特開 2020-144237 空中像形成装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2020-144237(P2020-144237A)

(43)【公開日】2020年9月10日

(54)【発明の名称】空中像形成装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 30/00 20200101AFI20200814BHJP

   G02B 5/08 20060101ALN20200814BHJP

【ＦＩ】

   G02B27/22

   G02B5/08 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2019-40938(P2019-40938)

(22)【出願日】2019年3月6日

(71)【出願人】

【識別番号】504133110

【氏名又は名称】国立大学法人電気通信大学

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(74)【代理人】

【識別番号】100169764

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 雄一郎

(72)【発明者】

【氏名】小泉 直也

(72)【発明者】

【氏名】大里 柚衣

【テーマコード（参考）】

2H042

2H199

【Ｆターム（参考）】

2H042DA02

2H042DA08

2H042DB14

2H042DC02

2H042DD04

2H199BA32

2H199BB17

2H199BB44

2H199BB52

(57)【要約】

【課題】空中像を形成する光学系の大型化を抑え、空中像を前後方向で高速に移動させることが容易な空中像形成装置を提供する。
【解決手段】空中像形成装置１０は、表示面２１から第１光を出射する表示素子２０と、第１光２０１を第２光２０２として鏡面反射する鏡面反射面４１を有する鏡面反射素子４０と、第２光を第３光２０３として再帰透過する再帰透過面６１を有する再帰透過素子６０と、第１回転軸７１を中心に表示面を回転させる第１回転機構８１と、第２回転軸７２を中心に鏡面反射面を回転させる第２回転機構９１とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

表示面を有し、前記表示面から第１光を出射する表示素子と、
前記第１光の進行方向の前記表示面より奥側の空間に配置され、前記第１光を第２光として鏡面反射する鏡面反射面を有する鏡面反射素子と、
前記第２光の進行方向の前記鏡面反射面より奥側の空間に配置され、前記第２光を第３光として再帰透過する再帰透過面を有する再帰透過素子と、
前記表示面に含まれる第１回転軸を中心に前記表示面を回転させる第１回転機構と、
前記鏡面反射面又は前記鏡面反射面の延長上に含まれる第２回転軸を中心に前記鏡面反射面を回転させる第２回転機構と、
を備える、
空中像形成装置。

【請求項2】

前記第２回転軸は、前記第１光が鏡面反射する位置より前記第３光の進行方向の手前側の位置にある、
請求項１に記載の空中像形成装置。

【請求項3】

前記第２回転軸は、前記鏡面反射素子において前記第３光の進行方向の最も手前側の端縁と重なる、
請求項１に記載の空中像形成装置。

【請求項4】

前記第１回転機構と前記第２回転機構の少なくとも一方を制御する回転制御部をさらに備え、
前記回転制御部は、前記表示面の回転角度と前記鏡面反射面の回転角度とが所定の関係を保つように制御することによって、前記再帰透過面から出射した前記第３光の結像位置を変えつつ、前記第３光の進行方向を略一方向に保つ、
請求項１から３のいずれか一項に記載の空中像形成装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空中像形成装置に関する。

【背景技術】

【0002】

空中像は、光源から出射された光を光学素子等によって反射・屈折させ、空間の任意の位置に結像させた実像である。空中像を形成する位置にはスクリーンや前述のディスプレイとは別のディスプレイ等が配置されておらず、空中像を見る観察者は不思議な感覚を得る。そのため、近年、バーチャルリアリティをはじめとする様々なアプリケーションで、空中像が活用されている。

【0003】

例えば、特許文献１には、画像光を出射する出射部と、画像光を空中像として結像する結像素子と、第１の面と第２の面とを有し、第１の面に入射する画像光の少なくとも一部を透過させると共に、第２の面に入射する画像光の少なくとも一部を結像素子に反射する第１の反射素子と、第１の面を透過する画像光の少なくとも一部を第２の面に反射する第２の反射素子とを備える画像表示装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８−１０５９６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載されている画像表示装置では、第２の面で反射された画像光の進行方向において空中像を前後に移動させるためには、空中像の移動距離と同じ距離だけ出射部を移動させる必要がある。そのため、画像光の進行方向における空中像の移動距離を大きくしようとすると、空中像を形成する光学系の設置スペースが大きくなり、出射部を移動させるモータ等の移動機構の負荷が大きくなり、且つ空中像の高速移動が難しくなる。

【0006】

本発明は、空中像を形成する光学系の大型化を抑え、空中像を前後方向で高速に移動させることが容易な空中像形成装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の空中像形成装置は、表示面を有し、前記表示面から第１光を出射する表示素子と、前記第１光の進行方向の前記表示面より奥側の空間に配置され、前記第１光を第２光として鏡面反射する鏡面反射面を有する鏡面反射素子と、前記第２光の進行方向の前記鏡面反射面より奥側の空間に配置され、前記第２光を第３光として再帰透過する再帰透過面を有する再帰透過素子と、前記表示面に含まれる第１回転軸を中心に前記表示面を回転させ、前記第３光の進行方向に対する前記表示面の角度を変化させる第１回転機構と、前記鏡面反射面又は前記鏡面反射面の延長上に含まれる第２回転軸を中心に前記鏡面反射面を回転させ、前記第３光の進行方向に対する前記鏡面反射面の角度を変化させる第２回転機構と、を備える。

【0008】

本発明の空中像形成装置では、前記第２回転軸は、前記第１光が鏡面反射する位置より前記第３光の進行方向の手前側の位置にあってもよい。

【0009】

本発明の空中像形成装置では、前記第２回転軸は、前記鏡面反射素子において前記第３光の進行方向の最も手前側の端縁と重なってもよい。

【0010】

本発明の空中像形成装置は、前記第１回転機構と前記第２回転機構の少なくとも一方を制御する回転制御部をさらに備え、前記回転制御部は、前記表示面の回転角度と前記鏡面反射面の回転角度とが所定の関係を保つように制御することによって、前記再帰透過面から出射した前記第３光の結像位置を変えつつ、前記第３光の進行方向を略一方向に保ってもよい。

【発明の効果】

【0011】

本発明の空中像形成装置によれば、空中像を形成する光学系の大型化を抑え、空中像を前後方向で高速に移動させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態の空中像形成装置の要部の構成を示す側面図である。

【図2】図１に示す空中像形成装置の要部の構成を示す側面図である。

【図3】本発明の一実施形態の空中像形成装置の斜視図である。

【図4】図１に示す空中像形成装置の設計条件を説明するための側面図である。

【図5】図１に示す空中像形成装置の設計条件を説明するための側面図である。

【図6】図１に示す空中像形成装置の設計条件を説明するための側面図である。

【図7】図１に示す空中像形成装置の設計条件を説明するための側面図である。

【図8】図１に示す空中像形成装置の第１変形例の要部の構成を示す側面図である。

【図9】図１に示す空中像形成装置の第１変形例の要部の構成を示す側面図である。

【図10】図１に示す空中像形成装置の第２変形例の要部の構成を示す側面図である。

【図11】図１に示す空中像形成装置の第２変形例の要部の構成を示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の空中像形成装置の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。

【0014】

図１に示すように、本発明の一実施形態の空中像形成装置１０は、空中像を形成する光学系として、表示素子２０と、鏡面反射素子４０と、再帰透過素子６０と、第１回転機構８１と、第２回転機構９１と、回転制御部７５とを備えている。

【0015】

表示素子２０は、光源であり、表示面２１を有する。表示面２１からは、光源画像から出射される光として第１光２０１が出射される。表示素子２０は、例えばスマートフォンや液晶ディスプレイであるが、表示面２１から第１光２０１を発することができる任意の光学素子であればよい。

【0016】

鏡面反射素子４０は、第１光２０１の進行方向の表示面２１より奥側の空間に配置されている。鏡面反射素子４０は、入射する第１光２０１を第２光２０２として鏡面反射する鏡面反射面４１を有する。鏡面反射素子４０は、例えば板状部材の一面（鏡面反射面）にアルミニウム等の金属が蒸着された金属ミラーや、前述の一面に誘電体多層膜が積層された誘電体多層膜ミラーであるが、鏡面反射面４１で第１光２０１を第２光２０２として鏡面反射できる任意の光学素子であればよい。

【0017】

再帰透過素子６０は、第２光２０２の進行方向の鏡面反射面４１より奥側の空間に配置されている。再帰透過素子６０は、入射する第２光２０２を第３光２０３として再帰透過させ、所定の位置で結像させる再帰透過面６１を有する。再帰透過素子６０は、例えばマイクロミラーアレイプレート（micro-mirror array plates：ＭＭＡＰs）や市販のＡＳＫＡ３Ｄプレート（販売製造元；株式会社アスカネット）である。なお、再帰透過素子６０は、入射する第２光２０２を再帰透過できる任意の光学素子であればよい。

【0018】

本実施形態の再帰透過素子６０には、ＭＭＡＰｓが用いられている。ＭＭＡＰｓは、再帰透過面６１と平行な入射面６２及び出射面６３、複数のマイクロミラー６４，６５を有する。複数のマイクロミラー６４は、再帰透過面６１に直交し且つ第２光２０２の光軸２１２に対して４５°をなす方向において、互いに所定の間隔をあけて配置されている。各マイクロミラー６４は、入射面６２と再帰透過面６１との間で再帰透過面６１に直交している。複数のマイクロミラー６５は、再帰透過面６１に直交し且つ第２光２０２の光軸２１２に対して４５°をなす方向において、互いに所定の間隔をあけて配置されている。複数のマイクロミラー６５は、複数のマイクロミラー６４にも直交している。各マイクロミラー６５は、再帰透過面６１と出射面６３との間で再帰透過面６１に直交している。

【0019】

表示面２１には、空中像２５５を形成させる元の画像２５１が表示される。画像２５１は、表示面２１の解像度等に応じた複数の発光点から出射される第１光２０１で構成される。図１には、複数の発光点のうち１つの発光点２２から出射される第１光２０１が示されている。

【0020】

発光点２２から出射された第１光２０１は、鏡面反射素子４０に入射し、鏡面反射面４１で鏡面反射される。このとき、鏡面反射面４１を中心に第１光２０１を折り返すようにして、画像２５１と面対称な位置に虚像２５４が形成される。鏡面反射面４１で鏡面反射された第２光２０２は、再帰透過素子６０に入射し、再帰透過面６１を再帰透過する。第２光２０２は、複数のマイクロミラー６４に対して、鏡面反射面４１で鏡面反射した位置とマイクロミラー６４に入射する位置とを結ぶ直線に沿って入射し、第３光２０３として鏡面反射される。

【0021】

再帰透過面６１を再帰透過した第３光２０３は、再帰透過面６１を中心に、虚像２５４から出射された光２０４及び第２光２０２を折り返すようにして、虚像２５４と面対称な位置に結像する。このことによって、再帰透過面６１を中心として虚像２５４と面対称な位置に空中像２５５が形成される。空中像２５５を形成した第３光２０３は、第３光２０３の進行方向の奥側に進むに従って拡散する第５光２０５として進行する。

【0022】

以下、光軸２１２に対して再帰透過面６１が４５°の角度をなして配置されている状態において、再帰透過面６１における光軸２１２と第３光２０３の光軸２１３との交点を原点Ｏとする。原点Ｏを通り、光軸２１３に沿って第３光２０３の進行方向の手前側に進む方向を＋Ｘ方向とする。原点Ｏを通り、光軸２１３に沿って第３光２０３の進行方向の奥側に進む方向を−Ｘ方向とする。原点Ｏを通り、光軸２１２に沿って第２光２０２の進行方向の奥側に進む方向を＋Ｙ方向とする。原点Ｏを通り、光軸２１２に沿って第２光２０２の進行方向の手前側に進む方向を−Ｙ方向とする。＋Ｘ方向及び−Ｘ方向に重なる同一直線方向については、「Ｘ方向」と記載する。＋Ｙ方向及び−Ｙ方向に重なる同一直線方向については、「Ｙ方向」と記載する。Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向をＺ方向とする。

【0023】

第１回転機構８１は、表示面２１に含まれる第１回転軸７１を中心に表示面２１を回転させる。本実施形態の第１回転軸７１は、Ｚ方向に沿っており、光軸２１１と角度θをなし且つＺ方向に直交する方向において、表示面２１の中央に位置している。第１回転軸７１を中心とする表示面２１の回転により、−Ｘ方向（第３光の進行方向）と表示面２１との角度θが変化し、−Ｘ方向に対する光軸２１１の傾きが変わる。第１回転機構８１は、例えば回転モータであるが、第１回転軸７１を中心に表示面２１を回転できる任意の回転機構であればよい。

【0024】

第２回転機構９１は、鏡面反射面４１又は鏡面反射面４１の延長上に含まれる第２回転軸７２を中心に鏡面反射面４１を回転させる。図１では、第２回転機構９１は、鏡面反射面４１の−Ｘ方向の最も奥側の端縁（第３光の進行方向の最も手前側の端縁）４２と重なっている。第２回転軸７２を中心とする鏡面反射面４１の回転により、−Ｘ方向（第３光の進行方向）と鏡面反射面４１との角度φが変化し、−Ｘ方向に対する光軸２１２，２１３のそれぞれの傾きが変わる。第２回転機構９１は、例えば回転モータであるが、第２回転軸７２を中心に鏡面反射面４１を回転できる任意の回転機構であればよい。

【0025】

回転制御部７５は、第１回転機構８１と第２回転機構９１の少なくとも一方を制御する。回転制御部７５は、例えば空中像形成装置１０の設計パラメータ等を変数として表示面２１及び鏡面反射面４１の回転角度を算出するプログラムで構成され、コンピュータ等に内蔵されている。

【0026】

図１には、画像２５１の向き、画像２５１の向きに対応する虚像２５４の向き、虚像２５４の向きに対応する空中像２５５の向きがそれぞれ白矢印で示されている。なお、図１以降の図面では、各像の向きは適宜省略されている。

【0027】

図２には、第１回転軸７１を中心に表示面２１が回転したときの５つの配置、第１回転軸７１の回転に伴って第２回転軸７２を中心に鏡面反射面４１が回転したときの５つの配置、及び各配置における光と像のふるまいが模式的に示されている。図２及び明細書本文において、表示素子２０−１は、表示素子２０の１番目の配置を意味する。図２では、全ての構成に１番目から５番目の各配置を表す符号を付すと煩雑になるため、虚像２５４及び空中像２５５以外の各構成には１番目及び５番目のみの各配置を表す符号が付されている。

【0028】

図２に示すように、表示面２１が１番目から５番目の配置に順次変わるように第１回転軸７１を中心に回転すると、角度θが順次小さくなる。表示面２１の回転に連動し、鏡面反射面４１が１番目から５番目の配置に順次変わるように第２回転軸７２を中心に回転する。鏡面反射面４１の回転に伴い、角度φが順次小さくなる。そのため、表示面２１及び鏡面反射面４１の配置が１番目から５番目の配置に順次変わると、角度θ，φ及び表示面２１と鏡面反射面４１との対向距離及び対向姿勢が変わる。このことによって、虚像２５４−１が−Ｙ方向に沿って虚像２５４−２，…，２５４−５に移動し、空中像２５５−１が−Ｘ方向に沿って空中像２５５−２，…，２５５−５に移動する。不図示の観察者は、移動する空中像２５５のうち−Ｘ方向の最も奥側に形成される空中像２５５−５よりさらに奥側の位置から、Ｘ方向に沿って移動する空中像を観ることができる。

【0029】

図３に示すように、空中像形成装置１０は、さらに筐体１００を備える。上述の表示素子２０、鏡面反射素子４０、再帰透過素子６０、第１回転機構８１及び第２回転機構９１は、筐体１００に装着又は支持されている。筐体１００は、上板１０２、側板１０４，１０６及び後板１０８を備えている。上板１０２は、Ｘ方向及びＺ方向に延在し、矩形状に形成され、Ｚ方向において再帰透過素子６０より大きい。側板１０４，１０６はそれぞれ、Ｘ方向及びＹ方向に延在し、矩形状に形成されている。側板１０４，１０６は、Ｘ方向において少なくとも上板１０２より大きく、第２回転機構９１によって支持されている鏡面反射素子４０より大きい。上板１０２のＺ方向の両端でＸ方向に延びる端部は、側板１０４，１０６の＋Ｘ方向の奥側に且つ＋Ｙ方向の奥側の端部に接している。後板１０８は、上板１０２及び側板１０４，１０６の＋Ｘ方向の奥側の端部に接している。

【0030】

筐体１００には、Ｚ方向に沿って側板１０４を正面視したときに、前述の表示素子２０、鏡面反射素子４０、再帰透過素子６０、第１回転機構８１、第２回転機構９１の相対配置と同様に、空中像形成装置１０の各構成が配置されている。なお、第１回転機構８１及び第２回転機構９１は，図３に示す筐体１００の紙面の奥側に配置され、第１回転機構８１及び第２回転機構９１は、図３に示す筐体１００の紙面の奥側に配置され、図３では省略されている。図示されていないが、空中像２５５は、側板１０４，１０６の−Ｘ方向の奥側の端部よりさらに奥側の空間に形成される。

【0031】

側板１０４，１０６のぞれぞれには、開口１１１，１１２が形成されている。開口１１１の正面視形状は、第１回転軸７１を中心とする鏡面反射素子４０の回転時の通過領域と同様の形状であり、本実施形態では円形である。開口１１２の正面視形状は、第２回転軸７２を中心とする鏡面反射素子４０の回転時の通過領域と同様の形状であり、本実施形態では略扇形である。

【0032】

次に、空中像形成装置１０において空中像２５５を形成する光学系の各構成要素の好ましい設置条件について説明する。

【0033】

ここで、図４を参照すると、以下の設計パラメータが想定される。なお、図４では、第１光２０１から第５光２０５について光軸のみ図示されている。
［設計パラメータ］
＊再帰透過面６１の中心と観察者の目の中心との距離Ｌ_１
＊原点Ｏを通り且つＸ方向及びＹ方向を含む面での再帰透過面６１の長さＬ_２
＊原点Ｏを通り且つＸ方向及びＹ方向を含む面での表示面２１の長さＬ_３
＊光軸２１３（第３光の進行方向）に沿って前後に移動する空中像のうち−Ｘ方向の最も手前側の空間に形成される空中像２５５−１における光軸２１３との交点と原点Ｏとの距離Ｌ_４
＊光軸２１３（第３光の進行方向）に沿って前後に移動する空中像のうち−Ｘ方向の最も奥側の空間に形成される空中像２５５−ｎにおける光軸２１３との交点と原点Ｏとの距離Ｌ_５（ｎは、２以上の自然数）

【0034】

Ｘ方向及びＹ方向を２軸とする座標系を用いると、表示面２１の中心Ｐの位置（ｘ_Ｐ，ｙ_Ｐ）は、次に示す（１）式のように表される。本実施形態では、中心Ｐの位置（ｘ_Ｐ，ｙ_Ｐ）は、第１回転軸７１の位置といえる。

【0035】

【数1】

【0036】

図５を参照し、以下の境界線が導入される。
＊再帰透過素子６０の＋Ｙ方向の最も奥側の端を通って光軸２１３に平行な境界線２６１
＊再帰透過素子６０の−Ｙ方向の最も奥側の端を通って光軸２１３に平行な境界線２６２
＊再帰透過素子６０の＋Ｘ方向の最も奥側の端を通って光軸２１２に平行な境界線２６３
＊再帰透過素子６０の−Ｘ方向の最も奥側の端を通って光軸２１２に平行な境界線２６４
＊境界線２６２から（Ｌ_３／２）だけ−Ｙ方向の奥側の位置に移動して表示面２１と直交する境界線２６５
＊境界線２６３から所定の距離だけ＋Ｘ方向の奥側に移動した境界線２６６

【0037】

観察者の視点が無限大である場合、表示素子２０の設置範囲は、少なくとも境界線２６３より＋Ｘ方向の奥側の空間、且つ境界線２６２より−Ｙ方向の奥側の空間２８０である。なお、設置範囲とは、表示素子２０の中心を設置できる範囲である。

【0038】

上述の設置範囲をふまえて、表示素子２０は、境界線２６６より＋Ｘ方向の奥側の空間、且つ境界線２６５より−Ｙ方向の奥側の空間２８２にあることが好ましい。上述の境界線２６６の定義における「所定の距離」は、表示面２１の回転によって表示面２１の＋Ｙ方向の奥側の部分が−Ｘ方向の奥側に傾斜する傾斜量等によって決まる。

【0039】

図６に示すように、観察者の視点が有限であることを考慮する場合、以下の境界線が導入される。
＊視点Ｑと再帰透過素子６０の＋Ｙ方向の最も奥側の端とを通る境界線２７１
＊視点Ｑと再帰透過素子６０の−Ｙ方向の最も奥側の端とを通る境界線２７２
＊再帰透過面６１を中心として境界線２７１を折り返した境界線２７３
＊再帰透過面６１を中心として境界線２７２を折り返した境界線２７４

【0040】

観察者の視点が有限である場合、境界線２６６は、境界線２６５，２６６の交点を通って境界線２７３に平行な境界線２６７に変更される。つまり、観察者の視点が有限である場合、表示素子２０は、境界線２６７より＋Ｘ方向の奥側の空間、且つ境界線２６５より−Ｙ方向の奥側の空間にあることが好ましい。

【0041】

なお、表示素子２０の中心位置が境界線２６６より＋Ｘ方向の手前側の空間２８０にあると、空中像２５５を結像するための第２光２０２が回転した表示素子２０によって遮られるため、空中像２５５が結像できなくなってしまう。また、回転した表示素子２０の一部が境界線２６３より＋Ｘ方向の手前側の空間２８０にあると、観察者が空中像２５５を観察したときに、表示素子２０の一部が再帰透過素子６０に映るので、空中像２５５の視認性が低下してしまう。表示素子２０の一部が境界線２６２より−Ｙ方向の手前側の空間にあると、観察者が空中像２５５を観察したときに、表示素子２０や画像２５１が再帰透過素子６０越しに直接見えるので、空中像２５５の視認性が低下してしまう。

【0042】

図７に示すように、Ｘ方向及びＹ方向を２軸とする座標系を用いると、空中像２５５−１が形成されるときの鏡面反射面４１−１のＺ方向に平行な位置（ｘ_４１−１，ｙ_４１−１）について次に示す（２）式のように表される。

【0043】

【数2】

【0044】

同座標系を用いると、空中像２５５−ｎが形成されるときの鏡面反射面４１−ｎのＺ方向に平行な位置（ｘ_４１−ｎ，ｙ_４１−ｎ）は、次に示す（３）式のように表される。

【0045】

【数3】

【0046】

上述をふまえ、第２回転軸７２の位置（ｘ_７２，ｙ_７２）は、次に示す（４）式のように表される。

【0047】

【数4】

【0048】

さらに、表示素子２０の回転角度βを考えるにあたり、虚像２５４−ｎと境界線２７３との交点Ｃ−１を通り且つ鏡面反射面４１−ｎに直交する仮想線２９０が導入される。Ｘ方向及びＹ方向を２軸とする座標系を用いると、交点Ｃ−１の位置（ｘ_Ｃ−１，ｙ_Ｃ−１）は、次に示す（５）式のように表される。

【0049】

【数5】

【0050】

仮想線２９０と表示面２１との交点Ｃ−２の位置（ｘ_Ｃ−２，ｙ_Ｃ−２）は、次に示す（６）式及び（７）式のように表される。回転角度βは、次に示す（８）式のように表される。

【0051】

【数6】

【0052】

【数7】

【0053】

【数8】

【0054】

同座標系を用いて、鏡面反射面４１の回転角度γは、次に示す（９）式のように表される。

【0055】

【数9】

【0056】

上述の設計パラメータ同士の相互関係から、距離Ｌ_５は、次に示す（１０）式のように表される。

【0057】

【数10】

【0058】

上述の設計パラメータ同士の相互関係や（１）式〜（１０）式をふまえ、表示素子２０、鏡面反射素子４０、再帰透過素子６０、第１回転機構８１及び第２回転機構９１の配置が決められる。

【0059】

鏡面反射面４１の−Ｘ方向の奥側且つ−Ｙ方向の手前側の端の位置が一定であれば、第２回転軸７２の位置が＋Ｘ方向の奥側且つ−Ｙ方向の奥側の位置に移動する程、回転角度γに対して空中像２５５のＸ方向に沿った移動距離が大きくなる。このとき、第２回転機構９１は、回転制御部７５（図１参照）によって制御され、第１回転機構８１の回転に連動して回転する。一方で、第２回転軸７２の位置が＋Ｘ方向の奥側且つ−Ｙ方向の奥側の位置に移動する程、鏡面反射素子４０及び空中像形成装置１０の光学系の設置スペースが大きくなる。そのため、第２回転軸７２の位置は、空中像２５５のＸ方向における移動距離及び鏡面反射素子４０、第２回転機構９１の負荷等を重点に考慮し、上述の設計パラメータ同士の相互関係をふまえて、適宜設定される。

【0060】

回転制御部７５は、表示面２１の回転角度βと鏡面反射面４１の回転角度γとが所定の関係を保つように制御する。所定の関係とは、上述の（１）式〜（１０）式の少なくとも２つ以上の式の組み合わせで得られる相対関係を意味する。回転制御部７５は、回転角度β，γを前述のように制御することによって、第３光２０３の結像位置を変えつつ、第３光２０３の進行方向を略一方向に保つ。ここで、「略一方向」は、表示面２１及び鏡面反射面４１の回転時において、第３光２０３の進行方向が全く変わらない状態のみではなく、第３光の進行方向がＹ方向において境界線２７１と境界線２７２との間の領域内で変化する状態も含んでいる。回転制御部７５は、第３光２０３の進行方向を略一方向に保つために、第２光２０２の進行方向を略一方向に保ち、第２光２０２の再帰透過面６１への入射角度を略一定に保つように、回転角度β，γを制御する。

【0061】

回転制御部７５は、上述のように、空中像２５５をＸ方向に沿って移動させる移動距離、即ち観察者が空中像２５５を観察した際に空中像２５５が飛び出して見える距離に応じて、回転角度β，γを算出し、第１回転機構８１と第２回転機構９１の少なくとも一方を制御する。

【0062】

以上説明した本実施形態の空中像形成装置１０は、表示素子２０、鏡面反射素子４０、再帰透過素子６０、第１回転機構８１及び第２回転機構９１を備え、表示面２１は第１回転機構８１によって回転可能であり、鏡面反射面４１は第２回転機構９１によって回転可能である。本実施形態の空中像形成装置１０によれば、表示面２１の回転及び鏡面反射面４１の回転によって、虚像２５４及び空中像２５５が形成される位置をＹ方向及びＸ方向に沿って移動させることができる。そのため、従来のように移動機構を用いて空中像の移動距離と同じ距離で表示素子を所定の方向に沿って直線状に移動させる場合に比べて、空中像２５５を形成する光学系のスペースの大型化を抑え、第１回転機構８１及び第２回転機構９１の負荷を減らすことができる。

【0063】

本実施形態の空中像形成装置１０では、第２回転軸７２が第１光２０１が鏡面反射面４１で鏡面反射する位置Ｒより＋Ｘ方向の奥側の空間（第３光の進行方向の手前側の位置）にある。このことによって、第２回転軸７２が位置Ｒより＋Ｘ方向の手前側の空間にある場合に比べて、所定の回転角度γに対する虚像２５４の光軸２１４，２１２に沿った移動距離を拡大し、空中像２５５のＸ方向の移動距離を拡大できる。

【0064】

本実施形態の空中像形成装置１０では、第２回転軸７２は端縁４２と重なるので、例えばＸ方向において第２回転軸７２が端縁４２とは反対側の端縁４３に近い側の鏡面反射面４１内にある場合に比べて、空中像２５５のＸ方向の移動距離を拡大しつつ、鏡面反射素子４０の大型化を抑えることができる。

【0065】

本実施形態の空中像形成装置１０は、回転制御部７５をさらに備えるので、空中像２５５のＸ方向の移動距離に応じて、好適な回転角度β，γで第１回転機構８１と第２回転機構９１の少なくとも一方の回転を制御できる。

【0066】

＜空中像形成装置１０の第１変形例＞
上述の空中像形成装置１０において、例えば、鏡面反射素子４０の少なくとも一部は、Ｘ方向において原点０より−Ｘ方面の奥側の空間に配置されてもよい。図８に示すように、第１変形例では、図１等に示す空中像形成装置１０に比べて、光軸２１３に対して再帰透過面６１がなす角度σが小さくなり、光軸２１３に近づくように傾斜している。なお、図８以降図１２までは、第１光２０１から第３光２０３について進行方向及び光軸のみ図示されている。第１変形例では、図１等に示す空中像形成装置１０に比べて、再帰透過面６１に対して光軸２１２がなす角度が小さくなり、４５°未満になっている。また、第１変形例では、鏡面反射面４１−１における端縁４２は、Ｘ方向において原点０と略重なっている。鏡面反射面４１−１における端縁４３は、再帰透過素子６０の−Ｘ方向の最も奥側の端縁より−Ｘ方向の奥側且つ−Ｙ方向の手前側の空間に位置している。なお、図８では、第１回転機構８１及び第２回転機構９１は省略されている。

【0067】

図９に示すように、空中像形成装置１０の第１変形例では、回転角度γ（図７参照）が大きくなる程、端縁４３が＋Ｘ方向の手前側及び−Ｘ方向の奥側の空間に移動していくように第２回転軸７２を中心として鏡面反射素子４０が回転する。鏡面反射面４１の回転は、表示面２１の回転に連動している。表示面２１及び鏡面反射面４１の回転により、虚像２５４が光軸２１２，２１４に沿って移動する。このことによって、観察者は、Ｘ方向に前後する空中像として空中像２５５−１から空中像２５５−ｎを観察できる。

【0068】

空中像形成装置１０の第１変形例によれば、空中像形成装置１０と同様の構成を備えるので、空中像形成装置１０と同様の作用効果が得られる。また、空中像形成装置１０の第１変形例では、鏡面反射素子４０−１がＸ方向において原点０より−Ｘ方面の奥側の空間に配置されているので、空中像形成装置の主にＸ方向の大きさを縮小できる。

【0069】

＜空中像形成装置１０の第２変形例＞
上述の空中像形成装置１０において、例えば、鏡面反射素子４０の少なくとも一部は、Ｘ方向において原点０より＋Ｘ方面の奥側の空間に配置されてもよい。図１０に示すように、第２変形例では、空中像形成装置１０に比べて、光軸２１３に対して再帰透過面６１がなす角度σが大きくなり、光軸２１３から離れるように傾斜している。第２変形例では、空中像形成装置１０及び空中像形成装置１０の第１変形例に比べて、再帰透過面６１に対して光軸２１２がなす角度が大きくなり、４５°より大きくなっている。また、第２変形例では、鏡面反射面４１−１における端縁４２は、Ｘ方向において原点０より＋Ｘ方向の奥側の空間に位置している。鏡面反射面４１−１における端縁４３は、Ｘ方向において、再帰透過素子６０の−Ｘ方向の最も奥側の端縁と＋Ｘ方向の最も奥側の端縁との間の空間に位置している。なお、図１０では、第１回転機構８１及び第２回転機構９１は省略されている。

【0070】

図１１に示すように、空中像形成装置１０の第２変形例では、回転角度γ（図７参照）が大きくなる程、端縁４３が−Ｘ方向の奥側又は手前側の空間に移動していくように第２回転軸７２を中心として鏡面反射素子４０が回転する。第１変形例と同様に、鏡面反射面４１の回転は、表示面２１の回転に連動している。表示面２１及び鏡面反射面４１の回転により、虚像２５４が光軸２１２，２１４に沿って移動する。このことによって、観察者は、Ｘ方向に前後する空中像として空中像２５５−１から空中像２５５−ｎを観察できる。

【0071】

空中像形成装置１０の第２変形例によれば、空中像形成装置１０と同様の構成を備えるので、空中像形成装置１０と同様の作用効果が得られる。また、空中像形成装置１０の第２変形例では、鏡面反射素子４０−１がＸ方向において原点０より＋Ｘ方面の奥側の空間に配置されているので、空中像形成装置の主にＹ方向の大きさを縮小できる。

【0072】

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は特定の態様に限定されない。本発明は、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々変形及び変更可能である。

【0073】

例えば、空中像２５５をＸ方向に沿って移動させる移動距離に応じて、表示面２１及び鏡面反射面４１を回転角度β，γで回転させることができれば、第１回転機構８１及び第２回転機構９１の各設置位置は空中像形成装置１０の任意の位置であってよい。

【符号の説明】

【0074】

１０ 空中像形成装置
２０ 表示素子
２１ 表示面
４０ 鏡面反射素子
４１ 鏡面反射面
４２ 端縁
６０ 再帰透過素子
６１ 再帰透過面
７１ 第１回転軸
７２ 第２回転軸
７５ 回転制御部
８１ 第１回転機構
９１ 第２回転機構
２０１ 第１光
２０２ 第２光
２０３ 第３光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】