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(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】P2024039862
(43)【公開日】2024-03-25
(54)【発明の名称】空中表示装置
(51)【国際特許分類】
G02B 30/56 20200101AFI20240315BHJP
【ＦＩ】
G02B30/56
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022144552
(22)【出願日】2022-09-12
(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
2H199BA42
2H199BA47
2H199BB08
2H199BB43
2H199BB50
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、表示素子２０と、光学素子４０と、切替素子５０とを含む。表示素子２０は、画像を表示する。光学素子４０は、表示素子２０からの光を受けるように配置され、交互に配置された複数の第１領域及び複数の第２領域を有する。複数の第１領域は、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ように構成され、複数の第２領域は、表示素子２０からの光を透過する。切替素子５０は、光学素子４０からの光を受けるように配置され、第１表示モードにおいて、複数の第２領域を遮光し、第２表示モードにおいて、複数の第１領域を遮光する。
【選択図】 図１
【解決手段】 空中表示装置は、表示素子２０と、光学素子４０と、切替素子５０とを含む。表示素子２０は、画像を表示する。光学素子４０は、表示素子２０からの光を受けるように配置され、交互に配置された複数の第１領域及び複数の第２領域を有する。複数の第１領域は、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ように構成され、複数の第２領域は、表示素子２０からの光を透過する。切替素子５０は、光学素子４０からの光を受けるように配置され、第１表示モードにおいて、複数の第２領域を遮光し、第２表示モードにおいて、複数の第１領域を遮光する。
【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、
前記表示素子からの光を受けるように配置され、交互に配置された複数の第１領域及び複数の第２領域を有し、前記複数の第１領域は、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ように構成され、前記複数の第２領域は、前記表示素子からの光を透過する、光学素子と、
前記光学素子からの光を受けるように配置され、第１表示モードにおいて、前記複数の第２領域を遮光し、第２表示モードにおいて、前記複数の第１領域を遮光する切替素子と、
を具備する空中表示装置。
前記表示素子からの光を受けるように配置され、交互に配置された複数の第１領域及び複数の第２領域を有し、前記複数の第１領域は、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ように構成され、前記複数の第２領域は、前記表示素子からの光を透過する、光学素子と、
前記光学素子からの光を受けるように配置され、第１表示モードにおいて、前記複数の第２領域を遮光し、第２表示モードにおいて、前記複数の第１領域を遮光する切替素子と、
を具備する空中表示装置。
【請求項2】
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方向に並び、前記複数の第１領域にそれぞれ設けられた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し、
前記光学素子の前記複数の第２領域はそれぞれ、複数の平面で構成される
請求項１に記載の空中表示装置。
前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射面及び反射面を有し、
前記光学素子の前記複数の第２領域はそれぞれ、複数の平面で構成される
請求項１に記載の空中表示装置。
【請求項3】
前記切替素子は、前記第１方向に延び、前記第２方向に交互に並んだ複数の第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要素画素はそれぞれ、前記複数の第１領域に設けられ、
前記複数の第２要素画素はそれぞれ、前記複数の第２領域に設けられ、
前記複数の第１要素画素及び前記複数の第２要素画素の各々は、透過状態と遮光状態とに設定可能である
請求項２に記載の空中表示装置。
前記複数の第１要素画素はそれぞれ、前記複数の第１領域に設けられ、
前記複数の第２要素画素はそれぞれ、前記複数の第２領域に設けられ、
前記複数の第１要素画素及び前記複数の第２要素画素の各々は、透過状態と遮光状態とに設定可能である
請求項２に記載の空中表示装置。
【請求項4】
前記複数の第１要素画素及び前記複数の第２要素画素の各々は、前記第１方向に並んだ複数の画素を有し、
前記複数の画素は、透過状態と遮光状態とに設定可能である
請求項３に記載の空中表示装置。
前記複数の画素は、透過状態と遮光状態とに設定可能である
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、前記反射面に設けられ、光を反射する反射層と、前記反射層上に設けられ、光を吸収する吸収層とを含む
請求項２に記載の空中表示装置。
請求項２に記載の空中表示装置。
【請求項6】
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7】
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に対して傾いている
請求項６に記載の空中表示装置。
前記複数の遮光部材は、前記配向制御素子の法線に対して傾いている
請求項６に記載の空中表示装置。
【請求項8】
前記配向制御素子と前記光学素子との間に配置された光拡散素子をさらに具備し、
前記光拡散素子は、前記第１表示モードにおいて、光を透過する透過状態に設定され、前記第２表示モードにおいて、光を拡散する拡散状態に設定される
請求項６に記載の空中表示装置。
前記光拡散素子は、前記第１表示モードにおいて、光を透過する透過状態に設定され、前記第２表示モードにおいて、光を拡散する拡散状態に設定される
請求項６に記載の空中表示装置。
【請求項9】
前記表示素子、前記光学素子、及び前記切替素子は、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10】
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。
【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、前記表示素子からの光を受けるように配置され、交互に配置された複数の第１領域及び複数の第２領域を有し、前記複数の第１領域は、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ように構成され、前記複数の第２領域は、前記表示素子からの光を透過する、光学素子と、前記光学素子からの光を受けるように配置され、第１表示モードにおいて、前記複数の第２領域を遮光し、第２表示モードにおいて、前記複数の第１領域を遮光する切替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方向に並び、前記複数の第１領域にそれぞれ設けられた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し、前記光学素子の前記複数の第２領域はそれぞれ、複数の平面で構成される、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
【0009】
本発明の第３態様によると、前記切替素子は、前記第１方向に延び、前記第２方向に交互に並んだ複数の第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要素画素はそれぞれ、前記複数の第１領域に設けられ、前記複数の第２要素画素はそれぞれ、前記複数の第２領域に設けられ、前記複数の第１要素画素及び前記複数の第２要素画素の各々は、透過状態と遮光状態とに設定可能である、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、前記複数の第１要素画素及び前記複数の第２要素画素の各々は、前記第１方向に並んだ複数の画素を有し、前記複数の画素は、透過状態と遮光状態とに設定可能である、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、前記反射面に設けられ、光を反射する反射層と、前記反射層上に設けられ、光を吸収する吸収層とを含む、第２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する、第１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に対して傾いている、第６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、前記配向制御素子と前記光学素子との間に配置された光拡散素子をさらに具備し、前記光拡散素子は、前記第１表示モードにおいて、光を透過する透過状態に設定され、前記第２表示モードにおいて、光を拡散する拡散状態に設定される、第６態様に係る空中表示装置が提供される。
【0015】
本発明の第９態様によると、前記表示素子、前記光学素子、及び前記切替素子は、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。
【0016】
本発明の第１０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。
【発明の効果】
【0017】
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】
【0018】
【発明を実施するための形態】
【0019】
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。
【0020】
［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の側面図である。
［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の側面図である。
【0021】
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。
【0022】
空中表示装置１は、照明素子（バックライトともいう）１０、表示素子２０、配向制御素子３０、光学素子４０、及び切替素子５０を備える。照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、光学素子４０、及び切替素子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、配向制御素子３０、光学素子４０、及び切替素子５０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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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、その画面に所望の画像を表示する。
【0026】
配向制御素子３０は、不要光を低減する機能を有する。不要光とは、空中像を生成するのに寄与しない光成分であり、法線方向に光学素子４０を透過する光成分を含む。配向制御素子３０は、法線方向に対して角度θ１の斜め方向を中心として所定の角度範囲の光成分を透過するとともに、上記角度範囲以外の光成分を遮光するように構成される。配向制御素子３０の面積は、表示素子２０の面積とほぼ同じに設定される。配向制御素子３０の詳細な構成については後述する。
【0027】
光学素子４０は、底面側から入射した光を上面側に反射する。また、光学素子４０は、底面側から斜めに入射した入射光を、例えば正面方向（法線方向）に反射する。光学素子４０の面積は、表示素子２０の面積以上に設定される。光学素子４０の詳細な構成については後述する。光学素子４０は、空中に空中像２を結像する。空中像２は、光学素子４０の素子面に平行であり、２次元の画像である。素子面とは、光学素子４０が面内方向に広がる仮想的な平面を言う。素子面は、面内と同じ意味である。その他の素子の素子面についても同様の意味である。光学素子４０の正面にいる観察者３は、空中像２を視認することができる。
【0028】
切替素子５０は、空中表示装置１の上方の空中に空中像を表示する第１表示モードと、表示素子２０の画面に表示された画像を表示する第２表示モードとを切り替える機能を有する。切替素子５０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。切替素子５０は、複数の要素画素の各々に対して、光を透過する透過状態と、光を遮光する遮光状態とに設定可能である。本実施形態では、切替素子５０による表示モードの切り替えにより、観察者３に視認される表示像の奥行き位置を切り替えることが可能である。切替素子５０の面積は、光学素子４０の面積とほぼ同じに設定される。切替素子５０の詳細な構成については後述する。
【0029】
【0030】
基材３１は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。基材３１は、光を透過する。
【0031】
基材３１上には、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の透明部材３３が設けられる。また、基材３１上には、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の遮光部材３４が設けられる。複数の透明部材３３と複数の遮光部材３４とは、隣接するもの同士が接するようにして交互に配置される。
【0032】
複数の透明部材３３及び複数の遮光部材３４上には、基材３２が設けられる。基材３２は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。基材３２は、光を透過する。
【0033】
透明部材３３は、ＸＺ面において、基材３１の法線方向に対して角度θ１の斜め方向に延びる。透明部材３３は、ＸＺ面において、側面が角度θ１だけ傾いた平行四辺形である。透明部材３３は、光を透過する。
【0034】
遮光部材３４は、ＸＺ面において、基材３１の法線方向に対して角度θ１の斜め方向に延びる。遮光部材３４は、ＸＺ面において、側面が角度θ１だけ傾いた平行四辺形である。遮光部材３４は、光を遮光する。遮光部材３４の厚みは、透明部材３３の厚みより薄く設定される。
【0035】
隣接する２個の遮光部材３４は、Ｚ方向において互いの端部が若干重なるように配置される。
【0036】
基材３１、３２、及び透明部材３３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３４としては、例えば、黒色の染料又は顔料が混入された樹脂が用いられる。
【0037】
なお、基材３１、３２の一方又は両方を省略して、配向制御素子３０を構成してもよい。複数の透明部材３３と複数の遮光部材３４とが交互に配置されていれば、配向制御素子３０の機能を実現できる。
【0038】
このように構成された配向制御素子３０は、法線方向に対して角度θ１の斜め方向の光強度がピークになるように、表示光を透過することができる。例えば、配向制御素子３０は、法線方向に対して３０°±３０°の範囲以外の光成分を遮光するように構成される。望ましくは、配向制御素子３０は、法線方向に対して３０°±２０°の範囲以外の光成分を遮光するように構成される。
【0039】
なお、変形例として、配向制御素子３０は、照明素子１０と表示素子２０との間に配置してもよい。また、配向制御素子３０を省略して、空中表示装置１を構成してもよい。
【0040】
【0041】
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。
【0042】
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。また、隣接する光学要素４２は、一定の間隔を空けて配置される。
【0043】
光学要素４２が配置される領域を第１領域Ｓａと呼び、光学要素４２が配置されない領域を第２領域Ｓｂと呼ぶ。複数の第１領域Ｓａと複数の第２領域Ｓｂとは交互に配置される。例えば、第１領域ＳａのＸ方向の長さは、第２領域ＳｂのＸ方向の長さと同じである。この構成に限定されず、第１領域ＳａのＸ方向の長さは、第２領域ＳｂのＸ方向の長さと異なっていてもよい。
【0044】
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。
【0045】
光学素子４０の第２領域Ｓｂは、隣接する光学要素４２の間隔の部分に対応する。第２領域Ｓｂにおける光学素子４０の底面は、平面４５で構成される。平面４５は、ＸＹ面に水平な面である。
【0046】
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、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。
【0047】
光学素子４０の第１領域Ｓａは、光学素子４０の下側から入射した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の第１領域Ｓａは、素子面の正面の位置に、空中像を結像する。
【0048】
光学素子４０の第２領域Ｓｂは、光学素子４０の下側から入射した光を反射せずに透過する。光学素子４０の第２領域Ｓｂでは、空中像を結像することなく、表示素子２０の画面に表示された平面像がそのまま観察者に視認される。平面像とは、表示素子２０の画面に表示された画像を意味する。
【0049】
［１－１－３］ 切替素子５０の構成
図５は、図１に示した切替素子５０の部分平面図である。図５には、光学素子４０と切替素子５０との対応関係が理解できるように、光学素子４０の部分側面図も示している。なお、前述した図４には、切替素子５０の側面図も示している。図４の構成例では、切替素子５０は、光学素子４０の上面に接している。
図５は、図１に示した切替素子５０の部分平面図である。図５には、光学素子４０と切替素子５０との対応関係が理解できるように、光学素子４０の部分側面図も示している。なお、前述した図４には、切替素子５０の側面図も示している。図４の構成例では、切替素子５０は、光学素子４０の上面に接している。
【0050】
切替素子５０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５１ａ、５１ｂを備える。複数の要素画素５１ａと複数の要素画素５１ｂとは交互に配置される。複数の要素画素５１ａ、５１ｂの各々は、例えば複数の画素で構成される。
【0051】
複数の要素画素５１ａはそれぞれ、光学素子４０の複数の第１領域Ｓａの上方に配置される。要素画素５１ａのＸ方向の長さ及びＹ方向の長さはそれぞれ、第１領域ＳａのＸ方向の長さ及びＹ方向の長さと同じである。複数の要素画素５１ｂはそれぞれ、光学素子４０の複数の第２領域Ｓｂの上方に配置される。要素画素５１ｂのＸ方向の長さ及びＹ方向の長さはそれぞれ、第２領域ＳｂのＸ方向の長さ及びＹ方向の長さと同じである。
【0052】
切替素子５０は、複数の要素画素５１ａ、５１ｂの各々に対して、光を透過する透過状態と、光を遮光する遮光状態とに設定可能である。
【0053】
切替素子５０は、液晶素子で構成することが可能である。液晶素子は、偏光板を備え、画素ごとに、光を透過する透過状態と、光を遮光する遮光状態とに設定可能である。
【0054】
また、切替素子５０は、エレクトロクロミック素子、又は高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ：Polymer Dispersed Liquid Crystal）素子で構成してもよい。
【0055】
また、他の構成例として、切替素子５０は、複数の要素画素の領域に１つ置きに配置された複数の遮光板を有する。そして、複数の遮光板を１要素画素分だけ一斉にずらすことで、機械的に透過領域と遮光領域との位置を切り替えてもよい。
【0056】
［１－１－４］ 空中表示装置１のブロック構成
図６は、空中表示装置１のブロック図である。空中表示装置１は、制御部６０、記憶部６１、入出力インターフェース（入出力ＩＦ）６２、表示部６３、及び入力部６４を備える。制御部６０、記憶部６１、及び入出力インターフェース６２は、バス６５を介して互いに接続される。
図６は、空中表示装置１のブロック図である。空中表示装置１は、制御部６０、記憶部６１、入出力インターフェース（入出力ＩＦ）６２、表示部６３、及び入力部６４を備える。制御部６０、記憶部６１、及び入出力インターフェース６２は、バス６５を介して互いに接続される。
【0057】
入出力インターフェース６２は、表示部６３、及び入力部６４に接続される。入出力インターフェース６２は、表示部６３、及び入力部６４のそれぞれに対して、所定の規格に応じたインターフェース処理を行う。
【0058】
表示部６３は、照明素子１０、表示素子２０、及び切替素子５０を備える。表示部６３は、画像を表示する。
【0059】
制御部６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の１つ以上のプロセッサにより構成される。制御部６０は、記憶部６１に格納されたプログラムを実行することで各種機能を実現する。制御部６０は、表示処理部６０Ａ、及び情報処理部６０Ｂを備える。
【0060】
表示処理部６０Ａは、表示部６３（具体的には、照明素子１０、表示素子２０、及び切替素子５０）の動作を制御する。表示処理部６０Ａは、照明素子１０のオン及びオフを制御する。表示処理部６０Ａは、表示素子２０に画像信号を送信し、表示素子２０に画像を表示させる。表示処理部６０Ａは、表示モードに応じて、切替素子５０の要素画素５１ａ、５１ｂを透過状態又は遮光状態に設定する。
【0061】
情報処理部６０Ｂは、空中表示装置１が表示する画像を生成する。情報処理部６０Ｂは、記憶部６１に格納された画像データを用いることが可能である。情報処理部６０Ｂは、図示せぬ通信機能を用いて外部から画像データを取得してもよい。
【0062】
記憶部６１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、及びＳＳＤ（Solid State Drive）等の不揮発性記憶装置と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びレジスタ等の揮発性記憶装置とを含む。記憶部６１は、制御部６０が実行するプログラムを格納する。記憶部６１は、制御部６０の制御に必要な各種データを格納する。さらに、記憶部６１は、空中表示装置１が表示する画像のデータを格納する。
【0063】
入力部６４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６０Ｂは、入力部６４が受け付けた情報に基づいて、表示部６３に表示する画像を選択することが可能である。
【0064】
［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。
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。
【0065】
［１－２－１］ 空中像２の表示動作
まず、空中像２の表示動作について説明する。
図２の矢印は、光路を示している。図２に示すように、表示素子２０の任意の点“ｏ”から出射された光は、配向制御素子３０に入射する。表示素子２０から出射された光のうち角度θ１の光成分（角度θ１を中心とした所定の角度範囲の光成分を含む）は、配向制御素子３０を透過する。配向制御素子３０を透過した光は、光学素子４０に入射する。光学素子４０は、入射光を、配向制御素子３０と反対側の空中に結像し、空中に空中像２を表示する。
まず、空中像２の表示動作について説明する。
図２の矢印は、光路を示している。図２に示すように、表示素子２０の任意の点“ｏ”から出射された光は、配向制御素子３０に入射する。表示素子２０から出射された光のうち角度θ１の光成分（角度θ１を中心とした所定の角度範囲の光成分を含む）は、配向制御素子３０を透過する。配向制御素子３０を透過した光は、光学素子４０に入射する。光学素子４０は、入射光を、配向制御素子３０と反対側の空中に結像し、空中に空中像２を表示する。
【0066】
図７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８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８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９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９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。
【0067】
表示素子２０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反射面４４に到達した光は、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。
【0068】
図８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。
【0069】
図９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。
【0070】
すなわち、観察者３が空中像を視認できる条件は、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。
【0071】
図１０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。
【0072】
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）
【0073】
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）
【0074】
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）
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
［１－２－２］ ２種類の表示モード
次に、２種類の表示モードにおける動作について説明する。空中表示装置１は、空中像２を表示する第１表示モードと、表示素子２０の画面の平面像を表示する第２表示モードとの２種類の表示モードを実行することが可能である。表示モードの切り替えは、切替素子５０を用いて行われる。
次に、２種類の表示モードにおける動作について説明する。空中表示装置１は、空中像２を表示する第１表示モードと、表示素子２０の画面の平面像を表示する第２表示モードとの２種類の表示モードを実行することが可能である。表示モードの切り替えは、切替素子５０を用いて行われる。
【0079】
図１１は、空中像２を表示する第１表示モードを説明するための空中表示装置１の部分側面図である。
第１表示モードにおいて、切替素子５０は、第１領域Ｓａに対応する要素画素５１ａを透過状態に設定し、第２領域Ｓｂに対応する要素画素５１ｂを遮光状態に設定する。図１１において、遮光状態の要素画素に斜線ハッチングを付している。
第１表示モードにおいて、切替素子５０は、第１領域Ｓａに対応する要素画素５１ａを透過状態に設定し、第２領域Ｓｂに対応する要素画素５１ｂを遮光状態に設定する。図１１において、遮光状態の要素画素に斜線ハッチングを付している。
【0080】
表示素子２０は、自身の画面に画像を表示する。表示素子２０から配向制御素子３０を介して光学素子４０に入射した光のうち第１領域Ｓａの光成分は、光学素子４０の光学要素４２で反射されて、切替素子５０の第１領域Ｓａを透過する。切替素子５０の第１領域Ｓａを透過した光成分は、図１１に示した表示面Ａｉの位置に空中像２を生成する。
【0081】
表示素子２０から配向制御素子３０を介して光学素子４０に入射した光のうち第２領域Ｓｂの光成分（光学素子４０の平面４５に入射した光成分）は、光学素子４０を透過し、切替素子５０の第２領域Ｓｂで遮光される。よって、光学素子４０に入射した光のうち第２領域Ｓｂの光成分は、空中像２の表示に寄与しない。
【0082】
図１２は、表示素子２０の画面の平面像を表示する第２表示モードを説明するための空中表示装置１の部分側面図である。
第２表示モードにおいて、切替素子５０は、第１領域Ｓａに対応する要素画素５１ａを遮光状態に設定し、第２領域Ｓｂに対応する要素画素５１ｂを透過状態に設定する。図１２において、遮光状態の要素画素に斜線ハッチングを付している。
第２表示モードにおいて、切替素子５０は、第１領域Ｓａに対応する要素画素５１ａを遮光状態に設定し、第２領域Ｓｂに対応する要素画素５１ｂを透過状態に設定する。図１２において、遮光状態の要素画素に斜線ハッチングを付している。
【0083】
表示素子２０は、自身の画面に画像を表示する。表示素子２０から配向制御素子３０を介して光学素子４０に入射した光のうち第１領域Ｓａの光成分は、光学素子４０の光学要素４２で反射され、切替素子５０の第１領域Ｓａで遮光される。よって、光学素子４０により空中像は結像されない。
【0084】
表示素子２０から配向制御素子３０を介して光学素子４０に入射した光のうち第２領域Ｓｂの光成分（光学素子４０の平面４５に入射した光成分）は、光学素子４０を透過し、切替素子５０の第２領域Ｓｂを透過する。切替素子５０の第２領域Ｓｂを透過した光成分は、観察者３にそのまま視認される。よって、図１２に示した表示面Ｂｉの位置に平面像２１が表示される。
【0085】
このように、空中表示装置１は、第１表示モードにおいて、空中表示装置１の上方の表示面Ａｉの位置に空中像２を表示することができる。また、空中表示装置１は、第２表示モードにおいて、表示素子２０の画面に対応する表示面Ｂｉの位置に平面像２１を表示することができる。
【0086】
図１３は、空中表示装置１の表示動作を説明するフローチャートである。
情報処理部６０Ｂは、空中表示装置１が表示する画像データを選択する（ステップＳ１００）。例えば、情報処理部６０Ｂは、初期値として設定された画像データに関する情報を記憶部６１から読み出し、この読み出した情報に基づいて、記憶部６１から画像データを読み出す。情報処理部６０Ｂは、入力部６４を用いてユーザが入力した情報に基づいて、記憶部６１から画像データを読み出してもよい。情報処理部６０Ｂは、通信機能を用いて外部から送信された画像データを選択してもよい。
情報処理部６０Ｂは、空中表示装置１が表示する画像データを選択する（ステップＳ１００）。例えば、情報処理部６０Ｂは、初期値として設定された画像データに関する情報を記憶部６１から読み出し、この読み出した情報に基づいて、記憶部６１から画像データを読み出す。情報処理部６０Ｂは、入力部６４を用いてユーザが入力した情報に基づいて、記憶部６１から画像データを読み出してもよい。情報処理部６０Ｂは、通信機能を用いて外部から送信された画像データを選択してもよい。
【0087】
続いて、表示処理部６０Ａは、空中表示（第１表示モード）が選択されたか否か、すなわち、第１表示モード及び第２表示モードのどちらが選択されたかを判定する（ステップＳ１０１）。例えば、表示処理部６０Ａは、初期値として設定された表示モードに関する情報を記憶部６１から読み出し、この読み出した情報に基づいて、表示モードを判定する。表示処理部６０Ａは、入力部６４を用いてユーザが入力した情報に基づいて、表示モードを判定してもよい。
【0088】
続いて、第１表示モードが選択された場合（ステップＳ１０１＝Ｙｅｓ）、表示処理部６０Ａは、切替素子５０の要素画素５１ｂを遮光状態に設定し、切替素子５０の要素画素５１ａを透過状態に設定する（ステップＳ１０２）。
【0089】
続いて、表示処理部６０Ａは、ステップＳ１００で選択した画像を、表示素子２０に表示する（ステップＳ１０３）。これにより、光学素子４０の光学要素４２で反射された光成分が空中で結像し、空中像２が表示される。
【0090】
一方、第２表示モードが選択された場合（ステップＳ１０１＝Ｎｏ）、表示処理部６０Ａは、切替素子５０の要素画素５１ａを遮光状態に設定し、切替素子５０の要素画素５１ｂを透過状態に設定する（ステップＳ１０４）。
【0091】
続いて、表示処理部６０Ａは、ステップＳ１００で選択した画像を、表示素子２０に表示する（ステップＳ１０３）。これにより、光学素子４０の第２領域Ｓｂを透過した光成分が観察者３に視認され、表示素子２０の画面に表示された平面像２１が観察者３に視認される。
【0092】
［１－３］ 変形例
変形例として、表示素子２０に表示される画像のうち一部の領域を第１表示モードで表示し、他の一部の領域を第２表示モードで表示するようにしてもよい。
変形例として、表示素子２０に表示される画像のうち一部の領域を第１表示モードで表示し、他の一部の領域を第２表示モードで表示するようにしてもよい。
【0093】
表示処理部６０Ａは、空中像を表示する領域において、切替素子５０の要素画素５１ｂを遮光状態に設定し、切替素子５０の要素画素５１ａを透過状態に設定する。また、表示処理部６０Ａは、表示素子２０の画像を表示する領域において、切替素子５０の要素画素５１ａを遮光状態に設定し、切替素子５０の要素画素５１ｂを透過状態に設定する。
【0094】
変形例によれば、表示素子２０に表示された画像のうち一部の画像を空中像として表示し、他の一部の画像を表示素子２０の画面に表示することができる。
【0095】
［１－４］ 第１実施形態の効果
第１実施形態によれば、空中表示装置１は、第１表示モードと第２表示モードとの２種類の表示モードを実行することができる。空中表示装置１は、第１表示モードにおいて、空中表示装置１の上方の表示面Ａｉの位置に空中像２を表示することができる。空中表示装置１は、第２表示モードにおいて、表示素子２０の画面に対応する表示面Ｂｉの位置に平面像２１を表示することができる。また、空中表示装置１は、奥行き方向において異なる２つの位置にそれぞれ２次元の画像を表示することができる。
第１実施形態によれば、空中表示装置１は、第１表示モードと第２表示モードとの２種類の表示モードを実行することができる。空中表示装置１は、第１表示モードにおいて、空中表示装置１の上方の表示面Ａｉの位置に空中像２を表示することができる。空中表示装置１は、第２表示モードにおいて、表示素子２０の画面に対応する表示面Ｂｉの位置に平面像２１を表示することができる。また、空中表示装置１は、奥行き方向において異なる２つの位置にそれぞれ２次元の画像を表示することができる。
【0096】
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４０で反射させることで、空中に空中像を表示することができる。また、空中表示装置１は、その正面方向において、光学素子４０の素子面に平行に空中像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。
【0097】
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。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。
【0098】
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。
【0099】
［２］ 第２実施形態
第２実施形態は、切替素子５０をマトリクス状に配置された複数の画素で構成し、画素ごとに透過状態と遮光状態とを切り替えるようにしている。
第２実施形態は、切替素子５０をマトリクス状に配置された複数の画素で構成し、画素ごとに透過状態と遮光状態とを切り替えるようにしている。
【0100】
【0101】
切替素子５０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５１ａ、５１ｂを備える。複数の要素画素５１ａと複数の要素画素５１ｂとは交互に配置される。
【0102】
各要素画素５１ａは、Ｙ方向に並んだ複数の画素５２ａを備える。各要素画素５１ｂは、Ｙ方向に並んだ複数の画素５２ｂを備える。すなわち、複数の画素５２ａ、５２ｂは、マトリクス状に配置される。複数の画素５２ａ、５２ｂの各々は、例えば正方形を有する。切替素子５０は、複数の画素５２ａ、５２ｂの各々に対して、光を透過する透過状態と光を遮光する遮光状態とに設定可能である。
【0103】
表示処理部６０Ａは、空中像を表示する領域において、切替素子５０の画素５２ｂを遮光状態に設定し、切替素子５０の画素５２ａを透過状態に設定する。また、表示処理部６０Ａは、表示素子２０の画像を表示する領域において、切替素子５０の画素５２ａを遮光状態に設定し、切替素子５０の画素５２ｂを透過状態に設定する。
【0104】
第２実施形態によれば、表示素子２０に表示された画像のうち一部の画像を空中像として表示し、他の一部の画像を表示素子２０の画面に表示することができる。さらに、Ｙ方向に隣接するようにして、空中像と平面像（表示素子２０の画面に表示される画像）とを表示することができる。
【0105】
［３］ 第３実施形態
第３実施形態は、第２表示モードにおいて、配向制御素子３０から斜めに出射された光を、光拡散素子７０を用いて拡散させるようにしている。
第３実施形態は、第２表示モードにおいて、配向制御素子３０から斜めに出射された光を、光拡散素子７０を用いて拡散させるようにしている。
【0106】
図１５は、本発明の第３実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。空中表示装置１は、光拡散素子７０をさらに備える。光拡散素子７０は、配向制御素子３０と光学素子４０との間に配置される。
【0107】
光拡散素子７０は、全面において、光を透過する透過状態と、光を拡散する拡散状態とに設定可能である。なお、光拡散素子７０の全面とは、光変調領域全体を意味し、光拡散素子７０を駆動する回路が配置される周辺領域が存在する場合、この周辺領域は除かれる。光拡散素子７０の面積は、配向制御素子３０の面積とほぼ同じに設定される。光拡散素子７０は、例えば高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）素子で構成される。
【0108】
光拡散素子７０は、第１表示モードにおいて、全面が透過状態に設定され、第２表示モードにおいて、全面が拡散状態に設定される。表示処理部６０Ａは、第１表示モードにおいて、光拡散素子７０を透過状態に設定し、第２表示モードにおいて、光拡散素子７０を拡散状態に設定する。
【0109】
第３実施形態によれば、配向制御素子３０から斜めに出射された光を、光拡散素子７０で拡散することができる。これにより、空中表示装置１を見る角度に依存して表示像が劣化するのを抑制することができる。また、第２表示モードにおいて、表示像の品質を向上させることができる。
【0110】
［４］ 第４実施形態
第４実施形態では、光学素子４０は、空中像の結像に不要な光成分を吸収する吸収層４７をさらに備える。そして、配向制御素子３０を省略して空中表示装置１を構成するようにしている。
第４実施形態では、光学素子４０は、空中像の結像に不要な光成分を吸収する吸収層４７をさらに備える。そして、配向制御素子３０を省略して空中表示装置１を構成するようにしている。
【0111】
図１６は、本発明の第４実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。空中表示装置１は、照明素子１０、表示素子２０、光学素子４０、及び切替素子５０を備える。第４実施形態では、第１実施形態で示した配向制御素子３０が省略されている。照明素子１０、表示素子２０、光学素子４０、及び切替素子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、光学素子４０、及び切替素子５０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。
【0112】
図１７は、図１６に示した光学素子４０のＸ方向に沿った部分断面図である。
光学要素４２の反射面４４には、反射層４６が設けられる。反射層４６は、反射面４４の全体を覆うように構成される。反射層４６は、光を反射する機能を有する。反射層４６は、反射率の高い材料で構成される。反射層４６としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、又はこれらの１つを含む合金が用いられる。
光学要素４２の反射面４４には、反射層４６が設けられる。反射層４６は、反射面４４の全体を覆うように構成される。反射層４６は、光を反射する機能を有する。反射層４６は、反射率の高い材料で構成される。反射層４６としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、又はこれらの１つを含む合金が用いられる。
【0113】
反射層４６上には、吸収層４７が設けられる。吸収層４７は、反射層４６の全体を覆うように構成される。吸収層４７は、光を吸収する機能を有する。吸収層４７は、光吸収率が高い材料で構成される。吸収層４７としては、例えば、黒色の染料又は顔料が混入された樹脂が用いられる。
【0114】
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１８は、空中表示装置１の動作を説明する側面図である。図１９は、光学素子４０の動作を説明する部分側面図である。図１８及び図１９の矢印は、光路を示している。
【0115】
表示素子２０の点“ｏ”から放射状に光が出射される。表示素子２０から出射された光のうち角度θ１の光成分（角度θ１を中心とした所定の角度範囲の光成分を含む）は、光学要素４２の入射面４３に入射する。入射面４３に入射して反射面４４に到達した光は、反射面４４及び反射層４６で反射される。また、反射層４６の存在により、反射面４４に到達した光は、より確実に反射される。
【0116】
一方、光学素子４０の外から吸収層４７に直接入射する光は、吸収層４７で吸収される。具体的には、光学素子４０に入射する光のうち、光学素子４０の素子面に垂直な方向（Ｚ方向）を基準にして入射面４３が傾く側の光成分は、吸収層４７で吸収される。吸収層４７に直接入射する光は、光学素子４０によって反射されず、観察者３に視認されない。
【0117】
このように、光学素子４０は、空中像２を生成するための光のみを反射し、それ以外の光を反射しないように機能する。すなわち、光学素子４０は、空中像２の生成に寄与しない不要光を遮光することができる。
【0118】
切替素子５０の動作は、第１実施形態と同じである。
【0119】
第４実施形態によれば、配向制御素子３０を省略して空中表示装置１を構成することができる。これにより、Ｚ方向により小型化が可能な空中表示装置１を実現できる。
【0120】
［５］ 第５実施形態
第５実施形態は、光学素子４０を用いて空中像を表示しつつ、観察者に対して光学素子４０の向きを変えることで、第１表示モードと第２表示モードとを実行するようにしている。
第５実施形態は、光学素子４０を用いて空中像を表示しつつ、観察者に対して光学素子４０の向きを変えることで、第１表示モードと第２表示モードとを実行するようにしている。
【0121】
【0122】
空中表示装置１は、照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、光学素子４０、及び回転機構８０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。
【0123】
回転機構８０は、照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、及び光学素子４０からなるユニットを、ＸＹ平面において９０度回転させる機能を有する。回転機構８０は、照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、及び光学素子４０を纏めて固定する固定部材（図示せず）に取り付けられ、この固定部材を回転させることで、上記ユニットを一斉に回転させる。又は、照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、及び光学素子４０からなるユニットが互いに固定され、回転機構８０は、上記ユニットの最下層の照明素子１０に取り付けられる。そして、回転機構８０は、照明素子１０を回転させることで、上記ユニットを一斉に回転させる。
【0124】
【0125】
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。
【0126】
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の各々の構成は、第１実施形態と同じである。複数の光学要素４２は、Ｘ方向に並んで配置され、また、隣接するもの同士が接するように配置される。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。
【0127】
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、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。
【0128】
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。
【0129】
［５－１－２］ 空中表示装置１のブロック構成
図２３は、空中表示装置１のブロック図である。
図２３は、空中表示装置１のブロック図である。
【0130】
表示部６３は、照明素子１０、及び表示素子２０を備える。表示部６３は、画像を表示する。
【0131】
入出力インターフェース６２は、回転機構８０に接続される。入出力インターフェース６２は、回転機構８０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。
【0132】
表示処理部６０Ａは、表示部６３（具体的には、照明素子１０、及び表示素子２０）の動作を制御する。表示処理部６０Ａは、照明素子１０のオン及びオフを制御する。表示処理部６０Ａは、表示素子２０に画像信号を送信し、表示素子２０に画像を表示させる。
【0133】
制御部６０は、回転駆動部６０Ｃをさらに備える。回転駆動部６０Ｃは、回転機構８０を回転させる。回転駆動部６０Ｃは、第１表示モードが選択された場合、回転機構８０を用いて、ユニット（照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、及び光学素子４０）を第１表示モードの位置（光学素子４０のＸ方向が観察者３の両目と平行になる位置）に回転させる。回転駆動部６０Ｃは、第２表示モードが選択された場合、回転機構８０を用いて、上記ユニットを第２表示モードの位置（光学素子４０のＹ方向が観察者３の両目と平行になる位置）に回転させる。
【0134】
その他の構成は、第１実施形態と同じである。
【0135】
［５－２］ 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。
【0136】
［５－２－１］ 空中像２の表示動作
図２１の矢印は、光路を示している。図２１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３０に入射する。表示素子２０から出射された光のうち角度θ１の光成分（角度θ１を中心とした所定の角度範囲の光成分を含む）は、配向制御素子３０を透過する。配向制御素子３０を透過した光は、光学素子４０に入射する。光学素子４０は、入射光を、配向制御素子３０と反対側の空中に結像し、空中に空中像２を表示する。
図２１の矢印は、光路を示している。図２１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３０に入射する。表示素子２０から出射された光のうち角度θ１の光成分（角度θ１を中心とした所定の角度範囲の光成分を含む）は、配向制御素子３０を透過する。配向制御素子３０を透過した光は、光学素子４０に入射する。光学素子４０は、入射光を、配向制御素子３０と反対側の空中に結像し、空中に空中像２を表示する。
【0137】
図２４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２５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２５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。
【0138】
表示素子２０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反射面４４に到達した光は、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。図２５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。
【0139】
光学素子４０における光の反射の様子を説明するＹＺ面の側面図は、第１実施形態で説明した図９と同じである。図９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９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。
【0140】
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。
【0141】
［５－２－２］ ２種類の表示モード
次に、２種類の表示モードにおける動作について説明する。空中表示装置１は、空中像２を表示する第１表示モードと、表示素子２０の画面に平面像を表示する第２表示モードとの２種類の表示モードを実行することが可能である。表示モードの切り替えは、回転機構８０を用いて行われる。
次に、２種類の表示モードにおける動作について説明する。空中表示装置１は、空中像２を表示する第１表示モードと、表示素子２０の画面に平面像を表示する第２表示モードとの２種類の表示モードを実行することが可能である。表示モードの切り替えは、回転機構８０を用いて行われる。
【0142】
図２６は、空中像２を表示する第１表示モードを説明するための空中表示装置１の斜視図である。
第１表示モードにおいて、回転機構８０は、光学素子４０のＸ方向が観察者３の両目と平行になるように、照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、及び光学素子４０からなるユニットを回転させる。
第１表示モードにおいて、回転機構８０は、光学素子４０のＸ方向が観察者３の両目と平行になるように、照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、及び光学素子４０からなるユニットを回転させる。
【0143】
表示素子２０は、自身の画面に画像を表示する。第１表示モードにおいて、表示素子２０から配向制御素子３０を介して光学素子４０に入射した光成分は、光学素子４０の光学要素４２で反射される。そして、空中表示装置１は、図２６に示した表示面Ａｉの位置に空中像２を表示する。
【0144】
図２７は、表示素子２０の画面に平面像を表示する第２表示モードを説明するための空中表示装置１の斜視図である。
第２表示モードにおいて、回転機構８０は、光学素子４０のＹ方向が観察者３の両目と平行になるように、上記ユニットを回転させる。
第２表示モードにおいて、回転機構８０は、光学素子４０のＹ方向が観察者３の両目と平行になるように、上記ユニットを回転させる。
【0145】
表示素子２０は、自身の画面に画像を表示する。第２表示モードにおいて、表示素子２０から配向制御素子３０を介して光学素子４０に入射した光成分は、光学素子４０を透過する。第２表示モードでは、光学素子４０により空中像は結像されない。そして、空中表示装置１は、図２７に示した表示面Ｂｉの位置に平面像２１を表示する。
【0146】
このように、空中表示装置１は、第１表示モードにおいて、空中表示装置１の上方の表示面Ａｉの位置に空中像２を表示することができる。また、空中表示装置１は、第２表示モードにおいて、表示素子２０の画面に対応する表示面Ｂｉの位置に平面像２１を表示することができる。
【0147】
図２８は、空中表示装置１の表示動作を説明するフローチャートである。ステップＳ１００及びＳ１０１の動作は、第１実施形態と同じである。
【0148】
続いて、第１表示モードが選択された場合（ステップＳ１０１＝Ｙｅｓ）、回転駆動部６０Ｃは、回転機構８０を用いて、上記ユニットを第１表示モードの位置に回転させる（ステップＳ２００）。すなわち、回転駆動部６０Ｃは、光学素子４０のＸ方向が観察者３の両目と平行になるように、上記ユニットを回転させる。
【0149】
続いて、表示処理部６０Ａは、ステップＳ１００で選択した画像を、表示素子２０に表示する（ステップＳ１０３）。これにより、光学素子４０の光学要素４２で反射された光成分が空中で結像し、空中像２が表示される。
【0150】
一方、第２表示モードが選択された場合（ステップＳ１０１＝Ｎｏ）、回転駆動部６０Ｃは、回転機構８０を用いて、上記ユニットを第２表示モードの位置に回転させる（ステップＳ２０１）。すなわち、回転駆動部６０Ｃは、光学素子４０のＹ方向が観察者３の両目と平行になるように、上記ユニットを回転させる。
【0151】
続いて、表示処理部６０Ａは、ステップＳ１００で選択した画像を、表示素子２０に表示する（ステップＳ１０３）。これにより、光学素子４０を透過した光成分が観察者３に視認され、表示素子２０の画面に表示された平面像２１が観察者３に視認される。
【0152】
［５－３］ 第５実施形態の効果
第５実施形態によれば、第１実施形態と同様に、空中表示装置１は、奥行き方向において異なる２つの位置にそれぞれ２次元の画像を表示することができる。
第５実施形態によれば、第１実施形態と同様に、空中表示装置１は、奥行き方向において異なる２つの位置にそれぞれ２次元の画像を表示することができる。
【0153】
なお、第５実施形態に、第３実施形態及び第４実施形態を適用することも可能である。
【0154】
［６］ 第６実施形態
第６実施形態は、第５実施形態の変形例である。
第６実施形態は、第５実施形態の変形例である。
【0155】
図２９は、本発明の第６実施形態に係る空中表示装置１の動作を説明する図である。図２９の横軸は、回転機構８０による回転角度（度）であり、縦軸は、知覚される像の高さである。回転角度は、第１表示モードにおける表示面Ａｉを０度、第２表示モードにおける表示面Ｂｉを９０度とする。
【0156】
空中表示装置１の基本的な構成は、第５実施形態と同じである。回転機構８０は、照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、及び光学素子４０からなるユニットを０度から９０度の範囲で回転可能である。
【0157】
図２９に示すように、知覚される像の高さは、回転角度の変化に応じて線形で変化する。本実施形態では、一例として、回転角度が４５度の場合に、光学素子４０の上面（すなわち、空中表示装置１の最上面）に像が表示されるように、照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、及び光学素子４０のＺ方向の位置関係が設定される。
【0158】
第３表示モードが選択された場合、回転駆動部６０Ｃは、回転機構８０を用いて、上記ユニットを第３表示モードの位置、すなわち、回転角度が４５度の位置に回転させる。これにより、空中表示装置１の最上面に表示された像が観察者に視認される。視認される画像の向きは、表示素子２０に表示する画像の向きに基づいて調整可能である。
【0159】
なお、第３表示モードにおける回転角度は、０度より大きく９０度より小さい角度範囲の任意の角度に設定することが可能である。これに応じて、第３表示モードにおける像の高さは、図２９の関係を有する特定の位置に設定される。
【0160】
［７］ 変形例
上記実施形態では、表示素子２０と光学素子４０とを平行に配置している。しかし、これに限定されず、光学素子４０に対して表示素子２０を斜めに配置してもよい。表示素子２０と光学素子４０との角度は、０度より大きく４５度より小さい範囲に設定される。この変形例では、配向制御素子３０を省略できる。
上記実施形態では、表示素子２０と光学素子４０とを平行に配置している。しかし、これに限定されず、光学素子４０に対して表示素子２０を斜めに配置してもよい。表示素子２０と光学素子４０との角度は、０度より大きく４５度より小さい範囲に設定される。この変形例では、配向制御素子３０を省略できる。
【0161】
上記実施形態では、光学要素４２の左側の側面が入射面４３、右側の側面が反射面４４として定義している。しかし、これに限定されず、入射面４３と反射面４４とを逆に構成してもよい。この場合、実施形態で説明した空中表示装置１の作用も左右が逆になる。
【0162】
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。
【0163】
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】
【0164】
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…平面像、３０…配向制御素子、３１，３２…基材、３３…透明部材、３４…遮光部材、４０…光学素子、４１…基材、４２…光学要素、４３…入射面、４４…反射面、４５…平面、４６…反射層、４７…吸収層、５０…切替素子、５１ａ，５１ｂ…要素画素、５２ａ，５２ｂ…画素、６０…制御部、６０Ａ…表示処理部、６０Ｂ…情報処理部、６０Ｃ…回転駆動部、６１…記憶部、６２…入出力インターフェース、６３…表示部、６４…入力部、６５…バス、７０…光拡散素子、８０…回転機構。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【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】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
