CN115989671A - 空中显示装置 - Google Patents

Abstract

空中显示装置具备：显示元件(11)，显示图像；光学元件(12)，由透明的材料构成，使来自显示元件(11)的光透射；以及镜元件(13)，使来自光学元件(12)的光反射，在与光学元件(12)相反一侧的空中显示图像。光学元件(12)包括具有第一厚度的第一光学部件(12A)以及具有厚于第一厚度的第二厚度的第二光学部件(12B)。

Description

空中显示装置

技术领域

本发明涉及一种在空中显示图像的空中显示装置。

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，对从显示元件射出的光进行反射，在空中显示图像等。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

本发明提供能够在空中像中进行进深显示的空中显示装置。

用于解决课题的手段

本发明的第一方式提供一种空中显示装置，具备：显示元件，显示图像；光学元件，由透明的材料构成，使来自上述显示元件的光透射；以及镜元件，使来自上述光学元件的光反射，在与上述光学元件相反一侧的空中显示图像，上述光学元件包括具有第一厚度的第一光学部件以及具有厚于上述第一厚度的第二厚度的第二光学部件。

本发明的第二方式提供根据第一方式所述的空中显示装置，上述第一光学部件与上述第二光学部件的折射率相同。

本发明的第三方式提供一种空中显示装置，具备：显示元件，显示图像；光学元件，由透明的材料构成，使来自上述显示元件的光透射；以及镜元件，使来自上述光学元件的光反射，在与上述光学元件相反一侧的空中显示图像，上述光学元件的厚度连续地变化。

本发明的第四方式提供一种空中显示装置，具备：显示元件，显示图像；光学元件，由透明的材料构成，使来自上述显示元件的光透射；以及镜元件，使来自上述光学元件的光反射，在与上述光学元件相反一侧的空中显示图像，上述光学元件为，厚度恒定，折射率阶段性地或者连续地变化。

本发明的第五方式提供根据第一至第四方式中任一项所述的空中显示装置，上述光学元件与上述显示元件平行地配置。

本发明的第六方式提供根据第一至第四方式中任一项所述的空中显示装置，上述镜元件相对于上述显示元件倾斜地配置。

本发明的第七方式提供根据第一至第四方式中任一项所述的空中显示装置，上述镜元件包括基板、以及设置在上述基板的上述光学元件侧的面上的多个光学要素，上述多个光学要素分别由长方体形成，具有反射光且相互相接的第一反射面以及第二反射面。

本发明的第八方式提供根据第七方式所述的空中显示装置，上述第一反射面在上述镜元件的水平面内相对于沿着上述显示元件的1边的第一方向倾斜。

本发明的第九方式提供根据第一至第四方式中任一项所述的空中显示装置，还具备发出光的照明元件，上述显示元件为液晶显示元件，使来自上述照明元件的光透射。

发明效果

根据本发明，能够提供能够在空中像中进行进深显示的空中显示装置。

附图说明

图1是第一实施方式的空中显示装置的侧视图。

图2是第一实施方式的空中显示装置的立体图。

图3是第一实施方式的照明元件、显示元件以及光学元件的立体图。

图4是第一实施方式的照明元件、显示元件以及光学元件的侧视图。

图5是第一实施方式的镜元件的侧视图以及仰视图。

图6是第一实施方式的空中显示装置的框图。

图7是对第一实施方式的空中显示装置的动作进行说明的示意图。

图8是第一实施方式的空中显示装置的光线跟踪图。

图9是对第一实施方式的光学元件12的成像位置进行说明的图。

图10是实施例的空中显示装置的立体图。

图11是对实施例的显示元件的图像进行说明的图。

图12是对实施例的空中像进行说明的立体图。

图13是第二实施方式的光学元件的俯视图。

图14是图13所示的光学元件的侧视图。

图15是第三实施方式的空中显示装置1的立体图。

图16是第三实施方式的照明元件、显示元件以及光学元件的侧视图。

图17是对第三实施方式的空中显示装置的动作进行说明的示意图。

图18是第四实施方式的照明元件、显示元件以及光学元件的俯视图。

图19是第四实施方式的照明元件、显示元件以及光学元件的侧视图。

图20是对第四实施方式的空中显示装置的动作进行说明的示意图。

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]第一实施方式

[1－1]空中显示装置1的构成

图1是第一实施方式的空中显示装置1的侧视图。图2是第一实施方式的空中显示装置1的立体图。

空中显示装置1具备照明元件10、显示元件11、光学元件12以及镜元件13。图1的X方向是沿着镜元件13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XY平面正交的方向(也称作法线方向)。在图1中，以浮起的方式表示构成空中显示装置1的多个元件，但这些元件通过未图示的支承部件固定于附图的位置。

照明元件10、显示元件11以及光学元件12被配置为，使各自的主面平行。照明元件10、显示元件11以及光学元件12被配置为，相对于镜元件13成为角度θ1。角度θ1例如为45度。另外，角度θ1不限定于45度，能够在30度以上60度以下的范围设定。

照明元件10发出照明光，并将该照明光朝向显示元件11射出。照明元件10由面光源构成。照明元件10例如由侧灯型(边灯型)的背光灯构成。照明元件10包括光源部(未图示)以及导光板(未图示)。光源部配置在导光板的侧面，朝向导光板的侧面发出照明光。导光板将来自光源部的照明光朝向显示元件11射出。光源部例如包括发出白色光的多个发光二极管(LED：Light Emitting Diode)。

显示元件11为透射式的显示元件。显示元件11例如由液晶显示元件构成。关于显示元件11的驱动模式不特别限定，能够使用TN(Twisted Nematic)模式、VA(VerticalAlignment)模式、或者同质模式等。显示元件11接受从照明元件10射出的照明光。显示元件11使照明光透射而进行光调制。然后，显示元件11在其显示面上显示所希望的图像以及/或者动画。

光学元件12使从显示元件11射出的光折射。光学元件12具有厚度不同的多个区域(也称作光学部件)。光学元件12以在上述多个区域的每个区域中使空中像的成像位置不同的方式起作用。配置光学元件12的朝向能够任意地设定。关于光学元件12的具体构成将后述。

镜元件13接受透射了光学元件12的显示光。镜元件13通过反射显示光，由此在与光学元件12相反一侧的空中显示空中像14。空中像14在相对于镜元件13而与显示元件11呈面对称的位置上成像。关于镜元件13的具体构成将后述。处于镜元件13的与光学元件12相反一侧的观察者目视确认到由镜元件13反射的显示光。

[1－2]光学元件12的具体构成

接下来，对光学元件12的具体构成进行说明。图3是照明元件10、显示元件11以及光学元件12的立体图。图4是照明元件10、显示元件11以及光学元件12的侧视图。

图3所示的方向是以显示元件11为基准的方向，X′方向是沿着显示元件11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。X′方向与上述X方向形成角度θ1(例如45度)。Y′方向与上述Y方向平行。Z′方向与上述Z方向形成角度θ1。

光学元件12具备第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C。光学元件12由透明的材料构成。光学元件12能够由(1)丙烯酸树脂以及聚碳酸酯等树脂原料、或者(2)石英玻璃以及钠钙玻璃等玻璃原料构成。

第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C分别沿着X′方向延伸，且沿着Y′方向排列配置。第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C相互厚度不同。

第一光学部件12A具有厚度H1。第二光学部件12B具有厚度H2。第三光学部件12C具有厚度H3。在图4的例子中，具有“H1＜H2＜H3”的关系。

光学元件12例如以与显示元件11的上表面相接的方式或者与显示元件11接近地配置。典型地，光学元件12载放在显示元件11上，通过透明的粘合材而粘合于显示元件11。

透射了光学元件12的显示光为，在厚度不同的每个区域中被目视确认为显示像的进深不同。

第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C一体构成。另外，第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C也可以物理地分离。

[1－3]镜元件13的具体构成

接下来，对镜元件13的具体构成进行说明。图5是镜元件13的侧视图以及仰视图。图5的(a)是镜元件13的侧视图，图5的(b)是镜元件13的仰视图。

镜元件13具备基板20以及多个光学要素21。图5的(a)还提取示出了一个光学要素21的立体图。镜元件13由丙烯酸树脂等透明的材料构成。

多个光学要素21设置在基板20的底面。多个光学要素21分别由长方体或者立方体构成。光学要素21的平面形状例如为正方形。光学要素21具有2个反射面21A、21B。反射面21A、21B与长方体的2个侧面对应且相互相接。反射面21A、21B构成所谓的二面角形反射器。

光学要素21被配置为，1边相对于X方向倾斜角度θ2。角度θ2例如为45度。另外，角度θ2并不限定于45度，能够在30度以上60度以下的范围设定。多个光学要素21排列为交错状(千鸟格状)。即，多个光学要素21被配置为，1行沿着相对于X方向为45度的方向延伸，多行在相对于Y方向为45度的方向上排列。另外，多个光学要素21相互隔开间隙地配置。

透射了光学元件12的光从光学要素21的底面向光学要素21入射，在由反射面21A、21B反射两次之后从光学要素21的上表面射出。

另外，镜元件13也可以构成为，将基板20配置在下侧，在基板20上设置多个光学要素21。

[1－4]空中显示装置1的框图构成

图6是空中显示装置1的框图。空中显示装置1具备照明元件10、显示元件11、光学元件12、镜元件13、显示驱动电路15、电压产生电路16以及控制电路17。在图6中，细箭头表示信号线，粗箭头表示光的路径(光路)。

显示驱动电路15向显示元件11供给信号，而驱动显示元件11。然后，显示驱动电路15使显示元件11显示图像以及/或者动画。

电压产生电路16产生照明元件10以及显示驱动电路15进行动作所需的多种电压，并将这些电压向照明元件10以及显示驱动电路15供给。

控制电路17对空中显示装置1整体的动作进行控制。即，控制电路17对照明元件10、显示驱动电路15以及电压产生电路16进行控制。然后，控制电路17在所希望的显示位置显示空中像14。

[1－5]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。图7是对空中显示装置1的动作进行说明的示意图。

照明元件10朝向显示元件11射出照明光。显示元件11使从照明元件10射出的照明光透射，并且显示图像以及/或者动画。从显示元件11射出的显示光向光学元件12入射。

考虑隔着光学元件12观察显示元件11所显示的图像的情况。另外，在图7的例子中，光学元件12的底面与显示元件11的上表面相接。由此，不考虑光学元件12的底面的光的折射。

向光学元件12入射的光分别透射第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C，且在第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C的上表面上折射。当设为显示元件11对显示像进行显示，将从第三光学部件12C的上表面起的显示像的位置设为h，将从第三光学部件12C的上表面起的表观的显示像的位置设为h′，将光学元件12的折射率设为n时，以下的式(1)成立。

h′＝h/n……(1)

关于第一光学部件12A以及第二光学部件12B，与上述第三光学部件12C相同的关系成立。

在观察者隔着光学元件12观察显示元件11的显示像的情况下，以观察者为基准的表观的显示像的位置，在第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C中具有“12A＞12B＞12C”的关系。即，第一光学部件12A的表观的像看起来相对远，第三光学部件12C的表观的像看起来相对近。第二光学部件12B的表观的像看起来在第一光学部件12A的表观的像与第三光学部件12C的表观的像之间。

根据以上，在第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C的三个区域中能够对表观的显示像附加高低差。

隔着光学元件12的像在相对于镜元件13呈面对称的位置上成像而得到空中像14。在观察者观察由镜元件13反射的空中像14的情况下，成为以下那样。在第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C中，从观察者观察的表观的显示像的位置具有“12A＜12B＜12C”的关系。即，第一光学部件12A的像看起来相对近，第三光学部件12C的像看起来相对远。第二光学部件12B的像看起来在第一光学部件12A的像与第三光学部件12C的像之间。

图8是空中显示装置1的光线跟踪图。在图8中，为了能够理解成像位置之差，将光学元件12从图1以及图2的状态旋转90度而配置。图8的“P”是相对于镜元件13而与显示元件11呈面对称的位置(平面)。图9是对光学元件12的成像位置进行说明的图。在图9中，为了理解成像位置之差，方便起见而使显示元件11与镜元件13平行地进行制图。实际的显示元件11与镜元件13的配置如图8那样。

如图8所示那样，从显示元件11的射出位置E1射出的光，在透射了光学元件12的第一光学部件12A之后，在成像位置I1处成像。从显示元件11的射出位置E2射出的光，在透射了光学元件12的第二光学部件12B之后，在成像位置I2处成像。从显示元件11的射出位置E3射出的光，在透射了光学元件12的第三光学部件12C之后，在成像位置I3处成像。未透射光学元件12的光在位置P处成像。

成像位置I1、I2、I3位于依次从相对于显示元件11呈面对称的位置P向镜元件13侧远离的位置。即，能够得到包括成像位置不同的多个图像的空中像。

(实施例)

接下来，对实施例进行说明。图10是实施例的空中显示装置1的立体图。图11是对实施例的显示元件11的图像进行说明的图。在图11中，将光学元件12向附图的上侧错开表示。空中显示装置1构成车辆的仪表盘。

光学元件12具备第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C。第二光学部件12B的厚度厚于第一光学部件12A的厚度。第三光学部件12C的厚度与第一光学部件12A的厚度相同。即，光学元件12是中央部较厚而中央部两侧的周边部较薄的构成。

显示元件11对在仪表盘上显示的信息进行显示。即，显示元件11显示主信息(包括速度表以及转速表等)以及警告信息(包括燃料余量警告灯、液压警告灯以及电池警告灯等)。

从显示元件11射出的显示光透射光学元件12。透射了光学元件12的显示光由镜元件13反射，在相对于镜元件13而与显示元件11相反一侧的空中成像出空中像。

图12是对实施例的空中像14进行说明的立体图。当隔着光学元件12观察显示元件11时，显示元件11的中央部(速度表以及转速表)看起来相对靠近前，显示元件11的两端部(警告灯)看起来相对靠里侧。隔着光学元件12的像在相对于镜元件13呈面对称的位置上成像而得到空中像14。由此，空中像14由观察者目视确认为，中央部显示于相对里侧，两端部显示于相对近前。

通常显示主信息(速度表以及转速表)，在故障时能够进行警告信息在端部相对跳出的显示。由此，能够进一步唤起警告的重要性。

[1－6]第一实施方式的效果

如以上详细叙述的那样，在第一实施方式中，空中显示装置1具备：显示元件11，显示图像；光学元件12，由透明的材料构成，使来自显示元件11的光透射；以及镜元件13，使来自光学元件12的光反射，在与光学元件12相反一侧的空中显示图像。光学元件12包括具有第一厚度H1的第一光学部件12A以及具有厚于第一厚度H1的第二厚度H2的第二光学部件12B。然后，从显示元件11射出的图像由镜元件13反射，在相对于镜元件13而与显示元件11相反一侧的空中作为空中像进行成像。

因此，根据第一实施方式，能够实现在空中像中能够进行进深显示的空中显示装置。

[2]第二实施方式

第二实施方式为，光学元件12具备透镜，通过透镜使光折射，由此对空中像的成像位置进行调整。

图13是第二实施方式的光学元件12的俯视图。图14是图13所示的光学元件12的侧视图。

光学元件12还具备多个透镜30。在光学元件12所包括的第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C上分别设置有多个透镜30。透镜30由平凸透镜构成。透镜30的尺寸、数量以及焦距能够任意地设定。

光学元件12以外的构成与第一实施方式相同。透射了光学元件12的显示光由透镜30折射。根据第二实施方式，能够在实现空中像的进深显示的同时对空中像的成像位置进行调整。

透镜30并不限定于平凹透镜，也可以使用其他种类的透镜。

[3]第三实施方式

第三实施方式构成为，使光学元件12的厚度连续地变厚。第三实施方式为，以相对于没有光学元件12的情况下的原本的位置而言进深连续地增加的方式显示空中像。

图15是第三实施方式的空中显示装置1的立体图。照明元件10、显示元件11以及光学元件12以各自的主面平行的方式配置。照明元件10、显示元件11以及光学元件12被配置为相对于镜元件13形成角度θ1。

图16是照明元件10、显示元件11以及光学元件12的侧视图。光学元件12的底面与显示元件11平行。光学元件12的厚度以沿着Y′方向变厚的方式连续地变化。光学元件12由上表面相对于底面倾斜的五面体构成。即，光学元件12具有使三棱柱横倒而成的构造。光学元件12的侧面为三角形或者直角三角形。光学元件12的底面与上表面具有角度θ3。角度θ3能够基于空中像的位置、空中显示装置1的大小来适当设定。

另外，光学元件12只要上表面相对于底面倾斜即可，侧面也可以是四边形(包含梯形)。在该例子的情况下，光学元件12由上表面相对于底面倾斜的六面体构成，具有使四棱柱横倒而成的构造。

光学元件12的材料与第一实施方式相同。

图17是对空中显示装置1的动作进行说明的示意图。在图17中，为了理解成像位置之差，光学元件12从图15的状态旋转90度配置。照明元件10朝向显示元件11射出照明光。显示元件11使从照明元件10射出的照明光透射，并且显示图像以及/或者动画。从显示元件11射出的显示光向光学元件12入射。另外，在光学元件12的底面中，光一律进行折射，但此处为了简化而不考虑。

向光学元件12入射的光在光学元件12的上表面上折射。在图17中，平面P1是相对于镜元件13而与显示元件11呈面对称的平面。在不具有光学元件12的情况下，在平面P1上成像出空中像。由光学元件12折射的光，在比平面P1靠镜元件13侧的平面P2上成像。即，在平面P2的位置处成像出空中像。在平面P2上成像的空中像被显示为，进深相对于平面P1连续地增加。

根据第三实施方式，能够实现能够显示进深连续地增加的空中像的空中显示装置。

[4]第四实施方式

第四实施方式为，使构成光学元件12的多个光学部件的厚度恒定，改变多个光学部件的折射率。

图18是第四实施方式的照明元件10、显示元件11以及光学元件12的俯视图。图19是照明元件10、显示元件11以及光学元件12的侧视图。照明元件10、显示元件11以及光学元件12以各自的主面平行的方式配置。照明元件10、显示元件11以及光学元件12以相对于镜元件13形成角度θ1的方式配置的情况，与第一实施方式相同。

光学元件12具备第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C。第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C由透明材料构成。第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C由厚度相同、折射率相互不同的材料构成。换言之，光学元件12构成为，厚度恒定，折射率阶段性地变化。

将第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C的折射率分别设为n1、n2、以及n3。例如，具有“n1＜n2＜n3”的关系。以具有“n1＜n2＜n3”的关系的方式，选择第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C的材料。另外，第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C也可以为，在透明部件中注入杂质而构成，通过改变杂质的量来调整折射率。

图20是对空中显示装置1的动作进行说明的示意图。在图20中，为了理解成像位置之差，方便起见而使显示元件11与镜元件13平行地进行制图。实际的显示元件11与镜元件13的配置如图1那样。图20的“P”是相对于镜元件13而与显示元件11呈面对称的位置(平面)。

如图20所示那样，从显示元件11的射出位置E1射出的光，在透射了光学元件12的第一光学部件12A之后，在成像位置I1处成像。从显示元件11的射出位置E2射出的光，在透射了光学元件12的第二光学部件12B之后，在成像位置I2处成像。从显示元件11的射出位置E3射出的光，在透射了光学元件12的第三光学部件12C之后，在成像位置I3处成像。未透射光学元件12的光在位置P处成像。

成像位置I1、I2、I3位于依次从与显示元件11呈面对称的位置P向镜元件13侧远离的位置。即，能够得到包含成像位置不同的多个图像的空中像。

根据第四实施方式，能够实现能够在空中像中进行进深显示的空中显示装置。

另外，作为第四实施方式的变形例，也可以将光学元件12构成为，厚度恒定，折射率连续地变化。

[5]其他实施例

在上述实施方式中，例示了光学元件12具备厚度相互不同的三个光学部件(第一光学部件12A、第二光学部件12B以及第三光学部件12C)的构成。但是，并不限定于此，光学元件12所具备的光学部件的数量也可以是3个以外的多个。

在上述各实施方式中，作为显示元件而以液晶显示元件为例进行了说明，但也可以使用液晶显示元件以外的显示元件、例如自发光型的有机EL(electroluminescence)显示元件等。

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 (9)

1.一种空中显示装置，具备：

显示元件，显示图像；

光学元件，由透明的材料构成，使来自上述显示元件的光透射；以及

镜元件，使来自上述光学元件的光反射，在与上述光学元件相反一侧的空中显示图像，

上述光学元件包括具有第一厚度的第一光学部件以及具有厚于上述第一厚度的第二厚度的第二光学部件。

2.如权利要求1所述的空中显示装置，其中，

上述第一光学部件与上述第二光学部件的折射率相同。

3.一种空中显示装置，具备：

显示元件，显示图像；

光学元件，由透明的材料构成，使来自上述显示元件的光透射；以及

镜元件，使来自上述光学元件的光反射，在与上述光学元件相反一侧的空中显示图像，

上述光学元件的厚度连续地变化。

4.一种空中显示装置，具备：

显示元件，显示图像；

光学元件，由透明的材料构成，使来自上述显示元件的光透射；以及

镜元件，使来自上述光学元件的光反射，在与上述光学元件相反一侧的空中显示图像，

上述光学元件为，厚度恒定，折射率阶段性地或者连续地变化。

5.如权利要求1至4中任一项所述的空中显示装置，其中，

上述光学元件与上述显示元件平行地配置。

6.如权利要求1至4中任一项所述的空中显示装置，其中，

上述镜元件相对于上述显示元件倾斜地配置。

7.如权利要求1至4中任一项所述的空中显示装置，其中，

上述镜元件包括基板、以及设置在上述基板的上述光学元件侧的面上的多个光学要素，

上述多个光学要素分别由长方体形成，具有反射光且相互相接的第一反射面以及第二反射面。

8.如权利要求7所述的空中显示装置，其中，

上述第一反射面在上述镜元件的水平面内相对于沿着上述显示元件的1边的第一方向倾斜。

9.如权利要求1至4中任一项所述的空中显示装置，其中，

还具备发出光的照明元件，

上述显示元件为液晶显示元件，使来自上述照明元件的光透射。

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