WO2021177271A1 - 空中表示装置 - Google Patents

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WO2021177271A1
WO2021177271A1 PCT/JP2021/007835 JP2021007835W WO2021177271A1 WO 2021177271 A1 WO2021177271 A1 WO 2021177271A1 JP 2021007835 W JP2021007835 W JP 2021007835W WO 2021177271 A1 WO2021177271 A1 WO 2021177271A1
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display
control element
display device
aerial
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PCT/JP2021/007835
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代工　康宏
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凸版印刷株式会社
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    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
    • G02B6/005—Means for improving the coupling-out of light from the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed on the light output side of the light guide
    • G02B6/0053—Prismatic sheet or layer; Brightness enhancement element, sheet or layer

Definitions

  • the present invention relates to an aerial display device.
  • the aerial display device uses, for example, a two-sided corner reflector array in which two-sided corner reflectors are arranged in an array, reflects light emitted from the display surface of the display element, and displays an image or the like in the air (for example,).
  • Patent Document 1 The display method using the two-sided corner reflector array has no aberration and displays an image or the like at a plane-symmetrical position.
  • the present invention provides an aerial display device that can be miniaturized.
  • the aerial display device is a light source unit that emits light, a display element that transmits light from the light source unit and displays an image, and a display element that transmits light from the display element to display the above.
  • An optical control element that emits light so that the light intensity in the diagonal direction peaks with respect to the normal direction perpendicular to the first direction in the main surface of the element, and a light control element that reflects the light from the optical control element.
  • It includes a mirror device that displays an image in the air on the opposite side of the optical control element.
  • the mirror device includes a plurality of optical elements, each consisting of a hexahedron.
  • Each of the plurality of optical elements includes a first and second reflecting surface that reflects light.
  • Each of the first and second reflecting surfaces is arranged obliquely with respect to the normal direction.
  • FIG. 1 is a perspective view of an aerial display device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view of the aerial display device shown in FIG.
  • FIG. 3 is a side view of the light source unit shown in FIG.
  • FIG. 4 is a plan view of the optical control element shown in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the optical control element along the line AA'of FIG.
  • FIG. 6 is a bottom view of the mirror device shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an optical element of the mirror device.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating the light emission angle of the mirror device.
  • FIG. 9 is a block diagram of the aerial display device.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the intensity and the angle of the illumination light emitted from the light source unit.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the intensity and the angle of the display light emitted from the optical control element.
  • the aerial display device includes an aerial imaging element (referred to as a mirror device) provided with a two-sided corner reflector array, and the display light emitted from the display surface of the display element is used as a mirror device. It is used to reflect and display images and moving images in the air.
  • an aerial imaging element referred to as a mirror device
  • the display light emitted from the display surface of the display element is used as a mirror device. It is used to reflect and display images and moving images in the air.
  • FIG. 1 is a perspective view of the aerial display device 1 according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view of the aerial display device 1 shown in FIG.
  • the X direction in FIG. 1 is a direction along one side of the aerial display device 1, the Y direction is a direction orthogonal to the X direction in the horizontal plane, and the Z direction is a direction orthogonal to the XY plane. (Also called the normal direction).
  • the aerial display device 1 includes a light source unit (also referred to as a backlight) 10, a display element (also referred to as a light modulation element) 20, an optical control element 30, and a mirror device 40.
  • the light source unit 10, the display element 20, the optical control element 30, and the mirror device 40 are arranged in this order along the Z direction, and their main surfaces are arranged in parallel.
  • a plurality of elements constituting the aerial display device 1 are shown to be floating, but these elements are fixed at positions in the drawings by support members (not shown). The same applies to the drawings shown below.
  • the light source unit 10 emits illumination light and emits the illumination light toward the display element 20.
  • the light source unit 10 is composed of a surface light source.
  • the light source unit 10 is composed of, for example, a side light type (edge light type) backlight.
  • the light source unit 10 includes a light emitting element 11 provided on the side surface of the light guide plate.
  • the light emitting element 11 is composed of, for example, a light emitting diode (LED: Light Emitting Diode) that emits white light.
  • LED Light Emitting Diode
  • the light source unit 10 emits illumination light so that the light intensity in the oblique direction, which is an angle ⁇ 1 with respect to the normal direction, peaks.
  • the angle ⁇ 1 is 30 degrees or more and 60 degrees or less. In this embodiment, the angle ⁇ 1 is about 45 degrees.
  • the illumination light of the light source unit 10 is polarized in the Y direction. The specific configuration of the light source unit 10 will be described later.
  • the display element 20 is a transmissive display element.
  • the display element 20 is composed of, for example, a liquid crystal display element.
  • the drive mode of the display element 20 is not particularly limited, and a TN (Twisted Nematic) mode, a VA (Vertical Alignment) mode, a homogeneous mode, or the like can be used.
  • the display element 20 receives the illumination light emitted from the light source unit 10.
  • the display element 20 transmits illumination light to perform light modulation. Then, the display element 20 displays a desired image and moving image on the display surface thereof.
  • the optical control element 30 receives the display light emitted from the display element 20.
  • the optical control element 30 transmits the display light so that the light intensity in the oblique direction at an angle ⁇ 2 with respect to the normal direction peaks.
  • the mirror device 40 receives the display light transmitted through the optical control element 30.
  • the mirror device 40 displays the aerial image 50 in the air by reflecting the display light.
  • the display light reflected by the mirror device 40 is visually recognized by the observer 51 on the opposite side of the display element 20 of the mirror device 40.
  • the specific configuration of the mirror device 40 will be described later.
  • FIG. 3 is a side view of the light source unit 10.
  • the light source unit 10 includes a light emitting element 11, a light guide plate 12, a reflection sheet 13, and a prism sheet 14.
  • the light emitting element 11 emits illumination light toward the side surface of the light guide plate 12.
  • one light emitting element is shown by a square.
  • the light emitting element 11 is composed of a plurality of light emitting elements arranged in the Y direction.
  • the light guide plate 12 guides the illumination light from the light emitting element 11 and emits the illumination light from the upper surface. Further, the light guide plate 12 emits illumination light in an oblique direction with respect to the Z direction.
  • the reflective sheet 13 reflects the illumination light emitted from the bottom surface of the light guide plate 12 toward the light guide plate 12 again.
  • the prism sheet 14 refracts the illumination light from the light guide plate 12.
  • the prism sheet 14 has a structure in which a plurality of triangular prisms are arranged side by side in the X direction. That is, the upper surface of the prism sheet 14 has a corrugated shape (saw tooth profile) when viewed from the Y direction.
  • the prism sheet 14 has a plurality of refracting surfaces 14A inclined to the left with respect to the normal direction.
  • the light source unit 10 configured in this way can emit illumination light at an emission angle ⁇ 1. Further, the emission angle ⁇ 1 can be optimally set by adjusting the inclination angle of the refraction surface 14A of the prism sheet 14 and the light emission angle of the light guide plate 12.
  • FIG. 4 is a plan view of the optical control element 30.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the optical control element 30 along the line AA'of FIG.
  • a plurality of transparent members 33 each extending in the Y direction and arranged in the X direction are provided. Further, on the base material 31, a plurality of light-shielding members 34, each extending in the Y direction and arranged in the X direction, are provided. The plurality of transparent members 33 and the plurality of light-shielding members 34 are alternately arranged so that adjacent members are in contact with each other.
  • Cross-section of the transparent member 33 is a parallelogram whose sides are inclined by the inclination angle theta 2.
  • Section of the shielding member 34 is a parallelogram whose sides are inclined by the inclination angle theta 2.
  • the two adjacent light-shielding members 34 are arranged so that their ends (specifically, one upper end and the other lower end) slightly overlap each other in the Z direction.
  • the transparent member 33 transmits light.
  • the light-shielding member 34 blocks light.
  • a base material 32 is provided on the plurality of transparent members 33 and the plurality of light-shielding members 34.
  • a transparent resin for example, an acrylic resin is used.
  • the light-shielding member 34 for example, a resin mixed with a black dye is used.
  • the optical control element 30 configured in this way can transmit the display light so that the light intensity in the oblique direction at an angle ⁇ 2 with respect to the normal direction peaks.
  • FIG. 6 is a bottom view of the mirror device 40. That is, FIG. 6 is a view of the mirror device 40 of FIG. 1 as viewed from below.
  • the mirror device 40 includes a base material 41 and a plurality of optical elements 42 provided on the bottom surface of the base material 41.
  • the base material 41 is arranged in parallel with the light source unit 10.
  • the base material 41 and the optical element 42 are made of a transparent resin, for example, an acrylic resin.
  • the planar shape of the optical element 42 is a quadrangle, and in the present embodiment, it is a square.
  • the optical element 42 has a reflecting surface 42A and a reflecting surface 42B.
  • the optical element 42 is arranged so that one side is tilted by 45 degrees with respect to the X direction.
  • the plurality of optical elements 42 are arranged in a plurality of rows so that one row is arranged in the direction of 45 degrees with respect to the X direction.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an optical element 42 of the mirror device 40.
  • a view of the optical element 42 viewed from the X direction is taken as a front view.
  • 7 (a) is a bottom view
  • FIG. 7 (b) is a front view
  • FIG. 7 (c) is a right side view.
  • the optical element 42 is composed of a hexahedron and has a bottom surface 42C, a reflecting surface 42A, and a reflecting surface 42B.
  • the reflecting surfaces 42A and 42B of the optical element 42 correspond to the two side surfaces opposite to the front surface.
  • the reflecting surface 42A and the reflecting surface 42B form a so-called two-sided corner reflector.
  • the reflecting surface 42A is inclined by the inclination angle theta 3 toward the center of the optical element 42 with respect to the Z direction.
  • the tilt angle ⁇ 3 is greater than 0 degrees and less than or equal to 45 degrees.
  • the reflecting surface 42B is inclined by the inclination angle theta 3 toward the center of the optical element 42 with respect to the Z direction. However, it has a relationship of “ ⁇ 3 ⁇ 2”.
  • the angle formed by the reflecting surface 42A and the reflecting surface 42B is 90 degrees.
  • the inclined side of the reflecting surface 42A and the reflecting surface 42B is the same as the inclined side of the emission angle ⁇ 2 of the optical control element 30. Specifically, the reflecting surface 42A and the reflecting surface 42B are tilted to the right with respect to the normal direction, and the emission angle ⁇ 2 of the optical control element 30 is tilted to the right with respect to the normal direction.
  • the bottom surface 42C of the optical element 42 is formed obliquely so that the height of the optical element 42 increases in the X direction.
  • the angle between the reflecting surface 42A and the bottom surface 42C and the angle between the reflecting surface 42B and the bottom surface 42C are 90 degrees, respectively.
  • the display light incident on the optical element 42 at an angle ⁇ 2 is reflected twice by the reflecting surface 42A and the reflecting surface 42B and emitted in the normal direction.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating the light emission angle of the mirror device 40.
  • ⁇ 1 is the emission angle of the light source unit 10
  • ⁇ 2 is the emission angle of the optical control element 30
  • ⁇ 3 is the inclination angle of the reflection surfaces 42A and 42B of the optical element 42.
  • the refractive index of the mirror device 40 is np, and the refractive index of air is 1.
  • the light (display light) emitted from the optical control element 30 enters the optical element 42 at an incident angle ⁇ 4 and is refracted at a refraction angle ⁇ 5 .
  • the light reflected in the optical element 42 enters the interface with air at an incident angle ⁇ 8 and is refracted at a refraction angle ⁇ 9 . That is, the light incident on the mirror device 40 is emitted from the mirror device 40 at an emission angle ⁇ 9.
  • the emission angle ⁇ 9 is set in the range of ⁇ 30 degrees with respect to the normal direction. In this embodiment, the exit angle ⁇ 9 is set to about 0 degrees. Therefore, the inclination angle ⁇ 3 , the incident angle ⁇ 4 , and the refractive index n p are appropriately set so that the emission angle ⁇ 9 becomes about 0 degrees.
  • FIG. 9 is a block diagram of the aerial display device 1.
  • the aerial display device 1 includes a light source unit 10, a display element 20, an optical control element 30, a mirror device 40, a display drive unit 60, a voltage generation circuit 61, and a control circuit 62.
  • the display drive unit 60 drives the display element 20 to display an image and a moving image on the display element 20.
  • the voltage generation circuit 61 generates a plurality of types of voltages necessary for the light source unit 10 and the display drive unit 60 to operate, and supplies these voltages to the light source unit 10 and the display drive unit 60.
  • the control circuit 62 controls the operation of the entire aerial display device 1. That is, the control circuit 62 controls the light source unit 10, the display drive unit 60, and the voltage generation circuit 61. Then, the control circuit 62 displays the aerial image 50 at a desired display position.
  • the light source unit 10 emits illumination light and emits the illumination light toward the display element 20. Further, the light source unit 10 emits illumination light so that the light intensity in the oblique direction at an angle ⁇ 1 with respect to the normal direction peaks. In this embodiment, the angle ⁇ 1 is about 45 degrees.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the intensity and the angle of the illumination light emitted from the light source unit 10.
  • the vertical axis of FIG. 10 is the relative value (%) of the intensity of the illumination light emitted from the light source unit 10, and the horizontal axis of FIG. 10 is the angle (%) of the illumination light emitted from the light source unit 10 with respect to the normal direction. Degree).
  • the display element 20 transmits the illumination light from the light source unit 10 and displays an image and a moving image.
  • the optical control element 30 receives the display light from the display element 20 and transmits the display light so that the light intensity in the oblique direction at an angle ⁇ 2 with respect to the normal direction peaks.
  • the angle ⁇ 2 is about 45 degrees.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the intensity and the angle of the display light emitted from the optical control element 30.
  • the vertical axis of FIG. 11 is the relative value (%) of the intensity of the display light emitted from the optical control element 30, and the horizontal axis of FIG. 11 is the normal direction of the display light emitted from the optical control element 30.
  • the angle (degree) is the relative value (%) of the intensity of the display light emitted from the optical control element 30.
  • the display light emitted from the optical control element 30 is incident on the mirror device 40 at an angle, that is, at about 45 degrees with respect to the normal direction.
  • the mirror device 40 reflects the display light and emits light at an emission angle ⁇ 9 of about 0 degrees.
  • the aerial image 50 can be displayed at a desired display position.
  • the aerial image 50 is visually recognized by the observer.
  • each mirror surface of the two-sided corner reflector array is arranged upright almost perpendicular to the element surface.
  • the two-sided corner reflector array is arranged at an arbitrary angle with respect to the element surface.
  • the light emitted from the display element at a specific incident angle is reflected in an arbitrary direction, whereby an aerial image is generated at an arbitrary position other than the plane-symmetrical position.
  • each mirror surface of the two-sided corner reflector is not arranged vertically with respect to the die drawing direction, there is a feature that the mirror surface accuracy of the reflecting surface can be ensured (easy releasability).
  • the light source unit 10, the display element 20, the optical control element 30, and the mirror device 40 are arranged in this order along the normal direction, and their main surfaces are parallel to each other. It is arranged so as to be. Further, the light source unit 10, the display element 20, and the light control element 30 cause the display light to enter the mirror device 40 in an oblique direction with respect to the normal direction. The mirror device 40 reflects the display light from the light control element 30 and displays an image in the air on the opposite side of the light control element 30.
  • the present embodiment it is not necessary to arrange the light source unit 10 and the display element 20 diagonally with respect to the mirror device 40. As a result, it is possible to realize an aerial display device 1 that can be miniaturized in the normal direction while maintaining the display quality of the aerial image.
  • the light unnecessary for display is roughly blocked by the light control element 30.
  • the contrast of the aerial image can be improved.
  • the display quality of the aerial display device 1 can be improved.
  • the emission angle ⁇ 1 of the light source unit 10 and the inclination angle ⁇ 2 of the light-shielding member 34 of the light control element 30 are the same. As a result, the light utilization efficiency of the illumination light emitted from the light source unit 10 can be improved.
  • the mirror device 40 is configured to include a plurality of optical elements 42 composed of hexahedrons.
  • the structure of the mirror device 40 is not limited to this.
  • the mirror device 40 may be configured to have a plurality of holes in a transparent base material, and each of the plurality of holes has two reflecting surfaces 42A and 42B arranged at right angles.
  • the optical element that reflects light twice may be convex or concave.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and can be variously modified at the implementation stage without departing from the gist thereof.
  • each embodiment may be carried out in combination as appropriate, in which case the combined effect can be obtained.
  • the above-described embodiment includes various inventions, and various inventions can be extracted by a combination selected from a plurality of disclosed constituent requirements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, if the problem can be solved and the effect is obtained, the configuration in which the constituent requirements are deleted can be extracted as an invention.

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Abstract

空中表示装置は、光を発光する光源部（１０）と、光源部（１０）からの光を透過し、画像を表示する表示素子（２０）と、表示素子（２０）からの光を透過し、法線方向に対して斜め方向の光強度がピークになるように光を出射する光制御素子（３０）と、光制御素子（３０）からの光を反射し、光制御素子（３０）と反対側の空中に画像を表示させるミラーデバイス（４０）とを含む。ミラーデバイス（４０）は、それぞれが６面体からなる複数の光学要素（４２）を含む。光学要素（４２）は、光を反射する第１及び第２反射面を含む。第１及び第２反射面の各々は、法線方向に対して斜めに配置される。

Description

空中表示装置
　本発明は、空中表示装置に関する。
　画像や動画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た光を反射し、空中に画像などを表示する（例えば、特許文献１参照）。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、面対称の位置に画像などが表示される。
日本国特開２０１７－６７９３３号公報
　本発明は、小型化が可能な空中表示装置を提供する。
　本発明の一態様に係る空中表示装置は、光を発光する光源部と、前記光源部からの光を透過し、画像を表示する表示素子と、前記表示素子からの光を透過し、前記表示素子の主面内の第１方向に垂直な法線方向に対して斜め方向の光強度がピークになるように光を出射する光制御素子と、前記光制御素子からの光を反射し、前記光制御素子と反対側の空中に画像を表示させるミラーデバイスとを具備する。前記ミラーデバイスは、それぞれが６面体からなる複数の光学要素を含む。前記複数の光学要素の各々は、光を反射する第１及び第２反射面を含む。前記第１及び第２反射面の各々は、前記法線方向に対して斜めに配置される。
　本発明によれば、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、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側面図である。 図３は、図１に示した光源部の側面図である。 図４は、図１に示した光制御素子の平面図である。 図５は、図４のＡ－Ａ´線に沿った光制御素子の断面図である。 図６は、図１に示したミラーデバイスの底面図である。 図７は、ミラーデバイスの光学要素を説明する図である。 図８は、ミラーデバイスの光出射角を説明する模式的断面図である。 図９は、空中表示装置のブロック図である。 図１０は、光源部から出射された照明光における強度と角度との関係を示すグラフである。 図１１は、光制御素子から出射された表示光における強度と角度との関係を示すグラフである。
　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］　空中表示装置の全体構成
　空中表示装置は、２面コーナーリフレクタアレイを備えた空中結像素子（ミラーデバイスという）を備え、表示素子の表示面から出射される表示光を、ミラーデバイスを用いて反射させ、空中に画像及び動画を表示させるものである。
　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２は、図１に示した空中表示装置１の側面図である。図１の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、Ｘ－Ｙ平面に直交する方向（法線方向ともいう）である。
　空中表示装置１は、光源部（バックライトともいう）１０、表示素子（光変調素子ともいう）２０、光制御素子３０、及びミラーデバイス４０を備える。光源部１０、表示素子２０、光制御素子３０、及びミラーデバイス４０は、この順にＺ方向に沿って配置され、また、それぞれの主面が平行になるように配置される。なお、図１では、空中表示装置１を構成する複数の素子が浮いているように示されているが、これらの素子は、図示しない支持部材によって、図面の位置に固定される。以下に示す図面についても同様である。
　光源部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。光源部１０は、面光源からなる。光源部１０は、例えば、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。光源部１０は、導光板の側面に設けられた発光素子１１を備える。発光素子１１は、例えば白色光を発光する発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）で構成される。
　本実施形態では、光源部１０は、法線方向に対して角度θ１である斜め方向の光強度がピークになるように、照明光を出射する。角度θ１は、３０度以上かつ６０度以下である。本実施形態では、角度θ１は、約４５度である。光源部１０の照明光は、Ｙ方向に偏光している。光源部１０の具体的な構成については後述する。
　表示素子２０は、透過型表示素子である。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、光源部１０から出射された照明光を受ける。表示素子２０は、照明光を透過して光変調を行う。そして、表示素子２０は、その表示面に所望の画像及び動画を表示する。
　光制御素子３０は、表示素子２０から出射された表示光を受ける。光制御素子３０は、法線方向に対して角度θ２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。角度θ２は、３０度以上かつ６０度以下であり、“θ１＝θ２”が好ましい。本実施形態では、角度θ２は、約４５度である。“θ１＝θ２”に設定することで、表示素子２０を透過した表示光が光制御素子３０で遮光される光量を少なくできるので、光源部１０の照明光の利用効率を向上させることができる。光制御素子３０の具体的な構成については後述する。
　ミラーデバイス４０は、光制御素子３０を透過した表示光を受ける。ミラーデバイス４０は、表示光を反射することで、空中に空中像５０を表示する。ミラーデバイス４０で反射された表示光は、ミラーデバイス４０の表示素子２０と反対側にいる観察者５１に視認される。ミラーデバイス４０の具体的な構成については後述する。
　［１－１］　光源部１０の構成
　図３は、光源部１０の側面図である。光源部１０は、発光素子１１、導光板１２、反射シート１３、及びプリズムシート１４を備える。
　発光素子１１は、導光板１２の側面に向けて照明光を発光する。図３には、１個の発光素子を四角で示しているが、例えば、発光素子１１は、Ｙ方向に並んだ複数の発光素子から構成される。
　導光板１２は、発光素子１１からの照明光を導光し、照明光を上面から出射する。また、導光板１２は、Ｚ方向に対して斜め方向に照明光を出射する。
　反射シート１３は、導光板１２の底面から出射した照明光を、再び導光板１２に向けて反射する。
　プリズムシート１４は、導光板１２からの照明光を屈折させる。プリズムシート１４は、複数の三角柱を横にしてＸ方向に並べた構造を備える。すなわち、プリズムシート１４の上面は、Ｙ方向から見て波形（のこぎり歯形）を有する。プリズムシート１４は、法線方向に対して左側に傾いた複数の屈折面１４Ａを有する。
　このように構成された光源部１０は、出射角θ１で照明光を出射することができる。また、プリズムシート１４の屈折面１４Ａの傾斜角、及び導光板１２の光出射角を調整することで、出射角θ１を最適に設定できる。
　［１－２］　光制御素子３０の構成
　図４は、光制御素子３０の平面図である。図５は、図４のＡ－Ａ´線に沿った光制御素子３０の断面図である。
　基材３１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３３が設けられる。また、基材３１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３４が設けられる。複数の透明部材３３と複数の遮光部材３４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。
　透明部材３３の断面は、その側面が傾斜角θ２だけ傾いた平行四辺形である。遮光部材３４の断面は、その側面が傾斜角θ２だけ傾いた平行四辺形である。隣接する２個の遮光部材３４は、Ｚ方向において互いの端部（具体的には、一方の上端部と他方の下端部）が若干重なるように配置される。透明部材３３は、光を透過する。遮光部材３４は、光を遮光する。複数の透明部材３３及び複数の遮光部材３４上には、基材３２が設けられる。
　基材３１、３２、及び透明部材３３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３４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。
　このように構成された光制御素子３０は、法線方向に対して角度θ２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。
　［１－３］　ミラーデバイス４０の構成
　図６は、ミラーデバイス４０の底面図である。すなわち、図６は、図１のミラーデバイス４０を下から見た図である。
　ミラーデバイス４０は、基材４１と、基材４１の底面に設けられた複数の光学要素４２とを備える。基材４１は、光源部１０と平行に配置される。基材４１及び光学要素４２は、透明な樹脂で構成され、例えばアクリル樹脂で構成される。光学要素４２の平面形状は、四角形であり、本実施形態では、正方形である。光学要素４２は、反射面４２Ａ、及び反射面４２Ｂを有する。
　光学要素４２は、１辺がＸ方向に対して４５度だけ傾くように配置される。複数の光学要素４２は、１列がＸ方向に対して４５度方向に並ぶようにして、複数列に配置される。
　図７は、ミラーデバイス４０の光学要素４２を説明する図である。図７において、光学要素４２をＸ方向から見た図を正面図とする。図７（ａ）は底面図、図７（ｂ）は正面図、図７（ｃ）は右側面図である。
　光学要素４２は、６面体で構成され、底面４２Ｃ、反射面４２Ａ、及び反射面４２Ｂを有する。光学要素４２の反射面４２Ａ、４２Ｂは、正面と反対側の２個の側面に対応する。反射面４２Ａ及び反射面４２Ｂは、いわゆる２面コーナーリフレクタを構成する。
　反射面４２Ａは、Ｚ方向に対して光学要素４２の中心側に傾斜角θ３だけ傾いている。傾斜角θ３は、０度より大きくかつ４５度以下である。同様に、反射面４２Ｂは、Ｚ方向に対して光学要素４２の中心側に傾斜角θ３だけ傾いている。但し、“θ３＜θ２”の関係を有する。反射面４２Ａと反射面４２Ｂとのなす角度は、９０度である。
　また、反射面４２Ａ及び反射面４２Ｂの傾く側は、光制御素子３０の出射角θ２の傾く側と同じである。具体的には、反射面４２Ａ及び反射面４２Ｂは、法線方向に対して右側に傾いており、光制御素子３０の出射角θ２は、法線方向に対して右側に傾いている。
　光学要素４２の底面４２Ｃは、Ｘ方向に向かって光学要素４２の高さが高くなるように、斜めに形成される。反射面４２Ａと底面４２Ｃとの角度、及び反射面４２Ｂと底面４２Ｃとの角度はそれぞれ、９０度である。
　このように構成されたミラーデバイス４０では、光学要素４２に角度θ２で入射した表示光は、反射面４２Ａと反射面４２Ｂとで２回反射されておおよそ法線方向に出射される。
　［２］　ミラーデバイス４０の光出射角について
　図８は、ミラーデバイス４０の光出射角を説明する模式的断面図である。θ１は光源部１０の出射角、θ２は光制御素子３０の出射角、θ３は光学要素４２の反射面４２Ａ、４２Ｂの傾斜角度である。ミラーデバイス４０の屈折率をｎｐとし、空気の屈折率を１とする。
　光制御素子３０から出射した光（表示光）は、入射角θ４で光学要素４２に入射し、屈折角θ５で屈折する。光学要素４２内を進む光は、反射角θ６及び反射角θ７（＝θ６）で反射する。光学要素４２内で反射した光は、空気との界面に入射角θ８で入射し、屈折角θ９で屈折する。すなわち、ミラーデバイス４０に入射した光は、出射角θ９でミラーデバイス４０から出射する。
　出射角θ９は、以下の式で表される。
θ９＝ｓｉｎ－１（ｎｐ・ｓｉｎ（θ３－ｓｉｎ－１（ｓｉｎθ４／ｎｐ））
臨界角＜θ６（＝θ７）
臨界角＝ｓｉｎ－１（１／ｎｐ）
　出射角θ９は、法線方向に対して±３０度の範囲に設定される。本実施形態では、出射角θ９は約０度に設定される。よって、出射角θ９が約０度になるように、傾斜角θ３、入射角θ４、及び屈折率をｎｐが適宜設定される。
　［３］　空中表示装置１のブロック構成
　図９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、光源部１０、表示素子２０、光制御素子３０、ミラーデバイス４０、表示駆動部６０、電圧発生回路６１、及び制御回路６２を備える。
　表示駆動部６０は、表示素子２０を駆動し、表示素子２０に画像及び動画を表示させる。電圧発生回路６１は、光源部１０及び表示駆動部６０が動作するのに必要な複数種類の電圧を発生し、これらの電圧を光源部１０及び表示駆動部６０に供給する。
　制御回路６２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６２は、光源部１０、表示駆動部６０、及び電圧発生回路６１を制御する。そして、制御回路６２は、所望の表示位置に空中像５０を表示させる。
　［４］　動作
　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。
　光源部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。また、光源部１０は、法線方向に対して角度θ１の斜め方向の光強度がピークになるように、照明光を出射する。本実施形態では、角度θ１は、約４５度である。
　図１０は、光源部１０から出射された照明光における強度と角度との関係を示すグラフである。図１０の縦軸は、光源部１０から出射された照明光における強度の相対値（％）であり、図１０の横軸は、光源部１０から出射された照明光における法線方向に対する角度（度）である。
　図１０から理解されるように、光源部１０から出射された照明光は、４５度（＝θ１）で光強度のピークを有する。また、光源部１０から出射された光の大部分は、３０～６０度の角度の範囲内にある。
　表示素子２０は、光源部１０からの照明光を透過するとともに、画像及び動画を表示する。
　光制御素子３０は、表示素子２０からの表示光を受け、法線方向に対して角度θ２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。本実施形態では、角度θ２は、約４５度である。
　図１１は、光制御素子３０から出射された表示光における強度と角度との関係を示すグラフである。図１１の縦軸は、光制御素子３０から出射された表示光における強度の相対値（％）であり、図１１の横軸は、光制御素子３０から出射された表示光における法線方向に対する角度（度）である。
　図１１から理解されるように、光制御素子３０から出射された表示光は、４５度（＝θ２）で光強度のピークを有する。また、光制御素子３０から出射された光の大部分は、３０～６０度の角度の範囲内にある。さらに、表示素子２０から出射された表示光のうち不要な光が光制御素子３０によって遮光される。
　光制御素子３０から出射された表示光は、ミラーデバイス４０に対して斜めに、すなわち法線方向に対して約４５度で入射する。ミラーデバイス４０は、表示光を反射し、出射角θ９が約０度で出射する。
　これにより、所望の表示位置に空中像５０を表示させることができる。空中像５０は、観察者に視認される。
　先行技術では、２面コーナーリフレクタアレイの各鏡面は、素子面にほぼ垂直に直立配置されている。一方、本実施形態では、２面コーナーリフレクタアレイは、素子面に対して任意の角度で配置するようにしている。また、前述２面コーナーリフレクタの鏡面配置により、表示素子から発せられた特定の入射角度の光を任意の方向に反射し、これにより面対称位置ではない任意の位置に空中像を生成するという特徴を有する。更には、製造面では、金型の抜き方向に対して２面コーナーリフレクタの各鏡面は垂直配置されないため、反射面の鏡面精度を確保できる（離型性を容易にする）という特徴がある。
　［５］　実施形態の効果
　本実施形態では、光源部１０、表示素子２０、光制御素子３０、及びミラーデバイス４０は、この順に法線方向に沿って配置され、また、それぞれの主面が平行になるように配置される。また、光源部１０、表示素子２０、及び光制御素子３０は、表示光をミラーデバイス４０に法線方向に対して斜め方向に入射させる。ミラーデバイス４０は、光制御素子３０からの表示光を反射し、光制御素子３０と反対側の空中に画像を表示させる。
　従って本実施形態によれば、ミラーデバイス４０に対して、光源部１０及び表示素子２０を斜めに配置する必要がない。これにより、空中像の表示品質を維持しつつ、法線方向に小型化が可能な空中表示装置１を実現できる。
　また、表示に不要な光は、光制御素子３０によっておおよそ遮光される。これにより、空中像のコントラストを向上させることができる。この結果、空中表示装置１の表示品質を向上させることができる。
　また、光源部１０の出射角θ１と、光制御素子３０の遮光部材３４の傾斜角θ２とを同じにしている。これにより、光源部１０から出射される照明光の光利用効率を向上させることができる。
　［６］　変形例
　上記実施形態では、ミラーデバイス４０が６面体からなる複数の光学要素４２を備えるように構成される。ミラーデバイス４０の構造は、これに限定されない。例えば、ミラーデバイス４０は、透明な基材に、複数の穴を有し、複数の穴の各々が、直角に配置された２つの反射面４２Ａ、４２Ｂを有するように構成してもよい。換言すると、光を２回反射する光学要素は、凸型であってもよいし、凹型であってもよい。
　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。

Claims (8)

  1. 　光を発光する光源部と、
    　前記光源部からの光を透過し、画像を表示する表示素子と、
    　前記表示素子からの光を透過し、前記表示素子の主面内の第１方向に垂直な法線方向に対して斜め方向の光強度がピークになるように光を出射する光制御素子と、
    　前記光制御素子からの光を反射し、前記光制御素子と反対側の空中に画像を表示させるミラーデバイスと、
    　を具備し、
    　前記ミラーデバイスは、それぞれが６面体からなる複数の光学要素を含み、
    　前記複数の光学要素の各々は、光を反射する第１及び第２反射面を含み、
    　前記第１及び第２反射面の各々は、前記法線方向に対して斜めに配置される
    　空中表示装置。
  2. 　前記第１及び第２反射面の各々は、平面視において前記第１方向に対して斜めに配置される
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  3. 　前記ミラーデバイスは、前記表示素子と平行に配置された基材を含み、
    　前記複数の光学要素は、前記基材の前記光制御素子側の底面に設けられる
    　請求項１又は２に記載の空中表示装置。
  4. 　前記光学要素の前記光制御素子側の底面は、前記第１方向に対して斜めに配置される
    　請求項１又は２に記載の空中表示装置。
  5. 　前記第１反射面と前記第２反射面とは、９０度の角度をなす
    　請求項１又は２に記載の空中表示装置。
  6. 　前記光制御素子は、複数の透明部材と、複数の遮光部材とを含み、
    　前記複数の透明部材と前記複数の遮光部材とは、交互に配置され、
    　前記遮光部材は、前記法線方向に対して斜めに配置される
    　請求項１又は２に記載の空中表示装置。
  7. 　前記光源部は、前記法線方向に対して斜め方向の光強度がピークになるように光を出射する
    　請求項１又は２に記載の空中表示装置。
  8. 　前記表示素子は、液晶表示素子である
    　請求項１又は２に記載の空中表示装置。
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