰性反射材２０Ｃが配置されている。また、再帰性反射材２０Ｂ，２０Ｃは側面視で互いに直角をなすように配置されている。このことにより、空中像形成光学系１Ｅの高さ方向（即ち、図８における鉛直方向）及び奥行き方向（即ち、図８における水平方向）の大きさを抑え、小型化を図ることができる。また、観察者Ｅの視線上には主に再帰性反射材２０Ｂ、光分岐部８０及び偏光方向選択部３０が配置されるので、空中像形成光学系１Ｅを構成する光学的要素のうち、再帰性反射材２０Ｂ及び光分岐部８０が主な遮蔽対象になる。再帰性反射材２０Ｂ及び光分岐部８０は偏光方向選択部３０によって偏光方向選択部３０よりＤ４方向手前側に配置されているので、空中像形成光学系１Ｅによれば、再帰性反射材２０Ｂ及び光分岐部８０を効果的に遮蔽することができる。
【００９８】
（第五実施形態）
次に、本発明を適用した第五実施形態の空中像形成装置２について説明する。なお、図９に示す空中像形成装置２の構成要素のうち、第一実施形態の空中像形成光学系１Ａと共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００９９】
空中像形成装置２は、空中像形成光学系１Ａと同一の構成要素と、光Ｌ０を出射可能な光源Ｓと、を一体的に備えている。即ち、空中像形成装置２は、光源Ｓと、光源Ｓから出射された光Ｌ０を所定の角度範囲θで拡散させて偏光方向変更部１４に照射する拡散部１２と、拡散部１２から出射された光Ｌ１の偏光方向を所定の方向に変更する偏光方向変更部１４と、偏光方向が所定の方向に変更された第一の光Ｌ１１に所望の画像情報Ｉを付与して第二の光Ｌ１２として出射する画像情報付与部１６と、画像情報Ｉが付与されて入射される第二の光Ｌ１２を所定の結像位置Ｐ２に結像させる結像部２０と、結像部２０から出射された第二の光Ｌ１３の進行経路上に配置され、偏光方向が所定の方向である光を透過させ、且つ偏光方向が所定の方向とは異なる方向である光を遮光する偏光方向選択部３０と、マスク部３２と、遮光部材４０と、を備えている。
【０１００】
光源Ｓは、例えば、液晶ディスプレイ用のバックライト、ＬＥＤランプやハロゲンランプ等の白色光源等であるが、光Ｌ０を出射可能な光源であれば特に限定されない。なお、光源Ｓから、光軸Ａを基準とする角度範囲θで拡散された光Ｌ１が直接出射可能であれば、拡散部１２は省略してもよい。
【０１０１】
光源Ｓ以外の空中像形成装置２の構成要素の詳細は、空中像形成光学系１Ａの構成要素の詳細と同様である。また、拡散部１２に光源Ｓから出射された光Ｌ０が直接入射すること以外は、空中像形成装置２における光の進行は、空中像形成光学系１Ａにおける光の進行と同様である。
【０１０２】
以上説明した第五実施形態の空中像形成装置２によれば、空中像形成光学系１Ａと同様の作用効果が得られる。また、第五実施形態の空中像形成装置２は、専用の光源Ｓを備えているので、環境光の光量が少ない暗所等でも使用可能になり、視認度の高い空中像Ｍを形成することができる。
【０１０３】
本発明に係る空中像形成光学系及び空中像形成装置では、偏光方向選択部３０が第二の光Ｌ１３の進行経路上に配置されてさえいれば、偏光方向選択部３０の第二の光Ｌ１３の進行経路上の位置（空中像Ｍに対する相対位置）や、上述の各実施形態で例示したように結像部２０として適用する光学的要素等を適宜変更することができる。このような変更等によって、空中像形成光学系及び空中像形成装置の設計の自由度を高め、利用目的に応じた空中像形成光学系及び空中像形成装置を構成することができる。
【０１０４】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【０１０５】
例えば、上述の実施形態では、結像部２０として再帰性透過材２０Ａや再帰性反射材２０Ｂ，２０Ｃを挙げたが、結像部２０は第二の光Ｌ１３を所定の結像位置Ｐ２に結像させることができる部材、光学デバイスを全て含む。一例として、結像部２０は、図１０に示すように第二の光Ｌ１２の進行方向の奥側に向って凹む凹面鏡２０Ｄであってもよい。但し、凹面鏡２０Ｄを用いる場合は、所定の角度範囲θで拡散される光Ｌ１１の原点Ｏ１と所定の結像位置Ｐ２の各々の位置が決まると、凹面鏡２０Ｄの形状（曲率）が一義的に決まる。そのため、凹面鏡２０Ｄの位置及び姿勢を固定し、拡散部１２、偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６の相対位置を維持しつつ、凹面鏡２０Ｄに対してこれらの部材を近接又は離間させると、空中像Ｍは結像しない。即ち、結像部２０として凹面鏡２０Ｄを用いる場合は、再帰性光学素子を用いる場合とは異なり、観察者Ｅに空中像Ｍの動きを視認させることは難しい。
【０１０６】
また、上述の実施形態では、偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６を兼ねる光学デバイスとして、透明液晶ディスプレイを挙げたが、偏光方向変更部１４及び画像情報付与部１６は透明液晶ディスプレイに限定されない。偏光方向変更部１４は、拡散部１２によって拡散された光Ｌ１の偏光方向を所定の方向に変更することができる部材、光学デバイス等を全て含み、例えば前述の偏光板であってもよい。また、画像情報付与部１６は、偏光方向が所定の方向に変更された第一の光Ｌ１１に所望の画像情報Ｉを付与して第二の光Ｌ１２として出射することができる部材、光学デバイス等を全て含み、例えば単なるカラーフィルターや色紙、画像情報Ｉに合った振幅分布が形成されたフィルタ等であってもよい。
【０１０７】
また、上述の実施形態の構成は、適宜組み合わせることができる。
【符号の説明】
【０１０８】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ  空中像形成光学系
２  空中像形成装置
１２  拡散部
１４  偏光方向変更部
１６  画像情報付与部
２０  結像部
２０Ａ  再帰性透過材
２０Ｂ，２０Ｃ  再帰性反射材
３０  偏光方向選択部
Ａ  光軸（入射光軸を含む）
Ｌ０，Ｌ１  光
Ｌ１１  第一の光
Ｌ１２，Ｌ１３  第二の光
Ｐ２所定の結像位置
Ｓ  光源
【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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