(57)【要約】【課題】ビームスプリッタおよび再帰反射シートを用いて空中像を結像する構成において、装置の薄型化を図りつつ、空中像の輝度低下を抑える。【解決手段】空中映像表示装置は、被対象物から出射され、ビームスプリッタで反射された光を、再帰反射シートで再帰反射させてビームスプリッタを透過させ、ビームスプリッタに対して被対象物とは反対側の空中に導くことにより、被対象物の実像を空中に結像させる。上記空中映像表示装置は、被対象物からの光を偏向してビームスプリッタに導く偏向光学素子４を備える。偏向光学素子４は、透光性の平板部材４１と、平板部材４１の内部に互いに離間して配置される複数の反射偏向面４２とを有する。複数の反射偏向面４２は、平板部材４１の互いに対向する２面のうちの一方の面４１ａから入射した被対象物からの光を反射によって偏向して、他方の面４１ｂから出射させる。【選択図】図４
2019101055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の少なくとも一部を選択的に透過または反射させるビームスプリッタと、再帰反射シートとを備え、被対象物から出射され、前記ビームスプリッタで反射された光を、前記再帰反射シートで再帰反射させて前記ビームスプリッタを透過させ、前記ビームスプリッタに対して前記被対象物とは反対側の空中に導くことにより、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、
前記被対象物からの光を偏向して前記ビームスプリッタに導く偏向光学素子をさらに備え、
前記偏向光学素子は、
透光性の平板部材と、
前記平板部材の内部に互いに離間して配置され、前記平板部材の互いに対向する２面のうちの一方の面から入射した前記被対象物からの光を反射によって偏向して、他方の面から出射させる複数の反射偏向面とを有していることを特徴とする空中映像表示装置。
【請求項２】
前記偏向光学素子の前記複数の反射偏向面は、前記平板部材の前記２面の少なくとも一方に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の空中映像表示装置。
【請求項３】
前記偏向光学素子の前記複数の反射偏向面は、前記被対象物から任意の前記反射偏向面に入射する入射光線と、該入射光線が前記反射偏向面で反射偏向されて出射されるときの出射光線とを含む面内で、前記平板部材の厚み方向に垂直な一方向に離間して配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の空中映像表示装置。
【請求項４】
前記偏向光学素子の前記複数の反射偏向面は、前記一方向に一定のピッチで配置されていることを特徴とする請求項３に記載の空中映像表示装置。
【請求項５】
前記偏向光学素子に対して前記被対象物側に配置され、前記被対象物からの光を、所定範囲内の拡散角度に制限して出射する拡散制限部材をさらに備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の空中映像表示装置。
【請求項６】
前記拡散制限部材は、
透光性部材と、
前記透光性部材の内部で互いに離間して配置される複数の遮光板とを有していることを特徴とする請求項５に記載の空中映像表示装置。
【請求項７】
前記偏向光学素子は、前記被対象物の光出射面と平行に配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の空中映像表示装置。
【請求項８】
前記偏向光学素子は、前記複数の反射偏向面の裏面側に無反射層を有していることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の空中映像表示装置。
【請求項９】
前記再帰反射シートの前記ビームスプリッタ側に配置される位相差板をさらに備え、
前記ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタで構成されており、前記被対象物から出射される直線偏光を反射させて、前記位相差板を介して前記再帰反射シートに導く一方、前記再帰反射シートで再帰反射されて前記位相差板を介して入射する、前記直線偏光とは偏光方向が直交する直線偏光を透過させて前記空中に導くことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の空中映像表示装置。
【請求項１０】
前記位相差板は、１／４波長板であることを特徴とする請求項９に記載の空中映像表示装置。
【請求項１１】
前記被対象物は、液晶表示装置であることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の空中映像表示装置。
【請求項１２】
前記ビームスプリッタおよび前記被対象物を互いに平行に保持する直方体形状の筐体をさらに備え、
前記再帰反射シートは、前記筐体の異なる面に位置する、第１から第４のシートからなり、
前記第１のシートは、前記筐体において、前記被対象物を保持する底面上に、前記被対象物と並んで位置しており、
前記第２のシートは、前記筐体の前記底面と垂直に交わる第１の側面に、前記第１のシートとつながるように位置しており、
前記第３のシートは、前記筐体の前記底面と垂直に交わり、かつ、前記第１の側面と対向する第２の側面に、前記第１のシートとつながるように位置しており、
前記第４のシートは、前記筐体の前記底面と垂直に交わり、かつ、前記第１の側面および前記第２の側面と垂直に交わる第３の側面に、前記第１のシート、前記第２のシートおよび前記第３のシートとつながるように位置していることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の空中映像表示装置。
【請求項１３】
前記再帰反射シートは、前記空中に結像される前記実像の観察側から見て凹となる曲率を有する曲面シートであることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の空中映像表示装置。
【請求項１４】
前記曲面シートは、半球面状シートであることを特徴とする請求項１３に記載の空中映像表示装置。
【請求項１５】
前記偏向光学素子からの光を所定範囲内の拡散角度に制限して透過させ、厚み方向とは異なる方向に透過率が最大である透過制御部材をさらに備え、
前記透過制御部材において、透過率が最大である方向に透過する光線が、前記ビームスプリッタに対して所望の角度範囲で入射するように配置されていることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の空中映像表示装置。
【請求項１６】
前記透過制御部材は、
透光性の平板部材と、
前記平板部材の内部で互いに離間して配置される複数の遮光板とを有しており、
前記複数の遮光板は、透過率が最大となる方向と平行または略平行となるように、前記平板部材の厚み方向に対して傾斜した状態で配置されていることを特徴とする請求項１５に記載の空中映像表示装置。
【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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被対象物の実像を空中に結像させ、その実像を観察者に観察させる空中映像表示装置が種々提案されている。ここで、被対象物には、ディスプレイ（例えば液晶表示装置（ＬＣＤ））のほか、３次元的な物体も含まれるが、広義には、ディスプレイに表示される画像も含まれる。
【０００３】
例えば特許文献１では、半透鏡と、再帰反射シートとを用いて、被対象物の実像を空中に結像させる方式を開示している。すなわち、この方式では、被対象物からの光の一部を半透鏡で反射させて再帰反射シートに入射させ、そこで再帰反射された光の一部を、半透鏡を透過させて空中に導くことにより、空中に被対象物の実像（空中像）を形成するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３４８４０４号公報（請求項３〜６、８、段落〔００２２〕、〔００２９〕〜〔００３０〕、〔００３５〕〜〔００３７〕、図６、図９、図１１等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
被対象物としてＬＣＤなどの一般的な表示装置を用いる場合、上記表示装置は正面輝度が最も高い。このため、半透鏡のようなビームスプリッタ（以下、ＢＳとも記載）と、再帰反射シートとを用いて高輝度な空中像を得るためには、ＢＳに対して表示装置を４５°傾斜させて配置し、表示装置から垂直に出射される高輝度の光をＢＳに対して入射角４５°で入射させ、ＢＳで反射される光を再帰反射シートに導く構成が望ましい。しかし、この構成では、ＢＳに対して表示装置側に、表示装置を傾斜させて配置するための大きな空間を確保することが必要となる。その結果、空中映像表示装置の厚みが増大し、装置が大型化する。
【０００６】
一方、装置の厚みを薄くするために、ＢＳに対して表示装置を平行に近づけて配置するだけでは、表示装置から、高輝度の光の出射角（例えば表示面の法線に対して０°）から乖離した角度で出射される光をＢＳで反射させた後、再帰反射シートに入射させることになる。この場合、上記高輝度の光の利用効率が低下するため、空中像の輝度が低下する。
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、ＢＳおよび再帰反射シートを用いて空中像を結像する構成において、装置の薄型化を図りつつ、空中像の輝度低下を抑えることができる空中映像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面に係る空中映像表示装置は、入射光の少なくとも一部を選択的に透過または反射させるビームスプリッタと、再帰反射シートとを備え、被対象物から出射され、前記ビームスプリッタで反射された光を、前記再帰反射シートで再帰反射させて前記ビームスプリッタを透過させ、前記ビームスプリッタに対して前記被対象物とは反対側の空中に導くことにより、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、前記被対象物からの光を偏向して前記ビームスプリッタに導く偏向光学素子をさらに備え、前記偏向光学素子は、透光性の平板部材と、前記平板部材の内部に互いに離間して配置され、前記平板部材の互いに対向する２面のうちの一方の面から入射した前記被対象物からの光を反射によって偏向して、他方の面から出射させる複数の反射偏向面とを有している。
【０００９】
上記の空中映像表示装置において、前記偏向光学素子の前記複数の反射偏向面は、前記平板部材の前記２面の少なくとも一方に対して傾斜していることが望ましい。
【００１０】
上記の空中映像表示装置において、前記偏向光学素子の前記複数の反射偏向面は、前記被対象物から任意の前記反射偏向面に入射する入射光線と、該入射光線が前記反射偏向面で反射偏向されて出射されるときの出射光線とを含む面内で、前記平板部材の厚み方向に垂直な一方向に離間して配置されていることが望ましい。
【００１１】
上記の空中映像表示装置において、前記偏向光学素子の前記複数の反射偏向面は、前記一方向に一定のピッチで配置されていることが望ましい。
【００１２】
上記の空中映像表示装置は、前記偏向光学素子に対して前記被対象物側に配置され、前記被対象物からの光を、所定範囲内の拡散角度に制限して出射する拡散制限部材をさらに備えていることが望ましい。
【００１３】
上記の空中映像表示装置において、前記拡散制限部材は、透光性部材と、前記透光性部材の内部で互いに離間して配置される複数の遮光板とを有していることが望ましい。
【００１４】
上記の空中映像表示装置において、前記偏向光学素子は、前記被対象物の光出射面と平行に配置されていることが望ましい。
【００１５】
上記の空中映像表示装置において、前記偏向光学素子は、前記複数の反射偏向面の裏面側に無反射層を有していることが望ましい。
【００１６】
上記の空中映像表示装置は、前記再帰反射シートの前記ビームスプリッタ側に配置される位相差板をさらに備え、前記ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタで構成されており、前記被対象物から出射される直線偏光を反射させて、前記位相差板を介して前記再帰反射シートに導く一方、前記再帰反射シートで再帰反射されて前記位相差板を介して入射する、前記直線偏光とは偏光方向が直交する直線偏光を透過させて前記空中に導く構成であってもよい。
【００１７】
上記の空中映像表示装置において、前記位相差板は、１／４波長板であることが望ましい。
【００１８】
上記の空中映像表示装置において、前記被対象物は、液晶表示装置であることが望ましい。
【００１９】
上記の空中映像表示装置は、前記ビームスプリッタおよび前記被対象物を互いに平行に保持する直方体形状の筐体をさらに備え、前記再帰反射シートは、前記筐体の異なる面に位置する、第１から第４のシートからなり、前記第１のシートは、前記筐体において、前記被対象物を保持する底面上に、前記被対象物と並んで位置しており、前記第２のシートは、前記筐体の前記底面と垂直に交わる第１の側面に、前記第１のシートとつながるように位置しており、前記第３のシートは、前記筐体の前記底面と垂直に交わり、かつ、前記第１の側面と対向する第２の側面に、前記第１のシートとつながるように位置しており、前記第４のシートは、前記筐体の前記底面と垂直に交わり、かつ、前記第１の側面および前記第２の側面と垂直に交わる第３の側面に、前記第１のシート、前記第２のシートおよび前記第３のシートとつながるように位置している構成であってもよい。
【００２０】
上記の空中映像表示装置において、前記再帰反射シートは、前記空中に結像される前記実像の観察側から見て凹となる曲率を有する曲面シートであってもよい。
【００２１】
上記の空中映像表示装置において、前記曲面シートは、半球面状シートであってもよい。
【００２２】
上記の空中映像表示装置は、前記偏向光学素子からの光を所定範囲内の拡散角度に制限して透過させ、厚み方向とは異なる方向に透過率が最大である透過制御部材をさらに備え、前記透過制御部材において、透過率が最大である方向に透過する光線が、前記ビームスプリッタに対して所望の角度範囲で入射するように配置されていることが望ましい。
【００２３】
上記の空中映像表示装置において、前記透過制御部材は、透光性の平板部材と、前記平板部材の内部で互いに離間して配置される複数の遮光板とを有しており、前記複数の遮光板は、透過率が最大となる方向と平行または略平行となるように、前記平板部材の厚み方向に対して傾斜した状態で配置されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００２４】
上記の構成によれば、ビームスプリッタ（ＢＳ）および再帰反射シートを用いて空中像を結像する構成において、被対象物からの光を反射によって偏向してＢＳに導く偏向光学素子を用いるため、ＢＳに対して被対象物を平行に配置しても、被対象物から出射される最も輝度の高い光（例えば被対象物がＬＣＤであれば、ＬＣＤから垂直方向に出射される光）を、上記偏向光学素子を介して、ＢＳに対して所望の角度（例えば４５°）で入射させて、空中像の結像に利用することが可能となる。これにより、ＢＳに対して被対象物を平行に配置して、装置の薄型化を図りつつ、上記最も輝度の高い光の利用効率の低下を回避して、空中像の輝度低下を抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る空中映像表示装置の全体の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】比較例の空中映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図３】参考例の偏向光学素子としてのプリズム板の概略の構成を示す断面図である。
【図４】上記実施の形態１の偏向光学素子の詳細な構成を示す断面図である。
【図５】上記偏向光学素子の製造工程を模式的に示す説明図である。
【図６】上記偏向光学素子がディスプレイに対して傾いて配置されている場合において、ディスプレイから出射される光の光路を示す説明図である。
【図７】上記偏向光学素子に様々な角度で入射する各光線の光路を模式的に示す説明図である。
【図８】上記偏向光学素子の他の構成を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る空中映像表示装置の全体の構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】上記空中映像表示装置が備える拡散制限部材の詳細な構成を示す断面図である。
【図１１】半値角９０°の光源から出射される光線の角度分布を示す説明図である。
【図１２】半値角４０°の光源から出射される光線の角度分布を示す説明図である。
【図１３】図１１の角度分布を有する光源からの光を偏向光学素子に入射させた場合において、上記偏向光学素子から出射される光線の角度分布を示す説明図である。
【図１４】図１２の角度分布を有する光源からの光を偏向光学素子に入射させた場合において、上記偏向光学素子から出射される光線の角度分布を示す説明図である。
【図１５】本発明の実施の形態３の空中映像表示装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図１６】上記空中映像表示装置が備える透過制御部材の概略の構成を示す断面図である。
【図１７】上記透過制御部材の透過率分布を示すグラフである。
【図１８】本発明の実施の形態３の空中映像表示装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１９】本発明の実施の形態４の空中映像表示装置が有する筐体の斜視図である。
【図２０】上記筐体の底面を中心とした展開図である。
【図２１】空中の同じ映像を別々の位置から観察する様子を模式的に示す説明図である。
【図２２】上記空中映像表示装置の他の構成を模式的に示す断面図である。
【図２３】上記空中映像表示装置が有する再帰反射シートの一例を示す斜視図である。
【図２４】上記再帰反射シートの他の例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本明細書において、数値範囲をａ〜ｂと表記した場合、その数値範囲に下限ａおよび上限ｂの値は含まれるものとする。また、本発明は、以下の内容に限定されるものではない。
【００２７】
（空中映像表示装置の全体構成）
図１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断面図である。空中映像表示装置１は、被対象物の実像を空中に映像Ｍ（空中像）として結像させるデバイスであり、ディスプレイ２と、ビームスプリッタ（ＢＳ）３と、偏向光学素子４と、再帰反射シート５とを備えている。
【００２８】
ディスプレイ２は、画像を表示するデバイスであり、例えば液晶表示装置（ＬＣＤ）で構成されている。なお、ディスプレイ２は、有機ＥＬ（Electro Luminescence）表示装置で構成されてもよい。ディスプレイ２は、被対象物を構成するが、本実施形態では、ディスプレイ２の表示面２ａに表示される画像も被対象物に含まれるとする。したがって、本実施形態において、被対象物の実像とは、ディスプレイ２の表示面２ａに表示される画像の実像を含む。ディスプレイ２は、ＢＳ３と平行となるように、つまり、表示面２ａがＢＳ３の厚み方向に垂直な面（例えば光入射側の面３ａ）と平行となるように位置している。
【００２９】
ＢＳ３は、入射光の少なくとも一部を選択的に透過または反射させる光学素子であり、例えば入射光の一部を透過させ、残りを反射させるハーフミラーで構成されている。ハーフミラーで分離された後の透過光および反射光の光量比は、例えば１：１である。ＢＳ３は、筐体１０の開口部１０ａに位置しているが、筐体１０の内部に収容されていてもよい。後者の場合、ＢＳ３から出射される光を透過させるために、筐体１０において、少なくともＢＳ３と対向する部分を透明にすればよい。
【００３０】
偏向光学素子４は、ＢＳ３に対してディスプレイ２側に配置されており、ディスプレイ２とともに筐体１０内に収容されている。偏向光学素子４は、ディスプレイ２の光出射面である表示面２ａと平行に配置されている。偏向光学素子４は、ＢＳ３とディスプレイ２との間であれば、どの位置に配置されていてもよいが、ディスプレイ２から偏向光学素子４への光の取り込み効率向上（入射光の漏れ防止）の観点では、ＢＳ３とディスプレイ２との中間位置よりも、ディスプレイ２側に配置されていることが望ましい。本実施形態では、偏向光学素子４はディスプレイ２と接して配置されており、上記光取り込み効率の向上の効果を最大限に得るようにしている。なお、偏向光学素子４の詳細については後述する。
【００３１】
再帰反射シート５は、入射光を、入射方向と略同一方向に反射させる再帰反射性を有するシートである。本実施形態では、再帰反射シート５として、例えば日本カーバイド工業株式会社製のニッカライトシリーズを用いている。
【００３２】
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にて偏向された後、ＢＳ３に入射する。そして、入射光の一部がＢＳ３で反射された後、再帰反射シート５に入射し、そこで再帰反射されてＢＳ３に再入射する。つまり、再帰反射シート５に入射した光は、入射方向と略同一方向に反射されて進行し、ＢＳ３に再入射する。ＢＳ３に再入射した光の一部は、ＢＳ３を透過し、ＢＳ３に対してディスプレイ２とは反対側の空中に導かれる。このとき、ディスプレイ２の表示面２ａの各点（各画素）から出射された光は、上記の経路を辿って、ディスプレイ２における上記各点とＢＳ３に対して面対称となる位置に導かれる。これにより、ディスプレイ２の表示面２ａに表示された画像の実像が、空中で上記面対称となる位置に映像（空中像）Ｍとして結像される。
【００３３】
（課題についての補足説明）
次に、本実施形態の偏向光学素子４の詳細について説明する前に、前述した課題について説明を補足しておく。図２は、比較例の空中映像表示装置１’の概略の構成を示す断面図である。この空中映像表示装置１’は、ディスプレイ２および再帰反射シート５をＢＳ３に対して４５°傾けて配置した構成であり、本実施形態の偏向光学素子４を備えていない。
【００３４】
ＢＳ３および再帰反射シート５を用いて映像Ｍを空中に結像させる構成において、被対象物（ディスプレイ２）として、ＬＣＤなどの一般的な表示装置を用いる場合、上記表示装置は正面輝度が最も高いため、ＢＳ３に対してディスプレイ２を４５°だけ傾斜させて配置することが望ましいことは前述の通りである。しかし、比較例のように、ディスプレイ２がＢＳ３に対して傾斜していると、空中映像表示装置１’自体の大きさ（厚みＤ２）がディスプレイ２の大きさによって決定されてしまい（具体的には、厚みＤ２を、（ディスプレイ２の表示面２ａの長さ）×（１／√２）よりも大きくすることが必要となり）、空中映像表示装置１’の薄型化が困難となる。
【００３５】
しかも、垂直入射の光を最も効率よく再帰反射させる再帰反射シート５の特性を考慮して、より明るい映像Ｍを空中に結像させるべく、図２のように、再帰反射シート５もＢＳ３に対して４５°だけ傾斜させて配置した場合、装置の厚みＤ２は、ディスプレイ２および再帰反射シート５のうちで、より大きいほうの大きさによって決定されてしまう。例えば、ディスプレイ２よりも再帰反射シート５のほうが大きい場合、空中映像表示装置１’の厚みＤ２は、（再帰反射シート５の長さ）×（１／√２）よりも大きくなり、装置の薄型化が益々困難となる。
【００３６】
したがって、装置の薄型化だけを考えれば、理想的には、図１で示したように、ＢＳ３に対してディスプレイ２を平行に配置にすることが望ましい。この場合、空中映像表示装置１の厚みをＤ２よりも小さいＤ１にすることができる。しかも、ＢＳ３とディスプレイ２とを平行に配置した構成で、ディスプレイ２から垂直方向に出射される光線をＢＳ３に対して最適な角度（例えば４５°）で入射させることができれば、空中映像表示装置１の薄型化と空中像の高輝度とを両立させることができる。
【００３７】
なお、再帰反射シート５は、ＢＳ３に対してどのような角度で配置されても、ＢＳ３からの入射光を再帰反射させてＢＳ３に再入射させることができるため、装置の薄型化の観点では、再帰反射シート５の配置角度（ＢＳ３に対する傾斜角度）は特に制限されない。ただし、再帰反射シート５の上述の特性を考慮してより明るい映像Ｍを得るためには、ＢＳ３に対する傾斜角度が、装置の厚みＤ１によって規定される範囲内で４５°に近づくように、再帰反射シート５を傾斜させて配置することが望ましい。
【００３８】
以下、できるだけディスプレイ２をＢＳ３に対して平行に配置にしつつ、ディスプレイ２とＢＳ３との間に偏向光学素子４を配置して、ディスプレイ２から出射される光線をＢＳ３に対して最適な角度に偏向し、入射させる構成について検討する。
【００３９】
ここで、上記の偏向光学素子４として、例えば屈折によって光を偏向する光学素子を用いる場合について考える。図３は、上記光学素子の一例である参考例のプリズム板１００の概略の構成を示す断面図である。プリズム板１００は、複数のプリズム１０１ａと平板部１０１ｂとを一体化して構成されている。複数のプリズム１０１ａは、断面直角三角形状であり、各プリズム１０１ａの斜面１０１ａ1が互いに平行となるように、平板部１０１ｂ上に並列に配置されている。また、各プリズム１０１ａおよび平板部１０１ｂは、同一材料（例えば樹脂）で形成されている。プリズム板１００に対して、被対象物からの光が平板部１０１ｂ側から入射すると、上記光は、平板部１０１ｂおよびプリズム１０１ａのそれぞれと空気層との界面での屈折によって偏向され、ＢＳ３に入射する。
【００４０】
ここで、プリズム１０１ａの斜面１０１ａ1と平板部１０１ｂとのなす角度を、プリズム角α（°）と呼ぶ。なお、このプリズム角αは、立ち上がり角とも呼ばれる。プリズム板１００での入射光の偏向角度は、プリズム板１００の材質の屈折率と、プリズム角αとによって決まる。例えば、プリズム板１００の材質が、屈折率１．４９のＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）であるとすると、プリズム角αが４０°である場合、平板部１０１ｂに対して垂直方向から入射した光線は、プリズム板１００から出射されるときに、約２２°偏向される。
【００４１】
空中映像表示装置１を薄型化すべく、図１のように、ディスプレイ２をＢＳ３に対して完全に平行となるように配置する場合、空中像の画像品質および輝度を最も良好にすることを考えると、偏向光学素子４での偏向角度として、４５°を実現する必要がある（ＢＳ３に対して入射角４５°で光を入射させる必要がある）。しかし、偏向光学素子４として、上記したＰＭＭＡ製のプリズム板１００を用いた場合、このプリズム板１００で偏向角度４５°を実現しようとすると、プリズム角αを約６６°にすることが必要となる。このようにプリズム角αが大きいと、各プリズム１０１の頂角部分をきれいに成形することができず、頂角部分が丸みを帯びてしまう。また、プリズム１０１ａの斜面１０１ａ1が平板部１０１ｂに対して立ちすぎることで、成形時に金型が抜けづらくなり、プリズム面精度が低くなる可能性がある。その結果、良好な偏向特性を得ることが困難となる。
【００４２】
そこで、本実施形態では、偏向光学素子４として、屈折ではなく、反射を利用して光を偏向する光学素子を用いる。以下、本実施形態の偏向光学素子４の詳細について説明する。
【００４３】
（偏向光学素子の詳細について）
図４は、本実施形態の偏向光学素子４の詳細な構成を示す断面図である。本実施形態の偏向光学素子４は、透光性の平板部材４１と、複数の反射偏向面４２とを有している。平板部材４１は、例えばガラスや樹脂などからなる透明基材であり、互いに対向する２面として、面４１ａおよび面４１ｂを有している。なお、これらの面４１ａおよび面４１ｂは、平板部材４１の厚み方向に垂直な面である。反射偏向面４２は、平板部材４１の一方の面４１ａから入射した被対象物からの光を反射によって偏向して、他方の面４１ｂから出射させる金属反射面（ミラー、ルーバー）で構成されており、平板部材４１の内部に互いに離間して配置されている。
【００４４】
複数の反射偏向面４２は、平板部材４１の２面（面４１ａ、面４１ｂ）の少なくとも一方（ここでは両方）に対して傾斜している。なお、各反射偏向面４２の傾き角度（厳密には、上記２面の少なくとも一方の面の法線に対する各反射偏向面４２の傾斜角度）のことを、以下では、ルーバー角度とも称する。
【００４５】
また、複数の反射偏向面４２は、図４の紙面に平行な面内、つまり、被対象物から任意の反射偏向面４２に入射する入射光線（例えば光線Ｌａ）と、該入射光線が反射偏向面４２で反射偏向されて出射されるときの出射光線（例えば光線Ｌｂ）とを含む面内で、平板部材４１の厚み方向に垂直な一方向に所定のピッチで離間して平行に配置されている。
【００４６】
上記構成の偏向光学素子４では、入射光を各反射偏向面４２での反射によって偏向するため、各反射偏向面４２の傾斜角度（ルーバー角度）に応じて、入射する光の偏向方向（出射方向）を調整することができる。したがって、偏向光学素子４の平板部材４１の材質および各反射偏向面４２のルーバー角度を適切に設定することにより、ディスプレイ２をＢＳ３に対して平行に配置にしつつ、ディスプレイ２からの光線を、ＢＳ３に対して最適な角度で入射するように、偏向光学素子４によって偏向することが容易となる。
【００４７】
例えば、平板部材４１をガラス（屈折率１．５１７のＢＫ７（Schott社製））で構成した場合、ルーバー角度を１３．９°に設定することで、偏向光学素子４の面４１ａに対して垂直に入射した光線Ｌａ（入射角０°の光線）を、反射偏向面４２で反射させ、面４１ｂに対して出射角が４５°となるように偏向して光線Ｌｂとして出射することができ、これによって、ＢＳ３に対して最適な角度（４５°）で光線Ｌｂを入射させることができる。
【００４８】
また、例えば、平板部材４１を、屈折率１．４９のＰＭＭＡ樹脂で構成した場合、ルーバー角度を１４．２°に設定することで、偏向光学素子４の面４１ａに対して垂直に入射した光線Ｌａを、反射偏向面４２で反射させ、面４１ｂから出射角４５°の光線Ｌｂとして出射することができ、この場合も、ＢＳ３に対して最適な角度（４５°）で光線Ｌｂを入射させることができる。
【００４９】
なお、ディスプレイ２から出射される光に含まれる光線のうち、偏向光学素子４の面４１ａに対して垂直以外の角度で入射する光線については、面４１ａでの屈折、反射偏向面４２での反射、面４１ｂでの屈折を経てＢＳ３に導かれ、ＢＳ３に対して最適な角度（４５°）に近い角度で入射することになる。
【００５０】
上記構成の偏向光学素子４は、例えば以下のようにして製造することができる。図５は、本実施形態の偏向光学素子４の製造工程を模式的に示している。まず、所定の厚みのガラス基板５１を用意する（工程（Ａ））。そして、ガラス基板５１の両面に反射膜５２をコーティングする（工程（Ｂ））。この反射膜５２のコーティングは、例えばアルミニウムの蒸着によって行うことができる。なお、この反射膜５２は、上述した反射偏向面４２を形成する膜である。次に、反射膜５２をコーティングしたガラス基板５１を、接着剤を介して複数枚（例えば数百枚）積層して接着し、ガラスブロック５３を形成する（工程（Ｃ））。その後、得られたガラスブロック５３を、反射膜５２に対して斜め方向から、所定のピッチで切断する（工程（Ｄ））。切断した個片を所定の形状（例えば薄い直方体形状）に整形することにより、薄い平板状の偏向光学素子４を得ることができる。なお、工程Ｄにおいて、ガラスブロック５３を切断する向き（反射膜５２に対する切断角度）は、得ようとする偏向光学素子４の所望のルーバー角度に応じて適宜調整されればよい。
【００５１】
なお、ガラス基板５１の代わりに樹脂基板（例えばＰＭＭＡからなる基板）を用いても、上記と同様の手法で偏向光学素子４を製造することができる。樹脂基板を用いた場合は、ガラス基板５１を用いた場合よりも安価に偏向光学素子４を製造することができる。
【００５２】
以上のように、ＢＳ３のディスプレイ２側に、平板部材４１および複数の反射偏向面４２を有する偏向光学素子４を配置することにより、ＢＳ３に対してディスプレイ２を完全に平行に配置しつつ、ディスプレイ２からの光線を、偏向光学素子４で反射偏向させて、ＢＳ３に対して最適な角度（例えば４５°）またはそれに近い角度で入射させることができる。したがって、ＢＳ３に対するディスプレイ２の平行配置により、空中映像表示装置１の薄型化を達成することができる。しかも、ディスプレイ２から出射される最も輝度の高い光（ＬＣＤから垂直方向に出射される光）を、偏向光学素子４を介して、ＢＳ３に対して所望の角度（例えば４５°）で入射させて、空中像の結像に利用することが可能となる。これにより、上記最も輝度の高い光の利用効率の低下を回避して、空中に結像される映像Ｍの輝度低下を抑えることが可能となる。
【００５３】
なお、ＢＳ３に対してディスプレイ２を完全に平行に配置した場合、上述した空中映像表示装置１の薄型化の効果が最も高いが、平行から若干（例えば数°〜１５°程度）ずれた配置であってもよい。この場合でも、図２のようにディスプレイ２をＢＳ３に対して４５°傾ける構成や、屈折型のプリズム板１００を用い、かつ、ディスプレイ２を傾けて配置する構成に比べると、ＢＳ３に対するディスプレイ２の傾き角度は十分に小さいため、空中映像表示装置１の薄型化の効果が得られることに変わりはない。
【００５４】
ここで、本実施形態の空中映像表示装置１（図１参照）の薄型化の効果を確認するため、以下のシミュレーションを行った。図１で示した本実施形態の空中映像表示装置１および図２で示した比較例の空中映像表示装置１’において、用いたＢＳ３のサイズを、縦２５０ｍｍ×横２５０ｍｍとし、ディスプレイ２の表示面２ａのサイズを、対角１０インチ（縦２２１ｍｍ×横１２４ｍｍ）とし、ＢＳ３からの空中像（映像Ｍ）の飛び出し量を、１００ｍｍとした。なお、空中像の飛び出し量とは、空中像の中心からＢＳ３までの、ＢＳ３に対して４５°方向の距離を指す。
【００５５】
比較例の空中映像表示装置１’では、装置（筐体１０）の厚みＤ２が１１５ｍｍであったのに対して、本実施形態の空中映像表示装置１では装置（筐体１０）の厚みＤ１が７１ｍｍであった。したがって、偏向光学素子４を用いた本実施形態の空中映像表示装置１によれば、偏向光学素子４を用いない比較例の空中映像表示装置１’に比べて、大幅に薄型化できていることがわかる。
【００５６】
また、偏向光学素子４の複数の反射偏向面４２は、平板部材４１の互いに対向する面４１ａおよび面４１ｂの少なくとも一方に対して傾斜している。これにより、ディスプレイ２に対して偏向光学素子４を平行またはそれに近い状態で配置しつつ、ディスプレイ２からの入射光を複数の反射偏向面４２で反射偏向してＢＳ３に入射させる構成を確実に実現することができる。
【００５７】
また、複数の反射偏向面４２は、任意の反射偏向面４２に対する入射光線（例えば光線Ｌａ）と出射光線（例えば光線Ｌｂ）とを含む面内で平板部材４１の厚み方向に垂直な一方向に離間して配置されている。これにより、ディスプレイ２からの入射光を各反射偏向面４２での反射によってほぼ同じ方向に偏向することができ、ＢＳ３に対して最適な角度またはこれに近い角度範囲で光を確実に入射させることができる。
【００５８】
（偏向光学素子と被対象物との位置関係について）
本実施形態では、上述のように、偏向光学素子４は、ディスプレイ２の光出射面である表示面２ａと平行に配置されている（図１参照）。これにより、空中に結像される実像の品位の低下を抑えることができる。より詳しくは、以下の通りである。
【００５９】
図６は、偏向光学素子４がディスプレイ２に対して傾いて配置されている場合において、ディスプレイ２から出射される光の光路を示している。偏向光学素子４がディスプレイ２に対して傾いて配置されていると、ディスプレイ２の表示面２ａと偏向光学素子４との距離（光路長）が、表示面２ａ上の位置によって異なる。このため、ディスプレイ２から出射された光を偏向光学素子４の反射偏向面４２（図４参照）で一方向（図６の紙面に平行な方向）に反射偏向する構成では、ディスプレイ２に表示された画像を上記一方向に引き伸ばした画像の実像が空中像として観察されてしまう。これは、ディスプレイ２から偏向光学素子４を介してＢＳ３に入射する光の光路を展開したときに、ディスプレイ２が、破線で示すディスプレイ２Ｖに対応することになり、図６の紙面に平行な面内において、ディスプレイ２の長さ（表示画像の長さ）Ｈ１よりも、ディスプレイ２Ｖの長さ（表示画像の長さ）Ｈ２のほうが長くなることから容易に理解できる。
【００６０】
本実施形態のように、偏向光学素子４がディスプレイ２の表示面２ａと平行に配置されている構成では、ディスプレイ２の表示面２ａと偏向光学素子４との距離が、表示面２ａ上の位置に関係なく一定となり、表示面２ａ上の位置によって、表示面２ａと偏向光学素子４との間の光路長に差が生じることがなくなる。これにより、ディスプレイ２から出射された光を偏向光学素子４の反射偏向面４２で一方向に反射偏向する構成であっても、ディスプレイ２に表示された画像の実像を、上記画像と同じ縦横比で（一方向に引き伸ばされることなく）空中に結像することができる。その結果、空中に結像される実像の品位の低下を抑えることができる。
【００６１】
（反射偏向面のピッチと輝度ムラについて）
図７は、偏向光学素子４に様々な角度で入射する光線Ｌ１〜Ｌ３の光路を模式的に示している。光線Ｌ１は、偏向光学素子４の面４１ａに対して垂直に入射し、反射偏向面４２で反射偏向された後、面４１ｂから４５°方向に出射される光線（望ましい光線）である。光線Ｌ２は、偏向光学素子４の面４１ａに斜め方向から入射し、反射偏向面４２で反射偏向されずに平板部材４１をそのまま透過して面４１ｂから出射される光線（無反射光線）である。光線Ｌ３は、偏向光学素子４の面４１ａに斜め方向から入射し、複数の反射偏向面４２で反射偏向されて、面４１ｂから出射される光線（複数回反射光線）である。なお、図７では、光線Ｌ１〜Ｌ３をそれぞれの入射位置をずらして図示しているが、２枚の反射偏向面４２・４２の間の同じブロック（平板部材４１）でも、これらの光線Ｌ１〜Ｌ３が存在する可能性はある。
【００６２】
偏向光学素子４の複数の反射偏向面４２のピッチが異なると、光線Ｌ１〜Ｌ３の各透過量が、偏向光学素子４の場所によって変化する。例えば、複数の反射偏向面４２のピッチが広い場所では、光線Ｌ２の透過量が増大する。一方、複数の反射偏向面４２のピッチが狭い場所では、光線Ｌ３の透過量が増大し、光線Ｌ１の透過量が減少する場合がある。このように、光線Ｌ１〜Ｌ３の各透過量が偏向光学素子４の場所によって変化し、各透過量のバランスが偏向光学素子４の場所によって変化すると、偏向光学素子４を介してＢＳ３に入射する光の光量が場所によって変化する。なお、光線Ｌ２および光線Ｌ３は、空中像としては結像に寄与しないが（ＢＳ３に対して所望の角度範囲で入射しないため）、光線Ｌ１によって結像される空中像に対しては、光線Ｌ２および光線Ｌ３の透過光量の（場所による）ムラの影響が反映されてしまい、結果として、ＢＳ３を介して空中に結像される空中像に輝度ムラが生じてしまう。
【００６３】
以上のことを考慮し、本実施形態では、偏向光学素子４の複数の反射偏向面４２は、これらが離間して配置される上記一方向に一定のピッチで配置されている。例えば、偏向光学素子４（平板部材４１）の厚み２ｍｍに対して、複数の反射偏向面４２は、上記一方向に０．５ｍｍピッチで配置されている。これにより、偏向光学素子４の場所によって光線Ｌ１〜Ｌ３の各透過量が変化するのを抑えて、偏向光学素子４を介してＢＳ３に入射する光の光量の分布にムラが生じるのを抑えることができる。その結果、ＢＳ３を介して空中に結像される空中像に輝度ムラが生じるのを抑えることができる。
【００６４】
（複数回反射光線を低減する構成）
図８は、本実施形態の偏向光学素子４の他の構成を示す断面図である。同図に示すように、偏向光学素子４は、複数の反射偏向面４２の裏面側に無反射層４３を有していることが望ましい。つまり、平板部材４１の透明な媒質４１ｃを挟む位置関係にある２つの反射偏向面４２のうち、一方の反射偏向面４２と、透明な媒質４１ｃとの間に無反射層４３が設けられていることが望ましい（媒質４１ｃが無反射層４３と反射偏向面４２とで挟まれる構成が望ましい）。
【００６５】
なお、上記の無反射層４３は、図５で示した製造工程において、反射膜５２をコーティングしたガラス基板５１を複数枚積層して接着する際に、黒色顔料（例えばカーボンブラック）を添加した接着剤を用いることによって実現することができる。すなわち、黒色顔料を添加した接着剤は、入射光を反射させずに吸収するため、上記の無反射層４３（光吸収層）として機能することができる。また、ガラス基板５１の両面に塗布された反射膜５２の一方にさらに墨塗りを行って墨塗り面とするか、ガラス基板５１の片面に反射膜５２を塗布し、もう片方に墨塗りを行って墨塗り面とし、複数枚のガラス基板５１を接着剤によって積層接着するようにしてもよい。この場合は、墨塗り面が無反射層４３を構成する。
【００６６】
上記のように、複数の反射偏向面４２の裏面側に無反射層４３を設けることにより、偏向光学素子４の内部で、任意の反射偏向面４２に入射した光線Ｌ３がそこで反射偏向され、媒質４１ｃを介して隣り合う他の反射偏向面４２に向かう場合でも、その光線Ｌ３を他の反射偏向面４２の直前の無反射層４３で吸収して、偏向光学素子４から出射されないようにすることができる。つまり、複数の反射偏向面４２で反射され、所望の角度以外でＢＳ３に入射する光線Ｌ３を減らすことができる。その結果、光線Ｌ３に起因するゴースト像の発生を抑えることができる。
【００６７】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。図９は、本実施形態の空中映像表示装置１の構成を模式的に示す断面図である。同図に示すように、空中映像表示装置１は、図１で示した実施の形態１の構成に加えて、拡散制限部材６をさらに備えていてもよい。拡散制限部材６は、偏向光学素子４に対して被対象物側（ディスプレイ２側）に配置され、被対象物からの光（拡散光）を、所定範囲内の拡散角度に制限して（狭めて）出射する平板状の光学部材である。本実施形態では、ディスプレイ２、拡散制限部材６、および偏向光学素子４は、互いに接するように配置されているが、互いに離間して配置されていてもよい。
【００６８】
図１０は、拡散制限部材６の詳細な構成を示す断面図である。拡散制限部材６は、透光性部材６１と、透光性部材６１の内部で互いに離間して所定のピッチで配置される複数の遮光板６２とを有している。遮光板６２の配列ピッチは、偏向光学素子４の反射偏光板４２の配列ピッチと一致していることが望ましいが、互いに異なっていてもよい。また、遮光板６２は、平板状の拡散制限部材６の厚み方向に垂直な面６１ａに対して垂直に設けられていることが望ましいが、入射光を所定範囲内の拡散角度に制限して出射できるのであれば、面６１ａに対して傾いていてもよい。
【００６９】
上記のように、入射光を所定範囲内の拡散角度に制限して出射する拡散制限部材６としては、例えば住友スリーエム社製のプライバシーフィルターを用いることができる。
【００７０】
被対象物として、例えばＬＣＤなどのディスプレイ２を用いた場合、ディスプレイ２から出射される光は、一般的にある広がりを有している。ディスプレイ２から完全な平行光だけが出射されれば、偏向光学素子４で偏向されて出射される光線は、きれいに所望の角度成分（例えばＢＳ３に対して４５°で入射する成分）だけを持つ光線となる。しかし、広がりを持った角度成分の光が偏向光学素子４に入射すると、偏向光学素子４にて所望の角度以外の角度で偏向されて出射される光線が存在してしまう。このような光線は、ゴースト像を生成する光線となり得る。
【００７１】
本実施形態のように、偏向光学素子４に対して被対象物側に拡散制限部材６を配置することにより、ディスプレイ２から広がりを持つ光が拡散制限部材６に入射した場合でも、入射光のうちで角度βよりも大きい角度で拡散する光線については遮光板６２で吸収され、角度β以下の角度で拡散する光線は、遮光板６２で吸収されずに拡散制限部材６から出射され、偏向光学素子４に入射する。つまり、拡散制限部材６に入射した光は、拡散角度が入射光よりも狭い所定範囲内（上記の例では角度β以下）に制限されて出射され、偏向光学素子４に入射する。これにより、偏向光学素子４にて所望の角度以外の角度で偏向されてＢＳ３に入射する光線を減らすことができる。その結果、上記光線に起因するゴースト像の発生を抑えることができる。
【００７２】
ここで、偏向光学素子４に入射する光の広がりと、偏向光学素子４から出射される光の角度分布との関係について考察する。図１１は、半値角９０°の光源から出射される光線の角度分布（出射方向と強度との関係）を示し、図１２は、半値角４０°の光源から出射される光線の角度分布（出射方向と強度との関係）を示している。ここで、半値角とは、正面（出射方向は０°の方向とする）の光の強度に比べて、強度が半分になるときの角度を指す。なお、出射方向０°は、偏向光学素子４に対して入射角０°で入射する方向（垂直入射のときの入射方向）に対応し、同心円の中心から半径方向外側に向かう方向は、光の強度が増大する方向に対応する。また、図１３および図１４は、偏向光学素子４から出射される光線の角度分布（出射方向と強度との関係）を示しており、図１３は、一例として、図１１の角度分布を有する光源からの光を偏向光学素子４に入射させた場合を示し、図１４は、一例として、図１２の角度分布を有する光源からの光を偏向光学素子４に入射させた場合を示している。
【００７３】
各光源からの光を偏向光学素子４にて反射偏向させる場合、図１３および図１４より、半値角９０°の光源よりも半値角４０°の光源を用いたほうが、つまり、光線の広がり（拡散角度）のより小さい光源を用いたほうが、偏向光学素子４にて反射偏向されて出射され、ＢＳ３に対して所望の角度（例えば４５°方向）で入射する光の強度が高いことがわかる。これは、偏向光学素子４に入射する光線の広がりが大きいと、偏向光学素子４での反射偏向により、ＢＳ３に対して所望の角度以外の角度で入射する光が増大し、ＢＳ３に対して所望の角度で入射する光が減少するためである。したがって、このような考察からも、拡散角度の狭い光を偏向光学素子４に入射させるほうが、ＢＳ３に対して所望の角度で入射する光を増大させるのに有利であることがわかる。
【００７４】
よって、本実施形態のように、拡散制限部材６を配置して被対象物からの光の拡散角度を制限し、拡散角度の狭い光を偏向光学素子４に入射させることにより、偏向光学素子４からＢＳ３に対して所望の角度で入射する光を増大させて、ゴースト像の発生を抑えることができると言える。
【００７５】
なお、図１３および図１４の角度分布より、偏向光学素子４に入射する光の半値角は、６０°（４０°と９０°との間）以下であることが、ＢＳ３に対して所望の角度で入射する光を増大させて、ゴーストの発生を抑える点で望ましく、半値角４０°以下であることがさらに望ましいと言える。したがって、拡散制限部材６が、被対象物からの光を所定範囲の拡散角度に制限して出射する際の上記所定範囲（角度β）としては、全角６０°以下（垂直入射（０°方向）に対して±３０°以下）であることが望ましく、全角４０°以下（垂直入射（０°方向）に対して±２０°以下）であることがさらに望ましいと言える。
【００７６】
〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。図１５は、本実施形態の空中映像表示装置１の構成を模式的に示す断面図である。同図に示すように、本実施形態の空中映像表示装置１は、図９で示した実施の形態２の構成に加えて、透過制御部材７をさらに備えている。なお、透過制御部材７を設ける構成は、図１で示した実施の形態１の構成（拡散制限部材６を設けていない構成）にも勿論適用可能である。
【００７７】
図１６は、透過制御部材７の概略の構成を示す断面図である。透過制御部材７は、偏向光学素子４（図１５参照）からの光を所定範囲内の拡散角度に制限して透過させる平板状の光学部材であり、偏向光学素子４とＢＳ３との間の光路中に配置されている。図１５では、透過制御部材７は、偏向光学素子４と接して配置されているが、離間して配置されてもよい。
【００７８】
透過制御部材７は、透光性の平板部材７１と、平板部材７１の内部で互いに離間して配置される複数の遮光板７２とを有している。平板部材７１は、例えば透明な樹脂（例えばシリコーンゴム）で構成されており、光入射側の面７１ａおよび光出射側の面７１ｂを有している。これらの面７１ａ・７１ｂは、平板部材７１の厚み方向に垂直な面であり、互いに対向している。複数の遮光板７２は、例えば黒色顔料を含有する樹脂（例えばシリコーンゴム）で構成されており、帯状に形成され、平板部材７１の内部に所定のピッチで並んで配置されているとともに、平板部材７１の厚み方向（面７１ａ・７１ｂの法線Ｎの方向）に対して傾斜した状態で配置されている。本実施形態では、複数の遮光板７２は、法線Ｎに対して約４５°傾斜しているが、この傾斜角度は適宜変更可能である。
【００７９】
図１７は、透過制御部材７の透過率分布を示している。上記のように複数の遮光板７２が法線Ｎに対して傾斜していることにより、透過制御部材７の面７１ａに入射する光線の入射方向（透過制御部材７の透過方向）によっては、遮光板７２で吸収される光線や、遮光板７２で吸収されずに面７１ｂから出射される光線が存在する。その結果、透過制御部材７を透過する光線の透過率は、平板部材７１の厚み方向を基準とする角度に応じて変化する特性となっている。具体的には、複数の遮光板７２が法線Ｎに対して約４５°傾斜している場合、透過制御部材７（例えば１．０ｍｍ厚）を透過する光線の透過率は、法線Ｎに対して約４５°傾斜した方向（γ≒４５°）において最大（８０％）となり、上記透過率が最大の方向に対する角度差が大きくなるにしたがって、光線の透過率が減少する特性となっている。このように、本実施形態の透過制御部材７は、厚み方向とは異なる方向に透過率が最大となる特性を有している。
【００８０】
なお、複数の遮光板７２が法線Ｎに対して例えば約１０°傾斜している場合、透過制御部材７（例えば１．０ｍｍ厚）を透過する光線の透過率は、法線Ｎに対して約１０°傾斜した方向において最大となり、複数の遮光板７２が法線Ｎに対して例えば約２０°傾斜している場合、透過制御部材７（例えば１．０ｍｍ厚）を透過する光線の透過率は、法線Ｎに対して約２０°傾斜した方向において最大となることがわかっている。また、複数の遮光板７２の傾斜角度によっては、透過制御部材７において透過率が最大となる方向と各遮光板７２とが完全に平行となる場合もあり得る。以上のことから、複数の遮光板７２は、透過率が最大となる方向と平行または略平行となるように、平板部材７１の厚み方向に対して傾斜した状態で配置されていると言うことができる。なお、厚み方向に対して傾斜した状態には、厚み方向に対する傾斜角度が０°（厚み方向と平行）となる状態は含まれない。また、本明細書において、「略平行」とは、角度差が例えば１０°以下であることを指すが、５°以下であることが望ましい（以下での説明においても、「略平行」は上記と同様に解釈するものとする）。
【００８１】
このように、複数の遮光板７２が平板部材７１の内部で傾斜して設けられていることにより、ディスプレイ２から偏向光学素子４を介して透過制御部材７に光が入射する際に、偏向光学素子４から出射される光のうちで角度ψ（図１６参照）よりも大きい角度で拡散する光線については遮光板７２で吸収され、角度ψ以下の角度で拡散する光線は、遮光板７２で吸収されずに透過制御部材７から出射され、ＢＳ３に入射する。つまり、透過制御部材７に入射した光は、拡散角度が入射光よりも狭い所定範囲内（上記の例では角度ψ以下）に制限されて出射され、ＢＳ３に入射することになる。
【００８２】
上記のように、偏向光学素子４からの光を所定範囲内の拡散角度に制限して透過させるとともに、厚み方向とは異なる方向に透過率が最大である特性を有する透過制御部材７としては、例えば信越ポリマー株式会社製の視野角制御フィルム（ＶＣＦ；View Control Film）を用いることができる。
【００８３】
本実施形態では、透過制御部材７は、偏向光学素子４から出射されて、透過率が最大である方向に内部を透過する光線が、ＢＳ３に対して所望の角度範囲で入射するように配置されている。つまり、ディスプレイ２がＢＳ３と平行または略平行となるように配置され、偏向光学素子４が、ディスプレイ２から拡散制御部材６を介して垂直に入射する光線を出射角４５°で出射させる構成では、図１５のように、透過制御部材７が偏向光学素子４と平行に配置されている。これにより、ディスプレイ２から出射され、偏向光学素子４にて約４５°偏向されて透過制御部材７に入射する光線が、透過率が最大である約４５°方向に効率よく透過し、ＢＳ３に対して所望の角度範囲（例えば４５°〜５０°）で入射することになる。
【００８４】
以上のように、偏向光学素子４のＢＳ３側に透過制御部材７を配置することにより、ディスプレイ２から出射され、偏向光学素子４で偏向される光に含まれる光線のうち、ＢＳ３に対して所望の角度範囲で入射する方向に向かう光線を、透過制御部材７によって高い透過率で透過させる一方、偏向光学素子４にて上記角度範囲以外の方向に偏向される光線の進行を、透過制御部材７での拡散角度の制限（遮光板７２での光吸収）によって抑えることができる。これにより、ＢＳ３によって結像される空中像の輝度低下を抑えつつ、上記角度範囲以外の方向に偏向される光線に起因するゴーストの発生を抑えることができる。
【００８５】
また、透過制御部材７は、透光性の平板部材７１と、平板部材７１の内部で互いに離間して配置される複数の遮光板７２とを有しており、複数の遮光板７２は、透過率が最大となる方向と平行または略平行となるように、平板部材７１の厚み方向に対して傾斜した状態で配置されている。このように平板部材７１と複数の遮光板７２とを組み合わせて透過制御部材７を構成することにより、偏向光学素子４からの光を所定範囲内の拡散角度に制限して透過させ、厚み方向とは異なる方向に透過率が最大である透過制御部材７を確実に実現することができる。
【００８６】
〔実施の形態４〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。図１８は、本実施形態の空中映像表示装置１の構成を模式的に示す断面図である。同図に示すように、本実施形態では、実施の形態１の構成において、ＢＳ３として、ハーフミラーの代わりに偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳとも称する）３１を用いるとともに、再帰反射シート５の光入射側（ＰＢＳ３１側）に位相差板８を配置して空中映像表示装置１を構成している。以下、実施の形態１と異なる部分について説明する。
【００８７】
ＰＢＳ３１は、例えば平板状の透明基板（ガラス基板）上に偏光分離膜を形成して構成されている。上記偏光分離膜は、第１の直線偏光を反射させる一方、第１の直線偏光とは偏光方向が直交する第２の直線偏光を透過させる光学特性を有する。これにより、ＰＢＳ３１は、入射光の全てを偏光状態に応じて選択的に透過または反射させる光学素子を構成している。位相差板８は、１／４波長板で構成されており、入射する直線偏光を円偏光に変換する一方、入射する円偏光を直線偏光に変換する。
【００８８】
また、本実施形態では、ディスプレイ２は、液晶表示装置（ＬＣＤ）で構成されている。ＬＣＤは、液晶パネルと、液晶パネルを照明するバックラインとを有して構成されている。上記の液晶パネルは、液晶セルを２枚の偏光板で挟んで構成されている。上記２枚の偏光板は、クロスニコル状態で配置される。この構成では、バックライトからの光のうち、液晶セルに対して裏面側（バックライト側）の偏光板を透過した光（直線偏光）は、液晶セルに入射し、液晶セルの各画素にて画像データに応じて変調される。液晶セルから出射される画像データＯＮに対応する光（直線偏光）は、液晶セルに対して表面側（バックライトとは反対側）の偏光板を透過し、画像データＯＦＦに対応する光は、表面側の偏光板で遮断される。つまり、ディスプレイ（ＬＣＤ）からは、液晶セルの光出射側（表面側）の偏光板を透過する直線偏光が出射される。本実施形態では、ディスプレイ２から出射される直線偏光が、ＰＢＳ３１にて最も多く反射されて再帰反射シート５に向かうように、ＰＢＳ３１を配置している。
【００８９】
上記の構成において、ディスプレイ２から出射された直線偏光（第１の直線偏光）は、ＰＢＳ３１にて反射された後、位相差板８に入射する。そして、上記直線偏光は、位相差板８にて円偏光に変換されて再帰反射シート５に入射し、入射方向とほぼ同じ方向に反射される。再帰反射シート５から出射される反射光は、入射時とは逆回りの円偏光の状態で出射され、位相差板８に再入射する。これにより、位相差板８からは、上記第１の直線偏光と偏光方向が直交する直線偏光（第２の直線偏光）が出射される。上記直線偏光は、ＰＢＳ３１を透過し、空中の結像位置に向かう。これにより、空中において、ＰＢＳ３１に対してディスプレイ２と面対称となる位置に、ディスプレイ２に表示された映像の実像（映像Ｍ）が結像される。
【００９０】
ＢＳ３として、透過／反射の光量比が５０％ずつであるハーフミラーを用いる構成では、ディスプレイ２からの光は、ＢＳ３に２回入射してそこで分離されるため、最終的に空中像の結像位置に導かれる光の光量は、ディスプレイ２から出射される光の光量を１としたときに、単純にその１／４となる。このように、ハーフミラーを用いる構成では、ハーフミラーでの光路分離による空中像の輝度低下が懸念される。
【００９１】
これに対して、本実施形態では、上記のように、ＰＢＳ３１が、被対象物としてのディスプレイ２から出射される第１の直線偏光を反射させて、位相差板８を介して再帰反射シート５に導く一方、再帰反射シート５で再帰反射されて位相差板８を介して入射する第２の直線偏光を透過させて空中に導く。つまり、ディスプレイ２から出射される光（第１の直線偏光）は、ＰＢＳ３１にて効率よく（光量ロスをほとんど生じさせることなく）反射されて再帰反射シート５に向かい、再帰反射シート５から位相差板８を介してＰＢＳ３１に入射する光（第２の直線偏光）は、ＰＢＳ３１を効率よく透過する。したがって、ディスプレイ２から出射される光とほぼ同じ光量の光を空中に導いて空中像を結像させることが可能となる。その結果、ハーフミラーを用いた場合のような空中像の輝度低下を回避することができ、明るい空中像を結像させることができる。
【００９２】
特に、位相差板８は１／４波長板であるため、ＰＢＳ３１で反射された第１の直線偏光を、円偏光に変換して再帰反射シート５に導き、再帰反射シート５から入射する円偏光を、ＰＢＳ３１を透過する第２の直線偏光に適切に変換することができる。これにより、ＰＢＳ３１での偏光分離を確実に実現して、上述した空中像の輝度低下を回避することができる。
【００９３】
また、ディスプレイ２は、ＬＣＤ以外の表示装置（例えば有機ＥＬ表示装置）であってもよいが、この場合は、ＰＢＳ３１での偏光分離を実現するために、ディスプレイ２の光出射側に偏光板を別途配置して、ＰＢＳ３１に直線偏光を入射させることが必要となる。一方、本実施形態のように、ディスプレイ２がＬＣＤである場合、ＬＣＤ自体が偏光板を含んでおり、ディスプレイ２から出射される光自体が直線偏光であるため、ディスプレイ２の光出射側に偏光板を別途配置する必要がない。これにより、部品点数の少ない構成で本実施形態の効果を得ることができる。
【００９４】
〔実施の形態５〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。本実施形態では、図１で示した実施の形態１の構成において、ディスプレイ２およびＢＳ３を、直方体形状の筐体１０にて平行に保持し、再帰反射シート５を筐体１０の底面および側面に配置して空中映像表示装置１を構成している。以下、筐体１０の構成について、まず説明する。なお、ここでは、筐体１０は、完全な直方体形状であるとして説明するが、角張った部分が多少丸みを帯びた形状（面取りされた形状）であってもよい。
【００９５】
図１９は、本実施形態の空中映像表示装置１の筐体１０の斜視図を示している。なお、同図では、便宜的に、筐体１０の開口部１０ａに位置するＢＳ３の図示を省略している。筐体１０は、底面１１と、第１の側面１２と、第２の側面１３と、第３の側面１４と、第４の側面１５と、上面１６とを有している。上面１６は、底面１１と対向しており、互いに平行な位置関係にある。筐体１０の開口部１０ａは、上面１６に形成されている。
【００９６】
第１の側面１２および第２の側面１３は、矩形状の底面１１の四辺のうち、長辺とそれぞれ連結されているとともに、矩形状の上面１６の四辺のうち、長辺とそれぞれ連結されている。第３の側面１４および第４の側面１５は、矩形状の底面１１の四辺のうち、短辺とそれぞれ連結されているとともに、矩形状の上面１６の四辺のうち、短辺とそれぞれ連結されている。
【００９７】
したがって、第１の側面１２は、第２の側面１３と対向しており、互いに平行な位置関係にある。第３の側面１４は、第４の側面１５と対向しており、互いに平行な位置関係にある。また、第１の側面１２、第２の側面１３、第３の側面１４および第４の側面１５は、底面１１および上面１６と垂直に交わる位置関係にある。さらに、第３の側面１４は、第１の側面１２および第２の側面１３とそれぞれ垂直に交わり、第４の側面１５は、第１の側面１２および第２の側面１３とそれぞれ垂直に交わる位置関係にある。
【００９８】
次に、本実施形態における再帰反射シート５の配置について説明する。図２０は、筐体１０の底面１１を中心とした展開図を示している。なお、図２０では、便宜的に、上面１６の図示を省略している。再帰反射シート５は、筐体１０の異なる面に位置する、再帰反射性を有する第１から第４のシートからなる。具体的には、再帰反射シート５は、第１のシート５ａ、第２のシート５ｂ、第３のシート５ｃおよび第４のシート５ｄで構成されている。
【００９９】
第１のシート５ａは、筐体１０において、ディスプレイ２を保持する底面１１上に、ディスプレイ２と長辺方向に並んで位置している。第２のシート５ｂは、筐体１０の第１の側面１２に、第１のシート５ａとつながるように位置している。第３のシート５ｃは、筐体１０の第２の側面１３に、第１のシート５ａとつながるように位置している。第４のシート５ｄは、筐体１０の第３の側面１４に、第１のシート５ａ、第２のシート５ｂおよび第３のシート５ｃとつながるように位置している。
【０１００】
上記のように筐体１０の内面（底面１１、第１の側面１２、第２の側面１３、第３の側面１４）に再帰反射シート５（第１のシート５ａ、第２のシート５ｂ、第３のシート５ｃ、第４のシート５ｄ）を配置することにより、例えば実施の形態１のように筐体１０の底面にのみ再帰反射シート５を配置する構成に比べて、再帰反射シート５の配置面積が増える。
【０１０１】
観察者が空中の映像Ｍを観察するためには、図１に示すように、映像Ｍを観察する観察者の眼とＢＳ３との間に映像Ｍが位置するように、観察者の眼を位置させるとともに、観察者の眼とＢＳ３とを結ぶ光路の延長線上に再帰反射シート５が位置していることが必要である。本実施形態のように、再帰反射シート５の配置面積が増えることにより、観察者の眼と映像Ｍの任意の点とを結ぶ軸に垂直な方向に、観察者の位置（観察者の眼）を大きくシフトさせても、シフト後の観察者の眼とＢＳ３とを結ぶ光路の延長線上に再帰反射シート５が位置する光学設計となる。これにより、観察者が映像Ｍを観察するときの観察可能な角度方向（空中において映像Ｍを観察することができる範囲）を広げることが可能となる。言い換えれば、図２１に示すように、空中の同じ映像Ｍを同時に別々の位置から観察する場合の観察可能な人数を増やすことが可能となる（空中像の広視野角化が可能となる）。
【０１０２】
図２２は、本実施形態の空中映像表示装置１の他の構成を模式的に示す断面図である。同図のように、再帰反射シート５は、空中に結像される実像（映像Ｍ）の観察側から見て凹となる曲率を有する曲面シートであってもよい。このような曲面シートとしては、図２３に示すように、一方向に垂直な断面内でのみ凹となる曲率を有するシリンドリカル状シート５１であってもよいし、図２４に示すように、全ての断面内で凹となる曲率を有する半球面状シート５２であってもよい。なお、半球面状シート５２は、球を半分に割ってできる立体（半球）の平面部以外の曲面部（外表面）に沿った形状のシートであり、お椀型シートとも呼ばれる。その他、曲面シートは、凹形状の曲率が変化するシート（自由曲面シート）であってもよい。
【０１０３】
このように、再帰反射シート５が凹形状で形成される場合、再帰反射シート５が平板状で形成される場合に比べて、再帰反射シート５の配置面積が増える。これにより、上記と同様の効果、つまり、空中において観察者が映像Ｍを観察することができる範囲を広げることが可能となる。特に、再帰反射シート５をシリンドリカル状シート５１で構成した場合は、凹形状の曲率を有する面内でのみ映像Ｍの観察可能範囲を広げることができるが、再帰反射シート５を半球面状シート５２で形成した場合は、全方向において映像Ｍの観察可能範囲を広げることができ、シリンドリカル状シート５１よりも観察可能範囲をさらに広げることができる。
【０１０４】
以上で説明した各実施の形態の構成を適宜組み合わせて、空中映像表示装置を構成することも勿論可能である。
【０１０５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で拡張または変更して実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明は、ＢＳと再帰反射シートとを用いて空中に映像を結像させる空中映像表示装置に利用可能である。
【符号の説明】
【０１０７】
１      空中映像表示装置
２      ディスプレイ（被対象物、液晶表示装置）
２ａ    表示面（光出射面）
３      ＢＳ（ビームスプリッタ）
４      偏向光学素子
５      再帰反射シート
５ａ    第１のシート
５ｂ    第２のシート
５ｃ    第３のシート
５ｄ    第４のシート
６      拡散制限部材
７      透過制御部材
８      位相差板（１／４波長板）
１０      筐体
１１      底面
１２      第１の側面
１３      第２の側面
１４      第３の側面
３１      ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）
４１      平板部材
４１ａ    面
４１ｂ    面
４２      反射偏向面
４３      無反射層
５１      シリンドリカル状シート（曲面シート）
５２      半球面状シート（曲面シート）
６１      透光性部材
６２      遮光板
７１      平板部材
７２      遮光板
【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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