JP6571024B2 - 空間像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、空間像を表示する空間像表示装置に関する。

スマートフォンやタブレット端末などの表示装置の表示面から出射された光を、表示面に対して傾斜して設けられたハーフミラーや透明板などの光学素子により反射することで、表示面に表示された表示像の虚像を空間に投影する空間像表示装置がある（例えば、非特許文献１参照）。このような空間像表示装置により、より存在感のある空間像を表示する方法の１つとして、複数の光学素子により形成された複数の虚像を観察者から見て前後に重畳して表示する（多面投影する）方法がある。

「Ｐａｌｍ Ｔｏｐ Ｔｈｅaｔｅｒ」、[online]、［平成２７年６月８日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.palmtoptheater.com/ja/device.html＞

図１４は、多面投影型の空間像表示装置１０の構成例を示す側面図である。図１４に示す空間像表示装置１０は、表示装置１１の表示面の異なる表示領域に個別に表示された複数の表示像それぞれの虚像を、表示面に対して略水平方向から観察する観察者１から見て前後に重畳して表示することで、空間像を表示するものである。

図１４に示す空間像表示装置１０においては、表示装置１１が、空間像表示装置１０の筐体１０ａの一面（図１４においては筐体１０ａの上面）に、表示面が筐体１０ａ側を向くようにして（図１４においては表示面を下向きにして）、設置される。筐体１０ａの表示装置１１の設置面のうち、表示装置１１の表示面に対応する領域には、表示面から出射された光が筐体１０ａ内に入射するように、開口が設けられている。なお、当該開口は、透明な部材で塞いだり、覆ったりしてもよい。以下では、筐体１０ａの観察者１側の面から筐体１０ａの観察者１側の面と対向する面に向かう方向（観察者１の観察方向）をＸ方向とする。

図１４に示す空間像表示装置１０は、光学素子１２，１３を備える。

光学素子１２，１３は、表示装置１１の表示面に沿って、表示面から見て−Ｘ方向に略４５°傾斜して設けられ、観察者１の観察方向に沿って順次配列されている。図１４においては、観察者１から見て、手前側に光学素子１３が設けられ、奥側に光学素子１２が設けられている。

光学素子１２は、光学素子１２に対応する表示面の表示領域から出射された出射光を観察者１に向かう方向（−Ｘ方向）に反射する。光学素子１３は、光学素子１３に対応する表示面の表示領域からの出射光を観察者１に向かう方向（−Ｘ方向）に反射する。また、光学素子１３は、光学素子１２により観察者１に向かう方向に反射された光を透過する。光学素子１２，１３の具体例としては、ハーフミラー、透明板などがある。

光学素子１２による対応する表示領域からの入射光の反射により、光学素子１２に対応する表示領域に表示された表示像Ａ１の虚像Ｂ１が、観察者１から見ると、光学素子１２の奥側の端部の位置に形成される。また、光学素子１３による対応する表示領域からの入射光の反射により、光学素子１３に対応する表示領域に表示された表示像Ａ２の虚像Ｂ２が、観察者１から見ると、光学素子１３の奥側の端部の位置に形成される。

上述したように、光学素子１２，１３は、観察者１の観察方向に順次配列されている。また、光学素子１３は、光学素子１２により反射された光を透過する。そのため、虚像Ｂ１と虚像Ｂ２とが観察者１から見て前後に重畳して表示され、観察者１は、存在感のある空間像を視認することができる。

図１４に示すように、虚像Ｂ１と虚像Ｂ２とを前後に重畳して表示する場合、虚像Ｂ１と虚像Ｂ２との間の距離ｄｉｆｆを小さくすることで、より存在感のある空間像を表示することができる。しかしながら、空間像表示装置１０においては、虚像Ｂ１と虚像Ｂ２との間の距離ｄｉｆｆを、虚像Ｂ１，Ｂ２の高さＨ以下にはできないという問題がある。以下では、この問題について、図１５を参照して説明する。

虚像Ｂ１と虚像Ｂ２との間の距離ｄｉｆｆを小さくするためには、図１５に示すように、光学素子１２と光学素子１３との間の距離を縮めることが考えられる。光学素子１２と光学素子１３との距離を縮めると、虚像Ｂ１と虚像Ｂ２との間の距離ｄｉｆｆを小さくすることができる。しかしながら、光学素子１２と光学素子１３との間の距離を虚像Ｂ１の高さＨ以下に縮めると、図１５に示すように、表示像Ａ１の表示領域の一部と光学素子１３とが重なり、光学素子１３により表示像Ａ１の一部分の虚像Ｂ１’が形成されてしまう。その結果、空間像を適切に表示することができなくなる。したがって、空間像表示装置１０においては、虚像Ｂ１と虚像Ｂ２との間の距離ｄｉｆｆは、虚像Ｂ１，Ｂ２の高さＨ以下にはできず、より存在感のある空間像の表示が困難である。

また、より存在感のある空間像の表示のためには、虚像が形成された空間（実空間）への照明制御を行うことも重要である。図１４に示す空間像表示装置１０においては、観察者１から見て、光学素子１２，１３の奥側の端部の位置に虚像Ｂ１，Ｂ２が形成される。すなわち、光学素子１２，１３の直近に虚像が形成されるため、虚像が形成された実空間への照明制御を行うことが困難となり、より存在感のある空間像の表示が困難である。

本発明の目的は、上述した課題を解決し、より存在感のある空間像を表示することができる空間像表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る空間像表示装置は、表示装置の表示面における所定の表示領域である空間像生成用領域に対応し、前記空間像生成用領域からの出射光を反射することで前記空間像生成用領域の表示像の虚像を形成する光学素子を備え、前記光学素子により形成される虚像を観察者に視認させる空間像表示装置であって、前記光学素子を該光学素子に対応する空間像生成用領域と挟むように設けられた反射部材を備え、前記光学素子は、前記空間像生成用領域からの出射光を透過し、該透過した光が前記反射部材により反射された光を前記観察者に向かう方向に反射することで虚像を形成し、前記光学素子により虚像が形成される空間が照明される。

本発明に係る空間像表示装置によれば、より存在感のある空間像を表示することができる。

本発明の第１の実施形態に係る空間像表示装置の構成例を示す図である。 図１に示す光学素子１３０による光の透過および反射を示す図である。 図１に示す空間像表示装置による空間像の表示について説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る空間像表示装置の他の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る空間像表示装置の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る空間像表示装置の他の構成例を示す図である。 本発明に係る空間像表示装置のさらに別の構成例を示す図である。 図７に示す空間像表示装置における虚像の形成について説明するための図である。 本発明に係る反射部材の他の構成例を示す図である。 本発明に係る空間像表示装置のさらに別の構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る空間像表示装置の構成例を示す図である。 図１０に示す表示装置の表示面の上面図である。 本発明の第３の実施形態に係る空間像表示装置の他の構成例を示す図である。 関連する空間像表示装置の構成例を示す図である。 図１４に示す空間像表示装置の課題を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る空間像表示装置１００の構成例を示す側面図である。図１に示す空間像表示装置１００は、表示装置１１０の表示面の異なる表示領域に個別に表示された複数の表示像それぞれの虚像を、表示面に対して略水平方向から観察する観察者１に対して前後に重畳して表示することで、空間像を表示するものである。

図１に示す空間像表示装置１００においては、表示装置１１０が、空間像表示装置１００の筐体１００ａの一面（図１においては筐体１００ａの上面）に、表示面が筐体１００ａ側を向くようにして（図１においては表示面を下向きにして）、設置される。筐体１００ａの表示装置１１０の設置面のうち、表示装置１１０の表示面に対応する領域には、表示面から出射された光が筐体１００ａ内に入射するように、開口が設けられている。当該開口は、透明な部材で塞いだり、覆ったりしてもよい。なお、表示装置１１０は、例えば、スマートフォン、タブレット端末などであるが、これらに限られるものではなく、より大きなサイズの表示面を有する表示装置であってもよい。また、表示装置１１０は、空間像表示装置１００と一体的に設けられていてもよい。また、図１においては便宜上、表示装置１１０と筐体１００ａの上面とが所定の間隔を隔てて設けられているように示されているが、実際には、表示装置１１０と筐体１００ａの上面とは略密接している。なお、以下では、筐体１００ａの観察者１側の面からその面に対向する面に向かう方向（観察者１の観察方向）をＸ方向とする。また、以下では、表示装置１１０の表示面の向く方向をＹ方向とする。

図１に示す空間像表示装置１００は、光学素子１２０，１３０と、反射部材１４０とを備える。

光学素子１２０，１３０は、表示装置１１０の表示面のそれぞれ異なる表示領域に対応して設けられ、表示面に沿って、観察者１の観察方向に沿って順次配列されている。図１においては、観察者１から見て、手前側に光学素子１３０が設けられ、奥側に光学素子１２０が設けられている。

光学素子１２０は、表示装置１１０の表示面から見て−Ｘ方向に略４５°傾斜して設けられており、光学素子１２０に対応する表示面の表示領域からの出射光を観察者１に向かう方向に反射する。

光学素子１３０は、表示装置１１０の表示面から見てＸ方向に略４５°傾斜して設けられている。したがって、光学素子１２０と光学素子１３０とは反対方向に傾いている。光学素子１３０は、光学素子１３０に対応する表示面の表示領域からの出射光（図２に示す光２０１）を透過し、その透過光が後述する反射部材１４０により反射された光（図２に示す光２０２）を反射して、観察者１に向かう方向に光（図２に示す光２０３）を出射する。また、光学素子１３０は、光学素子１２０から出射された、観察者１に向かう光（図２に示す光２０４）を透過する。光学素子１２０，１３０の具体例としては、ハーフミラー、透明板などがある。

反射部材１４０は、光学素子１３０に対応し、表示装置１１０の表示面に対して略平行に設けられ、光学素子１３０を光学素子１３０に対応する表示領域と挟むように設けられている。つまり、光学素子１３０に対応する表示領域と、光学素子１３０と、反射部材１４０とが略直線上に設けられている。したがって、光学素子１３０に対応する表示領域から出射され、光学素子１３０を透過した光は、反射部材１４０に入射する。反射部材１４０は、入射光を光学素子１３０に向けて反射する。反射部材１４０の具体例としては、入射光を全反射するフルミラーなどがある。

図３は、空間像表示装置１００による空間像の表示について説明するための図である。なお、以下では、光学素子１２０，１３０のＹ方向の厚さはＤであるとする。

光学素子１２０に対応する表示領域からの出射光が光学素子１２０により観察者１に向かって反射されることで、光学素子１２０に対応する表示領域に表示された表示像Ａ１の虚像Ｂ１が、観察者１から見ると、光学素子１２０の奥側の端部の位置に形成される。このように、光学素子１２０は、対応する表示領域からの入射光を直接的に反射することで、虚像Ｂ１を形成する。

また、光学素子１３０に対応する表示領域からの出射光が光学素子１３０を透過して反射部材１４０に入射することで、光学素子１３０に対応する表示領域に表示された表示像Ａ２の虚像Ｂ２’が、反射部材１４０からＹ方向にＤだけ離れた位置に形成される。さらに、光学素子１３０を透過し、反射部材１４０により光学素子１３０に向けて反射された光が光学素子１３０により観察者１に向かって反射されることで、虚像Ｂ２’の虚像Ｂ２が、観察者１から見ると、光学素子１３０の奥側の端部からＤだけＸ方向に奥側の位置に形成される。このように、光学素子１３０は、対応する表示領域からの出射光を間接的に（対応する表示領域からの出射光が反射部材１４０により反射された後に）反射することで、虚像Ｂ２を形成する。

上述したように、光学素子１２０，１３０は、観察者１の観察方向に順次配列されている。また、光学素子１３０は、光学素子１２０により反射された光を透過する。そのため、虚像Ｂ１と虚像Ｂ２とが観察者１から見て前後に重畳して表示され、観察者１は、立体的のある空間像を視認することができる。

ここで、図１に示す空間像表示装置１００においては、観察者１から見ると、虚像Ｂ２を光学素子１３０の奥側の端部よりもＤだけＸ方向に奥側の位置に形成することができる。そのため、光学素子１２０と光学素子１３０との間の距離を調整することで、虚像Ｂ１と虚像Ｂ２との距離が虚像の高さよりも小さい、より存在感のある空間像を表示することができる。さらに、図３から明らかなように、光学素子１２０と光学素子１３０との間の距離を縮めても（観察者１から見て、光学素子１２０の手前側の端部と光学素子１３０の奥側の端部とを接触させても）、一方の光学素子と他方の光学素子に対応する表示領域とが重なることがないので、虚像Ｂ１と虚像Ｂ２とが干渉を起こすことがない。

なお、虚像Ｂ１は表示領域からの出射光が光学素子１２０により１回反射されて形成されるため、表示像Ａ１は、実際の表示対象像を左右に反転させたものとなる。また、虚像Ｂ２は表示領域からの出射光が反射部材１４０と光学素子１３０とで２回反射されて形成されるため、表示像Ａ２は、実際の表示対象像を上下に反転させたものとなる。

これまでは、光学素子１３０の数が１つである例を用いて説明したが、光学素子１３０の数は、２以上であってもよい。図４は、複数の光学素子１３０を複数備える空間像表示装置１００の構成例を示す側面図である。

図４に示す空間像表示装置１００は、複数の光学素子１３０（光学素子１３０−１，１３０−２）と、各光学素子１３０に対応する反射部材１４０（１４０−１，１４０−２）とが設けられている。

光学素子１３０−１，１３０−２は、観察者１の観察方向に沿って、順次配列されている。図４においては、観察者１から見て、手前側に光学素子１３０−２が設けられ、奥側に光学素子１３０−１が設けられている。

反射部材１４０−１は、光学素子１３０−１に対応し、筐体１０１ａの上面（表示装置１１０の表示面）からＹ方向にＤだけ離れた位置に設けられている。また、反射部材１４０−２は、光学素子１３０−２に対応し、光学素子１３０−２のＸ方向奥側の端部からＹ方向にＥだけ離れた位置に設けられている。

光学素子１３０−１は、対応する表示領域からの出射光を透過し、その透過光が反射部材１４０−１により反射された反射光を観察者１に向かって反射する。また、光学素子１３０−１は、光学素子１２０により観察者１に向かって反射された光を透過する。

光学素子１３０−２は、対応する表示領域からの出射光を透過し、その透過光が反射部材１４０−２により反射された反射光を観察者１に向かって反射する。また、光学素子１３０−２は、光学素子１２０および光学素子１３０−１により観察者１に向かって反射された光を透過する。

光学素子１３０−１と光学素子１３０−２とを比較すると、対応する表示領域から出射され、各光学素子に入射する入射光を観察者１に向かって反射するまでの光路長は、光学素子１３０−２の方が長い。また、光学素子１３０−１と光学素子１２０とを比較すると、対応する表示領域からの入射光を観察者１に向かって反射するまでの光路長は、光学素子１３０−１の方が長い（光学素子１２０の場合は、略ゼロ）。このように、図４に示す空間像表示装置１００においては、観察者１から見て手前側の光学素子ほど、対応する表示領域からの入射光を観察者１に向かって反射するまでの光路長が長くなるように、各光学素子１３０に対応する反射部材１４０が設けられている。なお、図１に示す空間像表示装置１００においても、観察者１から見て手前側の光学素子、すなわち、光学素子１３０の方が奥側の光学素子１２０よりも、対応する表示領域からの入射光を観察者１に向かって反射するまでの光路長が長くなるように、各光学素子１３０に対応する反射部材１４０が設けられている。

光学素子１２０に対応する表示領域からの出射光が光学素子１２０により観察者１に向かって反射されることで、光学素子１２０に対応する表示領域に表示された表示像Ａ１の虚像Ｂ１が、観察者１から見ると、光学素子１２０の奥側の端部の位置に形成される。

また、光学素子１３０−１に対応する表示領域からの出射光が光学素子１３０−１を透過して反射部材１４０−１に入射することで、光学素子１３０−１に対応する表示領域に表示された表示像Ａ２の虚像Ｂ２’が、反射部材１４０−１からＹ方向にＤだけ離れた位置に形成される。さらに、反射部材１４０−１により光学素子１３０−１に向けて反射された光が光学素子１３０−１により観察者１に向かって反射されることで、虚像Ｂ２’の虚像Ｂ２が、観察者１から見ると、光学素子１３０−１の奥側の端部からＤだけ奥側に形成される。同様にして、光学素子１３０−２に対応する表示領域に表示された表示像Ａ３の虚像Ｂ３’が、反射部材１４０−２からＹ方向にＤ＋Ｅだけ離れた位置に形成される。さらに、虚像Ｂ３’の虚像Ｂ３が、観察者１から見ると、光学素子１３０−２の奥側の端部からＤ＋Ｅだけ奥側の位置に形成される。

光学素子１３０−１は、光学素子１２０により観察者１に向かって反射された光を透過する。また、光学素子１３０−２は、光学素子１２０および光学素子１３０−１により観察者１に向かって反射された光を透過する。そのため、虚像Ｂ１、虚像Ｂ２および虚像Ｂ３が観察者１から見ると前後に重畳して表示される。このように、図４に示す空間像表示装置１００においては、任意の枚数の虚像を重畳して空間像を表示することができる。さらに、図４に示す空間像表示装置１００においては、観察者１から見て手前側の光学素子１３０ほど、対応する表示領域からの入射光を所定方向に反射するまでの光路長が長くなるように、対応する反射部材１４０が設けられている。そのため、観察者１から見て手前側の光学素子１３０による虚像ほど、Ｘ方向に奥側の位置に大きくシフトして形成されるので、各虚像間の距離を縮め、より存在感のある空間像を表示することができる。

なお、図４に示す空間像表示装置１００においては、光学素子１３０−２と反射部材１４０−２との間の距離Ｅなどを調整することで、虚像Ｂ２と虚像Ｂ３との間の距離が小さい、より存在感のある空間像を表示することができる。したがって、図４に示す空間像表示装置１００においては、光学素子１２０は必須の構成ではない。

要は、本発明においては、反射部材１４０は、対応する光学素子１３０が対応する表示領域からの入射光を反射するまでの光路長が、対応する光学素子１３０よりも観察者１から見て奥側に設けられた光学素子（光学素子１２０であるか、光学素子１３０であるかは問わない）が対応する表示領域からの入射光を反射するまでの光路長（光学素子１２０の場合は、略ゼロ）よりも長くなるように設けられていればよい。このような構成により、光学素子１３０により形成される虚像が、その光学素子１３０よりも観察者１から見て奥側に設けられた他の光学素子により形成される虚像に近づくので、２つの虚像間の距離を縮め、より存在感のある空間像を表示することができる。

このように本実施形態によれば、空間像表示装置１００は、表示装置１１０の表示面のそれぞれ異なる表示領域に対応し、対応する表示領域からの入射光を反射することで対応する表示領域の表示像の虚像を形成する複数の光学素子を備え、観察者１の観察方向に沿って複数の光学素子を順次配列し、複数の光学素子それぞれにより形成される虚像を重畳して観察者１に視認させる。また、空間像表示装置１００は、複数の光学素子のうち、少なくとも１つの光学素子１３０に対応し、対応する光学素子１３０を光学素子１３０に対応する表示領域と挟むように設けられた反射部材１４０を備える。反射部材１４０が対応して設けられた光学素子１３０は、対応する表示領域からの入射光を反射部材１４０に透過し、透過した光が反射部材１４０により反射された光を反射することで虚像を形成する。また、反射部材１４０は、対応する光学素子１３０が対応する表示領域からの入射光を反射するまでの光路長が、対応する光学素子１３０よりも観察者１から見て奥側に設けられた他の光学素子が対応する表示領域からの入射光を反射するまでの光路長よりも長くなるように設けられている。

そのため、光学素子１３０により形成される虚像を、その光学素子１３０よりも観察者１から見て奥側に設けられた他の光学素子により形成される虚像に近づけることができるので、より存在感のある空間像を表示することができる。

また、本実施形態においては、２以上の光学素子１３０に対応して反射部材１４０が設けられ、観察者１から見て手前側に設けられた光学素子１３０ほど、対応する表示領域からの入射光を反射するまでの光路長が長くなるように対応する反射部材１４０が設けられている。そのため、任意の枚数の虚像を重畳しつつ、各虚像間の距離を縮め、より存在感のある空間像を表示することができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態においては、光学素子１３０による虚像Ｂ２は、表示領域から出射された光が光学素子１３０を透過し、その透過光が反射部材１４０により反射され、その反射光が光学素子１３０により反射されることで形成される。そのため、虚像Ｂ２は、表示領域に表示された表示像と比べて明るさが減衰する。さらに、第１の実施形態においては、光学素子１３０による虚像Ｂ２が光学素子１２０による虚像Ｂ１よりも観察者１から見て手前側に形成されるため、表示される空間像は全体として暗いものとなってしまう。

虚像の明るさを上げるために、例えば、図１４に示す空間像表示装置１０において、光学素子１２として反射率の高い（例えば、入射した光を全反射する）ミラーを用いることが考えられる。光学素子１２の反射率を高めることで、虚像Ｂ１の明るさを上げることができる。

しかしながら、空間像表示装置１０においては、光学素子１３は、光学素子１２から出射された光を透過する必要がある。そのため、光学素子１３の反射率を上げることはできない。また、虚像Ｂ２が虚像Ｂ１よりも観察者１から見て手前側に形成される。そのため、空間像表示装置１０においては、明るい空間像を表示することが困難である。そこで、本実施形態においては、表示される空間像の明るさを上げるための構成について説明する。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る空間像表示装置１００Ａの構成例を示す側面図である。

図５に示す空間像表示装置１００Ａは、図１に示す空間像表示装置１００と比較して、光学素子１２０を光学素子１２０ａに変更した点と、反射部材１４０の位置を変更した点とが異なる。

光学素子１２０ａは、他の光学素子（光学素子１３０）よりも高い反射率を有し、対応する表示領域からの出射光を観察者１に向かう方向に反射（例えば、全反射）する。光学素子１２０ａの具体例としては、例えば、フルミラーがある。光学素子１２０ａに対応する表示領域からの入射光が光学素子１２０ａにより観察者１に向かって反射されることで、光学素子１２０ａに対応する表示領域に表示される表示像Ａ１の虚像Ｂ１が、観察者１から見ると、光学素子１２０ａの奥側の端部の位置に形成される。ここで、光学素子１２０ａとして反射率の高い光学素子を用いているため、光学素子１２０ａにより形成される虚像Ｂ１は、第１の実施形態において形成される虚像Ｂ１よりも明るくなる。

反射部材１４０は、観察者1から見て光学素子１３０の奥側の端部からＹ方向にＥだけ離れた位置に設けられている。すなわち、反射部材１４０は、筐体１００ａの上面（表示装置１１０の表示面）からＤ＋Ｅだけ離れて設けられている。したがって、光学素子１３０に対応する表示領域に表示された表示像Ａ２の虚像Ｂ２’が、反射部材１４０からＹ方向にＤ＋Ｅだけ離れた位置に形成される。さらに、虚像Ｂ２’の虚像Ｂ２が、観察者１から見ると、光学素子１３０の奥側の端部からＤ＋Ｅだけ奥側の位置に形成される。

空間像表示装置１００Ａにおいては、観察者１から見て、虚像Ｂ２が虚像Ｂ１よりも奥側に形成されるように、反射部材１４０が設けられている（Ｅの値が調整されている）。このような構成により、より明るい虚像Ｂ１が、観察者１から見て、虚像Ｂ２よりも手前側に形成されるので、より明るい空間像を表示することができる。

なお、図５に示す空間像表示装置１００Ａにおいては、反射部材１４０と光学素子１３０との間のＹ方向の距離を大きくすることで、観察者１から見て、虚像Ｂ２が虚像Ｂ１よりも奥側に形成されるようにしている。この場合、空間像表示装置１００ＡのＹ方向の装置サイズが増大してしまう。そこで、装置サイズの増大を抑制した空間像表示装置１００Ａの構成例を図６に示す。

図６に示す空間像表示装置１００Ａは、図５に示す空間像表示装置１００Ａと比較して、反射部材１４０を反射部材１４０ａに変更した点が異なる。反射部材１４０ａは、ミラー１４１，１４２を備える。

ミラー１４１は、光学素子１３０と略平行になるように設けられている。観察者１から見て、光学素子１３０の奥側の端部とミラー１４１の手前側の端部（上端）とのＹ方向の位置は略同じである。

ミラー１４２は、ミラー１４１よりも観察者１から見て奥側に、表示装置１１０の表示面に対して略垂直に設けられている。

反射部材１４０ａにおいては、ミラー１４１は、光学素子１３０を透過した光をミラー１４２に向けて反射する。ミラー１４２は、ミラー１４１の反射光をミラー１４１に向けて反射する。ミラー１４１は、ミラー１４２の反射光を光学素子１３０に反射する。

したがって、ミラー１４１のＹ方向の厚みをＥ１とし、観察者１から見て、ミラー１４１の奥側の端部とミラー１４２との間の距離をＥ２とすると、光学素子１３０に対応する表示領域に表示された表示像Ａ２の虚像Ｂ２が、光学素子１３０の奥側の端部からＤ＋Ｅ１＋Ｅ２だけ奥側の位置に形成される。つまり、Ｅ１，Ｅ２の値を調整することで、図５に示す空間像表示装置１００Ａと同様に、虚像Ｂ２が虚像Ｂ１よりも後方に形成されるようにすることができる。

ここで、図６に示す空間像表示装置１００Ａにおいては、光学素子１３０を透過した光を反射部材１４０ａにおいて複数回反射して光学素子１３０に出射することで、光学素子１３０への対応する表示領域からの入射光が観察者１に向かって反射されるまでの光路長として一定の長さを確保している。そのため、光学素子１３０と反射部材１４０との間にＹ方向に大きな間隔を設けなくても、光学素子１３０が対応する表示領域からの入射光を観察者１に向かって反射するまでの光路長として一定の長さを確保できるので、Ｙ方向の装置サイズの増大を抑制することができる。

なお、反射部材１４０ａの構成は図６に示す構成に限られるものではない。表示領域から出射され、光学素子１３０を透過した光を複数回反射させた後、光学素子１３０に出射することができれば、反射部材１４０ａは、任意の構成とすることができる。

このように本実施形態によれば、観察者１から見て最も奥側の光学素子１２０ａは、他の光学素子よりも高い反射率を有する。また、反射部材１４０は、対応する光学素子１３０により形成される虚像が、光学素子１２０ａにより形成される虚像よりも、観察者１から見て奥側に形成されるように設けられている。そのため、反射率の高い光学素子１２０ａによる虚像Ｂ１が、光学素子１３０による虚像Ｂ２よりも観察者１から見て手前側に形成されるので、表示される空間像をより明るくすることができる。

また、本実施形態においては、反射部材１４０ａは、対応する光学素子１３０を透過した光を複数回反射して、対応する光学素子１３０に出射する。そのため、装置サイズの増大を抑制することができる。

なお、第１および第２の実施形態においては、光学素子１３０は、表示面に対して略４５°傾いており、反射部材１４０は、表示面に対して略平行に設けられている例を用いて説明したが、これに限られるものではない。

例えば、図７に示す空間像表示装置１００Ｂのように、光学素子１３０と反射部材１４０とが成す角度が略４５°であり、かつ、光学素子１３０と表示面とが成す角度が０より大きく９０°未満であれば、光学素子１３０が観察者１から見て前後に傾いていても、観察者１から見てＸ方向に傾きの無い虚像Ｂ２を形成することができる。以下では、その理由について図８を参照して説明する。

図８は、図７に示す空間像表示装置１００Ｂにおける光学素子１３０および光学素子１３０に対応する構成を拡大した図である。図８において、光学素子１３０と反射部材１４０との接点を点Ｂとする。また、表示装置１１０の表示面から下ろした垂線Ｌ１と筐体１００ａの下面との交点を点Ｅとする。また、垂線Ｌ１と反射部材１４０との交点を点Ｄとする。表示装置１１０の表示面から下ろした垂線は、表示装置１１０の表示面から出射された光に相当する。表示装置１１０の表示面から出射された光が点Ｄにおいて反射された光に相当する直線Ｌ２と筐体１００ａの下面との交点を点Ａとする。また、直線Ｌ２と光学素子１３０との交点を点Ｃとする。また、点Ｄを通り、反射部材１４０と直交する垂線Ｌ３と筐体１００ａの下面との交点を点Ｆとする。また、∠ＡＣＢ＝∠ａとし、∠ＣＢＥ＝∠ｂとし、∠ＤＡＦ＝∠ｃとし、∠ＢＤＥ＝∠ｄとし、∠ＤＢＥ＝ｘとする。

この場合、∠ＥＤＦ＝∠９０°−∠ＥＦＤである。ここで、三角形ＤＦＢにおいて、∠ＥＦＤ＝９０°−ｘであるので、∠ＥＤＦ＝ｘとなる。入射角と反射角とは等しいので、∠ＥＤＦ＝∠ＦＤＡ＝ｘである。

また、∠ＤＢＣ＝４５°であるので、
∠ｂ＝４５°−ｘ ・・・式（１）
となる。また、三角形ＤＥＢにおいて、∠ＤＥＢ＝９０°より、
∠ｄ＝９０°−ｘ ・・・式（２）
である。

また、三角形ＡＢＣにおいて、外角∠ｃは内角の和に等しいので、
∠ｃ＝∠ａ＋∠ｂ・・・式（３）
である。また、三角形ＤＡＢにおいて内角の和が１８０°であるので、
∠ｃ＝１８０°−（２ｘ＋ｄ）−ｘ＝１８０−３ｘ−ｄ
＝１８０°−３ｘ−（９０°−ｘ）＝９０°−２ｘ ・・・式（４）
である。

式（３）＝式（４）より、∠ａ＝９０°−２ｘ−∠ｂ＝４５°−ｘ＝∠ｂとなり、∠ａ＝∠ｂ＝４５°−ｘとなる。

したがって、点Ｄにおいて反射された光は、光学素子１３０と成す角度が４５°−ｘで点Ｃに入射する。反射角と出射角度とは等しいので、光学素子１３０により反射された光と、光学素子１３０とが成す角度は４５°−ｘ＝∠ａ＝∠ｂとなる。したがって、点Ｃで反射された光は、一点鎖線で示す筐体１００ａの下面と平行な方向に出射されるので、傾きの無い虚像を形成することができる。

なお、光学素子１３０および反射部材１４０の両方を傾ける代わりに、図９に示すような、傾斜をつけた微小ミラー１４３を配列させたミラー板を反射部材１４０として用い、反射部材１４０と表示装置１１０の表示面とは平行なまま、光学素子１３０だけを４５°から前後に傾けるようにしてもよい。図９に示す反射部材１４０においては、垂直方向からの入射光が、微小ミラー１４３により所定角度だけ傾いて反射される。したがって、微小ミラー１４３の斜面の傾きを調整することで、傾きの無い虚像を形成することができる。図９に示す反射部材１４０を用いる場合、反射部材１４０（微小ミラー１４３）による反射光と光学素子１３０とが成す角度は４５°以上である必要がある。

また、図１０に示すように、反射部材１４０は表示装置１１０の表示面と平行なまま、光学素子１３０だけを４５°から前後に傾けるようにしてもよい。光学素子１３０だけを４５°から傾けると、光学素子１３０と表示面とが成す角度が４５°からずれた分だけ、光学素子１３０により形成される虚像Ｂ１も、観察者１から見て前後に傾く。この場合、表示面と成す角度が４５°である場合からずれた角度に応じて、表示装置１１０で表示する表示像に対して、虚像Ｂ１の傾きを補償するような補正（例えば、台形補正）を行うことで、傾きの無い虚像Ｂ１を形成することができる。この場合も、光学素子１３０と表示面とが成す角度が０より大きく９０°未満である必要がある。

光学素子１３０や反射部材１４０を傾けることにより、装置サイズの増大の抑制を図ることができる。

（第３の実施形態）
上述した第１および第２の実施形態においては、複数の光学素子１２０，１３０を設け、各光学素子１２０，１３０により形成される虚像を重畳し、各虚像の距離を狭めることで、より存在感のある空間像を観察者１に視認させるようにしていた。ここで、より存在感のある空間像を観察者１に視認させるための方法としては、複数の虚像を重畳させる方法の他に、空間像を表示している空間（実空間）や実空間に配置された実物体を照明する方法がある。

図１１は、実空間を照明する方法により、より存在感のある空間像を表示する本発明の第３の実施形態に係る空間像表示装置１００Ｃの構成例を示す側面図である。図１１において、図１と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

図１１に示す空間像表示装置１００Ｃは、図１に示す空間像表示装置１００と比較して、光学素子１２０を削除した点が異なる。

上述したように、光学素子１３０により、光学素子１３０に対応する表示領域の表示像の虚像Ｂ２が、光学素子１３０の奥側の端部からＤだけ離れた位置に形成される。ここで、本実施形態においては、表示装置１１０の表示面は、図１２に示すように、空間像生成用領域１１０ａと、照明制御用領域１１０ｂという２つの領域に分けられている。

空間像生成用領域１１０ａは、光学素子１３０に対応する表示領域であり、光学素子１３０により形成される虚像Ｂ２に対応する表示像Ａ２を表示する領域である。

照明制御用領域１１０ｂは、表示装置１１０の表示面における空間像生成用領域１１０ａとは異なる領域であり、光学素子１３０による虚像Ｂ２が形成される実空間１００ｂ（筐体１００ａ内において、観察者１から見て光学素子１３０の奥側の端部よりも奥側の空間）に対応する領域である。すなわち、照明制御用領域１１０ｂは、図１２に示すように、観察者１から見て（Ｘ方向から見て）、空間像生成用領域１１０ａよりも奥側に設けられている。照明制御用領域１１０ｂにおいては、虚像Ｂ２に連携して、実空間１００ｂを照明する（実空間１００ｂ内を照らす）ための表示が行われる。

例えば、魚の像を示す虚像Ｂ２を形成し、照明制御用領域１１０ｂには、実空間１００ｂにおいて、波の揺らぎを表現する照明効果が得られるような表示を行うことで、より存在感のある空間像を表示することができる。また、例えば、炎の像を示す虚像Ｂ２を形成し、照明制御用領域１１０ｂには、実空間１００ｂにおいて、炎により照らされる光を表現する照明効果が得られるような表示を行うことで、より存在感のある空間像を表示することができる。

このように本実施形態においては、光学素子１３０に対応する空間像生成用領域１１０ａから出射された光を光学素子１３０が透過し、その光学素子１３０を透過した光が反射部材１４０により反射された光を光学素子１３０により観察者１に向かう方向に反射することで、虚像Ｂ２を形成している。そのため、虚像Ｂ２は、光学素子１３０から離れた位置（光学素子１３０の奥側の端部よりもＤだけ離れた位置）に形成される。虚像Ｂ２が光学素子１３０から離れた形成されることで、虚像Ｂ２が形成される実空間を照明することが可能となり、より存在感のある空間像を表示することができる。

なお、本実施形態においては、表示装置１１０の表示面の一部に照明制御用領域１１０ｂを設け、照明制御用領域１１０ｂの表示により、実空間１００ｂを照明する例を用いて説明したが、これに限られるものではなく、表示装置１１０とは別に、実空間１００ｂを照明するための構成を設けてもよい。

また、図１３に示すように、実空間１００ｂには、フィギュアやレリーフなどの実物体１５１を配置し、虚像Ｂ２と合わせて観察者１に視認させてもよい。

また、図１３に示すように、照明制御用領域１１０ｂからの光が届く範囲に、照明制御用領域１１０ｂからの光を拡散あるいは収束するレンズ、導光板、プリズム、ミラーなどの光学素子１５２を配置してもよい。このような光学素子１５２を配置することで、より照明効果を高めることができる。

また、本実施形態においては、空間像表示装置１００Ｃは、１つの光学素子１３０を備える例を用いて説明したが、これに限られるものではない。空間像表示装置１００Ｃは、複数の光学素子１２０，１３０を備え、各光学素子１２０，１３０により形成される虚像を重畳するとともに、表示装置１１０の表示面の一部を照明制御用領域１１０ｂとし、各光学素子１２０，１３０により虚像が形成される実空間を、照明制御用領域１１０ｂの表示により照明するようにしてもよい。

また、本実施形態においては、表示装置１１０の表示面を２つの領域に分ける例を用いて説明したが、これに限られるものではなく、２つの表示装置を用意し、一方の表示装置の表示面を空間像生成用領域１１０ａとし、他方の表示装置の表示面を照明制御用領域１１０ｂとしてもよい。

また、本実施形態においても、反射部材１４０と光学素子１３０とがなす角度が略４５°であり、光学素子１３０と表示面とがなす角度が０°より大きく９０°未満であってもよい。また、反射部材１４０は、表示面に対して略平行に設けられ、反射部材１４０と光学素子１３０とがなす角度が４５°から所定角度だけずれ、光学素子１３０と表示面とがなす角度が０°より大きく９０°未満であってもよい。この場合、上述したように、反射部材１４０と光学素子１３０とがなす角度が４５°からずれた所定角度に応じて、表示装置１１０で表示する表示像に対して、虚像Ｂ２の傾きを補償するような補正（例えば、台形補正）を行うことで、傾きの無い虚像Ｂ２を形成することができる。

また、本実施形態において、反射部材１４０の代わりに、図６に示す、光学素子１３０を透過した光を複数回反射した後、光学素子１３０に向けて出射する反射部材１４０ａを用いてもよい。

なお、照明効果に対応する虚像を実物体に重畳させて形成する（プロジェクションマッピング）ことで、存在感のある空間像を表示することも考えられる。ただし、この方法では、実物体を照明する光自体を直接、調整することができず、観察者１に違和感が生じることがある。

一方、本実施形態においては、照明制御用領域１１０ｂの表示を制御することで、実空間１００ｂを照明する光自体を直接、調整することができるため、照明効果による違和感を低減することができる。

本発明を図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

１００，１００Ａ、１００Ｂ，１００Ｃ 空間像表示装置
１００ａ 筐体
１００ｂ 実空間
１１０ 表示装置
１２０，１３０，１３０−１，１３０−２，１２０ａ 光学素子
１４０，１４０−１，１４０−２，１４０ａ 反射部材
１４１，１４２ ミラー
１４３ 微小ミラー
１５１ 実物体
１５２ 光学素子

Claims (5)

1. 表示装置の表示面における所定の表示領域である空間像生成用領域に対応し、前記空間像生成用領域からの出射光を反射することで前記空間像生成用領域の表示像の虚像を形成する光学素子を備え、前記光学素子により形成される虚像を観察者に視認させる空間像表示装置であって、
   前記光学素子を該光学素子に対応する空間像生成用領域と挟むように設けられた反射部材を備え、
   前記光学素子は、前記空間像生成用領域からの出射光を透過し、該透過した光が前記反射部材により反射された光を前記観察者に向かう方向に反射することで虚像を形成し、
   前記光学素子により虚像が形成される空間が照明され、
   前記表示装置の表示面には、前記空間像生成用領域とは異なる表示領域であって、前記光学素子により虚像が形成される領域に対応する照明制御用領域が設けられ、
   前記照明制御用領域の表示により、前記虚像が形成される空間が照明され、
   前記照明制御用領域には、前記形成される虚像に対応する像が表示されることを特徴とする空間像表示装置。
2. 請求項１に記載の空間像表示装置において、
   前記照明制御用領域からの光が届く範囲に設けられ、前記照明制御用領域からの光を拡散または収束させる光学素子をさらに備えることを特徴とする空間像表示装置。
3. 請求項１または２に記載の空間像表示装置において、
   前記反射部材は、前記対応する光学素子を透過した光を複数回反射して、前記対応する光学素子に出射することを特徴とする空間像表示装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の空間像表示装置において、
   前記反射部材と該反射部材に対応する光学素子とが成す角度は略４５°であり、前記光学素子と前記表示面とが成す角度は、０°より大きく９０°未満であることを特徴とする空間像表示装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載に空間像表示装置において、
   前記反射部材は前記表示面に対して略平行に設けられ、前記反射部材と該反射部材に対応する光学素子とが成す角度は４５°から所定角度だけずれ、前記光学素子と前記表示面とが成す角度は、０°より大きく９０°未満であり、
   前記所定角度に応じて前記表示面の表示像の補正が行われることを特徴とする空間像表示装置。

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