JP2024014464A - 空中表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 表示品質を向上させることが可能な空中表示装置を提供する。【解決手段】 空中表示装置は、画像を表示する表示素子２０と、表示素子２０から出射された光を受けるように配置され、表示素子２０から出射された光を、面内に直交する法線側に屈折させる光補正素子３０と、光補正素子３０から出射された光を受けるように配置され、光補正素子３０から出射された光を、光補正素子３０と反対側に反射し、空中に空中像を結像する光学素子５０とを含む。【選択図】 図１

Description

本発明は、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備え、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。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）を表示することができる。

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多数かつ帯状の平面光反射部を一定のピッチで並べて形成し、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、表示品質を向上させることが可能な空中表示装置を提供する。

本発明の第１態様によると、画像を表示する表示素子と、前記表示素子から出射された光を受けるように配置され、前記表示素子から出射された光を、面内に直交する法線側に屈折させる光補正素子と、前記光補正素子から出射された光を受けるように配置され、前記光補正素子から出射された光を、前記光補正素子と反対側に反射し、空中に空中像を結像する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２態様によると、前記光学素子は、前記光補正素子から出射された光のうち面内に直交する第１面に拡がる光成分を前記面内に直交する法線側に反射し、前記光補正素子は、前記表示素子から出射された光のうち前記面内かつ前記第１面に直交する第２面に拡がる光成分を前記法線側に屈折させる、第１態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第３態様によると、前記光補正素子は、底面に設けられた複数の第１レンズ面と、上面に設けられた複数の第２レンズ面とを有し、前記複数の第１レンズ面は、凸レンズを構成し、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方向に並び、前記複数の第２レンズ面は、凸レンズを構成し、それぞれが前記第１方向に延び、前記第２方向に並ぶ、第１又は第２態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第４態様によると、前記光学素子は、前記光補正素子から斜め方向に入射した光を法線方向に反射する、第３態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第５態様によると、前記光学素子は、平面状の基材と、前記基材の下に設けられ、それぞれが前記第２方向に延び、前記第１方向に並んだ複数の光学要素とを含み、前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射面及び反射面を有する、第４態様に係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、前記光補正素子、及び前記光学素子は、互いに平行に配置される、第１又は第２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、前記光補正素子と前記光学素子との間に配置され、前記表示素子から出射された光の一部を透過する配向制御素子をさらに具備する、第１又は第２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、前記配向制御素子は、交互に配置された複数の透明部材及び複数の遮光部材を含み、前記複数の遮光部材は、前記配向制御素子の法線に対して傾いている、第７態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第９態様によると、光を発光する照明素子をさらに具備し、前記表示素子は、前記照明素子からの光を受けるように配置され、液晶表示素子で構成される、第１又は第２態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明によれば、表示品質を向上させ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１は、本発明の実施形態に係る空中表示装置の斜視図である。 図２は、図１に示した空中表示装置のＸＺ面における側面図である。 図３は、図１に示した空中表示装置のＹＺ面における側面図である。 図４は、図１に示した光補正素子の斜視図である。 図５は、光補正素子の構成を説明するＹＺ面における側面図である。 図６Ａは、図１に示した配向制御素子の平面図である。 図６Ｂは、図６ＡのＡ－Ａ´線に沿った配向制御素子の断面図である。 図７は、図１に示した光学素子の斜視図である。 図８は、空中表示装置のブロック図である。 図９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１０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１１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１２は、光学素子における入射面及び反射面の角度条件を説明する図である。 図１３は、空中表示装置が生成する空中像の一例を説明する斜視図である。 図１４は、光補正素子の動作を説明するＹＺ面の側面図である。 図１５は、観察者が空中像を見る様子を説明する模式図である。 図１６は、観察者が空中像を見る様子を説明する模式図である。 図１７は、図１６に対応する空中表示装置の動作を説明する斜視図である。 図１８は、観察者が空中像を見る様子を説明する模式図である。 図１９は、図１８に対応する空中表示装置の動作を説明する斜視図である。 図２０は、比較例に係る空中表示装置の動作を説明する斜視図である。 図２１は、変形例に係る空中表示装置のＸＺ面における側面図である。

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］ 空中表示装置１の構成
図１は、本発明の実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。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。図２は、図１に示した空中表示装置１のＸＺ面における側面図である。図３は、図１に示した空中表示装置１のＹＺ面における側面図である。

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、照明素子（バックライトともいう）１０、表示素子２０、光補正素子３０、配向制御素子４０、及び光学素子５０を備える。照明素子１０、表示素子２０、光補正素子３０、配向制御素子４０、及び光学素子５０は、この順にＺ方向に沿って配置され、互いに平行に配置される。照明素子１０、表示素子２０、光補正素子３０、配向制御素子４０、及び光学素子５０は、互いに所望の間隔を空けるようにして、図示せぬ固定部材で所望の位置に固定される。

照明素子１０は、照明光を発光し、この照明光を表示素子２０に向けて出射する。照明素子１０は、光源部１１、導光板１２、及び反射シート１３を備える。照明素子１０は、例えばサイドライト型の照明素子である。照明素子１０は、面光源を構成する。照明素子１０は、後述する角度θ_１の斜め方向に光強度がピークになるように構成してもよい。

光源部１１は、導光板１２の側面に向き合うように配置される。光源部１１は、導光板１２の側面に向けて光を発光する。光源部１１は、例えば白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）からなる複数の発光素子を含む。導光板１２は、光源部１１からの照明光を導光し、照明光を自身の上面から出射する。反射シート１３は、導光板１２の底面から出射された照明光を、再び導光板１２に向けて反射する。照明素子１０は、導光板１２の上面に、光学特性を向上させる部材（プリズムシート、及び拡散シートを含む）を備えていてもよい。

表示素子２０は、透過型の表示素子である。表示素子２０は、例えば液晶表示素子で構成される。表示素子２０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２０は、照明素子１０から出射された照明光を受ける。表示素子２０は、照明素子１０からの照明光を透過して光変調を行う。そして、表示素子２０は、自身の表示面に所望の画像を表示する。

光補正素子３０は、表示素子２０から出射された光を受ける。光補正素子３０は、Ｙ方向において、光を屈折する機能を有する。また、光補正素子３０は、表示素子２０から出射された光のうちＹＺ面に拡がる光成分を、光補正素子３０の素子面に直交する法線側に屈折させる。素子面とは、光補正素子３０が面内方向に広がる仮想的な平面を言う。素子面は、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じ意味である。光補正素子３０は、自身の底面に設けられた複数の凸レンズ面と、自身の上面に設けられた複数の凸レンズ面とを有する。光補正素子３０の詳細な構成については後述する。

配向制御素子４０は、不要光を低減する機能を有する。不要光とは、空中像を生成するのに寄与しない光成分であり、法線方向に光学素子５０を透過する光成分を含む。配向制御素子４０は、ＸＺ面において、法線方向に対して角度θ_１の斜め方向を中心として所定の角度範囲の光成分を透過し、上記角度範囲以外の光成分を遮光するように構成される。配向制御素子４０の詳細な構成については後述する。

光学素子５０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５０は、配向制御素子４０から出射された光のうちＸＺ面に拡がる光成分を、光学素子５０の素子面に直交する法線側に反射する。光学素子５０は、空中表示装置１の正面の空中に空中像２を結像する。光学素子５０の詳細な構成については後述する。空中像２は、光学素子５０の素子面に平行であり、２次元の画像である。光学素子５０の正面にいる観察者３は、空中像２を視認することができる。

［１－１］ 光補正素子３０の構成
図４は、図１に示した光補正素子３０の斜視図である。図４には、光補正素子３０の一部を拡大した拡大図も図示している。図４の拡大図は、ＹＺ面における側面図である。

光補正素子３０は、自身の底面に設けられた複数の第１レンズ面３１と、自身の上面に設けられた複数の第２レンズ面３２とを有する。

複数の第１レンズ面３１は、それぞれがＸ方向に延び、Ｙ方向に並んで配置される。各第１レンズ面３１は、柱状の凸レンズで構成される。換言すると、複数の第１レンズ面３１は、レンチキュラ－レンズを構成する。

複数の第２レンズ面３２は、それぞれがＸ方向に延び、Ｙ方向に並んで配置される。各第２レンズ面３２は、柱状の凸レンズで構成される。換言すると、複数の第２レンズ面３２は、レンチキュラ－レンズを構成する。

第１レンズ面３１と第２レンズ面３２とは、同じピッチを有する。ここでいうピッチとは、第１レンズ面３１及び第２レンズ面３２の各々のＹ方向の幅である。第１レンズ面３１と第２レンズ面３２とは、平面視において同じ位置に（完全に重なるように）配置される。

光補正素子３０は、ガラス、又は透明な樹脂（アクリル樹脂を含む）で構成される。

図５は、光補正素子３０の構成を説明するＹＺ面における側面図である。
第１レンズ面３１において、曲率半径Ｒ１、主点Ｈ１、焦点距離ｆ１とする。第２レンズ面３２において、曲率半径Ｒ２、主点Ｈ２、焦点距離ｆ２とする。光補正素子３０の厚みをＴ、第１レンズ面３１及び第２レンズ面３２の各々のピッチをＰとする。

第１レンズ面３１と第２レンズ面３２とは、互いの光軸が一致している。曲率半径Ｒ１と曲率半径Ｒ２とは、同じに設定される。曲率半径Ｒ１、Ｒ２からそれぞれ焦点距離ｆ１、ｆ２が算出される。曲率半径Ｒ１、Ｒ２、及び焦点距離ｆ１、ｆ２に基づいて、光補正素子３０の厚みＴが設定される。ピッチＰは、任意に設定可能である。曲率半径Ｒ１、Ｒ２、焦点距離ｆ１、ｆ２、厚みＴ、ピッチＰ、及び光補正素子３０の屈折率は、光補正素子３０に求められる特性に応じて適宜設定される。

このように構成された光補正素子３０は、底面側から入射した光を、複数の第１レンズ面３１で屈折させ、さらに複数の第２レンズ面３２で屈折させる。そして、光補正素子３０は、ＹＺ面において、表示素子２０のある点から放射状に出射された光成分を、光補正素子３０の素子面に直交する法線側に屈折及び集光させる。

［１－２］ 配向制御素子４０の構成
図６Ａは、図１に示した配向制御素子４０の平面図である。図６Ｂは、図６ＡのＡ－Ａ´線に沿った配向制御素子４０の断面図である。

基材４１は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。基材４１は、光を透過する。

基材４１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４３が設けられる。また、基材４１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４４が設けられる。複数の透明部材４３と複数の遮光部材４４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４３及び複数の遮光部材４４上には、基材４２が設けられる。基材４２は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。基材４２は、光を透過する。

透明部材４３は、ＸＺ面において、基材４１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４３は、ＸＺ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４３は、光を透過する。

遮光部材４４は、ＸＺ面において、基材４１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４４は、ＸＺ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４４は、光を遮光する。遮光部材４４の厚みは、透明部材４３の厚みより薄く設定される。

隣接する２個の遮光部材４４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４１、４２、及び透明部材４３としては、ガラス、又は透明な樹脂（アクリル樹脂を含む）が用いられる。遮光部材４４としては、例えば、黒の染料又は顔料が混入された樹脂が用いられる。

このように構成された配向制御素子４０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、配向制御素子４０は、法線方向に対して３０°±３０°の範囲以外の光成分を遮光するように構成される。望ましくは、配向制御素子４０は、法線方向に対して３０°±２０°の範囲以外の光成分を遮光するように構成される。

なお、変形例として、配向制御素子４０は、照明素子１０と表示素子２０との間に配置してもよい。また、配向制御素子４０を省略して、空中表示装置１を構成してもよい。

［１－３］ 光学素子５０の構成
図７は、図１に示した光学素子５０の斜視図である。なお、図７には、光学素子５０の一部を拡大した拡大図も図示している。図７の拡大図は、ＸＺ面における側面図である。

光学素子５０は、基材５１、及び複数の光学要素５２を備える。基材５１は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。

基材５１の底面には、複数の光学要素５２が設けられる。複数の光学要素５２の各々は、三角柱で構成される。光学要素５２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５１に接する。複数の光学要素５２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５２は、ＸＺ面において鋸歯状を有する。

複数の光学要素５２の各々は、入射面５３及び反射面５４を有する。Ｙ方向から見て、左側の側面が入射面５３であり、右側の側面が反射面５４である。入射面５３は、表示素子２０からの光が入射する面である。反射面５４は、入射面５３に外部から入射した光を、光学要素５２の内部で反射する面である。入射面５３と反射面５４とは、角度θ_ｐを有する。

基材５１及び光学要素５２は、透明材料で構成される。光学要素５２は、例えば、基材５１と同じ透明材料によって基材５１と一体的に形成される。基材５１と光学要素５２とを個別に形成し、透明な接着材を用いて基材５１に光学要素５２を接着してもよい。基材５１及び光学要素５２を構成する透明材料としては、ガラス、又は透明な樹脂（アクリル樹脂を含む）が用いられる。

このように構成された光学素子５０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５０は、素子面の正面の位置に、空中像を結像する。

［１－４］ 空中表示装置１のブロック構成
図８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、制御部６０、記憶部６１、入出力インターフェース（入出力ＩＦ）６２、表示部６３、センシング装置６４、及び入力部６５を備える。制御部６０、記憶部６１、及び入出力インターフェース６２は、バス６６を介して互いに接続される。

入出力インターフェース６２は、表示部６３、センシング装置６４、及び入力部６５に接続される。入出力インターフェース６２は、表示部６３、センシング装置６４、及び入力部６５のそれぞれに対して、所定の規格に応じたインターフェース処理を行う。

表示部６３は、照明素子１０、及び表示素子２０を備える。表示部６３は、画像を表示する。

センシング装置６４は、検知領域に存在する検知対象物（物体）を検知する。センシング装置６４は、空中表示装置１が生成した空中像２の一部又は全部を含む空間領域（検知領域）に赤外光を出射し、検知対象物で反射した赤外光を検知する。センシング装置６４は、赤外光を発光する発光部と、赤外光を検知する受光部（センサ）とを含む。

制御部６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の１つ以上のプロセッサにより構成される。制御部６０は、記憶部６１に格納されたプログラムを実行することで各種機能を実現する。制御部６０は、表示処理部６０Ａ、位置算出部６０Ｂ、及び情報処理部６０Ｃを備える。

表示処理部６０Ａは、表示部６３（具体的には、照明素子１０、及び表示素子２０）の動作を制御する。表示処理部６０Ａは、照明素子１０のオン及びオフを制御する。表示処理部６０Ａは、表示素子２０に画像信号を送信し、表示素子２０に画像を表示させる。

位置算出部６０Ｂは、センシング装置６４の動作を制御する。位置算出部６０Ｂは、センシング装置６４に赤外光からなる検知領域を形成させる。位置算出部６０Ｂは、センシング装置６４から送られる複数の検知信号に基づいて、検知領域内の検知対象物の位置を算出する。例えば、位置算出部６０Ｂは、複数の検知信号に基づいて、検知領域のうちユーザがタッチした位置を算出する。位置を算出する方法は、既知の方法（三角測量の原理など）が用いられる。

情報処理部６０Ｃは、空中表示装置１が表示する画像を生成する。情報処理部６０Ｃは、記憶部６１に格納された画像データを用いることが可能である。情報処理部６０Ｃは、図示せぬ通信機能を用いて外部から画像データを取得してもよい。

記憶部６１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、及びＳＳＤ（Solid State Drive）等の不揮発性記憶装置と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びレジスタ等の揮発性記憶装置とを含む。記憶部６１は、制御部６０が実行するプログラムを格納する。記憶部６１は、制御部６０の制御に必要な各種データを格納する。記憶部６１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６５は、タッチパネルやボタンなどを含み、ユーザが入力した情報を受け付ける。情報処理部６０Ｃは、入力部６５が受け付けた情報に基づいて、表示部６３に表示する画像を選択することが可能である。

［２］ 空中表示装置１の動作
次に、上記のよう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及び図３の矢印は、光路を示している。図２及び図３に示すように、表示素子２０から出射された光は、光補正素子３０を透過した後、配向制御素子４０に入射する。光補正素子３０の動作については後述する。表示素子２０から出射された光のうち角度θ_１の光成分（角度θ_１を中心とした所定の角度範囲の光成分を含む）は、配向制御素子４０を透過する。配向制御素子４０を透過した光は、光学素子５０に入射する。光学素子５０は、入射光を、配向制御素子４０と反対側の空中に結像し、空中に空中像２を表示する。

図９は、光学素子５０における光の反射の様子を説明する斜視図である。図１０は、光学素子５０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１０は、観察者３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５０を見た図である。図１１は、光学素子５０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１１は、観察者３の両目がＹ方向に平行な状態で光学素子５０を見た図である。なお、図１１では、光補正素子３０の屈折作用については考慮していない。

表示素子２０の表示面における任意の点“ｏ”から出射された光は、光学素子５０の入射面５３に入射し、反射面５４に到達する。反射面５４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、反射面５４で全反射され、光学素子５０の光学要素５２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１０のＸＺ面では、点“ｏ”から出射された光は、光学要素５２の反射面５４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１１のＹＺ面では、点“ｏ”から出射された光は、光学要素５２の反射面５４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３が空中像を認識できる条件は、観察者３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３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１２は、光学素子５０における入射面５３及び反射面５４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）に対する入射面５３の角度をθ_２、Ｚ方向に対する反射面５４の角度をθ_３、入射面５３と反射面５４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）

表示素子２０から角度θ_１で出射された光は、入射面５３に入射する。光学素子５０の材料の屈折率をｎ_ｐ、空気の屈折率を１とする。入射面５３における入射角をθ_４、屈折角をθ_５とする。反射面５４における入射角をθ_６、反射角をθ_７（＝θ_６）とする。光学素子５０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）

反射面５４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、反射面５４における入射角θ_６は、反射面５４における臨界角より大きく設定される。換言すると、反射面５４の角度θ_３は、反射面５４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、入射面５３に入射した光は、入射面５３で全反射されないように設定される。すなわち、入射面５３の角度θ_２は、入射面５３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５０の素子面と空中像２の面との角度、及び光学素子５０の素子面と空中像２の面との距離は、光学素子５０に入射する光の角度θ_１、光学素子５０の屈折率、光学素子５０の入射面５３の角度θ_２、光学素子５０の反射面５４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１３は、空中表示装置１が生成する空中像の一例を説明する斜視図である。空中表示装置１は、長方形の筐体を備え、空中表示装置１を構成する複数の素子が当該筐体内に収容される。空中表示装置１は、最上面に光出射面１Ａを備え、当該光出射面１Ａから空中像２を生成するための光を出射する。図１３では、空中像２としてボタンを例示している。

空中表示装置１に含まれるセンシング装置６４は、空中像２を含む空間領域に検知領域６４Ａを形成する。検知領域６４Ａは、赤外光で形成される。観察者３の指３Ａが空中像２をタッチすると、センシング装置６４は、観察者３の指３Ａを検知する。位置算出部６０Ｂは、センシング装置６４から送られる複数の検知信号に基づいて、観察者３の指３Ａの位置を算出する。これにより、空中表示装置１は、観察者３に向けてボタン２を表示させるとともに、観察者３がボタン２を押したことを検出できる。

次に、光補正素子３０の動作について説明する。図１４は、光補正素子３０の動作を説明するＹＺ面の側面図である。図１４には、表示素子２０及び光補正素子３０を抽出して示している。図１４には、光線を追跡した様子を示している。

なお、配向制御素子４０は、ＸＺ面における光の拡がりに対して配向を制御している。配向制御素子４０の遮光部材４４はＹ方向に延在しているため、配向制御素子４０は、ＹＺ面では光の拡がりに対してほとんど配向を制御していない。ＹＺ面における光の作用については、配向制御素子４０は、ほぼ影響を及ぼさないため、図１４のＹＺ面における側面図では、配向制御素子４０の図示を省略している。同様に、光学素子５０は、ＸＺ面における光の拡がりに対して反射を制御している。光学素子５０の光学要素５２はＹ方向に延在しているため、光学素子５０は、ＹＺ面では光の拡がりに対してほとんど反射を制御していない。ＹＺ面における光の作用については、光学素子５０は、ほぼ影響を及ぼさないため、図１４のＹＺ面における側面図では、光学素子５０の図示を省略している。

表示素子２０は、光補正素子３０に向けて光を出射する。図１４では、表示素子２０の点“ｏ”から出射された光を示しており、当該光は、所定の拡がりを持って表示素子２０から出射される。表示素子２０から光補正素子３０に入射した光は、複数の第１レンズ面３１で屈折し、複数の第１レンズ面３１で屈折した光は、複数の第２レンズ面３２で屈折する。光補正素子３０で２回屈折した光は、空中の点“ｏ´”で結像する。点“ｏ´”は、空中像２が結像する位置である。例えば、点“ｏ”から光補正素子３０までの距離は、光補正素子３０から点“ｏ´”までの距離と同じである。点“ｏ´”の位置は、表示素子２０と光補正素子３０との距離、及び図５に示した光補正素子３０の光学特性を調整することで適宜設定される。

なお、光補正素子３０は、ＸＺ面おける光の拡がりに対してはレンズとして機能しないため、ＸＺ面における光線をほとんど屈折させない。すなわち、光補正素子３０は、ＸＺ面における光線にほとんど影響を及ぼさない。

図１５は、観察者３が空中像２を見る様子を説明する模式図である。図１５は、ＹＺ面における側面図であり、また、観察者３が空中表示装置１を正面から見た場合を示している。観察者３の両目を結ぶ線は、Ｘ方向に平行な状態である。

空中表示装置１に含まれるセンシング装置６４は、空中像２を含む空間領域に検知領域６４Ａを形成する。空中像２は、検知領域６４Ａと同じ位置に形成される。観察者３は、平面視において検知領域６４Ａと同じ位置に空中像２を視認する。図１５の動作は、図１３の動作に対応している。

図１６は、観察者３が空中像２を見る様子を説明する模式図である。図１６は、ＹＺ面における側面図であり、また、観察者３が空中表示装置１の正面からＹ方向にずれた位置から空中表示装置１を見た場合を示している。

図１６の場合、観察者３は、光補正素子３０で屈折した光のうち図１６の左側の領域の光成分を視認する。結果として、観察者３は、平面視において検知領域６４Ａと同じ位置に空中像２を視認する。

図１７は、図１６に対応する空中表示装置１の動作を説明する斜視図である。センシング装置６４は、空間の決まった位置に検知領域６４Ａを形成する。空中表示装置１の正面からＹ方向にずれた位置から空中表示装置１を観察した観察者３は、空中表示装置１の正面の空中像２を視認する。これにより、センシング装置６４は、観察者３の指３Ａをより正確に検知できる。

図１８は、観察者３が空中像２を見る様子を説明する模式図である。図１８は、ＹＺ面における側面図であり、また、観察者３が空中表示装置１の正面からＹ方向と反対方向にずれた位置から空中表示装置１を見た場合を示している。

図１８の場合、観察者３は、光補正素子３０で屈折した光のうち図１８の右側の領域の光成分を視認する。結果として、観察者３は、平面視において検知領域６４Ａと同じ位置に空中像２を視認する。

図１９は、図１８に対応する空中表示装置１の動作を説明する斜視図である。センシング装置６４は、空間の決まった位置に検知領域６４Ａを形成する。空中表示装置１の正面からＹ方向と反対方向にずれた位置から空中表示装置１を観察した観察者３は、空中表示装置１の正面の空中像２を視認する。これにより、センシング装置６４は、観察者３の指３Ａをより正確に検知できる。

［３］ 比較例
図２０は、比較例に係る空中表示装置１の動作を説明する斜視図である。

比較例に係る空中表示装置１は、光補正素子３０を備えていない構成である。光補正素子３０が存在しない場合、表示素子２０から出射された光は、ＹＺ面においてほとんど屈折しない。すなわち、表示素子２０から出射された光は、ＹＺ面においてほとんど直線的に光学素子５０を透過する。

観察者３が空中表示装置１の正面からＹ方向にずれた位置から空中表示装置１を見た場合、空中像２は、観察者３の視線とともにＹ方向に移動する。同様に、観察者３が空中表示装置１の正面からＹ方向と反対方向にずれた位置から空中表示装置１を見た場合、空中像２は、観察者３の視線とともにＹ方向と反対方向に移動する。

センシング装置６４は、空間の決まった位置に検知領域６４Ａを形成する。この場合、前述した２種類の空中像２は、検知領域６４Ａと重なっていない。よって、観察者３が指３Ａで空中像２としてのボタンをタッチしても、センシング装置６４は、観察者３の指３Ａを検知できない可能性がある。

これに対し、本実施形態に係る空中表示装置１は、ＹＺ面において光を屈折させる光補正素子３０を備えている。本実施形態に係る空中表示装置１の動作は前述した通りである。これにより、本実施形態は、比較例による問題を解決できる。

［４］ 変形例
次に、空中表示装置１の変形例について説明する。図２１は、変形例に係る空中表示装置１のＸＺ面における側面図である。光補正素子３０は、配向制御素子４０と光学素子５０との間に配置してもよい。変形例に係る空中表示装置１においても、上記実施形態と同じ動作を実現できる。

［５］ 実施形態の効果
本発明の実施形態によれば、表示素子２０から出射された光を光学素子５０で反射させることで、空中に空中像２を表示することができる。また、空中表示装置１の正面方向において、空中像２を表示することができる。また、表示品質を向上させることが可能な空中表示装置を実現できる。

また、光補正素子３０は、ＹＺ面において光を空中表示装置１の法線側に屈折させる。よって、観察者３がＹ方向（光学素子５０の光学要素５２が延びる方向）に沿って視線を動かした場合でも、空中表示装置１の正面から見た場合と同じ位置に空中像２を表示させることができる。

また、空中表示装置１は、センシング装置６４を備える。センシング装置６４は、空中像２を含む空間領域に検知領域６４Ａを形成し、この検知領域６４Ａに存在する対象物を検知することができる。

また、観察者３がＹ方向に沿って視線を動かした場合でも、空中表示装置１は、空中像２を検知領域６４Ａに重ねて表示することができる。これにより、空中像２を観察者３が指３Ａなどでタッチした場合に、より正確に観察者３の指３Ａを検知することができる。

また、観察者３の両眼がＸ方向（すなわち、複数の光学要素５２が並ぶ方向）に平行、又はそれに近い状態で光学素子５０を見た場合に、観察者３は、空中像を視認することができる。また、観察者３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。また、観察者３の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態において、より広い視野角を実現できる。

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方向に小型化が可能な空中表示装置１を実現できる。

上記実施形態では、表示素子２０と光学素子５０とを平行に配置している。しかし、これに限定されず、光学素子５０に対して表示素子２０を斜めに配置してもよい。表示素子２０と光学素子５０との角度は、０度より大きく４５度より小さい範囲に設定される。この変形例の場合、光補正素子３０は、表示素子２０と平行に配置され、配向制御素子４０は省略される。

上記実施形態では、光学要素５２の左側の側面が入射面５３、右側の側面が反射面５４として定義している。しかし、これに限定されず、入射面５３と反射面５４とを逆に構成してもよい。この場合、実施形態で説明した空中表示装置１の作用も左右が逆になる。

上記実施形態では、表示素子２０として液晶表示素子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く、様々な種類の表示素子を用いることが可能である。表示素子２０は、例えば、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が可能である。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。自発光型の表示素子２０を用いる場合、照明素子１０は不要である。

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、２…空中像、３…観察者、１０…照明素子、１１…光源部、１２…導光板、１３…反射シート、２０…表示素子、３０…光補正素子、３１…第１レンズ面、３２…第２レンズ面、４０…配向制御素子、４１，４２…基材、４３…透明部材、４４…遮光部材、５０…光学素子、５１…基材、５２…光学要素、５３…入射面、５４…反射面、６０…制御部、６０Ａ…表示処理部、６０Ｂ…位置算出部、６０Ｃ…情報処理部、６１…記憶部、６２…入出力インターフェース、６３…表示部、６４…センシング装置、６４Ａ…検知領域、６５…入力部、６６…バス。

Claims (9)

1. 画像を表示する表示素子と、
   前記表示素子から出射された光を受けるように配置され、前記表示素子から出射された光を、面内に直交する法線側に屈折させる光補正素子と、
   前記光補正素子から出射された光を受けるように配置され、前記光補正素子から出射された光を、前記光補正素子と反対側に反射し、空中に空中像を結像する光学素子と、
   を具備する空中表示装置。
2. 前記光学素子は、前記光補正素子から出射された光のうち面内に直交する第１面に拡がる光成分を前記面内に直交する法線側に反射し、
   前記光補正素子は、前記表示素子から出射された光のうち前記面内かつ前記第１面に直交する第２面に拡がる光成分を前記法線側に屈折させる
   請求項１に記載の空中表示装置。
3. 前記光補正素子は、底面に設けられた複数の第１レンズ面と、上面に設けられた複数の第２レンズ面とを有し、
   前記複数の第１レンズ面は、凸レンズを構成し、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方向に並び、
   前記複数の第２レンズ面は、凸レンズを構成し、それぞれが前記第１方向に延び、前記第２方向に並ぶ
   請求項１又は２に記載の空中表示装置。
4. 前記光学素子は、前記光補正素子から斜め方向に入射した光を法線方向に反射する
   請求項３に記載の空中表示装置。
5. 前記光学素子は、平面状の基材と、前記基材の下に設けられ、それぞれが前記第２方向に延び、前記第１方向に並んだ複数の光学要素とを含み、
   前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射面及び反射面を有する
   請求項４に記載の空中表示装置。
6. 前記表示素子、前記光補正素子、及び前記光学素子は、互いに平行に配置される
   請求項１又は２に記載の空中表示装置。
7. 前記光補正素子と前記光学素子との間に配置され、前記表示素子から出射された光の一部を透過する配向制御素子をさらに具備する
   請求項１又は２に記載の空中表示装置。
8. 前記配向制御素子は、交互に配置された複数の透明部材及び複数の遮光部材を含み、
   前記複数の遮光部材は、前記配向制御素子の法線に対して傾いている
   請求項７に記載の空中表示装置。
9. 光を発光する照明素子をさらに具備し、
   前記表示素子は、前記照明素子からの光を受けるように配置され、液晶表示素子で構成される
   請求項１又は２に記載の空中表示装置。