JP2019002976A - 空中映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空中映像の結像位置がどのように変更されても、空中映像を有効表示領域内に収めて、観察者に違和感が生じたり、空中映像の使用感が低下するのを抑える。どの結像位置においても、観察者が同じ内容の情報を観察できるように空中映像を表示させる。【解決手段】空中映像表示装置１は、平板状の空中映像表示素子２と、表示器３と、空中映像表示素子２に対する表示器３の距離を相対的に変化させる駆動機構６と、表示器３の表示を制御する表示制御部７ａとを備える。表示制御部７ａは、上記距離に応じて変化する実像Ｒの各結像位置にて、観察者が観察可能な有効表示領域内に実像Ｒが収まるように、表示器３における画像の表示範囲を上記距離に応じて変更するとともに、上記距離の変化前の位置で表示器３に表示される画像の表示態様を変更した画像を、上記距離の変化後の位置で表示器３に表示させる。【選択図】図１

Description

本発明は、像源（例えば表示器の表示画像）の実像を空中に結像させる空中映像表示装置に関するものである。

従来から、液晶表示装置などの表示器に表示される画像の実像を空中に結像させる空中映像表示素子が種々提案されている。空中映像表示素子と観察者の目との間の空中に実像を結像させることにより、あたかも空中に映像や物体が浮遊しているかのような表示を行うことができる。特に、特許文献１〜３では、空中映像表示素子を用いて、観察者に立体像を視認させるようにしている。

より具体的には、特許文献１および２では、平板状の空中映像表示素子または表示器を移動させるとともに、その移動動作と同期して表示器の表示画像を変化させることにより、空中の異なる位置に画像を時分割で表示し、これによって観察者に立体像を視認させる。また、特許文献３では、プロジェクタと複数層の電子スクリーンとを用い、プロジェクタによって順次投影（表示）される奥行値に応じたスライスイメージを、奥行値に応じた場所の電子スクリーンにそれぞれ映し出し、これによって、平板状の空中映像表示素子に対して一方の面側に、目の残像効果によって立体像として視認可能な第１の像を表示させる。そして、この第１の像の実像（第２の像）を、空中映像表示素子の他方の面側の空中に結像させることにより、上記第２の像を立体像として観察者に視認させる。

特開２００９−２２９９０５号公報（請求項１、段落〔０００６〕、〔０００７〕、〔００２５〕、〔００３５〕〜〔００３８〕、図１、図５等参照） 特開２０１３−８０２２７号公報（請求項１、段落〔０００７〕、〔０００８〕、〔００２５〕、〔００３６〕〜〔００３９〕、図１、図５等参照） 特許第５６４６１１０号公報（請求項１、段落〔００１１〕、〔００２９〕〜〔００３９〕、図１等参照）

ところで、近年では、空中映像表示素子を車載用途に適用することが検討されている。例えば、表示器および空中映像表示素子を車のダッシュボードに組み込むことにより、運転手の前方または左斜め下方（右ハンドルの場合）の空中に、車の走行に関する情報（車速、積算距離、燃料などの情報）、地図またはオーディオの情報を映像として表示することができる。

このような車載用途では、運転席のシートに座る観察者（運転手）の体型（身長、脚の長さ、座高など）に応じて、シートの前後方向の位置が調整されるため、シートがどの位置に設定されても、運転手から見て適切な位置に（例えば運転手の目の前方３０ｃｍの位置に）、空中映像を表示することが望ましい。そのためには、シートの位置に応じて映像の表示位置（空中映像の結像位置）を変更することが必要となる。空中映像の結像位置の変更は、例えば特許文献１のように、表示器と空中映像表示素子との間の相対距離を変更することによって行うことができる。

このとき、空中映像を結像する原理上、空中映像表示素子から表示器が離れるほど、空中映像の結像位置を空中映像表示素子から離すことができる反面、上記結像位置での有効表示領域（観察者が空中映像を観察可能な領域）が小さくなる。このため、空中映像表示素子から離れた位置で表示器の表示画面全体に画像を表示させると、空中映像がその結像位置において有効表示領域内に収まらなくなり、有効表示領域からはみ出た映像部分はケラレて観察することができなくなる。その結果、空中映像全体の浮遊感が損なわれて観察者が違和感を抱いたり、空中映像の使用感も損ねる結果となる。

しかも、車載用途では、シートがどの位置であっても（運転手がどのような体型の人であっても）、各位置で同じ内容の情報（例えば地図情報）を空中に表示させることが必要である（そうでないと、運転手（体型）によっては同じ地図情報を観察することができない場合が生じ、不便である）。なお、上記の「各位置で同じ内容の情報」には、各位置で表示される映像が提示する情報の全てが同じである場合は勿論のこと、提示する情報の一部が同じである場合も含まれるものとする。

つまり、車載用途では、シート位置の変更に対応して、空中映像の結像位置がどのように変更されても、空中映像を有効表示領域内に収めるとともに、どの結像位置においても、観察者が同じ内容の情報を観察できるように空中映像を表示させることが必要である。しかし、このような空中映像の表示は、未だ実現されていない。

なお、上記した特許文献１〜３は、いずれも、表示器に表示する画像の画像データそのものを時分割で変える（時分割で異なる画像を表示させる）、またはプロジェクタによって投影する画像（スライスイメージ）のデータそのものを時分割で変えながら、空中の異なる位置に異なる映像を結像させ、これによって、全体として立体視可能な像を空中に表示する構成である。車載用途では、上述のように、シートがどの位置でも、同じ内容の情報を空中に表示させることが必要であることから、空中の異なる位置に異なる映像を結像させる特許文献１〜３の手法は、車載用途には不向きであり、その適用を検討することすらできない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、空中映像の結像位置がどのように変更されても、空中映像を有効表示領域内に収めて、観察者に違和感を生じさせたり、空中映像の使用感の低下を招くのを抑えることができるとともに、どの結像位置においても、観察者が同じ内容の情報を観察できるように空中映像を表示させることができる空中映像表示装置を提供することにある。

本発明の一側面に係る空中映像表示装置は、平板状の空中映像表示素子と、前記空中映像表示素子の一方の面側に配置される表示器とを備え、前記表示器に表示される画像の実像を、前記空中映像表示素子の他方の面側の空中に結像させて表示する空中映像表示装置であって、前記空中映像表示素子に対する前記表示器の距離を相対的に変化させる駆動機構と、前記表示器の表示を制御する表示制御部とを備え、前記表示制御部は、前記距離に応じて変化する前記実像の各結像位置にて、観察者が観察可能な有効表示領域内に前記実像が収まるように、前記表示器における前記画像の表示範囲を前記距離に応じて変更するとともに、前記距離の変化前の位置で前記表示器に表示される画像の表示態様を変更した画像を、前記距離の変化後の位置で前記表示器に表示させる。

前記表示制御部は、前記距離の変化前の位置で前記表示器に表示される画像の表示内容の少なくとも一部を保持したまま、前記画像の表示の仕方を変更した画像を、前記距離の変化後の位置で前記表示器に表示させてもよい。

前記表示制御部は、前記距離に応じた表示倍率で、前記画像を前記表示器にて表示させてもよい。

前記表示制御部は、前記距離が増大するにつれて、前記画像の表示倍率を小さくしてもよい。

前記表示制御部は、前記距離の増大前に前記表示器に表示された前記画像の一部を、表示倍率を一定としたまま、前記距離の増大後に前記表示器に表示させてもよい。

前記空中映像表示装置は、前記実像の観察者による入力を受け付ける入力部と、前記駆動機構を制御する駆動制御部とをさらに備え、前記駆動制御部は、前記入力部によって前記表示器の移動を指示する入力を受け付けたときに、前記入力に応じた位置に前記表示器が移動するように、前記駆動機構を駆動させてもよい。

前記表示制御部は、前記入力部によって、前記表示器における前記画像の表示範囲、表示倍率、表示位置の少なくともいずれかを調整する指示情報の入力を受け付けたときに、上記入力に基づいて、前記表示器における前記画像の表示を調整してもよい。

前記入力部は、前記実像の表示画面において物体によって指定される入力位置を、前記物体と非接触で検知する入力検知部を含んでいてもよい。

前記空中映像表示装置は、前記表示器を収容する筐体を含み、前記入力部は、前記筐体に設けられて、前記実像の観察者によって操作される操作部を含んでいてもよい。

駆動機構による空中映像表示素子と表示器との距離の変化により、空中映像の結像位置がどのように変更されても、表示制御部によって表示器における画像の表示範囲が上記距離に応じて変更されるため、表示器にて、変更後の表示範囲に画像を表示したときに、空中の実像のどの結像位置においても、その有効表示領域内に実像が収まる。これにより、上記距離が変更されても、観察する空中映像にケラレが生じなくなり、空中映像全体の浮遊感が損なわれて観察者に違和感が生じたり、空中映像の使用感が低下するのを抑えることができる。

しかも、表示制御部により、上記距離の変化前の位置で表示器に表示される画像の表示態様を変更した画像が、上記距離の変化後の位置で表示器に表示される。つまり、上記距離の変化の前後で、表示画像の全ての内容が変更されるわけではなく、距離変更前の表示画像の内容（例えば地図情報）を、距離変更後の表示画像においても引き続き示すことができる。これにより、どの結像位置の空中映像を観察する観察者も、同じ内容の情報（例えば地図情報）を観察することができ、特に車載用途に好適な空中映像表示装置を実現することができる。

本発明の実施の一形態に係る空中映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。 上記空中映像表示装置が有する空中映像表示素子の概略の構成を模式的に示す斜視図である。 上記空中映像表示素子による２次元での実像の結像原理を示す説明図である。 ３次元空間での光線の反射を模式的に示す説明図である。 ３次元空間において、点光源から発せられた複数の光線が、別々の反射面を介して１点に集光する様子を模式的に示す説明図である。 上記空中映像表示装置の主要部の構成を示すブロック図である。 上記空中映像表示装置の表示器の表示画面の一例を示す説明図である。 上記表示器に表示された画像を空中に結像した実像を示す説明図である。 上記空中映像表示装置の操作部の構成例を示す説明図である。 上記表示器の異なる位置で表示される画像の一例を示す説明図である。 上記表示器の異なる位置で表示される画像の他の例を示す説明図である。 上記表示器の異なる位置で表示される画像のさらに他の例を示す説明図である。 上記表示器にて画像の表示範囲が変更される様子を模式的に示す説明図である。 上記表示器にて画像の表示倍率が変更される様子を模式的に示す説明図である。 上記表示器にて画像の表示位置が変更される様子を模式的に示す説明図である。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明は、以下の内容に限定されるわけではない。

〔空中映像表示素子の構成〕
図１は、本実施形態の空中映像表示装置１の概略の構成を示す説明図である。空中映像表示装置１は、平板状の空中映像表示素子２と、像源としての表示器３とを備え、表示器３からの光を空中映像表示素子２で反射させて、空中映像表示素子２に対して表示器３とは反対側の空中に集めることにより、上記空中に表示器３に表示された画像の実像Ｒを結像させる。言い換えると、空中映像表示装置１は、空中映像表示素子２の一方の面２ａ側に配置される表示器３の表示画像の実像Ｒを、他方の面２ｂ側の空中に結像させて映像として表示する。表示器３は、例えば液晶表示装置などの表示装置を考えることができるが、プロジェクタとスクリーンとの組み合わせで構成されてもよい。以下、空中映像表示素子２の構成について説明する。

図２は、本実施形態の空中映像表示素子２の概略の構成を模式的に示す斜視図である。空中映像表示素子２は、２枚の光学プレート２０・３０を貼り合わせて構成されている。一方の光学プレート２０は、光学プレート２０・３０の積層方向（例えばＺ方向）に垂直な面内で互いに垂直な２方向のうちの一方向（例えばＸ方向）に、接着層を介して複数のミラー素子２１を並べることによって形成されている。ミラー素子２１は、透明部材２１ａを有している。透明部材２１ａは、例えばガラスからなる直方体状の透明基板（透明体）であり、Ｙ方向に延びている。そして、透明部材２１ａにおいて、対向する２面（例えばＹＺ面に沿った２面）のうちの少なくとも一方の面に、アルミニウムなどの金属膜の蒸着によってミラー２１ｂが形成されている。

他方の光学プレート３０は、上記２方向のうちの他の方向（例えばＹ方向）に、接着層を介して複数のミラー素子３１を並べることによって形成されている。ミラー素子３１は、透明部材３１ａを有している。透明部材３１ａは、例えばガラスからなる直方体状の透明基板（透明体）であり、Ｘ方向に延びている。そして、透明部材３１ａにおいて、対向する２面（例えばＺＸ面に沿った２面）のうちの少なくとも一方の面に、アルミニウムなどの金属膜の蒸着によってミラー３１ｂが形成されている。

上記のようにＸ方向に複数のミラー素子２１を並べて配置した光学プレート２０と、上記のようにＹ方向に複数のミラー素子３１を並べて配置した光学プレート３０とをＺ方向に積層することにより、光学プレート２０のミラー２１ｂと光学プレート３０のミラー３１ｂとは、平面視で（Ｚ軸方向から見て）互いに直交する位置関係となる。このような構成の空中映像表示素子２を用いることにより、空中に映像を結像させることができる。以下、その結像原理について簡単に説明する。

図３は、２次元（ＺＸ平面内）での実像の結像原理を示している。点光源Ｐから発せられた複数の光線は、Ｚ軸に平行な反射面（ミラー２１ｂ）でそれぞれ反射され、Ｘ軸に対して点光源Ｐとは反対側の位置Ｐ’（点光源ＰとＸ軸に対して対称な位置）に集光する。これにより、位置Ｐ’にて、点光源Ｐの実像が結像される。

図４は、３次元空間（ＸＹＺ座標系）での光線の反射を模式的に示している。３次元空間では、点光源Ｏから発せられた光線Ａを、ＺＸ平面内の光線ａ１と、ＹＺ平面内の光線ａ２とに分解し、図３に倣って、それぞれの光線ａ１・ａ２のＺＸ平面内またはＹＺ平面内での反射を考えることで、光線ＡのＺ軸との交点を求めることができる。つまり、ＺＸ平面内の光線ａ１は、ＹＺ面に平行な反射面（ミラー２１ｂ）で反射された後、Ｚ軸に向かい、ＹＺ平面内の光線ａ２は、ＺＸ面に平行な反射面（ミラー３１ｂ）で反射された後、Ｚ軸に向かう。これらの光線ａ１・ａ２は、Ｚ軸上の１点、つまり、点Ｏ’で交わる。したがって、光線ａ１・ａ２の合成からなる光線Ａは、ミラー２１ｂおよびミラー３１ｂにて計２回反射した後、Ｚ軸上の点Ｏ’に向かうことになる。

図５は、３次元空間において、点光源Ｏから発せられた複数の光線が、別々の反射面を介して１点に集光する様子を模式的に示している。点光源Ｏから発せられた複数の光線は、図４と同様にして、ＹＺ面に平行な反射面（ミラー２１ｂ）およびＺＸ面に平行な反射面（ミラー３１ｂ）で反射され、Ｚ軸上の同じ点Ｏ’に集光する。これにより、点Ｏ’にて、点光源Ｏの実像が結像される。

なお、平面視で交差するように配置される各反射面での計２回反射を利用して空中に映像を結像させる方式のことを、コーナーミラー方式と呼ぶことがある。本実施形態の空中映像表示素子もコーナーミラー方式を採用しているが、コーナーミラー方式の空中映像表示素子は、一方の面側に配置される像源の実像を他方の面側の空間位置に結像させる結像素子等（マイクロミラーアレイ、リフレクタアレイ、光学結像装置、反射型面対称結像素子群などを含む）と言い換えることも可能である。

なお、本実施形態では、２枚の光学プレート２０・３０を積層して空中映像表示素子２を構成しているが、１枚の光学プレートにおいて、互いに直交する反射面を２次元的に配置して空中映像表示素子２を構成してもよい。

〔空中映像表示装置の構成〕
次に、図１に戻って説明を続ける。空中映像表示装置１は、上記の空中映像表示素子２および像源３に加えて、入力検知部４と、操作部５と、駆動機構６と、制御部７（図６参照）と、筐体８とを備えている。なお、以下での説明において、実像Ｒの表示画面とは、空中映像表示素子２によって実像Ｒが実際に空中に表示（結像）されたときの表示領域（例えば矩形の領域）を指し、実像Ｒの表示位置（結像位置）とは、表示画面の空中での位置を指すものとする。

上記の空中映像表示素子２は、筐体８の開口部８ａに位置するように支持部材（図示せず）によって支持されているが、密閉される筐体８の内部に設けられてもよい。ただし、この場合、筐体８の少なくとも一部を透明部（透明カバー）で構成し、空中映像表示素子２からの光を、透明部を介して実像Ｒの結像位置に導くようにすることが必要である。表示器３および駆動機構６は、筐体８内に収容され、入力検知部４は、筐体８の外部に設けられ、操作部５は、筐体８の外面に設けられているが、このような配置に限定されるわけではない。例えば、入力検知部４は、筐体８の内部に設けられていてもよい。また、制御部７を搭載する制御基板は、筐体８の内部に設けられてもよいし、外部に設けられてもよい。なお、筐体８の内部での散乱光やゴースト光を吸収するために、筐体８における透明部以外の部分の内面は、黒色であることが望ましい。

入力検知部４は、空中に結像される実像Ｒの表示画面において、実像Ｒの観察者が物体Ｆによって入力を行うときに、その物体Ｆによって指定される入力位置を、物体Ｆと非接触で検知する。なお、物体Ｆとしては、例えば実像Ｒの観察者の手や指を想定することができる。入力検知部４は、上記入力位置の検知により、実像Ｒの観察者による所定の情報の入力を受け付ける入力部として機能する。

このような入力検知部４は、例えば、マイクロソフト社のＫｉｎｅｃｔ（登録商標）など、公知の非接触入力デバイスを用いることができる。ここで、Ｋｉｎｅｃｔ（登録商標）には、Light Coding方式（パターン照射方式とも呼ばれる）が採用されたセンサと、ＴＯＦ（Time of Flight）方式が採用されたセンサとの２種類がある。前者のセンサは、赤外線パターンを投光するＩＲプロジェクタと、投光された赤外線パターンを読み取るＩＲカメラとを備えており、物体に投光した赤外線パターンをＩＲカメラで撮影し、（工場出荷時にキャリブレーションしておいた）パラメータを用いて、三角測量により画像上の各点のデプス（位置）を算出する。

すなわち、Light Coding方式では、「キャリブレーション（準備）」と「テスト（実際の撮影）」との２段階で位置検知が行われる。「キャリブレーション」では、既知のパターンについて「パターン中の各点がどれだけ移動（シフト）すると、デプスがどれだけ変化するか」というパラメータを、単純で正確な物体（平面や立方体など）を撮影することによって予め求めておく。そして、「テスト」では、撮影した画像の各点が既知パターンのどの位置に相当するかを画像処理（テンプレートマッチングなど）によって求め、あとは「キャリブレーション」で求めておいたパラメータから、その画素のデプスを計算する。

一方、後者のセンサ（ＴＯＦ方式のセンサ）は、パルス変調された赤外線を投光するプロジェクタと、赤外線カメラとを備えており、物体に投光した赤外線が反射して戻ってくる時間を計測し、上記時間と赤外線の移動速度とから、物体の各点までの距離（位置情報）を得る。

また、入力検知部４としては、この他にも、リープモーション社のＬＥＡＰ ＭＯＴＩＯＮ（登録商標）コントローラや、ネオノード社のＡｉｒＢａｒ（商品名）も、入力検知部４として用いることができる。

操作部５は、例えばボタンやタッチパネル表示装置で構成され、駆動機構６による表示器３の移動を指示するために、実像Ｒの観察者によって押圧操作される。つまり、この操作部５は、入力検知部４と同様に、実像Ｒの観察者による入力を受け付ける入力部として機能する。なお、入力検知部４および操作部５のどちらか一方のみが入力部として設けられてもよい。

駆動機構６は、表示器３を移動可能に保持しており、表示器３を移動させることによって、空中映像表示素子２に対する表示器３の距離Ｄを変化させる。このような駆動機構６は、モータなどの駆動源と、シャフトやギア等の機械部品とを適切に組み合わせた従来の一般的な駆動機構で構成することができる。なお、上記の距離Ｄは、ここでは、空中映像表示素子２の面２ａの中心と表示器３の画像表示領域の中心との間の距離を指すものとするが、その他、表示器の表示画面に垂直な方向における、空中映像表示素子２の一端部と表示器３との距離（最短距離）としてもよい。

なお、駆動機構６は、空中映像表示素子２を移動可能に保持し、空中映像表示素子２を移動させることによって距離Ｄを変化させてもよい。つまり、駆動機構６は、空中映像表示素子２に対する表示器３の距離Ｄを相対的に変化させる構成であればよい。

図６は、空中映像表示装置１の主要部の構成を示すブロック図である。上記した制御部７は、表示制御部７ａと、駆動制御部７ｂとを含んで構成される。表示制御部７ａおよび駆動制御部７ｂは、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ；Central Processing Unit）でそれぞれ構成されるが、１つのＣＰＵを表示制御部７ａおよび駆動制御部７ｂとして機能させてもよい。表示制御部７ａは、入力部（入力検知部４または操作部５）にて受け付けた入力に基づいて表示器３の表示を制御する。なお、表示器３の表示制御の具体例については後述する。

駆動制御部７ｂは、入力部にて受け付けた入力に基づいて駆動機構６の駆動を制御する。例えば、入力部が入力検知部４で構成される場合、図７に示すように、表示器３の位置（距離Ｄの増減）を指定するためのＵＰボタン（距離増大ボタン）およびＤＯＷＮボタン（距離減少ボタン）が表示画面の一部に含まれるように表示器３にて画像を表示し、空中映像表示素子２により、図８に示すように、これらのＵＰボタンおよびＤＯＷＮボタンを含む実像Ｒを空中に結像させる。そして、実像Ｒに含まれるＵＰボタンまたはＤＯＷＮボタンの物体Ｆによる指定（入力位置）を入力検知部４によって検知し、上記指定の入力を受け付ける。駆動制御部７ｂは、入力検知部４で受け付けた入力に基づいて駆動機構６を制御し、駆動機構６によって、上記入力に応じた位置に表示器３を移動させる。

また、入力部が操作部５で構成される場合、例えば図９に示すように、操作部５を、機械的に押圧することが可能なＵＰボタン５ａ（距離増大ボタン）およびＤＯＷＮボタン５ｂ（距離減少ボタン）を含んで構成する。観察者が、ＵＰボタン５ａまたはＤＯＷＮボタン５ｂを押圧すると、操作部５は表示器３の移動の指示入力を受け付ける。駆動制御部７ｂは、操作部５の操作によって受け付けた入力に基づいて駆動機構６を制御し、駆動機構６によって、上記入力に応じた位置に表示器３を移動させる。なお、操作部５をタッチパネル表示装置で構成した場合は、ＵＰボタン５ａおよびＤＯＷＮボタン５ｂに相当する表示を行って、ＵＰボタン５ａまたはＤＯＷＮボタン５ｂの押圧を検知して、表示器３の移動指示の入力を受け付けるようにすればよい。

〔表示制御について〕
空中映像表示素子２の上述した結像原理により、空中映像表示素子２によって空中に結像される実像Ｒは、空中映像表示素子２に対して、表示器３の位置と対称な位置に表示される。例えば、図１において、駆動機構６により、空中映像表示素子２に対して表示器３が第１の位置ＴＡに移動すると、第１の位置ＴＡで表示された画像の実像Ｒは、空中映像表示素子２に対して第１の位置ＴＡと対称な結像位置ＶＡに表示される。また、表示器３が第１の位置ＴＡに対して空中映像表示素子２とは反対側の第２の位置ＴＢに移動すると、第２の位置ＴＢで表示された画像の実像Ｒは、空中映像表示素子２に対して第２の位置ＴＢと対称な結像位置であって、結像位置ＶＡに対して空中映像表示素子２とは反対側の結像位置ＶＢに表示される。つまり、表示器３が第１の位置ＴＡから第２の位置ＴＢに移動すると（距離Ｄが増大すると）、実像Ｒの結像位置は、結像位置ＶＡから結像位置ＶＢに移動し、空中映像表示素子２から離れる（観察者に近づく）。逆に、表示器３が第２の位置ＴＢから第１の位置ＴＡに移動すると（距離Ｄが減少すると）、実像Ｒの結像位置は、結像位置ＶＢから結像位置ＶＡに移動し、空中映像表示素子２に近づく（観察者から遠ざかる）。

観察者は、観察者の視点と平板状の空中映像表示素子２の両端部のそれぞれとを結ぶ画角範囲内で、実像Ｒを観察できる。したがって、結像位置ＶＢの実像Ｒを観察者が観察できる領域ＥＢは、結像位置ＶＡの実像Ｒを観察者が観察できる領域ＥＡよりも小さくなる。このように、実像Ｒの結像位置ＶＡ・ＶＢにおいて、観察者が実像Ｒを観察可能となる領域ＥＡ・ＥＢのことを、有効表示領域とも称する。有効表示領域の大きさは、上記のように実像Ｒの結像位置によって変化するが、実像Ｒの結像位置は、上記した距離Ｄに応じて変化することから、結局、有効表示領域の大きさは、距離Ｄに応じて変化すると言える。

したがって、例えば空中映像表示素子２から離れた第２の位置ＴＢで表示器３の表示画面全体に画像を表示させると、結像位置ＶＢで結像される実像Ｒが有効表示領域ＥＢ内に収まらなくなる。そして、有効表示領域ＥＢからはみ出た映像部分はケラレて観察者が観察することができなくなり、前述のように、観察者が違和感を抱いたり、空中映像の使用感を損ねる結果となる。

そこで、本実施形態では、表示制御部７ａは、実像Ｒの各結像位置ＶＡ・ＶＢにて、有効表示領域（領域ＥＡ・ＥＢ）内に実像Ｒが収まるように、表示器３における画像の表示範囲を距離Ｄに応じて変更する。例えば、表示器３が第１の位置ＴＡにあるとき、表示制御部７ａは、結像位置ＶＡにて領域ＥＡ内に実像Ｒが収まるような表示器３の表示範囲Ｔ₁内に画像を表示させる。一方、表示器３が第２の位置ＴＢにあるとき、表示制御部７ａは、結像位置ＶＢにて領域ＥＢ内に実像Ｒが収まるような表示器３の表示範囲Ｔ₂内に画像を表示させる。ただし、表示器３の表示画面上で、表示範囲Ｔ₂は、表示範囲Ｔ₁よりも狭い（表示面積が小さい）ものとする。

併せて、表示制御部７ａは、距離Ｄの変化前の位置（例えば第１の位置ＴＡ）で表示器３に表示される画像の表示態様を変更した画像を、距離Ｄの変化後の位置（例えば第２の位置ＴＢ）で表示器３に表示させる。なお、「画像の表示態様を変更する」とは、距離Ｄの変化の前後で同じ内容の情報が画像として表示されるように、画像の表示の仕方（方式）を変更することを指す。なお、上記の「同じ内容の情報」には、表示される画像が提示する情報の全てが同じである場合は勿論のこと、提示する情報の一部が同じである場合も含まれるものとする。言い換えれば、「画像の表示態様を変更する」とは、画像の表示内容の少なくとも一部を保持したまま、画像の表示の仕方を変更することを指す。以下、表示制御部７ａによる表示制御の具体例について説明する。

なお、以下では、入力部（入力検知部４または操作部５）が外部からの表示器３の移動を指示する入力を受け付け、駆動制御部７ｂが、上記入力に応じた位置に表示器３が移動するように駆動機構６を駆動させ、この結果、表示器３の位置が第１の位置ＴＡまたは第２の位置ＴＢに調整される例について説明するが、他の位置に調整される場合も、以下と同様の表示制御を適用することができる。

また、以下の説明とともに参照する図面では、図示が複雑になるのを防ぐため、便宜的に、表示器３の表示画面におけるＵＰボタンおよびＤＯＷＮボタンの図示を省略するが、実際は、ＵＰボタンおよびＤＯＷＮボタンが他の表示画像と一緒に表示されて、他の表示画像の表示態様の変化と同様に変化するものとする（例えば表示倍率が変化する）。

図１０は、表示器３の異なる位置（第１の位置ＴＡ、第２の位置ＴＢ）で表示される画像の一例を示している。表示制御部７ａは、表示器３が第１の位置ＴＡに位置するとき、表示器３の表示画面上において、表示範囲Ｔ₁内に画像を表示させる一方、表示器３が第２の位置ＴＢに位置するとき、表示器３の表示画面上で表示範囲Ｔ₁よりも狭い表示範囲Ｔ₂内に画像を表示させる。これにより、表示器３が第１の位置ＴＡにあるときは、表示器３の表示範囲Ｔ₁で表示した画像の実像Ｒを、結像位置ＶＡの領域ＥＡ内に結像させることができ、観察者は、その実像Ｒを観察することが可能となる。同様に、表示器３が第２の位置ＴＢにあるときは、表示器３の表示範囲Ｔ₂で表示した画像の実像Ｒを、結像位置ＶＢの領域ＥＢ内に結像させることができ、観察者は、その実像Ｒを観察することが可能となる。

このとき、表示制御部７ａは、距離Ｄに応じた表示倍率で、画像を表示器３にて表示させる。例えば、表示制御部７ａは、距離Ｄが増大するにつれて、表示器３における画像の表示倍率を小さくする。より具体的には、表示器３が第１の位置ＴＡに位置するときに表示される画像の倍率を基準（１倍）としたとき、表示制御部７ａは、表示器３が第２の位置ＴＢに位置するときに表示される画像の倍率を、１倍よりも小さくする。これにより、同図のように、表示器３の第２の位置ＴＢでは、第１の位置ＴＡでの画像表示によって提示する情報（図１０の例では「ＡＢＣＤＥ」、「１２３４５」の文字情報）と全く同じ情報を持つ画像を（表示範囲Ｔ₁よりも狭い表示範囲Ｔ₂内に）表示させることができる。つまり、表示器３の第２の位置ＴＢでは、第１の位置ＴＡでの画像の表示内容を変更せず、表示態様のみを変更した画像を表示させることができる。

図１１は、表示器３の異なる位置（第１の位置ＴＡ、第２の位置ＴＢ）で表示される画像の他の例を示している。表示制御部７ａが、表示器３が第１の位置ＴＡに位置するとき、表示器３の表示画面上において、表示範囲Ｔ₁内に画像を表示させ、表示器３が第２の位置ＴＢに位置するとき、表示器３の表示画面上で表示範囲Ｔ₁よりも狭い表示範囲Ｔ₂内に画像を表示させる点は、図１０と同様である。図１１の例では、表示制御部７ａは、距離の増大前に（第１の位置ＴＡで）表示器３に表示された画像の一部を、表示倍率を一定としたまま、距離Ｄの増大後に（第２の位置ＴＢで）表示器３に表示させている。この場合、距離Ｄの増大後に表示器３に表示される画像（「１２３４５」の文字情報）については、距離Ｄの増大前と同じであることに変わりはなく、距離Ｄの増大前の画像の表示態様を変更した画像として扱うことができる。

図１２は、表示器３の異なる位置（第１の位置ＴＡ、第２の位置ＴＢ）で表示される画像のさらに他の例を示している。表示器３に表示される画像は、上記の文字情報以外にも、例えば選択可能な複数のボタンを表した図形（イラストを含む）であってもよい。この場合、表示制御部７ａは、図１１と同様の表示制御を行うことができる。つまり、表示制御部７ａは、距離の増大前に（第１の位置ＴＡで）表示器３に表示された画像の一部（複数のボタンの図形）を、表示倍率を一定としたまま、距離Ｄの増大後に（第２の位置ＴＢで）表示器３に表示させる制御を行うことができる。なお、車載用途では、例えば、距離Ｄの増大前に表示した、地図と地名等の文字情報とを重ね合わせた画像から、その画像の一部を抜き出して、距離Ｄの増大後に同じ表示倍率で表示器３に表示させるような表示制御を行ってもよい。

以上のように、表示器３の位置が、駆動機構６によって第１の位置ＴＡに変更されても、第２の位置ＴＢに変更されても、つまり、実像Ｒの結像位置が、結像位置ＶＡに変更されても、結像位置ＶＢに変更されても、表示制御部７ａによって、表示器３における画像の表示範囲が、実像が結像位置の有効表示領域に収まる範囲（表示範囲Ｔ₁またはＴ₂）に適切に調整される。これにより、結像位置ＶＡにおいても、結像位置ＶＢにおいても、空中に結像される実像Ｒが領域ＥＡまたは領域ＥＢ内に収まり、観察する空中映像（実像Ｒ）にケラレが生じなくなる。なお、表示器３の位置が上記以外の位置に変更された場合も、表示器３における画像の表示範囲を、上記と同様に、実像Ｒが結像位置の有効表示領域に収まる範囲に調整することにより、観察する空中映像にケラレが生じなくなる。したがって、表示器３の位置（距離Ｄ）がどのように変更されても、上記ケラレの発生によって空中映像全体の浮遊感が損なわれて観察者に違和感が生じたり、空中映像の使用感が低下するのを抑えることができる。

しかも、表示制御部７ａにより、距離Ｄの変化前の位置（例えば第１の位置ＴＡ）で表示器３に表示される画像の表示態様を変更した画像（例えば縮小画像）が、距離Ｄの変化後の位置（例えば第２の位置ＴＢ）で表示器３に表示される。このように、距離Ｄの変化の前後で、表示画像の内容全てが変更されるわけではなく、距離Ｄの変化前の表示画像の内容を、距離Ｄの変化後の表示画像においても引き続き示すことができる。したがって、どの結像位置においても、観察者が同じ内容の情報を観察できる空中映像（実像Ｒ）を表示させることができ、車載用途に好適な空中映像表示装置１を実現することができる。

つまり、車載用途では、観察者の体型に応じて運転席のシートの位置が調整されるため、複数のシートの位置のそれぞれに対応する複数の結像位置に空中映像を結像させる必要がある。この場合でも、上述した本実施形態の構成によれば、各結像位置にて同じ内容の情報を空中映像として表示させることができるため、特に地図情報等を各シート位置の観察者に共通して実像Ｒとして提示する必要のある車載用途に好適となる。言い換えれば、本実施形態の空中映像表示装置１は、車載用の空中映像表示装置１として好適に用いることができる。

特に、表示制御部７ａは、距離Ｄの変化前の位置で表示器３に表示される画像の表示内容の少なくとも一部を保持したまま、上記画像の表示の仕方を変更した画像を、距離Ｄの変化後の位置で表示器３に表示させる。これにより、距離Ｄの変化の前後で、共通の表示内容を含み、かつ、表示態様だけが異なる画像を表示器３にて確実に表示させることができる。

また、図１０で示したように、表示制御部７ａは、距離Ｄ（表示器３の位置）に応じた表示倍率で、画像を表示器３にて表示させる。これにより、距離Ｄがどのように変更されても、距離Ｄの変更前と全く同じ内容の情報を、距離Ｄの変更後に画像として表示器３に表示させることができる。したがって、距離Ｄの変更の前後で、表示器３に表示する画像が示す内容の同一性を維持（確保）することができる。

特に、表示制御部７ａは、距離Ｄが増大するにつれて、画像の表示倍率を小さくする。これにより、距離Ｄの増大に伴って、表示器３にて画像の表示範囲が、表示範囲Ｔ₁から表示範囲Ｔ₂に狭くなる場合でも、より広い表示範囲Ｔ₁で表示した画像と同じ内容の情報を、より狭い表示範囲Ｔ₂内に画像として確実に表示させることができる。その結果、距離Ｄの変更の前後で、表示器３に表示する画像が示す内容の同一性を確実に維持することができる。

また、図１１および図１２で示したように、表示制御部７ａは、距離Ｄの増大前に表示器３に表示された画像の一部を、表示倍率を一定としたまま、距離Ｄの増大後に表示器３に表示させている。この場合、距離Ｄの増大前後で、空中に結像される実像Ｒの大きさ（倍率）が一定であるため、観察者は、どの結像位置の実像Ｒを観察する場合でも、実像Ｒを視認しやすくなる。しかも、距離Ｄの増大前に表示器３に表示された画像の一部が、引き続き、距離Ｄの増大後も表示器３に表示されるため、観察者は、異なる実像Ｒの結像位置のそれぞれにおいて共通する内容（上記画像の一部に対応する実像）を観察できることに変わりはない。また、例えば、距離Ｄの増大前に表示器３に表示される画像が複数の情報を含んでいる場合には、そのうち、必要最小限の情報（例えば優先度の高い情報）を上記画像の一部として、距離Ｄの増大後に表示器３に表示させることも可能となり、利便性が向上する。

また、駆動制御部７ｂは、入力部（入力検知部４または操作部５）によって表示器３の移動を指示する入力を受け付けたときに、上記入力に応じた位置に表示器３が移動するように、駆動機構６を駆動させる。これにより、観察者は、移動指示によって表示器３の位置を自由に調整して、空中で自分が見やすい適切な位置（結像位置）に実像Ｒを表示させることができる。

特に、上記入力部が入力検知部４を含む場合、観察者は実像Ｒの表示画面上で、表示器３の移動を物体Ｆ（図１参照）による指示入力によって簡単に指示することができ、便利である。また、上記入力部が、筐体８に設けられる操作部５を含む構成では、観察者は操作部５の直接の操作によって表示器３の移動を確実に指示することができる。

〔画像表示の微調整について〕
例えば車載用途では、複数の観察者（運転手）の間で、シートの位置が同じであっても、観察者の体型（特に座高）によって、実像Ｒを観察するときの視線方向が異なる場合がある。また、観察者によっては、実像Ｒの表示位置を自分の好みに合った位置に変更したい場合もある。これらの場合、観察者が、表示される実像Ｒの表示範囲、表示倍率、表示位置（表示面内での画像の位置）の少なくともいずれかを微調整できるようにすれば、観察者ごとに、最適な位置に表示される実像Ｒを観察することができ、大変便利である。

そこで、上記の入力部（入力検知部４または操作部５）が、表示器３の移動指示の入力の他に、表示器３における画像の表示範囲、表示倍率、表示位置の少なくともいずれかを調整する指示情報の入力を受け付け、表示制御部７ａが、上記入力に基づいて、表示器３における画像の表示を調整する構成としてもよい。

例えば、実像Ｒが画像の表示範囲の調整キー（表示範囲を広げる増大キー、表示範囲を狭める減少キー）を含むように、表示器３に画像を表示させる。観察者が、実像Ｒの表示画面において、所定の調整キー（増大キーまたは減少キー）を物体Ｆ（例えば指）で指定すると、入力検知部４はこの物体Ｆによる指定入力を検知する。これにより、表示制御部７ａは、上記入力に基づいて、表示器３における画像の表示範囲を（文字等の表示倍率を変えずに）調整することができる。例えば、実像Ｒにおいて増大キーの指定入力が検知された場合、表示制御部７ａにより、表示器３における画像の表示範囲Ｔｍが図１３の上段のように広げられる。一方、実像Ｒにおいて減少キーの指定入力が検知された場合、表示制御部７ａにより、表示器３における画像の表示範囲Ｔｍが図１３の下段のように狭められる。

また、例えば、実像Ｒの任意の結像位置において、空中の実像Ｒの任意の位置を物体Ｆ（例えば２本の指）で指定してピンチイン（指と指の距離を縮める操作）またはピンチアウト（指と指の距離を広げる操作）を行うと、入力検知部４はこの物体Ｆの動きを検知する。これにより、表示制御部７ａは、上記入力に基づいて、表示器３における画像の表示倍率を調整することができる。例えば、実像Ｒの結像位置でピンチアウトが検知された場合、表示制御部７ａにより、表示器３における画像の表示倍率が図１４の上段のように増大される（表示画像が拡大される）。一方、実像Ｒの結像位置でピンチインが検知された場合、表示制御部７ａにより、表示器３における画像の表示倍率が図１４の下段のように減少される（表示画像が縮小される）。

また、例えば、実像Ｒの任意の結像位置において、空中の実像Ｒの任意の位置を物体Ｆ（例えば１本の指）で指定してスワイプ（指を一方向に滑らす操作）を行うと、入力検知部４はこの物体Ｆの動き（移動方向、移動量を含む）を検知する。これにより、表示制御部７ａは、上記入力に基づいて、表示器３における画像の表示位置を調整することができる。例えば、実像Ｒの結像位置で画面中央から下方へのスワイプが検知された場合、表示制御部７ａにより、表示器３における画像の表示位置（表示範囲Ｔｍの位置）が、図１５の上段のように画面中央から下方に調整される。一方、実像Ｒの結像位置で画面下方から中央へのスワイプが検知された場合、表示制御部７ａにより、表示器３の位置Ｔｍにおける画像の表示位置が、図１５の下段のように画面下方から中央に調整される。

以上のように、表示制御部７ａが、表示器３における画像の表示範囲、表示倍率、表示位置の少なくともいずれかを調整する指示情報の入力に基づいて、表示器３における画像の表示を調整することにより、観察者ごとに最適な表示位置に実像Ｒを表示させて、観察者に観察させることができる。また、入力検知部４が観察者による指示入力を検知できるため、観察者は、表示器３の位置（距離Ｄ）、表示器３における画像の表示範囲、表示倍率、表示位置を独立して指定入力することが可能となり、駆動制御部７ｂまたは表示制御部７ａは、この指定入力に基づいてこれらを独立して調整することが可能となる。

なお、操作部５によって、表示器３における画像の表示範囲、表示倍率、表示位置の少なくともいずれかを調整する場合でも、操作部５に、画像の表示範囲等を調整するためのボタンを設けたり、そのボタンを表示させる（操作部５がタッチパネル表示装置の場合）ことにより、表示制御部７ａは、上記と同様に、操作部５による指示情報の入力に基づいて、表示器３における画像の表示範囲等を調整することができる。

なお、本実施形態で説明した空中映像表示装置１は、実像Ｒの観察者の視線を検知する視線検知装置をさらに含んでいてもよい。上記視線検知装置としては、赤外線を出射する光源と、赤外線を撮影可能なカメラとを備えた公知の視線検出装置を用いることができる。そして、表示制御部７ａは、視線検知装置によって検知された観察者の視線に応じた位置に表示器３が位置するように駆動機構６を制御してもよい。視線検知を利用することで、観察者による表示器３の移動を指示する入力（物体Ｆによる入力および操作部５の直接の操作による入力）が不要となり、利便性が益々増大する。

本発明は、例えば、表示器に表示される画像の実像を空中に表示する空中映像表示装置に利用可能である。

１ 空中映像表示装置
２ 空中映像表示素子
３ 表示器
４ 入力検知部（入力部）
５ 操作部（入力部）
６ 駆動機構
７ａ 表示制御部
７ｂ 駆動制御部
８ 筐体
Ｆ 物体
Ｒ 実像

Claims (9)

1. 平板状の空中映像表示素子と、
   前記空中映像表示素子の一方の面側に配置される表示器とを備え、前記表示器に表示される画像の実像を、前記空中映像表示素子の他方の面側の空中に結像させて表示する空中映像表示装置であって、
   前記空中映像表示素子に対する前記表示器の距離を相対的に変化させる駆動機構と、
   前記表示器の表示を制御する表示制御部とを備え、
   前記表示制御部は、前記距離に応じて変化する前記実像の各結像位置にて、観察者が観察可能な有効表示領域内に前記実像が収まるように、前記表示器における前記画像の表示範囲を前記距離に応じて変更するとともに、前記距離の変化前の位置で前記表示器に表示される画像の表示態様を変更した画像を、前記距離の変化後の位置で前記表示器に表示させることを特徴とする空中映像表示装置。
2. 前記表示制御部は、前記距離の変化前の位置で前記表示器に表示される画像の表示内容の少なくとも一部を保持したまま、前記画像の表示の仕方を変更した画像を、前記距離の変化後の位置で前記表示器に表示させ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。
3. 前記表示制御部は、前記距離に応じた表示倍率で、前記画像を前記表示器にて表示させることを特徴とする請求項１または２に記載の空中映像表示装置。
4. 前記表示制御部は、前記距離が増大するにつれて、前記画像の表示倍率を小さくすることを特徴とする請求項３に記載の空中映像表示装置。
5. 前記表示制御部は、前記距離の増大前に前記表示器に表示された前記画像の一部を、表示倍率を一定としたまま、前記距離の増大後に前記表示器に表示させることを特徴とする請求項１または２に記載の空中映像表示装置。
6. 前記実像の観察者による入力を受け付ける入力部と、
   前記駆動機構を制御する駆動制御部とをさらに備え、
   前記駆動制御部は、前記入力部によって前記表示器の移動を指示する入力を受け付けたときに、前記入力に応じた位置に前記表示器が移動するように、前記駆動機構を駆動させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の空中映像表示装置。
7. 前記表示制御部は、前記入力部によって、前記表示器における前記画像の表示範囲、表示倍率、表示位置の少なくともいずれかを調整する指示情報の入力を受け付けたときに、上記入力に基づいて、前記表示器における前記画像の表示を調整することを特徴とする請求項６に記載の空中映像表示装置。
8. 前記入力部は、前記実像の表示画面において物体によって指定される入力位置を、前記物体と非接触で検知する入力検知部を含むことを特徴とする請求項６または７に記載の空中映像表示装置。
9. 前記表示器を収容する筐体を含み、
   前記入力部は、前記筐体に設けられて、前記実像の観察者によって操作される操作部を含むことを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の空中映像表示装置。

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