WO2021153468A1 - 画像表示装置 - Google Patents

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WO2021153468A1
WO2021153468A1 PCT/JP2021/002342 JP2021002342W WO2021153468A1 WO 2021153468 A1 WO2021153468 A1 WO 2021153468A1 JP 2021002342 W JP2021002342 W JP 2021002342W WO 2021153468 A1 WO2021153468 A1 WO 2021153468A1
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image
display device
unit
image display
beam splitter
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PCT/JP2021/002342
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French (fr)
Inventor
洋一 尾形
Original Assignee
株式会社小糸製作所
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Publication date
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    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/208—Filters for use with infrared or ultraviolet radiation, e.g. for separating visible light from infrared and/or ultraviolet radiation

Definitions

  • This disclosure relates to an image display device.
  • an instrument panel that lights and displays an icon has been used. Further, as the amount of information to be displayed increases, it has been proposed to embed an image display device in the instrument panel or to configure the entire instrument panel by the image display device.
  • HUD Head Up Display
  • an optical device for projecting an image onto a wide range of the windshield is required, and it is desired to reduce the size and weight of the optical device.
  • a glasses-shaped head-mounted HUD As an image display device that projects light using a small optical device, a glasses-shaped head-mounted HUD is known (see, for example, Patent Document 2).
  • the head-mounted HUD directly irradiates the user's eyes with the light emitted from the light source and projects the image onto the user's retina.
  • the image formation position of the image (aerial image) formed in the air is fixed in the field of view of the viewer.
  • the degree of freedom of the display position was low.
  • the aerial image may be displayed at an inappropriate position depending on the intended use of the user and the preference of each individual, and it is difficult to provide an appropriate image viewing experience.
  • An object of the present disclosure is to provide an image display device capable of changing the position of an image to be imaged in space and improving the degree of freedom of the display position.
  • the image display device of the present disclosure has a rotation center of a fulcrum, a first image projection unit that irradiates the first image, an imaging optical unit that images the first image at a first distance and incidents it on a user's viewpoint. It is characterized by having a rotation support portion that rotatably holds the imaging optical portion.
  • the position of the first image to be imaged in space can be changed and displayed by rotating the imaging optical unit held by the rotation support portion around the fulcrum. It is possible to improve the degree of freedom of position.
  • an image display device capable of changing the position of an image to be imaged in space and improving the degree of freedom of the display position.
  • FIG. 1 is a plan view showing an image display device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a side view showing an image display device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an image display device according to the first embodiment.
  • FIG. 4A is a side view showing an image display device in a modified example.
  • FIG. 4B is a diagram showing how ultraviolet light and infrared light are cut in the image display device in the modified example.
  • FIG. 5 is a plan view showing an image display device according to the second embodiment.
  • FIG. 6 is a side view showing an image display device according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view showing an image display device according to the second embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic plan view showing the configuration of the image display device 100 according to the present embodiment.
  • the image display device 100 includes beam splitters BS1 and BS2, retroreflective units RR1 and RR2, a dichroic mirror DM, a first image projection unit S1, a second image projection unit S2, and rotation support. It has a part ARM.
  • the user views the first image A1 projected from the first image projection unit S1 and the second image projection unit S2 and the second image A2 at different distances from the viewpoint e in the depth direction.
  • the user includes a viewer.
  • the left-right direction of the paper surface is the depth direction.
  • the vertical direction of the paper surface orthogonal to the depth direction is defined as the horizontal direction.
  • the direction orthogonal to the depth direction and the lateral direction is defined as the vertical direction.
  • the "depth direction” is a direction including the "forward direction” and the "backward direction”.
  • the "lateral direction” is a direction including "left direction” and "right direction”.
  • the "vertical direction” is a direction including "upward” and "downward".
  • Reference numeral U shown in the drawings described below indicates an upward direction.
  • Reference numeral D indicates a downward direction.
  • Reference numeral F indicates a forward direction.
  • Reference numeral B indicates a backward direction.
  • the symbol L indicates the left direction.
  • the symbol R indicates the right direction.
  • the left and right are expressed toward the depth direction, which is the line-of-sight direction from the viewpoint e, but the horizontal direction and the vertical direction are for expressing the positional relationship in FIG. 1, and the top, bottom, left, and right are changed. May be good.
  • the beam splitter BS1 is a member that transmits a part of the incident light and reflects a part of it.
  • a partial reflector on which a film for adjusting the reflectance is formed may be used on the surface of the beam splitter BS1.
  • the beam splitter BS1 is arranged so as to have an angle of 45 degrees with respect to the lateral direction and the depth direction. Further, the beam splitter BS1 is arranged so as to be inclined by 45 degrees with respect to the optical axis of the light emitted from the first image projection unit S1 and the second image projection unit S2.
  • the beam splitter BS2 is a member that transmits a part of the incident light and reflects a part of it.
  • a partial reflector on which a film for adjusting the reflectance is formed may be used on the surface of the beam splitter BS2.
  • the beam splitter BS2 is arranged so as to be inclined at an angle of 45 degrees with respect to the lateral direction and the depth direction. Further, the beam splitter BS2 is arranged so as to be inclined by 45 degrees with respect to the optical axis of the light emitted from the first image projection unit S1 and the second image projection unit S2. At this time, the beam splitter BS1 and the beam splitter BS2 are arranged to face each other so as to intersect each other at an angle of 90 degrees.
  • the light transmittance and the reflectance of the beam splitters BS1 and BS2 can be selected in any balance.
  • both the beam splitters BS1 and BS2 have a transmittance of 50% and a reflectance of 50%.
  • the beam splitters BS1 and BS2 are arranged so as to be inclined at 45 degrees with respect to the optical axis of the light emitted from the first image projection unit S1 and the second image projection unit S2, and the beam.
  • the splitters BS1 and BS2 are arranged so as to be orthogonal to each other.
  • the arrangement of the beam splitters BS1 and BS2 is not limited to this embodiment, and an appropriate angle is used from the relationship between the light irradiation direction from the first image projection unit S1 and the second image projection unit S2 and the image formation position of the image. be able to.
  • the beam splitters BS1 and BS2 of the present embodiment are plate-shaped beam splitters, but are cube-shaped beams formed by joining the slopes of two right-angled prisms so as to sandwich a film for adjusting the reflectance. It may be a splitter.
  • the retroreflective units RR1 and RR2 are optical members that reflect the incident light with respect to the incident direction.
  • a structure in which minute glass beads are spread on the surface side of the reflective film or a structure using a prism may be used.
  • the retroreflective unit RR1 is arranged to the right of the beam splitter BS2.
  • the retroreflective surface of the retroreflective unit RR1 is perpendicular to the lateral direction.
  • the retroreflective unit RR2 is arranged in the depth direction alongside the beam splitters BS1 and BS2.
  • the retroreflective surface of the retroreflective unit RR2 is perpendicular to the depth direction.
  • the dichroic mirror DM is an optical member that reflects light of a specific wavelength and transmits light of other wavelengths.
  • the dichroic mirror DM is arranged to the left of the retroreflective portion RR1 and the beam splitter BS2, and is inclined so as to have an angle of 45 degrees in the depth direction.
  • a dichroic mirror DM that reflects the wavelength of the light emitted from the first image projection unit S1 and the second image projection unit S2 and transmits other visible light is used.
  • the dichroic mirror DM constitutes the imaging optical unit in the present disclosure. ..
  • an imaging lens may be arranged between the beam splitter BS2 and the dichroic mirror DM as a part of the imaging optical system.
  • the imaging lens is an optical member for forming an image of light transmitted through the beam splitter BS2 at a predetermined position in space. Further, a plurality of lens groups may be used as the imaging lens.
  • the first image projection unit S1 and the second image projection unit S2 are devices that irradiate light that constitutes an image, respectively, with respect to a predetermined distance from the user's eye (viewpoint e) via the imaging optical unit. Project the image.
  • the first image projection unit S1 is arranged to the right of the beam splitter BS1 and irradiates light laterally to one surface of the beam splitter BS1 (the surface facing the beam splitter BS2).
  • the second image projection unit S2 is arranged in the rear direction with respect to the beam splitters BS1 and BS2 and the retroreflective unit RR2, and is in the depth direction with respect to the other surface of the beam splitter BS1 (the surface opposite to the beam splitter BS2). Is radiated with light.
  • the configurations of the first image projection unit S1 and the second image projection unit S2 are not limited.
  • the first image projection unit S1 and the second image projection unit S2 are a liquid crystal display device provided with a backlight and a self-luminous organic EL. It may be a display device, a projector device using a light source and a modulation element, or the like.
  • the images projected by the first image projection unit S1 and the second image projection unit S2 may be still images or moving images, and the images projected by each may be the same or different.
  • each of the first image projection unit S1 and the second image projection unit S2 may be provided with an optical member such as a lens.
  • the rotation support unit ARM is a member that supports the beam splitters BS1 and BS2, the retroreflective parts RR1 and RR2, and the dichroic mirror DM included in the imaging optical unit while maintaining a relative positional relationship, and rotates around a fulcrum as a rotation center. It is a member provided as possible. In this embodiment, an example is shown in which the first image projection unit S1 and the second image projection unit S2 are also held by the rotation support unit ARM.
  • the rotation support unit ARM maintains the relative positional relationship between the beam splitters BS1 and BS2, the retroreflective units RR1 and RR2, the dichroic mirror DM, and the first image projection unit S1 and the second image projection unit S2. It is configured to be rotatable. Therefore, the rotation support ARM needs to be made of a material having a certain degree of rigidity.
  • the specific material and shape constituting the rotation support ARM are not limited, but for example, metal, resin, paper, or the like may be used.
  • the light emitted from the first image projection unit S1 reaches the beam splitter BS2 after being reflected by the beam splitter BS1. Further, the light emitted from the second image projection unit S2 passes through the beam splitter BS1 and then reaches the beam splitter BS2.
  • the beam splitter BS1 By passing through the beam splitter BS1, the light emitted by the first image projection unit S1 and the light emitted by the second image projection unit S2 are incident on the beam splitter BS2 at the same incident angle. That is, after passing through the beam splitter BS1, the optical axis of the light irradiated by the first image projection unit S1 and the optical axis of the light irradiated by the second image projection unit S2 are aligned in parallel. That is, the beam splitter BS1 functions as an optical axis alignment unit.
  • a part of the light that has reached the beam splitter BS2 is reflected and travels to the retroreflective section RR1, is rereflected by the retroreflective section RR1, and reincidents on the beam splitter BS2.
  • the light re-entering the beam splitter BS2 passes through the beam splitter BS2, is reflected by the dichroic mirror DM, and is imaged as the first image A1 and the second image A2.
  • the light imaged as the first image A1 and the second image A2 reaches the user's eyes.
  • the remaining part of the light that has reached the beam splitter BS2 is transmitted and travels to the retroreflective section RR2, is rereflected by the retroreflective section RR2, and reincidents on the beam splitter BS2.
  • the light re-entering the beam splitter BS2 is reflected by the beam splitter BS2 and reflected by the dichroic mirror DM to form an image as the first image A1 and the second image A2.
  • the retroreflective unit RR1 and the retroreflective unit RR2 As shown in FIG. 1, by using the retroreflective unit RR1 and the retroreflective unit RR2, the light retroreflected by the retroreflective unit RR2 is also reflected by the beam splitter BS2 and reaches the dichroic mirror DM, and the first Images are formed as the image A1 and the second image A2. Therefore, since the light transmitted through the beam splitter BS2 and the reflected light are used for imaging the first image A1 and the second image A2, the decrease in the amount of light is suppressed.
  • the light retroreflected by the retroreflective unit RR1 and the light retroreflected by the retroreflective unit RR2 are images of the same content branched by the beam splitter BS2, and reach the dichroic mirror DM by superimposing them on each other.
  • the distance from the retroreflective unit RR1 to the beam splitter BS2 and the distance from the retroreflective unit RR2 to the beam splitter BS2 Is preferably equal.
  • the user can see that the light forming the first image A1 and the second image A2 is incident on the visual field range of the same user and is located at different positions in the depth direction at the first distance and the second distance.
  • the first image A1 and the second image A2 can be visually recognized.
  • the transmission plate WB that transmits the light from the background is arranged in the line-of-sight direction from the user's viewpoint e
  • the transmission plate WB and the dichroic mirror DM are transmitted to visually recognize the background and connect to the air.
  • the imaged first image A1 and second image A2 can be visually recognized.
  • Specific examples of the transparent plate WB include a display surface of a head-up display, a windshield of a vehicle, a shield of a helmet, and the like. Further, an image may be displayed on these transparent plates WB using another display device.
  • FIG. 2 is a schematic side view showing the configuration of the image display device 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view showing the configuration of the image display device 100 according to the present embodiment.
  • the rotation support unit ARM holds at least the dichroic mirror DM included in the imaging optical unit, and can rotate in the vertical direction within an angle range of ⁇ with the fulcrum F as the rotation center. be.
  • ⁇ is an angle at which the dichroic mirror DM is rotated up and down by rotating the rotation support portion ARM up and down, assuming that the dichroic mirror DM is horizontal.
  • the direction when ⁇ is 0 degrees (that is, when it is horizontal) is hereinafter referred to as the front center direction.
  • FIGS. 2 and 3 show an example in which the rotation support portion ARM is rotated downward from the front center direction as an angle ⁇ , it may be rotated upward.
  • the beam splitters BS1 and BS2 shown in FIG. 1, the retroreflective portions RR1 and RR2, and the dichroic mirror DM maintained a relative positional relationship. It rotates by the angle ⁇ as it is. Therefore, the imaging positions of the first image A1 and the second image A2 irradiated from the first image projection unit S1 and the second image projection unit S2 in the air also fluctuated by an angle ⁇ in the same manner as the rotation of the rotation support unit ARM. It becomes the position. As a result, the user visually recognizes the aerial images of the first image A1 and the second image A2 in the direction displaced by the angle ⁇ from the front center direction.
  • the range of the angle ⁇ is preferably a range of 25 degrees up and down (-25 ° ⁇ ⁇ ⁇ 25 °) with respect to the front center direction from the viewer's viewpoint e. If the angle ⁇ is larger than ⁇ 25 °, the amount of movement of the line of sight for visually recognizing the aerial images of the first image A1 and the second image A2 becomes large, and it is difficult to maintain comfort in the superimposed display with the background. It becomes.
  • the distance from the fulcrum F of the rotation support part ARM to the dichroic mirror DM which is the imaging optical part and the distance from the viewpoint e to the dichroic mirror DM are about the same. Further, it is preferable that the fulcrum F and the viewpoint e are at the same position in the depth direction. As a result, the path of the light reflected by the dichroic mirror DM and traveling in the direction of the viewpoint e is displaced at the same degree as the rotation angle ⁇ of the rotation support portion ARM. Therefore, the rotation of the rotation support portion ARM and the displacement of the imaging positions of the first image A1 and the second image A2 are linked, and the imaging position of the first image A1 and the second image A2 can be changed intuitively. Can be realized with.
  • the dichroic mirror DM If the dichroic mirror DM is translated in the vertical or horizontal direction, the distance and relative angle of the dichroic mirror DM as seen from the viewpoint e will change. In this case, the path of the light reflected by the dichroic mirror DM is different from that shown in FIG. 1, and the display contents of the first image A1 and the second image A2 are different from those before the position change.
  • the movement of the dichroic mirror DM is not a parallel movement in the vertical direction, but a rotational movement around the fulcrum F.
  • the relative positional relationship and angle relationship of the imaging optical unit for forming the first image A1 and the second image A2 are maintained as shown in FIG. 1, and the first image A1 and the second image A1 and the second image A2 are maintained.
  • the image formation position of the image A2 is maintained at a distance from the viewpoint e, and the display content of the aerial image can be maintained regardless of the rotation of the rotation support portion ARM.
  • the dichroic mirror DM held by the rotation support portion ARM rotates around the fulcrum F.
  • the positions of the first image A1 and the second image A2 to be imaged in space can be changed, and the degree of freedom of the display position can be improved.
  • the rotation support unit ARM of the image display device 100 is supported by maintaining not only the imaging optical unit but also the image projection units S1 and S2.
  • the rotation support unit ARM rotates about the fulcrum F, it rotates by the same angle as the rotation support unit ARM while maintaining the relative positional relationship between the imaging optical unit and the image projection units S1 and S2. Therefore, even if the rotation support portion ARM rotates, the distances from the user's viewpoint e to the first image A1 and the second image A2 are maintained. Therefore, the display position can be changed by rotating the rotation support portion ARM while maintaining the display content of the aerial image.
  • FIG. 4 is a diagram showing a modified example of the image display device 100
  • FIG. 4A is a schematic side view
  • FIG. 4B is a diagram schematically showing a cut of ultraviolet light and infrared light.
  • the imaging positions of the first image A1 and the second image A2 are moved upward from the front center direction by rotating the rotation support portion ARM of the image display device 100 shown in FIG. 1 upward. I'm letting you.
  • the user in order for the viewer to visually recognize the aerial images of the first image A1 and the second image A2, the user needs to move his / her line of sight upward.
  • the image display device 100A of this modified example the dichroic mirror DM constituting the imaging optical unit is combined with the wavelength filter FL to cut unnecessary external light.
  • the wavelength filter FL is an optical member that cuts ultraviolet light and / and infrared light.
  • a known film structure may be used for the wavelength film FL.
  • FIGS. 4A and 4B show an example in which the dichroic mirror DM and the wavelength filter FL are separately configured, they may be combined and integrally formed. Further, the dichroic mirror DM may be configured to reflect ultraviolet light and / or infrared light, and the dichroic mirror DM may also serve as a wavelength filter FL.
  • the wavelength filter FL cuts or reflects the ultraviolet light and the infrared light, so that the ultraviolet light reaches the viewpoint e. Infrared light does not reach.
  • the rotation support portion ARM is rotated upward, it is possible to prevent ultraviolet light or infrared light from the outside world from directly incident on the viewer's viewpoint e and protect the viewer's eyes. ..
  • FIG. 5 is a plan view showing the configuration of the image display device 200 according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a side view showing the configuration of the image display device 200 according to the present embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the configuration of the image display device 200 according to the embodiment.
  • the image display device 200 includes beam splitters BS1, BS2, BS3, retroreflective units RR1 and RR2, a dichroic mirror DM, a first image projection unit S1, and a second image projection.
  • a unit S2, a third image projection unit S3, and a rotation support unit ARM are provided.
  • the beam splitter BS3 is a member that transmits a part of the incident light and reflects a part of it. On the surface of the beam splitter BS3, a partial reflector on which a film for adjusting the reflectance is formed may be used.
  • the beam splitter BS3 is arranged so as to be inclined at an angle of 45 degrees with respect to the lateral direction and the depth direction. At this time, the tilting direction of the beam splitter BS3 and the tilting direction of the beam splitter BS1 are the same as each other. That is, the beam splitter BS3 is arranged parallel to the beam splitter BS1.
  • the third image projection unit S3 is a device that irradiates the light that constitutes the image, and projects the image from the viewer's eyes (viewpoint e) at a predetermined distance.
  • the second image projection unit S2 is arranged to the right of the beam splitter BS3, and irradiates light laterally to one surface of the beam splitter BS3 (the surface facing the beam splitter BS1).
  • the third image projection unit S3 is arranged in the rear direction with respect to the beam splitter BS1, BS2, BS3 and the retroreflection unit RR2, and is relative to the other surface of the beam splitter BS3 (the surface opposite to the beam splitter BS1). Illuminate light in the depth direction.
  • the rotation support unit ARM is a member that supports the beam splitters BS1, BS2, BS3, the retroreflective parts RR1, RR2, and the dichroic mirror DM included in the imaging optical unit while maintaining a relative positional relationship, and rotates the fulcrum F. It is a member rotatably provided as a center. In this embodiment, an example is shown in which the first image projection unit S1, the second image projection unit S2, and the third image projection unit S3 are also held by the rotation support unit ARM.
  • the light emitted from the second image projection unit S2 is reflected by the beam splitter BS3, then passes through the beam splitter BS1 and reaches the beam splitter BS2. Further, the light emitted from the third image projection unit S3 passes through the beam splitter BS3 and the beam splitter BS1 and then reaches the beam splitter BS2. By passing through the beam splitter BS3, the light emitted by the second image projection unit S2 and the light emitted by the third image projection unit S3 are incident on the beam splitter BS2 at the same incident angle.
  • the beam splitter BS3 functions as an optical axis alignment unit.
  • the light incident on the beam splitter BS1 enters the dichroic mirror DM in the same path as in the first embodiment, and forms an aerial image as the first image A1, the second image A2, and the third image A3 in the air.
  • the number of aerial images formed in the air can be added by adding the beam splitter BS3 and the third image projection unit S3.
  • FIGS. 5 to 7 show an example in which three aerial images are imaged using three image projection units, the number of images can be further increased by increasing the number of beam splitters and image projection units.
  • the dichroic mirror DM held by the rotation support portion ARM rotates around the fulcrum F.
  • the positions of the first image A1 to the third image A3 to be imaged in space can be changed, and the degree of freedom of the display position can be improved.

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Abstract

画像表示装置（１００）は、第１画像（Ａ１）を照射する第１画像投影部（Ｓ１）と、第１画像（Ａ１）を第１距離に結像させて視聴者の視点（ｅ）に入射させる結像光学部と、支点（Ｆ）を回転中心として結像光学部を回動可能に保持する回転支持部（ＡＲＭ）とを有する。

Description

画像表示装置
　本開示は、画像表示装置に関する。
　従来から、車両内に各種情報を表示する装置として、アイコンを点灯して表示する計器盤が用いられている。また、表示する情報量の増加とともに、計器盤に画像表示装置を埋め込むことや、計器盤全体を画像表示装置によって構成することが提案されている。
　計器盤は車両のフロントガラスより下方に位置しているため、計器盤に表示された情報を運転者が視認するには、運転中に視線を下方に移動させる必要があるため好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、運転者が車両の前方を視認したときに情報を読み取れるようにするヘッドアップディスプレイ（以下ＨＵＤ：Ｈｅａｄ　Ｕｐ　Ｄｉｓｐｌａｙ）が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。このようなＨＵＤでは、フロントガラスの広い範囲に画像を投影するための光学装置が必要であり、光学装置の小型化および軽量化が望まれている。
　小型の光学装置を用いて光を投影する画像表示装置としては、メガネ形状をしたヘッドマウント型のＨＵＤが知られている（例えば、特許文献２を参照）。ヘッドマウント型のＨＵＤは、光源から照射された光をユーザーの眼に直接照射して、ユーザーの網膜に画像を投影している。
日本国特開２０１８－１１８６６９号公報 日本国特表２０１８－５２８４４６号公報
　しかし、従来のヘッドマウント型ＨＵＤでは、背景と画像とを重ね合わせて表示することはできるものの、空中に結像した画像（エアリアルイメージ）の結像位置が視聴者の視野内において固定されており、表示位置の自由度が低かった。これにより、ユーザーの使用用途や各個人の好みによっては、不適切な位置にエアリアルイメージが表示される場合があり、適切な画像視認体験の提供が困難であった。
　本開示は、空間中に結像させる画像の位置を変更可能で、表示位置の自由度を向上させることが可能な画像表示装置を提供することを目的とする。
　本開示の画像表示装置は、第１画像を照射する第１画像投影部と、前記第１画像を第１距離に結像させてユーザーの視点に入射させる結像光学部と、支点を回転中心として前記結像光学部を回動可能に保持する回転支持部を有することを特徴とする。
　このような本開示の画像表示装置では、支点を中心として回転支持部に保持された結像光学部を回転させることで、空間中に結像させる第１画像の位置を変更可能であり、表示位置の自由度を向上させることが可能となる。
　本開示では、空間中に結像させる画像の位置を変更可能で、表示位置の自由度を向上させることが可能な画像表示装置を提供することができる。
図１は、第１実施形態に係る画像表示装置を示す平面図である。 図２は、第１実施形態に係る画像表示装置を示す側面図である。 図３は、第１実施形態に係る画像表示装置を示す斜視図である。 図４Ａは、変形例における画像表示装置を示す側面図である。 図４Ｂは、変形例における画像表示装置において、紫外光と赤外光とがカットされる様子を示す図である。 図５は、第２実施形態に係る画像表示装置を示す平面図である。 図６は、第２実施形態に係る画像表示装置を示す側面図である。 図７は、第２実施形態に係る画像表示装置を示す斜視図である。
（第１実施形態）
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。また、本図面に示された各部材の寸法は、説明の便宜上、実際の各部材の寸法とは異なる場合がある。図１は、本実施形態に係る画像表示装置１００の構成を示す模式平面図である。図１に示すように画像表示装置１００は、ビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２と、再帰反射部ＲＲ１，ＲＲ２と、ダイクロイックミラーＤＭと、第１画像投影部Ｓ１と、第２画像投影部Ｓ２と、回転支持部ＡＲＭとを備えている。
　図１に示した画像表示装置１００では、ユーザーは第１画像投影部Ｓ１および第２画像投影部Ｓ２から投影された第１画像Ａ１と、第２画像Ａ２とを視点ｅから奥行方向の異なる距離に視認する。ここでユーザーは、視聴者を含む。
　図１において、紙面左右方向を奥行方向とする。また図１において、奥行方向に直交する紙面上下方向を横方向とする。さらに、奥行方向と横方向とに直交する方向を垂直方向とする。「奥行方向」は、「前方向」及び「後方向」を含む方向である。「横方向」は、「左方向」及び「右方向」を含む方向である。「垂直方向」は、「上方向」及び「下方向」を含む方向である。以降に説明する図中に示した符号Ｕは上方向を示す。符号Ｄは下方向を示す。符号Ｆは前方向を示す。符号Ｂは後方向を示す。符号Ｌは左方向を示す。符号Ｒは右方向を示す。ここで、図１では視点ｅからの視線方向である奥行き方向に向かって左右を表現するが、横方向および垂直方向は図１における位置関係を表すためのものであり、上下左右が変更されてもよい。
　ビームスプリッタＢＳ１は、入射した光の一部を透過するとともに一部を反射する部材である。ビームスプリッタＢＳ１の表面には、反射率を調整する膜が形成された部分反射板が用いられてもよい。ビームスプリッタＢＳ１は横方向と奥行方向に対して４５度の角度となるように配置されている。また、ビームスプリッタＢＳ１は、第１画像投影部Ｓ１および第２画像投影部Ｓ２から照射される光の光軸に対しても４５度傾斜して配置されている。
　ビームスプリッタＢＳ２は、入射した光の一部を透過するとともに一部を反射する部材である。ビームスプリッタＢＳ２の表面には、反射率を調整する膜が形成された部分反射板が用いられてもよい。ビームスプリッタＢＳ２は、横方向と奥行方向に対して４５度の角度となるように傾斜して配置されている。また、ビームスプリッタＢＳ２は、第１画像投影部Ｓ１および第２画像投影部Ｓ２から照射される光の光軸に対しても４５度傾斜して配置されている。このとき、ビームスプリッタＢＳ１とビームスプリッタＢＳ２とは、互いに９０度の角度で交差するように対向して配置されている。
　ここでは、ビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２の光の透過率と反射率は任意のバランスで選択されうる。例えばビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２ともに、透過率は５０％であり、反射率は５０％である。また本実施形態では、ビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２が第１画像投影部Ｓ１および第２画像投影部Ｓ２から照射される光の光軸に対して４５度で傾斜して配置されていて、かつ、ビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２は互いに直交しているように配置されている。しかし、ビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２の配置は本実施形態に限られず、第１画像投影部Ｓ１および第２画像投影部Ｓ２からの光照射方向と画像の結像位置との関係から適切な角度を用いることができる。
　本実施形態のビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２は、プレート状のビームスプリッタであるが、反射率を調整する膜を挟むように２個の直角プリズムの斜面同士を接合して構成される、キューブ状のビームスプリッタであってもよい。
　再帰反射部ＲＲ１，ＲＲ２は、入射した光を入射方向に対して反射させる光学部材である。再帰反射部ＲＲ１，ＲＲ２には、反射膜の表面側に微小なガラスビーズを敷き詰めた構造またはプリズムを用いた構造が用いられてよい。再帰反射部ＲＲ１は、ビームスプリッタＢＳ２の右方向に配置される。再帰反射部ＲＲ１の再帰性反射面は、横方向に垂直である。再帰反射部ＲＲ２は、ビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２と並んで奥行方向に配置される。再帰反射部ＲＲ２の再帰性反射面は、奥行方向に垂直である。
　ダイクロイックミラーＤＭは、特定波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する光学部材である。ダイクロイックミラーＤＭは、再帰反射部ＲＲ１、ビームスプリッタＢＳ２の左方向に配置されており、奥行方向に４５度の角度となるように傾斜して配置されている。図１に示す例では、ダイクロイックミラーＤＭは、第１画像投影部Ｓ１および第２画像投影部Ｓ２から照射される光の波長を反射し、その他の可視光を透過するものを用いる。後述するように、ダイクロイックミラーＤＭで反射された光によって、第１画像Ａ１と第２画像Ａ２が空間上で結像されるので、ダイクロイックミラーＤＭは本開示における結像光学部を構成している。
　また、図１では省略しているが、ビームスプリッタＢＳ２とダイクロイックミラーＤＭとの間に結像光学系の一部として結像レンズが配置されてもよい。結像レンズは、ビームスプリッタＢＳ２を透過してきた光を空間上の所定位置に結像させるための光学部材である。また、結像レンズとして、複数のレンズ群が用いられてもよい。
　第１画像投影部Ｓ１と第２画像投影部Ｓ２とは、それぞれ画像を構成する光を照射する装置であり、それぞれ結像光学部を介してユーザーの目（視点ｅ）から所定距離に対して画像を投影する。第１画像投影部Ｓ１は、ビームスプリッタＢＳ１の右方向に配置され、ビームスプリッタＢＳ１の一方の面（ビームスプリッタＢＳ２と対向する面）に対して横方向に光を照射する。第２画像投影部Ｓ２は、ビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２および再帰反射部ＲＲ２に対して後方向に配置され、ビームスプリッタＢＳ１の他方の面（ビームスプリッタＢＳ２とは反対側の面）に対して奥行方向に光を照射する。
　第１画像投影部Ｓ１、第２画像投影部Ｓ２の構成は限定されず、例えば第１画像投影部Ｓ１、第２画像投影部Ｓ２は、バックライトを備えた液晶表示装置、自発光の有機ＥＬ表示装置、光源と変調素子を用いたプロジェクター装置等であってよい。第１画像投影部Ｓ１および第２画像投影部Ｓ２が投影する画像は、静止画でも動画であってもよく、それぞれが投影する画像が同一であっても異なっていてもよい。また、第１画像投影部Ｓ１と第２画像投影部Ｓ２のそれぞれには、レンズ等の光学部材が備えられてもよい。
　回転支持部ＡＲＭは、結像光学部に含まれるビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２、再帰反射部ＲＲ１，ＲＲ２およびダイクロイックミラーＤＭの相対的位置関係を保って支持する部材であり、支点を回転中心として回動可能に設けられた部材である。本実施形態では、第１画像投影部Ｓ１、第２画像投影部Ｓ２も回転支持部ＡＲＭによって保持された例を示している。
　回転支持部ＡＲＭは、ビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２と、再帰反射部ＲＲ１，ＲＲ２と、ダイクロイックミラーＤＭと、第１画像投影部Ｓ１および第２画像投影部Ｓ２との相対的な位置関係を保持したまま回動可能に構成されている。そのため、回転支持部ＡＲＭは、ある程度の剛性を有する材料で作製される必要がある。回転支持部ＡＲＭを構成する具体的な材料や形状は限定されないが、例えば金属や樹脂、紙類などが用いられてよい。
　図１に示したように、第１画像投影部Ｓ１から照射された光は、ビームスプリッタＢＳ１で反射された後にビームスプリッタＢＳ２に到達する。また、第２画像投影部Ｓ２から照射された光は、ビームスプリッタＢＳ１を透過した後にビームスプリッタＢＳ２に到達する。ビームスプリッタＢＳ１を経由することで、第１画像投影部Ｓ１が照射した光と第２画像投影部Ｓ２が照射した光は、同じ入射角度でビームスプリッタＢＳ２に入射する。つまり、ビームスプリッタＢＳ１を介した後は、第１画像投影部Ｓ１が照射した光の光軸と第２画像投影部Ｓ２が照射した光の光軸は平行に揃う。すなわち、ビームスプリッタＢＳ１は光軸合わせ部として機能する。
　ビームスプリッタＢＳ２に到達した光の一部は反射されて再帰反射部ＲＲ１に進行し、再帰反射部ＲＲ１で再反射されてビームスプリッタＢＳ２に再入射する。ビームスプリッタＢＳ２に再入射した光は、ビームスプリッタＢＳ２を透過し、ダイクロイックミラーＤＭで反射されて、第１画像Ａ１および第２画像Ａ２として結像する。第１画像Ａ１および第２画像Ａ２として結像した光は、ユーザーの目に到達する
　ビームスプリッタＢＳ２に到達した光の残りの一部は透過して再帰反射部ＲＲ２に進行し、再帰反射部ＲＲ２で再反射されてビームスプリッタＢＳ２に再入射する。ビームスプリッタＢＳ２に再入射した光は、ビームスプリッタＢＳ２で反射され、ダイクロイックミラーＤＭで反射されて第１画像Ａ１および第２画像Ａ２として結像する。
　図１に示したように、再帰反射部ＲＲ１と再帰反射部ＲＲ２を用いることで、再帰反射部ＲＲ２で再帰反射された光もビームスプリッタＢＳ２で反射されてダイクロイックミラーＤＭに到達して、第１画像Ａ１および第２画像Ａ２として結像する。したがって、ビームスプリッタＢＳ２を透過した光と反射した光が第１画像Ａ１および第２画像Ａ２の結像に用いられるため、光量の低下が抑制される。
　このとき、再帰反射部ＲＲ１で再帰反射された光と、再帰反射部ＲＲ２で再帰反射された光は、ビームスプリッタＢＳ２で分岐された同一内容の画像であり、互いに重ね合わされてダイクロイックミラーＤＭに到達する必要がある。したがって、再帰反射部ＲＲ１と再帰反射部ＲＲ２の光学的な特性が同一である場合には、再帰反射部ＲＲ１からビームスプリッタＢＳ２までの距離と、再帰反射部ＲＲ２からビームスプリッタＢＳ２までの距離と、を等しくすることが好ましい。
　上述したようにユーザーは、第１画像Ａ１および第２画像Ａ２を結像させる光が、同一のユーザーにおける視野範囲に入射し、奥行方向に異なる位置である第１距離および第２距離に、第１画像Ａ１および第２画像Ａ２を視認できる。また、ユーザーの視点ｅからの視線方向に背景からの光を透過する透過板ＷＢが配置されている場合は、透過板ＷＢとダイクロイックミラーＤＭとを透過して背景を視認しつつ、空中に結像された第１画像Ａ１と第２画像Ａ２を視認できる。
　透過板ＷＢの具体例としては、ヘッドアップディスプレイの表示面や、車両のフロントガラス、ヘルメットのシールド等が挙げられる。また、これらの透過板ＷＢに対して、他の表示装置を用いて画像表示を行うとしてもよい。
　図２は、本実施形態に係る画像表示装置１００の構成を示す模式側面図である。図３は、本実施形態に係る画像表示装置１００の構成を示す模式斜視図である。図２および図３に示すように回転支持部ＡＲＭは、少なくとも結像光学部に含まれるダイクロイックミラーＤＭを保持しており、支点Ｆを回転中心として上下方向にθの角度範囲で回動可能である。ここで、θとは、ダイクロイックミラーＤＭが水平にあるときを０度として、回転支持部ＡＲＭの上下に回動によってダイクロイックミラーＤＭが上下に回動した角度である。θが０度のとき（つまり水平であるとき）の方向を、以下、前方中心方向と呼ぶ。図２および図３では、角度θとして前方中心方向から下方に回転支持部ＡＲＭを回動させた例を示しているが、上方に回動させてもよい。
　回転支持部ＡＲＭが支点Ｆを中心として回動することで、図１に示したビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２と、再帰反射部ＲＲ１，ＲＲ２とおよびダイクロイックミラーＤＭとは、相対的な位置関係を保ったまま角度θだけ回動する。したがって、第１画像投影部Ｓ１および第２画像投影部Ｓ２から照射された第１画像Ａ１および第２画像Ａ２の空中における結像位置も回転支持部ＡＲＭの回動と同様に角度θだけ変動した位置となる。これによりユーザーは、前方中心方向から角度θだけ変位した方向に第１画像Ａ１および第２画像Ａ２のエアリアルイメージを視認する。
　ここで、角度θの範囲としては、視聴者の視点ｅから前方中心方向に対して上下２５度の範囲（－２５°≦θ≦２５°）が好ましい。角度θが±２５°よりも大きいと、第１画像Ａ１および第２画像Ａ２のエアリアルイメージを視認するための視線移動量が大きくなり、背景との重ね合わせ表示での快適性を保つことが困難となる。
　また、回転支持部ＡＲＭの支点Ｆから結像光学部であるダイクロイックミラーＤＭまでの距離と、視点ｅからダイクロイックミラーＤＭの距離は、同程度であることが好ましい。また、支点Ｆと視点ｅは奥行方向において同じ位置であることが好ましい。これにより、ダイクロイックミラーＤＭで反射されて視点ｅ方向に進行する光の経路は、回転支持部ＡＲＭの回動した角度θと同程度で変位することになる。したがって、回転支持部ＡＲＭの回動と第１画像Ａ１および第２画像Ａ２の結像位置の変位が連動したものとなり、第１画像Ａ１および第２画像Ａ２の結像位置変更を直感的な動作で実現することができる。
　仮に、ダイクロイックミラーＤＭを垂直方向または横方向に平行移動させた場合には、視点ｅから見たダイクロイックミラーＤＭの距離や相対角度が変化してしまう。この場合には、ダイクロイックミラーＤＭで反射された光の経路は図１で示したものとは異なり、第１画像Ａ１および第２画像Ａ２の表示内容が位置変動前とは変化してしまう。
　それに対して本願の画像表示装置１００では、ダイクロイックミラーＤＭの移動は垂直方向への平行移動ではなく、支点Ｆを中心とした回転移動である。これにより、第１画像Ａ１および第２画像Ａ２を結像するための結像光学部の相対的な位置関係や角度の関係は図１に示したものが維持され、第１画像Ａ１および第２画像Ａ２の結像位置は、視点ｅからの距離が維持され、回転支持部ＡＲＭの回動に関わらずエアリアルイメージの表示内容を維持することができる。
　上述したように、本実施形態の画像表示装置１００では、支点Ｆを中心として回転支持部ＡＲＭに保持されたダイクロイックミラーＤＭが回転する。これにより、空間中に結像させる第１画像Ａ１および第２画像Ａ２の位置を変更可能であり、表示位置の自由度を向上させることが可能となる。
　また、上記構成によると、画像表示装置１００の回転支持部ＡＲＭは、結像光学部だけでなく、画像投影部Ｓ１，Ｓ２も保って支持されている。回転支持部ＡＲＭが支点Ｆを中心に回動すると、結像光学部と画像投影部Ｓ１，Ｓ２との相対的位置関係を維持したまま、回転支持部ＡＲＭと同じ角度だけ回動する。このため、回転支持部ＡＲＭが回動しても、ユーザーの視点ｅから第１画像Ａ１及び第２画像Ａ２までの距離が維持される。したがって、エアリアルイメージの表示内容を保持したまま、回転支持部ＡＲＭの回動によって表示位置を変更させることができる。
（変形例）
　図４は、画像表示装置１００の変形例を示す図であり、図４Ａは模式側面図であり、図４Ｂは紫外光と赤外光のカットを模式的に示す図である。本変形例では、図１で示した画像表示装置１００の回転支持部ＡＲＭを上方向に回動させることで、第１画像Ａ１および第２画像Ａ２の結像位置を前方中心方向から上方に移動させている。この場合、視聴者が第１画像Ａ１および第２画像Ａ２のエアリアルイメージを視認するために、ユーザーは視線を上方に移動させる必要がある。画像表示装置１００を屋外で使用することを考慮すると、ユーザーの上方から太陽光や外光が視点ｅに進行する場合もあり得る。そこで、本変形例の画像表示装置１００Ａ、結像光学部を構成しているダイクロイックミラーＤＭに波長フィルタＦＬを組み合わせ、不要な外光をカットする。
　波長フィルタＦＬは、紫外光または／および赤外光をカットする光学部材である。波長フィルムＦＬには、公知のフィルム構造物が用いられてもよい。図４Ａ及び図４Ｂでは、ダイクロイックミラーＤＭと波長フィルタＦＬを別体で構成した例を示したが、両者を組み合わせて一体に形成してもよい。また、ダイクロイックミラーＤＭが、紫外光または／および赤外光を反射するように構成されていて、ダイクロイックミラーＤＭが波長フィルタＦＬの機能を兼ねるとしてもよい。
　図４Ｂに示すように、外界から視点ｅ方向に紫外光や赤外光が進行したとしても、波長フィルタＦＬで紫外光と赤外光がカットまたは反射されるため、視点ｅにまで紫外光と赤外光は到達しない。これにより、回転支持部ＡＲＭを上方に回動しても、外界からの紫外光や赤外光が視聴者の視点ｅに直接入射することを防止し、視聴者の目を保護することができる。
（第２実施形態）
　次に、本開示の第２実施形態について図５から図７を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。本実施形態は、空中に結像するエアリアルイメージの数を増加させる点が第１実施形態と異なっている。図５は、本実施形態に係る画像表示装置２００の構成を示す平面図である。図６は、本実施形態に係る画像表示装置２００の構成を示す側面図である。図７は、実施形態に係る画像表示装置２００の構成を示す斜視図である。
　図５から図７に示すように、画像表示装置２００は、ビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２，ＢＳ３と、再帰反射部ＲＲ１，ＲＲ２と、ダイクロイックミラーＤＭと、第１画像投影部Ｓ１と、第２画像投影部Ｓ２と、第３画像投影部Ｓ３と、回転支持部ＡＲＭとを備えている。
　ビームスプリッタＢＳ３は、入射した光の一部を透過するとともに一部を反射する部材である。ビームスプリッタＢＳ３の表面には、反射率を調整する膜が形成された部分反射板が用いられてよい。ビームスプリッタＢＳ３は横方向と奥行方向に対して４５度の角度となるように傾斜して配置されている。このとき、ビームスプリッタＢＳ３の傾斜方向とビームスプリッタＢＳ１の傾斜方向は互いに同じであるつまり、ビームスプリッタＢＳ３は、ビームスプリッタＢＳ１に対して平行に対向して配置されている。
　第３画像投影部Ｓ３は、画像を構成する光を照射する装置であり、視聴者の目（視点ｅ）から所定距離に対して画像を投影する。第２画像投影部Ｓ２は、ビームスプリッタＢＳ３の右方向に配置され、ビームスプリッタＢＳ３の一方の面（ビームスプリッタＢＳ１と対向する面）に対して横方向に光を照射する。第３画像投影部Ｓ３は、ビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２，ＢＳ３および再帰反射部ＲＲ２に対して後方向に配置され、ビームスプリッタＢＳ３の他方の面（ビームスプリッタＢＳ１とは反対側の面）に対して奥行方向に光を照射する。
　回転支持部ＡＲＭは、結像光学部に含まれるビームスプリッタＢＳ１，ＢＳ２，ＢＳ３、再帰反射部ＲＲ１，ＲＲ２およびダイクロイックミラーＤＭの相対的な位置関係を保って支持する部材であり、支点Ｆを回転中心として回動可能に設けられた部材である。本実施形態では、第１画像投影部Ｓ１、第２画像投影部Ｓ２、第３画像投影部Ｓ３も回転支持部ＡＲＭによって保持された例を示している。
　第２画像投影部Ｓ２から照射された光は、ビームスプリッタＢＳ３で反射された後にビームスプリッタＢＳ１を透過してビームスプリッタＢＳ２に到達する。また、第３画像投影部Ｓ３から照射された光は、ビームスプリッタＢＳ３およびビームスプリッタＢＳ１を透過した後にビームスプリッタＢＳ２に到達する。ビームスプリッタＢＳ３を経由することで、第２画像投影部Ｓ２が照射した光と第３画像投影部Ｓ３が照射した光は、同じ入射角度でビームスプリッタＢＳ２に入射する。つまり、ビームスプリッタＢＳ３を介した後は、第２投影部Ｓ２が照射した光の光軸と第３投影部Ｓ３が照射した光の光軸は平行に揃う。すなわち、ビームスプリッタＢＳ３は光軸合わせ部として機能する。
　ビームスプリッタＢＳ１に入射した光は、第１実施形態と同様の経路でダイクロイックミラーＤＭに入射し、空中に第１画像Ａ１、第２画像Ａ２、第３画像Ａ３としてエアリアルイメージを結像する。本実施形態の画像表示装置２００では、ビームスプリッタＢＳ３と第３画像投影部Ｓ３とを追加することで、空中に結像されるエアリアルイメージの数を追加することができる。図５から図７では３つの画像投影部を用いて３つのエアリアルイメージを結像した例を示したが、ビームスプリッタと画像投影部の数を増加させることでさらに画像数を増やすこともできる。
　本実施形態の画像表示装置２００でも、支点Ｆを中心として回転支持部ＡＲＭに保持されたダイクロイックミラーＤＭが回転する。これにより、空間中に結像させる第１画像Ａ１から第３画像Ａ３の位置を変更可能であり、表示位置の自由度を向上させることが可能となる。
　本開示は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本開示の技術的範囲に含まれる。
　本出願は、２０２０年１月２７日に出願された日本国特許出願（特願２０２０－０１１２７５号）に開示された内容を適宜援用する。

Claims (7)

  1. 　第１画像を照射する第１画像投影部と、
    　前記第１画像を第１距離に結像させてユーザーの視点に入射させる結像光学部と、
    　支点を回転中心として前記結像光学部を回動可能に保持する回転支持部とを有することを特徴とする画像表示装置。
  2. 　請求項１に記載の画像表示装置であって、
    　前記第１画像投影部は、前記回転支持部に保持されることを特徴とする画像表示装置。
  3. 　請求項１または２に記載の画像表示装置であって、
    　前記支点から前記結像光学部までの距離は、前記視点から前記結像光学部までの距離に等しいことを特徴とする画像表示装置。
  4. 　請求項１から３の何れか一つに記載の画像表示装置であって、
    　前記結像光学部は、紫外光または／および赤外光をカットする波長フィルタを備えることを特徴とする画像表示装置。
  5. 　請求項１から４の何れか一つに記載の画像表示装置であって、
    　前記回転支持部は、前記視聴者の前方中心方向から上下２５度の範囲で回転可能であることを特徴とする画像表示装置。
  6. 　請求項１から５の何れか一つに記載の画像表示装置であって、
    　前記結像光学部は、
    　前記第１画像投影部が照射した光の一部を第１方向に反射するとともに、残りの光を第２方向に透過するビームスプリッタと、
    　前記第１方向に進行した光を前記ビームスプリッタに再帰反射させる第１再帰反射部と、
    　前記第２方向に進行した光を前記ビームスプリッタに再帰反射させる第２再帰反射部とを備え、
    　前記ビームスプリッタは、前記第１再帰反射部で反射された光を第３方向に透過し、前記第２再帰反射部で反射された光を前記第３方向に反射し、
    　前記画像表示装置は、前記第３方向に進行した光を空間上に結像させるダイクロイックミラーをさらに備えることを特徴とする画像表示装置。
  7. 　請求項６に記載の画像表示装置であって、
    　第２画像を照射する第２画像投影部と、
    　前記第１画像投影部が照射した光と同じ入射角度で前記第２画像投影部が照射した光を前記ビームスプリッタに入射させる光軸合わせ部とを備えることを特徴とする画像表示装置。
     
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