CN115685587A - 显示装置和使用该显示装置的空间输入装置 - Google Patents

Abstract

提供一种改善了空中像的视觉辨认性能的显示装置。本发明的显示装置(100)具有：透明导光层(150)，在底面形成有作为图案的光漫射区域(P1)；逆反射层(160)，配置在导光层(150)的底面侧；偏振分束器(170)，配置在导光层(150)的上表面侧，能透射第一偏振方向的光；以及照射装置，向所述导光层内照射第一偏振方向的光或与该第一偏振方向不同的第二偏振方向的光，在照射了第一偏振方向的光时，被光漫射区域(P1)反射后的光透射偏振分束器(170)，图案(P1)能够被视觉辨认，在照射了第二偏振方向的光时，被逆反射层(160)反射后的光透射偏振分束器(170)，图案(P1)的空中像(P1’)能够被视觉辨认。

Description

显示装置和使用该显示装置的空间输入装置

技术领域

本发明涉及一种利用逆反射而在空中显示像的显示装置。

背景技术

作为在显示中获得立体感的结构，专利文献1中公开了一种通过赋予透镜构造或棱镜构造而能实现立体视觉的立体显示器。此外，已知还有使用逆反射的空中显示(AerialImaging by Retro-Reflection：AIRR)。例如，专利文献2的显示装置为了能从更广的角度观察形成在空中的像，使用了两个逆反射构件，并将其中一个逆反射构件配置在光源的出射轴上。专利文献3的图像显示装置为了容易进行图像的成像位置的调整，分别平行地配置半透明反射镜、逆反射构件和图像输出装置，使得能变更半透明反射镜或图像输出装置的位置来调整成像位置。专利文献4的图像显示装置为了抑制图像的视觉辨认性能降低，减少了光透射相位差构件(λ/4板)的次数，并且，逆反射构件和相位差构件之间不容易进入灰尘等。专利文献5的空中影像显示装置为了实现装置的薄型化，相对于分束器平行地配置显示器和逆反射构件，并在显示器上配置偏转光学元件。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：日本特表2013-517528号公报

专利文献2：日本特开2017-107165号公报

专利文献3：日本特开2018-81138号公报

专利文献4：日本特开2019-66833号公报

专利文献5：日本特开2019-101055号公报

发明内容

发明所要解决的问题：

图1是以往的显示空中像的显示装置的概略剖视图。显示装置10在壳体12内配置有输出图像的显示器等光源14、分束器16和逆反射构件18。来自光源14的光L1在分束器16上反射，其反射光L2前进到逆反射构件18。逆反射构件18是向与入射的光相同的方向反射光的光学构件，逆反射构件18的反射光L3在与入射光L2相同的方向上前进，透射了分束器16的光L4会聚后再次漫射，在观察者视点U的眼睛前方的空中成像出影像20。当在分束器16上反射后的光L2被逆反射构件18表面的保护薄膜等正反射时，在逆反射构件18的后方生成光源14的虚像22，从用户的视点U就会看到在空中像20的背景上重叠有虚像22，因此，空中像20的视觉辨认性能降低。

此外，如图2(C)所示，本发明人还提出了用背面影像和空中像进行不同的显示来呈现立体感的方案。该显示装置30具有第一导光层40、配置在其上方的半透明反射镜50、配置在第一导光层40下方的第二导光层60、配置在其下方的逆反射层70、照射第一导光层40的侧部的LED1、以及照射第二导光层60的侧部的LED2。在第一导光层40的底面形成作为光漫射面的图案P1(例如圆形)，在第二导光层60的底面，在与图案P1不重复的位置上形成作为光漫射面的图案P2(例如环形形状)。当使LED1点亮时(LED2不点亮)，它的光在第一导光层40内前进，并在光漫射面P1上反射，其结果，如图2(A)所示地，从用户的视点U可视觉辨认到图案P1。

另一方面，在使LED2点亮时(LED1不点亮)，它的光在第二导光层60内前进，并在光漫射面P2上反射，其反射光的一部分在半透明反射镜50上反射，其反射光在逆反射层70上反射，其光经由半透明反射镜50再次成像。其结果，如图2(B)所示地，从用户的视点U可视觉辨认图案P2和其空中像P2’。在这样的显示装置中，需要分别设置用于使图案P1显示出来的导光层40和用于使空中像P2’显示出来的导光层60，另外还存在必须有意地将上下图案P1、P2的位置错开等问题。

本发明的目的在于解决这样的现有问题，提供一种改善了空中像的视觉辨认性能的显示装置以及使用该显示装置的空间输入装置。

用于解决问题的手段：

本发明涉及的显示装置能够利用逆反射来显示空中像，其中，具有：透明导光层，在底面或底部形成有作为图案(design)的光漫射区域；逆反射层，配置在所述导光层的底面侧；偏振分束器，配置在所述导光层的上表面侧，能透射第一偏振方向的光；以及照射部，向所述导光层内照射第一偏振方向的光或者不同于该第一偏振方向的第二偏振方向的光，在照射了第一偏振方向的光时，被所述光漫射区域反射后的光透射所述偏振分束器，从而所述图案能够被视觉辨认，在照射了第二偏振方向的光时，被所述逆反射层反射后的光透射所述偏振分束器，从而所述图案的空中像能够被视觉辨认。

在某一方式中，在照射了第二偏振方向的光时，被所述光漫射区域反射后的光被所述偏振分束器反射，其反射后的光被所述逆反射层反射之后，透射所述偏振分束器。在某一方式中，所述照射部从所述导光层的第一侧部一侧照射第一偏振方向的光，或者从与所述导光层的第一侧部正交的第二侧部一侧照射第二偏振方向的光。在某一方式中，所述照射部能从所述导光层的第一侧部一侧选择性地照射第一偏振方向的光和第二偏振方向的光。在某一方式中，所述照射部包括能变更偏振方向的偏振片，在所述偏振片位于第一位置时生成第一偏振方向的光，在所述偏振片位于第二位置时生成第二偏振方向的光。在某一方式中，第一偏振方向和第二偏振方向是振动方向正交的直线偏振。

本发明涉及的空间输入装置包括：上述记载的显示装置；检测部，对由所述显示装置显示的图案或空中像被操作对象进行了选择的情况进行检测；以及控制部，根据所述检测部的检测结果控制所述照射部。在某一方式中，在所述操作对象选择了所述空中像时，所述控制部为了对选择确定进行通知而使所述图案加以显示。

发明效果：

根据本发明，能够通过对照射导光层的光的偏振方向进行控制，来控制图案和空中像的亮度比，改善空中像的视觉辨认性能。另外，能够通过选择性地照射第一偏振方向的光或第二偏振方向的光，来无缝地切换图案或空中像的显示。

附图说明

图1是以往的显示空中像的显示装置的概略剖视图。

图2是对显示空中像的显示装置的其他例子进行说明的图。

图3(A)是本发明的实施例涉及的显示装置的俯视图，图3(B)是图3(A)的A-A线剖视图。

图4(A)示出在使第一光源点亮时从上方视觉辨认图案(design)P1的例子，图4(B)是示意地示出从第一光源射出的光的行进方向的图。

图5(A)示出在使第二光源点亮时从上方视觉辨认空中像P1’的例子，图5(B)是示意地示出从第一光源射出的光的行进方向的图。

图6(A)是本发明的第二实施例涉及的显示装置的俯视图，图6(B)是图6(A)的A-A线剖视图。

图7是示出适用了本发明的实施例涉及的显示装置的空间输入装置的图。

符号说明：

100/100A：显示装置

110：第一光源

120：第一偏振片

130：第二光源

140：第二偏振片

150：导光层

152、154：侧部

160：逆反射层

170：偏振分束器

300：空间输入装置

310：壳体

320：操作对象

330：三维距离传感器

340：控制部

350～370：输入按钮

具体实施方式

下面，对本发明的实施方式进行说明。本发明的显示装置即使不戴特殊的眼镜等也能在三维空间内显示使用了逆反射的影像。在某一方式中，本发明的显示装置适用于利用了显示在空中的影像的用户输入接口。再有，应该注意的是，在以下的实施例的说明中参照的附图包含为了容易理解发明而夸大或强调的部分，并不是原样地表示实际的产品的形状或比例。

实施例

下面，对本发明的实施例详细地进行说明。图3(A)是本发明的实施例涉及的显示装置的概略俯视图，图3(B)是图3(A)所示的显示装置的A-A线概略剖视图。本实施例的显示装置100能通过控制从导光层(或者导光板)的侧部照射的光的偏振方向，来调整空中像与原影像的亮度比，并且能无缝地进行空中像与原图像的显示切换。

本实施例的显示装置100的结构包括第一光源110、第一偏振片(偏光滤片)120、第二光源130、第二偏振片140、导光层150、逆反射层160和偏振分束器170。

第一光源110配置在导光层150的第一侧部152，向着X方向射出具有一定出射角(或辐射角)的光。第一光源110不特殊限定，例如可以使用发光二极管这样的无偏振的发光元件。第一光源110射出的光的波长(颜色)不特殊限定，例如可以与第二光源130射出的光的波长相同，也可以不同。在导光层150的第一侧部152在Y方向上具有一定长度的情况下，第一光源110也可以沿着Y方向配置多个发光元件。

与第一光源110对置地配置第一偏振片(偏振件)120。第一偏振片120例如是偏光薄膜或DBEF(反射型偏光元件)，是如下这样的光学元件，该光学元件在与从第一光源110射出的光的行进方向成直角的面内生成在一定方向上振动的直线偏振的光。将第一偏振片120调整成使其直线偏振的偏振方向与能够在偏振分束器170中透射的偏振方向大致一致。在附图的例子中，第一偏振片120生成在大致Y方向上振动的直线偏振的光。由第一偏振片120生成的直线偏振的光L1，从导光层150的第一侧部152向内部入射，并同样地照射导光层150的内部。

第二光源130配置在导光层150的第二侧部154，向着Y方向射出具有一定出射角(或辐射角)的光。第二光源130不特殊限定，例如可以使用发光二极管这样的无偏振的发光元件。在导光层150的第二侧部154在X方向上具有一定长度的情况下，第二光源130也可以沿着X方向配置多个发光元件。

与第二光源130对置地配置第二偏振片(偏振件)140。第二偏振片140与第一偏振片120同样地构成，在与从第二光源130射出的光的行进方向成直角的面内生成在一定方向上振动的直线偏振的光。第二偏振片140生成与第一偏振片120相同方向的直线偏振的光，但由于第二光源130和第二偏振片140配置在与第一侧部152正交的第二侧部154，因此，入射到导光层150内的第二偏振片140的直线偏振的光L2相对于第一偏振片120的直线方向的光L1成直角，即，光L2的偏振方向相对于能够在偏振分束器170中透射的偏振方向大致成直角。由第二偏振片140生成的直线偏振的光L2，从导光层150的第二侧部154向内部入射，并同样地照射导光层150的内部。

导光层150是具有平坦的上表面、平坦的底面以及连接上表面和底面的侧面的板状或薄膜状的透明光学构件。导光层150的平面形状不特殊限定，例如为矩形形状。当导光层150为矩形形状时，第一侧部152和第二侧部154大致正交。导光层150可以使用公知的产品，例如由玻璃、丙烯酸制的塑料、聚碳酸酯树脂或者环烯烃类树脂等构成。此外，为了射入来自第一光源110或第二光源130的光，导光层150在Z方向上具有一定的厚度。

在导光层150的底部或底面形成有作为图案(原图像)的光漫射面P1，用于使光向Z方向漫射或散射。期望光漫射面P1是例如将导光层150的底面利用激光或印刷加工成微细结构并保留偏光状态的构造，例如可以是微观结构、分散有微粒的光散射体。光漫射面P1的形状或大小不特殊限定，如果在将显示装置100使用于空间输入的情况下，将其加工成适合用户输入的图案(例如，输入按钮的形状等图标的形状)。在附图的例子中，光漫射面P1为圆环状(环状)。

在导光层150的下方形成逆反射层160。逆反射层160是向与入射光相同的方向反射光的光学构件，其结构不特殊限定，例如由三角锥型逆反射元件、全立方体角型逆反射元件等棱镜型逆反射元件或玻璃珠型逆反射元件构成。

此外，将逆反射层160调整成使反射光的直线偏振的振动方向与入射光的直线偏振的振动方向不同。在想要增加图案P1与其空中像P1’的亮度比的情况下，优选调整成使反射光能够透射偏振分束器170，且使反射光的直线偏振与入射光的直线偏振成直角(90度)。调整反射光的偏振方向的方法不特殊限定，也可以利用在逆反射层160上光进行反射的次数来调整偏振方向，或者通过在逆反射层160的反射面上粘贴使反射光产生相位差的相位差薄膜来调整反射光的偏振方向。另外，也可以使λ/4薄膜这样的相位差薄膜介于逆反射层160和导光层150之间。

在导光层150的上表面侧配置偏振分束器170。偏振分束器170是能够将入射光分割成p偏振分量和s偏振分量的偏光分离元件，能够透射在某一特定方向上直线偏振的光分量。由于第一偏振片120的直线方向已被调整成与在偏振分束器170中透射的直线偏振大致相同的方向，因此，在导光层150的光漫射面P1上向Z方向反射的第一光源110的直线偏振的光L1的大部分透射偏振分束器170。另一方面，在导光层150的光漫射面P1上向Z方向反射的第二光源130的直线偏振的光L2的大部分在偏振分束器170上进行反射，在偏振分束器170上反射后的光前进到逆反射层160，在逆反射层160上反射后的光在与入射的光相同的方向上前进，并且，入射的光的偏振方向被调整(例如，被调整为旋转了90度的直线偏振)，该反射光的大部分透射偏振分束器170。

下面，对本实施例的显示装置100的显示工作进行说明。第一光源110的点亮/不点亮、第二光源130的点亮/不点亮由未图示的控制部进行控制，在某一方式中，在第一光源110点亮时，第二光源130不点亮，在第一光源110不点亮时，第二光源130点亮。例如，在将显示装置100适用于空间输入装置中的情况下，控制部根据用户的输入操作状态来控制第一和第二光源110、130的点亮/不点亮，或者根据显示装置100的显示目的来控制第一和第二光源110、130的点亮/不点亮。

图4(A)示出在使第一光源110点亮时图案(光漫射面)P1被用户视觉辨认的例子，图4(B)是示意地示出来自第一光源110的光的行进方向的图。从第一光源110射出的光L1被第一偏振片120转换为直线偏振的光L1，光L1从导光层150的侧部152入射，照射导光层150内。光L1的一部分被光漫射面P1向着上方向(Z方向)反射，此时，光L1的直线偏振大致被保留。由于在光漫射面P1上反射的光L1的直线偏振与在偏振分束器170中透射的偏振方向大致一致，因此，光L1的大部分透射偏振分束器170。其结果，在用户从Z方向的视点U观察显示装置100时，用户能够视觉辨认光漫射面即图案P1。

图5(A)示出在使第二光源130点亮时图案(光漫射面)P1的空中像P1’被用户视觉辨认的例子，图5(B)是示意地示出来自第二光源130的光的行进方向的图。从第二光源130射出的光L2被第二偏振片140转换为直线偏振的光L2，光L2从导光层150的侧部154入射，照射导光层150内。光L2的一部分被光漫射面P1向着上方向(Z方向)反射，此时，光L2的直线偏振大致被保留。由于在光漫射面P1上反射的光L2的直线偏振与在偏振分束器170中透射的偏振方向大致正交，因此光L2的大部分在偏振分束器170上进行反射。

在偏振分束器170上反射的光行进到逆反射层160，并在那里向与入射方向相同的方向进行反射。此时，光L2的直线偏振状态不被保留，而是通过逆反射层160的反射而成为无偏振状态，或者经由相位差薄膜而成为原来的直线偏振旋转了一定角度后的直线偏振。其结果，在逆反射层160上反射后的光L2的大部分或者其一部分透射偏振分束器170，之后再次成像，由此生成空中像P1’。在用户从Z方向的视点U观察显示装置100时，用户能够视觉辨认从显示装置100的表面悬浮起来的图案P1的空中像P1’。此外，由于第一光源110不点亮，因此抑制了整体的亮度，改善了空中像P1’的对比度或视觉辨认性能。

这样地，根据本实施例，能够通过控制入射到导光层150的光的偏振方向来控制图案P1与空中像P1’的亮度比，改善空中像P1’的视觉辨认性能。此外，能够通过切换第一光源110和第二光源130的点亮/不点亮，来无缝地进行图案P1或空中像P1’的显示的切换。

再有，在上述实施例中，利用光源和偏振片的组合来使直线偏振的光入射到导光层150，但这是一例，除此以外，在使用如激光二极管这样地射出直线偏振的光的发光元件的情况下，并不一定需要偏振片，也可以使从激光二极管射出的光不穿过偏振片而直接入射到导光层150。

此外，在上述实施例中准备了第一光源110和第二光源130，但也可以在使用相同波长(相同颜色)的光的情况下，利用分束器或波导管等将从单一光源射出的光分割成2个，并将分割后的光分别向第一偏振片120和第二偏振片140射出。

下面，对本发明的第二实施例进行说明。在第一实施例中，使偏振方向不同的光从导光层150的侧部152、154入射，但在第二实施例中，使偏振方向不同的光从导光层150的侧部152入射。

图6(A)是第二实施例的显示装置100A的俯视图，图6(B)是A-A线概略剖视图。显示装置100A包括：第一光源110，配置在导光层150的侧部512侧；第一偏振片120；以及致动器200，能够控制第一偏振片120的偏振方向。致动器200对来自未图示的控制部的驱动信号S进行响应而使第一偏振片120旋转，对从第一偏振片120入射到导光层150的光L1的偏振方向进行控制。如图6(A)所示地，在第一偏振片120位于第一位置时，光L1的直线偏振的振动方向与Y方向大致平行，在致动器200使第一偏振片120从第一位置旋转了90度时，如图6(B)所示地，从第一偏振片120射出的光L2的直线偏振的振动方向与Z方向大致平行。

在第一偏振片120位于第一位置时，如在第一实施例中说明地，光L1在光漫射面P1上反射，其反射光透射偏振分束器170，用户能够视觉辨认图案P1。

在第一偏振片120位于第二位置时，从第一偏振片120射出的光L2在光漫射面P1上反射，其反射光在偏振分束器170上进一步反射，其反射光被逆反射层160反射，其反射光透射偏振分束器170，之后再次成像，由此，生成图案P1的空中像P1’。用户在从上方观察显示装置100A时，能够视觉辨认空中像P1’。

根据本实施例，由于从导光层的一个侧部一侧入射偏振方向不同的光，因此能够实现显示装置100A的小型化和节省空间化。再有，在上述例子中，用第一偏振片120来切换从一个光源射出的光的偏振方向，但不限于此，也可以在导光层150的侧部152配置第一光源110和第一偏振片120的组合、以及第二光源130和第二偏振片140的组合，并使第一偏振片120和第二偏振片140的直线偏振的方向互为直角。

下面，对本发明的第三实施例进行说明。第三实施例涉及将第一或第二实施例的显示装置适用于用户输入接口而成的空间输入装置。在图7(A)中示出将本实施例的显示装置100/100A适用于空间输入装置的例子。空间输入装置300的结构包括：壳体310，容纳显示装置100/100A；三维距离传感器330，对操作对象(例如，用户的手指等)320的三维距离进行检测；以及控制部340。

例如，如图7(B)所示，在导光层150的底面形成有用于显示输入按钮的图案(光漫射面)，例如左右滚动键350、352或图标图像360～370。在控制部340使第一光源110点亮时，用户能够在壳体310的表面上视觉辨认这些输入按钮350～370，在控制部340使第二光源130点亮时，能够在从壳体310悬浮起来的位置上视觉辨认输入按钮的空中像380。

此外，控制部340接受三维距离传感器330的检测结果，根据该检测结果来识别操作对象320所接近的输入按钮，并判定为所识别的输入按钮已被用户选择。

在某一方式中，在促使用户选择空中像380的输入按钮的情况下，控制部340使第二光源130点亮，在选择了输入按钮时，控制部340使第一光源110点亮(第二光源130不点亮)，并通过切换空中像380来通知用户输入确定。

再有，空中像380的切换不限于上述，例如也可以在通常的输入操作时使第一光源110点亮来显示图案(原图像)，并为了对输入确定进行通知而使第二光源130点亮来显示空中像380。此外，在另一个方式中，也可以通过控制部340使第一光源110和第二光源130同时点亮来显示图案和空中像380两者，从而通知输入确定。另外，操作对象320的检测方法不限于上述，例如也可以利用采用了红外线的接近传感器、静电电容型的检测传感器、机械式开关、摄像元件等来检测操作对象320的位置。

这样地，根据本实施例的空间输入装置，通过无缝地切换空中像380和图案(原图像)的显示，能够实现根据用途要件而在视觉上传达非接触输入和接触输入的切换的输入设备。此外，能够提供通过对所显示的影像的亮度比进行控制而操作性提高的用户接口。

本实施例的空间输入装置能够适用于所有的用户输入，例如能够适用于计算机装置、车载用电子仪器、银行等的ATM、车站等的购票机、电梯的输入按钮等。

以上，对本发明的优选实施方式进行了详细说明，但本发明并不限定于特定的实施方式，可以在权利要求书所记载的发明主旨的范围内进行各种变形和变更。

Claims (8)

1.一种显示装置，能够利用逆反射来显示空中像，其中，具有：

透明导光层，在底面或底部形成有作为图案的光漫射区域；

逆反射层，配置在所述导光层的底面侧；

偏振分束器，配置在所述导光层的上表面侧，能透射第一偏振方向的光；以及

照射部，向所述导光层内照射第一偏振方向的光或与该第一偏振方向不同的第二偏振方向的光，

在照射了第一偏振方向的光时，被所述光漫射区域反射后的光透射所述偏振分束器，从而所述图案能够被视觉辨认，

在照射了第二偏振方向的光时，被所述逆反射层反射后的光透射所述偏振分束器，从而所述图案的空中像能够被视觉辨认。

2.根据权利要求1所述的显示装置，其中，在照射了第二偏振方向的光时，被所述光漫射区域反射后的光被所述偏振分束器反射，该反射后的光被所述逆反射层反射后，透射所述偏振分束器。

3.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述照射部从所述导光层的第一侧部一侧照射第一偏振方向的光，或者从与所述导光层的第一侧部正交的第二侧部一侧照射第二偏振方向的光。

4.根据权利要求1所述的显示装置，其中，所述照射部能够从所述导光层的第一侧部一侧选择性地照射第一偏振方向的光和第二偏振方向的光。

5.根据权利要求4所述的显示装置，其中，所述照射部包括能变更偏振方向的偏振片，在所述偏振片位于第一位置时生成第一偏振方向的光，在所述偏振片位于第二位置时生成第二偏振方向的光。

6.根据权利要求1所述的显示装置，其中，第一偏振方向和第二偏振方向是振动方向正交的直线偏振。

7.一种空间输入装置，其中，包括：

权利要求1所述的显示装置；

检测部，对由所述显示装置显示的图案或空中像被操作对象进行了选择的情况进行检测；以及

控制部，根据所述检测部的检测结果控制所述照射部。

8.根据权利要求7所述的空间输入装置，其中，在所述操作对象选择了所述空中像时，所述控制部为了对选择确定进行通知而使所述图案加以显示。

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