WO2019240137A1 - 空中表示装置 - Google Patents

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代工　康宏
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凸版印刷株式会社
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    • G09F13/18—Edge-illuminated signs
    • G09F2013/1886—Special effects

Definitions

  • the present invention relates to an aerial display device.
  • the aerial display device capable of displaying images and videos as aerial images has been studied and is expected as a new human-machine interface.
  • the aerial display device uses, for example, a two-surface corner reflector array in which two-surface corner reflectors are arranged in an array to reflect light emitted from the display surface of the display element and form a real image in the air.
  • a two-surface corner reflector array in which two-surface corner reflectors are arranged in an array to reflect light emitted from the display surface of the display element and form a real image in the air.
  • the display method using the two-surface corner reflector array has no aberration and displays a real image (hereinafter referred to as an aerial image) at a plane-symmetric position.
  • the present invention provides an aerial display device that can ensure the display quality of an aerial image and can be miniaturized.
  • An aerial display device has a display surface for displaying an image, and is disposed obliquely with respect to a display element that emits display light from the display surface and a first direction orthogonal to the display surface.
  • a light control element that has a plurality of transparent regions and a plurality of light shielding regions arranged alternately and transmits the display light incident on the transparent regions and shields the display light incident on the light shielding regions;
  • a mirror device which is arranged in parallel to the display surface, reflects the display light transmitted through the light control element, and forms an aerial image at a position symmetrical to the display element.
  • an aerial display device that can ensure the display quality of an aerial image and can be miniaturized.
  • FIG. 1 is a perspective view of a mirror device.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the principle of the aerial display device.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing a state of light reflected twice by one optical element of the mirror device.
  • FIG. 4 is a diagram showing an optical path when the optical element shown in FIG. 3 is viewed from the z direction.
  • FIG. 5 is a diagram showing an optical path when the optical element shown in FIG. 3 is viewed from the y direction.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an optical path when the optical element illustrated in FIG. 3 is viewed from the x direction.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a ghost displayed by the aerial display device.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a state of light reflected once by one optical element.
  • FIG. 9 is a diagram showing an optical path when the optical element shown in FIG. 8 is viewed from the z direction.
  • FIG. 10 is a diagram showing an optical path when the optical element shown in FIG. 8 is viewed from the y direction.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an optical path when the optical element illustrated in FIG. 8 is viewed from the x direction.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing unnecessary light of the aerial display device.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the state of light that is not reflected even once by one optical element.
  • FIG. 14 is a diagram showing an optical path when the optical element shown in FIG. 13 is viewed from the z direction.
  • FIG. 15 is a diagram showing an optical path when the optical element shown in FIG. 13 is viewed from the y direction.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an optical path when the optical element illustrated in FIG. 13 is viewed from the x direction.
  • FIG. 17 is a block diagram illustrating a configuration of the aerial display device according to the embodiment.
  • FIG. 18 is a perspective view illustrating an optical configuration of the aerial display device according to the embodiment.
  • FIG. 19 is a layout diagram of optical elements in the mirror device in the aerial display device.
  • FIG. 20 is a diagram showing an optical path when the optical element shown in FIG. 19 is viewed from the z direction.
  • FIG. 21 is a perspective view showing a configuration of a display unit in the aerial display device.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating a state in which light is emitted from the light source unit in the display unit.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating light intensity according to an emission angle of light emitted from the light guide plate of the light source unit.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating light intensity according to an emission angle of light emitted from the optical sheet of the light source unit.
  • FIG. 25 is a plan view of the liquid crystal display element of the light source unit.
  • FIG. 26 is a cross-sectional view of the liquid crystal display element of the light source unit.
  • FIG. 27 is a plan view of the light control element in the aerial display device.
  • FIG. 28 is a cross-sectional view of the light control element in the aerial display device.
  • FIG. 29 is a diagram illustrating the light intensity according to the emission angle of the light emitted from the light control element.
  • FIG. 30 is a schematic diagram showing an optical configuration of the aerial display device.
  • FIG. 31 is a perspective view showing a configuration of a display unit in a modified example.
  • FIG. 32 is a diagram illustrating light intensity according to an emission angle of light emitted from the light guide plate in the modification.
  • FIG. 33 is a schematic diagram showing an optical configuration of a modified aerial display device.
  • FIG. 34 is a schematic diagram illustrating an optical configuration of an aerial display device of a comparative example.
  • FIG. 35 is a schematic diagram illustrating an optical configuration of an aerial display device according to another modification.
  • the aerial display device forms an image of light emitted from the display surface of a liquid crystal display, for example, in a space using an aerial imaging element (mirror device) such as a two-sided corner reflector. It is.
  • an aerial imaging element such as a two-sided corner reflector.
  • FIG. 1 is a perspective view of the mirror device 10.
  • the mirror device 10 includes a planar substrate 11 and a plurality of optical elements 12 provided on the substrate 11.
  • the plurality of optical elements 12 are arranged in a matrix, for example, so as to spread in the x and y directions orthogonal to each other.
  • Each of the plurality of optical elements 12 has two reflecting surfaces arranged at right angles.
  • the optical element 12 consists of a cube or a rectangular parallelepiped.
  • the substrate 11 and the optical element 12 are made of a transparent resin.
  • optical elements 12 are illustrated, but actually, more optical elements 12 are arranged.
  • the number and size of the optical elements 12 can be arbitrarily set according to the specifications of the aerial display device. Further, the distance between the two optical elements 12 can be arbitrarily set according to the specifications of the aerial display device.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the principle of the aerial display device.
  • the aerial display device includes a display element 22 that displays an image on a display surface and the mirror device 10.
  • the base material 11 is omitted from the mirror device 10 and only a plurality of optical elements 12 are extracted and shown.
  • the plurality of optical elements 12 are arranged in the xy plane.
  • the z direction is a direction orthogonal to the x direction and the y direction, and is the height direction of the optical element 12.
  • the light (display light) emitted from the display element 22 is reflected by the two side surfaces of each of the plurality of optical elements 12.
  • an optical path of light reflected by the hatched optical element 12 is extracted and shown.
  • the light emitted from the display element 22 forms an image at a position symmetrical to the display element 22 with respect to the mirror device 10, and an aerial image 30 is formed at the position (hereinafter referred to as a display position). An observer can visually recognize the aerial image 30.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the state of light reflected twice by one optical element 12.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an optical path when the optical element 12 is viewed from the z direction.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an optical path when the optical element 12 is viewed from the y direction.
  • FIG. 6 is a diagram showing an optical path when the optical element 12 is viewed from the x direction.
  • the light incident from the bottom surface of the optical element 12 is reflected by the first side surface, further reflected by the second side surface perpendicular to the first side surface, and emitted from the top surface.
  • light incident on an arbitrary side surface of the optical element 12 does not reflect all light components on the side surface, but is divided into a reflection component and a transmission component.
  • the reflection component is a component of light reflected at the side surface at a reflection angle corresponding to the incident angle
  • the transmission component is a component of light that is linearly transmitted through the side surface as it is.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a ghost 31 displayed by the aerial display device.
  • the ghost 31 is an image formed by light reflected only once by the mirror device 10 (that is, light that has not been reflected twice).
  • the ghost 31 forms an image at a position that is not plane-symmetric with the display element 22 with respect to the mirror device 10.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a state of light reflected once by one optical element 12.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an optical path when the optical element 12 is viewed from the z direction.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an optical path when the optical element 12 is viewed from the y direction.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an optical path when the optical element 12 is viewed from the x direction.
  • the light incident from the bottom surface of the optical element 12 is reflected by the first side surface and passes through the second side surface perpendicular to the first side surface.
  • the light traveling along this path forms an image at a position that is not plane-symmetric with the display element 22 with respect to the mirror device 10 and displays the ghost 31.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing unnecessary light 32 of the aerial display device.
  • the unnecessary light 32 is light that is not reflected by the mirror device 10 even once.
  • the unnecessary light 32 passes through the mirror device 10 linearly.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a state of light that is not reflected once by one optical element 12.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating an optical path when the optical element 12 is viewed from the z direction.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an optical path when the optical element 12 is viewed from the y direction.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an optical path when the optical element 12 is viewed from the x direction.
  • the light incident from the bottom surface of the optical element 12 is not reflected by the first side surface, but passes through the first side surface linearly.
  • Unnecessary light 32 brightens the surroundings of the aerial image 30. Therefore, the contrast of the aerial image 30 is reduced due to the unnecessary light 32.
  • FIG. 17 is a block diagram illustrating a configuration of the aerial display device 1 according to the embodiment.
  • FIG. 18 is a perspective view showing an optical configuration of the aerial display device 1.
  • the aerial display device 1 includes a display unit 20, a light control element 40, a mirror device 10, a display drive unit 50, a voltage supply circuit 60, and a control circuit 70.
  • the display unit 20, the light control element 40, and the mirror device 10 are arranged in parallel to the xy plane, and are sequentially arranged in the z direction.
  • the display unit 20 includes a light source unit 21 and a display element 22.
  • the light source unit 21 includes a surface light source that emits light in a planar shape, and irradiates the display element 22 with the planar light.
  • the display element 22 displays an image or a moving image showing desired information.
  • the display element 22 transmits light received from the light source unit 21 and emits light (display light) for displaying an image or a moving image as an aerial image. Details of the display unit 20 will be described later.
  • the light control element 40 is disposed on the optical path of the display light emitted from the display unit 20.
  • the light control element 40 is arranged in parallel to a display surface that displays an image or a moving image on the display element 22 or a light emission surface that emits display light.
  • the light control element 40 transmits light at a predetermined angle among the display light emitted from the display element 22 and blocks light at other angles. Details of the light control element 40 will be described later.
  • the mirror device 10 is disposed on the optical path of the display light emitted from the light control element 40.
  • the mirror device 10 is arranged in parallel to the display surface of the display element 22.
  • the mirror device 10 includes a plurality of optical elements 12 provided on the substrate 11.
  • FIG. 19 shows a layout of a plurality of optical elements 12 on the substrate 11, and is a view of the optical elements 12 that are transmitted through the substrate 11 from the z direction.
  • the optical element 12 includes a cube or a rectangular parallelepiped having diagonal vertices in the x direction and the y direction, and these cubes or rectangular parallelepipeds are arranged in the x direction and the y direction. In other words, the optical element 12 shown in FIGS.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating an optical path when the optical element 12 illustrated in FIG. 19 is viewed from the z direction.
  • the display light incident from the bottom surface of the optical element 12 is reflected by the reflecting surface 12A, further reflected by the reflecting surface 12B perpendicular to the reflecting surface 12A, and emitted from the top surface.
  • the mirror device 10 reflects the display light to form the aerial image 30.
  • the display driving unit 50 drives the display element 22 to display an image or a moving image on the display element 22.
  • the voltage supply circuit 60 generates voltages necessary for operating the light source unit 21 and the display driving unit 50 and supplies these voltages to the light source unit 21 and the display driving unit 50.
  • the control circuit 70 controls the operation of the entire aerial display device 1. That is, the control circuit 70 controls the light source unit 21, the display driving unit 50, and the voltage supply circuit 60 to display the aerial image 30 at the display position.
  • FIG. 21 is a perspective view showing the configuration of the display unit 20.
  • the display unit 20 includes the light source unit 21 and the display element 22 as described above.
  • the light source unit 21 includes a light emitting element 211, a light guide plate 212, a reflection sheet 213, and an optical sheet 214.
  • the light source unit 21 forms a surface light source by the light emitting element 211, the light guide plate 212, the reflection sheet 213, and the optical sheet 214, and emits planar light from the surface light source to the display element 22.
  • the light source unit 21 is configured by a sidelight type (edge light type) backlight.
  • the light emitting element 211 is disposed on the side surface (or incident surface) of the light guide plate 212.
  • the light emitted from the light emitting element 211 enters the side surface of the light guide plate 212.
  • a reflection sheet 213 is provided on the bottom surface of the light guide plate 212.
  • An optical sheet 214 is provided on the upper surface of the light guide plate 212.
  • the display element 22 is disposed on the optical path of the light emitted from the optical sheet 214.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating a state in which light is emitted from the light source unit 21 in the display unit 20.
  • the light emitting element 211 for example, one or a plurality of light emitting diodes (LEDs) are used.
  • the light emitting diode emits white light, for example.
  • the bottom surface of the light guide plate 212 functions as a surface that reflects light.
  • the bottom surface of the light guide plate 212 has a plurality of reflecting surfaces 212A arranged obliquely with respect to the horizontal direction, that is, has a staircase shape (waveform).
  • the light transmitted through the light guide plate 212 is reflected toward the optical sheet 214 by the plurality of reflection surfaces 212A.
  • the upper surface of the light guide plate 212 functions as a surface that refracts light.
  • the upper surface of the light guide plate 212 has a plurality of refracting surfaces 212B arranged obliquely with respect to the horizontal direction, that is, has a staircase shape (waveform).
  • the direction in which the refracting surface 212B is inclined is opposite to the direction in which the reflecting surface 212A is inclined.
  • the light emitted from the upper surface of the light guide plate 212 is refracted by the plurality of refraction surfaces 212B.
  • Angle theta 1 with respect to the z-direction is, for example, 60 degrees.
  • the reflection sheet 213 reflects the light emitted from the bottom surface of the light guide plate 212 and returns the light to the light guide plate 212.
  • the optical sheet 214 is composed of a prism sheet. That is, the optical sheet 214 is configured such that a plurality of prisms having a triangular cross-sectional shape are arranged in one direction.
  • the optical sheet 214 refracts the light incident from the light guide plate 212 and emits light having an angle ⁇ 2 with respect to the z direction as shown in FIG. Angle theta 2 of the emitted light, for example, 45 degrees.
  • the light emitted from the light emitting element 211 becomes light in a predetermined direction (for example, an emission angle of 45 degrees) by the light guide plate 212, the optical sheet 214, and the reflection sheet 213, and is emitted from the optical sheet 214.
  • a predetermined direction for example, an emission angle of 45 degrees
  • FIG. 23 is a diagram illustrating light intensity according to an emission angle of light emitted from the light guide plate 212.
  • the light emitted from the light guide plate 212 has a maximum light intensity at an angle of 60 degrees (angle ⁇ 1 ) with respect to the z direction, and the angle of the emitted light is relative to the z direction. Within a range of 45 to 90 degrees.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating the light intensity according to the emission angle of the light emitted from the optical sheet 214. As can be seen from FIG.
  • the light emitted from the optical sheet 214 has the maximum light intensity at an angle of 45 degrees (angle ⁇ 2 ) with respect to the z direction, and the angle of the emitted light is relative to the z direction. Within a range of 30 to 60 degrees.
  • the display element 22 displays an image or a moving image using the light from the light source unit 21.
  • the display element 22 transmits light received from the light source unit 21 and emits display light for displaying an image, a moving image, or the like at a display position in the air. That is, the display element 22 receives light from the light source unit 21 and emits light modulated by an image or a moving image.
  • the display element 22 is composed of, for example, a liquid crystal display element. Below, an example of a liquid crystal display element is demonstrated. 25 is a plan view of a liquid crystal display element as the display element 22, and FIG. 26 is a cross-sectional view of the liquid crystal display element.
  • the display element 22 includes a TFT substrate 221 on which TFTs (Thin Film Transistors) and pixel electrodes are formed, and a color filter substrate (CF (Color Filter) substrate) 222 and a liquid crystal layer 223 sandwiched between the TFT substrate 221 and the CF substrate 222.
  • TFT substrate 221 on which TFTs (Thin Film Transistors) and pixel electrodes are formed
  • CF Color Filter
  • Each of the TFT substrate 221 and the CF substrate 222 is composed of a transparent substrate (for example, a glass substrate).
  • a polarizing plate 224 is disposed on the surface of the TFT substrate 221 opposite to the surface on which the liquid crystal layer 223 exists.
  • a polarizing plate 225 is disposed on the surface of the CF substrate 222 opposite to the surface on which the liquid crystal layer 223 exists.
  • the TFT substrate 221 is disposed opposite to the light source unit 21.
  • the illumination light emitted from the light source unit 21 enters the liquid crystal display element from the TFT substrate 221 side.
  • the surface of the CF substrate 222 opposite to the surface on which the light source unit 21 is disposed is a display surface or a light emitting surface of the liquid crystal display element.
  • the TFT substrate 221 and the CF substrate 222 are bonded together with a sealing material 226 while maintaining a space.
  • a liquid crystal material is sealed in a space surrounded by the TFT substrate 221, the CF substrate 222, and the sealing material 226, thereby forming a liquid crystal layer 223.
  • the liquid crystal material included in the liquid crystal layer 223 changes the optical characteristics by manipulating the orientation of the liquid crystal molecules according to the electric field applied between the TFT substrate 221 and the CF substrate 222.
  • the liquid crystal layer 23 is composed of a liquid crystal layer including liquid crystal molecules having dielectric anisotropy, for example, nematic liquid crystal.
  • the liquid crystal molecules of the nematic liquid crystal are electrically polarized in response to an external electric field.
  • As the liquid crystal mode for example, a VA (Vertical Alignment) mode is used, but of course, other liquid crystal modes such as a TN (Twisted ⁇ ⁇ ⁇ Nematic) mode and a homogeneous mode may be used.
  • the TFT 227 includes a gate electrode electrically connected to the scanning line GL, a gate insulating film provided on the gate electrode, a semiconductor layer (eg, an amorphous silicon layer) provided on the gate insulating film, and a semiconductor layer And a source electrode and a drain electrode provided separately from each other.
  • the source electrode is electrically connected to the signal line SL.
  • An insulating layer (not shown) is provided on the TFT 227.
  • a plurality of pixel electrodes 228 are provided on the insulating layer.
  • a color filter 229 is provided on the liquid crystal layer 223 side of the CF substrate 222.
  • the color filter 229 includes a plurality of coloring filters (coloring members). Specifically, a plurality of red filters 229R, a plurality of green filters 229G, and a plurality of blue filters 229B are provided.
  • a general color filter is composed of red (R), green (G), and blue (B), which are the three primary colors of light.
  • a set of three colors R, G, and B adjacent to each other is a display unit (pixel), and any single color portion of R, G, B in one pixel is a minimum called a subpixel (subpixel). It is a drive unit.
  • the TFT 227 and the pixel electrode 228 are provided for each subpixel. In the following description, a subpixel is referred to as a pixel unless it is particularly necessary to distinguish between a pixel and a subpixel.
  • a black matrix (not shown) for light shielding (not shown) is provided at the boundary part of the red filter 229R, the green filter 229G, and the blue filter 229B and the boundary part of the pixel (sub-pixel). That is, the black matrix is formed in a mesh shape.
  • the black matrix is provided, for example, to shield unnecessary light between the coloring members and improve contrast.
  • a common electrode 230 is provided on the color filter 229 and the black matrix.
  • the common electrode 230 is formed in a planar shape over the entire display area of the liquid crystal display element.
  • the polarizing plates 224 and 225 are provided so as to sandwich the TFT substrate 221 and the CF substrate 222.
  • the polarizing plates 224 and 225 are each composed of a linear polarizer and a quarter wavelength plate.
  • the pixel electrode 228 and the common electrode 230 are composed of transparent electrodes, and for example, ITO (indium tin oxide) is used.
  • FIGS. 27 and 28 are plan views of the light control element 40
  • FIG. 28 is a cross-sectional view of the light control element 40 along the x direction.
  • the light control element 40 includes a plurality of transparent regions 41, a plurality of light shielding regions 42, and two base materials 43.
  • the plurality of transparent regions 41 and the plurality of light shielding regions 42 each have a linear shape extending in the y direction, and are alternately arranged in the x direction. That is, the transparent region 41 and the light shielding region 42 are arranged in a stripe shape in the x direction. In the x direction, the width of the transparent region 41 is narrower than the width of the light shielding region 42.
  • the transparent region 41 and the light shielding region 42 are arranged with an inclination of an angle ⁇ 3 with respect to the z direction perpendicular to the light emitting surface (or main surface) of the light control element 40.
  • the angle ⁇ 3 is, for example, 0 ⁇ 3 ⁇ 60 degrees (greater than 0 degree and 60 degrees or less), and preferably 30 ⁇ ⁇ 3 ⁇ 60 degrees (30 degrees or more and 60 degrees or less).
  • the transparent region 41 has an optical path through which the display light emitted from the display unit 20 is transmitted, and an angle ⁇ 3 formed by the optical path and the z direction is 0 ⁇ 3 ⁇ 60 degrees (greater than 0 degree and 60 degrees or less).
  • 30 ⁇ ⁇ 3 ⁇ 60 degrees (30 degrees or more and 60 degrees or less).
  • the angle ⁇ 3 of the transparent region 41 and the light shielding region 42 is 45 degrees with respect to the z direction.
  • the angle ⁇ 3 of the emitted light in the light control element 40 and the angle ⁇ 2 of the emitted light from the optical sheet 214 (or the display unit 20) are matched. Thereby, the light use efficiency of the emitted light emitted from the optical sheet 214 can be improved.
  • the two base materials 43 are provided so as to sandwich the transparent region 41 and the light shielding region 42.
  • the plurality of transparent regions 41 and the base material 43 are made of, for example, a transparent resin.
  • the plurality of light shielding regions 42 are made of, for example, a resin mixed with a black dye.
  • FIG. 29 is a diagram illustrating the light intensity according to the emission angle of the light emitted from the light control element 40.
  • the light emitted from the light control element 40 has the maximum light intensity at an angle of 45 degrees (angle ⁇ 3 ) with respect to the z direction, and the angle of the emitted light is in the z direction. On the other hand, it is within a range of 30 to 60 degrees.
  • FIG. 30 is a schematic diagram showing an optical configuration of the aerial display device 1.
  • the light 90 that has passed through the light control element 40 enters the mirror device 10.
  • the light 90 incident on the mirror device 10 is reflected by the reflecting surfaces 12A and 12B of the optical element 12 included in the mirror device 10 as described with reference to FIGS.
  • the light reflected by the optical element 12 is formed as an aerial image 30 at the display position. That is, the light emitted from the display element 22 forms an image at a display position that is plane-symmetric with the image displayed on the display element 22 with respect to the mirror device 10, and the aerial image 30 is displayed at the display position.
  • the observer 80 can visually recognize the aerial image 30.
  • FIG. 31 is a perspective view showing the configuration of the display unit 20A.
  • FIG. 32 is a diagram illustrating the light intensity according to the emission angle of the light emitted from the light guide plate 212C.
  • the display unit 20A includes a light source unit 21A and a display element 22.
  • the light source unit 21 ⁇ / b> A includes a light emitting element 211, a light guide plate 212 ⁇ / b> C, and a reflection sheet 213.
  • the light source unit 21 ⁇ / b> A configures a surface light source by the light emitting element 211, the light guide plate 212 ⁇ / b> C, and the reflection sheet 213, and emits planar light from the surface light source to the display element 22.
  • the light emitting element 211 is disposed on the side surface (or incident surface) of the light guide plate 212C.
  • the light emitted from the light emitting element 211 enters the side surface of the light guide plate 212.
  • a reflection sheet 213 is provided on the bottom surface of the light guide plate 212C.
  • the display element 22 is disposed on the optical path of the light emitted from the light guide plate 212C. Note that a diffusion plate is provided between the light guide plate 212C and the display element 22 as necessary.
  • the light emitted from the light emitting element 211 enters the light guide plate 212C.
  • the light guide plate 212C guides the light emitted from the light emitting element 211, reflects the light on the bottom surface, and emits the light from the top surface.
  • light as shown in FIG. 32 is emitted from the upper surface of the light guide plate 212C.
  • the light emitted from the light guide plate 212C has the maximum light intensity in the z direction, and has a light intensity of 60% or more with respect to the maximum light intensity in a range of ⁇ 30 degrees with respect to the z direction.
  • FIG. 33 is a schematic diagram showing an optical configuration of the aerial display device 2.
  • the light control in which the angle ⁇ 3 is set to 30 degrees in the light control element shown in FIG. Element 40A is used.
  • the light emitted from the display unit 20A enters the light control element 40A.
  • light having an angle other than the angle ⁇ 3 is blocked by the light blocking region 42.
  • the light 90 transmitted through the light control element 40A enters the mirror device 10.
  • the light 90 incident on the mirror device 10 is reflected by the optical element 12 included in the mirror device 10 as described with reference to FIGS.
  • the light reflected by the optical element 12 is formed as an aerial image 30 at the display position. That is, the light emitted from the display element 22 forms an image at a display position that is plane-symmetric with the image displayed on the display element 22 with respect to the mirror device 10, and the aerial image 30 is displayed at the display position.
  • the observer 80 can visually recognize the aerial image 30.
  • the aerial display device 1 In the aerial display device 1 according to the embodiment shown in FIG. 30, the light emitted from the display element 22 enters the mirror device 10, and the aerial image 30 is formed by the light reflected by the mirror device 10. That is, the light emitted from the display element 22 forms an image 30 at a display position that is plane-symmetric with the image displayed on the display element 22 with respect to the mirror device 10. Thereby, in the aerial display device 1, the observer 80 can observe the aerial image 30 from an oblique direction with respect to the light emission surface (or the z direction) of the mirror device 10.
  • the aerial image 30 is generated by changing the optical path of the light reflected by the mirror device 10 using an optical path changing element.
  • the optical configuration and display operation of the aerial display device 3 according to another modification will be described with reference to FIG.
  • FIG. 35 is a schematic diagram showing an optical configuration of an aerial display device 3 of another modification.
  • the optical path changing element 14 is disposed in the optical path of the light reflected by the mirror device 10.
  • the optical path changing element 14 is disposed between the mirror device 10 and the observer 80 (or the aerial image 30).
  • the optical path changing element 14 is a transparent structure having a sawtooth cross-sectional shape. The light incident on each of the surfaces constituting the sawtooth shape of the optical path changing element 14 is changed in its emission direction by the refraction effect.
  • Other configurations are the same as those of the embodiment shown in FIG.
  • the light emitted from the display unit 20 passes through the light control element 40 and enters the mirror device 10 as in the above-described embodiment shown in FIG.
  • the light 90 incident on the mirror device 10 is reflected by the optical element 12 included in the mirror device 10.
  • the light reflected by the optical element 12 has its optical path changed by the optical path changing element 14 and is mainly light along the z direction.
  • the light reflected by the optical element 12 is refracted by the optical path changing element 14 and mainly in a direction orthogonal to the light emitting surface of the mirror device 10 (or the xy plane parallel to the x and y directions). Is emitted.
  • an example is shown in which the optical path of the light reflected by the optical element 12 is changed in the z direction, but it may be 15 degrees or 30 degrees with respect to other directions, for example, the z direction.
  • the light whose optical path has been changed by the optical path changing element 14 is formed as an aerial image 30 at the display position.
  • the aerial display device 3 can generate an aerial image with the z direction as the center, that is, with the orthogonal direction as the center with respect to the light emitting surface of the mirror device 10 (or the aerial display device 3).
  • An aerial image 30 can be formed.
  • the observer 80 can observe the aerial image 30 with good display quality from the direction orthogonal to the light exit surface of the mirror device 10 or from the z direction.
  • FIG. 34 is a schematic diagram illustrating an optical configuration of an aerial display device of a comparative example.
  • the display unit 20 ⁇ / b > A included in the comparative example does not have a configuration that emits light at an angle ⁇ 2 that the display unit 20 of the embodiment has.
  • the display unit 20 ⁇ / b> A is installed with a large inclination with respect to the mirror device 10.
  • the mirror device 10 not only reflects but also transmits light emitted from the display unit 20A.
  • the display unit 20A is installed to be inclined with respect to the mirror device 10, whereby the light emitted from the display unit 20A is transmitted through the mirror device 10, and the light is transmitted to the observer 80. Not to reach directly.
  • the display unit 20A since the display unit 20A is installed with a large inclination with respect to the mirror device 10, a large installation area is required as a display device, and the degree of freedom for installing the display device is reduced. That is, the installation conditions of the members constituting the display device are limited. Further, in the comparative example, light in a direction perpendicular to the display surface of the display unit 20 ⁇ / b> A is reflected by the optical element 12 of the mirror device 10 to form an aerial image 30. However, the light oblique to the display surface of the display unit 20A passes through the optical element 12 of the mirror device 10 and reaches the vicinity of the aerial image 30, thereby degrading the display quality.
  • the display unit 20 does not need to be inclined with respect to the mirror device 10, and the display unit is parallel to the mirror device 10.
  • the light control element 40 (or 40A) is disposed between the display unit and the mirror device 10.
  • the light transmitted through the light control element forms an image at a position symmetrical to the display unit with respect to the mirror device 10, and the aerial image 30 is displayed at the position.
  • unnecessary light and stray light out of the light emitted from the display unit are blocked by the light control element, so that these lights can be prevented from reaching the vicinity of the aerial image 30 and the observer 80.
  • the modification, and other modifications it is possible to ensure the display quality of the aerial image 30 and to reduce the size of the aerial display device. That is, the display quality of the aerial image can be ensured, the degree of freedom of the installation conditions of the constituent members (display unit, light control element, mirror device, etc.) can be improved, and an aerial display device capable of compact packaging can be provided.
  • the angle ⁇ 3 of the emitted light in the light control element 40 and the angle ⁇ 2 of the emitted light from the optical sheet 214 (or the display unit 20) are matched. Thereby, the light use efficiency of the emitted light emitted from the display unit 20 can be improved.
  • the aerial image 30 it is possible to form the aerial image 30 around the orthogonal direction with respect to the light emitting surface of the aerial display device 3. Thereby, the observer 80 can visually recognize the aerial image 30 with good display quality.

Abstract

空中表示装置は、画像を表示する表示面を有し、表示面から表示光を出射する表示素子（２２）と、表示面に直交する第１方向に対して斜めに配置されかつ交互に配列された複数の透明領域（４１）と複数の遮光領域（４２）とを有し、透明領域（４１）に入射した表示光を透過し、遮光領域（４２）に入射した表示光を遮光する光制御素子（４０）と、表示面に対して平行に配置され、光制御素子（４０）を透過した表示光を反射し、表示素子（２２）と面対称な位置に空中像（３０）を結像するミラーデバイス（１０）とを備える。

Description

空中表示装置
　本発明は、空中表示装置に関するものである。
　画像や動画などを空中映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、空中に実像を結像している（例えば、日本国特開２０１７－６７９３３号公報）。２面コーナーリフレクタアレイによる表示法は、収差が無く、面対称位置に実像（以下、空中像）が表示される。
　本発明は、空中像の表示品質を確保でき、小型化が可能な空中表示装置を提供する。
　本発明に係る実施形態の空中表示装置は、画像を表示する表示面を有し、前記表示面から表示光を出射する表示素子と、前記表示面に直交する第１方向に対して斜めに配置されかつ交互に配列された複数の透明領域と複数の遮光領域とを有し、前記透明領域に入射した前記表示光を透過し、前記遮光領域に入射した前記表示光を遮光する光制御素子と、前記表示面に対して平行に配置され、前記光制御素子を透過した前記表示光を反射し、前記表示素子と面対称な位置に空中像を結像するミラーデバイスとを具備する。
　本発明によれば、空中像の表示品質を確保でき、小型化が可能な空中表示装置を提供することができる。
図１は、ミラーデバイスの斜視図である。 図２は、空中表示装置の原理を示す模式図である。 図３は、ミラーデバイスの１つの光学要素で２回反射される光の様子を示す模式図である。 図４は、図３に示した光学要素をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。 図５は、図３に示した光学要素をｙ方向から見た場合の光路を示す図である。 図６は、図３に示した光学要素をｘ方向から見た場合の光路を示す図である。 図７は、空中表示装置によって表示されるゴーストを示す模式図である。 図８は、１つの光学要素で１回反射される光の様子を示す模式図である。 図９は、図８に示した光学要素をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。 図１０は、図８に示した光学要素をｙ方向から見た場合の光路を示す図である。 図１１は、図８に示した光学要素をｘ方向から見た場合の光路を示す図である。 図１２は、空中表示装置の不要光を示す模式図である。 図１３は、１つの光学要素で１回も反射されない光の様子を示す模式図である。 図１４は、図１３に示した光学要素をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。 図１５は、図１３に示した光学要素をｙ方向から見た場合の光路を示す図である。 図１６は、図１３に示した光学要素をｘ方向から見た場合の光路を示す図である。 図１７は、実施形態の空中表示装置の構成を示すブロック図である。 図１８は、実施形態の空中表示装置の光学的な構成を示す斜視図である。 図１９は、空中表示装置内のミラーデバイスにおける光学要素のレイアウト図である。 図２０は、図１９に示した光学要素をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。 図２１は、空中表示装置内の表示ユニットの構成を示す斜視図である。 図２２は、表示ユニット内の光源部において光が出射される様子を示す図である。 図２３は、光源部の導光板から出射される光の出射角度による光強度を示す図である。 図２４は、光源部の光学シートから出射される光の出射角度による光強度を示す図である。 図２５は、光源部の液晶表示素子の平面図である。 図２６は、光源部の液晶表示素子の断面図である。 図２７は、空中表示装置内の光制御素子の平面図である。 図２８は、空中表示装置内の光制御素子の断面図である。 図２９は、光制御素子から出射される光の出射角度による光強度を示す図である。 図３０は、空中表示装置の光学的な構成を示す模式図である。 図３１は、変形例における表示ユニットの構成を示す斜視図である。 図３２は、変形例における導光板から出射される光の出射角度による光強度を示す図である。 図３３は、変形例の空中表示装置の光学的な構成を示す模式図である。 図３４は、比較例の空中表示装置の光学的な構成を示す模式図である。 図３５は、他の変形例の空中表示装置の光学的な構成を示す模式図である。
　以下、図面を参照して実施形態について説明する。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、重複説明は必要な場合にのみ行う。
　本実施形態の空中表示装置について説明する前に、空中表示装置の原理を説明する。
　［１］空中表示装置の原理
　空中表示装置は、例えば液晶ディスプレイの表示面から出射される光を、２面コーナーリフレクタ等の空中結像素子（ミラーデバイス）を用いて空間中に結像させるものである。
　まず、空中表示装置に用いられるミラーデバイス１０の構成について説明する。図１は、ミラーデバイス１０の斜視図である。
　ミラーデバイス１０は、平面状の基材１１と、基材１１上に設けられた複数の光学要素１２とを備える。複数の光学要素１２は、互いに直交するｘ方向及びｙ方向に広がるように、例えばマトリクス状に配列される。複数の光学要素１２の各々は、直角に配置された２つの反射面を有する。光学要素１２は、立方体、又は直方体からなる。基材１１及び光学要素１２は、透明な樹脂で構成される。
　なお、図１では、３６（＝６×６）個の光学要素１２を例示しているが、実際には、これより多くの光学要素１２が配列される。光学要素１２の数及びサイズは、空中表示装置の仕様に応じて、任意に設定可能である。また、２個の光学要素１２の間隔は、空中表示装置の仕様に応じて、任意に設定可能である。
　図２は、空中表示装置の原理を示す模式図である。空中表示装置は、表示面に画像を表示する表示素子２２と、ミラーデバイス１０とを備える。図２では、図面の理解が容易になるように、ミラーデバイス１０のうち基材１１の図示を省略し、複数の光学要素１２のみを抽出して示している。複数の光学要素１２は、ｘ－ｙ平面に配列される。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向に直交する方向であり、光学要素１２の高さ方向である。
　表示素子２２から出射された光（表示光）は、複数の光学要素１２の各々の２つの側面で反射される。図２では、ハッチングを付した光学要素１２で反射される光の光路を抽出して示している。表示素子２２から出射された光は、ミラーデバイス１０に対して表示素子２２と面対称の位置に結像し、当該位置（以下、表示位置）に空中像３０が結像される。観察者は、この空中像３０を視認することができる。
　図３は、１つの光学要素１２で２回反射される光の様子を示す模式図である。図４は、光学要素１２をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。図５は、光学要素１２をｙ方向から見た場合の光路を示す図である。図６は、光学要素１２をｘ方向から見た場合の光路を示す図である。
　光学要素１２の底面から入射した光は、第１側面で反射され、第１側面と直角な第２側面でさらに反射され、上面から出射する。
　なお、光学要素１２の任意の側面に入射した光は、当該側面で全光成分が反射されるわけではなく、反射成分と透過成分とに分けられる。反射成分とは、当該側面で入射角に応じた反射角で反射する光の成分であり、透過成分とは、当該側面をそのまま直線的に透過する光の成分である。
　（ゴーストについて）
　次に、意図しない位置で結像するゴーストについて説明する。ゴーストとは、空中像３０の近傍に現れる二重画像である。図７は、空中表示装置によって表示されるゴースト３１を示す模式図である。
　ゴースト３１は、ミラーデバイス１０によって１回のみ反射された光（すなわち、２回反射されなかった光）により結像する画像である。ゴースト３１は、ミラーデバイス１０に対して表示素子２２と面対称でない位置に結像する。
　図８は、１つの光学要素１２で１回反射される光の様子を示す模式図である。図９は、光学要素１２をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。図１０は、光学要素１２をｙ方向から見た場合の光路を示す図である。図１１は、光学要素１２をｘ方向から見た場合の光路を示す図である。
　光学要素１２の底面から入射した光は、第１側面で反射され、第１側面と直角な第２側面を透過する。この経路で進む光は、ミラーデバイス１０に対して表示素子２２と面対称でない位置に結像し、ゴースト３１を表示させる。
　（不要光について）
　次に、不要光について説明する。不要光とは、実像を結像するのに寄与しない光成分である。図１２は、空中表示装置の不要光３２を示す模式図である。
　不要光３２は、ミラーデバイス１０によって１回も反射されない光である。不要光３２は、直線的にミラーデバイス１０を透過する。
　図１３は、１つの光学要素１２で１回も反射されない光の様子を示す模式図である。図１４は、光学要素１２をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。図１５は、光学要素１２をｙ方向から見た場合の光路を示す図である。図１６は、光学要素１２をｘ方向から見た場合の光路を示す図である。
　光学要素１２の底面から入射した光は、第１側面で反射されず、第１側面を直線的に透過する。
　不要光３２は、空中像３０の周囲を明るくしてしまう。よって、不要光３２に起因して、空中像３０のコントラストが低下してしまう。
　［２］実施形態の空中表示装置
　次に、前述した原理を用いた実施形態の中空表示装置について説明する。
　［２－１］空中表示装置の構成
　図１７及び図１８を用いて、実施形態の空中表示装置１の構成について説明する。図１７は、実施形態の空中表示装置１の構成を示すブロック図である。図１８は、空中表示装置１の光学的な構成を示す斜視図である。
　図１７及び図１８に示すように、空中表示装置１は、表示ユニット２０、光制御素子４０、ミラーデバイス１０、表示駆動部５０、電圧供給回路６０、及び制御回路７０を備える。図１８に示すように、表示ユニット２０、光制御素子４０、及びミラーデバイス１０は、ｘ－ｙ平面に平行に配置されると共に、ｚ方向に順に配列される。
　表示ユニット２０は、光源部２１及び表示素子２２を有する。光源部２１は、面状に光を出射する面光源を有し、表示素子２２に面状の光を照射する。表示素子２２は、所望の情報を示す画像あるいは動画等を表示する。表示素子２２は、光源部２１から受けた光を透過すると共に、画像あるいは動画等を空中像として表示するための光（表示光）を出射する。表示ユニット２０の詳細については後述する。
　光制御素子４０は、表示ユニット２０から出射される表示光の光路上に配置される。光制御素子４０は、表示素子２２における画像あるいは動画を表示する表示面、または表示光を出射する光出射面に対して平行に配置される。光制御素子４０は、表示素子２２から出射された表示光のうち、所定角度の光を透過し、その他の角度の光を遮光する。光制御素子４０の詳細については後述する。
　ミラーデバイス１０は、光制御素子４０から出射される表示光の光路上に配置される。ミラーデバイス１０は、表示素子２２の表示面に対して平行に配置される。ミラーデバイス１０は、前述したように、基材１１上に設けられた複数の光学要素１２を備える。図１９は、基板１１上の複数の光学要素１２のレイアウトを示し、ｚ方向から基板１１を透過して光学要素１２を見た図である。光学要素１２はｘ方向及びｙ方向に対角の頂点を有する立方体又は直方体からなり、これら立方体又は直方体がx方向及びｙ方向に配列される。言い換えると、図１－図６に示した光学要素１２がｘ－ｙ平面に平行な方向に４５度回転されて、光学素子１２の反射面１２Ａ，１２Ｂがｘ方向に対して角度４５度を有する状態で配列される。図２０は、図１９に示した光学要素１２をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。光学要素１２の底面から入射した表示光は、反射面１２Ａで反射され、反射面１２Ａと直角な反射面１２Ｂでさらに反射され、上面から出射する。このように、ミラーデバイス１０は、表示光を反射して空中像３０を結像させる。
　表示駆動部５０は、表示素子２２を駆動し、表示素子２２に画像あるいは動画等を表示させる。電圧供給回路６０は、光源部２１及び表示駆動部５０を動作させるのに必要な電圧を発生し、それらの電圧を光源部２１及び表示駆動部５０に供給する。制御回路７０は、空中表示装置１全体の動作を制御する。すなわち、制御回路７０は、光源部２１、表示駆動部５０、及び電圧供給回路６０を制御し、表示位置に空中像３０を表示させる。
　［２－１－１］表示ユニット２０
　次に、図２１を用いて、空中表示装置１における表示ユニット２０について説明する。図２１は、表示ユニット２０の構成を示す斜視図である。
　表示ユニット２０は、前述したように、光源部２１及び表示素子２２を備える。光源部２１は、発光素子２１１、導光板２１２、反射シート２１３、及び光学シート２１４を有する。光源部２１は、発光素子２１１、導光板２１２、反射シート２１３、及び光学シート２１４により面光源を構成し、この面光源から表示素子２２へ面状の光を出射する。
　光源部２１は、サイドライト型（エッジライト型）のバックライトで構成される。発光素子２１１は、導光板２１２の側面（あるいは入射面）に配置される。発光素子２１１から発光された光は、導光板２１２の側面に入射する。導光板２１２の底面には、反射シート２１３が設けられる。導光板２１２の上面上には、光学シート２１４が設けられる。さらに、光学シート２１４から出射される光の光路上には表示素子２２が配置される。
　図２２は、表示ユニット２０内の光源部２１において光が出射される様子を示す図である。発光素子２１１としては、例えば１個または複数個の発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。発光ダイオードは、例えば白色の光を発光する。
　導光板２１２の底面は、光を反射する面として機能する。導光板２１２の底面は、水平方向に対して斜めに配置された複数の反射面２１２Ａを有し、すなわち階段形状（波形）を有する。導光板２１２内を透過する光は、複数の反射面２１２Ａによって光学シート２１４側に反射される。
　導光板２１２の上面は、光を屈折する面として機能する。導光板２１２の上面は、水平方向に対して斜めに配置された複数の屈折面２１２Ｂを有し、すなわち階段形状（波形）を有する。屈折面２１２Ｂの傾く方向は、反射面２１２Ａの傾く方向と反対である。導光板２１２の上面から出射する光は、複数の屈折面２１２Ｂによって屈折する。
　導光板２１２の上面から出射される光は、図２２に示すように、ｚ方向に対して角度θ１を有する。出射光の角度θ１は、例えば６０度である。反射シート２１３は、導光板２１２の底面から出射した光を反射し、導光板２１２へ光を戻す。
　光学シート２１４は、プリズムシートで構成される。すなわち、光学シート２１４は、断面形状が三角形の複数のプリズムが一方向に並ぶように構成される。光学シート２１４は、導光板２１２から入射した光を屈折して、図２２に示すように、ｚ方向に対して角度θ２の光を出射する。出射光の角度θ２は、例えば４５度である。
　上述したように、発光素子２１１から出射された光は、導光板２１２、光学シート２１４及び反射シート２１３によって所定方向（例えば、出射角度４５度）の光となり、光学シート２１４から出射される。
　図２３は、導光板２１２から出射される光の出射角度による光強度を示す図である。図２３から解るように、導光板２１２から出射される光は、ｚ方向に対して角度６０度（角度θ１）で最大の光強度を有し、出射される光の角度はｚ方向に対して４５～９０度の範囲内にある。図２４は、光学シート２１４から出射される光の出射角度による光強度を示す図である。図２４から解るように、光学シート２１４から出射される光は、ｚ方向に対して角度４５度（角度θ２）で最大の光強度を有し、出射される光の角度はｚ方向に対して３０～６０度の範囲内にある。
　光学シート２１４を出射した光は、ｚ方向に対して角度θ２で表示素子２２に入射する。表示素子２２は、光源部２１からの光を用いて、画像あるいは動画等を表示する。表示素子２２は、光源部２１から受けた光を透過して、画像あるいは動画等を空中の表示位置に表示するための表示光を出射する。すなわち、表示素子２２は、光源部２１からの光を受け、画像あるいは動画等によって変調された光を出射する。
　表示素子２２は、例えば液晶表示素子で構成される。以下に、液晶表示素子の一例について説明する。図２５は、表示素子２２としての液晶表示素子の平面図、図２６は液晶表示素子の断面図である。
　表示素子２２は、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）及び画素電極等が形成されるＴＦＴ基板２２１と、カラーフィルタ及び共通電極等が形成され、かつＴＦＴ基板２２１に対向配置されるカラーフィルタ基板（ＣＦ(Color Filter）基板）２２２と、ＴＦＴ基板２２１及びＣＦ基板２２２間に挟持された液晶層２２３とを備える。
　ＴＦＴ基板２２１及びＣＦ基板２２２の各々は、透明基板（例えば、ガラス基板）から構成される。ＴＦＴ基板２２１の液晶層２２３が存在する面と反対側の面には偏光板２２４が配置される。さらに、ＣＦ基板２２２の液晶層２２３が存在する面と反対側の面には偏光板２２５が配置される。
　ＴＦＴ基板２２１は、光源部２１に対向配置される。光源部２１から照射された照明光は、ＴＦＴ基板２２１側から液晶表示素子に入射する。ＣＦ基板２２２の光源部２１が配置された面と反対側の面が液晶表示素子の表示面あるいは光出射面である。
　ＴＦＴ基板２２１とＣＦ基板２２２は、空間を保ってシール材２２６により貼り合わせられている。ＴＦＴ基板２２１、ＣＦ基板２２２、及びシール材２２６によって囲まれた空間には、液晶材料が封入され、液晶層２２３を形成している。
　液晶層２２３が含む液晶材料は、ＴＦＴ基板２２１及びＣＦ基板２２２間に印加された電界に応じて、液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。また、液晶層２３は、誘電異方性を有する液晶分子を備えた液晶層から構成され、例えば、ネマティック液晶から構成される。ネマティック液晶の液晶分子は、外部電界に応じて電気分極が生じる。液晶モードとしては、例えばＶＡ（Vertical Alignment）モードが用いられるが、勿論、ＴＮ（Twisted Nematic）モードやホモジニアスモードなど他の液晶モードであってもよい。
　ＴＦＴ基板２２１の液晶層２２３側には、複数のスイッチング素子、例えば前述したＴＦＴ（Thin Film Transistor）２２７が設けられる。ＴＦＴ２２７は、走査線ＧＬに電気的に接続されたゲート電極と、ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられた半導体層（例えばアモルファスシリコン層）と、半導体層上に離間して設けられたソース電極及びドレイン電極とを備える。ソース電極は、信号線ＳＬに電気的に接続される。ＴＦＴ２２７上には、絶縁層（図示せず）が設けられる。絶縁層上には、複数の画素電極２２８が設けられる。
　ＣＦ基板２２２の液晶層２２３側には、カラーフィルタ２２９が設けられる。カラーフィルタ２２９は、複数の着色フィルタ（着色部材）を備える。具体的には、複数の赤フィルタ２２９Ｒ、複数の緑フィルタ２２９Ｇ、及び複数の青フィルタ２２９Ｂを備える。一般的なカラーフィルタは、光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）で構成される。隣接したＲ、Ｇ、Ｂの三色のセットが表示の単位（画素）となっており、１つの画素中のＲ、Ｇ、Ｂのいずれか単色の部分はサブピクセル（サブ画素）と呼ばれる最小駆動単位である。ＴＦＴ２２７及び画素電極２２８は、サブピクセルごとに設けられる。以下の説明では、画素とサブ画素との区別が特に必要な場合を除き、サブ画素を画素と呼ぶものとする。
　赤フィルタ２２９Ｒ、緑フィルタ２２９Ｇ、及び青フィルタ２２９Ｂの境界部分、及び画素（サブピクセル）の境界部分には、遮光用のブラックマトリクス（遮光膜）（図示せず）が設けられる。すなわち、ブラックマトリクスは、網目状に形成される。ブラックマトリクスは、例えば、着色部材間の不要な光を遮蔽し、コントラストを向上させるために設けられる。
　カラーフィルタ２２９及びブラックマトリクス上には、共通電極２３０が設けられる。共通電極２３０は、液晶表示素子の表示領域全体に平面状に形成される。
　偏光板２２４、２２５は、ＴＦＴ基板２２１及びＣＦ基板２２２を挟むように設けられる。偏光板２２４、２２５は、それぞれ直線偏光子と１／４波長板とから構成される。
　画素電極２２８及び共通電極２３０は、透明電極から構成され、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。
　［２－１－２］光制御素子４０
　次に、図２７及び図２８を用いて、空中表示装置１における光制御素子４０について説明する。図２７は光制御素子４０の平面図であり、図２８は光制御素子４０のｘ方向に沿った断面図である。
　図２７及び図２８に示すように、光制御素子４０は、複数の透明領域４１、複数の遮光領域４２、及び２個の基材４３を有する。複数の透明領域４１と複数の遮光領域４２は、それぞれがｙ方向に延びた線形状を有し、交互にｘ方向に配列されている。すなわち、透明領域４１と遮光領域４２は、ｘ方向にストライプ状に配列されている。ｘ方向において、透明領域４１の幅は遮光領域４２の幅より狭い。
　さらに、透明領域４１と遮光領域４２は、図２８に示すように、光制御素子４０の光出射面（あるいは主面）に垂直なｚ方向に対して角度θ３の傾きで配置される。角度θ３は、例えば、０＜θ３≦６０度（０度より大きく６０度以下）であり、好ましくは、３０≦θ３≦６０度（３０度以上６０度以下）である。透明領域４１は、表示ユニット２０から出射された表示光を透過する光路を有し、光路とｚ方向とのなす角θ３は、０＜θ３≦６０度（０度より大きく６０度以下）であり、好ましくは、３０≦θ３≦６０度（３０度以上６０度以下）である。
　ここでは、ｚ方向に対して透明領域４１及び遮光領域４２の角度θ３が、共に４５度である場合を例に示す。光制御素子４０における出射光の角度θ３と、光学シート２１４（または表示ユニット２０）からの出射光の角度θ２を一致させる。これにより、光学シート２１４から出射される出射光の光利用効率を向上させることができる。
　２個の基材４３は、透明領域４１及び遮光領域４２を挟むように設けられる。複数の透明領域４１及び基材４３は、例えば透明な樹脂で構成される。複数の遮光領域４２は、例えば黒の染料が混入された樹脂で構成される。
　光制御素子４０では、表示ユニット２０から出射された光のうち、ｚ方向に対して角度θ２（＝θ３）光を透明領域４１が主に透過し、それ以外の角度の光を遮光領域４２が遮光する。
　図２９は、光制御素子４０から出射される光の出射角度による光強度を示す図である。図２９から解るように、光制御素子４０から出射される光は、ｚ方向に対して角度４５度（角度θ３）で最大の光強度を有し、出射される光の角度はｚ方向に対して３０～６０度の範囲内にある。
　［２－２］空中表示装置１の表示動作
　次に、図３０を用いて、実施形態の空中表示装置の表示動作について説明する。図３０は、空中表示装置１の光学的な構成を示す模式図である。
　ｚ方向に対して角度θ２（例えばθ２＝４５度）の光が表示ユニット２０から光制御素子４０に主に出射される。光制御素子４０に入射した光のうち、ｚ方向に対して角度θ３（例えばθ３＝４５度）の光９０だけが透明領域４１を透過する。この実施形態では、角度θ２以外の角度の光は少なく、その光は遮光領域４２により遮光される。
　光制御素子４０を透過した光９０はミラーデバイス１０に入射する。ミラーデバイス１０に入射した光９０は、ミラーデバイス１０が備える光学要素１２の反射面１２Ａ，１２Ｂにより、図１～図６にて説明したように反射される。光学要素１２にて反射された光は、表示位置に空中像３０として結像される。すなわち、表示素子２２から出射された光は、ミラーデバイス１０に対して表示素子２２に表示された画像と面対称の表示位置に結像し、表示位置に空中像３０が表示される。観察者８０は、この空中像３０を視認することができる。
　［３］変形例の空中表示装置
　次に、変形例の空中表示装置について説明する。前述した実施形態の空中表示装置１では、ｚ方向に対して角度θ２の光を出射する構成を光源部２１に用いたが、この変形例では、光を拡散し出射する構成を光源部に用いる。以下に、変形例における光源部を含む表示ユニットと空中表示装置の光学的な構成を示す。その他の構成は前記実施形態と同様である。
　［３－１］表示ユニット２０Ａ
　図３１及び図３２を用いて、変形例の空中表示装置２における表示ユニット２０Ａについて説明する。図３１は、表示ユニット２０Ａの構成を示す斜視図である。図３２は、導光板２１２Ｃから出射される光の出射角度による光強度を示す図である。
　表示ユニット２０Ａは、光源部２１Ａ及び表示素子２２を備える。光源部２１Ａは、発光素子２１１、導光板２１２Ｃ、及び反射シート２１３を有する。光源部２１Ａは、発光素子２１１、導光板２１２Ｃ、及び反射シート２１３により面光源を構成し、この面光源から表示素子２２へ面状の光を出射する。
　発光素子２１１は、導光板２１２Ｃの側面（あるいは入射面）に配置される。発光素子２１１から発光された光は、導光板２１２の側面に入射する。導光板２１２Ｃの底面には、反射シート２１３が設けられる。さらに、導光板２１２Ｃから出射される光の光路上には表示素子２２が配置される。なお、必要に応じて、導光板２１２Ｃと表示素子２２との間に拡散板が設けられる。
　発光素子２１１から照射された光は、導光板２１２Ｃに入射される。導光板２１２Ｃは、発光素子２１１から照射された光を導き、光を底面で反射して上面から出射させる。変形例では、導光板２１２Ｃの上面から、図３２に示すような光が出射される。導光板２１２Ｃから出射される光は、ｚ方向で最大の光強度を有し、ｚ方向に対して±３０度の範囲で、最大光強度に対して６０％以上の光強度を有する。
　［３－２］空中表示装置２の表示動作
　次に、図３３を用いて、変形例の空中表示装置２の表示動作について説明する。図３３は、空中表示装置２の光学的な構成を示す模式図である。この変形例では、図３２に示した導光板２１２Ｃから出射される光の出射角度による光強度を考慮し、図２７に示した光制御素子において、角度θ３が３０度に設定された光制御素子４０Ａを用いる。
　表示ユニット２０Ａから出射された光は、光制御素子４０Ａに入射される。光制御素子４０Ａに入射した光のうち、ｚ方向に対して角度θ３（例えばθ３＝３０度）の光９０だけが透明領域４１を透過する。一方、角度θ３以外の角度の光は、遮光領域４２により遮光される。
　光制御素子４０Ａを透過した光９０はミラーデバイス１０に入射する。ミラーデバイス１０に入射した光９０は、ミラーデバイス１０が備える光学要素１２により、図１～図６にて説明したように反射される。光学要素１２にて反射された光は、表示位置に空中像３０として結像される。すなわち、表示素子２２から出射された光は、ミラーデバイス１０に対して表示素子２２に表示された画像と面対称の表示位置に結像し、表示位置に空中像３０が表示される。観察者８０は、この空中像３０を視認することができる。
　［４］他の変形例の空中表示装置
　次に、他の変形例の空中表示装置について説明する。図３０に示した前記実施形態の空中表示装置１では、表示素子２２から出射された光がミラーデバイス１０に入射し、ミラーデバイス１０にて反射された光により空中像３０を形成する。すなわち、表示素子２２から出射された光は、ミラーデバイス１０に対して表示素子２２に表示された画像と面対称の表示位置に結像し、空中像３０を生成する。これにより、空中表示装置１では、観察者８０は、ミラーデバイス１０の光出射面（または、ｚ方向）に対して斜方から空中像３０の観察が可能である。
　他の変形例では、ミラーデバイス１０にて反射された光の光路を光路変更素子によって変更し、空中像３０を生成する。図３５を用いて、他の変形例の空中表示装置３の光学的な構成、及びその表示動作について説明する。図３５は、他の変形例の空中表示装置３の光学的な構成を示す模式図である。
　ミラーデバイス１０にて反射された光の光路に、光路変更素子１４が配置される。言い換えると、ミラーデバイス１０と観察者８０（または、空中像３０）との間に光路変更素子１４が配置される。光路変更素子１４は、例えば、図３５に示すように、鋸歯状の断面形状を有する透明構造体である。光路変更素子１４の鋸歯状を構成する面の各々に入射した光は、屈折効果によりその出射方向が変更される。その他の構成は、図３０に示した前記実施形態と同様である。
　図３０に示した前記実施形態と同様に、表示ユニット２０から出射された光は光制御素子４０を透過し、ミラーデバイス１０に入射する。ミラーデバイス１０に入射した光９０は、ミラーデバイス１０が備える光学要素１２により反射される。
　光学要素１２にて反射された光は、光路変更素子１４により光路が変更され、主にｚ方向に沿った光となる。言い換えると、光学要素１２にて反射された光は、光路変更素子１４により屈折され、ミラーデバイス１０の光出射面（または、ｘ及びｙ方向に平行なｘｙ面）に対して直交する方向に主に出射される。ここでは、光学要素１２にて反射された光の光路が、ｚ方向に変更される例を示すが、その他の方向、例えばｚ方向に対して１５度あるいは３０度であってもよい。
　光路変更素子１４により光路が変更された光は、表示位置に空中像３０として結像される。このように、空中表示装置３では、ｚ方向を中心として空中像を生成することが可能である、すなわちミラーデバイス１０（または、空中表示装置３）の光出射面に対して直交方向を中心として空中像３０を形成することが可能である。これにより、空中表示装置３では、観察者８０は、ミラーデバイス１０の光出射面に対して直交する方向から、あるいはｚ方向から、表示品質の良い空中像３０の観察が可能である。
　［５］実施形態及び変形例の効果
　実施形態、変形例及び他の変形例によれば、空中像の表示品質を確保でき、小型化が可能な空中表示装置を提供することができる。
　実施形態、変形例及び他の変形例の効果について詳述する前に、以下に比較例の空中表示装置について説明する。図３４は、比較例の空中表示装置の光学的な構成を示す模式図である。比較例が備える表示ユニット２０Ａは、実施形態の表示ユニット２０が持つような角度θ２で光を出射する構成は持っていない。比較例では、表示ユニット２０Ａをミラーデバイス１０に対して大きく傾斜して設置している。ミラーデバイス１０は、表示ユニット２０Ａから出射された光を反射させるだけでなく、透過させる構造も有している。このため、図３４に示すように、表示ユニット２０Ａをミラーデバイス１０に対して傾斜して設置することで、表示ユニット２０Ａから出射された光がミラーデバイス１０を透過し、その光が観察者８０に直接到達しないようにしている。
　このように比較例では、表示ユニット２０Ａをミラーデバイス１０に対して大きく傾斜して設置するため、表示装置として大きな設置エリアを必要とし、表示装置を設置する自由度が低下する。すなわち、表示装置を構成する部材の設置条件が制限されてしまう。さらに、比較例では、表示ユニット２０Ａの表示面に対して垂直方向の光がミラーデバイス１０の光学要素１２により反射され、空中像３０を結像する。しかし、表示ユニット２０Ａの表示面に対して斜めの光が、ミラーデバイス１０の光学要素１２を透過して空中像３０の近傍に到達し、表示品質を低下させる。
　実施形態、変形例及び他の変形例の空中表示装置では、表示ユニット２０（または２０Ａ）をミラーデバイス１０に対して傾斜して設置する必要はなく、表示ユニットをミラーデバイス１０に対して平行に設置する。さらに、表示ユニットとミラーデバイス１０との間に光制御素子４０（または４０Ａ）を配置する。これにより、表示ユニットから出射される光のうち、光制御素子を透過した光がミラーデバイス１０に対して表示ユニットと面対称の位置に結像し、当該位置に空中像３０を表示させる。一方、表示ユニットから出射される光のうち、不要光や迷光は光制御素子により遮光されるため、これらの光が空中像３０の近傍や観察者８０に到達するのを防ぐことができる。
　以上により実施形態、変形例及び他の変形例によれば、空中像３０の表示品質を確保できると共に、空中表示装置を小型化することが可能である。すなわち、空中像の表示品質を確保できると共に、構成部材（表示ユニット、光制御素子及びミラーデバイス等）の設置条件の自由度を向上でき、コンパクトなパッケージングが可能な空中表示装置を提供できる。
　さらに、実施形態では、光制御素子４０における出射光の角度θ３と、光学シート２１４（または表示ユニット２０）からの出射光の角度θ２を一致させる。これにより、表示ユニット２０から出射される出射光の光利用効率を向上させることができる。
　また、他の変形例によれば、空中表示装置３の光出射面に対して直交方向を中心に空中像３０を形成することが可能である。これにより、観察者８０は、表示品質の良い空中像３０を視認することができる。
　［６］その他変形例等
　本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (17)

  1. 　画像を表示する表示面を有し、前記表示面から表示光を出射する表示素子と、
    　前記表示面に直交する第１方向に対して斜めに配置されかつ交互に配列された複数の透明領域と複数の遮光領域とを有し、前記透明領域に入射した前記表示光を透過し、前記遮光領域に入射した前記表示光を遮光する光制御素子と、
    　前記表示面に対して平行に配置され、前記光制御素子を透過した前記表示光を反射し、前記表示素子と面対称な位置に空中像を結像するミラーデバイスと、
    　を具備する空中表示装置。
  2. 　前記複数の透明領域及び前記複数の遮光領域は、それぞれが前記表示面に平行な第２方向に延び、前記第２方向に直交する第３方向に配列されている請求項１に記載の空中表示装置。
  3. 　前記複数の透明領域と前記複数の遮光領域は、前記第１方向に対して０度より大きく６０度以下である角度θで配列されている請求項２に記載の空中表示装置。
  4. 　前記表示素子から出射される前記表示光は、前記角度θにおいて最大光強度を有する請求項３に記載の空中表示装置。
  5. 　前記表示素子に照明光を出射する光源部をさらに具備し、
    　前記光源部は、前記角度θにおいて最大光強度を有する光を前記表示素子に出射する請求項３に記載の空中表示装置。
  6. 　前記複数の透明領域の各々は、前記表示光を透過する光路を有し、
    　前記光路と前記第１方向とのなす角θは、０度より大きく６０度以下である請求項１に記載の空中表示装置。
  7. 　前記表示素子に照明光を出射する光源部をさらに具備し、
    　前記光源部は、前記角θにおいて最大光強度を有する光を前記表示素子に出射する請求項６に記載の空中表示装置。
  8. 　前記光制御素子は、前記表示素子の前記表示面に対して平行に配置される請求項１に記載の空中表示装置。
  9. 　前記ミラーデバイスは、直角に配置された２つの反射面をそれぞれが含む複数の光学要素を有する請求項１に記載の空中表示装置。
  10. 　前記複数の光学要素の各々は、立方体または直方体からなる請求項９に記載の空中表示装置。
  11. 　前記ミラーデバイスは、直角に配置された２つの反射面をそれぞれが含む複数の光学要素を有し、
    　前記光学要素が含む前記反射面は、前記第３方向に対して角度４５度を有する請求項２に記載の空中表示装置。
  12. 　画像を表示する表示面を有し、前記表示面から表示光を出射する表示素子と、
    　前記表示面に直交する第１方向に対して斜めに配置されかつ交互に配列された複数の透明領域と複数の遮光領域とを有し、前記透明領域に入射した前記表示光を透過し、前記遮光領域に入射した前記表示光を遮光する光制御素子と、
    　前記表示面に対して平行に配置され、前記光制御素子を透過した前記表示光を反射するミラーデバイスと、
    　前記ミラーデバイスにより反射された前記表示光の光路を変更する光路変更素子と、
    　を具備する空中表示装置。
  13. 　前記光路変更素子は、前記第１方向に対して第１角度で入射した前記表示光を、前記第１方向に対して第２角度で出射する請求項１２に記載の空中表示装置。
  14. 　前記複数の透明領域及び前記複数の遮光領域は、それぞれが前記表示面に平行な第２方向に延び、前記第２方向に直交する第３方向に配列されている請求項１２に記載の空中表示装置。
  15. 　前記複数の透明領域と前記複数の遮光領域は、前記第１方向に対して０度より大きく６０度以下である角度θで配列されている請求項１４に記載の空中表示装置。
  16. 　前記表示素子から出射される前記表示光は、前記角度θにおいて最大光強度を有する請求項１５に記載の空中表示装置。
  17. 　前記表示素子に照明光を出射する光源部をさらに具備し、
    　前記光源部は、前記角度θにおいて最大光強度を有する光を前記表示素子に出射する請求項１５に記載の空中表示装置。
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