JP6217883B1 - 表示装置 - Google Patents

Abstract

表示装置１は、画像投影部（１１、１３）と、画像投影部から発して入射面１４ａを介して内部に入射した光の伝搬方向に沿って並べられた複数の偏向部１４１を有し、各偏向部が、画像投影部の投影される画像が表された所定領域における、入射面１４ａの長手方向と直交する方向において、互いに異なる位置から発し、または互いに異なる方向へ向けて発した光を伝搬方向において互いに異なる角度で出射面１４ｃから出射させる導光板１４と、各偏向部を介して出射面１４ｃから出射した光のうちの所定の視点へ向かう光以外を遮断するマスク１５とを有し、画像投影部は、所定領域から発した光を、入射面１４ａの長手方向と直交する方向において平行光化する。

Description

本発明は、空中に像を投影可能な表示装置に関する。

従来より、空中に像を投影する表示装置が研究されている。特に、このような表示装置のなかで、空中に投影される像を他の物体と同時に視認可能にするために、導光板を利用して空中に投影される像を伝達する表示装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

例えば、特許文献１に開示された表示装置は、画像表示光を出射する表示素子と、観察対象の虚像を形成する光学系を有する出射機構と、ライトガイドとを備える。ライトガイドは基板であり、第１面と、第１面と対向する第２面と、第１面と第２面とは異なる第３面と、観察者の眼の前方に配置される出射面とを有し、出射面は、複数の平面形状のビームスプリッタを有する。そしてこの表示装置は、第３面を介して、ライトガイドの基板内部に出射機構からの画像表示光を入射させた後、第１面と第２面とで画像表示光を設定方向へと導き、出射面から画像表示光を観察者の眼に導く。

特開２０１１−１８６３３２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された表示装置では、観察者は、画像表示光により形成される虚像を観察することになる。この虚像は、観察者から見て、無限遠方に位置しており、有限の距離にて結像されていないため、観察者は、あまり立体感を感じない。また、この表示装置では、虚像が観察できる範囲も、出射面が設けられる範囲で限定される。虚像はライトガイドの近傍に結像されないので、観察者は両眼で同時に同じ位置にその虚像を観察することができない。また複数の観察者が同時に同じ位置にその虚像を観察することができない。

そこで、本発明は、空中に投影された像を視認可能な視点の範囲を広くできる表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの形態として、表示装置が提供される。この表示装置は、表示面を有し、その表示面の所定領域に投影される画像を表す画像投影部と、透明な部材で板状に形成される導光板であって、画像投影部と対向する入射面と、画像投影部の所定領域から発して入射面を介して導光板内に入射した光の伝搬方向に沿って並べられた複数の偏向部と、を有し、複数の偏向部のそれぞれが、画像投影部の所定領域における、入射面の長手方向と直交する方向において、互いに異なる位置から発し、または互いに異なる方向へ向けて発した光を伝搬方向において互いに異なる角度で導光板の一方の面である出射面から出射させる導光板と、導光板の出射面と対向するように配置され、複数の偏向部のそれぞれについて、その偏向部を介して出射面から出射した光のうちの所定の視点へ向かう光以外を遮断するマスクとを有し、画像投影部は、所定領域から発した光を、導光板の入射面の長手方向と直交する方向において平行光化する。

この表示装置において、画像投影部は、表示面を有し、表示面の所定領域に投影される画像を表示する画像表示部と、画像表示部と導光板の入射面の間に配置され、画像表示部の所定領域から発した光を、その入射面の長手方向と直交する方向において平行光化するコリメート部材とを有することが好ましい。

また、この表示装置は、画像投影部の所定領域から発した光を、導光板の入射面の長手方向と平行な方向に関して所定の位置で結像させる結像部をさらに有することが好ましい。

この場合において、結像部は、画像投影部と導光板の入射面の間に配置され、かつ、その入射面の長手方向において正のパワーを持つシリンドリカルレンズであることが好ましい。

この表示装置において、マスクは、複数の偏向部のそれぞれについて、その偏向部から所定の視点へ向かう光を透過させるスリットを有することが好ましい。

この場合において、マスクは、複数の偏向部のそれぞれに対応するスリットを透過した光を伝搬方向及び出射面の法線を含む面において拡散させる拡散部を有することが好ましい。

本発明の他の形態として、表示装置が提供される。この表示装置は、表示面を有し、その表示面の所定領域に投影される画像を表す画像投影部と、透明な部材で板状に形成される導光板であって、画像投影部と対向する入射面と、画像投影部の所定領域から発して入射面を介して導光板内に入射した光の伝搬方向に沿って並べられた複数の偏向部と、を有し、複数の偏向部のそれぞれが、画像投影部の所定領域における、入射面の長手方向と直交する方向において、互いに異なる位置から発し、または互いに異なる方向へ向けて発した光を所定の視点へ向けて出射面から出射させる導光板と、を有し、画像投影部は、所定領域から発した光を、導光板の入射面の長手方向と直交する方向において平行光化する。

この表示装置において、画像投影部は、表示面を有し、その表示面の所定領域に投影される画像を表示する画像表示部と、画像表示部と導光板の入射面の間に配置され、画像表示部の所定領域から発した光を、導光板の入射面の長手方向と直交する方向において平行光化するコリメート部材と、を有することが好ましい。

この場合において、表示装置は、画像投影部の所定領域から発した光を、導光板の入射面の長手方向と平行な方向に関して、所定の位置で結像させる結像部をさらに有することが好ましい。

また、結像部は、画像投影部と導光板の入射面の間に配置され、かつ、その入射面の長手方向において正のパワーを持つシリンドリカルレンズであることが好ましい。

あるいは、結像部は、画像投影部と入射面の間に配置され、かつ、入射面の長手方向に沿って並べられた複数のレンズを有し、複数のレンズのそれぞれは、入射面の長手方向において正のパワーを持つことが好ましい。

この場合において、画像投影部は、複数のレンズのそれぞれについて、投影画像が表示される所定領域のうちのそのレンズと対応する部分領域に、所定の視点から見て同一の被写体を表す画像を表示することが好ましい。

あるいは、結像部は、導光板の出射面と対向するように配置され、導光板内から出射面を介して出射した光を出射面と平行な面において再帰反射させることが好ましい。

この表示装置において、複数の偏向部のそれぞれは、導光板の出射面と対向する面に設けられ、導光板内を伝搬する光を出射面へ向けて反射する反射面を有するプリズムであり、入射面から遠い偏向部ほど、反射面と出射面とがなす角が大きくなることが好ましい。

また、表示装置は、導光板の出射面と対向するように配置されるレンズアレイをさらに有し、レンズアレイは、複数の偏向部のそれぞれごとに、画像投影部の投影される画像が表された所定領域から発してその偏向部により方向が変えられて出射面から出射した光のうち、画像投影部のその所定領域上の第１の部分領域から発した光が通る位置に設けられた第１のレンズと、導光板の入射面の長手方向と直交する方向において第１の部分領域と異なる、画像投影部のその所定領域上の第２の部分領域から発した光が通る位置に設けられた第２のレンズとを有し、第１のレンズ及び第２のレンズのそれぞれは、第１の部分領域に表示される画像に対応する結像面と第２の部分領域に表示される画像に対応する結像面とが互いに異なるように、導光板内を伝搬する光の方向及び出射面の法線方向とを含む面においてパワーを持つことが好ましい。

あるいは、表示装置は、導光板の出射面と対向するように配置されるプリズムアレイをさらに有し、プリズムアレイは、複数の偏向部のそれぞれごとに、画像投影部の投影される画像が表された所定領域から発してその偏向部により方向が変えられて出射面から出射した光のうち、画像投影部のその所定領域上の第１の部分領域から発した光が通る位置に設けられた第１のプリズムと、導光板の入射面の長手方向と直交する方向において第１の部分領域と異なる、画像投影部のその所定領域上の第２の部分領域から発した光が通る位置に設けられた第２のプリズムとを有し、第１のプリズムの屈折面の向き及び第２のプリズムの屈折面の向きのそれぞれは、第１の部分領域に表示される画像に対応する結像面と第２の部分領域に表示される画像に対応する結像面とが互いに異なるように設定されることが好ましい。

本発明のさらに他の形態として、表示装置が提供される。この表示装置は、表示面を有し、その表示面の所定領域に投影される画像を表す画像投影部と、透明な部材で板状に形成された導光板であって、画像投影部と対向する入射面と、画像投影部の所定領域から発して入射面を介して導光板内に入射した光の伝搬方向に沿って並べられた複数の偏向部と、を有し、複数の偏向部のそれぞれが、画像投影部の所定領域における、入射面の長手方向と直交する方向において、互いに異なる位置から発し、または互いに異なる方向へ向けて発した光を所定の視点へ向けて出射面から出射させ、かつ、複数の偏向部のそれぞれは、画像投影部の所定領域から発した光を、入射面の長手方向と平行な方向において収束光化して、所定の位置で結像させる導光板とを有し、画像投影部は、所定領域から発した光を、導光板の入射面の長手方向と直交する方向において平行光化する。

この表示装置において、画像投影部は、表示面を有し、その表示面の所定領域に投影される画像を表示する画像表示部と、画像表示部と入射面の間に配置され、画像表示部のその所定領域から発した光を、導光板の入射面の長手方向と直交する方向において平行光化するコリメート部材とを有することが好ましい。

この表示装置において、複数の偏向部のそれぞれは、導光板の出射面と対向する面に設けられ、導光板内を伝搬する光を出射面へ向けて反射し、かつ、入射面に対して凹面状に形成される反射面を有するプリズムであることが好ましい。

あるいは、複数の偏向部のそれぞれは、導光板の出射面と対向する面に設けられ、導光板内を伝搬する光を出射面へ向けて反射し、かつ、出射面と平行な面において導光板内を伝搬する光を再帰反射するコーナーミラー状に形成される反射面を有するプリズムであることが好ましい。

本発明に係る表示装置は、空中に投影された像を視認可能な視点の範囲を広くできるという効果を奏する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る表示装置の概略構成図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る表示装置の概略側面図である。 図３は、正面側から見た、拡散面の部分拡大図である。 図４は、変形例による、導光板及びマスクの概略斜視図である。 図５は、第２の実施形態による表示装置の概略側面図である。 図６は、変形例による導光板及びシリンドリカルレンズの概略側面図である。 図７は、変形例による、表示装置の概略構成図である。 図８は、他の変形例による表示装置の概略構成図である。 図９は、さらに他の変形例による表示装置の概略側面図である。 図１０は、さらに他の変形例による表示装置の概略構成図である。 図１１は、さらに他の変形例による表示装置の概略構成図である。 図１２は、さらに他の変形例による表示装置の概略構成図である。 図１３は、さらに他の変形例による、入射面と直交する方向に沿った、導光板の概略側面断面図である。 図１４は、さらに他の変形例による、入射面と直交する方向に沿った、導光板の概略側面断面図である。 図１５は、さらに他の変形例による、画像表示装置、導光部材及び導光板の配置の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態による表示装置を、図を参照しつつ説明する。この表示装置は、板状の導光板と、導光板の一方の側壁に形成される入射面と対向するように配置される画像表示装置とを有する。そして画像表示装置と入射面の間に、観察者と対向する側の導光板の面である出射面と平行な面において画像表示装置からの光を収束光化する結像レンズと、出射面と直交する面において画像表示装置からの光を平行光化するコリメートレンズが配置される。なお、画像表示装置とコリメートレンズとは、画像投影部を構成する。また、導光板の出射面と対向する側の拡散面には、導光板内に入射した画像表示装置からの光を出射面を介して観察者へ向けて反射させる複数のプリズムが形成される。さらに、出射面と観察者の間には、個々のプリズムごとに、画像表示装置の表示領域上の出射面と直交する方向における、そのプリズムに対応する位置からの光だけを特定の視点へ向けて透過させるスリットが設けられる。これにより、画像表示装置の表示領域上の個々の点から発する光は、結像レンズにより、導光板の出射面よりも観察者側にて、入射面の長手方向と平行な方向について一点に結像されるとともに、スリットにより、特定の視点へ向かう。そのため、観察者は、表示領域上の個々の点に対応する、結像点の集合として、画像表示装置に表示された画像の投影像（実像）を観察できる。また、入射面の長手方向と平行な方向については結像点から光が拡がるため、その方向について視差を持たせることができる。したがって、観察者が自身の両眼を入射面の長手方向と平行となるように配置したときに、観察者は、投影像を立体的に観察できるとともに、視点をその方向に沿って動かしてもその投影像を観察できる。
なお、以下では、説明の便宜上、観察者と対向する側を正面とし、その反対側を背面とする。

図１は、本発明の一つの実施形態に係る表示装置の概略構成図である。図２は、表示装置の概略側面図である。表示装置１は、画像表示装置１１と、結像レンズ１２と、コリメートレンズ１３と、導光板１４と、マスク１５とを有する。なお、以下では、導光板１４の背面側に位置する拡散面１４ｂと平行な面において、導光板１４の入射面１４ａの長手方向と平行な方向をx方向とし、入射面１４ａの法線方向をy方向とする。また拡散面１４ｂ及び導光板１４の正面側に位置する出射面１４ｃの法線方向をz方向とする。なお、以下の各図は、表示装置の各構成要素の配置関係の概略を示すものであり、実際の寸法、プリズムなどの数を表すものではないことに留意されたい。

画像表示装置１１は、画像表示部の一例であり、例えば、液晶ディスプレイあるいは有機ＥＬディスプレイとすることができる。画像表示装置１１は、制御装置（図示せず）から受信した映像信号に応じて、表示装置１により空中に投影される２次元画像を、表示装置１が有する表示面の表示領域に表示する。そして画像表示装置１１は、その表示領域が導光板１４の入射面１４ａと対向し、かつ、入射面１４ａと略平行となるように配置される。なお、この配置は一例であり、画像表示装置１１は、入射面１４ａに対して傾けて配置されてもよい。この場合には、画像表示装置１１の表示領域上の位置ごとに、結像レンズ１２との位置関係が変化することになる。そして、表示領域上の結像レンズ１２に近い点ほど、その点から発した光は、導光板１４から離れた位置に結像する。

なお、z方向について、入射面１４ａの中心と、コリメートレンズ１３の光軸とが一致するようにコリメートレンズ１３が配置されている場合、その光軸と直交する面内でz方向に沿ってその光軸を挟んで等距離となる２点のそれぞれから発して、入射面１４ａを介して導光板１４内に入射した光は、拡散面１４ｂに対して同じ角度をなすことになる。そのため、それら２点からの光は、同じプリズム１４１により反射されて視点へ向かうことになる。そのため、観察者からは、それら２点が重なって見えることになる。

そこで画像表示装置１１は、z方向について、導光板１４よりも正面側、あるいは、背面側に表示領域全体が位置するように配置されることが好ましい。本実施形態では、画像表示装置１１の表示領域全体が、導光板１４よりも背面側に配置される。
またこの場合、画像表示装置１１からコリメートレンズ１３を経由して導光板１４内に入射する光の量を増やすために、図２において点線で示されるように、z方向について、コリメートレンズ１３の光軸を挟んで画像表示装置１１とは反対側に配置され、かつ、出射面１４ｃと平行かつ画像表示装置１１へ向けられた反射面を持つミラー２０を配置することが好ましい。

結像レンズ１２は、結像部の一例であり、xy平面において正のパワーを有し、yz平面についてはパワーを有さないシリンドリカルレンズであり、画像表示装置１１と導光板１４の入射面１４ａの間に、その光軸が入射面１４ａの法線と平行となるように配置される。なお、結像レンズ１２は、バルクレンズであってもよく、あるいは、薄型化するためにフレネルレンズまたは回折レンズとしてもよい。また結像レンズ１２は、１枚のレンズでもよく、あるいは、収差を補正するために、y方向に沿って配置された複数のレンズを含んでいてもよい。さらに、結像レンズ１２の少なくとも一つのレンズ面は、収差を補正するために、xy平面においても非球面で形成されてもよい。

結像レンズ１２は、画像表示装置１１の表示領域上の個々の点（画素）から発した光を、xy平面において収束光化し、後述するように、導光板１４の出射面１４ｃと観察者の間の所定の位置にて結像させる。そのために、画像表示装置１１は、結像レンズ１２の焦点距離（例えば、焦点距離f=90mm）よりも離れた位置に配置される。

コリメートレンズ１３は、画像表示装置１１と導光板１４の入射面１４ａの間に配置される。なお、本実施形態では、コリメートレンズ１３は、結像レンズ１２と入射面１４ａの間に配置されるが、コリメートレンズ１３は、画像表示装置１１と結像レンズ１２の間に配置されてもよい。また本実施形態では、コリメートレンズ１３は、その光軸が入射面１４ａの法線と平行となるように配置される。コリメートレンズ１３は、yz平面において正のパワーを有し、xy平面についてはパワーを有さないシリンドリカルレンズとして構成される。なお、コリメートレンズ１３も、結像レンズ１２と同様に、バルクレンズであってもよく、あるいは、フレネルレンズであってもよい。またコリメートレンズ１３は、１枚のレンズでもよく、あるいは、y方向に沿って配置された複数のレンズを含んでいてもよい。さらに、コリメートレンズ１３の少なくとも一つのレンズ面は、yz平面においても非球面で形成されてもよい。

また、結像レンズ１２とコリメートレンズ１３とは、一つのレンズで構成されてもよい。この場合、例えば、レンズの一方の面は、xy平面においてのみ正のパワーを有し、レンズの他方の面は、yz平面においてのみ正のパワーを有するように形成される。あるいは、コリメートレンズ１３は、入射面１４ａと一体的に形成されてもよい。すなわち、入射面１４ａがシリンドリカルレンズとして形成されてもよい。

コリメートレンズ１３は、コリメート部材の一例であり、画像表示装置１１の表示領域上の個々の点（画素）から発した光を、yz平面において平行光化する。さらに、コリメートレンズ１３は、画像表示装置１１とともに、画像投影部を構成する。そのために、画像表示装置１１は、コリメートレンズ１３の焦点面（例えば、焦点距離f=291mmに相当する位置）に配置される。すなわち、画像表示装置１１の表示領域上の個々の点（画素）から発した光は、結像レンズ１２及びコリメートレンズ１３により、xy平面においては収束光となり、yz平面においては平行光となって、導光板１４に入射する。したがって、画像表示装置１１の表示領域上の個々の点（画素）から発した光は、z方向におけるその点の位置に応じてyz平面において異なる角度を持つ平行光として導光板１４に入射し、かつ、導光板１４内を伝搬する。

導光板１４は、画像表示装置１１から発した光を観察者側へ向ける。そのために、導光板１４は、平板状に形成された透明な部材であり、画像表示装置１１と対向する側の側壁が入射面１４ａとして形成される。そして入射面１４ａから導光板１４内に入射した光は、導光板１４の背面側の面である拡散面１４ｂと、導光板１４の正面側の面、すなわち、拡散面１４ｂと対向する面である出射面１４ｃとの間で全反射されながら、y方向に沿って伝搬する。

また導光板１４の拡散面１４ｂには、入射面１４ａを介して導光板１４内に入射した光を、出射面１４ｃを介して観察者側へ向けて出射させるように反射する複数のプリズム１４１が形成される。各プリズム１４１は、偏向部の一例である。詳細は後述するように、画像表示装置１１から発して導光板１４内を伝搬する光は、各プリズム１４１とマスク１５に形成されるスリット１５１により、特定の視点へ向けられる。

図３は、正面側から見た、拡散面１４ｂの部分拡大図である。複数のプリズム１４１は、y方向に沿って所定のピッチ（例えば、1mm）で格子状に配置されている。複数のプリズム１４１のそれぞれは、例えば、x方向、すなわち、入射面１４ａの長手方向と略平行な方向に沿って延伸され、y方向において所定の幅（例えば、10μm）を持つ略三角形状の溝として形成される。そして複数のプリズム１４１のそれぞれは、拡散面１４ｂに対して所定の角度αをなし、かつ、入射面１４ａと対向するように向けられた反射面１４１ａを有する。なお、所定の角度αは、導光板１４へ入射した画像表示装置１１からの光を全反射させて、出射面１４ｃへ向ける角度、例えば、拡散面１４ｂに対して37〜45°をなすように設定される。なお、本実施形態では、各プリズム１４１について角度αは同一となるように、各プリズム１４１は形成される。

上記のように各プリズム１４１が形成されるため、画像表示装置１１から発して導光板１４内に入射した光は、結像レンズ１２により、xy平面において収束光となっているので、何れかのプリズム１４１により反射されることで、今度は、xz平面において収束光となる。またその光は、コリメートレンズ１３により、yz平面において平行光となっているので、yz平面において、画像表示装置１１の表示領域上のz方向の位置に応じた角度を、プリズム１４１の反射面１４１ａに対してなすことになる。そのため、yz平面において、画像表示装置１１の表示領域上の個々の点から発した光は、その点のz方向の位置に応じて異なる方向へ向けて出射される。

なお、結像レンズ１２、コリメートレンズ１３及び導光板１４は、それぞれ、例えば、可視光に対して透明な材料、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマーといった樹脂を成型することで形成される。

マスク１５は、可視光に対して不透明な材料により形成されるシート状の部材であり、導光板１４の出射面１４ｃよりも正面側に配置される。そしてマスク１５には、x方向と平行なスリット１５１が、y方向に沿って、複数配置される。個々のスリット１５１は、何れかのプリズム１４１と対応する。

図１及び図２に示されるように、本実施形態では、各スリット１５１は、画像表示装置１１から発して導光板１４内を伝搬して対応するプリズム１４１により反射された光のうち、特定の視点１００へ向かう光のみを透過させ、他の光を遮断する位置に設けられる。したがって、この例では、画像表示装置１１から発した光は、yz平面に関して、コリメートレンズ１３により平行光化されるので、画像表示装置１１の表示領域上のz方向の位置に応じて、透過するスリット１５１が異なることになる。例えば、図２に示される例では、画像表示装置１１の表示領域上において、より背面側に位置する点から発した光ほど、入射面１４ａに近い方のスリット１５１を透過して視点１００へ向かう。ただし、これに限られず、画像表示装置１１の表示領域上のz方向の位置と、プリズム１４１及びスリット１５１の組とが１対１に対応していればよい。

また、視点１００は、図１及び図２に示されるように、x軸に沿った線状の範囲となり、画像表示装置１１の表示領域の個々の点から発した光が結像レンズ１２により結像される結像点１０１よりも遠くに設定される。したがって、視点１００から見ると、画像表示装置１１の表示領域の個々の点に対応する各結像点１０１が集合する平面１０２に、表示領域に表示された画像の実像が投影されることとなり、視点１００から観察する観察者は、平面１０２上に投影される実像を観察することができる。

また、xz平面においては、各結像点１０１から光が拡がるため、x方向では空中に投影される像について眼の位置による視差が再現される。そのため、観察者は、視点１００において両眼がx方向に沿って並ぶようにすることで、空中に投影される像を立体的に観察できる。また観察者は、視点１００からx方向に沿って視点を移動させても、平面１０２上に投影される実像を観察することができる。このように、表示装置１は、空中に投影される像を視認できる範囲を広げることができる。

以上に説明してきたように、この表示装置は、画像表示装置の表示領域の個々の点から発した光について、入射面の長手方向と平行な方向の面については収束光として、導光板から出射した後の所定の位置で結像させる。一方、この表示装置は、入射面の長手方向と直交する方向の面については平行光化して、導光板から出射する際の角度を、入射面の長手方向と直交する方向におけるその点の位置に応じて変化させるとともに、マスクに設けられたスリットにより、導光板から出射する位置と光の出射方向とを一対一に対応させて、導光板の正面側に位置する特定の視点へ向かう方向の光だけがスリットを透過するようにする。これにより、この表示装置は、その視点から観察者が見たときに、画像表示装置に表示され、かつ、空中に投影された画像を視認できるようにする。さらにこの表示装置は、画像表示装置の表示領域の個々の点から発した光について、収束光となっている方向の面については、結像位置から光が拡がるように見えるので、その方向に沿って両眼が並ぶようにすることで、観察者は、投影された画像を立体的に観察でき、かつ、その方向に沿って視点を変更しても、投影された画像を視認できる。

図４は、変形例による、導光板及びマスクの概略斜視図である。この変形例によれば、マスク１５の各スリット１５１に、yz平面、すなわち、導光板１４内の光の伝搬方向及び出射面１４ｃの法線を含む面において、スリット１５１を透過した光を拡散させる拡散部材１５２が設けられる。拡散部材１５２は、例えば、y方向に沿って所定のピッチで形成される回折格子、あるいは、y方向に負のパワーを持つシリンドリカル状の凹レンズとすることができる。これにより、マスク１５は、x方向については視差を持たせつつ、y方向に関しても、観察者が空中に投影された像を見える範囲を広げることができる。例えば、x方向に平行な視点１００ａに沿って両眼が並ぶようにしたときに、観察者は、平面１０２ａにて投影された画像を立体的に観察できる。一方、視点１００ａよりもy方向にずれた位置にある、x方向に平行な視点１００ｂに沿って両眼が並ぶようにしたときに、観察者は、平面１０２ｂにて投影された画像を立体的に観察できる。このように、この変形例では、観察者がy方向に沿って眼の位置をずらすと投影された画像が見える位置も、その視点のずれに沿って変化する。ただし、この変形例でも、観察者がx方向に沿って眼の位置をずらしても、投影された画像が見える位置は変化しない。

次に第２の実施形態による表示装置について説明する。図５は、第２の実施形態による表示装置２の概略側面図である。第２の実施形態による表示装置２は、画像表示装置１１と、結像レンズ１２と、コリメートレンズ１３と、導光板１４とを有する。
第２の実施形態による表示装置２は、第１の実施形態による表示装置１と比較して、マスク１５が省略される代わりに、導光板１４に設けられるプリズムの構成が相違する。そこで以下では、上記の相違点について説明する。表示装置２の他の構成要素に関しては、第１の実施形態による表示装置１の対応する構成要素の説明を参照されたい。

第２の実施形態による表示装置２では、各プリズム１４１の反射面と拡散面１４ｂとのなす角αは、入射面１４ａから遠くなるほど大きくなるように設定される。なお、その角αは、入射面１４ａから最も遠いプリズム１４１でも、画像表示装置１１からの光を全反射できる角度となるように設定されることが好ましい。

上記のように各プリズム１４１についての反射面の角度αが設定されるため、第２の実施形態では、画像表示装置１１の表示領域上のz方向の位置が背面側となる点から発して所定の視点（例えば、視点５００ａまたは視点５００ｂ）へ向かう光ほど、入射面１４ａから遠いプリズム１４１にて反射される。ただし、これに限られず、画像表示装置１１の表示領域上のz方向の位置と、プリズム１４１とが１対１に対応していればよい。またこの実施形態では、入射面１４ａから遠いプリズム１４１で反射される光ほど、入射面１４ａ側へ向かい、一方、入射面１４ａに近いプリズム１４１で反射される光ほど、入射面１４ａから遠ざかる方向へ向かう。そのため、マスク１５が省略されても、表示装置２は、画像表示装置１１からの光を、特定の視点へ向けて出射させることができる。またこの実施形態でも、導光板１４から出射した光は、x方向に関して、画像が投影される面上で結像し、その面から離れるにしたがって拡散する。そのため、表示装置２は、x方向に関して視差を与えることができるので、観察者が両眼をx方向に沿って並ぶようにすることで、投影された画像を立体的に観察できる。

この実施形態では、各プリズム１４１で反射され、その視点へ向かう光は遮られないので、観察者は、y方向に沿って観察者が視点を移動させても、画像表示装置１１に表示され、かつ、空中に投影された像を観察できる。ただし、各プリズム１４１から視点へ向かう光線と各プリズム１４１の反射面とのなす角が、y方向における視点の位置に沿って変化するので、これに伴い、その光線に対応する画像表示装置１１上の点の位置も変化する。例えば、視点５００ａから見た場合、画像表示装置１１上の各点５０１ａ〜５０１ｃ（ただし、観察者側から順に、点５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃとなる）からの光は、それぞれ、プリズム１４１−１〜１４１−４（ただし、入射面１４ａから遠い順に、プリズム１４１−１、１４１−２、１４１−３、１４１−４となる）のうち、プリズム１４１−１〜１４１−３で反射されて投影面５０２ａ上で結像する。一方、観察者が、視点５００ａよりも入射面１４ａから離れた視点５００ｂに眼を移動させたとする。この場合、視点５００ｂからは、視点５００ａよりも、入射面１４ａから離れる方向へ向けて導光板１４から出射する光が観察されることになる。そして本実施形態では、各プリズム１４１の反射面と拡散面１４ｂとのなす角αは、入射面１４ａから遠くなるほど大きくなるように設定されているので、例えば、画像表示装置１１上の各点５０１ａ〜５０１ｃからの光は、より入射面１４ａ側に近いプリズム１４１−２〜１４１−４で反射されて投影面５０２ｂ上で結像した後、視点５００ｂへ向かうことになる。したがって、観察者がy方向に沿って視点を変化させても、投影像の位置はあまりずれることはない。またこの例では、画像表示装置１１上の各点からの光は、各プリズム１４１により、y方向に関してもある程度結像される。そのため、観察者は、両眼をy方向に沿って並ぶようにしても、立体的な像を観察できる。

さらに、この実施形態によれば、マスクが使用されないため、ロスとなる光の量が少なくなるので、表示装置は、より明るい像を空中に投影できる。またこの実施形態によれば、マスクが使用されないため、表示装置２は、導光板１４の背後にある物体（図示せず）と投影された画像の両方を観察者に視認させることができる。

なお、拡散面１４ｂの面積に占める、プリズム１４１が形成された領域の面積の比である配置密度は、観察者が、導光板１４の背後にある物体（図示せず）を、透明な部材を介して、あるいは、何もない空間を介して視認していると感じられる配置密度の上限以下となることが好ましい。そこで、例えば、配置密度が30.0％以下となるように各プリズム１４１は配置されることが好ましい。

あるいは、導光板１４について、全透過光に対する拡散光の割合を表すヘイズ値が、観察者が、導光板１４の背後にある物体（図示せず）を、透明な部材を介して、あるいは、何もない空間を介して視認していると感じられるヘイズ値の上限以下となることが好ましい。例えば、ヘイズ値が28％以下となるように各プリズム１４１は配置されることが好ましい。

また、上記の各実施形態または変形例において、導光板１４の拡散面１４ｂに設けられる各プリズム１４１は、入射面１４ａの長手方向（すなわち、x方向）についても離散的となるように形成されてもよい。この場合、各プリズム１４１は、正方格子状に配置されてもよく、あるいは、千鳥足状に配置されてもよい。

なお、この実施形態においても、出射面１４ｃと対向する位置において、プリズム１４１ごとに、そのプリズム１４１により反射され、出射面１４ｃから出射された光が通る位置に、yz平面においてパワーを持つシリンドリカルレンズが配置されてもよい。

図６は、この変形例による導光板及びシリンドリカルレンズの概略側面図である。この変形例では、導光板１４の出射面１４ｃと対向するように、透明な部材で形成されるプリズムシート１６が配置される。プリズムシート１６には、プリズム１４１ごとに、そのプリズム１４１で反射され、出射面１４ｃから出射する、画像表示装置１１からの光が透過する位置にプリズム１６１が設けられる。この例では、導光板１４内では、画像表示装置１１上の各点からの光は、その点のz方向の位置に応じた向きで伝搬する。そのため、画像表示装置１１上の各点からの光は、その点のz方向の位置に応じて、yz平面内で異なる向きで出射面１４ｃから出射するように、各プリズム１４１で反射される。したがって、画像表示装置１１上の各点からの光は、その点のz方向の位置に応じて、プリズム１６１を透過する際のy方向の位置も異なることになる。そこで、yz平面における、各プリズム１６１の屈折面の向きをy方向の位置に応じて適切に設定することで、画像表示装置１１上の任意の点からの光は、どのプリズム１４１で反射されたとしても、投影面６０１上の同じ位置を通過するようになる。そのため、この表示装置は、観察者が視点の位置をy方向に沿って変化させても、投影される画像の位置を一定とすることができる。すなわち、この変形例では、表示装置は、プリズム１４１ごとに、画像表示装置１１からの光が投影される位置を補正できる。
なお、この変形例では、プリズムシート１６に設けられた各プリズム１６１により、導光板１４から出射した光のyz平面内での向きを調節できるので、導光板１４に形成される各プリズム１４１の反射面と拡散面のなす角は、同一であってもよい。

なお、上記の各実施形態において、画像表示装置１１の代わりに、展示用の物体が置かれてもよい。この場合には、その物体上の各点と結像レンズ１２の位置関係に応じて、その物体上の点が投影される位置が変化するので、表示装置は、その物体の立体的な像を空中に投影できる。

上記の各実施形態の変形例によれば、結像レンズ１２は、レンズアレイとして構成されてもよい。図７は、この変形例による、表示装置の概略構成図である。図７に示される表示装置３は、第２の実施形態による表示装置２と比較して、結像レンズ１２が、x方向に沿って一列に配置された複数のシリンドリカルレンズ１２１を含むレンズアレイとして構成される点で異なる。そこで以下では、その相違点について説明する。以下では、レンズアレイを構成する個々のシリンドリカルレンズ１２１を、サブシリンドリカルレンズと呼ぶ。このように、結像レンズ１２をレンズアレイとすることで、結像レンズ１２を小型化できるとともに、一つのシリンドリカルレンズを利用する場合と比較して、光軸に近い部分を透過する光のみを利用することになるので、収差が低減される。

またこの変形例では、画像表示装置１１の表示領域は、x方向に沿って、個々のサブシリンドリカルレンズ１２１に対応する複数の部分領域１１１に分割され、個々の部分領域１１１は、同一の被写体を同一方向から見た画像を表示する。

この変形例では、各部分領域１１１に表示される画像の位置を調節することで、各部分領域１１１に表示された画像上の同じ点からの光が、空中の特定の点で結像される。例えば、空中の点P1と個々のサブシリンドリカルレンズ１２１の主点とを通る光線が各部分領域１１１と交差する位置に、画像上の同じ点が位置するように、各部分領域１１１に画像が表示されればよい。すなわち、導光板１４により近い位置に投影する場合ほど、各部分領域１１１における画像の位置は、導光板１４のx方向の中心に対して、x方向に沿って離れるように表示されればよい。したがって、この変形例による表示装置は、各部分領域１１１に表示される画像の位置を調節することで、それらの画像上の同じ点が一点に集まる位置、すなわち、それらの画像が投影される位置を変更できる。

またこの表示装置は、画像内の点ごとに、各部分領域１１１の対応点からの光が空中にて一点に集まる位置を変更することで、画像を立体的に表示させることができる。例えば、画像上の第１の点については、空中の点P1と個々のサブシリンドリカルレンズ１２１の主点とを通る光線が各部分領域１１１と交差する位置に表示され、画像上の第２の点については、空中の点P2と個々のサブシリンドリカルレンズ１２１の主点とを通る光線が各部分領域１１１と交差する位置に表示されればよい。すなわち、個々の部分領域１１１は、同一の被写体を互いに異なる方向から見た画像を表示する。これにより、観察者は、第１の点は点P1に位置するように見え、第２の点は点P2に位置するように見える。

ただし、各部分領域１１１と、各部分領域１１１に表示された画像が投影される位置との関係が、サブシリンドリカルレンズ１２１による結像関係となる位置関係からずれるほど、投影される像がボケるので、そのボケが許容される範囲内で投影される位置が調節されることが好ましい。

また、部分領域１１１ごとに、別の画像が表示されてもよい。この場合には、画像表示装置ごとに、サブシリンドリカルレンズ１２１のパワーが異なっていてもよい。画像表示装置ごとに、異なるパワーのサブシリンドリカルレンズを用いることで、部分領域１１１ごとに、その部分領域１１１に表示される画像が結像される位置が変化する。したがって、表示装置は、部分領域１１１ごとに異なる位置に画像を投影できるので、立体的な画像表示が可能となる。また、個々のサブシリンドリカルレンズが互いに独立に形成される場合には、部分領域１１１ごとに、y方向におけるサブシリンドリカルレンズの位置を変えてもよい。あるいは、部分領域１１１ごとに、異なる画像表示装置が用いられてもよい。この場合には、y方向における各サブシリンドリカルレンズの位置と同一として、代わりに、画像表示装置の方向における位置を、画像表示装置ごとに変えてもよい。この場合も、画像表示装置とサブシリンドリカルレンズの位置関係に応じて、画像表示装置ごとに、その画像表示装置に表示される画像が結像される位置が変化するので、表示装置は、画像表示装置ごとに異なる位置に画像を投影できる。

また、部分領域１１１ごとに、別の画像表示装置が用いられる場合、一つの画像表示装置と対応する一つのサブシリンドリカルレンズの組を、一つのプロジェクタに置換することができる。

図８は、この変形例による表示装置の概略構成図である。この変形例による表示装置４は、図７に示された表示装置３と比較して、画像表示装置１１及び結像レンズ１２の代わりに、複数のプロジェクタ１７−１〜１７−ｎ（ｎは２以上の整数、図８では、ｎ＝４）を有する点で相違する。そこで以下ではその相違点について説明する。

複数のプロジェクタ１７−１〜１７−ｎは、それぞれ、投影するための画像を表示するディスプレイ（図示せず）と、ディスプレイに表示された画像を投影するための投影光学系（図示せず）とを有する。そのため、複数のプロジェクタ１７−１〜１７−ｎは、それぞれ、画像表示部及び結像部の他の一例となる。

表示装置４でも、表示装置３と同様に、各プロジェクタ１７−１〜１７−ｎには、同じ画像が表示される。これにより、表示装置４は、表示装置３と同様の効果が得られる。

なお、プロジェクタの投影光学系は、通常、投影光学系の光軸を中心とした回転対称に形成されるので、xy平面だけでなく、yz平面、すなわち、導光板１４の出射面１４ｃの法線と入射面１４ａの法線とを含む面についても正のパワーを持つ。そこでこの変形例では、コリメートレンズ１３は、各プロジェクタ１７−１〜１７−ｎの投影光学系とコリメートレンズ１３とを含む光学系全体で、yz平面について各プロジェクタ１７−１〜１７−ｎのディスプレイ上の個々の点からの光が平行光となるようなパワーを持つシリンドリカルレンズとして形成されることが好ましい。そのようなパワーは、投影光学系とコリメートレンズ１３の位置関係と投影光学系のパワーとに基づいて決定される。

さらに他の変形例によれば、導光板１４の出射面１４ｃよりも正面側に、マイクロレンズアレイを配置することで、画像表示装置の表示領域のy方向の位置に応じて画像が投影される位置を異ならせるようにしてもよい。

図９は、この変形例による表示装置の概略側面図である。表示装置５は、表示装置２と比較して、導光板１４の出射面１４ｃよりも正面側に配置されたマイクロレンズアレイ１８を有する点で相違する。そこで以下では、この相違点について説明する。

上述したように、画像表示装置１１の表示領域上の個々の点のz方向の位置に応じて、その点から発した光が導光板１４内を伝搬する角度が変化する。したがって、画像表示装置１１の表示領域上の個々の点のz方向の位置に応じて、yz面における、出射面１４ｃから出射する光の方向も変化する。その結果として、線９０１〜９０３に示されるように、出射面１４ｃよりも観察者側では、同じプリズム１４１で反射される光でも、その光が発した画像表示装置１１の表示領域上の個々の点のy方向の位置に応じて、y方向の位置が異なることになる。

そこで、マイクロレンズアレイ１８では、導光板１４の個々のプリズム１４１ごとに、そのプリズム１４１で反射され、出射面１４ｃから出射する光が通る範囲において、y方向に沿って複数のマイクロレンズ１８１が設けられる。各マイクロレンズ１８１は、画像表示装置１１の表示領域を、z方向に沿って複数に分割した部分領域１１２のうちの一つに対応する。特に、入射面１４ａに近いマイクロレンズ１８１ほど、背面側に位置する部分領域１１２に対応する。

各マイクロレンズ１８１は、例えば、yz平面においてパワーを有し、かつ、xy平面についてはパワーを有さないように、x方向に沿って延伸される円筒側面状の屈折面を持つシリンドリカルレンズとして形成される。例えば、図９に示される例では、画像表示装置１１の表示領域は、z方向に沿って３個の部分領域１１２に分割されている。そのため、マイクロレンズアレイ１８は、一つのプリズム１４１について、y方向に沿って配列された３個のマイクロレンズ１８１を有する。

これにより、部分領域１１２ごとに、その部分領域内の点から発した光は、異なるマイクロレンズ１８１を透過するので、部分領域１１２ごとに、その部分領域１１２に表示される画像を結像する光学系を異ならせることができる。したがって、表示装置５は、部分領域１１２ごとに、その部分領域１１２に表示される画像の投影位置を互いに異ならせることができる。そのため、この表示装置５は、立体的な画像の表示を行うことができる。

なお、各マイクロレンズ１８１は、対応する部分領域１１２に応じて、異なるプリズム成分を有していてもよい。すなわち、各マイクロレンズ１８１の光軸は、対応する部分領域１１２から発した光が導光板１４を出射するときの向きと投影位置との関係に応じて傾けられればよい。各マイクロレンズ１８１のプリズム成分によって、部分領域１１２ごとに、その部分領域１１２内の点から発した光がマイクロレンズ１８１により屈折される方向が異なるので、表示装置５は、部分領域１１２ごとに、投影される画像の向き、特に、yz平面での、y方向に対する投影される画像の傾きを調節できる。さらに、各マイクロレンズの代わりに、プリズムそのものが用いられてもよい。すなわち、マイクロレンズアレイの代わりに、マイクロプリズムアレイが用いられてもよい。この場合、部分領域１１２ごとに、その部分領域１１２に対応するプリズムの屈折面の向きは、各部分領域１１２の対応する投影される画像の位置に応じて互いに異なるように調節される。この場合も、表示装置５は、部分領域１１２ごとに、投影される画像の向きを調節できる。

さらに他の変形例によれば、結像レンズ１２の代わりに、導光板１４に設けられる各プリズムを、xy平面においてパワーを持つように形成してもよい。

図１０は、この変形例による表示装置の概略構成図である。図１０に示される表示装置６は、表示装置２と比較して、結像レンズ１２が省略されるとともに、導光板１４の拡散面１４ｂに設けられる各プリズム１４２が、xy平面において凹面鏡として形成される点で相違する。そこで以下では、この相違点について説明する。

各プリズム１４２は、xy平面について、入射面１４ａに対して凹状となるように、円弧状に形成される。そのため、各プリズム１４１は、xy平面について正のパワーを持つ凹面鏡となる。そのため、結像レンズ１２が省略されても、画像表示装置１１の表示領域上の各点から発して導光板１４内に入射した光は、何れかのプリズム１４２により反射されて、出射面１４ｃよりも観察者側で結像することになる。したがって、表示装置６も、表示装置２と同様に、画像表示装置１１の表示領域に表示された画像を空中に投影できる。

各プリズム１４２のパワーは、画像表示装置１１に表示される画像が投影される位置に応じて設定される。例えば、投影像１００１に示されるように、xz平面に沿って配置された画像表示装置１１に表示された画像を、導光板１４の出射面１４ｃと略平行となるように投影する場合、入射面１４ａから遠いプリズム１４２ほど小さな曲率半径を持つように形成される。また各プリズム１４２の中心が、例えば、x方向における導光板１４の中心線上に位置するように、各プリズム１４２は形成されればよい。

あるいは、入射面１４ａから離れたプリズム１４２ほど、曲率半径を大きくすることで、入射面１４ａから離れるほど、プリズム１４２のパワーが小さくなり、その結果として、結像関係となる距離が長くなる。そのため、投影像１００２として示されるように、表示装置６は、導光板１４の真正面側よりも入射面１４ａ側へ向け、かつ、出射面１４ｃに対して所定の角度をなすように画像を投影することができる。

なお、この実施形態においても、各プリズム１４２の反射面と導光板１４の拡散面１４ｂとのなす角は、入射面１４ａから離れるほど大きくなるように設定される。そのため、観察者は、所定の視点から、導光板１４により空中に投影される、画像表示装置１１に表示された画像を観察できる。

この変形例によれば、結像レンズ１２が省略されるので、表示装置を小型化することができる。

また、表示装置６の変形例によれば、各プリズム１４２は、凹面鏡として形成される代わりに、再帰反射素子として形成されてもよい。

図１１は、この変形例による表示装置の概略構成図である。図１１に示される表示装置７は、表示装置６と比較して、導光板１４の拡散面１４ｂに設けられる各プリズム１４３の形状が相違する。そこで以下では、この相違点について説明する。

この実施形態では、各プリズム１４３は、xy平面において再帰反射するコーナーミラー１４３ｂがx方向に沿って複数配列された形状を有する。したがって、画像表示装置１１の表示領域の各点から発して、導光板１４内に入射した光は、xy平面に平行な成分に関して、何れかのプリズム１４３の各コーナーミラー１４３ｂにより、元の方向へ戻るように再帰反射される。そのため、この実施形態では、投影像１１０１として示されるように、画像表示装置１１に表示された画像は、y方向について画像表示装置１１と略同位置に投影される。

一方、この実施形態においても、各プリズム１４３の反射面と導光板１４の拡散面１４ｂとのなす角は、入射面１４ａから離れるほど大きくなるように設定される。そのため、観察者は、入射面１４ａよりも画像表示装置１１側の視点から、導光板１４により空中に投影される、画像表示装置１１に表示された画像を観察できる。

なお、導光板１４に形成される各プリズムと再帰反射の機能を持つ再帰反射素子とは、別個に形成されてもよい。図１２は、この変形例による表示装置の概略構成図である。図１２に示される表示装置８は、表示装置２と比較して、結像レンズ１２が省略される代わりに、導光板１４の出射面１４ｃよりも正面側に配置された、コーナーリフレクタプレート１９を有する点で相違する。そこで以下では、この相違点について説明する。

コーナーリフレクタプレート１９は、再帰反射部の一例であり、アレイ状に配置された複数のコーナーリフレクタ１９１を有する。各コーナーリフレクタ１９１は、入射した光をxy平面について再帰反射する。したがって、表示装置８では、画像表示装置１１から発して導光板１４内に入射した光は、何れかのプリズム１４１に反射されて出射面１４ｃから出射した後、何れかのコーナーリフレクタ１９１により、入射面１４ａ側に向けて再帰反射される。そのため、表示装置８においても、表示装置７と同様に、画像表示装置１１に表示された画像は、y方向について画像表示装置１１と略同位置に投影される。なお、コーナーリフレクタプレート１９を用いる場合でも、画像表示装置１１と導光板１４との間に、画像表示装置１１からの光をxy平面において収束光化する結像レンズが配置されてもよい。

さらに他の変形例によれば、導光板１４は、プリズム以外の手段により、導光板１４内部を伝搬する光を出射面１４ｃから出射させてもよい。

図１３は、この変形例による、y方向に沿った、導光板１４の概略側面断面図である。この変形例では、導光板１４は、拡散面１４ｂに形成されるプリズムの代わりに、出射面１４ｃに、y方向に沿って所定のピッチで配置される複数のプリズム１４４を有する。

この変形例では、各プリズム１４４は、出射面１４ｃに対して正面側に突出し、x方向に沿って延伸される略三角形状の突起として形成される。そのため、入射面１４ａから入射した、画像表示装置１１からの光は、何れかのプリズム１４４に入射すると、入射面１４ａと反対側の屈折面において屈折して正面側へ出射する。
なお、この例でも、各プリズム１４４の屈折面と導光板１４の出射面１４ｃとのなす角は、入射面１４ａから離れるほど大きくなるように設定される。そのため、観察者は、所定の視点から、導光板１４により空中に投影される、画像表示装置１１に表示された画像を観察できる。

さらに他の変形例によれば、導光板１４は、各プリズムの代わりに、拡散面１４ｂにおいてy方向に沿って所定のピッチで、光の反射方向を出射面１４ｃで全反射されずに出射する方向に変えるための回折格子が形成されてもよい。この場合、各回折格子は、例えば、y方向に沿って並べられた、x方向に沿って延伸される複数の溝を有する。そして溝間のピッチは、光を反射させる方向に応じて設定されればよい。したがって、入射面１４ａに近い回折格子ほど、入射面１４ａから遠い方へ向けて光を反射するように各回折格子の溝間のピッチが設定されることで、表示装置２と同様に、観察者は、所定の視点から、画像表示装置１１に表示され、空中に投影される像を観察できる。

さらに他の変形例によれば、導光板１４は、y方向に沿って、入射面１４ａから離れるほど、z方向の厚さが小さくなるように、くさび状に形成されてもよい。

図１４は、この変形例による、y方向に沿った、導光板１４の概略側面断面図である。この変形例では、導光板１４は、入射面１４ａから離れるほど、z方向の厚さが小さくなるように形成され、かつ、入射面１４ａから離れるほど、拡散面１４ｂが正面側に近づくように導光板１４は配置される。

この変形例では、入射面１４ａから入射した光は、くさび状の導光板１４内を伝搬することにより、徐々に出射面１４ｃに対する反射角が大きくなるので、入射面１４ａから遠いプリズム１４１で反射された光ほど、出射面１４ｃに対して大きな角度をなして出射する。そのため、この変形例でも、表示装置２と同様に、観察者は、所定の視点から、画像表示装置１１に表示され、空中に投影される像を観察できる。さらに、この変形例では、表示装置は、出射面１４ｃでの屈折率により、入射面１４ａから遠い方へ向けて光を出射させることができるので、投影像１００１に示されるように、入射面１４ａと反対側に、かつ、出射面１４ｃに対して相対的に大きな角度（例えば、60〜90°）をなすように画像表示装置１１に表示された画像を投影できる。

さらに他の変形例によれば、導光板の入射面と出射面とがなす角が直交する角度以外となるように入射面が形成されてもよい。例えば、特開２０１１−１８６３３２号公報に開示されているように、入射面がテーパ状に形成されていてもよい。あるいは、入射面は出射面あるいは拡散面と平行となるように形成され、入射面と対向する側の導光板の面が、出射面あるいは拡散面に対して45°をなすように形成されてもよい。これにより、画像表示装置と導光板の出射面とがなす角を小さくできるので、表示装置を薄型化することができる。

さらに、上記の各実施形態についての他の変形例において、コリメートレンズ１３の代わりに、画像表示装置１１からの光を導光板１４へ向けて導光させる導光部材が用いられてもよい。

図１５は、この変形例による、画像表示装置、導光部材及び導光板の配置の一例を示す図である。
この変形例では、画像表示装置１１から発した光が、コリメートレンズ１３１及び導光部材１３２を介して導光板１４の入射面１４ａへ達し、かつ、その光は、yz平面では画像表示装置１１上の位置に応じた角度を持つ平行光となり、xy平面でも平行光となるように、コリメートレンズ１３１及び導光部材１３２が配置される。なお、コリメートレンズ１３１及び導光部材１３２は、コリメート部材の他の一例である。また、コリメートレンズ１３１及び導光部材１３２は、画像表示装置１１とともに、画像投影部を構成する。

具体的には、導光部材１３２は、直方体状に形成された透明な部材であり、短手方向の一方の面が入射面１３２ａとして形成される。また、導光部材１３２の長手方向に沿った一面が、入射面１３２ａから入射した光を出射させる出射面１３２ｃとして形成され、出射面１３２ｃと対向する面が拡散面１３２ｂとして形成される。そして導光部材１３２の長手方向の長さは、入射面１４ａの長手方向の長さと略等しくなり、かつ、yz平面における導光部材１３２の厚さは、導光板１４のyz平面における厚さよりも厚くなるように、導光部材１３２は形成されることが好ましい。これにより、導光部材１３２は、画像表示装置１１の表示面上のz方向の位置による光の角度を維持しつつ、画像表示装置１１からの光を導光板１４へ導光できる。

また、導光部材１３２の出射面１３２ｃが導光板１４の入射面１４ａと対向するように、導光部材１３２は配置される。また、画像表示装置１１は、コリメートレンズ１３１を介して導光部材１３２の入射面１３２ａと対向し、かつ、コリメートレンズ１３１の前側焦点に位置するように配置される。すなわち、この例では、画像表示装置１１の表示面が、導光板１４の入射面１４ａと直交する方向と平行となるように、画像表示装置１１は配置される。そのため、この変形例では、画像表示装置を小型化することができるとともに、表示装置全体も小型化される。なお、この変形例においても、導光部材の入射面と出射面とがなす角が直交する角度以外となるように、例えば、テーパ状となるように、入射面が形成されてもよい。また、導光部材１３２と導光板１４とは、一体的に形成されてもよい。

画像表示装置１１から発した光は、コリメートレンズ１３１により、方向によらず平行化されて導光部材１３２の入射面１３２ａから導光部材１３２へ入射する。すなわち、画像表示装置１１から発した光は、画像表示装置１１上の表示位置に応じた方向を向く平行光となる。そしてその平行化された光は、導光部材１３２内を全反射しながら伝搬し、導光部材１３２の拡散面１３２ｂに設けられた複数のプリズム１３３により、出射面１３２ｃへ向けて反射される。

各プリズム１３３は、x方向、すなわち、導光板１４の入射面１４ａの長手方向に沿って所定のピッチ（例えば、1mm）で格子状に配置されている。各プリズム１３３は、例えば、z方向に沿って延伸され、x方向において所定の幅（例えば、10μm）を持つ略三角形状の溝として形成される。そして各プリズム１３３は、拡散面１３２ｂに対して所定の角度βをなし、かつ、入射面１３２ａと対向するように向けられた反射面を有する。なお、所定の角度βは、導光部材１３２へ入射した画像表示装置１１からの光を全反射させて、出射面１３２ｃへ向ける角度、例えば、拡散面１３２ｂに対して37〜45°をなすように設定される。また、xy平面において同じ方向を向く光が、所定の結像面にて一点に集光するように、入射面１３２ａから離れたプリズム１３３ほど角度βは大きくなるように各プリズム１３３は形成される。これにより、上記の各実施形態と同様に、導光部材１３２を出射した光は、導光板１４の入射面１４ａの短手方向（すなわち、厚さ方向）に関して平行化され、一方、入射面１４ａの長手方向について収束光化される。したがって、上記の各実施形態による表示装置と同様に、表示装置は、画像表示装置１１に表示された画像を空間投影できる。

なお、コリメートレンズ１３１及び導光部材１３２は、それぞれ、例えば、可視光に対して透明な材料、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマーといった樹脂を成型することで形成される。

なお、導光部材１３２の出射面１３２ｃと導光板１４の入射面１４ａとの間に、入射面１４ａの長手方向について正のパワーを持つシリンドリカルレンズが配置されてもよい。この場合には、入射面１４ａの長手方向に関して、シリンドリカルレンズにより画像表示装置１１からの光は収束光化されるので、導光部材１３２の各プリズム１３３の反射面の角度は互いに同一であってもよい。あるいは、図１０に示されるように、導光板１４の各プリズムが凹面鏡状に形成されるか、図１１に示されるように、導光板１４の各プリズムがコーナーミラー状に形成される場合も、導光部材１３２の各プリズム１３３の反射面の角度は互いに同一であってもよい。あるいはまた、図１４に示される導光板１４の変形例のように、導光部材１３２の拡散面１３２ｂと出射面１３２ｃ間の厚さが、入射面１３２ａから離れるほど小さくなるくさび状となるように、導光部材１３２は形成されてもよい。そして入射面１３２ａから離れるほど、拡散面１３２ｂが導光板１４の入射面１４ａに近づくように導光部材１３２は配置されてもよい。またこの場合は、各プリズムは、出射面１３２ｃ側に形成されてもよい。

また、上記の各実施形態または変形例において、画像投影部の他の一例として、画像表示装置１１及びコリメートレンズ１３（もしくはコリメートレンズ１３１と導光部材１３２）の代わりに、投影される画像を表すホログラムが所定の領域内に表示された表示面をも有するホログラムシートが用いられてもよい。そしてホログラムシートが、導光板１４の入射面１４ａと、結像レンズ１２を挟んで対向するように配置されてもよい。この場合も、例えば、ホログラムシートの背面側から照明されることで、ホログラムシートは、投影される像のうちの個々の点の位置ごとに異なる方向を持つ平行光を生じさせることができる。したがって、この場合も、表示装置は、上記の各実施形態と同様に空間に像を投影できる。

さらに、上記の各実施形態についての他の変形例において、画像表示装置１１を、結像レンズ１２の焦点よりも結像レンズ１２の近くに配置してもよい。この場合には、観察者は、導光板１４の背面側に位置するように見える、画像表示装置１１の表示領域に表示された画像の虚像を観察できる。なお、特に、虚像と導光板１４間の距離が近く、例えば、その距離が、画像表示装置１１と結像レンズ１２間の距離よりも小さくなる場合には、結像レンズ１２は凹レンズであってもよい。

また、画像表示装置１１は、導光板１４の背面側に位置するように見える、画像表示装置１１の表示領域に表示された画像の虚像を表示するために、結像レンズ１２は省略されてもよい。この場合、導光板１４から光が出射する位置と導光板１４の入射面１４ａ間の距離を、導光板１４の屈折率とその光が導光板１４内を伝搬する際のその光と出射面１４ｃとがなす角の余弦との積で除して得られる値を、虚像と導光板１４間の距離から減じた値に相当する距離だけ、導光板１４の入射面１４ａから離れた位置に画像表示装置１１を配置すればよい。なお、第１の実施形態のようにスリット１５１を利用する場合には、入射面１４ａと直交する方向における、各スリット１５１の位置は、表示される虚像の位置に応じて決められればよい。同様に、第２の実施形態のように、結像される像の位置に応じて各プリズム１４１の反射面の角度αが設定される場合には、表示される虚像の位置に応じて各プリズム１４１の反射面の角度αが設定されればよい。すなわち、入射面１４ａから遠いプリズム１４１ほど、そのプリズム１４１の反射面の角度αは小さくなる。

さらに、上記の各実施形態についての他の変形例において、表示装置は、複数の画像表示装置１１を有していてもよい。そして各画像表示装置１１は、例えば、互いに異なる位置に設置される。また、導光板１４の入射面１４ａに対する各画像表示装置１１の向きが互いに異なるように、各画像表示装置１１は設置されてもよい。また、各画像表示装置１１は、同じ画像を表示してもよく、あるいは、互いに異なる画像を表示してもよい。これにより、各画像表示装置１１に表示された画像は、互いに異なる位置に投影される。そのため、表示装置は、同時に、かつ、異なる位置に、互いに異なる複数の像を投影することができる。

また、上記の各実施形態または変形例において、導光板１４は、平板状でなく、出射面１４ｃが曲面となるような板状に形成されてもよい。これにより、例えば、車両のフロントガラスのように、曲面状に形成された部材に沿って導光板１４を配置することも可能となり、表示装置の配置の自由度が向上する。

この表示装置は、様々な用途に利用できる。例えば、この表示装置は、ヘッドアップディスプレイまたはデジタルサイネージシステムに利用できる。またこの表示装置は、導光板の出射面が床面、壁面あるいは天井面の何れに位置するように配置されてもよい。

このように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。

１〜８ 表示装置
１１ 画像表示装置
１１１、１１２ 部分領域
１２ 結像レンズ
１２１ サブシリンドリカルレンズ
１３ コリメートレンズ
１３１ コリメートレンズ
１３２ 導光部材
１３２ａ 入射面
１３２ｂ 拡散面
１３２ｃ 出射面
１３３ プリズム
１４ 導光板
１４ａ 入射面
１４ｂ 拡散面
１４ｃ 出射面
１４１〜１４４ プリズム
１５ マスク
１５１ スリット
１５２ 拡散部材
１６ プリズムシート
１６１ プリズム
１７−１〜１７−ｎ プロジェクタ
１８ マイクロレンズアレイ
１８１ マイクロレンズ
１９ コーナーリフレクタプレート
１９１ コーナーリフレクタ

Claims (20)

1. 表示面を有し、前記表示面の所定領域に投影される画像を表す画像投影部と、
   透明な部材で板状に形成される導光板であって、前記画像投影部と対向する入射面と、前記画像投影部の前記所定領域から発して前記入射面を介して前記導光板内に入射した光の伝搬方向に沿って並べられた複数の偏向部と、を有し、前記複数の偏向部のそれぞれが、前記画像投影部の前記所定領域における、前記入射面の長手方向と直交する方向において、互いに異なる位置から発し、または互いに異なる方向へ向けて発した光を前記伝搬方向において互いに異なる角度で前記導光板の一方の面である出射面から出射させる導光板と、
   前記導光板の前記出射面と対向するように配置され、前記複数の偏向部のそれぞれについて、当該偏向部を介して前記出射面から出射した光のうちの所定の視点へ向かう光以外を遮断するマスクと、
   を有し、
   前記画像投影部は、前記所定領域から発した光を、前記入射面の長手方向と直交する方向において平行光化する
   表示装置。
2. 前記画像投影部は、
   前記表示面を有し、前記表示面の前記所定領域に前記画像を表示する画像表示部と、
   前記画像表示部と前記入射面の間に配置され、前記画像表示部の前記所定領域から発した光を、前記入射面の長手方向と直交する方向において平行光化するコリメート部材と、
   を有する請求項１に記載の表示装置。
3. 前記画像投影部の前記所定領域から発した光を、前記入射面の長手方向と平行な方向に関して所定の位置で結像させる結像部をさらに有する、請求項１または２に記載の表示装置。
4. 前記結像部は、前記画像投影部と前記入射面の間に配置され、かつ、前記入射面の長手方向において正のパワーを持つシリンドリカルレンズである、請求項３に記載の表示装置。
5. 前記マスクは、前記複数の偏向部のそれぞれについて、当該偏向部から前記所定の視点へ向かう光を透過させるスリットを有する、請求項１〜４の何れか一項に記載の表示装置。
6. 前記マスクは、前記複数の偏向部のそれぞれに対応する前記スリットを透過した光を前記伝搬方向及び前記出射面の法線を含む面において拡散させる拡散部を有する、請求項５に記載の表示装置。
7. 表示面を有し、前記表示面の所定領域に投影される画像を表す画像投影部と、
   透明な部材で板状に形成される導光板であって、前記画像投影部と対向する入射面と、前記画像投影部の前記画像が表示された領域から発して前記入射面を介して前記導光板内に入射した光の伝搬方向に沿って並べられた複数の偏向部と、を有し、前記複数の偏向部のそれぞれが、前記画像投影部の前記所定領域における、前記入射面の長手方向と直交する方向において、互いに異なる位置から発し、または互いに異なる方向へ向けて発した光を所定の視点へ向けて前記導光板の一方の面である出射面から出射させる導光板と、
   を有し、
   前記画像投影部は、前記所定領域から発した光を、前記入射面の長手方向と直交する方向において平行光化する
   表示装置。
8. 前記画像投影部は、
   前記表示面を有し、前記表示面の前記所定領域に前記画像を表示する画像表示部と、
   前記画像表示部と前記入射面の間に配置され、前記画像表示部の前記所定領域から発した光を、前記入射面の長手方向と直交する方向において平行光化するコリメート部材と、
   を有する請求項７に記載の表示装置。
9. 前記画像投影部の前記所定領域から発した光を、前記入射面の長手方向と平行な方向に関して、所定の位置で結像させる結像部をさらに有する、請求項７または８に記載の表示装置。
10. 前記結像部は、前記画像投影部と前記入射面の間に配置され、かつ、前記入射面の長手方向において正のパワーを持つシリンドリカルレンズである、請求項９に記載の表示装置。
11. 前記結像部は、前記画像投影部と前記入射面の間に配置され、かつ、前記入射面の長手方向に沿って並べられた複数のレンズを有し、前記複数のレンズのそれぞれは、前記入射面の長手方向において正のパワーを持つ、請求項９に記載の表示装置。
12. 前記画像投影部は、前記複数のレンズのそれぞれについて、前記所定領域のうちの当該レンズと対応する部分領域に、前記所定の視点から見て同一の被写体を表す画像を表示する、請求項１１に記載の表示装置。
13. 前記結像部は、前記導光板の前記出射面と対向するように配置され、前記導光板内から前記出射面を介して出射した光を前記出射面と平行な面において再帰反射させる、請求項９に記載の表示装置。
14. 前記複数の偏向部のそれぞれは、前記導光板の前記出射面と対向する面に設けられ、前記導光板内を伝搬する光を前記出射面へ向けて反射する反射面を有するプリズムであり、前記入射面から遠い前記偏向部ほど、前記反射面と前記出射面とがなす角が大きくなる、請求項７〜９の何れか一項に記載の表示装置。
15. 前記導光板の前記出射面と対向するように配置されるレンズアレイをさらに有し、前記レンズアレイは、前記複数の偏向部のそれぞれごとに、前記画像投影部の前記所定領域から発して当該偏向部により方向が変えられて前記出射面から出射した光のうち、前記画像投影部の前記所定領域上の第１の部分領域から発した光が通る位置に設けられた第１のレンズと、前記入射面の長手方向と直交する方向において前記第１の部分領域と異なる、前記画像投影部の前記所定領域上の第２の部分領域から発した光が通る位置に設けられた第２のレンズとを有し、前記第１のレンズ及び前記第２のレンズのそれぞれは、前記第１の部分領域に表される画像に対応する結像面と前記第２の部分領域に表される画像に対応する結像面とが互いに異なるように、前記導光板内を伝搬する光の方向及び前記出射面の法線方向とを含む面においてパワーを持つ、請求項７〜９の何れか一項に記載の表示装置。
16. 前記導光板の前記出射面と対向するように配置されるプリズムアレイをさらに有し、前記プリズムアレイは、前記複数の偏向部のそれぞれごとに、前記画像投影部の前記所定領域から発して当該偏向部により方向が変えられて前記出射面から出射した光のうち、前記画像投影部の前記所定領域上の第１の部分領域から発した光が通る位置に設けられた第１のプリズムと、前記入射面の長手方向と直交する方向において前記第１の部分領域と異なる、前記画像投影部の前記所定領域上の第２の部分領域から発した光が通る位置に設けられた第２のプリズムとを有し、前記第１のプリズムの屈折面の向き及び前記第２のプリズムの屈折面の向きのそれぞれは、前記第１の部分領域に表される画像に対応する結像面と前記第２の部分領域に表される画像に対応する結像面とが互いに異なるように設定される、請求項７〜９の何れか一項に記載の表示装置。
17. 表示面を有し、前記表示面の所定領域に投影される画像を表す画像投影部と、
    透明な部材で板状に形成された導光板であって、前記画像投影部と対向する入射面と、前記画像投影部の前記所定領域から発して前記入射面を介して前記導光板内に入射した光の伝搬方向に沿って並べられた複数の偏向部と、を有し、前記複数の偏向部のそれぞれが、前記画像投影部の前記所定領域における、前記入射面の長手方向と直交する方向において、互いに異なる位置から発し、または互いに異なる方向へ向けて発した光を所定の視点へ向けて前記導光板の一方の面である出射面から出射させ、かつ、前記複数の偏向部のそれぞれは、前記画像投影部の前記所定領域から発した光を、前記入射面の長手方向と平行な方向において収束光化して、所定の位置で結像させる導光板と、
    を有し、
    前記画像投影部は、前記所定領域から発した光を、前記入射面の長手方向と直交する方向において平行光化する
    表示装置。
18. 前記画像投影部は、
    前記表示面を有し、前記表示面の前記所定領域に前記画像を表示する画像表示部と、
    前記画像表示部と前記入射面の間に配置され、前記画像表示部の前記画像が表示された領域から発した光を、前記入射面の長手方向と直交する方向において平行光化するコリメート部材と、
    を有する請求項１７に記載の表示装置。
19. 前記複数の偏向部のそれぞれは、前記導光板の前記出射面と対向する面に設けられ、前記導光板内を伝搬する光を前記出射面へ向けて反射し、かつ、前記入射面に対して凹面状に形成される反射面を有するプリズムである、請求項１７または１８に記載の表示装置。
20. 前記複数の偏向部のそれぞれは、前記導光板の前記出射面と対向する面に設けられ、前記導光板内を伝搬する光を前記出射面へ向けて反射し、かつ、前記出射面と平行な面において前記導光板内を伝搬する光を再帰反射するコーナーミラー状に形成される反射面を有するプリズムである、請求項１７または１８に記載の表示装置。

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