WO2023228920A1 - 空中像表示装置 - Google Patents

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WO2023228920A1
WO2023228920A1 PCT/JP2023/019034 JP2023019034W WO2023228920A1 WO 2023228920 A1 WO2023228920 A1 WO 2023228920A1 JP 2023019034 W JP2023019034 W JP 2023019034W WO 2023228920 A1 WO2023228920 A1 WO 2023228920A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
concave mirror
aerial image
display device
image display
curvature
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/019034
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
主揮 下瀬
宏悦 河西
Original Assignee
京セラ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 京セラ株式会社 filed Critical 京セラ株式会社
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Priority to JP2023188049A priority patent/JP2024024633A/ja
Publication of WO2023228920A1 publication Critical patent/WO2023228920A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/02—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system
    • G02B17/06—Catoptric systems, e.g. image erecting and reversing system using mirrors only, i.e. having only one curved mirror
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/50—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels
    • G02B30/56—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels by projecting aerial or floating images
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/10—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof for transforming different wavelengths into image signals
    • H04N25/11—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics
    • H04N25/13—Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements

Definitions

  • the present disclosure relates to an aerial image display device.
  • Patent Document 1 Conventionally, an aerial image display device described in, for example, Patent Document 1 is known.
  • An aerial image display device of the present disclosure includes a display section having a display surface; a first concave mirror that reflects image light emitted from the display surface in a direction different from the direction toward the display section; a second concave mirror that reflects the image light reflected by the first concave mirror in a direction different from the direction toward the first concave mirror and forms a real aerial image; An angle of inclination of the first concave mirror with respect to a first virtual plane including the display surface is smaller than an angle of inclination of the second concave mirror with respect to a second virtual plane including a virtual imaging plane of the aerial image.
  • FIG. 1 is a side view showing the configuration of main parts of an aerial image display device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the first concave mirror for explaining the degree of curvature of the first concave mirror of the aerial image display device of FIG. 1;
  • 2 is a perspective view showing the aerial image display device of FIG. 1.
  • FIG. 3B is an enlarged perspective view showing a portion IIIB in FIG. 3A in an enlarged manner.
  • 2 is a front view showing an example of an aerial image visually recognized by a user of the aerial image display device of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a front view showing an example of an aerial image visually recognized by a user of an aerial image display device that does not have the characteristics of the aerial image display device of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a front view showing an example of an aerial image visually recognized by a user of the aerial image display device of FIG. 1.
  • Patent Document 1 describes an aerial image display device that forms image light emitted by a display device into an aerial image using optical elements such as a retroreflector and a polarizing filter.
  • FIG. 1 shows the main components of the aerial image display device according to the embodiment.
  • the display device according to the embodiment may include well-known components such as an optical element holding member and a camera, which are not shown.
  • the drawings referred to below are schematic, and the dimensional ratios, etc. on the drawings do not necessarily correspond to the actual ones. Further, in some drawings (for example, FIG. 1), for convenience, an orthogonal coordinate system XYZ is defined, and the positive side and negative side in the Y-axis direction are sometimes referred to as upper and lower sides, respectively.
  • FIG. 1 is a side view showing the configuration of main parts of an aerial image display device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the first concave mirror for explaining the degree of curvature of the first concave mirror of the aerial image display device of FIG. 3A is a perspective view showing the aerial image display device of FIG. 1, and FIG. 3B is an enlarged perspective view showing a section IIIB in FIG. 3A.
  • FIG. 4 is a front view showing an example of an aerial image visually recognized by a user of the aerial image display device of FIG.
  • FIG. 5 is a front view showing an example of an aerial image visually recognized by a user of an aerial image display device that does not have the characteristics of the aerial image display device of FIG.
  • FIG. 6 is a front view showing an example of an aerial image visually recognized by a user of the aerial image display device of FIG.
  • the aerial image display device 1 of this embodiment includes a display section (also referred to as a display device) 2, a first concave mirror 3, and a second concave mirror 5.
  • the display device 2 has a display surface 2a and displays an image propagating as image light L on the display surface 2a. In other words, the display device 2 emits the image light L from the display surface 2a.
  • the aerial image display device 1 includes a display device 2 having a display surface 2a, and a display device 2 that reflects image light L emitted from the display surface 2a in a direction different from the direction toward the display device 2.
  • the inclination angle ⁇ 1 of the first concave mirror 3 with respect to the first virtual plane Pi1 including the display surface 2a is smaller than the inclination angle ⁇ 2 of the second concave mirror 5 with respect to the second virtual plane Pi2 including the virtual imaging plane 9 of the aerial image.
  • the size of the first concave mirror 3 is smaller than the size of the second concave mirror 5, and the size of the first concave mirror 3 is close to the size of the display surface 2a of the display device 2.
  • the first concave mirror 3 can cover almost all of the image light L emitted from the display surface 2a, and can direct the image light L to the second concave mirror 5 as an enlarged image to some extent.
  • the size of the first concave mirror 3 may be defined by the length of the maximum diameter of the reflecting surface 3a of the first concave mirror 3 (which can also be called the length of the maximum diameter when viewed from the front).
  • the size of the second concave mirror 5 may be defined by the length of the maximum diameter of the reflecting surface 5a of the second concave mirror 5 (also referred to as the length of the maximum diameter when viewed from the front).
  • the degree of curvature of the first concave mirror 3 may be larger than the degree of curvature of the second concave mirror 5.
  • the first concave mirror 3 can be disposed close to the display device 2, and the first concave mirror
  • the image light L reflected by the second concave mirror 5 can be directed to the second concave mirror 5 as an enlarged image while being prevented from being too diffused.
  • loss due to diffusion of the image light L can be suppressed and the image light L can be used efficiently. Therefore, the aerial image display device 1 can be made small, and a decrease in the brightness of the image light L can be suppressed, and the display quality of the aerial image R can be improved.
  • the inclination angle ⁇ 1 of the first concave mirror 3 with respect to the first virtual plane Pi1 including the display surface 2a is smaller than the inclination angle ⁇ 2 of the second concave mirror 5 with respect to the second virtual plane Pi2 including the virtual imaging plane 9 of the aerial image.
  • an increase in distortion of the aerial image R due to the inclination of the first concave mirror 3 can be suppressed.
  • the inclination angle ⁇ 1 of the first concave mirror 3 is large, the difference in the optical path length from the display surface 2a to the virtual imaging plane 9 tends to become large depending on the portion of the aerial image R.
  • the aerial image display device 1 of this embodiment can reduce the difference in optical path length depending on the part of the aerial image R, and can reduce the distortion of a specific part (for example, the peripheral part) of the aerial image R.
  • the display device 2 may be a transmissive display device.
  • the transmissive display device may be, for example, a liquid crystal display device including a backlight and a liquid crystal panel.
  • the backlight may be a direct type backlight having a plurality of light sources arranged two-dimensionally on the back side of the liquid crystal panel.
  • the backlight may be an edge-light type backlight having a plurality of light sources arranged around the outer periphery of the liquid crystal panel.
  • the edge-light type backlight may include a lens array, a light guide plate, a diffuser plate, etc. for uniformly illuminating the liquid crystal panel.
  • the light source of the backlight may be, for example, a light emitting diode (LED) element, a cold cathode fluorescent lamp, a halogen lamp, a xenon lamp, or the like.
  • LED light emitting diode
  • the liquid crystal panel may be a known liquid crystal panel.
  • known liquid crystal panels include liquid crystal panels of the IPS (In-Plane Switching) method, the FFS (Fringe Field Switching) method, the VA (Vertical Alignment) method, and the ECB (Electrically Controlled Birefringence) method.
  • the display device 2 is not limited to a transmissive display device, and may include, for example, an LED element, an organic electroluminescence (OEL) element, an organic light emitting diode (OLED) element, or a semiconductor laser (laser diode).
  • the display device may be a self-luminous display device including a light emitting element such as an LD (LD) element.
  • the first concave mirror 3 and the second concave mirror 5 are reflective optical systems that form an image of the image light L emitted from the display device 2 within the field of view of the user 7.
  • the first concave mirror 3 and the second concave mirror 5 may be collectively referred to as a reflective optical system 8.
  • the first concave mirror 3 is located on the optical path of the image light L emitted from the display device 2.
  • the first concave mirror 3 is configured to reflect the image light L emitted from the display device 2 in a direction different from the direction toward the display device 2. That is, the first concave mirror 3 directs the image light L in a direction different from the direction toward the display device 2 by adjusting the spatial arrangement relative to the display device 2 such as the distance from the display device 2 and the inclination angle. reflect.
  • the first concave mirror 3 may include an adjustment member that adjusts its spatial arrangement relative to the display device 2.
  • the adjustment member is, for example, a support member such as a rod installed on the back side of the first concave mirror 3, a shaft member that is provided on the support member and rotates the support member and the first concave mirror 3, and a shaft member that rotates the support member and the first concave mirror 3.
  • a slide mechanism or the like for parallel movement may be provided.
  • the adjustment member may be adjusted manually or electrically using a stepping motor or the like.
  • the second concave mirror 5 is located on the optical path of the image light L reflected by the first concave mirror 3.
  • the second concave mirror 5 reflects the image light L reflected by the first concave mirror 3 in a direction different from the direction toward the first concave mirror 3, and forms a real aerial image R. That is, the second concave mirror 5 directs the image light L in the direction toward the first concave mirror 3 by adjusting the spatial arrangement relative to the first concave mirror 3, such as the distance from the first concave mirror 3 and the inclination angle. Reflect in different directions.
  • the second concave mirror 5 may include an adjustment member that adjusts its spatial arrangement relative to the first concave mirror 3. This adjustment member may have the same configuration as the adjustment member installed on the first concave mirror 3.
  • the first concave mirror 3 has a reflective surface 3a.
  • the reflective surface 3a may have a first degree of curvature S1 and a second degree of curvature S2.
  • the first degree of curvature S1 and the second degree of curvature S2 are defined as follows.
  • a plane that contacts the reflective surface 3a of the first concave mirror 3 at the apex (also referred to as the origin of the free-form surface) O of the reflective surface 3a is defined as a tangent plane T1.
  • the points located at both ends of the reflecting surface 3a are E1 and E2, and the point E1 And let H1 and H2 be the intersections of a perpendicular line drawn perpendicularly to the tangential plane T1 from the point E2 with the tangential plane T1.
  • the distance between the vertex O and the point H1 is L1
  • the distance between the vertex O and the point H1 is L2
  • the distance between the point E1 and the point H1 is D1
  • the distance between the point E2 and the point H2 is D2.
  • the distance L1 is greater than or equal to the distance L2.
  • the first degree of curvature S1 is defined by D1/L1
  • the second degree of curvature S2 is defined by D2/L2.
  • the maximum value of D1/L1 when the position of the cross section is changed may be set as the first degree of curvature S1.
  • the maximum value of D2/L2 when the position of the cross section is changed may be set as the second degree of curvature S2.
  • the degree of curvature of the first concave mirror 3 may be defined by a first degree of curvature S1 and a second degree of curvature S2. Further, the degree of curvature of the first concave mirror 3 may be defined by the average value of the first degree of curvature S1 and the second degree of curvature S2. Further, the degree of curvature of the first concave mirror 3 may be defined as the greater of the first degree of curvature S1 and the second degree of curvature S2.
  • the second concave mirror 5 has a reflective surface 5a.
  • the reflective surface 5a has a third degree of curvature S3 and a fourth degree of curvature S4.
  • the third degree of curvature S3 is defined similarly to the first degree of curvature S1.
  • the fourth degree of curvature S4 is defined similarly to the second degree of curvature S2.
  • the first concave mirror 3 is inclined at an inclination angle ⁇ 1 with respect to the first virtual plane Pi1 including the display surface 2a.
  • the inclination angle ⁇ 1 is an angle between the display surface 2a and the tangential plane T1 of the first concave mirror 3.
  • the second concave mirror 5 is inclined at an inclination angle ⁇ 2 with respect to a second virtual plane Pi2 that includes the virtual imaging plane 9 of the aerial image R.
  • the inclination angle ⁇ 2 is an angle between the virtual imaging plane 9 of the aerial image R and the tangential plane T2 of the second concave mirror 5.
  • the tangential plane T2 is a plane that is in contact with the reflective surface 5a at the apex of the second concave mirror 5 (also referred to as the origin of the free-form surface).
  • the first virtual plane Pi1, the second virtual plane Pi2, the tangential plane T1, and the tangential plane T2 are surfaces defined in space. (PC) It can be clearly illustrated on the design drawing displayed on the display device of the terminal.
  • the aerial image display device 1 has a configuration in which the degree of curvature of the first concave mirror 3 is greater than the degree of curvature of the second concave mirror 5, and the inclination angle ⁇ 1 is smaller than the inclination angle ⁇ 2.
  • the degree of curvature of the first concave mirror 3 is larger than the degree of curvature of the second concave mirror 5 means that the first degree of curvature S1 is greater than the third degree of curvature S3, and the second degree of curvature S2 is greater than the third degree of curvature S3. This indicates that the degree of curvature is greater than the fourth degree of curvature S4.
  • OL1 be the optical path length of the image light L from the reflective surface 5a to the point P1.
  • OL2 be the optical path length of the image light L from the reflecting surface 5a to the point P2.
  • OL3 be the optical path length of the image light L from the reflective surface 5a to the point P3.
  • the inventors set the absolute value of the difference between the optical path length OL1 and the optical path length OL3 and the absolute value of the difference between the optical path length OL2 and the optical path length OL3 to be equal to or less than a predetermined value. It has been found that the distortion of the image R can be reduced.
  • optical path difference OPD the larger of the absolute value of the difference between optical path length OL1 and optical path length OL3 and the absolute value of the difference between optical path length OL2 and optical path length OL3 will be referred to as optical path difference OPD.
  • the inventors have discovered that by making the degree of curvature of the first concave mirror 3 larger than the degree of curvature of the second concave mirror 5 and making the inclination angle ⁇ 1 smaller than the inclination angle ⁇ 2, the optical path difference OPD can be made equal to or less than a predetermined value. I found out.
  • the image light L reflected by the first concave mirror 3 is transferred to the display device 2. Since the angle of incidence of the image light L that enters the first concave mirror 3 can be reduced while suppressing propagation towards the first concave mirror 3, it is thought that distortion of the aerial image R is reduced.
  • the aerial image display device 1 is configured to allow the user 7 to view a rectangular aerial image R as shown in FIG. 3A, the point P1 and the point P2 are displayed in the aerial image R as shown in FIG. Distortion of the aerial image R can be effectively reduced by setting the points located at both ends of the upper side (points where distortion is likely to be the largest).
  • the predetermined value may be, for example, 2 mm.
  • Table 1 shows some examples of combinations of inclination angles ⁇ 1, ⁇ 2, first degree of curvature S1, second degree of curvature S2, third degree of curvature S3, and fourth degree of curvature S4 that can make the optical path difference OPD 2 mm or less. ing.
  • the inclination angles ⁇ 1, ⁇ 2 and the first By appropriately designing the degree of curvature of the concave mirror 3 and the second concave mirror 5, the optical path difference OPD can be made 2 mm or less. As a result, distortion of the aerial image R visually recognized by the user can be reduced.
  • the inclination angle ⁇ 1 of the first concave mirror 3 may be about 35° or less, or may be about 30° or less.
  • the inclination angle ⁇ 2 of the second concave mirror 5 may be about 50° or less.
  • device No. 2 The aerial image display device 1 of No. 2 is device No. 2. This corresponds to a small aerial image display device 1 in which the first concave mirror 3 and the second concave mirror 5 are smaller in size than the aerial image display devices 1 No. 1, 3, and 4.
  • the inclination angle ⁇ 1 of the first concave mirror 3 may be about 22° to about 31°.
  • the inclination angle ⁇ 2 of the second concave mirror 5 may be about 35° to about 49°.
  • ⁇ 1 is less than 22°, a portion of the image light L reflected by the first concave mirror 3 tends to return to the display surface 2a without going toward the second concave mirror 5.
  • ⁇ 1 exceeds 31°, the distortion of the image light L reflected by the first concave mirror 3 tends to increase.
  • ⁇ 2 is less than 35°, the virtual imaging plane 9 of the aerial image R tends to be tilted with respect to the direction of the user's 7 line of sight.
  • ⁇ 1 and ⁇ 2 may change depending on factors such as the size and shape of the display surface 2a of the display device 2 and the angle of view (spread of light) of the image light L, they are not necessarily limited to the above ranges. do not have.
  • ⁇ 1 may have a deviation of about -1.5° to +1.5°
  • ⁇ 2 may have a deviation of about -1.0° to +1.5°.
  • There may be a deviation of about 2.0°.
  • ⁇ 1 and ⁇ 2 may be set within the following ranges.
  • Device No. 1 29.64°-1.5° ⁇ 1 ⁇ 29.64°+1.5°, 37.92°-1.0° ⁇ 2 ⁇ 37.92°+2.0°
  • Device No. 2 30.41°-1.5° ⁇ 1 ⁇ 30.41°+1.5°, 46.82°-1.0° ⁇ 2 ⁇ 46.82°+2.0°
  • the aerial image display device 1 since the degrees of curvature S1 and S2 of the first concave mirror 3 are larger than the degrees of curvature S3 and S4 of the second concave mirror 5, the image light L emitted from the display device 2 is directed to the second concave mirror 5.
  • a first concave mirror 3 that reflects toward the display device 2 can be placed close to the display device 2 .
  • the space occupied by the display device 2 and the reflective optical system 8 can be reduced and made smaller (made compact), so the aerial image display device 1 can be made smaller.
  • the aerial image display device 1 can be miniaturized, the optical path length of the image light L between the display surface 2a of the display device 2 and the reflective surface 5a of the second concave mirror 5 can be shortened, thereby preventing undesired scattering and interference. It is possible to reduce the loss of the image light L due to the like. As a result, the display quality of the aerial image display device 1 can be improved.
  • the aerial image display device 1 of the present disclosure it is possible to provide a compact aerial image display device in which the display quality of the aerial image R is improved.
  • FIG. 4 is a simulation result showing the aerial image R visually recognized by the user 7 of the aerial image display device 1.
  • the aerial image R is shown as an aerial image of a grid pattern, and coordinate axes indicating the direction of distortion and the amount of distortion are shown.
  • a solid line indicates an aerial image R that is visually recognized by the user 7, and a broken line indicates an ideal aerial image IR without distortion.
  • distortion of the aerial image R tends to occur at the outer periphery of the aerial image R, especially at the four corners of the aerial image R (lower right corner LR, upper right corner UR, lower left corner LL, upper left corner). Distortion tends to become large at the corners (UL).
  • Table 2 shows the distortions of the aerial image R in FIG. 4 from the ideal aerial image IR at the corners LR, UR, LL, and UL. As shown in Table 2, the aerial image display device 1 can suppress distortion at the corners LR, UR, LL, and UL to within ⁇ 7%.
  • the distortion of the aerial image R is defined as a positive value when it is distorted outside the ideal aerial image IR in both the X direction and the Y direction, and when it is distorted inside the ideal aerial image IR. If it is, it is considered a negative value.
  • the outer direction in the X direction (right direction: expanding direction) is the + direction
  • the inner direction in the X direction (left direction: shrinking direction) is the - direction
  • the outer direction in the Y direction (down direction: The direction of expansion) is defined as the + direction
  • the inward direction (upward direction: direction of contraction) in the Y direction is defined as the - direction.
  • Distortion at the corners LR, UR, LL, and UL is calculated as follows.
  • the distortion in the X direction of the corners LR, UR, LL, and UL is defined by the deviation length in the X direction from the length LX of the upper side (the lower side is the same length as the upper side) of the rectangular ideal aerial image IR. do. Since the length of the lower side of the aerial image IR is the same as the length LX of the upper side, the length LX of the upper side is used as a reference.
  • the distortion in the X direction of the corner UR is defined by the deviation length ⁇ XUR of the aerial image IR from the upper right corner CUR in the X direction with respect to the length LX of the upper side.
  • the distortion of the corner UR in the X direction is defined as ( ⁇ XUR/LX) ⁇ 100(%). Since the corner UR is distorted to the outside of the aerial image IR in the X direction, it has a + value.
  • the distortions of the corners LR, LL, and UL in the X direction are also defined in the same way.
  • the reference length in the X direction may be an average length or a maximum length.
  • the distortion in the Y direction of the corners LR, UR, LL, and UL is defined by the deviation length in the Y direction from the length LY of the right side (the left side is the same length as the right side) of the rectangular ideal aerial image IR. do. Since the length of the left side of the aerial image IR is the same as the length LY of the right side, the length LY of the right side is used as a reference.
  • the distortion in the Y direction of the corner UR is defined by the deviation length ⁇ YUR of the aerial image IR from the upper right corner CUR in the Y direction with respect to the length LY of the right side. That is, the distortion of the corner UR in the Y direction is defined as ( ⁇ YUR/LY) ⁇ 100(%).
  • the corner UR is distorted inward of the aerial image IR in the Y direction, it has a value of -. Distortion in the Y direction of corners LR, LL, and UL is also defined in the same manner.
  • the reference length in the Y direction may be an average length or a maximum length.
  • FIG. 5 is a simulation result showing an aerial image R that is visually recognized by a user of an aerial image display device that does not have the characteristics of the aerial image display device 1 and has an optical path difference OPD greater than 2 mm.
  • a solid line indicates an aerial image R that is visually recognized by the user 7
  • a broken line indicates an ideal aerial image IR without distortion.
  • Table 3 shows the distortions of the aerial image R in FIG. 5 from the ideal aerial image IR at the corners LR, UR, LL, and UL.
  • the aerial image display device 1 can reduce the distortion of the aerial image R that is visually recognized by the user 7. Therefore, the aerial image display device 1 can provide an aerial image display device with improved display quality of aerial images.
  • FIG. 6 is a simulation result showing the aerial image R visually recognized by the user 7 of the small aerial image display device 1.
  • the small aerial image display device 1 is device No. 1 in Table 1. This is an aerial image display device 1 corresponding to No. 2.
  • a solid line indicates an aerial image R that is visually recognized by the user 7, and a broken line indicates an ideal aerial image IR without distortion.
  • distortion of the aerial image R tends to occur at the outer periphery of the aerial image R, especially at the four corners of the aerial image R (lower right corner LR, upper right corner UR, lower left corner LL, upper left corner). Distortion tends to become large at the corners (UL).
  • Table 4 shows the distortion of the aerial image R in FIG. 6 from the ideal aerial image IR at the corners LR, UR, LL, and UL. As shown in Table 4, the aerial image display device 1 can suppress distortion at the corners LR, UR, LL, and UL to within ⁇ 3%. In this way, the aerial image display device 1 can reduce distortion of the aerial image R even when downsized.
  • the aerial image display device 1 is configured to display an aerial image R using a reflective optical system 8 including a first concave mirror 3 and a second concave mirror 5, the reflective surfaces 3a of the first concave mirror 3 and the second concave mirror 5, By appropriately designing the shape of 5a, distortion of the aerial image R can be reduced. Furthermore, since the aerial image display device 1 does not include an optical element (for example, a beam splitter, a polarizing filter, etc.) that transmits a part of the image light L incident on the reflective optical system 8, a decrease in the brightness of the aerial image R is prevented. Can be reduced.
  • an optical element for example, a beam splitter, a polarizing filter, etc.
  • the brightness of the aerial image R may be about half.
  • the aerial image display device 1 can suppress the occurrence of such a decrease in brightness.
  • the brightness of the image displayed on the display surface 2a can be reduced while maintaining sufficient brightness of the aerial image R. Therefore, it is possible to reduce the power consumption of the aerial image display device 1.
  • the aerial image display device 1 includes a control device 6, as shown in FIG.
  • the control device 6 is connected to each component of the aerial image display device 1 and controls each component.
  • Components controlled by control device 6 include display device 2 .
  • the control device 6 may have a function of adjusting the above-mentioned adjustment member. Further, the control device 6 may have a function of turning the display device 2 on and off, a function of transmitting an image signal to the display device 2, a function of adjusting the brightness, chromaticity, frame frequency, etc. of the image, etc. . Further, when the display device 2 is equipped with a heat radiation member or a cooling member, the control device 6 may have a function of adjusting the temperature of the heat radiation member or the cooling member.
  • the control device 6 may be configured to include one or more processors.
  • the processor may include a general-purpose processor configured to load a specific program and execute a specific function, and a dedicated processor specialized for specific processing.
  • the dedicated processor may include an ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
  • the processor may include a PLD (Programmable Logic Device).
  • the PLD may include an FPGA (Field-Programmable Gate Array).
  • the control device 6 may be an SoC (System-on-a-Chip) or an SiP (System In a Package) configured such that one or more processors cooperate with each other.
  • the aerial image display device 1 may have a configuration in which the size (eg, diameter) of the second concave mirror 5 is larger than the size (eg, diameter, etc.) of the first concave mirror 3. In this case, it becomes easy to display the enlarged aerial image R. That is, the second concave mirror 5 can easily reflect the luminous flux of the image light L whose diameter is expanded, which has been reflected by the first concave mirror 3, toward the virtual imaging plane 9 of the aerial image R. Moreover, when the second concave mirror 5 is relatively large, it becomes easy to make the shape of the reflecting surface 5a into a shape corresponding to each of the plurality of partial lights included in the image light L. As a result, it becomes possible to effectively reduce distortion of the aerial image R.
  • the size of the first concave mirror 3 may be defined by the length of the maximum diameter of the reflecting surface 3a of the first concave mirror 3.
  • the size of the second concave mirror 5 may be defined by the length of the maximum diameter of the reflecting surface 5a of the second concave mirror 5.
  • the size of the first concave mirror 3 may be the sum of L1 and L2 (see FIG. 2).
  • the reflection surface 3a of the first concave mirror 3 has an elliptical shape when viewed from the front.
  • the size of the first concave mirror 3 may be the length of the major axis of a line passing over the center of the reflective surface 3a and connecting both ends E1 and E2.
  • the size of the first concave mirror 3 is determined by the size of the line segment that passes over the center of the reflective surface 3a and connects both ends E1 and E2. It may be the maximum length (for example, the diagonal length, etc.).
  • the center of the reflective surface 3a is defined by the lowest point (maximum protrusion point) of the curved reflective surface 3a.
  • the size of the second concave mirror 5 is defined similarly to the size of the first concave mirror 3.
  • the size of the first concave mirror 3 may be, for example, about 150 mm to 200 mm.
  • the size of the second concave mirror 5 may be, for example, about 200 mm to 350 mm.
  • the size of the first concave mirror 3 may be defined by the area of the reflective surface 3a of the first concave mirror 3, or the area of the reflective surface 3a of the first concave mirror 3 when viewed from the front.
  • the size of the second concave mirror 5 may be defined by the area of the reflective surface 5a of the second concave mirror 5, or the area of the reflective surface 5a of the second concave mirror 5 when viewed from the front.
  • the first concave mirror 3 may be a free-form concave mirror in which the reflecting surface 3a has a free-form surface.
  • the second concave mirror 5 may be a free-form concave mirror in which the reflecting surface 5a has a free-form surface.
  • the free-form surfaces that define the reflective surfaces 3a and 5a may be XY polynomial surfaces (also referred to as SPS XYP surfaces) defined by equations (1) and (2) shown below.
  • the XY polynomial surface is expanded into polynomials up to the 10th order that are added to the reference conic surface. Therefore, in equations (1) and (2), the sum of m and n is 10 or less.
  • z is the sag amount of the plane parallel to the z-axis (optical axis)
  • c is the vertex curvature
  • k are the Conic constants
  • C j are the coefficients of the monomial x m y n .
  • a free-form concave mirror can be manufactured, for example, by cutting the surface of a metal plate such as aluminum (Al) into a free-form concave surface using a cutting method using computer numerical control.
  • the aerial image display device 1 may be configured such that the image light L reflected by the first concave mirror 3 propagates through the space between the first concave mirror 3 and the second concave mirror 5. That is, as shown in FIG. 1, the optical path of the image light L between the first concave mirror 3 and the second concave mirror 5 may be a space propagation optical path in which no other optical member is present. In this case, the loss of the image light L in the optical path between the first concave mirror 3 and the second concave mirror 5 can be reduced, and as a result, a decrease in the brightness of the aerial image R can be suppressed. Alternatively, since the brightness of the image displayed on the display surface 2a can be reduced while maintaining sufficient brightness of the aerial image R, it is possible to reduce the power consumption of the aerial image display device 1.
  • the second concave mirror 5 When the second concave mirror 5 is viewed from the back side of the second concave mirror 5 along a direction parallel to the virtual image plane 9 of the aerial image R (approximately the Y direction in FIG. 1), the second concave mirror 5 is a display device. 2 and the first concave mirror 3 may be used.
  • the space occupied by the display device 2 and the reflective optical system 8 can be reduced and made smaller, so the aerial image display device 1 can be made smaller.
  • the optical path length of the image light L inside the aerial image display device 1 can be shortened, so that loss of the image light L due to undesired scattering, interference, etc. can be reduced. Consequently, the display quality of the aerial image display device 1 can be improved.
  • the reflective surface 5a of the second concave mirror 5 may be configured to overlap the display surface 2a of the display device 2 and the reflective surface 3a of the first concave mirror 3. That is, the positional relationship of parts directly related to the optical path of the reflective optical system 8 may be defined.
  • the direction parallel to the virtual image forming plane 9 of the aerial image R becomes the height direction of the aerial image display device 1. Further, the direction perpendicular to the virtual image plane 9 of the aerial image R is the thickness direction (depth direction) of the aerial image display device 1. With the above configuration, at least the thickness (depth) of the aerial image display device 1 can be reduced.
  • the second concave mirror 5 When the second concave mirror 5 is viewed from the back side of the second concave mirror 5 along a direction parallel to the virtual image plane 9 of the aerial image R (approximately the Y direction in FIG. 1), the second concave mirror 5 is a display device. 2 and the first concave mirror 3 may be included. In this configuration, the space occupied by the display device 2 and the reflective optical system 8 can be further reduced and the aerial image display device 1 can be further downsized. As a result, the optical path length of the image light L inside the aerial image display device 1 can be made shorter, so that loss of the image light L due to undesired scattering, interference, etc. can be effectively reduced. Consequently, the display quality of the aerial image display device 1 can be effectively improved.
  • the reflective surface 5a of the second concave mirror 5 may include the display surface 2a of the display device 2 and the reflective surface 3a of the first concave mirror 3. That is, the positional relationship of parts directly related to the optical path of the reflective optical system 8 may be defined. With this configuration, at least the thickness (depth) of the aerial image display device 1 can be made thinner.
  • the aerial image display device 1 may be mounted on a moving object such as a vehicle, a ship, or an aircraft, that is, a vehicle on which a user rides.
  • Vehicles include, for example, automobiles, industrial vehicles, railroad vehicles, household vehicles, fixed-wing aircraft that travel on runways, and the like.
  • Automobiles include, for example, passenger cars, trucks, buses, two-wheeled vehicles, trolleybuses, and the like.
  • Industrial vehicles include, for example, industrial vehicles for agriculture and construction.
  • Industrial vehicles include, for example, forklifts, golf carts, and the like.
  • Industrial vehicles for agriculture include, for example, tractors, tillers, transplanters, binders, combines, lawn mowers, and the like.
  • Industrial vehicles for construction include, for example, bulldozers, scrapers, excavators, crane trucks, dump trucks, road rollers, and the like.
  • the vehicle may include one that is driven by human power.
  • Vessels include, for example, watercraft, boats, tankers, and the like.
  • Aircraft include, for example, fixed wing aircraft, rotary wing aircraft, and the like.
  • the aerial image display device 1 may be placed inside a dashboard of a moving object.
  • a moving object including the aerial image display device 1 can allow a user (for example, a driver of the moving object) to view an aerial image R with little distortion, high brightness, and a high contrast ratio.
  • the aerial image R may include information regarding the state of the moving object (for example, the speed, acceleration, posture, etc. of the moving object), the surrounding situation of the moving object, and the like.
  • the aerial image display device 1 may be a head-up display installed in a vehicle.
  • a part of the front windshield of the vehicle may be used as a reflective member, and the reflective member may be used in place of the second concave mirror 5.
  • a configuration may also be adopted in which the user visually recognizes the aerial image R through the reflective member.
  • the reflective member may be of a transflective type (one that transmits about half the light and reflects about half the light).
  • the display device 2 is located between the first concave mirror 3 and the second concave mirror 5 when the aerial image display device 1 is viewed from the side in the vertical section shown in FIG. It may be a configuration.
  • the configuration may be such that the first concave mirror 3 is at the bottom position and the second concave mirror 5 is at the top position. In this case, it becomes easy to reduce the height of the aerial image display device 1 and downsize it.
  • the aerial image display device 1 shown in FIG. 1 may have a configuration in which the display device 2 is located at a position that does not overlap the image light L (that is, does not block the image light L). In this case, it is possible to prevent the display device 2 from interfering with the aerial image R, for example, from missing a part of the aerial image R, from making a part of the aerial image R dark, etc.
  • the distance (shortest distance) between the display device 2 and the image light L closest to the display device 2 may be 2 mm or more, or 10 mm or more, but is not limited to these ranges.
  • the aerial image display device 1 shown in FIG. 1 may have a configuration in which the first concave mirror 3 is included in a curved space (also referred to as a three-dimensional space) formed by extending the second concave mirror 5 into the space. .
  • the reflective optical system 8 and the aerial image display device 1 are miniaturized.
  • the display device 2 and the first concave mirror 3 may be included in the curved space. In this case, the reflective optical system 8 and the aerial image display device 1 are further miniaturized.
  • the aerial image display device 1 may include a camera that captures an image of the user's 7 face.
  • the camera may be an infrared light camera or a visible light camera.
  • the camera may include a CCD image sensor or a CMOS image sensor.
  • the control device 6 may detect the position of the user's 7 eyes based on image data output from the camera.
  • the control device 6 may transform the image displayed on the display surface 2a based on the detected eye position. In this case, even when the position of the user's 7 eyes moves, it is possible to reduce distortion of the aerial image R.
  • the aerial image display device 1 When the aerial image display device 1 is mounted on a moving object, the camera may be attached to the moving object.
  • the camera may be located within or on the dashboard of the mobile object, for example.
  • the aerial image display device 1 may include a drive device that moves at least one of the first concave mirror 3 and the second concave mirror 5 of the reflective optical system 8.
  • This drive device may include the adjustment member described above.
  • the control device 6 may move at least one of the first concave mirror 3 and the second concave mirror 5 based on the detected eye position. In this case, even when the position of the user's 7 eyes moves, it is possible to reduce distortion of the aerial image R.
  • the drive device may include, for example, a motor, a piezoelectric element, and the like.
  • the aerial image display device of the present disclosure it is possible to provide an aerial image display device with improved display quality of an aerial image.
  • a display section having a display surface; a first concave mirror that reflects image light emitted from the display surface in a direction different from the direction toward the display section; a second concave mirror that reflects the image light reflected by the first concave mirror in a direction different from the direction toward the first concave mirror and forms a real aerial image;
  • the degree of curvature of the first concave mirror is greater than the degree of curvature of the second concave mirror
  • An aerial image display device wherein an inclination angle of the first concave mirror with respect to a first virtual plane including the display surface is smaller than an inclination angle of the second concave mirror with respect to a second virtual plane including a virtual imaging plane of the aerial image.
  • the second concave mirror overlaps the display section and the first concave mirror.
  • the second concave mirror When the first concave mirror is viewed from the back side of the second concave mirror along a direction parallel to the virtual image plane, the second concave mirror includes the display section and the first concave mirror.
  • the aerial image display device according to any one of configurations (1) to (6) above.
  • the aerial image display device of the present disclosure makes it possible to operate an aerial image in a touchless manner, and as a result, it can be used in various product fields such as, but not limited to, the following.
  • communication devices that perform conversations and communications using aerial images
  • medical interview devices that allow doctors to interview patients through aerial images
  • navigation devices and driving control devices for vehicles such as cars, and orders for stores, etc.
  • Ordering/receiving devices/register devices, operation panels for buildings/elevators, etc. learning devices for teaching or receiving classes with aerial images, office equipment for communicating and giving instructions, etc. with aerial images
  • aerial images Amusement machines for playing games, projection devices that project images onto the ground, walls, etc. at amusement parks, game centers, etc., simulator devices for conducting mock experiments using aerial images at universities, medical institutions, etc., markets and securities
  • These include large displays that display prices, etc. at exchanges, and video viewing devices that display aerial images.
  • Aerial image display device 2 Display section (display device) 2a Display surface 3 First concave mirror 3a Reflection surface 5 Second concave mirror 5a Reflection surface 6 Control device 7 User 8 Reflection optical system 9 Virtual imaging surface R Aerial image

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Abstract

本開示の空中像表示装置は、表示面を有する表示部と、表示面から射出された画像光を、表示部に向かう方向とは異なる方向に反射する第１凹面鏡と、第１凹面鏡によって反射された画像光を、第１凹面鏡に向かう方向とは異なる方向に反射するとともに、実像の空中像として結像させる第２凹面鏡と、を備える。空中像表示装置は、第１凹面鏡の湾曲度が第２凹面鏡の湾曲度よりも大きく、表示面を含む第１仮想平面に対する第１凹面鏡の傾斜角度が、空中像の仮想結像面を含む第２仮想平面に対する第２凹面鏡の傾斜角度よりも小さい。

Description

空中像表示装置
　本開示は、空中像表示装置に関する。
　従来、例えば特許文献１に記載された空中像表示装置が知られている。
特開２０１１－２５３１２８号公報
　本開示の空中像表示装置は、表示面を有する表示部と、
　前記表示面から射出された画像光を、前記表示部に向かう方向とは異なる方向に反射する第１凹面鏡と、
　前記第１凹面鏡によって反射された前記画像光を、前記第１凹面鏡に向かう方向とは異なる方向に反射するとともに実像の空中像として結像させる第２凹面鏡と、を備え、
　前記表示面を含む第１仮想平面に対する前記第１凹面鏡の傾斜角度が、前記空中像の仮想結像面を含む第２仮想平面に対する前記第２凹面鏡の傾斜角度よりも小さい。
　本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本開示の一実施形態の空中像表示装置の要部の構成を示す側面図である。 図１の空中像表示装置の第１凹面鏡の湾曲度を説明するための第１凹面鏡の断面図である。 図１の空中像表示装置を示す斜視図である。 図３ＡのＩＩＩＢ部を拡大して示す拡大斜視図である。 図１の空中像表示装置の利用者が視認する空中像の一例を示す正面図である。 図１の空中像表示装置の特徴を有さない空中像表示装置の利用者が視認する空中像の一例を示す正面図である。 図１の空中像表示装置の利用者が視認する空中像の一例を示す正面図である。
　特許文献１は、表示装置が射出する画像光を、再帰反射板および偏光フィルタ等の光学素子を用いて、空中像として結像させる空中像表示装置を記載している。
　特許文献１に記載された従来の空中像表示装置は、利用者が視認する空中像に歪みが生じたり、空中像の輝度が低下したりすることがあった。空中像の表示品位が向上した空中像表示装置が求められている。
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明がされる。以下で参照する各図は、実施形態に係る空中像表示装置の主要な構成要素を示している。実施形態に係る表示装置は、図示されていない光学素子保持部材、カメラ等の周知の構成要素を備えていてもよい。以下の参照する各図は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。また、一部の図面（例えば、図１）において、便宜的に、直交座標系ＸＹＺを定義し、Ｙ軸方向の正側および負側をそれぞれ、上方および下方等ということがある。
　図１は、本開示の一実施形態の空中像表示装置の要部の構成を示す側面図である。図２は、図１の空中像表示装置の第１凹面鏡の湾曲度を説明するための第１凹面鏡の断面図である。図３Ａは、図１の空中像表示装置を示す斜視図であり、図３Ｂは、図３ＡのＩＩＩＢ部を拡大して示す拡大斜視図である。図４は、図１の空中像表示装置の利用者が視認する空中像の一例を示す正面図である。図５は、図１の空中像表示装置の特徴を有さない空中像表示装置の利用者が視認する空中像の一例を示す正面図である。図６は、図１の空中像表示装置の利用者が視認する空中像の一例を示す正面図である。
　本実施形態の空中像表示装置１は、図１に示すように、表示部（表示装置ともいう）２と、第１凹面鏡３と、第２凹面鏡５とを備える。
　表示装置２は、表示面２ａを有し、画像光Ｌとして伝播する画像を表示面２ａに表示する。言い換えれば、表示装置２は、表示面２ａから画像光Ｌを射出する。
　空中像表示装置１は、図１に示すように、表示面２ａを有する表示装置２と、表示面２ａから射出された画像光Ｌを、表示装置２に向かう方向とは異なる方向に反射する第１凹面鏡３と、第１凹面鏡３によって反射された画像光Ｌを、第１凹面鏡３に向かう方向とは異なる方向に反射するとともに実像の空中像Ｒとして結像させる第２凹面鏡５と、を備える。表示面２ａを含む第１仮想平面Ｐｉ１に対する第１凹面鏡３の傾斜角度θ１が、空中像の仮想結像面９を含む第２仮想平面Ｐｉ２に対する第２凹面鏡５の傾斜角度θ２よりも小さい。
　第１凹面鏡３の大きさ（サイズ）は第２凹面鏡５の大きさよりも小さく、第１凹面鏡３の大きさは表示装置２の表示面２ａの大きさに近い。この構成により、第１凹面鏡３は、表示面２ａから射出された画像光Ｌのほぼ全部をカバーし、かつ画像光Ｌをある程度拡大した拡大像として第２凹面鏡５へ向かわせることができる。第１凹面鏡３のサイズは、第１凹面鏡３の反射面３ａの最大径の長さ（正面視における最大径の長さともいえる）で規定してもよい。第２凹面鏡５のサイズは、第２凹面鏡５の反射面５ａの最大径の長さ（正面視における最大径の長さともいえる）で規定してもよい。第１凹面鏡３の湾曲度が第２凹面鏡５の湾曲度よりも大きい構成であってもよく、この場合、第１凹面鏡３を表示装置２に近接させて配置することができるとともに、第１凹面鏡３で反射された画像光Ｌが拡散し過ぎることを抑えて、第２凹面鏡５に収まる拡大像として第２凹面鏡５へ向かわせることができる。その結果、画像光Ｌの拡散による損失を抑えて、画像光Ｌを効率良く利用することができる。従って、小型の空中像表示装置１とすることができるとともに、画像光Ｌの輝度の低下を抑えることができ、空中像Ｒの表示品位が向上する。
　表示面２ａを含む第１仮想平面Ｐｉ１に対する第１凹面鏡３の傾斜角度θ１が、空中像の仮想結像面９を含む第２仮想平面Ｐｉ２に対する第２凹面鏡５の傾斜角度θ２よりも小さいことから、第１凹面鏡３の傾斜による空中像Ｒの歪の増大を抑えることができる。第１凹面鏡３の傾斜角度θ１が大きいと、空中像Ｒの部位による、表示面２ａから仮想結像面９に至る光路長の差が大きくなりやすい。特に、空中像Ｒの中心部と周縁部（矩形状の空中像Ｒである場合、その４隅部）とで、光路長の差が大きくなりやすい。その結果、空中像Ｒの周縁部の歪が大きくなりやすい。本実施形態の空中像表示装置１は、空中像Ｒの部位による、光路長の差を小さくして、空中像Ｒの特定の部位（例えば、周縁部）の歪を小さくすることができる。
　表示装置２は、透過型の表示装置であってもよい。透過型の表示装置は、例えば、バックライトと液晶パネルとを含む液晶表示装置であってもよい。バックライトは、液晶パネルの背面側に２次元的に配列された複数の光源を有する、直下型のバックライトであってもよい。バックライトは、液晶パネルの外周部に配置された複数の光源を有する、エッジライト型のバックライトであってもよい。エッジライト型のバックライトは、液晶パネルを均一に照射するためのレンズアレイ、導光板、拡散板等を有していてもよい。バックライトの光源は、例えば発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）素子、冷陰極蛍光ランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプ等であってもよい。
　液晶パネルは、公知の液晶パネルであってよい。公知の液晶パネルとしては、例えばＩＰＳ（In-Plane Switching）方式、ＦＦＳ（Fringe Field Switching）方式、ＶＡ（Vertical Alignment）方式、ＥＣＢ（Electrically Controlled Birefringence）方式等の液晶パネルが挙げられる。
　表示装置２は、透過型の表示装置に限定されず、例えばＬＥＤ素子、有機エレクトロルミネッセンス（Organic Electro Luminescence；ＯＥＬ）素子、有機発光ダイオード（Organic Light Emitting Diode；ＯＬＥＤ）素子、半導体レーザ（Laser Diode；ＬＤ）素子等の発光素子を含む、自発光型の表示装置であってもよい。
　第１凹面鏡３および第２凹面鏡５は、表示装置２から射出された画像光Ｌを利用者７の視野内に結像する反射光学系である。以下では、第１凹面鏡３および第２凹面鏡５を纏めて、反射光学系８と記載することがある。
　第１凹面鏡３は、表示装置２から射出される画像光Ｌの光路上に位置している。第１凹面鏡３は、表示装置２から射出される画像光Ｌを、表示装置２に向かう方向とは異なる方向に反射するように構成されている。即ち、第１凹面鏡３は、表示装置２からの距離、傾斜角度等の表示装置２に対する相対的な空間配置を調整することによって、画像光Ｌを、表示装置２に向かう方向とは異なる方向に反射する。第１凹面鏡３は、表示装置２に対する相対的な空間配置を調整する調整部材を備えていてもよい。調整部材は、例えば、第１凹面鏡３の背面側に設置されたロッド等の支持部材、支持部材に設けられ、支持部材および第１凹面鏡３を回転させる軸部材、支持部材および第１凹面鏡３を平行移動させるスライド機構等を備えていてもよい。調整部材は、手動によって調整されてもよく、ステッピングモータ等によって電気的に調整されてもよい。
　第２凹面鏡５は、第１凹面鏡３によって反射される画像光Ｌの光路上に位置している。第２凹面鏡５は、第１凹面鏡３によって反射される画像光Ｌを、第１凹面鏡３に向かう方向とは異なる方向に反射し、実像の空中像Ｒとして結像させる。即ち、第２凹面鏡５は、第１凹面鏡３からの距離、傾斜角度等の第１凹面鏡３に対する相対的な空間配置を調整することによって、画像光Ｌを、第１凹面鏡３に向かう方向とは異なる方向に反射する。第２凹面鏡５は、第１凹面鏡３に対する相対的な空間配置を調整する調整部材を備えていてもよい。この調整部材は、第１凹面鏡３に設置された調整部材と同様の構成であってもよい。
　第１凹面鏡３は、反射面３ａを有する。反射面３ａは、第１湾曲度Ｓ１および第２湾曲度Ｓ２を有している構成であってもよい。この構成の場合、第１湾曲度Ｓ１および第２湾曲度Ｓ２は、次のように定義される。図２に示すように、第１凹面鏡３の反射面３ａと、反射面３ａの頂点（自由曲面の原点ともいう）Ｏにおいて接する平面を、接平面Ｔ１とする。さらに、頂点Ｏを通り、画像光Ｌの伝播方向に平行な切断面で切断した第１凹面鏡３の断面を見たときに、反射面３ａの両端に位置する点をＥ１，Ｅ２とし、点Ｅ１および点Ｅ２から接平面Ｔ１に対して鉛直に下した垂線の接平面Ｔ１との交点をそれぞれＨ１およびＨ２とする。また、頂点Ｏと点Ｈ１との距離をＬ１とし、頂点Ｏと点Ｈ１との距離をＬ２とし、点Ｅ１と点Ｈ１との距離をＤ１とし、点Ｅ２と点Ｈ２との距離をＤ２とする。但し、距離Ｌ１は距離Ｌ２以上とする。以上の場合、第１湾曲度Ｓ１は、Ｄ１／Ｌ１によって定義され、第２湾曲度Ｓ２は、Ｄ２／Ｌ２によって定義される。なお、第１湾曲度Ｓ１が断面の取り方によって変化する場合、断面の位置を変えたときのＤ１／Ｌ１の最大値を第１湾曲度Ｓ１としてもよい。また、第２湾曲度Ｓ２が断面の取り方によって変化する場合、断面の位置を変えたときのＤ２／Ｌ２の最大値を第２湾曲度Ｓ２としてもよい。
　第１凹面鏡３の湾曲度は、第１湾曲度Ｓ１および第２湾曲度Ｓ２で定義してもよい。また第１凹面鏡３の湾曲度は、第１湾曲度Ｓ１および第２湾曲度Ｓ２の平均値で定義してもよい。また第１凹面鏡３の湾曲度は、第１湾曲度Ｓ１および第２湾曲度Ｓ２のうち大きい方で定義してもよい。
　第２凹面鏡５は、反射面５ａを有する。反射面５ａは、第３湾曲度Ｓ３および第４湾曲度Ｓ４を有している。第３湾曲度Ｓ３は、第１湾曲度Ｓ１と同様に定義される。第４湾曲度Ｓ４は、第２湾曲度Ｓ２と同様に定義される。
　第１凹面鏡３は、図１に示すように、表示面２ａを含む第１仮想平面Ｐｉ１に対して、傾斜角度θ１で傾斜している。傾斜角度θ１は、表示面２ａと第１凹面鏡３の接平面Ｔ１がなす角度である。第２凹面鏡５は、図１に示すように、空中像Ｒの仮想結像面９を含む第２仮想平面Ｐｉ２に対して、傾斜角度θ２で傾斜している。傾斜角度θ２は、空中像Ｒの仮想結像面９と第２凹面鏡５の接平面Ｔ２とがなす角度である。接平面Ｔ２は、第２凹面鏡５の頂点（自由曲面の原点ともいう）において反射面５ａと接する平面である。
　第１仮想平面Ｐｉ１、第２仮想平面Ｐｉ２、接平面Ｔ１、および接平面Ｔ２は、空間において定義される面であるが、コンピュータ援用設計（Computer-Aided Design：ＣＡＤ）プログラムソフト等によって、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）端末の表示装置等に表示される設計図面に、明確に図示され得る。
　空中像表示装置１は、第１凹面鏡３の湾曲度が第２凹面鏡５の湾曲度よりも大きく、かつ傾斜角度θ１が傾斜角度θ２よりも小さい構成である。なお、本実施形態において、第１凹面鏡３の湾曲度が第２凹面鏡５の湾曲度よりも大きいとは、第１湾曲度Ｓ１が第３湾曲度Ｓ３よりも大きく、かつ第２湾曲度Ｓ２が第４湾曲度Ｓ４よりも大きいことを指す。
　図３Ａ，３Ｂに示すように、空中像Ｒの周縁部に位置する２点をＰ１，Ｐ２とし、空中像Ｒにおける点Ｐ１と点Ｐ２とを結ぶ辺部の中点をＰ３とする。反射面５ａから点Ｐ１に至る画像光Ｌの光路長をＯＬ１とする。反射面５ａをから点Ｐ２に至る画像光Ｌの光路長をＯＬ２とする。反射面５ａから点Ｐ３に至る画像光Ｌの光路長をＯＬ３とする。発明者らは、光路長ＯＬ１と光路長ＯＬ３との差の絶対値、および、光路長ＯＬ２と光路長ＯＬ３との差の絶対値を、所定値以下とすることによって、利用者が視認する空中像Ｒの歪みを低減し得ることを見出した。
　以下では、光路長ＯＬ１と光路長ＯＬ３との差の絶対値、および、光路長ＯＬ２と光路長ＯＬ３との差の絶対値のうちの大きい方を光路差ＯＰＤと称する。発明者らは、第１凹面鏡３の湾曲度を第２凹面鏡５の湾曲度よりも大きくし、かつ傾斜角度θ１を傾斜角度θ２よりも小さくすることによって、光路差ＯＰＤを所定値以下とし得ることを見出した。第１凹面鏡３の湾曲度を第２凹面鏡５の湾曲度よりも大きくし、かつ傾斜角度θ１を傾斜角度θ２よりも小さくすることで、第１凹面鏡３によって反射された画像光Ｌが表示装置２に向かって伝播することを抑えつつ、第１凹面鏡３に入射する画像光Ｌの入射角を小さくできるため、空中像Ｒの歪みが低減されると考えられる。空中像表示装置１が、図３Ａに示すように、利用者７に矩形状の空中像Ｒを視認させるように構成される場合、図３Ｂに示すように、点Ｐ１および点Ｐ２を空中像Ｒの上辺の両端に位置する点（最も歪が大きくなりやすい点）とすることで、空中像Ｒの歪みを効果的に低減することができる。また、所定値は、例えば２ｍｍであってもよい。
　表１は、光路差ＯＰＤを２ｍｍ以下とし得る傾斜角度θ１，θ２、第１湾曲度Ｓ１、第２湾曲度Ｓ２、第３湾曲度Ｓ３および第４湾曲度Ｓ４の組み合わせの幾つかの例を示している。表１に示すように、第１凹面鏡３の湾曲度が第２凹面鏡５の湾曲度よりも大きくなり、かつ傾斜角度θ１が傾斜角度θ２よりも小さくなるように、傾斜角度θ１，θ２ならびに第１凹面鏡３および第２凹面鏡５の湾曲度を適宜設計することで、光路差ＯＰＤを２ｍｍ以下とすることができる。その結果、利用者が視認する空中像Ｒの歪みを低減することができる。表１に示すように、第１凹面鏡３の傾斜角度θ１は３５°程度以下であってもよく、３０°程度以下であってもよい。また、第２凹面鏡５の傾斜角度θ２は５０°程度以下であってもよい。なお、装置Ｎｏ．２の空中像表示装置１は、装置Ｎｏ．１，３，４の空中像表示装置１と比べて、第１凹面鏡３および第２凹面鏡５のサイズが小さい小型の空中像表示装置１に対応する。
　さらには、第１凹面鏡３の傾斜角度θ１は約２２°～約３１°であってもよい。第２凹面鏡５の傾斜角度θ２は約３５°～約４９°であってもよい。θ１が２２°未満では、第１凹面鏡３で反射された画像光Ｌの一部が、第２凹面鏡５の側へ向かわずに表示面２ａに戻る傾向がある。θ１が３１°を超えると、第１凹面鏡３で反射された画像光Ｌの歪が大きくなる傾向がある。θ２が３５°未満では、空中像Ｒの仮想結像面９が利用者７の視線方向に対して傾く傾向がある。θ２が４９°を超えると、第２凹面鏡５で反射された画像光Ｌの歪が大きくなる傾向がある。ただし、表示装置２の表示面２ａの大きさ、形状、画像光Ｌの画角（光の広がり）等の要因によって、θ１，θ２は変化する場合があることから、必ずしも上記範囲に限るものではない。
　また、例えば、空中像Ｒの歪を１０％以下に抑えるためには、θ１は、－１．５°～＋１．５°程度のずれがあってもよく、θ２は、－１．０°～２．０°程度のずれがあってもよい。例えば、表１の装置Ｎｏ．１～４について、θ１、θ２を以下の範囲に設定してもよい。
　　装置Ｎｏ．１：２９．６４°－１．５°＜θ１＜２９．６４°＋１．５°，３７．９２°－１．０°＜θ２＜３７．９２°＋２．０°
　　装置Ｎｏ．２：３０．４１°－１．５°＜θ１＜３０．４１°＋１．５°，４６．８２°－１．０°＜θ２＜４６．８２°＋２．０°
　　装置Ｎｏ．３：２２．７９°－１．５°＜θ１＜２２．７９°＋１．５°，３７．９４°－１．０°＜θ２＜３７．９４°＋２．０°
　　装置Ｎｏ．４：２４．２５°－１．５°＜θ１＜２４．２５°＋１．５°，３６．６７°－１．０°＜θ２＜３６．６７°＋２．０℃
　空中像表示装置１では、第１凹面鏡３の湾曲度Ｓ１，Ｓ２が第２凹面鏡５の湾曲度Ｓ３，Ｓ４よりも大きいことから、表示装置２から射出された画像光Ｌを第２凹面鏡５に向けて反射する第１凹面鏡３を、表示装置２に近接して配置することができる。その結果、表示装置２および反射光学系８の占有空間を削減し小さくする（コンパクトにする）ことが可能となるため、空中像表示装置１を小型化できる。さらに、空中像表示装置１が小型化できることにより、表示装置２の表示面２ａと第２凹面鏡５の反射面５ａとの間の画像光Ｌの光路長を短くできるため、不所望な散乱、干渉等による画像光Ｌの損失を低減できる。その結果、空中像表示装置１の表示品位を向上させることができる。
　以上のように、本開示の空中像表示装置１によれば、空中像Ｒの表示品位が向上した、小型の空中像表示装置を提供することができる。
　図４は、空中像表示装置１の利用者７が視認する空中像Ｒを示すシミュレーション結果である。図４では、空中像Ｒの歪みの視覚的理解を容易にするために、空中像Ｒを格子状パターンの空中像とするとともに、歪み方向および歪み量を示す座標軸を記載している。図４において、実線は利用者７が視認する空中像Ｒを示し、破線は歪みのない理想的な空中像ＩＲを示す。
　図４に示すように、空中像Ｒの歪みは、空中像Ｒの外周部に生じやすく、特に空中像Ｒの四隅の角部（右下角部ＬＲ，右上角部ＵＲ，左下角部ＬＬ，左上角部ＵＬ）において歪みが大きくなりやすい。表２は、図４の空中像Ｒについて、角部ＬＲ，ＵＲ，ＬＬ，ＵＬにおける理想的な空中像ＩＲからの歪みを示している。空中像表示装置１は、表２に示すように、角部ＬＲ，ＵＲ，ＬＬ，ＵＬにおける歪みを±７％以内に抑えることができる。
　なお、Ｘ方向の＋（プラス）方向は図４における右方向であり、Ｘ方向の－（マイナス）方向は図４における左方向である。また、Ｙ方向の＋方向は図４における上方向であり、Ｙ方向の－方向は図４における下方向である。ただし、表１において、空中像Ｒの歪は、Ｘ方向およびＹ方向のそれぞれについて、理想的な空中像ＩＲの外側に歪んだ場合を正の値とし、理想的な空中像ＩＲの内側に歪んだ場合を負の値としている。例えば、右下角部ＬＲにおいて、Ｘ方向で外側方向（右方向：広がる方向）を＋方向、Ｘ方向で内側方向（左方向：縮む方向）を－方向とし、Ｙ方向で外側方向（下方向：広がる方向）を＋方向、Ｙ方向で内側方向（上方向：縮む方向）を－方向とする。右上角部ＵＲ、左下角部ＬＬ、および左上角部ＵＬにおいても、同様である。また、空中像Ｒの歪を示す以下の各表においても同様である。
　角部ＬＲ，ＵＲ，ＬＬ，ＵＬにおける歪みは、以下のように算出する。角部ＬＲ，ＵＲ，ＬＬ，ＵＬのＸ方向の歪は、矩形状の理想的な空中像ＩＲの上辺（下辺は上辺と同じ長さ）の長さＬＸに対する、Ｘ方向のずれ長さで規定する。空中像ＩＲの下辺の長さは、上辺の長さＬＸと同じ長さであることから、上辺の長さＬＸを基準とする。例えば、角部ＵＲのＸ方向の歪は、上辺の長さＬＸに対する、空中像ＩＲの右上角ＣＵＲからのＸ方向のずれ長さΔＸＵＲで規定する。すなわち、角部ＵＲのＸ方向の歪は、（ΔＸＵＲ／ＬＸ）×１００（％）で規定する。角部ＵＲは、Ｘ方向において、空中像ＩＲの外側に歪んでいることから、＋の値となる。角部ＬＲ，ＬＬ，ＵＬのＸ方向における歪みも同様に規定する。空中像ＩＲが矩形状以外の形状である場合、Ｘ方向の基準長さは、平均長さ、最大長さであってもよい。
　角部ＬＲ，ＵＲ，ＬＬ，ＵＬのＹ方向の歪は、矩形状の理想的な空中像ＩＲの右辺（左辺は右辺と同じ長さ）の長さＬＹに対する、Ｙ方向のずれ長さで規定する。空中像ＩＲの左辺の長さは、右辺の長さＬＹと同じ長さであることから、右辺の長さＬＹを基準とする。例えば、角部ＵＲのＹ方向の歪は、右辺の長さＬＹに対する、空中像ＩＲの右上角ＣＵＲからのＹ方向のずれ長さΔＹＵＲで規定する。すなわち、角部ＵＲのＹ方向の歪は、（ΔＹＵＲ／ＬＹ）×１００（％）で規定する。角部ＵＲは、Ｙ方向において、空中像ＩＲの内側に歪んでいることから、－の値となる。角部ＬＲ，ＬＬ，ＵＬのＹ方向における歪みも同様に規定する。空中像ＩＲが矩形状以外の形状である場合、Ｙ方向の基準長さは、平均長さ、最大長さであってもよい。
　図５は、空中像表示装置１の特徴を有さず、光路差ＯＰＤが２ｍｍより大きい空中像表示装置の利用者が視認する空中像Ｒを示すシミュレーション結果である。図５において、実線は利用者７が視認する空中像Ｒを示し、破線は歪みのない理想的な空中像ＩＲを示す。表３は、図５の空中像Ｒについて、角部ＬＲ，ＵＲ，ＬＬ，ＵＬにおける理想的な空中像ＩＲからの歪みを示している。
　表３に示すように、光路差ＯＰＤが２ｍｍ以上となる場合、四隅における歪み、特に右上角部ＵＲおよび左上角部ＵＬにおける歪みのＹ成分が大きくなっている。
　以上のように、空中像表示装置１は、利用者７が視認する空中像Ｒの歪みを低減することができる。したがって、空中像表示装置１によれば、空中像の表示品位が向上した空中像表示装置を提供することができる。
　図６は、小型の空中像表示装置１の利用者７が視認する空中像Ｒを示すシミュレーション結果である。小型の空中像表示装置１は、表１の装置Ｎｏ．２に対応する空中像表示装置１である。図６において、実線は利用者７が視認する空中像Ｒを示し、破線は歪みのない理想的な空中像ＩＲを示す。
　図６に示すように、空中像Ｒの歪みは、空中像Ｒの外周部に生じやすく、特に空中像Ｒの四隅の角部（右下角部ＬＲ，右上角部ＵＲ，左下角部ＬＬ，左上角部ＵＬ）において歪みが大きくなりやすい。表４は、図６の空中像Ｒについて、角部ＬＲ，ＵＲ，ＬＬ，ＵＬにおける理想的な空中像ＩＲからの歪みを示している。空中像表示装置１は、表４に示すように、角部ＬＲ，ＵＲ，ＬＬ，ＵＬにおける歪みを±３％以内に抑えることができる。このように、空中像表示装置１は、小型化された場合であっても、空中像Ｒの歪みを低減できる。
　空中像表示装置１は、第１凹面鏡３および第２凹面鏡５を含む反射光学系８を用いて空中像Ｒを表示する構成であるため、第１凹面鏡３および第２凹面鏡５の反射面３ａ，５ａの形状を適宜設計することによって、空中像Ｒの歪みを低減することが可能となる。また、空中像表示装置１は、反射光学系８が入射した画像光Ｌの一部を透過する光学素子（例えばビームスプリッタ、偏光フィルタ等）を含んでいないため、空中像Ｒの輝度の低下を低減できる。例えば、反射光学系８の光軸上にビームスプリッタがある場合、ビームスプリッタによって画像光Ｌのうちの約半分の光が分離されることから、空中像Ｒの輝度が約半分になる場合がある。空中像表示装置１は、そのような輝度の低下が発生することを抑えることができる。あるいは、空中像表示装置１によれば、空中像Ｒの十分な輝度を維持しつつ、表示面２ａに表示する画像の輝度を低下させることもできる。そのため、空中像表示装置１の消費電力を削減することが可能となる。
　空中像表示装置１は、図１に示すように、制御装置６を備える。制御装置６は、空中像表示装置１の各構成要素に接続され、各構成要素を制御する。制御装置６によって制御される構成要素は、表示装置２を含む。
　制御装置６は、上記の調整部材を調整する機能を有していてもよい。また制御装置６は、表示装置２をオン、オフする機能、表示装置２に画像信号を送信する機能、また画像の輝度、色度、フレーム周波数等を調整する機能等を有していてもよい。また、表示装置２に放熱部材または冷却部材が備わっている場合、制御装置６は、放熱部材または冷却部材の温度を調整する機能を有していてもよい。
　制御装置６は、１以上のプロセッサを含んで構成されていてもよい。プロセッサは、特定のプログラムを読み込ませて特定の機能を実行するように構成される汎用のプロセッサ、および特定の処理に特化した専用のプロセッサを含んでいてもよい。専用のプロセッサは、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を含んでいてもよい。プロセッサは、ＰＬＤ（Programmable Logic Device）を含んでいてもよい。ＰＬＤは、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）を含んでいてもよい。制御装置６は、１以上のプロセッサが協働するように構成されるＳｏＣ（System-on-a-Chip）またはＳｉＰ（System In a Package）であってもよい。
　空中像表示装置１は、第２凹面鏡５のサイズ（例えば、直径）が、第１凹面鏡３のサイズ（例えば、直径等）よりも大きい構成であってもよい。この場合、拡大された空中像Ｒを表示させることが容易になる。即ち、第２凹面鏡５は、第１凹面鏡３によって反射された、径が拡大する画像光Ｌの光束を、空中像Ｒの仮想結像面９に向けて反射することが容易になる。また、第２凹面鏡５が比較的大きい場合、反射面５ａの形状を、画像光Ｌに含まれる複数の部分光のそれぞれに応じた形状とすることが容易になる。その結果、空中像Ｒの歪みを効果的に低減することが可能となる。
　第１凹面鏡３のサイズは、第１凹面鏡３の反射面３ａの最大径の長さで規定してもよい。第２凹面鏡５のサイズは、第２凹面鏡５の反射面５ａの最大径の長さで規定してもよい。例えば、第１凹面鏡３が部分球面状である場合、第１凹面鏡３の反射面３ａの正面視形状は円形になる。この場合、第１凹面鏡３のサイズは、Ｌ１とＬ２との和であってもよい（図２参照）。第１凹面鏡３が部分楕円面状である場合、第１凹面鏡３の反射面３ａの正面視形状は楕円形になる。この場合、第１凹面鏡３のサイズは、反射面３ａの中心の上を通り両端Ｅ１，Ｅ２を結ぶ線分のうち長径の長さであってもよい。第１凹面鏡３の反射面３ａの正面視形状が矩形状等の形状である場合、第１凹面鏡３のサイズは、反射面３ａの中心の上を通り両端Ｅ１、Ｅ２を結ぶ線分のうちの最大の長さ（例えば、対角線の長さ等）であってもよい。なお、反射面３ａの中心は、湾曲した反射面３ａの最下点（最大突出点）で規定される。第２凹面鏡５のサイズは、第１凹面鏡３のサイズと同様に定義される。第１凹面鏡３のサイズは、例えば１５０ｍｍ～２００ｍｍ程度であってもよい。第２凹面鏡５のサイズは、例えば２００ｍｍ～３５０ｍｍ程度であってもよい。
　第１凹面鏡３のサイズは、第１凹面鏡３の反射面３ａの面積、または第１凹面鏡３の反射面３ａの正面視における面積で規定してもよい。第２凹面鏡５のサイズは、第２凹面鏡５の反射面５ａの面積、または第２凹面鏡５の反射面５ａの正面視における面積で規定してもよい。
　第１凹面鏡３は、反射面３ａの形状が自由曲面である自由曲面凹面鏡であってもよい。第２凹面鏡５は、反射面５ａの形状が自由曲面である自由曲面凹面鏡であってもよい。第１凹面鏡３および第２凹面鏡５の反射面３ａ，５ａの形状が自由曲面である場合、反射面３ａ，５ａの形状を、空中像Ｒの歪みを効果的に低減する形状とすることが容易になる。
その結果、空中像Ｒの歪みを効果的に低減することが可能となる。
　反射面３ａ，５ａを規定する自由曲面は、以下に示す式（１）および式（２）によって規定されるＸＹ多項式面（ＳＰＳ　ＸＹＰ面ともいう）であってもよい。ＸＹ多項式面は、基準コーニック面に追加される１０次までの多項式に展開される。したがって、式（１）および式（２）において、ｍとｎとの和は、１０以下である。式（１）において、ｚはｚ軸（光軸）に平行な面のサグ量であり、ｃは頂点曲率であり、ｒは半径方向の距離（すなわち、ｒ2＝ｘ2＋ｙ2）であり、ｋはコーニック定数であり、Ｃｊは単項式ｘｍｙｎの係数である。
　自由曲面凹面鏡は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）等の金属板の面を、コンピュータの数値制御による切削加工法等によって、自由曲面の凹面となるように削り出すことによって作製することができる。
　空中像表示装置１は、第１凹面鏡３によって反射された画像光Ｌが、第１凹面鏡３と第２凹面鏡５との間の空間を伝播するように構成されていてもよい。即ち、図１に示すように、第１凹面鏡３と第２凹面鏡５との間の画像光Ｌの光路は、他の光学部材が存在しない空間伝播光路であってもよい。この場合、第１凹面鏡３と第２凹面鏡５との間の光路における画像光Ｌの損失を低減することができ、その結果、空中像Ｒの輝度の低下が発生することを抑えることができる。あるいは、空中像Ｒの十分な輝度を維持しつつ、表示面２ａに表示する画像の輝度を低下させることもできるため、空中像表示装置１の消費電力を削減することが可能となる。
　空中像Ｒの仮想結像面９に平行な方向（図１における略Ｙ方向）に沿って、第２凹面鏡５の背面側から第２凹面鏡５を見たとき、第２凹面鏡５は、表示装置２および第１凹面鏡３に重なっている構成であってもよい。この構成の場合、表示装置２および反射光学系８の占有空間を削減し小さくすることができるため、空中像表示装置１を小型化できる。その結果、空中像表示装置１の内部における画像光Ｌの光路長を短くできるため、不所望な散乱、干渉等による画像光Ｌの損失を低減することができる。ひいては、空中像表示装置１の表示品位を向上させることができる。また、第２凹面鏡５の反射面５ａは、表示装置２の表示面２ａおよび第１凹面鏡３の反射面３ａに重なっている構成であってもよい。即ち、反射光学系８の光路に直接関係する部位の位置関係を規定してもよい。
　空中像Ｒの仮想結像面９にほぼ直交する方向から視認者が視認することから、空中像Ｒの仮想結像面９に平行な方向は、空中像表示装置１の高さ方向となる。また、空中像Ｒの仮想結像面９に直交する方向は、空中像表示装置１の厚さ方向（奥行方向）になる。上記の構成により、空中像表示装置１の少なくとも厚さ（奥行）を薄くすることができる。
　空中像Ｒの仮想結像面９に平行な方向（図１における略Ｙ方向）に沿って、第２凹面鏡５の背面側から第２凹面鏡５を見たとき、第２凹面鏡５は、表示装置２および第１凹面鏡３を内包している構成であってもよい。この構成の場合、表示装置２および反射光学系８の占有空間をより削減し小さくすることができるため、空中像表示装置１をより小型化できる。その結果、空中像表示装置１の内部における画像光Ｌの光路長をより短くできるため、不所望な散乱、干渉等による画像光Ｌの損失を効果的に低減することができる。ひいては、空中像表示装置１の表示品位を効果的に向上させることができる。また、第２凹面鏡５の反射面５ａは、表示装置２の表示面２ａと、第１凹面鏡３の反射面３ａとを内包している構成であってもよい。即ち、反射光学系８の光路に直接関係する部位の位置関係を規定してもよい。この構成により、空中像表示装置１の少なくとも厚さ（奥行）をより薄くすることができる。
　空中像表示装置１は、車両、船舶、航空機等の移動体、即ち利用者が搭乗する乗り物に搭載されていてもよい。車両は、例えば、自動車、産業車両、鉄道車両、生活車両、滑走路を走行する固定翼機等を含む。自動車は、例えば、乗用車、トラック、バス、二輪車、トロリーバス等を含む。産業車両は、例えば、農業および建設向けの産業車両等を含む。産業車両は、例えば、フォークリフト、ゴルフカート等を含む。農業向けの産業車両は、例えば、トラクター、耕耘機、移植機、バインダー、コンバイン、芝刈り機等を含む。建設向けの産業車両は、例えば、ブルドーザー、スクレーパー、ショベルカー、クレーン車、ダンプカー、ロードローラ等を含む。車両は、人力で走行するものを含んでいてもよい。船舶は、例えば、マリンジェット、ボート、タンカー等を含む。航空機は、例えば、固定翼機、回転翼機等を含む。空中像表示装置１は、移動体のダッシュボード内に配置されていてもよい。
　空中像表示装置１を含む移動体は、利用者（例えば、移動体の運転者）に歪みが少なく高輝度および高コントラスト比を有する空中像Ｒを視認させることができる。空中像Ｒは、移動体の状態（例えば、移動体の速度、加速度、姿勢等）、移動体の周囲状況等に関する情報を含んでいてもよい。
　空中像表示装置１は、乗り物に設置されるヘッドアップディスプレイであってもよい。この場合、例えば、乗り物のフロントウィンドシールドの一部を反射部材とし、その反射部材を第２凹面鏡５に代えて使用してもよい。そして、その反射部材を介して利用者が空中像Ｒを視認する構成であってもよい。反射部材は、半透過反射型（約半分の光を透過させ、約半分の光を反射するもの）であってもよい。
　空中像表示装置１は、図１に示す縦断面において、空中像表示装置１を側方からみたときに、第１凹面鏡３と第２凹面鏡５との間に、表示装置２が位置している構成であってもよい。換言すると、第１凹面鏡３が最下位置にあり、第２凹面鏡５が最上位置にある構成であってもよい。この場合、空中像表示装置１の高さを低くし、小型化することが容易になる。
　また、図１に示す空中像表示装置１は、表示装置２が画像光Ｌに重ならない（即ち、画像光Ｌを遮らない）位置にある構成であってもよい。この場合、表示装置２が空中像Ｒの障害になること、例えば空中像Ｒの一部が欠落すること、空中像Ｒの一部が暗くなること等を抑えることができる。表示装置２と、表示装置２に最も近い画像光Ｌと、の距離（最短距離）は、２ｍｍ以上であってもよく、１０ｍｍ以上であってもよいが、これらの範囲に限らない。
　また、図１に示す空中像表示装置１は、第１凹面鏡３が、第２凹面鏡５を空間に延在して成る曲面空間（立体空間ともいう）に内包されている構成であってもよい。この場合、反射光学系８および空中像表示装置１が小型化されたものになる。また、表示装置２および第１凹面鏡３が、上記曲面空間に内包されている構成であってもよい。この場合、反射光学系８および空中像表示装置１がさらに小型化されたものになる。
　空中像表示装置１は、利用者７の顔を撮像するカメラを備えていてもよい。カメラは、赤外光カメラであってもよく、可視光カメラであってもよい。カメラは、ＣＣＤイメージセンサ、またはＣＭＯＳイメージセンサを含んでいてもよい。制御装置６は、カメラから出力される撮像データに基づいて、利用者７の眼の位置を検出してもよい。制御装置６は、検出した眼の位置に基づいて、表示面２ａに表示する画像を変形させてもよい。この場合、利用者７の眼の位置が移動したときも、空中像Ｒの歪みを低減することが可能となる。空中像表示装置１が移動体に搭載される場合、カメラは移動体に取り付けられていてもよい。カメラは、例えば、移動体のダッシュボード内に位置していてもよく、ダッシュボード上に位置していてもよい。
　空中像表示装置１は、反射光学系８の第１凹面鏡３および第２凹面鏡５のうちの少なくとも一方を移動させる駆動装置を備えていてもよい。この駆動装置は、上記の調整部材を含んでもよい。制御装置６は、検出した眼の位置に基づいて、第１凹面鏡３および第２凹面鏡５のうちの少なくとも一方を移動させてもよい。この場合、利用者７の眼の位置が移動したときも、空中像Ｒの歪みを低減することが可能となる。駆動装置は、例えばモータ、圧電素子等を含んで構成されていてもよい。
　以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
　本開示の空中像表示装置によれば、空中像の表示品位が向上した空中像表示装置を提供することができる。
　本開示は、以下の構成（１）～（８）で実施可能である。
（１）表示面を有する表示部と、
　前記表示面から射出された画像光を、前記表示部に向かう方向とは異なる方向に反射する第１凹面鏡と、
　前記第１凹面鏡によって反射された前記画像光を、前記第１凹面鏡に向かう方向とは異なる方向に反射するとともに、実像の空中像として結像させる第２凹面鏡と、を備え、
　前記第１凹面鏡の湾曲度が前記第２凹面鏡の湾曲度よりも大きく、
　前記表示面を含む第１仮想平面に対する前記第１凹面鏡の傾斜角度が、前記空中像の仮想結像面を含む第２仮想平面に対する前記第２凹面鏡の傾斜角度よりも小さい、空中像表示装置。
（２）前記第２凹面鏡の反射面の最大径の長さが前記第１凹面鏡の反射面の最大径の長さよりも大きい、上記構成（１）に記載の空中像表示装置。
（３）前記第１凹面鏡の湾曲度が前記第２凹面鏡の湾曲度よりも大きい、上記構成（１）または（２）に記載の空中像表示装置。
（４）前記第１凹面鏡および前記第２凹面鏡は、自由曲面凹面鏡である、上記構成（１）～（３）のいずれかに記載の空中像表示装置。
（５）前記第１凹面鏡の前記傾斜角度が３５度以下であり、前記第２凹面鏡の前記傾斜角度が５０度以下である、上記構成（１）～（４）のいずれかに記載の空中像表示装置。
（６）前記第１凹面鏡によって反射された前記画像光は、前記第１凹面鏡と前記第２凹面鏡との間の空間のみを伝播する、上記構成（１）～（５）のいずれかに記載の空中像表示装置。
（７）前記仮想結像面に平行な方向に沿って、前記第２凹面鏡の背面側から前記第１凹面鏡を見たとき、前記第２凹面鏡は、前記表示部および前記第１凹面鏡に重なっている、上記構成（１）～（６）のいずれかに記載の空中像表示装置。
（８）前記仮想結像面に平行な方向に沿って、前記第２凹面鏡の背面側から前記第１凹面鏡を見たとき、前記第２凹面鏡は、前記表示部および前記第１凹面鏡を内包している、上記構成（１）～（６）のいずれかに記載の空中像表示装置。
産業上の利用分野
　本開示の空中像表示装置は、空中像をタッチレスで操作することを可能にし、その結果以下のような種々の製品分野において利用できるが、以下に限るものではない。例えば、空中像を伴って会話・通信等を行う通信装置、医師が患者に空中像を通して問診を行う医療用の問診装置、自動車等の乗り物用のナビゲーション装置・運転制御装置、店舗等用の注文発注受注装置・レジスタ装置、建築物・エレベーター等用の操作パネル、空中像を伴って授業をし、または授業を受ける学習装置、空中像を伴って業務連絡・指示等を行う事務機器、空中像を伴って遊戯を行う遊戯機、遊園地・ゲームセンター等で地面・壁面等に画像を投影する投影装置、大学・医療機関等において空中像によって模擬実験等を行うためのシミュレーター装置、市場・証券取引所等で価格等を表示する大型ディスプレイ、空中像の映像を鑑賞する映像鑑賞装置などである。
　１　　　空中像表示装置
　２　　　表示部（表示装置）
　２ａ　　表示面
　３　　　第１凹面鏡
　３ａ　　反射面
　５　　　第２凹面鏡
　５ａ　　反射面
　６　　　制御装置
　７　　　利用者
　８　　　反射光学系
　９　　　仮想結像面
　Ｒ　　　空中像

Claims (8)

  1. 　表示面を有する表示部と、
    　前記表示面から射出された画像光を、前記表示部に向かう方向とは異なる方向に反射する第１凹面鏡と、
    　前記第１凹面鏡によって反射された前記画像光を、前記第１凹面鏡に向かう方向とは異なる方向に反射するとともに、実像の空中像として結像させる第２凹面鏡と、を備え、
    　前記表示面を含む第１仮想平面に対する前記第１凹面鏡の傾斜角度が、前記空中像の仮想結像面を含む第２仮想平面に対する前記第２凹面鏡の傾斜角度よりも小さい、空中像表示装置。
  2. 　前記第２凹面鏡の反射面の最大径の長さが前記第１凹面鏡の反射面の最大径の長さよりも大きい、請求項１に記載の空中像表示装置。
  3. 　前記第１凹面鏡の湾曲度が前記第２凹面鏡の湾曲度よりも大きい、請求項１または２に記載の空中像表示装置。
  4. 　前記第１凹面鏡および前記第２凹面鏡は、自由曲面凹面鏡である、請求項１～３のいずれか１項に記載の空中像表示装置。
  5. 　前記第１凹面鏡の前記傾斜角度が３５度以下であり、前記第２凹面鏡の前記傾斜角度が５０度以下である、請求項１～４のいずれか１項に記載の空中像表示装置。
  6. 　前記第１凹面鏡によって反射された前記画像光は、前記第１凹面鏡と前記第２凹面鏡との間の空間のみを伝播する、請求項１～５のいずれか１項に記載の空中像表示装置。
  7. 　前記仮想結像面に平行な方向に沿って、前記第２凹面鏡の背面側から前記第１凹面鏡を見たとき、前記第２凹面鏡は、前記表示部および前記第１凹面鏡に重なっている、請求項１～６のいずれか１項に記載の空中像表示装置。
  8. 　前記仮想結像面に平行な方向に沿って、前記第２凹面鏡の背面側から前記第１凹面鏡を見たとき、前記第２凹面鏡は、前記表示部および前記第１凹面鏡を内包している、請求項１～６のいずれか１項に記載の空中像表示装置。
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