JP2022150214A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 薄型化、小型化および広視野を図り、かつ原映像を正面視することができる表示装置を提供する。【解決手段】 本発明の表示装置１００は、空中像１７０の原映像である導光板像１２６が底部１２４に形成された透明な導光板１２０と、導光板１２０の側部１２２から導光板１２０内に向けて光Ｌを出射する光源１１０と、導光板１２０と平行にかつ導光板１２０の上方に配置された偏光ビームスプリッター１３０と、導光板１２０の下方に配置されたλ／４板１４０と、導光板１２０と平行にかつλ／４板１４０の下方に配置された再帰反射部材１５０とを有し、導光板像１２６を再帰反射させて空中像１７０を表示する。【選択図】 図２

Description

本発明は、表示装置に関し、特に、再帰反射を利用して画像を空中に表示する表示装置に関する。

ディスプレイに表示された画像を、再帰反射部材等を用いて空中に結像させる空中ディスプレイが提案されている。例えば、特許文献１の表示装置は、空中に形成される像をより広い角度から観察可能とするため、２つの再帰反射部材を用い、その一方の再帰反射部材を光源の出射軸上に配置している。特許文献２の画像表示装置は、画像の結像位置の調整を容易にするため、ハーフミラー、再帰反射部材、および画像出力装置をそれぞれ平行に配置し、ハーフミラーまたは画像出力装置の位置を変更し結像位置を調整可能にしている。特許文献３の画像表示装置は、画像の視認性の低下を抑制するため、光が位相差部材（λ／４板）を透過する回数を低減し、かつ再帰反射部材と位相差部材との間に埃などが入り込み難くしている。特許文献４の空中映像表示装置は、装置の薄型化を図るため、ビームスプリッターに対しディスプレイおよび再帰反射部材を平行に配置し、ディスプレイ上に偏向光学素子を配置している。

特開２０１７－１０７１６５号公報 特開２０１８－８１１３８号公報 特開２０１９－６６８３３号公報 特開２０１９－１０１５５号公報

図１（Ａ）に、従来の再帰反射を用いた表示装置の概略断面を示す。同図に示すように、表示装置１０は、画像を出力するディスプレイ２０と、ビームスプリッター３０と、再帰反射部材４０とを含む。ディスプレイ２０から出射された光は、ビームスプリッター３０で反射され、その反射光が再帰反射部材４０へ進む。再帰反射部材４０は、入射光と同じ方向に光を反射し、その反射した光がビームスプリッター３０を透過し、観察者の目の前の空間に空中像５０が表示される。このような空中像５０の表示は、ＡＩＲＲ（Aerial Imaging by Retro-Reflection）方式として知られている。

図１（Ｂ）は、ＡＩＲＲ方式を利用した表示装置の模式的な外観図である。表示装置１０は、例えば、図示するような直方体状のハウジング６０を有し、ハウジング６０の表面にビームスプリッター３０を配置し、ハウジング６０の内部にディスプレイ２０および再帰反射部材４０を配置する。ハウジング６０は、ディスプレイ２０および再帰反射部材４０を傾斜させるための内部空間を必要とするため、ハウジング６０の厚みＴが大きくなってしまう。

また、観察者が観察することができる空中像５０は、観察者が再帰反射部材４０を見ることができる範囲に限られる。つまり、観察者の視野角内に再帰反射部材４０が存在しなければならない。図１（Ｂ）を例にすると、空中像５０を観察することができる視野角θは、空中像５０の正面を基準に左右に±１０度ぐらいであり、視野角が狭いという課題がある。

さらに、空中像５０は、ビームスプリッター３０の面に関しディスプレイ２０と対称の位置に形成される。ディスプレイ２０がビームスプリッター３０に対し概ね４５度で傾斜されている場合、観察者が観察する空中像５０は、ディスプレイ２０の映像を正面から見るのではなく、４５度の斜め方向から見た映像になってしまう。

本発明は、このような従来の課題を解決し、薄型化、小型化および広視野を図り、かつ光源の映像を正面視することができる表示装置およびこれを用いた空間入力装置を提供することを目的とする。

本発明に係る表示装置は、再帰反射を利用して空中に映像を表示可能なものであって、空中の映像の原映像を含む透明な導光板と、前記導光板の側部から前記導光板内に向けて光を出射する光源と、前記導光板と平行にかつ前記導光板の上方に配置された偏光ビームスプリッターと、前記導光板の下方に配置されたλ／４板と、前記導光板と平行にかつ前記λ／４板の下方に配置された再帰反射部材とを有し、前記原映像を再帰反射させて映像を空中に表示する。

ある態様では、表示装置はさらに、前記導光板の原映像と前記偏光ビームスプリッターとの間に設けられた偏光部材を含み、当該偏光部材は、前記原映像で反射された光が前記偏光ビームスプリッターを透過するのを抑制する。ある態様では、前記偏光部材は、前記原映像の平面形状と同一または相似形状を有する。ある態様では、前記原映像は、前記導光板の底部に形成され、前記原映像と空中の像とは、前記偏光ビームスプリッターの面に関して対称の位置である。

本発明に係る空間入力装置は、上記記載の表示装置と、前記表示装置により表示された空中の映像への物体の近接を検出する検出手段とを含む。ある態様では、前記入力手段は、静電容量型センサを含む。

本発明によれば、空中像の原映像が形成された透明な導光板の側部から光を出射し、導光板と平行にその下方に配置された再帰反射部材の再帰反射により原映像の空中の映像を表示するようにしたので、表示装置の小型化、薄型化を図ることができ、かつ観察者は、広い視野角で原映像を正面視した空中の映像を観察することができる。

図１（Ａ）は、従来のＡＩＲＲ方式の表示装置の概略断面図、図１（Ｂ）は、従来の表示装置の模式的な外観図である。 本発明の第1の実施例に係る表示装置の概略断面を示す図である。 本発明の実施例に係る表示装置の模式的な外観図である。 本発明の第２の実施例に係る表示装置の概略断面を示す図である。 本発明の第３の実施例に係る空間入力装置の概略構成を示す図である。

次に、本発明の実施の形態について説明する。本発明の表示装置は、特殊なメガネ等をかけなくても３次元空間内に再帰反射を用いた映像を表示する。ある態様では、本発明の表示装置は、空中に表示された映像を利用したユーザー入力インターフェースに適用される。なお、以下の実施例の説明で参照される図面は、発明の理解を容易にするために誇大した表示を含んでおり、実際の製品の形状やスケールをそのまま表したものではないことに留意すべきである。

次に、本発明の実施例について詳細に説明する。図２は、本発明の実施例に係る表示装置の概略構成を示す断面図である。本実施例の表示装置１００は、光源１１０、導光板１２０、偏光ビームスプリッター１３０、λ／４板１４０、再帰反射部材１５０、透明保護部材１６０を含んで構成される。これらの部材は、例えば、直方体状のハウジングや筐体等に収容される。

光源１１０は、一定の出射角（または方射角）を持つ光ＬをＸ方向に向けて出射する。出射された光Ｌは、透明な導光板１２０の側部１２２から内部に入射され、導光板１２０の内部を一様に照射する。光源１１０は、特に限定されないが、例えば、発光ダイオードやレーザーダイオードなどが用いられる。もし、導光板１１０の側部１２２がＹ方向に一定の長さを有する場合には、導光板１２０の側部１２２のＹ方向に沿うように複数の光源１１０が配置されるようにしてもよい。ここでは、導光板１２０の一方の側部から光を入射しているが、複数の側部から光を入射するようにしてもよい。

導光板１２０は、平坦な上面、平坦な下面および上面と下面とを接続する側面とを備えた透明な板状の光学部材である。導光板１２０は、公知のものを用いることができ、例えば、アクリル製のプラスチック板、ポリカーボネート樹脂、あるいはシクロオレフィン系樹脂などから構成される。導光板１２０は、光源１１０の光Ｌを側部１２２から入射するためにＺ方向に一定の厚さを有する。導光板１２０の底部または底面１２４には、入射した光を拡散するための拡散パターンが形成されるようにしても良く、例えば、レーザー加工によるドットパターンや印刷によりドットパターンが形成される。こうして、導光板１２０の側部１２２から入射した光Ｌは、導光板１２０の底部１２４の拡散パターンにより拡散または散乱し、導光板１２０は、あたかも面光源のように機能する。

導光板１２０の底部または底面１２４にはさらに、空中像の原映像Ｐ１として導光板像１２６が形成される。導光板像１２６の形成方法は特に限定されないが、例えば、レーザー加工、エンボス加工、印刷加工などによって底部１２４に溝や凹凸などの２次元的な像が形成される。導光板１２０の側部から光Ｌが入射されると、導光板像１２６によって光Ｌが反射され、２次元的な原映像Ｐ１が生成される。なお、導光板像１２６の輝度をより大きくしたい場合には、導光板像１２６以外の領域の底部１２４の拡散または散乱の度合を小さくするようにしてもよい。

導光板１２０の上部には、導光板１２０と平行に偏光ビームスプリッター１３０が配置される。偏光ビームスプリッター１３０は、入射光をp偏光成分とs偏光成分とに分割することができる偏光分離素子であり、ある特定の方向に直線偏光された光成分を透過することができる。仮に、光源１１０から入射された光Ｌが種々の偏光成分を含む無偏光の光であるとき、導光板１２０の底部１２４や導光板像１２６で反射された光Ｌ１の一部が偏光ビームスプリッター１３０を透過し、それ以外の大部分の光Ｌ２が偏光ビームスプリッター１３０によって反射される。もし、光源１１０から入射された光Ｌが直線偏光である場合には、偏光ビームスプリッター１３０が透過する直線偏光の方向を、入射光Ｌの直線偏光の方向と異なるように設定し、光Ｌ１の大部分が偏光ビームスプリッター１３０で反射されるようにする。

λ／４板１４０は、導光板１２０の下方にこれと平行に配置される。λ／４板１４０は、導光板１２０から出射された光Ｌ２を入射し、この入射光Ｌ２に位相差π／２（９０度）を与えて透過させる。例えば、直線偏光の光が入射されれば、これは円偏光（または楕円偏光）に変換され、円偏光（または楕円偏光）が入射されれば、直線偏光に変換される。

再帰反射部材１５０は、λ／４板１４０の下方にこれと平行に配置される。再帰反射部材１５０は、λ／４板１４０を透過した光Ｌ２を入射光と同じ方向に光Ｌ３を反射する。再帰反射部材１５０は、入射方向と同じ方向に光を反射することができれば、その構造や材質は特に限定されない。再帰反射部材１５０は、例えば、三角錐型再帰反射素子、フルキューブコーナー型再帰反射素子などのプリズム型再帰反射素子やビーズ型再帰反射素子によって構成される。

再帰反射部材１５０で反射された光Ｌ３は、再び、λ／４板１４０を透過するとき、位相差π／２を与えられる。このため、λ／４板１４０を透過した光Ｌ３は、λ／４板１４０に入射したときの光Ｌ２と位相差πを有する。例えば、λ／４板１４０に入射した光が直線偏光であれば、λ／４板１４０を透過したとき円偏光（または楕円偏光）となり、この円偏光は、再帰反射部材１５０で奇数回再帰反射されたとき、逆方向の円偏光となり、この逆方向の円偏光がλ／４板１４０を透過したとき、元の直線偏光とは１８０度異なる方向の直線偏光となる。こうして、λ／４板１４０を透過した光Ｌ３が偏光ビームスプリッター１３０に入射されると、光Ｌ３の大部分が偏光ビームスプリッター１３０を透過する。

偏光ビームスプリッター１３０の上部には透明保護部材１６０が配置される。透明保護部材１６０は、例えば、ガラス材やプラスチック材などから構成される。透明保護部材１６０は、偏光ビームスプリッター１３０の表面を保護するものであり、その配置は任意である。透明保護部材１６０を透過した光Ｌ３が空中で結像し、観察者は、視点Ｕの目の前に空中像１７０を観察することができる。空中像１７０は、導光板像１２６の原映像Ｐ１をそのままの姿勢で上方に浮かび上がらせた映像Ｐ２となる。つまり、偏光ビームスプリッター１３０の面に関し導光板像１２６と対称の位置に空中像１７０が表示され、観察者は、原映像Ｐ１の正面視である映像Ｐ２を見ることができる。

図３は、本実施例の表示装置の模式的な外観斜視図である。表示装置１００は、例えば、直方体状のハウジング１８０の表面に透明保護部材１６０を配置し、内部に光源１１０、導光板１２０、偏光ビームスプリッター１３０、λ／４板１４０、再帰反射部材１５０を収容する。従来の表示装置のように再帰反射部材を傾斜させず、再帰反射部材１５０を導光板１２０、偏光ビームスプリッター１３０、λ／４板１４０に平行に配置させるため、ハウジング１８０のＺ方向の厚さＴａを薄くすることができる。また、光源１１０を導光板１２０の側部に配置させるため、これもハウジング１８０の薄型化に寄与する。さらに、再帰反射部材１５０をＸ方向に水平に配置しているため、観察者の視点Ｕから再帰反射部材１５０を観察することができるＸ方向の範囲が広がるため、空中像１７０を見ることができるＸ方向の視野角θａを大きくすることができる。本実施例の視野角θａは、従来の図１に示す表示装置１０の視野角θの少なくとも２倍である。同様に、視点Ｕから再帰反射部材１５０を見ることができるＹ方向の範囲も広がるのでＹ方向の視野角も広がる。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。第１の実施例では、導光板像１２６で反射された光Ｌ１の一部の成分が偏光ビームスプリッター１３０を透過するため、観察者には、その透過光による原映像Ｐ１と再帰反射による空中像１７０の映像Ｐ２との双方が二重に見えてしまう。そこで、第２の実施例では、偏光ビームスプリッター１３０を透過する光による原映像Ｐ１を見えなくする。

図４は、第２の実施例による表示装置１００Ａの断面構造を示す図であり、図２と同一構成については同一参照番号を附してある。第２の実施例は、導光板像１２６と同一もしくは相似形状の偏光部材（例えば、偏光板または偏光フィルム）１９０を、導光板像１２６と偏光ビームスプリッター１３０との間に配置する。例えば、偏光部材１９０は、図に示すように導光板１２０の上部に配置される。偏光部材１９０は、導光板像１２６の反射光Ｌ１が偏光ビームスプリッター１３０を透過するのを抑制する。例えば、偏光部材１９０は、偏光ビームスプリッター１３０が透過する直線偏光の方向と異なる方向の光を透過するようにする。

このように本実施例によれば、導光板像１２６と偏光ビームスプリッター１３０との間に、導光板像１２６の反射光Ｌ１が偏光ビームスプリッター１３０を透過するのを抑制するための偏光部材１９０を設けたことにより、観察者には、原映像Ｐ１が見えないようになり、空中像１７０のコントラストや視認性を向上することができる。

次に、本発明の第３の実施例について説明する。第３の実施例は、第１または第２の実施例の表示装置をユーザー入力インターフェースに適用した空間入力装置に関する。図５は、第３の実施例に係る空間入力装置の概略構成を示す図である。空間入力装置２００は、空中像１７０への物体（例えば、ユーザーの指など）を検出するセンサ２００と、センサ２００からの検出結果を受け取り、種々の制御を行うコントローラ２１０とを含んで構成される。

センサ２００は、空中像１７０を透過可能であれば特に限定されないが、例えば、非接触型の静電容量型センサを用いることができる。この場合、図２に示した透明保護部材１６０を静電容量型センサに置換するようにしてもよい。静電容量型センサは、静電容量型タッチパネルのように、ユーザーの指などの導体が近接した領域の静電容量の変化を検出する。図示するように、ユーザーが指Ｆを空中像１７０にかざしたとき、静電容量型センサ２００は、空中像１７０への指の近接を検出し、検出結果をコントローラ２１０へ出力する。これにより、ユーザーは非接触での入力を行うことができる。例えば、不特定の人がタッチするような入力ボタンと比べて清潔で衛生的な入力を実現することができる。

本実施例の空間入力装置２００は、あらゆるユーザー入力に適用することができ、例えば、コンピュータ装置、車載用電子機器、銀行等のＡＴＭ、駅等のチケットの購入機、エレベータの入力ボタンなどに適用することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の要旨の範囲において、種々の変形、変更が可能である。

１００：表示装置 １１０：光源
１２０：導光板 １２２：側部
１２４：底部 １２６：導光板像
１３０：偏光ビームスプリッター １４０：λ／４板
１５０：再帰反射部材 １６０：透明保護部材
１７０：空中像 １８０：ハウジング
１９０：偏光部材

Claims (6)

1. 再帰反射を利用して空中に映像を表示可能な表示装置であって、
   空中の映像の原映像を含む透明な導光板と、
   前記導光板の側部から前記導光板内に向けて光を出射する光源と、
   前記導光板と平行にかつ前記導光板の上方に配置された偏光ビームスプリッターと、
   前記導光板の下方に配置されたλ／４板と、
   前記導光板と平行にかつ前記λ／４板の下方に配置された再帰反射部材とを有し、
   前記原映像を再帰反射させて映像を空中に表示する表示装置。
2. 表示装置はさらに、前記導光板の原映像と前記偏光ビームスプリッターとの間に設けられた偏光部材を含み、
   当該偏光部材は、前記原映像で反射された光が前記偏光ビームスプリッターを透過するのを抑制する、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記偏光部材は、前記原映像の平面形状と同一または相似形状を有する、請求項２に記載の表示装置。
4. 前記原映像は、前記導光板の底部に形成され、前記原映像と空中の像とは、前記偏光ビームスプリッターの面に関して対称の位置である、請求項１に記載の表示装置。
5. 請求項１ないし４いずれか１つに記載の表示装置と、
   前記表示装置により表示された空中の映像への物体の近接を検出する検出手段と、
   を含む空間入力装置。
6. 前記入力手段は、静電容量型センサを含む、請求項５に記載の空間入力装置。

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