JP6834153B2 - 空間浮遊映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、映像源からの映像光に基づいて、映像を空間に浮遊しているように表示することができる空間浮遊映像表示装置に関する。

例えば特許文献１、２のように、映像源からの映像光を受けて、これを空間に浮遊しているように投影することができる空間浮遊映像表示装置が開示されている。この装置は、映像源と、空間に浮遊したように映像を表示させるための光学シートと、を備えている。そして、映像源からの光を光学シートの一方側から入射させ、反射及び透過させることで、光学シートの他方側（一方側とは反対側）で結像させて映像を空間に浮遊しているように表示させることを可能としている。

特許第５１４３９６３号公報 特許第５０３６８９８号公報

しかしながら、特許文献に開示された技術を含めた従来の空間浮遊映像表示装置は、得られるべき主映像の周りのいずれか（特に左右方向）に、主映像より暗いが主映像と同じ映像（いわゆる「ゴースト像」）が観察されることがあった（像の多重化）。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、像の多重化を防止する空間浮遊映像表示装置を提供することを課題とする。

以下、本発明について説明する。ここでは分かり易さのため、図面に付した参照符号を括弧書きで併せて記載するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明の１つの態様は、映像源装置（１０）と、映像源装置からの光を透過して、出射側に結像させて映像を空間に表示させる空間浮遊映像表示光学シート（５０）と、を備え、映像源装置は、所定の断面を有してシート面に沿って一方向に延び、当該延びる方向とは異なる方向に所定の間隔で複数配列される光透過部（３３）、及び、隣り合う光透過部の間隔に形成され光を吸収する光吸収部（３４）を有する光制御層（３２）を備えており、空間浮遊映像表示光学シート（５０）は、所定の断面を有してシート面に沿って一方向に延び、当該延びる方向とは異なる方向に所定の間隔で複数配列され、全反射界面を形成する単位反射要素（６３）を具備する第一光反射シート（６０）と、所定の断面を有してシート面に沿って一方向に延び、当該延びる方向とは異なる方向に所定の間隔で複数配列され、全反射界面を形成する単位反射要素（６３）を具備する第二光反射シート（７０）と、を備えている、空間浮遊映像表示装置（１）である。

ここで、単位反射要素（６３）の配列ピッチを５０μｍ以上３００μｍ以下とすることができる。

上記空間浮遊映像表示装置において、第一光反射シート（６０）の単位反射要素（６３）が延びる方向と、第二光反射シート（７０）の単位反射要素（６３）が延びる方向と、が空間浮遊映像表示光学シート（５０）の平面視で交差していてもよい。

また、映像源装置（１０）が液晶パネル（１５）を備えていてもよい。

また、映像源装置がプロジェクター及びスクリーンを備え、スクリーンに光制御シートが備えられているものであってもよい。

本発明によれば、像の多重化を抑制することで、質の良い映像を表示することが可能となる。

図１（ａ）は空間浮遊映像表示装置１を説明する斜視図、図１（ｂ）は空間浮遊映像表示装置を説明する側面図である。 映像源装置１０の構造を説明する斜視図である。 映像源装置１０の構造を説明する１つの断面図である。 映像源装置１０の構造を説明する他の断面図である。 光制御シート３０の構造を説明する断面図である。 変形例にかかる映像源装置１０’の構造を説明する斜視図である。 空間浮遊映像表示光学シート５０の斜視図である。 空間浮遊映像表示光学シート５０の分解斜視図である。 空間浮遊映像表示光学シート５０の層構成を説明する断面図である。 空間浮遊映像表示光学シート５０の層構成を説明する断面図である。 第一光反射シート６０の構造を説明する図である。 図１２（ａ）は空間浮遊映像表示光学シート１５０の斜視図、図１２（ｂ）は空間浮遊映像表示光学シート２５０の斜視図である。 空間浮遊映像表示光学シート３５０の斜視図である。

以下、本発明を図面に示す形態に基づき説明する。ただし本発明はこれら形態に限定されるものではない。なお、図面では、理解を容易にするため各部の大きさや形状を模式的に変形や誇張して記載することがある。また、見易さのため繰り返しとなる符号は省略することがある。

図１は１つの形態を説明するための図で、空間浮遊映像表示装置１を説明する図である。図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は側面から見た図である。
図１（ａ）、図１（ｂ）からわかるように、空間浮遊映像表示装置１によれば、映像源装置１０から出射された映像が空間浮遊映像表示光学シート５０を透過することにより、空間浮遊映像表示光学シート５０のうち、映像源装置１０とは反対側の空間に像を結び、映像Ａが空間中に浮遊するように表示される。
これらの図からわかるように、空間浮遊映像表示装置１は、映像源装置１０と空間浮遊映像表示光学シート５０を有して構成されている。以下、それぞれについて説明する。

映像源装置１０は、表示すべき映像の映像源である。図２に映像源装置１０の構成を模式的に表した斜視図を示した。また図３には、図２にＩＩＩ−ＩＩＩで示した線に沿って切断したときの映像源装置１０の断面図の一部、図４には、図２にＩＶ−ＩＶで示した線に沿って切断したときの映像源装置１０の断面図の一部を表した。映像源装置１０にはこの他にも、説明は省略するが、外郭を形成する筐体、映像源装置を作動させる電源、及び電子回路等、映像源装置として動作するために必要とされる通常の機器を具備している。

本形態の映像源装置１０は、液晶パネル１５、面光源装置２０、及び光制御シート３０を備えている。図２〜図４では紙面上方が映像出射側となる。

液晶パネル１５は、光制御シート３０側（映像出射側）に配置された上偏光板１３と、面光源装置２０側に配置された下偏光板１４と、上偏光板１３と下偏光板１４との間に配置された液晶層１２と、を有している。上偏光板１３、下偏光板１４は、入射した光を直交する二つの偏光成分（Ｐ波およびＳ波）に分解し、一方の方向（透過軸に平行な方向）の偏光成分（例えば、Ｐ波）を透過させ、当該一方の方向に直交する他方の方向（吸収軸に平行な方向）の偏光成分（例えば、Ｓ波）を吸収する機能を有している。

液晶層１２は、複数の画素が層面に沿った方向に縦横に配列されており、一つの画素を形成する領域毎に電界印加できる。そして電界印加された画素の配向が変化する。これにより、面光源装置２０側（すなわち入光側）に配置された下偏光板１４を透過した透過軸に平行な偏光成分（例えばＰ波）は、電界印加された画素を通過する際にその偏光方向を９０°回転させ、その一方で、電界印加されていない画素を通過する際にその偏光方向を維持する。このため、画素への電界印加の有無によって、下偏光板１４を透過した偏光成分（例えばＰ波）が、出光側に配置された上偏光板１３をさらに透過するか、あるいは、上偏光板１３で吸収されて遮断されるか、を制御することができる。

このようにして液晶パネル１５は、面光源装置２０からの光の透過又は遮断を画素毎に制御して映像を表現する構造を有している。

液晶パネルはこのような原理により観察者に対して映像を提供することができるように構成されている。従って、液晶パネルの背面側から照明をする際には下偏光板の透過軸に平行な偏光成分を有する光を多く到達させることにより下偏光板を透過させて光の利用効率を高めることができる。
さらに液晶パネルは、その性質上、該液晶パネルの法線方向からの入射光に対しては、出射光のコントラスト、及び効率（透過率）は優れている。しかしながら、液晶パネルの法線方向に対して斜めからの入射光、及び観察者による斜め方向からの観察についてはコントラストの低下や効率（透過率）の低さが問題となる。すなわち、光の利用効率を高めるためには液晶パネルの法線方向からの入射光を多くすることも有効である。

液晶パネルの種類は特に限定されることはなく、公知の型の液晶パネルを挙げることができる。これには例えばＴＮ、ＳＴＮ、ＶＡ、ＭＶＡ、ＩＰＳ、ＯＣＢ等がある。

次に面光源装置２０について説明する。
面光源装置２０は、液晶パネル１５に対して観察者側とは反対側に配置され、液晶パネル１５に面状の光を出射する照明装置である。図２〜図４よりわかるように、本形態の面光源装置２０は、エッジライト型の面光源装置として構成され、導光板２１、光源２４、光拡散層２５、プリズム層２６、反射型偏光板２７、粘着剤層２８、反射シート２９を有している。

導光板２１は、図２〜図４よりわかるように、基部２２及び裏面光学要素２３を有している。導光板２１は透光性を有する材料により形成された全体として板状の部材である。本形態で導光板２１の観察者側となる一方の板面側は平滑面とされ、これとは反対側である他方の板面側は裏面とされ、当該裏面には複数の裏面光学要素２３が配列されている。

基部２２、裏面光学要素２３をなす材料としては、種々の材料を使用することができる。ただし、表示装置に組み込まれる光学シート用の材料として広く使用され、優れた機械的特性、光学特性、安定性及び加工性等を有するとともに安価に入手可能な材料を用いることができる。これには例えば脂環式構造を有する重合体樹脂、メタクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリスチレン、アクリロニトリル−スチレン共重合体、メタクリル酸メチル−スチレン共重合体、ＡＢＳ樹脂、ポリエーテルスルホン等の熱可塑性樹脂や、エポキシアクリレートやウレタンアクリレート系の反応性樹脂（電離放射線硬化型樹脂等）等を挙げることができる。

基部２２は、その内部を光が導光されるとともに、裏面光学要素２３のベースとなる部位で、所定の厚さを有する板状である。

裏面光学要素２３は、基部２２の裏面側（液晶パネル１５が配置される側とは反対側）に形成される突出した要素であり、本形態では三角柱状である。裏面光学要素２３は、突出した頂部の稜線が図２の紙面左右方向に延びる柱状であり、複数の裏面光学要素２３が当該延びる方向に直交する方向に所定のピッチで並べて配列されている。本形態の裏面光学要素２３は断面が三角形であるがこれに限定されることはなく、多角形、半球状、球の一部、レンズ形状等いずれの形状の断面であってもよい。
複数の裏面光学要素２３が配列される方向は導光方向であることが好ましい。すなわち、光源２４から離隔する方向に配列され、光源２４が配列される方向、又は１つの長い光源であれば該光源が延びる方向に平行に各裏面光学要素２３の稜線が延びている。

なお、本件明細書における「三角形形状」とは、厳密な意味での三角形形状のみでなく、製造技術における限界や成型時の誤差等を含む略三角形形状を含む。また同様に、本件明細書において用いる、その他の形状や幾何学的条件を特定する用語、例えば、「平行」、「直交」、「楕円」、「円」等の用語も、厳密な意味に縛られることなく、同様の光学的機能を期待し得る程度の誤差を含めて解釈することとする。

このような構成を有する導光板２１は、押し出し成型により、又は、基部２２上に裏面光学要素２３を賦型することにより製造することができる。なお、押し出し成型で製造された導光板２１においては、基部２２、及び裏面光学要素２３が一体的に形成され得る。また、賦型によって導光板２１を製造する場合、裏面光学要素２３が、基部２２と同一の樹脂材料であっても、異なる材料であってもよい。

光源２４について説明する。光源２４は、導光板２１の基部２２が有する側面のうち、複数の裏面光学要素２３が配列される方向の一方側の側面に配置される。光源の種類は特に限定されるものではないが、線状の冷陰極管等の蛍光灯、点状のＬＥＤ（発光ダイオード）、又は白熱電球等の種々の態様で構成できる。本形態では光源２５は複数のＬＥＤからなり、不図示の制御装置により各ＬＥＤの点灯及び消灯、並びに／又は、各ＬＥＤの点灯時の明るさを個別に独立して調節できるように構成されている。
なお、本形態では上記のように光源２４は一方側の側面に配置される例を示したが、さらにこの側面とは反対側となる側面にも光源が配置される形態であってもよい。なお、この場合には裏面光学要素の形状も公知の例に倣って形成する。

次に光拡散層２５について説明する。光拡散層２５は、導光板２１の出光側に配置され、ここに入射した光を拡散させて出射する機能を有する層である。これにより、導光板２１から出射した光をさらに均一性を高め、導光板２１に存在する傷を目立たなくすることができる。
光拡散層の具体的態様は、公知の光拡散層を用いることができ、例えば母材の中に光拡散剤を分散させた形態を挙げることができる。

プリズム層２６は、図２〜図４よりわかるように、光拡散層２５よりも液晶パネル１５側に設けられ、該液晶パネル１５側に向けて凸である単位プリズム２６ａを具備する層である。単位プリズム２６ａは、所定の断面を有して導光板２１の導光方向に延びる形態を有している。そして、複数の単位プリズム２６ａが導光方向とは異なる方向（本形態では平面視で導光方向に直交する方向）に配列されている。
このようなプリズム層の単位プリズムの断面形状は、必要とする機能に応じて公知の形状を適用することができる。当該形状により光をさらに拡散させることもできるし、集光させることもできる。

次に反射型偏光板２７について説明する。反射型偏光板２７は、入射した光を直交する二つの偏光成分（Ｐ波およびＳ波）に分解し、一方の方向（透過軸に平行な方向）の偏光成分（例えば、Ｐ波）を透過させ、当該一方の方向に直交する他方の方向（反射軸に平行な方向）の偏光成分（例えば、Ｓ波）を反射する機能を有している。このような反射型偏光板の構造は公知のものを適用することができる。

次に粘着剤層２８について説明する。粘着剤層２８は、反射型偏光板２７を下偏光板１４に粘着し、反射型偏光板２７と液晶パネル１５（下偏光板１４）との間に空気界面を形成することなく両者を積層するための層である。これにより光の透過率を向上させ、光の利用効率を高めることができる。また、貼り付けることにより、層間の擦れがなく傷つきを防止することが可能である。
粘着剤層２８を構成する材料は特に限定されず、公知の粘着剤、接着剤、光硬化性樹脂、熱硬化性樹脂等を用いることができる。より具体的な例としては、粘着剤層２８として、例えばアクリル系の粘着剤を用いることができ、さらに具体的にはアクリル系共重合体とイソシアネート化合物とを組み合わせた粘着剤を挙げることができる。ただし、粘着剤層２８を構成する材料は透光性、耐候性に優れた材料によることが好ましい。

次に反射シート２９について説明する。反射シート２９は、導光板２１の裏面から出射した光を反射して、再び導光板２１内に光を入射させるための部材である。反射シート２９は、金属等の高い反射率を有する材料からなるシート、高い反射率を有する材料からなる薄膜（例えば金属薄膜）を表面層として含んだシート等のいわゆる鏡面反射を可能とするものを好ましく適用することができる。

以上の構成を備える面光源装置が液晶パネル１５の映像出射側とは反対側に配置されて、液晶パネル１５に光を供給する。

次に光制御シート３０について説明する。本形態では光制御シート３０は、液晶パネル１５を挟んで面光源装置２０とは反対側に配置され、入光側から入射した光の進行方向を変化させて出光側から出射させ、正面方向（法線方向）の輝度を集中的に向上させる機能（集光機能）を有している。また、当該正面方向に対して大きな角度で進行した光を吸収する機能（光吸収機能）を備えている。
光制御シート３０は図２〜図４よりわかるように、シート状に形成された基材層３１と、基材層３１の一方の面（本形態では導光板２１側の面）に設けられた光制御層３２と、を備えている。

図２〜図４に示すように、基材層３１は光制御層３２を支持する平板状（シート状）の透光性の部材である。図５には、図２のうち光制御シート３０についてその一部を拡大して表した。
基材層３１としては、透明樹脂フィルム、透明樹脂板、透明樹脂シートや透明ガラスを用いることができる。透明樹脂フィルムとしては、トリアセテートセルロース（ＴＡＣ）フィルム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のポリエステル系フィルム、ジアセチルセルロースフィルム、アセテートブチレートセルロースフィルム、ポリエーテルサルホンフィルム、ポリアクリル系樹脂フィルム、ポリウレタン系樹脂フィルム、ポリエステルフィルム、ポリカーボネートフィルム、ポリスルホンフィルム、ポリエーテルフィルム、ポリメチルペンテンフィルム、ポリエーテルケトンフィルム、（メタ）アクリルロニトリルフィルム等を好適に使用できるが、これらの中でも、ポリエステル系フィルムが好ましく用いられる。ポリエステル系フィルムとしては、ポリエチレンテレフタレートの他、ポリブチレンテレフタレート、ポリナフタレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート等が挙げられる。

基材層３１の厚さは特に限定されないが、２５μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましい。基材層３１の厚さがこの範囲を外れると、加工性に問題を生じる虞がある。例えば、基材層３１が２５μｍより薄くなるとしわが生じやすくなる。また、基材層３１が３００μｍより厚くなると、光制御シート３０の巻き取りが困難になる虞がある。

光制御層３２は基材層３１の一方の面（本形態では液晶パネル側の面）に積層された層で、層面に沿って光透過部３３と光吸収部３４とが交互に配列されている。

光透過部３３は光を透過させることを主要の機能とする部位であり、本形態では図３、図５に表れる断面において、基材層３１側に長い下底、その反対側（液晶パネル１５側）に短い上底を有する略台形の断面形状を有する要素である。光透過部３３は、基材層３１の層面に沿って当該断面を維持して上記した方向に延びるとともに、この延びる方向とは異なる方向に所定の間隔で配列される。そして、隣り合う光透過部３３の間には、略台形断面を有する間隔が形成されている。従って、当該間隔は、光透過部３３の上底側（液晶パネル１５側）に長い下底を有し、光透過部３３の下底側（出光側）に短い上底を有する台形断面を有し、ここに後述する必要な材料が充填されることにより光吸収部３４が形成される。なお、本形態では隣り合う光透過部３３は長い下底側で土台部３２ａにより連結されている。

光透過部３３は屈折率がＮｔとされている。このような光透過部３３は、透過部を構成する組成物を硬化させることにより形成することができる。詳しくは後で説明する。屈折率Ｎｔの値は特に限定されることはないが、後述するように台形断面の斜面における光吸収部３４との界面で適切に光を反射（全反射を含む。）する観点から屈折率は１．５５以上であることが好ましい。ただし、屈折率が高すぎる材料は割れやすい場合が多いので屈折率は１．６１以下であることが好ましい。より好ましくは１．５６以下である。

光吸収部３４は隣り合う光透過部３３の間に形成された上記した間隔に形成される間部として機能し、間隔の断面形状と同様の断面形状となる。従って短い上底が出光側を向き、長い下底が液晶パネル１５側となる。そして光吸収部３４は、屈折率がＮｒとされるとともに、光を吸収することができるように構成されている。具体的には屈折率がＮｒであるバインダーに光吸収粒子が分散される。屈折率Ｎｒは、光透過部３３の屈折率Ｎｔよりも低い屈折率とされる。このように、光吸収部３４の屈折率を光透過部３３の屈折率より小さくすることにより、所定の条件で光透過部３３に入射した光を光吸収部３４との界面で適切に全反射させることができる。また、全反射条件を満たさない場合にも一部の光は当該界面で反射する。
屈折率Ｎｒの値は特に限定されることはないが、当該全反射を適切に行う観点から１．５０以下であることが好ましく、その中でも入手性の観点から１．４７以上が好ましい。より好ましく１．４９以上である。

光透過部３３の屈折率Ｎｔと光吸収部３４の屈折率Ｎｒとの屈折率の差は特に限定されるものではないが、０．０５以上０．１４以下であることが好ましい。屈折率差を大きくすることにより、より多くの光を全反射させることができる。

光制御層３２では、特に限定されることはないが、例えば次のように光透過部３３及び光吸収部３４が形成される。すなわち、図５にＰ_ｋで表した光透過部３３及び光吸収部３４のピッチは２０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。また、図５にθ_ｋで示した光吸収部３４と光透過部３３との斜辺における界面と、光制御層３２の層面の法線と、の成す角は１°以上１０°以下であることが好ましい。そして図５にＤ_ｋで示した光吸収部３４の厚さは５０μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましい。これらの範囲内とすることにより、光の透過と光の吸収とのバランスが適切になることが多い。

本形態では光透過部３３と光吸収部３４との界面が断面において一直線状となる例を示したが、これに限らず折れ線状、凸である曲面状、凹である曲面状等であってもよい。また、複数の光透過部３３及び光吸収部３４で断面形状が同じであってもよいし、所定の規則性を有して異なる断面形状であってもよい。

光制御シート３０は例えば次のように作製できる。
はじめに基材層３１の一方の面に光透過部３３を形成する。これは、光透過部３３の形状が転写できる形状を表面に有する金型ロールと、これに対向するように配置されたニップロールとの間に、基材層３１となる基材シートを挿入する。このとき、基材シートと金型ロールとの間に光透過部を構成する組成物を供給しながら金型ロール及びニップロールを回転させる。これにより金型ロールの表面に形成された光透過部に対応する溝（光透過部形状を反転した形状）に光透過部を構成する組成物が充填され、該組成物が金型ロールの表面形状に沿ったものとなる。

ここで、光透過部を構成する組成物としては、例えば、エポキシアクリレート系、ウレタンアクリレート系、ポリエーテルアクリレート系、ポリエステルアクリレート系、ポリチオール系等の電離放射線硬化型の樹脂を挙げることができる。

金型ロールと基材シートとの間に挟まれ、ここに充填された光透過部を構成する組成物に対し、基材シート側から光照射装置により硬化させるための光を照射する。これにより、組成物を硬化させ、その形状を固定させることができる。そして、離型ロールにより金型ロールから基材層３１及び成型された光透過部３３を離型する。

次に、光吸収部３４を形成する。光吸収部３４を形成するには、まず、上記形成した光透過部３３間の間隔に光吸収部を構成する組成物を充填する。その後、余剰分の当該組成物をドクターブレード等で掻き落とす。そして、残った組成物に光透過部３３側から紫外線を照射することによって硬化させ、光吸収部３４を形成することができる。

光吸収部として用いられる材料は特に限定されないが、例えば、ウレタン（メタ）アクリレート、ポリエステル（メタ）アクリレート、エポキシ（メタ）アクリレート、及びブタジエン（メタ）アクリレート等の光硬化型樹脂の中に着色された光吸収粒子が分散されている組成物を挙げることができる。

また光吸収粒子を分散させる代わりに顔料や染料により光吸収部全体を着色することもできる。
光吸収粒子を用いる場合には、カーボンブラック等の光吸収性の着色粒子が好ましく用いられるが、これらに限定されるものではなく、映像光の特性に合わせて特定の波長を選択的に吸収する着色粒子を使用してもよい。具体的には、カーボンブラック、グラファイト、黒色酸化鉄等の金属塩、染料、顔料等で着色した有機微粒子や着色したガラスビーズ等を挙げることができる。特に、着色した有機微粒子が、コスト面、品質面、入手の容易さ等の観点から好ましく用いられる。着色粒子の平均粒子径は１．０μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。

これにより基材層３１の一方の面に光制御層３２が形成された光制御シート３０が作製される。

以上のような光制御シート３０を備える映像源装置１０により、映像光の出光の範囲を所定の角度内に収めることができ、このような映像光が空間浮遊映像表示光学シート５０に提供されるので像の多重化を防止して質の高い映像を表示することが可能となる。

なお、上記の例では光制御シート３０が液晶パネル１５よりも出光面側に配置されていたが、必ずしもこれに限られることはなく、液晶パネル１５よりの入光面側に配置されてもよい。図６に示した映像源装置１０’の例では、光制御シート３０が、上記反射型偏光板２７と粘着剤層２８との間に配置されている。このような配置であっても映像光の出光の範囲を所定の角度内に収めることができ、このような映像光が空間浮遊映像表示光学シート５０に提供されるので像の多重化を防止して質の高い映像を表示することが可能となる。

また、ここでは液晶パネルを含む、いわゆる液晶表示装置に光制御シートが備えられることにより映像源装置１０、１０’を構成する例を説明したが、これに限定されることなく他の種類の表示装置に光制御シートが備えられる形態であってもよい。
例えば、有機エレクトロルミネッセンスを映像源として上記した光制御シートを組み合わせて映像源装置としてもよい。
また、例えば、透過型、又は反射型スクリーンにプロジェクターから映像を投射して表示するプロジェクション表示装置に対して、上記スクリーンに指向性を高めて光を出射する手段を設けるように構成することができる。当該指向性を高める手段として上記光制御シートを適用することができる。光制御シートの他にも例えばフレネルレンズ、レンチキュラーレンズ、マイクロレンズ、又は光制御シートとこれらレンズの組み合わせが挙げられる。

次に図１に戻り、空間浮遊映像表示光学シート５０について説明する。空間浮遊映像表示光学シート５０は、映像源装置１０から出射された映像を透過させることにより、該空間浮遊映像表示光学シート５０のうち、映像源装置１０とは反対側の空間に像を結ぶように構成された光学的要素を備えるシート状の部材である。図７には空間浮遊映像表示光学シート５０の斜視図、図８には空間浮遊映像表示光学シート５０の分解斜視図を示した。また、図９には図１にＩＸ−ＩＸで示した線に沿った、空間浮遊映像表示光学シート５０を空間浮遊映像表示装置１に備えた際に水平となる方向における空間浮遊映像表示光学シート５０の層構成を説明する断面図を表した。同様に、図１０には図１にＸ−Ｘで示した線に沿った上下方向における空間浮遊映像表示光学シート５０の層構成を説明する断面図を表した。図７〜図１０よりわかるように、本形態の空間浮遊映像表示光学シート５０は、映像源装置１０側から、第一光反射シート６０、及び第二光反射シート７０が重ねられるようにして配置されている。以下、各層について説明する。

本形態の第一光反射シート６０は、シート状に形成された基部６１と、基部６１の一方の面に設けられた反射要素部６２と、を備えている。図１１には第一反射シート６０に注目して一部を拡大した図を表した。

この第一光反射シート６０は、後述するように、入光側から入射した光の進行方向を変化させて第二光反射シート７０へと出射させる。この反射機能は、主として、第一光反射シート６０のうち、反射要素部６２によって発揮される。

図１１からわかるように、基部６１は、反射要素部６２を支持する機能を有する透光性の平板状シート部材である。

反射要素部６２は、図７〜図９、図１１によく表れているように、複数の単位反射要素６３が基部６１の一方の面側から突出するように、シート面に沿って配列されている。より具体的には、単位反射要素６３は、当該並べられる方向に直交する方向に、図９、図１１に示した所定の断面形状を維持して稜線が延びるように形成された柱状の部材である。その稜線が延びる方向は、単位反射要素６３が並べられる方向に直交する方向である。
隣り合う単位反射要素６３の間は、空気等の気体、又は、単位反射要素６３よりも屈折率が低い樹脂で満たされている。

図１１からわかるように、本形態では、単位反射要素６３は、基部６１の一方の面側から突出した台形断面を有している。そしてこの台形は基部６１のシート面と平行な方向の単位反射要素６３の幅が、基部６１の法線方向に沿って基部６１から離れるにつれて小さくなる。すなわち、基部６１側に長い下底、これとは反対側に短い上底を有する台形である。

そして単位反射要素６３は台形断面における脚部６３ａ、６３ｂのうち一方の脚部６３ａが全反射面として機能するように構成されている。
そのため、全反射面となる面を構成する脚部６３ａが光学シートのシート面法線と成す角αは０度以上１度以下であることが好ましい。
一方、全反射面とならない側の面を構成する脚部６３ｂが光学シートのシート面法線と成す角βは３度以上３０度以下が好ましい。これにより、脚部６３ｂによる面で光が反射することを抑制することができる。

反射要素部６２は、特に限定されることはないが、例えば次のように形成される。図１１に記号を付した。
単位反射要素６３の配列ピッチＰ_ｒは５０μｍ以上３００μｍ以下とすることが好ましい。Ｐ_ｒが５０μｍより小さいと回折の影響や作製のための金型の精度を確保することができないことにより映像の解像性が低下する虞がある。また、Ｐ_ｒが３００μｍより大きくなると成型時の変形が大きくなりこれも映像の解像性低下の原因となると考えられる。
このとき、単位反射要素６３のうち台形断面の上底のピッチ方向（幅方向）の大きさＤｒは、単位反射要素６３の厚さＴ_ｒとの関係で次式（１）を満たすことが好ましい。
ｔａｎ^−１（Ｔ_ｒ／Ｄ_ｒ）＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎ４５°／ｎ） （１）
ここで、ｎは単位反射要素６３の屈折率である。好ましい屈折率は上記光制御シート３０の光透過部３３と同様に考えることができる。これにより、シート面法線に対して角度４５度方向で入光した光を効率よく反射することができる。またＴ_ｒは２０μｍ以上４７０μｍ以下であることが好ましい。

一方、第一光反射シート６０の厚さＴ_ｓは３０μｍ以上４８０μｍ以下であることが好ましい。そして基部６１の厚さＴ_ｋは１μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。Ｔ_ｋを薄くすることにより、迷光を抑制することができる。

このような第一光反射シート６０は、種々の材料を使用することができる。ただし、光学シート用の材料として広く使用され、優れた機械的特性、光学特性、安定性及び加工性等を有するとともに安価に入手可能な材料、例えば、アクリル、スチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、アクリロニトリル等の一以上を主成分とする透明樹脂や、エポキシアクリレートやウレタンアクリレート系の反応性樹脂（電離放射線硬化型樹脂等）が好適に使用され得る。

そして、第一光反射シート６０は、押し出し成型や、基部６１に反射要素部６２を賦形することにより作製することができる。

第二光反射シート７０は、その構造、及びその製造方法については、ここまで説明した第一光反射シート６０と同様である。そこで図７〜図１０のように第一反射シート６０と同じ符号を用いて説明を省略する。

以上のような各部材が例えば次のように組み合わされて空間浮遊映像表示光学シート５０とされている。
図７〜図１０よりわかるように、第一光反射シート６０と第二光反射シート７０とが、互いの単位反射要素６３が対向するように配置されるとともに、空間浮遊映像表示光学シート５０の平面視で、単位反射要素６３が延びる稜線方向が角度αで交差（図７参照）する向きとされている。本形態ではα＝９０°で交差している。

以上では、１つの形態として、第一光反射シート６０の単位反射要素６３と第二光反射シート７０の単位反射要素６３とが向かい合う配置である空間浮遊映像表示光学シート５０を説明した。ただし本発明はこれに限定されることなく他の配置とすることもできる。図１２、図１３に斜視図を示した。これらの図は図７に相当する図である。
図１２（ａ）の例にかかる空間浮遊映像表示光学シート１５０では、第一光反射シート６０の単位反射要素６３が第二光反射シート７０の基部６１に向き合うように配置されている。
図１２（ｂ）の例にかかる空間浮遊映像表示光学シート２５０では、第一光反射シート６０の基部６１と第二光反射シート７０の単位反射要素６３とが向き合うように配置されている。
図１３の例にかかる空間浮遊映像表示光学シート３５０では、第二光反射シート３０の基部２１と第一光反射シート２０の基部２１とが向き合うように配置されている。

以上のような、映像源装置１０及び空間浮遊映像表示光学シート５０が例えば次のように組み合わされて空間映像表示装置１とされている。すなわち、図１からわかるように、映像源装置１０の画面を水平に設置し、映像源装置１０から出射される映像光を受光できる位置に空間浮遊映像表示光学シート５０を配置する。
このとき、本形態では、第一光反射シート６０が映像源装置１０側となるように配置される。その際には、図１（ｂ）からわかるように、空間浮遊映像表示光学シート５０は、映像源装置１０の表示面に対して、入光面が角度φで傾くように配置される。このφの角度は必要に応じて設定することができるが、通常４５度程度とされている。

映像源装置１０と空間浮遊映像表示光学シート５０との関係はこれに限定されることなく、必要に応じて適宜設定することができる。例えば空間浮遊映像表示光学シート５０の面を水平に設置し、これに角度を有するように映像源装置１０が配置されてもよい。

以上のような空間浮遊映像表示装置１は例えば次のように作用する。ここでは光路例を示しつつ説明するが当該光路例は説明のための概念的なものであり、反射や屈折の程度を厳密に表したものではない。

まず、図３に示すように、光源２４から出射した光は、導光板２１の側面の入光面を介して導光板２１内に入射する。図３には、一例として、光源２４から導光板２１に入射した光Ｌ３１、Ｌ３２の光路例が示されている。

図３に示すように、導光板２１に入射した光Ｌ３１、Ｌ３２は、導光板２１の出光側面及びその反対側の裏面において、空気との屈折率差による全反射を繰り返し、導光方向（図３の紙面右方向）へ進んでいく。

ただし、導光板２１の裏面には裏面光学要素２３が配置されている。このため、図３に示すように、導光板２１内を進む光Ｌ３１、Ｌ３２は、裏面光学要素２３によって進行方向が変わり、全反射臨界角未満の入射角度で出光面、及び裏面に入射することもある。この場合に当該光は、導光板２１の出光面及びその反対側の裏面から出射し得る。

出光面から出射した光Ｌ３１、Ｌ３２は、導光板２１の出光側に配置された光拡散層２５へと向かう。一方、裏面から出射した光は、導光板２１の背面に配置された反射シート２９で反射され、再び導光板２１内に入射して導光板２１内を進むことになる。

導光板２１内を進行する光と、裏面光学要素２３で向きを変えられて全反射臨界角未満の入射角度で出光面に達する光は、導光板２１内の導光方向に沿った各区域において生じる。このため、導光板２１内を進んでいる光は、少しずつ、出光面から出射するようになる。これにより、導光板２１の出光面から出射する光の導光方向に沿った光量分布を均一化させることができる。

導光板２１から出射した光は、その後、光拡散層２５に達し均一性が高められる。そしてプリズム層２６により必要に応じて拡散又は集光されプリズム層２６を出光した光は次に反射型偏光板２７に達する。ここでは、反射型偏光板２７の透過軸に沿った偏光方向の光は反射型偏光板２７を透過し、粘着剤層２８を透過して液晶パネル１５に向かう。
一方、反射型偏光板２７の反射軸に沿った偏光方向の光は図２に点線矢印Ｌ３１’、Ｌ３２’で示したように反射して導光板２１側に戻される。戻された光は、導光板２１、裏面光学要素２３、又は反射シート２９で反射して再び反射型偏光板２７の側に進行する。この反射の際に一部の光の偏光方向が変化しておりその一部は反射型偏光板２７を透過する。他の光は再び導光板側に戻される。このように反射型偏光板２７で反射した光も反射を繰り返すことで反射型偏光板２７を透過できるようになる。これにより光源２４からの光の利用率が高められる。

面光源装置２０を出射した光は、液晶パネル１５の下偏光板１４に入射する。本形態では面光源装置２０を透過した光は、粘着剤層２８を透過して空気層を介することなく、液晶パネル１５の下偏光板１４に入射する。このように、本形態では粘着剤層２８により空気界面を介することなく直接光を液晶パネル１５に入光させることができるので、光の損失を抑制して利用効率を高めることができる。
下偏光板１４は、入射光のうち、一方の偏光成分を透過させ、その他の偏光成分を吸収する。下偏光板１４を透過した光は、画素毎への電界印加の状態に応じて、選択的に上偏光板１３を透過するようになる。このようにして、液晶パネル１５によって、面光源装置２０からの光を画素毎に選択的に透過させることにより、液晶表示装置の観察者が、映像を観察することができるようになる。

液晶パネル１５を出射した映像光は光制御層３２に入射する。光制御層３２に入射する光は例えば図５にＬ５１で示したように、光透過部３３と光吸収部３４との界面に達することなく光透過部３３を透過する。または、図５にＬ５２で示したように光透過部３３と光吸収部３４との界面に達して全反射して光透過部３３を透過する。このとき、本形態では当該界面の傾斜角度（θｋ）の作用により、界面で反射した光は液晶パネル１５の法線に平行な方向に近づけられる。また、全反射臨界角より小さい角度のため全反射しない光であってもそのうちの一部は当該界面で反射するものもある。このような光も同様に光透過部３３を透過する。
一方、図５にＬ５３で示したようにシート面法線に対して大きな角度で光制御層３２に入射した光は光吸収部３４に吸収され出射されない。

以上のように、光制御シート３０によれば、映像源装置１０から出射する映像光の広がりを抑制し、正面及び正面から大きく広がらない角度とすることができる。これにより空間浮遊映像表示光学シート５０に入射する映像光のうち、ゴースト像を形成する映像光が減少し、像の多重化を抑制することが可能となる。

また、光制御シート３０により、映像光を効率よく集光し、集光しなかった光は光吸収部で吸収するため、適切な光を効率よく提供することができ、光の利用効率を向上させることが可能となる。

映像源装置１０からの映像光は空間浮遊映像表示光学シート５０に入射し、第一光反射シート６０及び第二光反射シート７０を透過する。その際、初めに図７にＬ７１、図９にＬ９１で例示したように、第一光反射シート６０の全反射面である脚部６３ａで全反射する。その反射光が次に図７にＬ７１、図１０にＬ１０１で例示したように、第二光反射シート７０の反射面である脚部６３ａで全反射する。
これにより、映像源装置１０から集光された映像光として空間浮遊映像表示光学シート５０に入射した映像光が空間浮遊映像表示光学シート５０を透過して空間浮遊映像表示光学シート５０の反対側から出射することで結像し、空間に浮遊したように映像が表示される。

一方、従来では映像源装置から出射される映像光の中に、必ずしも適切な位置に結像せず、少しずれて結像してゴースト像を形成してしまうものもある。これに対して本発明では映像源装置１０に光制御シート３０を設けていることからゴースト像を形成してしまう映像光を減らすことができる。
従って、空間浮遊映像表示装置１により、ゴースト像の発生を防止して質の良い映像を提供することができる。

１ 空間浮遊映像表示装置
１０ 映像源装置
１５ 液晶パネル
２０ 面光源装置
２１ 導光板
２４ 光源
２５ 光拡散層
２６ プリズム層
２７ 反射型偏光板
３０ 光学シート
３２ 光制御層
３３ 光透過部
３４ 光吸収部
５０ 空間浮遊映像表示光学シート
６０ 第一光反射シート
６１ 基部
６２ 反射要素部
６３ 単位反射要素
7０ 第二光反射シート

Claims (5)

1. 映像源装置と、
   前記映像源装置からの光を透過して、出射側に結像させて映像を空間に表示させる空間浮遊映像表示光学シートと、を備え、
   前記映像源装置は、台形断面を有してシート面に沿って一方向に延び、当該延びる方向とは異なる方向に所定の間隔で複数配列される光透過部、及び、隣り合う前記光透過部の間隔に形成され、前記光透過部よりも屈折率が低く、光を吸収する光吸収部を有する光制御層を備えており、
   前記光制御層の前記光透過部は前記台形断面のうち長い下底側に前記空間浮遊映像表示光学シートが配置される向きとされ、
   前記空間浮遊映像表示光学シートは、
   台形断面を有してシート面に沿って一方向に延び、当該延びる方向とは異なる方向に所定の間隔で複数配列され、全反射界面を形成する単位反射要素を具備する第一光反射シートと、
   台形断面を有してシート面に沿って一方向に延び、当該延びる方向とは異なる方向に所定の間隔で複数配列され、全反射界面を形成する単位反射要素を具備する第二光反射シートと、を備えており、
   前記第一光反射シートの前記単位反射要素が延びる方向と、前記第二光反射シートの前記単位反射要素が延びる方向と、が前記空間浮遊映像表示光学シートの平面視で交差しており、
   前記第一光反射シート及び前記第二光反射シートの少なくとも一方の前記単位反射要素は、前記台形断面の短い上底の大きさをＤ_ｒ、前記単位反射要素の厚さをＴ_ｒ、及び、前記単位反射要素の屈折率をｎとしたとき、
   ｔａｎ^−１（Ｔ_ｒ／Ｄ_ｒ）＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎ４５°／ｎ）
   なる関係を満たす、空間浮遊映像表示装置。
2. 前記映像源装置が液晶パネル及び導光板を備え、
   前記光透過部及び前記光吸収部の前記延びる方向は前記液晶パネルの平面視で前記導光板の導光方向に直交する、請求項１に記載の空間浮遊映像表示装置。
3. 映像源装置と、
   前記映像源装置からの光を透過して、出射側に結像させて映像を空間に表示させる空間浮遊映像表示光学シートと、を備え、
   前記映像源装置は、
   導光板を有する光源装置と、
   前記導光板の出光側に配置される液晶パネルと、
   前記導光板と前記液晶パネルとの間に配置される光制御層と、を備え、
   前記光制御層は、
   台形断面を有してシート面に沿って一方向に延び、当該延びる方向とは異なる方向に所定の間隔で複数配列される光透過部、及び、隣り合う前記光透過部の間隔に形成され、前記光透過部よりも屈折率が低く、光を吸収する光吸収部を有しており、前記光透過部及び前記光吸収部の前記延びる方向は前記液晶パネルの平面視で前記導光板の導光方向に直交し、
   前記空間浮遊映像表示光学シートは、
   台形断面を有してシート面に沿って一方向に延び、当該延びる方向とは異なる方向に所定の間隔で複数配列され、全反射界面を形成する単位反射要素を具備する第一光反射シートと、
   台形断面を有してシート面に沿って一方向に延び、当該延びる方向とは異なる方向に所定の間隔で複数配列され、全反射界面を形成する単位反射要素を具備する第二光反射シートと、を備えており、
   前記第一光反射シートの前記単位反射要素が延びる方向と、前記第二光反射シートの前記単位反射要素が延びる方向と、が前記空間浮遊映像表示光学シートの平面視で交差しており、
   前記第一光反射シート及び前記第二光反射シートの少なくとも一方の前記単位反射要素は、前記台形断面の短い上底の大きさをＤ_ｒ、前記単位反射要素の厚さをＴ_ｒ、及び、前記単位反射要素の屈折率をｎとしたとき、
   ｔａｎ^−１（Ｔ_ｒ／Ｄ_ｒ）＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎ４５°／ｎ）
   なる関係を満たす、空間浮遊映像表示装置。
4. 前記光制御層の前記光透過部は前記台形断面のうち長い下底側に前記空間浮遊映像表示光学シートが配置される向きとされる、請求項３に記載の空間浮遊映像表示装置。
5. 前記単位反射要素の配列ピッチが５０μｍ以上３００μｍ以下である請求項１乃至４のいずれかに記載の空間浮遊映像表示装置。

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