JP7238267B2 - 空中表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、空中表示装置に関する。

観察対象の実像を観察者側の空間に結像させる実鏡映像結像光学系（２面コーナーリフレクタ）を基本構成要素としてアレイ状に配置することで、空中に観察対象の実像を結像させて観察することができるようにした２面コーナーリフレクタアレイが提案されている（特許文献１参照）。２面コーナーリフレクタアレイのようなミラーデバイスを用いた表示装置は、アミューズメントや、赤外線タッチパネルと組み合わせて医療や食品分野での非接触の入力装置（ボタン）などに応用することが検討されている。

特開２０１７－６７９３３号公報 国際公開第２００９／１３６５７８号

本発明は、空中像の表示品質を向上させること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、画像を表示する表示素子と、直角に配置された２つの反射面をそれぞれが含む複数の光学要素を備え、前記表示素子からの表示光を反射し、前記表示素子と面対称の位置に空中像を結像するミラーデバイスと、前記表示素子と前記空中像との間の光路上に配置され、入射光の一部を通す開口部を有し、前記開口部以外の領域に入射する光を遮光する遮光部材とを具備する。

本発明の一態様に係る空中表示装置は、画像を表示する表示素子と、直角に配置された２つの反射面をそれぞれが含む複数の光学要素を備え、前記表示素子からの表示光を反射し、前記表示素子と面対称の位置に空中像を結像するミラーデバイスと、前記表示素子と前記空中像との間の光路上に配置され、入射光のうち所定範囲内の出射角を有する光を透過する光制限素子とを具備する。

本発明によれば、空中像の表示品質を向上させることが可能な空中表示装置を提供することができる。

ミラーデバイスの斜視図。 空中表示装置の原理を説明する模式図。 １つの光学要素で２回反射される光の様子を説明する模式図。 図３における光学要素をｚ方向から見た場合の光路を説明する図。 図３における光学要素をｙ方向から見た場合の光路を説明する図。 図３における光学要素をｘ方向から見た場合の光路を説明する図。 空中表示装置によって表示されるゴーストを説明する模式図。 １つの光学要素で１回反射される光の様子を説明する模式図。 図８における光学要素をｚ方向から見た場合の光路を説明する図。 図８における光学要素をｙ方向から見た場合の光路を説明する図。 図８における光学要素をｘ方向から見た場合の光路を説明する図。 空中表示装置の不要光を説明する模式図。 １つの光学要素で１回も反射されない光の様子を説明する模式図。 図１３における光学要素をｚ方向から見た場合の光路を説明する図。 図１３における光学要素をｙ方向から見た場合の光路を説明する図。 図１３における光学要素をｘ方向から見た場合の光路を説明する図。 第１実施形態に係る空中表示装置の斜視図。 第２実施形態に係る空中表示装置の斜視図。 第３実施形態に係る空中表示装置の斜視図。 図１９に示した光制限素子の斜視図。 第４実施形態に係る空中表示装置の斜視図。 第５実施形態に係る空中表示装置の斜視図。

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、重複説明は必要な場合にのみ行う。

［１］ 第１実施形態
［１－１］ 空中表示装置の原理
空中表示装置は、例えば液晶ディスプレイの表示面から射出される光を、２面コーナーリフレクタ等の空中結像素子（ミラーデバイス）を用いて空間中に結像させるものである。

まず、空中表示装置に用いられるミラーデバイス１０の構成について説明する。図１は、ミラーデバイス１０の斜視図である。

ミラーデバイス１０は、平面状の基材１１と、基材１１上に設けられた複数の光学要素１２とを備える。複数の光学要素１２は、互いに直交するｘ方向及びｙ方向に広がるように、例えばマトリクス状に配列される。複数の光学要素１２の各々は、直角に配置された２つの反射面を有する。光学要素１２は、立方体、又は直方体からなる。基材１１及び光学要素１２は、透明な樹脂で構成される。

なお、図１では、３６（＝６×６）個の光学要素１２を例示しているが、実際には、これより多くの光学要素１２が配列される。光学要素１２の数及びサイズは、空中表示装置の仕様に応じて、任意に設定可能である。また、２個の光学要素１２の間隔は、空中表示装置の仕様に応じて、任意に設定可能である。

図２は、空中表示装置の原理を説明する模式図である。空中表示装置は、表示面に画像を表示する表示素子２０と、ミラーデバイス１０とを備える。図２では、図面の理解が容易になるように、ミラーデバイス１０のうち基材１１の図示を省略し、複数の光学要素１２のみを抽出して示している。複数の光学要素１２は、ｘ－ｙ平面に配列される。ｚ方向は、光学要素１２の高さ方向である。

表示素子２０から出射された光（表示光）は、複数の光学要素１２の各々の２つの側面で反射される。図２では、ハッチングを付した光学要素１２で反射される光の光路を抽出して示している。表示素子２０から出射された光は、ミラーデバイス１０に対して表示素子２０と面対称の位置に結像し、当該位置に空中像３０が結像される。観察者は、この空中像を視認することができる。

図３は、１つの光学要素１２で２回反射される光の様子を説明する模式図である。図４は、光学要素１２をｚ方向から見た場合の光路を説明する図である。図５は、光学要素１２をｙ方向から見た場合の光路を説明する図である。図６は、光学要素１２をｘ方向から見た場合の光路を説明する図である。

光学要素１２の底面から入射した光は、第１側面で反射され、第１側面と直角な第２側面でさらに反射され、上面から出射する。

なお、光学要素１２の任意の側面に入射した光は、当該側面で全光成分が反射されるわけではなく、反射成分と透過成分とに分けられる。反射成分とは、当該側面で入射角に応じた反射角で反射する光の成分であり、透過成分とは、当該側面をそのまま直線的に透過する光の成分である。

（ゴーストについて）
次に、意図しない位置で結像するゴーストについて説明する。ゴーストとは、空中像３０の近傍に現れる二重画像である。図７は、空中表示装置によって表示されるゴースト３１を説明する模式図である。

ゴースト３１は、ミラーデバイス１０によって１回のみ反射された光（すなわち、２回反射されなかった光）により結像する画像である。ゴースト３１は、ミラーデバイス１０に対して表示素子２０と面対称でない位置に結像する。

図８は、１つの光学要素１２で１回反射される光の様子を説明する模式図である。図９は、光学要素１２をｚ方向から見た場合の光路を説明する図である。図１０は、光学要素１２をｙ方向から見た場合の光路を説明する図である。図１１は、光学要素１２をｘ方向から見た場合の光路を説明する図である。

光学要素１２の底面から入射した光は、第１側面で反射され、第１側面と直角な第２側面を透過する。この経路で進む光は、ミラーデバイス１０に対して表示素子２０と面対称でない位置に結像し、ゴースト３１を表示させる。

（不要光について）
次に、不要光について説明する。不要光とは、実像を結像するのに寄与しない光成分である。図１２は、空中表示装置の不要光３２を説明する模式図である。

不要光３２は、ミラーデバイス１０によって１回も反射されない光である。不要光３２は、直線的にミラーデバイス１０を透過する。

図１３は、１つの光学要素１２で１回も反射されない光の様子を説明する模式図である。図１４は、光学要素１２をｚ方向から見た場合の光路を説明する図である。図１５は、光学要素１２をｙ方向から見た場合の光路を説明する図である。図１６は、光学要素１２をｘ方向から見た場合の光路を説明する図である。

光学要素１２の底面から入射した光は、第１側面で反射されず、第１側面を直線的に透過する。

不要光３２は、空中像３０の周囲を明るくしてしまう。よって、不要光３２に起因して、空中像３０のコントラストが低下してしまう。

［１－２］ 空中表示装置１の構成
次に、第１実施形態に係る空中表示装置１の構成について説明する。図１７は、第１実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。

空中表示装置１は、ミラーデバイス１０、表示素子２０、及び遮光膜（遮光部材）４０を備える。なお、図１７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。

表示素子２０は、表示面を有し、この表示面に画像を表示する。表示素子２０の表示面は、ミラーデバイス１０側に配置される。表示素子２０としては、様々なディスプレイを用いることができ、例えば、表示素子２０は、液晶表示素子、又は有機ＥＬ（electroluminescence）表示素子などで構成することができる。

ミラーデバイス１０は、表示素子２０と間隔を空けて配置される。ミラーデバイス１０は、表示素子２０からの表示光を受け、この表示光を表示素子２０と反対側に反射する。これにより、ミラーデバイス１０は、表示素子２０と面対称の位置に空中像３０を結像する。ミラーデバイス１０のサイズ（面積）は、空中像３０を結像するための表示光を受けることが可能な面積より大きく、すなわち表示光を受けることが可能な面積から余裕を持って設定される。

ミラーデバイス１０は、光学要素１２が表示素子２０と向き合うように配置してもよいし、基材１１が表示素子２０と向き合うように配置してもよい。図１７は、光学要素１２を表示素子２０側に配置した構成例であり、すなわち、図１のミラーデバイス１０を上下反対に配置した構成例である。

遮光膜４０は、ミラーデバイス１０に接するように設けられる。例えば、遮光膜４０は、ミラーデバイス１０に接着される。遮光膜４０は、ミラーデバイス１０の基材１１側に設けられてもよいし、光学要素１２側に設けられてもよい。

遮光膜４０は、その中央に開口部４０Ａを有する。開口部４０Ａは、空中像３０を結像する光を通す。また、遮光膜４０は、前述したゴースト及び／又は不要光を遮光する機能を有する。遮光膜４０は、例えば、黒の染料が混入された樹脂で構成される。遮光膜４０に用いられる樹脂としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が挙げられる。

開口部４０Ａは、例えば円である。開口部４０Ａの面積は、空中像３０を結像する表示光を透過することが可能であり、かつゴースト及び／又は不要光を遮光することが可能である大きさに設定される。開口部４０Ａの面積は、表示素子２０の表示画面のサイズ（面積）、表示素子２０とミラーデバイス１０との距離、及び表示素子２０とミラーデバイス１０と位置関係に応じて適宜設定される。

［１－３］ 第１実施形態の効果
以上詳述したように第１実施形態では、空中表示装置１は、画像を表示する表示素子２０と、表示素子２０からの表示光を反射するミラーデバイス１０と、ミラーデバイス１０の表示素子２０と反対側に設けられた遮光膜（遮光部材）４０とを備える。ミラーデバイス１０は、直角に配置された２つの反射面をそれぞれが含む複数の光学要素１２を備え、表示素子２０と面対称の位置に空中像３０を結像する。遮光膜４０は、入射光の一部を通す開口部４０Ａを有し、開口部４０Ａ以外の領域に入射する光を遮光する。

従って第１実施形態によれば、空中表示装置１は、ゴーストを結像する光を遮光することができるため、観察者にゴーストが視認されるのを抑制できる。また、空中表示装置１は、不要光を遮光することができるため、空中像３０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。

［２］ 第２実施形態
第２実施形態は、ゴースト及び／又は不要光を遮光する遮光部材をミラーデバイス１０から間隔を空けて配置するようにしている。

図１８は、第２実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。空中表示装置１は、ミラーデバイス１０、表示素子２０、及び遮光板（遮光部材）４０を備える。

遮光板４０は、ミラーデバイス１０の表示素子２０と反対側に、ミラーデバイス１０から間隔を空けて配置される。遮光板４０は、例えば、黒の染料が混入された樹脂で構成される。遮光板４０は、ゴースト及び／又は不要光を遮光する機能を有する。

第２実施形態によれば、遮光板４０は、空中像３０を結像するための光以外の光成分をより多く遮光できる。これにより、ゴースト及び／又は不要光を遮光することが可能である。

［３］ 第３実施形態
第３実施形態は、所定範囲内の出射角を持つ光のみを透過する光制限素子を用いて、ゴースト及び／又は不要光を遮光するようにしている。

図１９は、第３実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。空中表示装置１は、ミラーデバイス１０、表示素子２０、及び光制限素子４１を備える。

光制限素子４１は、ミラーデバイス１０の表示素子２０と反対側に配置される。光制限素子４１は、ミラーデバイス１０と接していてもよいし、ミラーデバイス１０と間隔を空けて配置されてもよい。

光制限素子４１は、これに入射した光のうち、所定範囲内の出射角を持つ光を透過し、所定範囲外の出射角を持つ光を遮光する機能を有する。すなわち、光制限素子４１は、空中像３０を結像するための表示光を透過し、ゴースト及び／又は不要光を遮光する機能を有する。

図２０は、光制限素子４１の斜視図である。光制限素子４１は、基材４２と、複数の透過層４３と、複数の遮光層４４とを備える。複数の透過層４３と複数の遮光層４４とは、交互に配置され、隣接する層同士は接している。複数の透過層４３と複数の遮光層４４とは、ｘ方向に並んで配置され、また、それぞれがｙ方向に延びる。基材４２及び複数の透過層４３は、透明な樹脂で構成される。複数の遮光層４４は、例えば、黒の染料が混入された樹脂で構成される。光制限素子４１の出射角の範囲は、法線を中心に左右それぞれで０度以上かつ６０度以下に設定される。より望ましくは、光制限素子４１の出射角の範囲は、法線を中心に左右それぞれで０度以上かつ４５度以下に設定される。出射角とは、光制限素子４１の法線からの角度である。

第３実施形態によれば、ゴースト及び／又は不要光を遮光することが可能である。これにより、空中表示装置１の表示品質を向上させることができる。

なお、表示素子２０とミラーデバイス１０との間に光制限素子４１を配置してもよい。例えば、ミラーデバイス１０の表示素子２０側に、ミラーデバイス１０に接するように配置してもよい。この実施例では、ゴースト及び／又は不要光と成り得る光を、ミラーデバイス１０に入射する前に遮光できる。これにより、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、第３の実施形態で示した光制限素子４１は、第１及び第２実施形態の構成にさらに追加して適用することも可能である。

［４］ 第４実施形態
第４実施形態は、表示素子として液晶表示素子を用いる。そして、バックライトから出射された光を、光制限素子４１を用いて所定範囲内の出射角を持つ光成分に制限するようにしている。

図２１は、第４実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。空中表示装置１は、ミラーデバイス１０、液晶表示素子（光変調素子）２０、光源部（バックライト）２１、及び光制限素子４１を備える。

バックライト２１は、照明光を発光し、この照明光を液晶表示素子２０に向けて出射する。バックライト２１は、面光源からなる。

光制限素子４１は、バックライト２１と液晶表示素子２０との間に配置される。光制限素子４１は、これに入射した光のうち、所定範囲内の出射角を持つ光を透過し、所定範囲外の出射角を持つ光を遮光する機能を有する。すなわち、光制限素子４１は、空中像３０を結像するための照明光を透過し、ゴースト及び／又は不要光の原因となる照明光を予め遮光する機能を有する。図２１の光制限素子４１の構造は、サイズが異なる以外は、図２０の光制限素子４１と同じである。

液晶表示素子２０は、光制限素子４１を透過した照明光を受ける。さらに、液晶表示素子２０は、照明光を透過して光変調を行う。そして、液晶表示素子２０は、その表示面に所望の画像を表示する。液晶表示素子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。

第４実施形態によれば、ミラーデバイス１０に表示光が入射する前の段階で、ゴースト及び／又は不要光の原因となる照明光を遮光することが可能である。これにより、これにより、空中表示装置１の表示品質を向上させることができる。

なお、表示素子２０のバックライト２１と反対側に光制限素子４１を配置してもよい。例えば、表示素子２０と概略同じサイズの光制限素子４１を表示素子２０の表示面に接する又は間隔を空けて配置してもよい。

また、有機ＥＬ表示素子など自発光型の表示素子を用いた場合、光制限素子４１を表示素子の表示面に接する又は間隔を空けて配置してもよい。

また、第４の実施形態で示した光制限素子４１は、第１及び第２実施形態の構成にさらに追加して適用することも可能である。

［５］ 第５実施形態
第５実施形態では、ミラーデバイス１０のうち複数の光学要素１２が配置される領域を、空中像を結像するのに寄与する光を反射することが可能なサイズまで小さくする。そして、ゴースト及び／又は不要光の原因となる光が光学要素１２によって拡散されるのを抑制するようにしている。

図２２は、第５実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。空中表示装置１は、ミラーデバイス１０、及び表示素子２０を備える。

ミラーデバイス１０は、基材１１と、基材１１上に設けられた複数の光学要素１２とを備える。図２２の例では、複数の光学要素１２は、基材１１の表示素子２０と反対側に配置される。勿論、複数の光学要素１２が表示素子２０と向き合うように配置してもよい。

複数の光学要素１２が配置される領域は、基材１１の中央部に限られる。複数の光学要素１２が配置される領域は、空中像３０を結像するのに寄与する光を反射することが可能なサイズまで小さくされる。これにより、複数の光学要素１２が配置される領域以外では、表示素子２０から出射した表示光が拡散されるのを抑制できる。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。

なお、第５実施形態のミラーデバイス１０は、第１乃至第４実施形態に適用することも可能である。

なお、上記各実施形態では、ミラーデバイス１０が直方体からなる複数の光学要素１２を備えるように構成している。ミラーデバイス１０の構造は、これに限定されない。例えば、ミラーデバイス１０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つの反射面を有するように構成してもよい。具体的には、ミラーデバイス１０は、透明な基材に、平面形状が正方形又は四角形の複数の穴がマトリクス状に配置されるようにして構成される。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、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。

１…空中表示装置、１０…ミラーデバイス、１１…基材、１２…光学要素、２０…表示素子、２１…光源部、３０…空中像、３１…ゴースト、３２…不要光、４０…遮光部材、４０Ａ…開口部、４１…光制限素子、４２…基材、４３…透過層、４４…遮光層

Claims (6)

1. 画像を表示する表示素子と、
   直角に配置された２つの反射面をそれぞれが含む複数の光学要素を備え、前記表示素子からの表示光を反射し、前記表示素子と面対称の位置に空中像を結像するミラーデバイスと、
   前記ミラーデバイスの前記表示素子と反対側に配置され、前記ミラーデバイスからの入射光の一部を通す開口部を有し、前記開口部以外の領域に入射する光を遮光する遮光部材と
   を具備し、
   前記ミラーデバイスと前記遮光部材とは、間隔を空けて互いに平行に配置され、
   前記開口部の面積は、前記ミラーデバイスの面積より小さい
   空中表示装置。
2. 画像を表示する表示素子と、
   直角に配置された２つの反射面をそれぞれが含む複数の光学要素を備え、前記表示素子からの表示光を反射し、前記表示素子と面対称の位置に空中像を結像するミラーデバイスと、
   前記ミラーデバイスに接するようにして前記表示素子と前記ミラーデバイスとの間に配置され、前記表示素子からの入射光の一部を通す開口部を有し、前記開口部以外の領域に入射する光を遮光する遮光部材と
   を具備し、
   前記開口部の面積は、前記複数の光学要素が占める面積より小さい
   空中表示装置。
3. 前記遮光部材の外形は、前記ミラーデバイスの外形と同じである
   請求項１又は２に記載の空中表示装置。
4. 前記開口部は、円である
   請求項１乃至３のいずれかに記載の空中表示装置。
5. 前記遮光部材は、黒色の樹脂で構成される
   請求項１乃至４のいずれかに記載の空中表示装置。
6. 前記複数の光学要素の各々は、立方体、又は直方体からなる
   請求項１乃至５のいずれかに記載の空中表示装置。

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