JP7680830B2 - 空間浮遊映像情報表示システムおよび光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、空間浮遊映像情報表示システムおよび光源装置に関する。

空間浮遊情報表示システムとして、直接外部に向かって映像を表示する映像表示装置や、空間画像として映像を表示する表示法は既に知られている。例えば、特許文献１には、空間画像に対し入力操作を行う方法が開示されている。

特開２０１９－１２８７２２号公報

しかしながら、上述した従来技術では、空間浮遊映像情報表示システムにおいて表示される映像の品位を高める具体的な手段や、誤入力を低減する方法として、例えば空間浮遊映像の映像源となる映像表示装置の光源を含む設計の最適化については考慮されていない。

そこで、本発明は、空間浮遊情報表示システムにおいて視認性（見た目の解像度やコントラスト）が高く、映像の品位を低下させるゴースト像の発生を抑え、表示されている空間像を基にしたキー入力装置として誤入力を低減させた好適な映像を表示することが可能な技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、空間浮遊映像情報表示システムは、映像表示装置として、液晶パネルと、液晶パネルに特定の偏光方向の光を供給する光源装置と、を備えている。光源装置は、点状または面状の光源と、光源からの光の発散角を低減する光学手段を備え、映像表示装置に伝搬する反射面を有する導光体と、を備えている。導光体は、映像表示装置と対向して配置され、導光体の内部または表面には光源からの光を映像表示装置に向けて反射させる反射面が設けられ、映像表示装置に光を伝搬する。液晶パネルは、映像信号に合わせて光強度を変調する。光源装置は、光源から映像表示装置に入射する光束の発散角の一部または全部を、光源装置に設けられた反射面の形状と面粗さによって制御する。液晶パネルからの挟角な発散角を有する映像光束を再帰反射部材において反射させ、空中に空間浮遊映像を形成する。空間浮遊映像のコントラスト性能を改善するために前記光源からの光を特定方向の偏光に揃える偏光変換手段を設けても良い。更に、空間浮遊像のゴースト像発生を低減するために上述したように液晶パネルからの映像光は挟角な発散特性を持つとともに液晶パネルと再帰反射部材の間に不要な光を遮光する遮光部材を設けることでゴーストの発生を軽減する。

また、表示画面の一部に空間浮遊映像にアクセスする使用者が空間浮遊映像情報表示システムに対して正しい位置で操作でき、誤入力が少なくなるように識別映像を加えて表示する。

本発明によれば、好適に空間浮遊映像情報を表示することができ、誤入力が少ないセンシング機能を有する空間浮遊情報表示システムを実現できる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施の形態に係る空間浮遊映像情報表示システムの使用形態の一例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る空間浮遊映像情報表示システムの主要部構成と再帰反射部構成の一例を示す図である。 空間浮遊映像情報表示システムの課題を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る空間浮遊映像情報表示システムの主要部構成の他の例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る空間浮遊映像情報表示システムのゴースト像発生を低減する遮光部材の例を示す図である。 本発明の一実施の形態に係る空間浮遊映像情報表示システムのゴースト像発生を低減する遮光部材の他の例を示す図である。 空間浮遊映像情報表示システムで用いる誤入力防止のための表示方法を説明するための説明図である。 空間浮遊映像情報表示システムで用いる誤入力防止のための表示システム構造を説明するための説明図である。 映像表示装置の光源拡散特性を説明するための説明図である。 映像表示装置の光源拡散特性を説明するための説明図である。 映像表示装置の具体的な構成の一例を示す図である。 光源装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。 光源装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係る空間浮遊映像情報表示システムの主要部を示す配置図である。 本発明の一実施の形態に係る空間浮遊映像情報表示システムを構成する映像表示装置の構成を示す断面図である。 光源装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。 光源装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。 光源装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。 映像表示装置の拡散特性を説明するための説明図である。 映像表示装置の拡散特性を説明するための説明図である。 本発明の一実施の形態に係る空間浮遊映像情報表示システムを構成する映像表示装置の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態の説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものには、同一の符号を付与し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

以下の実施の形態は、例えば、大面積な映像発光源からの映像光による映像を、ショーウィンドーのガラス等の空間を仕切る透明な部材を介して透過して、店舗（空間）の内部または外部に空間浮遊映像として表示することが可能な情報表示システムに関する。また、かかる情報表示システムを複数用いて構成される大規模なデジタルサイネージシステムに関する。

以下の実施の形態によれば、例えば、ショーウィンドーのガラス面や光透過性の板材上に高解像度な映像情報を空間浮遊した状態で表示可能となる。この時、出射する映像光の発散角を小さく、すなわち鋭角とし、さらに特定の偏波に揃えることで、再帰反射部材に対して正規の反射光だけを効率良く反射させるため、光の利用効率が高く、従来の再帰反射方式での課題となっていた主空間浮遊像の他に発生するゴースト像を抑えることができ、鮮明な空間浮遊映像を得ることができる。また本実施の形態の光源を含む装置により、消費電力を大幅に低減することが可能な、新規で利用性に優れた空間浮遊映像情報表示システムを提供することができる。また、例えば、車両のフロントガラスやリアガラスやサイドガラスを含むシールドガラスを介して、車両外部において視認可能である、いわゆる、一方向性の空間浮遊映像表示が可能な車両用浮遊映像情報表示システムを提供することができる。

一方、従来の空間浮遊映像情報表示システムでは、高解像度なカラー表示映像源として有機ＥＬパネルや液晶パネルを再帰反射部材と組合せたものが用いられる。従来技術による空間浮遊映像表示装置では、映像光が広角で拡散する。また、再帰反射部材が６面体である。このため、正規に反射する反射光の他に、図２（Ｃ）に示すように再帰反射部材２aに斜めから入射する映像光よってゴースト像が発生し、空間浮遊映像の画質を損ねていた。従来技術として示した再帰反射部材は６面体であるため、図３に示すように正規な空間浮遊映像（正規像）Ｒ１の他に第１ゴースト像Ｇ１からから第６ゴースト像Ｇ６まで複数のゴースト像が発生する。このため、監視者以外にも空間浮遊映像と同じゴースト像が監視されてしまい、セキュリティ上大きな課題があった。

また、選択する空間浮遊像と観察者の目線とのずれにより、観察者が選択したキーと異なるキーが選択される誤入力が発生するという空間浮遊映像情報表示システム特有の課題が明らかになった。

＜空間浮遊映像情報表示システム１＞
図１は、本発明の一実施の形態に係る空間浮遊映像情報表示システムの使用形態の一例を示す図である。図１（Ａ）は、本実施の形態に係る空間浮遊映像情報表示システムの全体構成を示す図である。例えば、店舗等においては、ガラス等の透光性の部材であるショーウィンドー「ウィンドガラス」とも言う）１０５により空間が仕切られている。本実施の形態の空間浮遊情報表示システムによれば、かかる透明な部材を透過して、浮遊映像を店舗（空間）の外部に対して一方向に表示することが可能である。具体的には、映像表示装置１から挟角な指向特性でかつ特定偏波の光が、映像光束として出射し、再帰反射部材２に一旦入射し、再帰反射してウィンドガラス１０５を透過して、店舗の外側に、実像である空間像３（空間浮遊像３）を形成する。図１では、ウィンドガラス１０５の内側（店舗内）を奥行方向にしてその外側（例えば、歩道）が手前になるように示している。他方、ウィンドガラス１０５に特定偏波を反射する手段を設けることで反射させ、店内の所望の位置に空間像を形成することもできる。

図１（Ｂ）は、上述した映像表示装置１の構成を示すブロック図である。映像表示装置１は、空間像の原画像を表示する映像表示部と、入力された映像をパネルの解像度に合わせて変換する映像制御部と、映像信号を受信する映像信号受信部とを含んでいる。映像信号受信部は、ＨＤＭＩ（Ｈｉｇｈ－Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）入力など有線での入力信号への対応と、Ｗｉ－Ｆｉ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｆｉｄｅｌｉｔｙ）などの無線入力信号への対応を行い、映像受信・表示装置として単独で機能するものでもあり、タブレット、スマートフォンなどからの映像情報を表示することもできる。更にステックＰＣなどを接続すれば、計算処理や映像解析処理などの能力を持たせることもできる。

図２は、本発明の一実施の形態に係る空間浮遊映像情報表示システムの主要部構成と再帰反射部構成の一例を示す図である。図２を用いて、空間浮遊映像情報表示システムの構成をより具体的に説明する。図２（Ａ）に示すように、ガラス等の透明な部材１００の斜め方向には、特定偏波の映像光を挟角に発散させる映像表示装置１を備える。映像表示装置１は、液晶表示パネル（映像表示素子、液晶パネル）１１と挟角な拡散特性を有する特定偏波の光を生成する光源装置１３とを備えている。

映像表示装置１からの特定偏波の映像光は、透明な部材１００に設けた特定偏波の映像光を選択的に反射する膜を有する偏光分離部材１０１（図中は偏光分離部材１０１をシート状に形成して透明な部材１００に粘着している）で反射され、再帰反射部材２に入射する。再帰反射部材２の映像光入射面には、λ／４板２ｂが設けられている。映像光は、再帰反射部材２への入射のときと出射のときの２回、λ／４板２ｂを通過させられることで、特定偏波から他方の偏波へ偏光変換される。ここで、特定偏波の映像光を選択的に反射する偏光分離部材１０１は偏光変換された他方の偏波の偏光は透過する性質を有するので、偏光変換後の特定偏波の映像光は、偏光分離部材１０１を透過する。偏光分離部材１０１を透過した映像光が、透明な部材１００の外側に実像である空間浮遊映像３を形成する。

なお、空中浮遊像３を形成する光は、再帰反射部材２から空中浮遊像３の光学像へ収束する光線の集合であり、これらの光線は、空中浮遊像３の光学像を通過後も直進する。よって、空中浮遊像３は、一般的なプロジェクタなどでスクリーン上に形成される拡散映像光とは異なり、高い指向性を有する映像である。よって、図２の構成では、矢印Ａの方向からユーザが視認する場合、空中浮遊像３は明るい映像として視認される。一方、矢印Ｂの方向から他の人物が視認する場合、空中浮遊像３は映像として一切視認することはできない。この特性は、高いセキュリティが求められる映像や、ユーザに正対する人物には秘匿したい秘匿性の高い映像を表示するシステムに採用する場合非常に好適である。

なお、再帰反射部材２の性能によっては、反射後の映像光の偏光軸が不揃いになることがある。この場合、偏光軸が不揃いになった一部の映像光は、上述した偏光分離部材１０１で反射され映像表示装置１に戻る。この光が、映像表示装置１を構成する液晶表示パネル１１の映像表示面で再反射し、ゴースト像を発生させ空間浮遊像の画質を低下させる可能性がある。そこで、本実施の形態では映像表示装置１の映像表示面に吸収型偏光板１２を設ける。映像表示装置１から出射する映像光は吸収型偏光板１２を透過させ、偏光分離部材１０１から戻ってくる反射光は吸収型偏光板１２で吸収させることで、上記再反射を抑制できる。これにより、空間浮遊像のゴースト像による画質低下を防止することができる。

上述した偏光分離部材１０１は、例えば反射型偏光板や特定偏波を反射させる金属多層膜などで形成すればよい。

次に、図２（Ｂ）に代表的な再帰反射部材２として、今回の検討に用いた日本カ－バイト工業株式会社製の再帰反射部材の表面形状を示す。規則的に配列された６角柱の内部に入射した光線は、６角柱の壁面と底面で反射され再帰反射光として入射光に対応した方向に出射して図３に示す正規像Ｒ１を形成する。一方、図２の（Ｃ）に示したように映像表示装置１からの映像光の内で再帰反射部材に斜めに入射した映像光によっては正規像Ｒ１とは別にゴースト像（図３中のＧ１からＧ６）が形成される。

本発明の映像表示装置１に表示した映像に基づき実像である空間浮遊映像を表示する。
この空間浮遊像の解像度は液晶表示パネル１１の解像度の他に、図２（Ｂ）で示す再帰反射部材２の再帰反射部の直径ＤとピッチＰに大きく依存する。例えば、７インチのＷＵＸＧＡ（１９２０×１２００画素）液晶表示パネルを用いる場合には、１画素（１トリプレット）が約８０μｍであっても、例えば再帰反射部の直径Ｄが２４０μｍでピッチが３００μｍであれば空間浮遊像の１画素は３００μｍ相当となる。このため、空間浮遊映像の実効的な解像度は１／３程度に低下する。そこで、空間浮遊映像の解像度を映像表示装置１の解像度と同等にするためには、再帰反射部の直径とピッチを液晶表示パネルの１画素に近づけることが望まれる。他方、再帰反射部材と液晶表示パネルの画素によるモアレの発生を抑えるため、それぞれのピッチ比を１画素の整数倍から外して設計すると良い。また形状は再帰反射部材のいずれの一辺も液晶表示パネルの１画素のいずれの一辺と重ならないように配置すると良い。

一方、再帰反射部材を低価格で製造するためには、ロールプレス法を用いて成形すると良い。具体的には再帰部を整列させフィルム上に賦形する方法であり、賦形する形状の逆形状をロール表面に形成し、固定用のベース材の上に紫外線硬化樹脂を塗布しロール間を通過させることで、必要な形状を賦形し紫外線を照射して硬化させ、所望形状の再帰反射部材２を得る。

本発明の映像表示装置１は、液晶表示パネル１１と後述詳細に説明する挟角な拡散特性を有する特定偏波の光を生成する光源装置１３により上述した再帰反射部材２に対して斜めから映像が入射する可能性が小さくゴーストの発生と発生しても輝度が低いという構造的に優れたシステムとなる。

＜空間浮遊映像情報表示システム２＞
図４は、本発明の一実施の形態に係る空間浮遊映像情報表示システムの主要部構成の他の例を示す図である。映像表示装置１は、映像表示素子１１としての液晶表示パネル１１と、挟角な拡散特性を有する特定偏波の光を生成する光源装置１３とを備えて構成される。液晶表示パネル１１は、画面サイズが５インチ程度の小型のものから、８０インチを超える大型な液晶表示パネルで構成される。例えば反射型偏光板のような偏光分離部材１０１で液晶表示パネルからの映像光を再帰反射部材２に向けて反射させる。

再帰反射部材２の光入射面にはλ／４板２ｂを設け、映像光を２度通過させることで偏光変換し特定偏波を他方の偏波に変換することで、偏光分離部材１０１を透過させ、透明な部材１００の外側に実像である空間浮遊映像３を表示する。透明な部材１００の外光入射面には吸収型の偏光板を設ける。上述した偏光分離部材１０１では、再帰反射することで偏光軸が不揃いになるため、一部の映像光は反射し映像表示装置１に戻る。この光が再度映像表示装置１を構成する液晶表示パネル１１の映像表示面で反射し、ゴースト像を発生させ空間浮遊像の画質を著しく低下させる。そこで本実施の形態では、映像表示装置１の映像表示面に吸収型偏光板１２を設け、映像光は透過させ、上述した反射光を吸収させることで空間浮遊像のゴースト像による画質低下を防止する。更に、セット外部の太陽光や照明光による画質低下を軽減するため、透明部材のウィンドガラス１０５の表面に吸収型偏光板１２を設けると良い。偏光分離部材１０１としては、例えば、反射型偏光板や特定偏波を反射させる金属多層膜で構成される。

図４における図２に示した例との違いは、偏光分離部材１０１と液晶表示パネル１１の間に、空間浮遊像を形成する正規映像光以外の斜め映像光を遮光する遮光部材２４及び２３が併設されていることである。また、図４では、再帰反射部２と偏光分離部材１０１の間にも、正規映像光以外の斜め映像光を遮光する遮光部材２２が設けられ、ゴースト像を発生させる斜め光を遮光している。この結果、ゴースト像の発生を抑えることができる。

発明者らは、実験により、液晶パネル１１と偏光分離部材１０１の空間に遮光部材２４と遮光部材２３を併設してすることで遮光の効果を高められることを確認した。この実験では、遮光部材２３及び２４の内径は、空間浮遊映像を形成する正規映像光束が通過する領域に対して面積で１１０％とすることで、部品精度を機械公差の範囲で作成し組み立てることができる。更に、ゴースト像発生をさらに軽減するには、前述の遮光部材の正規映像光束が通過する領域に対して１０４％以下とすれば、ゴースト像の発生を実用上問題のないレベルに抑えることができた。一方、再帰反射部材２と偏光分離部材１０１の間に設けた遮光部材２２は、遮光部材２２と再帰反射部材２２の距離Ｌ１が、再帰反射部材２２と偏光分離部材１０１の距離に対して５０％以下となる位置に設置されれば、ゴースト像の発生を更に軽減できる。また、遮光部材２２は、遮光部材２２と再帰反射部材２２の距離Ｌ１が、再帰反射部材２２と偏光分離部材１０１の距離に対して３０％以下となる位置に設置されれば、目視では実用上問題のないレベルまでゴースト像の発生を軽減できた。遮光部材２２と遮光部材２３及び遮光部材２４を併設することで更にゴーストレベルを軽減できた。

図５は、本発明の一実施の形態に係る空間浮遊映像情報表示システムのゴースト像発生を低減する遮光部材の例を示す図である。図５（Ａ）は、上述した遮光部材の実施の形態の断面形状を示している。図５（Ｂ）は、上述した遮光部材の実施の形態の平面形状を示しており、空間浮遊映像を形成する正規映像光束が通過する領域２７に対する遮光部材２５の有効面積が示されている。図５（Ｂ）の例では、遮光部材外枠２５ａに対して、正規映像光束が通過する領域２７が小さく設定されている。

図６は、本発明の一実施の形態に係る空間浮遊映像情報表示システムのゴースト像発生を低減する遮光部材の他の例を示す図である。図６（Ａ）は、遮光部材の他の実施の形態の断面形状を示している。図６（Ｂ）は、遮光部材の他の実施の形態の平面形状を示しており、空間浮遊映像を形成する正規映像光束が通過する領域２７に対する遮光部材２６の有効面積をほぼ同サイズとした構成が示されている。図６の例では、遮光部材外枠２６ａの内側に向かって梁２６ｂが設けられている。これにより、ゴースト像を形成する異常光を梁２６ｂの表面で複数回反射させることで異常光をさらに吸収させることが可能となっている。遮光部材外枠２６ａに対して正規映像光束が通過する領域２７を小さくし、梁２６ｂの内接する面と同等の面積としている。

他方、再帰反射部材２の形状を映像表示装置１と正対した平面形状から曲率半径２００ｍｍ以上の凹面又は凸面として、再帰反射部材２で反射した斜め映像光によりゴースト像が発生しても、反射後に発生したゴースト像を監視者の視界から離してしまうことで、監視できないようにしても良い。この曲率半径を１００ｍｍ以下にすると、再帰反射部２の周辺で反射した光の内、正規で反射した光量が低下し、得られる空間浮遊映像の周辺光量が低下するという新たな課題が発生する。このため、ゴースト像を実用上問題のないレベルに軽減するためには、上述した技術手段を選択して適用するか、これらを併用すると良い。

＜空間浮遊映像情報表示システムの映像表示方法＞
図７は、空間浮遊映像情報表示システムで用いる誤入力防止のための表示方法を説明するための説明図である。図７（Ａ）は、空間浮遊映像情報表示システムの表示の例を示す図である。上述したように映像表示装置１を構成する映像表示素子１１は、液晶表示パネル（実施の形態では液晶パネル）１１と挟角な拡散特性を有する特定偏波の光を生成する光源装置１３を備え、画面サイズが５インチ程度の小型のものから、８０インチを超える大型な液晶表示パネルで構成することもできる。例えば反射型偏光板のような偏光分離部材１０１で、液晶表示パネルからの映像光を再帰反射部２に向けて反射させる。空間浮遊映像３は高い指向性を有する光線により形成されるので、（Ｂ）で示した監視方向から視認する場合には、空中浮遊像３は明るい映像として視認されるが、監視者が空間浮遊映像情報システムに対して正しい位置で操作し、監視者の目線がＭＬにある場合には、図７（Ａ）に示すように、監視者は、空間浮遊像３を全て認識できる。

一方、発明者らは、挟角な拡散特性を有する光源装置１３と映像表示素子１１とを組み合わせ、監視者の目の位置が最適な位置にない場合、例えば監視者が図７（Ｂ）に示した目線ＵＬに沿って視認するには空中浮遊像３の下部の映像は視認しにくいことが判った。このことを反対の視点から考察すれば、監視者以外に空間浮遊映像３を覗き込まれる危険性が少なく、セキュリティの確保には有効であった。

他方、発明者は、最適な監視位置で容易に空間浮遊像にタッチできる方式について検討した。本実施の形態に示す空間浮遊映像情報表示システムにおいては、図７（Ｂ）に示すように、空間浮遊映像情報表示システムの本体５０の一部に監視者の立ち位置の良否を判断するカメラユニット５５が設けられる。カメラユニット５５により、監視者の顔の位置と向き必要に応じては瞳位置が判定され、図７（Ａ）に示す空間浮遊映像のキー映像外側４辺に配置された最適監視位置表示部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄの点灯状態を変化させることで、監視者（使用者）を最適位置ＭＬに誘導すれば良いことが判った。例えば、監視者が最適位置より下方において空間浮遊映像を監視した場合には、最適監視位置表示部３ａを不点灯にするなどして４辺の表示部分の点灯状態を切り換えることにより、監視者（使用者）に最適位置ＭＬに誘導可能である。また、上述したカメラユニット５５からの外部（外界）の明るさ情報により、表示映像の輝度を自動調整することで空間浮遊映像情報システムの消費電力軽減や視認性向上を実現することも可能である。

更に、監視者が空間浮遊映像情報表示システムを使用する場合に、映像が浮遊する位置を判別しにくいという新たな課題が判明した。これを解決するために、発明者らは、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように浮遊映像が表示される位置に、位置認識のための例えば透明な構造部材６０を設けることで、監視者が空間浮遊映像の３次元空間における表示位置が判別し易くなることが判った。そこで、図８では、空間浮遊映像に対して、例えば監視者の指などの対象物とセンサ５６の距離や位置との関係をセンシングするように、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｙ）機能を有するセンサ５６が、空間浮遊映像の下部に配置されている。センサ５６は、対象物の平面方向の座標の他に、対象物の移動方向、移動速度も感知することが可能である。２次元の距離と位置を読み取るため、センサ５６は、赤外線発光部と受光部との組み合わせが直線的に複数配置された構成となっており、赤外線発光部からの光を対象物に照射し反射した光を受光部で受光する。発光した時刻と受光した時刻との時間差を光速と乗算することで、対象物との距離が明確になる。また、平面上の座標は複数の赤外線発光部と受光部で、発光時刻と受光時刻との時間差が最も小さい部分での座標から読み取ることができる。以上により、平面（２次元）での対象物の座標と、前述したセンサを複数組み合わせることで３次元の座標情報を得ることもできる。

発明者らは、空間浮遊映像をより明確に視認できる表示方法についても検討した。その結果、図７に示したように、映像光が出射する窓部となっている透明な部材１００の外側にある本体５０の外枠５０aに、空間浮遊映像の一部が掛かる様にすればよく、浮遊量をより大きく見せるためには浮遊映像の下端が本体の外枠５０aに掛かる様に光学システム全体のレイアウトを設計すればよいことが判った。

＜空間浮遊映像情報表示システムの拡散特性の最適化＞
大型の液晶表示パネルを使用する場合には、画面中央を監視者が正対した場合に、画面周辺の光が監視者の方向に向かうように液晶表示パネルを内側に向けることで、画面明るさの全面性が向上する。図９は、監視者のパネルからの監視距離Ｌと、パネルサイズ（画面比１６：１０）とをパラメータとしたときのパネル長辺とパネル短辺の収斂角度とを一覧にしたグラフである。画面を縦長として監視する場合には、短辺に合わせて収斂角度を設定すればよく、例えば２２“パネルを縦長で用い、監視距離が０．８ｍの場合には、収斂角度を１０度とすれば画面４コーナからの映像光を有効に監視者に向けることができる。

同様に、１５“パネルを縦長で用い、監視距離が０．８ｍの場合には、収斂角度を７度とすれば画面４コーナからの映像光を有効に監視者に向けることができる。このように、液晶表示パネルのサイズ及び縦長で用いるか横長で用いるかによって画面周辺の映像光を、画面中央を監視するのに最適な位置にいる監視者に向けることで画面明るさの全面性を向上できる。

次に、上述したように、画面中央を監視者が正対した場合に画面周辺の光が監視者の方向に向かうように液晶表示パネルが内側に向けられている。さらに、成人の両目の間隔の平均値６５ｍｍとした場合に、左目と右目の視差で生じる空間浮遊映像の画面水平方向の輝度差について、監視距離をパラメータとして求めた。その結果が、図１０に示されている。通常使用における最短監視距離を０．８ｍとした場合、視差による明るさの違いは監視角度の差（５度）と図９に示した長辺側の収斂角度（７度）の合計の１２度において、相対輝度が５０％以下とならないような特性を有する光源装置が用いられれば良い。

また空間浮遊映像情報装置の短辺方向については、監視者の視線をずらすことで対応できるため、より条件が厳しい長辺方向の視差による輝度差を考慮すれば画面明るさの全面性が向上する。

＜反射型偏光板＞
本実施の形態のグリッド構造の反射型偏光板は、偏光軸に対して垂直方向からの光についての特性は低下する。このため、反射型偏光板は、偏光軸に沿った仕様が望ましく、液晶表示パネルからの出射映像光を挟角で出射可能な本実施の形態の光源が理想的な光源となる。また、水平方向の特性も同様に斜めからの光については特性低下がある。以上の特性を考慮して、液晶表示パネルからの出射映像光をより挟角に出射可能な光源を液晶表示パネルのバックライトとして使用する、本実施の形態の構成例について以下で説明する。これにより、高コントラストな空間浮遊映像が提供可能となる。

＜映像表示装置＞
次に、本実施の形態の映像表示装置１について図を用いて説明する。本実施の形態の映像表示装置は映像表示素子１１（液晶表示パネル）と共に、その光源を構成する光源装置１３を備えており、図１１では、光源装置１３を液晶表示パネルと共に展開斜視図として示している。

この液晶表示パネル（映像表示素子１１）は、図１１に矢印３０で示すように、バックライト装置である光源装置１３からの光により挟角な拡散特性を有する、すなわち、指向性（直進性）が強く、かつ、偏光面を一方向に揃えたレーザ光に似た特性の照明光束を得て、入力される映像信号に応じて変調をかけた映像光を、再帰反射部材２により反射しウィンドガラス１０５を透過して空間浮遊映像を実像として形成する（図１を参照）。また、図１１の映像表示装置１は、液晶表示パネル１１と、更に、光源装置１３からの出射光束の指向特性を制御する光方向変換パネル５４、および、必要に応じて挟角拡散板（図示せず）を備えて構成されている。すなわち、液晶表示パネル１１の両面には偏光板が設けられ、特定の偏波の映像光が映像信号により光の強度を変調して出射される（図１１の矢印３０を参照）。これにより、所望の映像を指向性（直進性）の高い特定偏波の光として、光方向変換パネル５４を介して、再帰反射部材２に向けて投写し、再帰反射部材２で反射後、店舗（空間）の外部の監視者の眼に向けて透過して空間浮遊像３を形成する。なお、上述した光方向変換パネル５４の表面には、保護カバー２５０（図１２、図１３を参照）を設けてよい。

本実施の形態では、光源装置１３からの出射光束３０の利用効率を向上させ、消費電力を大幅に低減するために、光源装置１３と液晶表示パネル１１を含んで構成される映像表示装置１において、光源装置１３からの光（図１１の矢印３０を参照）を、再帰反射部材２に向けて投写し、再帰反射部材２で反射後、ウィンドガラス１０５の表面に設けた透明シート（図示せず）により、浮遊映像を所望の位置に形成するよう指向性を制御することもできる。具体的には、この透明シートは、フレネルレンズやリニアフレネルレンズ等の光学部品によって高い指向性を付与したまま浮遊映像の結像位置を制御することができる。この構成によれば、映像表示装置１からの映像光は、レーザ光のようにショーウィンドー１０５の外側（例えば、歩道）にいる観察者に対して高い指向性（直進性）で効率良く届くこととなり、その結果、高品位な浮遊映像を高解像度で表示すると共に、光源装置１３のＬＥＤ素子２０１を含む映像表示装置１による消費電力を著しく低減することが可能となる。

＜映像表示装置の例１＞
図１１は、映像表示装置１の具体的な構成の一例を示す図である。図１２は、光源装置の具体的な構成の一例を示す断面図である。図１２に示すように、図１１の光源装置１３の上には、液晶表示パネル１１と光方向変換パネル５４とが配置されている。光源装置１３は、図１１に示したケース上に、例えば、プラスチックなどにより形成され、その内部にＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）素子２０１、導光体２０３を収納して構成されている。導光体２０３の端面は、図１２等にも示すように、それぞれのＬＥＤ素子２０１からの発散光を略平行光束に変換するために、受光部に対して対面に向かって徐々に断面積が大きくなり、内部を伝搬する際に複数回全反射することで発散角が徐々に小さくなるような作用を有するレンズ形状となっている。その上面には、映像表示装置１を構成する液晶表示パネル１１が取り付けられている。また、光源装置１３のケースのひとつの側面（本例では左側の端面）には、半導体光源であるＬＥＤ素子２０１や、ＬＥＤ素子２０１の制御回路を実装したＬＥＤ基板２０２が取り付けられている。なお、ＬＥＤ基板２０２の外側面には、ＬＥＤ素子および制御回路で発生する熱を冷却するための部材であるヒートシンクが取り付けられてもよい。

また、光源装置１３のケースの上面に取り付けられる液晶表示パネルのフレーム（図示せず）には、当該フレームに取り付けられた液晶表示パネル１１、当該液晶表示パネルに電気的に接続されたＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ：フレキシブル配線基板）（図示せず）などが取り付けられる。すなわち、液晶表示素子である液晶表示パネル１１は、固体光源であるＬＥＤ素子２０１と共に、電子装置を構成する制御回路（図示せず）からの制御信号に基づいて、透過光の強度を変調することによって表示映像を生成する。このとき生成される映像光が拡散角度が狭く特定の偏波成分のみとなるため、映像信号により駆動された面発光レーザ映像源に近い、従来にない新しい映像表示装置が得られることとなる。なお、現状では、レーザ装置により、上述した映像表示装置１で得られる画像と同等のサイズのレーザ光束を得ることは、技術的にも安全上からも不可能である。そこで、本実施の形態では、例えば、ＬＥＤ素子を備えた一般的な光源からの光束から、上述した面発光レーザ映像光に近い光を得る。

続いて、光源装置１３のケース内に収納されている光学系の構成について、図１２と共に、図１３を参照しながら詳細に説明する。図１２および図１３は断面図であるため、光源を構成する複数のＬＥＤ素子２０１が１つだけ示されている、この光学系では、導光体２０３の受光端面２０３ａの形状により入射光が略コリメート光に変換される。このため導光体端面の受光部とＬＥＤ素子は所定の位置関係を保って取り付けられている。なお、この導光体２０３は、各々、例えば、アクリル等の透光性の樹脂により形成されている。そして、この導光体端部のＬＥＤ受光面は、例えば、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面を有し、その頂部では、その中央部に凸部（すなわち、凸レンズ面）を形成した凹部を有し、その平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でも良い）を有するものである（図示せず）。なお、ＬＥＤ素子２０１を取り付ける導光体の受光部外形は、円錐形状の外周面を形成する放物面形状であり、ＬＥＤ素子２０１から周辺方向に出射する光を導光体の内部で全反射することが可能な角度となるよう、反射面および放物面の角度が設定されている。

他方、ＬＥＤ素子２０１は、その回路基板である、ＬＥＤ基板２０２の表面上の所定の位置にそれぞれ配置されている。このＬＥＤ基板２０２は、ＬＥＤコリメータ（受光端面２０３ａ）に対して、その表面上のＬＥＤ素子２０１が、それぞれ、前述した凹部の中央部に位置するように配置されて固定される。

かかる構成によれば、導光体２０３の受光端面２０３ａの形状によって、ＬＥＤ素子２０１から放射される光は略平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上させることが可能となる。

以上述べたように、光源装置１３は、導光体２０３の端面に設けた受光部である受光端面２０３ａに光源であるＬＥＤ素子２０１を複数並べた光源ユニットを取り付けて構成され、ＬＥＤ素子２０１からの発散光束を導光体端面の受光端面２０３ａのレンズ形状によって略平行光として、矢印で示すように、導光体２０３内部を導光し（図面に平行な方向）、光束方向変換手段２０４によって、導光体に対して略平行に配置された液晶表示パネル１１に向かって（図面から手前に垂直な方向）出射する。導光体内部または表面の形状によってこの光束方向変換手段の分布（密度）を最適化することで、液晶表示パネル１１に入射する光束の均一性を制御することができる。上述した光束方向変換手段２０４は導光体表面の形状や導光体内部に例えば屈折率の異なる部分を設けることで、導光体内を伝搬した光束を、導光体に対して略平行に配置された液晶表示パネル１１に向かって（図面から手前に垂直な方向）出射する。この時、液晶表示パネル１１を画面中央に正対し画面対角寸法と同じ位置に視点を置いた状態で画面中央と画面周辺部の輝度を比較した場合の相対輝度比が２０％以上あれば実用上問題なく、３０％を超えていれば更に優れた特性となる。

なお、図１２は上述した導光体２０３とＬＥＤ素子２０１を含む光源装置１３において、偏光変換する本実施の形態の光源の構成とその作用を説明するための断面配置図である。図１２において、光源装置１３は、例えば、プラスチックなどにより形成される表面または内部に光束方向変換手段２０４を設けた導光体２０３、光源としてのＬＥＤ素子２０１、反射シート２０５、反射型偏光板２０６、レンチキュラーレンズなどから構成されている。光源装置１３の上面には、光源光入射面と映像光出射面に偏光板を備える液晶表示パネル１１が取り付けられている。

また、光源装置１３に対応した液晶表示パネル１１の光源光入射面（図の下面）には、フィルムまたはシート状の反射型偏光板４９が設けられている。反射型偏光板４９は、ＬＥＤ素子２０１から出射した自然光束２１０のうち片側の偏波（例えばＰ波）ＷＡＶ２を選択的に反射させ、導光体２０３の一方（図の下方）の面に設けた反射シート２０５で反射して、再度、液晶表示パネル５２に向かうようにする。そこで、反射シート２０５と導光体２０３の間もしくは導光体２０３と反射型偏光板４９の間に位相差板（λ／４板）を設けて反射シート２０５で反射させ、２回通過させることで反射光束をＰ偏光からＳ偏光に変換し、映像光としての光源光の利用効率を向上させている。液晶表示パネル１１で映像信号により光強度を変調された映像光束は（図１２の矢印２１３）、再帰反射部材２に入射して、図１に示したように、反射後にウィンドガラス１０５を透過して店舗（空間）の内部または外部に実像である空間浮遊像を得ることができる。

図１３は、図１２と同様に、導光体２０３とＬＥＤ素子２０１を含む光源装置１３において、偏光変換する本実施の形態の光源の構成と作用を説明するための断面配置図である。図１３の光源装置１３も、同様に、例えばプラスチックなどにより形成される表面または内部に光束方向変換手段２０４を設けた導光体２０３、光源としてのＬＥＤ素子２０１、反射シート２０５、反射型偏光板２０６、レンチキュラーレンズなどから構成されている。光源装置１３の上面には、映像表示素子として、光源光入射面と映像光出射面に偏光板を備える液晶表示パネル１１が取り付けられている。

また、光源装置１３に対応した液晶表示パネル１１の光源光入射面（図の下面）には、フィルムまたはシート状の反射型偏光板４９を設けられている。ＬＥＤ素子２０１から出射した自然光束２１０うち片側の偏波（例えばＳ波）ＷＡＶ１は、反射型偏光板４９で選択的に反射され、導光体２０３の一方（図の下方）の面に設けられた反射シート２０５で反射され、再度液晶表示パネル１１に向かう。反射シート２０５と導光体２０３との間、あるいは導光体２０３と反射型偏光板４９との間に位相差板（λ／４板）が設けられ、ＬＥＤ素子２０１から出射した自然光束２１０うち片側の偏波を、反射シート２０５で反射させ、２回通過させることで、反射光束をＳ偏光からＰ偏光に変換する。これにより、映像光として光源光の利用効率を向上させることができる。液晶表示パネル１１で映像信号により光強度変調された映像光束は（図１３の矢印２１４）、再帰反射部材２に入射して、図１に示すように、反射後にウィンドガラス１０５を透過して店舗（空間）の内部または外部に実像である空間浮遊像を生成する。

図１２および図１３に示す光源装置においては、対応する液晶表示パネル１１の光入射面に設けた偏光板の作用の他に、反射型偏光板で片側の偏光成分を反射するため、理論上得られるコントラスト比は、反射型偏光板のクロス透過率の逆数と液晶表示パネルに付帯した２枚の偏光板により得られるクロス透過率の逆数を乗じたものとなる。これにより、高いコントラスト性能が得られる。実際には、表示画像のコントラスト性能が１０倍以上向上することを実験により確認した。この結果、自発光型の有機ＥＬに比較しても遜色ない高品位な映像が得られた。

＜映像表示装置の例２＞
図１４には、映像表示装置１の具体的な構成の他の一例を示す。図１４の光源装置１３は、図１７等の光源装置と同様である。この光源装置１３は、例えばプラスチックなどのケース内にＬＥＤ、コリメータ、合成拡散ブロック、導光体等を収納して構成されている。光源装置１３の上面には液晶表示パネル１１が取り付けられている。また、光源装置１３のケースの１つの側面には、半導体光源であるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）素子１４ａ、１４ｂや、ＬＥＤ素子の制御回路を実装したＬＥＤ基板１０２（図１６、図１７を参照）が取り付けられている。ＬＥＤ基板１０２の外側面には、ＬＥＤ素子および制御回路で発生する熱を冷却するための部材であるヒートシンク１０３が取り付けられている。

また、ケースの上面に取り付けられた液晶表示パネルフレームには、当該フレームに取り付けられた液晶表示パネル１１と、更に、液晶表示パネル１１と電気的に接続されたＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ：フレキシブル配線基板）４０３（図７参照）などが取り付けられている。すなわち、液晶表示素子である液晶表示パネル１１は、固体光源であるＬＥＤ素子１４ａ，１４ｂと共に、電子装置を構成する制御回路（ここでは図示せず）からの制御信号に基づいて、透過光の強度を変調することによって表示映像を生成する。

＜映像表示装置の例３＞
続いて、図１５を用いて映像表示装置１の具体的な構成の他の例を説明する。この映像表示装置１の光源装置は、ＬＥＤからの自然光（Ｐ偏波とＳ偏波が混在）の発散光束をＬＥＤコリメータ１８により略平行光束に変換し、略平行光束を反射型導光体３０４により液晶表示パネル１１に向け反射する。反射光は、液晶表示パネル１１と反射型導光体３０４の間に配置された波長板と反射型偏光板４９に入射する。反射型偏光板４９で特定の偏波（例えばＳ偏波）が反射され、波長板で位相が変換され反射面に戻り、再び位相差板を通過して、反射型偏光板４９を透過する偏波（例えばＰ偏波）に変換される。

この結果、ＬＥＤからの自然光は特定の偏波（例えばＰ偏波）に揃えられ、特定の偏波は、液晶表示パネル１１に入射し、映像信号に合わせて輝度変調され、パネル面に映像を表示する。図１６には、上述の例と同様に、光源を構成する複数のＬＥＤが示されている。ただし、図１６は縦断面図であるため、１個のＬＥＤのみが図示されている。これらのＬＥＤは、ＬＥＤコリメータ１８に対して所定の位置にそれぞれ取り付けられている。なお、ＬＥＤコリメータ１８は、各々、例えばアクリル等の透光性の樹脂またはガラスにより形成されている。そして、ＬＥＤコリメータ１８は、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面を有すると共に、その頂部では、その中央部に凸部（すなわち、凸レンズ面）を形成した凹部を有する。また、その平面部の中央部は、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でも良い）を有している。なお、ＬＥＤコリメータ１８の円錐形状の外周面を形成する放物面は、ＬＥＤから周辺方向に出射する光をその内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定されている。あるいは、ＬＥＤから周辺方向に出射する光をその内部で全反射することが可能な角度の範囲内となるように、反射面が形成されている。

以上の構成は、図１６、図１７等に示した映像表示装置の光源装置と同様の構成である。更に、図１６に示したＬＥＤコリメータ１５により略平行光に変換された光は、反射型導光体３０４で反射し、反射型偏光板４９の作用により特定の偏波の光を透過させ、反射した他方の偏波の光は再び反射型導光体３０４を透過して、液晶表示パネル１１と接しない導光体の他方の面に設けた反射板２７１で反射する。この時、反射板２７１と液晶表示パネル１１の間に配置した位相差板（λ／４板）２７０を２度通過することで偏光変換され、再び反射型導光体３０４を透過して、反対面に設けた反射型偏光板４９を透過して、偏光方向を揃えて液晶表示パネル１１に入射させる。この結果、光源の光を全て利用できるので光の利用効率が大幅に向上（例えば２倍）する。

液晶表示パネルからの出射光は、従来のＴＶセットでは、画面水平方向（図２０（ａ）Ｘ軸で表示）および画面垂直方向（図２０（ｂ）Ｙ軸で表示）ともに同様の拡散特性を持っていた。これに対して、本実施の形態の液晶表示パネルからの出射光束の拡散特性は、例えば図２０の例１に示すように、輝度が正面視（角度０度）の５０％になる視野角を１３度とすることで、視野角が従来の６２度に対しておよそ１／５となる。同様に、垂直方向の視野角は上下不均等として上側の視野角を下側の視野角に対して１／３程度に抑えるように反射型導光体の反射角度と反射面の面積等を最適化する。この結果、従来の液晶ＴＶに比べ監視方向に向かう映像光量が大幅に向上し、輝度は５０倍以上となる。

更に、図２０の例２に示す視野角特性とすれば、輝度が正面視（角度０度）の５０％になる視野角が５度とすることで従来の６２度に対して１／１２となる。同様に垂直方向の視野角は、上下均等として視野角を従来に対して１／１２程度に抑えるように反射型導光体の反射角度と反射面の面積等を最適化する。この結果、従来の液晶ＴＶに比べ監視方向に向かう映像光量が大幅に向上し、輝度は１００倍以上となる。以上述べたように視野角を挟角とすることで監視方向に向かう光束量を集中できるので光の利用効率が大幅に向上する。この結果、従来のＴＶ用の液晶表示パネルを使用しても、光源装置の光拡散特性を制御することで同様な消費電力で大幅な輝度向上が実現可能で、屋外に向けての情報表示システムに対応した映像表示装置とすることができる。

基本構成としては、図１５に示すように、光源装置により挟角な指向特性の光束を液晶表示パネル１１に入射させ、映像信号に合わせて輝度変調することで、液晶表示パネル１１の画面上に表示した映像情報を、再帰反射部材で反射させ得られた空間浮遊映像を、ウィンドガラス１０５を介して室外または室内に表示する。

＜光源装置の例１＞
続いて、ケース内に収納されている光源装置等の光学系の構成について、図１６と共に、図１７（ａ）および（ｂ）を参照しながら、詳細に説明する。

図１６および図１７には、光源を構成するＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂが示されており、これらはＬＥＤコリメータ１５に対して所定の位置に取り付けられている。なお、このＬＥＤコリメータ１５は、各々、例えばアクリル等の透光性の樹脂により形成されている。そして、このＬＥＤコリメータ１５は、図１７（ｂ）にも示すように、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面１５６を有すると共に、その頂部では、その中央部に凸部（すなわち、凸レンズ面）１５７を形成した凹部１５３を有する。また、その平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でも良い）１５４を有している。なお、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面１５６を形成する放物面は、ＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂから周辺方向に出射する光をその内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。

また、ＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂは、その回路基板である、ＬＥＤ基板１０２の表面上の所定の位置にそれぞれ配置されている。このＬＥＤ基板１０２は、ＬＥＤコリメータ１５に対して、その表面上のＬＥＤ素子１４ａまたは１４ｂが、それぞれ、その凹部１５３の中央部に位置するように配置されて固定される。

かかる構成によれば、上述したＬＥＤコリメータ１５によって、ＬＥＤ素子１４ａまたは１４ｂから放射される光のうち、特に、その中央部分から上方（図の右方向）に向かって放射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の外形を形成する２つの凸レンズ面１５７、１５４により集光されて平行光となる。また、その他の部分から周辺方向に向かって出射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面を形成する放物面によって反射され、同様に、集光されて平行光となる。換言すれば、その中央部に凸レンズを構成すると共に、その周辺部に放物面を形成したＬＥＤコリメータ１５によれば、ＬＥＤ素子１４ａまたは１４ｂにより発生された光のほぼ全てを平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。

なお、ＬＥＤコリメータ１５の光の出射側には偏光変換素子２１が設けられている。この偏光変換素子２１は、図１７からも明らかなように、断面が平行四辺形である柱状（以下、平行四辺形柱）の透光性部材と、断面が三角形である柱状（以下、三角形柱）の透光性部材とを組み合わせ、ＬＥＤコリメータ１５からの平行光の光軸に対して直交する面に平行に、複数、アレイ状に配列して構成されている。更に、これらアレイ状に配列された隣接する透光性部材間の界面には、交互に、偏光ビームスプリッタ（以下、「ＰＢＳ膜」と省略する）２１１と反射膜２１２とが設けられており、また、偏光変換素子２１へ入射してＰＢＳ膜２１１を透過した光が出射する出射面には、λ／２位相板２１３が備えられている。

この偏光変換素子２１の出射面には、更に、図１７（ａ）にも示す矩形状の合成拡散ブロック１６が設けられている。すなわち、ＬＥＤ素子１４ａまたは１４ｂから出射された光は、ＬＥＤコリメータ１５の働きにより平行光となって合成拡散ブロック１６へ入射し、出射側のテクスチャー１６１により拡散された後、導光体１７に到る。

導光体１７は、例えばアクリル等の透光性の樹脂により断面が略三角形（図１７（ｂ）参照）の棒状に形成された部材であり、そして、図１６からも明らかなように、合成拡散ブロック１６の出射面に第１の拡散板１８ａを介して対向する導光体光入射部（面）１７１と、斜面を形成する導光体光反射部（面）１７２と、第２の拡散板１８ｂを介して、液晶表示素子である液晶表示パネル１１と対向する導光体光出射部（面）１７３とを備えている。

この導光体１７の導光体光反射部（面）１７２には、その一部拡大図である図１７にも示すように、多数の反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが交互に鋸歯状に形成されている。そして、反射面１７２ａ（図では右上がりの線分）は、図１６において一点鎖線で示す水平面に対して角度αｎ（ｎ：自然数であり、本例では、例えば、１～１３０である）を形成しており、その一例として、ここでは、角度αｎを４３度以下（ただし、０度以上）に設定している。

導光体光入射部（面）１７１は、光源側に傾斜した湾曲の凸形状に形成されている。これによれば、合成拡散ブロック１６の出射面からの平行光は、第１の拡散板１８ａを介して拡散されて入射し、図からも明らかなように、導光体光入射部（面）１７１により上方に僅かに屈曲（偏向）しながら導光体光反射部（面）１７２に達し、ここで反射して図の上方の出射面に設けた液晶表示パネル１１に到る。

以上に詳述した映像表示装置１によれば、光利用効率やその均一な照明特性をより向上すると同時に、モジュール化されたＳ偏光波の光源装置を含め、小型かつ低コストで製造することが可能となる。なお、上記の説明では、偏光変換素子２１をＬＥＤコリメータ１５の後に取り付けるものとして説明したが、本発明はそれに限定されることなく、液晶表示パネル１１に到る光路中に設けることによっても同様の作用・効果が得られる。

なお、導光体光反射部（面）１７２には、多数の反射面１７２ａと連接面１７２ｂとが交互に鋸歯状に形成されており、照明光束は、各々の反射面１７２ａ上で全反射されて上方に向かい、更には、導光体光出射部（面）１７３には挟角拡散板を設けて略平行な拡散光束として指向特性を制御する光方向変換パネル５４に入射し、斜め方向から液晶表示パネル１１へ入射する。本実施の形態では光方向変換パネル５４を導光体光出射部１７３と液晶表示パネル１１の間に設けたが、液晶表示パネル１１の出射面に設けても、同様の効果が得られる。

＜光源装置の例２＞
光源装置１３等の光学系の構成について、他の例を図１８に示す。図１７に示した例と同様に、光源を構成する複数（本例では、２個）のＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂが示されており、これらはＬＥＤコリメータ１５に対して所定の位置に取り付けられている。なお、このＬＥＤコリメータ１５は、各々、例えばアクリル等の透光性の樹脂により形成されている。そして、図１７に示した例と同様に、このＬＥＤコリメータ１５は、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面１５６を有すると共に、その頂部では、その中央部に凸部（すなわち、凸レンズ面）１５７を形成した凹部１５３を有する。また、その平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でも良い）１５４を有している。なお、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面１５６を形成する放物面は、ＬＥＤ素子１４ａから周辺方向に出射する光をその内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。

また、ＬＥＤ素子１４ａ、１４ｂは、その回路基板である、ＬＥＤ基板１０２の表面上の所定の位置にそれぞれ配置されている。このＬＥＤ基板１０２は、ＬＥＤコリメータ１５に対して、その表面上のＬＥＤ素子１４ａまたは１４ｂが、それぞれ、その凹部１５３の中央部に位置するように配置されて固定される。

かかる構成によれば、上述したＬＥＤコリメータ１５によって、ＬＥＤ素子１４ａまたはＬＥＤ素子１４ｂから放射される光のうち、特に、その中央部分から上方（図の右方向）に向かって放射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の外形を形成する２つの凸レンズ面１５７、１５４により集光されて平行光となる。また、その他の部分から周辺方向に向かって出射される光は、ＬＥＤコリメータ１５の円錐形状の外周面を形成する放物面によって反射され、同様に、集光されて平行光となる。換言すれば、その中央部に凸レンズを構成すると共に、その周辺部に放物面を形成したＬＥＤコリメータ１５によれば、ＬＥＤ素子１４ａまたは１４ｂにより発生された光のほぼ全てを平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。

なお、ＬＥＤコリメータ１５の光の出射側には、第１の拡散板１８aを介して導光体１７０が設けられている。導光体１７０は、例えばアクリル等の透光性の樹脂により断面が略三角形（図１８（ａ）参照）の棒状に形成された部材であり、そして、図１８（ａ）からも明らかなように、合成拡散ブロック１６の出射面に第１の拡散板１８ａを介して対向する導光体１７０の入射部である導光体光入射部（面）１７１と、斜面を形成する導光体光反射部（面）１７２と、反射型偏光板２００を介して液晶表示素子である液晶表示パネル１１と対向する導光体光出射部（面）１７３とを備えている。

この反射型偏光板２００として、例えばＰ偏光を反射（Ｓ偏光は透過）させる特性を有する物を選択すれば、光源であるＬＥＤから発した自然光のうちＰ偏光は、反射型偏光板２００で反射し、図１８（ｂ）に示した導光体光反射部１７２に設けたλ／４板２０１ａを通過して反射面２０１ｂで反射し、再びλ／４板２０１ａを通過することでＳ偏光に変換される。これにより、液晶表示パネル１１に入射する光束は全てＳ偏光に統一される。

同様に、反射型偏光板２００として、例えばＳ偏光を反射（Ｐ偏光は透過）させる特性を有する物を選択すれば、光源であるＬＥＤから発した自然光のうちＳ偏光は、反射型偏光板２００で反射し、図１８（ｂ）に示した導光体光反射部１７２に設けたλ／４板２０１ａを通過して反射面２０１ｂで反射し、再びλ／４板２０１ａを通過することでＰ偏光に変換される。これにより、液晶表示パネル５２に入射する光束は全てＰ偏光に統一される。以上述べた構成でも偏光変換が実現できる。

＜光源装置の例３＞
光源装置等の光学系の構成についての他の例を、図１５を用いて説明する。第３の例では、図１５に示すようにＬＥＤ基板１０２からの自然光（Ｐ偏光とＳ偏光が混在）の発散光束をＬＥＤコリメータ１８により略平行光束に変換し、反射型導光体３０４により液晶表示パネル１１に向け反射する。反射光は液晶表示パネル１１と反射型導光体３０４の間に配置された反射型偏光板２０６に入射する。反射型偏光板２０６で特定の偏波（例えばＳ偏波）が反射され反射型導光体３０４の反射面を繋ぐ面を透過し、反射型導光体３０４の反対面に面して配置された反射板２７１で反射され位相差板（λ／４波長板）２７０を２度透過することで偏光変換され、導光体と反射型偏光板を透過して液晶表示パネル１１に入射し映像光に変調される。このとき、特定偏波と偏光変換された偏波面を合わせることで光の利用効率が通常の２倍となり、反射型偏光板の偏光度（消光比）もシステム全体の消光比に乗せられるので、本実施の形態の光源装置を用いることで、情報表示システムのコントラスト比が大幅に向上する。

この結果、ＬＥＤからの自然光は特定の偏波（例えばＰ偏波）に揃えられる。上述の例と同様に光源を構成する複数のＬＥＤが設けられており（ただし、縦断面のため図１６では１個のみ図示）、これらはＬＥＤコリメータ１８に対して所定の位置に取り付けられている。なお、このＬＥＤコリメータ１８は、各々、例えばアクリル等の透光性の樹脂またはガラスにより形成されている。そして、このＬＥＤコリメータ１８は、放物断面を回転して得られる円錐凸形状の外周面を有すると共に、その頂部では、その中央部に凸部（すなわち、凸レンズ面）を形成した凹部を有する。また、その平面部の中央部には、外側に突出した凸レンズ面（あるいは、内側に凹んだ凹レンズ面でも良い）を有している。なお、ＬＥＤコリメータ１８の円錐形状の外周面を形成する放物面は、ＬＥＤコリメータ１８から周辺方向に出射する光をその内部で全反射することが可能な角度の範囲内において設定され、あるいは、反射面が形成されている。

また、ＬＥＤは、その回路基板である、ＬＥＤ基板１０２の表面上の所定の位置にそれぞれ配置されている。このＬＥＤ基板１０２は、ＬＥＤコリメータ１８に対して、その表面上のＬＥＤが、それぞれ、その凹部の中央部に位置するように配置されて固定される。

かかる構成によれば、ＬＥＤコリメータ１８によって、ＬＥＤから放射される光のうち、特に、その中央部分から放射される光は、ＬＥＤコリメータ１８の外形を形成する２つの凸レンズ面により集光されて平行光となる。また、その他の部分から周辺方向に向かって出射される光は、ＬＥＤコリメータ１８の円錐形状の外周面を形成する放物面によって反射され、同様に、集光されて平行光となる。換言すれば、その中央部に凸レンズを構成すると共に、その周辺部に放物面を形成したＬＥＤコリメータ１８によれば、ＬＥＤにより発生した光のほぼ全てを平行光として取り出すことが可能となり、発生した光の利用効率を向上することが可能となる。

＜光源装置の例４＞
更に、光源装置等の光学系の構成についての他の例を、図２１を用いて説明する。ＬＥＤコリメータ１８の光の出射側には図面の垂直方向と水平方向（図の前後方向で図示せず）の拡散特性を変換する光学シート２０７を２枚用い、ＬＥＤコリメータ１８からの光を２枚の光学シート２０７（拡散シート）の間に入射させる。この光学シート２０７は、１枚で構成する場合には表面と裏面の微細形状で垂直と水平の拡散特性を制御する。また、拡散シートを複数枚使用して作用を分担しても良い。光学シート２０７の表面形状と裏面形状により、ＬＥＤコリメータ１８からの光の画面垂直方向の拡散角を拡散シートの反射面の垂直面の幅に合わせ、水平方向では液晶表示パネル１１から出射する光束の面密度が均一になるように、ＬＥＤの数量と光学素子５００からの発散角を設計パラメータとして最適設計すると良い。つまり、導光体の代わりに複数の拡散シートの表面形状により拡散特性を制御する。本実施の形態では、偏光変換は上述した光源装置の例３と同様の方法で行われる。これに対し、ＬＥＤコリメータ１８と光学シート２０７の間に偏光変換素子２１を設けて、偏光変換を行った後、光学シート２０７に光源光を入射させても良い。

前述した反射型偏光板２０６は、Ｓ偏光を反射（Ｐ偏光は透過）させる特性を有する物を選択すれば、光源であるＬＥＤから発した自然光のうちＳ偏光を反射し、図２５に示した位相差板２７０を通過して、反射板２７１で反射し、再び位相差板２７０を通過することでＰ偏光に変換され液晶表示パネル１１に入射する。この位相差板の厚さは位相差板への光線の入射角度により最適値を選ぶ必要があり、λ／１６からλ／４の範囲に最適値が存在する。

＜レンチキュラーレンズ＞
液晶表示パネル１１からの映像光の拡散分布を制御するためには、光源装置１３と液晶表示パネル１１の間、あるいは、液晶表示パネル１１の表面に、レンチキュラーレンズを設けてレンズ形状を最適化することで、一方向の出射特性を制御できる。更に、マイクロレンズアレイをマトリックス状に配置することで映像表示装置１からの映像光束をＸ軸およびＹ軸方向に出射特性を制御することができ、この結果所望の拡散特性を有する映像表示装置を得ることができる。

レンチキュラーレンズによる作用について説明する。レンチキュラーレンズは、レンズ形状を最適化することで、上述した映像表示装置１から出射されてウィンドガラス１０５を透過又は反射して効率良く空間浮遊像を得ることが可能となる。すなわち、映像表示装置１からの映像光に対し、２枚のレンチキュラーレンズを組み合わせ、またはマイクロレンズアレイをマトリックス状に配置して拡散特性を制御するシートを設けて、Ｘ軸およびＹ軸方向において、映像光の輝度（相対輝度）をその反射角度（垂直方向を０度）に応じて制御することができる。本実施の形態では、このようなレンチキュラーレンズにより、従来に比較し、図２０（ｂ）に示すように垂直方向の輝度特性を急峻にし、更に上下（Ｙ軸の正負方向）方向の指向特性のバランスを変化させることで反射や拡散による光の輝度（相対輝度）を高めることにより、面発光レーザ映像源からの映像光のように、拡散角度が狭く（高い直進性）かつ特定の偏波成分のみの映像光とし、従来技術による映像表示装置を用いた場合に再帰反射部材で発生していたゴースト像を抑え、効率良く監視者の眼に再帰反射による空間浮遊像が届くように制御できる。

また、上述した光源装置により、図２０の（ａ）（ｂ）に示した一般的な液晶表示パネルからの出射光拡散特性特性（図中では従来と表記）に対してＸ軸方向およびＹ軸方向ともに大幅に挟角な指向特性とすることで、特定方向に対して平行に近い映像光束を出射する特定偏波の光を出射する映像表示装置が実現できる。

図１９には、本実施の形態で採用するレンチキュラーレンズの特性の一例を示している。この例では、特に、Ｘ方向（垂直方向）における特性を示しており、「特性Ｏ」は、光の出射方向のピークが垂直方向（０度）から上方に３０度付近の角度であり上下に対称な輝度特性を示している。また、図１９の特性ＡやＢは、更に、３０度付近においてピーク輝度の上方の映像光を集光して輝度（相対輝度）を高めた特性の例を示している。このため、これらの特性ＡやＢでは、３０度を超えた角度において、「特性Ｏ」に比較して、急激に光の輝度（相対輝度）が低減する。

すなわち、上述したレンチキュラーレンズを含んだ光学系によれば、映像表示装置１からの映像光束を再帰反射部材２に入射させる際、光源装置１３で挟角に揃えられた映像光の出射角度や視野角を制御でき、再帰反射部材２の設置の自由度を大幅に向上できる。その結果ウィンドガラス１０５を反射又は透過して所望の位置に結像する空間浮遊像の結像位置の関係の自由度を大幅に向上できる。この結果、拡散角度が狭く（高い直進性）かつ特定の偏波成分のみの光として効率良く室外または室内の監視者の眼に届くようにすることが可能となる。これによれば、映像表示装置１からの映像光の強度（輝度）が低減しても、監視者は映像光を正確に認識して情報を得ることができる。換言すれば、映像表示装置１の出力小さくすることにより、消費電力の低い情報表示システムを実現することが可能となる。

以上、種々の実施の形態について詳述したが、しかしながら、本発明は、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するためにシステム全体を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…映像表示装置、２…再帰反射部材、３…空間浮遊像（空間像）、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ…最適監視位置表示部、１３…光源装置、１０５…ウィンドガラス、１００…部材、１０１…偏光分離部材、１２…吸収型偏光板、１３…光源装置、５０…本体、５０a…外枠、５４…光方向変換パネル、５５…カメラユニット、５６…センサ、６０…構造部材、１５１…再帰反射部材、１０２、２０２…ＬＥＤ基板、２０３…導光体、２０５、２７１…反射板、２０６…反射型偏光板、２７０…位相差板、３００…空間浮遊像、３０１…空間浮遊映像のゴースト像、３０２…空間浮遊映像のゴースト像、Ｇ１…第１ゴースト像、Ｇ２…第２ゴースト像、Ｇ３…第３ゴースト像、Ｇ４…第４ゴースト像、Ｇ５…第５ゴースト像、Ｇ６…第６ゴースト像。

Claims (8)

1. 空間浮遊映像表示装置であって、
   映像を表示する表示パネルと、
   前記表示パネルに特定の偏光方向の光を供給する光源装置と、
   前記表示パネルからの映像光を反射させ、反射した光により空中に実像の空間浮遊映像を表示せしめる再帰反射板と、
   前記表示パネルからの映像光が形成しうる複数の空間浮遊映像のうち、所望の空間浮遊映像とは異なる空間浮遊映像を形成しうる映像光を遮光する遮光部材と、
   前記表示パネルからの特定偏波の映像光を前記再帰反射板に向けて反射させる偏光分離部材を備え、
   前記遮光部材は複数あり、
   前記複数の遮光部材には、前記表示パネルと前記偏光分離部材との間に配置される遮光部材と、前記偏光分離部材と前記再帰反射板との間に配置される遮光部材とがある、
   空間浮遊映像表示装置。
2. 請求項１に記載の空間浮遊映像表示装置において、
   前記遮光部材は、前記所望の空間浮遊映像を形成する映像光の光束が通過する領域を囲う枠状の形状である、
   空間浮遊映像表示装置。
3. 空間浮遊映像表示装置であって、
   映像を表示する表示パネルと、
   前記表示パネルに特定の偏光方向の光を供給する光源装置と、
   前記表示パネルからの映像光を反射させ、反射した光により空中に実像の空間浮遊映像を表示せしめる再帰反射板と、
   前記表示パネルからの映像光が形成しうる複数の空間浮遊映像のうち、所望の空間浮遊映像とは異なる空間浮遊映像を形成しうる映像光を遮光する遮光部材と、を備え、
   前記遮光部材は、前記所望の空間浮遊映像を形成する映像光の光束が通過する領域を囲う枠を備え、
   前記枠から、前記所望の空間浮遊映像を形成する映像光の光束が通過する領域に向かって複数の板状の梁が配置される、
   空間浮遊映像表示装置。
4. 請求項３に記載の空間浮遊映像表示装置において、
   前記表示パネルからの特定偏波の映像光を前記再帰反射板に向けて反射させる偏光分離部材を備え、
   前記遮光部材は、前記表示パネルと前記偏光分離部材との間に配置される、
   空間浮遊映像表示装置。
5. 空間浮遊映像を形成する空間浮遊映像表示装置であって、
   液晶パネルと、前記液晶パネルに特定の偏光方向の光を供給する光源装置と再帰反射部材を備え、
   前記液晶パネルと前記再帰反射部材を結んだ空間には、前記液晶パネルからの特定角度を超える発散角を有した映像光が前記再帰反射部材に入射することを遮る遮光部材が配置され、
   前記光源装置は、点状または面状の光源と、前記光源からの光の発散角を低減する光学部材と、前記光源からの光を反射し前記液晶パネルに伝搬する反射面を有する導光体と、前記導光体の他方の面に対向して前記導光体から順に配置される位相差板および反射面を備え、
   前記導光体の前記反射面は、前記光源からの光を反射させ前記導光体に対向して配置された前記液晶パネルに伝搬するように配置され、前記導光体の前記反射面と前記液晶パネルとの間には反射型偏光板が配置されており、
   前記反射型偏光板で反射した特定の偏光方向の光を前記導光体の他方の面に対向して近接配置した反射面で反射させ、前記導光体と前記反射面の間に配置された前記位相差板を２度通過することで偏光変換が行われ、前記反射型偏光板を通過させて前記液晶パネルに特定の偏光方向の光が伝搬され、
   前記液晶パネルは、映像信号に合わせて光強度を変調し、
   前記光源装置は、前記光源から前記液晶パネルに入射する光束の発散角の一部または全部を、前記光源装置に設けられた反射面の形状と面粗さとによって調整し、
   前記液晶パネルからの映像光を前記再帰反射部材において反射させ空中に前記空間浮遊映像を形成し、
   前記光源装置は、前記液晶パネルの光線発散角が水平発散角と垂直発散角とは異なる様に光束の発散角の一部または全部を、前記光源装置に設けた反射面の形状と面粗さによって調整する、
   空間浮遊映像表示装置。
6. 請求項５に記載の空間浮遊映像表示装置において、
   前記光源装置は、前記液晶パネルを構成する前記液晶パネルの光線発散角が±３０度以内となる様に光束の発散角の一部または全部を、前記光源装置に設けられた前記反射面の形状と面粗さとによって調整する、
   空間浮遊映像表示装置。
7. 請求項５に記載の空間浮遊映像表示装置において、
   前記光源装置は、前記液晶パネルの光線発散角が±１０度以内となる様に光束の発散角の一部または全部を、前記光源装置に設けられた前記反射面の形状と面粗さとによって調整する、
   空間浮遊映像表示装置。
8. 請求項５に記載の空間浮遊映像表示装置において、
   前記液晶パネルからの映像光が一旦反射型偏光板で反射して前記再帰反射部材に入射するように配置され、前記再帰反射部材の映像光入射面には位相差板が設けられ、前記設けられた位相差板を映像光が２度通過することで映像光の偏波を他方の偏波に変換することで前記反射型偏光板を通過させる、
   空間浮遊映像表示装置。

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