JP7424889B2 - 画像表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、画像表示装置に関し、特に空間の奥行方向に複数の画像を重ね合わせて結像させる画像表示装置に関する。
従来から、車両内に各種情報を表示する装置として、アイコンを点灯表示する計器盤が用いられている。また、表示する情報量の増加とともに、計器盤に画像表示装置を埋め込むことや、計器盤全体を画像表示装置で構成することも提案されている。
しかし、計器盤は車両のフロントガラスより下方に位置しているため、計器盤に表示された情報を運転者が視認するには、運転中に視線を下方に移動させる必要があるため好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、運転者が車両の前方を視認したときに情報を読み取れるようにするヘッドアップディスプレイ（以下ＨＵＤ：Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）も提案されている（例えば、特許文献１を参照）。このようなＨＵＤでは、フロントガラスの広い範囲に画像を投影するための光学装置が必要であり、光学装置の小型化および軽量化が望まれている。
一方で、小型の光学装置を用いて光を投影する画像表示装置としては、メガネ形状をしたヘッドマウント型のＨＵＤが知られている（例えば、特許文献２を参照）。ヘッドマウント型のＨＵＤでは、光源から照射された光を視聴者の眼に直接照射して、視聴者の網膜に画像を投影している。
特開２０１８－１１８６６９号公報 特表２０１８－５２８４４６号公報
しかし、従来のヘッドマウント型ＨＵＤでは、背景と画像を重ね合わせて表示することはできるものの、空中に結像した画像（エアリアルイメージ）の結像位置が視聴者の視野内において固定されており、表示位置の自由度が低かった。特に、視線方向において奥行位置が固定された画像表示であるため、複数画像を表示するためには表示領域を拡げる必要があり、視野に占める画像の比率が高くなり背景を視認しにくくなるという問題があった。また、複数の画像が並列して表示されるため、直感的に各画像を個別に分離して識別することが困難であった。
そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、空間中に結像させる画像の奥行方向における自由度を向上させることが可能な画像表示装置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、本発明の画像表示装置は、第１画像を照射する第１画像投影部と、前記第１画像投影部が照射した光の一部を第１方向に反射するとともに、残りの光を第２方向に透過する第１ビームスプリッタと、前記第１ビームスプリッタから前記第１方向または前記第２方向の一方に進んだ光を前記第１ビームスプリッタに再帰反射させる再帰反射部と、前記第１ビームスプリッタから前記第１方向または前記第２方向の他方に進んだ光を前記第１ビームスプリッタに反射させる反射部とを備え、前記再帰反射部および前記反射部が反射した光を空間上に結像させる結像光学部を備え、前記結像光学部は、前記第１画像投影部が照射する光の波長を選択的に反射するダイクロイックミラーであることを特徴とする。
このような本発明の画像表示装置では、第１ビームスプリッタで分岐した光を再帰反射部と反射部で反射させ、結像光学部で空間上に結像させるため、再帰反射部で反射された光と反射部で反射された光の結像位置を異ならせることができ、空間中に結像させる画像の奥行方向における自由度を向上させることが可能となる。
また本発明の一態様では、前記結像光学部は、前記第１画像投影部が照射する光の波長を選択的に反射するダイクロイックミラーである。
また本発明の一態様では、前記第１ビームスプリッタと前記再帰反射部の間、および／または前記第１ビームスプリッタと前記反射部の間に、光の通過と遮断を切り替えるシャッター部を備える。
また、上記課題を解決するために、本発明の画像表示装置は、第１画像を照射する第１画像投影部と、第２画像を照射する第２画像投影部と、前記第１画像投影部が照射した光の一部を第１方向に反射するとともに、残りの光を第２方向に透過する第１ビームスプリッタと、前記第１ビームスプリッタから前記第１方向または前記第２方向の一方に進んだ光を前記第１ビームスプリッタに再帰反射させる再帰反射部と、前記第１ビームスプリッタから前記第１方向または前記第２方向の他方に進んだ光を前記第１ビームスプリッタに反射させる反射部とを備え、前記再帰反射部および前記反射部が反射した光を空間上に結像させる結像光学部を備え 、 前記第１画像投影部が照射する光は第１波長であり、前記第２画像投影部が照射する光は前記第１波長と異なる第２波長であり、前記第１ビームスプリッタは、前記第２画像投影部が照射した光の一部を前記第１方向に反射するとともに、残りの光を前記第２方向に透過し、前記第１ビームスプリッタと前記再帰反射部の間、または前記第１ビームスプリッタと前記反射部の間の一方に、前記第１波長をカットし前記第２波長を透過する第１フィルタを備え、前記第１ビームスプリッタと前記再帰反射部の間、または前記第１ビームスプリッタと前記反射部の間の他方に、前記第２波長をカットし前記第１波長を透過する第２フィルタを備えることを特徴とする。
また本発明の一態様では、前記第１画像の結像位置と、前記第２画像の結像位置が異なっている。
また本発明の一態様では、支点を回転中心として前記結像光学部を回動可能に保持する回転支持部を有する。
また、上記課題を解決するために、本発明の画像表示装置は、第１画像を照射する第１画像投影部と、第３画像を表示する透過型表示部と、前記第１画像投影部が照射した光の一部を第１方向に反射するとともに、残りの光を第２方向に透過する第１ビームスプリッタと、前記第１ビームスプリッタから前記第１方向または前記第２方向の一方に進んだ光を前記第１ビームスプリッタに再帰反射させる再帰反射部と、前記第１ビームスプリッタから前記第１方向または前記第２方向の他方に進んだ光を前記第１ビームスプリッタに反射させる反射部と、前記再帰反射部および前記反射部が反射した光を空間上に結像させる結像光学部を備え、前記第１画像と前記第３画像が同じ視野範囲に表示されることを特徴とする。
本発明では、空間中に結像させる画像の奥行方向における自由度を向上させることが可能な画像表示装置を提供することができる。
第１実施形態に係る画像表示装置１００の構成を示す模式平面図である。 画像表示装置１００を用いた表示例を示す写真であり、図２（ａ）はダイクロイックミラーＤＭより近距離に焦点を合わせた写真であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の部分拡大写真であり、図２（ｃ）はダイクロイックミラーＤＭより遠距離に焦点を合わせた写真であり、図２（ｄ）は図２（ｃ）の部分拡大写真である。 画像表示装置１００を用いた別の表示例を示す写真であり、図３（ａ）はダイクロイックミラーＤＭより近距離に焦点を合わせた写真であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の部分拡大写真であり、図３（ｃ）はダイクロイックミラーＤＭより遠距離に焦点を合わせた写真であり、図３（ｄ）は図３（ｃ）の部分拡大写真である。 画像表示装置１００を用いたさらに別の表示例を示す写真であり、図４（ａ）はダイクロイックミラーＤＭより近距離に焦点を合わせた写真であり、図４（ｂ）はダイクロイックミラーＤＭより遠距離に焦点を合わせた写真である。 第２実施形態に係る画像表示装置１１０の構成を示す模式平面図である。 第３実施形態に係る画像表示装置１２０の構成と再帰反射部を用いた表示を示す模式平面図である。 第３実施形態に係る画像表示装置１２０の構成と反射部を用いた表示を示す模式平面図である。 第４実施形態に係る画像表示装置１３０の構成を示す模式平面図である。 第５実施形態に係る画像表示装置１４０の構成を示す模式平面図である。 第６実施形態に係る画像表示装置１５０の構成を示す模式側面図である。 第６実施形態に係る画像表示装置１５０の構成を示す模式斜視図である。
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、本実施形態に係る画像表示装置１００の構成を示す模式平面図である。図１に示すように画像表示装置１００は、第１画像投影部Ｓ１と、第１ビームスプリッタＢＳ１と、第２ビームスプリッタＢＳ２と、再帰反射部ＲＲと、反射部Ｍと、ダイクロイックミラーＤＭとを備えている。図中において破線および二点鎖線で示した線は、第１画像投影部Ｓ１から照射された光の経路を模式的に示している。
図１に示した画像表示装置１００では、視聴者は第１画像投影部Ｓ１から投影された第１前画像Ａ１、第１後画像Ｒ１を奥行方向に視点から異なる距離に視認する。図１においては、第１前画像Ａ１、第１後画像Ｒ１が並ぶ方向を奥行方向とし、奥行方向に直交する上下方向を横方向とし、奥行方向と横方向に直交する方向を垂直方向とする。ここで、図１では視点からの視線方向である奥行き方向に向かって左右を表現するが、横方向および垂直方向は図１における位置関係を表すためのものであり、上下左右が変更されてもよい。
第１画像投影部Ｓ１は、画像を構成する光を照射する装置であり、視聴者の目（視点）から所定距離に対して画像を投影する。第１画像投影部Ｓ１は、第２ビームスプリッタＢＳ２の右方向に配置され、第２ビームスプリッタＢＳ２の一方の面（第１ビームスプリッタＢＳ１と対向する面）に対して横方向に光を照射する。
第１画像投影部Ｓ１の構成は限定されず、バックライトを備えた液晶表示装置、自発光の有機ＥＬ表示装置、光源と変調素子を用いたプロジェクター装置等を用いることができる。第１画像投影部Ｓ１が投影する画像は、静止画でも動画であってもよい。また、第１画像投影部Ｓ１にレンズ等の光学部材を含ませてもよい。
第１ビームスプリッタＢＳ１は、入射した光の一部を透過するとともに一部を反射する部材であり、表面に反射率を調整する膜が形成された部分反射板を用いることができる。第１ビームスプリッタＢＳ１は横方向と奥行方向に対して４５度の角度となるように配置されている。また、第１画像投影部Ｓ１から照射される光の光軸に対しても４５度傾斜して配置されている。
第２ビームスプリッタＢＳ２は、入射した光の一部を透過するとともに一部を反射する部材であり、表面に反射率を調整する膜が形成された部分反射板を用いることができる。第２ビームスプリッタＢＳ２は横方向と奥行方向に対して４５度の角度となるように傾斜して配置されている。また、第１画像投影部Ｓ１から照射される光の光軸に対しても４５度傾斜して配置されている。さらに、第１ビームスプリッタＢＳ１と第２ビームスプリッタＢＳ２の傾斜方向は互いに反対であり、９０度の角度で交差するように対向して配置されている。
ここでは、第１ビームスプリッタＢＳ１および第２ビームスプリッタＢＳ２での光の透過率と反射率は任意のバランスを選択することができるが、例えば透過率を５０％として反射率を５０％とする。また、第１ビームスプリッタＢＳ１および第２ビームスプリッタＢＳ２の傾斜角度として４５度と直交の例を示したが、第１画像投影部Ｓ１からの光照射方向と画像の結像位置との関係から適切な角度を用いることができる。
再帰反射部ＲＲは、入射した光を入射方向に対して集光性を保ったまま反射させる光学部材であり、反射膜の表面側に微小なガラスビーズを敷き詰めた構造やプリズムを用いた構造の再帰反射部を用いることができる。再帰反射部ＲＲは、第１ビームスプリッタＢＳ１の右方向に配置され、主面が左右方向を向いて配置されている。
反射部Ｍは、入射した光を入射方向に対して正反射する光学部材であり、板状部材の表面に鏡面加工を施した構造のミラー等を用いることができる。反射部Ｍは、第１ビームスプリッタＢＳ１および第２ビームスプリッタＢＳ２と並んで奥行方向に配置され、主面が奥行方向を向いて配置されている。図１では反射部Ｍとして平板状のものを示しているが、凹面鏡や凸面鏡を用いるとしてもよい。
ダイクロイックミラーＤＭは、特定波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する光学部材である。ダイクロイックミラーＤＭは、再帰反射部ＲＲ、第１ビームスプリッタＢＳ１の左方向に配置されており、奥行方向に４５度の角度となるように傾斜して配置されている。図１に示した例では、ダイクロイックミラーＤＭは、第１画像投影部Ｓ１から照射される光の波長を反射し、その他の可視光を透過するものを用いる。後述するように、ダイクロイックミラーＤＭで反射された光によって、実像である第１前画像Ａ１と虚像である第１後画像Ｒ１が空間上で結像されるので、ダイクロイックミラーＤＭは本発明における結像光学部を構成している。
また、図１では省略しているが、第１ビームスプリッタＢＳ１とダイクロイックミラーＤＭとの間に結像光学系の一部として結像レンズを配置するとしてもよい。結像レンズは、第１ビームスプリッタＢＳ１から進行してきた光を空間上の所定位置に結像させるための光学部材であり、複数のレンズ群を用いてもよい。
図１に示したように、第１画像投影部Ｓ１から照射された光は、第２ビームスプリッタＢＳ２で反射された後に第１ビームスプリッタＢＳ１に到達する。第１ビームスプリッタＢＳ１に到達した光の一部は反射されて再帰反射部ＲＲ方向に進行し、再帰反射部ＲＲで再反射されて第１ビームスプリッタＢＳ１に再入射する。ここで図１に示すように、再帰反射部ＲＲに到達するまで光経が拡大して進行した光は、再帰反射部ＲＲの再帰反射特性により、光経が縮小する光として第１ビームスプリッタＢＳ１に入射する。第１ビームスプリッタＢＳ１に再入射した光は、第１ビームスプリッタＢＳ１を透過し、ダイクロイックミラーＤＭで反射されて、ダイクロイックミラーＤＭと視点の間における第１距離で焦点を結び第１前画像Ａ１として結像される。
第１ビームスプリッタＢＳ１に到達した光の残りの一部は透過して反射部Ｍ方向に進行し、反射部Ｍで再反射されて第１ビームスプリッタＢＳ１に再入射する。第１ビームスプリッタＢＳ１に再入射した光は、第１ビームスプリッタＢＳ１で反射され、さらにダイクロイックミラーＤＭで反射されて視点方向に進行する。このとき、反射部Ｍ、第１ビームスプリッタＢＳ１およびダイクロイックミラーＤＭで反射された光は光経が拡大して進行するため、視聴者からはダイクロイックミラーＤＭより後方の第２距離で焦点を結んで進行してきた光のように視認される。よって、ダイクロイックミラーＤＭよりも後方に第１後画像Ｒ１が結像されたものとみなせる。
第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１として結像された光は、視聴者の目に到達する。したがって、視聴者は奥行方向における空中に第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１を視認する。また、視聴者の視点からの視線方向に背景からの光を透過する透過板が配置されている場合にも、透過板越しに背景を視認しつつ、ダイクロイックミラーＤＭの手前に結像された第１前画像Ａ１と、ダイクロイックミラーＤＭの後方に結像された第１後画像Ｒ１を視認することができる。
透過板の具体例としては、他のヘッドアップディスプレイの表示面や、車両のフロントガラス、ヘルメットのシールド等が挙げられる。また、これらの透過板に対して、他の表示装置を用いて画像表示を行うとしてもよい。
ここで図１では、第２ビームスプリッタＢＳ２と、第１ビームスプリッタＢＳ１と、反射部Ｍを奥行方向に並べた例を示したが、反射部Ｍと再帰反射部ＲＲを入れ替えて配置しても、第１前画像Ａ１と第１後画像Ｒ１を図１で示したものと同様の位置に結像することができる。また図１では、第１画像投影部Ｓ１からの光を第２ビームスプリッタＢＳ２で反射させて第１ビームスプリッタＢＳ１に到達させる構成を示したが、第１画像投影部Ｓ１を第２ビームスプリッタＢＳ２と奥行方向に並べて、第２ビームスプリッタＢＳ２を透過した光が第１ビームスプリッタＢＳ１に到達する構成としてもよい。また、第２ビームスプリッタＢＳ２を用いず、第１ビームスプリッタＢＳ１に直接光を入射させる構成としてもよい。
（実施例）
図２は、画像表示装置１００を用いた表示例を示す写真であり、図２（ａ）はダイクロイックミラーＤＭより近距離に焦点を合わせた写真であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の部分拡大写真であり、図２（ｃ）はダイクロイックミラーＤＭより遠距離に焦点を合わせた写真であり、図２（ｄ）は図２（ｃ）の部分拡大写真である。画像表示装置１００は、眼鏡に装着するウェアラブル機器として構成されている。図２（ａ）～図２（ｄ）に示したように、ダイクロイックミラーＤＭよりも近距離に焦点を合わせた場合に第１前画像Ａ１を鮮明に視認でき、遠距離に焦点を合わせた場合に第１後画像Ｒ１を鮮明に視認できる。また、第１前画像Ａ１と第１後画像Ｒ１は、同一視線上において奥行方向で結像位置が異なっている。図２の例における画像表示装置１００では、ダイクロイックミラーＤＭとして、青色光を反射するものと緑色光を反射するものを２枚重ね合わせたものを用いている。
図３は、画像表示装置１００を用いた別の表示例を示す写真であり、図３（ａ）はダイクロイックミラーＤＭより近距離に焦点を合わせた写真であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の部分拡大写真であり、図３（ｃ）はダイクロイックミラーＤＭより遠距離に焦点を合わせた写真であり、図３（ｄ）は図３（ｃ）の部分拡大写真である。図３（ａ）～図３（ｄ）では、メガネのフレームよりも前方にダイクロイックミラーＤＭが配置されており、ダイクロイックミラーＤＭよりも遠方にメモ用紙が配置されている。画像表示装置１００は、眼鏡に装着するウェアラブル機器として構成されている。図３（ａ）～図３（ｄ）でも、フレーム近傍に焦点を合わせた場合に第１前画像Ａ１を鮮明に視認でき、メモ用紙近傍に焦点を合わせた場合に第１後画像Ｒ１を鮮明に視認できている。また、第１前画像Ａ１と第１後画像Ｒ１は、同一視線上において奥行方向で結像位置が異なっており、背景も同時に視認可能となっている。図３の例における画像表示装置１００では、ダイクロイックミラーＤＭとして、緑色光を反射するもの１枚を用いている。
図４は、画像表示装置１００を用いたさらに別の表示例を示す写真であり、図４（ａ）はダイクロイックミラーＤＭより近距離に焦点を合わせた写真であり、図４（ｂ）はダイクロイックミラーＤＭより遠距離に焦点を合わせた写真である。画像表示装置１００は、ブレッドボード上でヘッドアップディスプレイとして構成されている。図４（ａ）、図４（ｂ）でも、ダイクロイックミラーＤＭよりも近距離に焦点を合わせた場合に第１前画像Ａ１を鮮明に視認でき、遠距離に焦点を合わせた場合に第１後画像Ｒ１を鮮明に視認できている。また、第１前画像Ａ１と第１後画像Ｒ１は、同一視線上において奥行方向で結像位置が異なっており、背景が白色であっても背景と同時に視認可能となっている。図４の例における画像表示装置１００では、ダイクロイックミラーＤＭとして、青色光を反射するものと緑色光を反射するものを２枚重ね合わせたものを用いている。
上述したように視聴者は、第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１を結像させる光が、同一の視聴者における視野範囲に入射し、奥行方向に異なる位置である第１距離および第２距離に、第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１を視認できる。同時に、視聴者はダイクロイックミラーＤＭを透過して目に到達する背景を視認できる。したがって、視聴者は背景や他の表示装置による画像表示に第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１を重ね合わせたエアリアルイメージを視認することになる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態は、エアリアルイメージである第１前画像Ａ１と第１後画像Ｒ１の表示内容を異ならせる点が第１実施形態と異なっている。図５は、本実施形態に係る画像表示装置１１０の構成を示す模式平面図である。図５に示すように画像表示装置１１０は、第１画像投影部Ｓ１と、第２画像投影部Ｓ２と、第１ビームスプリッタＢＳ１と、第２ビームスプリッタＢＳ２と、再帰反射部ＲＲと、反射部Ｍと、第１フィルタＣ１と、第２フィルタＣ２と、ダイクロイックミラーＤＭとを備えている。
第２画像投影部Ｓ２は、画像を構成する光を照射する装置であり、視聴者の目（視点）から所定距離に対して画像を投影する。第２画像投影部Ｓ２は、第２ビームスプリッタＢＳ２の奥行方向に配置され、第２ビームスプリッタＢＳ２の他方の面（第１ビームスプリッタＢＳ１とは反対側の面）に対して奥行き方向に光を照射する。
第１画像投影部Ｓ１と第２画像投影部Ｓ２は、それぞれ独立した装置で構成してもよく、光学部材を用いて同一の装置における異なる領域の画像を別方向に投影する構成としてもよい。第１画像投影部Ｓ１と第２画像投影部Ｓ２が照射する光の波長は異なっており、それぞれ第１波長λ１、第２波長λ２とする。
ダイクロイックミラーＤＭは、第１画像投影部Ｓ１が照射する第１波長λ１の光と、第２画像投影部Ｓ２が照射する第２波長λ２の光を反射するように構成されている。例えば、λ１が青色光で、λ２が緑色光である場合には、青色光を反射するものと緑色光を反射するものを２枚重ね合わせたダイクロイックミラーＤＭを用いる。
第１フィルタＣ１および第２フィルタＣ２は、特定波長の光をカットし、その他の波長の光を透過する光学部材である。第１フィルタＣ１は第１画像投影部Ｓ１が照射する第１波長λ１の光をカットし、第２フィルタＣ２は第２画像投影部Ｓ２が照射する第２波長λ２の光をカットするように設計する。
図５に示したように、第１画像投影部Ｓ１から照射された光は、第２ビームスプリッタＢＳ２で反射された後に第１ビームスプリッタＢＳ１に到達する。第２画像投影部Ｓ２から照射された光は、第２ビームスプリッタＢＳ２を透過した後に第１ビームスプリッタＢＳ１に到達する。
第１ビームスプリッタＢＳ１に到達した光の一部は反射されて第２フィルタＣ２を経て再帰反射部ＲＲ方向に進行し、再帰反射部ＲＲで再反射されて第１ビームスプリッタＢＳ１に再入射する。ここで、第２フィルタＣ２は第２波長λ２をカットするので、第２画像投影部Ｓ２が照射した第２波長λ２の光はカットされ、第１画像投影部Ｓ１が照射した第１波長λ１の光のみが透過される。第１ビームスプリッタＢＳ１に再入射した光は、第１ビームスプリッタＢＳ１を透過し、ダイクロイックミラーＤＭで反射されて、ダイクロイックミラーＤＭと視点の間における第１距離で焦点を結び、第１画像投影部Ｓ１が投影した第１前画像Ａ１が結像される。
第１ビームスプリッタＢＳ１に到達した光の残りの一部は透過して第１フィルタＣ１を経て反射部Ｍ方向に進行し、反射部Ｍで再反射されて第１ビームスプリッタＢＳ１に再入射する。ここで、第１フィルタＣ１は第１波長λ１をカットするので、第１画像投影部Ｓ１が照射した第１波長λ１の光はカットされ、第２画像投影部Ｓ２が照射した第２波長λ２の光のみが透過される。第１ビームスプリッタＢＳ１に再入射した光は、第１ビームスプリッタＢＳ１で反射され、さらにダイクロイックミラーＤＭで反射されて視点方向に進行する。このとき、反射部Ｍ、第１ビームスプリッタＢＳ１およびダイクロイックミラーＤＭで反射された光は光経が拡大して進行するため、視聴者からはダイクロイックミラーＤＭより後方の第２距離で焦点を結んで進行してきた光のように視認される。よって、ダイクロイックミラーＤＭよりも後方に、第２画像投影部Ｓ２が投影した第１後画像Ｒ１が結像されたものとみなせる。
本実施形態の画像表示装置１１０でも、第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１として結像された光は、視聴者の目に到達する。したがって、視聴者は奥行方向における空中に表示内容が異なる第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１を視認する。また、視聴者の視点からの視線方向に背景からの光を透過する透過板が配置されている場合にも、透過板越しに背景を視認しつつ、ダイクロイックミラーＤＭの手前に結像された第１前画像Ａ１と、ダイクロイックミラーＤＭの後方に結像された第１後画像Ｒ１を視認することができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６，図７を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態は、空中に結像するエアリアルイメージの数を増加させる点が第１実施形態と異なっている。図６は、本実施形態に係る画像表示装置１２０の構成と再帰反射部を用いた表示を示す模式平面図である。図７は、本実施形態に係る画像表示装置１２０の構成と反射部を用いた表示を示す模式平面図である。図６，図７に示すように画像表示装置１２０は、第１画像投影部Ｓ１と、第２画像投影部Ｓ２と、第３画像投影部Ｓ３と、第１ビームスプリッタＢＳ１と、第２ビームスプリッタＢＳ２と、第３ビームスプリッタＢＳ３と、再帰反射部ＲＲと、反射部Ｍと、ダイクロイックミラーＤＭとを備えている。
第３ビームスプリッタＢＳ３は、入射した光の一部を透過するとともに一部を反射する部材であり、表面に反射率を調整する膜が形成された部分反射板を用いることができる。第３ビームスプリッタＢＳ３は横方向と奥行方向に対して４５度の角度となるように傾斜して配置されている。さらに、第３ビームスプリッタＢＳ３と第２ビームスプリッタＢＳ２の傾斜方向は互いに同じであり、平行に対向して配置されている。
第３画像投影部Ｓ３は、画像を構成する光を照射する装置であり、視聴者の目（視点）から所定距離に対して画像を投影する。第３画像投影部Ｓ３は、第１～第３ビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２，ＢＳ３および反射部Ｍと並んで奥行方向に配置され、第３ビームスプリッタＢＳ３の一方の面（第２ビームスプリッタＢＳ２とは反対側の面）に対して奥行方向に光を照射する。第２画像投影部Ｓ２は、第３ビームスプリッタＢＳ３の右方向に配置され、第３ビームスプリッタＢＳ３の他方の面（第２ビームスプリッタＢＳ２と対向する面）に対して横方向に光を照射する。
第２画像投影部Ｓ２から照射された光は、第３ビームスプリッタＢＳ３で反射された後に第２ビームスプリッタＢＳ２を透過して第１ビームスプリッタＢＳ１に到達する。また、第３画像投影部Ｓ３から照射された光は、第３ビームスプリッタＢＳ３および第２ビームスプリッタＢＳ２を透過した後に第１ビームスプリッタＢＳ１に到達する。
図６に示すように、第１ビームスプリッタＢＳ１に入射した光のうち再帰反射部ＲＲを経た光は、第１実施形態と同様の経路でダイクロイックミラーＤＭに入射し、ダイクロイックミラーＤＭよりも視聴者に近い側の空中に第１前画像Ａ１、第２前画像Ａ２、第３前画像Ａ３としてエアリアルイメージが結像される。また図７に示すように、第１ビームスプリッタＢＳ１に入射した光のうち反射部Ｍを経た光は、第１実施形態と同様の経路でダイクロイックミラーＤＭに入射し、ダイクロイックミラーＤＭよりも視聴者から遠い側の空中に第１後画像Ｒ１、第２後画像Ｒ２、第３後画像Ｒ３としてエアリアルイメージが結像される。
本実施形態の画像表示装置１２０では、第３ビームスプリッタＢＳ３と第３画像投影部Ｓ３を追加することで、空中に結像されるエアリアルイメージの数を追加することができる。図６，図７では３つの画像投影部を用いて３つのエアリアルイメージを結像した例を示したが、ビームスプリッタと画像投影部の数を増加させることでさらに画像数を増やすこともできる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図８を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態は、第１画像投影部Ｓ１が投影する第１前画像Ａ１と第１後画像Ｒ１を選択的に空中にエアリアルイメージとして結像する点が第１実施形態と異なっている。図８は、本実施形態に係る画像表示装置１３０の構成を示す模式平面図である。図８に示すように画像表示装置１３０は、第１画像投影部Ｓ１と、第１ビームスプリッタＢＳ１と、第２ビームスプリッタＢＳ２と、再帰反射部ＲＲと、反射部Ｍと、ダイクロイックミラーＤＭと、シャッター部ＳＨと、ケース部ＣＳと、回転支持部ＡＲＭとを備えている。
シャッター部ＳＨは、第１ビームスプリッタＢＳ１と再帰反射部ＲＲの間、および第１ビームスプリッタＢＳ１と反射部Ｍの間に配置され、光の通過と遮断を切り替える光学部材である。シャッター部ＳＨの具体的な構成は限定されず、光アイソレータや液晶シャッター、アイリス等の公知のものを用いることができる。また、シャッター部ＳＨの開閉（通過と遮断）の切り替えは、図示しない制御部によって制御されている。
ケース部ＣＳは、各部を収容し保持する筐体である。図８に示した例では、第１ビームスプリッタＢＳ１と、第２ビームスプリッタＢＳ２と、再帰反射部ＲＲと、反射部Ｍと、シャッター部ＳＨをケース部ＣＳの内部に収容し、第１画像投影部Ｓ１と、ダイクロイックミラーＤＭとはケース部ＣＳによって外部に保持されている。
回転支持部ＡＲＭは、第１ビームスプリッタＢＳ１、再帰反射部ＲＲ、反射部Ｍ、およびダイクロイックミラーＤＭの相対的位置関係を保って保持する部材であり、支点を回転中心として回動可能に設けられた部材である。本実施形態では、第１画像投影部Ｓ１も回転支持部ＡＲＭによって保持された例を示している。
回転支持部ＡＲＭは、各部の相対的な位置関係を保持したまま回動可能とされるため、ある程度の剛性を有する材料で構成する必要がある。回転支持部ＡＲＭを構成する具体的な材料や形状は限定されないが、例えば金属や樹脂、紙類などを用いることができる。
本実施形態でも第１画像投影部Ｓ１が照射する光の経路は第１実施形態と同様であり、ダイクロイックミラーＤＭよりも視聴者に近い側に第１前画像Ａ１が結像され、ダイクロイックミラーＤＭよりも遠い側に第１後画像Ｒ１が結像される。このとき結像される画像は、シャッター部ＳＨが開（透過）である光の経路のみであり、シャッター部ＳＨの開閉を制御することにより第１前画像Ａ１と第１後画像Ｒ１を選択的に結像させることができる。
具体的には、第１ビームスプリッタＢＳ１と再帰反射部ＲＲとの間に設けられたシャッター部ＳＨを透過状態とし、反射部Ｍとの間に設けられたシャッター部ＳＨを遮断状態とすると、第１前画像Ａ１のみが結像される。逆に、第１ビームスプリッタＢＳ１と再帰反射部ＲＲとの間に設けられたシャッター部ＳＨを遮断状態とし、反射部Ｍとの間に設けられたシャッター部ＳＨを透過状態とすると、第１後画像Ｒ１のみが結像される。
上述したように本実施形態の画像表示装置１３０では、シャッター部ＳＨの開閉動作により、第１前画像Ａ１と第１後画像Ｒ１を選択的に結像させ、視聴者は第１前画像Ａ１または第１後画像Ｒ１のどちらか一方を視認する。また、視聴者の視点からの視線方向に背景からの光を透過する透過板が配置されている場合にも、透過板越しに背景を視認しつつ、ダイクロイックミラーＤＭの手前に結像された第１前画像Ａ１と、ダイクロイックミラーＤＭの後方に結像された第１後画像Ｒ１を視認することができる。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図９を用いて説明する。第１実施形態および第４実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態は、空中に結像するエアリアルイメージの数を増加させる点が第４実施形態と異なっている。図９は、本実施形態に係る画像表示装置１４０の構成を示す模式平面図である。図９に示すように画像表示装置１４０は、第１画像投影部Ｓ１と、第２画像投影部Ｓ２と、第３画像投影部Ｓ３と、第１ビームスプリッタＢＳ１と、第２ビームスプリッタＢＳ２と、第３ビームスプリッタＢＳ３と、再帰反射部ＲＲと、反射部Ｍと、ダイクロイックミラーＤＭと、シャッター部ＳＨと、ケース部ＣＳと、回転支持部ＡＲＭとを備えている。
本実施形態の画像表示装置１４０でも、シャッター部ＳＨの開閉動作により、ダイクロイックミラーＤＭより近距離に結像される第１前画像Ａ１、第２前画像Ａ２、第３前画像Ａ３と、ダイクロイックミラーＤＭより遠距離に結像される第１後画像Ｒ１、第２後画像Ｒ２、第３後画像Ｒ３を選択することができる。
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図１０，図１１を用いて説明する。第１実施形態および第４実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態では、視点を中心に回転支持部ＡＲＭを回転させて、エアリアルイメージである第１前画像Ａ１と第１後画像Ｒ１の結像位置を変動させる点が第４実施形態と異なっている。図１０は、本実施形態に係る画像表示装置１５０の構成を示す模式側面図である。図１１は、本実施形態に係る画像表示装置１５０の構成を示す模式斜視図である。図１０、図１１では、簡便のために第１画像投影部Ｓ１、第１ビームスプリッタＢＳ１、第２ビームスプリッタＢＳ２、再帰反射部ＲＲ、反射部Ｍ、シャッター部ＳＨ、ケース部ＣＳについては図示を省略している。
図１０は、本実施形態に係る画像表示装置１５０の構成を示す模式側面図である。図１１は、本実施形態に係る画像表示装置１５０の構成を示す模式斜視図である。図１１に示すように回転支持部ＡＲＭは、支点Ｆを回転中心として、少なくとも結像光学部に含まれるダイクロイックミラーＤＭを保持しており、上下方向にθの角度範囲で回動可能とされている。ここで、上下方向にθの角度範囲とは、視聴者の視点ｅ位置から視聴者が水平方向の真正面を視認する方向を前方中心方向として、垂直方向の上下にθの角度となる範囲である。図１０および図１１では、角度θとして前方中心方向から下方に回転支持部ＡＲＭを回動させた例を示しているが、上方に回動させた場合も含む。
回転支持部ＡＲＭが支点Ｆを中心として回動されることで、図１に示した第１ビームスプリッタＢＳ１、第２ビームスプリッタＢＳ２、再帰反射部ＲＲ、反射部ＭおよびダイクロイックミラーＤＭは、相対的な位置関係を保ったまま角度θだけ変動される。したがって、第１画像投影部Ｓ１から照射された第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１の空中における結像位置も回転支持部ＡＲＭの回動と同様に角度θだけ変動した位置となる。これにより視聴者は、前方中心方向から角度θだけ変位した方向に第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１のエアリアルイメージを視認する。
ここで、角度θの範囲としては、視聴者の視点ｅから前方中心方向に対して上下２５度の範囲（－２５°≦θ≦２５°）が好ましい。角度θが±２５°よりも大きいと、第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１のエアリアルイメージを視認するための視線移動量が大きくなり、背景との重ね合わせ表示での快適性を保つことが困難となる。
また、回転支持部ＡＲＭの長さは、支点ＦからダイクロイックミラーＤＭまでの長さと、視点ｅからダイクロイックミラーＤＭの距離が同程度であることが好ましい。つまり、支点Ｆと視点ｅは奥行方向において同じ位置であることが好ましい。これにより、ダイクロイックミラーＤＭで反射されて視点ｅ方向に進行する光の経路は、回転支持部ＡＲＭの回動と同程度の角度θで変位することになる。したがって、回転支持部ＡＲＭの回動と第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１の結像位置の変位が連動したものとなり、第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１の結像位置変更を直感的な動作で実現することができる。
仮に、ダイクロイックミラーＤＭを垂直方向または横方向に平行移動させた場合には、視点ｅから見たダイクロイックミラーＤＭの距離や相対角度が変化してしまう。この場合には、ダイクロイックミラーＤＭで反射された光の経路は図１で示したものとは異なり、第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１の表示内容が変動前とは変化してしまう。
それに対して画像表示装置１５０では、ダイクロイックミラーＤＭの移動は垂直方向への平行移動ではなく、支点Ｆを中心とした回転移動である。これにより、第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１を結像するための結像光学部の相対的な位置関係や角度の関係は図１に示したものが維持され、第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１の結像位置は、視点ｅからの距離が維持され、回転支持部ＡＲＭの回動に関わらずエアリアルイメージの表示内容を保存することができる。
上述したように、本実施形態の画像表示装置１５０では、支点Ｆを中心として回転支持部ＡＲＭに保持されたダイクロイックミラーＤＭを回転させることで、空間中に結像させる第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１の位置を変更可能であり、表示位置の自由度を向上させることが可能となる。
また、回転支持部ＡＲＭを上方に回転させて使用する場合には、ダイクロイックミラーＤＭに波長フィルタを組み合わせ、不要な外光をカットする構成としてもよい。波長フィルタは、紫外光または／および赤外光をカットする光学部材であり、公知のフィルム構造物を用いることができる。ダイクロイックミラーＤＭと波長フィルタを別体で構成してもよく、両者を組み合わせて一体に形成してもよい。また、ダイクロイックミラーＤＭの光反射特性として、紫外光または／および赤外光を反射するように設計し、ダイクロイックミラーＤＭが波長フィルタの機能を兼ねるとしてもよい。
これにより、外界から視点ｅ方向に紫外光や赤外光が進行したとしても、波長フィルタで紫外光と赤外光がカットまたは反射されるため、視点ｅにまで紫外光と赤外光は到達しない。これにより、回転支持部ＡＲＭを上方に回動しても、外界からの紫外光や赤外光が視聴者の視点ｅに直接入射することを防止し、視聴者の目を保護することができる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０…画像表示装置
ＤＭ…ダイクロイックミラー
Ｓ１…第１画像投影部
Ｓ２…第２画像投影部
Ｓ３…第３画像投影部
ＢＳ１…第１ビームスプリッタ
ＢＳ２…第２ビームスプリッタ
ＢＳ３…第３ビームスプリッタ
ＲＲ…再帰反射部
Ｍ…反射部
Ａ１…第１前画像
Ａ２…第２前画像
Ａ３…第３前画像
Ｒ１…第１後画像
Ｒ２…第２後画像
Ｒ３…第３後画像
Ｃ１…第１フィルタ
Ｃ２…第２フィルタ
ＳＨ…シャッター部
ＡＲＭ…回転支持部
ＣＳ…ケース部

Claims (6)

  1. 第１画像を照射する第１画像投影部と、
    前記第１画像投影部が照射した光の一部を第１方向に反射するとともに、残りの光を第２方向に透過する第１ビームスプリッタと、
    前記第１ビームスプリッタから前記第１方向または前記第２方向の一方に進んだ光を前記第１ビームスプリッタに再帰反射させる再帰反射部と、
    前記第１ビームスプリッタから前記第１方向または前記第２方向の他方に進んだ光を前記第１ビームスプリッタに反射させる反射部とを備え、
    前記再帰反射部および前記反射部が反射した光を空間上に結像させる結像光学部を備え、
    前記結像光学部は、前記第１画像投影部が照射する光の波長を選択的に反射するダイクロイックミラーであることを特徴とする画像表示装置。
  2. 第１画像を照射する第１画像投影部と、
    第２画像を照射する第２画像投影部と、
    前記第１画像投影部が照射した光の一部を第１方向に反射するとともに、残りの光を第２方向に透過する第１ビームスプリッタと、
    前記第１ビームスプリッタから前記第１方向または前記第２方向の一方に進んだ光を前記第１ビームスプリッタに再帰反射させる再帰反射部と、
    前記第１ビームスプリッタから前記第１方向または前記第２方向の他方に進んだ光を前記第１ビームスプリッタに反射させる反射部とを備え、
    前記再帰反射部および前記反射部が反射した光を空間上に結像させる結像光学部を備え 、
    前記第１画像投影部が照射する光は第１波長であり、
    前記第２画像投影部が照射する光は前記第１波長と異なる第２波長であり、
    前記第１ビームスプリッタは、前記第２画像投影部が照射した光の一部を前記第１方向に反射するとともに、残りの光を前記第２方向に透過し、
    前記第１ビームスプリッタと前記再帰反射部の間、または前記第１ビームスプリッタと前記反射部の間の一方に、前記第１波長をカットし前記第２波長を透過する第１フィルタを備え、
    前記第１ビームスプリッタと前記再帰反射部の間、または前記第１ビームスプリッタと前記反射部の間の他方に、前記第２波長をカットし前記第１波長を透過する第２フィルタを備えることを特徴とする画像表示装置。
  3. 請求項２に記載の画像表示装置であって、
    前記第１画像の結像位置と、前記第２画像の結像位置が異なっていることを特徴とする画像表示装置。
  4. 第１画像を照射する第１画像投影部と、
    第３画像を表示する透過型表示部と、
    前記第１画像投影部が照射した光の一部を第１方向に反射するとともに、残りの光を第２方向に透過する第１ビームスプリッタと、
    前記第１ビームスプリッタから前記第１方向または前記第２方向の一方に進んだ光を前記第１ビームスプリッタに再帰反射させる再帰反射部と、
    前記第１ビームスプリッタから前記第１方向または前記第２方向の他方に進んだ光を前記第１ビームスプリッタに反射させる反射部と、
    前記再帰反射部および前記反射部が反射した光を空間上に結像させる結像光学部を備え、
    前記第１画像と前記第３画像が同じ視野範囲に表示されることを特徴とする画像表示装置。
  5. 請求項１から４の何れか一つに記載の画像表示装置であって、
    前記第１ビームスプリッタと前記再帰反射部の間、および／または前記第１ビームスプリッタと前記反射部の間に、光の通過と遮断を切り替えるシャッター部を備えることを特徴とする画像表示装置。
  6. 請求項１から５の何れか一つに記載の画像表示装置であって、
    支点を回転中心として前記結像光学部を回動可能に保持する回転支持部を有することを特徴とする画像表示装置。
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