WO2023171327A1 - 空中表示装置 - Google Patents

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WO2023171327A1
WO2023171327A1 PCT/JP2023/005799 JP2023005799W WO2023171327A1 WO 2023171327 A1 WO2023171327 A1 WO 2023171327A1 JP 2023005799 W JP2023005799 W JP 2023005799W WO 2023171327 A1 WO2023171327 A1 WO 2023171327A1
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WO
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light
display
aerial
display device
optical element
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Application number
PCT/JP2023/005799
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English (en)
French (fr)
Inventor
康宏 代工
Original Assignee
凸版印刷株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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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
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/302—Image reproducers for viewing without the aid of special glasses, i.e. using autostereoscopic displays

Definitions

  • the present invention relates to an aerial display device.
  • An aerial display device includes, for example, a dihedral corner reflector array in which dihedral corner reflectors are arranged in an array, and reflects light emitted from a display surface of a display element to form a real image in the air.
  • the display method using a dihedral corner reflector array has no aberration and can display a real image (aerial image) at a plane-symmetrical position.
  • Patent Document 1 discloses an optical element in which a transparent square prism protruding from the surface of a transparent flat plate is used as a dihedral corner reflector, and a plurality of square prisms are arranged in an array on a plane.
  • Patent Document 2 discloses that each of the first and second light control panels is formed by vertically arranging a plurality of plane light reflection parts inside a transparent flat plate, and the first and second light control panels are arranged on each other's planes.
  • An optical element is disclosed in which light reflecting portions are arranged so as to be orthogonal to each other.
  • the optical elements of Patent Documents 1 and 2 reflect the light emitted from the display element twice on orthogonal reflecting surfaces to generate an aerial image.
  • the display devices using the optical elements of Patent Documents 1 and 2 can recognize an aerial image by observing from an oblique direction of the optical element, and can recognize a good aerial image by observing from the normal direction of the optical element. It's difficult to do.
  • the present invention provides an aerial display device that can improve display quality.
  • a display element that displays an image
  • a display element that is arranged to receive light from the display element, and that reflects the light from the display element to a side opposite to the display element and sends it into the air.
  • an optical element that forms an aerial image
  • a polarizing element that is arranged to receive light from the optical element and transmits linearly polarized light
  • An aerial display device comprising: a casing that fixes the display element with a space therebetween, and the polarization axis of the polarization element is parallel to the polarization axis of the display element.
  • the casing includes a bottom plate having an opening, and the display element is arranged such that light from the display element passes through the opening.
  • An aerial display device is provided.
  • the optical elements are provided under a planar base material and the base material, each extending in a first direction, and arranged in a second direction orthogonal to the first direction. and a plurality of optical elements, each of the plurality of optical elements having an incident surface and a reflection surface that are inclined with respect to the normal direction of the base material and touch each other, the aerial display device according to the first aspect. is provided.
  • the aerial display device in which the display element, the optical element, and the polarizing element are arranged parallel to each other.
  • the aerial display according to the first aspect further includes an orientation control element that is disposed between the display element and the optical element and transmits part of the light from the display element.
  • Equipment is provided.
  • the alignment control element includes a plurality of transparent members and a plurality of light blocking members arranged alternately, and the plurality of light blocking members are arranged with respect to the normal direction of the alignment control element.
  • An aerial display device according to a fifth aspect is provided which is tilted.
  • the aerial display device according to the fifth or sixth aspect, wherein the display element and the orientation control element are arranged parallel to each other.
  • the present invention further includes a lighting element that emits light, and the display element is arranged to receive light from the lighting element and is configured of a liquid crystal display element.
  • a lighting element that emits light
  • the display element is arranged to receive light from the lighting element and is configured of a liquid crystal display element.
  • Such an aerial display device is provided.
  • an aerial display device that can improve display quality.
  • FIG. 1 is an exploded view of an aerial display device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the aerial display device shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the aerial display device taken along line AA' in FIG.
  • FIG. 4 is a side view of the main parts of the aerial display device.
  • FIG. 5 is a side view of the display element shown in FIG. 1.
  • FIG. 6 is a sectional view showing an extracted case.
  • FIG. 7A is a plan view of the orientation control element shown in FIG. 1.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of the alignment control element taken along line BB' in FIG. 7A.
  • FIG. 8 is a perspective view of the optical element shown in FIG. 1.
  • FIG. 1 is an exploded view of an aerial display device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the aerial display device shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the
  • FIG. 9 is a block diagram of the aerial display device.
  • FIG. 10 is a perspective view illustrating how light is reflected in an optical element.
  • FIG. 11 is a side view of the XZ plane illustrating how light is reflected in the optical element.
  • FIG. 12 is a side view of the YZ plane illustrating how light is reflected in the optical element.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating the angle conditions of the incident surface and the reflective surface of the optical element.
  • FIG. 14 is a schematic diagram illustrating the behavior of external light.
  • FIG. 15 is a schematic diagram illustrating the behavior of display light.
  • FIG. 1 is an exploded view of an aerial display device 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the X direction is a direction along one side of the aerial display device 1
  • the Y direction is a direction perpendicular to the X direction in the horizontal plane
  • the Z direction is a direction perpendicular to the XY plane (also called the normal direction).
  • FIG. 2 is a plan view of the aerial display device 1 shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the aerial display device 1 taken along line AA' in FIG.
  • FIG. 4 is a side view of the main parts of the aerial display device 1.
  • the aerial display device 1 is a device that displays images (including videos).
  • the aerial display device 1 displays an aerial image in the air above its own light exit surface.
  • the light emitting surface of the aerial display device 1 means the surface of the member disposed in the uppermost layer among the plurality of members constituting the aerial display device 1.
  • An aerial image is a real image formed in the air.
  • the aerial display device 1 includes a lighting element (also referred to as a backlight) 10, a display element 20, an orientation control element 30, an optical element 40, a polarizing element 50, and a housing 60.
  • the lighting element 10, the display element 20, the orientation control element 30, the optical element 40, and the polarizing element 50 are arranged in this order along the Z direction and parallel to each other.
  • the lighting element 10, the display element 20, and the orientation control element 30 are fixed at desired positions with a fixing member (not shown) with a desired spacing between them.
  • the lighting element 10 emits illumination light and emits this illumination light toward the display element 20.
  • the lighting element 10 includes a light source section 11, a light guide plate 12, and a reflective sheet 13.
  • the lighting element 10 is, for example, a side light type lighting element.
  • the lighting element 10 constitutes a surface light source.
  • the lighting element 10 may be configured so that the light intensity peaks in an oblique direction at an angle ⁇ 1 , which will be described later.
  • the light source section 11 is arranged so as to face the side surface of the light guide plate 12.
  • the light source section 11 emits light toward the side surface of the light guide plate 12.
  • the light source section 11 includes a plurality of light emitting elements made of, for example, white LEDs (Light Emitting Diodes).
  • the light guide plate 12 guides the illumination light from the light source section 11 and emits the illumination light from its upper surface.
  • 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 lighting element 10 may include, on the upper surface of the light guide plate 12, an optical element (including a prism sheet and a diffusion sheet) that improves optical characteristics.
  • 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 illumination light emitted from the illumination element 10.
  • the display element 20 transmits the illumination light from the illumination element 10 and performs light modulation.
  • the display element 20 then displays a desired image on its display surface.
  • FIG. 5 is a side view of the display element 20 shown in FIG. 1.
  • the display element 20 includes a liquid crystal panel (also referred to as a display panel) 20A, a polarizing plate 20B, and a polarizing plate 20C.
  • the liquid crystal panel 20A includes two transparent substrates, a liquid crystal layer sandwiched between the two transparent substrates, and a number of switching elements corresponding to the number of pixels.
  • a polarizing plate 20B is provided on the lighting element 10 side of the liquid crystal panel 20A, and a polarizing plate 20C is provided on the alignment control element 30 side of the liquid crystal panel 20A.
  • the polarizing plates 20B and 20C are linear polarizers and have polarization axes. Polarization axis has the same meaning as transmission axis.
  • the polarizing plates 20B and 20C transmit linearly polarized light (linearly polarized light component) having a vibration plane parallel to the polarization axis among light having vibration planes in random directions.
  • the polarizing plates 20B and 20C are arranged, for example, so that their polarization axes are perpendicular to each other, that is, in a crossed Nicols state.
  • the relationship between the polarization axes of the polarizing plates 20B and 20C is appropriately set depending on the drive mode and display mode (either normally black or normally white).
  • the display element 20 emits display light consisting of linearly polarized light parallel to the polarization axis of the uppermost polarizing plate 20C.
  • the polarization axis of the uppermost polarizing plate 20C is referred to as the polarization axis of the display element 20.
  • the polarization axis of the display element 20 is set in the Y direction.
  • the display element 20 may include an optical element that improves optical characteristics on the upper surface of the polarizing plate 20C.
  • the alignment control element 30 has a function of reducing unnecessary light.
  • Unnecessary light is a light component that does not contribute to generating an aerial image, and includes a light component that passes through the optical element 40 in the normal direction.
  • the orientation control element 30 is configured to transmit light components within a predetermined angular range centering on an oblique direction at an angle ⁇ 1 with respect to the normal direction, and to block light components outside the above angular range. The detailed configuration of the alignment control element 30 will be described later.
  • the optical element 40 reflects light incident from the bottom side toward the top side. Further, the optical element 40 reflects incident light obliquely incident from the bottom side, for example, in the front direction (normal direction). The detailed configuration of the optical element 40 will be described later.
  • the optical element 40 forms an aerial image 2 in the air.
  • the aerial image 2 is parallel to the element surface of the optical element 40 and is a two-dimensional image.
  • the element surface refers to a virtual plane in which the optical element 40 extends in the in-plane direction. Element plane has the same meaning as in-plane. The same meaning applies to the element surfaces of other elements.
  • the observer 3 who is in front of the optical element 40 can visually recognize the aerial image 2.
  • the polarizing element 50 is a linear polarizer and has a polarization axis.
  • the polarizing element 50 transmits linearly polarized light (linearly polarized light component) having a vibration plane parallel to the polarization axis, among the lights having vibration planes in random directions.
  • the polarization axis of the polarization element 50 is set in the Y direction. That is, the polarization axis of the polarizing element 50 is set parallel to the polarization axis of the display element 20.
  • the polarizing element 50 may be adhered to the upper surface of the optical element 40 using a transparent adhesive, or may be arranged at a desired distance from the optical element 40. When the optical element 40 and the polarizing element 50 are arranged with a desired spacing, the polarizing element 50 is fixed by a fixing member (not shown).
  • FIG. 6 is an extracted cross-sectional view of the housing 60.
  • the housing 60 has a rectangular box shape.
  • the housing 60 includes one bottom plate and four side plates.
  • a rectangular opening 60A is provided in the bottom plate of the housing 60.
  • the opening 60A is for passing the light emitted from the alignment control element 30.
  • the laminate including the lighting element 10, the display element 20, and the orientation control element 30 is fixed to the bottom plate of the casing 60 using a fixing member (not shown).
  • the alignment control element 30 is exposed through the opening 60A.
  • the housing 60 is configured to surround the optical element 40.
  • the housing 60 has a step 60B on the top thereof for fixing the optical element 40.
  • the optical element 40 is fixed to the housing 60 so as to be placed on the step 60B of the housing 60.
  • the housing 60 has a function of holding the orientation control element 30 and the optical element 40 at a desired distance.
  • the housing 60 be made of a material that can reduce reflection of light.
  • the housing 60 is made of, for example, black resin.
  • FIG. 6 shows an enlarged surface view of the inner surface of the casing 60.
  • the inner surface of the housing 60 is roughened. A roughened surface can reduce light reflection.
  • FIG. 7A is a plan view of the alignment control element 30 shown in FIG. 1.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of the alignment control element 30 taken along line BB' in FIG. 7A.
  • the base material 31 has a rectangular planar shape.
  • the base material 31 transmits light.
  • a plurality of transparent members 33 are provided on the base material 31, each extending in the Y direction and aligned in the X direction. Furthermore, a plurality of light shielding members 34 are provided on the base material 31, each extending in the Y direction and lined up in the X direction. The plurality of transparent members 33 and the plurality of light shielding members 34 are arranged alternately so that adjacent ones are in contact with each other.
  • a base material 32 is provided on the plurality of transparent members 33 and the plurality of light shielding members 34.
  • the base material 32 has a rectangular planar shape.
  • the base material 32 transmits light.
  • the transparent member 33 extends in an oblique direction at an angle ⁇ 1 with respect to the normal direction of the base material 31 in the XZ cross section.
  • the transparent member 33 is a parallelogram whose side surfaces are inclined by an angle ⁇ 1 in the XZ cross section.
  • the transparent member 33 transmits light.
  • the light shielding member 34 extends in an oblique direction at an angle ⁇ 1 with respect to the normal direction of the base material 31 in the XZ cross section.
  • the light shielding member 34 is a parallelogram in which the side surface is inclined by an angle ⁇ 1 in the XZ cross section.
  • the light blocking member 34 blocks light.
  • Two adjacent light shielding members 34 are arranged so that their ends slightly overlap in the Z direction.
  • transparent resin for example, acrylic resin is used.
  • light shielding member 34 for example, resin mixed with black dye or pigment is used.
  • the alignment control element 30 may be configured by omitting one or both of the base materials 31 and 32. If the plurality of transparent members 33 and the plurality of light shielding members 34 are arranged alternately, the function of the alignment control element 30 can be realized.
  • the alignment control element 30 configured in this manner can transmit display light such that the light intensity in an oblique direction at an angle ⁇ 1 with respect to the normal direction reaches a peak.
  • the angle ⁇ 1 is set to, for example, 10 degrees or more and 60 degrees or less.
  • the alignment control element 30 is configured to block light components outside the range of 30° ⁇ 30° with respect to the normal direction.
  • the alignment control element 30 is configured to block light components outside the range of 30° ⁇ 20° with respect to the normal direction.
  • the orientation control element 30 may be arranged between the lighting element 10 and the display element 20.
  • the aerial display device 1 may be configured without the orientation control element 30.
  • FIG. 8 is a perspective view of the optical element 40 shown in FIG. 1. Note that FIG. 8 also shows an enlarged side view of a part of the optical element 40.
  • the optical element 40 includes a base material 41 and a plurality of optical elements 42.
  • the base material 41 is configured to be planar in the XY plane and has a rectangular parallelepiped shape.
  • a plurality of optical elements 42 are provided on the bottom surface of the base material 41.
  • Each of the plurality of optical elements 42 is composed of a triangular prism.
  • the optical element 42 is arranged so that three side surfaces of a triangular prism are parallel to the XY plane, and one side surface is in contact with the base material 41.
  • the plurality of optical elements 42 each extend in the Y direction and are arranged side by side in the X direction. In other words, the plurality of optical elements 42 have a sawtooth shape.
  • Each of the plurality of optical elements 42 has an incident surface 43 and a reflective surface 44.
  • the left side surface is the incident surface 43
  • the right side surface is the reflective surface 44.
  • the incident surface 43 is a surface onto which light from the display element 20 is incident.
  • the reflective surface 44 is a surface that reflects light that has entered the entrance surface 43 from the outside inside the optical element 42 .
  • the incident surface 43 and the reflective surface 44 have an angle ⁇ p .
  • the optical element 42 is formed integrally with the base material 41, for example, from the same transparent material as the base material 41.
  • the base material 41 and the optical element 42 may be formed separately, and the optical element 42 may be adhered to the base material 41 using a transparent adhesive.
  • the transparent material constituting the base material 41 and the optical element 42 for example, acrylic resin or glass is used.
  • the optical element 40 internally reflects the incident light and forms a real image in the air. Further, the optical element 40 forms a real image at a position in front of the element surface.
  • FIG. 9 is a block diagram of the aerial display device 1.
  • the aerial display device 1 includes a control section 70, a storage section 71, an input/output interface (input/output IF) 72, a display section 73, and an input section 74.
  • the control section 70, the storage section 71, and the input/output interface 72 are connected to each other via a bus 75.
  • the input/output interface 72 is connected to a display section 73 and an input section 74.
  • the input/output interface 72 performs interface processing on each of the display section 73 and the input section 74 in accordance with a predetermined standard.
  • the display section 73 includes a lighting element 10 and a display element 20.
  • the display section 73 displays images.
  • the control unit 70 is composed of one or more processors such as a CPU (Central Processing Unit) and an MPU (Micro Processing Unit).
  • the control unit 70 implements various functions by executing programs stored in the storage unit 71.
  • the control section 70 includes a display processing section 70A and an information processing section 70B.
  • the display processing unit 70A controls the operation of the display unit 73 (specifically, the lighting element 10 and the display element 20).
  • the display processing unit 70A controls turning on and off of the lighting element 10.
  • the display processing unit 70A transmits an image signal to the display element 20 and causes the display element 20 to display an image.
  • the information processing unit 70B generates an image to be displayed by the aerial display device 1.
  • the information processing section 70B can use image data stored in the storage section 71.
  • the information processing unit 70B may acquire image data from outside using a communication function (not shown).
  • the storage unit 71 includes nonvolatile storage devices such as ROM (Read Only Memory), HDD (Hard Disk Drive), and SSD (Solid State Drive), and volatile storage devices such as RAM (Random Access Memory) and registers. including.
  • the storage unit 71 stores programs executed by the control unit 70.
  • the storage unit 71 stores various data necessary for control of the control unit 70.
  • the storage unit 71 stores data of images displayed by the aerial display device 1.
  • the input unit 74 receives information input by the user.
  • the information processing section 70B can select an image to be displayed on the display section 73 based on the information received by the input section 74.
  • FIG. 4 Display operation
  • the arrows in FIG. 4 indicate the optical path.
  • light emitted from the display element 20 enters the alignment control element 30.
  • a light component at an angle ⁇ 1 (including a light component within a predetermined angular range centered on the angle ⁇ 1 ) is transmitted through the alignment control element 30 .
  • the light transmitted through the alignment control element 30 enters the optical element 40.
  • the optical element 40 forms an image of the incident light in the air on the opposite side to the orientation control element 30, and displays an aerial image 2 in the air.
  • FIG. 10 is a perspective view illustrating how light is reflected in the optical element 40.
  • FIG. 11 is a side view of the XZ plane illustrating how light is reflected in the optical element 40.
  • FIG. 11 is a diagram of the optical element 40 viewed with both eyes of the observer 3 (that is, a line connecting both eyes) parallel to the X direction.
  • FIG. 12 is a side view of the YZ plane illustrating how light is reflected in the optical element 40.
  • FIG. 12 is a diagram of the optical element 40 viewed with both eyes of the observer 3 parallel to the Y direction.
  • the critical angle is the minimum angle of incidence beyond which total internal reflection occurs.
  • the critical angle is the angle of the plane of incidence with respect to the normal.
  • the light emitted from point "o" is totally reflected by the reflective surface 44 of the optical element 42, and the light is imaged in the air to generate an aerial image.
  • the light emitted from point "o" is not reflected by the reflective surface 44 of the optical element 42, and the light does not form an image in the air, so it does not contribute to the generation of an aerial image.
  • the condition under which the observer 3 can recognize an aerial image is that both eyes of the observer 3 are parallel to the X direction or close to it (for example, ⁇ 10 degrees with respect to the X direction). Further, when the observer 3 moves his/her viewpoint along the Y direction with both eyes parallel to the X direction or in a state close to it, the aerial image can always be recognized.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating the angle conditions of the incident surface 43 and the reflective surface 44 in the optical element 40.
  • the refractive index of the material of the optical element 40 be n p and the refractive index of air be 1.
  • Let the incident angle on the reflecting surface 44 be ⁇ 6 and the reflection angle be ⁇ 7 ( ⁇ 6 ).
  • the refraction angle ⁇ 9 is the exit angle.
  • the output angle ⁇ 9 is expressed by the following equation (2).
  • ⁇ 9 sin -1 (n p *sin (sin -1 ((1/n p ) * sin (90° - ( ⁇ 1 + ⁇ 2 ))) + ⁇ 2 +2 ⁇ 3 -90°)) ... (2 )
  • the critical angle at the reflective surface 44 is expressed by the following equation (3).
  • Critical angle ⁇ 6 ( ⁇ 7 )
  • Critical angle sin -1 (1/n p )...(3)
  • the incident angle ⁇ 6 on the reflective surface 44 is set to be larger than the critical angle on the reflective surface 44 .
  • the angle ⁇ 3 of the reflective surface 44 is set such that the angle of incidence of light incident on the reflective surface 44 is greater than the critical angle.
  • the light incident on the entrance surface 43 is set so as not to be totally reflected on the entrance surface 43. That is, the angle ⁇ 2 of the incident surface 43 is set such that the incident angle of light incident on the incident surface 43 is smaller than the critical angle.
  • the angle between the element surface of the optical element 40 and the surface of the aerial image 2 and the distance between the element surface of the optical element 40 and the surface of the aerial image 2 are determined by the angle ⁇ 1 of the light incident on the optical element 40 and the angle between the element surface of the optical element 40 and the surface of the aerial image 2. Adjustment is possible by optimally setting the refractive index, the angle ⁇ 2 of the incident surface 43 of the optical element 40, and the angle ⁇ 3 of the reflective surface 44 of the optical element 40.
  • External light enters the aerial display device 1.
  • the external light is light that enters the aerial display device 1 from outside the aerial display device 1 .
  • External light includes sunlight and light from indoor lighting equipment.
  • the vibration plane of the light, and the amplitude, phase, and frequency within the plane are complicatedly distributed in all directions.
  • Ambient light is unpolarized natural light.
  • FIG. 14 is a schematic diagram explaining the behavior of external light.
  • FIG. 14 shows an exploded view of the aerial display device 1.
  • one side of the aerial display device 1 is omitted so that the schematic diagram can be easily understood.
  • the thick arrows in FIG. 14 represent the state of light.
  • the double-headed arrow in FIG. 14 represents the polarization direction.
  • the light component (point "A") that has reached the alignment control element 30 is irradiated onto the light shielding member 34 of the alignment control element 30 and is absorbed by the light shielding member 34 . Therefore, the linearly polarized light transmitted through the polarizing element 50 is not reflected by the alignment control element 30.
  • the light component that has passed through the polarizing element 50 also reaches the bottom plate of the housing 60.
  • the light component (point "B") that has reached the bottom plate of the housing 60 is diffusely reflected due to the rough surface of the housing 60. Diffuse reflection means that light is reflected in various directions by a reflective surface.
  • the light component diffusely reflected by the bottom plate of the housing 60 becomes non-polarized.
  • the light component diffusely reflected by the bottom plate of the housing 60 passes through the optical element 40 and is reflected in the Z direction, and enters the polarizing element 50.
  • a light component parallel to the polarization axis of the polarizing element 50 (linearly polarized light) is transmitted through the polarizing element 50, and other light components are absorbed by the polarizing element 50.
  • the light component that has passed through the polarizing element 50 is emitted from the aerial display device 1 toward the viewer.
  • the transmittance of the polarizing element 50 in unpolarized light is 50%, and the reflectance of the housing 60 is 10%.
  • the light component emitted from the aerial display device 1 can be reduced to 2.5% of the external light incident on the aerial display device 1.
  • FIG. 15 is a schematic diagram illustrating the behavior of display light.
  • the thick arrows in FIG. 15 represent the state of light.
  • the double-headed arrow in FIG. 15 represents the polarization direction.
  • the display light emitted from the display element 20 consists of linearly polarized light parallel to the polarization axis of the display element 20.
  • the display light emitted from the display element 20 passes through the alignment control element 30.
  • the light component that has passed through the alignment control element 30 passes through the optical element 40 and is reflected in the Z direction, and enters the polarizing element 50 .
  • the polarization axis of the display element 20 and the polarization axis of the polarization element 50 are set parallel to each other.
  • the light component incident on the polarizing element 50 is transmitted through the polarizing element 50 with almost no decrease in light intensity.
  • the light component that has passed through the polarizing element 50 is emitted from the aerial display device 1 toward the viewer.
  • the transmittance of the polarizing element 50 for linearly polarized light parallel to the polarization axis of the polarizing element 50 is assumed to be 100%. In this case, the transmittance of the display light emitted from the display element 20 is 100% in principle.
  • an aerial image can be displayed in the air by reflecting the light emitted from the display element 20 by the optical element 40. Furthermore, an aerial image can be displayed in the front direction of the aerial display device 1.
  • the external light that enters the aerial display device 1 and is reflected by the housing 60 passes through the polarizing element 50 twice. Thereby, the intensity of external light emitted from the aerial display device 1 can be reduced. That is, unnecessary light components that do not contribute to displaying an aerial image can be reduced.
  • the casing 60 is made of black resin, and the inner surface of the casing 60 is roughened. Therefore, the light component that is diffusely reflected by the housing 60 can be reduced. Thereby, the intensity of external light emitted from the aerial display device 1 can be reduced.
  • a part of the external light transmitted through the polarizing element 50 is absorbed by the light shielding member 34 of the alignment control element 30. That is, it is possible to prevent part of the external light incident on the alignment control element 30 from being reflected toward the viewer. Thereby, the display quality of the aerial display device 1 can be improved.
  • the display light emitted from the display element 20 passes through the polarizing element 50 almost unchanged. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the light intensity of the display light emitted from the display element 20. Thereby, it is possible to realize the aerial display device 1 that can improve display quality.
  • the observer 3 when the observer 3 views the optical element 40 with both eyes parallel to the X direction (that is, the direction in which the plurality of optical elements 42 are lined up) or in a state close to it, the observer 3 visually recognizes the aerial image. be able to. Further, when the observer 3 moves his/her viewpoint along the Y direction with both eyes parallel to the X direction or in a state close to it, the aerial image can always be visually recognized. That is, the viewing angle can be ensured in a state where both eyes of the observer 3 are parallel to the X direction or close to it.
  • a plurality of elements constituting the aerial display device 1 can be arranged in parallel. Thereby, it is possible to realize an aerial display device 1 that can be downsized in the Z direction.
  • the display element 20 and the optical element 40 are arranged in parallel.
  • the present invention is not limited to this, and the display element 20 may be arranged diagonally with respect to the optical element 40.
  • the angle between the display element 20 and the optical element 40 is set in a range greater than 0 degrees and less than 45 degrees.
  • the left side surface of the optical element 42 is defined as the incident surface 43
  • the right side surface is defined as the reflective surface 44.
  • the present invention is not limited to this, and the incident surface 43 and the reflective surface 44 may be configured in reverse. In this case, the left and right functions of the aerial display device 1 described in the embodiment are also reversed.
  • a liquid crystal display element is used as an example of the display element 20, but the display element 20 is not limited to this.
  • the display element 20 can also be a self-luminous organic EL (electroluminescence) display element, a micro LED (light emitting diode) display element, or the like.
  • a micro LED display element is a display element that uses LEDs to emit light for each of R (red), G (green), and B (blue) that constitute a pixel. When using the self-luminous display element 20, the lighting element 10 is not necessary.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be variously modified at the implementation stage without departing from the spirit thereof.
  • each embodiment may be implemented in combination as appropriate, and in that case, the combined effect can be obtained.
  • the embodiments described above include various inventions, and various inventions can be extracted by combinations selected from the plurality of constituent features disclosed. For example, if a problem can be solved and an effect can be obtained even if some constituent features are deleted from all the constituent features shown in the embodiment, the configuration from which these constituent features are deleted can be extracted as an invention.
  • SYMBOLS 1 Aerial display device, 2... Aerial image, 3... Observer, 10... Illumination element, 11... Light source part, 12... Light guide plate, 13... Reflection sheet, 20... Display element, 20A... Liquid crystal panel, 20B, 20C... Polarizing plate, 30... Orientation control element, 31, 32... Base material, 33... Transparent member, 34... Light shielding member, 40... Optical element, 41... Base material, 42... Optical element, 43... Incident surface, 44... Reflective surface , 50... polarizing element, 60... housing, 60A... opening, 60B... step, 70... control section, 70A... display processing section, 70B... information processing section, 71... storage section, 72... input/output interface, 73... Display section, 74... Input section, 75... Bus.

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Abstract

空中表示装置は、画像を表示する表示素子（２０）と、表示素子（２０）からの光を受けるように配置され、表示素子（２０）からの光を、表示素子（２０）と反対側に反射し、空中に空中像を結像する光学素子（４０）と、光学素子（４０）からの光を受けるように配置され、直線偏光を透過する偏光素子（５０）と、光学素子（４０）の周囲を囲むように構成され、表示素子（２０）と光学素子（４０）とを間隔を空けて固定する筐体（６０）とを含む。偏光素子（５０）の偏光軸は、表示素子（２０）の偏光軸と平行である。

Description

空中表示装置
　本発明は、空中表示装置に関する。
　画像や動画などを空中像として表示可能な空中表示装置が研究され、新しいヒューマン・マシン・インターフェースとして期待されている。空中表示装置は、例えば、２面コーナーリフレクタがアレイ状に配列された２面コーナーリフレクタアレイを備え、表示素子の表示面から出射される光を反射し、空中に実像を結像する。２面コーナーリフレクタアレイによる表示方法は、収差が無く、面対称位置に実像（空中像）を表示することができる。
　特許文献１は、透明平板の表面から突出した透明な四角柱を２面コーナーリフレクタとして使用し、複数の四角柱を平面上にアレイ状に配置した光学素子を開示している。また、特許文献２は、第１及び第２光制御パネルの各々を、透明平板の内部に垂直に複数の平面光反射部を並べて形成し、第１及び第２光制御パネルを、互いの平面光反射部が直交するように配置した光学素子を開示している。特許文献１、２の光学素子は、表示素子から出射された光を直交する反射面で２回反射させ、空中像を生成している。
　特許文献１、２の光学素子を利用した表示装置は、光学素子の斜方向から観察することで空中像を認識できるものであり、光学素子の法線方向からの観察では良好な空中像を認識することは難しい。
日本国特開２０１１－１９１４０４号公報 日本国特開２０１１－１７５２９７号公報
　本発明は、表示品質を向上させることが可能な空中表示装置を提供する。
　本発明の第１態様によると、画像を表示する表示素子と、前記表示素子からの光を受けるように配置され、前記表示素子からの光を、前記表示素子と反対側に反射し、空中に空中像を結像する光学素子と、前記光学素子からの光を受けるように配置され、直線偏光を透過する偏光素子と、前記光学素子の周囲を囲むように構成され、前記表示素子と前記光学素子とを間隔を空けて固定する筐体とを具備し、前記偏光素子の偏光軸は、前記表示素子の偏光軸と平行である、空中表示装置が提供される。
　本発明の第２態様によると、前記筐体は、開口部を有する底板を含み、前記表示素子は、前記表示素子からの光が前記開口部を通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３態様によると、前記光学素子は、平面状の基材と、前記基材の下に設けられ、それぞれが第１方向に延び、前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の光学要素とを含み、前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射面及び反射面を有する、第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、前記表示素子、前記光学素子、及び前記偏光素子は、互いに平行に配置される、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第５態様によると、前記表示素子と前記光学素子との間に配置され、前記表示素子からの光の一部を透過する配向制御素子をさらに具備する、第１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、前記配向制御素子は、交互に配置された複数の透明部材及び複数の遮光部材を含み、前記複数の遮光部材は、前記配向制御素子の法線方向に対して傾いている、第５態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第７態様によると、前記表示素子と前記配向制御素子とは、互いに平行に配置される、第５又は第６態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第８態様によると、光を発光する照明素子をさらに具備し、前記表示素子は、前記照明素子からの光を受けるように配置され、液晶表示素子で構成される、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明によれば、表示品質を向上させることが可能な空中表示装置を提供することができる。
図１は、本発明の実施形態に係る空中表示装置の分解図である。 図２は、図１に示した空中表示装置の平面図である。 図３は、図２のＡ－Ａ´線に沿った空中表示装置の断面図である。 図４は、空中表示装置の主要部の側面図である。 図５は、図１に示した表示素子の側面図である。 図６は、筐体を抽出して示した断面図である。 図７Ａは、図１に示した配向制御素子の平面図である。 図７Ｂは、図７ＡのＢ－Ｂ´線に沿った配向制御素子の断面図である。 図８は、図１に示した光学素子の斜視図である。 図９は、空中表示装置のブロック図である。 図１０は、光学素子における光の反射の様子を説明する斜視図である。 図１１は、光学素子における光の反射の様子を説明するＸＺ面の側面図である。 図１２は、光学素子における光の反射の様子を説明するＹＺ面の側面図である。 図１３は、光学素子における入射面及び反射面の角度条件を説明する図である。 図１４は、外光の振る舞いを説明する模式図である。 図１５は、表示光の振る舞いを説明する模式図である。
　以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複する説明は省略する。
　［１］　空中表示装置１の構成
　図１は、本発明の実施形態に係る空中表示装置１の分解図である。図１において、Ｘ方向は、空中表示装置１のある１辺に沿った方向であり、Ｙ方向は、水平面内においてＸ方向に直交する方向であり、Ｚ方向は、ＸＹ平面に直交する方向（法線方向ともいう）である。図２は、図１に示した空中表示装置１の平面図である。図３は、図２のＡ－Ａ´線に沿った空中表示装置１の断面図である。図４は、空中表示装置１の主要部の側面図である。
　空中表示装置１は、画像（動画を含む）を表示する装置である。空中表示装置１は、自身の光出射面の上方の空中に、空中像を表示する。空中表示装置１の光出射面とは、空中表示装置１を構成する複数の部材のうち最上層に配置された部材の表面を意味する。空中像とは、空中に結像する実像である。
　空中表示装置１は、照明素子（バックライトともいう）１０、表示素子２０、配向制御素子３０、光学素子４０、偏光素子５０、及び筐体６０を備える。照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、光学素子４０、及び偏光素子５０は、この順にＺ方向に沿って配置され、互いに平行に配置される。照明素子１０、表示素子２０、及び配向制御素子３０は、互いに所望の間隔を空けるようにして、図示せぬ固定部材で所望の位置に固定される。
　照明素子１０は、照明光を発光し、この照明光を表示素子２０に向けて出射する。照明素子１０は、光源部１１、導光板１２、及び反射シート１３を備える。照明素子１０は、例えばサイドライト型の照明素子である。照明素子１０は、面光源を構成する。照明素子１０は、後述する角度θ１の斜め方向に光強度がピークになるように構成してもよい。
　光源部１１は、導光板１２の側面に向き合うように配置される。光源部１１は、導光板１２の側面に向けて光を発光する。光源部１１は、例えば白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）からなる複数の発光素子を含む。導光板１２は、光源部１１からの照明光を導光し、照明光を自身の上面から出射する。反射シート１３は、導光板１２の底面から出射した照明光を、再び導光板１２に向けて反射する。照明素子１０は、導光板１２の上面に、光学特性を向上させる光学素子（プリズムシート、及び拡散シートを含む）を備えていてもよい。
　表示素子２０は、透過型の表示素子である。表示素子２０は、例えば液晶表示素子で構成される。表示素子２０の駆動モードについては特に限定されず、ＴＮ（Twisted Nematic）モード、ＶＡ（Vertical Alignment）モード、又はホモジニアスモードなどを用いることができる。表示素子２０は、照明素子１０から出射された照明光を受ける。表示素子２０は、照明素子１０からの照明光を透過して光変調を行う。そして、表示素子２０は、その表示面に所望の画像を表示する。
　図５は、図１に示した表示素子２０の側面図である。表示素子２０は、液晶パネル（表示パネルともいう）２０Ａ、偏光板２０Ｂ、及び偏光板２０Ｃを備える。液晶パネル２０Ａは、２個の透明基板と、２個の透明基板に挟まれた液晶層と、画素に対応する数のスイッチング素子とを含む。液晶パネル２０Ａの照明素子１０側には、偏光板２０Ｂが設けられ、液晶パネル２０Ａの配向制御素子３０側には、偏光板２０Ｃが設けられる。
　偏光板２０Ｂ、２０Ｃは、直線偏光子であり、偏光軸を有する。偏光軸は、透過軸と同じ意味である。偏光板２０Ｂ、２０Ｃは、ランダムな方向の振動面を有する光のうち、偏光軸に平行な振動面を有する直線偏光（直線偏光した光成分）を透過する。偏光板２０Ｂ、２０Ｃは、例えば、互いの偏光軸が直交するように、すなわち直交ニコル状態で配置される。偏光板２０Ｂ、２０Ｃの偏光軸の関係は、駆動モード、及び表示モード（ノーマリーブラック及びノーマリーホワイトのいずれか）に応じて適宜設定される。
　表示素子２０は、最上面の偏光板２０Ｃの偏光軸に平行な直線偏光からなる表示光を出射する。本実施形態では、最上面の偏光板２０Ｃの偏光軸を、表示素子２０の偏光軸という。図１に示すように、表示素子２０の偏光軸は、Ｙ方向に設定される。表示素子２０は、偏光板２０Ｃの上面に、光学特性を向上させる光学素子を備えていてもよい。
　配向制御素子３０は、不要光を低減する機能を有する。不要光とは、空中像を生成するのに寄与しない光成分であり、法線方向に光学素子４０を透過する光成分を含む。配向制御素子３０は、法線方向に対して角度θ１の斜め方向を中心として所定の角度範囲の光成分を透過するとともに、上記角度範囲以外の光成分を遮光するように構成される。配向制御素子３０の詳細な構成については後述する。
　光学素子４０は、底面側から入射した光を上面側に反射する。また、光学素子４０は、底面側から斜めに入射した入射光を、例えば正面方向（法線方向）に反射する。光学素子４０の詳細な構成については後述する。光学素子４０は、空中に空中像２を結像する。空中像２は、光学素子４０の素子面に平行であり、２次元の画像である。素子面とは、光学素子４０が面内方向に広がる仮想的な平面を言う。素子面は、面内と同じ意味である。その他の素子の素子面についても同様の意味である。光学素子４０の正面にいる観察者３は、空中像２を視認することができる。
　偏光素子５０は、直線偏光子であり、偏光軸を有する。偏光素子５０は、ランダムな方向の振動面を有する光のうち、偏光軸に平行な振動面を有する直線偏光（直線偏光した光成分）を透過する。偏光素子５０の偏光軸は、Ｙ方向に設定される。すなわち、偏光素子５０の偏光軸は、表示素子２０の偏光軸と平行に設定される。偏光素子５０は、光学素子４０の上面に透明接着剤を用いて接着されてもよいし、光学素子４０と所望の間隔を空けて配置されてもよい。光学素子４０と偏光素子５０とを所望の間隔を空けて配置する場合、偏光素子５０は、図示せぬ固定部材によって固定される。
　図６は、筐体６０を抽出して示した断面図である。筐体６０は、四角形の箱形状を有する。筐体６０は、１個の底板と、４個の側板とで構成される。筐体６０の底板には、四角形の開口部６０Ａが設けられる。開口部６０Ａは、配向制御素子３０から出射された光を通過させるためのものである。照明素子１０、表示素子２０、及び配向制御素子３０からなる積層体は、図示せぬ固定部材を用いて筐体６０の底板に固定される。配向制御素子３０は、開口部６０Ａから露出される。
　筐体６０は、光学素子４０を囲むように構成される。筐体６０は、その上部に、光学素子４０を固定するための段差６０Ｂを有する。光学素子４０は、筐体６０の段差６０Ｂに載置されるようにして、筐体６０に固定される。筐体６０は、配向制御素子３０と光学素子４０とを所望の距離を空けて保持する機能を有する。
　筐体６０は、光の反射を低減可能な材料で構成することが望ましい。筐体６０は、例えば、黒色の樹脂で構成される。図６には、筐体６０の内側の面を拡大した表面拡大図を示している。筐体６０は、例えば、その内側の面が粗面処理される。粗面処理された面は、光の反射を低減することが可能である。
　［１－１］　配向制御素子３０の構成
　図７Ａは、図１に示した配向制御素子３０の平面図である。図７Ｂは、図７ＡのＢ－Ｂ´線に沿った配向制御素子３０の断面図である。
　基材３１は、四角形の平面状に構成される。基材３１は、光を透過する。
　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。
　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３２は、四角形の平面状に構成される。基材３２は、光を透過する。
　透明部材３３は、ＸＺ断面において、基材３１の法線方向に対して角度θ１の斜め方向に延びる。透明部材３３は、ＸＺ断面において、側面が角度θ１だけ傾いた平行四辺形である。透明部材３３は、光を透過する。
　遮光部材３４は、ＸＺ断面において、基材３１の法線方向に対して角度θ１の斜め方向に延びる。遮光部材３４は、ＸＺ断面において、側面が角度θ１だけ傾いた平行四辺形である。遮光部材３４は、光を遮光する。
　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が若干重なるように配置される。
　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、黒の染料又は顔料が混入された樹脂が用いられる。
　なお、基材３１、３２の一方又は両方を省略して、配向制御素子３０を構成してもよい。複数の透明部材３３と複数の遮光部材３４とが交互に配置されていれば、配向制御素子３０の機能を実現できる。
　このように構成された配向制御素子３０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、表示光を透過することができる。角度θ１は、例えば１０度以上６０度以下に設定される。例えば、配向制御素子３０は、法線方向に対して３０°±３０°の範囲以外の光成分を遮光するように構成される。望ましくは、配向制御素子３０は、法線方向に対して３０°±２０°の範囲以外の光成分を遮光するように構成される。
　なお、変形例として、配向制御素子３０は、照明素子１０と表示素子２０との間に配置してもよい。また、配向制御素子３０を省略して、空中表示装置１を構成してもよい。
　［１－２］　光学素子４０の構成
　図８は、図１に示した光学素子４０の斜視図である。なお、図８には、光学素子４０の一部を拡大した側面図も示している。
　光学素子４０は、基材４１、及び複数の光学要素４２を備える。基材４１は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。
　基材４１の底面には、複数の光学要素４２が設けられる。複数の光学要素４２の各々は、三角柱で構成される。光学要素４２は、三角柱の３個の側面がＸＹ面と平行になるように配置され、１つの側面が基材４１に接する。複数の光学要素４２は、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んで配置される。換言すると、複数の光学要素４２は、鋸歯状を有する。
　複数の光学要素４２の各々は、入射面４３及び反射面４４を有する。Ｙ方向から見て、左側の側面が入射面４３であり、右側の側面が反射面４４である。入射面４３は、表示素子２０からの光が入射する面である。反射面４４は、入射面４３に外部から入射した光を、光学要素４２の内部で反射する面である。入射面４３と反射面４４とは、角度θｐを有する。
　光学要素４２は、例えば、基材４１と同じ透明材料によって基材４１と一体的に形成される。基材４１と光学要素４２とを個別に形成し、透明な接着材を用いて基材４１に光学要素４２を接着してもよい。基材４１及び光学要素４２を構成する透明材料としては、例えばアクリル樹脂、又はガラスが用いられる。
　光学素子４０は、入射光を内部で反射して、空中に実像を結像する。また、光学素子４０は、その素子面の正面の位置に、実像を結像させる。
　［１－３］　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、制御部７０、記憶部７１、入出力インターフェース（入出力ＩＦ）７２、表示部７３、及び入力部７４を備える。制御部７０、記憶部７１、及び入出力インターフェース７２は、バス７５を介して互いに接続される。
　入出力インターフェース７２は、表示部７３、及び入力部７４に接続される。入出力インターフェース７２は、表示部７３、及び入力部７４のそれぞれに対して、所定の規格に応じたインターフェース処理を行う。
　表示部７３は、照明素子１０、及び表示素子２０を備える。表示部７３は、画像を表示する。
　制御部７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の１つ以上のプロセッサにより構成される。制御部７０は、記憶部７１に格納されたプログラムを実行することで各種機能を実現する。制御部７０は、表示処理部７０Ａ、及び情報処理部７０Ｂを備える。
　表示処理部７０Ａは、表示部７３（具体的には、照明素子１０、及び表示素子２０）の動作を制御する。表示処理部７０Ａは、照明素子１０のオン及びオフを制御する。表示処理部７０Ａは、表示素子２０に画像信号を送信し、表示素子２０に画像を表示させる。
　情報処理部７０Ｂは、空中表示装置１が表示する画像を生成する。情報処理部７０Ｂは、記憶部７１に格納された画像データを用いることが可能である。情報処理部７０Ｂは、図示せぬ通信機能を用いて外部から画像データを取得してもよい。
　記憶部７１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、及びＳＳＤ（Solid State Drive）等の不揮発性記憶装置と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びレジスタ等の揮発性記憶装置とを含む。記憶部７１は、制御部７０が実行するプログラムを格納する。記憶部７１は、制御部７０の制御に必要な各種データを格納する。記憶部７１は、空中表示装置１が表示する画像のデータを格納する。
　入力部７４は、ユーザが入力した情報を受け付ける。情報処理部７０Ｂは、入力部７４が受け付けた情報に基づいて、表示部７３に表示する画像を選択することが可能である。
　［２］　空中表示装置１の動作
　次に、上記のよう構成された空中表示装置１の動作について説明する。
　［２－１］　表示動作
　図４の矢印は、光路を示している。図４に示すように、表示素子２０から出射された光は、配向制御素子３０に入射する。表示素子２０から出射された光のうち角度θ１の光成分（角度θ１を中心とした所定の角度範囲の光成分を含む）は、配向制御素子３０を透過する。配向制御素子３０を透過した光は、光学素子４０に入射する。光学素子４０は、入射光を、配向制御素子３０と反対側の空中に結像し、空中に空中像２を表示する。
　図１０は、光学素子４０における光の反射の様子を説明する斜視図である。図１１は、光学素子４０における光の反射の様子を説明するＸＺ面の側面図である。図１１は、観察者３の両目（すなわち、両目を結ぶ線）がＸ方向に平行な状態で光学素子４０を見た図である。図１２は、光学素子４０における光の反射の様子を説明するＹＺ面の側面図である。図１２は、観察者３の両目がＹ方向に平行な状態で光学素子４０を見た図である。
　配向制御素子３０の素子面における任意の点“ｏ”から出射された光は、光学素子４０の入射面４３に入射し、反射面４４に到達する。反射面４４の法線方向に対して臨界角よりも大きい角度で到達した光は、反射面４４で全反射され、光学素子４０の光学要素４２が形成されている側の反対側の平面から出射される。臨界角とは、その入射角を超えると全反射する最少の入射角である。臨界角は、入射面の垂線に対する角度である。
　図１１のＸＺ面では、点“ｏ”から出射された光は、光学要素４２の反射面４４で全反射され、その光は空中で結像されて空中像を生成する。
　図１２のＹＺ面では、点“ｏ”から出射された光は、光学要素４２の反射面４４で反射されず、その光は空中で結像することがないため空中像の生成に寄与しない。
　すなわち、観察者３が空中像を認識できる条件は、観察者３の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態（例えばＸ方向に対して±１０度）である。また、観察者３の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態でＹ方向に沿って視点を移動した場合、空中像を常に認識することができる。
　図１３は、光学素子４０における入射面４３及び反射面４４の角度条件を説明する図である。
　Ｚ方向（素子面に垂直な方向）に対する入射面４３の角度をθ２、Ｚ方向に対する反射面４４の角度をθ３、入射面４３と反射面４４とのなす角度をθｐとする。角度をθｐは、以下の式（１）で表される。　
　θｐ＝θ２＋θ３　　　・・・（１）
　表示素子２０から角度θ１で出射された光は、入射面４３に入射する。光学素子４０の材料の屈折率をｎｐ、空気の屈折率を１とする。入射面４３における入射角をθ４、屈折角をθ５とする。反射面４４における入射角をθ６、反射角をθ７（＝θ６）とする。光学素子４０の上面における入射角をθ８、屈折角をθ９とする。屈折角θ９が出射角である。出射角θ９は、以下の式（２）で表される。　
　θ９＝sin－１（ｎｐ＊sin（sin－１（（１／ｎｐ）＊sin(９０°－（θ１＋θ２）））＋θ２＋２θ３－９０°））　　　・・・（２）
　反射面４４における臨界角は、以下の式（３）で表される。　
　臨界角＜θ６（＝θ７）
　臨界角＝sin－１（１／ｎｐ）　　　・・・（３）
　すなわち、反射面４４における入射角θ６は、反射面４４における臨界角より大きく設定される。換言すると、反射面４４の角度θ３は、反射面４４に入射する光の入射角が臨界角より大きくなるように設定される。
　また、入射面４３に入射した光は、入射面４３で全反射されないように設定される。すなわち、入射面４３の角度θ２は、入射面４３に入射する光の入射角が臨界角より小さくなるように設定される。
　光学素子４０の素子面と空中像２の面との角度、及び光学素子４０の素子面と空中像２の面との距離は、光学素子４０に入射する光の角度θ１、光学素子４０の屈折率、光学素子４０の入射面４３の角度θ２、光学素子４０の反射面４４の角度θ３を最適に設定することで調整が可能である。
　［２－２］　偏光に関する詳細な動作
　次に、空中表示装置１の偏光に関する詳細な動作について説明する。
　空中表示装置１には、外光が入射する。外光は、空中表示装置１の外部から空中表示装置１に入射する光である。外光は、太陽光、及び屋内の照明器具の光を含む。外光は、光の振動面と、その面内における振幅、位相、及び振動数があらゆる方向に煩雑に分布している。外光は、偏光していない自然光である。
　図１４は、外光の振る舞いを説明する模式図である。図１４には、空中表示装置１の分解図を示している。図１４では、模式図の理解が容易になるように、空中表示装置１の一側部を省略している。図１４の太い矢印は、光の様子を表している。図１４の両矢印は、偏光方向を表している。
　配向制御素子３０の素子面の法線方向に対して遮光部材３４が傾く方向とは反対側の斜めから入射する外光、すなわち、空中表示装置１の左斜め上から入射する外光に着目する。この外光は、空中表示装置１の上方から偏光素子５０に入射する。偏光素子５０に入射した外光のうち、偏光素子５０の偏光軸に平行な光成分（直線偏光）は偏光素子５０を透過し、それ以外の光成分は偏光素子５０で吸収される。偏光素子５０を透過した光成分は、配向制御素子３０に到達する。配向制御素子３０に到達した光成分（点“Ａ”）は、配向制御素子３０の遮光部材３４に照射され、遮光部材３４により吸収される。よって、偏光素子５０を透過した直線偏光は、配向制御素子３０によって反射されない。
　偏光素子５０を透過した光成分は、筐体６０の底板にも到達する。筐体６０の底板に到達した光成分（点“Ｂ”）は、筐体６０の粗面の影響により拡散反射する。拡散反射とは、反射面で様々な方向に光が反射されることを意味する。筐体６０の底板で拡散反射した光成分は、非偏光状態となる。
　筐体６０の底板で拡散反射した光成分は、光学素子４０を透過するとともにＺ方向に反射され、偏光素子５０に入射する。偏光素子５０に入射した光のうち、偏光素子５０の偏光軸に平行な光成分（直線偏光）は偏光素子５０を透過し、それ以外の光成分は偏光素子５０で吸収される。偏光素子５０を透過した光成分は、観察者に向けて空中表示装置１から出射される。
　空中表示装置１に入射した外光のうち筐体６０の底板で反射される光成分に着目する。非偏光における偏光素子５０の透過率を５０％、筐体６０の反射率を１０％とする。この場合、空中表示装置１から出射される光成分を、空中表示装置１に入射した外光の２．５％に低減できる。
　次に、表示素子２０から出射された表示光の振る舞いについて説明する。図１５は、表示光の振る舞いを説明する模式図である。図１５の太い矢印は、光の様子を表している。図１５の両矢印は、偏光方向を表している。
　表示素子２０から出射された表示光は、表示素子２０の偏光軸と平行な直線偏光からなる。表示素子２０から出射された表示光は、配向制御素子３０を透過する。配向制御素子３０を透過した光成分は、光学素子４０を透過するとともにＺ方向に反射され、偏光素子５０に入射する。表示素子２０の偏光軸と偏光素子５０の偏光軸とは平行に設定されている。偏光素子５０に入射した光成分は、光強度がほぼ低下することなく偏光素子５０を透過する。偏光素子５０を透過した光成分は、観察者に向けて空中表示装置１から出射される。
　偏光素子５０の偏光軸と平行な直線偏光における偏光素子５０の透過率を１００％とする。この場合、表示素子２０から出射された表示光の透過率は、原理的には１００％である。
　［３］　実施形態の効果
　本発明の実施形態によれば、表示素子２０から出射された光を光学素子４０で反射させることで、空中に空中像を表示することができる。また、空中表示装置１の正面方向において、空中像を表示することができる。
　また、空中表示装置１に入射して筐体６０で反射される外光は、偏光素子５０を２回透過する。これにより、空中表示装置１から出射される外光の強度を低減できる。すなわち、空中像の表示に寄与しない不要な光成分を低減できる。
　また、筐体６０を黒色の樹脂で構成するとともに、筐体６０の内面が粗面処理されている。よって、筐体６０で拡散反射される光成分を低減できる。これにより、空中表示装置１から出射される外光の強度を低減できる。
　また、偏光素子５０を透過した外光の一部は、配向制御素子３０の遮光部材３４によって吸収される。すなわち、配向制御素子３０に入射した外光の一部が観察者に向けて反射されるのを防ぐことができる。これにより、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、表示素子２０から出射された表示光は、偏光素子５０をほぼそのまま透過する。よって、表示素子２０から出射された表示光の光強度が低下するのを抑制できる。これにより、表示品質を向上させることが可能な空中表示装置１を実現できる。
　また、観察者３の両眼がＸ方向（すなわち、複数の光学要素４２が並ぶ方向）に平行、又はそれに近い状態で光学素子４０を見た場合に、観察者３は、空中像を視認することができる。また、観察者３の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態でＹ方向に沿って視点を移動した場合、空中像を常に視認することができる。すなわち、観察者３の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態において、視野角を確保することができる。
　また、空中表示装置１を構成する複数の素子を平行に配置することができる。これにより、Ｚ方向に小型化が可能な空中表示装置１を実現できる。
　上記実施形態では、表示素子２０と光学素子４０とを平行に配置している。しかし、これに限定されず、光学素子４０に対して表示素子２０を斜めに配置してもよい。表示素子２０と光学素子４０との角度は、０度より大きく４５度より小さい範囲に設定される。
　上記実施形態では、光学要素４２の左側の側面が入射面４３、右側の側面が反射面４４として定義している。しかし、これに限定されず、入射面４３と反射面４４とを逆に構成してもよい。この場合、実施形態で説明した空中表示装置１の作用も左右が逆になる。
　上記実施形態では、表示素子２０として液晶表示素子を例に挙げて説明しているが、これに限定されるものではない。表示素子２０は、自発光型である有機ＥＬ（electroluminescence）表示素子、又はマイクロＬＥＤ（Light Emitting Diode）表示素子などを用いることも可能である。マイクロＬＥＤ表示素子は、画素を構成するＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）をそれぞれＬＥＤで発光させる表示素子である。自発光型の表示素子２０を用いる場合、照明素子１０は不要である。
　本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
　１…空中表示装置、２…空中像、３…観察者、１０…照明素子、１１…光源部、１２…導光板、１３…反射シート、２０…表示素子、２０Ａ…液晶パネル、２０Ｂ，２０Ｃ…偏光板、３０…配向制御素子、３１，３２…基材、３３…透明部材、３４…遮光部材、４０…光学素子、４１…基材、４２…光学要素、４３…入射面、４４…反射面、５０…偏光素子、６０…筐体、６０Ａ…開口部、６０Ｂ…段差、７０…制御部、７０Ａ…表示処理部、７０Ｂ…情報処理部、７１…記憶部、７２…入出力インターフェース、７３…表示部、７４…入力部、７５…バス。
 

Claims (8)

  1. 　画像を表示する表示素子と、
    　前記表示素子からの光を受けるように配置され、前記表示素子からの光を、前記表示素子と反対側に反射し、空中に空中像を結像する光学素子と、
    　前記光学素子からの光を受けるように配置され、直線偏光を透過する偏光素子と、
    　前記光学素子の周囲を囲むように構成され、前記表示素子と前記光学素子とを間隔を空けて固定する筐体と、
    　を具備し、
    　前記偏光素子の偏光軸は、前記表示素子の偏光軸と平行である
    　空中表示装置。
  2. 　前記筐体は、開口部を有する底板を含み、
    　前記表示素子は、前記表示素子からの光が前記開口部を通るように配置される
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  3. 　前記光学素子は、平面状の基材と、前記基材の下に設けられ、それぞれが第１方向に延び、前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の光学要素とを含み、
    　前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射面及び反射面を有する
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  4. 　前記表示素子、前記光学素子、及び前記偏光素子は、互いに平行に配置される
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  5. 　前記表示素子と前記光学素子との間に配置され、前記表示素子からの光の一部を透過する配向制御素子をさらに具備する
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  6. 　前記配向制御素子は、交互に配置された複数の透明部材及び複数の遮光部材を含み、
    　前記複数の遮光部材は、前記配向制御素子の法線方向に対して傾いている
    　請求項５に記載の空中表示装置。
  7. 　前記表示素子と前記配向制御素子とは、互いに平行に配置される
    　請求項５に記載の空中表示装置。
  8. 　光を発光する照明素子をさらに具備し、
    　前記表示素子は、前記照明素子からの光を受けるように配置され、液晶表示素子で構成される
    　請求項１に記載の空中表示装置。
     
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