(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-08
(45)【発行日】2022-11-16
(54)【発明の名称】空中表示装置
(51)【国際特許分類】
G02B 30/56 20200101AFI20221109BHJP
G02F 1/13 20060101ALI20221109BHJP
G02F 1/1335 20060101ALI20221109BHJP
G02F 1/1333 20060101ALI20221109BHJP
G02B 5/08 20060101ALI20221109BHJP
H01L 51/50 20060101ALI20221109BHJP
H01L 27/32 20060101ALI20221109BHJP
H05B 33/14 20060101ALI20221109BHJP
H04N 13/302 20180101ALI20221109BHJP
G09F 9/00 20060101ALI20221109BHJP
【ＦＩ】
G02B30/56
G02F1/13 505
G02F1/1335 520
G02F1/1333
G02B5/08 A
H05B33/14 A
H01L27/32
H05B33/14 Z
H04N13/302
G09F9/00 359
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2018117917
(22)【出願日】2018-06-21
(65)【公開番号】P2019219560
(43)【公開日】2019-12-26
【審査請求日】2021-05-19
(73)【特許権者】
【識別番号】000003193
【氏名又は名称】凸版印刷株式会社
(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】100103034
【弁理士】
【氏名又は名称】野河 信久
(74)【代理人】
【識別番号】100153051
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 直樹
(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】100189913
【氏名又は名称】鵜飼 健
(74)【代理人】
【識別番号】100199565
【弁理士】
【氏名又は名称】飯野 茂
(72)【発明者】
【氏名】代工 康宏
【審査官】山本 貴一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１１－２４２７２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２２８８４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１０１８０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１８１５５５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１８１６７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１１５２６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００６／０２７３９８３（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ３０／５６，５／０８
Ｇ０２Ｆ １／１３
Ｇ０９Ｆ ９／００
Ｈ０１Ｌ ２７／３２，５１／５０
Ｈ０４Ｎ １３／３０２
Ｈ０５Ｂ ３３／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１画像を表示する表示面を有し、前記表示面から表示光を出射する第１表示素子と、前記第１表示素子の前記表示面に対して斜めに配置され、前記第１表示素子から出射された前記表示光を反射し、前記第１表示素子と面対称な位置に空中像を結像するミラーデバイスと、
前記ミラーデバイスと前記空中像との間に前記ミラーデバイスとは別体で、前記ミラーデバイスの主面に対して前記第１表示素子の前記表示面と前記ミラーデバイスの主面とのなす角度と同じ角度で配置され、前記ミラーデバイスで反射された前記表示光を透過すると共に、第２画像を表示する第２表示素子と、
を具備し、
前記空中像は、前記ミラーデバイスよりも観察者の側で、前記観察者から見て前記第２画像の手前に結像される
空中表示装置。
【請求項2】
前記ミラーデバイスは、直角に配置された２つの反射面をそれぞれが含む複数の光学要素を有する請求項１に記載の空中表示装置。
【請求項3】
前記複数の光学要素の各々は、立方体または直方体からなる請求項２に記載の空中表示装置。
【請求項4】
前記ミラーデバイスの主面と、前記第１表示素子の前記表示面とがなす角度は、３０度以上６０度以下である請求項１乃至３のいずれかに記載の空中表示装置。
【請求項5】
前記ミラーデバイスの主面と、前記第１表示素子の前記表示面とがなす角度は、４５度である請求項４に記載の空中表示装置。
【請求項6】
前記第２表示素子は、前記ミラーデバイスにより反射された前記表示光を透過する透過型の表示素子である請求項１に記載の空中表示装置。
【請求項7】
前記第２表示素子は、透明ＥＬ表示素子である請求項６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ものである。
【背景技術】
【0002】
画像や動画などを空中映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用いて、表示素子から出射される光を反射し、空中に実像（以下、空中像）を結像している（例えば、特許文献１参照）。２面コーナーリフレクタアレイによる表示法は、収差が無く、面対称位置に実像が表示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１７－６７９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
表示素子の画像表示面の上方に空中像を表示でき、画像表示面の画像と空中像の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】
【0005】
実施形態の空中表示装置は、第１画像を表示する表示面を有し、前記表示面から表示光を出射する第１表示素子と、前記第１表示素子の前記表示面に対して斜めに配置され、前記第１表示素子から出射された前記表示光を反射し、前記第１表示素子と面対称な位置に空中像を結像するミラーデバイスと、前記ミラーデバイスと前記空中像との間に前記ミラーデバイスとは別体で、前記ミラーデバイスの主面に対して前記第１表示素子の前記表示面と前記ミラーデバイスの主面とのなす角度と同じ角度で配置され、前記ミラーデバイスで反射された前記表示光を透過すると共に、第２画像を表示する第２表示素子とを具備し、前記空中像は、前記ミラーデバイスよりも観察者の側で、前記観察者から見て前記第２画像の手前に結像される。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下、図面を参照して実施形態について説明する。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、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【0008】
本実施形態の空中表示装置について説明する前に、空中表示装置の原理を説明する。
【0009】
［１］空中表示装置の原理
空中表示装置は、例えば液晶ディスプレイの表示面から出射される光を、２面コーナーリフレクタ等の空中結像素子（ミラーデバイス）を用いて空間中に結像させるものである。
空中表示装置は、例えば液晶ディスプレイの表示面から出射される光を、２面コーナーリフレクタ等の空中結像素子（ミラーデバイス）を用いて空間中に結像させるものである。
【0010】
まず、空中表示装置に用いられるミラーデバイス１０の構成について説明する。図１は、ミラーデバイス１０の斜視図である。
【0011】
ミラーデバイス１０は、平面状の基材１１と、基材１１上に設けられた複数の光学要素１２とを備える。複数の光学要素１２は、互いに直交するｘ方向及びｙ方向に広がるように、例えばマトリクス状に配列される。複数の光学要素１２の各々は、直角に配置された２つの反射面を有する。光学要素１２は、立方体、又は直方体からなる。基材１１及び光学要素１２は、透明な樹脂で構成される。
【0012】
なお、図１では、３６（＝６×６）個の光学要素１２を例示しているが、実際には、これより多くの光学要素１２が配列される。光学要素１２の数及びサイズは、空中表示装置の仕様に応じて、任意に設定可能である。また、２個の光学要素１２の間隔は、空中表示装置の仕様に応じて、任意に設定可能である。
【0013】
図２は、空中表示装置の原理を示す模式図である。空中表示装置は、表示面に画像を表示する表示素子２２と、ミラーデバイス１０とを備える。図２では、図面の理解が容易になるように、ミラーデバイス１０のうち基材１１の図示を省略し、複数の光学要素１２のみを抽出して示している。複数の光学要素１２は、ｘ－ｙ平面に配列される。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向に直交する方向であり、光学要素１２の高さ方向である。
【0014】
表示素子２２から出射された光（表示光）は、複数の光学要素１２の各々の２つの側面で反射される。図２では、ハッチングを付した光学要素１２で反射される光の光路を抽出して示している。表示素子２２から出射された光は、ミラーデバイス１０に対して表示素子２２と面対称の位置に結像し、当該位置（以下、表示位置）に空中像３０が結像される。観察者は、この空中像３０を視認することができる。
【0015】
図３は、１つの光学要素１２で２回反射される光の様子を示す模式図である。図４は、光学要素１２をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。図５は、光学要素１２をｙ方向から見た場合の光路を示す図である。図６は、光学要素１２をｘ方向から見た場合の光路を示す図である。
【0016】
光学要素１２の底面から入射した光は、第１側面で反射され、第１側面と直角な第２側面でさらに反射され、上面から出射する。
【0017】
なお、光学要素１２の任意の側面に入射した光は、当該側面で全光成分が反射されるわけではなく、反射成分と透過成分とに分けられる。反射成分とは、当該側面で入射角に応じた反射角で反射する光の成分であり、透過成分とは、当該側面をそのまま直線的に透過する光の成分である。
【0018】
（ゴーストについて）
次に、意図しない位置で結像するゴーストについて説明する。ゴーストとは、空中像３０の近傍に現れる二重画像である。図７は、空中表示装置によって表示されるゴースト３１を示す模式図である。
次に、意図しない位置で結像するゴーストについて説明する。ゴーストとは、空中像３０の近傍に現れる二重画像である。図７は、空中表示装置によって表示されるゴースト３１を示す模式図である。
【0019】
ゴースト３１は、ミラーデバイス１０によって１回のみ反射された光（すなわち、２回反射されなかった光）により結像する画像である。ゴースト３１は、ミラーデバイス１０に対して表示素子２２と面対称でない位置に結像する。
【0020】
図８は、１つの光学要素１２で１回反射される光の様子を示す模式図である。図９は、光学要素１２をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。図１０は、光学要素１２をｙ方向から見た場合の光路を示す図である。図１１は、光学要素１２をｘ方向から見た場合の光路を示す図である。
【0021】
光学要素１２の底面から入射した光は、第１側面で反射され、第１側面と直角な第２側面を透過する。この経路で進む光は、ミラーデバイス１０に対して表示素子２２と面対称でない位置に結像し、ゴースト３１を表示させる。
【0022】
（不要光について）
次に、不要光について説明する。不要光とは、実像を結像するのに寄与しない光成分である。図１２は、空中表示装置の不要光３２を示す模式図である。
次に、不要光について説明する。不要光とは、実像を結像するのに寄与しない光成分である。図１２は、空中表示装置の不要光３２を示す模式図である。
【0023】
不要光３２は、ミラーデバイス１０によって１回も反射されない光である。不要光３２は、直線的にミラーデバイス１０を透過する。
【0024】
図１３は、１つの光学要素１２で１回も反射されない光の様子を示す模式図である。図１４は、光学要素１２をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。図１５は、光学要素１２をｙ方向から見た場合の光路を示す図である。図１６は、光学要素１２をｘ方向から見た場合の光路を示す図である。
【0025】
光学要素１２の底面から入射した光は、第１側面で反射されず、第１側面を直線的に透過する。
【0026】
不要光３２は、空中像３０の周囲を明るくしてしまう。よって、不要光３２に起因して、空中像３０のコントラストが低下してしまう。
【0027】
［２］実施形態の空中表示装置
次に、前述した原理を用いた実施形態の空中表示装置について説明する。
次に、前述した原理を用いた実施形態の空中表示装置について説明する。
【0028】
［２－１］空中表示装置の構成
図１７及び図１８を用いて、実施形態の空中表示装置１の構成について説明する。図１７は、実施形態の空中表示装置１の構成を示すブロック図である。図１８は、空中表示装置１の光学的な構成を示す斜視図である。図１９は、前記光学的な構成を示す側面図である。
図１７及び図１８を用いて、実施形態の空中表示装置１の構成について説明する。図１７は、実施形態の空中表示装置１の構成を示すブロック図である。図１８は、空中表示装置１の光学的な構成を示す斜視図である。図１９は、前記光学的な構成を示す側面図である。
【0029】
【0030】
図１８及び図１９に示すように、表示ユニット２０の表示面は、例えばｘ－ｙ平面に平行に配置される。ミラーデバイス１０の光学要素１２が配列された主面は、図１９に示すように、ｘ－ｙ平面に直交するｚ方向に対して斜めに、例えば４５度で配置される。言い換えると、ミラーデバイス１０の主面は、表示ユニット２０の表示面に対して斜めに、例えば４５度で配置される。すなわち、表示ユニット２０の表示面とミラーデバイス１０の主面とがなす角度θは、例えば４５度である。なお、角度θは、４５度に限定されず、３０度以上６０度以下の範囲で設定可能である。
【0031】
ミラーデバイス１０の主面と表示ユニット４０の表示面とがなす角度も、例えば角度θに設定される。図１８の例では、表示ユニット４０は、例えば、ｘ方向に直交するｙ－ｚ平面に平行に配置される。表示ユニット４０は、ミラーデバイス１０から出射される光の光路上に配置される。
【0032】
表示ユニット２０から出射された光は、ミラーデバイス１０により反射される。ミラーデバイス１０により反射された光は、表示ユニット４０の画像表示面を透過し、表示ユニット４０と観察者９０との間の空中に実像（空中像）３０を結像する。すなわち、表示ユニット４０はミラーデバイス１０と空中像３０との間に配置されており、空中像３０は表示ユニット４０の画像表示面の上方かつ観察者９０側に結像される。
【0033】
表示ユニット２０は、光源部２１及び表示素子２２を有する。光源部２１は、面状に光を出射する面光源を有し、表示素子２２に面状の光を照射する。表示素子２２は、光源部２１から出射された光を透過すると共に、所望の情報を示す画像あるいは動画等を表示する。すなわち、表示素子２２は、光源部２１から出射された光を用いて、画像あるいは動画等を空中像として表示するための光（以下、表示光）を出射する。表示ユニット２０の詳細については後述する。
【0034】
ミラーデバイス１０は、前述したように、基材１１上に設けられた複数の光学要素１２を備える。図２０は、基材１１上の複数の光学要素１２のレイアウトを示し、ｚ方向から基材１１を透過して光学要素１２を見た図である。１つの光学要素１２はｘ方向及びｙ方向に対角の頂点を有する立方体又は直方体からなり、複数の光学要素１２はx方向及びｙ方向に配列される。言い換えると、図１～図６に示した複数の光学要素１２の各々がｘ方向に対して４５度回転されて、図２０のミラーデバイス１０が得られる。図２０に示すように、各光学要素１２の反射面１２Ａ，１２Ｂは、ｘ方向に対して角度４５度を有する状態で配置される。
【0035】
図２１は、図２０に示した光学要素１２をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。光学要素１２の底面から入射した表示光は、反射面１２Ａで反射され、反射面１２Ａと直角な反射面１２Ｂでさらに反射され、上面から出射する。
【0036】
表示ユニット４０は、背面に入射した光を透過する透過型の表示素子である。表示ユニット４０は、画像あるいは動画等を表示する画像表示面を備えると共に、ミラーデバイス１０から出射された表示光を透過する。すなわち、表示ユニット４０は、表示ユニット２０の画像に、自身の画像を重畳させる。表示ユニット４０の詳細については後述する。
【0037】
表示駆動部５０は、表示素子２２を駆動し、表示素子２２に画像あるいは動画等を表示させる。表示駆動部６０は、表示ユニット４０を駆動し、表示ユニット４０の画像表示面に画像あるいは動画等を表示させる。電圧供給回路７０は、光源部２１及び表示駆動部５０，６０を動作させるのに必要な電圧を発生し、それらの電圧を光源部２１、表示駆動部５０，６０に供給する。制御回路８０は、空中表示装置１全体の動作を制御する。すなわち、制御回路８０は、光源部２１、表示駆動部５０，６０及び電圧供給回路７０を制御し、表示ユニット４０に画像あるいは動画を表示させると共に、表示ユニット４０と観察者９０との間の表示位置に空中像３０を表示させる。
【0038】
［２－１－１］表示ユニット２０
次に、図２２を用いて、空中表示装置１における表示ユニット２０について説明する。図２２は、表示ユニット２０の構成を示す斜視図である。表示ユニット２０は、前述したように、光源部２１及び表示素子２２を備える。
次に、図２２を用いて、空中表示装置１における表示ユニット２０について説明する。図２２は、表示ユニット２０の構成を示す斜視図である。表示ユニット２０は、前述したように、光源部２１及び表示素子２２を備える。
【0039】
光源部２１は、サイドライト型（エッジライト型）のバックライトで構成される。光源部２１は、１個または複数個の発光素子２１１、導光板２１２、反射シート２１３、及び拡散シート２１４を有する。光源部２１は、発光素子２１１、導光板２１２、反射シート２１３、及び拡散シート２１４により面光源を構成し、この面光源は、表示素子２２へ面状の光を出射する。
【0040】
発光素子２１１としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。発光ダイオードは、例えば白色の光を発光する。発光素子２１１は、導光板２１２の側面（あるいは入射面）に向き合うように配置される。導光板２１２の底面には、反射シート２１３が設けられる。導光板２１２の上面には、拡散シート２１４が設けられる。拡散シート２１４から出射される光の光路上には表示素子２２が配置される。
【0041】
図２２に示すように、発光素子２１１から出射された光は、導光板２１２の側面に入射する。導光板２１２の底面は、光を反射する面として機能する。導光板２１２の底面は、水平方向（ｘ－ｙ面）に対して斜めに配置された複数の反射面２１２Ａを有し、すなわち階段形状（波形）を有する。導光板２１２内を透過する光は、複数の反射面２１２Ａによって拡散シート２１４側に反射される。反射シート２１３は、導光板２１２の底面を透過した光を反射し、導光板２１２へ光を戻す。導光板２１２の上面から出射され、拡散シート２１４に入射した光は、拡散シート２１４により拡散されて、拡散シートの上面から表示素子２２へ出射される。
【0042】
表示素子２２は、画像あるいは動画等を表示する。表示素子２２は、光源部２１から受けた光を透過して、画像あるいは動画等を空中の表示位置に表示するための表示光２０Ａを出射する。すなわち、表示素子２２は、光源部２１からの光を変調して、画像あるいは動画等の表示光２０Ａを出射する。
【0043】
【0044】
表示素子２２は、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）及び画素電極等が形成されるＴＦＴ基板２２１と、カラーフィルタ及び共通電極等が形成され、かつＴＦＴ基板２２１に対向配置されるカラーフィルタ基板（ＣＦ(Color Filter）基板）２２２と、ＴＦＴ基板２２１及びＣＦ基板２２２間に挟持された液晶層２２３とを備える。
【0045】
ＴＦＴ基板２２１及びＣＦ基板２２２の各々は、透明基板（例えば、ガラス基板）から構成される。ＴＦＴ基板２２１の液晶層２２３が存在する面と反対側の面には偏光板２２４が配置される。さらに、ＣＦ基板２２２の液晶層２２３が存在する面と反対側の面には偏光板２２５が配置される。
【0046】
ＴＦＴ基板２２１は、光源部２１に対向配置される。光源部２１から照射された照明光は、ＴＦＴ基板２２１側から液晶表示素子に入射する。ＣＦ基板２２２の光源部２１が配置された面と反対側の面が液晶表示素子の表示面あるいは光出射面である。
【0047】
ＴＦＴ基板２２１とＣＦ基板２２２は、空間を保ってシール材２２６により貼り合わせられている。ＴＦＴ基板２２１、ＣＦ基板２２２、及びシール材２２６によって囲まれた空間には、液晶材料が封入され、液晶層２２３を形成している。
【0048】
液晶層２２３が含む液晶材料は、ＴＦＴ基板２２１及びＣＦ基板２２２間に印加された電界に応じて、液晶分子の配向が操作されて光学特性が変化する。また、液晶層２３は、誘電異方性を有する液晶分子を備えた液晶層から構成され、例えば、ネマティック液晶から構成される。ネマティック液晶の液晶分子は、外部電界に応じて電気分極が生じる。液晶モードとしては、例えばＶＡ（Vertical Alignment）モードが用いられるが、勿論、ＴＮ（Twisted Nematic）モードやホモジニアスモードなど他の液晶モードであってもよい。
【0049】
ＴＦＴ基板２２１の液晶層２２３側には、複数のスイッチング素子、例えば前述したＴＦＴ（Thin Film Transistor）２２７が設けられる。ＴＦＴ２２７は、走査線に電気的に接続されたゲート電極と、ゲート電極上に設けられたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられた半導体層（例えばアモルファスシリコン層）と、半導体層上に離間して設けられたソース電極及びドレイン電極とを備える。ソース電極は、信号線に電気的に接続される。ＴＦＴ２２７上には、絶縁層（図示せず）が設けられる。絶縁層上には、複数の画素電極２２８が設けられる。
【0050】
ＣＦ基板２２２の液晶層２２３側には、カラーフィルタ２２９が設けられる。カラーフィルタ２２９は、複数の着色フィルタ（着色部材）を備える。具体的には、複数の赤フィルタ２２９Ｒ、複数の緑フィルタ２２９Ｇ、及び複数の青フィルタ２２９Ｂを備える。一般的なカラーフィルタは、光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）で構成される。隣接したＲ、Ｇ、Ｂの三色のセットが表示の単位（画素）となっており、１つの画素中のＲ、Ｇ、Ｂのいずれか単色の部分はサブピクセル（サブ画素）と呼ばれる最小駆動単位である。ＴＦＴ２２７及び画素電極２２８は、サブピクセルごとに設けられる。以下の説明では、画素とサブ画素との区別が特に必要な場合を除き、サブ画素を画素と呼ぶものとする。
【0051】
赤フィルタ２２９Ｒ、緑フィルタ２２９Ｇ、及び青フィルタ２２９Ｂの境界部分、及び画素（サブピクセル）の境界部分には、遮光用のブラックマトリクス（遮光膜）（図示せず）が設けられる。すなわち、ブラックマトリクスは、網目状に形成される。ブラックマトリクスは、例えば、着色部材間の不要な光を遮蔽し、コントラストを向上させるために設けられる。
【0052】
カラーフィルタ２２９及びブラックマトリクス上には、共通電極２３０が設けられる。共通電極２３０は、液晶表示素子の表示領域全体に平面状に形成される。
【0053】
偏光板２２４、２２５は、ＴＦＴ基板２２１及びＣＦ基板２２２を挟むように設けられる。偏光板２２４、２２５は、それぞれ直線偏光子と１／４波長板とから構成される。
【0054】
画素電極２２８及び共通電極２３０は、透明電極から構成され、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）が用いられる。
【0055】
［２－１－２］表示ユニット４０
表示ユニット４０は、自発光型かつ透過型の表示素子から構成される。表示ユニット４０は、自ら発光する光を用いて、画像あるいは動画等を表示すると共に、ミラーデバイス１０からの表示光を透過する。表示ユニット４０には、様々な透過型表示素子、例えば、透明有機エレクトロルミネセンス（ＥＬ）表示素子、あるいは透明無機ＥＬ表示素子、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。ここでは、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。
表示ユニット４０は、自発光型かつ透過型の表示素子から構成される。表示ユニット４０は、自ら発光する光を用いて、画像あるいは動画等を表示すると共に、ミラーデバイス１０からの表示光を透過する。表示ユニット４０には、様々な透過型表示素子、例えば、透明有機エレクトロルミネセンス（ＥＬ）表示素子、あるいは透明無機ＥＬ表示素子、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。ここでは、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。
【0056】
図２５は、表示ユニット４０としての透明有機ＥＬ表示素子の断面図である。透明有機ＥＬ表示素子は、基板４１，４２、基板４１及び基板４２間に設けられた複数のスイッチング素子、例えばＴＦＴ４３、絶縁層４４、画素電極４５、有機層４６、共通電極４７、及びカラーフィルタ４８を備える。
【0057】
基板４１及び基板４２の各々は、透明基板（例えば、ガラス基板、プラスチック）または透明フィルムから構成される。基板４１上には、複数のＴＦＴ４３が設けられる。ＴＦＴ４３は、走査線に電気的に接続されたゲート電極４３Ａと、ゲート電極４３Ａ上に設けられたゲート絶縁膜４３Ｂと、ゲート絶縁膜４３Ｂ上に設けられた半導体層（例えばアモルファスシリコン層）４３Ｃと、半導体層４３Ｃ上に離間して設けられたソース電極４３Ｄ及びドレイン電極４３Ｅとを備える。ソース電極４３Ｄは、信号線に電気的に接続される。
【0058】
ＴＦＴ４３上には、絶縁層４４が設けられる。絶縁層４４上には、複数の画素電極４５が設けられる。画素電極４５は、コンタクトプラグを介して、ＴＦＴ４３のドレイン電極４３Ｅとそれぞれ電気的に接続される。画素電極４５上には、有機層４６がそれぞれ設けられる。複数の有機層４６上には、共通電極４７が設けられる。共通電極４７の上方には、各々の有機層４６に対応するように、カラーフィルタ４８がそれぞれ設けられる。カラーフィルタ４８上には、基板４２が設けられる。共通電極４７と基板４２との間には、封止された空気層が設けられる。
【0059】
透明有機ＥＬ表示素子は、光４０Ａを発光する発光領域４０Ｂと、表示光２０Ａを透過する透過領域４０Ｃとを有する。発光領域４０Ｂには、基板４１と基板４２間にＴＦＴ４３、画素電極４５、有機層４６、共通電極４７、及びカラーフィルタ４８が配置され、有機層４６から光４０Ａが発光可能である。透過領域４０Ｃには、共通電極４７が配置されている。共通電極４７は透明電極（例えば、ＩＴＯ）から構成されているため、透過領域４０Ｃの基板４１に入射した表示光２０Ａは共通電極４７を透過し、基板４２から出射される。
【0060】
表示ユニット４０では、制御回路８０により表示駆動部６０を介して複数のＴＦＴ４３がオン状態あるいはオフ状態に制御される。ＴＦＴ４３がオン状態になると、画素電極４５に電圧が印加され、画素電極４５と共通電極４７との間に電位差が生じ、有機層４６から光が発光される。ＴＦＴ４３がオフ状態になると、画素電極４５に電圧が印加されず、有機層４６から光が発光されない。
【0061】
発光領域４０Ｂ間に設けられた透過領域４０Ｃは、ミラーデバイス１０から出射された表示光２０Ａを透過する。透過領域４０Ｃを透過した表示光２０Ａは、表示位置に空中像３０として結像される。
【0062】
［２－２］空中表示装置１の表示動作
次に、図１９及び図２６を用いて、実施形態の空中表示装置の表示動作について説明する。図１９は、前述したように、空中表示装置１の光学的な構成を示す図である。図２６は、車載用として用いられる空中表示装置１に表示される表示例を示す図である。
次に、図１９及び図２６を用いて、実施形態の空中表示装置の表示動作について説明する。図１９は、前述したように、空中表示装置１の光学的な構成を示す図である。図２６は、車載用として用いられる空中表示装置１に表示される表示例を示す図である。
【0063】
図１９に示すように、表示ユニット２０から表示光２０Ａがミラーデバイス１０に出射される。ミラーデバイス１０に入射した表示光２０Ａは、ミラーデバイス１０が備える光学要素１２により、図２１で説明したように反射される。光学要素１２にて反射された光は、表示ユニット４０の画像表示面を透過し、表示ユニット４０と観察者９０との間の表示位置に空中像３０として結像される。すなわち、表示ユニット２０から出射された表示光２０Ａは、ミラーデバイス１０に対して表示ユニット２０に表示された画像と面対称の表示位置に結像し、図２６に示すように、表示位置に空中像３０として表示される。さらに、表示ユニット４０の画像表示面には、画像４０Ｄが表示される。
【0064】
これにより、表示ユニット４０の画像４０Ｄの上方に空中像３０が表示される。観察者９０は、画像４０Ｄと空中像３０とが重なった表示を視認することができる。例えば、図２６に示したように、観察者９０は、画像４０Ｄとして表示されたスピードメータ及びタコメータと、空中像３０として表示されたワーニング表示との重畳表示を視認することができる。
【0065】
［３］実施形態の効果
実施形態の効果について詳述する前に、以下に比較例の空中表示装置について説明する。図２７は、比較例の空中表示装置の光学的な構成を示す模式図である。比較例では、表示ユニット２０から出射される光の光路上に、ハーフミラー１００が斜めに配置される。さらに、ハーフミラー１００の後方（あるいは背面方向）には表示ユニット２００が配置される。表示ユニット２０から出射された光は、ハーフミラー１００にて観察者９０の方向に反射される。観察者９０は、ハーフミラー１００にて反射された光により、ハーフミラー１００の後方に空中像３０を視認する。さらに、空中像３０の後方に配置された表示ユニット２００には画像が表示される。これにより、観察者９０は、表示ユニット２００の画像と空中像３０とが重なった表示を視認することができる。
実施形態の効果について詳述する前に、以下に比較例の空中表示装置について説明する。図２７は、比較例の空中表示装置の光学的な構成を示す模式図である。比較例では、表示ユニット２０から出射される光の光路上に、ハーフミラー１００が斜めに配置される。さらに、ハーフミラー１００の後方（あるいは背面方向）には表示ユニット２００が配置される。表示ユニット２０から出射された光は、ハーフミラー１００にて観察者９０の方向に反射される。観察者９０は、ハーフミラー１００にて反射された光により、ハーフミラー１００の後方に空中像３０を視認する。さらに、空中像３０の後方に配置された表示ユニット２００には画像が表示される。これにより、観察者９０は、表示ユニット２００の画像と空中像３０とが重なった表示を視認することができる。
【0066】
比較例では、表示ユニット２０からの光がハーフミラー１００で反射され、空中像３０として結像される。このため、空中像３０は、ハーフミラー１００を介して、表示ユニット２０と面対称な位置に表示される。これにより、ハーフミラー１００の後方に空中像３０と表示ユニット２００の画像とが配列されることになる。この結果、ハーフミラー１００を介して表示ユニット２００の画像と空中像３０とを視認することになるため、観察者９０はこれらの画像を良好に視認できない場合がある。
【0067】
実施形態の空中表示装置は、第１画像を表示する表示面を有し、表示面から表示光を出射する表示ユニット（表示素子）２０と、表示ユニット２０の表示面に対して斜めに配置され、表示ユニット２０から出射された表示光を反射し、表示ユニット２０と面対称な位置に空中像３０を結像するミラーデバイス１０と、ミラーデバイス１０と空中像３０との間に配置され、ミラーデバイス１０で反射された表示光を透過すると共に、第２画像を表示する表示ユニット（表示素子）４０とを備える。
【0068】
このような構成により、表示ユニット２０から出射された表示光は、ミラーデバイス１０にて反射され、表示ユニット４０の表示面を透過し、表示ユニット４０と観察者９０との間に空中像３０として結像される。さらに、表示ユニット４０には、第２画像が表示される。これにより、表示ユニット４０の第２画像の上方に空中像３０が表示され、第２画像と空中像３０とが重ねて表示される。観察者９０は、ハーフミラー等を介することなく、第２画像と空中像３０との重畳表示を直接視認することができる。
【0069】
以上により実施形態の空中表示装置１によれば、表示ユニット（表示素子）の画像表示面の上方に空中像を表示でき、画像表示面の画像と空中像の表示品質を向上させることが可能である。言い換えると、実施形態の空中表示装置１は、観察者から見て表示ユニットの画像表示面の手前に空中像を重畳表示でき、画像表示面の画像と空中像の観察者による視認性を向上させることが可能である。
【0070】
以下に、空中表示装置が使用される製品分野の一例を説明する。例えば、自動車の計器盤は、これまでの機械式メーターのものから、様々な情報を表示可能な電子ディスプレイのような画像表示面に置き換えられつつある。この画像表示面の手前に空中表示像を提示することで、新たな表示手段を提案できると考えられる。一例として、自動車を運転する運転者の行動を示す。運転者はフロントガラス越しに、前方及び周囲の状況を確認しながら、適宜、計器盤を確認し、車の状況（車体速度、エンジンあるいはモータ回転数、燃料残量あるいは電力状況等）を把握する。例えば、運転中に速度超過等が発生した場合、計器盤の画像表示面と同一平面上ではなく、その手前（運転者側）の空間に注意喚起の表示を行うことにより、より効果的に運転者に注意を認識させる。その結果、交通事故等の不幸なアクシデントを防止できるという効果が期待できる。
【0071】
［４］その他変形例等
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0072】
１…空中表示装置、１０…ミラーデバイス、１１…基材、１２…光学要素、１２Ａ，１２Ｂ…反射面、２０…表示ユニット、２０Ａ…表示光、２１…光源部、２２…表示素子、３０…空中像、４０…表示ユニット、４０Ａ…光、４０Ｂ…発光領域、４０Ｃ…透過領域、４０Ｄ…画像、５０，６０…表示駆動部、７０…電圧供給回路、８０…制御回路、９０…観察者、２１１…発光素子、２１２…導光板、２１２Ａ…反射面、２１３…反射シート、２１４…拡散シート。
【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】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
