JP2013182121A

JP2013182121A - 表示装置

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Publication number: JP2013182121A
Application number: JP2012045685A
Authority: JP
Inventors: Kunio Komeno; 邦夫米野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2032-03-01
Also published as: JP6003093B2

Abstract

【課題】虚像の発生を確実に防止できる表示装置を提供する。
【解決手段】本発明の表示装置１は、物体像を生成するフラットパネルディスプレイ２（物体像生成装置）と、物体像生成装置の像生成面に対して素子面が傾いて配置され、素子面の一方側に位置する物体像から発する光を２回反射させ、素子面の他方側の空間における素子面に対する面対称位置に物体像を実像として結像させる再帰性透過材４（結像素子）と、物体像生成装置から結像素子に向かう光の拡散角度を所定の角度範囲内に制限する拡散角度制限フィルム３（拡散角度制限部材）と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置に関する。

被投影物の像を結像させる結像素子を備え、結像素子によって空中に実像を生成するディスプレイ装置が、下記の特許文献１に開示されている。
特許文献１に記載のディスプレイ装置に用いられる結像素子は、直交する２つの鏡面を有する２面コーナーリフレクターからなる単位光学素子を複数備えている。結像素子は、素子面の一方側の空間に配置された被投影物の実像を、素子面の他方側の空間における当該素子面に対する面対称位置に生成する作用を有する。そのため、素子面の一方側の空間に立体物を配置すれば、素子面の他方側の空間における当該素子面に対する面対称位置に立体像が生成される。

仮に単位光学素子の鏡面が１つであり、複数の単位光学素子における鏡面が互いに平行であったとすると、結像素子の両側に実像と虚像が生成される。そのため、単位光学素子が互いに直交する２つの鏡面を有している場合でも、いずれか一方の鏡面で１回だけ反射した光は虚像を形成する。特許文献１に、単位光学素子で２回反射した光と１回反射した光との干渉を避ける手段、すなわち実像を形成する光と虚像を形成する光との干渉を避ける手段が記載されている。その手段として、単位光学素子を素子面と直交する軸周りに任意の回転方向で配置することで１回反射光による結像を避けることができる、と記載されている。

国際公開第２００７／１１６６３９号

しかしながら、特許文献１の結像素子において、複数の単位光学素子を任意の方向に回転させて配置するのは、結像素子の設計や製造が極めて複雑になり、コストが高騰するという課題があった。さらには、複数の単位光学素子を任意の方向に回転させたとしても、単位光学素子で１回だけ反射して射出される光は確率的に必ず存在する。そのため、虚像の発生を完全に抑えることは不可能であった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、虚像の発生を確実に防止できる表示装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の表示装置は、物体像を生成する物体像生成装置と、前記物体像生成装置の像生成面に対して素子面が傾いて配置され、前記素子面の一方側に位置する前記物体像から発する光を２回反射させ、前記素子面の他方側の空間における前記素子面に対する面対称位置に前記物体像を実像として結像させる結像素子と、を備え、前記物体像生成装置から前記結像素子に向かう光の拡散角度が所定の角度範囲内に制限されていることを特徴とする。

本発明の表示装置によれば、物体像生成装置から結像素子に向かう光の拡散角度が所定の角度範囲内に制限されているため、所定の角度範囲を適切に設定することによって、結像素子で１回だけ反射した光が観察者の目に入ることが避けられる。その結果、虚像の発生が抑えられ、空間に結像した実像が見やすくなる。

本発明の表示装置において、前記物体像生成装置と前記結像素子との間に、前記物体像生成装置からの光の拡散角度を所定の角度範囲内に制限する拡散角度制限部材が設けられることが望ましい。
この構成によれば、拡散角度制限部材を適切に設計することにより、物体像生成装置からの光の拡散角度を所望の角度範囲内に制限することができる。そのため、物体像生成装置自体は、光の拡散角度に制限が必要なく、一般のディスプレイを用いることができる。

本発明の表示装置において、前記拡散角度制限部材は、複数の遮光部が間隔をおいて平行に配置され、隣り合う前記遮光部間の領域が光透過領域とされたフィルム状部材で構成されていてもよい。
この構成によれば、簡易な構成の拡散角度制限部材を用いて光の拡散角度を制限することができる。また、フィルム状部材を物体像生成装置の像生成面に密着させて配置すれば、表示装置全体の薄型化を図ることができる。

本発明の表示装置において、前記拡散角度制限部材は、複数の単位レンズが一方向に配列されたレンズアレイで構成され、前記レンズアレイのゲイン特性が、前記単位レンズの一方向において相対的に広く、前記単位レンズの他方向において相対的に狭い構成であってもよい。
この構成によれば、遮光部を用いていないため、拡散角度制限部材は物体像生成装置から広角に射出される光を遮断することなく、単位レンズの所定の方向における光の拡散角度を制限することができる。

本発明の表示装置において、前記所定の角度範囲を前記素子面に垂直な方向から見た見掛け上の角度範囲が９０度未満であることが望ましい。
この構成によれば、結像素子に対する物体像生成装置の取付角度に係わらず、虚像の発生が確実に抑えられる。

本発明の表示装置において、前記所定の角度範囲をθａ、前記素子面の法線と前記像生成面とのなす角度をγとしたとき、
θａ＜２×tan^−１（１／cosγ）
を満たすことが望ましい。
上記の角度γは、結像素子に対する物体像生成装置の取付角度に対応して変化する。したがって、上記の構成によれば、結像素子に対する物体像生成装置の取付角度に応じて最適な拡散角度範囲θａを設定することにより、実像の観察範囲を広く取りながら虚像の発生を確実に抑えることができる。

本発明の表示装置において、前記結像素子は、複数の光透過部を有し、前記光透過部の壁面のうち、少なくとも互いに直交する２つの壁面が反射面とされた再帰性透過材で構成されていることが望ましい。
本発明の「再帰性透過材」は、光透過部の壁面のうち、少なくとも互いに直交する２つの壁面が反射面とされた反射素子である。すなわち、素子面と垂直な方向から見たときには、一般の再帰性反射材と同様、反射面に入射した光は入射方向と同じ方向に反射する。一方、素子面と平行、かつ光入射面に垂直な方向から見たときには、通常の反射鏡と同様、反射面に入射した光は入射角と同じ反射角で反射する。この種の再帰性透過材を結像素子に用いることで、簡易な構成の表示装置を実現することができる。

本発明の表示装置において、前記物体像生成装置がフラットパネルディスプレイで構成され、前記像生成面が前記フラットパネルディスプレイの画像表示面であってもよい。
この構成によれば、実像表示が可能な表示装置を比較的低コストで実現することができる。

本発明の表示装置において、前記物体像生成装置がプロジェクターとスクリーンとで構成され、前記像生成面が前記スクリーンの画像表示面であってもよい。
この構成によれば、物体像生成装置の設置方法の自由度が高い表示装置を実現することができる。

本発明の第１実施形態の表示装置を示す斜視図である。本実施形態の表示装置に用いる再帰性透過材を示す図であり、（Ａ）平面図、（Ｂ）拡大斜視図である。（Ａ）〜（Ｅ）再帰性透過材の作用を説明するための図である。再帰性透過材の他の例を示す斜視図である。再帰性透過材のさらに他の例を示す斜視図である。実像および虚像の見え方を示す図である。（Ａ）〜（Ｃ）虚像の生成原理を説明するための図である。図７（Ａ）を異なる方向から観察した場合の図である。拡散角度制限フィルムの作用を説明するための図である。拡散角度制限フィルムの一例を示す斜視図である。拡散角度制限フィルムをＦＰＤに取り付けた状態を示す斜視図である。図１１のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。（Ａ）〜（Ｃ）拡散角度制限フィルムによる拡散角度の制限範囲の算出に用いる図である。拡散角度制限フィルムの他の例を示す斜視図である。本発明の第２実施形態の表示装置を示す斜視図である。本実施形態の表示装置に用いるスクリーンおよび拡散角度制限フィルムの断面図である。本発明の第３実施形態の表示装置を示す斜視図である。本実施形態の表示装置に用いるスクリーンアセンブリの断面図である。スクリーンアセンブリのゲイン特性を示す図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図１４を用いて説明する。
本実施形態の表示装置は、空間に平面像を生成することができる表示装置の一例である。
図１は、本実施形態の表示装置の概略構成を示す斜視図である。
なお、以下の全ての図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

本実施形態の表示装置１は、図１に示すように、フラットパネルディスプレイ２（物体像生成装置）と、拡散角度制限フィルム３（拡散角度制限部材）と、再帰性透過材４（結像素子）と、を備えている。以下の説明では、フラットパネルディスプレイ２（Flat Panel Display）をＦＰＤと略記する。ＦＰＤ２は外部から入力された画像信号に基づいて画像表示面２ａ（像生成面）上に文字や画像を表示する。以下の説明では、画像表示面２ａ上に表示された文字や画像を物体像Ｖとする。ＦＰＤ２の画像表示面２ａには、後述する拡散角度制限フィルム３が設けられている。ＦＰＤ２としては、例えば液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイなど、特に限定されることなく、一般的なディスプレイを用いることができる。

再帰性透過材４は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、所定の厚みを持った矩形状のガラスなどの板材７に、光を透過させるための複数の四角柱状の開口部８が設けられたものである。開口部８は空間であってもよいし、透明性の高い樹脂材料などが充填されていてもよい。これらの開口部８が光透過部として機能する。素子面Ｓに垂直な方向から見た開口部８の平面形状は正方形である。板材７は、互いに平行な２つの主面７ａ，７ｂを有し、一方の主面７ａ側から光を入射させ、他方の主面７ｂ側から光を射出させる。本明細書における「素子面」とは、板材７の２つの主面７ａ，７ｂに平行な平面であって、２つの主面７ａ，７ｂから等距離にある、板材７の中心を通る仮想的な平面として定義する。

開口部８の４つの内壁面のうち、互いに直交する２つの内壁面には例えば金属反射膜が形成されており、これら２つの内壁面が反射面９となっている。これら２つの反射面９は、いわゆる２面コーナーリフレクターを構成する。本実施形態の再帰性透過材４においては、図２（Ａ）に示すように、平面視して正方形状の開口部８の各辺が板材７の各辺と平行に形成されている。全ての開口部８において、２つの反射面９は同じ向きに向いている。なお、開口部８の４つの内壁面が全て反射面になっていてもよい。

図１に示すように、ＦＰＤ２は、ＦＰＤ２の画像表示面２ａが再帰性透過材４の素子面Ｓに対して傾くように配置されている。再帰性透過材４の素子面Ｓに垂直な方向から見ると、ＦＰＤ２は、画像表示面２ａの法線が再帰性透過材４の開口部８の２つの反射面９が接する角部の側に向くように傾いて配置されている。これにより、ＦＰＤ２の画像表示面２ａから射出された光は、概ね再帰性透過材４の開口部８の２つの反射面９が接する角部の方向に向けて進む。図１では、図面を見易くするため、再帰性透過材４の開口部８の図示を省略した。再帰性透過材４の開口部８の２つの反射面９が接する角部の位置は、再帰性透過材４の４つの角部のうち、図１に符号Ｒで示した角部の位置に対応する。

ここで、図３（Ａ）〜（Ｅ）を用いて、再帰性透過材４の作用を説明する。
図３（Ａ）〜（Ｃ）では、再帰性透過材４の素子面ＳをＸ軸とＹ軸とで構成されるＸＹ平面に一致させ、素子面Ｓと直交する軸をＺ軸とした。また、物体像から光が射出される点を点Ｐ、光が再帰性透過材４の反射面９に入射する点を点Ｔ、光が結像する点を点Ｑ、で表した。図３（Ｄ）、図３（Ｅ）は点Ｔの近傍を拡大視した図であり、図３（Ｄ）は平面図であり、図３（Ｅ）は側面図である。

上述したように、再帰性透過材４の２つの反射面９は互いに直交している。そのため、図３（Ｄ）に示すように、一方の反射面９に入射した光は、９０度の角度で隣接した他方の反射面９で反射する。したがって、素子面Ｓと直交する方向（Ｚ軸方向）から見たときには、図３（Ｂ）に示すように、一般の再帰性反射材と同様、反射面９に入射した光は入射方向と同じ方向に反射する。すなわち、点Ｐおよび点ＱをＸＹ平面上に射影したとき、点Ｐの射影点と点Ｑの射影点とは一致する。一方、素子面Ｓと平行、かつ光入射面に直交する方向（点Ｐ、点Ｔ、点Ｑで作る三角形ＰＴＱの法線方向）から見たときには、図３（Ｅ）に示すように、光は２つの反射面９でそれぞれ反射し、図３（Ｃ）に示すように、通常の反射鏡を垂直に置いた場合と等価的に、反射面９に入射した光は入射角ａと同じ反射角ａで反射する。

このようにして、図３（Ａ）に示すように、点Ｐから射出された光は点Ｔを経て点Ｑに向かう。一般に、物体像上の点Ｐから射出された光はある程度の角度範囲内に拡散するため、再帰性透過材４の点Ｔ以外の箇所にも入射する。ところが、点Ｔ以外の箇所に入射した光も同様に反射するため、拡散した全ての光が点Ｑに集束する。すなわち、素子面Ｓの一方側に位置する物体像は、素子面Ｓの他方側の空間における素子面Ｓに対する面対称位置に結像する。上の説明では物体像の１点をＰとしたが、有限の大きさを持った場合でも同様に結像する。よって、点Ｐの周辺に立体物が存在した場合、点Ｑの周辺に、再帰性透過材４の素子面Ｓに対して面対称な実像が立体像として生成される。なお、実像上の点Ｑを観察する場合、観察点と点Ｑとを結ぶ直線上からの光線を選択的に見ていることになり、両目で観察することで実像が空間に浮かんで見える。

また、再帰性透過材４は、素子面Ｓと垂直な方向に貫通する開口部８を有しているため、再帰性透過材４の素子面Ｓに対して垂直に入射した光は反射面９に入射することなく、そのまま直進する。

本実施形態の場合、図１に示すように、再帰性透過材４の素子面Ｓの下方にＦＰＤ２が傾いて設置されているため、再帰性透過材４の素子面Ｓの上方空間にＦＰＤ２の画像表示面２ａの傾きと面対称の方向に傾いた実像形成面Ｊができ、実像形成面Ｊの位置に物体像を面対称にした実像Ｍが形成される。この場合、ＦＰＤ２の画像表示面２ａが平面であるため、生成される実像Ｍは物体像と傾きだけが異なり、形状や寸法が一致した平面像となる。

したがって、観察者Ｋは、実像形成面Ｊの傾いた方向から実像Ｍの方向を斜めに覗き込むようにすれば、観察者Ｋに対して実像Ｍが略正対した状態となり、実像Ｍが見やすくなる。生成された実像Ｍは再帰性透過材４による反射光が結像したものであるため、観察者Ｋからは再帰性透過材４を見ることができる観察範囲内において実像Ｍが空間に浮かんだように見える。

再帰性透過材４の具体例として、図２に示したものの他、図４、図５に示すものが挙げられる。
図４に示す再帰性透過材１１は、両面もしくは片面が反射面となった金属もしくはガラスなどの複数の板材１２を互いに直交するように格子状に組み合わせたものである。板材１２の片面のみが反射面である場合には、全ての板材１２の反射面が観察方向を向くように板材１２を並べる必要がある。隣り合う板材１２の間の空間は空気が存在してもよいし、透明性の高い樹脂材料などが充填されていてもよい。

図５に示す再帰性透過材１３は、角柱状のガラス材料１４の長手方向の一面を鏡面として、鏡面が同じ方向を向くように複数のガラス材料１４を並べたものを２組作り、鏡面が互いに直交するように２組を積層したものである。

図６に、図１の観察者が観察している像の様子を示す。
本実施形態の場合、ＦＰＤ２の画像表示面２ａ上に拡散角度制限フィルム３が設けられているため、図６の実像Ｍだけが浮いて見える。その理由は後で説明する。ところが、仮にＦＰＤ２の画像表示面２ａ上に拡散角度制限フィルム３が設けられていなかったとすると、２つの虚像Ｎが実像Ｍよりも遠いところに見えてしまう。これらの虚像Ｎは本来必要のないものであり、虚像Ｎが見えることで本来見るべき実像Ｍが見えにくくなる、という不具合が生じる。

以下、図７（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、虚像Ｎが生成される原理を説明する。
なお、図７（Ａ）〜（Ｃ）は、図２における再帰性透過材４の開口部８ごとに分離された反射面９を連続的に一体化した反射面として記載している。
図７（Ａ）は再帰性透過材４の素子面Ｓの法線方向から見た平面図である。図７（Ｂ）は素子面Ｓに平行、かつＦＰＤ２の画像表示面２ａに平行な方向（図１の矢印Ｂ方向）から見た側面図である。図７（Ｃ）は素子面Ｓに平行、かつ再帰性透過材４の一方の反射面９に平行な方向（図７（Ａ）の矢印Ｃ方向）から見た側面図である。
以下の説明では、観察者Ｋから見て右側に位置する反射面９を右反射面９Ｒ、観察者Ｋから見て左側に位置する反射面９を左反射面９Ｌと称する。

物体像Ｖからの光線は、図７（Ａ）に示すように、右反射面９Ｒと左反射面９Ｌとの交点の位置で２回反射され、実像Ｍの位置を通過する。このとき、物体像Ｖからの光はあらゆる方向に発散するため、例えば平面図上で一方の反射面９に対して略平行に進む光線も存在する。一方の反射面９に対して略平行に進む光線は、他方の反射面９だけで１回だけ反射する場合が生じる。光線が１回だけ反射した場合には、通常の１枚のミラーと同様、符号Ｎで示す位置に虚像が生じる。図７（Ｂ）に示すように、観察位置Ｋ１から見ると、虚像Ｎは実像Ｍよりも遠い距離のやや下側の位置に見えることになる。なお、実像Ｍからの光線を符号Ｌ１で示し、虚像Ｎからの光線を符号Ｌ２で示す。

図７（Ａ）に示す平面図上では、虚像Ｎは一方の反射面９に対して実像Ｍと対称の位置に生じる。そのため、観察位置Ｋ１で見た虚像Ｎからの光線Ｌ２は、実像Ｍからの光線Ｌ１が一方の反射面９に対する垂線の足よりも必ず外側（右反射面９Ｒと左反射面９Ｌとの交点よりも遠い側）で反射したものとなる。

図７（Ｃ）に示すように、図７（Ｂ）の側面図を右反射面９Ｒに平行な方向（図７（Ａ）に矢印Ｃで示す方向）から見ると、実像Ｍからの光線Ｌ１と虚像Ｎからの光線Ｌ２とは重なって見える。このことから、格子状に並んだ複数の右反射面９Ｒ、左反射面９Ｌのそれぞれにおいて、同じ並びにある反射面９で反射した光線により実像Ｍと虚像Ｎとが生成されることがわかる。

図７（Ａ）は、観察者Ｋが右反射面９Ｒと左反射面９Ｌとの交点を正面から見た場合、すなわち観察者Ｋの視線方向が右反射面９Ｒおよび左反射面９Ｌに対して４５度の角度をなす場合を示している。これに対して、観察者Ｋが右反射面９Ｒと左反射面９Ｌとの交点を正面よりも右寄りの位置から見た場合、すなわち観察者Ｋの視線方向が右反射面９Ｒに対して４５度よりも小さい角度をなす場合を示したものが図８である。

図８の場合、図７（Ａ）の場合と異なり、物体像Ｖと２つの虚像Ｎとの間の距離は、光線が右反射面９Ｒで反射した場合と左反射面９Ｌで反射した場合とで異なる。しかしながら、虚像Ｎからの光線Ｌ２は、実像Ｍからの光線Ｌ１が一方の反射面９に対する垂線の足よりも必ず外側で反射したものである点は、図７（Ａ）の場合と同様である。

以下、ＦＰＤ２の画像表示面２ａ上に拡散角度制限フィルム３を設けた場合に虚像Ｎが見えなくなる理由を説明する。
本実施形態では、図９に示すように、拡散角度制限フィルム３をＦＰＤ２の画像表示面２ａの前方に配置し、物体像Ｖから発する光線の拡散角度θoを制限している。すなわち、物体像Ｖから拡散角度θoの範囲内の光線のみが射出される。図９のように、表示装置１を平面視したときの物体像Ｖから発する光線の拡散角度θoは、再帰性透過材４の素子面Ｓの法線方向から見たときの物体像Ｖから発する光線の拡散角度のことである。以下、説明の便宜上、再帰性透過材４の素子面Ｓは水平面に一致しているものとし、拡散角度θoのことを水平面内拡散角度θoと称する。拡散角度制限フィルム３の作用により、物体像Ｖの位置から水平面内拡散角度θoの外側に拡散する方向に射出される光線が遮断され、物体像Ｖから虚像Ｎの位置に向かう光線Ｌ３が遮断される。その結果、虚像Ｎが生成されなくなる。

具体的には、虚像Ｎが生成されないためには、実像Ｍから発した光線が各反射面９に対する垂線の足よりも内側（右反射面９Ｒと左反射面９Ｌとの交点に近い側）で反射すればよい。そのため、水平面内拡散角度θoが９０度未満に制限されていればよい。この場合、観察位置Ｋ１からは虚像Ｎが見えなくなり、実像Ｍだけが見える。また、水平面内拡散角度θoが９０度未満であればよいという条件は、図９の場合に限らず、図８に示したように、観察位置Ｋ１が右反射面９Ｒと左反射面９Ｌとの交点の正面からずれている場合にも当てはまる。

図１０は、拡散角度制限フィルム３の一つの具体例を示している。
図１０に示す拡散角度制限フィルム３は、複数の薄板状の遮光板１６が一定の間隔をおいて平行に並べられ、隣り合う遮光板１６の間が空間であるか、もしくは透明性の高い樹脂材料で充填されたフィルム状部材である。隣り合う遮光板１６の間の領域が光透過領域として機能する。

拡散角度制限フィルム３は、図１１に示すように、ＦＰＤ２の画像表示面２ａ上に密着して取り付けられている。このとき、図１１のＡ−Ａ’線に沿う断面図である図１２に示すように、ＦＰＤ２の画像表示面２ａ上の物体像Ｖから広角に拡散する方向に射出する光は遮光板１６によって遮断される。隣り合う遮光板１６間の光透過領域から射出できるだけの拡散角度θａを有する光のみが拡散角度制限フィルム３から射出される。図１２に示すように、ＦＰＤ２の画像表示面２ａに平行かつ各遮光板１６に平行な方向から見た拡散角度制限フィルム３からの射出光の拡散角度θａのことを、以下の説明では実拡散角度θａと称する。

再帰性透過材４の素子面Ｓに対してＦＰＤ２の画像表示面２ａは傾いているため、上述の水平面内拡散角度θoと実拡散角度θａとは異なる。具体的には、水平面内拡散角度θoは、実拡散角度θａよりも見掛け上小さくなる。したがって、水平面内拡散角度θoの制限すべき範囲は９０度未満であればよいと先に述べたが、実拡散角度θａの制限すべき範囲は、９０度未満ではなく、より広い角度範囲に設定すればよい。

以下、実拡散角度θａの制限すべき範囲を算出する。
図１３（Ａ）に示すように、ＦＰＤ２の傾きをＦＰＤ２の画像表示面２ａと再帰性透過材４の素子面Ｓの法線とのなす角度で表し、この角度をγとする。実拡散角度をθａとし、水平面内拡散角度をθoとする。また、拡散角度範囲を示す図１３（Ａ）の図形において、図形の各位置を点Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ，Ｉで示す。

図１３（Ｂ）における点Ｅ−Ｇ間の距離もしくは点Ｆ−Ｈ間の距離は、隣り合う遮光板１６間の光透過領域の幅に相当し、この距離をｗとする。点Ｉ−Ｅ間の距離および点Ｉ−Ｇ間の距離をＬａとする。点Ｆと点Ｈとを結ぶ線分に対して点Ｉから下ろした垂線の長さをＬとする。
ここで、実拡散角度θａを求めるため、図１３（Ｃ）に示すように、点Ｉを中心として点Ｅおよび点Ｇが点Ｉと水平になるまで、図形を角度γだけ時計回りに回転させる。
以上のことから、実拡散角度θａを以下のように算出することができる。

ｗ＝２Ｌａtan（θａ／２）＝２Ｌtan（θo／２） ……（１）
Ｌａ＝Ｌcosγ ……（２）
（１）式および（２）式より、
Ｌcosγ×tan（θａ／２）＝Ｌtan（θo／２） ……（３）
（３）式より、
tan（θａ／２）＝tan（θo／２）／cosγ ……（４）
θａ＝２×tan^−１（tan（θo／２）／cosγ） ……（５）
よって、実拡散角度θａの制限すべき範囲は、
θａ＜２×tan^−１（tan（θo／２）／cosγ） ……（６）
となる。

具体的には、例えばＦＰＤ２の傾き角度γを４５度、水平面内拡散角度θoを９０度とすると、（５）式より、実拡散角度θａは１０９．５度となる。すなわち、実拡散角度θａが１０９．５度の拡散角度制限フィルム３をＦＰＤ２上に取り付け、ＦＰＤ２を傾き角度γが４５度となるように設置すれば、水平面内拡散角度θoは９０度となる。したがって、実拡散角度θａの制限すべき範囲は、（６）式より、１０９．５度未満となる。

実拡散角度θａの制限すべき範囲は水平面内拡散角度θoが９０度未満となる角度で有りさえすればよいので、（６）式のθoを９０度として、
θａ＜２×tan^−１（１／cosγ） ……（７）
となる。
しかしながら、水平面内拡散角度θoが小さくなり過ぎると、実像Ｍの明るさが暗くなり、実像Ｍが見えにくくなる。そのため、水平面内拡散角度θoが９０度よりわずかに小さくなるように、実拡散角度θａを設定することが望ましい。

図１４は、拡散角度制限フィルム３の他の例を示している。
図１４に示す拡散角度制限フィルム３Ｂは、樹脂板１７に幅の狭い複数の溝が一定の間隔をおいて平行に形成され、溝の内部に遮光層１８が設けられたフィルム状部材である。隣り合う遮光層１８の間の領域が光透過領域として機能する。拡散角度制限フィルム３Ｂを製造する際には、金型を用いて複数の溝を有する樹脂板１７を成型した後、溝の内部に遮光性を有する黒色インクを充填して遮光層１８とすればよい。

以上説明したように、本実施形態の表示装置１によれば、拡散角度制限フィルム３を用いたことで虚像Ｎの生成が確実に防止できる。その結果、実像Ｍが見やすい表示装置を安価に実現することができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図１５、図１６を用いて説明する。
本実施形態の表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、物体像生成装置の構成が第１実施形態と異なる。
図１５は、本実施形態の表示装置の概略構成を示す斜視図である。図１６は、本実施形態の表示装置に用いるスクリーンおよび拡散角度制限フィルムの断面図である。
図１５、図１６において、第１実施形態の図面と共通する構成要素には同一の符号を付し、説明は省略する。

本実施形態の表示装置２１は、図１５に示すように、プロジェクションシステム２２（物体像生成装置）と、拡散角度制限フィルム３（拡散角度制限部材）と、再帰性透過材４（結像素子）と、を備えている。プロジェクションシステム２２は、透過型のスクリーン２３と、スクリーン２３に対して画像を投射するプロジェクター２４と、を備えている。本実施形態の場合、第１実施形態のＦＰＤ２の位置に、ＦＰＤ２に代えてスクリーン２３が配置されている。すなわち、スクリーン２３は、スクリーン２３の画像表示面２３ａが再帰性透過材４の素子面Ｓに対して傾くように配置されている。

スクリーン２３の画像表示面２３ａ上には、複数の遮光板１６を有する拡散角度制限フィルム３が設けられている。拡散角度制限フィルム３の構成は、第１実施形態と同様である。これにより、スクリーン２３の画像表示面２３ａ上の物体像Ｖから広角に拡散する光は遮光板１６によって遮断され、物体像Ｖから射出される光の拡散角度が所定の角度範囲内に制限される。その他の構成は第１実施形態と同様である。

本実施形態の表示装置２１においても、虚像Ｎの生成が確実に抑えられ、実像Ｍが見やすくなる、という第１実施形態と同様の効果が得られる。さらに、物体像生成装置がスクリーン２３とプロジェクター２４とで構成されているため、物体像生成装置の設置方法の自由度が高い表示装置を実現することができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図１７〜図１９を用いて説明する。
本実施形態の表示装置において、物体像生成装置がスクリーンとプロジェクターとで構成されている点は第２実施形態と同様であり、拡散角度制限部材の構成が第２実施形態と異なる。
図１７は、本実施形態の表示装置の概略構成を示す斜視図である。図１８は、本実施形態の表示装置に用いるスクリーンアセンブリの断面図である。
図１７、図１８において、第２実施形態の図面と共通する構成要素には同一の符号を付し、説明は省略する。

本実施形態の表示装置３１は、図１７に示すように、プロジェクションシステム３２（物体像生成装置）と、再帰性透過材４（結像素子）と、を備えている。プロジェクションシステム３２は、スクリーンアセンブリ３３と、スクリーンアセンブリ３３に対して画像を投射するプロジェクター３４と、を備えている。本実施形態の場合、第２実施形態のスクリーン２３の位置に、スクリーン２３に代えてスクリーンアセンブリ３３が配置されている。すなわち、スクリーンアセンブリ３３は、スクリーンアセンブリ３３の画像表示面３３ａが再帰性透過材４の素子面Ｓに対して傾くように配置されている。

スクリーンアセンブリ３３は、図１８に示すように、プロジェクター３４に近い側からフレネルレンズ３５、アクリル板３６、レンチキュラーレンズ３７が積層された構成を有している。フレネルレンズ３５は、焦点距離をプロジェクター３４の投射距離に略等しくしたものであり、プロジェクター３４の投射レンズから射出される拡散光を略平行化する機能を有する。アクリル板３６は、透明な板材であり、フレネルレンズ３５とレンチキュラーレンズ３７の保持部材としての機能と、フレネルレンズ３５とレンチキュラーレンズ３７との間隔を空けてモアレを低減する機能と、を備える。

レンチキュラーレンズ３７は、単位レンズとしてのシリンドリカルレンズ３８が複数、短手方向に配置されたレンズアレイである。シリンドリカルレンズ３８は、短手方向に曲率を有する一方、長手方向には曲率を有していない。したがって、レンチキュラーレンズ３７は、シリンドリカルレンズ３８の短手方向に光をより広い角度に拡散させる一方、シリンドリカルレンズ３８の長手方向には光を拡散させない機能を備える。本実施形態の場合、レンチキュラーレンズ３７は、シリンドリカルレンズ３８の長手方向が再帰性透過材４の素子面Ｓに平行な方向を向き、シリンドリカルレンズ３８の短手方向が再帰性透過材４の素子面Ｓに垂直な方向を向くように配置されている。

図１９は、スクリーンアセンブリ３３のゲイン特性を示す図である。図１９の横軸はスクリーンアセンブリ３３の法線方向を中心とした角度（極角）を示し、縦軸はゲイン（相対値）を示す。再帰性透過材４の素子面Ｓに垂直な方向（垂直方向）のゲイン特性を破線で示し、再帰性透過材４の素子面Ｓに平行な方向（水平方向）のゲイン特性を実線で示す。

図１９に示すように、スクリーンアセンブリ３３の垂直方向のゲイン特性は、レンチキュラーレンズ３７の作用により相対的に広くなっている。これに対し、水平方向のゲイン特性は、垂直方向のゲイン特性に比べて相対的に狭くなっている。言い換えると、スクリーンアセンブリ３３がレンチキュラーレンズ３７を備えたことにより、スクリーンアセンブリ３３から射出される光の拡散角度は水平方向に制限されている。これにより、本実施形態の表示装置３１においても、第１、第２実施形態と同様の作用により、虚像Ｎの発生を抑制することができる。

本実施形態の場合、スクリーンアセンブリ３３の法線方向の最大ゲインを１００としたとき、ゲインが１０以下となる角度θiが第１実施形態の実拡散角度θａである１０９．５度よりも小さくなるように設定されている。ゲイン特性は、スクリーンアセンブリ３３の各構成要素の特性により決まる。よって、ゲイン特性は、例えばいずれかの構成要素に拡散特性を持たせる等の方法により制御することができる。

本実施形態の表示装置３１においても、虚像Ｎの生成が確実に抑えられ、実像Ｍが見やすくなる、という第１、第２実施形態と同様の効果が得られる。本実施形態の場合、スクリーンアセンブリ３３とは別に拡散角度制限部材を備える必要がないという利点がある。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施形態では、光の拡散角度を水平方向にのみ制限する拡散角度制限部材を用いたが、この拡散角度制限部材に代えて、光の拡散角度を水平方向、垂直方向の双方に制限する拡散角度制限部材を用いてもよい。その場合、観察位置からＦＰＤ等の画像表示面が直接見える角度から観察した場合でも、物体像が直接見えることがなくなる。その結果、実像を観察する際に物体像が邪魔になるのを抑えることができる。

例えば上記の第１実施形態では、ＦＰＤからは拡散角度が広い光が射出され、ＦＰＤの外部に取り付けた拡散角度制限フィルムによって光の拡散角度を制限する構成とした。この構成に代えて、例えばＦＰＤの内部に光の拡散角度を制限する手段を内蔵しておき、ＦＰＤから拡散角度が制限された光が射出される構成としてもよい。
第３実施形態では、拡散角度制限部材としてレンチキュラーレンズを用いたが、拡散角度の制限が可能な他の光学素子を用いてもよい。
その他、表示装置を構成する各種構成要素については適宜変更が可能である。

１，２１，３１…表示装置、２…フラットパネルディスプレイ（物体像生成装置）、２ａ…画像生成面（像生成面）、３，３Ｂ…拡散角度制限フィルム（拡散角度制限部材）、４，１１，１３…再帰性透過材（結像素子）、８…開口部、９…反射面、９Ｒ…右反射面、９Ｌ…左反射面、１６…遮光板（遮光部）、１８…遮光層（遮光部）、２２，３２…プロジェクションシステム（物体像生成装置）、２３…スクリーン、２４，３４…プロジェクター、３３…スクリーンアセンブリ、３７…レンチキュラーレンズ（拡散角度制限部材）、Ｓ…素子面、Ｍ…実像、Ｎ…虚像、Ｖ…物体像、θo…水平面内拡散角度、θa…実拡散角度。

Claims

物体像を生成する物体像生成装置と、
前記物体像生成装置の像生成面に対して素子面が傾いて配置され、前記素子面の一方側に位置する前記物体像から発する光を２回反射させ、前記素子面の他方側の空間における前記素子面に対する面対称位置に前記物体像を実像として結像させる結像素子と、を備え、
前記物体像生成装置から前記結像素子に向かう光の拡散角度が所定の角度範囲内に制限されていることを特徴とする表示装置。
前記物体像生成装置と前記結像素子との間に、前記物体像生成装置からの光の拡散角度を所定の角度範囲内に制限する拡散角度制限部材が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記拡散角度制限部材が、複数の遮光部が間隔をおいて平行に配置され、隣り合う前記遮光部間の領域が光透過領域とされたフィルム状部材で構成されることを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
前記拡散角度制限部材が、複数の単位レンズが一方向に配列されたレンズアレイで構成され、
前記レンズアレイのゲイン特性が、前記単位レンズの一方向において相対的に広く、前記単位レンズの他の方向において相対的に狭いことを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
前記所定の角度範囲を前記素子面に垂直な方向から見た見掛け上の角度範囲が９０度未満であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の表示装置。
前記所定の角度範囲をθａ、前記素子面の法線と前記像生成面とのなす角度をγとしたとき、
θａ＜２×tan^−１（１／cosγ）
を満たすことを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
前記結像素子が、複数の光透過部を有し、前記光透過部の壁面のうち、少なくとも互いに直交する２つの壁面が反射面とされた再帰性透過材で構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の表示装置。
前記物体像生成装置がフラットパネルディスプレイで構成され、
前記像生成面が前記フラットパネルディスプレイの画像表示面であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の表示装置。
前記物体像生成装置がプロジェクターとスクリーンとで構成され、
前記像生成面が前記スクリーンの画像表示面であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか一項に記載の表示装置。