WO2023181743A1 - 空中表示装置用の光学素子、及び空中表示装置 - Google Patents

空中表示装置用の光学素子、及び空中表示装置 Download PDF

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WO2023181743A1
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optical element
light
display device
aerial
display
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PCT/JP2023/005798
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Inventor
康宏 代工
Original Assignee
凸版印刷株式会社
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors

Definitions

  • the present invention relates to an optical element for an aerial display device and 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 optical element for an aerial display device and an aerial display device that can improve display quality.
  • an optical element used in an aerial display device that forms an aerial image in the air
  • the optical element being provided with a planar base material and a first a plurality of optical elements extending in the direction and arranged in a second direction perpendicular to the first direction, a reflective layer provided on each of the plurality of optical elements and reflecting light, and provided on the reflective layer, an absorption layer that absorbs light, each of the plurality of optical elements has an incident surface and a reflection surface that are inclined with respect to the normal direction of the base material and touch each other, and the reflection layer includes: An optical element is provided that is provided on the reflective surface and is arranged so that the optical element receives light from the outside on the incident surface.
  • the optical element according to the first aspect wherein the reflective layer is made of aluminum (Al), silver (Ag), or an alloy containing one of these.
  • the optical element according to the first aspect wherein the absorption layer is made of a material containing a black dye or pigment, a material containing carbon black, or a material containing graphite. .
  • an aerial display comprising a display element that displays an image, and the optical element according to claim 1, which is arranged so that the light from the display element is received at the incident surface.
  • Equipment is provided.
  • the aerial display device according to the fourth aspect, in which the display element and the optical 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 optical element for an aerial display device and an aerial display device that can improve display quality.
  • FIG. 1 is a perspective view of an aerial display device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view of the aerial display device shown in FIG. 1 as viewed from the Y direction.
  • FIG. 3 is a perspective view of the optical element shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a block diagram of the aerial display device.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating how light is reflected in the optical element.
  • FIG. 6 is a side view of the XZ plane illustrating how light is reflected in the optical element.
  • FIG. 7 is a side view of the YZ plane illustrating how light is reflected in the optical element.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the angle conditions of the incident surface and the reflective surface of the optical element.
  • FIG. 9 is a ray tracing diagram of the aerial display device.
  • FIG. 10 is a light distribution diagram based on the ray tracing diagram of FIG.
  • FIG. 11 is a ray tracing diagram of the light component that forms an aerial image among the light emitted from the point "o" of the display element.
  • FIG. 12 is a light distribution diagram based on the ray tracing diagram of FIG. 11.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the optical element according to the first example.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing method following FIG. 13.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing an optical element according to the second example.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing method following FIG. 15.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing method following FIG. 16.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing method following FIG. 17.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing method following FIG. 18.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing method following FIG. 19.
  • FIG. 21 is a side view of an aerial display device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view of an aerial display device 1 according to a first 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 side view of the aerial display device 1 shown in FIG. 1 as viewed from the Y direction.
  • 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, and an optical element 30.
  • the lighting element 10, the display element 20, and the optical element 30 are arranged parallel to each other.
  • the lighting element 10, the display element 20, and the optical element 30 are housed in a casing (not shown), and are fixed at the position shown in FIG. 1 by a support member (not shown) provided inside the casing.
  • 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.
  • the optical element 30 reflects light incident from the bottom side to the top side. Further, the optical element 30 reflects incident light that is obliquely incident from the bottom side, for example, in the front direction (normal direction). The detailed configuration of the optical element 30 will be described later.
  • the optical element 30 forms an aerial image 2 in the air.
  • the aerial image 2 is parallel to the element surface of the optical element 30 and is a two-dimensional image.
  • the element surface refers to a virtual plane in which the optical element 30 extends in the in-plane direction.
  • the element plane has the same meaning as the inside of the element plane. The same meaning applies to the element surfaces of other elements.
  • An observer 3 who is in front of the optical element 30 can visually recognize the aerial image 2.
  • FIG. 3 is a perspective view of the optical element 30 shown in FIG. 1. Note that FIG. 2 also shows an enlarged side view of a part of the optical element 30.
  • the optical element 30 includes a base material 31 and a plurality of optical elements 32.
  • the base material 31 is configured to be planar in the XY plane and has a rectangular parallelepiped shape.
  • a plurality of optical elements 32 are provided on the bottom surface of the base material 31.
  • Each of the plurality of optical elements 32 is formed of a triangular prism.
  • the optical element 32 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 31.
  • the plurality of optical elements 32 each extend in the Y direction and are arranged in line in the X direction. In other words, the plurality of optical elements 32 have a sawtooth shape.
  • Each of the plurality of optical elements 32 has an incident surface 33 and a reflective surface 34.
  • the left side surface is the incident surface 33
  • the right side surface is the reflective surface 34.
  • the incident surface 33 is a surface onto which light from the display element 20 is incident.
  • the reflective surface 34 is a surface that reflects light that has entered the incident surface 33 from the outside inside the optical element 32 .
  • the incident surface 33 and the reflective surface 34 have an angle ⁇ p .
  • the optical element 32 is formed integrally with the base material 31, for example, from the same transparent material as the base material 31.
  • the base material 31 and the optical element 32 may be formed separately, and the optical element 32 may be adhered to the base material 31 using a transparent adhesive.
  • the transparent material constituting the base material 31 and the optical element 32 for example, acrylic resin or glass is used.
  • a reflective layer 35 is provided on the reflective surface 34 of the optical element 32.
  • the reflective layer 35 is configured to cover the entire reflective surface 34.
  • the reflective layer 35 has a function of reflecting light.
  • the reflective layer 35 is made of a material with high reflectance.
  • As the reflective layer 35 for example, aluminum (Al), silver (Ag), or an alloy containing one of these is used.
  • An absorbing layer 36 is provided on the reflective layer 35.
  • the absorbing layer 36 is configured to cover the entire reflective layer 35.
  • the absorption layer 36 has a function of absorbing light.
  • the absorption layer 36 is made of a material with high light absorption rate.
  • a material containing a black dye or pigment, a material containing carbon black, or a material containing graphite is used as the absorption layer 36.
  • the optical element 30 internally reflects the incident light and forms a real image in the air. Further, the optical element 30 forms a real image at a position in front of the element surface.
  • FIG. 4 is a block diagram of the aerial display device 1.
  • the aerial display device 1 includes a control section 60, a storage section 61, an input/output interface (input/output IF) 62, a display section 63, and an input section 64.
  • the control section 60, the storage section 61, and the input/output interface 62 are connected to each other via a bus 65.
  • the input/output interface 62 is connected to a display section 63 and an input section 64.
  • the input/output interface 62 performs interface processing on each of the display section 63 and the input section 64 in accordance with a predetermined standard.
  • the display section 63 includes a lighting element 10 and a display element 20.
  • the display unit 63 displays images.
  • the control unit 60 is composed of one or more processors such as a CPU (Central Processing Unit) and an MPU (Micro Processing Unit).
  • the control unit 60 implements various functions by executing programs stored in the storage unit 61.
  • the control section 60 includes a display processing section 60A and an information processing section 60B.
  • the display processing unit 60A controls the operation of the display unit 63 (specifically, the lighting element 10 and the display element 20).
  • the display processing unit 60A controls turning on and off of the lighting element 10.
  • the display processing unit 60A transmits an image signal to the display element 20 and causes the display element 20 to display an image.
  • the information processing unit 60B generates an image to be displayed by the aerial display device 1.
  • the information processing section 60B can use image data stored in the storage section 61.
  • the information processing unit 60B may acquire image data from outside using a communication function (not shown).
  • the storage unit 61 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 61 stores programs executed by the control unit 60.
  • the storage unit 61 stores various data necessary for control of the control unit 60.
  • the storage unit 61 stores data of images displayed by the aerial display device 1.
  • the input unit 64 receives information input by the user.
  • the information processing section 60B can select an image to be displayed on the display section 63 based on the information received by the input section 64.
  • the arrows in FIG. 2 indicate optical paths.
  • light emitted from point “o” of display element 20 enters optical element 30.
  • a light component at an angle ⁇ 1 (including a light component within a predetermined angular range centered on the angle ⁇ 1 ) is reflected by the optical element 30 .
  • the optical element 30 forms an image of the incident light in the air on the opposite side to the display element 20, and displays an aerial image 2 in the air.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating how light is reflected in the optical element 30.
  • FIG. 6 is a side view of the XZ plane illustrating how light is reflected in the optical element 30.
  • FIG. 6 is a diagram of the optical element 30 viewed in a state where both eyes of the observer 3 (that is, a line connecting both eyes) are parallel to the X direction.
  • FIG. 7 is a side view of the YZ plane illustrating how light is reflected in the optical element 30.
  • FIG. 7 is a diagram of the optical element 30 viewed with both eyes of the observer 3 parallel to the Y direction. Note that the reflection layer 35 and the absorption layer 36 are not illustrated in FIGS. 5 to 7.
  • the light incident on the reflective surface 34 is totally reflected by the reflective surface 34 and exits from the plane of the optical element 30 on the opposite side to the side on which the optical element 32 is formed.
  • the light emitted from point "o" is totally reflected by the reflective surface 34 of the optical element 32, 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 34 of the optical element 32, 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. 8 is a diagram illustrating the angle conditions of the incident surface 33 and the reflective surface 34 in the optical element 30.
  • the angle of the incident surface 33 with respect to the Z direction (direction perpendicular to the element surface) be ⁇ 2
  • the angle of the reflective surface 34 with respect to the Z direction be ⁇ 3
  • the angle between the incident surface 33 and the reflective surface 34 be ⁇ p .
  • the refractive index of the material of the optical element 30 be n p and the refractive index of air be 1.
  • Let the incident angle at the incident surface 33 be ⁇ 4 and the refraction angle be ⁇ 5 .
  • 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 light incident on the entrance surface 33 is set so as not to be totally reflected on the entrance surface 33. That is, the angle ⁇ 2 of the incident surface 33 is set such that the incident angle of light incident on the incident surface 33 is smaller than the critical angle.
  • 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 optical element 30 includes a reflective layer 35 and an absorbing layer 36 on its reflective surface 34.
  • the light that enters the incident surface 33 and reaches the reflective surface 34 is reflected by the reflective surface 34 and the reflective layer 35.
  • the light component on the side where the reflective surface 34 is inclined with respect to the direction perpendicular to the element surface of the optical element 30 (Z direction) is incident on the incident surface 33.
  • the reflective surface 34 and the reflective layer 35 is incident on the incident surface 33.
  • the light component that travels tilted to the right with respect to the Z direction in FIG. Ru due to the presence of the reflective layer 35, the light that reaches the reflective surface 34 is reflected more reliably.
  • the absorption layer 36 On the other hand, light that directly enters the absorption layer 36 from outside the optical element 30 is absorbed by the absorption layer 36. Specifically, of the light incident on the optical element 30, the light component on the side where the incident surface 33 is inclined with respect to the direction perpendicular to the element surface of the optical element 30 (Z direction) is absorbed by the absorption layer 36. Ru. In other words, of the light incident on the optical element 30, the light component that travels tilted to the left with respect to the Z direction in FIG. 2 is absorbed by the absorption layer 36. Therefore, the light directly incident on the absorption layer 36 is not reflected by the optical element 30 and is not visible to the observer 3.
  • the optical element 30 functions to reflect only the light for generating the aerial image 2 and not reflect any other light. That is, the optical element 30 can block unnecessary light that does not contribute to the generation of the aerial image 2.
  • FIG. 9 is a ray tracing diagram of the aerial display device 1.
  • FIG. 10 is a light distribution diagram based on the ray tracing diagram of FIG. The horizontal axis in FIG. 10 represents the angle (degrees) at which the observer views the optical element 30 along the X direction, and the vertical axis represents the light output ratio (%).
  • the light component on the right side from the Z direction is reflected by the optical element 30 and is imaged at the point "o'".
  • the light component on the left side from the Z direction of the light emitted from point "o" of the display element 20 is absorbed by the absorption layer 36 of the optical element 30 and is not emitted from the optical element 30.
  • the output ratio becomes large when the aerial display device 1 is viewed at an angle of 0 degrees, that is, from the front direction. An observer can visually recognize the aerial image when looking from the front direction. Note that unnecessary light that does not contribute to display (a light component that travels diagonally to the right from the optical element 30) is also emitted from the optical element 30.
  • FIG. 11 is a ray tracing diagram of the light component that forms an aerial image among the light emitted from the point "o" of the display element 20.
  • FIG. 12 is a light distribution diagram based on the ray tracing diagram of FIG. 11.
  • the output ratio increases when the aerial display device 1 is viewed from the front. An observer can visually recognize the aerial image when viewed from the front.
  • (First example) 13 and 14 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the optical element 30 according to the first example.
  • an optical element 30 without a reflective layer 35 and an absorbing layer 36 is prepared.
  • the optical element 30 in which the reflective layer 35 and the absorbing layer 36 are not provided is referred to as an optical element member 30A.
  • the optical element member 30A is a member consisting of a base material 31 and a plurality of optical elements 32.
  • Optical element 32 has an entrance surface 33 and a reflective surface 34 .
  • the optical element member 30A is manufactured using any manufacturing method.
  • the optical element member 30A is arranged with the optical element 32 on top.
  • a reflective layer 35 is formed on the reflective surface 34 of the optical element 32 using an oblique vapor deposition method.
  • the oblique evaporation method is a evaporation method in which the evaporation material is introduced obliquely to the element surface of the evaporation target to form a film of the evaporation material on the evaporation target.
  • Vapor deposition is a processing method in which, for example, a vapor deposition material is evaporated in a vacuum and the thin film is attached to an object to be vaporized.
  • the oblique direction is a direction oblique to the element surface of the optical element member 30A, and is also a direction inclined toward the perpendicular side of the reflective surface 34 of the optical element 32 (on the right side in FIG. 13). In other words, diagonal is a direction in which the reflective surface 34 can be irradiated with the vapor deposition material.
  • the reflective layer 35 is made of, for example, aluminum (Al), silver (Ag), or an alloy containing one of these.
  • an absorbing layer 36 is formed on the reflective layer 35 using an oblique evaporation method.
  • the oblique vapor deposition of the absorbing layer 36 is also performed from a direction in which the reflective layer 35 can be irradiated with the vapor deposition material.
  • the absorption layer 36 is made of, for example, a material containing a black dye or pigment, a material containing carbon black, or a material containing graphite.
  • a laminated film of the reflective layer 35 and the absorbing layer 36 can be formed on the reflective surface 34. Furthermore, by using the oblique evaporation method, it is possible to suppress the deposition material from adhering to the entrance surface 33.
  • (Second example) 15 to 20 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the optical element 30 according to the second example.
  • an optical element member 30A without a reflective layer 35 and an absorbing layer 36 is prepared.
  • the optical element member 30A is arranged with the optical element 32 on top.
  • a reflective layer 35 is formed on the reflective surface 34 of the optical element 32 using an oblique vapor deposition method.
  • the material of the reflective layer 35 is the same as in the first embodiment.
  • a hydrophilic layer 37 is formed on the reflective layer 35 using an oblique vapor deposition method or a coating method.
  • the oblique vapor deposition of the hydrophilic layer 37 is performed from a direction in which the reflective layer 35 can be irradiated with the vapor deposition material.
  • the hydrophilic layer 37 is a layer that has an affinity for water.
  • the hydrophilic layer 37 for example, calcium phosphate or a compound containing calcium phosphate is used.
  • a hydrophobic layer 38 is formed on the entrance surface 33 of the optical element 32 using an oblique vapor deposition method or a coating method.
  • the oblique vapor deposition of the hydrophobic layer 38 is performed from a direction in which the vapor deposition material can be irradiated onto the incident surface 33.
  • the oblique direction in the vapor deposition of the hydrophobic layer 38 is a direction oblique to the element surface of the optical element member 30A, and is also a direction inclined to the perpendicular side of the incident surface 33 of the optical element 32 (left side in FIG. 17).
  • the hydrophobic layer 38 is a layer that has no affinity for water.
  • a fluororesin or a compound containing fluorine is used as the hydrophobic layer 38.
  • a black paint 36A is formed on the optical element member 30A using a coating method or a printing method.
  • the black paint 36A is formed to fill the grooves formed by the plurality of optical elements 32.
  • the black paint 36A is in contact with the hydrophilic layer 37 and the hydrophobic layer 38.
  • the black paint 36A is composed of a volatile liquid mixed with a black dye, a black pigment, or other black material.
  • the black paint 36A is dried. As the volatile components decrease, the black paint 36A selectively aggregates in the hydrophilic layer 37 due to the difference in surface free energy between the hydrophilic layer 37 and the hydrophobic layer 38.
  • a planar absorption layer 36 is formed on the reflective layer 35.
  • a laminated film in which a reflective layer 35, a hydrophilic layer 37, and an absorbing layer 36 are laminated in this order is formed on the reflective surface 34.
  • unnecessary light components that do not contribute to displaying an aerial image can be absorbed by the absorption layer 36. That is, unnecessary light components that do not contribute to the display of an aerial image can be suppressed from being emitted from the optical element 30. 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 30 with both eyes parallel to the X direction (that is, the direction in which the plurality of optical elements 32 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 second embodiment is a configuration example in which the display element 20 is arranged diagonally with respect to the optical element 30.
  • FIG. 21 is a side view of the aerial display device 1 according to the second embodiment of the present invention.
  • the X direction is a direction along one side of the optical element 30
  • the Y direction is a direction perpendicular to the X direction in the horizontal plane of the optical element 30, and the Z direction is perpendicular to the XY plane. The direction is to do so.
  • the aerial display device 1 includes a lighting element 10, a display element 20, and an optical element 30.
  • the individual configurations of the lighting element 10, display element 20, and optical element 30 are the same as in the first embodiment.
  • the lighting element 10 and the display element 20 are arranged parallel to each other.
  • the optical element 30 is arranged obliquely at an angle ⁇ 10 with respect to the display element 20.
  • the angle ⁇ 10 is set in a range greater than 0 degrees and less than 45 degrees.
  • the light emitted from point "o" of the display element 20 is reflected by the optical element 30, and an aerial image 2 is displayed in the air. Further, similarly to the first embodiment, the light component that travels to the left from the direction perpendicular to the element surface of the optical element 30 is absorbed by the absorption layer 36 provided on the optical element 30.
  • the aerial display device 1 can be realized by disposing the display element 20 obliquely with respect to the optical element 30.
  • Other effects are the same as in the first embodiment.
  • the left side surface of the optical element 32 is defined as the incident surface 33
  • the right side surface is defined as the reflective surface 34.
  • the present invention is not limited to this, and the incident surface 33 and the reflective surface 34 may be configured in reverse.
  • a laminated film of a reflective layer 35 and an absorbing layer 36 is provided on the reflective surface 34.
  • 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, a 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, 30... Optical element, 31... Base material , 32... Optical element, 33... Incident surface, 34... Reflective surface, 35... Reflective layer, 36... Absorbing layer, 36A... Black paint, 37... Hydrophilic layer, 38... Hydrophobic layer, 60... Control unit, 60A... Display processing 60B...information processing section, 61...storage section, 62...input/output interface, 63...display section, 64...input section, 65...bus.

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Abstract

空中表示装置用の光学素子（３０）は、平面状の基材（３１）と、基材（３１）の下に設けられ、それぞれが第１方向に延び、第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の光学要素（３２）と、複数の光学要素（３２）の各々に設けられ、光を反射する反射層（３５）と、反射層（３５）上に設けられ、光を吸収する吸収層（３６）とを含む。光学要素（３２）は、基材（３１）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。反射層（３５）は、反射面上に設けられる。光学素子は、外部からの光を入射面で受けるように配置される。

Description

空中表示装置用の光学素子、及び空中表示装置
　本発明は、空中表示装置用の光学素子、及び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用の光学素子、及び空中表示装置を提供する。
　本発明の第１態様によると、空中に空中像を結像させる空中表示装置に使用される光学素子であって、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、前記複数の光学要素の各々に設けられ、光を反射する反射層と、前記反射層上に設けられ、光を吸収する吸収層とを具備し、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し、前記反射層は、前記反射面上に設けられ、前記光学素子は、外部からの光を前記入射面で受けるように配置される、光学素子が提供される。
　本発明の第２態様によると、前記反射層は、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、又はこれらの１つを含む合金で構成される、第１態様に係る光学素子が提供される。
　本発明の第３態様によると、前記吸収層は、黒色の染料又は顔料を含む材料、カーボンブラックを含む材料、若しくは黒鉛を含む材料で構成される、第１態様に係る光学素子が提供される。
　本発明の第４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前記入射面で受けるように配置され、請求項１に記載の前記光学素子とを具備する、空中表示装置が提供される。
　本発明の第５態様によると、前記表示素子と前記光学素子とは、互いに平行に配置される、第４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、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４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用の光学素子、及び空中表示装置を提供することができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る空中表示装置の斜視図である。 図２は、図１に示した空中表示装置のＹ方向から見た側面図である。 図３は、図１に示した光学素子の斜視図である。 図４は、空中表示装置のブロック図である。 図５は、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６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７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８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９は、空中表示装置の光線追跡図である。 図１０は、図９の光線追跡図に基づく配光分布図である。 図１１は、表示素子の点“ｏ”から出射された光のうち空中像を結像する光成分の光線追跡図である。 図１２は、図１１の光線追跡図に基づく配光分布図である。 図１３は、第１実施例に係る光学素子の製造方法を説明する断面図である。 図１４は、図１３に続く製造方法を説明する断面図である。 図１５は、第２実施例に係る光学素子の製造方法を説明する断面図である。 図１６は、図１５に続く製造方法を説明する断面図である。 図１７は、図１６に続く製造方法を説明する断面図である。 図１８は、図１７に続く製造方法を説明する断面図である。 図１９は、図１８に続く製造方法を説明する断面図である。 図２０は、図１９に続く製造方法を説明する断面図である。 図２１は、本発明の第２実施形態に係る空中表示装置の側面図である。
　以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複する説明は省略する。
　［１］　第１実施形態
　［１－１］　空中表示装置１の構成
　図１は、本発明の第１実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。図１において、Ｘ方向は、空中表示装置１のある１辺に沿った方向であり、Ｙ方向は、水平面内においてＸ方向に直交する方向であり、Ｚ方向は、ＸＹ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Ｙ方向から見た側面図である。
　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、及び光学素子３０を備える。照明素子１０、表示素子２０、及び光学素子３０は、互いに平行に配置される。照明素子１０、表示素子２０、及び光学素子３０は、図示せぬ筐体内に収容され、筐体内に設けられた支持部材（図示せず）によって、図１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。
　光学素子３０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３０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３０の詳細な構成については後述する。光学素子３０は、空中に空中像２を結像する。空中像２は、光学素子３０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３０が面内方向に広がる仮想的な平面を言う。素子面は、素子の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３０の正面にいる観察者３は、空中像２を視認することができる。
　［１－２］　光学素子３０の構成
　図３は、図１に示した光学素子３０の斜視図である。なお、図２には、光学素子３０の一部を拡大した側面図も示している。
　光学素子３０は、基材３１、及び複数の光学要素３２を備える。基材３１は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。
　基材３１の底面には、複数の光学要素３２が設けられる。複数の光学要素３２の各々は、三角柱で構成される。光学要素３２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３１に接する。複数の光学要素３２は、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んで配置される。換言すると、複数の光学要素３２は、鋸歯状を有する。
　複数の光学要素３２の各々は、入射面３３及び反射面３４を有する。Ｙ方向から見て、左側の側面が入射面３３であり、右側の側面が反射面３４である。入射面３３は、表示素子２０からの光が入射する面である。反射面３４は、入射面３３に外部から入射した光を、光学要素３２の内部で反射する面である。入射面３３と反射面３４とは、角度θｐを有する。
　光学要素３２は、例えば、基材３１と同じ透明材料によって基材３１と一体的に形成される。基材３１と光学要素３２とを個別に形成し、透明な接着材を用いて基材３１に光学要素３２を接着してもよい。基材３１及び光学要素３２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。
　光学要素３２の反射面３４には、反射層３５が設けられる。反射層３５は、反射面３４の全体を覆うように構成される。反射層３５は、光を反射する機能を有する。反射層３５は、反射率の高い材料で構成される。反射層３５としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、又はこれらの１つを含む合金が用いられる。
　反射層３５上には、吸収層３６が設けられる。吸収層３６は、反射層３５の全体を覆うように構成される。吸収層３６は、光を吸収する機能を有する。吸収層３６は、光吸収率が高い材料で構成される。吸収層３６としては、例えば、黒色の染料又は顔料を含む材料、カーボンブラックを含む材料、若しくは黒鉛を含む材料が用いられる。
　光学素子３０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３０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、制御部６０、記憶部６１、入出力インターフェース（入出力ＩＦ）６２、表示部６３、及び入力部６４を備える。制御部６０、記憶部６１、及び入出力インターフェース６２は、バス６５を介して互いに接続される。
　入出力インターフェース６２は、表示部６３、及び入力部６４に接続される。入出力インターフェース６２は、表示部６３、及び入力部６４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６３は、照明素子１０、及び表示素子２０を備える。表示部６３は、画像を表示する。
　制御部６０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６０は、記憶部６１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６０は、表示処理部６０Ａ、及び情報処理部６０Ｂを備える。
　表示処理部６０Ａは、表示部６３（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６０Ａは、照明素子１０のオン及びオフを制御する。表示処理部６０Ａ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６０Ｂ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６０Ｂは、記憶部６１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６０Ｂ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６１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６１は、制御部６０が実行するプログラムを格納する。記憶部６１は、制御部６０の制御に必要な各種データを格納する。記憶部６１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６４は、ユーザが入力した情報を受け付ける。情報処理部６０Ｂは、入力部６４が受け付けた情報に基づいて、表示部６３に表示する画像を選択することが可能である。
　［１－４］　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。
　図２の矢印は、光路を示している。図２に示すように、表示素子２０の点“ｏ”から出射された光は、光学素子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、光学素子３０によって反射される。光学素子３０は、入射光を、表示素子２０と反対側の空中に結像し、空中に空中像２を表示する。
　図５は、光学素子３０における光の反射の様子を説明する斜視図である。図６は、光学素子３０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６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３０を見た図である。図７は、光学素子３０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７は、観察者３の両目がＹ方向に平行な状態で光学素子３０を見た図である。なお、図５乃至図７では、反射層３５及び吸収層３６の図示を省略している。
　表示素子２０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３０の入射面３３に入射し、反射面３４に到達する。反射面３４に入射した光は、反射面３４で全反射され、光学素子３０の光学要素３２が形成されている側の反対側の平面から出射される。
　図６のＸＺ面では、点“ｏ”から出射された光は、光学要素３２の反射面３４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７のＹＺ面では、点“ｏ”から出射された光は、光学要素３２の反射面３４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８は、光学素子３０における入射面３３及び反射面３４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３３の角度をθ２、Ｚ方向に対する反射面３４の角度をθ３、入射面３３と反射面３４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で出射した光は、入射面３３に入射する。光学素子３０の材料の屈折率をｎｐ、空気の屈折率を１とする。入射面３３における入射角をθ４、屈折角をθ５とする。反射面３４における入射角をθ６、反射角をθ７（＝θ６）とする。光学素子３０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）
　入射面３３に入射した光は、入射面３３で全反射されないように設定される。すなわち、入射面３３の角度θ２は、入射面３３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。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。
　ここで、図２に示すように、光学素子３０は、その反射面３４に、反射層３５及び吸収層３６を備える。入射面３３に入射して反射面３４に到達した光は、反射面３４及び反射層３５で反射される。具体的には、光学素子３０に入射する光のうち、光学素子３０の素子面に垂直な方向（Ｚ方向）を基準にして反射面３４が傾く側の光成分は、入射面３３に入射し、その後、反射面３４及び反射層３５で反射される。換言すると、光学素子３０に入射する光のうち、図２のＺ方向を基準にして右側に傾いて進む光成分は、入射面３３に入射し、その後、反射面３４及び反射層３５で反射される。また、反射層３５の存在により、反射面３４に到達した光は、より確実に反射される。
　一方、光学素子３０の外から吸収層３６に直接入射する光は、吸収層３６で吸収される。具体的には、光学素子３０に入射する光のうち、光学素子３０の素子面に垂直な方向（Ｚ方向）を基準にして入射面３３が傾く側の光成分は、吸収層３６で吸収される。換言すると、光学素子３０に入射する光のうち、図２のＺ方向を基準にして左側に傾いて進む光成分は、吸収層３６で吸収される。よって、吸収層３６に直接入射する光は、光学素子３０によって反射されず、観察者３に視認されない。
　このように、光学素子３０は、空中像２を生成するための光のみを反射し、それ以外の光を反射しないように機能する。すなわち、光学素子３０は、空中像２の生成に寄与しない不要光を遮光することができる。
　図９は、空中表示装置１の光線追跡図である。図１０は、図９の光線追跡図に基づく配光分布図である。図１０の横軸がＸ方向に沿って観察者が光学素子３０を見る角度（度）を表しており、縦軸が光の出力比（％）を表している。
　表示素子２０の点“ｏ”から出射された光のうちＺ方向から右側の光成分は、光学素子３０で反射され、点“ｏ´”で結像する。一方、表示素子２０の点“ｏ”から出射された光のうちＺ方向から左側の光成分は、光学素子３０の吸収層３６で吸収され、光学素子３０から出射されない。
　図９及び図１０から、空中表示装置１を角度０度、すなわち正面方向から見た場合に、出力比が大きくなることが分かる。観察者は、正面方向から見た場合に、空中像を視認することができる。なお、表示に寄与しない不要光（光学素子３０から右斜め方向に進む光成分）も光学素子３０から出射されている。
　図１１は、表示素子２０の点“ｏ”から出射された光のうち空中像を結像する光成分の光線追跡図である。図１２は、図１１の光線追跡図に基づく配光分布図である。
　図１１及び図１２からも同様に、空中表示装置１を正面方向から見た場合に、出力比が大きくなることが分かる。観察者は、正面方向から見た場合に、空中像を視認することができる。
　［１－５］　製造方法
　次に、光学素子３０の製造方法について説明する。以下に、製造方法の２つの実施例（第１及び第２実施例）について説明する。
　（第１実施例）
　図１３及び図１４は、第１実施例に係る光学素子３０の製造方法を説明する断面図である。
　図１３に示すように、反射層３５及び吸収層３６が設けられていない光学素子３０を準備する。反射層３５及び吸収層３６が設けられていない光学素子３０を光学素子部材３０Ａと呼ぶ。光学素子部材３０Ａは、基材３１及び複数の光学要素３２からなる部材である。光学要素３２は、入射面３３及び反射面３４を有する。光学素子部材３０Ａは、任意の製造方法を用いて製造される。光学素子部材３０Ａは、光学要素３２が上にくるように配置される。
　続いて、斜め蒸着法を用いて、光学要素３２の反射面３４上に、反射層３５を成膜する。斜め蒸着法とは、蒸着材料を被蒸着物の素子面に対して斜めに導入することで、被蒸着物に蒸着材料を成膜する蒸着方法である。蒸着は、例えば、真空中で蒸着材料を蒸発させ、薄い膜にした状態で被蒸着物に付着させる加工方法である。斜めとは、光学素子部材３０Ａの素子面に対して斜め方向であり、また、光学要素３２の反射面３４の垂線側（図１３における右側で）に傾いた方向である。換言すると、斜めとは、蒸着材料を反射面３４に照射可能な方向である。反射層３５は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、又はこれらの１つを含む合金で構成される。
　続いて、図１４に示すように、斜め蒸着法を用いて、反射層３５上に、吸収層３６を成膜する。吸収層３６の斜め蒸着も、蒸着材料が反射層３５に照射可能な方向から行われる。吸収層３６は、例えば、黒色の染料又は顔料を含む材料、カーボンブラックを含む材料、若しくは黒鉛を含む材料で構成される。
　以上のようにして、反射面３４上に、反射層３５及び吸収層３６の積層膜を形成することができる。また、斜め蒸着法を用いることで、入射面３３に蒸着材料が付着するのを抑制できる。
　（第２実施例）
　図１５乃至図２０は、第２実施例に係る光学素子３０の製造方法を説明する断面図である。
　図１５に示すように、反射層３５及び吸収層３６が設けられていない光学素子部材３０Ａを準備する。光学素子部材３０Ａは、光学要素３２が上にくるように配置される。
　続いて、斜め蒸着法を用いて、光学要素３２の反射面３４上に、反射層３５を成膜する。反射層３５の材料は、第１実施例と同じである。
　続いて、図１６に示すように、斜め蒸着法又は塗布法を用いて、反射層３５上に、親水層３７を成膜する。親水層３７の斜め蒸着は、蒸着材料が反射層３５に照射可能な方向から行われる。親水層３７は、水と親和性を有する層である。親水層３７としては、例えば、リン酸カルシウム、又はリン酸カルシウムを含む化合物が用いられる。
　続いて、図１７に示すように、斜め蒸着法又は塗布法を用いて、光学要素３２の入射面３３上に、疎水層３８を成膜する。疎水層３８の斜め蒸着は、蒸着材料が入射面３３に照射可能な方向から行われる。疎水層３８の蒸着における斜めとは、光学素子部材３０Ａの素子面に対して斜め方向であり、また、光学要素３２の入射面３３の垂線側（図１７における左側）に傾いた方向である。疎水層３８は、水と親和性のない層である。疎水層３８としては、フッ素樹脂、又はフッ素を含む化合物が用いられる。
　続いて、図１８に示すように、塗布法又は印刷法を用いて、光学素子部材３０Ａ上に、黒色塗料３６Ａを形成する。黒色塗料３６Ａは、複数の光学要素３２が構成する溝を埋めるように形成される。黒色塗料３６Ａは、親水層３７及び疎水層３８に接している。黒色塗料３６Ａは、揮発性を有する液体に、黒色の染料、黒色の顔料、又はそれ以外の黒色材料が混合されて構成される。
　続いて、図１９に示すように、黒色塗料３６Ａを乾燥させる。黒色塗料３６Ａは、揮発成分が減少するに従い、親水層３７と疎水層３８との表面自由エネルギーの違いから、親水層３７に選択的に集合する。
　続いて、図２０に示すように、黒色塗料３６Ａの揮発成分がなくなることで、反射層３５上に、平面状の吸収層３６が形成される。第２実施例の製造方法では、反射面３４上に、反射層３５、親水層３７、及び吸収層３６が順に積層された積層膜が形成される。
　［１－６］　第１実施形態の効果
　第１実施形態によれば、表示素子２０から出射された光を光学素子３０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、空中像の表示に寄与しない不要な光成分を吸収層３６で吸収することができる。すなわち、空中像の表示に寄与しない不要な光成分が光学素子３０から出射されるのを抑制できる。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３２が並ぶ方向）に平行、又はそれに近い状態で光学素子３０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。
　［２］　第２実施形態
　第２実施形態は、表示素子２０を光学素子３０に対して斜めに配置する構成例である。
　図２１は、本発明の第２実施形態に係る空中表示装置１の側面図である。図２１において、Ｘ方向は、光学素子３０のある１辺に沿った方向であり、Ｙ方向は、光学素子３０の水平面内においてＸ方向に直交する方向であり、Ｚ方向は、ＸＹ面に直交する方向である。
　空中表示装置１は、照明素子１０、表示素子２０、及び光学素子３０を備える。照明素子１０、表示素子２０、及び光学素子３０の個々の構成は、第１実施形態と同じである。照明素子１０と表示素子２０とは、互いに平行に配置される。
　光学素子３０は、表示素子２０に対して角度θ１０で斜めに配置される。第２実施形態において、角度θ１０は、０度より大きく４５度より小さい範囲に設定される。
　図２１に示すように、表示素子２０の点“ｏ”から出射された光は、光学素子３０によって反射され、空中に空中像２が表示される。また、第１実施形態と同様に、光学素子３０の素子面に垂直な方向から左側に進む光成分は、光学素子３０に設けられた吸収層３６で吸収される。
　第２実施形態によれば、表示素子２０を光学素子３０に対して斜めに配置して空中表示装置１を実現できる。その他の効果は、第１実施形態と同じである。
　上記各実施形態では、光学要素３２の左側の側面が入射面３３、右側の側面が反射面３４として定義している。しかし、これに限定されず、入射面３３と反射面３４とを逆に構成してもよい。反射面３４に反射層３５及び吸収層３６の積層膜が設けられることは実施形態と同じである。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。
　上記各実施形態では、表示素子２０として液晶表示素子を例に挙げて説明しているが、これに限定されるものではない。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、３０…光学素子、３１…基材、３２…光学要素、３３…入射面、３４…反射面、３５…反射層、３６…吸収層、３６Ａ…黒色塗料、３７…親水層、３８…疎水層、６０…制御部、６０Ａ…表示処理部、６０Ｂ…情報処理部、６１…記憶部、６２…入出力インターフェース、６３…表示部、６４…入力部、６５…バス。
 

Claims (6)

  1. 　空中に空中像を結像させる空中表示装置に使用される光学素子であって、
    　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、
    　前記複数の光学要素の各々に設けられ、光を反射する反射層と、
    　前記反射層上に設けられ、光を吸収する吸収層と、
    　を具備し、
    　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し、
    　前記反射層は、前記反射面上に設けられ、
    　前記光学素子は、外部からの光を前記入射面で受けるように配置される
    　光学素子。
  2. 　前記反射層は、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、又はこれらの１つを含む合金で構成される
    　請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記吸収層は、黒色の染料又は顔料を含む材料、カーボンブラックを含む材料、若しくは黒鉛を含む材料で構成される
    　請求項１に記載の光学素子。
  4. 　画像を表示する表示素子と、
    　前記表示素子からの光を前記入射面で受けるように配置され、請求項１に記載の前記光学素子と、
    　を具備する
    　空中表示装置。
  5. 　前記表示素子と前記光学素子とは、互いに平行に配置される
    　請求項４に記載の空中表示装置。
  6. 　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４に記載の空中表示装置。
     
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