JP7459563B2 - 空中表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、空中表示装置に関する。

画像や動画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用いて、表示素子の表示面から出射された光を反射し、空中に画像などを表示する（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方法は、収差が無く、面対称の位置に画像などが表示される。

特開２０１７－６７９３３号公報

本発明は、小型化が可能な空中表示装置を提供する。

本発明の一態様に係る空中表示装置は、光を発光する光源部と、前記光源部からの光を透過し、画像を表示する表示素子と、前記表示素子からの光を透過し、前記表示素子の主面内の第１方向に垂直な法線方向に対して斜め方向の光強度がピークになるように光を出射する光制御素子と、前記光制御素子からの光を反射し、前記光制御素子と反対側の空中に画像を表示させるミラーデバイスとを具備する。前記ミラーデバイスは、それぞれが６面体からなる複数の光学要素を含む。前記複数の光学要素の各々は、光を反射する第１及び第２反射面を含む。前記第１及び第２反射面の各々は、前記法線方向に対して斜めに配置される。

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１は、本発明の実施形態に係る空中表示装置の斜視図である。 図２は、図１に示した空中表示装置の側面図である。 図３は、図１に示した光源部の側面図である。 図４は、図１に示した光制御素子の平面図である。 図５は、図４のＡ－Ａ´線に沿った光制御素子の断面図である。 図６は、図１に示したミラーデバイスの底面図である。 図７は、ミラーデバイスの光学要素を説明する図である。 図８は、ミラーデバイスの光出射角を説明する模式的断面図である。 図９は、空中表示装置のブロック図である。 図１０は、光源部から出射された照明光における強度と角度との関係を示すグラフである。 図１１は、光制御素子から出射された表示光における強度と角度との関係を示すグラフである。

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。

［１］ 空中表示装置の全体構成
空中表示装置は、２面コーナーリフレクタアレイを備えた空中結像素子（ミラーデバイスという）を備え、表示素子の表示面から射出される表示光を、ミラーデバイスを用いて反射させ、空中に画像及び動画を表示させるものである。

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２は、図１に示した空中表示装置１の側面図である。図１の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、Ｘ－Ｙ平面に直交する方向（法線方向ともいう）である。

空中表示装置１は、光源部（バックライトともいう）１０、表示素子（光変調素子ともいう）２０、光制御素子３０、及びミラーデバイス４０を備える。光源部１０、表示素子２０、光制御素子３０、及びミラーデバイス４０は、この順にＺ方向に沿って配置され、また、それぞれの主面が平行になるように配置される。なお、図１では、空中表示装置１を構成する複数の素子が浮いているように示されているが、これらの素子は、図示しない支持部材によって、図面の位置に固定される。以下に示す図面についても同様である。

光源部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。光源部１０は、面光源からなる。光源部１０は、例えば、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１０は、導光板の側面に設けられた発光素子１１を備える。発光素子１１は、例えば白色光を発光する発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）で構成される。

本実施形態では、光源部１０は、法線方向に対して角度θ_１である斜め方向の光強度がピークになるように、照明光を出射する。角度θ_１は、３０度以上かつ６０度以下である。本実施形態では、角度θ_１は、約４５度である。光源部１０の照明光は、Ｙ方向に偏光している。光源部１０の具体的な構成については後述する。

表示素子２０は、透過型表示素子である。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、光源部１０から出射された照明光を受ける。表示素子２０は、照明光を透過して光変調を行う。そして、表示素子２０は、その表示面に所望の画像及び動画を表示する。

光制御素子３０は、表示素子２０から出射された表示光を受ける。光制御素子３０は、法線方向に対して角度θ_２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。角度θ_２は、３０度以上かつ６０度以下であり、“θ_１＝θ_２”が好ましい。本実施形態では、角度θ_２は、約４５度である。“θ_１＝θ_２”に設定することで、表示素子２０を透過した表示光が光制御素子３０で遮光される光量を少なくできるので、光源部１０の照明光の利用効率を向上させることができる。光制御素子３０の具体的な構成については後述する。

ミラーデバイス４０は、光制御素子３０を透過した表示光を受ける。ミラーデバイス４０は、表示光を反射することで、空中に空中像５０を表示する。ミラーデバイス４０で反射された表示光は、ミラーデバイス４０の表示素子２０と反対側にいる観察者５１に視認される。ミラーデバイス４０の具体的な構成については後述する。

［１－１］ 光源部１０の構成
図３は、光源部１０の側面図である。光源部１０は、発光素子１１、導光板１２、反射シート１３、及びプリズムシート１４を備える。

発光素子１１は、導光板１２の側面に向けて照明光を発光する。図３には、１個の発光素子を四角で示しているが、例えば、発光素子１１は、Ｙ方向に並んだ複数の発光素子から構成される。

導光板１２は、発光素子１１からの照明光を導光し、照明光を上面から出射する。また、導光板１２は、Ｚ方向に対して斜め方向に照明光を出射する。

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。

プリズムシート１４は、導光板１２からの照明光を屈折させる。プリズムシート１４は、複数の三角柱を横にしてＸ方向に並べた構造を備える。すなわち、プリズムシート１４の上面は、Ｙ方向から見て波形（のこぎり歯形）を有する。プリズムシート１４は、法線方向に対して左側に傾いた複数の屈折面１４Ａを有する。

このように構成された光源部１０は、出射角θ_１で照明光を出射することができる。また、プリズムシート１４の屈折面１４Ａの傾斜角、及び導光板１２の光出射角を調整することで、出射角θ_１を最適に設定できる。

［１－２］ 光制御素子３０の構成
図４は、光制御素子３０の平面図である。図５は、図４のＡ－Ａ´線に沿った光制御素子３０の断面図である。

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。

透明部材３３の断面は、その側面が傾斜角θ_２だけ傾いた平行四辺形である。遮光部材３４の断面は、その側面が傾斜角θ_２だけ傾いた平行四辺形である。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。透明部材３３は、光を透過する。遮光部材３４は、光を遮光する。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３１、３２、及び透明部材３３としては、透明な樹脂が用いられ、例えばアクリル樹脂が用いられる。遮光部材３４としては、例えば、黒の染料が混入された樹脂が用いられる。

このように構成された光制御素子３０は、法線方向に対して角度θ_２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。

［１－３］ ミラーデバイス４０の構成
図６は、ミラーデバイス４０の底面図である。すなわち、図６は、図１のミラーデバイス４０を下から見た図である。

ミラーデバイス４０は、基材４１と、基材４１の底面に設けられた複数の光学要素４２とを備える。基材４１は、光源部１０と平行に配置される。基材４１及び光学要素４２は、透明な樹脂で構成され、例えばアクリル樹脂で構成される。光学要素４２の平面形状は、四角形であり、本実施形態では、正方形である。光学要素４２は、反射面４２Ａ、及び反射面４２Ｂを有する。

光学要素４２は、１辺がＸ方向に対して４５度だけ傾くように配置される。複数の光学要素４２は、１列がＸ方向に対して４５度方向に並ぶようにして、複数列に配置される。

図７は、ミラーデバイス４０の光学要素４２を説明する図である。図７において、光学要素４２をＸ方向から見た図を正面図とする。図７（ａ）は底面図、図７（ｂ）は正面図、図７（ｃ）は右側面図である。

光学要素４２は、６面体で構成され、底面４２Ｃ、反射面４２Ａ、及び反射面４２Ｂを有する。光学要素４２の反射面４２Ａ、４２Ｂは、正面と反対側の２個の側面に対応する。反射面４２Ａ及び反射面４２Ｂは、いわゆる２面コーナーリフレクタを構成する。

反射面４２Ａは、Ｚ方向に対して光学要素４２の中心側に傾斜角θ_３だけ傾いている。傾斜角θ_３は、０度より大きくかつ４５度以下である。同様に、反射面４２Ｂは、Ｚ方向に対して光学要素４２の中心側に傾斜角θ_３だけ傾いている。但し、“θ_３＜θ_２”の関係を有する。反射面４２Ａと反射面４２Ｂとのなす角度は、９０度である。

また、反射面４２Ａ及び反射面４２Ｂの傾く側は、光制御素子３０の出射角θ_２の傾く側と同じである。具体的には、反射面４２Ａ及び反射面４２Ｂは、法線方向に対して右側に傾いており、光制御素子３０の出射角θ_２は、法線方向に対して右側に傾いている。

光学要素４２の底面４２Ｃは、Ｘ方向に向かって光学要素４２の高さが高くなるように、斜めに形成される。反射面４２Ａと底面４２Ｃとの角度、及び反射面４２Ｂと底面４２Ｃとの角度はそれぞれ、９０度である。

このように構成されたミラーデバイス４０では、光学要素４２に角度θ_２で入射した表示光は、反射面４２Ａと反射面４２Ｂとで２回反射されておおよそ法線方向に出射される。

［２］ ミラーデバイス４０の光出射角について
図８は、ミラーデバイス４０の光出射角を説明する模式的断面図である。θ_１は光源部１０の出射角、θ_２は光制御素子３０の出射角、θ_３は光学要素４２の反射面４２Ａ、４２Ｂの傾斜角度である。ミラーデバイス４０の屈折率をｎ_ｐとし、空気の屈折率を１とする。

光制御素子３０から出射した光（表示光）は、入射角θ_４で光学要素４２に入射し、屈折角θ_５で屈折する。光学要素４２内を進む光は、反射角θ_６及び反射角θ_７（＝θ_６）で反射する。光学要素４２内で反射した光は、空気との界面に入射角θ_８で入射し、屈折角θ_９で屈折する。すなわち、ミラーデバイス４０に入射した光は、出射角θ_９でミラーデバイス４０から出射する。

出射角θ_９は、以下の式で表される。
θ_９＝ｓｉｎ^－１（ｎ_ｐ・ｓｉｎ（θ_３－ｓｉｎ^－１（ｓｉｎθ_４／ｎ_ｐ））
臨界角＜θ_６（＝θ_７）
臨界角＝ｓｉｎ^－１（１／ｎ_ｐ）

出射角θ_９は、法線方向に対して±３０度の範囲に設定される。本実施形態では、出射角θ_９は約０度に設定される。よって、出射角θ_９が約０度になるように、傾斜角θ_３、入射角θ_４、及び屈折率をｎ_ｐが適宜設定される。

［３］ 空中表示装置１のブロック構成
図９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、光源部１０、表示素子２０、光制御素子３０、ミラーデバイス４０、表示駆動部６０、電圧発生回路６１、及び制御回路６２を備える。

表示駆動部６０は、表示素子２０を駆動し、表示素子２０に画像及び動画を表示させる。電圧発生回路６１は、光源部１０及び表示駆動部６０が動作するのに必要な複数種類の電圧を発生し、これらの電圧を光源部１０及び表示駆動部６０に供給する。

制御回路６２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６２は、光源部１０、表示駆動部６０、及び電圧発生回路６１を制御する。そして、制御回路６２は、所望の表示位置に空中像５０を表示させる。

［４］ 動作
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。

光源部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。また、光源部１０は、法線方向に対して角度θ_１の斜め方向の光強度がピークになるように、照明光を出射する。本実施形態では、角度θ_１は、約４５度である。

図１０は、光源部１０から出射された照明光における強度と角度との関係を示すグラフである。図１０の縦軸は、光源部１０から出射された照明光における強度の相対値（％）であり、図１０の横軸は、光源部１０から出射された照明光における法線方向に対する角度（度）である。

図１０から理解されるように、光源部１０から出射された照明光は、４５度（＝θ_１）で光強度のピークを有する。また、光源部１０から出射された光の大部分は、３０～６０度の角度の範囲内にある。

表示素子２０は、光源部１０からの照明光を透過するとともに、画像及び動画を表示する。

光制御素子３０は、表示素子２０からの表示光を受け、法線方向に対して角度θ_２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。本実施形態では、角度θ_２は、約４５度である。

図１１は、光制御素子３０から出射された表示光における強度と角度との関係を示すグラフである。図１１の縦軸は、光制御素子３０から出射された表示光における強度の相対値（％）であり、図１１の横軸は、光制御素子３０から出射された表示光における法線方向に対する角度（度）である。

図１１から理解されるように、光制御素子３０から出射された表示光は、４５度（＝θ_２）で光強度のピークを有する。また、光制御素子３０から出射された光の大部分は、３０～６０度の角度の範囲内にある。さらに、表示素子２０から出射された表示光のうち不要な光が光制御素子３０によって遮光される。

光制御素子３０から出射された表示光は、ミラーデバイス４０に対して斜めに、すなわち法線方向に対して約４５度で入射する。ミラーデバイス４０は、表示光を反射し、出射角θ_９が約９０度で出射する。

これにより、所望の表示位置に空中像５０を表示させることができる。空中像５０は、観察者に視認される。

［５］ 実施形態の効果
本実施形態では、光源部１０、表示素子２０、光制御素子３０、及びミラーデバイス４０は、この順に法線方向に沿って配置され、また、それぞれの主面が平行になるように配置される。また、光源部１０、表示素子２０、及び光制御素子３０は、表示光をミラーデバイス４０に法線方向に対して斜め方向に入射させる。ミラーデバイス４０は、光制御素子３０からの表示光を反射し、光制御素子３０と反対側の空中に画像を表示させる。

従って本実施形態によれば、ミラーデバイス４０に対して、光源部１０及び表示素子２０を斜めに配置する必要がない。これにより、空中像の表示品質を維持しつつ、法線方向に小型化が可能な空中表示装置１を実現できる。

また、表示に不要な光は、光制御素子３０によっておおよそ遮光される。これにより、空中像のコントラストを向上させることができる。この結果、空中表示装置１の表示品質を向上させることができる。

また、光源部１０の出射角θ_１と、光制御素子３０の遮光部材３４の傾斜角θ_２とを同じにしている。これにより、光源部１０から出射される照明光の光利用効率を向上させることができる。

［６］ 変形例
上記実施形態では、ミラーデバイス４０が六面体からなる複数の光学要素４２を備えるように構成される。ミラーデバイス４０の構造は、これに限定されない。例えば、ミラーデバイス４０は、透明な基材に、複数の穴を有し、複数の穴の各々が、直角に配置された２つの反射面４２Ａ、４２Ｂを有するように構成してもよい。換言すると、光を２回反射する光学要素は、凸型であってもよいし、凹型であってもよい。

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。

１…空中表示装置、１０…光源部、１１…発光素子、１２…導光板、１３…反射シート、１４…プリズムシート、２０…表示素子、３０…光制御素子、３１，３２…基材、３３…透明部材、３４…遮光部材、４０…ミラーデバイス、４１…基材、４２…光学要素、５０…空中像、５１…観察者、６０…表示駆動部、６１…電圧発生回路、６２…制御回路。

Claims (8)

1. 光を発光する光源部と、
   前記光源部からの光を透過し、画像を表示する表示素子と、
   前記表示素子からの光を透過し、前記表示素子の主面に垂直な法線方向に対して斜め方向の光強度がピークになるように光を出射する光制御素子と、
   前記光制御素子からの光を反射し、前記光制御素子と反対側の空中に画像を表示させるミラーデバイスと、
   を具備し、
   前記ミラーデバイスは、それぞれが６面体からなる複数の光学要素を含み、
   前記複数の光学要素の各々は、光を反射する第１及び第２反射面を含み、
   前記第１及び第２反射面の各々は、前記法線方向に対して斜めに配置され、
   前記表示素子、前記光制御素子、及び前記ミラーデバイスは、互いに平行に配置される
   空中表示装置。
2. 前記第１及び第２反射面の各々は、平面視において、前記表示素子の主面かつ前記斜め方向に平行な第１方向に対して斜めに配置される
   請求項１に記載の空中表示装置。
3. 前記ミラーデバイスは、前記表示素子と平行に配置された基材を含み、
   前記複数の光学要素は、前記基材の前記光制御素子側の底面に設けられる
   請求項１又は２に記載の空中表示装置。
4. 前記光学要素の前記光制御素子側の底面は、前記表示素子の主面に対して斜めに配置される
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の空中表示装置。
5. 前記第１反射面と前記第２反射面とは、９０度の角度をなす
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の空中表示装置。
6. 前記光制御素子は、複数の透明部材と、複数の遮光部材とを含み、
   前記複数の透明部材と前記複数の遮光部材とは、交互に配置され、
   前記遮光部材は、前記法線方向に対して斜めに配置される
   請求項１乃至５の何れか１項に記載の空中表示装置。
7. 前記光源部は、前記斜め方向の光強度がピークになるように光を出射する
   請求項１乃至６の何れか１項に記載の空中表示装置。
8. 前記表示素子は、液晶表示素子である
   請求項１乃至７の何れか１項に記載の空中表示装置。