JP2024036164A - 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、表示素子２０と、光分割素子３０と、光学素子４０とを含む。表示素子２０は、画像を表示し、複数の第１要素画素及び複数の第２要素画素を有する。複数の第１要素画素は、第１方向に並び、それぞれが第１方向に直交する第２方向に延びる。複数の第２要素画素は、第１方向に並び、それぞれが第２方向に延びる。複数の第１要素画素及び複数の第２要素画素は、交互に配置される。光分割素子３０は、表示素子２０から出射された光を受けるように配置され、複数の第１要素画素から出射された光の一部を右斜め方向に出射し、複数の第２要素画素から出射された光の一部を左斜め方向に出射する。光学素子４０は、光分割素子３０から出射された光を受けるように配置され、光分割素子３０から出射された光を、光分割素子３０と反対側に反射し、空中に空中像を結像する。
【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、画像を表示し、複数の第１要素画素及び複数の第２要素画素を有し、前記複数の第１要素画素は、第１方向に並び、それぞれが前記第１方向に直交する第２方向に延び、前記複数の第２要素画素は、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延び、前記複数の第１要素画素及び前記複数の第２要素画素は、交互に配置される、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、前記複数の第１要素画素から出射された光の一部を右斜め方向に出射し、前記複数の第２要素画素から出射された光の一部を左斜め方向に出射する光分割素子と、前記光分割素子から出射された光を受けるように配置され、前記光分割素子から出射された光を、前記光分割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、前記光分割素子は、複数の透過領域及び複数の遮光領域を有し、前記複数の透過領域は、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延び、前記複数の遮光領域は、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延び、前記複数の透過領域及び前記複数の遮光領域は、交互に配置される、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、前記光分割素子は、平面状の透明部材と、前記透明部材上に設けられた複数の遮光層とを含み、複数の遮光層は、前記第１方向に間隔を空けて並び、それぞれが前記第２方向に延びる、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、前記第１方向における前記第１要素画素及び前記第２要素画素の合計の長さは、前記第１方向における前記透過領域及び前記遮光領域の合計の長さと同じである、第２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、前記第１要素画素と前記第２要素画素との境界の位置は、前記透過領域の中心の位置と同じである、第２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、前記光学素子は、前記光分割素子から斜め方向に入射した光を、面内に直交する法線方向に反射する、第１態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第７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、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延びる複数の光学要素とを含み、前記複数の光学要素の各々は、前記法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する第１反射面及び第２反射面を有する、第６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、前記光分割素子、及び前記光学素子は、互いに平行に配置される、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、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に示した表示素子の模式的な平面図である。 図４は、図１に示した光分割素子の斜視図である。 図５は、光分割素子のパラメータを説明するＸＺ面の側面図である。 図６は、図１に示した光学素子の斜視図である。 図７は、空中表示装置のブロック図である。 図８は、表示素子及び光分割素子の動作を説明する図である。 図９は、表示素子及び光分割素子の配光特性を説明するグラフである。 図１０は、光学素子における光の反射の様子を説明する斜視図である。 図１１は、光学素子における光の反射の様子を説明するＸＺ面の側面図である。 図１２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１３は、光学素子における第１反射面及び第２反射面の角度条件を説明する図である。 図１４は、空中表示装置の光線追跡図である。 図１５は、空中表示装置の表示動作を説明する図である。 図１６は、空中表示装置が表示する空中像を説明する図である。 図１７は、表示素子の複数の要素画素ＥＰ_Ｌが表示する空中像を説明する図である。 図１８は、表示素子の複数の要素画素ＥＰ_Ｒが表示する空中像を説明する図である。 図１９は、表示素子の画面に表示される画像を説明する図である。 図２０は、光分割素子の製造方法を説明する断面図である。 図２１は、光分割素子の製造方法を説明する断面図である。 図２２は、光分割素子の製造方法を説明する断面図である。 図２３は、光分割素子の製造方法を説明する断面図である。 図２４は、本発明の第２実施形態に係る表示素子及び光分割素子の模式的な平面図である。 図２５は、表示素子及び光分割素子のＸＺ面の側面図である。 図２６は、空中表示装置のブロック図である。 図２７は、本発明の第３実施形態に係る表示素子の模式的な平面図である。

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］ 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２の矢印は、大まかな光路を表している。

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、光分割素子３０、及び光学素子４０を備える。照明素子１０、表示素子２０、光分割素子３０、及び光学素子４０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、光分割素子３０、及び光学素子４０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。

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。

光分割素子３０は、表示素子２０から出射された光を、第１空中像を表示するための第１光成分と、第２空中像を表示するための第２光成分とに分割する機能を有する。光分割素子３０の詳細な構成については後述する。

光学素子４０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４０は、底面側から面内に直交する法線方向に対して斜め方向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。光学素子４０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４０の詳細な構成については後述する。空中像２は、光学素子４０の素子面に平行であり、２次元の画像である。素子面とは、光学素子４０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。光学素子４０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。

［１－１－１］ 表示素子２０の構成
図３は、図１に示した表示素子２０の模式的な平面図である。

表示素子２０は、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の要素画素ＥＰを備える。複数の要素画素ＥＰの各々は、Ｙ方向に一列に並んだ複数の画素ＰＸを備える。

複数の画素ＰＸの各々は、表示素子２０が表示する画像の色情報の最小単位である。画素ＰＸは、例えば、光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）にそれぞれ対応する赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂで構成される。図３では、３行分の画素アレイを赤、緑、及び青のハッチングで示している。３行分以外の画素についても同じ構成である。

赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂの各々は、長手方向がＹ方向である長方形を有する。赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂは、Ｘ方向に並ぶように配置される。赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂは、全体として正方形に構成される。

複数の要素画素ＥＰは、便宜上、交互に並んだ左側の要素画素ＥＰ_Ｌ及び右側の要素画素ＥＰ_Ｒとして定義される。要素画素ＥＰ_Ｌと要素画素ＥＰ_Ｒとの物理的な構造は同じである。要素画素ＥＰ_Ｌと要素画素ＥＰ_Ｒとを区別しない場合は、要素画素ＥＰと表記する。

要素画素ＥＰの左右の関係は、光分割素子３０との位置関係で決まる内容であり、詳細は後述する。

［１－１－２］ 光分割素子３０の構成
図４は、図１に示した光分割素子３０の斜視図である。光分割素子３０は、透明部材３１、及び複数の遮光層３２を備える。

透明部材３１は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。透明部材３１は、透明材料で構成され、例えば、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。

透明部材３１上には、複数の遮光層３２が設けられる。複数の遮光層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。複数の遮光層３２は、同じ幅を有し、所定の間隔を空けるようにして互いに等間隔で配置される。複数の遮光層３２は、光を遮光する機能を有する。遮光層３２は、例えば、クロム（Ｃｒ）、クロム化合物、若しくは黒色の染料又は顔料を含む樹脂で構成される。

光分割素子３０は、複数の透過領域３３と、複数の遮光領域３４とを有する。複数の透過領域３３と複数の遮光領域３４とは、交互に配置される。透過領域３３は、遮光層３２が設けられていない領域であり、遮光領域３４は、遮光層３２が設けられている領域である。

図５は、光分割素子３０のパラメータを説明するＸＺ面の側面図である。
光分割素子３０は、表示素子２０上に設けられる。図５では、光分割素子３０が表示素子２０に接するように配置される場合を一例として示している。

前述したように、表示素子２０は、交互に配置された複数の要素画素ＥＰ_Ｌ及び複数の要素画素ＥＰ_Ｒを備える。透過領域３３の中心線を基準にして、左側の要素画素がＥＰ_Ｌであり、右側の要素画素がＥＰ_Ｒである。要素画素ＥＰ_Ｌと要素画素ＥＰ_Ｒとの境界は、透過領域３３の中心線に設定される。要素画素ＥＰ_Ｌから出射される光を実線矢印で示し、要素画素ＥＰ_Ｒから出射される光を破線矢印で示している。

表示素子２０の要素画素ＥＰと、光分割素子３０の透過領域３３及び遮光領域３４との長さの関係は、以下の式（１）で表される。
Ｂｐ＝Ｂｄ＋Ｂｓ＝２Ｄｐ ・・・（１）
Ｄｐ：要素画素ＥＰのＸ方向の長さ
Ｂｓ：透過領域３３のＸ方向の長さ
Ｂｄ：遮光領域３４のＸ方向の長さ
Ｂｐ：透過領域３３と遮光領域３４との合計のＸ方向の長さ

要素画素ＥＰのＸ方向の長さＤｐは、要素画素ＥＰのピッチともいう。透過領域３３と遮光領域３４との合計のＸ方向の長さＢｐは、光分割素子３０のピッチともいう。光分割素子３０のピッチは、同じ要素の繰り返し単位であり、換言すると、遮光領域３４を挟んで並んだ２個の透過領域３３の中心線間の距離である。

式（１）から、要素画素ＥＰの長さＤｐが決まると、長さＢｐが算出される。光分割素子３０は、透過領域３３の中心線が要素画素ＥＰ_Ｌと要素画素ＥＰ_Ｒとの境界を通るように構成される。

なお、Ｘ方向における透過領域３３と遮光領域３４との合計の長さは、Ｘ方向における要素画素ＥＰ_Ｌと要素画素ＥＰ_Ｒとの合計の長さと完全に一致していなくてもよく、これらの長さ関係は、製造上の誤差、及び合わせずれによる誤差を含む。

要素画素ＥＰ及び光分割素子３０の光出射角は、以下の式（２）、（３）で表される。
θ_１＝ｓｉｎ^－１（（ｎ_２／ｎ_１）＊ｓｉｎθ_２） ・・・（２）
θ_１´＝ｓｉｎ^－１（（ｎ_２／ｎ_１）＊ｓｉｎθ_２´） ・・・（３）
θ_１：要素画素ＥＰ_Ｌの中心から出射される光の出射角
θ_１´：要素画素ＥＰ_Ｒの中心から出射される光の出射角
θ_２：要素画素ＥＰ_Ｌからの光が光分割素子３０から出射される際の出射角
θ_２´：要素画素ＥＰ_Ｒからの光が光分割素子３０から出射される際の出射角
ｎ_１：光分割素子３０の透明部材３１の屈折率
ｎ_２：光分割素子３０上の媒質の屈折率

本実施形態では、屈折率ｎ_２は、空気とし、その値を１とする。なお、要素画素ＥＰは、法線方向を中心として放射状に光を出射する。図５に示した矢印は、要素画素ＥＰから出射された光のうち表示に使用される光成分を模式的に示している。図５に示した矢印は、表示に使用される光成分の中心の光路を意味する。

出射角θ_２は、１０度以上４０度以下に設定される。出射角θ_２´は、１０度以上４０度以下に設定される。式（２）、（３）から、出射角θ_１、及び出射角θ_１´の角度範囲が算出される。

表示素子２０の上面から遮光層３２までの距離をＺｂとする。距離Ｚｂが短くなると、出射角θ_２及び出射角θ_２´が大きくなり、距離Ｚｂが長くなると、出射角θ_２及び出射角θ_２´が小さくなる。距離Ｚｂは、表示素子２０と光分割素子３０とを接するように配置した場合は、透明部材３１の厚さに対応し、表示素子２０と光分割素子３０とを間隔を空けて配置した場合は、透明部材３１の厚さと表示素子２０及び光分割素子３０の間隔との合計の距離に対応する。

図５では、表示素子２０と光分割素子３０とが接している例を示しているが、表示素子２０と光分割素子３０とを間隔を空けて配置した場合は、光分割素子３０の底面での屈折角を考慮して、出射角θ_１、及び出射角θ_１´が設定される。

［１－１－３］ 光学素子４０の構成
図６は、図１に示した光学素子４０の斜視図である。なお、図６には、光学素子４０の一部を拡大した拡大図も図示している。図６の拡大図は、ＸＺ面における側面図である。

光学素子４０は、基材４１、及び複数の光学要素４２を備える。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の底面には、複数の光学要素４２が設けられる。複数の光学要素４２の各々は、三角柱で構成される。光学要素４２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４１に接する。複数の光学要素４２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４２は、ＸＺ面において鋸歯状を有する。

複数の光学要素４２の各々は、第１反射面４３及び第２反射面４４を有する。Ｙ方向から見て、左側の側面が第１反射面４３であり、右側の側面が第２反射面４４である。第１反射面４３は、要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光を、光学要素４２の内部で反射する面である。第２反射面４４は、要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光を、光学要素４２の内部で反射する面である。基材４１の法線方向に対する第１反射面４３の角度と第２反射面４４の角度は、例えば同じ角度に設定される。

基材４１及び光学要素４２は、透明材料で構成される。光学要素４２は、例えば、基材４１と同じ透明材料によって基材４１と一体的に形成される。基材４１と光学要素４２とを個別に形成し、透明な接着材を用いて基材４１に光学要素４２を接着してもよい。基材４１及び光学要素４２を構成する透明材料としては、例えば、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４０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４０は、素子面の正面の位置に、空中像２を結像する。

光学要素４２のＸ方向の長さは任意に設定可能である。光学要素４２のＸ方向の長さを、光学素子４０のピッチともいう。光学素子４０のピッチを小さくすると、空中表示装置１の解像度（表示画像の緻密さ）が高くなり、光学素子４０のピッチを大きくすると、空中表示装置１の解像度が低くなる。

［１－１－４］ 空中表示装置１のブロック構成
図７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５０、記憶部５１、入出力インターフェース（入出力ＩＦ）５２、表示部５３、及び入力部５４を備える。制御部５０、記憶部５１、及び入出力インターフェース５２は、バス５５を介して互いに接続される。

入出力インターフェース５２は、表示部５３、及び入力部５４に接続される。入出力インターフェース５２は、表示部５３、及び入力部５４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５３は、照明素子１０、及び表示素子２０を備える。表示部５３は、画像を表示する。

制御部５０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５０は、記憶部５１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５０は、表示処理部５０Ａ、及び情報処理部５０Ｂを備える。

表示処理部５０Ａは、表示部５３（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５０Ａは、照明素子１０のオン及びオフを制御する。表示処理部５０Ａ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。

情報処理部５０Ｂ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５０Ｂは、記憶部５１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５０Ｂ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５１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５１は、制御部５０が実行するプログラムを格納する。記憶部５１は、制御部５０の制御に必要な各種データを格納する。記憶部５１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５４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５０Ｂは、入力部５４が受け付けた情報に基づいて、表示部５３に表示する画像を選択することが可能である。

［１－２］ 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８は、表示素子２０及び光分割素子３０の動作を説明する図である。図８には、表示素子２０及び光分割素子３０の側面図と、表示素子２０の平面図とを示している。

要素画素ＥＰ_Ｌから放射状に出射された光のうち右斜め方向に進む光成分は、透過領域３３における遮光層３２の隙間を通過する。要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光のうち法線方向およびそれより左斜め方向に進む光成分は、遮光層３２で遮光される。

要素画素ＥＰ_Ｒから放射状に出射された光のうち左斜め方向に進む光成分は、透過領域３３における遮光層３２の隙間を通過する。要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光のうち法線方向およびそれより右斜め方向に進む光成分は、遮光層３２で遮光される。

このように、光分割素子３０は、複数の要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光を右斜め方向に配向して出射し、複数の要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光を左斜め方向に配向して出射することができる。また、光分割素子３０は、複数の要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光と、複数の要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光とを分割することができる。

図９は、表示素子２０及び光分割素子３０の配光特性を説明するグラフである。図９の横軸がＸ方向に沿って観察者が光分割素子３０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。角度０度は、光分割素子３０を法線方向（正面）から見た場合に対応する。図９の実線のグラフは、要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光を表しており、破線のグラフは、要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光を表している。

図９から理解できるように、光分割素子３０は、光分割素子３０を見る角度に応じて、要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光と、要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光とを分割することができている。光分割素子３０は、要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光のうち、角度３０度付近をピークとする光成分を出射することができる。また、光分割素子３０は、要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光のうち、角度－３０度付近をピークとする光成分を出射することができる。

図１０は、光学素子４０における光の反射の様子を説明する斜視図である。図１１は、光学素子４０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、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４０を見た図である。図１２は、光学素子４０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、観察者３の両目がＹ方向に平行な状態で光学素子４０を見た図である。

図１０乃至図１２は、光分割素子３０の任意の点“ｏ”から出射した光の様子を示している。また、図１０乃至図１２は、光分割素子３０から右斜め方向に出射した光成分の一部（図８の実線矢印の光成分の一部）の様子を示している。光分割素子３０から左斜め方向に出射した光成分の動作は、光学素子４０の点“ｏ”を通るＹＺ面に対して図１０乃至図１２の光成分と面対称の光成分の動作に対応する。以下では、光分割素子３０から右斜め方向に出射した光成分の動作について説明する。

光分割素子３０の任意の点“ｏ”から出射された光は、光学素子４０の第１反射面４３に入射し、第２反射面４４に到達する。第２反射面４４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、第２反射面４４で全反射され、光学素子４０の光学要素４２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１１のＸＺ面では、点“ｏ”から出射された光は、光学要素４２の第２反射面４４で全反射され、その光は空中で結像して空中像を生成する。

図１２のＹＺ面では、点“ｏ”から出射された光は、光学要素４２の第２反射面４４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１３は、光学素子４０における第１反射面４３及び第２反射面４４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）に対する第１反射面４３の角度をθ_３、Ｚ方向に対する第２反射面４４の角度をθ_４、第１反射面４３と第２反射面４４とのなす角度をθ_ｐとする。角度をθ_ｐは、以下の式（４）で表される。
θ_ｐ＝θ_３＋θ_４ ・・・（４）

光分割素子３０から角度θ_２で出射された光は、第１反射面４３に入射する。光学素子４０の材料の屈折率をｎ_ｐ、空気の屈折率を１とする。第１反射面４３における入射角をθ_５、屈折角をθ_６とする。第２反射面４４における入射角をθ_７、反射角をθ_８（＝θ_７）とする。光学素子４０の上面における入射角をθ_９、屈折角をθ_１０とする。屈折角θ_１０が出射角である。出射角θ_１０は、以下の式（５）で表される。
θ_１０＝sin^－１（ｎ_ｐ＊sin（sin^－１（（１／ｎ_ｐ）＊sin(９０°－（θ_２＋θ_３）））＋θ_３＋２θ_４－９０°）） ・・・（５）

第２反射面４４における臨界角は、以下の式（６）で表される。
臨界角＜θ_７（＝θ_８）
臨界角＝sin^－１（１／ｎ_ｐ） ・・・（６）

すなわち、第２反射面４４における入射角θ_７は、第２反射面４４における臨界角より大きく設定される。換言すると、第２反射面４４の角度θ_４は、第２反射面４４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、第１反射面４３に入射した光は、第１反射面４３で全反射されないように設定される。すなわち、第１反射面４３の角度θ_３は、第１反射面４３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４０の素子面と空中像２の面との角度、及び光学素子４０の素子面と空中像２の面との距離は、光学素子４０に入射する光の角度、光学素子４０の屈折率、光学素子４０の第１反射面４３の角度、光学素子４０の第２反射面４４の角度を最適に設定することで調整が可能である。

図１４は、空中表示装置１の光線追跡図である。
表示素子２０の表示面における任意の点“ｏ´”から、法線方向を中心として放射状に光が出射される。光分割素子３０は、表示素子２０から入射した光を分割し、角度θ_２を中心とした角度範囲の光成分を出射する。図１４から理解できるように、光分割素子３０からは、法線方向より右側に傾いた方向の光成分が出射している。

光分割素子３０から光学素子４０に斜めに入射した光は、光学素子４０によって正面方向に反射される。そして、光学素子４０によって反射された光は、点“ｏ´´”で結像する。点“ｏ´´”の位置は、空中像２が表示される位置である。

（空中表示装置１のより詳細な表示動作）
次に、空中表示装置１のより詳細な表示動作について説明する。
図１５は、空中表示装置１の表示動作を説明する図である。図１５では、光学素子４０のピッチが光分割素子３０のピッチと同じである場合を一例として示している。図１５の例では、光学素子４０における光学要素４２の頂点の位置は、光分割素子３０における透過領域３３の中心の位置と同じである。

表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｌから放射状に出射された光の一部は、光分割素子３０から右斜め方向に出射する。表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光は、実線矢印で示している。光分割素子３０から右斜め方向に出射した光は、光学素子４０の第１反射面４３に入射し、第２反射面４４で反射される。光学素子４０の第２反射面４４で反射された光は、光学素子４０の上面からおおよそ法線方向に出射され、空中像を生成する。

表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｒから放射状に出射された光の一部は、光分割素子３０から左斜め方向に出射する。表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光は、破線矢印で示している。光分割素子３０から左斜め方向に出射した光は、光学素子４０の第２反射面４４に入射し、第１反射面４３で反射される。光学素子４０の第１反射面４３で反射された光は、光学素子４０の上面からおおよそ法線方向に出射され、空中像を生成する。

空中表示装置１をＺ方向から見た場合において、３つの領域ＤＡ１～ＤＡ３を定義する。領域ＤＡ１は、Ｘ方向において中央の領域であり、要素画素ＥＰ_Ｌからの光と要素画素ＥＰ_Ｒからの光とが重なる領域である。領域ＤＡ２は、Ｘ方向において右側の領域であり、要素画素ＥＰ_Ｌからの光のみが出射する領域である。領域ＤＡ３は、Ｘ方向において左側の領域であり、要素画素ＥＰ_Ｒからの光のみが出射する領域である。

図１６は、空中表示装置１が表示する空中像２を説明する図である。空中像２として、“１”～“９”、“／”、“＊”、“－”、“＋”の表示ボタンを一例として示している。空中像２は、領域ＤＡ１～ＤＡ３に表示される。“２”、“４”、“９”の表示ボタンは、赤である。“１”、“６”、“８”の表示ボタンは、緑である。“３”、“５”、“７”の表示ボタンは、青である。“／”、“＊”、“－”、“＋”の表示ボタンは、グレーである。

図１７は、表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｌが表示する空中像を説明する図である。図１８は、表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｒが表示する空中像を説明する図である。

表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｌは、“２”、“３”、“５”、“６”、“８”、“９”、“／”、“＊”、“－”、“＋”の表示ボタンを表示する。“２”、“３”、“５”、“６”、“８”、“９”、“／”、“＊”、“－”、“＋”の表示ボタンは、領域ＤＡ１、ＤＡ２に表示される。表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｒは、“１”、“４”、“７”の表示ボタンを表示する。“１”、“４”、“７”の表示ボタンは、領域ＤＡ１、ＤＡ３に表示される。

図１７に示した複数の要素画素ＥＰ_Ｌが表示する空中像と、図１８に示した複数の要素画素ＥＰ_Ｒが表示する空中像とが重なることで、図１６に示した空中像が表示される。

図１９は、表示素子２０の画面に表示される画像を説明する図である。複数の要素画素ＥＰ_Ｌは、“２”、“３”、“５”、“６”、“８”、“９”、“／”、“＊”、“－”、“＋”の表示ボタンを表示する。複数の要素画素ＥＰ_Ｒは、“１”、“４”、“７”の表示ボタンを表示する。表示素子２０の左側の領域では、“２”、“５”、“８”の表示ボタンと、“１”、“４”、“７”の表示ボタンとが重なるように表示される。図１９では、便宜上、“１”、“４”、“７”の表示ボタンは、破線で示している。図１９の画像の光が光分割素子３０によって分割されることで、図１６の空中像が空中に表示される。

［１－３］ 光分割素子３０の製造方法
次に、光分割素子３０の製造方法について説明する。図２０乃至図２３は、光分割素子３０の製造方法を説明する断面図である。

図２０に示すように、光分割素子３０用の透明部材３１を準備する。透明部材３１は、透明材料で構成され、例えば、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。

続いて、透明部材３１上に、遮光層３２を成膜する。遮光層３２は、クロム（Ｃｒ）、クロム化合物、若しくは黒色の染料又は顔料を含む樹脂で構成される。

続いて、図２１に示すように、遮光層３２上に、感光性樹脂（レジスト）６０を成膜する。続いて、レジスト６０を露光及び現像する。レジスト６０としてポジ型レジストを用いた場合、露光により感光した部分が現像で除去される。

続いて、図２２に示すように、レジスト６０をマスクとして、遮光層３２をエッチングする。

続いて、図２３に示すように、レジスト６０を除去する。以上の製造工程により、透明部材３１及び遮光層３２を備えた光分割素子３０が製造される。

［１－５］ 第１実施形態の効果
第１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４０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１を実現できる。

また、表示素子２０は、交互に配置された複数の要素画素ＥＰ_Ｌ及び複数の要素画素ＥＰ_Ｒを備える。光分割素子３０は、複数の要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光の一部を右斜め方向に出射し、複数の要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光の一部を左斜め方向に出射する。これにより、Ｘ方向において、表示素子２０の長さより長い空中像２を表示することができる。結果として、表示素子２０のサイズより大きい空中像２を表示することができる。

また、複数の要素画素ＥＰ_Ｌ及び複数の要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光のうち空中像２の表示に寄与しない光成分を、光分割素子３０の遮光層３２で遮光することができる。これにより、空中像２の表示品質をより向上させることができる。

また、観察者３の両眼がＸ方向（すなわち、複数の光学要素４２が並ぶ方向）に平行、又はそれに近い状態で光学素子４０を見た場合に、観察者３は、空中像２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２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。

［２］ 第２実施形態
第２実施形態は、光分割素子３０の透過領域３３と遮光領域３４との長さを可変するようにしている。

図２４は、本発明の第２実施形態に係る表示素子２０及び光分割素子３０の模式的な平面図である。図２５は、表示素子２０及び光分割素子３０のＸＺ面の側面図である。

表示素子２０の構成は、第１実施形態と同じである。表示素子２０は、Ｘ方向に沿って交互に配置された複数の要素画素ＥＰ_Ｌと複数の要素画素ＥＰ_Ｒとを備える。図２５の要素画素の上の領域には、透明基板、及び偏光板などの透明部材が配置される。

光分割素子３０は、電気的に透過状態及び遮光状態に設定可能な光変調素子で構成される。光分割素子３０は、白黒表示が可能な透過型液晶表示装置、又はエレクトロクロッミック表示装置などで構成される。液晶表示装置は、パッシブマトリクス方式でもよいし、アクティブマトリクス方式でもよい。液晶表示装置において、白表示が透過状態に対応し、黒表示が遮光状態に対応する。エレクトロクロッミック表示装置は、エレクトロクロミック材料を電気化学的に酸化還元することで光透過率を変化させることが可能な表示装置である。

光分割素子３０は、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の要素画素を備える。複数の要素画素の各々は、電気的に透過状態及び遮光状態に設定可能である。また、光分割素子３０は、Ｘ方向に沿って交互に配置された複数の透過領域３３と複数の遮光領域３４とを備える。複数の透過領域３３の各々は、Ｙ方向に延びる。透過領域３３は、１個又は複数の要素画素で構成される。複数の遮光領域３４の各々は、Ｙ方向に延びる。遮光領域３４は、１個又は複数の要素画素で構成される。光分割素子３０の要素画素のＸ方向の長さは、表示素子２０の要素画素ＥＰのＸ方向の長さより短く設定される。

図２６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、図７の構成に加えて、電気的に制御可能な光分割素子３０をさらに備える。制御部５０は、図７の構成に加えて、領域設定部５０Ｃをさらに備える。

光分割素子３０は、入出力インターフェース５２に接続される。入出力インターフェース５２は、光分割素子３０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。

領域設定部５０Ｃは、光分割素子３０の動作を制御する。領域設定部５０Ｃは、光分割素子３０に含まれる複数の要素画素のそれぞれに対して、透過状態及び遮光状態のいずれかに設定する。そして、領域設定部５０Ｃは、光分割素子３０における透過領域３３のＸ方向の長さと遮光領域３４のＸ方向の長さとを変化させるとともに、透過領域３３のＸ方向の長さと遮光領域３４のＸ方向の長さとを所望の長さに設定する。

上記のように構成された空中表示装置１において、表示素子２０の要素画素ＥＰのＸ方向の長さに応じて、光分割素子３０における透過領域３３のＸ方向の長さと遮光領域３４のＸ方向の長さとを最適に設定できる。従って、第２実施形態によれば、空中像２の表示品質をより向上させることができる。

［３］ 第３実施形態
第３実施形態は、表示素子２０の他の構成例である。第３実施形態は、第１実施形態の図３から画素ＰＸを９０度回転させて画素アレイを構成するようにしている。

図２７は、本発明の第３実施形態に係る表示素子２０の模式的な平面図である。図２７では、３行分の画素アレイを赤、緑、及び青のハッチングで示している。３行分以外の画素についても同じ構成である。

画素ＰＸは、例えば、光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）にそれぞれ対応する赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂで構成される。赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂの各々は、長手方向がＸ方向である長方形を有する。赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂは、Ｙ方向に並ぶように配置される。赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂは、全体として正方形に構成される。

第３実施形態によれば、要素画素の色分解能をより向上させることができる。また、空中像２の表示品質をより向上させることができる。

上記各実施形態では、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…光分割素子、３１…透明部材、３２…遮光層、３３…透過領域、３４…遮光領域、４０…光学素子、４１…基材、４２…光学要素、４３…第１反射面、４４…第２反射面、５０…制御部、５０Ａ…表示処理部、５０Ｂ…情報処理部、５０Ｃ…領域設定部、５１…記憶部、５２…入出力インターフェース、５３…表示部、５４…入力部、５５…バス、６０…レジスト。

Claims (9)

1. 画像を表示し、複数の第１要素画素及び複数の第２要素画素を有し、前記複数の第１要素画素は、第１方向に並び、それぞれが前記第１方向に直交する第２方向に延び、前記複数の第２要素画素は、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延び、前記複数の第１要素画素及び前記複数の第２要素画素は、交互に配置される、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、前記複数の第１要素画素から出射された光の一部を右斜め方向に出射し、前記複数の第２要素画素から出射された光の一部を左斜め方向に出射する光分割素子と、
   前記光分割素子から出射された光を受けるように配置され、前記光分割素子から出射された光を、前記光分割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. 前記光分割素子は、複数の透過領域及び複数の遮光領域を有し、
   前記複数の透過領域は、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延び、
   前記複数の遮光領域は、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延び、
   前記複数の透過領域及び前記複数の遮光領域は、交互に配置される
   請求項１に記載の空中表示装置。
3. 前記光分割素子は、平面状の透明部材と、前記透明部材上に設けられた複数の遮光層とを含み、
   複数の遮光層は、前記第１方向に間隔を空けて並び、それぞれが前記第２方向に延びる
   請求項２に記載の空中表示装置。
4. 前記第１方向における前記第１要素画素及び前記第２要素画素の合計の長さは、前記第１方向における前記透過領域及び前記遮光領域の合計の長さと同じである
   請求項２に記載の空中表示装置。
5. 前記第１要素画素と前記第２要素画素との境界の位置は、前記透過領域の中心の位置と同じである
   請求項２に記載の空中表示装置。
6. 前記光学素子は、前記光分割素子から斜め方向に入射した光を、面内に直交する法線方向に反射する
   請求項１に記載の空中表示装置。
7. 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、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延びる複数の光学要素とを含み、
   前記複数の光学要素の各々は、前記法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する第１反射面及び第２反射面を有する
   請求項６に記載の空中表示装置。
8. 前記表示素子、前記光分割素子、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に記載の空中表示装置。