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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】P2024089357
(43)【公開日】2024-07-03
(54)【発明の名称】空中表示装置
(51)【国際特許分類】
G02B 30/56 20200101AFI20240626BHJP
H10K 59/10 20230101ALI20240626BHJP
【ＦＩ】
G02B30/56
H10K59/10
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022204670
(22)【出願日】2022-12-21
(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
3K107
【Ｆターム（参考）】
2H199BA32
2H199BB08
2H199BB20
2H199BB27
2H199BB51
2H199BB53
3K107AA01
3K107BB01
3K107CC41
3K107CC43
3K107EE01
3K107EE21
3K107EE33
(57)【要約】
【課題】 小型化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、画像を表示し、光を透過することが可能なように構成された表示素子１０と、表示素子１０からの表示光を受けるように配置され、表示素子１０からの表示光を再帰反射する反射素子３０と、表示素子１０を透過した光を受けるように配置され、表示素子１０を透過した光を、表示素子１０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、画像を表示し、光を透過することが可能なように構成された表示素子１０と、表示素子１０からの表示光を受けるように配置され、表示素子１０からの表示光を再帰反射する反射素子３０と、表示素子１０を透過した光を受けるように配置され、表示素子１０を透過した光を、表示素子１０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】
画像を表示し、光を透過することが可能なように構成された表示素子と、
前記表示素子からの表示光を受けるように配置され、前記表示素子からの表示光を再帰反射する反射素子と、
前記表示素子を透過した光を受けるように配置され、前記表示素子を透過した光を、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、
を具備する空中表示装置。
前記表示素子からの表示光を受けるように配置され、前記表示素子からの表示光を再帰反射する反射素子と、
前記表示素子を透過した光を受けるように配置され、前記表示素子を透過した光を、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、
を具備する空中表示装置。
【請求項2】
前記反射素子は、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反射面を有し、
前記複数の反射面の各々は、前記第１方向及び前記第２方向を含む水平面に対して傾いている
請求項１に記載の空中表示装置。
前記複数の反射面の各々は、前記第１方向及び前記第２方向を含む水平面に対して傾いている
請求項１に記載の空中表示装置。
【請求項3】
前記反射素子は、複数の第１反射面アレイと、複数の第２反射面アレイとを有し、
前記複数の第１反射面アレイと前記複数の第２反射面アレイとは、第１方向に沿って交互に配置され、
前記複数の第１反射面アレイの各々は、前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の第１反射面を有し、
前記複数の第２反射面アレイの各々は、前記第２方向に並んだ複数の第２反射面を有し、
前記複数の第１反射面と前記複数の第２反射面とは、前記第１方向及び前記第２方向を含む水平面の法線に対して互いに異なる側に傾いている
請求項１に記載の空中表示装置。
前記複数の第１反射面アレイと前記複数の第２反射面アレイとは、第１方向に沿って交互に配置され、
前記複数の第１反射面アレイの各々は、前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の第１反射面を有し、
前記複数の第２反射面アレイの各々は、前記第２方向に並んだ複数の第２反射面を有し、
前記複数の第１反射面と前記複数の第２反射面とは、前記第１方向及び前記第２方向を含む水平面の法線に対して互いに異なる側に傾いている
請求項１に記載の空中表示装置。
【請求項4】
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。
前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線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。
【請求項5】
前記表示素子と前記反射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光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6】
前記光制御素子は、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、前記光制御素子の法線に対して傾いている
請求項５に記載の空中表示装置。
前記複数の遮光部材は、前記光制御素子の法線に対して傾いている
請求項５に記載の空中表示装置。
【請求項7】
前記表示素子、前記反射素子、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】
前記表示素子は、透明有機ＥＬ表示素子で構成される
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。
【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】
このような空中表示装置では、空中表示装置を構成する素子を収容する筐体のサイズが大きくなる。よって、既に設置されている表示装置を空中表示装置に置き換えることは難しい。
【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、小型化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、画像を表示し、光を透過することが可能なように構成された表示素子と、前記表示素子からの表示光を受けるように配置され、前記表示素子からの表示光を再帰反射する反射素子と、前記表示素子を透過した光を受けるように配置され、前記表示素子を透過した光を、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、前記反射素子は、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反射面を有し、前記複数の反射面の各々は、前記第１方向及び前記第２方向を含む水平面に対して傾いている、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、前記反射素子は、複数の第１反射面アレイと、複数の第２反射面アレイとを有し、前記複数の第１反射面アレイと前記複数の第２反射面アレイとは、第１方向に沿って交互に配置され、前記複数の第１反射面アレイの各々は、前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の第１反射面を有し、前記複数の第２反射面アレイの各々は、前記第２方向に並んだ複数の第２反射面を有し、前記複数の第１反射面と前記複数の第２反射面とは、前記第１方向及び前記第２方向を含む水平面の法線に対して互いに異なる側に傾いている、第１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。
【0011】
本発明の第５態様によると、前記表示素子と前記反射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光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。
【0012】
本発明の第６態様によると、前記光制御素子は、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、前記光制御素子の法線に対して傾いている、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、前記反射素子、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、前記表示素子は、透明有機ＥＬ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】
【0015】
本発明によれば、小型化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］ 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。
［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。
【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を構成しかつ光路上に配置された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、表示素子１０、光制御素子２０、反射素子３０、及び光学素子４０を備える。反射素子３０、光制御素子２０、表示素子１０、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。反射素子３０、光制御素子２０、表示素子１０、及び光学素子４０は、互いに特定の間隔を空けるようにして、図示せぬ固定部材で特定の位置に固定される。反射素子３０、光制御素子２０、表示素子１０、及び光学素子４０は、図示せぬ筐体に収容される。
【0021】
表示素子１０は、自発光型かつ透過型の表示素子から構成される。表示素子１０は、自ら発光する光を用いて画像又は動画を表示するとともに、自身の下側から入射する光を透過することが可能なように構成される。表示素子１０には、様々な透過型表示素子、例えば、透明有機ＥＬ（electroluminescence）表示素子、透明無機ＥＬ表示素子、又はサイドライト型のバックライトを備えた透過型液晶表示素子を用いることができる。本実施形態では、自発光型かつ透過型の表示素子の一例として、透明有機ＥＬ表示素子について説明する。
【0022】
表示素子１０は、自身の画面に特定の画像を表示する。表示素子１０は、下方向に向けて（光制御素子２０及び反射素子３０側に向けて）、表示光を出射するように配置される。また、表示素子１０は、下側から入射する光を透過する。表示素子１０の詳細な構成については後述する。
【0023】
光制御素子２０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。光制御素子２０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。光制御素子２０の面積は、表示素子１０の面積以上に設定される。光制御素子２０の詳細な構成については後述する。
【0024】
反射素子３０は、表示素子１０から出射されかつ光制御素子２０を透過した光を、再帰反射、すなわち再度光制御素子２０に向けて反射する機能を有する。反射素子３０は、光制御素子２０から斜めに入射した光を、入射方向と逆向きの斜め方向に反射する。反射素子３０の面積は、表示素子１０の面積以上に設定される。反射素子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１０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。
【0026】
［１－１－１］ 表示素子１０の構成
図３は、図１に示した表示素子１０の一部領域の断面図である。表示素子１０は、透明有機ＥＬ表示素子で構成される。前述したように、表示素子１０は、下方向に向けて表示光を出射するように配置される。
図３は、図１に示した表示素子１０の一部領域の断面図である。表示素子１０は、透明有機ＥＬ表示素子で構成される。前述したように、表示素子１０は、下方向に向けて表示光を出射するように配置される。
【0027】
表示素子１０は、マトリクス状に配置された複数の画素を有する。表示素子１０は、２個の基板１１、１２、複数のスイッチング素子１３、絶縁層１４、複数の画素電極１５、複数の有機層１６、共通電極１７、樹脂層１８、及び複数のカラーフィルタ１９を備える。
【0028】
基板１１及び基板１２の各々は、透明かつ絶縁性を有する基板（例えば、ガラス基板、又はプラスチック基板）で構成される。
【0029】
基板１１上には、複数のスイッチング素子１３が設けられる。複数のスイッチング素子１３はそれぞれ、複数の画素に対応して設けられる。スイッチング素子１３は、例えばＴＦＴ（Thin Film Transistor）で構成され、またｎチャネルＴＦＴで構成される。なお、トランジスタのソース及びドレインは、トランジスタに流れる電流の向きによって変化するが、以下の説明では、トランジスタの接続状態の一例を説明する。しかし、ソース及びドレインが名称通りに固定されるものでないことは勿論である。
【0030】
ＴＦＴ１３は、走査線として機能するゲート電極１３Ａと、ゲート電極１３Ａ上に設けられたゲート絶縁膜１３Ｂと、ゲート絶縁膜１３Ｂ上に設けられた半導体層１３Ｃと、半導体層１３Ｃを保護する保護膜１３Ｄと、半導体層１３Ｃ上に互いに離間して設けられたソース電極１３Ｅ及びドレイン電極１３Ｆとを備える。ドレイン電極１３Ｆは、信号線（図示せず）に電気的に接続される。
【0031】
ＴＦＴ１３上には、絶縁層１４が設けられる。絶縁層１４上には、複数の画素電極１５が設けられる。複数の画素電極１５はそれぞれ、複数の画素に対応して設けられる。画素電極１５は、コンタクトプラグを介して、ＴＦＴ１３のソース電極１３Ｅに電気的に接続される。
【0032】
複数の画素電極１５上にはそれぞれ、複数の有機層１６が設けられる。複数の有機層１６はそれぞれ、複数の画素に対応して設けられる。有機層１６は、光を発光する層である。複数の有機層１６上には、共通電極１７が設けられる。共通電極１７は、複数の画素に共通に設けられる。
【0033】
基板１２上には、複数のカラーフィルタ１９が設けられる。複数のカラーフィルタ１９は、複数の有機層１６に対応して設けられる。平面視において、カラーフィルタ１９は、対応する有機層１６に重なるように配置される。
【0034】
共通電極１７と複数のカラーフィルタ１９との間には、樹脂層１８が設けられる。樹脂層１８は、封止層として機能し、透明樹脂で構成される。樹脂層１８は、封止された空気層であってもよい。
【0035】
複数の画素は、赤色光を発光する赤画素と、緑色光を発光する緑画素と、青色光を発光する青画素とを含む。複数の有機層１６は、赤色光を発光する有機層と、緑色光を発光する有機層と、青色光を発光する有機層とを含む。複数のカラーフィルタは、赤フィルタ、緑フィルタ、及び青フィルタを含む。赤フィルタ、緑フィルタ、及び青フィルタはそれぞれ、赤画素、緑画素、及び青画素に配置される。赤画素、緑画素、及び青画素の配列は、任意に設定可能である。
【0036】
表示素子１０は、表示光を発光する複数の発光領域１０Ａと、透過光を透過する複数の透過領域１０Ｂとを有する。発光領域１０Ａは、画素を構成する領域である。発光領域１０Ａは、ＴＦＴ１３、画素電極１５、有機層１６、共通電極１７の一部、及びカラーフィルタ１９を含む。複数の発光領域１０Ａは、表示光（赤色光、緑色光、及び青色光を含む）を発光することが可能である。
【0037】
透過領域１０Ｂは、隣接する画素の間に配置される。透過領域１０Ｂは、光を遮光する部材を含まない。透過領域１０Ｂは、例えば表示素子１０の下側から入射する光を透過することが可能である。
【0038】
（材料の例示）
ゲート電極（走査線）１３Ａ、ソース電極１３Ｅ、ドレイン電極１３Ｆ、及び信号線としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、及びタングステン（Ｗ）のいずれか、又はこれらの１種類以上を含む合金等が用いられる。画素電極１５、及び共通電極１７は、透明電極で構成され、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。ゲート絶縁膜１３Ｂ、保護膜１３Ｄ、及び絶縁層１４としては、透明な絶縁材料が用いられ、例えばシリコン窒化物（ＳｉＮ）が用いられる。半導体層１３Ｃとしては、例えばアモルファスシリコンが用いられる。
ゲート電極（走査線）１３Ａ、ソース電極１３Ｅ、ドレイン電極１３Ｆ、及び信号線としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、及びタングステン（Ｗ）のいずれか、又はこれらの１種類以上を含む合金等が用いられる。画素電極１５、及び共通電極１７は、透明電極で構成され、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。ゲート絶縁膜１３Ｂ、保護膜１３Ｄ、及び絶縁層１４としては、透明な絶縁材料が用いられ、例えばシリコン窒化物（ＳｉＮ）が用いられる。半導体層１３Ｃとしては、例えばアモルファスシリコンが用いられる。
【0039】
【0040】
基材２１は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。基材２１は、光を透過する。
【0041】
基材２１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２３が設けられる。また、基材２１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２４が設けられる。複数の透明部材２３と複数の遮光部材２４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。
【0042】
複数の透明部材２３及び複数の遮光部材２４上には、基材２２が設けられる。基材２２は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。基材２２は、光を透過する。
【0043】
透明部材２３は、ＸＺ面において、基材２１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２３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２３は、光を透過する。
【0044】
遮光部材２４は、ＸＺ面において、基材２１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２４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２４は、光を遮光する。遮光部材２４の厚みは、透明部材２３の厚みより薄く設定される。
【0045】
隣接する２個の遮光部材２４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。
【0046】
基材２１、２２、及び透明部材２３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２４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。
【0047】
なお、基材２１、２２の一方又は両方を省略して、光制御素子２０を構成してもよい。複数の透明部材２３と複数の遮光部材２４とが交互に配置されていれば、光制御素子２０の機能を実現できる。
【0048】
このように構成された光制御素子２０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。角度θ１は、例えば１０度以上６０度以下に設定される。例えば、光制御素子２０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、光制御素子２０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。
【0049】
なお、変形例として、光制御素子２０を省略して、空中表示装置１を構成してもよい。
【0050】
【0051】
反射素子３０は、基材３１、及び反射膜３２を備える。基材３１は、樹脂、又は金属などの成形可能な材料で構成される。反射膜３２は、反射率の高い材料で構成され、例えば銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）で構成される。
【0052】
基材３１は、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の傾斜面３１Ａを有する。ＸＺ面において、複数の傾斜面３１Ａの各々は、ＸＹ面に対して角度θ２を有する。換言すると、基材３１の上部は、鋸歯状を有する。
【0053】
基材３１上には、反射膜３２が設けられる。反射膜３２は、光を反射する。反射膜３２の上面は、反射素子３０の反射面を構成する。
【0054】
反射素子３０は、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の反射面３３を有する。反射面３３は、傾斜面３１Ａと同じく、ＸＹ面に対して角度θ２を有する。角度θ２は、角度θ１と同じに設定される。角度θ２は、反射面３３における入射光と反射光とが平行になるように設定することが望ましい。角度θ２は、例えば１０度以上６０度以下に設定される。
【0055】
このように構成された反射素子３０は、斜め方向から入射した光を、入射方向と逆向きの斜め方向に反射することができる。すなわち、反射素子３０は、再帰反射を行うように機能する。
【0056】
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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、右側の側面が入射面４３であり、左側の側面が反射面４４である。入射面４３は、表示素子１０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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
［１－１－５］ 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、表示素子１０、制御部５０、記憶部５１、入出力インターフェース（入出力ＩＦ）５２、及び入力部５３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５４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、表示素子１０、制御部５０、記憶部５１、入出力インターフェース（入出力ＩＦ）５２、及び入力部５３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５４を介して互いに接続される。
【0063】
入出力インターフェース５２は、表示素子１０、及び入力部５３に接続される。入出力インターフェース５２は、表示素子１０、及び入力部５３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。
【0064】
表示素子１０は、画像を表示する。表示素子１０の構成は、前述した通りである。図示は省略するが、表示素子１０は、画素を駆動するドライバを備える。
【0065】
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。
【0066】
表示処理部５０Ａは、表示素子１０の動作を制御する。表示処理部５０Ａは、表示素子１０に画像信号を送信し、表示素子１０に画像を表示させる。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
入力部５３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５０Ｂは、入力部５３が受け付けた情報に基づいて、表示素子１０に表示する画像を選択することが可能である。
【0070】
［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。
【0071】
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１０は、図の下側の面に画像を表示し、下方向に向けて表示光を出射する。表示素子１０の任意の点“ｏ”からは、法線方向を中心として放射状に表示光が出射される。
【0072】
表示素子１０の任意の点“ｏ”から出射された光は、光制御素子２０に入射する。表示素子１０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、光制御素子２０を透過する。
【0073】
光制御素子２０を透過した光は、反射素子３０（具体的には反射素子３０の反射面３３）で反射されるとともに、入射方向と逆方向に反射される。反射素子３０における入射光と反射光とは平行であることが望ましい。
【0074】
反射素子３０によって反射された光は、光制御素子２０及び表示素子１０を透過し、光学素子４０に入射する。光学素子４０は、入射光を、表示素子１０と反対側に反射し、空中に空中像２を結像する。
【0075】
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。
【0076】
反射素子３０の任意の点“ｏ´”から出射された光（すなわち、反射素子３０の任意の点“ｏ´”で反射された光）は、光制御素子２０及び表示素子１０を透過した後、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と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。
【0077】
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。
【0078】
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。
【0079】
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。
【0080】
【0081】
Ｚ方向（素子面に垂直な方向）に対する入射面４３の角度をθ３、Ｚ方向に対する反射面４４の角度をθ４、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＝θ３＋θ４ ・・・（１）
θｐ＝θ３＋θ４ ・・・（１）
【0082】
光制御素子２０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θ５、屈折角をθ６とする。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が光学素子４０の出射角である。出射角θ１０は、以下の式（２）で表される。
θ１０＝sin－１（ｎｐ＊sin（sin－１（（１／ｎｐ）＊sin(９０°－（θ１＋θ３）））＋θ３＋２θ４－９０°）） ・・・（２）
θ１０＝sin－１（ｎｐ＊sin（sin－１（（１／ｎｐ）＊sin(９０°－（θ１＋θ３）））＋θ３＋２θ４－９０°）） ・・・（２）
【0083】
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＜θ７（＝θ８）
臨界角＝sin－１（１／ｎｐ） ・・・（３）
臨界角＜θ７（＝θ８）
臨界角＝sin－１（１／ｎｐ） ・・・（３）
【0084】
すなわち、反射面４４における入射角θ７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θ４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。
【0085】
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θ３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。
【0086】
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θ３、光学素子４０の反射面４４の角度θ４を最適に設定することで調整が可能である。
【0087】
図１２は、空中表示装置１の光線追跡図である。
表示素子１０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。表示素子１０から出射された光のうち角度θ１の斜め方向を中心とした所定の角度範囲の光成分は、光制御素子２０を透過する。光制御素子２０を透過した光は、反射素子３０で反射され、光制御素子２０及び表示素子１０を透過する。表示素子１０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。
表示素子１０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。表示素子１０から出射された光のうち角度θ１の斜め方向を中心とした所定の角度範囲の光成分は、光制御素子２０を透過する。光制御素子２０を透過した光は、反射素子３０で反射され、光制御素子２０及び表示素子１０を透過する。表示素子１０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。
【0088】
図１２から、点“ｏ´´”で光が結像している様子が理解できる。点“ｏ´´”の位置は、空中像２が表示される位置である。光学素子４０から空中像２までの距離は、表示素子１０、光制御素子２０、反射素子３０、光制御素子２０、表示素子１０、及び光学素子４０をこの順に経由する光路長に起因して決定される。
【0089】
［１－３］ 第１実施形態の効果
第１実施形態では、表示素子１０から出射された表示光は、光制御素子２０、反射素子３０、光制御素子２０、表示素子１０、及び光学素子４０をこの順に経由した後、光学素子４０の上方の空中に空中像２として結像する。
第１実施形態では、表示素子１０から出射された表示光は、光制御素子２０、反射素子３０、光制御素子２０、表示素子１０、及び光学素子４０をこの順に経由した後、光学素子４０の上方の空中に空中像２として結像する。
【0090】
第１実施形態によれば、表示素子１０から光学素子４０までの光路長を長くすることができる。これにより、空中表示装置１からより離れた位置に空中像を表示することができる。
【0091】
また、空中表示装置１内の見かけの光路長を短くすることができる。これにより、小型化が可能な空中表示装置１を実現できる。特に、空中表示装置１のＺ方向の厚さを薄くすることができる。
【0092】
また、空中表示装置１は、表示素子１０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。
【0093】
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。
【0094】
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。
【0095】
［２］ 第２実施形態
第２実施形態は、光制御素子２０の底面における光の反射を抑制するようにしている。
第２実施形態は、光制御素子２０の底面における光の反射を抑制するようにしている。
【0096】
図１３は、本発明の第２実施形態に係る空中表示装置１のＸＺ面における側面図である。空中表示装置１は、反射防止層２５をさらに備える。反射防止層２５は、光制御素子２０の底面に設けられる。
【0097】
反射防止層２５は、反射素子３０から入射する光の反射を抑制するように作用する。反射防止層２５は、例えば、透明なベースフィルム上に、ベースフィルムと屈折率の異なりかつ透明な膜が形成されて構成される。そして、２つの膜でそれぞれ反射する光の干渉を利用して、光の反射を低減するように作用する。
【0098】
第２実施形態によれば、光制御素子２０と反射素子３０との間の多重反射による不要な光を抑制することができる。これにより、空中表示装置１の表示特性を向上させることができる。その他の効果は、第１実施形態と同じである。
【0099】
［３］ 第３実施形態
第３実施形態は、反射素子３０の他の構成例である。第３実施形態では、反射素子３０による再帰反射をより効率良く行うようにしている。
第３実施形態は、反射素子３０の他の構成例である。第３実施形態では、反射素子３０による再帰反射をより効率良く行うようにしている。
【0100】
［３－１］ 空中表示装置１の構成
図１４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。反射素子３０、光制御素子２０、表示素子１０、及び光学素子４０の配置は、第１実施形態と同じである。
図１４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。反射素子３０、光制御素子２０、表示素子１０、及び光学素子４０の配置は、第１実施形態と同じである。
【0101】
図１５Ａは、図１４に示した反射素子３０の斜視図である。図１５Ｂは、図１５Ａに示した反射素子３０の平面図である。図１５Ｃは、図１５ＡのＡ部のＸＺ面における断面図である。図１５Ｃは、反射素子３０の山の稜線の断面図に対応する。図１５Ｄは、図１５ＡのＢ部のＹＺ面における断面図である。図１５Ｄは、反射素子３０の山の峰の断面図に対応する。
【0102】
反射素子３０は、基材３１、及び反射膜３２を備える。基材３１は、樹脂、又は金属などの成形可能な材料で構成される。反射膜３２は、反射率の高い材料で構成され、例えば銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）で構成される。
【0103】
基材３１上には、反射膜３２が設けられる。反射膜３２は、光を反射する。反射膜３２の上面は、反射素子３０の反射面を構成する。
【0104】
反射素子３０は、複数の第１反射面アレイ３４Ａと、複数の第２反射面アレイ３４Ｂとを有する。複数の第１反射面アレイ３４ＡはＸ方向に延び、複数の第２反射面アレイ３４ＢはＸ方向に延びる。複数の第１反射面アレイ３４Ａと、複数の第２反射面アレイ３４Ｂとは、交互に配置される。
【0105】
複数の第１反射面アレイ３４Ａの各々は、Ｘ方向に並んだ複数の第１反射面３３Ａを有する。複数の第１反射面３３Ａの各々は、ＹＺ面において角度θ１１だけ傾いている。角度θ１１は、おおよそ４５度である。ＸＺ面で見て、第１反射面３３Ａは、角度θ２だけ傾くように配置される。
【0106】
複数の第２反射面アレイ３４Ｂの各々は、Ｘ方向に並んだ複数の第２反射面３３Ｂを有する。複数の第２反射面３３Ｂの各々は、ＹＺ面において角度θ１２だけ傾いている。第２反射面３３Ｂは、第１反射面３３Ａと逆側に傾いている。角度θ１２は、おおよそ４５度である。角度θ１２は、例えば角度θ１１と同じに設定される。ＸＺ面で見て、第２反射面３３Ｂは、角度θ２だけ傾くように配置される。
【0107】
Ｙ方向に隣接する一対の第１反射面３３Ａ及び第２反射面３３Ｂは、谷形状を構成する。このように構成された反射素子３０は、入射光を、例えば第１反射面３３Ａ及び第２反射面３３Ｂの順に反射し、入射光と逆方向に反射光を出射するように機能する。すなわち、反射素子３０は、再帰反射を行うように機能する。
【0108】
［３－２］ 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。
【0109】
図１６は、反射素子３０による光の反射の様子を説明する斜視図である。図１７は、反射素子３０による光の反射の様子を説明する平面図である。図１８は、反射素子３０による光の反射の様子を説明するＸＺ面における側面図である。図１９は、反射素子３０による光の反射の様子を説明するＹＺ面における側面図である。
【0110】
表示素子１０の表示面における点“ｏ”から出射された光は、光制御素子２０を透過した後、反射素子３０に到達する。反射素子３０は、点“ｏ”からの入射光を、例えば第１反射面３３Ａ及び第２反射面３３Ｂの順に反射するとともに、入射光と逆方向に反射する。また、反射素子３０は、再帰反射により、点“ｏ”からの入射光を点“ｏ”に向けて反射する。
【0111】
空中表示装置１による空中像２の表示動作は、第１実施形態と同じである。
【0112】
図２０は、空中表示装置１の表示動作を説明するＹＺ面における側面図である。ＹＺ面において、表示素子１０の表示面における点“ｏ”から出射された光は、反射素子３０の広い領域で反射されて点“ｏ”に戻る。観察者３がＹ方向に沿って視点を動かした場合、視点に合わせて空中像２も移動する。本実施形態では、反射素子３０は、表示素子１０の点“ｏ”から出射された光を、点“ｏ”に向けて反射するように機能する。よって、観察者３がＹ方向に沿って視点を動かした場合、空中像２が移動する量（空中像移動量という）を小さくできる。
【0113】
図２１は、比較例に係る空中表示装置を説明する図である。比較例では、反射素子３０を除いて空中表示装置を構成している。比較例に係る空中表示装置は、表示素子１０、光制御素子２０、及び光学素子４０がＺ方向に沿って配置される。表示素子１０は、上方向に向けて表示光を出射するように配置される。
【0114】
比較例では、観察者３がＹ方向に沿って視点を動かした場合、視点に付いてくるように空中像２が視認される。よって、比較例では、観察者３がＹ方向に沿って視点を動かした場合、空中像移動量が大きくなる。
【0115】
本実施形態では、比較例に比べて、観察者３がＹ方向に沿って視点を動かした場合、空中像移動量を小さくできるという効果が得られる。
【0116】
［３－３］ 第３実施形態の効果
第３実施形態によれば、反射素子３０は、表示素子１０の表示面のある点“ｏ”から出射された光を、点“ｏ”に向けて再帰反射することができる。また、反射素子３０の広い領域で点“ｏ”に向けて再帰反射することができる。これにより、観察者３がＹ方向（光学素子４０の光学要素４２が延びる方向）に沿って視点を動かした場合、空中像移動量を小さくできる。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実施形態を適用してもよい。
第３実施形態によれば、反射素子３０は、表示素子１０の表示面のある点“ｏ”から出射された光を、点“ｏ”に向けて再帰反射することができる。また、反射素子３０の広い領域で点“ｏ”に向けて再帰反射することができる。これにより、観察者３がＹ方向（光学素子４０の光学要素４２が延びる方向）に沿って視点を動かした場合、空中像移動量を小さくできる。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実施形態を適用してもよい。
【0117】
［４］ 変形例
上記各実施形態では、光学要素４２の右側の側面が入射面４３、左側の側面が反射面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。
上記各実施形態では、光学要素４２の右側の側面が入射面４３、左側の側面が反射面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。
【0118】
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】
【0119】
１…空中表示装置、２…空中像、３…観察者、１０…表示素子、１０Ａ…発光領域、１０Ｂ…透過領域、１１，１２…基板、１３…スイッチング素子、１３Ａ…ゲート電極、１３Ｂ…ゲート絶縁膜、１３Ｃ…半導体層、１３Ｄ…保護膜、１３Ｅ…ソース電極、１３Ｆ…ドレイン電極、１４…絶縁層、１５…画素電極、１６…有機層、１７…共通電極、１８…樹脂層、１９…カラーフィルタ、２０…光制御素子、２１，２２…基材、２３…透明部材、２４…遮光部材、２５…反射防止層、３０…反射素子、３１…基材、３１Ａ…傾斜面、３２…反射膜、３３…反射面、３３Ａ…第１反射面、３３Ｂ…第２反射面、３４Ａ…第１反射面アレイ、３４Ｂ…第２反射面アレイ、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…入力部、５４…バス。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図15D】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
