特許 7654050 空中像表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-03-21

(45)【発行日】2025-03-31

(54)【発明の名称】空中像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 30/56 20200101AFI20250324BHJP

   G02B 17/00 20060101ALI20250324BHJP

   H04N 13/302 20180101ALI20250324BHJP

   G02B 27/01 20060101ALI20250324BHJP

【ＦＩ】

G02B30/56

G02B17/00

H04N13/302

G02B27/01

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023188049

(22)【出願日】2023-11-01

(62)【分割の表示】P 2023555476の分割

【原出願日】2023-05-22

(65)【公開番号】P2024024633

(43)【公開日】2024-02-22

【審査請求日】2023-11-01

(31)【優先権主張番号】P 2022087246

(32)【優先日】2022-05-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100186060

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】100075557

【弁理士】

【氏名又は名称】西教 圭一郎

(72)【発明者】

【氏名】下瀬 主揮

(72)【発明者】

【氏名】河西 宏悦

【審査官】磯崎 忠昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－１１７７８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００２－５１１５９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５２０２１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０８４５９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／００４２９５８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第０５３１１３５７（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ３０／５６

Ｇ０２Ｂ １７／００

Ｈ０４Ｎ １３／３０２

Ｇ０２Ｂ ２７／０１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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く、
前記第１凹面鏡の第１反射面の湾曲の頂点が、前記第１反射面の幾何学的な中心から前記表示部寄りの位置にある、空中像表示装置。

【請求項2】

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に記載の空中像表示装置。

【請求項3】

前記頂点は、前記第１凹面鏡の自由曲面の原点である、請求項２に記載の空中像表示装置。

【請求項4】

前記第１凹面鏡の前記第１反射面と前記第２凹面鏡の第２反射面が互いに傾斜した状態で対向しており、
前記表示部は、前記第１凹面鏡と前記第２凹面鏡との間に位置している、請求項１に記載の空中像表示装置。

【請求項5】

前記表示部は、前記画像光に重ならない位置にある、請求項１に記載の空中像表示装置。

【請求項6】

前記第１凹面鏡は、前記第２凹面鏡を空間に延在して成る曲面空間に内包されている、請求項１に記載の空中像表示装置。

【請求項7】

前記画像光の一部を透過する他の光学素子を含まない、請求項１に記載の空中像表示装置。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか１項に記載の空中像表示装置を備える移動体。

【請求項9】

ウインドシールドを備え、
前記ウインドシールドを前記第２凹面鏡として用いることによって、前記空中像表示装置がヘッドアップディスプレイを構成している、請求項８に記載の移動体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、空中像表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１１－２５３１２８号公報

【発明の概要】

【0004】

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く、
前記第１凹面鏡の第１反射面の湾曲の頂点が、前記第１反射面の幾何学的な中心から前記表示部寄りの位置にある。

【図面の簡単な説明】

【0005】

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。

【図1】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】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】図１の空中像表示装置を示す斜視図である。

【図3B】図３ＡのＩＩＩＢ部を拡大して示す拡大斜視図である。

【図4】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】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】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。

【発明を実施するための形態】

【0006】

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。

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

【表1】

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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℃

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

【表2】

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

【表3】

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

【表4】

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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、Ｃ_ｊは単項式ｘ^ｍｙ^ｎの係数である。

【数1】

【数2】

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

（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。

【0074】

（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。

【0075】

（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。

【0076】

（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。

【0077】

（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。

【0078】

（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。

【0079】

（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】

【0080】

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。

【符号の説明】

【0081】

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

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】