(57)【要約】【課題】大型の被観察物を用いて大きな空中像を観察者に提供する場合でも、空中映像表示素子に対して被観察物側の空間を小さくして、装置の薄型化を図る。【解決手段】空中映像表示装置１は、平板状の空中映像表示素子２と、被観察物４から出射された光を反射させて空中映像表示素子２に導く複数のミラー３とを備える。被観察物４は、平板状であって、空中映像表示素子２と平行に位置している。複数のミラー３は、互いに平行に位置するとともに、空中映像表示素子２の主面２ａに対して傾斜して位置している。複数のミラー３は、被観察物４から出射され、表裏の一方の側から入射する光を反射させるとともに、被観察物４から出射され、表裏の他方の側から入射する光を反射させる少なくとも１枚の両側反射ミラー３ａを含む。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する２つの主面を有し、一方の主面側に位置する被観察物からの光を内部で反射させて他方の主面側の空中に導くことにより、前記被観察物の実像を前記空中に結像させる平板状の空中映像表示素子と、
前記被観察物から出射された光を反射させて前記空中映像表示素子に導く複数のミラーとを備え、
前記被観察物は、平板状であって、前記空中映像表示素子と平行に位置しており、
前記複数のミラーは、互いに平行に位置するとともに、前記空中映像表示素子の前記一方の主面に対して傾斜して位置しており、
前記複数のミラーは、前記被観察物から出射され、表裏の一方の側から入射する光を反射させるとともに、前記被観察物から出射され、表裏の他方の側から入射する光を反射させる少なくとも１枚の両側反射ミラーを含むことを特徴とする空中映像表示装置。
【請求項２】
前記少なくとも１枚の両側反射ミラーは、前記複数のミラーが平行に並ぶ一方向において、両端のミラーの間に位置していることを特徴とする請求項１に記載の空中映像表示装置。
【請求項３】
前記両側反射ミラーは、前記被観察物から出射され、該両側反射ミラーと隣り合うミラーで反射されて、該両側反射ミラーの一方の面側から入射する光を反射させて前記空中映像表示素子に導くとともに、前記被観察物から出射され、該両側反射ミラーの他方の面側から入射する光を反射させて、該両側反射ミラーと前記他方の面側で隣り合うミラーに入射させることを特徴とする請求項１または２に記載の空中映像表示装置。
【請求項４】
前記被観察物は、複数の表示領域を有する１つのディスプレイで構成されており、
前記空中映像表示素子は、前記各表示領域で表示された映像の実像が前記空中で同一面上に連続して並ぶように、前記各表示領域から出射されて、前記各表示領域と対応する一対のミラーを介して入射する光を前記空中に導くことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の空中映像表示装置。
【請求項５】
前記被観察物は、複数のディスプレイで構成されており、
前記空中映像表示素子は、前記各ディスプレイで表示された映像の実像が前記空中で同一面上に連続して並ぶように、前記各ディスプレイから出射されて、前記各ディスプレイと対応する一対のミラーを介して入射する光を前記空中に導くことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の空中映像表示装置。
【請求項６】
前記空中映像表示素子は、平行な複数の反射面を各々が有する２つの基板を、各基板の反射面が平面視で直交するように積層した構成の光学素子であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の空中映像表示装置。
【請求項７】
前記空中映像表示素子は、互いに垂直な反射面を同一基板にアレイ状に有する光学素子であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の空中映像表示装置。
【請求項８】
前記複数のミラーは、各々の面法線が、前記空中映像表示素子の前記２つの主面に垂直な方向から見て、前記空中映像表示素子の互いに垂直な各反射面に対して傾斜するように位置していることを特徴とする請求項６または７に記載の空中映像表示装置。
【請求項９】
前記複数のミラーは、各々の面法線が、前記空中映像表示素子の前記２つの主面に垂直な方向から見て、前記空中映像表示素子の互いに垂直な各反射面に対して４５°傾斜するように位置していることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の空中映像表示装置。
【請求項１０】
前記複数のミラーにおいて、前記空中映像表示素子の一方の主面に平行な辺を長辺とし、前記長辺に垂直な辺を短辺とし、前記短辺の長さをＬ（ｍｍ）とし、
前記被観察物から出射されて隣り合うミラーを介して前記空中映像表示素子に入射する光線の前記空中映像表示素子の一方の主面とのなす角度をＡ（°）とし、前記空中映像表示素子と前記被観察物との間の距離をＨ（ｍｍ）としたとき、
Ｈ＝Ｌ・ｓｉｎ（Ａ／２）
ただし、
Ａ＝２２．５°〜６７．５°
であることを特徴とする請求項９に記載の空中映像表示装置。
【請求項１１】
前記複数のミラーのピッチをＰ（ｍｍ）としたとき、
Ｈ≦Ｐ≦Ｌ・ｃｏｓ（Ａ／２）
を満足することを特徴とする請求項１０に記載の空中映像表示装置。
【請求項１２】
前記空中映像表示素子の一方の主面に対する前記複数のミラーの各々の傾斜角をθ（°）としたとき、
θ＝１１．２５°〜３３．７５°
であることを特徴とする請求項１０または１１に記載の空中映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空中に被観察物の実像を表示する空中映像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被観察物からの光を、空中映像表示素子を介して空中に導くことにより、被観察物の実像を空中に結像させる空中映像表示装置が提案されている。ここで、上記の被観察物としては、例えば立体的な物体のほか、液晶表示装置などの表示装置を用いることができる。また、被観察物の実像には、上記物体の実像のほか、表示装置に表示された映像の実像も含まれる。このような空中映像表示装置では、空中映像表示素子と観察者の目との間の空中に、あたかも物体や映像が浮遊しているかのような表示が行われる。
【０００３】
空中映像表示装置では、空中映像表示素子に対して被観察物と面対称となる空中の位置に、被観察物の実像（空中像）が被観察物と等倍で結像される、いわゆる等倍結像系が構成される。このため、例えば観察者に観察しやすい空中像を提供すべく、空中映像表示素子から遠く離れた位置に空中像を結像させる場合には、空中映像表示素子と被観察物との距離を長くする必要がある。この場合、空中映像表示素子に対して被観察物側の空間が大きくなり、装置の厚みが増大する。
【０００４】
この点に関して、例えば特許文献１では、空中映像表示素子に対して被観察物側の空間に、２枚の反射鏡を空中映像表示素子に対して傾けて配置し、被観察物からの光を各反射鏡で順に反射させて空中映像表示素子に導くようにしている。この構成では、空中映像表示素子に対して被観察物側の空間を、各反射鏡による光路の折り畳みによって小さくすることができ、これによって装置のコンパクト化が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２６２２２９号公報（請求項１、段落〔００２７〕、〔００４９〕、図１３等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、特許文献１の構成では、被観察物からの光を全て、同じ反射鏡に入射させて空中映像表示素子に導くため、被観察物として例えば大型の表示装置を用いる場合には、被観察物からの入射光束を受ける反射鏡も大型化せざるを得なくなる。特許文献１のように、空中映像表示素子に対して反射鏡が傾くように配置される構成では、反射鏡の大型化は、装置の厚みを増大する方向に働く。つまり、特許文献１の構成では、大型の被観察物を用いたときに、結果的に、装置が大型化する。
【０００７】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、大型の被観察物を用いて大きな空中像を観察者に提供する場合でも、空中映像表示素子に対して被観察物側の空間を小さくして、装置の薄型化を図ることができる空中映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】
【０００８】
本発明の一側面に係る空中映像表示装置は、互いに対向する２つの主面を有し、一方の主面側に位置する被観察物からの光を内部で反射させて他方の主面側の空中に導くことにより、前記被観察物の実像を前記空中に結像させる平板状の空中映像表示素子と、前記被観察物から出射された光を反射させて前記空中映像表示素子に導く複数のミラーとを備え、前記被観察物は、平板状であって、前記空中映像表示素子と平行に位置しており、前記複数のミラーは、互いに平行に位置するとともに、前記空中映像表示素子の前記一方の主面に対して傾斜して位置しており、前記複数のミラーは、前記被観察物から出射され、表裏の一方の側から入射する光を反射させるとともに、前記被観察物から出射され、表裏の他方の側から入射する光を反射させる少なくとも１枚の両側反射ミラーを含む。
【０００９】
上記の空中映像表示装置において、前記少なくとも１枚の両側反射ミラーは、前記複数のミラーが平行に並ぶ一方向において、両端のミラーの間に位置していてもよい。
【００１０】
上記の空中映像表示装置において、前記両側反射ミラーは、前記被観察物から出射され、該両側反射ミラーと隣り合うミラーで反射されて、該両側反射ミラーの一方の面側から入射する光を反射させて前記空中映像表示素子に導くとともに、前記被観察物から出射され、該両側反射ミラーの他方の面側から入射する光を反射させて、該両側反射ミラーと前記他方の面側で隣り合うミラーに入射させてもよい。
【００１１】
上記の空中映像表示装置において、前記被観察物は、複数の表示領域を有する１つのディスプレイで構成されており、前記空中映像表示素子は、前記各表示領域で表示された映像の実像が前記空中で同一面上に連続して並ぶように、前記各表示領域から出射されて、前記各表示領域と対応する一対のミラーを介して入射する光を前記空中に導く構成であってもよい。
【００１２】
上記の空中映像表示装置において、前記被観察物は、複数のディスプレイで構成されており、前記空中映像表示素子は、前記各ディスプレイで表示された映像の実像が前記空中で同一面上に連続して並ぶように、前記各ディスプレイから出射されて、前記各ディスプレイと対応する一対のミラーを介して入射する光を前記空中に導く構成であってもよい。
【００１３】
上記の空中映像表示装置において、前記空中映像表示素子は、平行な複数の反射面を各々が有する２つの基板を、各基板の反射面が平面視で直交するように積層した構成の光学素子であってもよい。
【００１４】
上記の空中映像表示装置において、前記空中映像表示素子は、互いに垂直な反射面を同一基板にアレイ状に有する光学素子であってもよい。
【００１５】
上記の空中映像表示装置において、前記複数のミラーは、各々の面法線が、前記空中映像表示素子の前記２つの主面に垂直な方向から見て、前記空中映像表示素子の互いに垂直な各反射面に対して傾斜するように位置していてもよい。
【００１６】
上記の空中映像表示装置において、前記複数のミラーは、各々の面法線が、前記空中映像表示素子の前記２つの主面に垂直な方向から見て、前記空中映像表示素子の互いに垂直な各反射面に対して４５°傾斜するように位置していてもよい。
【００１７】
前記複数のミラーにおいて、前記空中映像表示素子の一方の主面に平行な辺を長辺とし、前記長辺に垂直な辺を短辺とし、前記短辺の長さをＬ（ｍｍ）とし、前記被観察物から出射されて隣り合うミラーを介して前記空中映像表示素子に入射する光線の前記空中映像表示素子の一方の主面とのなす角度をＡ（°）とし、前記空中映像表示素子と前記被観察物との間の距離をＨ（ｍｍ）としたとき、
Ｈ＝Ｌ・ｓｉｎ（Ａ／２）
ただし、
Ａ＝２２．５°〜６７．５°
であってもよい。
【００１８】
前記複数のミラーのピッチをＰ（ｍｍ）としたとき、
Ｈ≦Ｐ≦Ｌ・ｃｏｓ（Ａ／２）
を満足することが望ましい。
【００１９】
前記空中映像表示素子の一方の主面に対する前記複数のミラーの各々の傾斜角をθ（°）としたとき、
θ＝１１．２５°〜３３．７５°
であってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
上記の構成によれば、大型の被観察物を用いて大きな空中像を観察者に提供する場合でも、空中映像表示素子に対して被観察物側の空間を小さくして、装置の薄型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】参考例の空中映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。
【図２】空中映像表示素子の概略の構成を模式的に示す斜視図である。
【図３】上記空中映像表示素子による２次元での実像の結像原理を示す説明図である。
【図４】３次元空間での光線の反射を模式的に示す説明図である。
【図５】３次元空間において、点光源から発せられた複数の光線が、別々の反射面を介して１点に集光する様子を模式的に示す説明図である。
【図６】本発明の実施形態の空中映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。
【図７】上記空中映像表示装置の主要部を分解して示す斜視図である。
【図８】上記空中映像表示装置に用いられる両側反射ミラーの一構成例を示す断面図である。
【図９】上記両側反射ミラーの他の構成例を示す断面図である。
【図１０】空中映像表示素子の主面に垂直な方向から見たときの、複数のミラーの面法線と空中映像表示素子の反射面との角度関係を模式的に示す説明図である。
【図１１】上記空中映像表示装置の一構成例を示すとともに、被観察物の映像および上記映像の実像の一例を模式的に示す斜視図である。
【図１２】図１１で示した空中映像表示装置の各構成を上下方向に分解して示す斜視図である。
【図１３】上記空中映像表示装置の他の構成を示す説明図である。
【図１４】上記空中映像表示素子の他の構成を示す平面図である。
【図１５】図６の空中映像表示装置における各パラメータを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施の一形態に係る空中映像表示装置について、図面に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、本発明は、以下の内容に限定されるわけではない。
【００２３】
〔参考例の空中映像表示装置の構成〕
まず、本実施形態の空中映像表示装置について説明する前に、本実施形態の空中映像表示装置の前提となる構成を備えた参考例の空中映像表示装置について説明する。図１は、参考例の空中映像表示装置１ａの概略の構成を示す説明図である。参考例の空中映像表示装置１ａは、平板状の空中映像表示素子２と、被観察物４とを備えている。
【００２４】
被観察物４は、平板状のディスプレイで構成されている。このようなディスプレイとしては、例えば液晶表示装置を用いることができるが、有機ＥＬ（electro luminescence）表示装置などの他のディスプレイであってもよい。なお、被観察物４は、ディスプレイそのもののほか、ディスプレイに表示される映像も含む。この被観察物４は、空中映像表示素子２と平行に配置されている。
【００２５】
空中映像表示素子２は、互いに対向する２つの主面２ａ・２ｂを有している。上記した被観察物４は、空中映像表示素子２の一方の主面２ａ側の空間に位置している。空中映像表示素子２は、被観察物４からの光を内部で反射させて他方の主面２ｂ側の空中に導くことにより、被観察物４の実像Ｍを空中に結像させる。ここで、被観察物４の実像Ｍとは、被観察物４を構成する表示装置に表示された映像の実像を指す。このような空中映像表示素子２は、例えば、平行な複数の反射面（後述するミラー２１ｂまたはミラー３１ｂに相当）を各々が有する２つの基板（後述する光学プレート２０・３０に相当）を、各基板の反射面が平面視で直交するように積層した構成の光学素子で構成される。以下、空中映像表示素子２の構成について説明する。
【００２６】
図２は、空中映像表示素子２の概略の構成を模式的に示す斜視図である。空中映像表示素子２は、２枚の光学プレート２０・３０を貼り合わせて構成されている。一方の光学プレート２０は、光学プレート２０・３０の積層方向（例えばＺ方向）に垂直な面内で互いに垂直な２方向のうちの一方向（例えばＸ方向）に、接着層を介して複数のミラー素子２１を並べることによって形成されている。ミラー素子２１は、透明部材２１ａを有している。透明部材２１ａは、例えばガラスからなる直方体状の透明基板（透明体）であり、Ｙ方向に延びている。そして、透明部材２１ａにおいて、対向する２面（例えばＹＺ面に沿った２面）のうちの少なくとも一方の面に、アルミニウムなどの金属膜の蒸着によってミラー２１ｂが形成されている。
【００２７】
他方の光学プレート３０は、上記２方向のうちの他の方向（例えばＹ方向）に、接着層を介して複数のミラー素子３１を並べることによって形成されている。ミラー素子３１は、透明部材３１ａを有している。透明部材３１ａは、例えばガラスからなる直方体状の透明基板（透明体）であり、Ｘ方向に延びている。そして、透明部材３１ａにおいて、対向する２面（例えばＺＸ面に沿った２面）のうちの少なくとも一方の面に、アルミニウムなどの金属膜の蒸着によってミラー３１ｂが形成されている。
【００２８】
上記のようにＸ方向に複数のミラー素子２１を並べて配置した光学プレート２０と、上記のようにＹ方向に複数のミラー素子３１を並べて配置した光学プレート３０とをＺ方向に積層することにより、光学プレート２０のミラー２１ｂと光学プレート３０のミラー３１ｂとは、平面視で（Ｚ軸方向から見て）互いに直交する位置関係となる。このような構成の空中映像表示素子２を用いることにより、空中に映像（被観察物４の実像）を結像させることができる。以下、その結像原理について簡単に説明する。
【００２９】
図３は、２次元（ＺＸ平面内）での実像の結像原理を示している。点光源Ｐから発せられた複数の光線は、Ｚ軸に平行な反射面（ミラー２１ｂ）でそれぞれ反射され、Ｘ軸に対して点光源Ｐとは反対側の位置Ｐ’（点光源ＰとＸ軸に対して対称な位置）に集光する。これにより、位置Ｐ’にて、点光源Ｐの実像が結像される。
【００３０】
図４は、３次元空間（ＸＹＺ座標系）での光線の反射を模式的に示している。３次元空間では、点光源Ｏから発せられた光線Ａを、ＺＸ平面内の光線ａ１と、ＹＺ平面内の光線ａ２とに分解し、図３に倣って、それぞれの光線ａ１・ａ２のＺＸ平面内またはＹＺ平面内での反射を考えることで、光線ＡのＺ軸との交点を求めることができる。つまり、ＺＸ平面内の光線ａ１は、ＹＺ面に平行な反射面（ミラー２１ｂ）で反射された後、Ｚ軸に向かい、ＹＺ平面内の光線ａ２は、ＺＸ面に平行な反射面（ミラー３１ｂ）で反射された後、Ｚ軸に向かう。これらの光線ａ１・ａ２は、Ｚ軸上の１点、つまり、点Ｏ’で交わる。したがって、光線ａ１・ａ２の合成からなる光線Ａは、ミラー２１ｂおよびミラー３１ｂにて計２回反射した後、Ｚ軸上の点Ｏ’に向かうことになる。
【００３１】
図５は、３次元空間において、点光源Ｏから発せられた複数の光線が、別々の反射面を介して１点に集光する様子を模式的に示している。点光源Ｏから発せられた複数の光線は、図４と同様にして、ＹＺ面に平行な反射面（ミラー２１ｂ）およびＺＸ面に平行な反射面（ミラー３１ｂ）で反射され、Ｚ軸上の同じ点Ｏ’に集光する。これにより、点Ｏ’にて、点光源Ｏの実像が結像される。被観察物４の表示画面に含まれる各点を上記の点光源Ｏに対応させて考えれば、空中で表示画面の上記各点と対応する各点Ｏ’の位置に実像が結像されることがわかる。このようにして、被観察物４の表示画面に２次元的に表示された映像の実像が空中に結像される。
【００３２】
なお、平面視で交差するように配置される各反射面での計２回反射を利用して空中に映像を結像させる方式のことを、コーナーミラー方式と呼ぶことがある。本実施形態の空中映像表示素子２もコーナーミラー方式を採用しているが、コーナーミラー方式の空中映像表示素子は、一方の主面２ａ側に配置される被観察物４の実像を他方の主面２ｂ側の空中に結像させる結像素子（マイクロミラーアレイ、リフレクタアレイ、光学結像装置、反射型面対称結像素子群などを含む）であると言うこともできる。
【００３３】
〔本実施形態の空中映像表示装置〕
次に、本実施形態の空中映像表示装置について説明する。図６は、本実施形態の空中映像表示装置１の概略の構成を示す説明図である。本実施形態の空中映像表示装置１は、平板状の空中映像表示素子２と、複数のミラー３と、平板状の被観察物４とを備えている。つまり、本実施形態の空中映像表示装置１は、参考例で示した空中映像表示装置１ａの構成に加えて、複数のミラー３を備えている。以下、参考例と異なる部分について説明する。
【００３４】
複数のミラー３は、被観察物４と空中映像表示素子２との間の光路中に配置されており、被観察物４から出射された光を反射させて空中映像表示素子２に導く。複数のミラー３は、互いに平行に位置するとともに、空中映像表示素子２の一方の主面２ａに対して傾斜して位置している。複数のミラー３の主面２ａに対する傾斜角は、例えば２２．５°であるが、この数値に限定されるわけではない。
【００３５】
図７は、本実施形態の空中映像表示装置１の主要部を分解して示す斜視図である。複数のミラー３は、枠状の保持フレーム４０によって一体的に保持されている。保持フレーム４０は、対向する２つの保持プレート４１・４１と、２つの保持プレート４１・４１の両端同士を連結する連結プレート４２・４２とを有しており、これらの端部を連結することで全体として枠状に形成されている。なお、図７では、便宜的に、保持フレーム４０を一部分解して示している。保持プレート４１・４１には、各ミラー３の端部を保持するための切り込み４１ａが、空中映像表示素子２の主面２ａに対して傾斜して形成されている。したがって、複数のミラー３の端部を切り込み４１ａに挿入して保持フレーム４０に保持したときに、複数のミラー３は、空中映像表示素子２の主面２ａに対して傾斜して位置する。
【００３６】
本実施形態では、複数のミラー３は、少なくとも１枚の両側反射ミラー３ａを含んでいる。両側反射ミラー３ａは、被観察物４から出射され、表裏の一方の側から入射する光を上記一方の側に反射させるとともに、被観察物４から出射され、表裏の他方の側から入射する光を上記他方の側に反射させるミラーである。このような両側反射ミラー３ａは、基板の少なくとも一方の面に反射膜を形成して構成される。より具体的には、以下の通りである。
【００３７】
図８は、両側反射ミラー３ａの一構成例を示す断面図である。両側反射ミラー３ａは、透明なガラスや樹脂からなる基板５１の両面に反射膜５２（５２ａ・５２ｂ）をそれぞれ形成して構成される（両面反射ミラーとも呼ばれる）。この構成では、両側反射ミラー３ａに対して一方の側（例えば表面側）から入射する光は、基板５１に対して上記一方の側に位置する反射膜５２ａで反射され、上記一方の側に出射される。また、両側反射ミラー３ａに対して他方の側（例えば裏面側）から入射する光は、基板５１に対して上記他方の側に位置する反射膜５２ｂで反射され、上記他方の側に出射される。つまり、両側反射ミラー３ａに入射する光は、基板５１に対して上記光の入射側に位置する反射膜５２によってそれぞれ反射されて、入射側の空間にそれぞれ出射される。
【００３８】
図９は、両側反射ミラー３ａの他の構成例を示す断面図である。両側反射ミラー３ａは、透明なガラスや樹脂からなる基板５１の片面にのみ反射膜５２を形成して構成されていてもよい。この構成では、両側反射ミラー３ａに対して一方の側（例えば表面側、反射膜５２の形成側とは反対側）から入射する光は、空気層と基板５１との界面で屈折して基板５１内部に進入し、裏面側の反射膜５２で反射された後に再度基板５１を通過して上記一方の側（空気層側）に出射される。また、基板５１に対して他方の側（例えば裏面側、反射膜５２の形成側）から入射する光は、反射膜５２で反射され、上記他方の側に出射される。したがって、この構成では、両側反射ミラー３ａに対して互いに反対側から入射する光は、同じ反射膜５２で反射されるが、反射後は、光の入射側の空間にそれぞれ出射される。
【００３９】
本実施形態では、複数のミラー３が平行に並ぶ一方向において、両端のミラー３・３の間に位置するミラー３が、上記した両側反射ミラー３ａで構成されている。なお、上記両端のミラー３も含めて全てのミラー３が、両側反射ミラー３ａで構成されていてもよい。また、上記両端のミラー３は、片側から入射する光のみを反射させる片面反射ミラーであってもよい。このような片面反射ミラーは、例えば図８で示した両側反射ミラー３ａにおいて、一方の反射膜５２ａの代わりに遮光膜を形成することによって容易に実現することができる。
【００４０】
また、図１０は、複数のミラー３の各々の面法線Ｎ（図６でも図示）を、空中映像表示素子２の２つの主面２ａ・２ｂに垂直な方向から見たときの、面法線Ｎと空中映像表示素子２の反射面（ミラー２１ｂ・３１ｂ）との角度関係を模式的に示している。同図のように、複数のミラー３は、各々の面法線Ｎが、上記主面２ａ・２ｂに垂直な方向から見て、互いに垂直な各ミラー２１ｂ・３１ｂに対してそれぞれ所定角度だけ傾斜するように位置している。上記所定角度は特に限定されず、本実施形態では、例えば４５°である。なお、上記所定角度が０°または９０°である場合、主面２ａ・２ｂに垂直な方向から見て、面法線Ｎが各ミラー２１ｂ・３１ｂに対して傾斜しないため（平行または垂直となるため）、０°および９０°は上記所定角度には含まれない。
【００４１】
上記の構成において、被観察物４から出射される光は、上記した複数のミラー３の配置により、複数の光束に分割されて空中映像表示素子２に入射し、それぞれの光束が空中映像表示素子２の内部での反射によって空中の結像位置に導かれる。より詳しくは、以下の通りである。
【００４２】
例えば、図６のように、被観察物４が複数の表示領域４ａ・４ｂを有する１つのディスプレイで構成されており（複数の表示領域４ａ・４ｂを並列配置して構成されており）、一方向に並ぶ複数の（ここでは３枚の）ミラー３の間隔（ピッチ）が、各表示領域４ａ・４ｂの幅と等しいとする。また、３枚のミラー３のうち、少なくとも中央のミラー３は両側反射ミラー３ａであるとする。この場合、一端部のミラー３と中央の両側反射ミラー３ａとは、表示領域４ａに対応する一対のミラー３・３を構成し、中央の両側反射ミラー３ａと他端部のミラー３とは、表示領域４ｂに対応する一対のミラー３・３を構成する。
【００４３】
被観察物４の表示領域４ａから出射される光束は、一端側のミラー３で反射された後、上記ミラー３と隣り合う中央の両側反射ミラー３ａで反射され、空中映像表示素子２の主面２ａに入射する。したがって、例えば、表示領域４ａから出射角４５°で出射される光線Ｌ１は、対応する一対のミラー３・３（両側反射ミラー３ａを含む）を介して、空中映像表示素子２の主面２ａに対して入射角４５°で入射する。
【００４４】
また、被観察物４の表示領域４ｂから出射される光束は、中央の両側反射ミラー３ａで反射された後、上記両側反射ミラー３ａと隣り合う他端側のミラー３で反射され、空中映像表示素子２の主面２ａに入射する。したがって、例えば、表示領域４ｂから出射角４５°で出射される光線Ｌ２は、対応する一対のミラー３・３（両側反射ミラー３ａを含む）を介して、空中映像表示素子２の主面２ａに対して入射角４５°で入射する。
【００４５】
空中映像表示素子２は、各表示領域４ａ・４ｂから出射されて、対応する一対のミラー３・３を介して入射する光束を、被観察物４とは反対側の空中にそれぞれ導く。
【００４６】
ここで、空中映像表示素子２と被観察物４とは平行であり、複数のミラー３も互いに平行であるため、被観察物４から同一方向に（例えば出射角４５°で）出射され、対応する一対のミラー３・３を介して空中映像表示素子２に入射するときの各光の光路長は、表示領域４ａから出射される光と、表示領域４ｂから出射される光とで同一となる。この結果、各表示領域４ａ・４ｂで表示された映像の実像Ｍ１・Ｍ２が、空中で同一面上に連続して並ぶように結像される。したがって、観察者は、同一面上の実像Ｍ１・Ｍ２をつなぎ合わせてなる実像Ｍを観察することができる。
【００４７】
なお、以上では、被観察物４が２つの表示領域４ａ・４ｂを有し、被観察物４からの光束を３つのミラー３（両側反射ミラー３ａを含む）を用いて２つに分割する例について説明したが、被観察物４がＮ個（Ｎは２以上の整数とする）の表示領域を有する場合、上記と同様に考えて、（Ｎ＋１）個のミラー３を用いればよい。このとき、両側反射ミラー３ａは、少なくとも（Ｎ−１）個用いればよい。この場合、被観察物４からの光束を、各表示領域に対応する一対のミラー３・３（両側反射ミラー３を含む）でＮ個に分割し、空中映像表示素子２を介して空中に導くことができる。これにより、被観察物４の各表示領域に表示された映像の実像を、同一面上に並ぶように空中に結像させることができる。
【００４８】
図１１は、空中映像表示装置１の一構成例であって、被観察物４が例えば４つの表示領域を有しており、空中映像表示素子２と被観察物４との間に、例えば５枚のミラー３を互いに平行に配置して、空中に実像Ｍを形成する構成を模式的に示している。なお、一方向に並ぶ５枚のミラー３のうち、両端のミラー３以外は、両側反射ミラー３ａであるが、５枚とも両側反射ミラー３ａであってもよい。また、図１２は、図１１の各構成を上下方向に分解して示している。これらの図からも、複数のミラー３（両側反射ミラー３ａを含む）を用いることにより、被観察物４の各表示領域に表示された映像の実像が、同一面上に並ぶように空中に結像されることがわかる。
【００４９】
以上のように、本実施形態では、空中映像表示素子２と被観察物４との間に複数のミラー３を配置し、各ミラー３によって被観察物４から出射される光束を折り返して空中映像表示素子２に入射させる（図６参照）。この構成では、空中映像表示素子２と実像Ｍとの離間距離を同じとした場合に、参考例１（図１参照）のように、被観察物４から出射される光束を、ミラーで光路を折り返すことなく空中映像表示素子２に直接入射させる構成に比べて、空中映像表示素子２に対して被観察物４側の空間を小さくでき、装置を薄型化することができる。
【００５０】
また、本実施形態では、複数のミラー３は、互いに平行に位置するとともに、空中映像表示素子２の一方の主面２ａに対して傾斜して位置している。そして、複数のミラー３は、少なくとも１枚の両側反射ミラー３ａを含む。両側反射ミラー３ａは、被観察物４（例えば表示領域４ａ）から出射され、表裏の一方の側から入射する光を反射させるとともに、被観察物４（例えば表示領域４ｂ）から出射され、表裏の他方の側から入射する光を反射させる。
【００５１】
この構成では、被観察物４から出射される光束が、両側反射ミラー３ａによって複数の光束に分割され、隣り合う一対のミラー３・３（両側反射ミラー３ａを含む）によって各光束ごとに光路が折り返され、各光束が空中映像表示素子２を介して空中の結像位置にそれぞれ向かう。このため、大型の（大面積の）被観察物４を用いる場合でも、用いるミラー３としては、被観察物４の一部の領域から出射される光束を反射させることができる小型のミラーであればよく、大型の（反射領域の大きい）ミラーを用いなくても済む。しかも、空中映像表示素子２と被観察物４とは平行であるため、被観察物４の大きさ（面積）が、装置の厚み（空中映像表示素子２と被観察物４との距離）に影響することはない。したがって、大型の被観察物４を用いて大きな実像Ｍを空中像として観察者に提供する場合でも、空中映像表示素子２に対して被観察物４側の空間を小さくして装置の薄型化を図ることができる。
【００５２】
また、少なくとも１枚の両側反射ミラー３ａは、複数のミラー３が平行に並ぶ一方向において、両端のミラー３・３の間に位置している。これにより、被観察物４の異なる領域（例えば表示領域４ａ・４ｂ）から出射される各光束を、単一の両側反射ミラー３ａによって確実に分離しつつ、単一の両側反射ミラー３ａでの表面側および裏面側での反射によって、各光束を空中映像表示素子２に確実に入射させることができる。
【００５３】
また、両側反射ミラー３ａは、被観察物４（例えば表示領域４ａ）から出射され、両側反射ミラー３ａと隣り合うミラー３（例えば配列方向の一端側のミラー３）で反射されて、両側反射ミラー３ａの一方の面側から入射する光を反射させて空中映像表示素子２に導くとともに、被観察物４（例えば表示領域４ｂ）から出射され、両側反射ミラー３ａの他方の面側から入射する光を反射させて、両側反射ミラー３ａと他方の面側で隣り合うミラー３（例えば配列方向の他端側のミラー３）に入射させる。このような両側反射ミラー３ａの採用により、被観察物４から出射される光束を分離して空中映像表示素子２に導く構成を確実に実現することができる。その結果、大型の被観察物４を用いる場合でも、装置の薄型化を図れる本実施形態の効果を確実に得ることができる。
【００５４】
また、本実施形態では、被観察物４が、複数の表示領域（例えば表示領域４ａ・４ｂ）を有する１つのディスプレイで構成されている場合において、空中映像表示素子２は、各表示領域で表示された映像の実像が空中で同一面上に連続して並ぶように、各表示領域から出射されて、各表示領域と対応する一対のミラー３・３（両側反射ミラー３ａを含む）を介して入射する光を空中に導く。例えば、観察者から見て奥行きの異なる実像が空中像として表示されると、奥行きの異なる実像同士が重なって視認される。この場合、各実像の視認性が低下するだけでなく、各実像の境界が連続してつながらないため、空中像全体としても視認性が低下する。本実施形態では、被観察物４の各表示領域で表示された映像の実像が空中で同一面上に連続して並ぶことにより、空中に結像される個々の実像の視認性および個々の実像を平面的につなぎ合わせた空中像全体の視認性を向上させることができる。
【００５５】
また、空中映像表示素子２は、平行な複数の反射面（ミラー２１ｂまたはミラー３１ｂ）を各々が有する２つの基板（光学プレート２０・３０）を、各基板の反射面が平面視で直交するように積層した構成の光学素子である。このような２層構成の空中映像表示素子２を用いる構成で、上述した本実施形態の効果を得ることができる。
【００５６】
また、複数のミラー３は、各々の面法線Ｎが、空中映像表示素子２の２つの主面２ａ・２ｂに垂直な方向から見て、空中映像表示素子２の互いに垂直な反射面（ミラー２１ｂ、ミラー３１ｂ）のそれぞれに対して所定角度だけ傾斜するように位置している（図１０参照）。このような複数のミラー３の傾斜により、被観察物４から出射され、各ミラー３で反射されて空中映像表示素子２に入射する光を、空中映像表示素子２の互いに垂直なミラー２１ｂおよびミラー３１ｂで１回ずつ反射させて空中に導くことができる。つまり、複数のミラー３を用いる構成であっても、空中映像表示素子２による空中像の結像を阻害することなく、装置の薄型化を図ることができる。
【００５７】
特に、上記の所定角度が４５°である場合、被観察物４から複数のミラー３を介して空中映像表示素子２に入射する光の入射方向と、上記光がミラー２１ｂおよびミラー３１ｂで１回ずつ反射されて空中映像表示素子２から空中に出射される光の出射方向とが、どちらも、２つの主面２ａ・２ｂに垂直な方向から見て、ミラー２１ｂおよびミラー３１ｂに対して４５°の方向となる。この場合、観察者がミラー２１ｂおよびミラー３１ｂに対して平面視で４５°の方向から明るい空中像を観察することができ、そのような構成において装置の薄型化を図ることができる。
【００５８】
〔空中映像表示装置の他の構成〕
図１３は、本実施形態の空中映像表示装置１の他の構成を示す説明図である。この空中映像表示装置１は、被観察物４として複数のディスプレイ（例えば複数の液晶表示装置）を用いた以外は、図６で示した構成と同様である。ここでは、複数のディスプレイの例として、２つのディスプレイ４Ａ・４Ｂを考える。
【００５９】
この構成では、一方のディスプレイ４Ａから出射される光束（光線Ｌ１を含む）は、一端側のミラー３で反射された後、上記ミラー３と隣り合う中央の両側反射ミラー３ａで反射され、空中映像表示素子２の主面２ａに入射する。また、他方のディスプレイ４Ｂから出射される光束（光線Ｌ２を含む）は、中央の両側反射ミラー３ａで反射された後、上記両側反射ミラー３ａと隣り合う他端側のミラー３で反射され、空中映像表示素子２の主面２ａに入射する。空中映像表示素子２は、各ディスプレイ４Ａ・４Ｂから出射されて、対応する一対のミラー３・３（両側反射ミラー３ａを含む）を介して入射する光束を、各ディスプレイ４Ａ・４Ｂとは反対側の空中にそれぞれ導く。これにより、各ディスプレイ４Ａ・４Ｂに表示された映像の実像ＭＡ・ＭＢが、それぞれ同一面上に連続して並ぶように空中に結像される。
【００６０】
このように、被観察物４として、複数のディスプレイ４Ａ・４Ｂを用いる場合でも、複数のディスプレイ４Ａ・４Ｂから出射される各光束の光路が、隣り合う一対のミラー３・３（両側反射ミラー３ａを含む）によって折り返され、各光束が空中映像表示素子２を介して空中の結像位置にそれぞれ向かう。このため、複数のディスプレイ４Ａ・４Ｂを並べて大型の被観察物４を構成する場合でも、用いるミラー３としては、各ディスプレイ４Ａ・４Ｂから出射される光束を反射させることができる小型の（反射領域の小さい）ミラーであればよく、大型のミラーを用いなくても済む。したがって、複数のディスプレイ４Ａ・４Ｂを組み合わせて大きな空中像を観察者に提供する場合でも、空中映像表示素子２に対して被観察物４側の空間を小さくして装置の薄型化を図ることができる。
【００６１】
また、空中映像表示素子２は、各ディスプレイ４Ａ・４Ｂで表示された映像の実像ＭＡ・ＭＢが空中で同一面上に連続して並ぶように、各ディスプレイ４Ａ・４Ｂから出射されて、各ディスプレイ４Ａ・４Ｂと対応する一対のミラー３・３（両側反射ミラー３ａを含む）を介して入射する光を空中に導く。この場合、観察者から見て、空中の個々の実像ＭＡ・ＭＢの奥行きが互いに異ならないため、個々の実像ＭＡ・ＭＢの視認性を向上させるとともに、個々の実像ＭＡ・ＭＢを平面的につなぎ合わせた空中像全体の視認性を向上させることができる。
【００６２】
また、複数のディスプレイ４Ａ・４Ｂを用いることにより、これらを並べて大型の被観察物４を容易に実現することができるため、個々の実像ＭＡ・ＭＢを含む空中像を容易に大型化することができ、大きな空中像を観察者に観察させることが容易となる。
【００６３】
〔空中映像表示素子の他の構成〕
図１４は、本実施形態で用いる空中映像表示素子２の他の構成を示す平面図である。同図のように、空中映像表示素子２は、互いに垂直な反射面６１・６２を同一の基板６０にアレイ状に有する光学素子であってもよい。基板６０には、断面正方形の孔６０ａが複数形成されており、孔６０ａの４つの内面のうち、互いに垂直に交わる２つの面（隣り合う２つの面）に反射膜がそれぞれ形成されて、上記の反射面６１・６２が構成されている。なお、孔６０ａの４面全てに反射膜が形成されていてもよいが、この場合は、４面のうちの２面が空中像の結像（２回反射）に寄与し、残りの２面は結像に寄与しない。
【００６４】
このように空中映像表示素子２が１層の基板６０を用いる構成であっても、２層構成の場合と同様に、被観察物４から一対のミラー３・３（両側反射ミラー３ａを含む）を介して入射する光が、空中映像表示素子２の互いに垂直な反射面６１・６２で１回ずつ反射されて空中の結像位置に向かう。これにより、空中像を結像することができる。つまり、空中映像表示素子２が基板６０の１層構成であっても、大型の被観察物４を用いる場合に装置を薄型化できる上述した本実施形態の効果を得ることができる。
【００６５】
〔空中映像表示装置の設計例について〕
次に、本実施形態の空中映像表示装置１の設計例について説明する。図１５は、図６の空中映像表示装置１における各パラメータを示す説明図である。なお、以下で示す各パラメータは、図１３の空中映像表示装置１にも勿論適用可能である。
【００６６】
まず、矩形状の複数のミラー３において、空中映像表示素子２の一方の主面２ａに平行な辺を長辺とし、長辺に垂直な辺を短辺とし、短辺の長さをＬ（ｍｍ）とする。また、被観察物４から出射されて隣り合うミラー３・３を介して空中映像表示素子２に入射する光線（例えば光線Ｌ１）の空中映像表示素子２の一方の主面２ａとのなす角度をＡ（°）とする。そして、空中映像表示素子２と被観察物４との間の距離をＨ（ｍｍ）とする。なお、複数のミラー３は、各々の面法線Ｎが、上記主面２ａ・２ｂに垂直な方向から見て、空中映像表示素子２の互いに垂直な反射面（例えばミラー２１ｂ、ミラー３１ｂ）に対してそれぞれ４５°だけ傾斜しているとする。また、ミラー３の厚みは０．５ｍｍとする。本実施形態の上記空中映像表示装置１においては、
Ｈ＝Ｌ・ｓｉｎ（Ａ／２）
ただし、
Ａ＝２２．５°〜６７．５°
である。なお、上記角度Ａの範囲は、主面２ａに対するミラー３の傾斜角θ（＝Ａ／２）の設定によって調整することができる。また、例えば、Ａ＝４５°（θ＝２２．５°）、Ｌ＝７８．４ｍｍである場合、Ｈ＝Ｌ・ｓｉｎ２２．５°≒３０ｍｍである。また、このときの空中像の投射高さ（空中映像表示素子２と実像Ｍとの距離）をＴとすると、Ｔ≒６０ｍｍである。
【００６７】
角度Ａが２２．５°〜６７．５°の範囲であることにより、被観察物４から４５°±２２．５°方向に出射される光線を、隣り合うミラー３・３を介して空中映像表示素子２に導き、空中映像表示素子２から４５°±２２．５°の方向に出射させて、空中像の結像位置に導くことができる。そして、そのような構成において、装置の厚み（距離Ｈ）を投射高さＴの約半分にすることができ、装置の薄型化を図ることができる。
【００６８】
また、複数のミラー３のピッチをＰ（ｍｍ）としたとき、本実施形態の空中映像表示装置１では、
Ｈ≦Ｐ≦Ｌ・ｃｏｓ（Ａ／２）
を満足している。例えば、Ａ＝４５°（θ＝２２．５°）、Ｌ＝７８．４ｍｍである場合、複数のミラー３のピッチＰは、本実施形態では例えばＰ＝４２．４３°に設定される。この場合、Ｈ≒３０ｍｍであり、Ｌ・ｃｏｓ（Ａ／２）≒７２．４ｍｍであることから、上記の条件式を満足する。
【００６９】
Ｐが上限を超えると、被観察物４から出射された光が隣り合う一対のミラー３・３で反射されずに空中映像表示素子２に直接入射し、空中映像表示素子２の各反射面で反射されずにそこを透過するか、各反射面で反射されても本来の結像位置とは異なる位置に導かれてゴースト像を生成する場合がある。一方、Ｐが下限未満であると、被観察物４から出射された光が、隣り合うミラー３・３の間で合計３回以上反射される場合が生じる。３回以上反射されて空中映像表示素子２に入射する光は、本来の結像位置とは異なる位置に導かれてゴースト像を生成する。上記の条件式を満足することにより、ゴースト像の発生を低減することができる。
【００７０】
また、空中映像表示素子２の一方の主面２ａに対する複数のミラー３の各々の傾斜角を、上記のようにθ（°）としたとき、
θ＝１１．２５°〜３３．７５°
である。本実施形態では、例えばθ＝２２．２５°に設定されており、この条件を満足する。これにより、被観察物４から例えば出射角４５°で出射される光を、一対のミラー３・３を介して、空中映像表示素子２に対して入射角４５°で入射させることができる。そして、空中映像表示素子２から被観察物４とは反対側の空中に向かって出射角４５°で上記光を出射して結像位置に導き、観察者に実像を観察させることができる。
【００７１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はこれに限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で拡張または変更して実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、例えば、被観察物の実像を空中に表示する空中映像表示装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１      空中映像表示装置
２      空中映像表示素子
２ａ    主面
２ｂ    主面
３      ミラー
３ａ    両側反射ミラー
４      被観察物
４Ａ    ディスプレイ
４Ｂ    ディスプレイ
４ａ    表示領域
４ｂ    表示領域
２０      光学プレート（基板）
２１ｂ    ミラー（反射面）
３０      光学プレート（基板）
３１ｂ    ミラー（反射面）
６０      基板
６１      反射面
６２      反射面
Ｍ      実像
Ｍ１    実像
Ｍ２    実像
ＭＡ    実像
ＭＢ    実像
【図１】
2019105724.tif 000003
【図２】
2019105724.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】
2019105724.tif 000011
【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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