JP2021157116A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空間中に投影する画像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な画像表示装置を提供する。【解決手段】第１画像を照射する第１画像投影部（Ｓ）と、第１画像の光を視点方向に投影する投影光学部（Ｇ）を備えた画像表示装置であって、投影光学部（Ｇ）から投影される第１画像の光が進行する方向と、視点から中心視線方向との成す角θを可変とするように、回動軸（ＡＸ）を中心として投影光学部（Ｇ）を側方に回動可能に保持する回動保持部（ＣＳ）を備える画像表示装置。【選択図】図１

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。これにより、視聴者の使用用途や各個人の好みによっては、不適切な位置にエアリアルイメージが表示される場合があり、適切な画像視認体験の提供が困難であった。

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、空間中に投影する画像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画像の光を視点方向に投影する投影光学部を備えた画像表示装置であって、前記投影光学部から投影される前記第１画像の光が進行する方向と、前記視点から中心視線方向との成す角θを可変とするように、回動軸を中心として前記投影光学部を側方に回動可能に保持する回動保持部を備え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、回動保持部で投影光学部を側方に回動可能に保持しているため、第１画像投影部から照射された第１画像の空中における投影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。

また本発明の一態様では、前記投影光学部は、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を備える。

また本発明の一態様では、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ビームスプリッタに反射させる反射部を備え、前記ダイクロイックミラーは、前記反射部が反射した光を空間上に結像させる。

また本発明の一態様では、前記投影光学部は、内部で光を導波する導波部と、前記導波部内に設けられた部分反射部を備える。

また本発明の一態様では、前記第１画像投影部は、レーザ光を照射するレーザ光源部を備える。

また本発明の一態様では、前記回動保持部の回動範囲は、前記角θが−２５度から＋２５度の範囲である。

また本発明の一態様では、前記回動保持部は、複数の回動軸を備える。

本発明では、空間中に投影する画像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。 導波部Ｇの内部におけるレーザ光の伝搬を示す写真である。 導波部Ｇの内部で光が奇数回反射した場合の角度による結像方向の違いを示す模式図であり、図３（ａ）は視聴者と反対側に導波部Ｇを回動させた例を示し、図３（ｂ）は視聴者側に導波部Ｇを回動させた例を示している。 導波部Ｇの内部で光が偶数回反射した場合の角度による結像方向の違いを示す模式図であり、図４（ａ）は視聴者と反対側に導波部Ｇを回動させた例を示し、図４（ｂ）は視聴者側に導波部Ｇを回動させた例を示している。 画像表示装置１００の実施例を示す写真である。 実施例において回動角度θを変化させた際に第１画像の表示位置が変化する様子を示す写真である。 第２実施形態に係る画像表示装置１１０での空中への結像を示す模式平面図である。 画像表示装置１１０の構成例を示す模式平面図である。 画像表示装置１１０において回転支持部ＡＲＭを回動させた際の結像位置の変化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Ｓと、レンズ部Ｌと、導波部Ｇと、ケース部ＣＳを備えている。図中において実線で示した矢印は、第１画像投影部Ｓから照射された光の経路を模式的に示している。また、図中において破線で示した矢印は、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示している。

ケース部ＣＳは、各部を収容し保持する筐体である。図１に示した例では、第１画像投影部Ｓと、レンズ部Ｌと、導波部Ｇの一端をケース部ＣＳの内部に収容している。また、ケース部ＣＳは回動軸ＡＸを回動中心として、導波部Ｇの一端を回動可能に保持しており、本発明における回動保持部に相当している。ケース部ＣＳにおいて導波部Ｇを回動可能に保持する構造は特に限定されず、例えば導波部Ｇに設けられた支軸をケース部ＣＳに設けられた軸受で軸支する構造を用いることができる。

導波部Ｇは、第１画像投影部Ｓから照射された光を内部で導波して、視聴者の視点方向に投影する部材であり、本発明における投影光学部に相当している。図１に示すように、導波部Ｇの一端は回動軸ＡＸを回動中心として側方向に回動可能に保持されている。導波部Ｇに具体的な構成は限定されないが、背景（図中Ｈ１方向）を視認可能な透明材料で構成することが好ましく、ガラスや樹脂材料を用いることができる。図１に示した例では、導波部Ｇ内を伝搬する光を視点方向に取り出すための光学要素として部分反射部ＨＭを示したが、回折格子等を用いるとしてよい。

反射部Ｍは、導波部Ｇの内部に設けられて光を反射する光学要素である。図１に示した例では導波部Ｇが平板状に形成されており、導波部Ｇの面内方向に対して４５度の角度で反射部Ｍが設けられているが、反射部Ｍの角度は４５度に限定されない。部分反射部ＨＭは、導波部Ｇの内部に設けられて光の一部を反射し、残りの一部を透過する光学要素である。図１に示した例では、導波部Ｇの面内方向に対して４５度の角度で部分反射部ＨＭが設けられているが、部分反射部ＨＭの角度は４５度に限定されない。

第１画像投影部Ｓ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）に対して画像を投影する。図１に示した例では、第１画像投影部Ｓはレーザ光を照射するレーザ光源部を用いており、レンズ部Ｌを介して導波部Ｇに光を入射させ、反射部Ｍおよび部分反射部ＨＭで反射された光が視点方向に投影される。

レンズ部Ｌは、第１画像投影部Ｓが照射した光の経路を調整する光学要素である。レンズ部Ｌの具体的な構成は限定されず、レーザ光をコリメートするコリメートレンズや、凸レンズ、凹レンズ、非球面レンズ等の公知のものを用いることができる。また、レンズ部Ｌに複数のレンズが含まれるとしてもよい。

図１に示したように画像表示装置１００では、第１画像投影部Ｓが照射した第１画像を含む光は、レンズ部Ｌを介して導波部Ｇの一端側に入射し、反射部Ｍに所定角度で入射する。反射部Ｍに入射した光は反射され、導波部Ｇの内部を伝搬して部分反射部ＨＭに入射し、部分反射部ＨＭで再反射されて視点方向に投影され視聴者に視認される。

図１において導波部Ｇが実線で示したように視線方向Ｈ１に直角に位置する際には、反射部Ｍに４５度で入射した光が部分反射部ＨＭに４５度で入射し、視線方向Ｈ１に沿って視点に到達する。したがって、視聴者は視線方向Ｈ１の背景と第１画像とを重ね合わせて視認する。

図１において導波部Ｇが仮想線で示したように角度θだけ回動された際には、反射部Ｍおよび部分反射部ＨＭに入射する光の入射角度が変化するため、部分反射部ＨＭから視点に投影される光は視線方向Ｈ１に対して所定角度傾斜した方向となる。したがって、視聴者は視線方向Ｈ１の背景から側方にずれた位置に第１画像を視認する。ここで、角度θの範囲としては、視聴者の視点から前方中心方向に対して左右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画像の投影位置変化が大きくなり、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。

図２は、導波部Ｇの内部におけるレーザ光の伝搬を示す写真である。図中において白い破線で描かれた矩形が導波部Ｇの断面を示し、白い破線で描かれた矢印は導波部Ｇ外での光の進行方向を示している。図に示されたように、白い実線で描かれた円の位置に対して図中左下からレーザ光を入射させた。導波部Ｇの内部ではレーザ光が主面で全反射しながら右方向に伝搬し、部分反射部ＨＭで反射された光が図中下方に照射されている。導波部Ｇの内部での光の伝搬は図２に示したものとなるため、図１に示したケース部ＣＳを左右方向に回動させることで、視線方向Ｈ１と導波部Ｇの成す角を変更して、第１画像の視認方向を変更することができる。

図３は、導波部Ｇの内部で光が奇数回反射した場合の角度による結像方向の違いを示す模式図であり、図３（ａ）は視聴者と反対側に導波部Ｇを回動させた例を示し、図３（ｂ）は視聴者側に導波部Ｇを回動させた例を示している。図４は、導波部Ｇの内部で光が偶数回反射した場合の角度による結像方向の違いを示す模式図であり、図４（ａ）は視聴者と反対側に導波部Ｇを回動させた例を示し、図４（ｂ）は視聴者側に導波部Ｇを回動させた例を示しており、θ＝０度における視線方向を図中に二点鎖線で示している。

図中に破線で示した矢印は、導波部Ｇが回動角度θ＝０度のときの光の経路を示しており、図１に実線矢印で示したものと同様である。図中に実線で示した矢印は、それぞれの導波部Ｇの回動時における第１画像投影部Ｓから照射された光の経路を示している。図１と同様に、図中下方から反射部Ｍに入射した光は、導波部Ｇ内を主面で全反射されながら伝搬して部分反射部ＨＭまで到達し、部分反射部ＨＭで反射された光が視点に向かって投影される。したがって、視点からは図中一点鎖線で示した矢印方向に第１画像が表示されているように視認される。図４（ｂ）に示した例においても、第１画像を視認する方向はθ＝０度の場合よりも少し横方向に変化している。

図３（ａ）（ｂ）および図４（ａ）（ｂ）に示したように、導波部Ｇの主面で光を奇数回反射させた場合にも、偶数回反射させた場合でも、部分反射部ＨＭから投影される光の進行角度を図１に示した視線方向Ｈ１とは異ならせることができる。また、導波部Ｇの回動方向が視聴者側であっても視聴者と反対側であっても、視線方向Ｈ１とは異なる角度で視聴者側に光を投影することができる。

（実施例）
図５は、画像表示装置１００の実施例を示す写真である。図中に示された透明の板状部材は導波部Ｇであり、導波部Ｇの右側に示された黒い筐体はケース部ＣＳである。図中に示した白い実線は、回動軸ＡＸを中心として回動角度θを０度から２０度まで変化させた場合の導波部Ｇの傾斜を示しており、図５に示した例ではθ＝０度の位置に導波部Ｇが位置している。

図６は、図５に示した実施例において、回動角度θを変化させた際に第１画像の表示位置が変化する様子を示す写真である。図に示された写真では、視点から視線方向Ｈ１を視認した写真を撮像し、部分反射部ＨＭ近傍を拡大して示している。図中に示された白い矩形は、第１画像投影部Ｓから投影した第１画像であり、第１画像の右下隅には白抜きの三角を付している。

図６に示したように、回動軸ＡＸを回動中心として導波部Ｇを側方に回動させることで、部分反射部ＨＭから投影される第１画像の投影方向が変化し、視聴者の視点からは第１画像の視認方向が変化している。

上述したように本実施形態の画像表示装置１００では、回動保持部であるケース部ＣＳにより投影光学部である導波部Ｇを側方に回動可能に保持しているため、第１画像投影部Ｓから照射された第１画像の空中における投影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。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７〜図９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。図７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７に示すように画像表示装置１１０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７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７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７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７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７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、奥行方向に回動可能に傾斜して配置されている。図７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、第１前画像Ａ１と第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は本発明における投影光学部を構成している。

また、図７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７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、他のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）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７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７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。また、他の画像投影部を備えて、第２ビームスプリッタＢＳ２を介して第１ビームスプリッタＢＳ１に光を入射させて、さらに複数の前画像および後画像を結像させるとしてもよい。

図８は、画像表示装置１１０の構成例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１１０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。また、ダイクロイックミラーＤＭは回動軸ＡＸ１を回動中心としてケース部ＣＳで保持されており、回転支持部ＡＲＭは回動軸ＡＸ２を回動中心として保持されている。したがって、回転支持部ＡＲＭおよびケース部ＣＳの組み合わせは、回動軸ＡＸ１および回動軸ＡＸ２を含んでおり本発明における回動保持部に相当している。

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、回動軸ＡＸ２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１１０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。

図８に示したようにダイクロイックミラーＤＭは、一端がケース部ＣＳ内で回動軸ＡＸ１を中心として側方向に角度θ１の範囲で回動可能に保持されている。ケース部ＣＳにおいてダイクロイックミラーＤＭを回動可能に保持する構造は特に限定されず、例えばダイクロイックミラーＤＭに設けられた支軸をケース部ＣＳに設けられた軸受で軸支する構造を用いることができる。ダイクロイックミラーＤＭが回動軸ＡＸ１を中心として回動することにより、ダイクロイックミラーＤＭの表面に第１ビームスプリッタＢＳ１から入射する光の入射角度が変化するため、第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１の結像位置も変化する。これにより、第１画像投影部Ｓ１から照射された第１画像の空中における投影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。

ここで、角度θ１の範囲としては、視聴者の視点から前方中心方向に対して左右２５度の範囲（−２５°≦θ１≦２５°）が好ましい。角度θ１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。

図９は、画像表示装置１１０において回転支持部ＡＲＭを回動させた際の結像位置の変化を示す模式斜視図である。図９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９に示すように回転支持部ＡＲＭは、回動軸ＡＸ２を回動中心として、少なくとも投影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、左右方向（側方向）にθ２の角度範囲で回動可能とされている。ここで、左右方向にθ２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、側方向の左右にθ２の角度となる範囲である。図９では、角度θ２として前方中心方向から右方向に回転支持部ＡＲＭを回動させた例を示しているが、図９とは反対側の左方向に回動させた場合も含む。

回転支持部ＡＲＭが回動軸ＡＸ２を中心として回動されることで、図７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θ２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θ２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左右２５度の範囲（−２５°≦θ２≦２５°）が好ましい。角度θ２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、回動軸ＡＸ２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、回動軸ＡＸ２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θ２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７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１１０では、ダイクロイックミラーＤＭの移動は左右方向への平行移動ではなく、回動軸ＡＸ２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を結像するための投影光学部の相対的な位置関係や角度の関係は図８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持することができる。

上述したように、本実施形態の画像表示装置１１０では、回動軸ＡＸ２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を角度θ２回動させるとともに、回動軸ＡＸ１を中心としてダイクロイックミラーＤＭを角度θ１回動させることができる。このように回動保持部が回動軸を複数備えることより、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、より一層表示位置の自由度を向上させることが可能となる。

また図９に示したように、視点ｅからの中心視線方向にヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等を別途設けることで、ＨＭＤでの表示と第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１の結像を同時に行うことができる。このとき、回動軸ＡＸ１を中心としてダイクロイックミラーＤＭを回動させることや、回動軸ＡＸ２を中心として回転支持部ＡＲＭを回動させることで、第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１の結像位置をＨＭＤでの表示から側方に変異させることができる。これにより、ＨＭＤでの表示と第１前画像Ａ１および第１後画像Ｒ１の表示領域を分離することができ、両者を個別に識別しやすくなる。

また、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、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。

（第３実施形態）
図８および図９の第２実施形態では、回転支持部ＡＲＭの端部を回動軸ＡＸ２とした例を示したが、図８中に示したように回転支持部ＡＲＭがケース部ＣＳを保持する位置を回動軸ＡＸ２’とし、ケース部ＣＳ全体を回動させるとしてもよい。

この場合には、回動軸ＡＸ２’を回動中心としてケース部ＣＳを回動させるだけで第１画像の視認方向を変更できるため、回転支持部ＡＲＭの端部を回動軸ＡＸ２とする場合よりも、ケース部ＣＳおよびダイクロイックミラーＤＭの移動量を小さくすることができる。

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…画像表示装置
Ｓ，Ｓ１…第１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
ＲＲ…再帰反射部
Ｍ…反射部
ＨＭ…部分反射部
Ｌ…レンズ部
Ｇ…導波部
ＤＭ…ダイクロイックミラー
Ａ１…第１前画像
Ｒ１…第１後画像
Ｈ１…視線方向
ＡＸ１，ＡＸ２…回動軸
ＣＳ…ケース部
ＡＲＭ…回転支持部
ＨＭＤ…ヘッドマウントディスプレイ

Claims (7)

1. 第１画像を照射する第１画像投影部と、
   前記第１画像の光を視点方向に投影する投影光学部を備えた画像表示装置であって、
   前記投影光学部から投影される前記第１画像の光が進行する方向と、前記視点から中心視線方向との成す角θを可変とするように、回動軸を中心として前記投影光学部を側方に回動可能に保持する回動保持部を備えることを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記投影光学部は、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ビームスプリッタに反射させる反射部を備え、
   前記ダイクロイックミラーは、前記反射部が反射した光を空間上に結像させることを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記投影光学部は、内部で光を導波する導波部と、前記導波部内に設けられた部分反射部を備えることを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項４に記載の画像表示装置であって、
   前記第１画像投影部は、レーザ光を照射するレーザ光源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、
   前記回動保持部の回動範囲は、前記角θが−２５度から＋２５度の範囲であることを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項１から６の何れか一つに記載の画像表示装置であって、
   前記回動保持部は、複数の回動軸を備えることを特徴とする画像表示装置。
   

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