WO2022085503A1 - 空中表示装置 - Google Patents

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WO2022085503A1
WO2022085503A1 PCT/JP2021/037571 JP2021037571W WO2022085503A1 WO 2022085503 A1 WO2022085503 A1 WO 2022085503A1 JP 2021037571 W JP2021037571 W JP 2021037571W WO 2022085503 A1 WO2022085503 A1 WO 2022085503A1
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WO
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prism
display device
respect
refracting
light
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PCT/JP2021/037571
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Inventor
康宏 代工
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凸版印刷株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/50—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels
    • G02B30/56—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels by projecting aerial or floating images
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G02B17/0856—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors
    • G02B17/086—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors wherein the system is made of a single block of optical material, e.g. solid catadioptric systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms
    • G02B5/045—Prism arrays

Definitions

  • the present invention relates to an aerial display device that displays an image in the air.
  • 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.
  • the display method using the two-sided corner reflector array has no aberration, and an image or the like is displayed at a position symmetrical to the plane.
  • the present invention provides an aerial display device that can be miniaturized.
  • the prism element includes a display element for displaying an image and a prism element that reflects light from the display element and displays an image in the air on the opposite side of the display element.
  • the first refracting surface corresponds to the bottom surface of the hexahedron and is inclined with respect to the first direction parallel to the horizontal plane, and the second refracting surface is the upper surface of the hexahedron.
  • the first reflective surface corresponds to one side surface of the hexahedron and is parallel to the normal direction
  • the second reflective surface corresponds to the sixth.
  • An aerial display device is provided that corresponds to the other side surface of the facet, is in contact with the first reflective surface, and is parallel to the normal direction.
  • the first refracting surface is tilted 45 degrees with respect to the first direction
  • the second refracting surface is tilted 45 degrees with respect to the first direction.
  • the first reflecting surface in the plan view, is tilted with respect to the first direction, and in the plan view, the second reflecting surface is tilted with respect to the first direction.
  • the aerial display device according to the first aspect is provided.
  • the first reflecting surface is tilted 45 degrees with respect to the first direction
  • the second reflecting surface is tilted 45 degrees with respect to the first direction.
  • an aerial display device in which the first reflecting surface and the second reflecting surface are arranged so as to be orthogonal to each other.
  • the prism element is provided with the aerial display device according to the first aspect, which is made of a translucent material.
  • the aerial display device further comprises a lighting element that emits light, the display element is a liquid crystal display element, and the light from the lighting element is transmitted. Provided.
  • the prism element comprises a display element for displaying an image and a prism element for reflecting light from the display element and displaying an image in the air on the opposite side of the display element.
  • the plurality of element prisms include a substrate, a plurality of element prisms provided on the bottom surface of the substrate and arranged in a horizontal plane, and a plurality of refractive members provided on the upper surface of the substrate and refracting light.
  • Each of the hexahedrons comprises a refracting surface that refracts light and first and second reflecting surfaces that reflect light, the refractory surface corresponding to the bottom surface of the hexahedron and parallel to the horizontal plane.
  • the first reflective surface corresponds to one side surface of the hexahedron and is parallel to the normal direction
  • the second reflecting surface is the other of the hexahedron.
  • An aerial display device is provided that extends in a second direction orthogonal to the direction, each consisting of triangular columns.
  • the aerial display device according to the eighth aspect is provided in which the refracting surface is tilted by 45 degrees with respect to the first direction.
  • each of the plurality of refracting members has a refracting surface inclined by 45 degrees with respect to the first direction.
  • the first reflecting surface in the plan view, is tilted with respect to the first direction, and in the plan view, the second reflecting surface is tilted with respect to the first direction.
  • the aerial display device according to the eighth aspect is provided.
  • the first reflecting surface is tilted 45 degrees with respect to the first direction
  • the second reflecting surface is tilted 45 degrees with respect to the first direction.
  • the aerial display device according to the eighth aspect is provided in which the first reflecting surface and the second reflecting surface are arranged so as to be orthogonal to each other.
  • the prism element is provided with the aerial display device according to the 8th aspect, which is made of a translucent material.
  • the aerial display device is further provided with a lighting element that emits light, the display element is a liquid crystal display element, and light from the lighting element is transmitted. Provided.
  • FIG. 1 is a perspective view of an aerial display device according to an embodiment.
  • FIG. 2A is a perspective view of the prism element.
  • FIG. 2B is a plan view of a part of the prism element.
  • FIG. 2C is a side view of the prism element.
  • FIG. 3A is a perspective view of one element prism.
  • FIG. 3B is a plan view of the element prism.
  • FIG. 3C is a side view of the element prism.
  • FIG. 4 is a block diagram of the aerial display device.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the operation of the aerial display device.
  • FIG. 6A is a schematic diagram illustrating the operation of the element prism.
  • FIG. 6B is a schematic diagram illustrating the operation of the element prism.
  • FIG. 6A is a schematic diagram illustrating the operation of the element prism.
  • FIG. 6B is a schematic diagram illustrating the operation of the element prism.
  • FIG. 6A is a schematic
  • FIG. 6C is a schematic diagram illustrating the operation of the element prism.
  • FIG. 7A is a perspective view of the prism element according to the first embodiment.
  • FIG. 7B is a side view of the prism element according to the first embodiment.
  • FIG. 7C is a bottom view of a part of the prism element according to the first embodiment.
  • FIG. 8A is a perspective view of the prism element according to the second embodiment.
  • FIG. 8B is a side view of the prism element according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a method for manufacturing a prism element according to a second embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view of the aerial display device 1 according to the embodiment.
  • 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 (method). (Also called the line direction).
  • the aerial display device 1 includes a lighting element 10, a display element 11, and a prism element 12.
  • the illumination element 10, the display element 11, and the prism element 12 are arranged in this order along the Z direction, and their main surfaces are arranged so as to be parallel to each other.
  • a plurality of elements constituting the aerial display device 1 are shown to be floating, but these elements (illumination element 10, display element 11, and prism element 12) are provided by a support member (not shown). , Fixed at the position of the drawing.
  • the illumination element 10 emits illumination light and emits the illumination light toward the display element 11.
  • the illumination element 10 is composed of a surface light source.
  • the illumination element 10 is composed of, for example, a side light type (edge light type) backlight.
  • the illumination element 10 includes a light source unit 10A and a light guide plate 10B.
  • the light source unit 10A is arranged on the side surface of the light guide plate 10B, and emits illumination light toward the side surface of the light guide plate 10B.
  • the light guide plate 10B emits the illumination light from the light source unit 10A toward the display element 11.
  • the light source unit 10A includes, for example, a plurality of light emitting diodes (LEDs: Light Emitting Diodes) that emit white light.
  • LEDs Light Emitting Diodes
  • the display element 11 is a transmissive display element.
  • the display element 11 is composed of, for example, a liquid crystal display element.
  • the drive mode of the display element 11 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 11 receives the illumination light emitted from the illumination element 10.
  • the display element 11 transmits the illumination light and performs light modulation. Then, the display element 11 displays a desired image and / or moving image on the display surface thereof.
  • the prism element 12 receives the display light transmitted through the display element 11.
  • the prism element 12 refracts and reflects the display light to display an aerial image in the air opposite to the display element 11.
  • the display light reflected by the prism element 12 is visually recognized by an observer on the opposite side of the prism element 12 from the display element 11.
  • FIG. 2A is a perspective view of the prism element 12.
  • FIG. 2B is a plan view of a part of the prism element 12.
  • FIG. 2C is a side view of the prism element 12, and is a view of the prism element 12 as viewed in the Y direction.
  • the prism element 12 includes a plurality of element prisms 20 arranged along the X direction and the Y direction.
  • the plurality of element prisms 20 are arranged at intervals from each other and are arranged in a staggered manner. That is, the plurality of element prisms 20 are arranged so that one row extends in the direction of 45 degrees with respect to the X direction and the plurality of rows are arranged in the direction of 45 degrees with respect to the Y direction.
  • the element prism 20 has translucency and is made of, for example, an acrylic resin.
  • FIG. 3A is a perspective view of one element prism 20.
  • FIG. 3B is a plan view of the element prism 20 and is a view of the element prism 20 in an XY plane.
  • FIG. 3C is a side view of the element prism 20 and is a view of the element prism 20 in an XZ plane.
  • Each element prism 20 is composed of a hexahedron.
  • the element prism 20 includes two refracting surfaces 20A and 20B, and two reflecting surfaces 20C and 20D.
  • the refracting surface 20A corresponds to the bottom surface of the hexahedron
  • the refracting surface 20B corresponds to the upper surface of the hexahedron
  • the reflecting surfaces 20C and 20D correspond to the side surfaces of the hexahedron.
  • the reflecting surfaces 20C and 20D are parallel to the Z direction (normal direction).
  • the reflective surface 20C and the reflective surface 20D are in contact with each other and are arranged at an angle of, for example, 90 degrees. As shown in FIG.
  • the four sides of the hexahedron are arranged at an angle of, for example, 90 degrees.
  • the reflective surface 20C is arranged (tilted) at an angle ⁇ 1 with respect to the X direction.
  • the angle ⁇ 1 is, for example, 45 degrees.
  • the reflective surface 20D is arranged obliquely so as to form an angle ⁇ 1 with respect to the Y direction.
  • the angle ⁇ 1 is not limited to 45 degrees and can be set in the range of 30 degrees or more and 60 degrees or less.
  • the refracting surface 20A is arranged diagonally so as to form an angle ⁇ 2 with respect to the X direction, and the size of the element prism 20 is adjusted toward the line where the reflecting surface 20C and the reflecting surface 20D are in contact with each other. It is arranged diagonally so that it becomes large.
  • the refraction surface 20B is diagonally arranged so as to form an angle ⁇ 3 with respect to the X direction, and is diagonally arranged so that the size of the element prism 20 increases toward the line where the reflection surface 20C and the reflection surface 20D are in contact with each other. Will be done.
  • the angle ⁇ 2 and the angle ⁇ 3 are, for example, 45 degrees.
  • the angle ⁇ 2 and the angle ⁇ 3 are set to be the same.
  • the angle ⁇ 2 and the angle ⁇ 3 are not limited to 45 degrees, and can be set in the range of 30 degrees or more and 60 degrees or less.
  • the refracting surfaces 20A and 20B each have a function of refracting light at an interface.
  • the reflecting surfaces 20C and 20D each have a function of reflecting light at an interface.
  • a reflective film may be provided between the adjacent element prisms 20 so that the adjacent element prisms 20 are in contact with the reflective film.
  • the plurality of element prisms 20 can be integrally fixed.
  • a fine unevenness may be partially formed on the side surface of the element prism 20, and the adjacent element prism 20 may be partially contacted by the unevenness. Also in this case, the plurality of element prisms 20 can be integrally fixed.
  • FIG. 4 is a block diagram of the aerial display device 1.
  • the aerial display device 1 includes a lighting element 10, a display element 11, a prism element 12, a display drive circuit 14, a voltage generation circuit 15, and a control circuit 16.
  • the display drive circuit 14 supplies a signal to the display element 11 and drives the display element 11. Then, the display drive circuit 14 causes the display element 11 to display an image and / or a moving image.
  • the voltage generation circuit 15 generates a plurality of types of voltages necessary for the lighting element 10 and the display drive circuit 14 to operate, and supplies these voltages to the lighting element 10 and the display drive circuit 14.
  • the control circuit 16 controls the operation of the entire aerial display device 1. That is, the control circuit 16 controls the illumination element 10, the display drive circuit 14, and the voltage generation circuit 15. Then, the control circuit 16 displays the aerial image 13 at a desired display position.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the operation of the aerial display device 1.
  • the illumination element 10 emits illumination light toward the display element 11.
  • the display element 11 transmits the illumination light emitted from the illumination element 10 and displays an image and / or a moving image.
  • the prism element 12 displays the aerial image 13 in the air by refracting and reflecting the display light emitted from the display element 11.
  • the black circle on the illumination element 10 represents the emission position of the illumination light
  • the black circle in the aerial image 13 represents the image formation position of the display light.
  • FIG. 6A to 6C are schematic views illustrating the operation of the element prism 20.
  • FIG. 6A is a perspective view of the element prism 20.
  • FIG. 6B is a plan view of the element prism 20 and is a view of the element prism 20 in an XY plane.
  • FIG. 6C is a side view of the element prism 20 and is a view of the element prism 20 in an XZ plane.
  • the light emitted from the display element 11 enters the refracting surface 20A of the element prism 20 and is refracted by the refracting surface 20A. At this time, there is a relationship of "incident angle> refraction angle". Subsequently, the light transmitted through the refracting surface 20A is reflected twice by the reflecting surface 20C and the reflecting surface 20D. Subsequently, the light reflected by the reflecting surface 20C and the reflecting surface 20D is incident on the refracting surface 20B and refracted by the refracting surface 20B. At this time, there is a relationship of "incident angle ⁇ refraction angle". The light transmitted through the refraction surface 20B forms an aerial image 13.
  • the lower black circle represents the light source
  • the upper black circle represents the image formation position of the light
  • the white squares represent the positions where the light is refracted
  • the white circles represent the positions where the light is reflected.
  • the aerial image 13 is imaged at a position symmetrical to the light source with respect to the element prism 20.
  • FIG. 7A is a perspective view of the prism element 12 according to the first embodiment.
  • FIG. 7B is a side view of the prism element 12 according to the first embodiment, and is a view of the prism element 12 viewed in the Y direction.
  • FIG. 7C is a bottom view of a part of the prism element 12 according to the first embodiment.
  • the prism element 12 includes a plurality of element prisms 20, a substrate 21, and a plurality of refraction members 22.
  • the plurality of element prisms 20, the substrate 21, and the plurality of refracting members 22 have translucency and are made of, for example, acrylic resin.
  • the substrate 21 is a plate-shaped member that extends on an XY plane.
  • the planar shape of the substrate 21 is a quadrangle.
  • a plurality of element prisms 20 are provided on the bottom surface of the substrate 21.
  • Each element prism 20 is composed of a hexahedron.
  • the element prism 20 has the same configuration as the element prism described with reference to FIGS. 3A to 3C except that the upper surface is formed horizontally. That is, the element prism 20 includes the above-mentioned refraction surface 20B and the reflection surfaces 20C and 20D.
  • the upper surface of the element prism 20 is in contact with the bottom surface of the substrate 21.
  • the arrangement of the plurality of element prisms 20 is also the same as that of the element prisms described with reference to FIG. 2A.
  • a plurality of refraction members 22 are provided on the upper surface of the substrate 21.
  • the plurality of refracting members 22 are arranged side by side in the X direction.
  • Each refraction member 22 is composed of a triangular prism extending in the Y direction.
  • the refraction member 22 has a refraction surface 22A.
  • the refracting surface 22A is arranged diagonally with respect to the X direction, and is formed diagonally so that the size of the refracting member 22 increases toward the X direction.
  • the refraction surface 22A is formed, for example, at an angle of 45 degrees with respect to the X direction.
  • the refraction surface 22A of the refraction member 22 has the same function as the refraction surface 20B corresponding to the upper surface of the element prism 20 described above.
  • the prism element 12 according to the first embodiment configured as described above can realize the same operation as the prism element described in the embodiment.
  • the prism element 12 of FIG. 7A may be arranged upside down with the refraction member 22 facing down.
  • FIG. 8A is a perspective view of the prism element 12 according to the second embodiment.
  • FIG. 8B is a side view of the prism element 12 according to the second embodiment, and is a view of the prism element 12 viewed in the Y direction.
  • the prism element 12 includes a plurality of element prisms 20, a first substrate 21, a plurality of first refraction members 22, a second substrate 23, and a plurality of second refraction members 24.
  • the plurality of element prisms 20, the first substrate 21, the plurality of first refracting members 22, the second substrate 23, and the plurality of second refracting members 24 have translucency and are made of, for example, acrylic resin.
  • the configuration of the first substrate 21 and the plurality of first refracting members 22 is the same as that of the first embodiment.
  • the plurality of element prisms 20 are composed of quadrangular prisms. Each element prism 20 has a function of reflecting light twice.
  • the element prism 20 includes the reflective surfaces 20C and 20D as in the above-described embodiment.
  • the arrangement of the plurality of element prisms 20 is also the same as that of the element prism 20 described with reference to FIG. 2A.
  • the second substrate 23 is a plate-shaped member that extends on an XY plane.
  • the planar shape of the second substrate 23 is a quadrangle.
  • the bottom surface of the element prism 20 is in contact with the upper surface of the second substrate 23.
  • a plurality of second refracting members 24 are provided on the bottom surface of the second substrate 23.
  • the plurality of second refracting members 24 are arranged side by side in the X direction.
  • Each second refracting member 24 is composed of a triangular prism extending in the Y direction.
  • the second refraction member 24 has a refraction surface 24A.
  • the refraction surface 24A is arranged obliquely with respect to the X direction, and is formed obliquely so that the size of the second refraction member 24 increases toward the X direction.
  • the refraction surface 24A is formed, for example, at an angle of 45 degrees with respect to the X direction.
  • the refraction surface 24A of the second refraction member 24 has the same function as the refraction surface 20A corresponding to the bottom surface of the element prism 20 described above.
  • the prism element 12 according to the second embodiment configured as described above can realize the same operation as the prism element described in the embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a method of manufacturing the prism element 12 according to the second embodiment.
  • a plurality of element prisms 20, a first substrate 21, and a plurality of first refracting members 22 are integrally formed to form a first optical element 12A.
  • the second substrate 23 and the plurality of second refracting members 24 are integrally formed to form the second optical element 12B.
  • the transparent adhesive 25 is applied to the upper surface of the second substrate 23. Subsequently, the first optical element 12A and the second optical element 12B are bonded together via the adhesive 25. In this way, the prism element 12 shown in FIG. 8B is formed.
  • the aerial display device 1 includes a lighting element 10, a display element 11, and a prism element 12.
  • the illumination element 10, the display element 11, and the prism element 12 are arranged in this order along the normal direction, and their main surfaces are arranged so as to be parallel to each other.
  • the illumination element 10 and the display element 11 incident the display light on the prism element 12 in the normal direction.
  • the prism element 12 refracts and reflects the display light from the display element 11 to display an image and / or a moving image in the space opposite to the display element 11.
  • the embodiment it is not necessary to arrange the illumination element 10 and the display element 11 diagonally with respect to the prism element 12. 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. Further, it is possible to realize an aerial display device 1 that can be miniaturized even in the horizontal direction.
  • the liquid crystal display element is described as an example as the display element, but a display element other than the liquid crystal display element, for example, a self-luminous organic EL (electroluminescence) display element or the like may be used.
  • a display element other than the liquid crystal display element for example, a self-luminous organic EL (electroluminescence) display element or the like may be used.
  • the illumination element 10 is omitted.
  • 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 elements are deleted from all the constituent elements shown in the embodiment, if the problem can be solved and the effect is obtained, the configuration in which the constituent elements are deleted can be extracted as an invention.

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Abstract

空中表示装置は、画像を表示する表示素子（１１）と、表示素子（１１）からの光を反射し、表示素子（１１）と反対側の空中に画像を表示させるプリズム素子（１２）とを含む。プリズム素子（１２）は、水平面内に配列された複数の要素プリズム（２０）を含む。要素プリズム（２０）は、６面体からなり、光を屈折する第１及び第２屈折面と、光を反射する第１及び第２反射面とを含む。第１屈折面は、６面体の底面に対応し、水平面に平行な第１方向に対して傾いている。第２屈折面は、６面体の上面に対応し、第１方向に対して傾いている。第１反射面は、６面体の１つの側面に対応し、法線方向に平行である。第２反射面は、６面体の他の１つの側面に対応し、第１反射面に接し、法線方向に平行である。

Description

空中表示装置
　本発明は、空中に画像を表示する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。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。
　本発明の第１態様によると、画像を表示する表示素子と、前記表示素子からの光を反射し、前記表示素子と反対側の空中に画像を表示させるプリズム素子とを具備し、前記プリズム素子は、水平面内に配列された複数の要素プリズムを含み、前記複数の要素プリズムの各々は、６面体からなり、光を屈折する第１及び第２屈折面と、光を反射する第１及び第２反射面とを含み、前記第１屈折面は、前記６面体の底面に対応し、前記水平面に平行な第１方向に対して傾いており、前記第２屈折面は、前記６面体の上面に対応し、前記第１方向に対して傾いており、前記第１反射面は、前記６面体の１つの側面に対応し、法線方向に平行であり、前記第２反射面は、前記６面体の他の１つの側面に対応し、前記第１反射面に接し、前記法線方向に平行である、空中表示装置が提供される。
　本発明の第２態様によると、前記第１屈折面は、前記第１方向に対して４５度傾いており、前記第２屈折面は、前記第１方向に対して４５度傾いている、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、平面視において、前記第１反射面は、前記第１方向に対して傾いており、平面視において、前記第２反射面は、前記第１方向に対して傾いている、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第４態様によると、前記第１反射面は、前記第１方向に対して４５度傾いており、前記第２反射面は、前記第１方向に対して４５度傾いている、第３態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第５態様によると、前記第１反射面及び前記第２反射面は、互いに直交するように配置される、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第６態様によると、前記プリズム素子は、透光性を有する材料で構成される、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第７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、液晶表示素子であり、前記照明素子からの光を透過する、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第８態様によると、画像を表示する表示素子と、前記表示素子からの光を反射し、前記表示素子と反対側の空中に画像を表示させるプリズム素子とを具備し、前記プリズム素子は、基板と、前記基板の底面に設けられ、水平面内に配列された複数の要素プリズムと、前記基板の上面に設けられ、光を屈折する複数の屈折部材とを含み、前記複数の要素プリズムの各々は、６面体からなり、光を屈折する屈折面と、光を反射する第１及び第２反射面とを含み、前記屈折面は、前記６面体の底面に対応し、前記水平面に平行な第１方向に対して傾いており、前記第１反射面は、前記６面体の１つの側面に対応し、法線方向に平行であり、前記第２反射面は、前記６面体の他の１つの側面に対応し、前記第１反射面に接し、前記法線方向に平行であり、前記複数の屈折部材は、前記第１方向に並んで配列され、それぞれが前記水平面内において前記第１方向に直交する第２方向に延び、それぞれが三角柱からなる、空中表示装置が提供される。
　本発明の第９態様によると、前記屈折面は、前記第１方向に対して４５度傾いている、第８態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第１０態様によると、前記複数の屈折部材の各々は、前記第１方向に対して４５度傾いた屈折面を有する、第８態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第１１態様によると、平面視において、前記第１反射面は、前記第１方向に対して傾いており、平面視において、前記第２反射面は、前記第１方向に対して傾いている、第８態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第１２態様によると、前記第１反射面は、前記第１方向に対して４５度傾いており、前記第２反射面は、前記第１方向に対して４５度傾いている、第１１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第１３態様によると、前記第１反射面及び前記第２反射面は、互いに直交するように配置される、第８態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第１４態様によると、前記プリズム素子は、透光性を有する材料で構成される、第８態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第１５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、液晶表示素子であり、前記照明素子からの光を透過する、第８態様に係る空中表示装置が提供される。
　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、実施形態に係る空中表示装置の斜視図である。 図２Ａは、プリズム素子の斜視図である。 図２Ｂは、プリズム素子の一部領域の平面図である。 図２Ｃは、プリズム素子の側面図である。 図３Ａは、１個の要素プリズムの斜視図である。 図３Ｂは、要素プリズムの平面図である。 図３Ｃは、要素プリズムの側面図である。 図４は、空中表示装置のブロック図である。 図５は、空中表示装置の動作を説明する模式図である。 図６Ａは、要素プリズムの動作を説明する模式図である。 図６Ｂは、要素プリズムの動作を説明する模式図である。 図６Ｃは、要素プリズムの動作を説明する模式図である。 図７Ａは、第１実施例に係るプリズム素子の斜視図である。 図７Ｂは、第１実施例に係るプリズム素子の側面図である。 図７Ｃは、第１実施例に係るプリズム素子の一部領域の底面図である。 図８Ａは、第２実施例に係るプリズム素子の斜視図である。 図８Ｂは、第２実施例に係るプリズム素子の側面図である。 図９は、第２実施例に係るプリズム素子の製造方法を説明する図である。
　以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複する説明は省略する。
　［１］　空中表示装置１の構成
　図１は、実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。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、ＸＹ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、照明素子１０、表示素子１１、及びプリズム素子１２を備える。照明素子１０、表示素子１１、及びプリズム素子１２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。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（照明素子１０、表示素子１１、及びプリズム素子１２）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。
　照明素子１０は、照明光を発光し、この照明光を表示素子１１に向けて出射する。照明素子１０は、面光源からなる。照明素子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。照明素子１０は、光源部１０Ａ、及び導光板１０Ｂを備える。光源部１０Ａは、導光板１０Ｂの側面に配置され、導光板１０Ｂの側面に向けて照明光を発光する。導光板１０Ｂは、光源部１０Ａからの照明光を表示素子１１に向けて出射する。光源部１０Ａは、例えば、白色光を発光する複数の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）を含む。
　表示素子１１は、透過型の表示素子である。表示素子１１は、例えば液晶表示素子で構成される。表示素子１１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１１は、照明素子１０から出射された照明光を受ける。表示素子１１は、照明光を透過して光変調を行う。そして、表示素子１１は、その表示面に所望の画像及び／又は動画を表示する。
　プリズム素子１２は、表示素子１１を透過した表示光を受ける。プリズム素子１２は、表示光を屈折及び反射することで、表示素子１１と反対側の空中に空中像を表示する。プリズム素子１２で反射された表示光は、プリズム素子１２の表示素子１１と反対側にいる観察者に視認される。
　［２］　プリズム素子１２の具体的な構成
　次に、プリズム素子１２の具体的な構成について説明する。図２Ａは、プリズム素子１２の斜視図である。図２Ｂは、プリズム素子１２の一部領域の平面図である。図２Ｃは、プリズム素子１２の側面図であり、プリズム素子１２をＹ方向に向かって見た図である。
　プリズム素子１２は、Ｘ方向及びＹ方向に沿って配列された複数の要素プリズム２０を備える。複数の要素プリズム２０は、互いに間隔を空けて配置され、千鳥状に配列される。すなわち、複数の要素プリズム２０は、１行がＸ方向に対して４５度の方向に延び、複数行がＹ方向に対して４５度の方向に並ぶように配置される。要素プリズム２０は、透光性を有し、例えばアクリル樹脂で構成される。
　図３Ａは、１個の要素プリズム２０の斜視図である。図３Ｂは、要素プリズム２０の平面図であり、要素プリズム２０をＸＹ平面で見た図である。図３Ｃは、要素プリズム２０の側面図であり、要素プリズム２０をＸＺ平面で見た図である。
　各要素プリズム２０は、６面体からなる。要素プリズム２０は、２個の屈折面２０Ａ、２０Ｂ、及び２個の反射面２０Ｃ、２０Ｄを含む。屈折面２０Ａは、６面体の底面に対応し、屈折面２０Ｂは、６面体の上面に対応し、反射面２０Ｃ、２０Ｄは、６面体の側面に対応する。反射面２０Ｃ、２０Ｄは、Ｚ方向（法線方向）に平行である。反射面２０Ｃと反射面２０Ｄとは、互いに接し、例えば９０度の角度をなして配置される。図３Ｂに示すように、６面体の４個の側面は、例えば９０度の角度をなして配置される。平面視において、反射面２０Ｃは、Ｘ方向に対して角度θ１をなすように斜めに配置される（傾いている）。角度θ１は、例えば４５度である。同様に、平面視において、反射面２０Ｄは、Ｙ方向に対して角度θ１をなすように斜めに配置される。なお、角度θ１は、４５度に限定されず、３０度以上６０度以下の範囲で設定可能である。
　図３Ｃに示すように、屈折面２０Ａは、Ｘ方向に対して角度θ２をなすように斜めに配置され、また、反射面２０Ｃと反射面２０Ｄとが接する線に向かって要素プリズム２０のサイズが大きくなるように斜めに配置される。屈折面２０Ｂは、Ｘ方向に対して角度θ３をなすように斜めに配置され、また、反射面２０Ｃと反射面２０Ｄとが接する線に向かって要素プリズム２０のサイズが大きくなるように斜めに配置される。角度θ２及び角度θ３は、例えば４５度である。角度θ２及び角度θ３は、同じに設定される。なお、角度θ２及び角度θ３は、４５度に限定されず、３０度以上６０度以下の範囲で設定可能である。
　屈折面２０Ａ、２０Ｂはそれぞれ、界面で光を屈折させる機能を有する。反射面２０Ｃ、２０Ｄはそれぞれ、界面で光を反射する機能を有する。
　なお、隣接する要素プリズム２０間に反射膜を設け、この反射膜によって隣接する要素プリズム２０が接するように構成してもよい。これにより、複数の要素プリズム２０を一体で固定できる。
　また、要素プリズム２０の側面に部分的に微細な凹凸を形成し、この凹凸によって隣接する要素プリズム２０が部分的に接するように構成してもよい。この場合も、複数の要素プリズム２０を一体で固定できる。
　［３］　空中表示装置１のブロック構成
　図４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、照明素子１０、表示素子１１、プリズム素子１２、表示駆動回路１４、電圧発生回路１５、及び制御回路１６を備える。
　表示駆動回路１４は、表示素子１１に信号を供給し、表示素子１１を駆動する。そして、表示駆動回路１４は、表示素子１１に画像及び／又は動画を表示させる。
　電圧発生回路１５は、照明素子１０及び表示駆動回路１４が動作するのに必要な複数種類の電圧を発生し、これらの電圧を照明素子１０及び表示駆動回路１４に供給する。
　制御回路１６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１６は、照明素子１０、表示駆動回路１４、及び電圧発生回路１５を制御する。そして、制御回路１６は、所望の表示位置に空中像１３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。図５は、空中表示装置１の動作を説明する模式図である。
　照明素子１０は、照明光を表示素子１１に向けて出射する。表示素子１１は、照明素子１０から出射された照明光を透過するとともに、画像及び／又は動画を表示する。プリズム素子１２は、表示素子１１から出射された表示光を屈折及び反射することで、空中に空中像１３を表示する。図５において、照明素子１０上の黒丸は照明光の出射位置を表し、空中像１３内の黒丸は表示光の結像位置を表している。
　図６Ａ～図６Ｃは、要素プリズム２０の動作を説明する模式図である。図６Ａは、要素プリズム２０の斜視図である。図６Ｂは、要素プリズム２０の平面図であり、要素プリズム２０をＸＹ平面で見た図である。図６Ｃは、要素プリズム２０の側面図であり、要素プリズム２０をＸＺ平面で見た図である。
　表示素子１１から出射された光は、要素プリズム２０の屈折面２０Ａに入射し、屈折面２０Ａで屈折する。この時、“入射角＞屈折角”の関係を有する。続いて、屈折面２０Ａを透過した光は、反射面２０Ｃ及び反射面２０Ｄで２回反射される。続いて、反射面２０Ｃ及び反射面２０Ｄで反射された光は、屈折面２０Ｂに入射し、屈折面２０Ｂで屈折する。この時、“入射角＜屈折角”の関係を有する。屈折面２０Ｂを透過した光は、空中像１３を結像する。
　図６Ａ～図６Ｃにおいて、下側の黒丸は光源を表し、上側の黒丸は光の結像位置を表している。図６Ａ～図６Ｃにおいて、白い四角は光が屈折する位置を表し、白丸は光が反射する位置を表している。空中像１３は、要素プリズム２０に対して光源と対称な位置に結像する。
　［５］　プリズム素子１２の実施例
　次に、プリズム素子１２の実施例について説明する。図７Ａは、第１実施例に係るプリズム素子１２の斜視図である。図７Ｂは、第１実施例に係るプリズム素子１２の側面図であり、プリズム素子１２をＹ方向に向かって見た図である。図７Ｃは、第１実施例に係るプリズム素子１２の一部領域の底面図である。
　プリズム素子１２は、複数の要素プリズム２０、基板２１、及び複数の屈折部材２２を備える。複数の要素プリズム２０、基板２１、及び複数の屈折部材２２は、透光性を有し、例えばアクリル樹脂で構成される。
　基板２１は、ＸＹ平面に広がる板状の部材である。基板２１の平面形状は、四角形である。
　基板２１の底面には、複数の要素プリズム２０が設けられる。各要素プリズム２０は、６面体からなる。要素プリズム２０は、上面が水平に形成されている以外は、図３Ａ～図３Ｃで説明した要素プリズムと同じ構成である。すなわち、要素プリズム２０は、前述した屈折面２０Ｂ、及び反射面２０Ｃ、２０Ｄを含む。要素プリズム２０の上面は、基板２１の底面に接する。複数の要素プリズム２０の配列も、図２Ａで説明した要素プリズムと同じである。
　基板２１の上面には、複数の屈折部材２２が設けられる。複数の屈折部材２２は、Ｘ方向に並んで配置される。各屈折部材２２は、Ｙ方向に延びる三角柱からなる。屈折部材２２は、屈折面２２Ａを有する。屈折面２２Ａは、Ｘ方向に対して斜めに配置され、Ｘ方向に向かって屈折部材２２のサイズが大きくなるように斜めに形成される。屈折面２２Ａは、例えばＸ方向に対して４５度斜めに形成される。屈折部材２２の屈折面２２Ａは、前述した要素プリズム２０の上面に対応する屈折面２０Ｂと同じ機能を有する。
　上記のように構成された第１実施例に係るプリズム素子１２は、実施形態で説明したプリズム素子と同じ動作を実現できる。なお、図７Ａのプリズム素子１２は、屈折部材２２が下になるようにして、上下反対に配置してもよい。
　図８Ａは、第２実施例に係るプリズム素子１２の斜視図である。図８Ｂは、第２実施例に係るプリズム素子１２の側面図であり、プリズム素子１２をＹ方向に向かって見た図である。
　プリズム素子１２は、複数の要素プリズム２０、第１基板２１、複数の第１屈折部材２２、第２基板２３、及び複数の第２屈折部材２４を備える。複数の要素プリズム２０、第１基板２１、複数の第１屈折部材２２、第２基板２３、及び複数の第２屈折部材２４は、透光性を有し、例えばアクリル樹脂で構成される。第１基板２１、及び複数の第１屈折部材２２の構成は、第１実施例と同じである。
　複数の要素プリズム２０は、四角柱からなる。各要素プリズム２０は、光を２回反射する機能を有する。要素プリズム２０は、前述した実施形態と同様に、反射面２０Ｃ、２０Ｄを含む。複数の要素プリズム２０の配列も、図２Ａで説明した要素プリズム２０と同じである。
　第２基板２３は、ＸＹ平面に広がる板状の部材である。第２基板２３の平面形状は、四角形である。要素プリズム２０の底面は、第２基板２３の上面に接する。
　第２基板２３の底面には、複数の第２屈折部材２４が設けられる。複数の第２屈折部材２４は、Ｘ方向に並んで配置される。各第２屈折部材２４は、Ｙ方向に延びる三角柱からなる。第２屈折部材２４は、屈折面２４Ａを有する。屈折面２４Ａは、Ｘ方向に対して斜めに配置され、Ｘ方向に向かって第２屈折部材２４のサイズが大きくなるように斜めに形成される。屈折面２４Ａは、例えばＸ方向に対して４５度斜めに形成される。第２屈折部材２４の屈折面２４Ａは、前述した要素プリズム２０の底面に対応する屈折面２０Ａと同じ機能を有する。
　上記のように構成された第２実施例に係るプリズム素子１２は、実施形態で説明したプリズム素子と同じ動作を実現できる。
　次に、第２実施例に係るプリズム素子１２の製造方法の一例について説明する。図９は、第２実施例に係るプリズム素子１２の製造方法を説明する図である。
　図９（ａ）に示すように、複数の要素プリズム２０、第１基板２１、及び複数の第１屈折部材２２を一体で形成して、第１光学素子１２Ａを形成する。続いて、図９（ｂ）に示すように、第２基板２３、及び複数の第２屈折部材２４を一体で形成し、第２光学素子１２Ｂを形成する。
　続いて、第２基板２３の上面に、透明な接着剤２５を塗布する。続いて、接着剤２５を介して、第１光学素子１２Ａと第２光学素子１２Ｂとを貼り合わせる。このようにして、図８Ｂに示すプリズム素子１２が形成される。
　［６］　実施形態の効果
　以上詳述したように実施形態では、空中表示装置１は、照明素子１０、表示素子１１、及びプリズム素子１２を備える。照明素子１０、表示素子１１、及びプリズム素子１２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。照明素子１０及び表示素子１１は、表示光をプリズム素子１２に法線方向に入射させる。プリズム素子１２は、表示素子１１からの表示光を屈折及び反射し、表示素子１１と反対側の空間に画像及び／又は動画を表示させる。
　従って実施形態によれば、プリズム素子１２に対して、照明素子１０及び表示素子１１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、水平方向においても小型化が可能な空中表示装置１を実現できる。
　上記実施形態では、表示素子として液晶表示素子を例に挙げて説明しているが、液晶表示素子以外の表示素子、例えば自発光型である有機ＥＬ（electroluminescence）表示素子などを用いてもよい。有機ＥＬ表示素子を用いた場合、照明素子１０は省略される。
　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。

Claims (15)

  1. 　画像を表示する表示素子と、
    　前記表示素子からの光を反射し、前記表示素子と反対側の空中に画像を表示させるプリズム素子と、
    　を具備し、
    　前記プリズム素子は、水平面内に配列された複数の要素プリズムを含み、
    　前記複数の要素プリズムの各々は、６面体からなり、光を屈折する第１及び第２屈折面と、光を反射する第１及び第２反射面とを含み、
    　前記第１屈折面は、前記６面体の底面に対応し、前記水平面に平行な第１方向に対して傾いており、
    　前記第２屈折面は、前記６面体の上面に対応し、前記第１方向に対して傾いており、
    　前記第１反射面は、前記６面体の１つの側面に対応し、法線方向に平行であり、
    　前記第２反射面は、前記６面体の他の１つの側面に対応し、前記第１反射面に接し、前記法線方向に平行である
    　空中表示装置。
  2. 　前記第１屈折面は、前記第１方向に対して４５度傾いており、
    　前記第２屈折面は、前記第１方向に対して４５度傾いている
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  3. 　平面視において、前記第１反射面は、前記第１方向に対して傾いており、
    　平面視において、前記第２反射面は、前記第１方向に対して傾いている
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  4. 　前記第１反射面は、前記第１方向に対して４５度傾いており、
    　前記第２反射面は、前記第１方向に対して４５度傾いている
    　請求項３に記載の空中表示装置。
  5. 　前記第１反射面及び前記第２反射面は、互いに直交するように配置される
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  6. 　前記プリズム素子は、透光性を有する材料で構成される
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  7. 　光を発光する照明素子をさらに具備し、
    　前記表示素子は、液晶表示素子であり、前記照明素子からの光を透過する
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  8. 　画像を表示する表示素子と、
    　前記表示素子からの光を反射し、前記表示素子と反対側の空中に画像を表示させるプリズム素子と、
    　を具備し、
    　前記プリズム素子は、
    　基板と、
    　前記基板の底面に設けられ、水平面内に配列された複数の要素プリズムと、
    　前記基板の上面に設けられ、光を屈折する複数の屈折部材と、
    　を含み、
    　前記複数の要素プリズムの各々は、６面体からなり、光を屈折する屈折面と、光を反射する第１及び第２反射面とを含み、
    　前記屈折面は、前記６面体の底面に対応し、前記水平面に平行な第１方向に対して傾いており、
    　前記第１反射面は、前記６面体の１つの側面に対応し、法線方向に平行であり、
    　前記第２反射面は、前記６面体の他の１つの側面に対応し、前記第１反射面に接し、前記法線方向に平行であり、
    　前記複数の屈折部材は、前記第１方向に並んで配列され、それぞれが前記水平面内において前記第１方向に直交する第２方向に延び、それぞれが三角柱からなる
    　空中表示装置。
  9. 　前記屈折面は、前記第１方向に対して４５度傾いている
    　請求項８に記載の空中表示装置。
  10. 　前記複数の屈折部材の各々は、前記第１方向に対して４５度傾いた屈折面を有する
    　請求項８に記載の空中表示装置。
  11. 　平面視において、前記第１反射面は、前記第１方向に対して傾いており、
    　平面視において、前記第２反射面は、前記第１方向に対して傾いている
    　請求項８に記載の空中表示装置。
  12. 　前記第１反射面は、前記第１方向に対して４５度傾いており、
    　前記第２反射面は、前記第１方向に対して４５度傾いている
    　請求項１１に記載の空中表示装置。
  13. 　前記第１反射面及び前記第２反射面は、互いに直交するように配置される
    　請求項８に記載の空中表示装置。
  14. 　前記プリズム素子は、透光性を有する材料で構成される
    　請求項８に記載の空中表示装置。
  15. 　光を発光する照明素子をさらに具備し、
    　前記表示素子は、液晶表示素子であり、前記照明素子からの光を透過する
    　請求項８に記載の空中表示装置。
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