(57)【要約】  空中表示装置は、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素子（２２）と、表示面に直交する第１方向に対して斜めに配置されかつ交互に配列された複数の透明領域（４１）と複数の遮光領域（４２）とを有し、透明領域（４１）に入射した表示光を透過し、遮光領域（４２）に入射した表示光を遮光する光制御素子（４０）と、表示面に対して平行に配置され、光制御素子（４０）を透過した表示光を反射し、表示素子（２２）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）とを備える。
2019240137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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表示素子と、
前記表示面に直交する第１方向に対して斜めに配置されかつ交互に配列された複数の透明領域と複数の遮光領域とを有し、前記透明領域に入射した前記表示光を透過し、前記遮光領域に入射した前記表示光を遮光する光制御素子と、
前記表示面に対して平行に配置され、前記光制御素子を透過した前記表示光を反射し、前記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、
を具備する空中表示装置。
【請求項２】
前記複数の透明領域及び前記複数の遮光領域は、それぞれが前記表示面に平行な第２方向に延び、前記第２方向に直交する第３方向に配列されている請求項１に記載の空中表示装置。
【請求項３】
前記複数の透明領域と前記複数の遮光領域は、前記第１方向に対して０度より大きく６０度以下である角度θで配列されている請求項２に記載の空中表示装置。
【請求項４】
前記表示素子から出射される前記表示光は、前記角度θにおいて最大光強度を有する請求項３に記載の空中表示装置。
【請求項５】
前記表示素子に照明光を出射する光源部をさらに具備し、
前記光源部は、前記角度θにおいて最大光強度を有する光を前記表示素子に出射する請求項３に記載の空中表示装置。
【請求項６】
前記複数の透明領域の各々は、前記表示光を透過する光路を有し、
前記光路と前記第１方向とのなす角θは、０度より大きく６０度以下である請求項１に記載の空中表示装置。
【請求項７】
前記表示素子に照明光を出射する光源部をさらに具備し、
前記光源部は、前記角θにおいて最大光強度を有する光を前記表示素子に出射する請求項６に記載の空中表示装置。
【請求項８】
前記光制御素子は、前記表示素子の前記表示面に対して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９】
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１０】
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９に記載の空中表示装置。
【請求項１１】
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し、
前記光学要素が含む前記反射面は、前記第３方向に対して角度４５度を有する請求項２に記載の空中表示装置。
【請求項１２】
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表示素子と、
前記表示面に直交する第１方向に対して斜めに配置されかつ交互に配列された複数の透明領域と複数の遮光領域とを有し、前記透明領域に入射した前記表示光を透過し、前記遮光領域に入射した前記表示光を遮光する光制御素子と、
前記表示面に対して平行に配置され、前記光制御素子を透過した前記表示光を反射するミラーデバイスと、
前記ミラーデバイスにより反射された前記表示光の光路を変更する光路変更素子と、
を具備する空中表示装置。
【請求項１３】
前記光路変更素子は、前記第１方向に対して第１角度で入射した前記表示光を、前記第１方向に対して第２角度で出射する請求項１２に記載の空中表示装置。
【請求項１４】
前記複数の透明領域及び前記複数の遮光領域は、それぞれが前記表示面に平行な第２方向に延び、前記第２方向に直交する第３方向に配列されている請求項１２に記載の空中表示装置。
【請求項１５】
前記複数の透明領域と前記複数の遮光領域は、前記第１方向に対して０度より大きく６０度以下である角度θで配列されている請求項１４に記載の空中表示装置。
【請求項１６】
前記表示素子から出射される前記表示光は、前記角度θにおいて最大光強度を有する請求項１５に記載の空中表示装置。
【請求項１７】
前記表示素子に照明光を出射する光源部をさらに具備し、
前記光源部は、前記角度θにおいて最大光強度を有する光を前記表示素子に出射する請求項１５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、表示素子の表示面から出射される光を反射し、空中に実像を結像している（例えば、日本国特開２０１７−６７９３３号公報）。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（以下、空中像）が表示される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、空中像の表示品質を確保でき、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】
【０００４】
本発明に係る実施形態の空中表示装置は、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表示素子と、前記表示面に直交する第１方向に対して斜めに配置されかつ交互に配列された複数の透明領域と複数の遮光領域とを有し、前記透明領域に入射した前記表示光を透過し、前記遮光領域に入射した前記表示光を遮光する光制御素子と、前記表示面に対して平行に配置され、前記光制御素子を透過した前記表示光を反射し、前記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を具備する。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、空中像の表示品質を確保でき、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】
【０００６】
【図１】図１は、ミラーデバイスの斜視図である。
【図２】図２は、空中表示装置の原理を示す模式図である。
【図３】図３は、ミラーデバイスの１つの光学要素で２回反射される光の様子を示す模式図である。
【図４】図４は、図３に示した光学要素をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。
【図５】図５は、図３に示した光学要素をｙ方向から見た場合の光路を示す図である。
【図６】図６は、図３に示した光学要素をｘ方向から見た場合の光路を示す図である。
【図７】図７は、空中表示装置によって表示されるゴーストを示す模式図である。
【図８】図８は、１つの光学要素で１回反射される光の様子を示す模式図である。
【図９】図９は、図８に示した光学要素をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。
【図１０】図１０は、図８に示した光学要素をｙ方向から見た場合の光路を示す図である。
【図１１】図１１は、図８に示した光学要素をｘ方向から見た場合の光路を示す図である。
【図１２】図１２は、空中表示装置の不要光を示す模式図である。
【図１３】図１３は、１つの光学要素で１回も反射されない光の様子を示す模式図である。
【図１４】図１４は、図１３に示した光学要素をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。
【図１５】図１５は、図１３に示した光学要素をｙ方向から見た場合の光路を示す図である。
【図１６】図１６は、図１３に示した光学要素をｘ方向から見た場合の光路を示す図である。
【図１７】図１７は、実施形態の空中表示装置の構成を示すブロック図である。
【図１８】図１８は、実施形態の空中表示装置の光学的な構成を示す斜視図である。
【図１９】図１９は、空中表示装置内のミラーデバイスにおける光学要素のレイアウト図である。
【図２０】図２０は、図１９に示した光学要素をｚ方向から見た場合の光路を示す図である。
【図２１】図２１は、空中表示装置内の表示ユニットの構成を示す斜視図である。
【図２２】図２２は、表示ユニット内の光源部において光が出射される様子を示す図である。
【図２３】図２３は、光源部の導光板から出射される光の出射角度による光強度を示す図である。
【図２４】図２４は、光源部の光学シートから出射される光の出射角度による光強度を示す図である。
【図２５】図２５は、光源部の液晶表示素子の平面図である。
【図２６】図２６は、光源部の液晶表示素子の断面図である。
【図２７】図２７は、空中表示装置内の光制御素子の平面図である。
【図２８】図２８は、空中表示装置内の光制御素子の断面図である。
【図２９】図２９は、光制御素子から出射される光の出射角度による光強度を示す図である。
【図３０】図３０は、空中表示装置の光学的な構成を示す模式図である。
【図３１】図３１は、変形例における表示ユニットの構成を示す斜視図である。
【図３２】図３２は、変形例における導光板から出射される光の出射角度による光強度を示す図である。
【図３３】図３３は、変形例の空中表示装置の光学的な構成を示す模式図である。
【図３４】図３４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。
【図３５】図３５は、他の変形例の空中表示装置の光学的な構成を示す模式図である。
【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。
【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。
【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。
【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中空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。
【００２９】
図１７及び図１８に示すように、空中表示装置１は、表示ユニット２０、光制御素子４０、ミラーデバイス１０、表示駆動部５０、電圧供給回路６０、及び制御回路７０を備える。図１８に示すように、表示ユニット２０、光制御素子４０、及びミラーデバイス１０は、ｘ−ｙ平面に平行に配置されると共に、ｚ方向に順に配列される。
【００３０】
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、所望の情報を示す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すると共に、画像あるいは動画等を空中像として表示するための光（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。
【００３１】
光制御素子４０は、表示ユニット２０から出射される表示光の光路上に配置される。光制御素子４０は、表示素子２２における画像あるいは動画を表示する表示面、または表示光を出射する光出射面に対して平行に配置される。光制御素子４０は、表示素子２２から出射された表示光のうち、所定角度の光を透過し、その他の角度の光を遮光する。光制御素子４０の詳細については後述する。
【００３２】
ミラーデバイス１０は、光制御素子４０から出射される表示光の光路上に配置される。ミラーデバイス１０は、表示素子２２の表示面に対して平行に配置される。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１９は、基板１１上の複数の光学要素１２のレイアウトを示し、ｚ方向から基板１１を透過して光学要素１２を見た図である。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、これら立方体又は直方体がx方向及びｙ方向に配列される。言い換えると、図１−図６に示した光学要素１２がｘ−ｙ平面に平行な方向に４５度回転されて、光学素子１２の反射面１２Ａ，１２Ｂがｘ方向に対して角度４５度を有する状態で配列される。図２０は、図１９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。このように、ミラーデバイス１０は、表示光を反射して空中像３０を結像させる。
【００３３】
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。電圧供給回路６０は、光源部２１及び表示駆動部５０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及び表示駆動部５０に供給する。制御回路７０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７０は、光源部２１、表示駆動部５０、及び電圧供給回路６０を制御し、表示位置に空中像３０を表示させる。
【００３４】
［２−１−１］表示ユニット２０
次に、図２１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２１は、表示ユニット２０の構成を示す斜視図である。
【００３５】
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。光源部２１は、発光素子２１１、導光板２１２、反射シート２１３、及び光学シート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、及び光学シート２１４により面光源を構成し、この面光源から表示素子２２へ面状の光を出射する。
【００３６】
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。発光素子２１１は、導光板２１２の側面（あるいは入射面）に配置される。発光素子２１１から発光された光は、導光板２１２の側面に入射する。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の上面上には、光学シート２１４が設けられる。さらに、光学シート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。
【００３７】
図２２は、表示ユニット２０内の光源部２１において光が出射される様子を示す図である。発光素子２１１としては、例えば１個または複数個の発光ダイオード（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。
【００３８】
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によって光学シート２１４側に反射される。
【００３９】
導光板２１２の上面は、光を屈折する面として機能する。導光板２１２の上面は、水平方向に対して斜めに配置された複数の屈折面２１２Ｂを有し、すなわち階段形状（波形）を有する。屈折面２１２Ｂの傾く方向は、反射面２１２Ａの傾く方向と反対である。導光板２１２の上面から出射する光は、複数の屈折面２１２Ｂによって屈折する。
【００４０】
導光板２１２の上面から出射される光は、図２２に示すように、ｚ方向に対して角度θ１を有する。出射光の角度θ１は、例えば６０度である。反射シート２１３は、導光板２１２の底面から出射した光を反射し、導光板２１２へ光を戻す。
【００４１】
光学シート２１４は、プリズムシートで構成される。すなわち、光学シート２１４は、断面形状が三角形の複数のプリズムが一方向に並ぶように構成される。光学シート２１４は、導光板２１２から入射した光を屈折して、図２２に示すように、ｚ方向に対して角度θ２の光を出射する。出射光の角度θ２は、例えば４５度である。
【００４２】
上述したように、発光素子２１１から出射された光は、導光板２１２、光学シート２１４及び反射シート２１３によって所定方向（例えば、出射角度４５度）の光となり、光学シート２１４から出射される。
【００４３】
図２３は、導光板２１２から出射される光の出射角度による光強度を示す図である。図２３から解るように、導光板２１２から出射される光は、ｚ方向に対して角度６０度（角度θ１）で最大の光強度を有し、出射される光の角度はｚ方向に対して４５〜９０度の範囲内にある。図２４は、光学シート２１４から出射される光の出射角度による光強度を示す図である。図２４から解るように、光学シート２１４から出射される光は、ｚ方向に対して角度４５度（角度θ２）で最大の光強度を有し、出射される光の角度はｚ方向に対して３０〜６０度の範囲内にある。
【００４４】
光学シート２１４を出射した光は、ｚ方向に対して角度θ２で表示素子２２に入射する。表示素子２２は、光源部２１からの光を用いて、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を出射する。すなわち、表示素子２２は、光源部２１からの光を受け、画像あるいは動画等によって変調された光を出射する。
【００４５】
表示素子２２は、例えば液晶表示素子で構成される。以下に、液晶表示素子の一例について説明する。図２５は、表示素子２２としての液晶表示素子の平面図、図２６は液晶表示素子の断面図である。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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ＧＬ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ＳＬ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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
［２−１−２］光制御素子４０
次に、図２７及び図２８を用いて、空中表示装置１における光制御素子４０について説明する。図２７は光制御素子４０の平面図であり、図２８は光制御素子４０のｘ方向に沿った断面図である。
【００５８】
図２７及び図２８に示すように、光制御素子４０は、複数の透明領域４１、複数の遮光領域４２、及び２個の基材４３を有する。複数の透明領域４１と複数の遮光領域４２は、それぞれがｙ方向に延びた線形状を有し、交互にｘ方向に配列されている。すなわち、透明領域４１と遮光領域４２は、ｘ方向にストライプ状に配列されている。ｘ方向において、透明領域４１の幅は遮光領域４２の幅より狭い。
【００５９】
さらに、透明領域４１と遮光領域４２は、図２８に示すように、光制御素子４０の光出射面（あるいは主面）に垂直なｚ方向に対して角度θ３の傾きで配置される。角度θ３は、例えば、０＜θ３≦６０度（０度より大きく６０度以下）であり、好ましくは、３０≦θ３≦６０度（３０度以上６０度以下）である。透明領域４１は、表示ユニット２０から出射された表示光を透過する光路を有し、光路とｚ方向とのなす角θ３は、０＜θ３≦６０度（０度より大きく６０度以下）であり、好ましくは、３０≦θ３≦６０度（３０度以上６０度以下）である。
【００６０】
ここでは、ｚ方向に対して透明領域４１及び遮光領域４２の角度θ３が、共に４５度である場合を例に示す。光制御素子４０における出射光の角度θ３と、光学シート２１４（または表示ユニット２０）からの出射光の角度θ２を一致させる。これにより、光学シート２１４から出射される出射光の光利用効率を向上させることができる。
【００６１】
２個の基材４３は、透明領域４１及び遮光領域４２を挟むように設けられる。複数の透明領域４１及び基材４３は、例えば透明な樹脂で構成される。複数の遮光領域４２は、例えば黒の染料が混入された樹脂で構成される。
【００６２】
光制御素子４０では、表示ユニット２０から出射された光のうち、ｚ方向に対して角度θ２（＝θ３）光を透明領域４１が主に透過し、それ以外の角度の光を遮光領域４２が遮光する。
【００６３】
図２９は、光制御素子４０から出射される光の出射角度による光強度を示す図である。図２９から解るように、光制御素子４０から出射される光は、ｚ方向に対して角度４５度（角度θ３）で最大の光強度を有し、出射される光の角度はｚ方向に対して３０〜６０度の範囲内にある。
【００６４】
［２−２］空中表示装置１の表示動作
次に、図３０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３０は、空中表示装置１の光学的な構成を示す模式図である。
【００６５】
ｚ方向に対して角度θ２（例えばθ２＝４５度）の光が表示ユニット２０から光制御素子４０に主に出射される。光制御素子４０に入射した光のうち、ｚ方向に対して角度θ３（例えばθ３＝４５度）の光９０だけが透明領域４１を透過する。この実施形態では、角度θ２以外の角度の光は少なく、その光は遮光領域４２により遮光される。
【００６６】
光制御素子４０を透過した光９０はミラーデバイス１０に入射する。ミラーデバイス１０に入射した光９０は、ミラーデバイス１０が備える光学要素１２の反射面１２Ａ，１２Ｂにより、図１〜図６にて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、表示位置に空中像３０として結像される。すなわち、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に表示された画像と面対称の表示位置に結像し、表示位置に空中像３０が表示される。観察者８０は、この空中像３０を視認することができる。
【００６７】
［３］変形例の空中表示装置
次に、変形例の空中表示装置について説明する。前述した実施形態の空中表示装置１では、ｚ方向に対して角度θ２の光を出射する構成を光源部２１に用いたが、この変形例では、光を拡散し出射する構成を光源部に用いる。以下に、変形例における光源部を含む表示ユニットと空中表示装置の光学的な構成を示す。その他の構成は前記実施形態と同様である。
【００６８】
［３−１］表示ユニット２０Ａ
図３１及び図３２を用いて、変形例の空中表示装置２における表示ユニット２０Ａについて説明する。図３１は、表示ユニット２０Ａの構成を示す斜視図である。図３２は、導光板２１２Ｃから出射される光の出射角度による光強度を示す図である。
【００６９】
表示ユニット２０Ａは、光源部２１Ａ及び表示素子２２を備える。光源部２１Ａは、発光素子２１１、導光板２１２Ｃ、及び反射シート２１３を有する。光源部２１Ａは、発光素子２１１、導光板２１２Ｃ、及び反射シート２１３により面光源を構成し、この面光源から表示素子２２へ面状の光を出射する。
【００７０】
発光素子２１１は、導光板２１２Ｃの側面（あるいは入射面）に配置される。発光素子２１１から発光された光は、導光板２１２の側面に入射する。導光板２１２Ｃの底面には、反射シート２１３が設けられる。さらに、導光板２１２Ｃ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。なお、必要に応じて、導光板２１２Ｃと表示素子２２との間に拡散板が設けられる。
【００７１】
発光素子２１１から照射された光は、導光板２１２Ｃに入射される。導光板２１２Ｃは、発光素子２１１から照射された光を導き、光を底面で反射して上面から出射させる。変形例では、導光板２１２Ｃの上面から、図３２に示すような光が出射される。導光板２１２Ｃから出射される光は、ｚ方向で最大の光強度を有し、ｚ方向に対して±３０度の範囲で、最大光強度に対して６０％以上の光強度を有する。
【００７２】
［３−２］空中表示装置２の表示動作
次に、図３３を用いて、変形例の空中表示装置２の表示動作について説明する。図３３は、空中表示装置２の光学的な構成を示す模式図である。この変形例では、図３２に示した導光板２１２Ｃから出射される光の出射角度による光強度を考慮し、図２７に示した光制御素子において、角度θ３が３０度に設定された光制御素子４０Ａを用いる。
【００７３】
表示ユニット２０Ａから出射された光は、光制御素子４０Ａに入射される。光制御素子４０Ａに入射した光のうち、ｚ方向に対して角度θ３（例えばθ３＝３０度）の光９０だけが透明領域４１を透過する。一方、角度θ３以外の角度の光は、遮光領域４２により遮光される。
【００７４】
光制御素子４０Ａを透過した光９０はミラーデバイス１０に入射する。ミラーデバイス１０に入射した光９０は、ミラーデバイス１０が備える光学要素１２により、図１〜図６にて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、表示位置に空中像３０として結像される。すなわち、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に表示された画像と面対称の表示位置に結像し、表示位置に空中像３０が表示される。観察者８０は、この空中像３０を視認することができる。
【００７５】
［４］他の変形例の空中表示装置
次に、他の変形例の空中表示装置について説明する。図３０に示した前記実施形態の空中表示装置１では、表示素子２２から出射された光がミラーデバイス１０に入射し、ミラーデバイス１０にて反射された光により空中像３０を形成する。すなわち、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に表示された画像と面対称の表示位置に結像し、空中像３０を生成する。これにより、空中表示装置１では、観察者８０は、ミラーデバイス１０の光出射面（または、ｚ方向）に対して斜方から空中像３０の観察が可能である。
【００７６】
他の変形例では、ミラーデバイス１０にて反射された光の光路を光路変更素子によって変更し、空中像３０を生成する。図３５を用いて、他の変形例の空中表示装置３の光学的な構成、及びその表示動作について説明する。図３５は、他の変形例の空中表示装置３の光学的な構成を示す模式図である。
【００７７】
ミラーデバイス１０にて反射された光の光路に、光路変更素子１４が配置される。言い換えると、ミラーデバイス１０と観察者８０（または、空中像３０）との間に光路変更素子１４が配置される。光路変更素子１４は、例えば、図３５に示すように、鋸歯状の断面形状を有する透明構造体である。光路変更素子１４の鋸歯状を構成する面の各々に入射した光は、屈折効果によりその出射方向が変更される。その他の構成は、図３０に示した前記実施形態と同様である。
【００７８】
図３０に示した前記実施形態と同様に、表示ユニット２０から出射された光は光制御素子４０を透過し、ミラーデバイス１０に入射する。ミラーデバイス１０に入射した光９０は、ミラーデバイス１０が備える光学要素１２により反射される。
【００７９】
光学要素１２にて反射された光は、光路変更素子１４により光路が変更され、主にｚ方向に沿った光となる。言い換えると、光学要素１２にて反射された光は、光路変更素子１４により屈折され、ミラーデバイス１０の光出射面（または、ｘ及びｙ方向に平行なｘｙ面）に対して直交する方向に主に出射される。ここでは、光学要素１２にて反射された光の光路が、ｚ方向に変更される例を示すが、その他の方向、例えばｚ方向に対して１５度あるいは３０度であってもよい。
【００８０】
光路変更素子１４により光路が変更された光は、表示位置に空中像３０として結像される。このように、空中表示装置３では、ｚ方向を中心として空中像を生成することが可能である、すなわちミラーデバイス１０（または、空中表示装置３）の光出射面に対して直交方向を中心として空中像３０を形成することが可能である。これにより、空中表示装置３では、観察者８０は、ミラーデバイス１０の光出射面に対して直交する方向から、あるいはｚ方向から、表示品質の良い空中像３０の観察が可能である。
【００８１】
［５］実施形態及び変形例の効果
実施形態、変形例及び他の変形例によれば、空中像の表示品質を確保でき、小型化が可能な空中表示装置を提供することができる。
【００８２】
実施形態、変形例及び他の変形例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３４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。比較例が備える表示ユニット２０Ａは、実施形態の表示ユニット２０が持つような角度θ２で光を出射する構成は持っていない。比較例では、表示ユニット２０Ａをミラーデバイス１０に対して大きく傾斜して設置している。ミラーデバイス１０は、表示ユニット２０Ａから出射された光を反射させるだけでなく、透過させる構造も有している。このため、図３４に示すように、表示ユニット２０Ａをミラーデバイス１０に対して傾斜して設置することで、表示ユニット２０Ａから出射された光がミラーデバイス１０を透過し、その光が観察者８０に直接到達しないようにしている。
【００８３】
このように比較例では、表示ユニット２０Ａをミラーデバイス１０に対して大きく傾斜して設置するため、表示装置として大きな設置エリアを必要とし、表示装置を設置する自由度が低下する。すなわち、表示装置を構成する部材の設置条件が制限されてしまう。さらに、比較例では、表示ユニット２０Ａの表示面に対して垂直方向の光がミラーデバイス１０の光学要素１２により反射され、空中像３０を結像する。しかし、表示ユニット２０Ａの表示面に対して斜めの光が、ミラーデバイス１０の光学要素１２を透過して空中像３０の近傍に到達し、表示品質を低下させる。
【００８４】
実施形態、変形例及び他の変形例の空中表示装置では、表示ユニット２０（または２０Ａ）をミラーデバイス１０に対して傾斜して設置する必要はなく、表示ユニットをミラーデバイス１０に対して平行に設置する。さらに、表示ユニットとミラーデバイス１０との間に光制御素子４０（または４０Ａ）を配置する。これにより、表示ユニットから出射される光のうち、光制御素子を透過した光がミラーデバイス１０に対して表示ユニットと面対称の位置に結像し、当該位置に空中像３０を表示させる。一方、表示ユニットから出射される光のうち、不要光や迷光は光制御素子により遮光されるため、これらの光が空中像３０の近傍や観察者８０に到達するのを防ぐことができる。
【００８５】
以上により実施形態、変形例及び他の変形例によれば、空中像３０の表示品質を確保できると共に、空中表示装置を小型化することが可能である。すなわち、空中像の表示品質を確保できると共に、構成部材（表示ユニット、光制御素子及びミラーデバイス等）の設置条件の自由度を向上でき、コンパクトなパッケージングが可能な空中表示装置を提供できる。
【００８６】
さらに、実施形態では、光制御素子４０における出射光の角度θ３と、光学シート２１４（または表示ユニット２０）からの出射光の角度θ２を一致させる。これにより、表示ユニット２０から出射される出射光の光利用効率を向上させることができる。
【００８７】
また、他の変形例によれば、空中表示装置３の光出射面に対して直交方向を中心に空中像３０を形成することが可能である。これにより、観察者８０は、表示品質の良い空中像３０を視認することができる。
【００８８】
［６］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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【国際調査報告】
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