JP4341308B2 - Aerial image display device - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の画像を空中で結像させて空中像を表示する空中像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、いわゆるヘッドマウントディスプレイ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ；ＨＭＤ）等のように、画像を空中で結像させて現実感のある仮想空間を実現する試みがなされている。この種のディスプレイとしては、ヘッドマウントディスプレイのように、レンズの奥方向にて画像を空中像として結像させているものもある一方で、レンズの前方にて画像を空中像として結像させているものもある。
【０００３】
具体的には、この種の空中像結像の原理は、例えば図３４に示すように、画像を表示する所定のディスプレイデバイス１０１と、このディスプレイデバイス１０１に表示された表示画像ＩＭを空中に投影する透過型レンズ等の透過型光学素子１０２とからなるディスプレイ本体１００によるシステムを用いて説明することができる。すなわち、この種の技術は、焦点距離がｆである透過型光学素子１０２を用いて、ディスプレイデバイス１０１に表示された表示画像ＩＭを、当該透過型光学素子１０２と鑑賞者の眼球ＥＹＥとの間に空中像ＲＩＭとして結像させている。ここで、透過型光学素子１０２の主平面１０３とディスプレイデバイス１０１との間の距離をｍとし、透過型光学素子１０２の主平面１０３と空中像ＲＩＭとの間の距離をｎとすると、ガウスの公式により、次式（１）が成立し、この次式（１）を変形することによって次式（２）が成立する。
（１／ｍ）＋（１／ｎ）＝１／ｆ ・・・（１）
ｎ＝ｆｍ／（ｍ−ｆ） ・・・（２）
【０００４】
これにより、この種の技術においては、ディスプレイデバイス１０１に表示された表示画像ＩＭが、透過型光学素子１０２と眼球ＥＹＥとの間であって当該透過型光学素子１０２の主平面１０３からｆｍ／（ｍ−ｆ）だけ離隔された位置に、実像たる空中像ＲＩＭとして結像される。このとき、この種の技術においては、ディスプレイデバイス１０１に表示する表示画像ＩＭとして、例えば図３５に示すように物体の周囲を黒くした映像を表示することにより、鑑賞者ＶＷは、例えば図３６に示すように、特殊な眼鏡を用いることなく、恰も表示画像ＩＭに示された物体のみが空中に浮遊し、当該鑑賞者ＶＷが物体を把持することができるかのように、視認することができる。
【０００５】
また、この種の技術は、先に図３４に示した透過型光学素子１０２の代わりに、いわゆる凹面鏡等の反射型光学素子を用いて実現することもできる。すなわち、例えば図３７に示すように、反射型光学素子１０４を用いた反射型のシステムにおいては、ディスプレイデバイス１０１と反射型光学素子１０４とを所定の位置関係で配置し、ディスプレイデバイス１０１に表示された表示画像ＩＭを、反射型光学素子１０４によって反射させることにより、反射型光学素子１０４と鑑賞者の眼球ＥＹＥとの間に、表示画像ＩＭとは上下左右ともに対称な実像たる空中像ＲＩＭが結像される。
【０００６】
なお、この種の技術の具体例としては、例えば、特許文献１乃至特許文献５に記載されたものが提案されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−２５８５４３号公報
【特許文献２】
特開平１１−１１９１５４号公報
【特許文献３】
特開平６−３４８８１７号公報
【特許文献４】
特開平１１−１１９１５４号公報
【特許文献５】
特開平８−５９５６号公報
【０００８】
特許文献１には、光源からの光束を反射又は透過する画像形成部を備え、この画像形成部を通過した光束が、投影レンズを透過した後、視野レンズを透過し、空中像反射鏡によって空中に表示像を形成する画像表示を行う構成と、画像形成部を通過した光束が、投影レンズを透過し、スクリーンに表示像を形成する画像表示を行う構成との両機能部材を兼ね備えた画像表示装置が開示されている。これにより、この画像表示装置は、画面サイズの大きなスクリーン像型の表示方式と視野の狭い空中像型の表示方式との両機能を実現することができるとしている。
【０００９】
また、特許文献２には、文字や画像の情報を表示する２つの表示手段と、この２つの表示手段に表示された画像を物体とする実像を所定の空中に拡大投影して結像させる２つの投影手段と、投影された２つの空中像からの光束をそれぞれ所定の２つの視域にもたらすための１つの集束光学系とからなり、２つの視域の中心が所定の配置とされているバーチャルスクリーン型立体表示装置が開示されている。これにより、このバーチャルスクリーン型立体表示装置は、特殊眼鏡やレンチキュラーレンズを用いずにコンパクト、低コスト、省エネルギで且つ鮮明な立体画像を容易に得ることができるとしている。
【００１０】
さらに、特許文献３には、観察窓を有する暗黒状態の空間内に設置され、ＣＧ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ）画像を表示する表示手段と、空間内に設置され、表示手段によって表示されるＣＧ画像を反射によって空中像として観察窓と対応する位置に出現させる光学系と、空中像の出現領域の周囲を２次元的に取り囲むようにして配置され、この出現領域内に観察窓を通して挿入された物体の位置座標を検出する位置検出手段と、この位置検出手段によって検出された物体の座標データを基に空中像中の目的像と物体間の距離情報を算出し、この距離情報に基づいて目的像が物体に向かって移動する目的像のＣＧ描画処理を行って表示手段に表示させる表示制御手段とを備える表示装置が開示されている。これにより、この表示装置は、ＣＧ画像の表示手段と光学系とによって形成される空中像を観察者等によって直接操作でき、観察者等の興味及び遊戯性を高めることができるとしている。
【００１１】
さらに、特許文献４には、画像を表示する二つの表示手段と、表示された画像を拡大投影して結像させる投影手段と、投影された二つの空中像からの光束をそれぞれ所定の二つの視域にもたらすための一つの集束光学系とからなる立体表示装置が開示されている。
【００１２】
また、特許文献５には、左右の眼それぞれ用の空間変調素子がハーフミラー型コンバイナーを挟んでほぼ直角に配置され、それぞれの空間変調素子の背面側にバックライト装置用の発光装置が置かれ、空間変調素子と発光装置の間に発光領域を拡大するための指向性のある光学素子を配し、空間変調素子の表示領域と非表示領域とを制御することで鑑賞者に立体映像を視認させる立体表示装置が開示されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特許文献１乃至特許文献３に代表される空中像表示技術においては、外部から入射される外光対策が施されたものは存在しない。したがって、この種の空中像表示技術においては、空中像の周囲が浮いて、当該空中像の立体感が得にくいという問題があった。
【００１４】
例えば、図３７に示した反射型のシステムにおいては、外部から光が入射すると、この光線が反射型光学素子１０４によって反射することから、当該反射型光学素子１０４等の各種光学部材の存在が鑑賞者に把握されてしまい、結果として、空中像の実在感が希薄化する事態を招来する。特に、この反射型のシステムにおいては、鑑賞者がディスプレイ本体を斜め横方向から鑑賞した場合には、反射型光学素子１０４の存在が顕著に把握できてしまう。また、この反射型のシステムにおいては、筐体やディスプレイデバイス１０１の表示画面等によっても、外光が反射することから、同様の問題が生じている。
【００１５】
なお、このような問題は、先に図３４に示したような透過型のシステムにおいても、透過型光学素子１０２の表面反射の他、筐体やディスプレイデバイス１０１の表示画面による外光の反射に起因して生じるものである。
【００１６】
また、反射型のシステムにおいては、図３７に示したように、反射型光学素子１０４の光軸から離隔された位置にて結像することから、空中像ＲＩＭの収差が大きくなるという問題もあった。
【００１７】
また、上述した特許文献４に記載された立体表示装置では、表示手段と投影手段とを二つずつ備えて、一つの集束光学系で二つの空中像を所定の領域に示すため、鑑賞者が良好な立体映像を視認するために必要な光学系の設計が困難になるという問題があった。
【００１８】
また、上述した特許文献５に記載された立体表示装置では、空間変調素子の表示領域と非表示領域とを制御することで鑑賞者に立体映像を視認させるが、ハーフミラーを介して光学素子により二つの画像の表示領域を変化させるため、空間変調素子の制御が難しいという問題があった。
【００１９】
また、従来の立体眼鏡を必要とする立体ディスプレイでの鑑賞者と表示装置の例を図３８に示す。立体ディスプレイ２００を鑑賞者２０１が視聴して立体映像を視認するためには、鑑賞者２０１が左右の眼それぞれに視差を有する画像を受けるために、液晶シャッター眼鏡２０２などの視差画像を切り替える手段を装着する必要があった。
【００２０】
図３９は液晶シャッター眼鏡２０２を用いて鑑賞者２０１が立体映像を視認する原理を示す模式図であり、図４０は立体ディスプレイ２００の表示と液晶シャッター眼鏡２０２の動作の関連を示すグラフである。立体ディスプレイ２００には、時分割で右目用と左目用のビデオ信号が入力され、左目に認識させる左目用画像２０３Ｌと右目に認識させる右目用画像２０３Ｒが交互に表示される。液晶シャッター眼鏡２０２では、鑑賞者２０１の左目２０１Ｌの前に位置する左目用シャッター２０４Ｌと、鑑賞者２０１の右目２０１Ｒの前に位置する右目用シャッター２０４Ｌとが、ビデオ信号に同期して光りの透過と遮断を行う。図３９に示すように、左目２０１Ｌと右目２０１Ｒが認識する画像の違いにより、鑑賞者２０１は立体像を立体ディスプレイ２００から離れた位置に認識する。
【００２１】
この様に、従来の立体ディスプレイ２００では、立体視用のメガネを装着する必要があり、メガネがわずらわしく、又、視力矯正用のメガネを使っている人は利用することができなかった。また、このような立体ディスプレイでは、図４１に示すように、ディスプレイ表示面２０５に画像を表示して、両眼視差だけで立体像を表現している。そのために、鑑賞者が対象物を認識するための目の向きである眼球輻輳と、対象物にピントを調節するための水晶体の厚み調節が一致せず、立体像を観察する際に疲労を感じる原因となっていた。特に、ディスプレイ表示面２０５から離れた立体映像を表示すると、眼球輻輳と水晶体調節の差が著しくなり疲労感が増してしまうという問題があった。
【００２２】
また、図３９に示したように従来の立体ディスプレイでは、ディスプレイの視野範囲が限定されて周囲の環境が見えない。そのために、環境に即した実体感のある立体の物体表現ができなかった。又、現実の物体と隔離された表示となってしまうために物体の実在感を表現することが困難であった。
【００２３】
さらに、従来の立体ディスプレイは図４２に示すように、立体ディスプレイ２００での表示による発光は全方向に向けたものであるため、鑑賞者２０１の目が無い方向にも光を照射している。そのために、立体ディスプレイ２００が画像の表示を行う際に消費するエネルギーが大きくなりエネルギー効率が悪いという問題があった。
【００２４】
また図４３に示すような、凹面鏡２０７の光軸からずれた位置にディスプレイデバイス２０６を置き、凹面鏡２０７の前方に空中像２０８を結像させる従来の立体ディスプレイがある。しかし、この方式の立体ディスプレイでは、空中像２０８の結像位置が凹面鏡２０７の光軸からずれているために、収差が大きく焦点距離の長い凹面鏡２０７を用いる必要があり、装置が大型化するという問題があった。
【００２５】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、外部から入射される外光の影響を除去し、実在感に優れた空中像を鮮明に表示することができる空中像表示装置を提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成する本発明にかかる空中像表示装置は、光を透過して画像を表示する透過型の画像表示手段と、該画像表示手段に透過光を照射する背面光源と、上記背面光源と上記画像表示手段との間に配置され、互いに偏光方法が異なる第一の偏光領域と第二の偏光領域とを含み、該第一の偏光領域と第二の偏光領域の面積を可変とする偏光領域制御フィルターと、上記第一の偏光領域を透過した光で上記第一の画像を表示させ、上記第二の偏光領域を透過した光で上記第二の画像を表示させる分割フィルターと、を有し、第一の画像および第二の画像を投影して両眼視差を有する画像を提示する視差表示部と、上記視差表示部と一つの光軸上に配置され、上記視差表示部から出射された光線を空中像として結像させて空中像を表示する空中像結像部と、鑑賞者に対して赤外線を照射する赤外照射手段と、前記鑑賞者で反射された前記赤外線を検出する赤外光検出手段とによって、上記鑑賞者と上記空中結像部との位置関係を検出する位置検出部と、上記位置検出部が検出した上記鑑賞者の位置に応じて、上記第一の偏光領域と上記第二の偏光領域との面積を変化させることにより、上記視差表示部が上記第一の画像および上記第二の画像を表示する位置を変更する表示位置変更手段と、を備える構成とする。
【００４４】
視差表示部と空中像結像部とを一つの光軸上に配置したことにより、第一の画像と第二の画像を同一位置に空中像として結像するための光学的設計を容易に行うことができる。また、鑑賞者は、左右の眼の焦点を空中像の位置にあわせ、眼球の傾きも空中像が結像されている位置に向けることで空中像を立体的に認識することができる。したがって、立体を認識するための眼球輻輳と焦点距離が一致するために現実感のある立体像を容易に認識することが可能となり、立体映像の認識を通常の物体認識と同様に行うことで眼球の疲労感を低減することができる。
【００４５】
また、視差表示部が光を透過して画像を表示する透過型画像表示手段と、透過型画像表示手段に透過光を照射する背面光源とを備えることで、背面光源が射出する光のほとんどを利用して透過型画像表示手段の表示を照射することができるため、背面光源の使用するエネルギーを有効に利用して低消費エネルギーの空中像表示装置を実現できる。このとき、背面光源から射出された光線を屈折させる光源用光学部材を備えることで、透過型画像表示手段用の照明光を中間実像として提示することができる。
【００４６】
また、本発明にかかる空中像表示装置においては、視差表示部は、背面光源と透過型画像表示手段との間に配置された互いに偏光方向が異なる第一の偏光板および第二の偏光板と、第一の偏光板を透過した光で第一の画像を表示させ、第二の偏光板を透過した光で第二の画像を表示させる分割フィルターとを備える構成であってもよい。このとき、分割フィルターの例としては、偏光方向を変化させて光を透過する偏光方向回転部と、偏光方向を変化させずに光を透過する偏光方向非回転部と、所定の偏光方向の光のみを透過する第三の偏光板とを備えものがある。
【００４７】
また、本発明にかかる空中像表示装置においては、視差表示部が、第一の画像を表示する第一の画像表示部と、第二の画像を表示する第二の画像表示部とを備える構成であってもよい。このとき、視差表示部の例としては、第一の画像表示部から射出された第一の画像を反射し、第二の画像表示部から射出された第二の画像を透過して、第一の画像と第二の画像とを同一の光軸上に表示するハーフミラーを備えるものがある。
【００４８】
また、本発明にかかる空中像表示装置においては、視差表示部が、時間変化に応じて第一の画像と第二の画像とを切り替えて表示する画像表示部を有する構成であってもよい。空中像結像部は、反射型光学素子であり凹面鏡であるとしてもよく、透過型光学素子であり透過型レンズであるとしてもよい。
【００４９】
また、本発明にかかる空中像表示装置においては、空中像結像部が、空中像を結像する側に視差表示部から射出された光線を反射すると共に、空中像を結像する側と反対側である背景側からの光を透過する半透過型反射板を備えるとしてもよい。半透過型反射板によって鑑賞者側に空中像を反射して結像し、背景側からの光を透過することで、鑑賞者が視認する映像は視差表示部が投影する空中像の立体視に、背景を加えたものとなる。鑑賞者は単に空中像を認識するだけではなく背景も認識することが可能であるため、空中像をより実体のある物体に近い感覚で視認することが可能となる。
【００５０】
また、本発明にかかる空中像表示装置においては、鑑賞者と空中結像部との位置関係を検出する位置検出部と、位置検出部が検出した鑑賞者の位置に応じて、視差表示部が第一の画像および第二の画像を表示する位置を変更する表示位置変更手段とを備えるとしてもよい。鑑賞者の位置に応じて第一の画像と第二の画像を表示位置を変更することで、空中像の結像位置を変化させることができるため、鑑賞者の顔の位置が光軸中心から変動した場合にも、鑑賞者の左右の目にそれぞれ第一の画像と第二の画像を視認させることができる。
【００５１】
このとき位置検出部が、鑑賞者に対して赤外線を照射する赤外照射手段と、鑑賞者で反射された赤外線を検出する赤外光検出手段とを備えるとすることで、赤外光の照射と検出によって空中像の視認性を低下させずに鑑賞者の位置を検出することができる。
【００５２】
また、本発明にかかる空中像表示装置においては、視差表示部は、光を透過して画像を表示する透過型画像表示手段と、透過型画像表示手段に透過光を照射する背面光源と、背面光源と透過型画像表示手段との間に配置され、互いに偏光方法が異なる第一の偏光領域と第二の偏光領域との面積を変化させる偏光領域制御フィルターと、第一の偏光領域を透過した光で第一の画像を表示させ、第二の偏光領域を透過した光で第二の画像を表示させる分割フィルターとを備える構成としても良い。このとき、分割フィルターの例としては、偏光方向を変化させて光を透過する偏光方向回転部と、偏光方向を変化させずに光を透過する偏光方向非回転部と、所定の偏光方向の光のみを透過する第三の偏光板とを備えるものがある。
【００５３】
また、赤外線検出手段が偏光領域制御フィルターの鑑賞者側に配置され、偏光領域制御フィルターが、赤外線検出手段が検出した赤外線の強度が最大となる位置を第一の偏光領域と第二の偏光領域の境界とすることにより、鑑賞者の顔の位置が空中像結像レンズの光軸中心から変動した場合にも、赤外光の照射および検出と、赤外光強度が最大の位置を境にして第一の偏光領域と第二の偏光領域の境界を制御することによって、鑑賞者の左右の目にそれぞれ左目用画像と右目用画像を視認させることができる。
【００５４】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００５５】
この実施の形態は、所定の画像を空中で結像させて空中像を表示する空中像表示装置である。この空中像表示装置は、外部から入射される外光を減光することにより、実在感に優れた空中像を鮮明に表示することができるものである。
【００５６】
まず、第１の実施の形態として示す空中像表示装置について説明する。この空中像表示装置は、所定のディスプレイから出射された光線を空中像として結像させる光学部材として、いわゆる凹面鏡や反射型フレネルレンズ等の反射型光学素子を用いて構成されるものである。なお、ここでは、説明の便宜上、反射型光学素子として、凹面鏡を用いるものとして説明する。
【００５７】
図１に側断面図を示すように、この空中像表示装置１０は、画像を表示する表示手段としての偏光出力ディスプレイ１１と、この偏光出力ディスプレイ１１の表示画面上に配置された第１の円偏光素子１２と、反射型光学素子としての凹面鏡１３と、この凹面鏡１３と空中像ＲＩＭの結像位置との間に配置されたハーフミラー１４、第２の円偏光素子１５、及び偏光フィルタ１６と、偏光出力ディスプレイ１１と対向して配置された遮光板１７とを備える。このうち、ハーフミラー１４、第２の円偏光素子１５、及び偏光フィルタ１６は、減光手段を構成する部材である。なお、同図においては、偏光出力ディスプレイ１１から出射される光線経路についても、矢印ａ，ｂ，ｃとしてあわせて示している。
【００５８】
偏光出力ディスプレイ１１は、空中像として表示する物体を示す静止画像や動画像を含む各種画像を表示する。この偏光出力ディスプレイ１１としては、例えば、液晶ディスプレイや自発光デバイスの表面に偏光フィルタを設置して構成されるディスプレイといった直視型ディスプレイを用いることができる。また、偏光ディスプレイ１１としては、いわゆるリアプロジェクション型液晶プロジェクタといった投写型ディスプレイを用いることもできる。この偏光出力ディスプレイ１１からは、図１中矢印ｄで示すように、紙面に対して水平方向に偏光した光線が出射され、この光線は、第１の円偏光素子１２に入射される。
【００５９】
第１の円偏光素子１２は、偏光出力ディスプレイ１１の表示画面上に配置され、偏光出力ディスプレイ１１から出射された偏光方向が水平である直線偏光の光線を、円偏光に変化させる。
【００６０】
ここで、一般の円偏光素子について説明する。
【００６１】
円偏光素子とは、一般に、直線偏光の光線を１回通過させた場合には、当該光線が円偏光となり、直線偏光の光線を２回通過させた場合には、偏光方向が９０°回転する素子である。
【００６２】
この円偏光素子は、いわゆる１／４波長板を材質として構成することができる。１／４波長板は、ある方向に偏光した光線の位相を１／４波長、すなわち、９０°だけずらす機能を有する部材であり、当該１／４波長板を２枚重ねることにより、１／２波長板として機能する部材である。１／２波長板は、当該１／２波長板の軸方向の光線の位相を１８０°だけずらす機能を有する部材であり、例えば図２（Ａ）及び同図（Ｂ）に示すように、４５°だけ傾いた光線を入射すると、その光線のｘ方向成分を負値とし、入射光に対して偏光方向が９０°回転した出射光を出射する。したがって、１／４波長板は、例えば図３に示すように、当該１／４波長板を軸を揃えて２枚重ねることにより、１／２波長板として機能し、偏光方向を９０°回転させることができる。
【００６３】
なお、入射光は、実際には、偏光方向に振動しており、その振動をｙ方向成分及びｘ方向成分に分解すると、例えば図４（Ａ）及び同図（Ｂ）に示すようになり、時間ｔに対して振動波形がＡｓｉｎ（ωｔ）で表される。したがって、１／４波長板を通過した出射光は、ｙ方向成分及びｘ方向成分の振動波形が、それぞれ、例えば図５（Ａ）及び同図（Ｂ）に示すようになり、ｙ方向成分の振動波形は、Ａｓｉｎ（ωｔ）で表され、ｘ方向成分の振動波形は、Ａｓｉｎ（ωｔ−π／２）＝−Ａｃｏｓ（ωｔ）となる。これにより、１／４波長板を通過した出射光の偏光成分は、円方向に回転することになり、いわゆる円偏光となる。
【００６４】
このように、第１の円偏光素子１２は、偏光出力ディスプレイ１１から出射された偏光方向が水平である直線偏光の光線を、円偏光に変化させる。なお、図１中ｅで示す記号は、光線が円偏光であることを示すものである。この第１の円偏光素子１２を通過した光線は、ハーフミラー１４に入射される。
【００６５】
凹面鏡１３は、第１の円偏光素子１２によって円偏光とされ且つハーフミラー１４を介して入射された光線を反射する。なお、この凹面鏡１３に入射される光線及びこの凹面鏡１３から出射される光線は、図１中ｆで示す記号で表されるように、円偏光とされるのはいうまでもない。この凹面鏡１３によって反射された光線は、ハーフミラー１４に入射される。
【００６６】
ハーフミラー１４は、凹面鏡１３と空中像ＲＩＭの結像位置との間に位置して、偏光出力ディスプレイ１１の表示画面に対して所定の角度をもって配置され、第１の円偏光素子１２を通過した光線を入射すると、この光線を凹面鏡１３の方向へと反射する一方で、凹面鏡１３によって反射された光線を透過させる。このハーフミラー１４を透過した光線は、第２の円偏光素子１５に入射される。
【００６７】
第２の円偏光素子１５は、ハーフミラー１４と同様に、凹面鏡１３と空中像ＲＩＭの結像位置との間に位置して、偏光出力ディスプレイ１１の表示画面に対して所定の角度をもって配置され、ハーフミラー１４を透過した円偏光の光線を直線偏光に変化させる。より具体的には、第２の円偏光素子１５は、先に図２乃至図５を用いて説明したように、第１の円偏光素子１２と相俟って、偏光出力ディスプレイ１１から出射された光線の偏光方向を９０°回転させた偏光方向の光線を生み出すために設けられる。なお、図１中ｇで示す記号は、偏光方向が紙面に対して垂直であることを示すものである。この第２の円偏光素子１５を通過した光線は、偏光フィルタ１６に入射される。
【００６８】
偏光フィルタ１６は、ハーフミラー１４及び第２の円偏光素子１５と同様に、凹面鏡１３と空中像ＲＩＭの結像位置との間に位置して、偏光出力ディスプレイ１１の表示画面に対して所定の角度をもって配置され、第２の円偏光素子１５を通過した光線のうち所定の偏光方向の成分のみを通過させる。ここでは、偏光フィルタ１６は、図１中記号ｇで示すように、偏光方向が紙面に対して垂直である光線を通過させる。これにより、この偏光フィルタ１６を通過した光線は、所定の空間位置にて結像し、空中像ＲＩＭとして鑑賞者の眼球ＥＹＥによって視認されることになる。
【００６９】
遮光板１７は、偏光出力ディスプレイ１１と対向して配置され、鑑賞者側以外の領域から入射される外光を遮光するとともに、図示しない筐体や偏光出力ディスプレイ１１の表示画面等によって反射する外光を遮光する。空中像表示装置１０は、この遮光板１７を設けることにより、余計な外光の影響を確実に除去し、より鮮明な空中像ＲＩＭの結像に寄与することができる。
【００７０】
このような構成からなる空中像表示装置１０には、図６に側断面図を示すように、鑑賞者の眼球ＥＹＥの側から外光が入射される。具体的には、空中像表示装置１０においては、図６中矢印ａで示すように入射された外光が、まず、偏光フィルタ１６を通過する。このとき、偏光フィルタ１６は、図６中記号ｃで示すように、外光のうち偏光方向が紙面に対して垂直である直線偏光の光線のみを通過させる。さらに、空中像表示装置１０において、偏光フィルタ１６を通過した外光は、第２の円偏光素子１５を通過することにより、図６中記号ｄで示すように、円偏光に変化する。そして、空中像表示装置１０において、第２の円偏光素子１５を通過した外光は、ハーフミラー１４を透過した後、凹面鏡１３へと到達し、この凹面鏡１３によって反射される。
【００７１】
さらに、空中像表示装置１０において、凹面鏡１３によって反射された外光は、図６中矢印ｂで示すように、再度ハーフミラー１４を透過し、第２の円偏光素子１５に入射される。そして、空中像表示装置１０において、第２の円偏光素子１５に入射された外光は、当該第２の円偏光素子１５を通過することにより、直線偏光に変化する。これにより、第２の円偏光素子１５を通過した外光の偏光方向は、図６中矢印ｅで示すように、紙面に対して水平方向となる。したがって、空中像表示装置１０においては、第２の円偏光素子１５を通過した外光が偏光フィルタ１６を通過することができず、鑑賞者の眼球ＥＹＥに到達することはない。
【００７２】
このように、空中像表示装置１０においては、ハーフミラー１４、第２の円偏光素子１５、及び偏光フィルタ１６によって偏光方向を利用した外光に対する減光手段を構成することにより、凹面鏡１３によって反射した外光の影響を確実に除去することができることから、凹面鏡１３等の各種光学部材の存在を鑑賞者に把握される事態を回避することができ、結果として、実在感に優れた空中像ＲＩＭを鮮明に表示することが可能となる。このとき、空中像表示装置１０においては、減光手段を構成する部材を、凹面鏡１３の光軸上に配置することにより、凹面鏡１３の光軸上で高効率に空中像ＲＩＭを結像させることができることから、空中像ＲＩＭの収差を小さくすることができる。
【００７３】
ここで、空中像表示装置１０においては、第２の円偏光素子１５及び偏光フィルタ１６のみによっても減光手段を構成することができるが、ハーフミラー１４を設け、外光が当該ハーフミラー１４を２回通過するように構成していることから、このハーフミラー１４を設けることのみに起因して、１／４の光量にまで減光することができるのは特筆すべき事項である。
【００７４】
また、空中像表示装置１０においては、偏光出力ディスプレイ１１の表示画面上に配置される第１の円偏光素子１２を設けない場合であっても、減光の効果に変化はない。しかしながら、空中像表示装置１０においては、この第１の円偏光素子１２を設けない場合には、偏光出力ディスプレイ１１から出射された偏光方向が水平である直線偏光の光線が、ハーフミラー１４及び第２の円偏光素子１５を通過することによって円偏光となることから、偏光フィルタ１６によって光量が５０％程度削減されることになり、その分、空中像ＲＩＭの明るさが暗くなってしまう。そこで、空中像表示装置１０においては、第１の円偏光素子１２を設けることにより、空中像ＲＩＭの明るさを十分確保することができ、より鮮明な空中像ＲＩＭの結像に寄与することができる。
【００７５】
なお、空中像表示装置１０としては、図７に側断面図を示すように、凹面鏡１３の代わりに、反射型フレネルレンズ１３'を用いて構成することもできる。
【００７６】
ここで、図８に示すように、１枚の平凸レンズの凸側に、アルミニウム等の金属をコーティングすることを考える。このような平凸レンズにおいて、同図中矢印で示す光線の軌跡のみを考えると、反射コーティング部分Ｔの場所だけ曲面が存在すれば、凹面鏡として作用することがわかる。さらに、この平凸レンズにおいては、図示しない他の光線についても、凸面が連続的に変化している必要はなく、所定の領域毎に部分的に分けて曲面を形成すれば、凹面鏡として作用することがわかる。
【００７７】
したがって、図９に示すように、曲面を同心円で分類して不連続に配置した反射型フレネルレンズは、凹面鏡と同様の作用を奏することがわかる。反射型フレネルレンズは、通常、曲面を１ｍｍ以下の同心円に分類して形成される。空中像表示装置１０においては、このような反射型フレネルレンズを用いることにより、薄型化を図ることが可能となる。
【００７８】
［第２の実施の形態］
つぎに、第２の実施の形態として示す空中像表示装置について説明する。この空中像表示装置は、減光手段として、円偏光素子を用いずに減光フィルタを用いて構成したものである。なお、この第２の実施の形態として示す空中像表示装置の説明では、第１の実施の形態として示した空中像表示装置１０と同様の部位については同一符号を付し、その詳細な説明を省略するものとする。また、ここでは、説明の便宜上、反射型光学素子として、凹面鏡を用いるものとして説明するが、上述したように、反射型フレネルレンズ等の他の部材であっても適用することができるのはいうまでもない。
【００７９】
図１０に側断面図を示すように、この空中像表示装置２０は、上述した偏光出力ディスプレイ１１、凹面鏡１３、及び遮光板１７の他に、凹面鏡１３と空中像ＲＩＭの結像位置との間に配置されたハーフミラー２１、偏光フィルタ２２、及び減光フィルタ２３を備える。このうち、ハーフミラー２１、偏光フィルタ２２、及び減光フィルタ２３は、減光手段を構成する部材である。なお、同図においては、偏光出力ディスプレイ１１から出射される光線経路についても、矢印ａ，ｂ，ｃとしてあわせて示している。
【００８０】
ハーフミラー２１は、凹面鏡１３と空中像ＲＩＭの結像位置との間に位置して、偏光出力ディスプレイ１１の表示画面に対して所定の角度をもって配置され、偏光出力ディスプレイ１１から出射された図１０中矢印ｄで示す偏光方向の光線を入射すると、この光線を凹面鏡１３の方向へと反射する一方で、凹面鏡１３によって反射された光線を透過させる。このハーフミラー２１を透過した光線は、偏光フィルタ２２に入射される。
【００８１】
偏光フィルタ２２は、ハーフミラー２１と同様に、凹面鏡１３と空中像ＲＩＭの結像位置との間に位置して、偏光出力ディスプレイ１１の表示画面に対して所定の角度をもって配置され、ハーフミラー２１を透過した光線のうち所定の偏光方向の成分のみを通過させる。ここでは、偏光フィルタ２２は、同図中矢印ｅで示す偏光方向の光線を通過させる。この偏光フィルタ２２を通過した光線は、減光フィルタ２３に入射される。
【００８２】
減光フィルタ２３は、ハーフミラー２１及び偏光フィルタ２２と同様に、凹面鏡１３と空中像ＲＩＭの結像位置との間に位置して、偏光出力ディスプレイ１１の表示画面に対して所定の角度をもって配置され、偏光フィルタ２２を通過した光線を、例えば３０％といった所定の減衰率で減光する。この減光フィルタ２３を通過した光線は、所定の空間位置にて結像し、空中像ＲＩＭとして鑑賞者の眼球ＥＹＥによって視認されることになる。なお、減光フィルタ２３を通過した光線の光量は、当該減光フィルタ２３の減衰率が３０％である場合には、偏光フィルタ２２を通過した光線の光量に比べ、３０％減光されたものとなるが、この影響は、偏光出力ディスプレイ１１から出射される光線の光量を増加させる等の対策により、容易に除去することができる。
【００８３】
このような構成からなる空中像表示装置２０には、図１１に側断面図を示すように、鑑賞者の眼球ＥＹＥの側から外光が入射される。具体的には、空中像表示装置２０においては、図１１中矢印ａで示すように入射された外光が、まず、減光フィルタ２３を通過し、さらに、この減光フィルタ２３を通過した外光は、偏光フィルタ２２を通過する。このとき、偏光フィルタ２２は、図１０中矢印ｅで示したように、外光のうち偏光方向が紙面に対して水平である直線偏光の光線のみを通過させる。そして、空中像表示装置２０において、偏光フィルタ２２を通過した外光は、ハーフミラー２１を透過した後、凹面鏡１３へと到達し、この凹面鏡１３によって反射される。
【００８４】
さらに、空中像表示装置２０において、凹面鏡１３によって反射された外光は、図１１中矢印ｂで示すように、再度ハーフミラー２１を透過し、偏光フィルタ２２に入射される。そして、空中像表示装置２０において、偏光フィルタ２２を通過した外光は、減光フィルタ２３に入射する。
【００８５】
ここで、このような空中像表示装置２０における外光の減衰率を求めると、以下のようになる。
【００８６】
外光の減衰率は、当該外光の経路に設けられた部材のうち、減光に寄与する部材によって決定される。したがって、空中像表示装置２０における外光の減衰率は、「減光フィルタ２３の減衰率×偏光フィルタ２２の減衰率×ハーフミラー２１の減衰率×ハーフミラー２１の減衰率×減光フィルタ２３の減衰率」によって求めることができる。具体的には、ハーフミラー２１の減衰率を５０％とし、偏光フィルタ２２の減衰率を０．５％とし、減光フィルタ２３の減衰率を３０％とすると、外光の減衰率は、０．３×０．５×０．５×０．５×０．３＝０．０１１２５となる。したがって、空中像表示装置２０においては、入射された外光の光量の１．１２５％の光量にまで減光することができる。したがって、空中像表示装置２０においては、外光が鑑賞者の眼球ＥＹＥに到達することをなくすことができる。
【００８７】
なお、減光フィルタ２３を設けない場合における外光の減衰率は、「偏光フィルタ２２の減衰率×ハーフミラー２１の減衰率×ハーフミラー２１の減衰率」＝０．５×０．５×０．５＝０．１２５＝１２．５％となり、偏光フィルタ２２を設けずに減光フィルタ２３のみを設けた場合における外光の減衰率は、「減光フィルタ２３の減衰率×ハーフミラー２１の減衰率×ハーフミラー２１の減衰率×減光フィルタ２３の減衰率」＝０．３×０．５×０．５×０．３＝０．０２２５＝２．２５％となる。このことから、空中像表示装置２０においては、減光フィルタ２３を設けることによる減光の効果が極めて大きいことがわかる。
【００８８】
このように、空中像表示装置２０においては、ハーフミラー２１、偏光フィルタ２２、及び減光フィルタ２３によって外光に対する減光手段を構成することにより、凹面鏡１３によって反射した外光の影響を確実に除去することができ、結果として、実在感に優れた空中像ＲＩＭを鮮明に表示することが可能となる。この場合においても、空中像表示装置２０においては、偏光出力ディスプレイ１１やハーフミラー２１等を、凹面鏡１３の光軸上に配置することにより、凹面鏡１３の光軸上で高効率に空中像ＲＩＭを結像させることができることから、空中像ＲＩＭの収差を小さくすることができる。
【００８９】
なお、空中像表示装置２０においては、必ずしも偏光フィルタ２２を設けなくてもよく、この場合、ディスプレイとしては、偏光出力型である必要はない。
【００９０】
また、空中像表示装置２０においては、少なくとも減光フィルタ２３があれば減光手段を構成することができるが、第１の実施の形態として示した空中像表示装置１０と同様に、ハーフミラー２１を設けることのみに起因して、１／４の光量にまで減光することができる。
【００９１】
［第３の実施の形態］
つぎに、第３の実施の形態として示す空中像表示装置について説明する。この空中像表示装置は、所定のディスプレイから出射された光線を空中像として結像させる光学部材として、第１の実施の形態として示した空中像表示装置１０及び第２の実施の形態として示した空中像表示装置２０のように、反射型光学素子を用いるのではなく、透過型レンズや透過型フレネルレンズ等の透過型光学素子を用いて構成されるものである。なお、ここでは、説明の便宜上、透過型光学素子として、透過型レンズを用いるものとして説明するが、透過型フレネルレンズ等の他の部材であっても適用することができるのはいうまでもない。
【００９２】
図１２に側断面図を示すように、この空中像表示装置３０は、画像を表示する表示手段としての偏光出力ディスプレイ３１と、この偏光出力ディスプレイ３１の表示画面上に配置された第１の円偏光素子３２と、透過型光学素子としての透過型レンズ３３と、この透過型レンズ３３と空中像ＲＩＭの結像位置との間に配置された第２の円偏光素子３４及び偏光フィルタ３５とを備える。このうち、第２の円偏光素子３４及び偏光フィルタ３５は、減光手段を構成する部材である。なお、同図においては、偏光出力ディスプレイ３１から出射される光線経路についても、矢印ａとしてあわせて示している。
【００９３】
偏光出力ディスプレイ３１は、上述した偏光出力ディスプレイ１１と同様に、空中像として表示する物体を示す静止画像や動画像を含む各種画像を表示する。この偏光出力ディスプレイ３１からは、図１２中矢印ｂで示すように、紙面に対して水平方向に偏光した光線が出射され、この光線は、第１の円偏光素子３２に入射される。
【００９４】
第１の円偏光素子３２は、偏光出力ディスプレイ１１の表示画面上に配置され、偏光出力ディスプレイ３１から出射された偏光方向が水平である直線偏光の光線を、図１２中記号ｃで示すように、円偏光に変化させる。この第１の円偏光素子３２を通過した光線は、透過型レンズ３３に入射される。
【００９５】
透過型レンズ３３は、第１の円偏光素子３２によって円偏光とされた光線を透過させる。なお、この透過型レンズ３３に入射される光線及びこの透過型レンズ３３から出射される光線は、円偏光とされるのはいうまでもない。この透過型レンズ３３を透過した光線は、ディスプレイ本体３０'外の第２の円偏光素子３４に入射される。
【００９６】
第２の円偏光素子３４は、透過型レンズ３３と空中像ＲＩＭの結像位置との間に位置して、偏光出力ディスプレイ３１に対して平行に配置され、透過型レンズ３３を透過した円偏光の光線を直線偏光に変化させる。すなわち、第２の円偏光素子３４は、第１の円偏光素子３２と相俟って、偏光出力ディスプレイ３１から出射された光線の偏光方向を９０°回転させた偏光方向の光線を生み出すために設けられる。なお、図１２中ｄで示す記号は、偏光方向が紙面に対して垂直であることを示すものである。この第２の円偏光素子３４を通過した光線は、偏光フィルタ３５に入射される。
【００９７】
偏光フィルタ３５は、第２の円偏光素子３４と同様に、透過型レンズ３３と空中像ＲＩＭの結像位置との間に位置して、偏光出力ディスプレイ３１に対して平行に配置され、第２の円偏光素子３４を通過した光線のうち所定の偏光方向の成分のみを通過させる。ここでは、偏光フィルタ３５は、図１２中記号ｄで示すように、偏光方向が紙面に対して垂直である光線を通過させる。これにより、この偏光フィルタ３５を通過した光線は、所定の空間位置にて高効率で結像し、空中像ＲＩＭとして鑑賞者の眼球ＥＹＥによって視認されることになる。
【００９８】
このような構成からなる空中像表示装置３０には、図１３に側断面図を示すように、鑑賞者の眼球ＥＹＥの側から外光が入射される。具体的には、空中像表示装置３０においては、図１３中矢印ａ１，ａ２で示すように入射された外光が、まず、偏光フィルタ３５を通過する。このとき、偏光フィルタ３５は、図１３中記号ｃ１，ｃ２で示すように、外光のうち偏光方向が紙面に対して垂直である直線偏光の光線のみを通過させる。さらに、空中像表示装置３０において、偏光フィルタ３５を通過した外光は、第２の円偏光素子３４を通過することにより、図１３中記号ｄ１，ｄ２で示すように、円偏光に変化する。そして、空中像表示装置３０において、第２の円偏光素子３４を通過した外光は、透過型レンズ３３の表面や筐体等で反射される。また、空中像表示装置３０において、第２の円偏光素子３４を通過した外光は、図１３中矢印ａ３で示すように、透過型レンズ３３を透過して第１の円偏光素子３２へと到達し、この第１の円偏光素子３２の表面や筐体等で反射される場合もある。この透過型レンズ３３を透過して第１の円偏光素子３２へと到達した光線は、図１３中記号ｄ３で示すように、円偏光であることはいうまでもない。
【００９９】
空中像表示装置３０において、これら反射された外光は、図１３中矢印ｂ１，ｂ２，ｂ３で示すように、再度第２の円偏光素子３４に入射される。そして、空中像表示装置３０において、第２の円偏光素子３４に入射された外光は、当該第２の円偏光素子３４を通過することにより、直線偏光に変化する。これにより、第２の円偏光素子３４を通過した外光の偏光方向は、図１３中矢印ｅ１，ｅ２で示すように、紙面に対して水平方向となる。したがって、空中像表示装置３０においては、第２の円偏光素子３４を通過した外光が偏光フィルタ３５を通過することができず、鑑賞者の眼球ＥＹＥに到達することはない。
【０１００】
このように、空中像表示装置３０においては、第２の円偏光素子３４及び偏光フィルタ３５によって偏光方向を利用した外光に対する減光手段を構成することにより、透過型レンズ３３の表面や筐体等で反射した外光の影響を確実に除去することができることから、透過型レンズ３３等の各種光学部材の存在を鑑賞者に把握される事態を回避することができ、結果として、実在感に優れた空中像ＲＩＭを鮮明に表示することが可能となる。
【０１０１】
なお、空中像表示装置３０においては、第１の実施の形態として示した空中像表示装置１０と同様に、偏光出力ディスプレイ３１の表示画面上に配置される第１の円偏光素子３２を設けない場合であっても、減光の効果に変化はないが、この第１の円偏光素子３２を設けることにより、空中像ＲＩＭの明るさを十分確保することができ、より鮮明な空中像ＲＩＭの結像に寄与することができる。
【０１０２】
また、空中像表示装置３０としては、第２の実施の形態として示した空中像表示装置２０と同様に、減光フィルタを用いて減光手段を構成するようにしてもよく、同様の効果を得ることができる。すなわち、減光フィルタを用いる空中像表示装置３０としては、第１の円偏光素子３２及び第２の円偏光素子３４を設けずに、偏光フィルタ３５における鑑賞者側の面に減光フィルタを設ければよい。このとき、この空中像表示装置３０においては、上述した偏光フィルタ２２に相当する偏光フィルタ３５を必ずしも設けなくてもよく、この場合、ディスプレイとしては、偏光出力型である必要はない。
【０１０３】
［第４の実施の形態］
つぎに、第４の実施の形態として示す空中像表示装置について説明する。この空中像表示装置は、反射型光学素子を用いて構成されるものであり、減光手段を構成する部材を互いに平行に配置するのではなく、ハーフミラーに対して他の部材を非平行に配置するものである。なお、ここでは、第１の実施の形態として示した空中像表示装置１０における減光手段を構成する部材を互いに非平行に配置する場合について説明するものとする。したがって、この第４の実施の形態として示す空中像表示装置の説明では、空中像表示装置１０と同様の部位については同一符号を付し、その詳細な説明を省略するものとする。また、ここでは、説明の便宜上、反射型光学素子として、凹面鏡を用いるものとして説明するが、上述したように、反射型フレネルレンズ等の他の部材であっても適用することができるのはいうまでもない。
【０１０４】
まず、第１の実施の形態として示した空中像表示装置１０を用いて、減光手段を構成する部材を互いに平行に配置した場合に生じるおそれがある弊害について、図１４を用いて説明する。
【０１０５】
図１４に側断面図を示すように、空中像表示装置１０においては、偏光出力ディスプレイ１１から出射された光線が、図１４中矢印ａ，ｂ，ｃで示す経路で進行することにより、空中像ＲＩＭが結像される。
【０１０６】
しかしながら、空中像表示装置１０においては、偏光出力ディスプレイ１１から出射された光線が、図１４中矢印ａ'で示すように、ハーフミラー１４によって反射されずに透過し、第２の円偏光素子１５の表面で反射する場合がある。この場合、第２の円偏光素子１５の表面で反射された光線は、図１４中矢印ｂ'，ｃ'で示す経路で進行することから、空中像表示装置１０においては、本来の空中像ＲＩＭの近傍に、いわゆるゴースト像ＲＩＭ'が生じることになる。
【０１０７】
また、空中像表示装置１０においては、偏光出力ディスプレイ１１から出射された光線が、図１４中矢印ａ''で示すように、ハーフミラー１４によって反射されず且つ第２の円偏光素子１５の表面でも反射されずに透過し、偏光フィルタ１６の表面で反射する場合もある。この場合、偏光フィルタ１６の表面で反射された光線は、図１４中矢印ｂ''，ｃ''で示す経路で進行することから、空中像表示装置１０においては、本来の空中像ＲＩＭの近傍に、さらに他のゴースト像ＲＩＭ''が生じることになる。
【０１０８】
このように、空中像表示装置１０においては、減光手段を設けることに起因して、ゴースト像ＲＩＭ'，ＲＩＭ''が発生し、鑑賞者の眼球ＥＹＥによって視認される可能性がある。
【０１０９】
そこで、減光手段を構成する部材を互いに平行に配置するのではなく、ハーフミラー１４に対して他の部材を非平行に配置することにより、このようなゴースト像ＲＩＭ'，ＲＩＭ''を、鑑賞者からは視認できない方向へとずらすことを考える。
【０１１０】
具体的には、図１５に側断面図を示すように、空中像表示装置４０においては、第２の円偏光素子１５及び偏光フィルタ１６を、ハーフミラー１４に対して所定の角度をもって傾けて配置する。
【０１１１】
このような空中像表示装置４０においては、偏光出力ディスプレイ１１から出射された光線が、図１５中矢印ａ，ｂ，ｃで示す経路で進行することにより、本来の空中像ＲＩＭが結像される。
【０１１２】
また、空中像表示装置４０においては、偏光出力ディスプレイ１１から出射された光線のうち、図１５中矢印ａ'で示すように、ハーフミラー１４によって反射されずに透過して第２の円偏光素子１５の表面で反射された光線については、図１５中矢印ｂ'，ｃ'で示すように、鑑賞者の眼球ＥＹＥによる観察範囲から外れた位置に、ゴースト像ＲＩＭ'として結像される。
【０１１３】
同様に、空中像表示装置４０においては、偏光出力ディスプレイ１１から出射された光線のうち、図１５中矢印ａ''で示すように、ハーフミラー１４によって反射されず且つ第２の円偏光素子１５の表面でも反射されずに透過し、偏光フィルタ１６の表面で反射された光線については、図１５中矢印ｂ''，ｃ''で示すように、鑑賞者の眼球ＥＹＥによる観察範囲から外れた位置に、ゴースト像ＲＩＭ''として結像される。
【０１１４】
このように、空中像表示装置４０においては、第２の円偏光素子１５及び偏光フィルタ１６を配置する角度に応じて、ゴースト像ＲＩＭ'，ＲＩＭ''が結像する位置を変化させることができる。したがって、空中像表示装置４０においては、ゴースト像ＲＩＭ'，ＲＩＭ''が鑑賞者の眼球ＥＹＥによる観察範囲から外れた位置に生じるように、第２の円偏光素子１５及び偏光フィルタ１６を、ハーフミラー１４に対して所定の角度をもって傾けて配置することにより、本来の空中像ＲＩＭを極めて鮮明に表示することが可能となる。
【０１１５】
なお、図１５においては、ハーフミラー１４に対して紙面上で左回りに、第２の円偏光素子１５及び偏光フィルタ１６を傾けて配置している様子を示しているが、空中像表示装置４０においては、ハーフミラー１４に対して紙面上で右回りに、第２の円偏光素子１５及び偏光フィルタ１６を傾けて配置する場合であっても、同様の効果を得ることができる。
【０１１６】
また、空中像表示装置４０においては、第２の実施の形態として示した空中像表示装置２０と同様に、減光フィルタを用いて減光手段を構成した場合であっても、偏光フィルタ２２や減光フィルタ２３を、ハーフミラー２１に対して所定の角度をもって傾けて配置することにより、空中像ＲＩＭを極めて鮮明に表示することが可能となる。
【０１１７】
［第５の実施の形態］
次に、第５の実施の形態として示す空中像表示装置について説明する。この空中像表示装置は、偏光出力ディスプレイの表示画面上に、当該偏光出力ディスプレイから出射される光線を屈折させる光学系を設けたものである。なお、ここでは、第１の実施の形態として示した空中像表示装置１０における偏光出力ディスプレイ１１の表示画面上に光学系を設ける場合について説明するものとする。したがって、この第５の実施の形態として示す空中像表示装置の説明では、空中像表示装置１０と同様の部位については同一符号を付し、その詳細な説明を省略するものとする。また、ここでは、説明の便宜上、反射型光学素子として、凹面鏡を用いるものとして説明するが、上述したように、反射型フレネルレンズ等の他の部材であっても適用することができるのはいうまでもない。
【０１１８】
まず、第１の実施の形態として示した空中像表示装置１０を用いて、偏光出力ディスプレイ１１の表示画面上に光学系を設けない場合について、図１６を用いて説明する。なお、同図においては、偏光出力ディスプレイ１１、凹面鏡１３、及びハーフミラー１４のみを図示しており、その他の部材は省略している。
【０１１９】
図１６に側断面図を示すように、空中像表示装置１０においては、偏光出力ディスプレイ１１からは、表示画面に対して垂直方向に光線が出射されるのではなく、図１６中矢印ａで示すように、斜め方向に光線が出射される。そして、空中像表示装置１０においては、図１６中矢印ｂ，ｃで示す経路で進行することにより、空中像ＲＩＭが結像される。
【０１２０】
この現象は、ハーフミラー１４を設けない場合における偏光出力ディスプレイ１１の等価位置１１'で考えると明らかである。すなわち、空中像表示装置１０においては、凹面鏡１３における反射位置の接平面ＴＦに対する垂線ＰＬに対して折り返すように、光線が反射されることから、偏光出力ディスプレイ１１から出射される光線が斜め方向に向いていないと、鑑賞者の眼球ＥＹＥにまで到達しないことになる。
【０１２１】
したがって、空中像表示装置１０においては、偏光出力ディスプレイ１１として、液晶ディスプレイのような視野角に依存するデバイスを用いた場合には、当該偏光出力ディスプレイ１１に表示される表示画像のコントラストが低下し、特に表示画像に示された物体の周囲の黒レベルが大きくなると、浮遊感の少ない空中像表示となってしまう。
【０１２２】
なお、液晶ディスプレイに限らず全てのディスプレイには、視野角依存が存在することから、このような問題は、全てのディスプレイについて生じるものである。
【０１２３】
そこで、偏光出力ディスプレイ１１の表示画面上に、当該偏光出力ディスプレイ１１から出射される光線を屈折させる光学系を設けることにより、表示画面に対して垂直方向に光線を出射することを考える。
【０１２４】
具体的には、図１７に側断面図を示すように、空中像表示装置５０においては、偏光出力ディスプレイ１１の表示画面上に、当該偏光出力ディスプレイ１１から出射される光線を屈折させる光学系として、平凸レンズ５１を設ける。
【０１２５】
このような空中像表示装置５０においては、偏光出力ディスプレイ１１からは、図１７中矢印ａで示すように、光線が表示画面に対して垂直方向に出射され、当該光線が平凸レンズ５１を透過後に屈折される。その後、空中像表示装置５０においては、平凸レンズ５１によって屈折された光線が、図１７中矢印ｂ，ｃ，ｄで示す経路で進行することにより、空中像ＲＩＭが結像される。
【０１２６】
このように、空中像表示装置５０においては、偏光出力ディスプレイ１１から表示画面に対して垂直方向に光線を出射して平凸レンズ５１によって屈折するように設定することにより、視野角特性を改善することができ、実在感に優れた空中像ＲＩＭを鮮明に表示することが可能となる。
【０１２７】
なお、図１７においては、光学系として平凸レンズ５１を用いた様子を示しているが、空中像表示装置５０においては、フレネルレンズを用いた場合であっても、同様の効果を得ることができる。
【０１２８】
また、上述した視野角に起因する問題は、反射型光学素子を用いて構成される場合のみならず、第３の実施の形態として示した空中像表示装置３０のような透過型光学素子を用いた場合にも生じるが、この場合にも、偏光出力ディスプレイの表示画面上に、同様の光学系を設ければよい。
【０１２９】
以上説明したように、第１の実施の形態乃至第５の実施の形態として示した空中像表示装置は、外部から入射される外光を減光する減光手段を設けることにより、実在感に優れた空中像を鮮明に表示することができ、鑑賞者に対して高い娯楽性を享受させることができる。
【０１３０】
［第６の実施の形態］
次に、第６の実施の形態として示す空中像表示装置について説明する。この空中像表示装置は、所定のディスプレイから出射された光線を空中像として結像させる光学部材として、いわゆる透過型レンズ等の透過型光学素子を用いて構成されるものである。なお、ここでは、説明の便宜上、透過型光学素子として凸レンズを用いるものとして説明する。
【０１３１】
図１８に側断面図を示すように、この空中像表示装置６０は、画像を表示する透過型画像表示手段としての液晶ディスプレイ６１と、この背面光源としての左目用バックライト装置６２Ｌおよび右目用バックライト装置６２Ｒと、照射光を直線偏光に変換する偏光板である左目用偏光フィルター６３Ｌおよび右目用偏光フィルター６３Ｒと、光源用光学部材としての照明用レンズ６４と、透過する光の偏光方向を決定する分割フィルターとしての空間分割フィルター６５と、空中像結像部としての空中像結像レンズ６６とを備える。このうち、液晶ディスプレイ６１、左目用バックライト装置６２Ｌ、右目用バックライト装置６２Ｒ、左目用偏光フィルター６３Ｌ、右目用偏光フィルター６３Ｒ、照明用レンズ６４、空間分割フィルター６５は、視差表示部を構成する部材である。
【０１３２】
液晶ディスプレイ６１は、透過型画像表示手段であり空中像として表示する物体を示す静止画像や動画像を含む各種画像を表示し、バックライト装置から照射された光を透過することで表示された画像の投影を行う。左目用バックライト装置６２Ｌおよび右目用バックライト装置６２Ｒは、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの発光素子を複数有する非偏光の光を発光する装置であり、それぞれ並列に配置されて液晶ディスプレイ６１が表示する画像を鑑賞者の左目および右目方向に照射する。左目用バックライト装置６２Ｌおよび右目用バックライト装置６２Ｒが光を照射する方向を照明用レンズ６４の範囲内に調整することで、発光に用いられるエネルギーを効率良く画像の照射に用いることができる。
【０１３３】
左目用偏光フィルター６３Ｌおよび右目用偏光フィルター６３Ｒは、それぞれ左目用バックライト装置６２Ｌおよび右目用バックライト装置６２Ｒの前面に配置された直線偏光板であり、バックライト装置から射出された光を直線偏光にする。左目用偏光フィルター６３Ｌと右目用偏光フィルター６３Ｒとの偏光方向は互いに異なる方向であり、互いに偏光方向が直交するように配置されている。
【０１３４】
照明用レンズ６４は透過型光学素子である凸レンズであり、バックライト装置と液晶ディスプレイ６１との間に配されて、左右のバックライト装置が発光して左右の偏光フィルターを透過した光を所定の焦点距離の位置に結像する。バックライト装置が発光した光は、照明用レンズ６４によって屈折された後に液晶ディスプレイ６１を透過するので、焦点位置には液晶ディスプレイ６１が表示している画像用の照明光が中間実像ＭＲＩＭとして結像することになる。
【０１３５】
空間分割フィルター６５は、左右の偏光フィルターを透過した直線偏光の光を透過するか遮断するかを決める部材であり、左目用偏光フィルター６３Ｌを透過した光は液晶ディスプレイ６１に表示された左目用の画像のみを照射し、右目用偏光フィルター６３Ｒを透過した光は液晶ディスプレイ６１に表示された右目用の画像のみを照射する。
【０１３６】
空中像結像レンズ６６は透過型光学素子である凸レンズであり、液晶ディスプレイ６１と鑑賞者との間に配されて、液晶ディスプレイ６１の像を所定の焦点距離の位置に空中像ＲＩＭとして結像する。中間実像ＭＲＩＭは左目用バックライト装置６２Ｌと右目用バックライト装置６２Ｒから照射された光が照明用レンズ６４によって結像された画像であり、左目用バックライト装置６２Ｌと右目用バックライト装置６２Ｒとは光軸に対して並列に配置されているので、左目用バックライト装置６２Ｌが発光した光と右目用バックライト装置６２Ｒが発光した光とは異なる経路をたどる。したがって、空中像ＲＩＭを結像した後の左目用バックライト装置６２Ｌが照射する光の進行方向と右目用バックライト装置６２Ｒが照射する光の進行方向とは、光軸に対して平行ではなくそれぞれ鑑賞者の左目と右目方向に分離したものとなる。これによって、同一の位置に空中像ＲＩＭとして結像された左目用の画像と右目用の画像とを、鑑賞者の左右の目に別々に認識させて両眼視差によって立体像の認識を行うことが出来る。
【０１３７】
鑑賞者は、左右の眼の焦点を空中像ＲＩＭの位置にあわせ、眼球の傾きも空中像ＲＩＭが結像されている位置に向けることで空中像ＲＩＭを立体的に認識することができる。したがって、立体を認識するための眼球輻輳と焦点距離が一致するために現実感のある立体像を容易に認識することが可能となり、立体映像の認識を通常の物体認識と同様に行うことで眼球の疲労感を低減することができる。
【０１３８】
次に、液晶ディスプレイ６１に表示した左目用の画像と右目用の画像を、それぞれ左目用バックライト装置６２Ｌと右目用バックライト装置６２Ｒとで照射するための視差表示部の構造と動作について説明する。
【０１３９】
空間分割フィルター６５の構造の一例と左目用偏光フィルター６３Ｌ、右目用偏光フィルター６３Ｒの偏光方向との関係を図１９に示す。空間分割フィルター６５は、直線偏光の光の偏光方向を変化させず透過する偏光方向非回転部６５Ｎと、直線偏光の光の偏光方向を９０°回転して透過する偏光方向回転部６５Ｌと、液晶ディスプレイ６１のバックライト装置側に形成された直線偏光板６１Ｂとで構成されている。偏光方向回転部６５Ｌは、１／２波長板を用いることで、バックライト装置から照射された光の偏光方向を９０°回転して透過させる。
【０１４０】
偏光方向非回転部６５Ｎと偏光方向回転部６５Ｌとはそれぞれ液晶ディスプレイ６１の横幅と同等の長さの矩形状の部材であり、複数の偏光方向非回転部６５Ｎと偏光方向回転部６５Ｌとが交互にストライプ状に配されて液晶ディスプレイ６１の面全体と同等の大きさの板状部材を形成している。また、直線偏光板６５Ｂは液晶ディスプレイ６１の表示面と略同一形状の偏光板であり、偏光方向は左目用偏光フィルター６３Ｌまたは右目用偏光フィルター６３Ｒの偏光方向と同一である。したがって、例えば直線偏光板６５Ｂの偏光方向が左目用偏光フィルター６３Ｌの偏光方向と同一である場合には、右目用偏光フィルター６３Ｒの偏光方向とは直交する偏光方向となる。
【０１４１】
図２０を用いて空間分割フィルター６５による光の透過と遮断について説明する。説明の簡便化のために偏光方向非回転部６５Ｎと偏光方向回転部６５Ｌとによって形成される板状部材と直線偏光板６５Ｂとの間を離して説明を行う。図中の矢印は光の偏光方向を示しており、縦方向の矢印は紙面に平行方向の直線偏光を表し、斜め方向の矢印は紙面に垂直方向の直線偏光を表している。直線偏光板６５Ｂはここでは紙面に平行方向の直線偏光のみを通過する偏光板であるとする。
【０１４２】
図２０（ａ）は、左目用偏光フィルター６３Ｌを透過した紙面に垂直方向の直線偏光が空間分割フィルター６５に入射した場合の光の透過を説明する図である。偏光方向回転部６５Ｌに入射した紙面に垂直方向の直線偏光は、偏光方向が９０°回転されるために紙面に平行方向の直線偏光となり、直線偏光板６５Ｂおよび液晶ディスプレイ６１を透過して鑑賞者の左目に到達する。偏光方向非回転部６５Ｎに入射した紙面に垂直方向の直線偏光は、偏光方向が紙面に垂直のまま通過するので、直線偏光板６５Ｂによって遮られて液晶ディスプレイ６１には到達しない。したがって、鑑賞者の左目は偏光方向回転部６５Ｌに入射した光のみを認識することになる。
【０１４３】
図２０（ｂ）は、同様に右目用偏光フィルター６３Ｒを透過した紙面に平行方向の直線偏光が空間分割フィルター６５に入射した場合の光の透過を説明する図である。偏光方向回転部６５Ｌに入射した紙面に平行方向の直線偏光は、偏光方向が９０°回転されるために紙面に垂直方向の直線偏光となり、直線偏光板６５Ｂによって遮られて液晶ディスプレイ６１には到達しない。偏光方向非回転部６５Ｎに入射した紙面に平行方向の直線偏光は、偏光方向が紙面に平行のまま通過するので、直線偏光板６５Ｂおよび液晶ディスプレイ６１を透過して鑑賞者の右目に到達する。したがって、鑑賞者の右目は偏光方向非回転部６５Ｎに入射した光のみを認識することになる。
【０１４４】
鑑賞者の左目が認識する光線は偏光方向回転部６５Ｌを通過した光であり、偏光方向回転部６５Ｌを透過した光が照射する液晶ディスプレイ６１の領域をＬ１、Ｌ３、Ｌ５とする。同様に、鑑賞者の右目が認識する光線は変更方向非回転部６５Ｎを通過した光であり、偏光方向非回転部６５Ｎを透過した光が照射する液晶ディスプレイ６１の領域をＬ２、Ｌ４とする。したがって、液晶ディスプレイ６１のＬ１、Ｌ３、Ｌ５領域には鑑賞者の左目に認識させる画像を表示し、Ｌ２、Ｌ４領域には鑑賞者の右目に認識される画像を表示させることで、鑑賞者の両目に異なる画像を認識させることが可能となる。図で示した液晶ディスプレイ６１の領域Ｌ１〜Ｌ５は、５つ以上の領域であってもよいのは当然であり、液晶ディスプレイ６１の画素で構成される水平ライン毎に交互に左目用画像と右目用画像を表示するとしてよい。
【０１４５】
次に図２１を用いて、液晶ディスプレイ６１の水平ライン毎に交互に左目用画像と右目用画像を表示するための視差画像信号生成システムについて説明する。視差画像信号生成システムは、ワークステーションなどの情報処理手段６７と、左用スキャンコンバータ６８Ｌと、右用スキャンコンバータ６８Ｒと、信号スイッチング回路６９とによって構成されている。
【０１４６】
情報処理手段６７は、鑑賞者に立体として認識させる立体画像を仮想空間内の３次元ポリゴンデータとして計算により生成し、３次元ポリゴンデータに関して左目に相当する位置から見た左目用画像と右目に相当する位置から見た右目用画像とを計算によりそれぞれ２次元画像として生成する。情報処理手段６７は、生成した左目用画像のデータを左用スキャンコンバータ６８Ｌに送出し、右目用画像のデータを右用スキャンコンバータ６８Ｒに送出する。
【０１４７】
左用スキャンコンバータ６８Ｌおよび右用スキャンコンバータ６８Ｒは、液晶ディスプレイ６１の水平ライン毎に画像の表示を行うために、２次元画像を水平ライン毎のデータとして信号スイッチング回路６９に送出する装置である。左用スキャンコンバータ６８Ｌと右用スキャンコンバータ６８Ｒは、信号スイッチング回路６９へ左目用画像と右目用画像を水平ライン毎に送出する際に、画像表示の水平同期と垂直同期を調整して画像データの送出を行う。
【０１４８】
信号スイッチング回路６９は、左用スキャンコンバータ６８Ｌと右用スキャンコンバータ６８Ｒから送出される左右の画像データを切り替えて、空中像表示装置６０の液晶ディスプレイ６１に送出する制御回路である。具体的には、液晶ディスプレイ６１の水平同期のタイミングに合わせて、左用スキャンコンバータ６８Ｌから送出される左目用画像と、右用スキャンコンバータ６８Ｒから送出される右目用画像とを水平ライン毎に液晶ディスプレイ６１に送出するように回路の切替を行う。液晶ディスプレイ６１には水平ライン毎に、左目用画像のデータと右目用画像のデータが送出されるため、偶数ラインでは右目用画像を表示し、奇数ラインでは左目用画像を表示することになる。
【０１４９】
このように、視差画像信号生成システムを用いることで、液晶ディスプレイ６１の水平ライン毎に交互に左目用画像と右目用画像とを表示することができる。したがって図２０を用いて説明したように、空間分割フィルター６５を用いて左目用画像と右目用画像とをそれぞれ左目用バックライト装置６２Ｌと右目用バックライト装置６２Ｒで照射して両眼視差を実現することができる。
【０１５０】
上述して説明した空中像表示装置６０を用いた空中像ＲＩＭの表示では、バックライト装置が発光した光の大部分を液晶ディスプレイ６１の照射に利用することが出来るため、立体映像の表示に必要なエネルギーを低減することが可能である。また、結像される空中像ＲＩＭでは、左目用画像と右目用画像とが同じ位置に結像されるため、現実の物体を認識するのと同様に両目の輻輳角度と焦点距離を調整することで鑑賞者が立体像を視認することができ、立体映像の認識に際する疲労感を低減することが可能となる。
【０１５１】
［第７の実施の形態］
次に、第７の実施の形態として示す空中像表示装置について説明する。この空中像表示装置は、所定のディスプレイから出射された光線を空中像として結像させる光学部材として、いわゆる凹面鏡や反射型フレネルレンズ等の反射型光学素子を用いて構成されるものである。なお、ここでは、説明の便宜上、反射型光学素子として凹面鏡を用いるものとして説明する。なお、本実施の形態では視差表示部を第６の実施の形態として示した空中像表示装置６０とほぼ同様の構成であるとし、第６の実施の形態とは空中像結像部が異なるとする。したがって、この第７の実施の形態として示す空中像表示装置７０の説明では、先に説明した空中像表示装置６０と同様の部位については同一符号を付し、その詳細な説明を省略するものとする。また、ここでは、説明の便宜上、反射型光学素子として、凹面鏡を用いるものとして説明するが、上述したように、反射型フレネルレンズ等の他の部材であっても適用することができるのはいうまでもない。
【０１５２】
図２２および図２３に本実施の形態における空中像表示装置７０の構成について説明する。図２２は空中像表示装置７０と鑑賞者を側方から見た場合の構成を示す断面模式図であり、図２３は鑑賞者の背後から見た場合の構成を示す模式図である。
【０１５３】
この空中像表示装置７０は、画像を表示する透過型画像表示手段としての液晶ディスプレイ６１と、この背面光源としての左目用バックライト装置６２Ｌおよび右目用バックライト装置６２Ｒと、照射光を直線偏光に変換する偏光板である左目用偏光フィルター６３Ｌおよび右目用偏光フィルター６３Ｒと、光源用光学部材としての照明用レンズ６４と、透過する光の偏光方向を決定する分割フィルターとしての空間分割フィルター６５と、第１の円偏光素子７２と、空中像結像部の反射型光学素子としての凹面鏡７３と、この凹面鏡７３と空中像ＲＩＭの結像位置との間に配置されたハーフミラー７４、第２の円偏光素子７５、及び偏光フィルタ７６と、遮光板７７とを備える。このうち、液晶ディスプレイ６１、左目用バックライト装置６２Ｌ、右目用バックライト装置６２Ｒ、左目用偏光フィルター６３Ｌ、右目用偏光フィルター６３Ｒ、照明用レンズ６４、空間分割フィルター６５、第１の円偏光素子７２は、視差表示部を構成する部材である。また、凹面鏡７３、ハーフミラー７４、第２の円偏光素子７５、偏光フィルタ７６、遮光板７７は空中像結像部を構成する部材である。
【０１５４】
第１の円偏光素子７２は、液晶ディスプレイ６１の表示画面上に配置され、液晶ディスプレイ６１から出射された偏光方向が水平である直線偏光の光線を、円偏光に変化させる。視差表示部が左目用画像と右目用画像を空中像結像部に対して照射する方法は上述した第６の実施の形態を用いて説明したものと同様である。
【０１５５】
凹面鏡７３は、第１の円偏光素子７２によって円偏光とされ且つハーフミラー７４を介して入射された光線を反射する。なお、この凹面鏡７３に入射される光線及びこの凹面鏡７３から出射される光線は、円偏光とされるのはいうまでもない。この凹面鏡７３によって反射された光線は、ハーフミラー７４に入射される。
【０１５６】
ハーフミラー７４は、凹面鏡７３と空中像ＲＩＭの結像位置との間に位置して、液晶ディスプレイ６１の表示画面に対して所定の角度をもって配置される。ハーフミラー７４は、第１の円偏光素子７２を通過した光線が入射すると、この光線を凹面鏡７３の方向へと反射する一方で、凹面鏡７３によって反射された光線を透過させる。このハーフミラー７４を透過した光線は、第２の円偏光素子７５に入射される。
【０１５７】
第２の円偏光素子７５は、ハーフミラー７４と同様に、凹面鏡７３と空中像ＲＩＭの結像位置との間に位置して、液晶ディスプレイ６１の表示画面に対して所定の角度をもって配置され、ハーフミラー７４を透過した円偏光の光線を直線偏光に変化させる。より具体的には、第２の円偏光素子７５は、第１の円偏光素子７２と相俟って、液晶ディスプレイ６１から出射された光線の偏光方向を９０°回転させた偏光方向の光線を生み出すために設けられる。この第２の円偏光素子７５を通過した光線は、偏光フィルタ７６に入射される。
【０１５８】
偏光フィルタ７６は、ハーフミラー７４及び第２の円偏光素子７５と同様に、凹面鏡７３と空中像ＲＩＭの結像位置との間に位置して、液晶ディスプレイ６１の表示画面に対して所定の角度をもって配置され、第２の円偏光素子７５を通過した光線のうち所定の偏光方向の成分のみを通過させる。ここでは、偏光フィルタ７６は、例えば偏光方向が紙面に対して垂直である直線偏光の光線を通過させる。これにより、この偏光フィルタ７６を通過した光線は、所定の空間位置にて結像し、空中像ＲＩＭとして鑑賞者の眼球ＥＹＥによって視認されることになる。
【０１５９】
遮光板７７は、液晶ディスプレイ６１と対向して配置され、鑑賞者側以外の領域から入射される外光を遮光するとともに、図示しない筐体や液晶ディスプレイ６１の表示画面等によって反射する外光を遮光する。空中像表示装置７０は、この遮光板７７を設けることにより、余計な外光の影響を確実に除去し、より鮮明な空中像ＲＩＭの結像に寄与することができる。
【０１６０】
このような構成からなる空中像表示装置７０には、鑑賞者の眼球ＥＹＥの側から外光が入射される。具体的には、空中像表示装置７０においては、入射された外光がはじめに偏光フィルタ７６を通過する。このとき偏光フィルタ７６は、例えば外光のうち偏光方向が紙面に対して垂直である直線偏光の光線のみを通過させる。さらに、空中像表示装置７０において、偏光フィルタ７６を通過した外光は第２の円偏光素子７５を通過することにより円偏光に変化する。そして、空中像表示装置７０において第２の円偏光素子７５を通過した外光は、ハーフミラー７４を透過した後に凹面鏡７３へと到達し、この凹面鏡７３によって反射される。
【０１６１】
さらに空中像表示装置７０において、凹面鏡７３によって反射された外光は、再度ハーフミラー７４を透過し、第２の円偏光素子７５に入射される。そして、空中像表示装置７０において第２の円偏光素子７５に入射された外光は、当該第２の円偏光素子７５を通過することにより直線偏光に変化する。これにより、第２の円偏光素子７５を通過した外光の偏光方向は、紙面に対して水平方向となる。したがって、空中像表示装置７０においては、第２の円偏光素子７５を通過した外光が偏光フィルタ７６を通過することができず、鑑賞者の眼球ＥＹＥに到達することはない。
【０１６２】
このように、空中像表示装置７０においては、ハーフミラー７４、第２の円偏光素子７５、及び偏光フィルタ７６によって偏光方向を利用した外光に対する減光手段を構成することにより、凹面鏡７３によって反射した外光の影響を確実に除去することができることから、凹面鏡７３等の各種光学部材の存在を鑑賞者に把握される事態を回避することができ、結果として、実在感に優れた空中像ＲＩＭを鮮明に表示することが可能となる。このとき、空中像表示装置７０においては、減光手段を構成する部材を、凹面鏡７３の光軸上に配置することにより、凹面鏡７３の光軸上で高効率に空中像ＲＩＭを結像させることができることから、空中像ＲＩＭの収差を小さくすることができる。
【０１６３】
また、空中像表示装置７０を用いた空中像ＲＩＭの表示では、バックライト装置が発光した光の大部分を液晶ディスプレイ６１の照射に利用することが出来るため、立体映像の表示に必要なエネルギーを低減することが可能である。また、結像される空中像ＲＩＭでは、左目用画像と右目用画像とが同じ位置に結像されるため、現実の物体を認識するのと同様に両目の輻輳角度と焦点距離を調整することで鑑賞者が立体像を視認することができ、立体映像の認識に際する疲労感を低減することが可能となる。
【０１６４】
［第８の実施の形態］
次に、第８の実施の形態として示す空中像表示装置について説明する。この空中像表示装置は、左目用の画像を表示する表示装置と右目用の画像を表示する表示装置を個別に備え、二つの表示装置が照射する左目用画像と右目用画像の光線をハーフミラーを用いて同一光軸上の光とするものである。
【０１６５】
図２４に側断面図を示すように、この空中像表示装置８０は、画像を表示する透過型画像表示手段としての左目用液晶ディスプレイ８１Ｌおよび右目用液晶ディスプレイ８１Ｒと、背面光源としての左目用バックライト装置８２Ｌおよび右目用バックライト装置８２Ｒと、光源用光学部材としての左照明用レンズ８４Ｌおよび右目照明用レンズ８４Ｒと、半透過型反射板であるハーフミラー８５と、空中像結像部としての空中像結像レンズ８６とを備える。このうち、左目用液晶ディスプレイ８１Ｌ、右用液晶ディスプレイ８１Ｒ、左目用バックライト装置８２Ｌ、右目用バックライト装置８２Ｒ、左目照明用レンズ８４Ｌ、右目照明用レンズ８４Ｒ、およびハーフミラー８５は、視差表示部を構成する部材である。
【０１６６】
左目用液晶ディスプレイ８１Ｌおよび右目用液晶ディスプレイ８１Ｒは、透過型画像表示手段であり空中像として表示する物体を示す静止画像や動画像を含む各種画像を表示し、バックライト装置から照射された光を透過することで、それぞれ表示された左目用画像および右目用画像の投影を行う。左目用バックライト装置８２Ｌおよび右目用バックライト装置８２Ｒは、例えばＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの発光素子を複数有する非偏光の光を発光する装置であり、それぞれ左用液晶ディスプレイ８１Ｌおよび右目用液晶ディスプレイ８１Ｒの背面側に配置されて、表示される画像を鑑賞者の左目および右目方向に照射する。
【０１６７】
左目照明用レンズ８４Ｌおよび右目照明用レンズ８４Ｒは透過型光学素子である凸レンズであり、それぞれ、左目用バックライト装置８２Ｌと左用液晶ディスプレイ８１Ｌの間、右目用バックライト装置８２Ｒと右目用液晶ディスプレイ８１Ｒの間に配されて、左右のバックライト装置が発光した光を所定の焦点距離の位置に結像する。
【０１６８】
空中像表示装置８０では、左目用液晶ディスプレイ８１Ｌ、左目用バックライト装置８２Ｌおよび左目照明用レンズ８４Ｌによって左目用画像の表示と投影を行う左投影光学系を構成し、右用液晶ディスプレイ８１Ｒ、右目用バックライト装置８２Ｒおよび右目照明用レンズ８４Ｒによって右目用画像の表示と投影を行う右投影光学系を構成する。左投影光学系と右投影光学系とは、図に示すように画像の投影を行う光の進行方向である光軸が直角となるように配置されている。
【０１６９】
ハーフミラー８５は、一方の面から入射した光を反射して他方の面から入射した光を透過する半透過型反射板であり、図２４では左目用バックライト装置８２Ｌからの光を透過し、右目用バックライト装置８２Ｒからの光を反射するように配置されている。また、ハーフミラー８５は、左投影光学系の光軸および右投影光学系の光軸と互いに４５度の角度となるように配置されている。
【０１７０】
左右のバックライト装置が発光した光は、それぞれ左目照明用レンズ８４Ｌおよび右目照明用レンズ８４Ｒによって屈折された後に、それぞれ左目用液晶ディスプレイ８１Ｌおよび右目用液晶ディスプレイ８１Ｒを透過し、左目目用バックライト装置８２Ｌが発光した光はハーフミラー８５を透過し、右目用バックライト装置８２Ｒが発光した光はハーフミラー８５で反射される。左投影光学系の光軸と右投影光学系の光軸は直行し、ハーフミラー８５は二つの光軸と４５度の角度を成しているため、左目照明用レンズ８４Ｌおよび右目照明用レンズ８４Ｒの焦点距離を調整することにより、同一光軸上の同じ位置に左目用画像と右目用画像の照明光が中間実像ＭＲＩＭとして結像することになる。
【０１７１】
空中像結像レンズ８６は透過型光学素子である凸レンズであり、視差表示部と鑑賞者との間に配されて、液晶ディスプレイ８１Ｌ，８１Ｒの像を所定の焦点距離の位置に空中像ＲＩＭとして結像する。中間実像ＭＲＩＭは左目用バックライト装置８２Ｌと右目用バックライト装置８２Ｒから照射された光がそれぞれ左照明用レンズ８４Ｌおよび右照明用レンズ８４Ｒによって結像された実像であり、左目用バックライト装置８２Ｌと右目用バックライト装置８２Ｒの光軸に対する位置を調整することで、左目用バックライト装置８２Ｌが発光した光と右目用バックライト装置８２Ｒが発光した光とは異なる経路をたどる。したがって、空中像ＲＩＭを結像した後の左目用バックライト装置８２Ｌが照射する光の進行方向と右目用バックライト装置８２Ｒが照射する光の進行方向とは、光軸に対して平行ではなくそれぞれ鑑賞者の左目と右目方向に分離したものとなる。これによって、同一の位置に空中像ＲＩＭとして結像された左目用の画像と右目用の画像とを、鑑賞者の左右の目に別々に認識させて両眼視差によって立体像の認識を行うことが出来る。
【０１７２】
鑑賞者は、左右の眼の焦点を空中像ＲＩＭの位置にあわせ、眼球の傾きも空中像ＲＩＭが結像されている位置に向けることで空中像ＲＩＭを立体的に認識することができる。したがって、立体を認識するための眼球輻輳と焦点距離が一致するために現実感のある立体像を容易に認識することが可能となり、立体映像の認識を通常の物体認識と同様に行うことで眼球の疲労感を低減することができる。
【０１７３】
［第９の実施の形態］
次に、第９の実施の形態として示す空中像表示装置について説明する。この空中像表示装置は、一つの表示装置に左目用画像と右目用画像を交互に表示して時分割型の空中像表示を行うものである。
【０１７４】
図２５に側断面図を示すように、この空中像表示装置９０は、画像を表示する透過型画像表示手段としての液晶ディスプレイ９１と、この背面光源としての左目用バックライト装置９２Ｌおよび右目用バックライト装置９２Ｒと、光源用光学部材としての照明用レンズ９４と、空中像結像部としての空中像結像レンズ９６とを備える。このうち、液晶ディスプレイ９１、左目用バックライト装置９２Ｌ、右目用バックライト装置９２Ｒ、照明用レンズ９４は、視差表示部を構成する部材である。
【０１７５】
図２６は、液晶ディスプレイ９１と左目用バックライト装置９２Ｌおよび右目用バックライト装置９２Ｒの駆動信号を示すグラフである。図中横軸は時間経過を表しており、図中上段のグラフは液晶ディスプレイ９１に伝達されるビデオ信号を示し、中段は左目用バックライト装置９２Ｌの点灯・消灯動作を示し、下段は右目用バックライト装置９２Ｒの点灯・消灯動作を示している。空中像表示装置９０では、液晶ディスプレイ９１に左目用画像と右目用画像を交互に表示し、左目用画像を一画面分表示し終わった時点で左目用バックライト装置９２Ｌを点灯し、右目用画像を一画面分表示し終わった時点で右目用バックライト装置９２Ｒを点灯し、表示とバックライト装置の点灯を同期させる。
【０１７６】
図２７は液晶ディスプレイ９１と左目用バックライト装置９２Ｌおよび右目用バックライト装置９２Ｒの駆動信号の他の例を示すグラフである。液晶ディスプレイ９１に左目用画像と右目用画像を表示する際に、一画面分の画像を表示した後に維持期間を設けて、維持期間中に左目用バックライト装置９２Ｌまたは右目用バックライト装置９２Ｒの点灯を行う。維持期間を長く設定することでバックライト装置によって画像が照射される時間を長くして光量を確保し、良好な立体映像の表示を行うことが可能となる。
【０１７７】
空中像表示装置９０では、上述した第６の実施の形態と同様にして、左目用バックライト装置９２Ｌが点灯したときに左目用画像の空中像ＲＩＭが空中像結像レンズ９６の前面に結像され、右目用バックライト装置９２Ｒが点灯したときに右目用画像の空中像ＲＩＭが空中像結像レンズ９６の前面に結像される。鑑賞者は交互に結像される左目用画像と右目用画像とを視認することで立体映像を認識することができる。
【０１７８】
［第１０の実施の形態］
次に、第１０の実施の形態として示す空中像表示装置について説明する。この空中像表示装置は、視差表示部が投影する左目用画像と右目用画像をハーフミラーによって反射して空中像ＲＩＭとして結像し、ハーフミラーの背面側から入射する外部からの光と空中像ＲＩＭとを同時に観察者が視認するものである。
【０１７９】
図２８に側断面図を示すように、この空中像表示装置１１０は、画像を表示する透過型画像表示手段としての液晶ディスプレイ１１１と、この背面光源としての左目用バックライト装置１１２Ｌおよび右目用バックライト装置１１２Ｒと、光源用光学部材としての照明用レンズ１１４と、ハーフミラー１１５と、結像用光学部材としての空中像結像レンズ１１６とを備える。このうち、液晶ディスプレイ１１１、左目用バックライト装置１１２Ｌ、右目用バックライト装置１１２Ｒ、照明用レンズ１１４は、視差表示部を構成する部材である。また、ハーフミラー１１５と空中像結像レンズ１１６は空中像結像部を構成する部材である。
【０１８０】
ここでは、視差表示部として第９の実施の形態に示したと同様の時分割型の構成を示しているので、同様の部材についての説明および左目用画像の照射と右目用画像の照射に関する説明は省略する。また、視差表示部としては時分割型のものではなく、第６の実施の形態に示したバックライト装置の前面に偏光フィルターを配置し、液晶ディスプレイと照明用レンズとの間に分割フィルターを配置する構成のものを用いてもよく、第８の実施の形態に示した左投影光学系と右投影光学系の投影する二つの画像をハーフミラーで同一の光軸上に結像する構成を用いても良い。
【０１８１】
ハーフミラー１１５は、一方の面に入射した光を反射して他方の面に入射した光を透過する半透過型反射板であり、視差表示部から照射されたバックライト装置の光軸と４５度の角度を成すように配置されている。
【０１８２】
空中像結像レンズ１１６は透過型光学素子である凸レンズであり、視差表示部の液晶ディスプレイ１１１の画像を所定の焦点距離の位置に空中像ＲＩＭとして結像する。
【０１８３】
視差表示部が投影する右目用画像と左目用画像の照明光は中間実像ＭＲＩＭとして結像され、空中像結像レンズ１１６で光線が屈折された後にハーフミラー１１５で反射されて鑑賞者の前面で空中像ＲＩＭとして結像される。上述したように、左目用画像を鑑賞者が左目で認識し、右目用画像を鑑賞者が右目で認識することで鑑賞者は立体映像を視認することができる。同時に、鑑賞者の視線の延長線上にはハーフミラー１１５が配置されているため、鑑賞者の目にはハーフミラー１１５の背面側から入射した光も到達することになる。
【０１８４】
したがって、鑑賞者が視認する映像は視差表示部が投影する空中像ＲＩＭの立体視に、ハーフミラー１１５の背景を加えたものとなる。鑑賞者は単に空中像ＲＩＭを認識するだけではなく背景も認識することが可能であるため、鑑賞者は空中像ＲＩＭをより実体のある物体に近い感覚で視認することが可能となる。尚、左目用バックライト装置１１２Ｌと右目用バックライト装置１１２Ｒは、紙面に対して、垂直方向に並んで配置される。
【０１８５】
［第１１の実施の形態］
次に、第１１の実施の形態として示す空中像表示装置について説明する。この空中像表示装置は、視差表示部が投影する左目用画像と右目用画像をハーフミラーによって反射して空中像ＲＩＭとして結像し、ハーフミラーの背面側から入射する外部からの光と空中像ＲＩＭとを同時に観察者が視認するものである。また空中像結像部には凹面鏡を用いている。
【０１８６】
図２９に側断面図を示すように、この空中像表示装置１２０は、画像を表示する透過型画像表示手段としての液晶ディスプレイ１２１と、この背面光源としての左目用バックライト装置１２２Ｌおよび右目用バックライト装置１２２Ｒと、第１の円偏光素子１２３と、光源用光学部材としての照明用レンズ１２４と、空中像結像部の反射型光学素子としての凹面鏡１２５と、この凹面鏡１２５と中間実像ＭＲＩＭの結像位置との間に配置されたハーフミラー１２６、第２の円偏光素子１２７、及び偏光フィルタ１２８とを備える。
【０１８７】
このうち、液晶ディスプレイ１２１、左目用バックライト装置１２２Ｌ、右目用バックライト装置１２２Ｒ、第１の円偏光素子１２３、照明用レンズ１２４は、視差表示部を構成する部材である。また、凹面鏡１２５とハーフミラー１２６、第２の円偏光素子１２７、及び偏光フィルタ１２８は空中像結像部を構成する部材である。
【０１８８】
ここでは、視差表示部として第９の実施の形態に示したと同様の時分割型の構成を示しているので、同様の部材についての説明および左目用画像の照射と右目用画像の照射に関する説明は省略する。また、視差表示部としては時分割型のものではなく、第６の実施の形態に示したバックライト装置の前面に偏光フィルターを配置し、液晶ディスプレイと照明用レンズとの間に分割フィルターを配置する構成のものを用いてもよく、第８の実施の形態に示した左投影光学系と右投影光学系の投影する二つの画像をハーフミラーで同一の光軸上に結像する構成を用いても良い。
【０１８９】
第１の円偏光素子１２３は、液晶ディスプレイ１２１の表示画面上に配置され、液晶ディスプレイ１２１から出射された偏光方向が水平である直線偏光の光線を、円偏光に変化させる。視差表示部が左目用画像と右目用画像を空中像結像部に対して照射する方法は上述した第９の実施の形態を用いて説明したものと同様である。
【０１９０】
凹面鏡１２５は、第１の円偏光素子１２３によって円偏光とされ且つハーフミラー１２６を透過して入射された光線を反射する。なお、この凹面鏡１２５に入射される光線及びこの凹面鏡１２５から出射される光線は、円偏光とされるのはいうまでもない。この凹面鏡１２５によって反射された光線は、ハーフミラー１２６の反射面に入射される。
【０１９１】
ハーフミラー１２６は、凹面鏡１２５と中間実像ＭＲＩＭの結像位置との間に位置して、液晶ディスプレイ１２１の表示画面に対して所定の角度をもって配置される。ハーフミラー１２６は、第１の円偏光素子１２３を通過した光線が透過面に入射すると、この光線を凹面鏡１２５の方向へと透過する一方で、凹面鏡１２５によって反射された光線を鑑賞者方向に反射させる。このハーフミラー１２６を透過した光線は、第２の円偏光素子１２７に入射される。また、ハーフミラー１２６の光を透過する面には背景である外部光線が入射し、外部光線はハーフミラー１２６を透過して鑑賞者方向へと進む。
【０１９２】
第２の円偏光素子１２７は、ハーフミラー１２６と空中像ＲＩＭの結像位置との間に位置して、ハーフミラー１２６側から入射した光のうち円偏光の光線を直線偏光に変化させる。この第２の円偏光素子１２７を通過した光線は、偏光フィルタ１２８に入射される。
【０１９３】
偏光フィルタ１２８は第２の円偏光素子１２７と同様に、ハーフミラー１２６と空中像ＲＩＭの結像位置との間に位置して、第２の円偏光素子１２７を通過した光線のうち所定の偏光方向の成分のみを通過させる。このとき、偏光フィルタ１２８が透過する偏光方向を、第１の円偏光素子１２３と第２の円偏光素子１２７によって決定される偏光方向の光線を通過させると設定する。これにより、この偏光フィルタ１２８を通過した光線は、所定の空間位置にて結像し、空中像ＲＩＭとして鑑賞者の眼球ＥＹＥによって視認されることになる。
【０１９４】
同時に、鑑賞者の視線の延長線上にはハーフミラー１２６が配置されているため、鑑賞者の目にはハーフミラー１２６の背面側から入射した光も到達することになる。したがって、鑑賞者が視認する映像は視差表示部が投影する空中像ＲＩＭの立体視に、ハーフミラー１２６の背景を加えたものとなる。鑑賞者は単に空中像ＲＩＭを認識するだけではなく背景も認識することが可能であるため、鑑賞者は空中像ＲＩＭをより実体のある物体に近い感覚で視認することが可能となる。尚、左目用バックライト装置１２２Ｌと右目用バックライト装置１２２Ｒは、紙面に対して、垂直方向に並んで配置される。
【０１９５】
［第１２の実施の形態］
次に、第１２の実施の形態として示す空中像表示装置について図３０を用いて説明する。本実施の形態の空中像表示装置１３０は、上述した第７の実施の形態と類似した構成であり、第７の実施の形態で所定のディスプレイから出射された光線を空中像として結像させる光学部材として用いた凹面鏡として凹面ハーフミラー１３１を用いた点のみが異なる。したがって、この第７の実施の形態として示す空中像表示装置１３０の説明では、先に説明した空中像表示装置７０と同様の部位については同一符号を付し、その詳細な説明を省略するものとする。
【０１９６】
凹面ハーフミラー１３１は、凹面側に入射した光を反射して凸面側に入射した光を透過する半透過型の凹面鏡である。空中像表示装置７０が左目用画像と右目用画像の空中像ＲＩＭを所定の位置に結像する方法は、先に述べた第７の実施の形態と同様であり、左目用画像を鑑賞者が左目で認識し、右目用画像を鑑賞者が右目で認識することで鑑賞者は立体映像を視認することができる。
【０１９７】
同時に、鑑賞者の視線の延長線上にはハーフミラー７４と凹面ハーフミラー１３１が配置されているため、鑑賞者の目にはハーフミラー７４と凹面ハーフミラー１３１の背面側から入射した光も到達することになる。したがって、鑑賞者が視認する映像は視差表示部が投影する空中像ＲＩＭの立体視に、凹面ハーフミラー１３１の背景を加えたものとなる。鑑賞者は単に空中像ＲＩＭを認識するだけではなく背景も認識することが可能であるため、鑑賞者は空中像ＲＩＭをより実体のある物体に近い感覚で視認することが可能となる。
【０１９８】
［第１３の実施の形態］
次に、第１３の実施の形態として示す空中像表示装置について説明する。この空中像表示装置は、鑑賞者の頭部位置を検出して、鑑賞者の位置に応じて空中像ＲＩＭを結像する位置を変化させるものである。
【０１９９】
図３１に光学系の上面図を示すように、この空中像表示装置１３０は、画像を表示する透過型画像表示手段としての液晶ディスプレイ１４１と、この背面光源としてのバックライト装置１４２と、照射光を直線偏光に変換する偏光板である偏光フィルター１４３と、偏光領域制御フィルターとしての分割液晶シャッター１４４と、光源用光学部材としての照明用レンズ１４５と、透過する光の偏光方向を決定する分割フィルターとしての空間分割フィルター１４６と、空中像結像部としての空中像結像レンズ１４７と、鑑賞者の位置を検出する位置検出部１４８とを備える。このうち、液晶ディスプレイ１４１、バックライト装置１４２、偏光フィルター１４３、分割液晶シャッター１４４、照明用レンズ１４５、空間分割フィルター１４６は、視差表示部を構成する部材である。
【０２００】
液晶ディスプレイ１４１は、透過型画像表示手段であり空中像として表示する物体を示す静止画像や動画像を含む各種画像を表示し、バックライト装置１４２から照射された光を透過することで表示された画像の投影を行う。バックライト装置１４２は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの発光素子を複数有する非偏光の光を発光する装置であり、液晶ディスプレイ１４１が表示する画像を鑑賞者の方向に照射する。バックライト装置１４２が光を照射する方向を照明用レンズ１４５の範囲内に調整することで、発光に用いられるエネルギーを効率良く画像の照射に用いることができる。
【０２０１】
偏光フィルター１４３は、バックライト装置１４２の前面に配置された直線偏光板であり、バックライト装置１４２から射出された光を直線偏光にする。
【０２０２】
分割液晶シャッター１４４は、偏光フィルター１４３の前面に配置されたＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶素子であり、ＴＮ液晶のＯＮ領域とＯＦＦ領域を変更することで左目用領域１４４Ｌと右目用領域１４４Ｒ領域の面積を変化させ、偏光フィルター１４３を透過した直線偏光の偏光方向を回転させる領域とそのまま透過させる領域の変更を行う。ここでは、一例として分割液晶シャッター１４４のＴＮ液晶がＯＮの領域を偏光方向を回転させない左目用領域１４４Ｌとし、ＴＮ液晶がＯＦＦの領域を偏光方向を９０度回転出せる右目用領域１４４Ｒとする。
【０２０３】
照明用レンズ１４５は透過型光学素子である凸レンズであり、バックライト装置１４２と液晶ディスプレイ１４１との間に配されて、バックライト装置１４２が発光して偏光フィルター１４３および分割液晶シャッター１４４を透過した光を所定の焦点距離の位置に結像する。バックライト装置１４２が発光した光は、照明用レンズ１４５によって屈折された後に液晶ディスプレイ１４１を透過するので、焦点位置には液晶ディスプレイ１４１をが表示している照明光が中間実像ＭＲＩＭとして結像することになる。
【０２０４】
空間分割フィルター１４６は、偏光フィルターを１４３と分割液晶シャッター１４４を透過した直線偏光の光を透過するか遮断するかを決める部材であり、左目用領域１４４Ｌを透過した光は液晶ディスプレイ１４１に表示された左目用の画像のみを照射し、右目用領域１４４Ｒを透過した光は液晶ディスプレイ１４１に表示された右目用の画像のみを照射する。
【０２０５】
空中像結像レンズ１４７は透過型光学素子である凸レンズであり、液晶ディスプレイ１４１と鑑賞者との間に配されて、液晶ディスプレイ１４５の像を所定の焦点距離の位置に空中像ＲＩＭとして結像する。中間実像ＭＲＩＭはバックライト装置１４２から照射された光が照明用レンズ１４５によって結像された実像であり、分割液晶シャッター１４４の左目用領域１４４Ｌと右目用領域１４４Ｒとが光軸に対して並列に配置されているので、左目用画像と右目用画像とは異なる経路をたどる。したがって、空中像ＲＩＭを結像した後の左目用画像の光の進行方向と右目用画像の光の進行方向とは、光軸に対して平行ではなくそれぞれ鑑賞者の左目と右目方向に分離したものとなる。これによって、同一の位置に空中像ＲＩＭとして結像された左目用の画像と右目用の画像とを、鑑賞者の左右の目に別々に認識させて両眼視差によって立体像の認識を行うことが出来る。
【０２０６】
鑑賞者は、左右の眼の焦点を空中像ＲＩＭの位置にあわせ、眼球の傾きも空中像ＲＩＭが結像されている位置に向けることで空中像ＲＩＭを立体的に認識することができる。したがって、立体を認識するための眼球輻輳と焦点距離が一致するために現実感のある立体像を容易に認識することが可能となり、立体映像の認識を通常の物体認識と同様に行うことで眼球の疲労感を低減することができる。
【０２０７】
位置検出部１４８は、空中像結像レンズ１４７の周縁部に配置された赤外光を照射する赤外照射手段である赤外ランプ１４８ａと、赤外光の検出をする赤外検出手段１４８ｂとを備え、赤外ランプ１４８ａが鑑賞者に対して照射した赤外光を赤外検出手段１４８ｂが検出する。鑑賞者の照射は赤外光で行うため観察者は照明光の明るさを知覚できず、赤外光の照射によって空中像の視認性が低下することは無い。
【０２０８】
次に図３２を用いて、液晶ディスプレイ１４１に表示した左目用の画像と右目用の画像を、それぞれ分割液晶シャッター１４４の左目用領域１４４Ｌと右目用領域１４４Ｒを透過した光で照射するための偏光方向の制御について説明する。
【０２０９】
本実施の形態では、先に述べた第６の実施の形態における左目用偏光フィルター６３Ｌおよび右目用偏光フィルター６３Ｒに代えて、偏光フィルターを１４３および分割液晶シャッター１４４を用いてバックライト装置１４２が照射した光を互いに偏光方向が直交する２種類の直線偏光にするものである。
【０２１０】
分割液晶シャッター１４４では、位置検出部１４８が検出した鑑賞者の位置に応じて、ＴＮ液晶がＯＮである左目用領域１４４ＬとＴＮ液晶がＯＦＦの領域である右目用領域１４４Ｒの面積比が決定される。バックライト装置１４２が発光した非偏光の光は、偏光フィルター１４３を透過することで一方向の直線偏光になる。偏光フィルター１４３を通過した光は、左目用領域１４４Ｌを透過した場合には偏光方向が維持されたまま照明用レンズ１４５に到達し、右目用領域１４４Ｒを透過した場合には偏光方向が９０度回転されて照明用レンズ１４５に到達する。
【０２１１】
左目用領域１４４Ｌと右目用領域１４４Ｒを透過した光は互いに偏光方向が直交した直線偏光の光なので、上述した第６の実施の形態と同様に、空間分割フィルター１４６の動作によって左目用領域１４４Ｌを透過した光によって左目用画像を照射し、右目用領域１４４Ｒを透過した光によって右目用画像を照射する。空間分割フィルター１４６の構成および動作は上述した第６の実施の形態で図１９乃至図２１を用いて説明したもので同様である。
【０２１２】
左目用領域１４４Ｌと右目用領域１４４Ｒの面積比を変更することで、空中像結像レンズ１４７の光軸中心に対する左目用領域１４４Ｌと右目用領域１４４Ｒの位置が変化するため、空中像ＲＩＭが結像される位置も空中像結像レンズ１４７の光軸中心から変動し、ソレに伴って鑑賞者が空中像ＲＩＭを立体像として視認できる方向も変化する。
【０２１３】
次に図３３を用いて、位置検出部１４８と分割液晶シャッター１４４により空中像ＲＩＭの結像位置を変化させる方法と構成について説明する。位置検出部１４８は上述した様に、赤外ランプ１４８ａと赤外検出手段１４８ｂとを備え、赤外ランプ１４８ａが鑑賞者に対して赤外光を照射し、鑑賞者の顔で反射された赤外光を赤外検出手段１４８ｂが検出するものである。本実施の形態では、赤外検出手段１４８ｂを分割液晶シャッター１４４の上部に配置し、赤外検出手段１４８ｂが検出した赤外光のデータを信号処理回路１４８ｃに送出する。信号処理回路１４８ｃが赤外光のデータ処理を行った結果は液晶シャッター制御回路１４８ｄに伝達され、液晶シャッター制御回路１４８ｄは分割液晶シャッター１４４のＴＮ液晶のＯＮ領域とＯＦＦ領域を変化させて、左目用領域１４４Ｌと右目用領域１４４Ｒの面積比率を制御する。
【０２１４】
赤外ランプ１４８ａによって赤外線が照射された鑑賞者の顔からは赤外光が反射し、鑑賞者の顔で反射された赤外光の一部は空中像結像レンズ１４７に入射し、空中像結像レンズ１４７、液晶ディスプレイ１４１、空間分割フィルター１４６、照明用レンズ１４５を透過して赤外検出手段１４８ｂまで到達する。赤外検出手段１４８ｂは、鑑賞者の顔によって反射されて到達した赤外光の強度分布を測定し、測定結果を信号処理回路１４８ｃに送出する。信号処理回路１４８ｃは、赤外検出手段１４８ｂが検出した赤外線強度が最大の位置を偏光境界として設定し、液晶シャッター制御回路１４８ｄに偏光境界の情報を伝達する。液晶シャッター制御回路１４８ｄでは、偏光境界に対応する位置を境界としてＴＮ液晶のＯＮ領域とＯＦＦ領域を分離する。
【０２１５】
赤外検出手段１４８ｂが検出した赤外光の強度が最大の位置は、鑑賞者の顔の中心によって反射された赤外光を検出していると考えられる。また、バックライト装置１４２が発光した光は分割液晶シャッター１４４を透過した後に、鑑賞者から反射されて赤外検出手段まで到達した赤外光線の経路を逆に進行していくため、偏光境界によって左右に分離された左目用領域１４４Ｌを透過した光は鑑賞者の左目に到達し、右目用領域１４４Ｒを透過した光は鑑賞者の右目に到達する。したがって、鑑賞者の顔の位置が空中像結像レンズ１４７の光軸中心から変動した場合にも、赤外光の照射および検出と、赤外光強度が最大の位置を境にしてＴＮ液晶のＯＮとＯＦＦを制御することによって、鑑賞者の左右の目にそれぞれ左目用画像と右目用画像を視認させることができる。
【０２１６】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述した第３の実施の形態では、遮光板を備えないものとして説明したが、本発明は、透過型光学素子を用いる場合であっても、鑑賞者側以外の領域から入射される外光を遮光するとともに、筐体や偏光出力ディスプレイの表示画面等によって反射する外光を遮光するための遮光板を、適宜備えるようにしてもよい。
【０２１７】
また、本発明は、上述した複数の実施の形態の特徴を、可能な範囲で適宜組み合わせることも可能である。
【０２１８】
このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。
【０２１９】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明にかかる空中像表示装置は、外部から入射される外光を減光することにより、光学部材の存在を鑑賞者に把握される事態を回避することができ、結果として、実在感に優れた空中像を鮮明に表示することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態として示す空中像表示装置の構成を説明する側断面図である。
【図２】１／２波長板の機能を説明するための図であり、（Ａ）は、１／２波長板を正面方向から見たときの入射光及び出射光の偏光方向を示し、（Ｂ）は、１／２波長板を斜め方向から見たときの入射光及び出射光の偏光方向を示す図である。
【図３】１／４波長板の機能を説明するための図であり、１／４波長板を２枚重ねた場合に斜め方向から見たときの入射光及び出射光の偏光方向を示す図である。
【図４】入射光の振動波形を説明する図であり、（Ａ）は、ｙ方向成分の振動波形を示し、（Ｂ）は、ｘ方向成分の振動波形を示す図である。
【図５】１／４波長板を通過した出射光の振動波形を説明する図であり、（Ａ）は、ｙ方向成分の振動波形を示し、（Ｂ）は、ｘ方向成分の振動波形を示す図である。
【図６】同空中像表示装置の構成を説明する側断面図であり、外光の経路を説明するための図である。
【図７】同空中像表示装置の他の構成を説明する側断面図である。
【図８】金属がコーティングされた平凸レンズの側面図である。
【図９】反射型フレネルレンズの側面図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態として示す空中像表示装置の構成を説明する側断面図である。
【図１１】同空中像表示装置の構成を説明する側断面図であり、外光の経路を説明するための図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態として示す空中像表示装置の構成を説明する側断面図である。
【図１３】同空中像表示装置の構成を説明する側断面図であり、外光の経路を説明するための図である。
【図１４】減光手段を構成する部材を互いに平行に配置した例としての空中像表示装置の構成を説明する側断面図である。
【図１５】本発明の第４の実施の形態として示す空中像表示装置の構成を説明する側断面図である。
【図１６】偏光出力ディスプレイの表示画面上に光学系を設けない例としての空中像表示装置の構成を説明する側断面図である。
【図１７】本発明の第５の実施の形態として示す空中像表示装置の構成を説明する側断面図である。
【図１８】本発明の第６の実施の形態として示す空中像表示装置の構成を説明する側断面図である。
【図１９】図１８に示した空間分割フィルターの構造の一例と左目用偏光フィルター、右目用偏光フィルターの偏光方向との関係を示す模式斜視図である。
【図２０】図１９に示した空間分割フィルターによる光の透過と遮断について説明した模式図であり、図２０（ａ）は鑑賞者の左目に入射する光の経路を示し、図２０（ｂ）は鑑賞者の右目に入射する光の経路を示している。
【図２１】液晶ディスプレイの水平ライン毎に交互に左目用画像と右目用画像を表示するための視差画像信号生成システムについて説明するブロック図である。
【図２２】本発明の第７の実施の形態として示す空中像表示装置の構成を説明する側断面図である。
【図２３】本発明の第７の実施の形態として示す空中像表示装置の構成を鑑賞者側からみた断面図である。
【図２４】本発明の第８の実施の形態として示す空中像表示装置の構成を説明する側断面図である。
【図２５】本発明の第９の実施の形態として示す空中像表示装置の構成を説明する側断面図である。
【図２６】液晶ディスプレイと左目用バックライト装置および右目用バックライト装置の駆動信号を示すグラフである。
【図２７】液晶ディスプレイと左目用バックライト装置および右目用バックライト装置の駆動信号を示す他の例のグラフである。
【図２８】本発明の第１０の実施の形態として示す空中像表示装置の構成を説明する側断面図である。
【図２９】本発明の第１１の実施の形態として示す空中像表示装置の構成を説明する側断面図である。
【図３０】本発明の第１２の実施の形態として示す空中像表示装置の構成を説明する側断面図である。
【図３１】本発明の第１３の実施の形態として示す空中像表示装置の構成を説明する側断面図である。
【図３２】液晶ディスプレイに表示した左目用の画像と右目用の画像を、それぞれ分割液晶シャッターの左目用領域と右目用領域を透過した光で照射するための偏光方向の制御について説明した模式図である。
【図３３】位置検出部と分割液晶シャッターにより空中像の結像位置を変化させる方法と構成について説明した模式図である。
【図３４】従来の透過型光学素子を用いたシステムの構成を説明する側断面図である。
【図３５】図３４に示すシステムが備えるディスプレイデバイスに表示する表示画像の例として、物体の周囲を黒くした映像を表示している様子を説明する図である。
【図３６】図３５に示す表示画像に基づいて空中像が表示されている様子を説明する図である。
【図３７】従来の反射型光学素子を用いたシステムの構成を説明する側断面図である。
【図３８】従来の立体ディスプレイを視聴するための構成を示した図であり、立体視のために眼鏡の装着が必要な例を示している。
【図３９】図３８に示した立体ディスプレイで立体映像を視認する原理を示す模式図である。
【図４０】図３９に示した立体ディスプレイと液晶シャッター眼鏡の駆動方法を示すグラフである。
【図４１】従来の立体ディスプレイで鑑賞者が立体映像を視認するための眼球輻輳と焦点調整を説明する模式図である。
【図４２】従来の立体ディスプレイでの発光方向と、鑑賞者が認識するために必要な光の照射方向とを示す模式図である。
【図４３】従来の凹面鏡を用いた立体ディスプレイの構成と光軸の関係を示す側断面図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１１０，１２０，１３０ 空中像表示装置
１１，３１ 偏光出力ディスプレイ
１２，３２ 第１の円偏光素子
１３，７３，１２５ 凹面鏡
１３' 反射型フレネルレンズ
１４，２１，７４，８５，１１５ ハーフミラー
１５，３４ 第２の円偏光素子
１６，２２，３５，７６，１２８，１４３ 偏光フィルタ
１７，７７ 遮光板
２３ 減光フィルタ
３３ 透過型レンズ
５１ 平凸レンズ
６１，９１，１１１，１２１，１４１ 液晶ディスプレイ
６１Ｂ 直線偏光板
６２Ｒ，８２Ｒ，９２Ｒ，１１２Ｒ，１２２Ｒ 右目用バックライト装置
６２Ｌ，８２Ｌ，９２Ｌ，１１２Ｌ，１２２Ｌ 左目用バックライト装置
６３Ｒ 右目用偏光フィルター
６３Ｌ 左目用偏光フィルター
６４，９４，１１４，１２４，１４５ 照明用レンズ
６５，１４６ 空間分割フィルター
６５Ｌ 偏光方向回転部
６５Ｎ 偏光方向非回転部
６５Ｂ 直線偏光板
６６，８６，９６，１１６，１４７ 空中像結像レンズ
６７ 情報処理手段
６８Ｒ 右用スキャンコンバータ
６８Ｌ 左用スキャンコンバータ
６９ 信号スイッチング回路
７２，７５，１２３，１２６，１２７ 円偏光素子
８１Ｒ 右目用液晶ディスプレイ
８１Ｌ 左目用液晶ディスプレイ
８４Ｒ 右目照明用レンズ
８４Ｌ 左目照明用レンズ
１３１ 凹面ハーフミラー
１４２ バックライト装置
１４４ 分割液晶シャッター
１４４Ｒ 右目用領域
１４４Ｌ 左目用領域
１４８ 位置検出部
１４８ａ 赤外ランプ
１４８ｂ 赤外検出手段
１４８ｃ 信号処理回路
１４８ｄ 液晶シャッター制御回路
ＭＲＩＭ 中間実像
ＥＹＥ 眼球
ＲＩＭ 空中像
ＲＩＭ'，ＲＩＭ'' ゴースト像[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an aerial image display device that forms a predetermined image in the air and displays an aerial image.
[0002]
[Prior art]
In recent years, attempts have been made to realize a realistic virtual space by forming an image in the air, such as a so-called head-mounted display (HMD). Some types of displays, such as head-mounted displays, have an image formed as an aerial image in the depth direction of the lens, while an image is formed as an aerial image in front of the lens. Some are.
[0003]
Specifically, the principle of this type of aerial image formation is that, for example, as shown in FIG. 34, a predetermined display device 101 for displaying an image and a display image IM displayed on the display device 101 are projected in the air. This can be described using a system using a display main body 100 including a transmissive optical element 102 such as a transmissive lens. That is, this type of technology uses a transmission optical element 102 having a focal length f to display a display image IM displayed on the display device 101 between the transmission optical element 102 and the viewer's eyeball EYE. Is formed as an aerial image RIM. Here, when the distance between the main plane 103 of the transmissive optical element 102 and the display device 101 is m, and the distance between the main plane 103 of the transmissive optical element 102 and the aerial image RIM is n, Gaussian The following equation (1) is established according to the formula, and the following equation (2) is established by modifying the following equation (1).
(1 / m) + (1 / n) = 1 / f (1)
n = fm / (m−f) (2)
[0004]
Thus, in this type of technology, the display image IM displayed on the display device 101 is between the transmissive optical element 102 and the eyeball EYE from the main plane 103 of the transmissive optical element 102 to fm / ( An aerial image RIM that is a real image is formed at a position separated by m−f). At this time, in this type of technology, as a display image IM to be displayed on the display device 101, for example, as shown in FIG. As shown, only the object shown in the display image IM floats in the air without using special glasses, and it can be visually recognized as if the viewer VW can hold the object. .
[0005]
This type of technique can also be realized by using a reflective optical element such as a so-called concave mirror instead of the transmissive optical element 102 previously shown in FIG. That is, for example, as shown in FIG. 37, in a reflective system using the reflective optical element 104, the display device 101 and the reflective optical element 104 are arranged in a predetermined positional relationship and displayed on the display device 101. The reflected display image IM is reflected by the reflective optical element 104, whereby an aerial image RIM, which is a real image that is symmetrical with respect to the display image IM vertically and horizontally, is formed between the reflective optical element 104 and the eyeball EYE of the viewer. Imaged.
[0006]
As specific examples of this type of technology, for example, those described in Patent Documents 1 to 5 have been proposed.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 11-258543 A
[Patent Document 2]
JP 11-119154 A
[Patent Document 3]
JP-A-6-348817
[Patent Document 4]
JP 11-119154 A
[Patent Document 5]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-5956
[0008]
Patent Document 1 includes an image forming unit that reflects or transmits a light beam from a light source. The light beam that has passed through the image forming unit passes through a projection lens, then passes through a field lens, and is aerial by an aerial image reflecting mirror. An image display having both functional members of a configuration for performing image display for forming a display image on the screen and a configuration for performing image display for forming the display image on the screen by transmitting the light beam that has passed through the image forming unit through the projection lens An apparatus is disclosed. Thus, the image display apparatus can realize both functions of a screen image type display method having a large screen size and an aerial image type display method having a narrow field of view.
[0009]
In Patent Document 2, two display means for displaying information on characters and images and a real image having the images displayed on the two display means as objects are enlarged and projected into a predetermined air 2 to form an image. One projection unit and one focusing optical system for bringing light beams from the two projected aerial images to two predetermined viewing zones, respectively, and the centers of the two viewing zones are in a predetermined arrangement A virtual screen type stereoscopic display device is disclosed. Thus, the virtual screen type stereoscopic display device can easily obtain a compact, low-cost, energy-saving and clear stereoscopic image without using special glasses or a lenticular lens.
[0010]
Further, in Patent Document 3, a display unit that displays a CG (Computer Graphics) image installed in a dark space having an observation window, and a CG image that is installed in the space and displayed by the display unit are reflected. The optical system that appears at a position corresponding to the observation window as an aerial image, and the position of the object inserted in the appearance area through the observation window, two-dimensionally surrounding the appearance area of the aerial image Based on the position detection means for detecting coordinates and the coordinate data of the object detected by the position detection means, distance information between the target image in the aerial image and the object is calculated, and the target image is determined based on the distance information. A display device is disclosed that includes display control means for performing CG drawing processing of a target image moving toward the display and displaying it on a display means. Accordingly, the display device can directly operate an aerial image formed by the display means of the CG image and the optical system by an observer or the like, and can enhance the interest and playability of the observer or the like.
[0011]
Further, in Patent Document 4, two display means for displaying an image, a projection means for enlarging and projecting the displayed image, and a predetermined two light fluxes from the two aerial images respectively. A stereoscopic display device comprising one focusing optical system for bringing it into the viewing zone is disclosed.
[0012]
Further, in Patent Document 5, spatial modulation elements for the left and right eyes are arranged substantially at right angles with a half mirror type combiner interposed therebetween, and a light emitting device for a backlight device is placed on the back side of each spatial modulation element. A directional optical element for enlarging the light emitting area is arranged between the spatial modulation element and the light emitting device, and the viewer can view stereoscopic images by controlling the display area and the non-display area of the spatial modulation element. A stereoscopic display device is disclosed.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the aerial image display technology represented by the above-described Patent Documents 1 to 3, there is no aerial image countermeasure that is applied from outside. Therefore, in this type of aerial image display technology, there is a problem that the aerial image is floated around and it is difficult to obtain a stereoscopic effect of the aerial image.
[0014]
For example, in the reflection type system shown in FIG. 37, when light is incident from the outside, this light beam is reflected by the reflection type optical element 104, so that the presence of various optical members such as the reflection type optical element 104 is appreciated. As a result, there is a situation in which the aerial image becomes less real. In particular, in this reflective system, when the viewer views the display body from an oblique lateral direction, the presence of the reflective optical element 104 can be recognized significantly. Further, in this reflection type system, the same problem occurs because the external light is reflected by the casing, the display screen of the display device 101, and the like.
[0015]
Note that such a problem also occurs in the reflection type system shown in FIG. 34, in addition to the reflection of the surface of the transmission type optical element 102 and the reflection of external light by the display screen of the housing or the display device 101. It is caused by this.
[0016]
Further, in the reflection type system, as shown in FIG. 37, since the image is formed at a position separated from the optical axis of the reflection type optical element 104, there is a problem that the aberration of the aerial image RIM becomes large. It was.
[0017]
In addition, the stereoscopic display device described in Patent Document 4 described above includes two display units and two projection units, and displays two aerial images in a predetermined region with one focusing optical system. There is a problem that it becomes difficult to design an optical system necessary for visually recognizing a good stereoscopic image.
[0018]
Further, in the stereoscopic display device described in Patent Document 5 described above, a viewer can visually recognize a stereoscopic image by controlling the display area and the non-display area of the spatial modulation element. Since the display area of the two images is changed, there is a problem that it is difficult to control the spatial modulation element.
[0019]
FIG. 38 shows an example of a viewer and a display device on a stereoscopic display that requires conventional stereoscopic glasses. In order for the viewer 201 to view the stereoscopic display 200 by viewing the stereoscopic display 200, means for switching the parallax image such as the liquid crystal shutter glasses 202 in order for the viewer 201 to receive an image having parallax in the left and right eyes. It was necessary to wear it.
[0020]
FIG. 39 is a schematic diagram showing the principle that the viewer 201 visually recognizes a stereoscopic image using the liquid crystal shutter glasses 202, and FIG. 40 is a graph showing the relationship between the display of the stereoscopic display 200 and the operation of the liquid crystal shutter glasses 202. The stereoscopic display 200 receives video signals for the right eye and the left eye in a time division manner, and alternately displays a left eye image 203L to be recognized by the left eye and a right eye image 203R to be recognized by the right eye. In the liquid crystal shutter glasses 202, the left eye shutter 204L positioned in front of the left eye 201L of the viewer 201 and the right eye shutter 204L positioned in front of the right eye 201R of the viewer 201 transmit light in synchronization with the video signal. And shut off. As shown in FIG. 39, the viewer 201 recognizes the stereoscopic image at a position away from the stereoscopic display 200 due to the difference between the images recognized by the left eye 201L and the right eye 201R.
[0021]
As described above, the conventional stereoscopic display 200 needs to be worn with glasses for stereoscopic vision, and the glasses are troublesome, and it cannot be used by a person who uses glasses for correcting vision. Further, in such a stereoscopic display, as shown in FIG. 41, an image is displayed on the display display surface 205 and a stereoscopic image is expressed only by binocular parallax. Therefore, the eyeball vergence, which is the direction of the eyes for the viewer to recognize the object, does not match the lens thickness adjustment to adjust the focus on the object, and you feel fatigue when observing a stereoscopic image It was the cause. In particular, when a stereoscopic image away from the display display surface 205 is displayed, there is a problem that the difference between eyeball convergence and lens adjustment becomes significant, resulting in increased fatigue.
[0022]
Also, as shown in FIG. 39, in the conventional stereoscopic display, the visual field range of the display is limited and the surrounding environment cannot be seen. For this reason, it was not possible to express a solid object with a sense of reality in line with the environment. In addition, since the display is isolated from the actual object, it is difficult to express the presence of the object.
[0023]
Further, as shown in FIG. 42, the conventional stereoscopic display emits light in the direction in which the viewer 201 has no eyes because the light emitted by the display on the stereoscopic display 200 is directed in all directions. Therefore, there is a problem that the energy consumed when the stereoscopic display 200 displays an image increases and the energy efficiency is poor.
[0024]
As shown in FIG. 43, there is a conventional stereoscopic display in which a display device 206 is placed at a position shifted from the optical axis of the concave mirror 207 and an aerial image 208 is formed in front of the concave mirror 207. However, in this type of three-dimensional display, since the image formation position of the aerial image 208 is shifted from the optical axis of the concave mirror 207, it is necessary to use the concave mirror 207 having a large aberration and a long focal length, which increases the size of the apparatus. There was a problem.
[0025]
The present invention has been made in view of such a situation, and an aerial image display apparatus capable of removing the influence of external light incident from the outside and clearly displaying an aerial image with excellent realism. The purpose is to provide.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
An aerial image display device according to the present invention that achieves the above-described object is A transmissive image display means that transmits light and displays an image; a back light source that irradiates the image display means with transmitted light; and a light source that is disposed between the back light source and the image display means. A polarizing region control filter including different first polarizing regions and second polarizing regions, wherein the areas of the first polarizing region and the second polarizing region are variable, and light transmitted through the first polarizing region A split filter that displays the first image and displays the second image with light transmitted through the second polarization region, A parallax display unit that projects the first image and the second image to present an image having binocular parallax; Up An aerial image forming unit arranged on the same parallax display unit and displaying an aerial image by forming a light beam emitted from the parallax display unit as an aerial image; The positional relationship between the viewer and the aerial imaging unit is determined by infrared irradiation means for irradiating the viewer with infrared light and infrared light detection means for detecting the infrared light reflected by the viewer. The parallax display unit is configured to change the areas of the first polarization region and the second polarization region according to the position detection unit to be detected and the position of the viewer detected by the position detection unit. Display position changing means for changing a position for displaying the first image and the second image. The configuration.
[0044]
By arranging the parallax display unit and the aerial image imaging unit on one optical axis, optical design for forming the first image and the second image as an aerial image at the same position can be easily performed. be able to. In addition, the viewer can recognize the aerial image in a three-dimensional manner by adjusting the focus of the left and right eyes to the position of the aerial image and directing the tilt of the eyeball to the position where the aerial image is formed. Therefore, since the eyeball vergence for recognizing a solid matches the focal length, it becomes possible to easily recognize a realistic stereoscopic image, and the eyeball can be recognized by performing stereoscopic image recognition in the same way as normal object recognition. The fatigue feeling can be reduced.
[0045]
In addition, the parallax display unit includes a transmissive image display unit that transmits light and displays an image, and a rear light source that irradiates the transmissive image display unit with transmitted light. Since the display of the transmissive image display means can be used, the aerial image display device with low energy consumption can be realized by effectively using the energy used by the back light source. At this time, the illumination light for the transmissive image display means can be presented as an intermediate real image by providing the light source optical member that refracts the light emitted from the back light source.
[0046]
In the aerial image display device according to the present invention, the parallax display unit includes a first polarizing plate and a second polarizing plate, which are disposed between the rear light source and the transmissive image display unit and have different polarization directions. A configuration may be provided that includes a split filter that displays the first image with the light transmitted through the first polarizing plate and displays the second image with the light transmitted through the second polarizing plate. At this time, as an example of the division filter, a polarization direction rotating unit that transmits light by changing the polarization direction, a polarization direction non-rotating unit that transmits light without changing the polarization direction, and light of a predetermined polarization direction And a third polarizing plate that only transmits light.
[0047]
In the aerial image display device according to the present invention, the parallax display unit includes a first image display unit that displays the first image and a second image display unit that displays the second image. It may be. At this time, as an example of the parallax display unit, the first image emitted from the first image display unit is reflected, the second image emitted from the second image display unit is transmitted, Some of them include a half mirror that displays the second image and the second image on the same optical axis.
[0048]
In the aerial image display device according to the present invention, the parallax display unit may include an image display unit that switches between the first image and the second image according to a time change. The aerial image forming unit may be a reflective optical element and a concave mirror, or may be a transmissive optical element and a transmissive lens.
[0049]
In the aerial image display device according to the present invention, the aerial image imaging unit reflects the light beam emitted from the parallax display unit on the side on which the aerial image is formed and is opposite to the side on which the aerial image is formed. A transflective reflector that transmits light from the background side, which is the side, may be provided. By reflecting the aerial image on the viewer side by the transflective reflector and transmitting the light from the background side, the image viewed by the viewer is converted into a stereoscopic view of the aerial image projected by the parallax display unit. , The background will be added. Since the viewer can recognize not only the aerial image but also the background, the aerial image can be viewed with a sense closer to a tangible object.
[0050]
In the aerial image display device according to the present invention, a position detection unit that detects a positional relationship between the viewer and the aerial imaging unit, and a parallax display unit according to the position of the viewer detected by the position detection unit. Display position changing means for changing the position for displaying the first image and the second image may be provided. Since the image formation position of the aerial image can be changed by changing the display position of the first image and the second image according to the position of the viewer, the position of the viewer's face can be changed from the center of the optical axis. Even when it fluctuates, it is possible to make the first image and the second image visible to the left and right eyes of the viewer.
[0051]
At this time, the position detection unit includes infrared irradiation means for irradiating the viewer with infrared rays and infrared light detection means for detecting infrared rays reflected by the viewer, thereby irradiating infrared light. The position of the viewer can be detected without degrading the visibility of the aerial image.
[0052]
In the aerial image display device according to the present invention, the parallax display unit includes a transmissive image display unit that transmits light and displays an image, a rear light source that irradiates the transmissive image display unit with transmitted light, and a rear surface. A polarizing region control filter that is disposed between the light source and the transmissive image display means and changes the areas of the first polarizing region and the second polarizing region, which have different polarization methods, and transmitted through the first polarizing region It is good also as a structure provided with the division | segmentation filter which displays a 1st image with light and displays a 2nd image with the light which permeate | transmitted the 2nd polarization area. At this time, as an example of the division filter, a polarization direction rotating unit that transmits light by changing the polarization direction, a polarization direction non-rotating unit that transmits light without changing the polarization direction, and light of a predetermined polarization direction And a third polarizing plate that only transmits light.
[0053]
In addition, the infrared detection means is disposed on the viewer side of the polarization area control filter, and the polarization area control filter determines the position where the intensity of infrared detected by the infrared detection means is the maximum as the first polarization area and the second polarization area. Therefore, even when the position of the viewer's face fluctuates from the center of the optical axis of the aerial imaging lens, the infrared irradiation and detection and the position where the infrared light intensity is maximum are used as the boundary. By controlling the boundary between the first polarization region and the second polarization region, the left-eye image and the right-eye image can be visually recognized by the viewer's left and right eyes, respectively.
[0054]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
[0055]
This embodiment is an aerial image display device that forms a predetermined image in the air and displays an aerial image. This aerial image display device can clearly display an aerial image excellent in realism by dimming external light incident from the outside.
[0056]
First, the aerial image display device shown as the first embodiment will be described. This aerial image display device is configured by using a reflective optical element such as a so-called concave mirror or a reflective Fresnel lens as an optical member that forms a light beam emitted from a predetermined display as an aerial image. Here, for convenience of explanation, a description will be given assuming that a concave mirror is used as the reflective optical element.
[0057]
As shown in the side sectional view of FIG. 1, the aerial image display device 10 includes a polarization output display 11 as display means for displaying an image, and a first circle arranged on the display screen of the polarization output display 11. A polarizing element 12, a concave mirror 13 as a reflective optical element, a half mirror 14, a second circular polarizing element 15, and a polarizing filter 16 disposed between the concave mirror 13 and the imaging position of the aerial image RIM; , And a light shielding plate 17 disposed to face the polarization output display 11. Among these, the half mirror 14, the second circularly polarizing element 15, and the polarizing filter 16 are members constituting a dimming unit. In the figure, the light path emitted from the polarization output display 11 is also shown as arrows a, b, and c.
[0058]
The polarization output display 11 displays various images including a still image and a moving image showing an object to be displayed as an aerial image. As the polarization output display 11, for example, a direct-view display such as a liquid crystal display or a display configured by installing a polarizing filter on the surface of a self-luminous device can be used. As the polarization display 11, a projection display such as a so-called rear projection type liquid crystal projector can be used. As shown by the arrow d in FIG. 1, a light beam polarized in the horizontal direction with respect to the paper surface is emitted from the polarization output display 11, and this light beam is incident on the first circularly polarizing element 12.
[0059]
The first circularly polarizing element 12 is arranged on the display screen of the polarization output display 11 and changes linearly polarized light emitted from the polarization output display 11 with a horizontal polarization direction into circularly polarized light.
[0060]
Here, a general circularly polarizing element will be described.
[0061]
In general, when a linearly polarized light beam is passed once, the circularly polarized light element becomes circularly polarized light, and when a linearly polarized light beam is passed twice, the polarization direction is rotated by 90 °. It is an element.
[0062]
This circularly polarizing element can be formed of a so-called quarter wavelength plate. The quarter-wave plate is a member having a function of shifting the phase of a light beam polarized in a certain direction by a quarter wavelength, that is, 90 °. It is a member that functions as a wave plate. The half-wave plate is a member having a function of shifting the phase of the light beam in the axial direction of the half-wave plate by 180 °. For example, as shown in FIGS. When a light beam tilted by 0 ° is incident, the x-direction component of the light beam is set to a negative value, and outgoing light whose polarization direction is rotated by 90 ° with respect to the incident light is emitted. Therefore, for example, as shown in FIG. 3, the quarter-wave plate functions as a half-wave plate by rotating two of the quarter-wave plates with their axes aligned to rotate the polarization direction by 90 °. be able to.
[0063]
The incident light actually oscillates in the polarization direction, and when the vibration is decomposed into the y-direction component and the x-direction component, for example, as shown in FIGS. 4A and 4B, A vibration waveform is represented by Asin (ωt) with respect to time t. Therefore, in the outgoing light that has passed through the quarter wavelength plate, the vibration waveforms of the y-direction component and the x-direction component are as shown in FIG. 5A and FIG. The vibration waveform is represented by Asin (ωt), and the vibration waveform of the x-direction component is Asin (ωt−π / 2) = − Acos (ωt). As a result, the polarization component of the emitted light that has passed through the quarter-wave plate rotates in the circular direction, and becomes so-called circularly polarized light.
[0064]
As described above, the first circularly polarizing element 12 changes the linearly polarized light emitted from the polarization output display 11 and whose polarization direction is horizontal into circularly polarized light. In addition, the symbol shown by e in FIG. 1 indicates that the light beam is circularly polarized light. The light beam that has passed through the first circularly polarizing element 12 is incident on the half mirror 14.
[0065]
The concave mirror 13 reflects the light beam that has been made circularly polarized by the first circularly polarizing element 12 and entered via the half mirror 14. Needless to say, the light beam incident on the concave mirror 13 and the light beam emitted from the concave mirror 13 are circularly polarized as represented by the symbol f in FIG. The light beam reflected by the concave mirror 13 enters the half mirror 14.
[0066]
The half mirror 14 is located between the concave mirror 13 and the image formation position of the aerial image RIM, is disposed at a predetermined angle with respect to the display screen of the polarization output display 11, and has passed through the first circular polarization element 12. When a light beam is incident, the light beam is reflected in the direction of the concave mirror 13 while the light beam reflected by the concave mirror 13 is transmitted. The light beam that has passed through the half mirror 14 enters the second circularly polarizing element 15.
[0067]
Similar to the half mirror 14, the second circularly polarizing element 15 is located between the concave mirror 13 and the image formation position of the aerial image RIM and is disposed at a predetermined angle with respect to the display screen of the polarization output display 11. The circularly polarized light beam transmitted through the half mirror 14 is changed to linearly polarized light. More specifically, the second circular polarizing element 15 is emitted from the polarization output display 11 in combination with the first circular polarizing element 12 as described above with reference to FIGS. It is provided to generate a light beam having a polarization direction obtained by rotating the polarization direction of the light beam by 90 °. In addition, the symbol indicated by g in FIG. 1 indicates that the polarization direction is perpendicular to the paper surface. The light beam that has passed through the second circularly polarizing element 15 enters the polarizing filter 16.
[0068]
Similar to the half mirror 14 and the second circular polarization element 15, the polarization filter 16 is positioned between the concave mirror 13 and the image formation position of the aerial image RIM, and has a predetermined relative to the display screen of the polarization output display 11. Only the component of a predetermined polarization direction among the light beams that are arranged at an angle and have passed through the second circularly polarizing element 15 is allowed to pass. Here, as shown by the symbol g in FIG. 1, the polarizing filter 16 allows light beams whose polarization direction is perpendicular to the paper surface to pass. Thereby, the light beam that has passed through the polarizing filter 16 forms an image at a predetermined spatial position, and is visually recognized by the viewer's eyeball EYE as an aerial image RIM.
[0069]
The light shielding plate 17 is arranged to face the polarization output display 11 and shields external light incident from a region other than the viewer side, and reflects outside by a housing (not shown) or a display screen of the polarization output display 11. Block out light. By providing the light shielding plate 17, the aerial image display device 10 can reliably remove the influence of extraneous light and contribute to a clearer aerial image RIM.
[0070]
The aerial image display apparatus 10 having such a configuration receives external light from the viewer's eyeball EYE side, as shown in a side sectional view in FIG. Specifically, in the aerial image display device 10, external light incident as shown by an arrow a in FIG. At this time, as indicated by a symbol c in FIG. 6, the polarizing filter 16 allows only linearly polarized light having a polarization direction perpendicular to the paper surface to pass out of the external light. Further, in the aerial image display device 10, the external light that has passed through the polarizing filter 16 passes through the second circularly polarizing element 15, and changes to circularly polarized light as indicated by symbol d in FIG. 6. In the aerial image display device 10, the external light that has passed through the second circularly polarizing element 15 passes through the half mirror 14, reaches the concave mirror 13, and is reflected by the concave mirror 13.
[0071]
Further, in the aerial image display device 10, the external light reflected by the concave mirror 13 passes through the half mirror 14 again and is incident on the second circularly polarizing element 15 as indicated by an arrow b in FIG. 6. In the aerial image display device 10, the external light incident on the second circularly polarizing element 15 is changed to linearly polarized light by passing through the second circularly polarizing element 15. As a result, the polarization direction of the external light that has passed through the second circularly polarizing element 15 is horizontal with respect to the paper surface, as indicated by an arrow e in FIG. Therefore, in the aerial image display device 10, the external light that has passed through the second circularly polarizing element 15 cannot pass through the polarizing filter 16 and does not reach the viewer's eyeball EYE.
[0072]
As described above, in the aerial image display device 10, the half mirror 14, the second circularly polarizing element 15, and the polarizing filter 16 constitute a light reducing means for external light using the polarization direction, and are reflected by the concave mirror 13. Therefore, it is possible to avoid the situation in which the viewer grasps the presence of various optical members such as the concave mirror 13, and as a result, the aerial image RIM with excellent realism can be avoided. Can be clearly displayed. At this time, in the aerial image display device 10, the member constituting the dimming means is arranged on the optical axis of the concave mirror 13, thereby forming the aerial image RIM on the optical axis of the concave mirror 13 with high efficiency. Therefore, the aberration of the aerial image RIM can be reduced.
[0073]
Here, in the aerial image display device 10, the dimming means can be configured only by the second circularly polarizing element 15 and the polarizing filter 16. However, a half mirror 14 is provided, and external light passes through the half mirror 14. Since it is configured to pass twice, it is a matter of special mention that the light can be reduced to ¼ light amount only by providing this half mirror 14.
[0074]
In the aerial image display device 10, even if the first circularly polarizing element 12 disposed on the display screen of the polarization output display 11 is not provided, the dimming effect does not change. However, in the aerial image display device 10, when the first circularly polarizing element 12 is not provided, the linearly polarized light emitted from the polarization output display 11 and having the horizontal polarization direction is converted into the half mirror 14 and the first mirror. Since the light passes through the second circularly polarizing element 15 and becomes circularly polarized light, the amount of light is reduced by about 50% by the polarizing filter 16, and the brightness of the aerial image RIM is darkened accordingly. Therefore, in the aerial image display device 10, by providing the first circularly polarizing element 12, it is possible to sufficiently secure the brightness of the aerial image RIM, which contributes to a clearer image formation of the aerial image RIM. it can.
[0075]
The aerial image display device 10 can also be configured using a reflective Fresnel lens 13 ′ instead of the concave mirror 13, as shown in a side sectional view in FIG.
[0076]
Here, as shown in FIG. 8, it is considered that the convex side of one plano-convex lens is coated with a metal such as aluminum. In such a plano-convex lens, considering only the locus of the light beam indicated by the arrow in the figure, it can be seen that if a curved surface exists only at the location of the reflective coating portion T, it acts as a concave mirror. Further, in this plano-convex lens, the convex surface does not need to be continuously changed for other light rays (not shown), and acts as a concave mirror if a curved surface is partially formed for each predetermined region. I understand.
[0077]
Therefore, as shown in FIG. 9, it can be seen that the reflection type Fresnel lens in which the curved surface is classified by concentric circles and arranged discontinuously has the same effect as the concave mirror. Reflective Fresnel lenses are usually formed by classifying curved surfaces into concentric circles of 1 mm or less. The aerial image display device 10 can be thinned by using such a reflection type Fresnel lens.
[0078]
[Second Embodiment]
Next, an aerial image display device shown as a second embodiment will be described. This aerial image display device is constructed by using a neutral density filter as a dimming means without using a circularly polarizing element. In the description of the aerial image display device shown as the second embodiment, the same parts as those of the aerial image display device 10 shown as the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be given. Shall be omitted. In addition, here, for convenience of explanation, the description will be made assuming that a concave mirror is used as the reflective optical element. However, as described above, other members such as a reflective Fresnel lens can also be applied. Not too long.
[0079]
As shown in the side sectional view of FIG. 10, the aerial image display device 20 is provided between the concave mirror 13 and the image formation position of the aerial image RIM, in addition to the polarization output display 11, the concave mirror 13, and the light shielding plate 17 described above. Are provided with a half mirror 21, a polarizing filter 22 and a neutral density filter 23. Of these, the half mirror 21, the polarizing filter 22, and the neutral density filter 23 are members that constitute a neutral density unit. In the figure, the light path emitted from the polarization output display 11 is also shown as arrows a, b, and c.
[0080]
The half mirror 21 is located between the concave mirror 13 and the image formation position of the aerial image RIM, is disposed at a predetermined angle with respect to the display screen of the polarization output display 11, and is emitted from the polarization output display 11. When a light beam having a polarization direction indicated by the middle arrow d is incident, the light beam is reflected in the direction of the concave mirror 13 while the light beam reflected by the concave mirror 13 is transmitted. The light beam that has passed through the half mirror 21 enters the polarizing filter 22.
[0081]
Similar to the half mirror 21, the polarization filter 22 is positioned between the concave mirror 13 and the image formation position of the aerial image RIM, and is disposed at a predetermined angle with respect to the display screen of the polarization output display 11. Only the component of a predetermined polarization direction is allowed to pass through the light beam transmitted through. Here, the polarizing filter 22 allows the light in the polarization direction indicated by the arrow e in FIG. The light beam that has passed through the polarizing filter 22 is incident on the neutral density filter 23.
[0082]
Similar to the half mirror 21 and the polarization filter 22, the neutral density filter 23 is located between the concave mirror 13 and the image formation position of the aerial image RIM, and is disposed at a predetermined angle with respect to the display screen of the polarization output display 11. Then, the light beam that has passed through the polarizing filter 22 is attenuated with a predetermined attenuation rate of, for example, 30%. The light beam that has passed through the neutral density filter 23 forms an image at a predetermined spatial position and is visually recognized by the viewer's eyeball EYE as an aerial image RIM. The amount of light that has passed through the neutral density filter 23 is 30% less than the amount of light that has passed through the polarizing filter 22 when the attenuation factor of the neutral density filter 23 is 30%. However, this effect can be easily removed by measures such as increasing the amount of light emitted from the polarization output display 11.
[0083]
The aerial image display device 20 having such a configuration receives external light from the viewer's eyeball EYE side, as shown in a side sectional view in FIG. Specifically, in the aerial image display device 20, the external light incident as shown by an arrow a in FIG. 11 first passes through the neutral density filter 23, and further passes through the neutral density filter 23. The light passes through the polarizing filter 22. At this time, as indicated by an arrow e in FIG. 10, the polarizing filter 22 allows only linearly polarized light of which the polarization direction is horizontal to the paper surface to pass through. In the aerial image display device 20, the external light that has passed through the polarization filter 22 passes through the half mirror 21, reaches the concave mirror 13, and is reflected by the concave mirror 13.
[0084]
Further, in the aerial image display device 20, the external light reflected by the concave mirror 13 passes through the half mirror 21 again and enters the polarizing filter 22 as indicated by an arrow b in FIG. Then, in the aerial image display device 20, the external light that has passed through the polarization filter 22 enters the neutral density filter 23.
[0085]
Here, the attenuation factor of the external light in the aerial image display device 20 is obtained as follows.
[0086]
The attenuation factor of external light is determined by a member that contributes to dimming among members provided in the external light path. Therefore, the attenuation factor of external light in the aerial image display device 20 is “attenuation rate of the neutral density filter 23 × attenuation factor of the polarizing filter 22 × attenuation factor of the half mirror 21 × attenuation factor of the half mirror 21 × an attenuation factor of the neutral density filter 23. It can be determined by “attenuation rate”. Specifically, if the attenuation factor of the half mirror 21 is 50%, the attenuation factor of the polarizing filter 22 is 0.5%, and the attenuation factor of the neutral density filter 23 is 30%, the attenuation factor of external light is 0. 3 × 0.5 × 0.5 × 0.5 × 0.3 = 0.01125. Therefore, the aerial image display device 20 can reduce the light amount to 1.125% of the amount of incident external light. Therefore, in the aerial image display device 20, it is possible to prevent external light from reaching the viewer's eyeball EYE.
[0087]
The attenuation factor of external light when the neutral density filter 23 is not provided is “attenuation factor of the polarizing filter 22 × attenuation factor of the half mirror 21 × attenuation factor of the half mirror 21” = 0.5 × 0.5 × 0. .5 = 0.125 = 12.5%, and when only the neutral density filter 23 is provided without providing the polarizing filter 22, the attenuation factor of the external light is “the attenuation factor of the neutral density filter × the half mirror 21. “Attenuation rate × Attenuation rate of half mirror 21 × Attenuation rate of neutral density filter 23” = 0.3 × 0.5 × 0.5 × 0.3 = 0.0225 = 2.25%. From this, it can be seen that in the aerial image display device 20, the effect of dimming by providing the neutral density filter 23 is extremely large.
[0088]
As described above, in the aerial image display device 20, the half mirror 21, the polarizing filter 22, and the neutral density filter 23 constitute a light attenuating unit for the external light, thereby reliably affecting the influence of the external light reflected by the concave mirror 13. As a result, it is possible to clearly display the aerial image RIM excellent in realism. Even in this case, in the aerial image display device 20, the polarization output display 11, the half mirror 21, and the like are arranged on the optical axis of the concave mirror 13, so that the aerial image RIM can be efficiently generated on the optical axis of the concave mirror 13. Since the image can be formed, the aberration of the aerial image RIM can be reduced.
[0089]
In the aerial image display device 20, the polarizing filter 22 is not necessarily provided. In this case, the display does not have to be a polarization output type.
[0090]
Further, in the aerial image display device 20, it is possible to configure a dimming unit with at least the neutral density filter 23, but as with the aerial image display device 10 shown as the first embodiment, the half mirror 21. It is possible to reduce the light amount to ¼ only by providing the light.
[0091]
[Third Embodiment]
Next, an aerial image display device shown as a third embodiment will be described. This aerial image display device is shown as the aerial image display device 10 shown as the first embodiment and the second embodiment as an optical member that forms a light beam emitted from a predetermined display as an aerial image. As in the aerial image display device 20, a reflective optical element is not used, but a transmissive optical element such as a transmissive lens or a transmissive Fresnel lens is used. Here, for convenience of explanation, a description will be given assuming that a transmissive lens is used as the transmissive optical element, but it goes without saying that other members such as a transmissive Fresnel lens can also be applied. .
[0092]
As shown in the side sectional view of FIG. 12, the aerial image display device 30 includes a polarization output display 31 as a display means for displaying an image, and a first circle arranged on the display screen of the polarization output display 31. A polarizing element 32, a transmissive lens 33 as a transmissive optical element, and a second circularly polarizing element 34 and a polarizing filter 35 disposed between the transmissive lens 33 and the image formation position of the aerial image RIM. Prepare. Among these, the second circularly polarizing element 34 and the polarizing filter 35 are members constituting a dimming unit. In the figure, the light beam path emitted from the polarization output display 31 is also shown as an arrow a.
[0093]
Similar to the polarization output display 11 described above, the polarization output display 31 displays various images including a still image and a moving image indicating an object to be displayed as an aerial image. From the polarization output display 31, as indicated by an arrow b in FIG. 12, a light beam polarized in the horizontal direction with respect to the paper surface is emitted, and this light beam is incident on the first circular polarization element 32.
[0094]
The first circularly polarizing element 32 is disposed on the display screen of the polarization output display 11, and a linearly polarized light beam having a horizontal polarization direction emitted from the polarization output display 31 is indicated by a symbol c in FIG. Change to circularly polarized light. The light beam that has passed through the first circularly polarizing element 32 is incident on the transmission lens 33.
[0095]
The transmission lens 33 transmits the light beam that has been circularly polarized by the first circular polarization element 32. Needless to say, the light incident on the transmission lens 33 and the light emitted from the transmission lens 33 are circularly polarized. The light beam that has passed through the transmissive lens 33 is incident on the second circularly polarizing element 34 outside the display body 30 '.
[0096]
The second circularly polarizing element 34 is positioned between the transmission lens 33 and the image formation position of the aerial image RIM, is arranged in parallel to the polarization output display 31, and is circularly polarized light transmitted through the transmission lens 33. Is changed to linearly polarized light. That is, the second circularly polarizing element 34, in combination with the first circularly polarizing element 32, generates a light beam having a polarization direction obtained by rotating the polarization direction of the light beam emitted from the polarization output display 31 by 90 °. Provided. The symbol d in FIG. 12 indicates that the polarization direction is perpendicular to the paper surface. The light beam that has passed through the second circularly polarizing element 34 enters the polarizing filter 35.
[0097]
Similar to the second circularly polarizing element 34, the polarizing filter 35 is located between the transmission lens 33 and the image formation position of the aerial image RIM, and is disposed in parallel to the polarization output display 31. Only the component of a predetermined polarization direction is allowed to pass through the light beam that has passed through the circular polarization element 34. Here, as shown by the symbol d in FIG. 12, the polarizing filter 35 passes light rays whose polarization direction is perpendicular to the paper surface. As a result, the light beam that has passed through the polarizing filter 35 forms an image with high efficiency at a predetermined spatial position, and is visually recognized by the viewer's eyeball EYE as an aerial image RIM.
[0098]
The aerial image display device 30 having such a configuration receives external light from the viewer's eyeball EYE side, as shown in a side sectional view in FIG. Specifically, in the aerial image display device 30, an arrow a in FIG. 1 , A 2 As shown, the incident external light first passes through the polarizing filter 35. At this time, the polarizing filter 35 is indicated by a symbol c in FIG. 1 , C 2 As shown in Fig. 5, only the linearly polarized light having the polarization direction perpendicular to the paper surface is passed through the external light. Further, in the aerial image display device 30, the external light that has passed through the polarizing filter 35 passes through the second circularly polarizing element 34, whereby the symbol d in FIG. 1 , D 2 Changes to circularly polarized light. In the aerial image display device 30, the external light that has passed through the second circularly polarizing element 34 is reflected by the surface of the transmission lens 33, the housing, and the like. Further, in the aerial image display device 30, external light that has passed through the second circularly polarizing element 34 is indicated by an arrow a in FIG. 3 As shown in FIG. 2, the light may pass through the transmission lens 33 and reach the first circularly polarizing element 32, and may be reflected by the surface of the first circularly polarizing element 32, the housing, or the like. The light beam that has passed through the transmissive lens 33 and reached the first circularly polarizing element 32 is denoted by the symbol d in FIG. 3 Needless to say, it is circularly polarized light.
[0099]
In the aerial image display device 30, these reflected external lights are indicated by the arrow b in FIG. 1 , B 2 , B 3 As shown, the light is incident on the second circularly polarizing element 34 again. In the aerial image display device 30, the external light incident on the second circularly polarizing element 34 changes to linearly polarized light by passing through the second circularly polarizing element 34. Thereby, the polarization direction of the external light that has passed through the second circular polarization element 34 is indicated by an arrow e in FIG. 1 , E 2 As shown in the figure, the horizontal direction is the plane of the paper. Therefore, in the aerial image display device 30, the external light that has passed through the second circularly polarizing element 34 cannot pass through the polarizing filter 35 and does not reach the viewer's eyeball EYE.
[0100]
As described above, in the aerial image display device 30, the second circularly polarizing element 34 and the polarizing filter 35 constitute a dimming unit for external light using the polarization direction, so that the surface and the housing of the transmission lens 33 are formed. Therefore, it is possible to avoid the situation in which the viewer grasps the presence of various optical members such as the transmission lens 33, and as a result, it is possible to have a sense of reality. An excellent aerial image RIM can be clearly displayed.
[0101]
Note that the aerial image display device 30 does not include the first circularly polarizing element 32 arranged on the display screen of the polarization output display 31 as in the aerial image display device 10 shown as the first embodiment. Even in this case, the dimming effect does not change, but by providing the first circularly polarizing element 32, the brightness of the aerial image RIM can be sufficiently secured, and the clearer aerial image RIM It can contribute to imaging.
[0102]
Further, as the aerial image display device 30, as in the aerial image display device 20 shown as the second embodiment, a dimming means may be configured using a neutral density filter, and the same effect is obtained. Obtainable. That is, as the aerial image display device 30 using the neutral density filter, the neutral density filter is provided on the viewer side of the polarization filter 35 without providing the first circular polarization element 32 and the second circular polarization element 34. Just do it. At this time, the aerial image display device 30 does not necessarily need to be provided with the polarizing filter 35 corresponding to the polarizing filter 22 described above. In this case, the display need not be a polarization output type.
[0103]
[Fourth Embodiment]
Next, an aerial image display device shown as a fourth embodiment will be described. This aerial image display device is configured using a reflective optical element, and does not arrange the members constituting the dimming means in parallel to each other, but makes the other members non-parallel to the half mirror. Is to be placed. Here, a case will be described in which the members constituting the light reduction means in the aerial image display device 10 shown as the first embodiment are arranged non-parallel to each other. Therefore, in the description of the aerial image display device shown as the fourth embodiment, the same parts as those of the aerial image display device 10 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. In addition, here, for convenience of explanation, the description will be made assuming that a concave mirror is used as the reflective optical element. However, as described above, other members such as a reflective Fresnel lens can also be applied. Not too long.
[0104]
First, an adverse effect that may occur when the members constituting the dimming means are arranged in parallel with each other using the aerial image display device 10 shown as the first embodiment will be described with reference to FIG.
[0105]
As shown in the side sectional view of FIG. 14, in the aerial image display device 10, the light emitted from the polarization output display 11 travels along the paths indicated by arrows a, b, and c in FIG. RIM is imaged.
[0106]
However, in the aerial image display device 10, the light beam emitted from the polarization output display 11 is transmitted without being reflected by the half mirror 14 as indicated by an arrow a ′ in FIG. May be reflected by the surface of In this case, since the light beam reflected by the surface of the second circularly polarizing element 15 travels along a path indicated by arrows b ′ and c ′ in FIG. 14, the aerial image display device 10 uses the original aerial image RIM. A so-called ghost image RIM ′ is generated in the vicinity of.
[0107]
Further, in the aerial image display device 10, the light beam emitted from the polarization output display 11 is not reflected by the half mirror 14 and the surface of the second circularly polarizing element 15 as indicated by an arrow a ″ in FIG. 14. However, the light may be transmitted without being reflected and reflected by the surface of the polarizing filter 16. In this case, the light beam reflected by the surface of the polarizing filter 16 travels along a path indicated by arrows b ″ and c ″ in FIG. 14, so that in the aerial image display device 10, the vicinity of the original aerial image RIM. Further, another ghost image RIM ″ is generated.
[0108]
As described above, in the aerial image display device 10, the ghost images RIM ′ and RIM ″ are generated due to the provision of the dimming means and may be visually recognized by the viewer's eyeball EYE.
[0109]
Therefore, the ghost images RIM ′ and RIM ″ are obtained by arranging other members non-parallel to the half mirror 14 instead of arranging the members constituting the dimming means in parallel to each other. Consider shifting to a direction that the viewer cannot see.
[0110]
Specifically, as shown in a side sectional view in FIG. 15, in the aerial image display device 40, the second circularly polarizing element 15 and the polarizing filter 16 are arranged to be inclined at a predetermined angle with respect to the half mirror 14. To do.
[0111]
In such an aerial image display device 40, a light beam emitted from the polarization output display 11 travels along a path indicated by arrows a, b, and c in FIG. 15, thereby forming an original aerial image RIM. .
[0112]
Further, in the aerial image display device 40, as shown by an arrow a ′ in FIG. 15, among the light beams emitted from the polarization output display 11, the second circularly polarized light element is transmitted without being reflected by the half mirror 14. Light rays reflected by the surface 15 are formed as ghost images RIM ′ at positions outside the observation range of the viewer's eyeball EYE, as indicated by arrows b ′ and c ′ in FIG.
[0113]
Similarly, in the aerial image display device 40, among the light beams emitted from the polarization output display 11, as indicated by an arrow a ″ in FIG. 15, the second circularly polarizing element 15 is not reflected by the half mirror 14. As shown by arrows b ″ and c ″ in FIG. 15, the light rays that are transmitted without being reflected on the surface of the polarizing filter 16 and are reflected on the surface of the polarizing filter 16 are out of the observation range by the viewer's eyeball EYE. A ghost image RIM ″ is formed at the position.
[0114]
As described above, in the aerial image display device 40, the positions at which the ghost images RIM ′ and RIM ″ are formed can be changed according to the angle at which the second circularly polarizing element 15 and the polarizing filter 16 are disposed. . Therefore, in the aerial image display device 40, the second circularly polarizing element 15 and the polarizing filter 16 are arranged in half so that the ghost images RIM ′ and RIM ″ are generated at positions outside the observation range by the viewer's eyeball EYE. By disposing the mirror 14 at a predetermined angle, the original aerial image RIM can be displayed very clearly.
[0115]
FIG. 15 shows a state in which the second circularly polarizing element 15 and the polarizing filter 16 are inclined and arranged counterclockwise on the paper surface with respect to the half mirror 14, but the aerial image display device 40 is shown. In this case, the same effect can be obtained even when the second circularly polarizing element 15 and the polarizing filter 16 are tilted and arranged clockwise with respect to the half mirror 14 on the paper surface.
[0116]
Further, in the aerial image display device 40, similarly to the aerial image display device 20 shown as the second embodiment, even when the light reducing means is configured using a light reducing filter, the polarizing filter 22 or By disposing the neutral density filter 23 at a predetermined angle with respect to the half mirror 21, the aerial image RIM can be displayed very clearly.
[0117]
[Fifth Embodiment]
Next, an aerial image display apparatus shown as a fifth embodiment will be described. This aerial image display device is provided with an optical system that refracts light emitted from the polarization output display on the display screen of the polarization output display. Here, a case where an optical system is provided on the display screen of the polarization output display 11 in the aerial image display device 10 shown as the first embodiment will be described. Therefore, in the description of the aerial image display apparatus shown as the fifth embodiment, the same parts as those of the aerial image display apparatus 10 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. In addition, here, for convenience of explanation, the description will be made assuming that a concave mirror is used as the reflective optical element. However, as described above, other members such as a reflective Fresnel lens can also be applied. Not too long.
[0118]
First, the case where an optical system is not provided on the display screen of the polarization output display 11 using the aerial image display device 10 shown as the first embodiment will be described with reference to FIG. In the figure, only the polarization output display 11, the concave mirror 13, and the half mirror 14 are shown, and other members are omitted.
[0119]
As shown in a side sectional view in FIG. 16, in the aerial image display device 10, a light beam is not emitted from the polarization output display 11 in a direction perpendicular to the display screen, but is indicated by an arrow a in FIG. 16. As described above, the light beam is emitted in an oblique direction. In the aerial image display device 10, the aerial image RIM is formed by traveling along the paths indicated by arrows b and c in FIG. 16.
[0120]
This phenomenon is apparent when considered at the equivalent position 11 ′ of the polarization output display 11 when the half mirror 14 is not provided. That is, in the aerial image display device 10, the light beam is reflected so as to be folded back with respect to the perpendicular PL with respect to the tangent plane TF at the reflection position of the concave mirror 13, so that the light beam emitted from the polarization output display 11 is inclined. If not, the viewer will not reach the eyeball EYE.
[0121]
Therefore, in the aerial image display device 10, when a device that depends on a viewing angle such as a liquid crystal display is used as the polarization output display 11, the contrast of the display image displayed on the polarization output display 11 is lowered. In particular, when the black level around the object shown in the display image increases, an aerial image display with less floating feeling is obtained.
[0122]
In addition, not only a liquid crystal display but all displays have a viewing angle dependency, and thus such a problem occurs in all displays.
[0123]
Therefore, it is considered that a light beam is emitted in a direction perpendicular to the display screen by providing an optical system that refracts the light beam emitted from the polarization output display 11 on the display screen of the polarization output display 11.
[0124]
Specifically, as shown in a side sectional view in FIG. 17, in the aerial image display device 50, an optical system that refracts the light emitted from the polarization output display 11 on the display screen of the polarization output display 11. A plano-convex lens 51 is provided.
[0125]
In such an aerial image display device 50, a light beam is emitted from the polarization output display 11 in a direction perpendicular to the display screen as indicated by an arrow a in FIG. 17, and the light beam passes through the plano-convex lens 51. Refracted. Thereafter, in the aerial image display device 50, the light refracted by the plano-convex lens 51 travels along a path indicated by arrows b, c, and d in FIG.
[0126]
As described above, in the aerial image display device 50, the viewing angle characteristics are improved by setting the light beam to be emitted from the polarization output display 11 in the direction perpendicular to the display screen and refracted by the plano-convex lens 51. This makes it possible to clearly display the aerial image RIM excellent in realism.
[0127]
FIG. 17 shows a state where the plano-convex lens 51 is used as the optical system, but the aerial image display device 50 can obtain the same effect even when a Fresnel lens is used. .
[0128]
In addition, the above-described problem caused by the viewing angle is not limited to the case where the reflection optical element is used, but the transmission optical element such as the aerial image display device 30 shown as the third embodiment is used. In this case, a similar optical system may be provided on the display screen of the polarization output display.
[0129]
As described above, the aerial image display device shown as the first to fifth embodiments has a sense of reality by providing a dimming means for dimming external light incident from the outside. An excellent aerial image can be clearly displayed, and the viewer can enjoy high entertainment.
[0130]
[Sixth Embodiment]
Next, an aerial image display apparatus shown as a sixth embodiment will be described. This aerial image display device is configured by using a transmissive optical element such as a so-called transmissive lens as an optical member that forms a light beam emitted from a predetermined display as an aerial image. Here, for convenience of explanation, a description will be given assuming that a convex lens is used as the transmissive optical element.
[0131]
As shown in the side sectional view of FIG. 18, the aerial image display device 60 includes a liquid crystal display 61 as a transmissive image display means for displaying an image, a left-eye backlight device 62L and a right-eye backlight as the back light source. Determine the light device 62R, the left-eye polarizing filter 63L and the right-eye polarizing filter 63R, which are polarizing plates for converting the irradiated light into linearly polarized light, the illumination lens 64 as a light source optical member, and the polarization direction of the transmitted light. A spatial division filter 65 serving as a division filter, and an aerial image imaging lens 66 serving as an aerial image imaging unit. Among these, the liquid crystal display 61, the left-eye backlight device 62L, the right-eye backlight device 62R, the left-eye polarizing filter 63L, the right-eye polarizing filter 63R, the illumination lens 64, and the space division filter 65 constitute a parallax display unit. It is a member.
[0132]
The liquid crystal display 61 is a transmissive image display means, displays various images including a still image and a moving image showing an object to be displayed as an aerial image, and an image displayed by transmitting light emitted from the backlight device. Project. The left-eye backlight device 62L and the right-eye backlight device 62R are devices that emit non-polarized light having a plurality of light-emitting elements such as LEDs (Light Emitting Diodes), for example. The image to be displayed is illuminated toward the viewer's left and right eyes. By adjusting the direction in which the left-eye backlight device 62L and the right-eye backlight device 62R irradiate light within the range of the illumination lens 64, the energy used for light emission can be efficiently used for image irradiation.
[0133]
The left-eye polarizing filter 63L and the right-eye polarizing filter 63R are linear polarizing plates disposed in front of the left-eye backlight device 62L and the right-eye backlight device 62R, respectively, and linearly polarize light emitted from the backlight device. To. The polarization directions of the left-eye polarizing filter 63L and the right-eye polarizing filter 63R are different from each other, and are arranged so that the polarization directions are orthogonal to each other.
[0134]
The illumination lens 64 is a convex lens, which is a transmissive optical element, and is arranged between the backlight device and the liquid crystal display 61. The light emitted from the left and right backlight devices and transmitted through the left and right polarizing filters is transmitted in a predetermined manner. An image is formed at the focal length. The light emitted from the backlight device is refracted by the illumination lens 64 and then passes through the liquid crystal display 61. Therefore, the illumination light for the image displayed on the liquid crystal display 61 is formed as an intermediate real image MRIM at the focal position. Will do.
[0135]
The space division filter 65 is a member that determines whether to transmit or block linearly polarized light that has passed through the left and right polarizing filters, and the light that has passed through the left eye polarizing filter 63L is for the left eye displayed on the liquid crystal display 61. The light that irradiates only the image and passes through the right-eye polarizing filter 63 </ b> R irradiates only the right-eye image displayed on the liquid crystal display 61.
[0136]
The aerial image forming lens 66 is a convex lens that is a transmissive optical element, and is disposed between the liquid crystal display 61 and the viewer, and forms an image of the liquid crystal display 61 as an aerial image RIM at a predetermined focal length. To do. The intermediate real image MRIM is an image in which the light emitted from the left-eye backlight device 62L and the right-eye backlight device 62R is imaged by the illumination lens 64, and the left-eye backlight device 62L and the right-eye backlight device 62R. Are arranged in parallel with the optical axis, the light emitted from the left-eye backlight device 62L and the light emitted from the right-eye backlight device 62R follow different paths. Therefore, the traveling direction of the light irradiated by the left-eye backlight device 62L after the formation of the aerial image RIM and the traveling direction of the light irradiated by the right-eye backlight device 62R are not parallel to the optical axis, respectively. The viewer's left eye and right eye are separated. Thereby, the left-eye image and the right-eye image formed as the aerial image RIM at the same position are separately recognized by the viewer's left and right eyes, and the stereoscopic image is recognized by binocular parallax. I can do it.
[0137]
The viewer can recognize the aerial image RIM in three dimensions by adjusting the focus of the left and right eyes to the position of the aerial image RIM and directing the tilt of the eyeball to the position where the aerial image RIM is formed. Therefore, since the eyeball vergence for recognizing a solid matches the focal length, it becomes possible to easily recognize a realistic stereoscopic image, and the eyeball can be recognized by performing stereoscopic image recognition in the same way as normal object recognition. The fatigue feeling can be reduced.
[0138]
Next, the structure and operation of the parallax display unit for irradiating the left-eye image and the right-eye image displayed on the liquid crystal display 61 with the left-eye backlight device 62L and the right-eye backlight device 62R, respectively, will be described. .
[0139]
FIG. 19 shows the relationship between an example of the structure of the spatial division filter 65 and the polarization directions of the left-eye polarizing filter 63L and the right-eye polarizing filter 63R. The spatial division filter 65 includes a polarization direction non-rotating unit 65N that transmits the linearly polarized light without changing the polarization direction, a polarization direction rotating unit 65L that transmits the linearly polarized light after rotating the polarization direction by 90 °, and liquid crystal. The linearly polarizing plate 61B is formed on the backlight device side of the display 61. The polarization direction rotating unit 65L uses a half-wave plate to rotate the polarization direction of light emitted from the backlight device by 90 ° and transmit the light.
[0140]
Each of the polarization direction non-rotating unit 65N and the polarization direction rotating unit 65L is a rectangular member having a length equivalent to the horizontal width of the liquid crystal display 61. The plurality of polarization direction non-rotating units 65N and the polarization direction rotating unit 65L are alternately arranged. A plate-like member having the same size as the entire surface of the liquid crystal display 61 is formed in a stripe shape. The linearly polarizing plate 65B is a polarizing plate having substantially the same shape as the display surface of the liquid crystal display 61, and the polarization direction is the same as the polarization direction of the left-eye polarizing filter 63L or the right-eye polarizing filter 63R. Therefore, for example, when the polarization direction of the linear polarizing plate 65B is the same as the polarization direction of the left-eye polarization filter 63L, the polarization direction is orthogonal to the polarization direction of the right-eye polarization filter 63R.
[0141]
The light transmission and blocking by the space division filter 65 will be described with reference to FIG. In order to simplify the description, the description will be made by separating the plate member formed by the polarization direction non-rotating portion 65N and the polarization direction rotating portion 65L and the linear polarizing plate 65B. The arrows in the figure indicate the polarization direction of light, the vertical arrows indicate linearly polarized light parallel to the paper surface, and the oblique arrows indicate linearly polarized light perpendicular to the paper surface. Here, it is assumed that the linearly polarizing plate 65B is a polarizing plate that passes only linearly polarized light parallel to the paper surface.
[0142]
FIG. 20A is a diagram for explaining light transmission when linearly polarized light in a direction perpendicular to the paper surface that has passed through the left-eye polarizing filter 63L is incident on the spatial division filter 65. The linearly polarized light perpendicular to the paper surface incident on the polarization direction rotating unit 65L becomes linearly polarized light parallel to the paper surface because the polarization direction is rotated by 90 °, and is transmitted through the linearly polarizing plate 65B and the liquid crystal display 61. Reach the left eye. The linearly polarized light perpendicular to the paper surface incident on the polarization direction non-rotating portion 65N passes through the polarization direction perpendicular to the paper surface, and is thus blocked by the linearly polarizing plate 65B and does not reach the liquid crystal display 61. Therefore, the viewer's left eye recognizes only the light incident on the polarization direction rotating unit 65L.
[0143]
FIG. 20B is a diagram for explaining the transmission of light when linearly polarized light in a direction parallel to the paper surface that has passed through the right-eye polarizing filter 63R is incident on the spatial division filter 65. FIG. The linearly polarized light parallel to the paper surface incident on the polarization direction rotating unit 65L becomes linearly polarized light perpendicular to the paper surface because the polarization direction is rotated by 90 ° and is blocked by the linear polarizing plate 65B and reaches the liquid crystal display 61. do not do. The linearly polarized light parallel to the paper surface incident on the polarization direction non-rotating portion 65N passes through the linearly polarizing plate 65B and the liquid crystal display 61 and reaches the viewer's right eye because the polarization direction is parallel to the paper surface. Therefore, the viewer's right eye recognizes only the light incident on the polarization direction non-rotating portion 65N.
[0144]
The light rays recognized by the viewer's left eye are light that has passed through the polarization direction rotating unit 65L, and the areas of the liquid crystal display 61 that are irradiated with the light that has passed through the polarization direction rotating unit 65L are denoted by L1, L3, and L5. Similarly, the light rays recognized by the viewer's right eye are light that has passed through the change direction non-rotating unit 65N, and the areas of the liquid crystal display 61 that are irradiated with the light that has passed through the polarization direction non-rotating unit 65N are denoted by L2 and L4. Accordingly, an image recognized by the viewer's left eye is displayed in the L1, L3, and L5 areas of the liquid crystal display 61, and an image recognized by the viewer's right eye is displayed in the L2 and L4 areas. Different images can be recognized by both eyes. Naturally, the areas L1 to L5 of the liquid crystal display 61 shown in the figure may be five or more areas, and the left-eye image and the right-eye are alternately displayed for each horizontal line formed by the pixels of the liquid crystal display 61. An image for use may be displayed.
[0145]
Next, a parallax image signal generation system for alternately displaying a left-eye image and a right-eye image for each horizontal line of the liquid crystal display 61 will be described with reference to FIG. The parallax image signal generation system includes information processing means 67 such as a workstation, a left scan converter 68L, a right scan converter 68R, and a signal switching circuit 69.
[0146]
The information processing means 67 generates a three-dimensional image that is recognized by the viewer as a three-dimensional image as three-dimensional polygon data in the virtual space, and corresponds to the left-eye image and the right eye viewed from the position corresponding to the left eye with respect to the three-dimensional polygon data. The right-eye image viewed from the position to be generated is generated as a two-dimensional image by calculation. The information processing means 67 sends the generated left-eye image data to the left scan converter 68L, and sends the right-eye image data to the right scan converter 68R.
[0147]
The left scan converter 68L and the right scan converter 68R are devices that send a two-dimensional image to the signal switching circuit 69 as data for each horizontal line in order to display an image for each horizontal line of the liquid crystal display 61. When the left scan converter 68L and the right scan converter 68R transmit the left-eye image and the right-eye image to the signal switching circuit 69 for each horizontal line, the image data is transmitted by adjusting the horizontal synchronization and the vertical synchronization of the image display. I do.
[0148]
The signal switching circuit 69 is a control circuit that switches the left and right image data sent from the left scan converter 68L and the right scan converter 68R and sends them to the liquid crystal display 61 of the aerial image display device 60. Specifically, in accordance with the horizontal synchronization timing of the liquid crystal display 61, the left-eye image sent from the left scan converter 68L and the right-eye image sent from the right scan converter 68R are displayed for each horizontal line. The circuit is switched so as to be sent to 61. Since the left-eye image data and the right-eye image data are sent to the liquid crystal display 61 for each horizontal line, the right-eye image is displayed on the even-numbered line and the left-eye image is displayed on the odd-numbered line.
[0149]
As described above, by using the parallax image signal generation system, the left-eye image and the right-eye image can be alternately displayed for each horizontal line of the liquid crystal display 61. Accordingly, as described with reference to FIG. 20, the binocular parallax is realized by irradiating the left-eye image and the right-eye image with the left-eye backlight device 62L and the right-eye backlight device 62R, respectively, using the space division filter 65. can do.
[0150]
In the display of the aerial image RIM using the aerial image display device 60 described above, since most of the light emitted from the backlight device can be used for irradiation of the liquid crystal display 61, it is necessary for displaying a stereoscopic image. Energy can be reduced. In the aerial image RIM that is formed, the left-eye image and the right-eye image are formed at the same position, so that the convergence angle and focal length of both eyes are adjusted in the same manner as when an actual object is recognized. Thus, the viewer can visually recognize the stereoscopic image, and it is possible to reduce a feeling of fatigue when recognizing the stereoscopic image.
[0151]
[Seventh Embodiment]
Next, an aerial image display device shown as a seventh embodiment will be described. This aerial image display device is configured by using a reflective optical element such as a so-called concave mirror or a reflective Fresnel lens as an optical member that forms a light beam emitted from a predetermined display as an aerial image. Here, for convenience of explanation, it is assumed that a concave mirror is used as the reflective optical element. In the present embodiment, it is assumed that the parallax display unit has substantially the same configuration as the aerial image display device 60 shown as the sixth embodiment, and the aerial image imaging unit is different from the sixth embodiment. To do. Therefore, in the description of the aerial image display device 70 shown as the seventh embodiment, the same parts as those of the aerial image display device 60 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. To do. In addition, here, for convenience of explanation, the description will be made assuming that a concave mirror is used as the reflective optical element. However, as described above, other members such as a reflective Fresnel lens can also be applied. Not too long.
[0152]
22 and 23, the configuration of the aerial image display device 70 according to the present embodiment will be described. FIG. 22 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration when the aerial image display device 70 and the viewer are viewed from the side, and FIG. 23 is a schematic diagram illustrating a configuration when viewed from the back of the viewer.
[0153]
The aerial image display device 70 includes a liquid crystal display 61 as a transmissive image display means for displaying an image, a left-eye backlight device 62L and a right-eye backlight device 62R as back light sources, and linearly polarized light. A polarizing filter for left eye 63L and a polarizing filter for right eye 63R that are polarizing plates to be converted, an illumination lens 64 as an optical member for a light source, a space division filter 65 as a division filter for determining the polarization direction of transmitted light, A first circularly polarizing element 72; a concave mirror 73 as a reflective optical element of the aerial image imaging unit; a half mirror 74 disposed between the concave mirror 73 and the imaging position of the aerial image RIM; A circularly polarizing element 75, a polarizing filter 76, and a light shielding plate 77 are provided. Among these, the liquid crystal display 61, the left-eye backlight device 62L, the right-eye backlight device 62R, the left-eye polarization filter 63L, the right-eye polarization filter 63R, the illumination lens 64, the space division filter 65, and the first circular polarization element 72. Is a member constituting the parallax display unit. The concave mirror 73, the half mirror 74, the second circularly polarizing element 75, the polarizing filter 76, and the light shielding plate 77 are members constituting the aerial image forming unit.
[0154]
The first circularly polarized light element 72 is disposed on the display screen of the liquid crystal display 61 and changes linearly polarized light emitted from the liquid crystal display 61 and having a horizontal polarization direction into circularly polarized light. The method by which the parallax display unit irradiates the left-eye image and the right-eye image to the aerial image forming unit is the same as that described with reference to the sixth embodiment.
[0155]
The concave mirror 73 reflects the light beam that has been made circularly polarized by the first circularly polarizing element 72 and entered via the half mirror 74. Needless to say, the light beam incident on the concave mirror 73 and the light beam emitted from the concave mirror 73 are circularly polarized. The light beam reflected by the concave mirror 73 is incident on the half mirror 74.
[0156]
The half mirror 74 is located between the concave mirror 73 and the image formation position of the aerial image RIM, and is disposed at a predetermined angle with respect to the display screen of the liquid crystal display 61. When the light beam that has passed through the first circularly polarizing element 72 is incident, the half mirror 74 reflects the light beam toward the concave mirror 73 while transmitting the light beam reflected by the concave mirror 73. The light beam that has passed through the half mirror 74 is incident on the second circularly polarizing element 75.
[0157]
Similar to the half mirror 74, the second circularly polarizing element 75 is located between the concave mirror 73 and the image formation position of the aerial image RIM, and is disposed at a predetermined angle with respect to the display screen of the liquid crystal display 61. The circularly polarized light beam transmitted through the half mirror 74 is changed to linearly polarized light. More specifically, the second circular polarization element 75, in combination with the first circular polarization element 72, emits a light beam having a polarization direction obtained by rotating the polarization direction of the light beam emitted from the liquid crystal display 61 by 90 °. Provided to produce. The light beam that has passed through the second circularly polarizing element 75 is incident on the polarizing filter 76.
[0158]
The polarization filter 76 is located between the concave mirror 73 and the image formation position of the aerial image RIM, like the half mirror 74 and the second circular polarization element 75, and has a predetermined angle with respect to the display screen of the liquid crystal display 61. Of the light beam that has passed through the second circularly polarizing element 75, only the component having a predetermined polarization direction is allowed to pass therethrough. Here, for example, the polarizing filter 76 passes linearly polarized light whose polarization direction is perpendicular to the paper surface. Thereby, the light beam that has passed through the polarizing filter 76 forms an image at a predetermined spatial position, and is visually recognized by the viewer's eyeball EYE as an aerial image RIM.
[0159]
The light shielding plate 77 is disposed to face the liquid crystal display 61, shields external light incident from a region other than the viewer side, and reflects external light reflected by a housing (not shown) or a display screen of the liquid crystal display 61. Shield from light. By providing this light shielding plate 77, the aerial image display device 70 can reliably remove the influence of extraneous light and contribute to a clearer aerial image RIM.
[0160]
External light is incident on the aerial image display device 70 having such a configuration from the eyeball EYE side of the viewer. Specifically, in the aerial image display device 70, the incident external light first passes through the polarization filter 76. At this time, for example, the polarization filter 76 allows only linearly polarized light beams whose polarization direction is perpendicular to the paper surface to pass through. Further, in the aerial image display device 70, the external light that has passed through the polarizing filter 76 changes to circularly polarized light by passing through the second circularly polarizing element 75. Then, outside light that has passed through the second circularly polarizing element 75 in the aerial image display device 70 passes through the half mirror 74, reaches the concave mirror 73, and is reflected by the concave mirror 73.
[0161]
Further, in the aerial image display device 70, the external light reflected by the concave mirror 73 passes through the half mirror 74 again and enters the second circularly polarizing element 75. Then, external light incident on the second circularly polarizing element 75 in the aerial image display device 70 changes to linearly polarized light by passing through the second circularly polarizing element 75. Thereby, the polarization direction of the external light that has passed through the second circularly polarizing element 75 is horizontal with respect to the paper surface. Therefore, in the aerial image display device 70, the external light that has passed through the second circularly polarizing element 75 cannot pass through the polarizing filter 76 and does not reach the viewer's eyeball EYE.
[0162]
As described above, in the aerial image display device 70, the half mirror 74, the second circularly polarizing element 75, and the polarizing filter 76 constitute a light reducing unit for external light using the polarization direction, and reflected by the concave mirror 73. Therefore, it is possible to avoid the situation in which the viewer grasps the presence of various optical members such as the concave mirror 73, and as a result, the aerial image RIM with excellent realism can be avoided. Can be clearly displayed. At this time, in the aerial image display device 70, the member constituting the light reducing means is arranged on the optical axis of the concave mirror 73, thereby forming the aerial image RIM on the optical axis of the concave mirror 73 with high efficiency. Therefore, the aberration of the aerial image RIM can be reduced.
[0163]
In the display of the aerial image RIM using the aerial image display device 70, most of the light emitted from the backlight device can be used for irradiation of the liquid crystal display 61. It is possible to reduce. In the aerial image RIM that is formed, the left-eye image and the right-eye image are formed at the same position, so that the convergence angle and focal length of both eyes are adjusted in the same manner as when an actual object is recognized. Thus, the viewer can visually recognize the stereoscopic image, and it is possible to reduce a feeling of fatigue when recognizing the stereoscopic image.
[0164]
[Eighth Embodiment]
Next, an aerial image display apparatus shown as an eighth embodiment will be described. This aerial image display device includes a display device that displays an image for the left eye and a display device that displays an image for the right eye, respectively, and the light beams of the left eye image and the right eye image emitted by the two display devices are half mirrors. Is used as light on the same optical axis.
[0165]
24, the aerial image display device 80 includes a left-eye liquid crystal display 81L and a right-eye liquid crystal display 81R as transmissive image display means for displaying an image, and a left-eye back as a back light source. Light device 82L and right-eye backlight device 82R, left illumination lens 84L and right-eye illumination lens 84R as light source optical members, half mirror 85 that is a semi-transmissive reflector, and aerial image imaging unit An aerial image forming lens 86. Among these, the left-eye liquid crystal display 81L, the right-hand liquid crystal display 81R, the left-eye backlight device 82L, the right-eye backlight device 82R, the left-eye illumination lens 84L, the right-eye illumination lens 84R, and the half mirror 85 are a parallax display unit. It is a member which comprises.
[0166]
The left-eye liquid crystal display 81L and the right-eye liquid crystal display 81R are transmissive image display means that display various images including a still image and a moving image showing an object to be displayed as an aerial image, and emit light emitted from the backlight device. Through the transmission, the left-eye image and the right-eye image respectively displayed are projected. The left-eye backlight device 82L and the right-eye backlight device 82R are devices that emit non-polarized light having a plurality of light-emitting elements such as LEDs (Light Emitting Diodes), for example, and the left-eye liquid crystal display 81L and the right-eye liquid crystal display 81R, respectively. The image to be displayed is irradiated in the direction of the viewer's left eye and right eye.
[0167]
The left-eye illumination lens 84L and the right-eye illumination lens 84R are convex lenses that are transmissive optical elements, and are respectively provided between the left-eye backlight device 82L and the left liquid crystal display 81L, and between the right-eye backlight device 82R and the right-eye liquid crystal display 81R. The light emitted from the right and left backlight devices is imaged at a predetermined focal length.
[0168]
In the aerial image display device 80, the left-eye liquid crystal display 81L, the left-eye backlight device 82L, and the left-eye illumination lens 84L constitute a left projection optical system that displays and projects the left-eye image, and the right-eye liquid crystal display 81R and the right-eye The right projection optical system for displaying and projecting the right-eye image is configured by the backlight device 82R and the right-eye illumination lens 84R. As shown in the figure, the left projection optical system and the right projection optical system are arranged such that the optical axis, which is the traveling direction of light for projecting an image, is perpendicular.
[0169]
The half mirror 85 is a transflective reflector that reflects light incident from one surface and transmits light incident from the other surface. In FIG. 24, the light from the backlight device 82L for the left eye is transmitted, It arrange | positions so that the light from the backlight apparatus 82R for right eyes may be reflected. Further, the half mirror 85 is disposed so as to be at an angle of 45 degrees with respect to the optical axis of the left projection optical system and the optical axis of the right projection optical system.
[0170]
The light emitted by the left and right backlight devices is refracted by the left-eye illumination lens 84L and the right-eye illumination lens 84R, and then passes through the left-eye liquid crystal display 81L and the right-eye liquid crystal display 81R, respectively. The light emitted from the device 82L passes through the half mirror 85, and the light emitted from the right-eye backlight device 82R is reflected by the half mirror 85. Since the optical axis of the left projection optical system and the optical axis of the right projection optical system are orthogonal, and the half mirror 85 forms an angle of 45 degrees with the two optical axes, the left-eye illumination lens 84L and the right-eye illumination lens 84R. By adjusting the focal length, the illumination light of the left-eye image and the right-eye image is formed as the intermediate real image MRIM at the same position on the same optical axis.
[0171]
The aerial image forming lens 86 is a convex lens that is a transmissive optical element, and is disposed between the parallax display unit and the viewer, and images of the liquid crystal displays 81L and 81R are formed as aerial images RIM at predetermined focal lengths. Form an image. The intermediate real image MRIM is a real image in which the light emitted from the left-eye backlight device 82L and the right-eye backlight device 82R is formed by the left illumination lens 84L and the right illumination lens 84R, respectively, and the left-eye backlight device 82L. By adjusting the position of the right-eye backlight device 82R with respect to the optical axis, the light emitted from the left-eye backlight device 82L and the light emitted from the right-eye backlight device 82R follow different paths. Therefore, the traveling direction of the light irradiated by the left-eye backlight device 82L after the formation of the aerial image RIM and the traveling direction of the light irradiated by the right-eye backlight device 82R are not parallel to the optical axis. The viewer's left eye and right eye are separated. Thereby, the left-eye image and the right-eye image formed as the aerial image RIM at the same position are separately recognized by the viewer's left and right eyes, and the stereoscopic image is recognized by binocular parallax. I can do it.
[0172]
The viewer can recognize the aerial image RIM in three dimensions by adjusting the focus of the left and right eyes to the position of the aerial image RIM and directing the tilt of the eyeball to the position where the aerial image RIM is formed. Therefore, since the eyeball vergence for recognizing a solid matches the focal length, it becomes possible to easily recognize a realistic stereoscopic image, and the eyeball can be recognized by performing stereoscopic image recognition in the same way as normal object recognition. The fatigue feeling can be reduced.
[0173]
[Ninth Embodiment]
Next, an aerial image display apparatus shown as a ninth embodiment will be described. This aerial image display device performs time-division type aerial image display by alternately displaying left-eye images and right-eye images on a single display device.
[0174]
As shown in the side sectional view of FIG. 25, this aerial image display device 90 includes a liquid crystal display 91 as a transmissive image display means for displaying an image, a left-eye backlight device 92L and a right-eye backlight as the back light source. A light device 92R, an illumination lens 94 as an optical member for a light source, and an aerial image imaging lens 96 as an aerial image imaging unit are provided. Among these, the liquid crystal display 91, the left-eye backlight device 92L, the right-eye backlight device 92R, and the illumination lens 94 are members constituting a parallax display unit.
[0175]
FIG. 26 is a graph showing driving signals of the liquid crystal display 91, the left-eye backlight device 92L, and the right-eye backlight device 92R. The horizontal axis in the figure represents the passage of time, the upper graph in the figure shows the video signal transmitted to the liquid crystal display 91, the middle shows the on / off operation of the left-eye backlight device 92L, and the lower shows the right eye The operation of turning on / off the backlight device 92R is shown. In the aerial image display device 90, the left-eye image and the right-eye image are alternately displayed on the liquid crystal display 91, and when the left-eye image is displayed for one screen, the left-eye backlight device 92L is turned on, and the right-eye image is displayed. Is displayed for one screen, the right-eye backlight device 92R is turned on, and the display and the lighting of the backlight device are synchronized.
[0176]
FIG. 27 is a graph showing another example of drive signals for the liquid crystal display 91, the left-eye backlight device 92L, and the right-eye backlight device 92R. When displaying the left-eye image and the right-eye image on the liquid crystal display 91, a maintenance period is provided after the image for one screen is displayed, and the left-eye backlight device 92L or the right-eye backlight device 92R is displayed during the maintenance period. Turn on the light. By setting the maintenance period to be long, it is possible to increase the time during which an image is irradiated by the backlight device, to secure a light amount, and to display a favorable stereoscopic image.
[0177]
In the aerial image display device 90, the aerial image RIM of the left-eye image is formed on the front surface of the aerial image imaging lens 96 when the left-eye backlight device 92L is turned on, as in the sixth embodiment described above. When the right-eye backlight device 92R is turned on, the aerial image RIM of the right-eye image is formed on the front surface of the aerial image imaging lens 96. The viewer can recognize the stereoscopic video by visually recognizing the left-eye image and the right-eye image that are alternately formed.
[0178]
[Tenth embodiment]
Next, an aerial image display apparatus shown as a tenth embodiment will be described. In this aerial image display device, the left-eye image and the right-eye image projected by the parallax display unit are reflected by a half mirror to form an aerial image RIM, and external light and an aerial image incident from the back side of the half mirror The observer visually recognizes the RIM at the same time.
[0179]
As shown in a side sectional view in FIG. 28, the aerial image display device 110 includes a liquid crystal display 111 as a transmissive image display means for displaying an image, a backlight device 112L for the left eye and a backlight for the right eye as the back light source. A light device 112R, an illumination lens 114 as a light source optical member, a half mirror 115, and an aerial image imaging lens 116 as an imaging optical member are provided. Among these, the liquid crystal display 111, the left-eye backlight device 112L, the right-eye backlight device 112R, and the illumination lens 114 are members constituting a parallax display unit. The half mirror 115 and the aerial image forming lens 116 are members constituting an aerial image forming unit.
[0180]
Here, as the parallax display unit, the same time-division type configuration as shown in the ninth embodiment is shown, so the explanation about the same member and the explanation about the irradiation of the image for the left eye and the image for the right eye are as follows. Omitted. In addition, the parallax display unit is not a time-division type, but a polarizing filter is arranged on the front surface of the backlight device shown in the sixth embodiment, and a dividing filter is arranged between the liquid crystal display and the illumination lens. A configuration in which two images projected by the left projection optical system and the right projection optical system shown in the eighth embodiment are formed on the same optical axis by a half mirror is also usable. May be.
[0181]
The half mirror 115 is a transflective reflector that reflects light incident on one surface and transmits light incident on the other surface, and is 45 degrees from the optical axis of the backlight device irradiated from the parallax display unit. It is arranged to make an angle of.
[0182]
The aerial image forming lens 116 is a convex lens that is a transmissive optical element, and forms an image of the liquid crystal display 111 of the parallax display unit as an aerial image RIM at a predetermined focal length.
[0183]
The illumination light of the right-eye image and the left-eye image projected by the parallax display unit is imaged as an intermediate real image MRIM, and after the light beam is refracted by the aerial image imaging lens 116, it is reflected by the half mirror 115 and is reflected in front of the viewer. An image is formed as an aerial image RIM. As described above, the viewer recognizes the left-eye image with the left eye and the viewer recognizes the right-eye image with the right eye, so that the viewer can view the stereoscopic video. At the same time, since the half mirror 115 is disposed on the extension of the line of sight of the viewer, the light incident from the back side of the half mirror 115 also reaches the viewer's eyes.
[0184]
Therefore, the image visually recognized by the viewer is obtained by adding the background of the half mirror 115 to the stereoscopic view of the aerial image RIM projected by the parallax display unit. Since the viewer can recognize not only the aerial image RIM but also the background, the viewer can view the aerial image RIM with a sense closer to a real object. The left-eye backlight device 112L and the right-eye backlight device 112R are arranged side by side in the vertical direction with respect to the paper surface.
[0185]
[Eleventh embodiment]
Next, an aerial image display apparatus shown as the eleventh embodiment will be described. In this aerial image display device, the left-eye image and the right-eye image projected by the parallax display unit are reflected by a half mirror to form an aerial image RIM, and external light and an aerial image incident from the back side of the half mirror The observer visually recognizes the RIM at the same time. A concave mirror is used for the aerial image forming unit.
[0186]
As shown in the side sectional view of FIG. 29, the aerial image display device 120 includes a liquid crystal display 121 as a transmissive image display means for displaying an image, a left-eye backlight device 122L and a right-eye backlight as the back light source. The light device 122R, the first circularly polarizing element 123, the illumination lens 124 as the light source optical member, the concave mirror 125 as the reflective optical element of the aerial image imaging unit, and the concave mirror 125 and the intermediate real image MRIM A half mirror 126, a second circularly polarizing element 127, and a polarizing filter 128 are provided between the imaging position.
[0187]
Among these, the liquid crystal display 121, the left-eye backlight device 122L, the right-eye backlight device 122R, the first circularly polarizing element 123, and the illumination lens 124 are members constituting a parallax display unit. The concave mirror 125, the half mirror 126, the second circularly polarizing element 127, and the polarizing filter 128 are members constituting an aerial image forming unit.
[0188]
Here, as the parallax display unit, the same time-division type configuration as shown in the ninth embodiment is shown, so the explanation about the same member and the explanation about the irradiation of the image for the left eye and the image for the right eye are as follows. Omitted. In addition, the parallax display unit is not a time-division type, but a polarizing filter is arranged on the front surface of the backlight device shown in the sixth embodiment, and a dividing filter is arranged between the liquid crystal display and the illumination lens. A configuration in which two images projected by the left projection optical system and the right projection optical system shown in the eighth embodiment are formed on the same optical axis by a half mirror is also usable. May be.
[0189]
The first circularly polarizing element 123 is arranged on the display screen of the liquid crystal display 121, and changes linearly polarized light having a horizontal polarization direction emitted from the liquid crystal display 121 to circularly polarized light. The method in which the parallax display unit irradiates the left-eye image and the right-eye image to the aerial image forming unit is the same as that described with reference to the ninth embodiment.
[0190]
The concave mirror 125 reflects the light beam that has been made circularly polarized by the first circularly polarizing element 123 and transmitted through the half mirror 126. Needless to say, the light beam incident on the concave mirror 125 and the light beam emitted from the concave mirror 125 are circularly polarized. The light beam reflected by the concave mirror 125 is incident on the reflection surface of the half mirror 126.
[0191]
The half mirror 126 is located between the concave mirror 125 and the image formation position of the intermediate real image MRIM, and is disposed at a predetermined angle with respect to the display screen of the liquid crystal display 121. When the light beam that has passed through the first circularly polarizing element 123 enters the transmission surface, the half mirror 126 transmits the light beam toward the concave mirror 125, while reflecting the light beam reflected by the concave mirror 125 toward the viewer. Let The light beam that has passed through the half mirror 126 is incident on the second circularly polarizing element 127. Further, an external light beam as a background is incident on the surface of the half mirror 126 that transmits light, and the external light beam passes through the half mirror 126 and travels toward the viewer.
[0192]
The second circularly polarizing element 127 is located between the half mirror 126 and the image formation position of the aerial image RIM, and changes the circularly polarized light of the light incident from the half mirror 126 side to linearly polarized light. The light beam that has passed through the second circularly polarizing element 127 is incident on the polarizing filter 128.
[0193]
The polarization filter 128 is located between the half mirror 126 and the image formation position of the aerial image RIM in the same manner as the second circular polarization element 127, and has a predetermined polarization among the light beams that have passed through the second circular polarization element 127. Pass only directional components. At this time, the polarization direction transmitted by the polarization filter 128 is set to pass a light beam having a polarization direction determined by the first circular polarization element 123 and the second circular polarization element 127. Thereby, the light beam that has passed through the polarizing filter 128 forms an image at a predetermined spatial position and is visually recognized by the viewer's eyeball EYE as an aerial image RIM.
[0194]
At the same time, since the half mirror 126 is disposed on the extension of the line of sight of the viewer, light incident from the back side of the half mirror 126 also reaches the viewer's eyes. Therefore, the image visually recognized by the viewer is obtained by adding the background of the half mirror 126 to the stereoscopic view of the aerial image RIM projected by the parallax display unit. Since the viewer can recognize not only the aerial image RIM but also the background, the viewer can view the aerial image RIM with a sense closer to a real object. The left-eye backlight device 122L and the right-eye backlight device 122R are arranged side by side in the vertical direction with respect to the paper surface.
[0195]
[Twelfth embodiment]
Next, an aerial image display apparatus shown as a twelfth embodiment will be described with reference to FIG. The aerial image display device 130 according to the present embodiment has a configuration similar to that of the seventh embodiment described above, and is an optical device that forms a light beam emitted from a predetermined display as an aerial image in the seventh embodiment. The only difference is that a concave half mirror 131 is used as a concave mirror used as a member. Therefore, in the description of the aerial image display device 130 shown as the seventh embodiment, the same parts as those of the aerial image display device 70 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. To do.
[0196]
The concave half mirror 131 is a semi-transmissive concave mirror that reflects light incident on the concave surface side and transmits light incident on the convex surface side. The method in which the aerial image display device 70 forms the aerial image RIM of the left-eye image and the right-eye image at a predetermined position is the same as in the seventh embodiment described above. When the viewer recognizes the image with the left eye and the viewer recognizes the right-eye image with the right eye, the viewer can view the stereoscopic video.
[0197]
At the same time, since the half mirror 74 and the concave half mirror 131 are arranged on the extension line of the viewer's line of sight, the light incident from the back side of the half mirror 74 and the concave half mirror 131 also reaches the viewer's eyes. It will be. Therefore, the image visually recognized by the viewer is obtained by adding the background of the concave half mirror 131 to the stereoscopic view of the aerial image RIM projected by the parallax display unit. Since the viewer can recognize not only the aerial image RIM but also the background, the viewer can view the aerial image RIM with a sense closer to a real object.
[0198]
[Thirteenth embodiment]
Next, an aerial image display apparatus shown as a thirteenth embodiment will be described. This aerial image display device detects the position of the viewer's head and changes the position at which the aerial image RIM is formed according to the position of the viewer.
[0199]
As shown in the top view of the optical system in FIG. 31, the aerial image display device 130 includes a liquid crystal display 141 as a transmissive image display means for displaying an image, a backlight device 142 as a back light source, and irradiation light. Filter 143 which is a polarizing plate for converting light into linearly polarized light, a split liquid crystal shutter 144 as a polarization region control filter, an illumination lens 145 as a light source optical member, and a split filter for determining the polarization direction of transmitted light A spatial division filter 146, an aerial image imaging lens 147 as an aerial image imaging unit, and a position detection unit 148 that detects the position of the viewer. Among these, the liquid crystal display 141, the backlight device 142, the polarization filter 143, the divided liquid crystal shutter 144, the illumination lens 145, and the space division filter 146 are members constituting a parallax display unit.
[0200]
The liquid crystal display 141 is a transmissive image display means that displays various images including a still image and a moving image showing an object to be displayed as an aerial image, and is displayed by transmitting light emitted from the backlight device 142. Project an image. The backlight device 142 is a device that emits non-polarized light having a plurality of light emitting elements such as LEDs (Light Emitting Diodes), for example, and irradiates an image displayed on the liquid crystal display 141 toward the viewer. By adjusting the direction in which the backlight device 142 emits light within the range of the illumination lens 145, the energy used for light emission can be used efficiently for image irradiation.
[0201]
The polarizing filter 143 is a linearly polarizing plate disposed on the front surface of the backlight device 142, and converts the light emitted from the backlight device 142 into linearly polarized light.
[0202]
The divided liquid crystal shutter 144 is a TN (Twisted Nematic) liquid crystal element disposed in front of the polarizing filter 143, and changes the area of the left eye region 144L and the right eye region 144R by changing the ON region and the OFF region of the TN liquid crystal. And changing the region for rotating the polarization direction of the linearly polarized light transmitted through the polarizing filter 143 and the region for transmitting the light as it is. Here, as an example, the region where the TN liquid crystal of the divided liquid crystal shutter 144 is ON is the left eye region 144L where the polarization direction is not rotated, and the region where the TN liquid crystal is OFF is the right eye region 144R where the polarization direction is rotated 90 degrees.
[0203]
The illumination lens 145 is a convex lens that is a transmissive optical element, and is disposed between the backlight device 142 and the liquid crystal display 141. The backlight device 142 emits light and passes through the polarizing filter 143 and the divided liquid crystal shutter 144. The light is imaged at a predetermined focal length. The light emitted from the backlight device 142 is refracted by the illumination lens 145 and then passes through the liquid crystal display 141. Therefore, the illumination light displayed by the liquid crystal display 141 is formed at the focal position as an intermediate real image MRIM. It will be.
[0204]
The spatial division filter 146 is a member that determines whether to transmit or block linearly polarized light that has passed through the polarizing filter 143 and the divided liquid crystal shutter 144, and the light that has passed through the left eye region 144 </ b> L is displayed on the liquid crystal display 141. Only the left-eye image is irradiated, and the light transmitted through the right-eye region 144R irradiates only the right-eye image displayed on the liquid crystal display 141.
[0205]
The aerial image forming lens 147 is a convex lens that is a transmissive optical element, and is disposed between the liquid crystal display 141 and the viewer, and forms an image of the liquid crystal display 145 as an aerial image RIM at a predetermined focal length. To do. The intermediate real image MRIM is a real image in which the light emitted from the backlight device 142 is imaged by the illumination lens 145, and the left-eye region 144L and the right-eye region 144R of the divided liquid crystal shutter 144 are parallel to the optical axis. Since they are arranged, the left-eye image and the right-eye image follow different paths. Therefore, the light traveling direction of the left-eye image after the formation of the aerial image RIM and the light traveling direction of the right-eye image are not parallel to the optical axis but separated from the viewer's left eye and right eye directions, respectively. It will be a thing. Thereby, the left-eye image and the right-eye image formed as the aerial image RIM at the same position are separately recognized by the viewer's left and right eyes, and the stereoscopic image is recognized by binocular parallax. I can do it.
[0206]
The viewer can recognize the aerial image RIM in three dimensions by adjusting the focus of the left and right eyes to the position of the aerial image RIM and directing the tilt of the eyeball to the position where the aerial image RIM is formed. Therefore, since the eyeball vergence for recognizing a solid matches the focal length, it becomes possible to easily recognize a realistic stereoscopic image, and the eyeball can be recognized by performing stereoscopic image recognition in the same way as normal object recognition. The fatigue feeling can be reduced.
[0207]
The position detection unit 148 includes an infrared lamp 148a that is an infrared irradiation unit that irradiates infrared light disposed at the peripheral portion of the aerial image forming lens 147, and an infrared detection unit 148b that detects infrared light. The infrared detector 148b detects the infrared light irradiated to the viewer by the infrared lamp 148a. Since the viewer's irradiation is performed with infrared light, the observer cannot perceive the brightness of the illumination light, and the visibility of the aerial image is not reduced by the irradiation with infrared light.
[0208]
Next, with reference to FIG. 32, polarization for irradiating the left-eye image and the right-eye image displayed on the liquid crystal display 141 with light transmitted through the left-eye region 144L and the right-eye region 144R of the divided liquid crystal shutter 144, respectively. Direction control will be described.
[0209]
In this embodiment, instead of the left-eye polarizing filter 63L and the right-eye polarizing filter 63R in the sixth embodiment described above, the backlight device 142 irradiates using the polarizing filter 143 and the divided liquid crystal shutter 144. The light is converted into two types of linearly polarized light whose polarization directions are orthogonal to each other.
[0210]
In the divided liquid crystal shutter 144, the area ratio of the left eye region 144L in which the TN liquid crystal is ON and the right eye region 144R in which the TN liquid crystal is OFF is determined according to the position of the viewer detected by the position detection unit 148. The The non-polarized light emitted from the backlight device 142 passes through the polarizing filter 143 and becomes linearly polarized light in one direction. The light that has passed through the polarizing filter 143 reaches the illumination lens 145 while maintaining the polarization direction when transmitted through the left-eye region 144L, and the polarization direction rotates 90 degrees when transmitted through the right-eye region 144R. Thus, the illumination lens 145 is reached.
[0211]
Since the light transmitted through the left-eye region 144L and the right-eye region 144R is linearly polarized light whose polarization directions are orthogonal to each other, the left-eye region 144L is moved by the operation of the spatial division filter 146 as in the sixth embodiment described above. The left eye image is irradiated with the transmitted light, and the right eye image is irradiated with the light transmitted through the right eye region 144R. The configuration and operation of the space division filter 146 are the same as those described with reference to FIGS. 19 to 21 in the sixth embodiment.
[0212]
By changing the area ratio of the left-eye region 144L and the right-eye region 144R, the positions of the left-eye region 144L and the right-eye region 144R with respect to the optical axis center of the aerial image forming lens 147 change, so that the aerial image RIM is formed. The imaged position also varies from the center of the optical axis of the aerial image forming lens 147, and the direction in which the viewer can visually recognize the aerial image RIM as a three-dimensional image also changes with the tilt.
[0213]
Next, a method and configuration for changing the image formation position of the aerial image RIM using the position detection unit 148 and the divided liquid crystal shutter 144 will be described with reference to FIG. As described above, the position detection unit 148 includes the infrared lamp 148a and the infrared detection unit 148b, and the infrared lamp 148a irradiates the viewer with infrared light and is reflected by the viewer's face. Infrared light is detected by the infrared detecting means 148b. In the present embodiment, the infrared detection means 148b is disposed above the divided liquid crystal shutter 144, and the infrared light data detected by the infrared detection means 148b is sent to the signal processing circuit 148c. The result of the infrared light data processing by the signal processing circuit 148c is transmitted to the liquid crystal shutter control circuit 148d, and the liquid crystal shutter control circuit 148d changes the ON region and the OFF region of the TN liquid crystal of the divided liquid crystal shutter 144 to change the left eye. The area ratio between the region for use 144L and the region for right eye 144R is controlled.
[0214]
Infrared light is reflected from the face of the viewer irradiated with infrared rays by the infrared lamp 148a, and a part of the infrared light reflected by the face of the viewer is incident on the aerial image forming lens 147, and the aerial image is reflected. The light passes through the imaging lens 147, the liquid crystal display 141, the space division filter 146, and the illumination lens 145 to reach the infrared detection means 148b. The infrared detection means 148b measures the intensity distribution of the infrared light that is reflected by the viewer's face and sends the measurement result to the signal processing circuit 148c. The signal processing circuit 148c sets the position where the infrared intensity detected by the infrared detecting means 148b is the maximum as the polarization boundary, and transmits the information on the polarization boundary to the liquid crystal shutter control circuit 148d. The liquid crystal shutter control circuit 148d separates the ON region and the OFF region of the TN liquid crystal with the position corresponding to the polarization boundary as the boundary.
[0215]
The position where the intensity of the infrared light detected by the infrared detecting means 148b is maximum is considered to be detecting the infrared light reflected by the center of the viewer's face. In addition, the light emitted from the backlight device 142 passes through the divided liquid crystal shutter 144 and then travels in the reverse direction of the infrared ray reflected from the viewer and reaching the infrared detecting means. The light transmitted through the left eye region 144L separated into the left and right reaches the viewer's left eye, and the light transmitted through the right eye region 144R reaches the viewer's right eye. Therefore, even when the position of the viewer's face fluctuates from the center of the optical axis of the aerial image forming lens 147, the irradiation and detection of the infrared light and the TN liquid crystal By controlling ON and OFF, the left-eye image and the right-eye image can be visually recognized respectively by the viewer's left and right eyes.
[0216]
The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, in the above-described third embodiment, the light shielding plate is not described. However, the present invention is not limited to the case where a transmissive optical element is used. You may make it provide suitably the light-shielding plate for light-shielding light and light-shielding the external light reflected by the display screen of a housing | casing, a polarization | polarized-light output display, etc.
[0217]
Further, the present invention can appropriately combine the features of the plurality of embodiments described above within a possible range.
[0218]
Thus, it goes without saying that the present invention can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention.
[0219]
【The invention's effect】
As described above in detail, the aerial image display device according to the present invention can avoid the situation where the viewer can grasp the presence of the optical member by dimming the external light incident from the outside. As a result, it is possible to clearly display an aerial image excellent in realism.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side cross-sectional view illustrating a configuration of an aerial image display device shown as a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the function of a half-wave plate, (A) shows the polarization direction of incident light and outgoing light when the half-wave plate is viewed from the front direction; B) is a diagram showing the polarization directions of incident light and outgoing light when the half-wave plate is viewed from an oblique direction.
FIG. 3 is a diagram for explaining the function of a quarter-wave plate, and shows the polarization directions of incident light and outgoing light when viewed from an oblique direction when two quarter-wave plates are stacked; It is.
4A and 4B are diagrams illustrating a vibration waveform of incident light, where FIG. 4A illustrates a vibration waveform of a y-direction component, and FIG. 4B illustrates a vibration waveform of an x-direction component.
5A and 5B are diagrams for explaining a vibration waveform of outgoing light that has passed through a quarter-wave plate. FIG. 5A shows a vibration waveform of a y-direction component, and FIG. 5B shows a vibration waveform of an x-direction component. FIG.
FIG. 6 is a side sectional view for explaining the configuration of the aerial image display device, and for explaining the path of external light.
FIG. 7 is a side cross-sectional view illustrating another configuration of the aerial image display device.
FIG. 8 is a side view of a plano-convex lens coated with metal.
FIG. 9 is a side view of a reflective Fresnel lens.
FIG. 10 is a side cross-sectional view illustrating the configuration of an aerial image display device shown as a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a side cross-sectional view for explaining the configuration of the aerial image display device, for explaining the path of external light.
FIG. 12 is a side cross-sectional view illustrating a configuration of an aerial image display device shown as a third embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a side cross-sectional view for explaining the configuration of the aerial image display device, and for explaining the path of external light.
FIG. 14 is a side cross-sectional view illustrating a configuration of an aerial image display device as an example in which members constituting a light reduction unit are arranged in parallel to each other.
FIG. 15 is a side cross-sectional view illustrating the configuration of an aerial image display device shown as a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a side cross-sectional view illustrating a configuration of an aerial image display device as an example in which an optical system is not provided on a display screen of a polarization output display.
FIG. 17 is a side cross-sectional view illustrating a configuration of an aerial image display device shown as a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a side cross-sectional view illustrating the configuration of an aerial image display device shown as a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a schematic perspective view showing a relationship between an example of the structure of the space division filter shown in FIG. 18 and the polarization directions of the left-eye polarizing filter and the right-eye polarizing filter.
20 is a schematic diagram for explaining the transmission and blocking of light by the space division filter shown in FIG. 19. FIG. 20 (a) shows the path of light incident on the viewer's left eye, and FIG. 20 (b). Indicates the path of light incident on the viewer's right eye.
FIG. 21 is a block diagram illustrating a parallax image signal generation system for alternately displaying a left-eye image and a right-eye image for each horizontal line of a liquid crystal display.
FIG. 22 is a side cross-sectional view illustrating the configuration of an aerial image display device shown as a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a cross-sectional view of an aerial image display device as a seventh embodiment of the present invention as viewed from the viewer side.
FIG. 24 is a side cross-sectional view illustrating a configuration of an aerial image display device shown as an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a side cross-sectional view illustrating a configuration of an aerial image display device shown as a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a graph showing driving signals of a liquid crystal display, a left-eye backlight device, and a right-eye backlight device.
FIG. 27 is a graph of another example showing drive signals of a liquid crystal display, a left-eye backlight device, and a right-eye backlight device.
FIG. 28 is a side cross-sectional view illustrating the configuration of an aerial image display device as a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 29 is a side cross-sectional view illustrating the configuration of an aerial image display device shown as an eleventh embodiment of the present invention.
FIG. 30 is a side cross-sectional view illustrating a configuration of an aerial image display device shown as a twelfth embodiment of the present invention.
FIG. 31 is a side cross-sectional view illustrating a configuration of an aerial image display device shown as a thirteenth embodiment of the present invention.
FIG. 32 is a schematic diagram illustrating the control of the polarization direction for irradiating the image for the left eye and the image for the right eye displayed on the liquid crystal display with light transmitted through the left eye region and the right eye region of the divided liquid crystal shutter, respectively. It is.
FIG. 33 is a schematic diagram illustrating a method and a configuration for changing the imaging position of an aerial image using a position detection unit and a divided liquid crystal shutter.
FIG. 34 is a side sectional view for explaining the configuration of a system using a conventional transmissive optical element.
FIG. 35 is a diagram illustrating a state in which an image in which the periphery of an object is black is displayed as an example of a display image displayed on the display device included in the system illustrated in FIG.
36 is a diagram for explaining a state in which an aerial image is displayed based on the display image shown in FIG. 35. FIG.
FIG. 37 is a side sectional view for explaining the configuration of a system using a conventional reflective optical element.
FIG. 38 is a diagram illustrating a configuration for viewing a conventional stereoscopic display, and illustrates an example in which glasses are required for stereoscopic viewing.
FIG. 39 is a schematic diagram illustrating a principle of visually recognizing a stereoscopic image on the stereoscopic display illustrated in FIG.
40 is a graph showing a driving method of the stereoscopic display and the liquid crystal shutter glasses shown in FIG. 39. FIG.
FIG. 41 is a schematic diagram illustrating eyeball convergence and focus adjustment for a viewer to view a stereoscopic image on a conventional stereoscopic display.
FIG. 42 is a schematic diagram showing a light emission direction in a conventional stereoscopic display and a light irradiation direction necessary for a viewer to recognize.
FIG. 43 is a side sectional view showing a relationship between a configuration of a stereoscopic display using a conventional concave mirror and an optical axis.
[Explanation of symbols]
10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 110, 120, 130 Aerial image display device
11, 31 Polarization output display
12, 32 First circularly polarizing element
13, 73, 125 Concave mirror
13 'Reflective Fresnel Lens
14, 21, 74, 85, 115 Half mirror
15, 34 Second circularly polarizing element
16, 22, 35, 76, 128, 143 Polarizing filter
17, 77 Shading plate
23 neutral density filter
33 Transmission lens
51 Plano-convex lens
61, 91, 111, 121, 141 liquid crystal display
61B Linear Polarizer
62R, 82R, 92R, 112R, 122R Right-eye backlight device
62L, 82L, 92L, 112L, 122L Backlight device for left eye
63R Polarizing filter for right eye
63L Polarizing filter for left eye
64, 94, 114, 124, 145 Lens for illumination
65,146 Spatial division filter
65L Polarization direction rotating part
65N Polarization direction non-rotating part
65B linear polarizer
66, 86, 96, 116, 147 Aerial image forming lens
67 Information processing means
68R right scan converter
68L left scan converter
69 Signal switching circuit
72, 75, 123, 126, 127 Circularly polarizing elements
81R LCD for right eye
81L LCD for left eye
84R Right-eye illumination lens
84L Left-eye illumination lens
131 Concave half mirror
142 Backlight device
144 Split LCD shutter
144R Right eye area
144L Left eye area
148 Position detector
148a Infrared lamp
148b Infrared detection means
148c signal processing circuit
148d LCD shutter control circuit
MRIM intermediate real image
EYE eyeball
RIM aerial statue
RIM ', RIM''ghost image

Claims (3)

光を透過して画像を表示する透過型の画像表示手段と、該画像表示手段に透過光を照射する背面光源と、上記背面光源と上記画像表示手段との間に配置され、互いに偏光方法が異なる第一の偏光領域と第二の偏光領域とを含み、該第一の偏光領域と第二の偏光領域の面積を可変とする偏光領域制御フィルターと、上記第一の偏光領域を透過した光で上記第一の画像を表示させ、上記第二の偏光領域を透過した光で上記第二の画像を表示させる分割フィルターと、を有し、第一の画像および第二の画像を投影して両眼視差を有する画像を提示する視差表示部と、
上記視差表示部と一つの光軸上に配置され、上記視差表示部から出射された光線を空中像として結像させて空中像を表示する空中像結像部と、
鑑賞者に対して赤外線を照射する赤外照射手段と、前記鑑賞者で反射された前記赤外線を検出する赤外光検出手段とによって、上記鑑賞者と上記空中結像部との位置関係を検出する位置検出部と、
上記位置検出部が検出した上記鑑賞者の位置に応じて、上記第一の偏光領域と上記第二の偏光領域との面積を変化させることにより、上記視差表示部が上記第一の画像および上記第二の画像を表示する位置を変更する表示位置変更手段と、を備える
空中像表示装置。 A transmissive image display means that transmits light and displays an image; a back light source that irradiates the image display means with transmitted light; and a light source that is disposed between the back light source and the image display means. A polarizing region control filter including different first polarizing regions and second polarizing regions, wherein the areas of the first polarizing region and the second polarizing region are variable, and light transmitted through the first polarizing region A split filter that displays the first image and displays the second image with light transmitted through the second polarization region, and projects the first image and the second image. A parallax display unit that presents an image having binocular parallax;
Disposed thereon Symbol parallax display unit and one on the optical axis, and the aerial image formed portion is imaged to view the aerial image light rays emitted from the parallax display unit as an aerial image,
The positional relationship between the viewer and the aerial imaging unit is detected by infrared irradiation means for irradiating the viewer with infrared light and infrared light detection means for detecting the infrared light reflected by the viewer. A position detector to
The parallax display unit changes the areas of the first polarization region and the second polarization region according to the position of the viewer detected by the position detection unit, so that the parallax display unit can An aerial image display device comprising: display position changing means for changing a position for displaying the second image . 上記分割フィルターは、
偏光方向を変化させて光を透過する偏光方向回転部と、
偏光方向を変化させずに光を透過する偏光方向非回転部と、
所定の偏光方向の光のみを透過する第三の偏光板とを備える請求項１記載の空中像表示装置。The above split filter is
A polarization direction rotating unit that changes the polarization direction and transmits light;
A polarization direction non-rotating part that transmits light without changing the polarization direction;
Aerial image display apparatus according to claim 1, further comprising a third polarizing plate that transmits only light of a predetermined polarization direction. 上記赤外線検出手段が上記偏光領域制御フィルターの上記鑑賞者側に配置され、
上記偏光領域制御フィルターが、上記赤外線検出手段が検出した赤外線の強度が最大となる位置を上記第一の偏光領域と上記第二の偏光領域の境界とする請求項１記載の空中像表示装置。The infrared detection means is disposed on the viewer side of the polarization region control filter;
The aerial image display device according to claim 1, wherein the polarizing region control filter uses a position where the intensity of infrared light detected by the infrared detecting means is maximum as a boundary between the first polarizing region and the second polarizing region.
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