JP2022001896A - 空中像投影装置および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】 空中像が利用者に提示する情報量を増加させる。【解決手段】 空中像投影装置１は、第１反射素子２、第２反射素子３、第１光学素子５、表示装置８および第２光学素子６を含む。第１反射素子２は、第１方向から入射する第１画像光Ｌ１の一部を第２方向に透過し、第２方向から入射する第２画像光Ｌ２の一部を第３方向に反射するように構成される。第２反射素子３は、第１反射素子２を透過した第１画像光Ｌ１を第２画像光Ｌ２として再帰反射するように構成される。第１光学素子５は、第１反射素子２と第２反射素子３との間に位置し、第１画像光Ｌ１を集光し、第２画像光Ｌ２を集光するように構成される。表示装置８は、第１画像光Ｌ１を発するように構成される。第２光学素子６は、表示装置８から発せられた第１画像光Ｌ１の光束を少なくとも２つの光束に分割するように構成される。【選択図】図１

Description

本開示は、空中像投影装置および移動体に関する。

ディスプレイから発せられた画像光を空中像として結像させる空中像投影装置が種々提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１１−２５３１２８号公報

空中像が利用者に提示する情報量を増加させることが求められる。

本開示の一実施形態の空中像投影装置は、第１反射素子と、第２反射素子と、第１光学素子と、表示装置と、第２光学素子とを含む。第１反射素子は、第１方向から入射する第１画像光の一部を第２方向に透過し、前記第２方向から入射する第２画像光の一部を第３方向に反射するように構成される。第２反射素子は、前記第１反射素子を透過した前記第１画像光を前記第２画像光として再帰反射するように構成される。第１光学素子は、前記第１反射素子と前記第２反射素子との間に位置し、前記第１画像光を集光し、前記第２画像光を集光するように構成される。表示装置は、前記第１反射素子から前記第１方向に離隔して位置し、前記第１画像光を発するように構成される。第２光学素子は、前記表示装置から発せられた前記第１画像光の光束を少なくとも２つの光束に分割するように構成される。

本開示の一実施形態に係る移動体は、上記の空中像投影装置を含む。

本開示の一実施形態の空中像投影装置は、空中像が利用者に提示する情報量を増加させることができる。本開示の一実施形態の移動体は、空中像が利用者に提示する情報量を増加させることができる。

図１は、空中像投影装置の一例を概略的に示す図である。 図２は、図１に示す表示装置の構成を概略的に示す図である。 図３は、図１に示す空中像と利用者の眼との関係を説明するための図である。 図４は、空中像投影装置の他の例を概略的に示す図である。 図５は、空中像投影装置の他の例を概略的に示す図である。 図６は、空中像投影装置の他の例を概略的に示す図である。 図７は、空中像投影装置の他の例を概略的に示す図である。 図８は、空中像投影装置の他の例を概略的に示す図である。 図９は、空中像投影装置の他の例を概略的に示す図である。 図１０は、空中像投影装置の他の例を概略的に示す図である。 図１１は、空中像投影装置が搭載された移動体の一例を概略的に示す図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明がされる。なお、以下の説明で用いられる図は模式的なものである。図面上における各部の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。

空中像投影装置１は、第１反射素子２と、第２反射素子３と、第１光学素子５と、表示装置８と、第２光学素子６とを備える。

表示装置８は、透過型の表示装置で構成されてよいし、自発光型の表示装置で構成されてよい。透過型の表示装置としては、例えば液晶表示装置を採用しうる。自発光型の表示装置としては、例えば発光ダイオード（Light Emitting Diode；ＬＥＤ）素子、有機エレクトロルミネッセンス（Organic Electro Luminescence；ＯＥＬ）素子、有機発光ダイオード（Organic Light Emitting Diode；ＯＬＥＤ）素子、半導体レーザ（Laser Diode；ＬＤ）素子等の自発光素子を含む表示装置を採用しうる。

本実施形態では、表示装置８は、液晶表示装置で構成されている。表示装置８は、バックライト８１と液晶パネル８２とを含む。表示装置８は、表示面８ａを有し、表示面８ａから画像を示す第１画像光（以下、第１光ともいう）Ｌ１を発するように構成される。表示装置８は、第１光Ｌ１を第１方向Ｄ１に発するように構成される。第１光Ｌ１は、動画像を示す画像光であってよいし、静止画像を示す画像光であってよい。

バックライト８１は、表示面８ａの背面側に表示面８ａに対向して２次元的に配列された複数の光源を含みうる。光源は、例えばＬＥＤ、冷陰極蛍光ランプ、ハロゲンランプ、またはキセノンランプであってよい。表示面８ａの背面側に表示面８ａに対向して配置された複数の光源を有するバックライト８１は、直下型方式のバックライトと呼ぶことができる。バックライト８１は、液晶パネル８２の外周部に配列された複数の光源を含み、導光板により光を表示面８ａの背面全体に導光してよい。液晶パネル８２の外周部に配置された複数の光源を有するバックライト８１は、エッジライト方式のバックライトと呼ぶことができる。バックライト８１は、光源から発せられた光を表示面８ａに均一化して照射するために、レンズアレイ、導光板、および拡散板等を含んで構成されてよい。

液晶パネル８２は、公知の液晶パネルの構成を有してよい。公知の液晶パネルとしては、ＩＰＳ（In-Plane Switching）方式、ＦＦＳ（Fringe Field Switching）方式、ＶＡ（Vertical Alignment）方式、および、ＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence）方式等の種々の液晶パネルを採用しうる。液晶パネル８２は、第１偏光板、カラーフィルタ基板、液晶層、アレイ基板および第２偏光板を含んで構成されてよい。第１偏光板は、表示装置８の表示面８ａ側に位置してよい。

液晶パネル８２は、板状の面上に、例えば図２に示されるように、格子状のブラックマトリックス８２０により水平方向および垂直方向に区画された複数の区画領域を有する。複数の区画領域は、表示面８ａでありうる。区画領域の各々には、１つのサブピクセルが対応する。ブラックマトリックスは、垂直方向に延びる第１ブラックライン８２０ａと、水平方向に延びる第２ブラックライン８２０ｂとにより、複数の区画領域を区画している。ブラックマトリックス８２０では、複数の第１ブラックライン８２０ａが水平方向に例えば一定のピッチで配列され、複数の第２ブラックライン８２０ｂが垂直方向に例えば一定のピッチで配列されている。複数のサブピクセルは、水平方向および垂直方向にマトリクス状に配列されている。各サブピクセルはＲ（Red），Ｇ（Green），Ｂ（Blue）の各色に対応し、Ｒ，Ｇ，Ｂの３つのサブピクセルを一組として１ピクセルを構成することができる。１ピクセルは、１画素と呼びうる。水平方向は、例えば、１ピクセルを構成する複数のサブピクセルが並ぶ方向である。垂直方向は、例えば、同じ色のサブピクセルが並ぶ方向である。図２において、水平方向は、ｈ軸方向として表され、垂直方向は、ｖ軸方向として表される。

第１反射素子２は、表示装置８から第１方向Ｄ１に離隔して位置する。言い換えれば、表示装置８は、第１反射素子２から第１方向Ｄ１に離隔して位置する。第１反射素子２は、第１方向Ｄ１から入射する第１光Ｌ１の少なくとも一部を第２方向Ｄ２に透過するように構成される。第１反射素子２は、第１光Ｌ１の残部を反射するように構成されうる。第１反射素子２は、第２方向Ｄ２から入射する第２画像光（以下、第２光ともいう）Ｌ２の一部を第３方向Ｄ３に反射するように構成される。第１反射素子２は、第２光Ｌ２の残部を透過するように構成されうる。第２光Ｌ２は、第１光Ｌ１と同様に、画像を示す画像光であってよい。

第１光Ｌ１は、第１方向Ｄ１に伝播する平行光であってよいし、第１方向Ｄ１と略平行な方向に伝播する光であってよい。第１光Ｌ１は、主伝播方向が第１方向Ｄ１である光であるともいえる。第２光Ｌ２は、第２方向Ｄ２に伝播する平行光であってよいし、第２方向Ｄ２と略平行な方向に伝播する光であってよい。第２光Ｌ２は、主伝播方向が第２方向Ｄ２である光であるともいえる。第１反射素子２は、第２光Ｌ２の一部を第３方向Ｄ３に伝播する平行光として反射してよいし、第２光Ｌ２の一部を第３方向Ｄ３と略平行な方向に伝播する光として反射してよい。第１反射素子２は、第２光Ｌ２の一部を、主伝播方向が第３方向Ｄ３に沿っている光として反射するともいえる。本明細書において光の伝播方向について言及する場合、光の実質的な伝播方向を意味している。本明細書において光の伝播方向について言及する場合、光の主伝播方向について言及しているともいえる。

図１では、表示装置８から発せられた第１光Ｌ１が第１方向Ｄ１に伝播し、第１反射素子２に入射する例が示されている。図１では、図解を容易にするために、表示装置８に含まれる１つの画素から射出された光の伝播経路が示されている。後述の図４〜１０についても同様である。「伝播経路」は、光路とも称されうる。

第１反射素子２は、表示装置から発せられた第１光Ｌ１の光路上に位置し、かつ第２方向Ｄ２に伝播してくる第２光Ｌ２の光路上に位置する。第１反射素子２は、反射型偏光子で構成されてよい。反射型偏光子は、例えばハーフミラー、ワイヤグリッド偏光子、反射型偏光板、またはビームスプリッタ等を含む。第１反射素子２が偏光板である場合、透過した第１光Ｌ１は、偏光方向が第１反射素子２の透過軸に沿っている直線偏光、またはわずかな楕円偏光となる。第１反射素子２は、光透過性基材と、光透過性基材の表面上に形成された複数の金属細線とを含んで構成されるワイヤグリッド偏光子であってよい。光透過性基材は、例えばトリアセチルセルロース（ＴＡＣ）フィルム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム、またはシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）フィルム等であってよい。複数の金属細線は、例えばアルミニウム、クロム、酸化チタン等の金属材料によって形成されてよい。

第２反射素子３は、第１反射素子２を透過した第１光Ｌ１を再帰反射するように構成される。第２光Ｌ２は、第１反射素子２を透過した第１光Ｌ１が第２反射素子３によって反射された反射光である。第２反射素子３は、第１反射素子２から第２方向Ｄ２に離隔して位置してよい。

第２反射素子３は、リトロリフレクタとも称される再帰反射素子で構成されてよい。再帰反射素子は、例えばコーナーキューブ型再帰反射素子およびマイクロビーズ型再帰反射素子等を含む。

第１光学素子５は、例えば図１に示されるように、第１反射素子２と第２反射素子３との間に位置する。第１光学素子５は、第１反射素子２を透過した第１光Ｌ１の光路上に位置し、かつ第２反射素子３によって反射された第２光Ｌ２の光路上に位置する。

第１光学素子５は、集光機能を有している。第１光学素子５は、第１反射素子２を透過した第１光Ｌ１を集光するように構成される。第１光学素子５は、第２反射素子３によって再帰反射された第２光Ｌ２を集光するように構成される。第１光学素子５は、例えば、１つまたは複数のレンズを含んで構成されてよいし、１つまたは複数のミラーを含んで構成されてよい。

第１光学素子５は、両凸レンズで構成されてよいし、フレネルレンズで構成されてよい。両凸レンズのレンズ面は、少なくとも一部に球面形状を含んでよいし、少なくとも一部に非球面形状を含んでよいし、少なくとも一部に自由曲面形状を含んでよい。第１光学素子５がフレネルレンズである場合、第１光学素子５の厚みを低減できる。その結果、空中像投影装置１を小型化することができる。フレネルレンズの各屈折部は、少なくとも一部に球面形状を含んでよいし、少なくとも一部に非球面形状を含んでよいし、少なくとも一部に自由曲面形状を含んでよい。

第１光学素子５は、例えば、２つの平凸レンズを第２方向Ｄ２に並べることによって構成されてよい。２つの平凸レンズは、凸状のレンズ面同士が対向するように配置されてよいし、平坦なレンズ面同士が対向するように配置されてよい。平凸レンズの凸状のレンズ面は、少なくとも一部に球面形状を含んでよいし、少なくとも一部に非球面形状を含んでよいし、少なくとも一部に自由曲面形状を含んでよい。第１光学素子５を構成するレンズの数は、１つまたは２つに限られず、３つであってよいし、４つ以上であってよい。

第１光学素子５は、レンズ面の一部または全部に、該レンズ面における第１光Ｌ１および第２光Ｌ２の少なくとも一方の反射を低減するＡＲ（Anti-Reflection）コート層が形成されていてよい。これにより、空中像投影装置１の光利用効率を高めることができる。

第２光学素子６は、表示装置８から発せられた第１光Ｌ１の光束を少なくとも２つの光束に分割するように構成される。「光束」は、光線とも称されてよい。第２光学素子６は、表示装置８から発せられた第１光Ｌ１の光束を、利用者１２の第１眼（左眼）１３Ｌに入射させる第１部分光Ｌ１Ｌの光束と、利用者１２の第２眼（右眼）１３Ｒに入射させる第２部分光Ｌ１Ｒの光束とに分割するように構成されてよい。第２光学素子６は、第１方向Ｄ１における表示装置８と第１反射素子２との間に位置してよい。第２光学素子６は、例えば、パララックスバリアで構成されてよいし、レンチキュラレンズで構成されてよいし、マイクロレンズアレイで構成されてよい。

本実施形態の空中像投影装置１では、第２光学素子６は、パララックスバリア６１で構成されている。パララックスバリア６１は、例えば図１に示されるように、表示装置８の表示面８ａに近接して位置してよい。パララックスバリア６１は、表示面８ａから所定距離だけ離隔して位置してよい。パララックスバリア６１は、液晶パネル８２に対してバックライト８１の反対側に位置する。パララックスバリアは、液晶パネル８２のバックライト８１側に位置しうる。

パララックスバリア６１は、例えば図１〜３に示されるように、複数の遮光面６１ａを有する。複数の遮光面６１ａは、表示装置８から発せられた画像光を遮光する。複数の遮光面６１ａは、互いに隣接する該遮光面６１ａの間の開口領域６１ｂを画定する。開口領域６１ｂは、遮光面６１ａに比べて光透過率が高い。遮光面６１ａは、開口領域６１ｂに比べて光透過率が低い。

開口領域６１ｂは、パララックスバリアに入射する光を透過させる部分である。開口領域６１ｂは、第１所定値以上の透過率で光を透過させてよい。第１所定値は、例えば１００％であってよいし、１００％に近い値であってよい。遮光面６１ａは、パララックスバリアに入射する光を遮って透過させない部分である。言い換えれば、遮光面６１ａは、表示装置８に表示される画像を遮る。遮光面６１ａは、第２所定値以下の透過率で光を遮ってよい。第２所定値は、例えば０％であってよいし、０％に近い値であってよい。第１所定値に対する第２所定値の比は、１／１００であってよいし、１／１０００であってよい。

遮光面６１ａと開口領域６１ｂとは、例えば図２に示されるように、水平方向および垂直方向に交互に並ぶ。仮に開口領域６１ｂの端部を示す線が垂直方向に沿う場合、サブピクセルの配置または開口領域６１ｂの寸法に含まれる誤差によって、表示画像においてモアレが認識されやすくなる。開口領域６１ｂの端部を示す線が垂直方向に対して所定の角度を有する方向に延在する場合には、サブピクセルの配置または開口領域６１ｂの寸法に含まれる誤差にかかわらず、表示画像においてモアレが認識されにくくなる。

パララックスバリア６１は、第２所定値未満の透過率を有するフィルムまたは板状部材で構成されてよい。この場合、遮光面６１ａは、当該フィルムまたは板状部材で構成される。開口領域６１ｂは、フィルムまたは板状部材に設けられた開口で構成される。フィルムは、樹脂で構成されてよいし、他の材料で構成されてよい。板状部材は、樹脂または金属等で構成されてよいし、他の材料で構成されてよい。パララックスバリア６１は、フィルムまたは板状部材に限られず、他の種類の部材で構成されてよい。パララックスバリア６１は、基材が遮光性を有してよいし、基材に遮光性を有する添加物が含有されてよい。

パララックスバリア６１は、液晶シャッターで構成されてよい。液晶シャッターは、印加する電圧に応じて光の透過率を制御しうる。液晶シャッターは、複数の画素で構成され、各画素における光の透過率を制御してよい。液晶シャッターは、光の透過率が高い領域または光の透過率が低い領域を任意の形状に形成しうる。パララックスバリア６１が液晶シャッターで構成される場合、開口領域６１ｂは、第１所定値以上の透過率を有する領域としてよい。パララックスバリア６１が液晶シャッターで構成される場合、遮光面６１ａは、第２所定値以下の透過率を有する領域としてよい。

図３を参照して、パララックスバリア６１の光学的機能について説明する。図３は、表示装置８から発せられる第１光Ｌ１の光束の一部、利用者１２の左眼１３Ｌに入射させる第１部分光Ｌ１Ｌの光束の一部、および利用者１２の右眼１３Ｒに入射させる第２部分光Ｌ１Ｒの光束の一部を示している。図２では、図解を容易にするために、空中像投影装置１における、表示装置８およびパララックスバリア６１以外の構成部が省略されている。

表示装置８は、表示面８ａから、視差画像を示す第１光Ｌ１を第１方向Ｄ１に発する。視差画像は、利用者１２の左眼１３Ｌおよび右眼１３Ｒにそれぞれに投影される画像であって、利用者１２の眼１３Ｌ，１３Ｒに視差を与える画像である。パララックスバリア６１は、例えば図２に示されるように、第１光Ｌ１の光束を、第１部分光Ｌ１Ｌの光束と第２部分光Ｌ１Ｒの光束とに分割する。第１部分光Ｌ１Ｌおよび第２部分光Ｌ１Ｒは、いずれも第１方向Ｄ１に伝播する。

後述するように、第１部分光Ｌ１Ｌおよび第２部分光Ｌ１Ｒは、第１反射素子２、第２反射素子３、および第１光学素子５が有する光学的機能によって、装置外の結像位置ＩＰにおいて結像される。利用者１２は、左眼１３Ｌで第１部分光Ｌ１Ｌを観察し、右眼１３Ｒで第２部分光Ｌ１Ｒを観察することによって、両眼視差による３次元空中像を視認できる。

空中像投影装置１は、コントローラを備えてよい。コントローラは、空中像投影装置１の各構成部に接続され、各構成部を制御する。コントローラは、例えばプロセッサとして構成される。コントローラは、１つ以上のプロセッサを含んでよい。プロセッサは、特定のプログラムを読み込ませて特定の機能を実行する汎用のプロセッサ、および特定の処理に特化した専用のプロセッサを含んでよい。専用のプロセッサは、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ： Application Specific Integrated Circuit）を含んでよい。プロセッサは、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ：Programmable Logic Device）を含んでよい。ＰＬＤは、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）を含んでよい。コントローラは、１つまたは複数のプロセッサが協働するＳｏＣ（System-on-a-Chip）、およびＳｉＰ（System In a Package）のいずれかであってよい。コントローラは、記憶部を有し、記憶部に各種情報、または空中像投影装置１の各構成部を動作させるためのプログラム等を格納してよい。記憶部は、例えば半導体メモリ等で構成されてよい。記憶部は、コントローラのワークメモリとして機能してよい。

図１，３を参照して、空中像投影装置１による空中像の結像について説明する。表示装置８から第１方向Ｄ１に発せられた第１光Ｌ１は、第２光学素子６を通過する。第１光Ｌ１は、その光束が、第２光学素子６によって、第１部分光Ｌ１Ｌの光束と第２部分光Ｌ１Ｒの光束とに分割された状態で、第１方向Ｄ１に伝播する。第１部分光Ｌ１Ｌは、利用者１２の左眼１３Ｌに入射させる光であり、第２部分光Ｌ１Ｒは、利用者１２の右眼１３Ｒに入射させる光である。第１部分光Ｌ１Ｌが示す画像と、第２部分光Ｌ１Ｒが示す画像とは、互いに視差を有している。

第１光Ｌ１は、第１方向Ｄ１に伝播し、第１反射素子２に到達する。第１反射素子２に到達した第１光Ｌ１の一部は、第１反射素子２を透過し、第２方向Ｄ２に伝播する。第１反射素子２を透過した第１光Ｌ１は、第１光学素子５によって集光されて、第２反射素子３に到達する。

第２反射素子３に到達した第１光Ｌ１は、第２反射素子３によって再帰反射され、第２光Ｌ２となる。第２光Ｌ２は、第１光学素子５によって集光されて、第１反射素子２に到達する。第１反射素子２に到達した第２光Ｌ２の一部は、第１反射素子２によって第３方向Ｄ３に反射される。第１反射素子２によって反射された第２光Ｌ２は、空中の結像位置ＩＰにおいて結像される。

空中において結像される第２光Ｌ２の一部は、第１部分光Ｌ１Ｌの一部である左眼画像光、および第２部分光Ｌ１Ｒの一部である右眼画像光を含む。左眼画像光は、利用者１２の左眼１３Ｌに視認させる左眼画像を示す。右眼画像光は、利用者１２の右眼１３Ｒに視認させる右眼画像を示す。左眼画像と右眼画像とは、互いに視差を有する。利用者１２は、左眼１３Ｌで左眼画像を観察し、右眼１３Ｒで右眼画像を観察することによって、両眼視差による３次元空中像を視認できる。

このように、本実施形態の空中像投影装置１によれば、空中像を３次元化することができる。これにより、２次元の空中像を投影する場合と比較して、空中像が利用者に提示する情報量を増加させることができる。

再帰反射素子による再帰反射を利用して空中像を投影する装置では、再帰反射されるべき画像光が再帰反射素子の反射面における広い範囲に入射する場合、画像光は、再帰反射素子を構成するプリズムのサイズの影響および該プリズムにおける回折の影響を受ける虞がある。その結果、再帰反射された画像光が拡散してしまい、空中像がぼやけた画像となる虞がある。再帰反射素子を構成するプリズムにおける回折の影響は、表示装置と再帰反射素子との距離が長くなればなるほど顕著になる。本実施形態の空中像投影装置１では、表示装置８と第２反射素子３との間に集光機能を有する第１光学素子５が設けられている。これにより、第１光学素子５によって集光された光が、第２反射素子３の反射面３ａにおける比較的狭い範囲に入射する。これにより、第２反射素子３によって再帰反射された第２光Ｌ２の拡散を低減できる。その結果、空中像を高解像度化することができ、空中像が利用者に提示する情報量を増加させることができる。

本実施形態の空中像投影装置１では、第２反射素子３によって再帰反射された第２光Ｌ２を、第１光学素子５によってさらに集光し、第１反射素子２に入射させている。これにより、第２光Ｌ２の拡散をさらに低減できる。その結果、空中像を高解像度化することができ、空中像が利用者に提示する情報量を増加させることができる。

第１光学素子５は、両凸レンズおよびフレネルレンズに限られない。第１光学素子５は、マイクロレンズアレイであってよいし、凹面ミラーであってよい。

マイクロレンズアレイは、複数のマイクロレンズを基板上に配列して構成された光学素子である。複数のマイクロレンズは、基板の主面に直交する方向から見たときに、その形状が、円形状であってよいし、矩形状であってよいし、多角形状であってよい。複数のマイクロレンズは、規則的に（すなわち、行列状に）配列されてよいし、不規則的に配列されてよい。各マイクロレンズのレンズ面は、少なくとも一部に球面形状を含んでよいし、少なくとも一部に非球面形状を含んでよい。各マイクロレンズのレンズ面は、少なくとも一部に自由曲面形状を含んでよい。第１光学素子５がマイクロレンズアレイである場合、複数のマイクロレンズの配列ならびに各マイクロレンズの形状およびサイズを調整することによって、第１光Ｌ１および第２光Ｌ２の精緻な配光制御を行うことができる。その結果、空中像を高解像度化することができ、空中像が利用者に提示する情報量を増加させることができる。

凹面ミラーは、第１反射素子２を透過した第１光Ｌ１を第２反射素子３に向けて反射し、第２反射素子３から再帰反射された第２光Ｌ２を第１反射素子２に向けて反射するように構成される。凹面ミラーは、その反射面が第１光学素子５および第２反射素子３に対向するように配置される。凹面ミラーの反射面は、少なくとも一部に球面形状を含んでよいし、少なくとも一部に非球面形状を含んでよい。凹面ミラーの反射面は、少なくとも一部に自由曲面形状を含んでよい。第１光学素子５が凹面ミラーである場合、簡易な構成の空中像投影装置１を用いて、空中像を高解像度化することができ、空中像が利用者に提示する情報量を増加させることができる。

第２反射素子３は、第１光学素子５の集光点近傍に位置してよい。これにより、第１光学素子５によって集光された第１光Ｌ１は、第２反射素子３の反射面３ａにおける狭い範囲に入射するので、第２光Ｌ２の拡散を低減できる。その結果、空中像を高解像度化することができ、空中像が利用者１２に提示する情報量を増加させることができる。

空中像投影装置１は、表示装置８が第１光学素子５の焦点近傍に位置し、かつ、第２反射素子３が第１光学素子５の焦点近傍に位置するように構成されてよい。言い換えれば、空中像投影装置１は、表示装置８と第２反射素子３とが光学的に共役となるように構成されてよい。これにより、第１反射素子２を並進移動または回転させるだけで、空中の様々な位置に高解像度の空中像を投影することが可能になる。

空中像投影装置１は、例えば図４に示されるように、第３光学素子１４を備えてよい。第３光学素子１４は、第２反射素子３と第１光学素子５との間に位置してよい。第３光学素子１４は、第２反射素子３の反射面３ａに近接して位置しうる。第３光学素子１４は、第２光Ｌ２に含まれる散乱光を集光するように構成されてよい。これにより、第２反射素子３によって再帰反射された第２光Ｌ２の拡散を抑制できる。その結果、空中像を高解像度化することができ、空中像が利用者に提示する情報量を増加させることができる。

第３光学素子１４は、例えば平凸レンズ、両凸レンズ、メニスカスレンズ、またはフレネルレンズ等のレンズで構成されてよい。第３光学素子１４は、１つまたは複数のレンズを含んで構成されてよい。第３光学素子１４は、例えばマイクロレンズアレイであってよい。

表示装置８が液晶表示装置である場合、表示装置８が発する第１光Ｌ１の偏光状態は、第１偏光板の偏光方向に沿った直線偏光であってよい。第１反射素子２が反射型偏光板である場合、第１反射素子２の透過軸に沿って第１光Ｌ１が偏光していると、第１光Ｌ１は、当該第１反射素子２による反射を低減できる。例えば、第１偏光板の偏光方向は、第１反射素子２の透過軸に沿っている。

空中像投影装置１は、例えば図５に示されるように、位相差板７を備えてよい。位相差板７は、第２反射素子３と第１光学素子５との間に位置してよい。位相差板７は、透過する光の偏光方向を回転させるように構成されてよい。位相差板７は、第２反射素子３の反射面３ａに近接して位置してよい。位相差板７は、第２反射素子３の反射面３ａから所定距離だけ離隔して位置してよい。

第１反射素子２が偏光子である場合、第１反射素子２を透過した第１光Ｌ１は、偏光方向が第１反射素子２の透過軸に沿っている直線偏光、またはわずかな楕円偏光である。当該偏光が第２反射素子３によって再帰反射された第２光Ｌ２の偏光状態は、第１反射素子２の偏光方向に沿う直線偏光、またはわずかな楕円偏光でありうる。したがって、第２光Ｌ２が偏光子を介さずにそのまま第１反射素子２に入射する場合、第１反射素子２の透過軸に第２光Ｌ２の偏光方向が沿ってしまい、第１反射素子２を透過する第２光Ｌ２の割合が多くなりうる。

位相差板７は、例えば１／４波長板であってよい。第１反射素子２の透過軸に沿っている直線偏光、またはわずかな楕円偏光である第１光Ｌ１が１／４波長板を通過すると、第１回転方向に回転する円偏光となる。この円偏光は、第２反射素子３で再帰反射すると、第１回転方向と逆向きの第２回転方向に回転する円偏光の第２光Ｌ２となる。この円偏光の第２光Ｌ２が１／４波長板を通過すると、第２光Ｌ２は、第１反射素子２の透過軸と交わる方向に沿った直線偏光となる。つまり、第２光Ｌ２は、第１反射素子２の反射軸に沿った直線偏光となる。位相差板７を用いて第２光Ｌ２の偏光状態を第１光Ｌ１と交わる方向に沿った直線偏光、またはわずかな楕円偏光とすることにより、第１反射素子２における第２光Ｌ２の反射率を高めることができる。その結果、空中像を高解像度化および高輝度化することができる。ひいては、空中像が利用者に提示する情報量を増加させることができる。

位相差板７の利用は、第１反射素子２が偏光子である場合に限られない。例えば、位相差板７によって、第１反射素子２に対してｓ偏光で第２光Ｌ２を入射させることによって、ブリュースター角近傍での高い反射率を利用することができる。

位相差板７は、１／４波長板７ａ、および第２方向Ｄ２における１／４波長板７ａと第２反射素子３との間に位置する１／２波長板７ｂを有してよい。位相差板７は、１／４波長板７ａの遅相軸と１／２波長板７ｂの遅相軸との交差角度が、例えば４５°であってよいし、４５°に近い角度であってよい。これにより、位相差板７は、広い波長帯域で一定の位相差特性を有しうる。位相差板７は、第２光Ｌ２を広い波長帯域の円偏光とすることができる。

第１反射素子２を透過した第１光Ｌ１は、偏光方向が第１反射素子２の偏光方向に沿っている直線偏光の光である。空中像投影装置１が位相差板７を含まない場合、第２反射素子３によって再帰反射された第２光Ｌ２の偏光状態は、第１反射素子２の偏光方向に沿う直線偏光、またはわずかな楕円偏光でありうる。したがって、第２光Ｌ２がそのままの偏光状態で第１反射素子２に入射すると、第１反射素子２を透過する第２光Ｌ２の割合が多くなりうる。位相差板７を用いて第２光Ｌ２の偏光状態を円偏光とすることにより、第１反射素子２における第２光Ｌ２の反射率を高めることができる。その結果、空中像を高解像度化および高輝度化することができる。ひいては、空中像が利用者に提示する情報量を増加させることができる。

空中像投影装置１は、表示装置８が発する第１光Ｌ１の偏光方向が、第１反射素子２の偏光方向に沿っていてよい。これにより、第１反射素子２における第１光Ｌ１の透過率を高めることができる。その結果、空中像投影装置１の光利用率を高めることができ、空中像を高解像度化および高輝度化することができる。したがって、空中像が利用者に提示する情報量を増加させることができる。あるいは、空中像を高解像度化しつつ、バックライト８１の光量を減らし、空中像投影装置１を低消費電力化することができる。

空中像投影装置１は、例えば図６に示されるように、カメラ９を備えてよい。カメラ９は、第１反射素子２を介して第３方向Ｄ３を撮像するように構成されてよい。

カメラ９は、可視光カメラまたは赤外線カメラであってよい。赤外線カメラは、遠赤外線カメラであってよい。カメラ９は、可視光画像および赤外光画像を撮像してよい。カメラ９は、単眼カメラまたはステレオカメラであってよい。カメラ９は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）撮像素子またはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）撮像素子を含んでよい。

カメラ９は、利用者１２を撮像するように構成されてよい。カメラ９は、利用者１２の顔を撮像してよい。カメラ９は、利用者１２の眼１３を撮像してよい。空中像投影装置１は、撮像画像から利用者１２の眼１３の位置を検出するように構成されてよい。空中像投影装置１は、検出した利用者１２の眼１３の位置に基づいて、空中像の結像位置等を調整するように構成されてよい。これにより、様々な場所に位置する利用者１２に高解像度の空中像を視認させることが可能になる。カメラ９は、利用者１２の眼１３を撮像せず、利用者１２の眼１３の位置を特定可能にする、利用者１２の顔に含まれる特徴点を撮像してよい。特徴点は、利用者の眉、鼻および唇等を含んでよい。

カメラ９は、ミラー等の反射部材で反射した利用者１２の像を、第１反射素子２を介して撮像するように構成されてよい。これにより、カメラ９を配置する場所の自由度を高めることができる。

空中像投影装置１は、カメラ９を備えず、装置外の外部カメラに接続されていてよい。空中像投影装置１は、外部カメラからの信号を入力する入力端子を備えてよい。外部カメラは、入力端子に直接的に接続されてよい。外部カメラは、共有のネットワークを介して入力端子に間接的に接続されてよい。

利用者１２の眼１３Ｌ，１３Ｒの位置は、利用者１２の体格および姿勢等に応じて変化することがある。この場合、カメラ９によって検出した利用者１２の眼１３Ｌ，１３Ｒの位置に基づいて、第１光Ｌ１または第２光Ｌ２の光路を変化させることによって、空中像を利用者１２に適切に視認させうる。空中像投影装置１は、例えば、第１反射素子２によって反射される第２光Ｌ２の光路を変化させるために、第１反射素子２の位置および姿勢の少なくとも一方を変更してよい。

空中像投影装置１は、第１反射素子２の位置および姿勢の少なくとも一方を変更するように構成される駆動部を備えてよい。駆動部の動作は、コントローラによって制御されてよい。駆動部は、第１反射素子２の位置を変更すべく、第１反射素子２を第１方向Ｄ１に沿って並進駆動するように構成されてよい。駆動部は、第１反射素子２の姿勢を変更すべく、第１反射素子２を、第１反射素子２に設けた１つまたは２つの回転軸の周りに回転駆動するように構成されてよい。これにより、第１反射素子２によって反射された第２光Ｌ２が結像される位置、および第１反射素子２によって反射された第２光Ｌ２の伝播方向（すなわち、第３方向Ｄ３）の少なくとも一方を変化させることができる。その結果、利用者１２の眼１３の位置に合わせて第２光Ｌ２の光路を変化させ、空中像を利用者に適切に視認させることが可能になる。

空中像投影装置１は、例えば図７に示されるように、第３反射素子４を備えてよい。第３反射素子４は、第１反射素子２で反射した第２光Ｌ２を利用者に向かって反射するように構成されてよい。これにより、利用者は様々な方向から空中像を視認できる。第３反射素子４は、ミラーであってよいし、例えばガラス、光反射樹脂等を含んで構成されてよい。空中像投影装置１が、ウインドシールドを備えた移動体に搭載される場合、ウインドシールドは第３反射素子４を兼ねてよい。

カメラ９は、第３反射素子４で反射した利用者の像を、第１反射素子２を介して撮像するように構成されてよい。これにより、カメラ９を配置する場所の自由度を高めつつ、利用者を撮像することが可能になる。

上記では第２光学素子６がパララックスバリア６１で構成される場合について説明したが、第２光学素子６は、例えば図８に示されるように、レンチキュラレンズ６２で構成されてよい。レンチキュラレンズ６２は、例えば、所定方向に延びる複数の半円柱型のシリンドリカルレンズ６２ａを、所定方向と直交する方向に配列して構成されてよい。空中像投影装置１は、第２光学素子６をレンチキュラレンズ６２で構成した場合であっても、第２光学素子６をパララックスバリア６１で構成した場合と同様に、３次元空中像を結像させることができ、空中像が利用者に提示する情報量を増加させることができる。

第２光学素子６は、例えば図９に示されるように、マイクロレンズアレイ６３で構成されてよい。マイクロレンズアレイ６３は、例えば、複数のマイクロレンズ６３ａを、行列状に配列して構成されてよい。各マイクロレンズ６３ａは、例えば、両凸レンズ、平凸レンズ、またはメニスカスレンズ等であってよい。空中像投影装置１は、第２光学素子６をマイクロレンズアレイ６３で構成した場合であっても、第２光学素子６をパララックスバリア６１で構成した場合と同様に、３次元空中像を結像させることができ、空中像が利用者に提示する情報量を増加させることができる。

空中像投影装置１は、例えば図１０に示されるように、積層型表示装置として構成された表示装置８を備えてよい。積層型表示装置は、例えば、バックライト８１と複数の液晶パネル８２とを有してよい。複数の液晶パネル８２の複数の画素から発せられた光束は、空中の互いに異なる結像位置ＩＰでそれぞれ結像され、その結果、３次元空中像が形成される。したがって、空中像が利用者に提示する情報量を増加させることができる。表示装置８が積層型表示装置である場合、空中像投影装置１は、第２光学素子６を備えなくてよい。図１０に示される空中像投影装置１は、利用者に様々な視点から３次元空中像を視認させることが可能になる。図１０に示される空中像投影装置１は、複数の利用者に３次元空中像を視認させることも可能になる。

例えば図１１に示されるように、空中像投影装置１は、移動体１０に搭載されてよい。

本開示における「移動体」は、例えば車両、船舶、および航空機等を含んでよい。車両は、例えば自動車、産業車両、鉄道車両、生活車両、および滑走路を走行する固定翼機等を含んでよい。自動車は、例えば乗用車、トラック、バス、二輪車、およびトロリーバス等を含んでよい。産業車両は、例えば農業および建設向けの産業車両等を含んでよい。産業車両は、例えばフォークリフトおよびゴルフカート等を含んでよい。農業向けの産業車両は、例えばトラクター、耕耘機、移植機、バインダー、コンバイン、および芝刈り機等を含んでよい。建設向けの産業車両は、例えばブルドーザー、スクレーバー、ショベルカー、クレーン車、ダンプカー、およびロードローラ等を含んでよい。車両は、人力で走行するものを含んでよい。車両の分類は、上述した例に限られない。例えば、自動車は、道路を走行可能な産業車両を含んでよい。複数の分類に同じ車両が含まれてよい。船舶は、例えばマリンジェット、ボート、およびタンカー等を含んでよい。航空機は、例えば固定翼機および回転翼機等を含んでよい。

図１１では、移動体１０が乗用車である場合を例示したが、移動体１０は、乗用車に限らず、上記例のいずれかであってよい。空中像投影装置１の位置は、移動体１０の内部および外部において任意である。空中像投影装置１は、例えば、移動体１０のダッシュボード内に位置してよい。空中像投影装置１は、第１反射素子２によって反射された第２光Ｌ２を、第３反射素子４としてのウインドシールド１１によって反射させて、利用者１２の眼１３に入射させるように構成されてよい。これにより、利用者１２は、３次元空中像を視認できる。空中像投影装置１を搭載した移動体１０は、空中像が利用者に提示する情報量を増加させることができる。

本開示において「第１」および「第２」等の記載は、当該構成を区別するための識別子である。本開示における「第１」および「第２」等の記載で区別された構成は、当該構成における番号を交換することができる。例えば、第１反射素子は、第２反射素子と識別子である「第１」と「第２」とを交換することができる。識別子の交換は同時に行われる。識別子の交換後も当該構成は区別される。識別子は削除してよい。識別子を削除した構成は、符号で区別される。本開示における「第１」および「第２」等の識別子の記載のみに基づいて、当該構成の順序の解釈、小さい番号の識別子が存在することの根拠に利用してはならない。

１ 空中像投影装置
２ 第１反射素子
３ 第２反射素子
３ａ 反射面
４ 第３反射素子
５ 第１光学素子
６ 第２光学素子
６１ パララックスバリア
６１ａ 遮光面
６１ｂ 開口領域
６２ レンチキュラレンズ
６２ａ シリンドリカルレンズ
６３ マイクロレンズアレイ
６３ａ マイクロレンズ
７ 位相差板
７ａ １／４波長板
７ｂ １／２波長板
８ 表示装置
８ａ 表示面
８１ バックライト
８２ 液晶パネル
８２０ ブラックマトリックス
８２０ａ 第１ブラックライン
８２０ｂ 第２ブラックライン
９ カメラ
１０ 移動体
１１ ウインドシールド
１２ 利用者
１３ 眼
１３Ｌ 第１眼（左眼）
１３Ｒ 第２眼（右眼）
１４ 第３光学素子

Claims (11)

1. 第１方向から入射する第１画像光の一部を第２方向に透過し、前記第２方向から入射する第２画像光の一部を第３方向に反射するように構成される第１反射素子と、
   前記第１反射素子を透過した前記第１画像光を前記第２画像光として再帰反射するように構成される第２反射素子と、
   前記第１反射素子と前記第２反射素子との間に位置し、前記第１画像光を集光し、前記第２画像光を集光するように構成される第１光学素子と、
   前記第１反射素子から前記第１方向に離隔して位置し、前記第１画像光を発するように構成される表示装置と、
   前記表示装置から発せられた前記第１画像光の光束を少なくとも２つの光束に分割するように構成される第２光学素子と、を含む空中像投影装置。
2. 請求項１に記載の空中像投影装置であって、
   前記第１反射素子は、反射型偏光子である、空中像投影装置。
3. 請求項１または２に記載の空中像投影装置であって、
   前記少なくとも２つの光束は、利用者の第１眼に入射させる第１部分光の光束、および前記利用者の第２眼に入射させる第２部分光の光束である、空中像投影装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の空中像投影装置であって、
   前記第１反射素子を介して前記第３方向を撮像するカメラを含む、空中像投影装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の空中像投影装置であって、
   前記第２反射素子は、前記第１光学素子の集光点近傍に位置する、空中像投影装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の空中像投影装置であって、
   前記表示装置は、前記第１光学素子の焦点近傍に位置する、空中像投影装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の空中像投影装置であって、
   集光機能を有する第３光学素子を、前記第２反射素子と前記第１光学素子との間に含む、空中像投影装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の空中像投影装置であって、
   透過する光の偏光方向を回転させる位相差板を、前記第２反射素子と前記第１光学素子との間に含む、空中像投影装置。
9. 請求項８に記載の空中像投影装置であって、
   前記位相差板は、１／４波長板と、前記１／４波長板と前記第２反射素子との間に位置する１／２波長板とを有する、空中像投影装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の空中像投影装置であって、
    前記第１反射素子で反射した前記第２画像光を利用者に向かって反射するように構成される第３反射素子を含む、空中像投影装置。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の空中像投影装置を含む、移動体。

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