JP6638450B2

JP6638450B2 - 空中映像表示装置

Info

Publication number: JP6638450B2
Application number: JP2016025635A
Authority: JP
Inventors: 英嗣杉之原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-02-15
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2020-01-29
Anticipated expiration: 2036-02-15
Also published as: US10185132B2; US20170235114A1; JP2017146337A

Description

本発明は、表示素子のない空中に映像を映し出す空中映像表示装置に関する。

フラットパネルディスプレイなどに表示した映像を、表示素子のない空中に映し出す技術が考案されている。例えば特許文献１では、ハーフミラーと再帰反射シートとを用いて、映像をハーフミラーに対して面対称な位置にある空間に結像させ、実像として空中に映像を表示する技術が開示されている。

特開２００９−２５７７６号公報

前述の手法を使えば、表示素子のない空中に映像を映し出すことが可能であるが、観察者が空中映像を視聴する時、空中映像と重なるように空中映像の縮小像が観察され、空中映像の視認性が悪くなる場合があった。

上記課題を解決するために、本発明の空中映像表示装置は、映像を表示する映像表示部と、前記映像を空中映像として空中に結像させるビームスプリッタと湾曲した再帰反射シートとを有する空中結像光学系とを備え、前記映像表示部において発光した光が、前記ビームスプリッタで反射し、湾曲した前記再帰反射シート上で前記観察者から遠のく方向に鏡面反射して前記ビームスプリッタに戻り、前記ビームスプリッタを透過する第一の光路を辿り、前記第一の光路を辿る光のすべてが、観察者の目の存在する領域より外に到達する、または、前記発光した光が、前記ビームスプリッタを透過し、湾曲した前記再帰反射シート上で前記映像表示部から遠のく方向に鏡面反射して前記ビームスプリッタに戻り、前記ビームスプリッタで反射する第二の光路を辿り、前記第二の光路を辿る光のすべてが、前記観察者の目の存在する領域より外に到達することを特徴とする。

本発明によれば、空中映像の縮小像が観察されなくなり、観察者が空中映像だけを視認することを可能にする。

実施の形態１の空中映像表示装置１００の構成を示す俯瞰図である。実施の形態１の空中映像表示装置１００の構成を示す上面図である。実施の形態１の空中映像表示装置３００の構成を示す上面図である。実施の形態１の空中映像表示装置３００における光の光路を描いた上面図である。実施の形態１の空中映像表示装置１００における光の光路を描いた上面図である。傾斜平面再帰反射シート６０を用いた空中映像表示装置における光の光路を描いた上面図である。湾曲再帰反射シート７０を用いた空中映像表示装置における光の光路を描いた上面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の空中映像表示装置１００の構成を示す俯瞰図である。図１において、空中映像表示装置１００は、映像表示部１０、ビームスプリッタ１１、湾曲再帰反射シート１２及び映像制御部１３を備える。映像表示部１０は、映像制御部１３から映像信号を受け取り、これを映像として表示する。映像表示部１０に表示された映像が、ビームスプリッタ１１と湾曲再帰反射シート１２とによって構成される空中結像光学系により空中映像１４として表示される。観察者１５は、空中映像１４の真正面から空中映像１４を観察する。

図２は、本発明の実施の形態１の空中映像表示装置１００の構成を示す上面図である。構成は図１と同じであるため、説明は省略する。図２は、主に各構成の位置関係を示すものである。

以降、図１及び図２を用いて各構成の詳細について説明する。

映像表示部１０は、発光を伴う映像を表示する。これは例えば液晶ディスプレイのうち透過型液晶とバックライトとを備えたものである。このような液晶ディスプレイは、バックライトの光を液晶層によって画素毎に光の強度を変調することで映像を表示しており、液晶ディスプレイの表面からは変調された光線群が映像として出力される。これ以外にもプラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ又はＬＥＤディスプレイのような自発光型の映像表示装置であっても良い。また、映像表示部１０の位置にスクリーンを設置し、スクリーンに対して別に設けるプロジェクタで映像を投影しても良い。この場合、プロジェクタの光がスクリーンで乱反射することにより、発光を伴う映像を表示することができる。映像表示部１０は、映像制御部１３から出力された映像信号を受け取り、これを映像として表示する。

映像制御部１３は、映像表示部１０に表示する映像信号を、映像表示部１０に対して出力する。映像制御部１３が出力する映像信号は、外部から入力されたものであってもよいし、映像制御部１３に備えられた記憶部に記録された信号であってもよい。

ビームスプリッタ１１は、入射光を透過光と反射光とに分離する性質を持つ光学素子である。ビームスプリッタ１１は、例えばハーフミラーである。ハーフミラーとは、透過光と反射光とが等しい強度となるように入射光を分離するものである。ただし、透過光と反射光との強度が等しい必要はなく、透過光と反射光との強度に差があってもよい。例えばビームスプリッタ１１は、無色透明なガラス又はアクリル板でもよい。ガラス又はアクリル板は、反射光に比べて透過光の強度が高い。ハーフミラーに対して無色透明なガラス又はアクリル板は、吸収率が低い特徴がある。空中映像表示装置においては、吸収率が低い光学素子を用いることで、空中映像の輝度を上げる効果がある。

湾曲再帰反射シート１２は、入射光を入射した方向にそのまま反射する再帰反射性能を持つ光学素子をシート状にした再帰反射シートを円弧状に湾曲した板に貼り付けたものである。再帰反射は、レトロリフレクションとも表記される。再帰反射性能を持つ光学素子は、レトロリフレクターとも呼ばれる。再帰反射性能を持つ光学素子は、鏡面上に小さなガラスビーズを敷き詰めたビーズタイプ、又は、各面が鏡面で構成される凹形状の小さな三角錐を敷き詰めたマイクロプリズムタイプがある。これらは交通標識に良く用いられている。交通標識の表面に再帰反射性能を持たせることで、夜間に自動車のヘッドライトで照らされた標識が、運転手から見えやすくなる効果がある。

図２に示すように、ビームスプリッタ１１は、観察者１５に対して４５度傾けた状態で配置される。映像表示部１０は、観察者１５に対してその表示面を９０度傾けた状態で配置される。湾曲再帰反射シート１２は、観察者１５の正面に向かって凹面状になるよう、ビームスプリッタ１１よりも奥側に設置される。図２に示すような配置にすることで、ビームスプリッタ１１と湾曲再帰反射シート１２とは、空中映像表示装置１００における空中結像光学系として機能し、映像表示部１０に表示された映像を、ビームスプリッタ１１に対して面対称な位置に空中映像１４として表示することができる。

映像表示部１０に表示した映像を空中映像１４として表示する原理について説明する。映像表示部１０に表示した映像として発光している光のうち、ビームスプリッタ１１に入射した光は、反射成分と透過成分とに分離される。このうち、反射成分は湾曲再帰反射シート１２に入射して再帰反射することでそのままビームスプリッタ１１に戻る。ビームスプリッタに戻った光は、さらにビームスプリッタ１１で反射成分と透過成分とに分離される。このうち、透過成分の光路を破線で示したのが光路２０である。なお、光路２０はわかりやすいようにビームスプリッタ１１における反射光と透過光とが重ならないように描いているが、実際にはビームスプリッタ１１上の同一点を通るものである。光路２０は映像表示部１０の表示面から垂直方向に発光した光の光路だけを示しているが、映像表示部１０はその表示面から様々な方向に発光している。映像表示部１０の表示面から様々な方向へ発光した光のうち、ビームスプリッタ１１に入射した光の光路をたどると、ビームスプリッタ１１に対して面対称な位置に再収束する。観察者１５には、この再収束した光が再収束した位置で光っているように見えるため、映像表示部１０に表示した映像が空中映像１４として視認される。

図２に示した映像表示部１０、ビームスプリッタ１１及び湾曲再帰反射シート１２の位置関係は好適な例として示したものである。映像表示部１０に表示した映像の光がビームスプリッタ１１に対して面対称な位置に再収束する光路が確保されれば、映像表示部１０に対するビームスプリッタ１１及び湾曲再帰反射シート１２の設置位置と角度とは変わっても良い。例えば、湾曲再帰反射シート１２は、観察者１５から見てビームスプリッタ１１の左側に映像表示部１０と向かい合うように設置しても良い。この場合、映像表示部１０に表示した映像として発光している光のうち、ビームスプリッタ１１を透過した光が湾曲再帰反射シート１２で再帰反射し、ビームスプリッタ１１に戻る光のうち、ビームスプリッタ１１を反射する光が空中映像を形成する。

ビームスプリッタと再帰反射シートとによって構成される空中映像光学系を用いた空中映像表示装置において、空中映像１４以外にも映像表示部１０に表示した映像が観察者１５から観察できる場合がある。これは、再帰反射シートが入射光を再帰反射するだけでなく、鏡面反射する特性も持ち合わせるために生じる。空中映像と区別するため、再帰反射シートで鏡面反射した光によって観察者１５が視認する像のことを鏡面反射像と呼ぶことにする。観察者１５が鏡面反射像として映像表示部１０に表示した映像を視認するケースについて、以下に説明する。

図３は、空中映像光学系に、ビームスプリッタ１１と平面状の板に再帰反射シートを貼り付けた平面再帰反射シート３０とを使用した空中映像表示装置３００の構成を示す上面図である。再帰反射シート以外の部分については、空中映像表示装置１００と同じであるため説明を省く。図３に示すように平面再帰反射シート３０は、ビームスプリッタ１１に対して４５度傾けて、その表面が観察者１５と向かいあうように、ビームスプリッタ１１よりも奥側に設置される。

図４は、空中映像表示装置３００において平面再帰反射シート３０で鏡面反射し、空中映像１４の真正面にいる観察者１５の目に入る光の光路の一部を描いた上面図である。図４において、映像表示部１０、ビームスプリッタ１１、及び平面再帰反射シート３０は、簡略化して線分として描いている。長破線で示した光路４１は、映像表示部１０の中央から発光した光がビームスプリッタ１１で反射し、平面再帰反射シート３０で鏡面反射してビームスプリッタ１１に戻り、ビームスプリッタ１１を透過して観察者１５の目に到達する経路を示したものである。短破線で示した光路４２は、映像表示部１０の右端から発光した光がビームスプリッタ１１で反射し、平面再帰反射シート３０で鏡面反射してビームスプリッタ１１に戻り、ビームスプリッタ１１を透過して観察者１５の目に到達する経路を示したものである。一点鎖線で示した光路４３は、映像表示部１０の左端から発光した光がビームスプリッタ１１で反射し、平面再帰反射シート３０で鏡面反射してビームスプリッタ１１に戻り、ビームスプリッタ１１を透過して観察者１５の目に到達する経路を示したものである。このように、映像表示部１０に表示した映像の光のうち、ビームスプリッタ１１で反射し、平面再帰反射シート３０で鏡面反射してビームスプリッタ１１に戻り、ビームスプリッタ１１を透過した光が観察者１５の目に到達すると、観察者１５は平面再帰反射シート３０よりも奥側に、映像表示部１０に表示された映像と同じ内容の鏡面反射像４０を視認する。すなわち、映像表示部１０に表示された映像は、ビームスプリッタ１１で反射した際に反転し、さらに平面再帰反射シート３０で鏡面反射した際に反転するため、２回の反転の結果として鏡面反射像４０は映像表示部１０に表示された映像の正立像として観察者１５に視認される。光路４１、光路４２、及び光路４３はすべて空中映像１４と交差することから、鏡面反射像４０は空中映像１４と重なるように観察者１５に視認される。また、鏡面反射像４０と空中映像１４との観察者１５に対する前後関係から、鏡面反射像４０は空中映像１４の縮小像として観察者１５に視認される。観察者１５が、鏡面反射像４０として映像表示部１０に表示した映像の縮小像を視認すると、空中映像１４の視認性が低下する問題がある。

本実施の形態で説明する空中映像表示装置１００は、再帰反射シートを円弧状に湾曲させることで、映像表示部１０に表示した映像が鏡面反射像４０として観察者１５から視認されなくなっている。図５は、空中映像表示装置１００において湾曲再帰反射シート１２で鏡面反射し、空中映像１４の真正面にいる観察者１５の目に入る光の光路の一部を描いた上面図である。図５において、映像表示部１０、ビームスプリッタ１１、及び湾曲再帰反射シート１２は、簡略化して線分として描いている。長破線で示した光路５１は、ビームスプリッタ１１で反射し、湾曲再帰反射シート１２で鏡面反射してビームスプリッタ１１に戻り、ビームスプリッタ１１を透過し、空中映像１４の中央を通過して観察者１５の目に到達する光の経路を示したものである。また、短破線で示した光路５２は、ビームスプリッタ１１で反射し、湾曲再帰反射シート１２で鏡面反射してビームスプリッタ１１に戻り、ビームスプリッタ１１を透過し、空中映像１４の右端を通過して観察者１５の目に到達する光の経路を示したものである。さらに、一点鎖線で示した光路５３は、ビームスプリッタ１１で反射し、湾曲再帰反射シート１２で鏡面反射してビームスプリッタ１１に戻り、ビームスプリッタ１１を透過し、空中映像１４の左端を通過して観察者１５の目に到達する光の経路を示したものである。図５に示すように、光路５１、光路５２及び光路５３はいずれも映像表示部１０と交わらない。すなわち、空中映像表示装置１００において、ビームスプリッタ１１で反射し、再帰反射シート３０で鏡面反射してビームスプリッタ１１に戻り、ビームスプリッタ１１を透過し、観察者１５の目に到達する光は、もはや映像表示部１０に表示した映像の光を含まず、観察者１５は鏡面反射像として映像表示部１０に表示した映像を視認することはない。図５に示すケースにおいては、鏡面反射像として観察されるのは、湾曲再帰反射シート１２の一部となる。

鏡面反射像として映像表示部１０に表示した映像が視認されなくなるのは、再帰反射シートを円弧状に湾曲させることで、再帰反射シートに入射した光が再帰反射シートの表面で鏡面反射する方向を、映像表示部１０から遠のくようにしたためである。このように鏡面反射方向を制御することで、映像表示部１０に表示した映像が再帰反射シートの表面で鏡面反射することで形成される像を観察者から見えない方向に追いやることができる。

再帰反射シートを円弧状に湾曲させる方向は、水平方向だけで観察者１５が鏡面反射像として映像表示部１０に表示した映像を視認させなくするのに十分な効果がある。水平方向だけでなく、垂直方向にも湾曲させ、球面状の再帰反射シートにしても観察者１５が鏡面反射像として映像表示部１０に表示した映像を視認させなくすることができるが、製造が難しくなる問題がある。

本実施の形態においては、再帰反射シートを湾曲させ、円弧状にした場合について説明したが、観察者１５が鏡面反射像として映像表示部１０に表示した映像を視認しないようにするには、これ以外の形状であってもよい。例えば、再帰反射シートを平板に貼り付けたものを観察者１５に対して角度を付けて傾斜させて設置しても良い。図６は、傾斜平面再帰反射シート６０で鏡面反射し、空中映像１４の真正面にいる観察者１５の目に入る光の光路の一部を描いた上面図である。図６に示すように、ビームスプリッタ１１で反射し、傾斜平面再帰反射シート６０で鏡面反射してビームスプリッタ１１に戻り、ビームスプリッタ１１を透過し、空中映像１４と交わって観察者１５の目に到達する光路６１、光路６２及び光路６３は、いずれも映像表示部１０と交わらない。よって、観察者１５は鏡面反射像として映像表示部１０に表示した映像を視認することはない。このように再帰反射シートを傾斜させることでも、再帰反射シートに入射した光が再帰反射シートの表面で鏡面反射する方向を、映像表示部１０から遠のくようにすることができる。

また、本実施の形態においては、円弧状に湾曲した再帰反射シートを図２に示すように観察者１５と向かい合うように設置するケースについて説明したが、円弧状に湾曲した再帰反射シートを観察者１５から見て左側に、映像表示部１０と向かい合うように設置した場合も同様の効果が得られる。図７は、円弧状に湾曲した再帰反射シートを観察者１５から見て左側に、映像表示部１０と向かい合うように設置した場合において、湾曲再帰反射シート７０で鏡面反射し、空中映像１４の真正面にいる観察者１５の目に入る光の光路の一部を描いた上面図である。この場合、鏡面反射像として観察者１５の目に入る光の光路は、ビームスプリッタ１１を透過し、湾曲再帰反射シート７０で鏡面反射してビームスプリッタ１１に戻り、ビームスプリッタ１１で反射し、観察者１５の目に到達する光路となる。図７において、長破線で示した光路７１は空中映像１４の中央を通り、短破線で示した光路７２は空中映像１４の右端を通り、一点鎖線で示した光路７３は空中映像１４の左端を通り、鏡面反射像として観察者１５の目に入る光の光路を示している。光路７１、光路７２及び光路７３は、すべて映像表示部１０と交わらないため、観察者１５は鏡面反射像として映像表示部１０に表示した映像を視認することはない。

本実施の形態においては、観察者１５は空中映像１４の真正面の位置から空中映像１４を視聴する場合について説明を行ったが、これ以外の位置にいる観察者が空中映像１４を視聴する場合もある。想定される観察者が位置する範囲内において、鏡面反射像として映像表示部１０に表示した映像が視認されなくなるように、再帰反射シート上における鏡面反射方向を制御することが最も望ましい。

１０映像表示部
１１ビームスプリッタ
１２湾曲再帰反射シート
１３映像制御部
１４空中映像
１５観察者
２０光路
３０平面再帰反射シート
４０鏡面反射像
４１光路
４２光路
４３光路
５１光路
５２光路
５３光路
６０傾斜平面再帰反射シート
６１光路
６２光路
６３光路
７０湾曲再帰反射シート
７１光路
７２光路
７３光路
１００空中映像表示装置
３００空中映像表示装置

Claims

映像を表示する映像表示部と、
前記映像を空中映像として空中に結像させるビームスプリッタと湾曲した再帰反射シートとを有する空中結像光学系とを備え、
前記映像表示部において発光した光が、前記ビームスプリッタで反射し、湾曲した前記再帰反射シート上で前記映像表示部から遠のく方向に鏡面反射して前記ビームスプリッタに戻り、前記ビームスプリッタを透過する第一の光路を辿り、前記第一の光路の光路を辿る光のすべてが、観察者の目の存在する領域より外に到達する、または、前記発光した光が、前記ビームスプリッタを透過し、湾曲した前記再帰反射シート上で前記観察者から遠のく方向に鏡面反射して前記ビームスプリッタに戻り、前記ビームスプリッタで反射する第二の光路を辿り、前記第二の光路の光路を辿る光のすべてが、前記観察者の目の存在する領域より外に到達する
ことを特徴とする空中映像表示装置。
前記再帰反射シートは、前記観察者に対して凹形状になるよう湾曲している
ことを特徴とする請求項１に記載の空中映像表示装置。