WO2024053340A1 - 空中表示装置 - Google Patents

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WO2024053340A1
WO2024053340A1 PCT/JP2023/029449 JP2023029449W WO2024053340A1 WO 2024053340 A1 WO2024053340 A1 WO 2024053340A1 JP 2023029449 W JP2023029449 W JP 2023029449W WO 2024053340 A1 WO2024053340 A1 WO 2024053340A1
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WO
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light
pixels
display device
aerial
display
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/029449
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English (en)
French (fr)
Inventor
康宏 代工
Original Assignee
Ｔｏｐｐａｎホールディングス株式会社
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

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 large number of band-shaped planar light reflecting sections at a constant pitch inside a transparent flat plate, and the first and second light control panels are arranged vertically at a constant pitch.
  • An optical element is disclosed in which panels are arranged such that their planar light reflecting portions are 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.
  • an image is displayed and has a plurality of first element pixels and a plurality of second element pixels, the plurality of first element pixels are arranged in a first direction, and each of the first element pixels is arranged in a first direction, and each of the first element pixels is The plurality of second element pixels are arranged in the first direction and each extend in the second direction, and the plurality of first element pixels and the plurality of second element pixels extend in a second direction orthogonal to one direction.
  • the pixels are arranged to receive light emitted from the display elements and the display elements arranged alternately, and emit part of the light emitted from the plurality of first element pixels in a diagonal right direction.
  • An aerial display device includes an optical element that reflects the emitted light to a side opposite to the light splitting element and forms an aerial image in the air.
  • the light splitting element has a plurality of transmission regions and a plurality of light blocking regions, and the plurality of transmission regions are arranged in the first direction and each extends in the second direction.
  • the plurality of light-blocking regions are arranged in the first direction and each extends in the second direction, and the plurality of light-transmitting regions and the plurality of light-blocking regions are arranged alternately, the aerial display according to the first aspect.
  • Equipment is provided.
  • the light splitting element includes a planar transparent member and a plurality of light shielding layers provided on the transparent member, and the plurality of light shielding layers are arranged in the first direction.
  • an aerial display device which is spaced apart and each extends in the second direction.
  • the light splitting element is configured of a display device, and a plurality of pixels corresponding to the plurality of light-shielding regions are set to a transmitting state, and a plurality of pixels corresponding to the plurality of light-blocking regions are set to a transmitting state.
  • An aerial display device according to a second aspect is provided, wherein the pixels are set to a light-blocking state.
  • the aerial display device according to the fourth aspect, wherein the light splitting element changes the width of the plurality of transmission areas and changes the width of the plurality of light blocking areas.
  • the total length of the first element pixel and the second element pixel in the first direction is the same as the total length of the transmission area and the light blocking area in the first direction.
  • the aerial display device according to the second aspect, wherein the position of the boundary between the first element pixel and the second element pixel is the same as the position of the center of the transmission area. Ru.
  • the aerial display device according to the first aspect, wherein the optical element reflects the light incident obliquely from the light splitting element in a normal direction perpendicular to the plane. Ru.
  • the optical element includes a planar base material and a plurality of optical elements provided under the base material, arranged in the first direction, and each extending in the second direction.
  • each of the plurality of optical elements has a first reflective surface and a second reflective surface that are inclined with respect to the normal direction and are in contact with each other.
  • the display element displays a first image on the plurality of first element pixels, and displays a second image different from the first image on the plurality of second element pixels.
  • An aerial display device according to a first aspect is provided.
  • the aerial display device in which the display element, the light splitting 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 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 in the XZ plane.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the display element shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a perspective view of the light splitting element shown in FIG. 1.
  • FIG. 5 is a side view of the XZ plane illustrating the parameters of the light splitting element.
  • FIG. 6 is a perspective view of the optical element shown in FIG. 1.
  • FIG. 7 is a block diagram of an aerial display device.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the operation of the display element and the light splitting element.
  • FIG. 9 is a graph illustrating the light distribution characteristics of the display element and the light splitting element.
  • 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 in the XZ plane.
  • 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 first reflective surface and the second reflective surface in the optical element.
  • FIG. 14 is a ray tracing diagram of the aerial display device.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating the display operation of the aerial display device.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an aerial image displayed by an aerial display device.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating an aerial image displayed by a plurality of element pixels EP_L of a display element.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an aerial image displayed by a plurality of element pixels EP_R of the display element.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating an image displayed on the screen of the display element.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a light splitting element.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a light splitting element.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a light splitting element.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a light splitting element.
  • FIG. 24 is a schematic plan view of a display element and a light splitting element according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a side view of the display element and the light splitting element in the XZ plane.
  • FIG. 26 is a block diagram of the aerial display device.
  • FIG. 27 is a schematic plan view of a display element according to a third embodiment of the
  • 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 a 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 in the XZ plane. The arrows in FIG. 2 represent rough optical paths.
  • 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. "Displaying an aerial image” has the same meaning as "forming an aerial image.”
  • the light exit surface of the aerial display device 1 means the upper 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, a light splitting element 30, and an optical element 40.
  • the lighting element 10, the display element 20, the light splitting element 30, and the optical element 40 are arranged in this order along the Z direction and parallel to each other.
  • the lighting element 10, the display element 20, the light splitting element 30, and the optical element 40 are fixed at a desired position with a fixing member (not shown) with a desired distance from each other.
  • 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 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 a member (including a prism sheet and a diffusion sheet) that improves optical characteristics on the upper surface of the light guide plate 12.
  • 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 own display surface.
  • the light splitting element 30 has a function of splitting the light emitted from the display element 20 into a first light component for displaying a first aerial image and a second light component for displaying a second aerial image. have The detailed configuration of the light splitting 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 that is incident from the bottom side in a direction oblique to the normal direction perpendicular to the plane, for example, in the front direction (normal direction).
  • the optical element 40 forms an aerial image 2 in the air in front of the aerial display device 1 .
  • the detailed configuration of the optical element 40 will be described later.
  • 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.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the display element 20 shown in FIG. 1.
  • the display element 20 includes a plurality of element pixels EP each extending in the Y direction and aligned in the X direction.
  • Each of the plurality of element pixels EP includes a plurality of pixels PX arranged in a line in the Y direction.
  • Each element pixel EP may be configured with two or more rows of pixels PX arranged in the Y direction as a unit.
  • Each of the plurality of pixels PX is the minimum unit of color information of the image displayed by the display element 20.
  • the pixel PX includes, for example, a red sub-pixel R, a green sub-pixel G, and a blue sub-pixel B, which respectively correspond to the three primary colors of light, red (R), green (G), and blue (B).
  • R red
  • G green
  • B blue
  • FIG. 3 three rows of pixel arrays are shown with red, green, and blue hatching. The configuration is the same for pixels other than the three rows.
  • Each of the red sub-pixel R, the green sub-pixel G, and the blue sub-pixel B has a rectangular shape whose longitudinal direction is the Y direction.
  • the red sub-pixel R, the green sub-pixel G, and the blue sub-pixel B are arranged so as to be lined up in the X direction.
  • the red sub-pixel R, the green sub-pixel G, and the blue sub-pixel B are configured in a square shape as a whole.
  • the plurality of element pixels EP are defined as left element pixels EP_L and right element pixels EP_R arranged alternately.
  • the physical structures of the element pixel EP_L and the element pixel EP_R are the same.
  • the element pixel EP_L and the element pixel EP_R are not distinguished, they are referred to as element pixel EP.
  • the left and right relationship between the element pixels EP is determined by the positional relationship with the light splitting element 30, and details will be described later.
  • FIG. 4 is a perspective view of the light splitting element 30 shown in FIG. 1.
  • the light splitting element 30 includes a transparent member 31 and a plurality of light shielding layers 32.
  • the transparent member 31 is configured to be planar in the XY plane and has a rectangular parallelepiped shape.
  • the transparent member 31 is made of a transparent material, such as glass or transparent resin (including acrylic resin).
  • a plurality of light shielding layers 32 are provided on the transparent member 31.
  • the plurality of light shielding layers 32 each extend in the Y direction and are arranged in line in the X direction.
  • the plurality of light shielding layers 32 have the same width and are arranged at equal intervals with predetermined intervals.
  • the plurality of light blocking layers 32 have a function of blocking light.
  • the light shielding layer 32 is made of, for example, chromium (Cr), a chromium compound, or a resin containing black dye or pigment.
  • the light splitting element 30 has a plurality of transmission regions 33 and a plurality of light shielding regions 34.
  • the plurality of transmitting regions 33 and the plurality of light blocking regions 34 are arranged alternately.
  • the transmissive region 33 is a region where the light shielding layer 32 is not provided, and the light shielding region 34 is a region where the light shielding layer 32 is provided.
  • FIG. 5 is a side view of the XZ plane illustrating the parameters of the light splitting element 30.
  • the light splitting element 30 is provided on the display element 20.
  • FIG. 5 shows, as an example, a case where the light splitting element 30 is arranged so as to be in contact with the display element 20.
  • the display element 20 includes a plurality of element pixels EP_L and a plurality of element pixels EP_R arranged alternately.
  • the element pixel on the left side is EP_L
  • the element pixel on the right side is EP_R.
  • the boundary between the element pixel EP_L and the element pixel EP_R is set at the center line of the transparent region 33.
  • Light emitted from the element pixel EP_L is shown by a solid line arrow
  • light emitted from the element pixel EP_R is shown by a broken line arrow.
  • the length Dp of the element pixel EP in the X direction is also referred to as the pitch of the element pixel EP.
  • the total length Bp of the transmission area 33 and the light blocking area 34 in the X direction is also referred to as the pitch of the light splitting element 30.
  • the pitch of the light splitting elements 30 is a repeating unit of the same element, in other words, it is the distance between the center lines of two transmissive regions 33 arranged with the light shielding region 34 in between.
  • the light splitting element 30 is configured such that the center line of the transmission region 33 passes through the boundary between the element pixel EP_L and the element pixel EP_R.
  • the total length of the transmitting region 33 and the light blocking region 34 in the X direction does not have to completely match the total length of the element pixel EP_L and the element pixel EP_R in the X direction, and these lengths
  • the relationship includes manufacturing errors and errors due to misalignment.
  • ⁇ 1 sin -1 ((n 2 /n 1 ) * sin ⁇ 2 ) ...
  • ⁇ 1 ′ sin ⁇ 1 ((n 2 /n 1 )*sin ⁇ 2 ′) ...
  • the refractive index n 2 is air, and its value is 1.
  • the element pixel EP emits light radially around the normal direction.
  • the arrows shown in FIG. 5 schematically indicate the light components used for display among the light emitted from the element pixels EP.
  • the arrow shown in FIG. 5 means the optical path of the center of the light component used for display.
  • the output angle ⁇ 2 is set to 10 degrees or more and 40 degrees or less.
  • the output angle ⁇ 2 ' is set to 10 degrees or more and 40 degrees or less. From equations (2) and (3), the angular range of the exit angle ⁇ 1 and the exit angle ⁇ 1 ′ is calculated.
  • the distance from the top surface of the display element 20 to the light shielding layer 32 is defined as Zb.
  • the distance Zb corresponds to the thickness of the transparent member 31 when the display element 20 and the light splitting element 30 are arranged so as to be in contact with each other, and corresponds to the thickness of the transparent member 31 when the display element 20 and the light splitting element 30 are arranged with an interval between them. , corresponds to the total distance of the thickness of the transparent member 31 and the distance between the display element 20 and the light splitting element 30.
  • FIG. 5 shows an example in which the display element 20 and the light splitting element 30 are in contact with each other, if the display element 20 and the light splitting element 30 are arranged with a gap between them, the bottom surface of the light splitting element 30 may
  • the output angle ⁇ 1 and the output angle ⁇ 1 ′ are set in consideration of the refraction angle of .
  • FIG. 6 is a perspective view of the optical element 40 shown in FIG. 1. Note that FIG. 6 also shows an enlarged view of a part of the optical element 40. The enlarged view in FIG. 6 is a side view in the XZ plane.
  • 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 in the XZ plane.
  • Each of the plurality of optical elements 42 has a first reflective surface 43 and a second reflective surface 44.
  • the left side surface is the first reflective surface 43
  • the right side surface is the second reflective surface 44.
  • the first reflective surface 43 is a surface that reflects the light emitted from the element pixel EP_R inside the optical element 42 .
  • the second reflective surface 44 is a surface that reflects the light emitted from the element pixel EP_L inside the optical element 42.
  • the angle of the first reflective surface 43 and the angle of the second reflective surface 44 with respect to the normal direction of the base material 41 are set to be the same angle, for example.
  • the base material 41 and the optical element 42 are made of transparent material.
  • 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, glass or transparent resin (including acrylic resin) is used.
  • the optical element 40 configured in this manner reflects the incident light internally to form a real image in the air. Further, the optical element 40 forms an aerial image 2 at a position in front of the element surface.
  • the length of the optical element 42 in the X direction can be set arbitrarily.
  • the length of the optical element 42 in the X direction is also referred to as the pitch of the optical element 40.
  • the pitch of the optical elements 40 is decreased, the resolution of the aerial display device 1 (the fineness of the displayed image) is increased, and when the pitch of the optical elements 40 is increased, the resolution of the aerial display device 1 is decreased.
  • FIG. 7 is a block diagram of the aerial display device 1.
  • the aerial display device 1 includes a control section 50, a storage section 51, an input/output interface (input/output IF) 52, a display section 53, and an input section 54.
  • the control section 50, the storage section 51, and the input/output interface 52 are connected to each other via a bus 55.
  • the input/output interface 52 is connected to the display section 53 and the input section 54.
  • the input/output interface 52 performs interface processing on each of the display section 53 and the input section 54 according to a predetermined standard.
  • the display section 53 includes a lighting element 10 and a display element 20.
  • the display unit 53 displays images.
  • the control unit 50 is composed of one or more processors such as a CPU (Central Processing Unit) and an MPU (Micro Processing Unit).
  • the control unit 50 implements various functions by executing programs stored in the storage unit 51.
  • the control section 50 includes a display processing section 50A and an information processing section 50B.
  • the display processing unit 50A controls the operation of the display unit 53 (specifically, the lighting element 10 and the display element 20).
  • the display processing unit 50A controls turning on and off of the lighting element 10.
  • the display processing unit 50A transmits an image signal to the display element 20 and causes the display element 20 to display an image.
  • the information processing unit 50B generates an image to be displayed by the aerial display device 1.
  • the information processing section 50B can use image data stored in the storage section 51.
  • the information processing unit 50B may acquire image data from outside using a communication function (not shown).
  • the storage unit 51 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 51 stores programs executed by the control unit 50.
  • the storage unit 51 stores various data necessary for control of the control unit 50.
  • the storage unit 51 stores data of images displayed by the aerial display device 1.
  • the input unit 54 includes a touch panel, buttons, etc., and receives information input by the user.
  • the information processing section 50B can select an image to be displayed on the display section 53 based on the information received by the input section 54.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the operation of the display element 20 and the light splitting element 30.
  • FIG. 8 shows a side view of the display element 20 and the light splitting element 30, and a plan view of the display element 20.
  • the light component that travels diagonally to the right passes through the gap in the light shielding layer 32 in the transmission region 33.
  • light components traveling in the normal direction and diagonally to the left from the normal direction are blocked by the light blocking layer 32 .
  • the light component that travels diagonally to the left passes through the gap in the light shielding layer 32 in the transmission region 33.
  • light components that travel in the normal direction and diagonally to the right from the normal direction are blocked by the light blocking layer 32 .
  • the light splitting element 30 directs and emits the light emitted from the plurality of elemental pixels EP_L in the diagonal right direction, and directs and emits the light emitted from the plurality of elemental pixels EP_R in the diagonal left direction. can do. Further, the light splitting element 30 can split the light emitted from the plurality of element pixels EP_L and the light emitted from the plurality of element pixels EP_R.
  • FIG. 9 is a graph illustrating the light distribution characteristics of the display element 20 and the light splitting element 30.
  • the horizontal axis in FIG. 9 represents the angle (in degrees) at which the observer views the light splitting element 30 along the X direction, and the vertical axis represents the light output ratio (%).
  • An angle of 0 degrees corresponds to the case where the light splitting element 30 is viewed from the normal direction (front).
  • the solid line graph in FIG. 9 represents the light emitted from the element pixel EP_L, and the broken line graph represents the light emitted from the element pixel EP_R.
  • the light splitting element 30 can split the light emitted from the element pixel EP_L and the light emitted from the element pixel EP_R depending on the angle at which the light splitting element 30 is viewed. ing.
  • the light splitting element 30 can emit a light component having a peak around an angle of 30 degrees out of the light emitted from the element pixel EP_L. Further, the light splitting element 30 can emit a light component having a peak around an angle of -30 degrees out of the light emitted from the element pixel EP_R.
  • 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.
  • FIGS. 10 to 12 show the state of light emitted from an arbitrary point "o" of the light splitting element 30. Further, FIGS. 10 to 12 show a part of the light component (a part of the light component indicated by the solid line arrow in FIG. 8) emitted diagonally to the right from the light splitting element 30.
  • the operation of the light component emitted obliquely to the left from the light splitting element 30 corresponds to the operation of the light component that is plane symmetrical to the light component shown in FIGS. 10 to 12 with respect to the YZ plane passing through the point "o" of the optical element 40. do.
  • the operation of the light component emitted diagonally to the right from the light splitting element 30 will be described.
  • the light emitted from an arbitrary point "o" of the light splitting element 30 enters the first reflective surface 43 of the optical element 40 and reaches the second reflective surface 44.
  • the light that arrives at an angle larger than the critical angle with respect to the normal direction of the second reflective surface 44 is totally reflected on the second reflective surface 44, and the light is totally reflected on the second reflective surface 44, and the light reaches the opposite side of the optical element 40 from the side where the optical element 42 is formed.
  • 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 second reflective surface 44 of the optical element 42, and the light forms an image in the air to generate an aerial image.
  • the light emitted from point "o" is not reflected by the second reflective surface 44 of the optical element 42, and the light does not form an image in the air, so it contributes to the generation of an aerial image. do not.
  • 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 first reflective surface 43 and the second reflective surface 44 in the optical element 40.
  • the angle of the first reflective surface 43 with respect to the Z direction (direction perpendicular to the element surface) is ⁇ 3
  • the angle of the second reflective surface 44 with respect to the Z direction is ⁇ 4
  • the angle between the first reflective surface 43 and the second reflective surface 44 is Let the angle be ⁇ p .
  • the refractive index of the material of the optical element 40 be n p and the refractive index of air be 1.
  • the incident angle at the first reflective surface 43 be ⁇ 5 and the refraction angle be ⁇ 6 .
  • the incident angle at the upper surface of the optical element 40 be ⁇ 9 and the refraction angle be ⁇ 10 .
  • the refraction angle ⁇ 10 is the exit angle.
  • the output angle ⁇ 10 is expressed by the following equation (5).
  • ⁇ 10 sin -1 (n p *sin (sin -1 ((1/n p ) * sin (90° - ( ⁇ 2 + ⁇ 3 ))) + ⁇ 3 +2 ⁇ 4 -90°)) ... (5 )
  • the critical angle at the second reflective surface 44 is expressed by the following equation (6).
  • Critical angle ⁇ 7 ( ⁇ 8 )
  • Critical angle sin -1 (1/n p )...(6)
  • the incident angle ⁇ 7 at the second reflective surface 44 is set to be larger than the critical angle at the second reflective surface 44 .
  • the angle ⁇ 4 of the second reflective surface 44 is set such that the angle of incidence of light incident on the second reflective surface 44 is greater than the critical angle.
  • the light incident on the first reflective surface 43 is set so as not to be totally reflected on the first reflective surface 43. That is, the angle ⁇ 3 of the first reflective surface 43 is set such that the angle of incidence of light incident on the first reflective 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 of light incident on the optical element 40 and the refractive index of the optical element 40. This can be adjusted by optimally setting the angle of the first reflective surface 43 of the optical element 40 and the angle of the second reflective surface 44 of the optical element 40.
  • FIG. 14 is a ray tracing diagram of the aerial display device 1.
  • Light is emitted radially from an arbitrary point "o'" on the display surface of the display element 20 centered on the normal direction.
  • the light splitting element 30 splits the light incident from the display element 20 and outputs light components in an angular range centered on the angle ⁇ 2 .
  • light components are emitted from the light splitting element 30 in a direction tilted to the right from the normal direction.
  • the light obliquely incident on the optical element 40 from the light splitting element 30 is reflected in the front direction by the optical element 40.
  • the light reflected by the optical element 40 forms an image at a point "o''".
  • the position of point "o'' is the position where the aerial image 2 is displayed.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating the display operation of the aerial display device 1.
  • FIG. 15 shows an example in which the pitch of the optical elements 40 is the same as the pitch of the light splitting elements 30.
  • the position of the apex of the optical element 42 in the optical element 40 is the same as the position of the center of the transmission region 33 in the light splitting element 30.
  • a part of the light radially emitted from the plurality of element pixels EP_L of the display element 20 is emitted diagonally to the right from the light splitting element 30.
  • Light emitted from the plurality of element pixels EP_L of the display element 20 is indicated by solid arrows.
  • the light emitted diagonally to the right from the light splitting element 30 enters the first reflective surface 43 of the optical element 40 and is reflected by the second reflective surface 44 .
  • the light reflected by the second reflective surface 44 of the optical element 40 is emitted from the upper surface of the optical element 40 approximately in the normal direction to generate an aerial image.
  • a part of the light radially emitted from the plurality of element pixels EP_R of the display element 20 is emitted diagonally to the left from the light splitting element 30.
  • Light emitted from the plurality of element pixels EP_R of the display element 20 is indicated by broken line arrows.
  • the light emitted diagonally to the left from the light splitting element 30 enters the second reflective surface 44 of the optical element 40 and is reflected by the first reflective surface 43.
  • the light reflected by the first reflective surface 43 of the optical element 40 is emitted from the upper surface of the optical element 40 approximately in the normal direction to generate an aerial image.
  • the area DA1 is a central area in the X direction, and is an area where the light from the element pixel EP_L and the light from the element pixel EP_R overlap.
  • the area DA2 is an area on the right side in the X direction, and is an area from which only light from the element pixel EP_L is emitted.
  • the area DA3 is an area on the left side in the X direction, and is an area from which only light from the element pixel EP_R is emitted.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating the aerial image 2 displayed by the aerial display device 1.
  • display buttons of "1" to “9", “/”, “*”, “-”, and “+” are shown as an example.
  • Aerial image 2 is displayed in areas DA1 to DA3.
  • the display buttons for "2", “4", and “9” are red.
  • the display buttons for "1", “6", and “8” are green.
  • the display buttons for "3", "5", and “7” are blue.
  • the display buttons for "/", “*", "-”, and “+” are gray.
  • the colors of the buttons in FIG. 16 are distinguished using color hatching.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating an aerial image displayed by a plurality of element pixels EP_L of the display element 20.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an aerial image displayed by a plurality of element pixels EP_R of the display element 20.
  • the plurality of element pixels EP_L of the display element 20 are “2", “3”, “5", “6”, “8”, “9”, “/”, “*", “-”, “+” Display the display button. Display buttons for “2”, “3”, “5", “6", “8”, “9”, “/”, “*”, "-”, “+” are displayed in areas DA1 and DA2. be done.
  • the plurality of element pixels EP_R of the display element 20 display display buttons of "1", "4", and “7". Display buttons for "1", "4", and “7” are displayed in areas DA1 and DA3.
  • the aerial image shown in FIG. 16 is displayed by overlapping the aerial image displayed by the plurality of element pixels EP_L shown in FIG. 17 and the aerial image displayed by the plurality of element pixels EP_R shown in FIG.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating an image displayed on the screen of the display element 20.
  • Multiple element pixels EP_L have display buttons of “2", “3", “5", “6", “8”, “9”, “/”, “*", "-”, “+”. indicate.
  • the plurality of element pixels EP_R display display buttons of "1", "4", and “7".
  • display buttons for "2", "5", and “8” are displayed so as to overlap display buttons for "1", "4", and “7”.
  • the display buttons “1", "4", and “7” are shown with broken lines.
  • the transparent member 31 is made of a transparent material, such as glass or transparent resin (including acrylic resin).
  • the light shielding layer 32 is made of chromium (Cr), a chromium compound, or a resin containing black dye or pigment.
  • a photosensitive resin (resist) 60 is formed on the light shielding layer 32. Subsequently, the resist 60 is exposed and developed. When a positive resist is used as the resist 60, the portion exposed to light is removed by development.
  • the light shielding layer 32 is etched using the resist 60 as a mask.
  • the resist 60 is removed.
  • the light splitting element 30 including the transparent member 31 and the light shielding layer 32 is manufactured.
  • the aerial image 2 can be displayed in the air by reflecting the light emitted from the display element 20 by the optical element 40. Further, the aerial image 2 can be displayed in the front direction of the aerial display device 1. Furthermore, it is possible to realize an aerial display device 1 that can improve display quality.
  • the display element 20 includes a plurality of element pixels EP_L and a plurality of element pixels EP_R arranged alternately.
  • the light splitting element 30 emits part of the light emitted from the plurality of elemental pixels EP_L in the diagonal right direction, and emits part of the light emitted from the plurality of elemental pixels EP_R in the diagonal left direction.
  • an aerial image 2 that is longer than the length of the display element 20 in the X direction.
  • an aerial image 2 larger than the size of the display element 20 can be displayed.
  • the display quality of the aerial image 2 can be further improved.
  • 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 2. can do. 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 2 can always be visually recognized. Moreover, a wider viewing angle can be achieved when both eyes of the observer 3 are parallel to the X direction or in a state 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 lengths of the transmission region 33 and the light-shielding region 34 of the light splitting element 30 are made variable.
  • FIG. 24 is a schematic plan view of the display element 20 and the light splitting element 30 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a side view of the display element 20 and the light splitting element 30 in the XZ plane.
  • the configuration of the display element 20 is the same as in the first embodiment.
  • the display element 20 includes a plurality of element pixels EP_L and a plurality of element pixels EP_R arranged alternately along the X direction.
  • a transparent member such as a transparent substrate and a polarizing plate is arranged.
  • the light splitting element 30 is composed of a light modulation element that can be electrically set to a transmitting state and a light blocking state.
  • the light splitting element 30 is composed of a transmissive liquid crystal display device capable of black and white display, an electrochromic display device, or the like.
  • the liquid crystal display device may be of a passive matrix type or an active matrix type. In a liquid crystal display device, white display corresponds to a transparent state, and black display corresponds to a light-blocking state.
  • An electrochromic display device is a display device whose light transmittance can be changed by electrochemically redoxing an electrochromic material.
  • the light splitting element 30 includes a plurality of element pixels each extending in the Y direction and arranged in the X direction. Each of the plurality of element pixels can be electrically set to a transmissive state and a light-blocking state. Further, the light splitting element 30 includes a plurality of transmission regions 33 and a plurality of light blocking regions 34 arranged alternately along the X direction. Each of the plurality of transmission regions 33 extends in the Y direction. The transparent area 33 is composed of one or more element pixels. Each of the plurality of light shielding regions 34 extends in the Y direction. The light shielding area 34 is composed of one or more element pixels. The length of the element pixel of the light splitting element 30 in the X direction is set shorter than the length of the element pixel EP of the display element 20 in the X direction.
  • FIG. 26 is a block diagram of the aerial display device 1.
  • the aerial display device 1 further includes an electrically controllable light splitting element 30.
  • the control unit 50 further includes an area setting unit 50C.
  • the light splitting element 30 is connected to the input/output interface 52.
  • the input/output interface 52 performs interface processing on the light splitting element 30 according to a predetermined standard.
  • the area setting unit 50C controls the operation of the light splitting element 30.
  • the area setting unit 50C sets each of the plurality of element pixels included in the light splitting element 30 to either a transmitting state or a light blocking state.
  • the area setting unit 50C changes the length of the transmission area 33 in the X direction and the length of the light shielding area 34 in the X direction, and also changes the length of the transmission area 33 in the X direction and the length of the light shielding area 34 in the X direction. Set the length in the direction to the desired length.
  • the length of the transmission region 33 in the light splitting element 30 in the X direction and the length of the light shielding region 34 in the X direction are determined according to the length of the element pixel EP of the display element 20 in the X direction.
  • the length of can be set optimally. Therefore, according to the second embodiment, the display quality of the aerial image 2 can be further improved.
  • the third embodiment is another configuration example of the display element 20.
  • a pixel array is configured by rotating the pixels PX by 90 degrees from FIG. 3 of the first embodiment.
  • FIG. 27 is a schematic plan view of a display element 20 according to a third embodiment of the present invention.
  • three rows of pixel arrays are shown with red, green, and blue hatching.
  • the configuration is the same for pixels other than the three rows.
  • the pixel PX is composed of, for example, a red sub-pixel R, a green sub-pixel G, and a blue sub-pixel B, which respectively correspond to the three primary colors of light, red (R), green (G), and blue (B).
  • Each of the red sub-pixel R, the green sub-pixel G, and the blue sub-pixel B has a rectangular shape whose longitudinal direction is the X direction.
  • the red sub-pixel R, the green sub-pixel G, and the blue sub-pixel B are arranged in a line in the Y direction.
  • the red sub-pixel R, the green sub-pixel G, and the blue sub-pixel B are configured in a square shape as a whole.
  • the direction in which the red sub-pixel R, green sub-pixel G, and blue sub-pixel B are lined up is the same as the direction in which the light shielding layer 32 of the light splitting element 30 extends.
  • the longitudinal direction (X direction) of each sub-pixel is perpendicular to the direction in which the light shielding layer 32 of the light splitting element 30 extends.
  • the other configurations are the same as the first embodiment.
  • the color resolution of element pixels can be further improved. Furthermore, the display quality of the aerial image 2 can be further improved.
  • a liquid crystal display element is used as an example of the display element 20, but the present invention is not limited to this, and various types of display elements can be used.
  • the display element 20 can be, for example, 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, 30... Light splitting element, 31... Transparent Member, 32... Light shielding layer, 33... Transmissive area, 34... Light blocking area, 40... Optical element, 41... Base material, 42... Optical element, 43... First reflective surface, 44... Second reflective surface, 50... Control unit , 50A...display processing section, 50B...information processing section, 50C...area setting section, 51...storage section, 52...input/output interface, 53...display section, 54...input section, 55...bus, 60...register.

Landscapes

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Abstract

空中表示装置は、表示素子（２０）と、光分割素子（３０）と、光学素子（４０）とを含む。表示素子（２０）は、画像を表示し、複数の第１要素画素及び複数の第２要素画素を有する。複数の第１要素画素は、第１方向に並び、それぞれが第１方向に直交する第２方向に延びる。複数の第２要素画素は、第１方向に並び、それぞれが第２方向に延びる。複数の第１要素画素及び複数の第２要素画素は、交互に配置される。光分割素子（３０）は、表示素子（２０）から出射された光を受けるように配置され、複数の第１要素画素から出射された光の一部を右斜め方向に出射し、複数の第２要素画素から出射された光の一部を左斜め方向に出射する。光学素子（４０）は、光分割素子３０から出射された光を受けるように配置され、光分割素子（３０）から出射された光を、光分割素子（３０）と反対側に反射し、空中に空中像を結像する。

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多数かつ帯状の平面光反射部を一定のピッチで並べて形成し、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、画像を表示し、複数の第１要素画素及び複数の第２要素画素を有し、前記複数の第１要素画素は、第１方向に並び、それぞれが前記第１方向に直交する第２方向に延び、前記複数の第２要素画素は、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延び、前記複数の第１要素画素及び前記複数の第２要素画素は、交互に配置される、表示素子と、前記表示素子から出射された光を受けるように配置され、前記複数の第１要素画素から出射された光の一部を右斜め方向に出射し、前記複数の第２要素画素から出射された光の一部を左斜め方向に出射する光分割素子と、前記光分割素子から出射された光を受けるように配置され、前記光分割素子から出射された光を、前記光分割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を具備す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、前記光分割素子は、複数の透過領域及び複数の遮光領域を有し、前記複数の透過領域は、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延び、前記複数の遮光領域は、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延び、前記複数の透過領域及び前記複数の遮光領域は、交互に配置される、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、前記光分割素子は、平面状の透明部材と、前記透明部材上に設けられた複数の遮光層とを含み、前記複数の遮光層は、前記第１方向に間隔を空けて並び、それぞれが前記第２方向に延びる、第２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、前記光分割素子は、表示装置で構成され、前記複数の透過領域に対応する複数の画素は、透過状態に設定され、前記複数の遮光領域に対応する複数の画素は、遮光状態に設定される、第２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、前記光分割素子は、前記複数の透過領域の幅を変化させ、前記複数の遮光領域の幅を変化させる、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、前記第１方向における前記第１要素画素及び前記第２要素画素の合計の長さは、前記第１方向における前記透過領域及び前記遮光領域の合計の長さと同じである、第２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、前記第１要素画素と前記第２要素画素との境界の位置は、前記透過領域の中心の位置と同じである、第２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、前記光学素子は、前記光分割素子から斜め方向に入射した光を、面内に直交する法線方向に反射する、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第９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、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延びる複数の光学要素とを含み、前記複数の光学要素の各々は、前記法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する第１反射面及び第２反射面を有する、第６態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第１０態様によると、前記表示素子は、前記複数の第１要素画素に第１画像を表示し、前記複数の第２要素画素に前記第１画像と異なる第２画像を表示する、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第１１態様によると、前記表示素子、前記光分割素子、及び前記光学素子は、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１２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ＸＺ面における側面図である。 図３は、図１に示した表示素子の模式的な平面図である。 図４は、図１に示した光分割素子の斜視図である。 図５は、光分割素子のパラメータを説明するＸＺ面の側面図である。 図６は、図１に示した光学素子の斜視図である。 図７は、空中表示装置のブロック図である。 図８は、表示素子及び光分割素子の動作を説明する図である。 図９は、表示素子及び光分割素子の配光特性を説明するグラフである。 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、光学素子における第１反射面及び第２反射面の角度条件を説明する図である。 図１４は、空中表示装置の光線追跡図である。 図１５は、空中表示装置の表示動作を説明する図である。 図１６は、空中表示装置が表示する空中像を説明する図である。 図１７は、表示素子の複数の要素画素ＥＰ_Ｌが表示する空中像を説明する図である。 図１８は、表示素子の複数の要素画素ＥＰ_Ｒが表示する空中像を説明する図である。 図１９は、表示素子の画面に表示される画像を説明する図である。 図２０は、光分割素子の製造方法を説明する断面図である。 図２１は、光分割素子の製造方法を説明する断面図である。 図２２は、光分割素子の製造方法を説明する断面図である。 図２３は、光分割素子の製造方法を説明する断面図である。 図２４は、本発明の第２実施形態に係る表示素子及び光分割素子の模式的な平面図である。 図２５は、表示素子及び光分割素子のＸＺ面の側面図である。 図２６は、空中表示装置のブロック図である。 図２７は、本発明の第３実施形態に係る表示素子の模式的な平面図である。
　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ＸＺ面における側面図である。図２の矢印は、大まかな光路を表している。
　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。「空中像を表示する」は、「空中像を結像する」と同じ意味である。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上面を意味する。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、光分割素子３０、及び光学素子４０を備える。照明素子１０、表示素子２０、光分割素子３０、及び光学素子４０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、光分割素子３０、及び光学素子４０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。
　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の底面から出射された照明光を、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部材（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、自身の表示面に所望の画像を表示する。
　光分割素子３０は、表示素子２０から出射された光を、第１空中像を表示するための第１光成分と、第２空中像を表示するための第２光成分とに分割する機能を有する。光分割素子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、底面側から面内に直交する法線方向に対して斜め方向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は、空中表示装置１の正面の空中に空中像２を結像する。光学素子４０の詳細な構成については後述する。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じ意味である。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。
　［１－１－１］　表示素子２０の構成
　図３は、図１に示した表示素子２０の模式的な平面図である。
　表示素子２０は、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の要素画素ＥＰを備える。複数の要素画素ＥＰの各々は、Ｙ方向に一列に並んだ複数の画素ＰＸを備える。各要素画素ＥＰは、Ｙ方向に並んだ２列以上の複数の画素ＰＸを単位として構成してもよい。
　複数の画素ＰＸの各々は、表示素子２０が表示する画像の色情報の最小単位である。画素ＰＸは、例えば、光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）にそれぞれ対応する赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂで構成される。図３では、３行分の画素アレイを赤、緑、及び青のハッチングで示している。３行分以外の画素についても同じ構成である。
　赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂの各々は、長手方向がＹ方向である長方形を有する。赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂは、Ｘ方向に並ぶように配置される。赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂは、全体として正方形に構成される。
　複数の要素画素ＥＰは、便宜上、交互に並んだ左側の要素画素ＥＰ_Ｌ及び右側の要素画素ＥＰ_Ｒとして定義される。要素画素ＥＰ_Ｌと要素画素ＥＰ_Ｒとの物理的な構造は同じである。要素画素ＥＰ_Ｌと要素画素ＥＰ_Ｒとを区別しない場合は、要素画素ＥＰと表記する。
　要素画素ＥＰの左右の関係は、光分割素子３０との位置関係で決まる内容であり、詳細は後述する。
　［１－１－２］　光分割素子３０の構成
　図４は、図１に示した光分割素子３０の斜視図である。光分割素子３０は、透明部材３１、及び複数の遮光層３２を備える。
　透明部材３１は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。透明部材３１は、透明材料で構成され、例えば、ガラス、又は透明な樹脂（アクリル樹脂を含む）で構成される。
　透明部材３１上には、複数の遮光層３２が設けられる。複数の遮光層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。複数の遮光層３２は、同じ幅を有し、所定の間隔を空けるようにして互いに等間隔で配置される。複数の遮光層３２は、光を遮光する機能を有する。遮光層３２は、例えば、クロム（Ｃｒ）、クロム化合物、若しくは黒色の染料又は顔料を含む樹脂で構成される。
　光分割素子３０は、複数の透過領域３３と、複数の遮光領域３４とを有する。複数の透過領域３３と複数の遮光領域３４とは、交互に配置される。透過領域３３は、遮光層３２が設けられていない領域であり、遮光領域３４は、遮光層３２が設けられている領域である。
　図５は、光分割素子３０のパラメータを説明するＸＺ面の側面図である。
　光分割素子３０は、表示素子２０上に設けられる。図５では、光分割素子３０が表示素子２０に接するように配置される場合を一例として示している。
　前述したように、表示素子２０は、交互に配置された複数の要素画素ＥＰ_Ｌ及び複数の要素画素ＥＰ_Ｒを備える。透過領域３３の中心線を基準にして、左側の要素画素がＥＰ_Ｌであり、右側の要素画素がＥＰ_Ｒである。要素画素ＥＰ_Ｌと要素画素ＥＰ_Ｒとの境界は、透過領域３３の中心線に設定される。要素画素ＥＰ_Ｌから出射される光を実線矢印で示し、要素画素ＥＰ_Ｒから出射される光を破線矢印で示している。
　表示素子２０の要素画素ＥＰと、光分割素子３０の透過領域３３及び遮光領域３４との長さの関係は、以下の式（１）で表される。
　Ｂｐ＝Ｂｄ＋Ｂｓ＝２Ｄｐ　　　・・・（１）
　　Ｄｐ：要素画素ＥＰのＸ方向の長さ
　　Ｂｓ：透過領域３３のＸ方向の長さ
　　Ｂｄ：遮光領域３４のＸ方向の長さ
　　Ｂｐ：透過領域３３と遮光領域３４との合計のＸ方向の長さ
　要素画素ＥＰのＸ方向の長さＤｐは、要素画素ＥＰのピッチともいう。透過領域３３と遮光領域３４との合計のＸ方向の長さＢｐは、光分割素子３０のピッチともいう。光分割素子３０のピッチは、同じ要素の繰り返し単位であり、換言すると、遮光領域３４を挟んで並んだ２個の透過領域３３の中心線間の距離である。
　式（１）から、要素画素ＥＰの長さＤｐが決まると、長さＢｐが算出される。光分割素子３０は、透過領域３３の中心線が要素画素ＥＰ_Ｌと要素画素ＥＰ_Ｒとの境界を通るように構成される。
　なお、Ｘ方向における透過領域３３と遮光領域３４との合計の長さは、Ｘ方向における要素画素ＥＰ_Ｌと要素画素ＥＰ_Ｒとの合計の長さと完全に一致していなくてもよく、これらの長さ関係は、製造上の誤差、及び合わせずれによる誤差を含む。
　要素画素ＥＰ及び光分割素子３０の光出射角は、以下の式（２）、（３）で表される。
　θ１＝ｓｉｎ－１（（ｎ２／ｎ１）＊ｓｉｎθ２）　　　・・・（２）
　θ１´＝ｓｉｎ－１（（ｎ２／ｎ１）＊ｓｉｎθ２´）　　　・・・（３）
　　θ１：要素画素ＥＰ_Ｌの中心から出射される光の出射角
　　θ１´：要素画素ＥＰ_Ｒの中心から出射される光の出射角
　　θ２：要素画素ＥＰ_Ｌからの光が光分割素子３０から出射される際の出射角
　　θ２´：要素画素ＥＰ_Ｒからの光が光分割素子３０から出射される際の出射角
　　ｎ１：光分割素子３０の透明部材３１の屈折率
　　ｎ２：光分割素子３０上の媒質の屈折率
　本実施形態では、屈折率ｎ２は、空気とし、その値を１とする。なお、要素画素ＥＰは、法線方向を中心として放射状に光を出射する。図５に示した矢印は、要素画素ＥＰから出射された光のうち表示に使用される光成分を模式的に示している。図５に示した矢印は、表示に使用される光成分の中心の光路を意味する。
　出射角θ２は、１０度以上４０度以下に設定される。出射角θ２´は、１０度以上４０度以下に設定される。式（２）、（３）から、出射角θ１、及び出射角θ１´の角度範囲が算出される。
　表示素子２０の上面から遮光層３２までの距離をＺｂとする。距離Ｚｂが短くなると、出射角θ２及び出射角θ２´が大きくなり、距離Ｚｂが長くなると、出射角θ２及び出射角θ２´が小さくなる。距離Ｚｂは、表示素子２０と光分割素子３０とを接するように配置した場合は、透明部材３１の厚さに対応し、表示素子２０と光分割素子３０とを間隔を空けて配置した場合は、透明部材３１の厚さと表示素子２０及び光分割素子３０の間隔との合計の距離に対応する。
　図５では、表示素子２０と光分割素子３０とが接している例を示しているが、表示素子２０と光分割素子３０とを間隔を空けて配置した場合は、光分割素子３０の底面での屈折角を考慮して、出射角θ１、及び出射角θ１´が設定される。
　［１－１－３］　光学素子４０の構成
　図６は、図１に示した光学素子４０の斜視図である。なお、図６には、光学素子４０の一部を拡大した拡大図も図示している。図６の拡大図は、ＸＺ面における側面図である。
　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、ＸＺ面において鋸歯状を有する。
　複数の光学要素４２の各々は、第１反射面４３及び第２反射面４４を有する。Ｙ方向から見て、左側の側面が第１反射面４３であり、右側の側面が第２反射面４４である。第１反射面４３は、要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光を、光学要素４２の内部で反射する面である。第２反射面４４は、要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光を、光学要素４２の内部で反射する面である。基材４１の法線方向に対する第１反射面４３の角度と第２反射面４４の角度は、例えば同じ角度に設定される。
　基材４１及び光学要素４２は、透明材料で構成される。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、ガラス、又は透明な樹脂（アクリル樹脂を含む）が用いられる。
　このように構成された光学素子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、素子面の正面の位置に、空中像２を結像する。
　光学要素４２のＸ方向の長さは任意に設定可能である。光学要素４２のＸ方向の長さを、光学素子４０のピッチともいう。光学素子４０のピッチを小さくすると、空中表示装置１の解像度（表示画像の緻密さ）が高くなり、光学素子４０のピッチを大きくすると、空中表示装置１の解像度が低くなる。
　［１－１－４］　空中表示装置１のブロック構成
　図７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５０、記憶部５１、入出力インターフェース（入出力ＩＦ）５２、表示部５３、及び入力部５４を備える。制御部５０、記憶部５１、及び入出力インターフェース５２は、バス５５を介して互いに接続される。
　入出力インターフェース５２は、表示部５３、及び入力部５４に接続される。入出力インターフェース５２は、表示部５３、及び入力部５４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５３は、照明素子１０、及び表示素子２０を備える。表示部５３は、画像を表示する。
　制御部５０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５０は、記憶部５１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５０は、表示処理部５０Ａ、及び情報処理部５０Ｂを備える。
　表示処理部５０Ａは、表示部５３（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５０Ａは、照明素子１０のオン及びオフを制御する。表示処理部５０Ａ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５０Ｂ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５０Ｂは、記憶部５１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５０Ｂ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５１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５１は、制御部５０が実行するプログラムを格納する。記憶部５１は、制御部５０の制御に必要な各種データを格納する。記憶部５１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５４は、タッチパネルやボタンなどを含み、ユーザが入力した情報を受け付ける。情報処理部５０Ｂは、入力部５４が受け付けた情報に基づいて、表示部５３に表示する画像を選択することが可能である。
　［１－２］　空中表示装置１の動作
　次に、上記のように構成された空中表示装置１の動作について説明する。
　図８は、表示素子２０及び光分割素子３０の動作を説明する図である。図８には、表示素子２０及び光分割素子３０の側面図と、表示素子２０の平面図とを示している。
　要素画素ＥＰ_Ｌから放射状に出射された光のうち右斜め方向に進む光成分は、透過領域３３における遮光層３２の隙間を通過する。要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光のうち法線方向およびそれより左斜め方向に進む光成分は、遮光層３２で遮光される。
　要素画素ＥＰ_Ｒから放射状に出射された光のうち左斜め方向に進む光成分は、透過領域３３における遮光層３２の隙間を通過する。要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光のうち法線方向およびそれより右斜め方向に進む光成分は、遮光層３２で遮光される。
　このように、光分割素子３０は、複数の要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光を右斜め方向に配向して出射し、複数の要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光を左斜め方向に配向して出射することができる。また、光分割素子３０は、複数の要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光と、複数の要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光とを分割することができる。
　図９は、表示素子２０及び光分割素子３０の配光特性を説明するグラフである。図９の横軸がＸ方向に沿って観察者が光分割素子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。角度０度は、光分割素子３０を法線方向（正面）から見た場合に対応する。図９の実線のグラフは、要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光を表しており、破線のグラフは、要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光を表している。
　図９から理解できるように、光分割素子３０は、光分割素子３０を見る角度に応じて、要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光と、要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光とを分割することができている。光分割素子３０は、要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光のうち、角度３０度付近をピークとする光成分を出射することができる。また、光分割素子３０は、要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光のうち、角度－３０度付近をピークとする光成分を出射することができる。
　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。
　図１０乃至図１２は、光分割素子３０の任意の点“ｏ”から出射した光の様子を示している。また、図１０乃至図１２は、光分割素子３０から右斜め方向に出射した光成分の一部（図８の実線矢印の光成分の一部）の様子を示している。光分割素子３０から左斜め方向に出射した光成分の動作は、光学素子４０の点“ｏ”を通るＹＺ面に対して図１０乃至図１２の光成分と面対称の光成分の動作に対応する。以下では、光分割素子３０から右斜め方向に出射した光成分の動作について説明する。
　光分割素子３０の任意の点“ｏ”から出射された光は、光学素子４０の第１反射面４３に入射し、第２反射面４４に到達する。第２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、第２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の第２反射面４４で全反射され、その光は空中で結像し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の第２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における第１反射面４３及び第２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）に対する第１反射面４３の角度をθ３、Ｚ方向に対する第２反射面４４の角度をθ４、第１反射面４３と第２反射面４４とのなす角度をθｐとする。角度をθｐは、以下の式（４）で表される。
　θｐ＝θ３＋θ４　　　・・・（４）
　光分割素子３０から角度θ２で出射された光は、第１反射面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。第１反射面４３における入射角をθ５、屈折角をθ６とする。第２反射面４４における入射角をθ７、反射角をθ８（＝θ７）とする。光学素子４０の上面における入射角をθ９、屈折角をθ１０とする。屈折角θ１０が出射角である。出射角θ１０は、以下の式（５）で表される。
　θ１０＝sin－１（ｎｐ＊sin（sin－１（（１／ｎｐ）＊sin(９０°－（θ２＋θ３）））＋θ３＋２θ４－９０°））　　　・・・（５）
　第２反射面４４における臨界角は、以下の式（６）で表される。
　臨界角＜θ７（＝θ８）
　臨界角＝sin－１（１／ｎｐ）　　　・・・（６）
　すなわち、第２反射面４４における入射角θ７は、第２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、第２反射面４４の角度θ４は、第２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、第１反射面４３に入射した光は、第１反射面４３で全反射されないように設定される。すなわち、第１反射面４３の角度θ３は、第１反射面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、光学素子４０の屈折率、光学素子４０の第１反射面４３の角度、光学素子４０の第２反射面４４の角度を最適に設定することで調整が可能である。
　図１４は、空中表示装置１の光線追跡図である。
　表示素子２０の表示面における任意の点“ｏ´”から、法線方向を中心として放射状に光が出射される。光分割素子３０は、表示素子２０から入射した光を分割し、角度θ２を中心とした角度範囲の光成分を出射する。図１４から理解できるように、光分割素子３０からは、法線方向より右側に傾いた方向の光成分が出射している。
　光分割素子３０から光学素子４０に斜めに入射した光は、光学素子４０によって正面方向に反射される。そして、光学素子４０によって反射された光は、点“ｏ´´”で結像する。点“ｏ´´”の位置は、空中像２が表示される位置である。
　（空中表示装置１のより詳細な表示動作）
　次に、空中表示装置１のより詳細な表示動作について説明する。
　図１５は、空中表示装置１の表示動作を説明する図である。図１５では、光学素子４０のピッチが光分割素子３０のピッチと同じである場合を一例として示している。図１５の例では、光学素子４０における光学要素４２の頂点の位置は、光分割素子３０における透過領域３３の中心の位置と同じである。
　表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｌから放射状に出射された光の一部は、光分割素子３０から右斜め方向に出射する。表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光は、実線矢印で示している。光分割素子３０から右斜め方向に出射した光は、光学素子４０の第１反射面４３に入射し、第２反射面４４で反射される。光学素子４０の第２反射面４４で反射された光は、光学素子４０の上面からおおよそ法線方向に出射され、空中像を生成する。
　表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｒから放射状に出射された光の一部は、光分割素子３０から左斜め方向に出射する。表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光は、破線矢印で示している。光分割素子３０から左斜め方向に出射した光は、光学素子４０の第２反射面４４に入射し、第１反射面４３で反射される。光学素子４０の第１反射面４３で反射された光は、光学素子４０の上面からおおよそ法線方向に出射され、空中像を生成する。
　空中表示装置１をＺ方向から見た場合において、３つの領域ＤＡ１～ＤＡ３を定義する。領域ＤＡ１は、Ｘ方向において中央の領域であり、要素画素ＥＰ_Ｌからの光と要素画素ＥＰ_Ｒからの光とが重なる領域である。領域ＤＡ２は、Ｘ方向において右側の領域であり、要素画素ＥＰ_Ｌからの光のみが出射する領域である。領域ＤＡ３は、Ｘ方向において左側の領域であり、要素画素ＥＰ_Ｒからの光のみが出射する領域である。
　図１６は、空中表示装置１が表示する空中像２を説明する図である。空中像２として、“１”～“９”、“／”、“＊”、“－”、“＋”の表示ボタンを一例として示している。空中像２は、領域ＤＡ１～ＤＡ３に表示される。“２”、“４”、“９”の表示ボタンは、赤である。“１”、“６”、“８”の表示ボタンは、緑である。“３”、“５”、“７”の表示ボタンは、青である。“／”、“＊”、“－”、“＋”の表示ボタンは、グレーである。図１６のボタンの色は、色ハッチングを用いて区別している。
　図１７は、表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｌが表示する空中像を説明する図である。図１８は、表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｒが表示する空中像を説明する図である。
　表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｌは、“２”、“３”、“５”、“６”、“８”、“９”、“／”、“＊”、“－”、“＋”の表示ボタンを表示する。“２”、“３”、“５”、“６”、“８”、“９”、“／”、“＊”、“－”、“＋”の表示ボタンは、領域ＤＡ１、ＤＡ２に表示される。表示素子２０の複数の要素画素ＥＰ_Ｒは、“１”、“４”、“７”の表示ボタンを表示する。“１”、“４”、“７”の表示ボタンは、領域ＤＡ１、ＤＡ３に表示される。
　図１７に示した複数の要素画素ＥＰ_Ｌが表示する空中像と、図１８に示した複数の要素画素ＥＰ_Ｒが表示する空中像とが重なることで、図１６に示した空中像が表示される。
　図１９は、表示素子２０の画面に表示される画像を説明する図である。複数の要素画素ＥＰ_Ｌは、“２”、“３”、“５”、“６”、“８”、“９”、“／”、“＊”、“－”、“＋”の表示ボタンを表示する。複数の要素画素ＥＰ_Ｒは、“１”、“４”、“７”の表示ボタンを表示する。表示素子２０の左側の領域では、“２”、“５”、“８”の表示ボタンと、“１”、“４”、“７”の表示ボタンとが重なるように表示される。図１９では、便宜上、“１”、“４”、“７”の表示ボタンは、破線で示している。図１９の画像の光が光分割素子３０によって分割されることで、図１６の空中像が空中に表示される。
　［１－３］　光分割素子３０の製造方法
　次に、光分割素子３０の製造方法について説明する。図２０乃至図２３は、光分割素子３０の製造方法を説明する断面図である。
　図２０に示すように、光分割素子３０用の透明部材３１を準備する。透明部材３１は、透明材料で構成され、例えば、ガラス、又は透明な樹脂（アクリル樹脂を含む）で構成される。
　続いて、透明部材３１上に、遮光層３２を成膜する。遮光層３２は、クロム（Ｃｒ）、クロム化合物、若しくは黒色の染料又は顔料を含む樹脂で構成される。
　続いて、図２１に示すように、遮光層３２上に、感光性樹脂（レジスト）６０を成膜する。続いて、レジスト６０を露光及び現像する。レジスト６０としてポジ型レジストを用いた場合、露光により感光した部分が現像で除去される。
　続いて、図２２に示すように、レジスト６０をマスクとして、遮光層３２をエッチングする。
　続いて、図２３に示すように、レジスト６０を除去する。以上の製造工程により、透明部材３１及び遮光層３２を備えた光分割素子３０が製造される。
　［１－５］　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４０で反射させることで、空中に空中像２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２を表示することができる。また、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、表示素子２０は、交互に配置された複数の要素画素ＥＰ_Ｌ及び複数の要素画素ＥＰ_Ｒを備える。光分割素子３０は、複数の要素画素ＥＰ_Ｌから出射された光の一部を右斜め方向に出射し、複数の要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光の一部を左斜め方向に出射する。これにより、Ｘ方向において、表示素子２０の長さより長い空中像２を表示することができる。結果として、表示素子２０のサイズより大きい空中像２を表示することができる。
　また、複数の要素画素ＥＰ_Ｌ及び複数の要素画素ＥＰ_Ｒから出射された光のうち空中像２の表示に寄与しない光成分を、光分割素子３０の遮光層３２で遮光することができる。これにより、空中像２の表示品質をより向上させることができる。
　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２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２を常に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において、より広い視野角を実現できる。
　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、光分割素子３０の透過領域３３と遮光領域３４との長さを可変するようにしている。
　図２４は、本発明の第２実施形態に係る表示素子２０及び光分割素子３０の模式的な平面図である。図２５は、表示素子２０及び光分割素子３０のＸＺ面の側面図である。
　表示素子２０の構成は、第１実施形態と同じである。表示素子２０は、Ｘ方向に沿って交互に配置された複数の要素画素ＥＰ_Ｌと複数の要素画素ＥＰ_Ｒとを備える。図２５の要素画素の上の領域には、透明基板、及び偏光板などの透明部材が配置される。
　光分割素子３０は、電気的に透過状態及び遮光状態に設定可能な光変調素子で構成される。光分割素子３０は、白黒表示が可能な透過型液晶表示装置、又はエレクトロクロッミック表示装置などで構成される。液晶表示装置は、パッシブマトリクス方式でもよいし、アクティブマトリクス方式でもよい。液晶表示装置において、白表示が透過状態に対応し、黒表示が遮光状態に対応する。エレクトロクロッミック表示装置は、エレクトロクロミック材料を電気化学的に酸化還元することで光透過率を変化させることが可能な表示装置である。
　光分割素子３０は、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の要素画素を備える。複数の要素画素の各々は、電気的に透過状態及び遮光状態に設定可能である。また、光分割素子３０は、Ｘ方向に沿って交互に配置された複数の透過領域３３と複数の遮光領域３４とを備える。複数の透過領域３３の各々は、Ｙ方向に延びる。透過領域３３は、１個又は複数の要素画素で構成される。複数の遮光領域３４の各々は、Ｙ方向に延びる。遮光領域３４は、１個又は複数の要素画素で構成される。光分割素子３０の要素画素のＸ方向の長さは、表示素子２０の要素画素ＥＰのＸ方向の長さより短く設定される。
　図２６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、図７の構成に加えて、電気的に制御可能な光分割素子３０をさらに備える。制御部５０は、図７の構成に加えて、領域設定部５０Ｃをさらに備える。
　光分割素子３０は、入出力インターフェース５２に接続される。入出力インターフェース５２は、光分割素子３０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。
　領域設定部５０Ｃは、光分割素子３０の動作を制御する。領域設定部５０Ｃは、光分割素子３０に含まれる複数の要素画素のそれぞれに対して、透過状態及び遮光状態のいずれかに設定する。そして、領域設定部５０Ｃは、光分割素子３０における透過領域３３のＸ方向の長さと遮光領域３４のＸ方向の長さとを変化させるとともに、透過領域３３のＸ方向の長さと遮光領域３４のＸ方向の長さとを所望の長さに設定する。
　上記のように構成された空中表示装置１において、表示素子２０の要素画素ＥＰのＸ方向の長さに応じて、光分割素子３０における透過領域３３のＸ方向の長さと遮光領域３４のＸ方向の長さとを最適に設定できる。従って、第２実施形態によれば、空中像２の表示品質をより向上させることができる。
　［３］　第３実施形態
　第３実施形態は、表示素子２０の他の構成例である。第３実施形態は、第１実施形態の図３から画素ＰＸを９０度回転させて画素アレイを構成するようにしている。
　図２７は、本発明の第３実施形態に係る表示素子２０の模式的な平面図である。図２７では、３行分の画素アレイを赤、緑、及び青のハッチングで示している。３行分以外の画素についても同じ構成である。
　画素ＰＸは、例えば、光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び青（Ｂ）にそれぞれ対応する赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂで構成される。赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂの各々は、長手方向がＸ方向である長方形を有する。赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂは、Ｙ方向に並ぶように配置される。赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂは、全体として正方形に構成される。
　赤サブ画素Ｒ、緑サブ画素Ｇ、及び青サブ画素Ｂが並ぶ方向（Ｙ方向）は、光分割素子３０の遮光層３２の延びる方向と同じである。換言すると、各サブ画素の長手方向（Ｘ方法）は、光分割素子３０の遮光層３２の延びる方向と直交する。その他の構成は、第１実施形態と同じである。
　第３実施形態によれば、要素画素の色分解能をより向上させることができる。また、空中像２の表示品質をより向上させることができる。
　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く、様々な種類の表示素子を用いることが可能である。表示素子２０は、例えば、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が可能である。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…光分割素子、３１…透明部材、３２…遮光層、３３…透過領域、３４…遮光領域、４０…光学素子、４１…基材、４２…光学要素、４３…第１反射面、４４…第２反射面、５０…制御部、５０Ａ…表示処理部、５０Ｂ…情報処理部、５０Ｃ…領域設定部、５１…記憶部、５２…入出力インターフェース、５３…表示部、５４…入力部、５５…バス、６０…レジスト。

Claims (12)

  1. 　画像を表示し、複数の第１要素画素及び複数の第２要素画素を有し、前記複数の第１要素画素は、第１方向に並び、それぞれが前記第１方向に直交する第２方向に延び、前記複数の第２要素画素は、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延び、前記複数の第１要素画素及び前記複数の第２要素画素は、交互に配置される、表示素子と、
    　前記表示素子から出射された光を受けるように配置され、前記複数の第１要素画素から出射された光の一部を右斜め方向に出射し、前記複数の第２要素画素から出射された光の一部を左斜め方向に出射する光分割素子と、
    　前記光分割素子から出射された光を受けるように配置され、前記光分割素子から出射された光を、前記光分割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、
    　を具備する空中表示装置。
  2. 　前記光分割素子は、複数の透過領域及び複数の遮光領域を有し、
    　前記複数の透過領域は、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延び、
    　前記複数の遮光領域は、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延び、
    　前記複数の透過領域及び前記複数の遮光領域は、交互に配置される
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  3. 　前記光分割素子は、平面状の透明部材と、前記透明部材上に設けられた複数の遮光層とを含み、
    　前記複数の遮光層は、前記第１方向に間隔を空けて並び、それぞれが前記第２方向に延びる
    　請求項２に記載の空中表示装置。
  4. 　前記光分割素子は、表示装置で構成され、
    　前記複数の透過領域に対応する複数の画素は、透過状態に設定され、
    　前記複数の遮光領域に対応する複数の画素は、遮光状態に設定される
    　請求項２に記載の空中表示装置。
  5. 　前記光分割素子は、前記複数の透過領域の幅を変化させ、前記複数の遮光領域の幅を変化させる
    　請求項４に記載の空中表示装置。
  6. 　前記第１方向における前記第１要素画素及び前記第２要素画素の合計の長さは、前記第１方向における前記透過領域及び前記遮光領域の合計の長さと同じである
    　請求項２に記載の空中表示装置。
  7. 　前記第１要素画素と前記第２要素画素との境界の位置は、前記透過領域の中心の位置と同じである
    　請求項２に記載の空中表示装置。
  8. 　前記光学素子は、前記光分割素子から斜め方向に入射した光を、面内に直交する法線方向に反射する
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  9. 　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、前記第１方向に並び、それぞれが前記第２方向に延びる複数の光学要素とを含み、
    　前記複数の光学要素の各々は、前記法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する第１反射面及び第２反射面を有する
    　請求項８に記載の空中表示装置。
  10. 　前記表示素子は、前記複数の第１要素画素に第１画像を表示し、前記複数の第２要素画素に前記第１画像と異なる第２画像を表示する
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  11. 　前記表示素子、前記光分割素子、及び前記光学素子は、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。
  12. 　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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