(57)【要約】【課題】空中像を表示可能な小型の画像表示装置を提供すること。【解決手段】本技術の一形態に係る画像表示装置は、出射部と、結像素子と、第１の反射素子と、第２の結像素子とを具備する。前記出射部は、画像光を出射する。前記結像素子は、入射する前記画像光を空中像として結像する。前記第１の反射素子は、第１の面と第２の面とを有し、前記出射部から出射され前記第１の面に入射する前記画像光の少なくとも一部を透過させ、前記第２の面に入射する前記画像光の少なくとも一部を前記結像素子に反射する。前記第２の反射素子は、前記第１の面に入射して前記第１の反射素子を透過する前記画像光の少なくとも一部を、前記第１の反射素子の前記第２の面に反射する。【選択図】図１
2018105966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像光を出射する出射部と、
入射する前記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、前記出射部から出射され前記第１の面に入射する前記画像光の少なくとも一部を透過させ、前記第２の面に入射する前記画像光の少なくとも一部を前記結像素子に反射する第１の反射素子と、
前記第１の面に入射して前記第１の反射素子を透過する前記画像光の少なくとも一部を、前記第１の反射素子の前記第２の面に反射する第２の反射素子と
を具備する画像表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の画像表示装置であって、
前記第２の反射素子は、前記第１の反射素子の前記第１の面に入射し、前記第１の反射素子を透過して所定の方向に沿って出射される前記画像光の少なくとも一部を、前記所定の方向に沿って反射する
画像表示装置。
【請求項３】
請求項２に記載の画像表示装置であって、
前記出射部は、前記所定の方向に沿って前記第１の反射素子の前記第１の面に前記画像光を出射する
画像表示装置。
【請求項４】
請求項２に記載の画像表示装置であって、
前記出射部、前記第１の反射素子、及び前記第２の反射素子は、前記所定の方向に沿って、この順に配置される
画像表示装置。
【請求項５】
請求項２に記載の画像表示装置であって、
前記結像素子は、前記画像光が入射する入射面を有し、
前記所定の方向は、前記入射面に平行な方向である
画像表示装置。
【請求項６】
請求項２に記載の画像表示装置であって、さらに、
各々が他の画像光を出射する１以上の他の出射部を具備する
画像表示装置。
【請求項７】
請求項６に記載の画像表示装置であって、
前記１以上の他の出射部は、前記第２の反射素子の前記第１の反射素子とは反対側に配置され、前記他の画像光を前記所定の方向に沿って前記第２の反射素子に出射する前記他の出射部を含み、
前記第２の反射素子は、前記他の出射部により出射される前記他の画像光の少なくとも一部を透過させ、前記第１の反射素子の前記第２の面に出射する
画像表示装置。
【請求項８】
請求項６に記載の画像表示装置であって、
前記１以上の他の出射部は、前記第１及び前記第２の反射素子の間に配置され、前記他の画像光を前記所定の方向に沿って前記第２の反射素子に出射し、前記第１の反射素子を透過する前記画像光、及び前記第２の反射素子により反射される前記他の画像光を透過させる前記他の出射部を含む
画像表示装置。
【請求項９】
請求項６に記載の画像表示装置であって、
前記１以上の他の出射部は、前記第１の反射素子の前記結像素子とは反対側に配置され、前記第１の反射素子の前記第２の面により反射される前記画像光の出射方向に沿って、前記他の画像光を前記第１の反射素子の前記第１の面に出射する前記他の出射部を含む
画像表示装置。
【請求項１０】
請求項２に記載の画像表示装置であって、さらに、
前記結像素子により結像される前記空中像の結像位置を変更する変更部を具備する
画像表示装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の画像表示装置であって、
前記結像素子は、前記結像素子に入射する前記画像光の入射位置、及び前記出射部から前記結像素子までの前記画像光の光路長に応じた位置に、前記空中像を結像し、
前記変更部は、前記画像光の入射位置、及び前記画像光の光路長の少なくとも一方を変更可能である
画像表示装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の画像表示装置であって、
前記変更部は、前記出射部、前記第１の反射素子、及び前記第２の反射素子の少なくとも１つの位置を変更可能である
画像表示装置。
【請求項１３】
請求項１０に記載の画像表示装置であって、
前記出射部、前記第１の反射素子、及び前記第２の反射素子は、前記所定の方向に沿って、この順に配置され、
前記変更部は、前記出射部、前記第１の反射素子、及び前記第２の反射素子の少なくとも１つを、前記所定の方向に沿って移動させる
画像表示装置。
【請求項１４】
請求項１０に記載の画像表示装置であって、
前記変更部は、前記出射部の前記画像光の出射方向、前記第１の反射素子の前記画像光の反射角度、及び前記第２の反射素子の前記画像光の反射角度の少なくとも１つを変更可能である
画像表示装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の画像表示装置であって、さらに、
前記第１及び前記第２の反射素子の間に配置され、前記第１の反射素子を透過する前記画像光の一部を前記結像素子に反射し、前記第１の反射素子を透過する前記画像光の他の一部を透過させる他の反射素子を具備する
画像表示装置。
【請求項１６】
請求項１に記載の画像表示装置であって、
前記出射部と、前記出射部により出射された前記画像光を前記結像素子に導くための前記第１及び前記第２の反射素子とを含むユニットを画像表示ユニットとして、前記結像素子の位置を基準として複数の画像表示ユニットが設けられる
画像表示装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の画像表示装置であって、
前記複数の画像表示ユニットの各々は、前記出射部により出射された前記画像光を空中像として結像するための前記結像素子を有し、
前記複数の画像表示ユニットは、各々が結像する前記空中像が所定の基準点を中心に所定の角度で互いに重なり合うように配置される
画像表示装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の画像表示装置であって、さらに、
前記空中像へのタッチ操作を検出するセンサ部を具備する
画像表示装置。
【請求項１９】
請求項１に記載の画像表示装置であって、
前記変更部は、前記結像素子から出射される前記画像光の光路上に配置される外側光学部を有する
画像表示装置。
【請求項２０】
請求項１に記載の画像表示装置であって、
前記変更部は、前記出射部から前記結像素子までの前記画像光の光路上に配置される内側光学部を有する
画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、空中像を表示する画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、空中に像を浮かび上がらせて表示する技術が開発されている。例えばユーザが見ている空間上に、操作画面や映像コンテンツ等が結像され空中像として表示される。これにより何もない空間にディスプレイが浮かび上がった空中ディスプレイ等を実現することが可能となる。
【０００３】
特許文献１には、物体の像を空間上に表示する結像素子について記載されている。この結像素子の内部には、互いに直交する平面光反射部が一定のピッチで多数並べられている。結像素子に入射した光の一部は、互いに直交する平面光反射部により２回反射され、入射面とは反対の面から結像素子に対して面対称に出射される。これにより結像素子を挟んで物体とは面対称な位置に物体の実像が結像される。この結果、ユーザは物体の空中像を見ることが可能となる。（特許文献１の明細書段落［００３４］〜［００３８］図５等）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１７５２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
空中像を使った表示技術は、アミューズメントや広告、医療といった様々な分野での応用が期待され、装置の小型化を可能とする技術が求められている。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、空中像を表示可能な小型の画像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る画像表示装置は、出射部と、結像素子と、第１の反射素子と、第２の結像素子とを具備する。
前記出射部は、画像光を出射する。
前記結像素子は、入射する前記画像光を空中像として結像する。
前記第１の反射素子は、第１の面と第２の面とを有し、前記出射部から出射され前記第１の面に入射する前記画像光の少なくとも一部を透過させ、前記第２の面に入射する前記画像光の少なくとも一部を前記結像素子に反射する。
前記第２の反射素子は、前記第１の面に入射して前記第１の反射素子を透過する前記画像光の少なくとも一部を、前記第１の反射素子の前記第２の面に反射する。
【０００８】
この画像表示装置では、第１の反射素子の第１の面に入射して第１の反射素子を透過する画像光が、第２の反射素子により第１の反射素子の第２の面へ反射される。第１の反射素子の第２の面へ反射された画像光は、当該第２の面により結像素子に反射される。このように画像光の光路を構成することで、装置の小型化を図ることが可能となる。この結果、空中像を表示可能な小型の画像表示装置を実現することが可能となる。
【０００９】
前記第２の反射素子は、前記第１の反射素子の前記第１の面に入射し、前記第１の反射素子を透過して所定の方向に沿って出射される前記画像光の少なくとも一部を、前記所定の方向に沿って反射してもよい。
この画像表示装置では、第２の反射素子により、第１の反射素子から出射された画像光が同じ方向に折り返されて反射される。これにより装置の小型化を図ることが可能となる。
【００１０】
前記出射部は、前記所定の方向に沿って前記第１の反射素子の前記第１の面に前記画像光を出射してもよい。
これにより、出射部から第１の反射素子の第２の面に入射するまでの画像光の光路を、略直線状に構成することが可能となる。この結果、装置の小型化を図ることが可能となる。
【００１１】
前記出射部、前記第１の反射素子、及び前記第２の反射素子は、前記所定の方向に沿って、この順に配置されてもよい。
出射部、第１の反射素子、及び第２の反射素子が所定の方向に沿って一列に配置されるので、装置構成の簡素化、及び装置の小型化を十分に図ることが可能となる。
【００１２】
前記結像素子は、前記画像光が入射する入射面を有してもよい。この場合、前記所定の方向は、前記入射面に平行な方向であってもよい。
これにより出射部、第１の反射素子、及び第２の反射素子が、入射面に沿って一列に配置されるので、装置の厚み等を十分に抑えることが可能となる。
【００１３】
前記画像表示装置は、さらに、各々が他の画像光を出射する１以上の他の出射部を具備してもよい。
これにより、複数の画像光を結像することが可能となり、空中像の重畳等が可能となる。
【００１４】
前記１以上の他の出射部は、前記第２の反射素子の前記第１の反射素子とは反対側に配置され、前記他の画像光を前記所定の方向に沿って前記第２の反射素子に出射する前記他の出射部を含んでもよい。この場合、前記第２の反射素子は、前記他の出射部により出射される前記他の画像光の少なくとも一部を透過させ、前記第１の反射素子の前記第２の面に出射してもよい。
これにより、画像光の光路の一部を使って他の画像光の空中像を表示可能となる。この結果、装置サイズを抑制しつつ空中像を重畳して表示することが可能となる。
【００１５】
前記１以上の他の出射部は、前記第１及び前記第２の反射素子の間に配置され、前記他の画像光を前記所定の方向に沿って前記第２の反射素子に出射し、前記第１の反射素子を透過する前記画像光、及び前記第２の反射素子により反射される前記他の画像光を透過させる前記他の出射部を含んでもよい。
これにより、画像光の光路上に他の画像光を出射する他の出射部を配置することが可能となる。この結果、装置サイズを抑制しつつ空中像を重畳して表示することが可能となる。
【００１６】
前記１以上の他の出射部は、前記第１の反射素子の前記結像素子とは反対側に配置され、前記第１の反射素子の前記第２の面により反射される前記画像光の出射方向に沿って、前記他の画像光を前記第１の反射素子の前記第１の面に出射する前記他の出射部を含んでもよい。
これにより、画像光の光路の一部を使って他の画像光の空中像を表示可能となる。この結果、装置サイズを抑制しつつ空中像を重畳して表示することが可能となる。
【００１７】
前記画像表示装置は、さらに、前記結像素子により結像される前記空中像の結像位置を変更する変更部を具備してもよい。
これにより、空中像の結像位置を変更することが可能となり、空中像の位置等を高精度に制御することが可能となる。
【００１８】
前記結像素子は、前記結像素子に入射する前記画像光の入射位置、及び前記出射部から前記結像素子までの前記画像光の光路長に応じた位置に、前記空中像を結像してもよい。この場合、前記変更部は、前記画像光の入射位置、及び前記画像光の光路長の少なくとも一方を変更可能であってもよい。
画像光の入射位置や画像光の光路長を変更することで、空中像の位置や飛び出し距離等を高精度に制御することが可能となる。
【００１９】
前記変更部は、前記出射部、前記第１の反射素子、及び前記第２の反射素子の少なくとも１つの位置を変更可能であってもよい。
これにより、画像光の入射位置や光路長を容易に変更することが可能となり、空中像の位置や飛び出し距離等を高精度に制御することが可能となる。
【００２０】
前記変更部は、前記出射部、前記第１の反射素子、及び前記第２の反射素子の少なくとも１つを、前記所定の方向に沿って移動させてもよい。
これにより、例えば一列に配置された出射部、第１の反射素子、及び第２の反射素子の間隔等を変更することで、空中像の飛び出し距離等を容易に制御することが可能となる。
【００２１】
前記変更部は、前記出射部の前記画像光の出射方向、前記第１の反射素子の前記画像光の反射角度、及び前記第２の反射素子の前記画像光の反射角度の少なくとも１つを変更可能であってもよい。
これにより、画像光の入射位置等を容易に変更することが可能となり、空中像の結像位置を高精度に制御することが可能となる。
【００２２】
前記画像表示装置は、さらに、前記第１及び前記第２の反射素子の間に配置され、前記第１の反射素子を透過する前記画像光の一部を前記結像素子に反射し、前記第１の反射素子を透過する前記画像光の他の一部を透過させる他の反射素子を具備してもよい。
これにより、１つの画像光から複数の空中像を結像させることが可能となる。
【００２３】
前記出射部と、前記出射部により出射された前記画像光を前記結像素子に導くための前記第１及び前記第２の反射素子とを含むユニットを画像表示ユニットとして、前記結像素子の位置を基準として複数の画像表示ユニットが設けられてもよい。
これにより、結像素子の位置を基準として複数の画像表示ユニットを配置することで、装置の小型化を図ることが可能となる。この結果、複数の空中像を表示可能な小型の装置を実現可能となる。
【００２４】
前記複数の画像表示ユニットの各々は、前記出射部により出射された前記画像光を空中像として結像するための前記結像素子を有してもよい。この場合、前記複数の画像表示ユニットは、各々が結像する前記空中像が所定の基準点を中心に所定の角度で互いに重なり合うように配置されてもよい。
これにより、例えば複数の空中像を所定の角度で重なり合わせることで、空中像を視認可能な角度の範囲を広げることが可能となる。
【００２５】
前記画像表示装置は、さらに、前記空中像へのタッチ操作を検出するセンサ部を具備してもよい。
これにより、空中像へのタッチ操作が可能となり、空中に表示される操作画面等を実現することが可能となる。
【００２６】
前記変更部は、前記結像素子から出射される前記画像光の光路上に配置される外側光学部を有してもよい。
これにより、空中像の結像位置やサイズ等を高精度に制御可能となる。
【００２７】
前記変更部は、前記出射部から前記結像素子までの前記画像光の光路上に配置される内側光学部を有してもよい。
これにより、空中像の結像位置やサイズ等を高精度に制御可能となる。
【発明の効果】
【００２８】
以上のように、本技術によれば、表示可能な小型の画像表示装置を提供することが可能となる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１の実施形態に係る空中像表示装置の構成例を示す概略図である。
【図２】第１のディスプレイ、第１及び第２の透過ミラーの配置を示す模式図である。
【図３】比較例として挙げる装置内部側の構成を示す模式図である。
【図４】複数のディスプレイの配置について説明するための模式図である。
【図５】アクチュエータの動作の一例を示す模式図である。
【図６】アクチュエータの動作の一例を示す模式図である。
【図７】アクチュエータの動作の一例を示す模式図である。
【図８】アクチュエータの動作の一例を示す模式図である。
【図９】アクチュエータの動作に応じて表示される空中像の一例を示す模式図である。
【図１０】結像光学系での光路を説明するための模式図である。
【図１１】光学結像素子から出射される第１の画像光の光路上に配置されるレンズ部について説明するための図である。
【図１２】結像光学系が移動可能な構成について説明するための模式図である。
【図１３】結像光学系の他の構成例を示す模式図である。
【図１４】結像光学系の他の構成例を示す模式図である。
【図１５】装置内部側にレンズを配置する場合の構成例を示す模式図である。
【図１６】装置内部側に配置されるレンズ部について説明するための模式図である。
【図１７】出射光学系の他の構成例を示す模式図である。
【図１８】第２の実施形態に係る空中像表示装置の構成例を示す概略図である。
【図１９】第２の実施形態に係る空中像表示装置の構成例を示す概略図である。
【図２０】第３の実施形態に係る空中像表示装置の構成例を示す概略図である。
【図２１】基準点に表示される空中像の見え方について説明するための模式図である。
【図２２】空中像表示ユニットの他の構成例を示す模式図である。
【図２３】空中像表示ユニットの他の構成例を示す模式図である。
【図２４】他の実施形態に係る空中像表示装置の構成例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。
【００３１】
＜第１の実施形態＞
［空中像表示装置の構成］
図１は、本技術の第１の実施形態に係る空中像表示装置の構成例を示す概略図である。空中像表示装置１００は、複数のディスプレイ１０、出射光学系２０、光学結像素子３０、及び結像光学系４０を有する。本実施形態において、空中像表示装置１００は、空中像表示装置に相当する。
【００３２】
複数のディスプレイ１０の各々は、空中に表示される画像の元となる元画像を生成して表示する。各ディスプレイ１０に表示される元画像の各画素の光は、画像を構成する画像光５０として前方側（表示方向側）に出射される。なお図１では、ディスプレイ１０と画像光５０とが模式的に同じ図で表現されており、ディスプレイ１０（画像光５０）の矢印形状は、画像のサイズ及び上下の向きを表している。ディスプレイ１０の図示の方法は、他の図面においても同様である。
【００３３】
ディスプレイ１０の具体的な構成は限定されず、例えば液晶やＥＬ（Electro-Luminescence）等を用いた任意のディスプレイ装置が用いられてよい。なおディスプレイ１０に代えて、画像光５０を出射可能な任意のデバイスや機構が用いられてもよい。例えば液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等を備えたプロジェクタ等が用いられてもよい。その他、任意の画像表示装置（画像投射装置）が用いられてよい。
【００３４】
図１に示すように、本実施形態では、複数のディスプレイ１０として、第１及び第２のディスプレイ１１及び１２が設けられる。第１のディスプレイ１１は、光学結像素子３０の入射面３１に略平行となる所定の方向に沿って画像光５０（以下、第１の画像光５１と記載する）を出射する。図１に示す例では、光学結像素子３０の入射面３１の面方向がＸＹ平面方向となるように、ＸＹＺ座標が設定されている。そしてＸ方向に延在する光軸６０に沿って、第１の画像光５１が出射される。
【００３５】
第２のディスプレイ１２は、Ｘ方向に沿って、出射光学系２０を間に挟むように、第１のディスプレイ１１と対向して配置される。第２のディスプレイ１２は、Ｘ方向に沿って、第１のディスプレイ１１に向けて、第２の画像光５２を出射する。第２の画像光５２は、第１の画像光５１の光軸６０に沿って、第１の画像光５１とは反対の向きに出射される。
【００３６】
本実施形態では、第１のディスプレイ１１及び第１の画像光５１は、出射部及び画像光に相当する。第２のディスプレイ１２及び第２の画像光５２は、他の出射部及び他の画像光に相当する。
【００３７】
出射光学系２０は、各ディスプレイ１０により出射された各画像光５０を光学結像素子３０に導く光学系である。図１に示すように、出射光学系２０は、第１及び第２のディスプレイ１１及び１２の間に配置される。出射光学系２０は、第１の透過ミラー２１、第２の透過ミラー２２、及びアクチュエータ２３を有する。
【００３８】
第１の透過ミラー２１は、プレート形状を有し、第１のディスプレイ１１の前方側の光軸６０上に配置される。第１の透過ミラー２１は、第１の面２１１と、その反対側の第２の面２１２とを有し、各面に入射する光の一部を透過させ、他の一部を反射する。第１及び第２の面２１１及び２１２における光の透過率（反射率）は限定されず、例えば透過率（反射率）が約５０％のハーフミラー等が用いられてもよい。
【００３９】
図１に示すように、第１の透過ミラー２１は、第１及び第２の面２１１及び２１２が光軸６０と直交して配置された状態から、Ｙ方向を軸として所定の角度傾けられて配置される。すなわちＺ方向を上下方向とすると、第１のディスプレイ１１に対向する第１の面２１１が下方を向くように傾けられる。第２の面２１２は、上方に配置された光学結像素子３０に向くように傾けられる。
【００４０】
Ｙ方向から見て第１の透過ミラー２１がＸ方向と成す角度を傾斜角度θとすると、当該傾斜角度θは、典型的には、光学結像素子３０の空中像の結像効率に基づいて定められる。本実施形態の光学結像素子３０は、入射面３１に対して約４５度の角度で入射する画像光５０を、空中像７０として最も効率よく結像する。従って光学結像素子３０に画像光５０が約４５度の角度で入射するように、第１の透過ミラー２１の傾斜角度θは、約６７．５度に設定される。もちろんこれに限定される訳ではない。
【００４１】
第２の透過ミラー２２は、プレート形状を有し、第１の透過ミラー２１を透過する第１の画像光５１の光軸６０上に配置される。従って本実施形態では、ディスプレイ１０（第１のディスプレイ１１）、第１の透過ミラー２１、及び第２の透過ミラー２２が、光軸６０の方向であるＸ方向に沿って、この順に配置される。なお第２のディスプレイ１２も、Ｘ方向に沿って、第２の透過ミラー２２の後方側（第１のディスプレイ１１とは反対側）に配置される。
【００４２】
第２の透過ミラー２２は、第１の透過ミラー２１に向けられた第１の面２２１と、その反対側の第２の面２２２とを有し、各面に入射する光の一部を透過させ、他の一部を反射する。第２の透過ミラー２２の透過率（反射率）は限定されず、例えばハーフミラー等が用いられてもよい。図１に示すように、第２の透過ミラー２２は、第１及び第２の面２２１及び２２２が光軸６０と直交するように配置される。
【００４３】
本実施形態において、第１の透過ミラー２１及び第２の透過ミラー２２は、第１の反射素子及び第２の反射素子にそれぞれ相当する。第１及び第２の透過ミラー２１及び２２の具体的な材質等は限定されず、例えばアルミ、銀及びクロム等の薄膜が形成された、プラスチックやガラス等の透明部材が用いられる。
【００４４】
アクチュエータ２３は、ディスプレイ１０、第１の透過ミラー２１、及び第２の透過ミラー２２の各々の位置を変更することが可能である。本実施形態では、アクチュエータ２３により、ディスプレイ１０、第１の透過ミラー２１、及び第２の透過ミラー２２の各々が、第１の画像光５１の光軸６０の方向（Ｘ方向）に沿って、互いに独立して移動される。またアクチュエータ２３は、第１の透過ミラー２１の傾斜角度θを変更させることが可能である。
【００４５】
アクチュエータ２３の具体的な構成は限定されず、例えばステッピングモータ等を使ったリニアステージ等の任意の移動機構や、ギア機構等を使った任意の回転機構等が用いられてよい。本実施形態において、アクチュエータ２３は、光学結像素子３０により結像される空中像の結像位置を変更する調整機構（変更部）として機能する。
【００４６】
光学結像素子３０は、プレート形状を有し、入射面３１及び出射面３２が光軸６０の方向（Ｘ方向）と略平行となるように配置される。光学結像素子３０は、入射面３１が、第１及び第２のディスプレイ１１及び１２、及び出射光学系２０が収容される装置内部側に設けられる。そして出射面３２が、ユーザの視点１（視線）が向けられる空中側に設けられる。光学結像素子３０は、装置内部側から入射面３１に入射する画像光を、空中像７０として空中に結像する。
【００４７】
本実施系形態では、入射面３１（出射面３２）に垂直で互いに直交する微小な反射面の対が、入射面３１の面内方向に所定の間隔でマトリクス状に配置された構造を有する光学結像素子３０が用いられる。このような構造は、例えば特許文献１に記載されているように、互いに直交する平面光反射部を一定のピッチで多数並べることで実現される。この他にも、四角形状の穴の側面に反射面が形成された２面コーナリフレクタ等の構造が用いられてもよい。
【００４８】
入射面３１から入射した画像光５０の一部が、互いに直交する微小な反射面の対により２回反射され、出射面３２から出射される。この場合、画像光５０の入射方向と出射方向とは、光学結像素子３０に対して面対称となる。また光学結像素子３０から空中像７０が飛び出す距離は、ディスプレイ１０から光学結像素子３０までの画像光５０の光路長と略等しくなる。例えば、ディスプレイ１０から出射された画像光５０が直接光学結像素子３０に入射する場合には、光学結像素子３０を挟んでディスプレイ１０の位置とは面対称となる位置に、画像光５０の倒立の実像（空中像７０）が結像される（図３参照）。
【００４９】
結像光学系４０は、空中側の、光学結像素子３０から出射される画像光５０の光路上に配置される。本実施形態では、結像光学系４０は、プリズム４１及びレンズ部４２を有する。プリズム４１は、三角柱の形状を有し、三角柱の側面となる３つの面が入射面４３、反射面、４４、及び出射面４５として用いられる。図１に示すように、プリズム４１は、入射面４３が光学結像素子３０の出射面３２に近接するように配置される。
【００５０】
レンズ部４２は、プリズム４１の出射面４５に設けられる。レンズ部４２は、プリズム４１と一体的に形成されてもよいし、別々に設けられた後に出射面４５に接続されてもよい。プリズム４１及びレンズ部４２の材質等は限定されず、例えばガラスや水晶等が適宜用いられてよい。結像光学系４０は、調整機能（変更部）に含まれる、外側光学部として機能する。
【００５１】
図１に示す第１の空中像７１、及び第２の空中像７２の表示動作の概要を簡単に説明する。第１のディスプレイ１１から出射された第１の画像光５１は、第１の透過ミラー２１を透過して、Ｘ方向に沿って第２の透過ミラー２２に入射する。第２の透過ミラー２２により折り返されて反射された第１の画像光５１は、第１の透過ミラー２１により反射され、光学結像素子３０に入射する。光学結像素子３０により空中側に出射された第１の画像光５１は、プリズム４１内を進み、出射面４５のレンズ部４２を介して出射される。これにより第１の空中像７１が表示される。
【００５２】
第２のディスプレイ１２から出射された第２の画像光５２は、第２の透過ミラー２２を透過して、Ｘ方向に沿って第１の透過ミラー２１に入射する。第２の画像光５２は、第１の透過ミラー２１により反射され、光学結像素子３０に入射する。光学結像素子３０により空中側に出射された第２の画像光５２は、プリズム４１内を進み、出射面４５のレンズ部４２を介して出射される。これにより第２の空中像７２が表示される。
【００５３】
以下、図１に示す空中像表示装置１００の各部の特徴について詳細に説明する。
【００５４】
図２は、第１のディスプレイ１１、第１及び第２の透過ミラー２１及び２２の配置を示す模式図である。図３は、比較例として挙げる装置内部側の構成を示す模式図である。なお図２及び図３に示す構成では、第１のディスプレイ１１、第１及び第２の透過ミラー２１及び２２の配置による第１の空中像７１の結像位置を分かりやすく説明するために、図１に示す結像光学系４０が省略されている。
【００５５】
上記したように、本実施形態では、第１のディスプレイ１１、第１の透過ミラー２１、及び第２の透過ミラー２２が、光軸６０の方向であるＸ方向に沿って、この順に配置される。第１のディスプレイ１１から光軸６０に沿って出射される第１の画像光５１は、第１の透過ミラー２１の第１の面２１１に入射する。第１の面２１１に入射する第１の画像光５１の一部は、第１の透過ミラー２１を透過して、そのままＸ方向に沿って出射される（光路８１）。
【００５６】
第１の透過ミラー２１を透過してＸ方向に沿って出射された第１の画像光５１は、第２の透過ミラー２２の第１の面２２１に入射する。第２の透過ミラー２２の第１の面２２１に入射した第１の画像光５１の一部は、Ｘ方向に沿って反射される。すなわち第２の透過ミラー２２により、第１の画像光５１は、入射方向と同じ方向に折り返されて出射される（光路８２）。
【００５７】
第２の透過ミラー２２により反射された第１の画像光５１は、第１の透過ミラー２１の第２の面２１２に入射する。第１の透過ミラー２１の第２の面２１２に入射する第１の画像光５１の一部が、光学結像素子３０の入射面３１に向けて反射される（光路８３）。
【００５８】
このように第１のディスプレイ１１から出射される第１の画像光５１の一部は、光路８１〜８３を通って光学結像素子３０に導かれる。光路８１〜８３の光路長は、第１のディスプレイ１１から第２の透過ミラー２２までの距離（光路８１）と、第２の透過ミラー２２から第１の透過ミラー２１との距離（光路８２）と、第１の透過ミラー２１と光学結像素子３０との距離（光路８３）とを足し合わせた距離となる。
【００５９】
光学結像素子３０の入射面３１に入射した第１の画像光５１は、入射面３１への入射方向と光学結像素子３０を挟んで面対称となる出射方向に出射される。本実施形態では、入射面３１に対して約４５度の角度で第１の画像光５１が入射する。従って同じく約４５度の角度で空中側に向かって第１の画像光５１が出射され、第１の空中像７１として結像される。
【００６０】
第１の空中像７１が結像される位置は、光学結像素子３０に入射する第１の画像光５１の入射位置Ｐ、及び第１のディスプレイ１１から光学結像素子３０までの第１の画像光５１の光路長（光路８１＋８２＋８３）に応じた位置となる。図２に示す例では、第１の画像光５１の入射位置Ｐから約４５度の角度の方向に向かって、第１の画像光５１の光路長と略等しい距離だけ離れた位置に、第１の空中像７１が結像される。従って光学結像素子３０から第１の空中像７１までの飛び出し距離Ｈは、第１の画像光５１の光路長と略等しくなる。
【００６１】
図３に示す比較例は、出射光学系２０を用いないで、同じ位置に第１の空中像７１を表示する場合の構成である。出射光学系２０を用いない場合には、同じ入射位置Ｐに対して約４５度の角度で、同じ光路長（＝光路８１＋８２＋８３）だけ離した位置に、第１のディスプレイ１１を配置する必要がある。このため装置内部側には、直線の光路を構築するための空間が必要となり、空中像表示装置１００の縦方向（Ｚ方向）及び横方向（Ｘ方向）のサイズが非常に大きくなってしまう。
【００６２】
これに対して図２に示す本実施形態に係る構成では、直線状に配置された第１のディスプレイ１１、第１の透過ミラー２１、及び第２の透過ミラー２２により、第１の画像光５１が往復して進む折り返し光路９０が構成される。従って折り返し光路９０が構成される間隔（第１及び第２の透過ミラー２２及び２１間の距離）の２倍の距離を、光路長として加算することができる。これにより、第１の画像光５１の光路を構築するために必要な空間を十分に小さくすることが可能となり、空中像表示装置１００のサイズを十分に抑制することができる。この結果、空中像を表示可能な小型の空中像表示装置１００を実現することが可能となる。
【００６３】
図４は、複数のディスプレイ１０の配置について説明するための模式図である。図４では、図１に示す結像光学系４０が省略されている。
【００６４】
図１に示すように、本実施形態では、第１及び第２のディスプレイ１１及び１２が設けられる。第１及び第２のディスプレイ１１及び１２は、Ｘ方向に沿って、出射光学系２０を間に挟んで、互いに向き合って配置される。
【００６５】
第２のディスプレイ１２は、第２の画像光５２の光路が、第１の画像光５１の光路８２と略等しくなるように、第２の透過ミラー２２の後方側（第１の透過ミラー２１とは反対側）に配置される。光路８２上を進む第２の画像光５２は、第１の透過ミラー２１により、光学結像素子３０に反射される。そして第１の画像光５１と略等しい入射位置Ｐにて、光学結像素子３０に入射する。すなわち第２の画像光５２は、第１の画像光５１と同じ光路上（光路８２及び８３）を進んで、光学結像素子３０に入射する。
【００６６】
光学結像素子３０に入射する第２の画像光５２は、第１の画像光５１と略等しい出射方向に沿って空中側に出射され、第２の空中像７２として結像される。第２の空中像７２の飛び出し距離は、第２のディスプレイ１２から光学結像素子３０までの光路長と略等しくなる。従って第２のディスプレイ１２から第２の透過ミラー２２までの距離（光路８４）と、第２の透過ミラー２２から第１の透過ミラー２１までの距離（光路８２）と、第１の透過ミラー２１から光学結像素子３０までの距離（光路８３）とを足し合わせた距離が、第２の空中像７２の飛び出し距離となる。
【００６７】
本実施形態では、第２の画像光５２の光路長は第１の画像光５１の光路長よりも短く設定されている。従って、第１の空中像７１と比べ第２の空中像７２の飛び出し距離は短くなり、第１の空中像７１よりも光学結像素子３０側に第２の空中像７２が結像される。ユーザから見ると、第１の空中像７１の向こう側（後方側）に第２の空中像７２が表示される。これにより、第１の空中像７１と第２の空中像７２とが重畳した画像を表示することが可能となり、例えば高度な視聴体験を提供することが可能となる。
【００６８】
このように既に構築されている光路上に他の画像光を出射することで、当該光路の一部を使って、他の画像光を光学結像素子３０に入射させることが可能となる。これにより、新たな光路を構築するための部材等が不要となり、簡単に他の空中像を表示することが可能となる。また複数の空中像が重畳された画像を容易に表示させることが可能となる。
【００６９】
図４に示すように、第１の透過ミラー２１の下方側（光学結像素子３０とは反対側）に、第３のディスプレイ１３を配置することも可能である。第３のディスプレイ１３は、第１の透過ミラー２１の第２の面２１２により反射される第１の画像光５１の出射方向（光学結像素子３０への入射方向）に沿って、第１の透過ミラー２１の第１の面２１１に第３の画像光５３を出射する。すなわち第３のディスプレイ１３は、第１の透過ミラー２１を透過する第３の画像光５３が、第１の画像光５１の光路８３上を進むように配置される。
【００７０】
これにより光学結像素子３０に入射する第３の画像光５３は、第１及び第２の画像光５１及び５２と略同様の出射方向に沿って空中側に出射され、第３の空中像７３として結像される。第３の空中像７３の飛び出し距離は、第３のディスプレイ１３から光学結像素子３０までの光路長と略等しくなる。第３のディスプレイ１３の位置を適宜調整することで、第３の空中像７３の結像位置を調整することが可能となり、所望の重畳画像を空中に表示することが可能となる。なお第３のディスプレイ１３及び第３の画像光５３は、他の出射部及び他の画像光に相当する。
【００７１】
図４に示すように、画像光５０の光路上に、光路を遮って他のディスプレイを配置することも可能である。例えば図４に示す例では、第１及び第２の透過ミラー２１及び２２の間の光路８１及び８２上に、第４のディスプレイ１４が配置される。第４のディスプレイ１４は、透過型のディスプレイであり、入射する光の少なくとも一部を透過することが可能である。
【００７２】
第４のディスプレイ１４は、Ｘ方向に沿って、第４の画像光５４を第２の透過ミラー２２に出射する。第４の画像光５４は、第１の画像光５１の光路８１上を進むように出射される。第４の画像光５４の一部は、第２の透過ミラー２２により反射され、第４のディスプレイ１４を透過する。そして光路８２及び８３上を進み、光学結像素子３０に入射する。光学結像素子３０に入射する第４の画像光５４は、第１及び第２の画像光５１及び５２と略同様の出射方向に沿って空中側に出射され、第４の空中像７４として結像される。
【００７３】
透過型ディスプレイを用いることで、既に構築されている画像光の光路上に、他のディスプレイを配置することが可能となる。そして当該光路の一部を使って、他の画像光を光学結像素子３０の略等しい入射位置Ｐに入射させることが可能となる。これにより、新たな光路を構築するための部材等が不要となり、簡単に他の空中像を表示することが可能となる。
【００７４】
図４に例示した位置に限定されず、光学結像素子３０と第１の透過ミラー２１との間の位置や、その他光路上の任意の位置に第４のディスプレイ１４を配置することが可能である。なお第４のディスプレイ１４及び第４の画像光５４は、他の出射部及び他の画像光に相当する。
【００７５】
このように、第１のディスプレイ１１から光学結像素子３０までの第１の画像光５１の光路の一部を利用することで、容易に複数の空中像を重畳することが可能となり、非常に拡張性の高い装置構成を実現することが可能となる。例えば、第１のディスプレイ１１〜第４のディスプレイ１４を配置することで、４つの空中像が重畳された画像を表示することが可能となる。これにより、例えばユーザは３Ｄ−ＴＶのような立体感のある空中映像を裸眼で見ることが可能となり、高度な視聴体験を提供することが可能となる。
【００７６】
また他の画像光を光学結像素子３０に導くための光学系等を新たに増設する必要がないため、装置サイズを十分に小さくすることが可能となる。この結果、空中像を表示可能な小型の空中像表示装置１００を実現することが可能となる。
【００７７】
本実施形態では、直線状に配置された第１のディスプレイ１１、第１の透過ミラー２１、及び第２の透過ミラー２２により、折り返し光路９０が構成される。従って、装置サイズを抑えつつ、複数のディスプレイ１０を様々な配置方法にて容易に配置することが可能である。
【００７８】
なお既に構築されている光路の一部を利用して、光学結像素子３０の同じ入射位置に他の画像光を導く場合に限定される訳ではない。例えば入射位置を若干ずらして他の画像光が光学結像素子３０に入射されてもよい。これにより微妙に結像位置がずれた複数の空中像を表示することが可能となり、種々の視聴効果を発揮することが可能となる。もちろん新たな光路が構築され、全く異なる入射位置に他の画像光が導かれる場合もあり得る。
【００７９】
なお第２の透過ミラー２２の後方側に、第２のディスプレイ１２が配置されない場合には、第２の透過ミラー２２として、透過率が略０％の全反射ミラー等が用いられてもよい。これにより、第２の透過ミラー２２で反射される画像光の光量を増加することが可能となり、明るい（輝度の高い）空中像を表示することが可能となる。
【００８０】
図５〜図８は、アクチュエータ２３の動作の一例を示す模式図である。図９は、アクチュエータ２３の動作に応じて表示される空中像７０の一例を示す模式図である。
【００８１】
上記したように、アクチュエータ２３は、光軸６０の方向（Ｘ方向）に沿ってディスプレイ１０、第１及び第２の透過ミラー２１及び２２を個別に移動させることが可能である（図５〜図７）。またアクチュエータ２３は、第１の透過ミラー２１の傾斜角度θを変更することが可能である（図８）。アクチュエータ２３が動作することで、光学結像素子３０に入射する画像光５０の入射位置Ｐや、ディスプレイ１０から光学結像素子３０までの画像光５０の光路長が変更される。
【００８２】
図５では、アクチュエータ２３により第２の透過ミラー２２が光軸６０の方向（Ｘ方向）に沿って移動される。例えば第２の透過ミラー２２は、基準位置を基準として第１のディスプレイ１１から離れる向き（左向き）、及び第１のディスプレイ１１に近づく向き（右向き）にそれぞれ移動される。左右の移動可能な距離をｄ／２、全体の移動可能な距離をｄとする。
【００８３】
第２の透過ミラー２２が第１のディスプレイ１１から離れる向き（左向き）に移動すると、折り返し光路９０の往路（光路８１の一部）及び復路（光路８２）の各々が長くなる。従って折り返し光路９０の光路長は、第２の透過ミラー２２の移動距離の２倍分長くなる。第２の透過ミラー２２が第１のディスプレイ１１に近づく向き（右向き）に移動すると、折り返し光路９０の往路及び復路の各々が短くなる。従って折り返し光路９０の光路長は、第２の透過ミラー２２の移動距離の２倍分短くなる。
【００８４】
従って図５に示すように、第２の透過ミラー２２が左向きに距離ｄ／２分移動すると、第１の空中像７１の飛び出し距離は、２倍の距離ｄ分長くなる（第１の空中像７１ａ）。第２の透過ミラー２２が右向きに距離ｄ／２分移動すると、第１の空中像７１の飛び出し距離は、２倍の距離ｄ分短くなる（第１の空中像７１ｂ）。
【００８５】
図５に示す例では、第１の空中像７１としてアルファベットのＥの文字が表示される。また第２の空中像７２として大小２つの円を内部に含む正方形が表示される。破線で示す第１及び第２の空中像７１及び７２の外枠は、第１及び第２のディスプレイ１１及び１２の外縁の画素に相当し、当該画素からは画像光５０は照射されていないとする。
【００８６】
図９では、第２の透過ミラー２２を左向きに移動した場合の重畳画像の変化が示されている。第２の透過ミラー２２が左向きに移動されると、第１の空中像７１の飛び出し距離が長くなるので、第１の空中像７１がユーザに近づいて表示される。第１の空中像７１自体のサイズは変更されないが、第１の空中像７１が近い位置に表示されるので、アルファベットのＥの文字が拡大されて見える。
【００８７】
第２の空中像７２については、第２の透過ミラー２２を移動させても、第２の画像光５２の光路長は変化しないので、結像位置は変わらない。従って第２の空中像７２のサイズは維持され、Ｅの文字のみが拡大される。このように重畳画像の表示を容易に制御することが可能である。
【００８８】
本実施形態では、折り返し光路９０が構成されるので、第１の空中像７１の飛び出し距離が、第２の透過ミラー２２の移動距離の２倍となる。従って少ない移動量で飛び出し距離を大きく変更することが可能となり、アクチュエータ２３のサイズを抑えることが可能となる。この結果、空中像表示装置１００の小型化が実現される。
【００８９】
図６では、アクチュエータ２３により第１及び第２のディスプレイ１１及び１２が光軸６０の方向（Ｘ方向）に沿って個別に移動される。第１のディスプレイ１１が第１の透過ミラー２１に対して離れる向きに（右向き）に移動すると、その移動距離分、第１の画像光５１の光路長が長くなる。従って第１の空中像７１の飛び出し距離も、同じ移動距離分長くなる（第１の空中像７１ａ）。
【００９０】
第１のディスプレイ１１が第１の透過ミラー２１に対して近づく向きに（左向き）に移動すると、その移動距離分、第１の画像光５１の光路長が短くなる。従って第１の空中像７１の飛び出し距離も、同じ移動距離分短くなる（第１の空中像７１ｂ）。
【００９１】
第２のディスプレイ１２が第２の透過ミラー２２に対して離れる向きに（左向き）に移動すると、その移動距離分、第２の画像光５２の光路長が長くなる。従って第２の空中像７２の飛び出し距離も、同じ移動距離分長くなる（第２の空中像７２ａ）。
【００９２】
第２のディスプレイ１２が第２の透過ミラー２２に対して近づく向きに（右向き）に移動すると、その移動距離分、第２の画像光５２の光路長が短くなる。従って第２の空中像７２の飛び出し距離  も、同じ移動距離分短くなる（第２の空中像７２ｂ）。
【００９３】
このように第１及び第２のディスプレイ１１及び１２の各々の位置が、Ｘ方向に沿って変更されると、第１及び第２の画像光５１及び５２の各々の光路の始点が変更される。これにより第１及び第２の画像光５１及び５２の各々の光路長が変更され、移動量と同じ分だけ、第１及び第２の空中像７１及び７２の各々の飛び出し距離が変更される。
【００９４】
第１のディスプレイ１１と第２のディスプレイ１２を独立して移動させることで、例えばユーザの視線方向から見た第１の空中像７１と第２の空中像７２との重畳画像を高精度に制御して表示することが可能となる。例えば、まず第２の透過ミラー２２を移動させて第１の空中像７１の位置を大きく変更する。その後、第１及び第２のディスプレイ１１及び１２を移動させて、第１及び第２の空中像７１及び７２の各々の位置を微調整する。このような操作も可能となる。
【００９５】
また図４に示した第３及び第４のディスプレイ１３及び１４の各々の位置が変更可能であってもよい。これにより第３及び第４の空中像７３及び７４の結像位置を適宜制御することが可能となる。この結果、重畳画像の表示を高精度に制御することが可能となり、高度な視聴体験を提供することが可能となる。
【００９６】
図７では、アクチュエータ２３により第１の透過ミラー２１が光軸６０の方向（Ｘ方向）に沿って移動される。第１の透過ミラー２１は、例えば第１のディスプレイ１１に対して離れる向き（左向き）あるいは近づく向き（右向き）に移動される。なお、第１の透過ミラー２１の傾斜角度θは変更されない。
【００９７】
第１の透過ミラー２１が第１のディスプレイ１１に対して近づく向きに移動した場合、第１の透過ミラー２１から第２の透過ミラー２２までの距離が大きくなる。一方で、第１のディスプレイ１１から第２の透過ミラー２２までの距離、及び第１の透過ミラー２１から光学結像素子３０までの距離は変更されない。従って、第１のディスプレイ１１から光学結像素子３０までの第１の画像光５３の光路長（光路８１＋８２＋８３）は、第１の透過ミラー２１の移動量と同じ距離だけ長くなる。
【００９８】
また第１の透過ミラー２１が第１のディスプレイ１１側に移動した場合、第１の透過ミラー２１から光学結像素子３０に向かう第１の画像光５１の光路８３が、第１のディスプレイ１１側に平行に移動される。従って、第１の画像光５１の光学結像素子３０への入射位置Ｐａが、第１のディスプレイ１１側に移動される。当該入射位置Ｐａの移動量は、第１の透過ミラー２１の移動量と同じである。この結果、図８に示すように、第１の空中像７１ａは、移動した入射位置Ｐａから第１の画像光５１の光路長（光路８１＋８２ａ＋８３）分だけ飛び出した位置に結像される。
【００９９】
第１の透過ミラー２１が第１のディスプレイ１１に対して離れる向き（第２の透過ミラー２２に近づく向き）に移動した場合、第１の透過ミラー２１から第２の透過ミラー２２までの距離が小さくなる。従って、第１のディスプレイ１１から光学結像素子３０までの第１の画像光５１の光路長（光路８１＋８２＋８３）は、第１の透過ミラー２１の移動量と同じ距離だけ短くなる。
【０１００】
また第１の画像光５１の入射位置Ｐｂは、第１の透過ミラー２１の移動量と同じ分、第２の透過ミラー２２側に移動する。この結果、図８に示すように、第１の空中像７１ｂは、移動した入射位置Ｐｂから第１の画像光５１の光路長（光路８１＋８２ｂ＋８３）分だけ飛び出した位置に結像される。
【０１０１】
このように、第１の透過ミラー２１をＸ方向に沿って移動することで、光学結像素子３０に入射する第１の画像光５１の入射位置と、第１のディスプレイ１１から光学結像素子３０までの第１の画像光５１の光路長とを変更することが可能である。これにより、第１の空中像７２の結像位置をＸ方向に沿って調整することが可能となり、ユーザが所望する空中像の表示を実現することが可能となる。
【０１０２】
アクチュエータ２３により、第１のディスプレイ１１、第１の透過ミラー２１、及び第２の透過ミラー２２等の各々が連動して移動されてもよい。これにより、例えば空中像７０の飛び出し距離を変えずに結像位置をスライドさせるといった高度な位置制御が可能となる。
【０１０３】
本実施形態では、第１のディスプレイ１１、第１の透過ミラー２１、及び第２の透過ミラー２２が直線状に配置される。従ってアクチュエータ２３として、例えばＸ方向に沿って配置されたマルチスライダー等を使用することが可能となり、各素子を容易に高精度に移動させることが可能となる。また小型の移動機構を容易に実現することが可能となり、空中像表示装置１００の小型化が実現される。
【０１０４】
図９では、アクチュエータ２３により第１の透過ミラー２１の傾斜角度θが変更される。本実施形態では、基準の傾斜角度θ（約６７．５度）から、右回り及び左回りの両方に、Ｙ方向を軸として第１の透過ミラー２１が回転される。また図９では模式的な図示になっているが、第１の透過ミラー２１と光軸６０との交点を基準として、第１の透過ミラー２１が回転される。従って傾斜角度θが変更された場合でも、第１の画像光５１が第１の透過ミラー２１に入射する入射位置は変更されない。もちろんこれに限定される訳ではない。
【０１０５】
傾斜角度θを変更する範囲も限定されず、例えば光学結像素子３０の空中像の結像可能な入射角度の範囲に応じて定められる。例えば光学結像素子３０が、約４５度±２０度の範囲で入射する画像光５０を空中像７０として結像可能であるとする。この場合、基準の傾斜角度（約６）から±２０度の範囲が、傾斜角度θの変更範囲として定められる。もちろんこれに限定される訳ではない。
【０１０６】
第１の透過ミラー２１の傾斜角度θが変更されると、第１の透過ミラー２１により反射される第１の画像光５１の反射方向（光学結像素子３０への入射方向）が変更される。従って第１の画像光５１の入射位置及び入射角度が変更される。
【０１０７】
一方、第１の画像光５１が第１の透過ミラー２１により反射される反射位置Ｑは、ほぼ変更されない。従って第１の画像光５１の光路長は、第１の透過ミラー２１の反射位置Ｑから光学結像素子３０までの光路長における差分程度である。また図９に示すように、光学結像素子３０により空中側に出射される第１の画像光５１は、光学結像素子３０を挟んで反射位置Ｑとは面対称となる空中側の対称位置Ｑ'を通過する。この結果、第１の透過ミラー２１の傾斜角度θの変更に応じて、第１の空中像７１が空中側の対称位置Ｑ'を基準に傾けられて結像される。
【０１０８】
例えば、傾斜角度θが増加された場合、第１の画像光５１はより鋭角に反射され、光学結像素子３０の入射面３１に浅い角度で入射される。光学結像素子３０から浅い角度で出射された第１の画像光５１は、低い位置に結像される（第１の空中像７１ａ）。また例えば、傾斜角度θが減少された場合、第１の画像光５１はより鈍角で反射され、光学結像素子３０の入射面３１に深い角度で入射される。光学結像素子３０から深い角度で出射された第１の画像光５１は、高い位置に結像される（第１の空中像７１ｂ）。
【０１０９】
このように、第１の透過ミラー２１の傾斜角度θを増加すると、第１の空中像７１が下方に傾けられ、傾斜角度θを減少すると第１の空中像７１が上方に傾けられる。すなわち、第１の透過ミラー２１の傾斜角度θを変更することで、ユーザの視点１に対する第１の空中像７１の表示角度を調整することが可能である。これにより、ユーザが所望する視線方向（視点角度）等に合わせて、空中像の表示を高精度に制御することが可能となる。
【０１１０】
図１０は、結像光学系４０での光路を説明するための模式図である。図１０に示す構成では、結像光学系４０での第１の画像光５１の光路等を分かりやすく説明するために、出射光学系２０を用いず、第１のディスプレイ１１が約４５度の角度で傾けて配置された構成が図示されている。また図１０の波線の矢印９５は、結像光学系４０が配置されない場合の第１の画像光５１の光路であり、矢印の先端が第１の空中像７１の結像位置（第１のディスプレイ１１の対称位置）に相当する。
【０１１１】
本実施形態では、光学結像素子３０から出射された第１の画像光５１は、結像光学系４０である、プリズム４１と、レンズ部４２とを通って、ユーザの視点１に向けて出射される。
【０１１２】
プリズム４１は、入射面４３と出射面４５とが略垂直に接続され、各々が接続された辺とは反対側の出射面４５及び入射面４３の各辺を含む反射面４４が設けられる。図１０では、光学結像素子３０に対して入射面４３が平行となるように、出射面４５を右側にしてプリズム４１が配置される。第１のディスプレイ１１から出射された第１の画像光５１は、光学結像素子３０に入射し、その入射方向とは光学結像素子３０に対して面対称な方向に出射される。光学結像素子３０から出射された第１の画像光５１は、プリズム４１の入射面４３に入射する。
【０１１３】
プリズム４１の入射面４３に入射する第１の画像光５１は、プリズム４１の材質の屈折率に応じて、プリズム４１の界面（入射面４３）で屈折される。屈折された第１の画像光５１は、反射面４４に向けて進み、反射面４４により全反射され、出射面４５に略垂直に入射する。従ってプリズム４１の出射面４５からは、レンズ部４２を介して、第１の画像光５１がＸ方向に略平行に出射される。なお第１の画像光５１を全反射することで、第１の空中像７１の輝度等の損失が十分に防止されている。
【０１１４】
このように、第１の画像光５１の光路は、プリズム４１での屈折及び全反射を経て、Ｘ方向に略平行となるように曲げられる。これにより、第１の画像光５１の光路を容易に制御することが可能となる。すなわち第１の空中像７１の結像位置を、所望の位置に容易に変更することが可能である。なお、第１の画像光５１の光路を曲げる方向等は限定されない。例えばプリズム４１の屈折率や反射面の角度等を適宜設定することで、第１の画像光を所望の方向に導くことが可能である。また、プリズム４１の形状も三角柱に限定されず、例えば全反射が複数回生じるような設計が行われてもよい。
【０１１５】
図１１は、光学結像素子３０から出射される第１の画像光５１の光路上に配置されるレンズ部４２について説明するための図である。図１１Ａは、凸レンズ４６が配置された場合の画像光５０の光路の一例を示す図である。図１１Ｂは、凹レンズ４７が配置された場合の画像光５０の光路の一例を示す図である。なお図１１では、説明を分かりやすくするために、凸レンズ４６及び凹レンズ４７のみが図示されており、プリズム４１は省略されている。
【０１１６】
図１１Ａ及びＢでは、第１の画像光５１の中心を通る光路（第１の画像光５１の光軸）が図示されており、光学結像素子３０に対して、入射側の光路を入射光路６１とし、出射側の光路を出射光路６２とする。図１１Ａに示す例では、凸レンズ４６は、出射光路６２に対して直交するように配置される。入射光路６１に沿って光学結像素子３０に入射した光は、入射光路６１と面対称となる出射光路６２に沿って凸レンズ４６に入射する。
【０１１７】
凸レンズ４６に入射する第１の画像光５１は、凸レンズ４６の焦点（図示省略）を基準として収束される。この結果、第１の画像光５１は、凸レンズ４６が配置されない場合の結像位置よりも、光学結像素子３０側で結像される。図１１Ａでは、凸レンズ４６が配置されない場合の第１の空中像７１と、凸レンズ４６が配置される場合の第１の空中像７１'とが図示されている。第１の空中像７１及び７１'を比較しても分かるように、凸レンズ４６が配置されることで、第１の空中像７１'の飛び出し距離が短くなる。また第１の画像光５１の収束に伴い、第１の空中像７１'のサイズは小さくなるので、画像サイズが縮小される。
【０１１８】
図１１Ｂに示す例では、凹レンズ４７が、出射光路６２に対して直交するように配置される。従って光学結像素子３０から出射され凹レンズ４７に入射する第１の画像光５１は、凹レンズ４７の焦点（図示省略）を基準として発散される。この結果、第１の画像光５１は、凹レンズ４７が配置されない場合の結像位置よりも、光学結像素子３０から離れる側（ユーザ側）で結像される。凹レンズ４７が配置されない場合の第１の空中像７１と、凹レンズ４７が配置される場合の第１の空中像７１'とを比較する。そうすると凹レンズ４７が配置されることで、第１の空中像７１'の飛び出し距離が長くなることが分かる。また第１の画像光５１の発散に伴い、第１の空中像７１'のサイズは大きくなるので、画像サイズが拡大される。
【０１１９】
このように、空中像７０を結像するために光学結像素子３０から出射される画像光５０の光路上に、凸レンズ４６や凹レンズ４７を配置することで、画像光５０の結像位置を変更することが可能である。また凸レンズ４６及び凹レンズ４７の屈折を利用することで、空中像７０のサイズ等を高精度に制御することが可能である。
【０１２０】
なお、凸レンズ４６や凹レンズ４７に限定されず、様々な種類のレンズが用いられてよい。例えば、球面レンズ、フレネルレンズ、非球面レンズ、及び焦点距離を調節可能な可焦点レンズ等が適宜用いられてよい。また、空中像７０の拡大／縮小に限定されず、空中像７０に対して種々の光学的な制御が行われてよい。例えば図９に示すプリズム４１の入射面４３での屈折等により発生する像の歪み等を補正するレンズが実装されてもよい。これにより、非常に高精度に空中像７０を表示することが可能となる。
【０１２１】
図１０に戻り、レンズ部４２の特性に応じて変更された第１の画像光５１は、Ｘ方向に沿って出射され、ユーザの視点１が向けられた空中に第１の空中像７１として結像される。これにより、ユーザは光学結像素子３０に対して平行な方向（Ｘ方向）から、第１の空中像７１を見ることが可能となる。このように、プリズム４１やレンズ部４２を使って空中像７０の結像位置等を制御することで、ユーザの視点１に合わせて空中像７０を表示可能となり、高度な視聴体験等を提供することが可能となる。
【０１２２】
図１２に示すように、任意の移動機構（図示省略）により、結像光学系４０が移動可能であってもよい。これにより第１の空中像７１の結像位置を容易に変更することが可能となる。例えば図１２示すように、結像光学系４０がＸＺ平面に沿って平行移動される。波線の図示が、移動前の結像光学系４０及び第１の画像光５１の光路である。実線の図示が移動後の結像光学系４０及び第１の画像光５１の光路である。
【０１２３】
図１２に示すように、プリズム４１の入射面４３と光学結像素子３０とが平行である状態が維持されたまま、結像光学系４０が上側（光学結像素子から離れる向き）に移動される。またプリズム４１の出射面４５側に向けて、結像光学系４０が移動される。このような平行移動では、プリズム４１の入射面４３での屈折角及び反射面４４での全反射の角度（入射角＋反射角）等が維持される。従って、レンズ部４２を介して出射面４５から出射される第１の画像光５１は、Ｘ方向に沿って進み、移動前後で変わらない。一方で、反射面４４にて反射される位置は上側にシフトされるので、第１の空中像７１の結像位置も上側にシフトされる。このように第１の空中像７１の結像位置を高精度に容易に制御することが可能となる。
【０１２４】
もちろん結像光学系４０の位置を変更する方法は平行移動に限定されず、例えば設置角度等が変更されてもよい。これにより、第１の画像光５１の光路を容易に曲げることが可能となり、ユーザの所望する角度で第１の空中像７１を表示することが可能となる。
【０１２５】
図１３及び図１４は、結像光学系４０の他の構成例を示す模式図である。この結像光学系４０では、２つのプリズム４１が接合され、その接合面が透過性を有する反射面４４として用いられる。例えば所定の反射率と透過率とを有する金属薄膜や誘電体多層膜等の薄膜を成膜することで、透過性を有する反射面４４を構成することが可能である。
【０１２６】
透過性を有する反射面４４を構成することで、ユーザの視点からは、背景４８に重なって第１の空中像７１が表示される。従って第１の空中像７１をシースルーで表示させることが可能となり、例えば空中像７０を使った拡張現実体験等を提供することが可能となり、高品質な視聴体験を提供することが可能となる。
【０１２７】
なお、図１３に示す結像光学系４０の反射面４４に透過性のない薄膜等が形成することで、反射面４４での全反射条件を向上することが可能となる。これにより例えば、反射面４４に対して深い角度で画像光５０が入射する場合でも、画像光５０を全反射させて、画像光５０の光路を所望の角度で曲げることが可能となる。
【０１２８】
図１４に示す結像光学系４０では、レンズ部４２として複数のレンズ４９が設けられる。まずプリズム４１の出射面４５及び入射面４３には、プリズム４１と一体的に形成された第１のレンズ４９ａ及び第２のレンズ４９ｂが設けられる。これにより、上記したようにレンズの屈折等を利用して、空中像７０の結像位置や倍率の制御等が可能となる。
【０１２９】
第１及び第２のレンズ４９ａ及び４９ｂの加工や成型には、ナノインプリント技術や切削技術等が用いられる。この他にも、プリズム４１を加工可能な任意の技術が用いられてよい。第１及び第２のレンズ４９ａ及び４９ｂは、プリズム４１と一体的に形成されるため、装置を組み立てる際の機械的な位置あわせが不要となる。また振動や衝撃による位置ずれ等が抑制され、信頼性の高い装置を提供することが可能となる。
【０１３０】
また第１のレンズ４９ａと光学結像素子３０との間に、第３のレンズ４９ｃが設けられる。第２のレンズ４９ｂの前方側（ユーザ側）には、第４のレンズ４９ｄが設けられる。これにより、例えば第１及び第２のレンズ４９ａ及び４９ｂによって生じる各種の光学収差を補正することや、空中像７０を拡大／縮小することが可能である。
【０１３１】
空中像７０の拡大／縮小等を実現するために、装置内部側にレンズ等を設けることも可能である。
【０１３２】
図１５は、装置内部側にレンズを配置する場合の構成例を示す模式図である。図１５に示す例では、第１〜第３のディスプレイ１１〜１３の出射側に、第１〜第３のレンズ部９１〜９３がそれぞれ設けられる。第１のレンズ部９１は、第１のディスプレイ１１と第１の透過ミラー２１との間に配置され、第２のレンズ部９２は、第２のディスプレイ１２と第２の透過ミラー２２との間に配置される。第３のレンズ部９３は、第３のディスプレイ１３と第１の透過ミラー２１との間に配置される。
【０１３３】
第１〜第３のレンズ部９１〜９３の各々の構成は限定されず、１以上の種々のレンズや他の光学素子等により任意に構成されてよい。第１〜第３のレンズ部９１〜９３は、出射部から結像素子までの画像光の光路に配置される内側光学部に相当する。
【０１３４】
図１６は、装置内部側に配置されるレンズ部について説明するための模式図である。図１６では、画像光５０を出射するディスプレイ１０と、レンズ部としての凸レンズ９４とを含む、基本的な構成が図示されている。ディスプレイ１０は、光学結像素子３０に向けて画像光５０を出射する。凸レンズ９４は、光学結像素子３０とディスプレイ１０との間に配置される。凸レンズ９４は、ディスプレイ１０からの距離が焦点距離よりも短くなるように配置される（虚像光学系）。
【０１３５】
ディスプレイ１０から出射される画像光５０は、凸レンズ９４の焦点ｆに向けて収束される。従って、光学結像素子３０から見てディスプレイ１０の後方に、拡大された画像光５０の虚像９５が結像される。この結果、光学結像素子３０を挟んで、画像光５０の虚像９５と面対称となる位置に、画像光５０の虚像９５の空中像９６が結像される。
【０１３６】
このように、虚像光学系を使って画像光５０の虚像９５を空中像９６として表示することで、空中像７０を拡大して表示することが可能である。また虚像９５の位置はディスプレイ１０よりも後方であるため、虚像９５の空中像９６はその分だけ飛び出して表示される。この他にも、レンズの種類や配置等を適宜変更することで、空中像７０の縮小や、補正が容易に実現可能である。さらに、凸レンズ９４を光軸方向に沿って移動させることで、空中像７０をズームする機能を実現することが可能である。
【０１３７】
図１５に示すように、第１〜第３のレンズ部９１〜９３を配置することで、第１〜第３の空中像の結像位置の変更、画像サイズの拡大／縮小、歪み補正等の種々の効果を発揮することが可能となる。また第１〜第３のレンズ部９１〜９３を光軸方向に沿って移動可能にすることで、第１〜第３の空中像をズームする機能等が実現される。
【０１３８】
各レンズ部を移動する方法等は限定されない。例えば上記したマルチスライダー等を含むアクチュエータ２３を用いて、第１及び第２のレンズ部９１及び９２が移動されてもよい。これにより、装置サイズを抑制しつつ、ズーム機能等を実現することが可能である。また各レンズ部を移動するかわりに、焦点距離等を変更可能な可焦点レンズ等が用いられてもよい。これにより移動機構等を増設せずに、容易にズーム機能等を実現可能である。
【０１３９】
このように、装置内部側に、複数のディスプレイの各々に対向してレンズ部を設けることで、複数の空中像を個別に拡大／縮小することや収差を補正するといったことが可能である。これにより、各空中像を独立して制御することが可能となり、様々な視聴効果を実現することが可能となる。
【０１４０】
図１７は、出射光学系２０の他の構成例を示す模式図である。図１７では、図１で説明した第１及び第２の透過ミラー２１及び２２の間に、第３の透過ミラー９７が配置される。本実施形態において、第３の透過ミラー９７は、他の反射素子に相当する。
【０１４１】
第３の透過ミラー９７は、第１の透過ミラー２１に向けられた第１の面９７１とその反対側の第２の面９７２とを有し、各面に入射する光の一部を透過させ、他の一部を反射する。
【０１４２】
第３の透過ミラー９７は、第１の面９７１が上を向くようにＹ方向を軸として所定の角度傾けられて配置される。本実施形態では、第３の透過ミラー９７は、ＸＺ平面に対して、第１の透過ミラー２１と面対称となるように配置される。すなわちＸ方向に対する傾斜角度θ'が、１３５度となるように、第３の透過ミラー９７が配置される。
【０１４３】
第１のディスプレイ１１からＸ方向に沿って出射された第１の画像光５１は、第１の透過ミラー２１を透過して、第３の透過ミラー９７の第１の面９７１に入射される（光路８１ａ）。第３の透過ミラー９７の第１の面９７１に入射した第１の画像光５１の一部は、光学結像素子３０の入射面３１に向けて、約４５度の角度で反射され（光路８３ａ）、他の一部は第３の透過ミラー９７を透過してそのまま第２の透過ミラー２２に入射される（光路８１ｂ）。
【０１４４】
第２の透過ミラー２２に入射された第１の画像光５１は、Ｘ方向に沿って反射され、再び第３の透過ミラー９７を透過して第１の透過ミラー２１の第２の面２１２に入射される（光路８２）。第１の透過ミラー２１の第２の面２１２に入射された第１の画像光５１は、光学結像素子３０の入射面３１に向けて反射される（光路８３ｂ）。
【０１４５】
図１７に示すように、第３の透過ミラー９７で反射された第１の画像光５１は、光学結像素子３０から左上にむけて出射され、第１の空中像７１'が結像される。第１の空中像７１'の飛び出し距離は、第１のディスプレイ１１から第３の透過ミラー９７までの距離（光路８１ａ）と、第３の透過ミラー９７から光学結像素子３０までの距離（光路８３ａ）とを足し合わせた距離（光路８１ａ＋８３ａ）と同じになる。
【０１４６】
また、第１の透過ミラー２１で反射された第１の画像光５１は、光学結像素子３０から右上に向けて出射され、第１の空中像７１が結像される。第１の空中像７１の飛び出し距離は、第１のディスプレイ１１から第２の透過ミラー２２までの距離（光路８１ａ＋８１ｂ）と、第２の透過ミラー２２から第１の透過ミラー２１までの距離（光路８２）と、第１の透過ミラー２１から光学結像素子３０までの距離（光路８３ｂ）とを足し合わせた距離（光路８１ａ＋８１ｂ＋８２＋８３ｂ）と同じになる。
【０１４７】
このように、第１及び第２の透過ミラー２１及び２２の間に第３の透過ミラー９７を配置することで、第１のディスプレイ１１から出射される第１の画像光５１から２つの空中像（第１の空中像７１及び７１'）が結像される。すなわち、１つのディスプレイ１０から複数の空中像５０を作り出すことが可能となる。２つの空中像は互いに反対の向きに表示されるため、例えば装置を挟んで二人のユーザに向けて空中像を表示することが可能となる。これにより、複数のユーザで空中像を楽しむことが可能となる。
【０１４８】
以上、本実施形態に係る空中像表示装置１００では、第１の透過ミラー２１の第１の面２１１に入射して第１の透過ミラー２１を透過する第１の画像光５１が、第２の透過ミラー２２により第１の透過ミラー２１の第２の面２１２へ反射される。第１の透過ミラー２１の第２の面２１２へ反射された第１の画像光５１は、当該第２の面２１２により光学結像素子３０に反射される。このように第１の画像光５１の光路を構成することで、図２等を中心に説明したように、装置の小型化を図ることが可能となる。この結果、空中像を表示可能な小型の空中像表示装置１００を実現することが可能となる。
【０１４９】
空中像７０を表示可能な装置を小型にする方法として、全反射ミラー等を使って画像光５０の光路を折り曲げる方法が考えられる。しかしながら光路を折り曲げるだけでは、空中像７０の飛び出し距離を増加するためには、全反射ミラーと出射位置（ディスプレイ）との距離や、全反射ミラーと光学結像素子３０との距離を長くしなければならない。従って装置サイズを抑えることが難しい。
【０１５０】
本実施形態では、図１等に示すように、折り返し光路９０が構成されるので、装置サイズを抑制しつつ空中像の飛び出し距離を十分に増加させることが可能である。また空中像の飛び出し距離の変更可能範囲を十分に大きくすることが可能である。この結果、例えば空中像が大きく飛び出すといった迫力のある演出等が可能となり、非常に高品質な視聴体験を提供可能な、小型の空中像表示装置１００を実現することが可能となる。
【０１５１】
また本実施形態に係る第１及び第２の透過ミラー２１及び２２の構成は、非常にシンプルであり、ディスプレイや移動機構等の他の構成を容易に導入可能である。これにより、空中像７０の拡大／縮小等のズーム機能や、複数の空中像を重ねて表示するといった機能を容易に実現することが可能となり、非常に高い拡張性が発揮させる。この結果、様々な機能を備えつつ、サイズのコンパクトな空中像表示装置１００を実現することが可能となる。
【０１５２】
＜第２の実施形態＞
本技術に係る第２の実施形態の空中像表示装置について説明する。これ以降の説明では、上記の実施形態で説明した空中像表示装置１００における構成及び作用と同様な部分については、その説明を省略又は簡略化する。
【０１５３】
図１８及び図１９は、本実施形態に係る空中像表示装置２００の構成例を示す概略図である。図１９では、装置の側面から見た（Ｙ方向から見た）空中像表示装置２００の装置内部側の構成例が図示されている。
【０１５４】
本実施形態に係る空中像表示装置では、ディスプレイ２１１と、当該ディスプレイから出射された画像光を光学結像素子に導くための第１及び第２の透過ミラー２１２及び２１３とを含む空中像表示ユニット２１０が構成される。そして光学結像素子３０の位置を基準として、複数の空中像表示ユニット２１０が配置される。
【０１５５】
本実施形態では、第１〜第４の４つの空中像表示ユニット２１０（２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、２１０ｄ）が配置される。各空中像表示ユニット２１０は、互いに略等しい構成を有し、直線状に配置されたディスプレイ２１１（２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ、２１１ｄ）、第１の透過ミラー２１２（２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄ）、及び第２の透過ミラー２１３（２１３ａ、２１３ｂ、２１３ｃ、２１３ｄ）を有する。本実施形態では、図２に示す構成が採用されている。
【０１５６】
図１８に示すように、光学結像素子３０の中心点Ｃを基準として、Ｘ方向に延在する第１の基準軸Ｌ１と、これに直交するＹ方向に延在する第２の基準軸Ｌ２が設定される。第１の基準軸Ｌ１に沿って、互いに対向するように、第１及び第２の空中像表示ユニット２１０ａ及び２１０ｂが配置される。第２の基準軸Ｌ２に沿って、互いに対向するように、第３及び第４の空中像表示ユニット２１０ｃ及び２１０ｄが配置される。
【０１５７】
図１９に示すように、光学結像素子３０の中心点Ｃの近傍に、ディスプレイ２１１ａ及び２１１ｂが配置される。ディスプレイ２１１ａ及び２１１ｂは、第１の基準軸Ｌ１に沿って、光学結像素子３０の外縁に向けて画像光５０ａ及び５０ｂを出射するように配置される。ディスプレイ２１１ａの前方側（出射側）には、第１の透過ミラー２１２ａ及び第２の透過ミラー２１３ａがこの順番で配置される。ディスプレイ２１１ｂの前方側（出射側）には、第１の透過ミラー２１２ｂ及び第２の透過ミラー２１３ｂがこの順番で配置される。
【０１５８】
従って第１の空中像表示ユニット２１０ａの第２の透過ミラー２１３ａから、第２の空中像表示ユニット２１０ｂの第２の透過ミラー２１３ｂまでの間には、第１の基準軸Ｌ１に沿って、第１の透過ミラー２１２ａ、ディスプレイ２１１ａ、ディスプレイ２１１ｂ、及び第１の透過ミラー２１２ｂが、この順番に配置される。
【０１５９】
第１の空中像表示ユニット２１０ａのディスプレイ２１１ａにより出射される画像光５０ａは、光学結像素子３０により、空中像７０ａとして結像される。第２の空中像表示ユニット２１０ｂのディスプレイ２１１ｂにより出射される画像光５０ｂは、光学結像素子３０により、空中像７０ｂとして結像される。空中像７０ａ及び７０ｂは、第１の基準軸Ｌ１に沿って互いに反対向きに表示される。空中像７０ａ及び７０ｂは、第１の基準軸Ｌ１に沿って向き合うユーザ２ａ及び２ｂにより視聴される。
【０１６０】
第３及び第４の空中像表示ユニット２１０ｃ及び２１０ｄも、図１９に示す構成と略同様に、第２の基準軸Ｌ２に沿って配置される。これにより第３の空中像表示ユニット２１０ｃから出射される画像光５０ｃは、空中像７０ｃとして結像される。第４の空中像表示ユニット２１０ｄから出射される画像光５０ｄは、空中像７０ｄとして結像される。空中像７０ｃ及び７０ｄは、第２の基準軸Ｌ２に沿って互いに反対向きに表示される。空中像７０ｃ及び７０ｄは、第２の基準軸Ｌ２に沿って向き合うユーザ２ｃ及び２ｄにより視聴される。
【０１６１】
このように、光学結像素子３０の位置を基準として、複数の空中像表示ユニット２１０を配置することで、多視点でそれぞれ独立した空中像７０を表示することが可能となる。これにより例えば１つの光学結像素子３０を共通して使用して、複数のユーザに対して空中像７０を表示することが可能となる。この結果、装置の大型化が抑制されコストを抑えることが可能となる。また複数の光学結像素子３０を繋ぎ合わせて使用するといったことを回避することが可能となり、繋ぎ目で生じる画像の歪み等の発生を防止することができる。
【０１６２】
なお、複数の空中像表示ユニット２１０の数や配置等は限定されず、例えば想定されるユーザの数等に応じて必要な数の空中像表示ユニットが配置されてよい。また例えば各空中像表示ユニット２１０の光路が交差するような配置を実現することも可能である。これにより、１つの光学結像素子３０を十分に活用することが可能となり、例えば、様々な方向に向けて同時に空中像を表示可能な装置を安価に作成することが可能となる。
【０１６３】
さらに第１及び第２の透過ミラー等が、複数の空中像表示ユニット２１０に対して共通して用いられてもよい。すなわち複数のディスプレイ２１１から出射される複数の画像光５０が、１つの第１の透過ミラー２１２、あるいは１つの第２の透過ミラー２１３により、光学結像素子  まで導かれてもよい。
【０１６４】
＜第３の実施形態＞
図２０は、第３の実施形態に係る空中像表示装置の構成例を示す概略図である。図２０Ａは、Ｚ方向から複数の空中像表示装置を見た場合の上面図である。図２０Ｂは、図２０Ａの中央に位置する第３の空中像表示ユニットを、Ｘ方向から見た側面図である。なお以下の説明では、ＸＹ平面を水平面とし、Ｚ方向を上下方向とするが、これに限定される訳ではない。
【０１６５】
空中像表示装置３００では、ディスプレイ１０と、空中像７０を結像するための光学結像素子３０とを含む空中像表示ユニット３１０が構成される。そして基準点Ｏを中心に複数の空中像表示ユニット３１０が配置される。
【０１６６】
図２０Ａに示すように、本実施形態では、第１〜第５の５つの空中像表示ユニット３１０（３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅ）が配置される。図２０Ｂに示すように、中央に位置する第３の空中像表示ユニット３１０ｃは、水平面（ＸＹ平面）から約４５度傾いて配置された光学結像素子３０ｃと、光学結像素子３０ｃの下側にＸＹ平面と平行に配置されたディスプレイ１０ｃとを有する。
【０１６７】
第１〜第５の５つの空中像表示ユニット３１０（３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅ）は、互いに略等しい構成を有する。すなわち各々の空中像表示ユニット３１０は、水平面（ＸＹ平面）から約４５度傾いて配置された光学結像素子３０（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ）と、光学結像素子  の下側にＸＹ平面と平行に配置されたディスプレイ１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ）とを有する。
【０１６８】
第１〜第５の５つの空中像表示ユニット３１０（３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅ）は、各々の光学結像素子３０が隙間なく接するように、基準点Ｏを中心とした円周に沿ってこの順番で右回りに配置される。図２０Ａに示すように、上方から見て各空中像表示ユニット３１０の中央を通る軸を基準軸Ｔ（Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄ、Ｔｅ）とする。各々の基準軸Ｔが、基準点Ｏにて交わるように、第１〜第５の５つの空中像表示ユニット３１０（３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３１０ｅ）が配置される。従って、各空中像表示ユニット３１０は、全体としてアリーナ状に配置される。このため光学結像素子３０は、基準点Ｏに近い側の辺が短く、基準点に遠い側の辺が長い台形状となる。
【０１６９】
各々の基準軸Ｔ上に配置されたディスプレイ１０からＺ方向に沿って画像光５０が出射される。出射された画像光５０は、同じ基準軸Ｔ上に配置された光学結像素子３０により、基準軸Ｔの延在方向、すなわち水平方向に出射される。そして各々の画像光５０は、基準点Ｏにて、垂直な空中像７０として結像される。図２０に示すように、各空中像５０（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ）は、基準点Ｏを中心に角度θで互いに重なり合うように配置される。当該角度θは、隣り合う光学結像素子３０の配置角度（隣り合う基準軸Ｔ間の角度）に等しい。なお第１〜第５の空中像７０（７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、７０ｅ）は、全て同じ表示内容である。
【０１７０】
各空中像表示ユニット３１０により基準点Ｏにて空中像７０が表示されるように、装置内の画像光５０の光路長（ディスプレイ１０から光学結像素子までの距離）が、基準点Ｏから光学結像素子３０の出射点Ｉまでの距離と等しく設定されている。始めに基準点Ｏが設定される場合に限定されず、任意の姿勢で配置された１つの空中像表示ユニット３１０により表示される空中像７０の位置を基準点として、他の空中像表示ユニット３１０が配置されてもよい。
【０１７１】
図２０Ａに示すように、各光学結像素子３０の大きさは、上面図（図２０Ａ）において、少なくともディスプレイ１０がはみ出さないような大きさに設定される。光学結像素子３０の出射点Ｉ（＝装置内部側にて画像光が入射する入射点）から基準点Ｏまでの距離をＳとする。また出射点Ｉから、基準軸に直交する方向における隣の光学結像素子３０との境界までの距離をＬとする。そうすると空中像７０の重なり合う角度θと、距離Ｓ及びＬとの間に、以下の関係が成り立つ。
Ｓ＝Ｌ／ｔａｎ（θ／２）・・・・・（１）
【０１７２】
図２１は、基準点Ｏに表示される空中像７０の見え方について説明するための模式図である。図２１Ａは、第３の空中像表示ユニット３１０ｃの正面の視点Ｖ１から基準点Ｏを見た場合の空中像を説明するための図である。図２１Ｂは、第４の空中像表示ユニット３１０ｄの正面の視点Ｖ２から基準点Ｏを見た場合の空中像を説明するための図である。図２１Ｃは、視点Ｖ１及びＶ２の中間の視点Ｖ３から基準点Ｏを見た場合の空中像を説明するための図である。なお第１〜第５の空中像７０（７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ、７０ｅ）として、アルファベットのＥが表示される。
【０１７３】
図２１Ａ〜Ｃにおいて、一番左は、第３の空中像７０ｃの見え方を示す図である。一番右は、第４の空中像７０ｄの見え方を示す図である。中央は、基準点Ｏを見た場合に視認できる空中像３７０を示す図である。従ってユーザにとっては、中央に示す空中像３７０が意識されるものであり、第３及び第４の空中像７０ｃ及び７０ｄがどのように見えるかといったことは意識されない。
【０１７４】
ユーザが視点Ｖ１から基準点Ｏを見る場合、第３の空中像７０ｃは損失なく適正に表示される。一方で、角度θ傾いて表示される第４の空中像７０ｄについては、Ｅの文字は全く表示されない。結果的に、基準点には、第３の空中像７０ｃのＥの文字が適正に表示される。
【０１７５】
ユーザが視点Ｖ２から基準点Ｏを見る場合、第４の空中像７０ｄは損失なく適正に表示される。一方で、角度θ傾いて表示される第３の空中像７０ｃについては、Ｅの文字は全く表示されない。結果的に、基準点には、第４の空中像７０ｄのＥの文字が適正に表示される。
【０１７６】
ユーザが視点Ｖ３から基準点Ｏを見る場合、第３の空中像７０ｃに対して、左側に約θ／２だけ周りこむ形となる。従って、Ｅの文字の右半分が消えて、左半分が表示される。第４の空中像７０ｄに対しては、右側に約θ／２だけ周りこむ形となる。従ってＥの文字の左半分が消えて、右半分が表示される。これらの第３及び第４の空中像７０ｃ及び７０ｄが合成されることで、基準点Ｏには、Ｅの文字が適正に表示される。このことは視点Ｖ１及びＶ２の間の任意の視点においても成り立ち、視点Ｖ１及びＶ２の間で視点を移動させても、常にＥの文字が適正に表示される。
【０１７７】
このように本実施形態では、１つの空中像７０に対して、視認可能な角度の範囲が定められており、当該角度範囲を超えると空中像７０が損失してしまい適正に視認することが難しくなる。本実施形態では、複数の空中像表示ユニット３１０が、アリーナ状に配置される。このため１つの空中像７０に対して視認可能な角度範囲を超えてしまっても、隣の空中像により損失部分が補完される。従って全体として、視認可能な角度範囲を大幅に広げることが可能となる。例えば図２０に示す例では、第１の空中像７０ａの視認可能な角度範囲の右側から、第５の空中像７０ｅの視認可能な角度範囲の左側までの、約４θの角度が、視認可能な角度範囲となる。
【０１７８】
例えば１つの空中像７０の視認可能な角度範囲が、空中像７０の正面（垂線方向）を０度として±２０度であるとする。２０度を越えた場合に隣の空中像が視認可能となるように、複数の空中像表示ユニット３１０を並べる。これにより例えば±１８０度程度まで、視認可能な角度範囲を拡張することも可能である。
【０１７９】
空中像７０が重なり合う角度θ、すなわち光学結像素子３０の配置角度は、このような視点の移動に伴う空中像の欠損を補完可能な範囲で任意に定められてよい。図２１に示す例では、隣の空中像７０が見えなくなる角度が、角度θとして設定された。これに限定されず、例えば１つの空中像７０の視認可能な角度の範囲等に基づいて、任意に設定されてより。例えば上記の式（１）を用いることで、所望の角度θを実現するための構成を容易に組み立てることが可能となる。
【０１８０】
図２２及び図２３は、空中像表示ユニットの他の構成例を示す模式図である。図２２及び図２３に示す例では、ディスプレイ１０と、空中像３７０を結像するための光学結像素子３０と、当該光学結像素子３０にディスプレイ１０から出射された画像光５０を導くための第１及び第２の透過ミラーと２１及び２２を含む空中像表示ユニットが構成される。図２等を中心に説明したように、ディスプレイ１０、第１及び第２の透過ミラー２１及び２２は、直線状に配置され、折り返し光路が構成される。
【０１８１】
図２２では、ディスプレイ１０及び第２の透過ミラー２２が、Ｚ方向に沿って配置される。そして第１の透過ミラー２１が、約４５の角度で光学結像素子３０側に傾けられて配置される。これによりＺ方向に沿って画像光３５０が光学結像素子３０に入射され、空中像７０が垂直に表示される。図２３の構成は、第１の実施形態の図２で説明した空中像表示装置１００全体を、約４５度傾けた場合の構成に略等しい。この場合も、空中像７０を垂直に表示可能である。
【０１８２】
いずれにせよ、折り返し光路が構成されるので、空中像表示ユニット３１０の小型化を図ることが可能となる。この結果、複数の空中像表示ユニット３１０の配置の自由度が向上し、空中像表示装置全体のサイズも十分に抑制することが可能となる。もちろん、図２２及び図２３に示す構成に限定されず、第１の実施形態で説明したプリズム等や、複数のディスプレイ１０等が用いられて、様々な視聴体験を提供可能な空中像表示装置３００が構成されてもよい。
【０１８３】
空中像表示ユニット３１０の配置方法も限定されず、例えば光学結像素子３０が隣接しないような構成が実現されてもよい。また異なる飛び出し距離で結像された空中像７０が基準点Ｏに表示されてもよい。これにより、空中像表示ユニット等の配置の自由度が向上し、例えば様々な場所に基準点Ｏを設定して視認可能な範囲の広い空中像７０を表示するといったことが可能となる。
【０１８４】
＜その他の実施形態＞
本技術は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。
【０１８５】
図２４は、他の実施形態に係る空中像表示装置の構成例を示す概略図である。空中像表示装置４００は、直線状に配置された、第１のディスプレイ１１、第１及び第２の透過ミラー２１及び２２を有する。また空中像表示装置４００は、第２の透過ミラー２２の外側（第１の透過ミラー２１と反対側）に配置されたセンサ部６５を有する。
【０１８６】
センサ部６５は、第２の透過ミラー２２を基準として、第１のディスプレイ１１と対称となる位置に設けられる。すなわちセンサ部６５は、第２の透過ミラー２２までの距離が、第１のディスプレイ１１から第２の透過ミラー２２までの距離と略等しくなる位置に設けられる。センサ部６５としては、例えばフォトセンサ等の光学センサが用いられる。
【０１８７】
例えば図２４に示すように、空中像として浮かんでいる操作画面６６にタッチ操作が入力されるとする。そうするとユーザの指６７の像が、第１の画像光５１の光路を反対向きに進み、第２の透過ミラー２２まで導かれる。そして第２の透過ミラー２２を透過して、センサ部６５に、ユーザの指６７の像６８が結像される。なお図２４では、操作画面６６を貫通する部分が、指６７及び指６７の像６８として模式的に図示されている。
【０１８８】
センサ部６５は、結像された指の像６８の動き等を検出することで、ユーザによる空中像へのタッチ操作を検出する。これによりユーザは空中像を使った操作入力等を行うことが可能となり、実際の操作パネル等に触れることなく空中でタッチ操作を行うことが可能となる。
【０１８９】
センサ部６５を、ユーザの指６７の像６８が結像する位置、すなわち第１のディスプレイ１１と対称となる位置に配置することで、指６７の像６８の動き等を高精度に検出することが可能となる。一方、検出精度の許容範囲内において、センサ部６５の位置を指６７の像６８の結像位置からずらすことも可能である。例えばセンサ部６５を第２の透過ミラー２２に近付けることで、装置の小型化を図ることが可能となる。
【０１９０】
またレンズ等の光学素子を用いて、指６７の像６８の結像位置を変更することも可能である。また結像位置のずれを補正するようにセンサ部６５の感度等を設定することも可能である。これにより装置サイズを十分に抑制しつつ容易にタッチ操作機能等を実現することが可能となる。
【０１９１】
図２４に示すように、ユーザの指６７の像６８は、第１のディスプレイ１１上にも結像される。従って、例えば第１のディスプレイ１１として、フォトセンサを内蔵したディスプレイ等を利用することで、センサ部６５を配置することなく、ユーザの空中像（操作画面６６）へのタッチ操作を検出することが可能となる。
【０１９２】
センサ部６５の代わりにフォトセンサを内蔵したディスプレイを用いる場合、装置の小型化に非常に有利である。一方で、フォトセンサを内蔵したディスプレイは流通量が少なく高価なものが多いので、装置コストが高くなる可能性がある。
【０１９３】
第２の透過ミラー２２の外側にセンサ部６５を配置する場合には、流通量の多い一般的なフォトセンサ等を用いることが可能なので、非常に安価なタッチ操作機能等を導入することが可能となる。一方で、装置サイズは若干大きくなる。例えばこれらの点を考慮して、いずれかの構成を採用するかが検討されてもよい。もちろんセンサ部６５及びフォトセンサを内蔵したディスプレイの両方を用いて、タッチ操作の検出精度を向上させることも可能である。
【０１９４】
上記した実施形態では、第１の透過ミラーの傾斜角度θが変更されて、第１の空中像の結像位置等が変更された（図９参照）。これに限定されず、第２の透過ミラーの傾斜角度が変更されてもよい。これにより例えば、空中像の光路等が変更され、空中像の結像位置や表示角度を変更することが可能である。例えば、第２の透過ミラーを傾けることで変更された空中像の表示角度を、第１の透過ミラーの傾斜角度を変更して微調整を行うといったことが可能である。
【０１９５】
また画像光の出射方向（ディスプレイの傾斜角度）が変更されてもよい。ディスプレイの傾斜角度を変更する場合、例えば少しの角度調整で、画像光の光路を大きく変更することが可能である。従って大掛かりな角度の調整機構等を用いる必要がなくなり、装置サイズの大型化やコストの増大を抑制することが可能となる。また、第１の透過ミラー、第２の透過ミラー、及びディスプレイの各々の傾斜角度が連動して変更されてもよい。これにより、画像光の光路等を細かく調整することが可能となり、空中像の結像位置や表示角度を高精度に制御することが可能となる。
【０１９６】
以上説明した本技術に係る特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。すなわち各実施形態で説明した種々の特徴部分は、各実施形態の区別なく、任意に組み合わされてもよい。また上記で記載した種々の効果は、あくまで例示であって限定されるものではなく、また他の効果が発揮されてもよい。
【０１９７】
なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）画像光を出射する出射部と、
入射する前記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、前記出射部から出射され前記第１の面に入射する前記画像光の少なくとも一部を透過させ、前記第２の面に入射する前記画像光の少なくとも一部を前記結像素子に反射する第１の反射素子と、
前記第１の面に入射して前記第１の反射素子を透過する前記画像光の少なくとも一部を、前記第１の反射素子の前記第２の面に反射する第２の反射素子と
を具備する画像表示装置。
（２）（１）に記載の画像表示装置であって、
前記第２の反射素子は、前記第１の反射素子の前記第１の面に入射し、前記第１の反射素子を透過して所定の方向に沿って出射される前記画像光の少なくとも一部を、前記所定の方向に沿って反射する
画像表示装置。
（３）（２）に記載の画像表示装置であって、
前記出射部は、前記所定の方向に沿って前記第１の反射素子の前記第１の面に前記画像光を出射する
画像表示装置。
（４）（２）又は（３）に記載の画像表示装置であって、
前記出射部、前記第１の反射素子、及び前記第２の反射素子は、前記所定の方向に沿って、この順に配置される
画像表示装置。
（５）（２）から（４）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記結像素子は、前記画像光が入射する入射面を有し、
前記所定の方向は、前記入射面に平行な方向である
画像表示装置。
（６）（２）から（５）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、さらに、
各々が他の画像光を出射する１以上の他の出射部を具備する
画像表示装置。
（７）（６）に記載の画像表示装置であって、
前記１以上の他の出射部は、前記第２の反射素子の前記第１の反射素子とは反対側に配置され、前記他の画像光を前記所定の方向に沿って前記第２の反射素子に出射する前記他の出射部を含み、
前記第２の反射素子は、前記他の出射部により出射される前記他の画像光の少なくとも一部を透過させ、前記第１の反射素子の前記第２の面に出射する
画像表示装置。
（８）（６）又は（７）に記載の画像表示装置であって、
前記１以上の他の出射部は、前記第１及び前記第２の反射素子の間に配置され、前記他の画像光を前記所定の方向に沿って前記第２の反射素子に出射し、前記第１の反射素子を透過する前記画像光、及び前記第２の反射素子により反射される前記他の画像光を透過させる前記他の出射部を含む
画像表示装置。
（９）（６）から（８）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記１以上の他の出射部は、前記第１の反射素子の前記結像素子とは反対側に配置され、前記第１の反射素子の前記第２の面により反射される前記画像光の出射方向に沿って、前記他の画像光を前記第１の反射素子の前記第１の面に出射する前記他の出射部を含む
画像表示装置。
（１０）（２）から（９）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、さらに、
前記結像素子により結像される前記空中像の結像位置を変更する変更部を具備する
画像表示装置。
（１１）（１０）に記載の画像表示装置であって、
前記結像素子は、前記結像素子に入射する前記画像光の入射位置、及び前記出射部から前記結像素子までの前記画像光の光路長に応じた位置に、前記空中像を結像し、
前記変更部は、前記画像光の入射位置、及び前記画像光の光路長の少なくとも一方を変更可能である
画像表示装置。
（１２）（１０）又は（１１）に記載の画像表示装置であって、
前記変更部は、前記出射部、前記第１の反射素子、及び前記第２の反射素子の少なくとも１つの位置を変更可能である
画像表示装置。
（１３）（１０）から（１２）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記出射部、前記第１の反射素子、及び前記第２の反射素子は、前記所定の方向に沿って、この順に配置され、
前記変更部は、前記出射部、前記第１の反射素子、及び前記第２の反射素子の少なくとも１つを、前記所定の方向に沿って移動させる
画像表示装置。
（１４）（１０）から（１３）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記変更部は、前記出射部の前記画像光の出射方向、前記第１の反射素子の前記画像光の反射角度、及び前記第２の反射素子の前記画像光の反射角度の少なくとも１つを変更可能である
画像表示装置。
（１５）（１）から（１４）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、さらに、
前記第１及び前記第２の反射素子の間に配置され、前記第１の反射素子を透過する前記画像光の一部を前記結像素子に反射し、前記第１の反射素子を透過する前記画像光の他の一部を透過させる他の反射素子を具備する
画像表示装置。
（１６）（１）から（１５）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記出射部と、前記出射部により出射された前記画像光を前記結像素子に導くための前記第１及び前記第２の反射素子とを含むユニットを画像表示ユニットとして、前記結像素子の位置を基準として複数の画像表示ユニットが設けられる
画像表示装置。
（１７）（１６）に記載の画像表示装置であって、
前記複数の画像表示ユニットの各々は、前記出射部により出射された前記画像光を空中像として結像するための前記結像素子を有し、
前記複数の画像表示ユニットは、各々が結像する前記空中像が所定の基準点を中心に所定の角度で互いに重なり合うように配置される
画像表示装置。
（１８）（１）から（１７）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、さらに、
前記空中像へのタッチ操作を検出するセンサ部を具備する
画像表示装置。
（１９）（１）から（１８）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記変更部は、前記結像素子から出射される前記画像光の光路上に配置される外側光学部を有する
画像表示装置。
（２０）（１）から（１９）のうちいずれか１つに記載の画像表示装置であって、
前記変更部は、前記出射部から前記結像素子までの前記画像光の光路上に配置される内側光学部を有する
画像表示装置。
（２１）画像光を出射する出射部と、
第１の面と第２の面とを有し、前記出射部から出射され前記第１の面に入射する前記画像光の少なくとも一部を透過させ、前記第２の面に入射する前記画像光の少なくとも一部を、入射する前記画像光を空中像として結像する結像素子に反射する第１の反射素子と、
前記第１の面に入射して前記第１の反射素子を透過する前記画像光の少なくとも一部を、前記第１の反射素子の前記第２の面に反射する第２の反射素子と
を具備する画像表示ユニット。
【符号の説明】
【０１９８】
１０、１１〜１４…ディスプレイ
２０…出射光学系
２１…第１の透過ミラー
２１１…第１の面
２１２…第２の面
２２…第２の透過ミラー
２３…アクチュエータ
３０…光学結像素子
３１…入射面
４０…結像光学系
４１…プリズム
４２、９２…レンズ部
５０…画像光
５１…第１の画像光
５２…第２の画像光
６５…センサ部
７０…空中像
７１…第１の空中像
７２…第２の空中像
２１０、３１０…空中像表示ユニット
１００、２００、３００、４００…空中像表示装置
【図１】
2018105966.tif 000003
【図２】
2018105966.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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