CN115280222A - 空中显示装置 - Google Patents

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CN115280222A CN202180018524.1A CN202180018524A CN115280222A CN 115280222 A CN115280222 A CN 115280222A CN 202180018524 A CN202180018524 A CN 202180018524A CN 115280222 A CN115280222 A CN 115280222A
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Abstract

空中显示装置包括：光源部(10)，发出光；显示元件(20)，使来自光源部(10)的光透射，并显示图像；光控制元件(30)，使来自显示元件(20)的光透射，并以相对于法线方向倾斜的方向的光强度成为峰值的方式射出光；以及镜器件(40)，将来自光控制元件(30)的光反射，并在与光控制元件(30)相反一侧的空中显示图像。镜器件(40)包括分别由六面体构成的多个光学要素(42)。光学要素(42)包括将光反射的第一反射面以及第二反射面。第一反射面以及第二反射面分别相对于法线方向倾斜地配置。

Description

空中显示装置
技术领域
本发明涉及一种空中显示装置。
背景技术
正在研究能够将图像或动画等作为空中像来显示的空中显示装置，并期待其成为新的人机接口。空中显示装置例如使用二面角形反射器被排列为阵列状而成的二面角形反射器阵列，对从显示元件出射的光进行反射，在空中显示图像等(例如，参照专利文献1)。通过二面角形反射器阵列进行的显示方法能够无像差地在面对称位置处显示图像等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-67933号公报
发明内容
发明要解决的课题
本发明提供能够实现小型化的空中显示装置。
用于解决课题的手段
本发明的一个方式的空中显示装置具备：光源部，发出光；显示元件，使来自上述光源部的光透射，并显示图像；光控制元件，使来自上述显示元件的光透射，并以相对于与上述显示元件的主面内的第一方向垂直的法线方向倾斜的方向的光强度成为峰值的方式射出光；以及镜器件，将来自上述光控制元件的光反射，在与上述光控制元件相反一侧的空中显示图像。上述镜器件包括分别由六面体构成的多个光学要素。上述多个光学要素分别包括将光反射的第一反射面以及第二反射面。上述第一反射面以及第二反射面分别相对于上述法线方向倾斜地配置。
发明的效果
根据本发明，能够提供能够实现小型化的空中显示装置。
附图说明
图1是本发明的实施方式的空中显示装置的立体图。
图2是图1所示的空中显示装置的侧视图。
图3是图1所示的光源部的侧视图。
图4是图1所示的光控制元件的平面图。
图5是沿着图4的A-A′线的光控制元件的截面图。
图6是图1所示的镜器件的仰视图。
图7是说明镜器件的光学要素的图。
图8是说明镜器件的光出射角的示意截面图。
图9是空中显示装置的框图。
图10是表示从光源部射出的照明光的强度与角度之间的关系的图表。
图11是表示从光控制元件射出的显示光的强度与角度之间的关系的图表。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。但是，附图是示意性或者概念性的图，各附图的尺寸以及比率等不一定与现实情况相同。此外，即使在附图相互之间表示相同的部分的情况下，也存在相互的尺寸关系、比率被不同地表示的情况。特别是，以下所示的几个实施方式示例了用于使本发明的技术思想具体化的装置以及方法，不通过构成部件的形状、构造、配置等来确定本发明的技术思想。此外，在以下的说明中，对于具有相同功能以及构成的要素赋予相同符号，省略重复的说明。
[1]空中显示装置的整体构成
空中显示装置为，具备具有二面角形反射器阵列的空中成像元件(称作镜器件)，使用镜器件使从显示元件的显示面射出的显示光反射，在空中显示图像以及动画。
图1是本发明的实施方式的空中显示装置1的立体图。图2是图1所示的空中显示装置1的侧视图。图1的X方向是沿着空中显示装置1的某1边的方向，Y方向是在水平面内与X方向正交的方向，Z方向是与X-Y平面正交的方向(也称作法线方向)。
空中显示装置1具备光源部(也称作背光灯)10、显示元件(也称作光调制元件)20、光控制元件30、以及镜器件40。光源部10、显示元件20、光控制元件30、以及镜器件40依次沿着Z方向配置，并且以各自的主面平行的方式配置。另外，在图1中，构成空中显示装置1的多个元件被以浮起的方式示出，但这些元件由未图示的支承部件固定于附图的位置。以下所示的附图也同样。
光源部10发出照明光，并将该照明光朝向显示元件20射出。光源部10由面光源构成。光源部10例如由侧灯型(边灯型)的背光灯构成。光源部10具备设置于导光板的侧面的发光元件11。发光元件11例如由发出白色光的发光二极管(LED：Light Emitting Diode)构成。
在本实施方式中，光源部10以相对于法线方向呈角度θ1倾斜的方向的光强度成为峰值的方式射出照明光。角度θ1为30度以上且60度以下。在本实施方式中，角度θ1约为45度。光源部10的照明光向Y方向偏振。关于光源部10的具体构成将后述。
显示元件20为透射式显示元件。显示元件20例如由液晶显示元件构成。显示元件20的驱动模式不特别限定，能够使用TN(Twisted Nematic：扭曲向列)模式、VA(VerticalAlignment：垂直取向)模式、或者同质模式等。显示元件20接受从光源部10射出的照明光。显示元件20使照明光透射而进行光调制。然后，显示元件20在其显示面上显示所希望的图像以及动画。
光控制元件30接受从显示元件20射出的显示光。光控制元件30以相对于法线方向呈角度θ2倾斜的方向的光强度成为峰值的方式使显示光透射。角度θ2为30度以上且60度以下，优选“θ1＝θ2”。在本实施方式中，角度θ2约为45度。通过设定为“θ1＝θ2”，能够减少透射了显示元件20的显示光被光控制元件30遮光的光量，因此能够提高光源部10的照明光的利用效率。关于光控制元件30的具体构成将后述。
镜器件40接受透射了光控制元件30的显示光。通过镜器件40将显示光反射，由此在空中显示空中像50。处于镜器件40的与显示元件20相反一侧的观察者51能够目视确认到由镜器件40反射后的显示光。关于镜器件40的具体构成将后述。
[1-1]光源部10的构成
图3是光源部10的侧视图。光源部10具备发光元件11、导光板12、反射片13、以及棱镜片14。
发光元件11朝向导光板12的侧面发出照明光。在图3中用四方形表示一个发光元件，例如发光元件11由沿着Y方向排列的多个发光元件构成。
导光板12对来自发光元件11的照明光进行导光，并使照明光从上表面射出。另外，导光板12向相对于Z方向倾斜的方向射出照明光。
反射片13将从导光板12的底面射出的照明光再次朝向导光板12反射。
棱镜片14使来自导光板12的照明光折射。棱镜片14具有使多个三棱柱平躺并沿着X方向排列的构造。即，从Y方向观察时，棱镜片14的上表面具有波形(锯齿形)。棱镜片14具有相对于法线方向朝左侧倾斜的多个折射面14A。
如此构成的光源部10能够以射出角θ1射出照明光。另外，通过调整棱镜片14的折射面14A的倾斜角以及导光板12的光射出角，能够将射出角θ1设定为最佳。
[1-2]光控制元件30的构成
图4是光控制元件30的平面图。图5是沿着图4的A-A′线的光控制元件30的截面图。
在基材31上设置有分别沿着Y方向延伸且沿着X方向排列的多个透明部件33。另外，在基材31上设置有分别沿着Y方向延伸且沿着X方向排列的多个遮光部件34。多个透明部件33与多个遮光部件34以相邻接的部件彼此相接触的方式交替地配置。
透明部件33的截面是其侧面以倾斜角θ2倾斜了的平行四边形。遮光部件34的截面是其侧面以倾斜角θ2倾斜了的平行四边形。相邻接的2个遮光部件34被配置为，在Z方向上彼此的端部(具体地说，一方的上端部与另一方的下端部)重叠若干。透明部件33使光透射。遮光部件34对光进行遮光。在多个透明部件33以及多个遮光部件34上设置有基材32。
作为基材31、32以及透明部件33，使用透明的树脂，例如使用丙烯酸树脂。作为遮光部件34，例如使用混入了黑色染料的树脂。
如此构成的光控制元件30能够以相对于法线方向呈角度θ2倾斜的方向的光强度成为峰值的方式使显示光透射。
[1-3]镜器件40的构成
图6是镜器件40的仰视图。即，图6是从下方观察图1的镜器件40的图。
镜器件40具备基材41、以及设置在基材41的底面上的多个光学要素42。基材41与光源部10平行地配置。基材41以及光学要素42由透明的树脂构成，例如由丙烯酸树脂构成。光学要素42的平面形状为四边形，在本实施方式中为正方形。光学要素42具有反射面42A以及反射面42B。
光学要素42配置为，1边相对于X方向倾斜45度。多个光学要素42以1列沿着相对于X方向为45度的方向排列的方式配置为多列。
图7是说明镜器件40的光学要素42的图。在图7中，将从X方向观察光学要素42的图作为主视图。图7的(a)为仰视图，图7的(b)为主视图，图7的(c)为右视图。
光学要素42由六面体构成，具有底面42C、反射面42A、以及反射面42B。光学要素42的反射面42A、42B对应于与正面相反侧的2个侧面。反射面42A以及反射面42B构成所谓的二面角形反射器。
反射面42A相对于Z方向朝光学要素42的中心侧以倾斜角θ3倾斜。倾斜角θ3大于0度且为45度以下。同样，反射面42B相对于Z方向朝光学要素42的中心侧以倾斜角θ3倾斜。其中，具有“θ3＜θ2”的关系。反射面42A与反射面42B所成的角度为90度。
另外，反射面42A以及反射面42B倾斜的一侧与光控制元件30的射出角θ2倾斜的一侧相同。具体地说，反射面42A以及反射面42B相对于法线方向朝右侧倾斜，光控制元件30的射出角θ2相对于法线方向朝右侧倾斜。
光学要素42的底面42C以朝向X方向而光学要素42的高度变高的方式倾斜地形成。反射面42A与底面42C的角度以及反射面42B与底面42C的角度分别为90度。
在如此构成的镜器件40中，向光学要素42以角度θ2入射的显示光被反射面42A与反射面42B反射2次而大致沿法线方向射出。
[2]关于镜器件40的光射出角
图8是对镜器件40的光射出角进行说明的示意截面图。θ1是光源部10的射出角，θ2是光控制元件30的射出角，θ3是光学要素42的反射面42A、42B的倾斜角度。将镜器件40的折射率设为np，将空气的折射率设为1。
从光控制元件30射出的光(显示光)以入射角θ4向光学要素42入射，并以折射角θ5折射。在光学要素42内前进的光以反射角θ6以及反射角θ7(＝θ6)反射。在光学要素42内反射后的光向与空气的界面以入射角θ8入射，并以折射角θ9折射。即，入射至镜器件40的光以射出角θ9从镜器件40射出。
射出角θ9由以下的式表示。
θ9＝sin-1(np·sin(θ3-sin-1(sinθ4/np))
临界角＜θ6(＝θ7)
临界角＝sin-1(1/np)
射出角θ9被设定为相对于法线方向为±30度的范围。在本实施方式中，射出角θ9被设定为大约0度。由此，以使射出角θ9成为大约0度的方式，适当地设定倾斜角θ3、入射角θ4、以及折射率np。
[3]空中显示装置1的模块构成
图9是空中显示装置1的模块图。空中显示装置1具备光源部10、显示元件20、光控制元件30、镜器件40、显示驱动部60、电压产生电路61、以及控制电路62。
显示驱动部60驱动显示元件20，使显示元件20显示图像以及动画。电压产生电路61产生光源部10以及显示驱动部60进行动作所需的多种电压，并将这些电压供给至光源部10以及显示驱动部60。
控制电路62对空中显示装置1整体的动作进行控制。即，控制电路62对光源部10、显示驱动部60、以及电压产生电路61进行控制。并且，控制电路62使得在所希望的显示位置处显示空中像50。
[4]动作
对如上述那样构成的空中显示装置1的动作进行说明。
光源部10发出照明光，并将该照明光朝向显示元件20射出。另外，光源部10以相对于法线方向呈角度θ1倾斜的方向的光强度成为峰值的方式射出照明光。在本实施方式中，角度θ1约为45度。
图10是表示从光源部10射出的照明光的强度与角度之间的关系的图表。图10的纵轴是从光源部10射出的照明光的强度的相对值(％)，图10的横轴是从光源部10射出的照明光相对于法线方向的角度(度)。
如根据图10理解的那样，从光源部10射出的照明光在45度(＝θ1)具有光强度的峰值。另外，从光源部10射出的光的大部分处于30～60度的角度范围内。
显示元件20使来自光源部10的照明光透射，并且显示图像以及动画。
光控制元件30接受来自显示元件20的显示光，并以相对于法线方向呈角度θ2倾斜的方向的光强度成为峰值的方式使显示光透射。在本实施方式中，角度θ2约为45度。
图11是表示从光控制元件30射出的显示光的强度与角度之间的关系的图表。图11的纵轴是从光控制元件30射出的显示光的强度的相对值(％)，图11的横轴是从光控制元件30射出的显示光相对于法线方向的角度(度)。
如根据图11理解的那样，从光控制元件30射出的显示光在45度(＝θ2)具有光强度的峰值。另外，从光控制元件30射出的光的大部分处于30～60度的角度范围内。而且，从显示元件20射出的显示光中的无用光被光控制元件30遮光。
从光控制元件30射出的显示光相对于镜器件40倾斜地、即相对于法线方向以约45度入射。镜器件40将显示光反射，并以大约0度的射出角θ9射出。
由此，能够在所希望的显示位置处显示空中像50。观察者能够目视确认空中像50。
在现有技术中，二面角形反射器阵列的各镜面相对于元件面大致垂直地直立配置。另一方面，在本实施方式中，二面角形反射器阵列相对于元件面以任意角度配置。另外，本实施方式具有如下特征：通过上述二面角形反射器的镜面配置，将从显示元件发出的特定入射角度的光向任意方向反射，由此在不是面对称位置的任意位置处生成空中像。并且，在制造方面具有如下特征：二面角形反射器的各镜面相对于模具的脱离方向不是垂直配置，因此能够确保反射面的镜面精度(容易脱模)。
[5]实施方式的效果
在本实施方式中，光源部10、显示元件20、光控制元件30、以及镜器件40依次沿着法线方向配置，另外，以各自的主面平行的方式配置。另外，光源部10、显示元件20、以及光控制元件30使显示光沿着相对于法线方向倾斜的方向朝镜器件40入射。镜器件40将来自光控制元件30的显示光反射，并在与光控制元件30相反一侧的空中显示图像。
因此，根据本实施方式，无需将光源部10以及显示元件20相对于镜器件40倾斜地配置。由此，能够实现在维持空中像的显示品质的同时能够在法线方向上小型化的空中显示装置1。
另外，对于显示无用的光被光控制元件30几乎遮光。由此，能够使空中像的对比度提高。其结果，能够使空中显示装置1的显示品质提高。
另外，使光源部10的射出角θ1与光控制元件30的遮光部件34的倾斜角θ2相同。由此，能够使从光源部10射出的照明光的光利用效率提高。
[6]变形例
在上述实施方式中构成为，镜器件40具有由六面体构成的多个光学要素42。镜器件40的构造并不限定于此。例如，镜器件40也可以构成为，在透明的基材上具有多个孔，多个孔分别具有以直角配置的2个反射面42A、42B。换言之，将光反射两次的光学要素可以是凸型、也可以是凹型。
本发明不限定于上述实施方式，在实施阶段在不脱离其主旨的范围内能够进行各种变形。此外，各实施方式也可以适当地组合而实施，在该情况下能够得到组合的效果。并且，在上述实施方式包含各种发明，通过从公开的多个构成要件中选择的组合能够提取各种发明。例如，在从实施方式所示的全部构成要件中删除几个构成要件也能够解决课题并得到效果的情况下，该构成要件被删除的构成也能够提取为发明。

Claims (8)

1.一种空中显示装置，具备：
光源部，发出光；
显示元件，使来自上述光源部的光透射，并显示图像；
光控制元件，使来自上述显示元件的光透射，并以相对于与上述显示元件的主面内的第一方向垂直的法线方向倾斜的方向的光强度成为峰值的方式射出光；以及
镜器件，将来自上述光控制元件的光反射，在与上述光控制元件相反一侧的空中显示图像，
上述镜器件包括分别由六面体构成的多个光学要素，
上述多个光学要素分别包括将光反射的第一反射面以及第二反射面，
上述第一反射面以及第二反射面分别相对于上述法线方向倾斜地配置。
2.如权利要求1所述的空中显示装置，其中，
上述第一反射面以及第二反射面分别在平面观察时相对于上述第一方向倾斜地配置。
3.如权利要求1或2所述的空中显示装置，其中，
上述镜器件包括与上述显示元件平行地配置的基材，
上述多个光学要素设置于上述基材的上述光控制元件侧的底面。
4.如权利要求1或2所述的空中显示装置，其中，
上述光学要素的上述光控制元件侧的底面相对于上述第一方向倾斜地配置。
5.如权利要求1或2所述的空中显示装置，其中，
上述第一反射面与上述第二反射面成为90度的角度。
6.如权利要求1或2所述的空中显示装置，其中，
上述光控制元件包括多个透明部件以及多个遮光部件，
上述多个透明部件与上述多个遮光部件交替地配置，
上述遮光部件相对于上述法线方向倾斜地配置。
7.如权利要求1或2所述的空中显示装置，其中，
上述光源部以相对于上述法线方向倾斜的方向的光强度成为峰值的方式射出光。
8.如权利要求1或2所述的空中显示装置，其中，
上述显示元件为液晶显示元件。
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