(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023176978
(43)【公開日】2023-12-13
(54)【発明の名称】空中表示装置
(51)【国際特許分類】
G02B 30/56 20200101AFI20231206BHJP
【ＦＩ】
G02B30/56
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022089616
(22)【出願日】2022-06-01
(71)【出願人】
【識別番号】000003193
【氏名又は名称】ＴＯＰＰＡＮホールディングス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003708
【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100108855
【弁理士】
【氏名又は名称】蔵田 昌俊
(74)【代理人】
【識別番号】100179062
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 正
(74)【代理人】
【識別番号】100199565
【弁理士】
【氏名又は名称】飯野 茂
(74)【代理人】
【識別番号】100209048
【弁理士】
【氏名又は名称】森川 元嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100212705
【弁理士】
【氏名又は名称】矢頭 尚之
(74)【代理人】
【識別番号】100219542
【弁理士】
【氏名又は名称】大宅 郁治
(72)【発明者】
【氏名】代工 康宏
【テーマコード（参考）】
2H199
【Ｆターム（参考）】
2H199BA32
2H199BB27
2H199BB29
2H199BB30
2H199BB52
(57)【要約】
【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から出射された光を受けるように配置され、表示素子２０から出射された光を、面内に直交する法線方向に対して斜め方向に屈折させる配向制御素子３０と、配向制御素子３０から出射された光を受けるように配置され、配向制御素子３０から出射された光を、配向制御素子３０と反対側に反射し、空中に空中像を結像する光学素子４０とを含む。
【選択図】 図１
【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から出射された光を受けるように配置され、表示素子２０から出射された光を、面内に直交する法線方向に対して斜め方向に屈折させる配向制御素子３０と、配向制御素子３０から出射された光を受けるように配置され、配向制御素子３０から出射された光を、配向制御素子３０と反対側に反射し、空中に空中像を結像する光学素子４０とを含む。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
画像を表示する表示素子と、
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、前記表示素子から出射された光を、面内に直交する法線方向に対して斜め方向に屈折させる配向制御素子と、
前記配向制御素子から出射された光を受けるように配置され、前記配向制御素子から出射された光を、前記配向制御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。
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、前記表示素子から出射された光を、面内に直交する法線方向に対して斜め方向に屈折させる配向制御素子と、
前記配向制御素子から出射された光を受けるように配置され、前記配向制御素子から出射された光を、前記配向制御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。
【請求項2】
前記配向制御素子は、前記表示素子から出射された光のうち、前記法線方向を含む角度範囲の光成分の一部を透過する
請求項１に記載の空中表示装置。
請求項１に記載の空中表示装置。
【請求項3】
前記配向制御素子は、平面状の第１基材と、前記第１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第１光学要素と、前記複数の第１光学要素にそれぞれ設けられ、光を遮光する複数の遮光層とを含み、
前記複数の第１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、互いに接する屈折面及び遮光面を有し、
前記複数の遮光層の各々は、前記遮光面に設けられる
請求項２に記載の空中表示装置。
前記複数の第１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、互いに接する屈折面及び遮光面を有し、
前記複数の遮光層の各々は、前記遮光面に設けられる
請求項２に記載の空中表示装置。
【請求項4】
前記屈折面の角度は、遮光面の角度より大きい
請求項３に記載の空中表示装置。
請求項３に記載の空中表示装置。
【請求項5】
前記光学素子は、前記配向制御素子から前記斜め方向に入射した光を前記法線方向に反射する
請求項１に記載の空中表示装置。
請求項１に記載の空中表示装置。
【請求項6】
前記光学素子は、平面状の第２基材と、前記第２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第２光学要素とを含み、
前記複数の第２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、互いに接する入射面及び反射面を有する
請求項５に記載の空中表示装置。
前記複数の第２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、互いに接する入射面及び反射面を有する
請求項５に記載の空中表示装置。
【請求項7】
前記表示素子、前記配向制御素子、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。
請求項１に記載の空中表示装置。
【請求項8】
光を発光する照明素子をさらに具備し、
前記表示素子は、前記照明素子からの光を受けるように配置され、液晶表示素子で構成される
請求項１に記載の空中表示装置。
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、空中表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１１－１９１４０４号公報
【特許文献2】特開２０１１－１７５２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の第１態様によると、画像を表示する表示素子と、前記表示素子から出射された光を受けるように配置され、前記表示素子から出射された光を、面内に直交する法線方向に対して斜め方向に屈折させる配向制御素子と、前記配向制御素子から出射された光を受けるように配置され、前記配向制御素子から出射された光を、前記配向制御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。
【0008】
本発明の第２態様によると、前記配向制御素子は、前記表示素子から出射された光のうち、前記法線方向を含む角度範囲の光成分の一部を透過する、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
【0009】
本発明の第３態様によると、前記配向制御素子は、平面状の第１基材と、前記第１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第１光学要素と、前記複数の第１光学要素にそれぞれ設けられ、光を遮光する複数の遮光層とを含み、前記複数の第１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、互いに接する屈折面及び遮光面を有し、前記複数の遮光層の各々は、前記遮光面に設けられる、第２態様に係る空中表示装置が提供される。
【0010】
本発明の第４態様によると、前記屈折面の角度は、遮光面の角度より大きい、第３態様に係る空中表示装置が提供される。
【0011】
本発明の第５態様によると、前記光学素子は、前記配向制御素子から前記斜め方向に入射した光を前記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。
【0012】
本発明の第６態様によると、前記光学素子は、平面状の第２基材と、前記第２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第２光学要素とを含み、前記複数の第２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、互いに接する入射面及び反射面を有する、第５態様に係る空中表示装置が提供される。
【0013】
本発明の第７態様によると、前記表示素子、前記配向制御素子、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。
【0014】
本発明の第８態様によると、光を発光する照明素子をさらに具備し、前記表示素子は、前記照明素子からの光を受けるように配置され、液晶表示素子で構成される、第１態様に係る空中表示装置が提供される、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
【発明の効果】
【0015】
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。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【発明を実施するための形態】
【0017】
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。
【0018】
［１］ 空中表示装置１の構成
図１は、本発明の実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。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１は、本発明の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。
【0019】
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。
【0020】
空中表示装置１は、照明素子（バックライトともいう）１０、表示素子２０、配向制御素子３０、及び光学素子４０を備える。照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子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、配向制御素子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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
配向制御素子３０は、入射光を屈折させるとともに、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る。配向制御素子３０は、表示素子２０から出射された光を、面内に直交する法線方向に対して斜め方向に屈折させる。配向制御素子３０の詳細な構成については後述する。
【0025】
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。
【0026】
【0027】
配向制御素子３０は、基材３１、複数の光学要素３２、及び複数の遮光層３５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。
【0028】
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、ＸＺ面において鋸歯状を有する。
【0029】
複数の光学要素３２の各々は、屈折面３３及び遮光面３４を有する。Ｙ方向から見て、左側の側面が屈折面３３であり、右側の側面が遮光面３４である。屈折面３３は、配向制御素子３０の底面側から入射した光を屈折させる面である。遮光面３４は、配向制御素子３０の底面側からの光を遮光する面である。
【0030】
基材３１及び光学要素３２は、透明材料で構成される。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、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。
【0031】
各光学要素３２の遮光面３４には、遮光層３５が設けられる。遮光層３５は、光を遮光する機能を有する。遮光層３５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。
【0032】
図５は、配向制御素子３０における屈折面３３及び遮光面３４の角度を説明する図である。
屈折面３３は、配向制御素子３０の素子面に直交する法線方向に対して角度θ１１だけ傾いている。遮光面３４は、配向制御素子３０の素子面に直交する法線方向に対して角度θ１２だけ傾いている。遮光面３４の角度θ１２は、遮光層３５の傾斜角と同じ意味である。屈折面３３の角度θ１１は、例えば、４５度以上６５度以下の角度範囲に設定される。遮光面３４の角度θ１２は、例えば、０度以上２５度以下の角度範囲に設定される。すなわち、屈折面３３の角度θ１１は、遮光面３４の角度θ１２より大きく設定される。
屈折面３３は、配向制御素子３０の素子面に直交する法線方向に対して角度θ１１だけ傾いている。遮光面３４は、配向制御素子３０の素子面に直交する法線方向に対して角度θ１２だけ傾いている。遮光面３４の角度θ１２は、遮光層３５の傾斜角と同じ意味である。屈折面３３の角度θ１１は、例えば、４５度以上６５度以下の角度範囲に設定される。遮光面３４の角度θ１２は、例えば、０度以上２５度以下の角度範囲に設定される。すなわち、屈折面３３の角度θ１１は、遮光面３４の角度θ１２より大きく設定される。
【0033】
配向制御素子３０は、表示素子２０から屈折面３３に入射する光を屈折させるとともに、表示素子２０から遮光層３５に入射する光を遮光する。屈折面３３に入射する光は、法線方向を含む所定の角度範囲で進む光成分を含む。遮光層３５に入射する光は、屈折面３３に入射する角度範囲よりも左側及び右側に進む光成分を含む。また、法線方向に進む光のうち、平面視において屈折面３３が占める領域の光成分が屈折面３３に入射し、平面視において遮光層３５が占める領域の光成分が遮光層３５に入射する。結果として、配向制御素子３０は、表示素子２０から出射された光のうち、法線方向を含む所定の角度範囲の光成分の一部を透過し、表示素子２０から出射された光のうち、上記所定の角度範囲よりも左側及び右側に進む光成分の一部を遮光する。
【0034】
配向制御素子３０は、角度θ１を中心とした所定の角度範囲の光成分を出射する。角度θ１は、配向制御素子３０と表示素子２０との距離、配向制御素子３０の屈折率、屈折面３３の角度、及び遮光面３４の角度を最適に設定することで調整が可能である。
【0035】
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
複数の光学要素４２の各々は、入射面４３及び反射面４４を有する。Ｙ方向から見て、左側の側面が入射面４３であり、右側の側面が反射面４４である。入射面４３は、表示素子２０からの光が入射する面である。反射面４４は、入射面４３に外部から入射した光を、光学要素４２の内部で反射する面である。入射面４３と反射面４４とは、角度θｐを有する。
【0039】
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。
【0040】
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、空中像を結像する。
【0041】
［１－３］ 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。
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
［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。
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。
【0050】
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の表示面における任意の点“ｏ”から、法線方向を中心とした放射状に光が出射される。表示素子２０の点“ｏ”から出射された光は、配向制御素子３０に入射する。
【0051】
配向制御素子３０に入射する光のうち、法線方向を含む所定の角度範囲の光成分の一部は、配向制御素子３０の屈折面３３に入射する。光学要素３２の屈折面３３に入射した光は、屈折面３３で屈折し、さらに配向制御素子３０の上面で屈折する。そして、角度θ１を中心とした所定の角度範囲の光成分は、配向制御素子３０から出射される。
【0052】
一方、配向制御素子３０に入射する光のうち、上記所定の角度範囲よりも左側及び右側に進む光成分の一部は、配向制御素子３０の遮光層３５に入射し、遮光層３５で遮光される。よって、配向制御素子３０に入射する光のうち、空中像の生成に寄与しない不要光の一部は、配向制御素子３０を透過しない。
【0053】
配向制御素子３０から出射された右斜め方向に進む光は、光学素子４０に入射する。光学素子４０は、入射光を、配向制御素子３０と反対側の空中に結像し、空中に空中像２を表示する。
【0054】
図８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９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９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１０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１０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。
【0055】
配向制御素子３０の任意の点“ｏ´”から出射された光は、光学素子４０の入射面４３に入射し、反射面４４に到達する。反射面４４の法線方向に対して臨界角よりも大きい角度で到達した光は、反射面４４で全反射され、光学素子４０の光学要素４２が形成されている側の反対側の平面から出射される。臨界角とは、その入射角を超えると全反射する最少の入射角である。臨界角は、入射面の垂線に対する角度である。
【0056】
図９のＸＺ面では、点“ｏ´”から出射された光は、光学要素４２の反射面４４で全反射され、その光は空中で結像されて空中像を生成する。
【0057】
図１０のＹＺ面では、点“ｏ´”から出射された光は、光学要素４２の反射面４４で反射されず、その光は空中で結像することがないため空中像の生成に寄与しない。
【0058】
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。
【0059】
図１１は、光学素子４０における入射面４３及び反射面４４の角度条件を説明する図である。
【0060】
Ｚ方向（素子面に垂直な方向）に対する入射面４３の角度をθ２、Ｚ方向に対する反射面４４の角度をθ３、入射面４３と反射面４４とのなす角度をθｐとする。角度をθｐは、以下の式（１）で表される。
θｐ＝θ２＋θ３ ・・・（１）
θｐ＝θ２＋θ３ ・・・（１）
【0061】
配向制御素子３０から角度θ１で出射された光は、入射面４３に入射する。光学素子４０の材料の屈折率をｎｐ、空気の屈折率を１とする。入射面４３における入射角をθ４、屈折角をθ５とする。反射面４４における入射角をθ６、反射角をθ７（＝θ６）とする。光学素子４０の上面における入射角をθ８、屈折角をθ９とする。屈折角θ９が出射角である。出射角θ９は、以下の式（２）で表される。
θ９＝sin－１（ｎｐ＊sin（sin－１（（１／ｎｐ）＊sin(９０°－（θ１＋θ２）））＋θ2＋２θ３－９０°）） ・・・（２）
θ９＝sin－１（ｎｐ＊sin（sin－１（（１／ｎｐ）＊sin(９０°－（θ１＋θ２）））＋θ2＋２θ３－９０°）） ・・・（２）
【0062】
反射面４４における臨界角は、以下の式（３）で表される。
臨界角＜θ６（＝θ７）
臨界角＝sin－１（１／ｎｐ） ・・・（３）
臨界角＜θ６（＝θ７）
臨界角＝sin－１（１／ｎｐ） ・・・（３）
【0063】
すなわち、反射面４４における入射角θ６は、反射面４４における臨界角より大きく設定される。換言すると、反射面４４の角度θ３は、反射面４４に入射する光の入射角が臨界角より大きくなるように設定される。
【0064】
また、入射面４３に入射した光は、入射面４３で全反射されないように設定される。すなわち、入射面４３の角度θ２は、入射面４３に入射する光の入射角が臨界角より小さくなるように設定される。
【0065】
光学素子４０の素子面と空中像２の面との角度、及び光学素子４０の素子面と空中像２の面との距離は、光学素子４０に入射する光の角度θ１、光学素子４０の屈折率、光学素子４０の入射面４３の角度θ２、光学素子４０の反射面４４の角度θ３を最適に設定することで調整が可能である。
【0066】
図１２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た放射状に光が出射される。表示素子２０から配向制御素子３０に入射した光は、配向制御素子３０により屈折するとともに、配向制御素子３０を透過する。
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た放射状に光が出射される。表示素子２０から配向制御素子３０に入射した光は、配向制御素子３０により屈折するとともに、配向制御素子３０を透過する。
【0067】
図１２から明らかなように、配向制御素子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。配向制御素子３０から出射される光成分より左側及び右側の光成分は、配向制御素子３０の遮光層３５で遮光されるため、そのほとんどが配向制御素子３０を透過しない。
【0068】
配向制御素子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。
【0069】
図１３は、表示素子２０の配光特性を説明するグラフである。図１３の横軸がＸ方向に沿って観察者が表示素子２０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、表示素子２０を法線方向（正面）から見た場合に対応する。照明素子１０の配光特性も図１３のグラフとおおよそ同じである。
【0070】
角度０度で表示素子２０を見た場合が出力比（光強度）が最も大きい。表示素子２０を見る角度が大きくなるにつれて、出力比が小さくなる。
【0071】
図１４は、配向制御素子３０の配光特性を説明するグラフである。図１４の横軸がＸ方向に沿って観察者が配向制御素子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。図１４は、図１３の配光特性を有する光が表示素子２０から配向制御素子３０に入射した場合のグラフである。
【0072】
配向制御素子３０の配光特性では、おおよそ角度２５度が光強度のピークである。角度２５度を中心として、見る角度が中心から離れるにつれて、出力比が小さくなる。６０％以上の光強度は、５度以上４５度以下の角度範囲で得られる。
【0073】
図１５は、光学素子４０の配光特性を説明するグラフである。図１５の横軸がＸ方向に沿って観察者が光学素子４０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。図１５は、図１４の配光特性を有する光が配向制御素子３０から光学素子４０に入射した場合のグラフである。
【0074】
光学素子４０の配光特性では、角度－１０度以上５度以下の角度範囲に光強度のピークが含まれる。すなわち、観察者３が空中表示装置１を法線方向（正面）から見た場合に、空中像２をよりはっきりと視認できる。また、角度－２５度以上１０度以下でも十分大きな光強度を得ることができる。よって、空中表示装置１は、所定の視野角を有する空中像を表示することができる。
【0075】
【0076】
図１６に示すように、遮光層３５が設けられていない配向制御素子３０を準備する。遮光層３５が設けられていない配向制御素子３０を配向制御素子部材３０Ａと呼ぶ。配向制御素子部材３０Ａは、基材３１及び複数の光学要素３２からなる部材である。配向制御素子部材３０Ａは、交互に配置された複数の屈折面３３及び複数の遮光面３４を有する。配向制御素子部材３０Ａ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。配向制御素子部材３０Ａは、任意の製造方法を用いて製造される。配向制御素子部材３０Ａは、複数の屈折面３３及び複数の遮光面３４が上にくるように配置される。
【0077】
続いて、図１７に示すように、複数の屈折面３３及び複数の遮光面３４上に、黒色のＵＶ（紫外線）硬化塗料３５Ａを均一に塗布する。ＵＶ硬化塗料３５Ａは、紫外線を照射すると硬化する樹脂で構成される。ＵＶ硬化塗料３５Ａは、黒色の染料又は顔料を含む。ＵＶ硬化塗料３５Ａは、露光された部分が現像液に溶解しやすくなるポジ型の樹脂である。
【0078】
続いて、ＵＶ硬化塗料３５Ａに、１次硬化処理（プリベーク）を施す。１次硬化処理は、熱処理である。この１次硬化処理により、ＵＶ硬化塗料３５Ａに含まれる溶媒が蒸発する。これにより、ＵＶ硬化塗料３５Ａは、乾燥して硬化する。
【0079】
続いて、図１８に示すように、屈折面３３上のＵＶ硬化塗料３５Ａに紫外光が照射されるように斜め方向から、ＵＶ硬化塗料３５Ａに紫外光を照射する。この紫外線照射工程は、屈折面３３上のＵＶ硬化塗料３５Ａに紫外光が照射され、遮光面３４上のＵＶ硬化塗料３５Ａに紫外光が照射されない角度で行われる。具体的には、法線方向に対して遮光面３４の傾斜角と同じか若干大きい角度で、ＵＶ硬化塗料３５Ａに紫外光を照射する。
【0080】
続いて、図１９に示すように、ＵＶ硬化塗料３５Ａを現像する。すなわち、ＵＶ硬化塗料３５Ａを現像液６０に浸し、感光部分（屈折面３３上のＵＶ硬化塗料３５Ａ）を除去する。
【0081】
続いて、図２０に示すように、ＵＶ硬化塗料３５Ａに、２次硬化処理（ポストベーク）を施す。２次硬化処理は、熱処理である。この２次硬化処理により、遮光層３５が乾燥し、遮光層３５の密着性が向上する。
【0082】
このようにして、図２１に示すように、遮光層３５を備えた配向制御素子３０が形成される。
【0083】
［４］ 変形例
次に、空中表示装置１の変形例について説明する。図２２は、変形例に係る空中表示装置１のＸＺ面における側面図である。配向制御素子３０は、照明素子１０と表示素子２０との間に配置してもよい。変形例に係る空中表示装置１においても、上記実施形態と同じ動作を実現できる。
次に、空中表示装置１の変形例について説明する。図２２は、変形例に係る空中表示装置１のＸＺ面における側面図である。配向制御素子３０は、照明素子１０と表示素子２０との間に配置してもよい。変形例に係る空中表示装置１においても、上記実施形態と同じ動作を実現できる。
【0084】
［５］ 実施形態の効果
本発明の実施形態によれば、表示素子２０から出射された光を光学素子４０で反射させることで、空中に空中像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。
本発明の実施形態によれば、表示素子２０から出射された光を光学素子４０で反射させることで、空中に空中像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。
【0085】
また、配向制御素子３０は、表示素子２０から出射された光を、面内に直交する法線方向に対して斜め方向に屈折させる。これにより、光学素子４０は、斜め方向の光を受けることが可能となり、結果として、空中像２の表示品質を向上させることができる。
【0086】
また、配向制御素子３０は、表示素子２０から出射された光のうち、空中像２の表示に寄与しない不要光の一部を遮光することができる。これにより、空中像２の表示品質を向上させることができる。
【0087】
また、観察者３の両眼がＸ方向（すなわち、複数の光学要素４２が並ぶ方向）に平行、又はそれに近い状態で光学素子４０を見た場合に、観察者３は、空中像を視認することができる。また、観察者３の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態でＹ方向に沿って視点を移動した場合、空中像を常に視認することができる。すなわち、観察者３の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態において、視野角を確保することができる。
【0088】
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。
【0089】
上記実施形態では、光学要素４２の左側の側面が入射面４３、右側の側面が反射面４４として定義している。しかし、これに限定されず、入射面４３と反射面４４とを逆に構成してもよい。この場合、配向制御素子３０の屈折面３３及び遮光面３４の位置関係も逆になる。また、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。
【0090】
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。
【0091】
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。
【符号の説明】
【0092】
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…配向制御素子、３０Ａ…配向制御素子部材、３１…基材、３２…光学要素、３３…屈折面、３４…遮光面、３５…遮光層、３５Ａ…ＵＶ硬化塗料、４０…光学素子、４１…基材、４２…光学要素、４３…入射面、４４…反射面、５０…制御部、５０Ａ…表示処理部、５０Ｂ…情報処理部、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…現像液。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
