JP2023011501A - 空中表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 表示品質を確保しつつ、空中像を表示することが可能な空中表示装置用の光学素子を提供する。
【解決手段】 空中に画像を結像させる空中表示装置に使用される光学素子１７であって、平面状の基材３１と、基材３１の下に設けられ、それぞれが第１方向に延び、第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の光学要素３２とを有する。複数の光学要素３２の各々は、基材３１の法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射端面３３及び反射端面３４を有する。光学素子１７は、外部からの光を入射端面３３で受けるように配置される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空中表示装置用の光学素子、及び空中表示装置に関する。

画像や動画などを空中像として表示可能な空中表示装置が研究され、新しいヒューマン・マシン・インターフェースとして期待されている。空中表示装置は、例えば、２面コーナーリフレクタがアレイ状に配列された２面コーナーリフレクタアレイを用いて、表示素子の表示面から出射される光を反射し、空中に実像を結像するものが提案されている。２面コーナーリフレクタアレイによる表示方法は、収差が無く、面対称位置に実像（空中像）が表示される。

特許文献１は、透明平板の表面から突出した透明な四角柱を２面コーナーリフレクタとして使用し、複数の四角柱を平面上にアレイ状に配置した光学素子を開示している。また、特許文献２は、第１及び第２光制御パネルの各々を、透明平板の内部に垂直に複数の平面光反射部を並べて形成し、第１及び第２光制御パネルを、互いの平面光反射部が直交するように配置した光学素子を開示している。特許文献１、２の光学素子は、表示素子から出射された光を直交する反射面で２回反射させ、空中像を生成している。

特許文献１、２の光学素子を利用した表示装置は、光学素子の斜方向から観察することで空中表示像を認識できるものであり、光学素子の法線方向からの観察では良好な空中表示像を認識することは難しい。

特開２０１１－１９１４０４号公報 特開２０１１－１７５２９７号公報

本発明は、表示品質を確保しつつ、空中像を表示することが可能な空中表示装置用の光学素子、及び空中表示装置を提供する。

本発明の第１態様によると、空中に画像を結像させる空中表示装置に使用される光学素子であって、平面状の基材と、前記基材の下に設けられ、それぞれが第１方向に延び、前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の光学要素とを有し、前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射端面及び反射端面を有し、前記光学素子は、外部からの光を前記入射端面で受けるように配置される、光学素子が提供される。

本発明の第２態様によると、前記反射端面の前記基材の法線方向に対する角度は、前記反射端面に入射する光の入射角が臨界角より大きくなるように設定される、第１態様に係る光学素子が提供される。

本発明の第３態様によると、前記入射端面の前記基材の法線方向に対する角度は、前記入射端面に入射する光の入射角が臨界角より小さくなるように設定される、第１態様に係る光学素子が提供される。

本発明の第４態様によると、前記光学素子は、前記光学素子と平行な位置に空中像を結像する、第１態様に係る光学素子が提供される。

本発明の第５態様によると、画像を表示する表示素子と、前記表示素子からの光を前記入射端面で受けるように配置され、第１態様に係る前記光学素子とを具備する、空中表示装置が提供される。

本発明の第６態様によると、前記表示素子と前記光学素子とは、互いに平行に配置される、第５態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第７態様によると、前記表示素子と前記光学素子とは、斜めに配置される、第５態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第８態様によると、前記表示素子と前記光学素子との間に配置され、前記表示素子からの光の一部を透過する光制御素子をさらに具備する、第５態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明によれば、表示品質を確保しつつ、空中像を表示することが可能な空中表示装置用の光学素子、及び空中表示装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る空中表示装置の斜視図である。 図２は、空中表示装置の側面図である。 図３Ａは、光制御素子の平面図である。 図３Ｂは、図３ＡのＡ－Ａ´線に沿った光制御素子の断面図である。 図４は、光学素子の斜視図及び部分拡大図である。 図５は、空中表示装置のブロック図である。 図６は、光学素子における光の反射の様子を説明する斜視図である。 図７は、光学素子における光の反射の様子を説明するＸＺ面の側面図である。 図８は、光学素子における光の反射の様子を説明するＹＺ面の側面図である。 図９は、光学素子における入射端面３３及び反射端面３４の角度条件を説明する図である。 図１０は、空中表示装置の光線追跡図である。 図１１は、Ｘ方向における空中表示装置の配光図である。 図１２は、Ｙ方向における空中表示装置の配光図である。 図１３は、空中表示装置の全体構成を説明する斜視図である。 図１４は、空中表示装置の視野角を説明する斜視図である。 図１５は、第１変形例に係る空中表示装置の側面図である。 図１６は、第２変形例に係る空中表示装置の側面図である。 図１７は、本発明の第２実施形態に係る空中表示装置の斜視図である。 図１８は、空中表示装置の側面図である。 図１９は、空中表示装置の光線追跡図である。 図２０は、本発明の第３実施形態に係る空中表示装置の斜視図である。 図２１は、空中表示装置の側面図である。 図２２は、光学素子で反射される光路を説明する図である。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複する説明は省略する。

［１］ 第１実施形態
［１－１］ 空中表示装置１の構成
図１は、本発明の第１実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。図２は、空中表示装置１の側面図である。図２の矢印は、光路を表している。図１において、Ｘ方向は、空中表示装置１のある１辺に沿った方向であり、Ｙ方向は、水平面内においてＸ方向に直交する方向であり、Ｚ方向は、ＸＹ面に直交する方向（法線方向ともいう）である。

空中表示装置１は、画像（動画を含む）を表示する装置である。空中表示装置１は、自身の光出射面の上方の空中に、空中像を表示する。空中表示装置１の光出射面とは、空中表示装置１を構成する複数の部材のうち最上層に配置された部材の上面を意味する。空中像とは、空中に結像する実像である。空中表示装置１は、表示装置１５、光制御素子１６、及び光学素子１７を備える。

表示装置１５、光制御素子１６、及び光学素子１７は、この順に互いに平行に配置される。表示装置１５、光制御素子１６、及び光学素子１７は、図示しない支持部材によって、図１の位置に固定される。例えば、表示装置１５、光制御素子１６、及び光学素子１７は、図示しない筐体内に収容される。

表示装置１５は、表示面に画像を表示する。本実施形態では、表示装置１５が液晶表示装置で構成される場合を例に挙げて説明する。表示装置１５は、照明素子（バックライトともいう）１３、及び表示素子１４を備える。

照明素子１３は、照明光を発光し、この照明光を表示素子１４に向けて出射する。照明素子１３は、光源部１０、導光板１１、及び反射シート１２を備える。照明素子１３は、例えばサイドライト型の照明素子である。照明素子１３は、面光源を構成する。

光源部１０は、照明光を発光する。光源部１０は、導光板１１の側面に向き合うように配置され、導光板１１の側面に向けて照明光を出射する。光源部１０は、例えば、Ｙ方向に並んだ複数の発光素子（図示せず）を含む。発光素子は、白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）で構成される。導光板１１は、光源部１０からの照明光を導光し、照明光を上面から出射する。反射シート１２は、導光板１１の底面から出射した照明光を、再び導光板１１に向けて反射する。

表示素子１４は、透過型の液晶表示素子で構成される。表示素子１４の駆動モードについては特に限定されず、ＴＮ（Twisted Nematic）モード、ＶＡ（Vertical Alignment）モード、又はホモジニアスモードなどを用いることができる。表示素子１４は、照明素子１３から出射された照明光を受ける。表示素子１４は、照明光を透過して光変調を行う。そして、表示素子１４は、その表示面に所望の画像を表示する。

光制御素子１６は、法線方向に対して斜め方向を中心として所定の角度範囲以外の光成分を遮光するように機能する。光制御素子１６の面積は、表示素子１４の面積とほぼ同じに設定される。光制御素子１６の具体的な構成については後述する。

光学素子１７は、底面側から入射した光を上面側に反射する。また、光学素子１７は、底面側から斜めに入射した入射光を、例えば正面方向（法線方向）に反射する。そして、光学素子１７は、空中表示装置１の上方の空中に空中像１８を結像する。空中像１８は、光学素子１７の素子面に平行な位置（平行な面）に結像され、２次元の画像である。素子面とは、光学素子１７が面内方向に広がる仮想的な平面を言う。素子面は、素子の面内と同じ意味である。その他の素子の素子面についても同様の意味である。光学素子１７の正面にいる観察者１９は、空中像１８を視認することができる。光学素子１７の面積は、表示素子１４の面積以上に設定される。

［１－１－１］ 光制御素子１６の構成
図３Ａは、光制御素子１６の平面図である。図３Ｂは、図３ＡのＡ－Ａ´線に沿った光制御素子１６の断面図である。

基材２１、２２はそれぞれ、四角形の平面状に構成される。基材２１上には、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の透明部材２３が設けられる。また、基材２１上には、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の遮光部材２４が設けられる。複数の透明部材２３と複数の遮光部材２４とは、隣接するもの同士が接するようにして交互に配置される。複数の透明部材２３及び複数の遮光部材２４上には、基材２２が設けられる。

透明部材２３は、Ｘ方向において、基材２１の法線方向に対して角度θ_１の斜め方向に延びる。透明部材２３は、ＸＺ断面において、側面が角度θ_１だけ傾いた平行四辺形である。透明部材２３は、光を透過する。

遮光部材２４は、Ｘ方向において、基材２１の法線方向に対して角度θ_１の斜め方向に延びる。遮光部材２４は、ＸＺ断面において、側面が角度θ_１だけ傾いた平行四辺形である。遮光部材２４は、光を遮光する。

隣接する２個の遮光部材２４は、Ｚ方向において互いの端部が若干重なるように配置される。

基材２１、２２、及び透明部材２３としては、透明な樹脂が用いられ、例えばアクリル樹脂が用いられる。遮光部材２４としては、例えば、黒の染料が混入された樹脂が用いられる。

なお、基材２１、２２の一方又は両方を省略して、光制御素子１６を構成してもよい。複数の透明部材２３と複数の遮光部材２４とが交互に配置されていれば、光制御素子１６の機能を実現できる。

このように構成された光制御素子１６は、法線方向に対して角度θ_１の斜め方向の光強度がピークになるように、表示光を透過することができる。例えば、光制御素子１６は、法線方向に対して３０°±３０°以外の光成分を遮光するように構成される。望ましくは、光制御素子１６は、法線方向に対して３０°±２０°以外の光成分を遮光するように構成される。

［１－１－２］ 光学素子１７の構成
図４は、光学素子１７の斜視図及び部分拡大図である。図４の部分拡大図は、ＸＺ面の拡大図である。

光学素子１７は、基材３１、及び複数の光学要素３２を備える。基材３１は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。

基材３１の底面には、複数の光学要素３２が設けられる。複数の光学要素３２の各々は、三角柱で構成される。光学要素３２は、三角柱の３個の側面がＸＹ面と平行になるように配置され、１つの側面が基材３１に接する。複数の光学要素３２は、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んで配置される。換言すると、複数の光学要素３２は、鋸歯状を有する。

光学要素３２は、入射端面３３及び反射端面３４を有する。入射端面３３は、光制御素子１６からの光が入射する面である。反射端面３４は、入射端面３３に外部から入射した光を、光学要素３２の内部で反射する面である。

光学要素３２は、例えば、基材３１と同じ透明材料によって基材３１と一体的に形成される。基材３１と光学要素３２とを個別に形成し、透明な接着材を用いて基材３１に光学要素３２を接着してもよい。基材３１及び光学要素３２を構成する透明材料としては、例えばアクリル樹脂、又はガラスが用いられる。

光学素子１７は、入射光を内部で反射して、空中に実像を結像する。また、光学素子１７は、その素子面の正面の位置に、光学素子１７と平行に空中像を結像させる。

［１－２］ 空中表示装置１のブロック構成
図５は、空中表示装置１のブロック図である。空中表示装置１は、表示装置１５（照明素子１３及び表示素子１４を含む）、表示駆動回路４０、電圧発生回路４１、制御部４２、記憶部４３、及び入力部４４を備える。

表示駆動回路４０は、表示素子１４を駆動し、表示素子１４に画像及び／又は動画を表示させる。電圧発生回路４１は、照明素子１３及び表示駆動回路４０が動作するのに必要な複数種類の電圧を発生し、これらの電圧を照明素子１３及び表示駆動回路４０に供給する。

制御部４２は、空中表示装置１全体の動作を制御する。すなわち、制御部４２は、照明素子１３、表示駆動回路４０、及び電圧発生回路４１の動作を制御する。そして、制御部４２は、所望の表示位置に空中像１８を表示させる。

記憶部４３は、揮発性メモリ、及び不揮発性メモリを含む。記憶部４３は、空中表示装置１の動作に必要な種々のデータを格納する。また、記憶部４３は、空中表示装置１が表示する画像のデータを格納する。

入力部４４は、ユーザが入力した情報を受け付ける。入力部４４は、ユーザにより入力された情報を制御部４２に送る。制御部４２は、入力部４４が受け付けた情報に基づいて、表示装置１５に表示する画像を選択することが可能である。

［１－３］ 空中表示装置１の動作
次に、上記のように構成された空中表示装置１の動作について説明する。

図２に示すように、表示装置１５から出射された光は、光制御素子１６に入射する。表示装置１５から出射された光のうち角度θ_１の光成分は、光制御素子１６を透過する。光制御素子１６を透過した光は、光学素子１７に入射する。光学素子１７は、入射光を、光制御素子１６と反対側の空中に結像し、空中に空中像１８を表示する。

図６は、光学素子１７における光の反射の様子を説明する斜視図である。図７は、光学素子１７における光の反射の様子を説明するＸＺ面の側面図である。図７は、観察者１９の両目（すなわち、両目を結ぶ線）がＸ方向に平行な状態で光学素子１７を見た図である。図８は、光学素子１７における光の反射の様子を説明するＹＺ面の側面図である。図８は、観察者１９の両目がＹ方向に平行な状態で光学素子１７を見た図である。

光制御素子１６の素子面における任意の点“ｏ”から出射された光は、光学素子１７の入射端面３３に入射し、反射端面３４に到達する。反射端面３４の法線方向に対して臨界角よりも大きい角度で到達した光は、反射端面３４で全反射され、光学素子１７の光学要素３２が形成されている側の反対側の平面から出射される。臨界角とは、その入射角を超えると全反射する最少の入射角である。臨界角は、入射面の垂線に対する角度である。

図７のＸＺ面では、点“ｏ”から出射された光は、光学要素３２の反射端面３４で全反射され、その光は空中で結像されて空中像を生成する。

図８のＹＺ面では、点“ｏ”から出射された光は、光学要素３２の反射端面３４で反射されず、その光は空中で結像することがないため空中像の生成に寄与しない。

すなわち、観察者１９が空中像を認識できる条件は、観察者１９の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態（例えばＸ方向に対して±１０度）である。また、観察者１９の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態でＹ方向に沿って視点を移動した場合、空中像を常に認識することができる。

図９は、光学素子１７における入射端面３３及び反射端面３４の角度条件を説明する図である。

Ｚ方向（素子面に垂直な方向）に対する入射端面３３の角度をθ_２、Ｚ方向に対する反射端面３４の角度をθ_３、入射端面３３と反射端面３４とのなす角度をθ_ｐとする。角度をθ_ｐは、以下の式（１）で表される。
θ_ｐ＝θ_２＋θ_３ ・・・（１）

光制御素子１６から角度θ_１で出射した光は、入射端面３３に入射する。光学素子１７の材料の屈折率をｎ_ｐ、空気の屈折率を１とする。入射端面３３における入射角をθ_４、屈折角をθ_５とする。反射端面３４における入射角をθ_６、反射角をθ_７（＝θ_６）とする。光制御素子１６の上面における入射角をθ_８、屈折角をθ_９とする。屈折角θ_９が出射角である。出射角θ_９は、以下の式（２）で表される。
θ_９＝sin^－１（ｎ_ｐ＊sin（sin^－１（（１／ｎ_ｐ）＊sin(９０°－（θ_１＋θ_２）））＋θ₂＋２θ_３－９０°）） ・・・（２）

反射端面３４における臨界角は、以下の式（３）で表される。
臨界角＜θ_６（＝θ_７）
臨界角＝sin^－１（１／ｎ_ｐ） ・・・（３）

すなわち、反射端面３４における入射角θ_６は、反射端面３４における臨界角より大きく設定される。換言すると、反射端面３４の角度θ_３は、反射端面３４に入射する光の入射角が臨界角より大きくなるように設定される。

また、入射端面３３に入射した光は、入射端面３３で全反射されないように設定される。すなわち、入射端面３３の角度θ_２は、入射端面３３に入射する光の入射角が臨界角より小さくなるように設定される。

光学素子１７の素子面と空中像１８の面との角度、及び光学素子１７の素子面と空中像１８の面との距離は、光学素子１７に入射する光の角度θ_１、光学素子１７の屈折率、光学素子１７の入射端面３３の角度θ_２、光学素子１７の反射端面３４の角度θ_３を最適に設定することで調整が可能である。

図１０は、空中表示装置１の光線追跡図である。図１０のパラメータは、θ_１＝３５度、θ_３＝２２.５度、θ_ｐ＝４５度である。

光制御素子１６の素子面における点“ｏ”から出射された光は、点“ｏ´”で結像される。光学素子１７を面として“ｐ”とすると、“ｏｐ：ｏ´ｐ≒１：２”が確保されている。

図１１は、Ｘ方向における空中表示装置１の配光図である。図１１は、図１０のパラメータに対応する波形である。図１１の横軸がＸ方向に沿って観察者が光学素子１７を見る角度（度）を表しており、縦軸が光の出力比（％）を表している。図１１から、角度０度、すなわち正面方向から見た場合に、出力比が大きくなる。観察者は、正面方向から見た場合に、空中像をより鮮明に視認することができる。

図１２は、Ｙ方向における空中表示装置１の配光図である。図１２も、図１０のパラメータに対応する波形である。図１２の横軸がＹ方向に沿って観察者が光学素子１７を見る角度（度）を表しており、縦軸が光の出力比（％）を表している。図１２から、Ｙ方向に沿って空中表示装置１を見た場合、空中像が結像されず、表示装置１５から出射された光は、光学素子１７を透過する。

図１３は、空中表示装置１の全体構成を説明する斜視図である。
空中表示装置１は、筐体２０を備える。筐体２０は、底板及び４個の側板を含む箱形状を有する。筐体２０は、表示装置１５（照明素子１３、及び表示素子１４）、光制御素子１６、及び光学素子１７を収容する。図１３では、表示素子１４、及び光制御素子１６の図示を省略している。筐体２０は、上部に四角形の開口部を有し、この開口部に光学素子１７がはめ込まれる。

図１３に示すように、空中表示装置１は、自身の光出射面の上方の空中に、空中像１８を表示することが可能である。また、空中表示装置１は、光学素子１７の素子面と平行かつ２次元の空中像１８を表示することが可能である。また、空中表示装置１は、Ｚ方向に薄型化が可能な空中表示装置１を実現できる。

図１４は、空中表示装置１の視野角を説明する斜視図である。図１４では、空中表示装置１が備える表示素子１４及び光学素子１７を抽出して示している。図１４の矢印は、視野角方向を示している。

観察者１９は、その両眼がＸ方向にほぼ平行な状態で空中表示装置１を見た場合に、空中像１８を視認できる。そして、空中表示装置１は、観察者１９がＹ方向に沿って視点を移動した場合に、より広い視野角を実現できる。視野角は、光学素子１７の素子面に垂直な方向であるＺ方向が０度として定義される。本実施形態では、空中表示装置１は、ＹＺ面において、上下各３０度程度の視野角を実現できる。すなわち、空中表示装置１は、上下視野角範囲０度±３０度程度を実現できる。

従来の空中表示装置として、２面コーナーリフレクタアレイを用い、表示素子と２面コーナーリフレクタアレイとを斜めに（例えば４５度で）配置したものが知られている。この従来の空中表示装置は、一般的に、上下左右各０度以上１５度以下程度の視野角を有する。よって、本実施形態によれば、従来の空中表示装置に比べて、大幅に視野角を向上できる。

［１－４］ 変形例
次に、光制御素子１６の位置に関する変形例について説明する。図１５は、第１変形例に係る空中表示装置１の側面図である。光制御素子１６は、照明素子１３と表示素子１４との間に配置してもよい。

図１６は、第２変形例に係る空中表示装置１の側面図である。光制御素子１６は、光学素子１７により近づけて配置してもよい。

また、光制御素子１６を省略して、空中表示装置１を構成してもよい。

［１－５］ 第１実施形態の効果
第１実施形態によれば、表示品質を確保しつつ、空中像を表示することが可能な空中表示装置１を実現できる。

また、観察者１９の両眼がＸ方向（すなわち、複数の光学要素３２が並ぶ方向）に平行、又はそれに近い状態で光学素子１７を見た場合に、観察者１９は、空中像を視認することができる。また、観察者１９の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態でＹ方向に沿って視点を移動した場合、空中像を常に視認することができる。すなわち、観察者１９の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態において、視野角を確保することができる。

また、空中表示装置１を構成する複数の素子を平行に配置することができる。これにより、Ｚ方向に薄型化（小型化）が可能な空中表示装置１を実現できる。

また、空中表示装置１の正面方向において、空中像を表示することができる。また、空中像を結像する光学素子１７の素子面と平行に２次元の空中像を表示することができる。

［２］ 第２実施形態
第２実施形態は、表示素子１４を光学素子１７に対して斜めに配置する構成例である。

図１７は、本発明の第２実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。図１８は、空中表示装置１の側面図である。図１７において、Ｘ方向は、表示装置１５のある１辺に沿った方向であり、Ｙ方向は、表示装置１５の水平面内においてＸ方向に直交する方向であり、Ｚ方向は、ＸＹ面に直交する方向である。

空中表示装置１は、表示装置１５、及び光学素子１７を備える。表示装置１５は、照明素子１３、及び表示素子１４を備える。表示装置１５、及び光学素子１７の構成は、第１実施形態と同じである。

光学素子１７は、表示装置１５に対して角度θ_１０で斜めに配置される。第２実施形態において、角度θ_１０は、例えば４０度以上５０度以下である。好ましくは、角度θ_１０は、ほぼ４５度である。

図１８に示すように、表示装置１５から出射された光は、光学素子１７に入射する。光学素子１７は、底面側から斜めに入射した光を上面側に反射する。また、光学素子１７は、表示装置１５に表示された画像を、光学素子１７を対称面とする面対称の位置に、空中像１８として結像する。光学素子１７の法線方向に対して角度θ_１０で斜め方向にいる観察者１９は、空中像１８を視認することができる。

図１９は、空中表示装置１の光線追跡図である。図１９のパラメータは、θ_１０＝４５度である。表示装置１５から出射された光は、光学素子１７を対称面とする面対称の位置に結像し、この結像位置に空中像１８が表示される。

第２実施形態によれば、表示装置１５を光学素子１７に対して斜めに配置して空中表示装置１を実現できる。その他の効果は、第１実施形態と同じである。

［３］ 第３実施形態
第３実施形態は、表示素子１４を光学素子１７に対して斜めに配置する他の構成例である。

図２０は、本発明の第３実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。図２１は、空中表示装置１の側面図である。図２０において、Ｘ方向は、表示装置１５のある１辺に沿った方向であり、Ｙ方向は、表示装置１５の水平面内においてＸ方向に直交する方向であり、Ｚ方向は、ＸＹ面に直交する方向である。

空中表示装置１は、表示装置１５、光制御素子１６、及び光学素子１７を備える。表示装置１５は、照明素子１３、及び表示素子１４を備える。表示装置１５、光制御素子１６、及び光学素子１７の構成は、第１実施形態と同じである。

光制御素子１６は、表示装置１５と平行になるようにして、表示装置１５の上方に配置される。

光学素子１７は、表示装置１５に対して角度θ_１０で斜めに配置される。第３実施形態において、角度θ_１０は、例えば０度より大きく４５度より小さい。好ましくは、角度θ_１０は、ほぼ３０度である。

図２１に示すように、表示装置１５から出射された光は、光制御素子１６に入射する。表示装置１５から出射された光のうち角度θ_１の光成分は、光制御素子１６を透過する。第３実施形態における角度θ_１は、適宜設定可能である。光制御素子１６を透過した光は、光学素子１７に入射する。光学素子１７は、入射光を、光制御素子１６と反対側の空中に結像し、空中に空中像１８を表示する。

図２２は、光学素子１７で反射される光路を説明する図である。図２２の矢印は、光路を表している。光制御素子１６を透過した光は、光学素子１７の入射端面３３に入射し、反射端面３４で反射される。この時、空中像の表示に不要な光は、光制御素子１６によって遮光され、光学素子１７にほぼ入射されない。

第３実施形態によれば、表示装置１５を光学素子１７に対して斜めに配置して空中表示装置１を実現できる。また、光制御素子１６は、空中像に必要な光成分以外を遮光することができる。よって、空中表示装置１の表示特性が劣化するのを抑制できる。その他の効果は、第１実施形態と同じである。

なお、第３実施形態において、光制御素子１６を省略してもよい。

上記各実施形態では、表示装置１５として液晶表示装置を例に挙げて説明しているが、これに限定されるものではない。表示装置１５は、自発光型である有機ＥＬ（electroluminescence）表示素子、又はマイクロＬＥＤ（Light Emitting Diode）表示素子などを用いることも可能である。マイクロＬＥＤ表示素子は、画素を構成するＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）をそれぞれＬＥＤで発光させる表示素子である。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１…空中表示装置、１０…光源部、１１…導光板、１２…反射シート、１３…照明素子、１４…表示素子、１５…表示装置、１６…光制御素子、１７…光学素子、１８…空中像、１９…観察者、２１…基材、２２…基材、２３…透明部材、２４…遮光部材、３１…基材、３２…光学要素、３３…入射端面、３４…反射端面、４０…表示駆動回路、４１…電圧発生回路、４２…制御部、４３…記憶部、４４…入力部。

本発明は、空中表示装置に関する。

本発明は、表示品質を確保しつつ、空中像を表示することが可能な空中表示装置を提供する。

本発明によれば、表示品質を確保しつつ、空中像を表示することが可能な空中表示装置を提供することができる。

図１３は、空中表示装置１の全体構成を説明する斜視図である。
空中表示装置１は、筐体２０を備える。筐体２０は、底板及び４個の側板を含む箱形状を有する。筐体２０は、表示装置１５（照明素子１３、及び表示素子１４）、光制御素子１６、及び光学素子１７を収容する。図１３では、照明素子１３、及び光制御素子１６の図示を省略している。筐体２０は、上部に四角形の開口部を有し、この開口部に光学素子１７がはめ込まれる。

図１３に示すように、空中表示装置１は、自身の光出射面の上方の空中に、空中像１８を表示することが可能である。また、空中表示装置１は、光学素子１７の素子面と平行かつ２次元の空中像１８を表示することが可能である。また、Ｚ方向に薄型化が可能な空中表示装置１を実現できる。

Claims (8)

1. 空中に画像を結像させる空中表示装置に使用される光学素子であって、
   平面状の基材と、前記基材の下に設けられ、それぞれが第１方向に延び、前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の光学要素とを有し、
   前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射端面及び反射端面を有し、
   前記光学素子は、外部からの光を前記入射端面で受けるように配置される
   光学素子。
2. 前記反射端面の前記基材の法線方向に対する角度は、前記反射端面に入射する光の入射角が臨界角より大きくなるように設定される
   請求項１に記載の光学素子。
3. 前記入射端面の前記基材の法線方向に対する角度は、前記入射端面に入射する光の入射角が臨界角より小さくなるように設定される
   請求項１に記載の光学素子。
4. 前記光学素子は、前記光学素子と平行な位置に空中像を結像する
   請求項１に記載の光学素子。
5. 画像を表示する表示素子と、
   前記表示素子からの光を前記入射端面で受けるように配置され、請求項１に記載の前記光学素子と、
   を具備する
   空中表示装置。
6. 前記表示素子と前記光学素子とは、互いに平行に配置される
   請求項５に記載の空中表示装置。
7. 前記表示素子と前記光学素子とは、斜めに配置される
   請求項５に記載の空中表示装置。
8. 前記表示素子と前記光学素子との間に配置され、前記表示素子からの光の一部を透過する光制御素子をさらに具備する
   請求項５に記載の空中表示装置。

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