JP2024047999A - 空中表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 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。
【解決手段】 空中表示装置は、画像を表示する表示素子２０と、表示素子２０からの光を受けるように配置され、表示素子２０からの光を、表示素子２０と反対側に反射し、空中に空中像を結像する光学素子５０と、光学素子５０の周囲を囲むように構成され、光学素子５０を固定する筐体６０とを含む。光学素子５０と対向して配置される素子の面積は、光学素子５０の面積より大きい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空中表示装置に関する。

画像や動画などを空中像として表示可能な空中表示装置が研究され、新しいヒューマン・マシン・インターフェースとして期待されている。空中表示装置は、例えば、２面コーナーリフレクタがアレイ状に配列された２面コーナーリフレクタアレイを備え、表示素子の表示面から出射される光を反射し、空中に実像を結像する。２面コーナーリフレクタアレイによる表示方法は、収差が無く、面対称位置に実像（空中像）を表示することができる。

特許文献１は、透明平板の表面から突出した透明な四角柱を２面コーナーリフレクタとして使用し、複数の四角柱を平面上にアレイ状に配置した光学素子を開示している。また、特許文献２は、第１及び第２光制御パネルの各々を、透明平板の内部に垂直に複数の平面光反射部を並べて形成し、第１及び第２光制御パネルを、互いの平面光反射部が直交するように配置した光学素子を開示している。特許文献１、２の光学素子は、表示素子から出射された光を直交する反射面で２回反射させ、空中像を生成している。

特許文献１、２の光学素子を利用した表示装置は、光学素子の斜方向から観察することで空中像を認識できるものであり、光学素子の法線方向からの観察では良好な空中像を認識することは難しい。

特開２０１１－１９１４０４号公報 特開２０１１－１７５２９７号公報

本発明は、表示品質を向上させることが可能な空中表示装置を提供する。

本発明の第１態様によると、画像を表示する表示素子と、前記表示素子からの光を受けるように配置され、前記表示素子からの光を、前記表示素子と反対側に反射し、空中に空中像を結像する光学素子と、前記光学素子の周囲を囲むように構成され、前記光学素子を固定する筐体とを具備し、前記光学素子と対向して配置される素子の面積は、前記光学素子の面積より大きい、空中表示装置が提供される。

本発明の第２態様によると、前記表示素子と前記光学素子との間に配置され、前記表示素子からの光のうち斜め方向の光成分を透過する配向制御素子をさらに具備し、前記配向制御素子の面積は、前記光学素子の面積より大きい、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、前記配向制御素子の外周は、前記筐体まで延びる、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、前記配向制御素子の底面に設けられ、前記表示素子からの光を通過する開口部を有し、光を吸収する光吸収層をさらに具備する、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、前記光吸収層の外周は、前記配向制御素子の外周まで延びる、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、前記配向制御素子は、交互に配置された複数の透明部材及び複数の遮光部材を含み、前記複数の遮光部材は、前記配向制御素子の法線方向に対して傾いている、第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、前記配向制御素子の上面に設けられた反射防止層をさらに具備する、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、前記表示素子と前記光学素子との間に配置され、透明な支持部材をさらに具備し、前記支持部材の面積は、前記光学素子の面積より大きい、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、前記支持部材の外周は、前記筐体まで延びる、第８態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第１０態様によると、前記支持部材の底面に設けられ、前記表示素子からの光を通過する開口部を有し、光を吸収する光吸収層をさらに具備する、第８態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第１１態様によると、前記光吸収層の外周は、前記支持部材の外周まで延びる、第１０態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第１２態様によると、前記支持部材の上面に設けられた反射防止層をさらに具備する、第８態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第１３態様によると、前記光学素子は、平面状の基材と、前記基材の下に設けられ、それぞれが第１方向に延び、前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の光学要素とを含み、前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射面及び反射面を有する、第１態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第１４態様によると、前記表示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分解図である。 図２は、図１に示した空中表示装置の平面図である。 図３は、図２のＡ－Ａ´線に沿った空中表示装置の断面図である。 図４は、空中表示装置の光路を説明する模式的な側面図である。 図５Ａは、図１に示した配向制御素子の平面図である。 図５Ｂは、図５ＡのＢ－Ｂ´線に沿った配向制御素子の断面図である。 図６は、配向制御素子の面積を説明する模式的な断面図である。 図７は、図１に示した光学素子の斜視図である。 図８は、空中表示装置のブロック図である。 図９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１０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１１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１２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１３は、空中表示装置に入射する外光の様子を説明する図である。 図１４は、変形例に係る空中表示装置１の断面図である。 図１５は、比較例に係る空中表示装置の分解図である。 図１６は、比較例に係る空中表示装置のＸ方向に沿った部分断面図である。 図１７は、空中表示装置に入射する外光の様子を説明する図である。 図１８は、表示素子像と空中像とを説明する図である。 図１９は、本発明の第２実施形態に係る空中表示装置のＸ方向に沿った断面図である。 図２０は、空中表示装置の内部で反射される光の様子を説明する図である。 図２１は、本発明の第３実施形態に係る空中表示装置の分解図である。 図２２は、図２１に示した空中表示装置のＸ方向に沿った断面図である。 図２３は、空中表示装置に入射する外光の様子を説明する図である。 図２４は、変形例に係る空中表示装置１の断面図である。

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の分解図である。図１において、Ｘ方向は、空中表示装置１のある１辺に沿った方向であり、Ｙ方向は、水平面内においてＸ方向に直交する方向であり、Ｚ方向は、ＸＹ面に直交する方向（法線方向ともいう）である。図２は、図１に示した空中表示装置１の平面図である。図３は、図２のＡ－Ａ´線に沿った空中表示装置１の断面図である。図４は、空中表示装置１の光路を説明する模式的な側面図である。

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、光吸収層３０、配向制御素子４０、光学素子５０、及び筐体６０を備える。照明素子１０、表示素子２０、光吸収層３０、配向制御素子４０、及び光学素子５０は、この順にＺ方向に沿って配置され、互いに平行に配置される。照明素子１０、表示素子２０、及び配向制御素子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。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θ_１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、その表示面に所望の画像を表示する。

光吸収層３０は、光を吸収するとともに、光を遮光する機能を有する。光吸収層３０は、四角形の開口部３１を有する。開口部３１は、表示素子２０の表示面とほぼ同じ面積を有し、表示素子２０の表示面を露出する。光吸収層３０の外周は、配向制御素子４０の外周まで延びる。光吸収層３０は、例えば、黒の染料又は顔料が混入された樹脂で構成される。光吸収層３０は、フィルム状に形成され、配向制御素子４０の底面に、透明な接着剤を用いて接着される。光吸収層３０は、表示素子２０の外周部分に透明な接着剤を用いて接着される。光吸収層３０は、黒の塗料で構成され、この黒の塗料を配向制御素子４０の底面に塗布して形成してもよい。

配向制御素子４０は、不要光を低減する機能を有する。不要光とは、空中像を生成するのに寄与しない光成分であり、法線方向に光学素子５０を透過する光成分を含む。配向制御素子４０は、法線方向に対して角度θ_１の斜め方向を中心として所定の角度範囲の光成分を透過するとともに、上記角度範囲以外の光成分を遮光するように構成される。配向制御素子４０の詳細な構成については後述する。

配向制御素子４０の面積は、表示素子２０の面積より大きい。配向制御素子４０のＸ方向の長さは、表示素子２０のＸ方向の長さより長い。図３において、配向制御素子４０の右側の端は、表示素子２０の右側の端より右側に位置し、配向制御素子４０の左側の端は、表示素子２０の左側の端より左側に位置する。配向制御素子４０のＹ方向の長さは、表示素子２０のＹ方向の長さより長い。

光学素子５０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５０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５０の詳細な構成については後述する。

光学素子５０の面積は、表示素子２０の面積より大きく、配向制御素子４０の面積より小さい。光学素子５０のＸ方向の長さは、表示素子２０のＸ方向の長さより長く、配向制御素子４０のＸ方向の長さより短い。図３において、光学素子５０の右側の端は、表示素子２０の右側の端と配向制御素子４０の右側の端との間に位置し、光学素子５０の左側の端は、表示素子２０の左側の端と配向制御素子４０の左側の端との間に位置する。光学素子５０のＹ方向の長さは、表示素子２０のＹ方向の長さより長く、配向制御素子４０のＹ方向の長さより短い。

光学素子５０は、空中に空中像２を結像する。空中像２は、光学素子５０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５０が面内方向に広がる仮想的な平面を言う。素子面は、面内と同じ意味である。その他の素子の素子面についても同様の意味である。光学素子５０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。

筐体６０は、四角形の枠形状を有し、４個の側板を備える。筐体６０の側板は、断面形状が逆Ｌ字形を有する。筐体６０の上部には、四角形の開口部６１が設けられるとともに、開口部６１の周囲に沿って段差が設けられる。光学素子５０は、筐体６０の上部の段差に載置されるとともに、開口部６１に嵌め込まれる。筐体６０と光学素子５０とは、透明な接着剤で接着される。

筐体６０の下部の開口部の面積は、配向制御素子４０の面積と同じに設定される。筐体６０の下部の開口部には、配向制御素子４０が嵌め込まれる。筐体６０と配向制御素子４０とは、透明な接着剤で接着される。

筐体６０は、光の反射を低減可能な材料で構成することが望ましい。筐体６０は、例えば、黒色の樹脂で構成される。筐体６０は、例えば、その内側の面が粗面処理される。粗面処理された面は、光の反射を低減することが可能である。

なお、筐体６０の底部の構成については任意の構成を用いることが可能である。筐体６０は、照明素子１０、表示素子２０、光吸収層３０、配向制御素子４０、及び光学素子５０を収容可能な箱形状で構成してもよく、すなわち、照明素子１０の下部に配置された底板を有する箱で構成してもよい。

［１－１－１］ 配向制御素子４０の構成
図５Ａは、図１に示した配向制御素子４０の平面図である。図５Ｂは、図５ＡのＢ－Ｂ´線に沿った配向制御素子４０の断面図である。

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は、光を透過する。

基材４１上には、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の透明部材４３が設けられる。また、基材４１上には、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の遮光部材４４が設けられる。複数の透明部材４３と複数の遮光部材４４とは、隣接するもの同士が接するようにして交互に配置される。

複数の透明部材４３及び複数の遮光部材４４上には、基材４２が設けられる。基材４２は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。基材４２は、光を透過する。

透明部材４３は、ＸＺ面において、基材４１の法線方向に対して角度θ_１の斜め方向に延びる。透明部材４３は、ＸＺ面において、側面が角度θ_１だけ傾いた平行四辺形である。透明部材４３は、光を透過する。

遮光部材４４は、ＸＺ面において、基材４１の法線方向に対して角度θ_１の斜め方向に延びる。遮光部材４４は、ＸＺ面において、側面が角度θ_１だけ傾いた平行四辺形である。遮光部材４４は、光を遮光する。遮光部材４４の厚みは、透明部材４３の厚みより薄く設定される。

隣接する２個の遮光部材４４は、Ｚ方向において互いの端部が若干重なるように配置される。

基材４１、４２、及び透明部材４３としては、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。遮光部材４４としては、例えば、黒の染料又は顔料が混入された樹脂が用いられる。

なお、基材４１、４２の一方又は両方を省略して、配向制御素子４０を構成してもよい。複数の透明部材４３と複数の遮光部材４４とが交互に配置されていれば、配向制御素子４０の機能を実現できる。

このように構成された配向制御素子４０は、法線方向に対して角度θ_１の斜め方向の光強度がピークになるように、表示光を透過することができる。例えば、配向制御素子４０は、法線方向に対して３０°±３０°の範囲以外の光成分を遮光するように構成される。望ましくは、配向制御素子４０は、法線方向に対して３０°±２０°の範囲以外の光成分を遮光するように構成される。

図６は、配向制御素子４０の面積を説明する模式的な断面図である。本実施形態では、光学素子５０と向き合う素子である配向制御素子４０は、少なくともＸ方向における長さが、光学素子５０のＸ方向の長さより長く設定される。

図６における点“ｏ´”は、配向制御素子４０から出射する光の任意の位置である。図６における点“ｏ´´”は、光学素子５０から出射された光が結像する位置であり、空中像２が形成される位置である。点“ｏ´”から延びる矢印は、主光線を意味する。主光線とは、放射状に拡がる光成分の中心を通る光線である。

配向制御素子４０のＸ方向における長さＩは、以下の式（１）で表される。
Ｉ≦ｘ＋２＊ｘ´＝ｘ＋２＊ｙ´＊ｔａｎθ_ｅ ・・・（１）
ｘ´＝ｙ´＊ｔａｎθ_ｅ
ｘ：筐体６０の開口部６１のＸ方向における長さ
ｙ：光学素子５０から空中像２までの距離
ｘ´：光学素子５０から筐体６０のＸ方向における端部までの距離
ｙ´：光学素子５０から配向制御素子４０までの距離
θ_ｅ：主光線の出射角（配向制御素子４０の垂線と主光線とのなす角度）

開口部６１のＸ方向における長さｘは、空中表示装置１に求められる仕様に基づいて設計される設計値である。光学素子５０から空中像２までの距離ｙは、空中表示装置１に求められる仕様に基づいて設計される設計値である。光学素子５０から配向制御素子４０までの距離ｙ´は、距離ｙに基づいて最適に設計される設計値である。

配向制御素子４０のＸ方向における長さＩを長くするほど、筐体６０のサイズが大きくなる。よって、筐体６０のサイズを小さくする観点では、“Ｉ＝ｘ＋２＊ｘ´”が最も望ましい。

また、配向制御素子４０は、Ｙ方向における長さが、光学素子５０のＹ方向の長さより長く設定される。

［１－１－２］ 光学素子５０の構成
図７は、図１に示した光学素子５０の斜視図である。図７には、光学素子５０の一部を拡大した拡大図も図示している。図７の拡大図は、ＸＺ面における側面図である。

光学素子５０は、基材５１、及び複数の光学要素５２を備える。基材５１は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。

基材５１の底面には、複数の光学要素５２が設けられる。複数の光学要素５２の各々は、三角柱で構成される。光学要素５２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５１に接する。複数の光学要素５２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５２は、ＸＺ面において鋸歯状を有する。

複数の光学要素５２の各々は、入射面５３及び反射面５４を有する。Ｙ方向から見て、左側の側面が入射面５３であり、右側の側面が反射面５４である。入射面５３は、表示素子２０からの光が入射する面である。反射面５４は、入射面５３に外部から入射した光を、光学要素５２の内部で反射する面である。入射面５３と反射面５４とは、角度θ_ｐを有する。

基材５１及び光学要素５２は、透明材料で構成される。光学要素５２は、例えば、基材５１と同じ透明材料によって基材５１と一体的に形成される。基材５１と光学要素５２とを個別に形成し、透明な接着剤を用いて基材５１に光学要素５２を接着してもよい。基材５１及び光学要素５２を構成する透明材料としては、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５０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５０は、素子面の正面の位置に、空中像を結像する。

［１－１－３］ 空中表示装置１のブロック構成
図８は、空中表示装置１のブロック図である。空中表示装置１は、制御部７０、記憶部７１、入出力インターフェース（入出力ＩＦ）７２、表示部７３、及び入力部７４を備える。制御部７０、記憶部７１、及び入出力インターフェース７２は、バス７５を介して互いに接続される。

入出力インターフェース７２は、表示部７３、及び入力部７４に接続される。入出力インターフェース７２は、表示部７３、及び入力部７４のそれぞれに対して、所定の規格に応じたインターフェース処理を行う。

表示部７３は、照明素子１０、及び表示素子２０を備える。表示部７３は、画像を表示する。

制御部７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の１つ以上のプロセッサにより構成される。制御部７０は、記憶部７１に格納されたプログラムを実行することで各種機能を実現する。制御部７０は、表示処理部７０Ａ、及び情報処理部７０Ｂを備える。

表示処理部７０Ａは、表示部７３（具体的には、照明素子１０、及び表示素子２０）の動作を制御する。表示処理部７０Ａは、照明素子１０のオン及びオフを制御する。表示処理部７０Ａは、表示素子２０に画像信号を送信し、表示素子２０に画像を表示させる。

情報処理部７０Ｂは、空中表示装置１が表示する画像を生成する。情報処理部７０Ｂは、記憶部７１に格納された画像データを用いることが可能である。情報処理部７０Ｂは、図示せぬ通信機能を用いて外部から画像データを取得してもよい。

記憶部７１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、及びＳＳＤ（Solid State Drive）等の不揮発性記憶装置と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びレジスタ等の揮発性記憶装置とを含む。記憶部７１は、制御部７０が実行するプログラムを格納する。記憶部７１は、制御部７０の制御に必要な各種データを格納する。さらに、記憶部７１は、空中表示装置１が表示する画像のデータを格納する。

入力部７４は、例えば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７０Ｂは、入力部７４が受け付けた情報に基づいて、表示部７３に表示する画像を選択することが可能である。

［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。

［１－２－１］ 表示動作
図４の矢印は、光路を示している。図４に示すように、表示素子２０の任意の点“ｏ”から出射された光は、配向制御素子４０に入射する。表示素子２０から出射された光のうち角度θ_１の光成分（角度θ_１を中心とした所定の角度範囲の光成分を含む）は、配向制御素子４０を透過する。配向制御素子４０を透過した光は、光学素子５０に入射する。光学素子５０は、入射光を、配向制御素子４０と反対側の空中に結像し、空中に空中像２を表示する。

図９は、光学素子５０における光の反射の様子を説明する斜視図である。図１０は、光学素子５０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１０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５０を見た図である。図１１は、光学素子５０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１１は、観察者３の両目がＹ方向に平行な状態で光学素子５０を見た図である。

配向制御素子４０の任意の点“ｏ´”から出射された光は、光学素子５０の入射面５３に入射し、反射面５４に到達する。反射面５４の法線方向に対して臨界角よりも大きい角度で反射面５４に到達した光は、反射面５４で全反射され、光学素子５０の光学要素５２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１０のＸＺ面では、点“ｏ´”から出射された光は、光学要素５２の反射面５４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１１のＹＺ面では、点“ｏ´”から出射された光は、光学要素５２の反射面５４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１２は、光学素子５０における入射面５３及び反射面５４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５３の角度をθ_２、Ｚ方向に対する反射面５４の角度をθ_３、入射面５３と反射面５４とのなす角度をθ_ｐとする。角度をθ_ｐは、以下の式（２）で表される。
θ_ｐ＝θ_２＋θ_３ ・・・（２）

配向制御素子４０から角度θ_１で出射された光は、入射面５３に入射する。光学素子５０の材料の屈折率をｎ_ｐ、空気の屈折率を１とする。入射面５３における入射角をθ_４、屈折角をθ_５とする。反射面５４における入射角をθ_６、反射角をθ_７（＝θ_６）とする。光学素子５０の上面における入射角をθ_８、屈折角をθ_９とする。屈折角θ_９が出射角である。出射角θ_９は、以下の式（３）で表される。
θ_９＝sin^－１（ｎ_ｐ＊sin（sin^－１（（１／ｎ_ｐ）＊sin(９０°－（θ_１＋θ_２）））＋θ₂＋２θ_３－９０°）） ・・・（３）

反射面５４における臨界角は、以下の式（４）で表される。
臨界角＜θ_６（＝θ_７）
臨界角＝sin^－１（１／ｎ_ｐ） ・・・（４）

すなわち、反射面５４における入射角θ_６は、反射面５４における臨界角より大きく設定される。換言すると、反射面５４の角度θ_３は、反射面５４に入射する光の入射角が臨界角より大きくなるように設定される。

また、入射面５３に入射した光は、入射面５３で全反射されないように設定される。すなわち、入射面５３の角度θ_２は、入射面５３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５０の素子面と空中像２の面との角度、及び光学素子５０の素子面と空中像２の面との距離は、光学素子５０に入射する光の角度θ_１、光学素子５０の屈折率、光学素子５０の入射面５３の角度θ_２、光学素子５０の反射面５４の角度θ_３を最適に設定することで調整が可能である。

［１－２－２］ 外光の影響について
次に、空中表示装置１に入射する外光の影響について説明する。空中表示装置１には、外光が入射する。外光は、空中表示装置１の外部から空中表示装置１に入射する光である。外光は、太陽光、及び屋内の照明器具の光を含む。外光は、偏光していない自然光である。

図１３は、空中表示装置１に入射する外光の様子を説明する図である。

平面視において空中表示装置１のうち表示素子２０が占める領域（配向制御素子４０の図１３の点“Ａ”の領域を含む）に入射した外光は、光学素子５０を透過し、配向制御素子４０に入射する。配向制御素子４０に入射した外光は、配向制御素子４０に含まれる遮光部材４４によって吸収される。よって、空中表示装置１のうち表示素子２０が占める領域に入射した外光が空中表示装置１の内部で反射されて、空中表示装置１の上面から出射されるのを抑制できる。

平面視において空中表示装置１のうち表示素子２０が占める領域以外の領域（配向制御素子４０の図１３の点“Ｂ”の領域を含む）に入射した外光は、光学素子５０を透過し、配向制御素子４０に入射する。配向制御素子４０に入射した外光は、配向制御素子４０に含まれる遮光部材４４によって吸収される。よって、空中表示装置１のうち表示素子２０が占める領域以外の領域に入射した外光が空中表示装置１の内部で反射されて、空中表示装置１の上面から出射されるのを抑制できる。

結果として、空中表示装置１に入射した外光に起因して、空中表示装置１が表示する空中像２の品質が劣化するのを抑制できる。

さらに、空中表示装置１に下側から入射した光は、光吸収層３０で吸収される。よって、空中表示装置１に下側から入射した光に起因して、空中表示装置１が表示する空中像２の品質が劣化するのを抑制できる。

［１－３］ 変形例
図１４は、変形例に係る空中表示装置１の断面図である。表示素子２０と配向制御素子４０とは、透明な接着剤２１で接着されていてもよい。

［１－４］ 比較例
次に、比較例に係る空中表示装置１Ａについて説明する。
図１５は、比較例に係る空中表示装置１Ａの分解図である。図１６は、比較例に係る空中表示装置１ＡのＸ方向に沿った部分断面図である。

空中表示装置１Ａは、照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子４０、光学素子５０、及び筐体６０を備える。照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子４０、及び光学素子５０は、この順にＺ方向に沿って配置され、互いに平行に配置される。

比較例に係る空中表示装置１Ａは、第１実施形態で示した光吸収層３０を備えていない。配向制御素子４０の面積は、表示素子２０の面積とほぼ同じである。光学素子５０の面積は、配向制御素子４０の面積より大きい。光学素子５０のＸ方向の長さは、配向制御素子４０のＸ方向の長さより長い。

筐体６０は、四角形状を有し、４個の側板と、底板とを有する。筐体６０は、例えば、黒色の樹脂で構成される。筐体６０の底板には、四角形の開口部６２が設けられる。開口部６２は、表示素子２０から出射された光を通過する。開口部６２の面積は、配向制御素子４０の面積とほぼ同じである。

図１７は、空中表示装置１Ａに入射する外光の様子を説明する図である。

平面視において空中表示装置１Ａのうち表示素子２０が占める領域（配向制御素子４０の図１７の点“Ａ”の領域を含む）に入射した外光は、光学素子５０を透過し、配向制御素子４０に入射する。配向制御素子４０に入射した外光は、配向制御素子４０に含まれる遮光部材４４によって吸収される。よって、空中表示装置１Ａのうち表示素子２０が占める領域に入射した外光が空中表示装置１Ａの内部で反射されて、空中表示装置１Ａの上面から出射されるのを抑制できる。

空中表示装置１Ａに入射した外光のうち筐体６０の底板に到達した光成分は、筐体６０の底板で拡散反射される。筐体６０で拡散反射された光成分は、光学素子５０で観察者側に反射され、観察者に視認される。

図１８は、表示素子像と空中像とを説明する図である。表示素子像とは、表示素子２０の表示面に表示される画像である。空中像は、光学素子５０によって結像される実像である。

空中像には、表示素子像以外に、外光に起因して形成される枠が二重に視認される。図１８の右側にずれた枠は、図１７の点“Ｂ”で右側に拡散反射された外光に基づいて視認される。図１８の左側にずれた枠は、図１７の点“Ｂ”で左側に拡散反射された外光に基づいて視認される。このように、外光が空中表示装置１Ａの内部で拡散反射されると、空中表示装置１Ａによって生成される空中像の品質が劣化してしまう。

これに対し、第１実施形態では、光学素子５０に対向して配置される構成要素面（配向制御素子４０の上面）を拡張して構成している。これにより、空中表示装置の内部で外光が反射するのを抑制できる。

［１－５］ 第１実施形態の効果
第１実施形態では、空中表示装置１は、画像を表示する表示素子２０と、表示素子２０からの光を受けるように配置され、表示素子２０からの光のうち斜め方向の光成分を透過する配向制御素子４０と、配向制御素子４０からの光を受けるように配置され、配向制御素子４０からの光を、配向制御素子４０と反対側に反射し、空中に空中像を結像する光学素子５０と、光学素子５０の周囲を囲むように構成され、光学素子５０を固定する筐体６０とを備える。そして、光学素子５０と対向して配置される素子（本実施形態では配向制御素子４０）の面積は、光学素子５０の面積より大きく設定される。すなわち、光学素子５０に対向する素子として、一様な面を有する素子が配置される。

空中表示装置１には、使用環境に応じて外光が入射する。外光は、空中像２を形成するのに不要な光である。第１実施形態によれば、空中表示装置１に入射した外光が空中表示装置１の内部で反射して空中表示装置１から出射されるのを抑制できる。これにより、空中表示装置１が生成する空中像２の品質が劣化するのを抑制できる。結果として、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、配向制御素子４０の底面には光吸収層３０が設けられ、光吸収層３０は、表示素子２０からの光を通過する開口部３１を有する。これにより、空中像２の表示に不要な光成分を光吸収層３０で吸収することができる。よって、空中像２の品質が劣化するのを抑制できる。

また、空中表示装置１は、表示素子２０から出射された光を光学素子５０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は、そ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、観察者３の両眼がＸ方向（すなわち、複数の光学要素５２が並ぶ方向）に平行、又はそれに近い状態で光学素子５０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。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。

なお、第１実施形態では、光学素子５０に対向して配向制御素子４０が配置される。そして、配向制御素子４０の面積を光学素子５０の面積より大きくしている。空中表示装置１の他の構成として、光学素子５０と対向する素子が配向制御素子４０以外の素子である場合、光学素子と対向して配置される素子の面積は、光学素子の面積より大きく設定される。これにより、本実施形態の効果を得ることができる。

［２］ 第２実施形態
第２実施形態は、光学素子５０と対向する素子の上面に反射防止層８０を設けるようにしている。

図１９は、本発明の第２実施形態に係る空中表示装置１のＸ方向に沿った断面図である。図１９は、図２のＡ－Ａ´線の位置の断面図に対応する。第２実施形態に係る空中表示装置１は、第１実施形態の構成に加えて、反射防止層８０を備える。

反射防止層８０は、配向制御素子４０上に設けられる。反射防止層８０の面積は、配向制御素子４０の面積と同じである。反射防止層８０は、自身に入射した光の反射を抑制する機能を有する。反射防止層８０は、透明な材料で構成され、例えば、屈折率の異なる複数の層が積層されて構成される。反射防止層８０は、反射抑制層ともいう。

図２０は、空中表示装置１の内部で反射される光の様子を説明する図である。図２０の構成例は、反射防止層８０を備えておらず、配向制御素子４０の上面が光学素子５０に対向している。

空中表示装置１に入射した外光は、光学素子５０を透過する。光学素子５０を透過した光の一部は、配向制御素子４０の上面で反射される。光学素子５０と配向制御素子４０との間で反射を繰り返した光の一部（図２０の戻り光）は、光学素子５０を透過し、観察者に向けて出射される。よって、外光の内部反射により、空中像２の品質が劣化する可能性がある。

これに対して、本実施形態では、光学素子５０と対向する面に反射防止層８０を設けている。よって、光学素子５０を透過した外光が内部反射するのを抑制できる。これにより、空中像２の品質を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、光学素子５０の全面に亘って対向するように、透明な支持部材３２を配置する。さらに、支持部材３２の底面に光吸収層３０を配置するようにしている。そして、支持部材３２及び光吸収層３０を利用して、空中表示装置１の内部で外光が拡散反射して観察者側に出射されるのを抑制するようにしている。

［３－１］ 空中表示装置１の構成
図２１は、本発明の第３実施形態に係る空中表示装置１の分解図である。図２２は、図２１に示した空中表示装置１のＸ方向に沿った断面図である。図２２は、図２のＡ－Ａ´線の位置の断面図に対応する。

空中表示装置１は、照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子４０、光吸収層３０、支持部材３２、光学素子５０、及び筐体６０を備える。照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子４０、光吸収層３０、支持部材３２、及び光学素子５０は、この順にＺ方向に沿って配置され、互いに平行に配置される。照明素子１０、表示素子２０、及び配向制御素子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。

配向制御素子４０の面積は、表示素子２０の面積とほぼ同じである。配向制御素子４０のＸ方向の長さは、表示素子２０のＸ方向の長さとほぼ同じである。配向制御素子４０のＹ方向の長さは、表示素子２０のＹ方向の長さとほぼ同じである。

光吸収層３０は、四角形の開口部３１を有する。開口部３１は、配向制御素子４０と同じ面積を有し、配向制御素子４０を露出する。光吸収層３０は、支持部材３２の底面に設けられ、支持部材３２の底面に貼り付けられる。光吸収層３０の外周は、支持部材３２の外周まで延びる。

支持部材３２は、配向制御素子４０の上方に設けられ、例えば配向制御素子４０に透明な接着剤を用いて接着される。支持部材３２は、透明な材料で構成され、光を透過する。支持部材３２としては、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。

支持部材３２の面積は、配向制御素子４０の面積より大きい。支持部材３２のＸ方向の長さは、配向制御素子４０のＸ方向の長さより長い。図２２において、支持部材３２の右側の端は、配向制御素子４０の右側の端より右側に位置し、支持部材３２の左側の端は、配向制御素子４０の左側の端より左側に位置する。支持部材３２のＹ方向の長さは、配向制御素子４０のＹ方向の長さより長い。

光学素子５０は、支持部材３２に対向して配置される。光学素子５０の面積は、配向制御素子４０の面積より大きく、支持部材３２の面積より小さい。光学素子５０のＸ方向の長さは、配向制御素子４０のＸ方向の長さより長く、支持部材３２のＸ方向の長さより短い。図２２において、光学素子５０の右側の端は、配向制御素子４０の右側の端と支持部材３２の右側の端との間に位置し、光学素子５０の左側の端は、配向制御素子４０の左側の端と支持部材３２の左側の端との間に位置する。光学素子５０のＹ方向の長さは、配向制御素子４０のＹ方向の長さより長く、支持部材３２のＹ方向の長さより短い。

筐体６０の下部の開口部の面積は、支持部材３２の面積と同じに設定される。筐体６０の下部の開口部には、支持部材３２が嵌め込まれる。筐体６０と支持部材３２とは、透明な接着剤で接着される。

［３－２］ 外光の影響について
次に、空中表示装置１に入射する外光の影響について説明する。図２３は、空中表示装置１に入射する外光の様子を説明する図である。

平面視において空中表示装置１のうち表示素子２０が占める領域（配向制御素子４０の図２３の点“Ａ”の領域を含む）に入射した外光は、光学素子５０を透過し、配向制御素子４０に入射する。配向制御素子４０に入射した外光は、配向制御素子４０に含まれる遮光部材４４によって吸収される。よって、空中表示装置１のうち表示素子２０が占める領域に入射した外光が空中表示装置１の内部で反射されて、空中表示装置１の上面から出射されるのを抑制できる。

平面視において空中表示装置１のうち表示素子２０が占める領域以外の領域（支持部材３２の図２３の点“Ｂ”の領域を含む）に入射した外光は、光学素子５０を透過し、支持部材３２に入射する。支持部材３２に入射した光は、光吸収層３０で吸収される。よって、空中表示装置１のうち表示素子２０が占める領域以外の領域に入射した外光が空中表示装置１の内部で反射されて、空中表示装置１の上面から出射されるのを抑制できる。

結果として、空中表示装置１に入射した外光に起因して、空中表示装置１が表示する空中像２の品質が劣化するのを抑制できる。

さらに、空中表示装置１に下側から入射した光は、光吸収層３０で吸収される。よって、空中表示装置１に下側から入射した光に起因して、空中表示装置１が表示する空中像２の品質が劣化するのを抑制できる。

［３－３］ 変形例
図２４は、変形例に係る空中表示装置１の断面図である。表示素子２０と配向制御素子４０とは、透明な接着剤２１で接着されていてもよい。配向制御素子４０と支持部材３２とは、透明な接着剤２２で接着されていてもよい。

［３－４］ 第３実施形態の効果
第３実施形態によれば、空中表示装置１が表示する空中像２の品質が劣化するのを抑制できる。その他の効果は、第１実施形態と同じである。

なお、第３実施形態に第２実施形態を適用することも可能である。すなわち、支持部材３２の上面に反射防止層８０をさらに設けてもよい。

また、第３実施形態において、配向制御素子４０を省略して空中表示装置１を構成してもよい。

［４］ その他の実施例
上記実施形態では、表示素子２０と光学素子５０とを平行に配置している。しかし、これに限定されず、光学素子５０に対して表示素子２０を斜めに配置してもよい。表示素子２０と光学素子５０との角度は、０度より大きく４５度より小さい範囲に設定される。

上記実施形態では、光学要素５２の左側の側面が入射面５３、右側の側面が反射面５４として定義している。しかし、これに限定されず、入射面５３と反射面５４とを逆に構成してもよい。この場合、実施形態で説明した空中表示装置１の作用も左右が逆になる。

上記実施形態では、表示素子２０として液晶表示素子を例に挙げて説明しているが、これに限定されるものではない。表示素子２０は、自発光型である有機ＥＬ（electroluminescence）表示素子、又はマイクロＬＥＤ（Light Emitting Diode）表示素子などを用いることも可能である。マイクロＬＥＤ表示素子は、画素を構成するＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）をそれぞれＬＥＤで発光させる表示素子である。自発光型の表示素子２０を用いる場合、照明素子１０は不要である。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１…空中表示装置、２…空中像、３…観察者、１０…照明素子、１１…光源部、１２…導光板、１３…反射シート、２０…表示素子、２１，２２…接着剤、３０…光吸収層、３１…開口部、３２…支持部材、４０…配向制御素子、４１，４２…基材、４３…透明部材、４４…遮光部材、５０…光学素子、５１…基材、５２…光学要素、５３…入射面、５４…反射面、６０…筐体、６１，６２…開口部、７０…制御部、７０Ａ…表示処理部、７０Ｂ…情報処理部、７１…記憶部、７２…入出力インターフェース、７３…表示部、７４…入力部、７５…バス、８０…反射防止層。

Claims (14)

1. 画像を表示する表示素子と、
   前記表示素子からの光を受けるように配置され、前記表示素子からの光を、前記表示素子と反対側に反射し、空中に空中像を結像する光学素子と、
   前記光学素子の周囲を囲むように構成され、前記光学素子を固定する筐体と、
   を具備し、
   前記光学素子と対向して配置される素子の面積は、前記光学素子の面積より大きい
   空中表示装置。
2. 前記表示素子と前記光学素子との間に配置され、前記表示素子からの光のうち斜め方向の光成分を透過する配向制御素子をさらに具備し、
   前記配向制御素子の面積は、前記光学素子の面積より大きい
   請求項１に記載の空中表示装置。
3. 前記配向制御素子の外周は、前記筐体まで延びる
   請求項２に記載の空中表示装置。
4. 前記配向制御素子の底面に設けられ、前記表示素子からの光を通過する開口部を有し、光を吸収する光吸収層をさらに具備する
   請求項２に記載の空中表示装置。
5. 前記光吸収層の外周は、前記配向制御素子の外周まで延びる
   請求項４に記載の空中表示装置。
6. 前記配向制御素子は、交互に配置された複数の透明部材及び複数の遮光部材を含み、
   前記複数の遮光部材は、前記配向制御素子の法線方向に対して傾いている
   請求項２に記載の空中表示装置。
7. 前記配向制御素子の上面に設けられた反射防止層をさらに具備する
   請求項２に記載の空中表示装置。
8. 前記表示素子と前記光学素子との間に配置され、透明な支持部材をさらに具備し、
   前記支持部材の面積は、前記光学素子の面積より大きい
   請求項１に記載の空中表示装置。
9. 前記支持部材の外周は、前記筐体まで延びる
   請求項８に記載の空中表示装置。
10. 前記支持部材の底面に設けられ、前記表示素子からの光を通過する開口部を有し、光を吸収する光吸収層をさらに具備する
    請求項８に記載の空中表示装置。
11. 前記光吸収層の外周は、前記支持部材の外周まで延びる
    請求項１０に記載の空中表示装置。
12. 前記支持部材の上面に設けられた反射防止層をさらに具備する
    請求項８に記載の空中表示装置。
13. 前記光学素子は、平面状の基材と、前記基材の下に設けられ、それぞれが第１方向に延び、前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の光学要素とを含み、
    前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射面及び反射面を有する
    請求項１に記載の空中表示装置。
14. 前記表示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。