TW202340810A - 空中顯示裝置 - Google Patents

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TW202340810A TW112101305A TW112101305A TW202340810A TW 202340810 A TW202340810 A TW 202340810A TW 112101305 A TW112101305 A TW 112101305A TW 112101305 A TW112101305 A TW 112101305A TW 202340810 A TW202340810 A TW 202340810A
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代工康宏
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日商凸版印刷股份有限公司
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Abstract

本發明的空中顯示裝置含有：顯示元件(20)，其顯示圖像；光學元件(40)，其以接受來自顯示元件(20)的光照射的方式配置，將來自顯示元件(20)的光朝與顯示元件(20)相反的一側反射而使空中影像成像；及感測裝置(50)，其配置在顯示元件(20)與光學元件(40)之間且配置在光學元件(40)所佔區域的外側。感測裝置(50)係含有：光源部(52)，其朝光學元件(40)射出紅外線；及複數台攝像機(53)，其等檢測依序被對象物及光學元件(40)反射的紅外線。

Description

空中顯示裝置
本發明係有關空中顯示裝置。
能夠將圖像和動畫等以空中影像的形式顯示的空中顯示裝置正在研究中，作為新式的人機介面(Human Machine Interface)而備受期待。關於空中顯示裝置，例如有人提出使用由二面角反射器(dihedral corner reflector)排列成陣列(array)狀而成的二面角反射器陣列，將從顯示元件的顯示面射出的光反射，於空中成像實像。藉由二面角反射器陣列進行的顯示方法沒有像差，在面對稱的位置顯示實像(空中影像)。
若能夠以指尖操作空中影像，便無需如觸控面板般直接觸碰到指尖就能夠輸入資訊，故能夠進行衛生的輸入。為了感測(sensing)與空中影像相同的面，必須在空中影像附近設置感測器(sensor)。此外，為了按照空中影像進行感測，係必須在空中影像周圍配置具備感測器的裝置。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2017-67933號公報
[發明欲解決之課題]
本發明係提供能夠檢測空中影像附近的對象物的空中顯示裝置。 [用以解決課題之手段]
依據本發明的第1態樣，提供一種空中顯示裝置，係具備：顯示元件，其顯示圖像；光學元件，其以接受來自前述顯示元件的光照射的方式配置，將來自前述顯示元件的光朝與前述顯示元件相反的一側反射而使空中影像成像；及第1感測裝置，其配置在前述顯示元件與前述光學元件之間且配置在前述光學元件所佔區域的外側；前述第1感測裝置係含有：光源部，其朝前述光學元件射出紅外線；及複數台攝像機(camera)，其等檢測依序被對象物及前述光學元件反射的紅外線。
依據本發明的第2態樣，提供如第1態樣的空中顯示裝置，其中前述光學元件係具有平面狀的基材、及設在前述基材之下，分別沿第1方向延伸、沿正交於前述第1方向之第2方向並排的複數個光學要素；前述複數個光學要素的每一者係具有相對於前述基材的法線方向分別傾斜且彼此相接的入射面及反射面。
依據本發明的第3態樣，提供如第2態樣的空中顯示裝置，其中前述反射面相對於前述基材的法線方向之角度係以使射入前述反射面的光的入射角成為比臨界角大的方式設定。
依據本發明的第4態樣，提供如第2態樣的空中顯示裝置，其中前述入射面相對於前述基材的法線方向之角度係以使射入前述入射面的光的入射角成為比臨界角小的方式設定。
依據本發明的第5態樣，提供如第2態樣的空中顯示裝置，其中前述第1感測裝置係沿前述光學元件的前述第2方向配置。
依據本發明的第6態樣，提供如第1態樣的空中顯示裝置，其中前述顯示元件與前述光學元件係彼此平行地配置。
依據本發明的第7態樣，提供如第1態樣的空中顯示裝置，其更具備配向控制元件，前述配向控制元件係配置在前述顯示元件與前述光學元件之間，讓來自前述顯示元件的光的一部分穿透。
依據本發明的第8態樣，提供如第1態樣的空中顯示裝置，其更具備框體，前述框體係收容前述顯示元件、前述光學元件及前述第1感測裝置。
依據本發明的第9態樣，提供如第1態樣的空中顯示裝置，其更具備控制部，前述控制部係根據前述複數台攝像機的圖像信號，算出前述對象物的位置。
依據本發明的第10態樣，提供如第1態樣的空中顯示裝置，其更具備第2感測裝置，前述第2感測裝置係配置在前述顯示元件與前述光學元件之間且配置在前述光學元件所佔前述區域的外側，相對於前述光學元件配置在與前述第1感測裝置相反的一側，具有與前述第1感測裝置相同的構成。 [發明之效果]
依據本發明，可提供能夠檢測空中影像附近的對象物的空中顯示裝置。
[用以實施發明的形態]
以下，針對實施形態，參照圖式進行說明。惟，圖式乃係示意性或概念性，各圖式的尺寸及比例等未必與實際相同。此外，在圖式彼此間，即便顯示的是相同的部分，或仍有彼此的尺寸的關係和比例不同的時候。具體而言，以下所示的數個實施形態乃係將本發明的技術思想予以具體化之用的裝置及方法之例示，本發明的技術思想並不以構成零件的形狀、構造、配置等進行界定。另外，在以下的說明中，針對具有相同功能及構成的要素係給予相同的元件符號且省略重複說明。
[1] 第1實施形態 [1-1] 空中顯示裝置1的構成 圖1係本發明第1實施形態的空中顯示裝置1的立體圖。在圖1中，X方向為沿空中顯示裝置1的一邊之方向，Y方向為在水平面內正交於X方向之方向，Z方向為正交於XY平面之方向(亦稱為法線方向)。空中顯示裝置1係具備：框體2、顯示模組3及感測裝置50。
框體2係收容顯示模組3及感測裝置50。亦即，框體2、顯示模組3及感測裝置50係一體構成。框體2的形狀為長方體，且具有箱形。框體2係含有將顯示模組3及感測裝置50固定在圖示之位置的支持構件(未圖示)。框體2係具有讓顯示模組3的頂面(光出射面)露出的開口部2A。框體2係以金屬或樹脂構成。
顯示模組3乃係顯示圖像(包括動畫)的裝置。顯示模組3係在自身的光出射面上方的空中顯示空中影像。所謂的空中影像，係指成像於空中的實像。顯示模組3係含有沿Z方向隔著間隔積層的複數個元件。另外，在圖1中，為了簡化而抽出顯示模組3所含有的複數個元件當中的一部分元件來顯示。關於顯示模組3的詳情，於後文中說明。
感測裝置50乃係檢測空中影像附近的預定區域所含的對象物之用的裝置。感測裝置50的形狀為長方體。感測裝置50係朝預定方向射出光。此外，感測裝置50係檢測被對象物反射的光。關於感測裝置50的詳情，於後文中說明。
圖2係圖1所示的顯示模組3及感測裝置50的立體圖。圖3係圖1所示的顯示模組3及感測裝置50的從Y方向觀看的側視圖。
顯示模組3係具備：照明元件(亦稱為背光(backlight))10、顯示元件20、配向控制元件30及光學元件40。照明元件10、顯示元件20、配向控制元件30及光學元件40係彼此平行地配置。照明元件10、顯示元件20、配向控制元件30及光學元件40係藉由設在框體2內的支持構件(未圖示)而固定在圖2的位置。
照明元件10係發出照明光，將該照明光朝顯示元件20射出。照明元件10係具備：光源部11、導光板12及反射片(sheet)13。照明元件10係例如為側光(side light)型的照明元件。照明元件10係構成面光源。照明元件10係可採用使光強度在後述的傾斜角度θ 1的斜方向成為峰值(peak)的方式構成。
光源部11係發出光。光源部11係例如含有由白色LED(Light Emitting Diode；發光二極體)構成的複數個發光元件。導光板12係導引來自光源部11的照明光，將照明光從頂面射出。反射片13係將從導光板12的底面射出的照明光再朝導光板12反射。照明元件10係亦可在導光板12的頂面具備使光學特性提升的構件(包括稜鏡(prism)片及擴散片)。
顯示元件20乃係穿透式的顯示元件。顯示元件20係例如以液晶顯示元件構成。針對顯示元件20的驅動模式(mode)並無特別限定，能夠使用TN(Twisted Nematic；扭轉向列)模式、VA(Vertical Alignment；垂直配向)模式、或沿面排列(homogeneous)模式等。顯示元件20係接受從照明元件10射出的照明光照射。顯示元件20係讓照明光穿透進行光調變。此外，顯示元件20係在其顯示面顯示所期望的圖像。
配向控制元件30係具有減少非必要的光之功能。所謂非必要的光，係指對生成空中影像沒有貢獻的光成分，係指沿法線方向穿透光學元件40的光成分。配向控制元件30係構成為，讓以相對於法線方向傾斜角度θ 1的斜方向為中心的預定的角度範圍的光成分穿透，並且遮擋上述角度範圍以外的光成分。配向控制元件30的面積係設定為顯示元件20的面積以上。
光學元件40係將從底面側射入的光反射至頂面側。此外，光學元件40係將從底面側斜向射入的入射光例如沿正面方向(法線方向)反射。此外，光學元件40係於空中成像空中影像4。光學元件40的面積係設定為顯示元件20的面積以上。空中影像4係平行於光學元件40的元件面，乃係二維的圖像。所謂的元件面，係指光學元件40沿面內方向擴展的假想的平面。元件面乃係與面內相同意涵。針對其他元件的元件面，亦為相同意涵。位在光學元件40正面的觀看者5係能夠視覺辨識空中影像4。
[1-1-1] 配向控制元件30的構成 圖4A係圖2所示的配向控制元件30的俯視圖。圖4B係沿圖4A的A-A´線剖切的配向控制元件30的剖面圖。
基材31、32係分別構成為四角形的平面狀。在基材31上係設有分別沿Y方向延伸、沿X方向並排的複數個透明構件33。此外，在基材31上係設有分別沿Y方向延伸、沿X方向並排的複數個遮光構件34。複數個透明構件33與複數個遮光構件34係以相鄰的構件彼此相接的方式交替配置。在複數個透明構件33及複數個遮光構件34上係設置基材32。
透明構件33係，在X方向，沿相對於基材31的法線方向傾斜角度θ 1的斜方向延伸。透明構件33乃係於XZ剖面中側面傾斜角度θ 1程度的平行四邊形。透明構件33係讓光穿透。
遮光構件34係，在X方向，沿相對於基材31的法線方向傾斜角度θ 1的斜方向延伸。遮光構件34乃係於XZ剖面中側面傾斜角度θ 1程度的平行四邊形。遮光構件34係遮擋光。
相鄰的兩個遮光構件34係以在Z方向上彼此的端部若干重疊的方式配置。
就基材31、32及透明構件33而言，係使用透明的樹脂，例如使用丙烯酸(acrylic)樹脂。就遮光構件34而言，例如使用摻有黑色染料的樹脂。
另外，亦可省略基材31、32其中一者或兩者來構成配向控制元件30。只要複數個透明構件33與複數個遮光構件34交替配置，便能夠實現配向控制元件30的功能。
如上述構成的配向控制元件30係能夠以使相對於法線方向傾斜角度θ 1的斜方向的光強度成為峰值的方式讓顯示光穿透。例如，配向控制元件30係構成為遮擋相對於法線方向成30°±30°之範圍以外的光成分。較佳為，配向控制元件30係構成為遮擋相對於法線方向成30°±20°之範圍以外的光成分。
另外，就變形例而言，配向控制元件30係亦可配置在照明元件10與顯示元件20之間。此外，配向控制元件30係亦可更靠近光學元件40配置。此外，亦可省略配向控制元件30來構成空中顯示裝置1。
[1-1-2] 光學元件40的構成 圖5係圖2所示的光學元件40的立體圖及局部放大圖。圖5的局部放大圖乃係XZ面的放大圖。
光學元件40係具備基材41及複數個光學要素42。基材41係在XY面構成為平面狀，具有長方體。
在基材41的底面係設置複數個光學要素42。複數個光學要素42的每一者係以三角柱構成。光學要素42係以使三角柱的三個側面與XY面平行的方式配置，一個側面接於基材41。複數個光學要素42係分別沿Y方向延伸、沿X方向並排配置。換言之，複數個光學要素42係具有鋸齒狀。
光學要素42係具有入射面43及反射面44。入射面43乃係讓來自配向控制元件30的光射入的面。反射面44乃係在光學要素42內部反射從外部射入入射面43的光的面。
光學要素42係例如藉由與基材41相同的透明材料而與基材41一體形成。亦可為，個別形成基材41與光學要素42，在基材41接著光學要素42。就構成基材41及光學要素42的透明材料而言，例如使用丙烯酸樹脂或玻璃(glass)。
光學元件40係在內部反射入射光，於空中成像實像。此外，光學元件40係令實像成像在其元件面的正面的位置。
[1-1-3] 感測裝置50的構成 圖6係圖1所示的感測裝置50的示意性的俯視圖。感測裝置50係具備框體51、光源部52及兩個攝像機53-1、53-2。攝像機53的個數係亦可為三個以上。
框體51係收容光源部52及攝像機53-1、53-2。框體51係以箱狀的盒體(case)及覆蓋盒體上部的蓋(cover)構成。框體51的蓋係具有讓光源部及攝像機露出的開口部。
光源部52係沿垂直於感測裝置50元件面的方向例如射出紅外線。光源部52發出的光較佳為具有不對顯示元件20顯示的圖像造成影響的波長。光源部52係含有一個或複數個LED。
攝像機53-1、53-2係檢測對象物反射的紅外線。攝像機53-1、53-2係以紅外線攝像機構成，含有攝像元件。攝像元件係以CCD(Charge Coupled Device；電荷耦合元件)感測器或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor；互補式金屬氧化物半導體)感測器構成。攝像機53-1、53-2係構成立體攝像機(sterero camera)。立體攝像機係使用複數台攝像機(例如兩台攝像機)，從複數個方向對對象物進行攝像，藉此而能夠取得三維位置資訊。亦即，立體攝像機係能夠取得在與空中影像平行的二維位置資訊加上深度資訊而成的三維位置資訊。
如圖2所示，感測裝置50於俯視中是配置在光學元件40所佔區域的外側，並且配置在顯示元件20與光學元件40之間。感測裝置50係以與光學元件40的入射面43相對向的方式，相對於光學元件40配置在沿X方向之側。感測裝置50係以元件面朝斜上的方式配置，俾使出射光照射至光學元件40。感測裝置50係相對於Z方向例如以10度以上60度以下的角度傾斜配置。
[1-2] 空中顯示裝置1的方塊構成 圖7係空中顯示裝置1的方塊圖。空中顯示裝置1係具備：控制部60、記憶部61、輸入/輸出介面(輸入/輸出IF)62、顯示模組3及輸入部63。控制部60、記憶部61及輸入/輸出介面62係透過匯流排(bus)而相互連接。
輸入/輸出介面62係連接至顯示模組3、感測裝置50及輸入部63。輸入/輸出介面62係對顯示模組3、感測裝置50及輸入部63每一者進行相應於預定規格的介面處理。
顯示模組3係具備照明元件10及顯示元件20。
感測裝置50係具備：光源部52、複數台攝像機53及感測器控制器54。感測器控制器54係根據控制部60的控制，控制光源部52及複數台攝像機53的動作。感測器控制器54係控制光源部52的發光時序(timing)。感測器控制器54係從複數台攝像機53接收圖像信號。
控制部60係藉由CPU(Central Processing Unit；中央處理單元)和MPU(Micro Processing Unit；微處理器單元)等一個以上的處理器所構成。控制部60係藉由執行儲存在記憶部61的程式而實現各種功能。控制部60係具備：顯示處理部60A、位置算出部60B及資訊處理部60C。
顯示處理部60A係控制顯示模組3(具體而言，照明元件10及顯示元件20)的動作。顯示處理部60A係將圖像信號發送至顯示模組3，令圖像顯示於顯示模組3。
位置算出部60B係控制感測裝置50的動作。位置算出部60B係從感測裝置50接收圖像信號。位置算出部60B係令感測裝置50形成使用紅外線檢測對象物之用的檢測區域。位置算出部60B係根據複數台攝像機53的圖像信號，算出進入到檢測區域的對象物的位置。到對象物為止的距離係使用公知的技術即三角測量的原理而算出。檢測的位置係包括使用者(user)以手指觸碰空中影像的位置。
資訊處理部60C係生成空中顯示裝置1顯示的圖像。資訊處理部60C係能夠使用儲存在記憶部61的圖像資料(data)。資訊處理部60C係亦可使用未圖示的通信功能從外部取得圖像資料。
記憶部61係含有ROM(Read Only Memory；唯讀記憶體)、HDD(Hard Disk Drive；硬碟)及SSD(Solid State Drive；固態硬碟)等非揮發性記憶裝置、以及 RAM(Random Access Memory；隨機存取記憶體)及暫存器(register)等揮發性記憶裝置。記憶部61係儲存控制部60執行的程式。記憶部61係儲存控制部60的控制所必要的各種資料。記憶部61係儲存空中顯示裝置1顯示的圖像的資料。
輸入部63係受理使用者輸入的資訊。資訊處理部60C係能夠根據輸入部63受理的資訊選擇圖像。
[1-3] 空中顯示裝置1的動作 接著，針對如上述構成的空中顯示裝置1的動作進行說明。
[1-3-1] 顯示動作 圖3中的箭頭係表示光路。如圖3所示，從顯示元件20射出的光係射入配向控制元件30。從顯示元件20射出的光當中，角度θ 1的光成分(包括以角度θ 1為中心的預定的角度範圍的光成分)係穿透配向控制元件30。穿透配向控制元件30的光係射入光學元件40。光學元件40係將入射光成像於與配向控制元件30相反的一側的空中，於空中顯示空中影像4。
圖8係說明光在光學元件40的反射情形之立體圖。圖9係說明光在光學元件40的反射情形之XZ面的側視圖。圖9係在觀看者5的兩眼(亦即，連結兩眼的線)平行於X方向的狀態下觀看光學元件40之圖。圖10係說明光在光學元件40的反射情形之YZ面的側視圖。圖10係在觀看者5的兩眼平行於Y方向的狀態下觀看光學元件40之圖。
從配向控制元件30的元件面的任意點「o」射出的光係從光學元件40的入射面43射入，到達反射面44。以相對於反射面44的法線方向比臨界角大的角度到達的光係在反射面44全反射，從光學元件40的形成有光學要素42之側的相反側的平面射出。所謂的臨界角，係指當超過該入射角時會發生全反射最少的入射角。臨界角乃係相對於入射面的垂線的角度。
在圖9的XZ面，從點「o」射出的光係在光學要素42的反射面44全反射，該光係在空中成像而生成空中影像。
在圖10的YZ面，從點「o」射出的光並沒有在光學要素42的反射面44反射，該光並不會在空中成像，故對空中影像的生成沒有貢獻。
亦即，觀看者5能夠看見空中影像的條件為觀看者5的兩眼平行於X方向或相近之狀態(例如相對於X方向±10度)。此外，當在觀看者5的兩眼平行於X方向或相近之狀態下沿Y方向移動視點時，能夠一直看見空中影像。
圖11係說明光學元件40的入射面43及反射面44的角度條件之圖。
設相對於Z方向(垂直於元件面的方向)的入射面43的角度為θ 2、設相對於Z方向的反射面44的角度為θ 3、設入射面43與反射面44夾角的角度為θ p。角度θ p係以下式(1)表示。 θ p=θ 2+θ 3… (1)
從配向控制元件30以角度θ 1射出的光係射入入射面43。設光學元件40的材料的折射率為n p、設空氣的折射率為1。設在入射面43的入射角為θ 4、設折射角為θ 5。設在反射面44的入射角為θ 6、設反射角為θ 7(=θ 6)。設在配向控制元件30頂面的入射角為θ 8、設折射角為θ 9。折射角θ 9乃係出射角。出射角θ 9係以下式(2)表示。 θ 9=sin -1(n p*sin(sin -1((1/n p)*sin(90°-(θ 1+θ 2))) +θ 2+2θ 3-90°))　… (2)
在反射面44的臨界角係以下式(3)表示。 臨界角＜θ 6(=θ 7) 臨界角=sin -1(1/n p)　… (3)
亦即，在反射面44的入射角θ 6係設定成比在反射面44的臨界角大。換言之，反射面44的角度θ 3係以使射入反射面44的光的入射角成為比臨界角大的方式設定。
此外，射入入射面43的光係以不在入射面43發生全反射的方式設定。亦即，入射面43的角度θ 2係以使射入入射面43的光的入射角成為比臨界角小的方式設定。
圖12係空中顯示裝置1的光線追跡圖。圖12的參數(parameter)為θ 1=35度、θ 3=22.5度、θ p=45度。從配向控制元件30射出的光係在光學元件40反射，成像空中影像4。
[1-3-2] 感測動作 接著，針對感測動作進行說明。圖13係說明感測裝置50的動作之圖。
感測裝置50的光源部52係朝光學元件40射出紅外線。光源部52係以具有預定的擴散角的方式射出紅外線。所謂的擴散角，係指相對於垂直於感測裝置50的元件面的方向之角度。光源部52係以能夠對光學元件40的整個面發射紅外線的方式構成。光源部52係亦可具有供控制放射區域之用的透鏡(lens)。
從光源部52射出的紅外線係從光學元件40的反射面44射入，在入射面43全反射。被光學元件40反射的紅外線係往光學元件40的與感測裝置50相反的一側且大約沿法線方向射出。藉此，形成藉由紅外線進行檢測的檢測區域55。
在圖13中，例示作為對象物6之觀看者的手指。從光學元件40射出的紅外線係在對象物6反射。對象物6反射的光係走與從光源部52射出的紅外線相反的光路，在光學元件40的入射面43全反射。藉由光學元件40反射的紅外線係以感測裝置50的複數台攝像機53受光及檢測。
以複數台攝像機53攝得的圖像信號係發送至控制部60。位置算出部60B係根據複數台攝像機53的圖像信號，算出存在於檢測區域55的對象物6的位置。
圖14係感測裝置50的光線追跡圖。從感測裝置50的光源部52射出的紅外線係照射光學元件40的大致整個面。
藉由光學元件40而反射的紅外線係愈往右側(靠近感測裝置50之側)，光密度愈高，愈往左側(遠離感測裝置50之側)，光密度愈低。紅外線強度係可採用光子通量密度來定義。
[1-4] 第1實施形態的效果 依據第1實施形態，可實現能夠檢測空中影像4附近的對象物的空中顯示裝置1。
此外，藉由利用光學元件40的反射光，能夠以一個感測裝置50形成廣範圍的檢測區域55。此外，能夠在含有空中影像4的廣範圍的區域檢測對象物6。
此外，藉由使用複數台攝像機53拍攝對象物6，能夠取得三維位置資訊。
此外，能夠將感測裝置50收容於框體2。藉此，能夠將含有感測裝置50的空中顯示裝置1一體構成並且能夠將空中顯示裝置1小型化。
此外，能夠實現既確保顯示品質亦能夠顯示空中影像的空中顯示裝置1。
此外，當在觀看者5的兩眼平行於X方向(亦即，複數個光學要素42並排的方向)或相近之狀態下觀看光學元件40時，觀看者5係能夠以視覺辨識空中影像。此外，當在觀看者5的兩眼平行於X方向或相近之狀態下沿Y方向移動視點時，能夠一直以視覺辨識空中影像。亦即，在觀看者5的兩眼平行於X方向或相近之狀態，能夠確保視野角。
此外，能夠將構成空中顯示裝置1的複數個元件平行地配置。藉此，可實現能夠在Z方向小型化的空中顯示裝置1。
此外，能夠在空中顯示裝置1的正面方向顯示空中影像。
[2] 第2實施形態 第2實施形態乃係空中顯示裝置1具備兩個感測裝置50的構成例。
圖15係本發明第2實施形態的空中顯示裝置1的立體圖。
空中顯示裝置1係具備兩個感測裝置50-1、50-2。感測裝置50-1、50-2每一者的構成係與在第1實施形態所說明的感測裝置50相同。
感測裝置50-1在俯視中是配置在光學元件40所佔區域的外側，並且配置在顯示元件20與光學元件40之間。感測裝置50-1係以與光學元件40的入射面43相對向的方式，在X方向配置在光學元件40的右側。感測裝置50-1係以元件面朝斜上的方式配置，俾使出射光照射至光學元件40。感測裝置50-1係相對於Z方向例如以10度以上60度以下的角度傾斜配置。
感測裝置50-2在俯視中是配置在光學元件40所佔區域的外側，並且配置在顯示元件20與光學元件40之間。感測裝置50-2係以與光學元件40的反射面44相對向的方式，在X方向配置在光學元件40的左側。感測裝置50-2係以元件面朝斜上的方式配置，俾使出射光照射至光學元件40。感測裝置50-2係相對於Z方向例如以10度以上60度以下的角度傾斜配置。
位置算出部60B係根據感測裝置50-1、50-2的圖像信號，算出進入到檢測區域的對象物的位置。
依據第2實施形態，能夠在X方向將感測裝置50-1、50-2射出的紅外線的強度更加均一化。藉此，能夠使感測裝置50的感度提升。其他效果係與第1實施形態相同。
[3] 第3實施形態 第3實施形態乃係將顯示元件20相對於光學元件40傾斜配置的構成例。
圖16係本發明第3實施形態的空中顯示裝置1的側視圖。在圖16中，X方向為沿顯示元件20的一邊之方向，Y方向為在顯示元件20的面內正交於X方向之方向，Z方向為正交於XY平面之方向。
空中顯示裝置1係具備：照明元件10、顯示元件20及光學元件40。照明元件10、顯示元件20及光學元件40每一者的構成係與第1實施形態相同。
光學元件40係相對於顯示元件20以角度θ 10傾斜配置。角度θ 10係例如為30度以上60度以下。
顯示元件20係沿垂直於元件面的方向射出光。從顯示元件20射出的光係射入光學元件40。光學元件40係將從底面側斜向射入的光反射至頂面側。此外，光學元件40係於空中成像空中影像4。例如，光學元件40係將顯示在顯示元件20的圖像成像在以光學元件40為對稱面的面對稱的位置作為空中影像4。作為一例，圖16中示出與顯示元件20相對於光學元件40成面對稱的方式成像的空中影像4的光成分。位在相對於光學元件40的法線方向傾斜角度θ 10的斜方向的觀看者5係能夠以視覺辨識空中影像4。
另外，能夠相應於顯示元件20與光學元件40夾角的角度及光學元件40的具有光學要素42之面的角度，任意設定空中影像4的成像位置。
感測裝置50係配置在顯示元件20與光學元件40之間，且從Z方向觀看，配置在光學元件40所佔區域的外側。感測裝置50係以使元件面朝向光學元件40底面的方式配置。此外，感測裝置50係以使光源部52的光軸通過光學元件40底面的中央附近的方式配置。感測裝置50的構成及動作係與第1實施形態相同。
依據第3實施形態，能夠將顯示元件20相對於光學元件40傾斜配置來實現空中顯示裝置1。其他效果係與第1實施形態相同。
[4] 第4實施形態 第4實施形態乃係光學元件40的其他構成例，係以二面角反射器陣列構成光學元件40。
[4-1] 空中顯示裝置1的構成 圖17係本發明第4實施形態的空中顯示裝置1的立體圖。空中顯示裝置1係具備：框體2、顯示模組3及四個感測裝置50-1至50-4。在圖17中係為了簡化而抽出顯示模組3所含有的複數個元件當中的一部分元件來顯示。
感測裝置50-1係在X方向配置在顯示模組3的一方端部側，感測裝置50-3係在X方向配置在顯示模組3的另一方端部側。感測裝置50-2係在Y方向配置在顯示模組3的一方端部側，感測裝置50-4係在Y方向配置在顯示模組3的另一方端部側。感測裝置50-1至50-4每一者的構成係與在第1實施形態所說明的感測裝置50相同。
圖18係圖17所示的顯示模組3及感測裝置50的從Y方向觀看的側視圖。在圖18中係省略了感測裝置50-2、50-4的圖示。
顯示模組3係具備：照明元件10、顯示元件20、配向控制元件30、光學元件40及光路偏向元件70。照明元件10、顯示元件20及配向控制元件30的構成係與第1實施形態相同。
光學元件40係將從底面側射入的光反射至頂面側。此外，光學元件40係將入射光以相對於元件面成面對稱的方式反射。此外，光學元件40係於空中成像空中影像。
光路偏向元件70係使從底面斜向射入的顯示光沿法線方向折射。位在光路偏向元件70正面的觀看者5係能夠以視覺辨識空中影像4。
[4-2] 光學元件40的構成 圖19A係圖18所示的光學元件40的從Y方向觀看的側視圖。圖19B係圖18所示的光學元件40的底視圖。
光學元件40係具備基材41及複數個光學要素45。在圖19A係抽出一個光學要素45的立體圖來顯示。基材41與複數個光學要素45係以丙烯酸樹脂等透明的材料構成。基材41與複數個光學要素45係可一體構成，亦可藉由透明的接著材接著。
複數個光學要素45係設在基材41的底面。光學要素45係由長方體或立方體構成。光學要素45的平面形狀係例如為正方形。光學要素45係具有兩個反射面46、47。反射面46、47係對應於長方體的兩個側面且彼此相接。反射面46、47係構成所謂的二面角反射器。
光學要素45係以一邊相對於X方向傾斜達角度θ 11的方式配置。角度θ 11係例如為45度。另外，角度θ 11並不限定於45度，能夠以30度以上60度以下的範圍設定。複數個光學要素45係排列成交錯狀。亦即，複數個光學要素45係以一列相對於X方向沿45度的方向延伸，複數列相對於Y方向沿45度的方向並排的方式配置。此外，複數個光學要素45係彼此隔著間隙配置。
穿透配向控制元件30的光係從光學要素45的底面射入光學要素45，在反射面46、47反射兩次後，從光學要素45的頂面射出。
[4-3] 光路偏向元件70的構成 圖20A係圖18所示的光路偏向元件70的俯視圖。圖20B係圖18所示的光路偏向元件70的從Y方向觀看的側視圖。
光路偏向元件70係具備基材71及設在基材71上的複數個三角稜鏡72。基材71與複數個三角稜鏡72係以丙烯酸樹脂等透明的材料構成。基材71與複數個三角稜鏡72係可一體構成，亦可藉由透明的接著材接著。
複數個三角稜鏡72係分別沿Y方向延伸、沿X方向並排。三角稜鏡72係由沿Y方向延伸的三角柱構成。三角稜鏡72係具有折射面73。折射面73係相對於法線方向傾斜達角度θ 12。
如上述構成的光路偏向元件70係使從底面斜向射入的顯示光沿法線方向折射。折射面73的角度θ 12係相應於射入光路偏向元件70的光的角度及光路偏向元件70的折射率而適宜設定。
另外，光路偏向元件70係亦可省略。此時，空中影像係成像在相對於光學元件40成面對稱的位置。
[4-4] 感測動作 在如上述構成的空中顯示裝置1中，感測裝置50-1至50-4每一者的動作係與在第1實施形態所說明的感測裝置50相同。
以感測裝置50-1至50-4所含有的複數台攝像機53攝得的圖像信號係發送至控制部60。位置算出部60B係根據複數台攝像機53的圖像信號，算出進入到檢測區域55的對象物6的位置。
[4-5] 第4實施形態的效果 依據第4實施形態，當以二面角反射器陣列構成光學元件40時，同樣能夠使用感測裝置50檢測對象物。
在第4實施形態中，配置感測裝置50的位置並無限制。在第4實施形態中係顯示四個感測裝置50-1至50-4，但感測裝置50的個數係亦可為一個，亦可為兩個以上。
另外，亦可在第4實施形態適用第3實施形態。亦即，亦可將顯示元件20相對於光學元件40傾斜配置。
[5] 第5實施形態 第5實施形態乃係第4實施形態的變形例。
圖21係本發明第5實施形態的變形例的空中顯示裝置1的立體圖。空中顯示裝置1係具備四個感測裝置50-1至50-4。
感測裝置50-1至50-4係配置在顯示模組3的四個角的附近。其他構成係與第4實施形態相同。
在第5實施形態中，同樣能夠使用感測裝置50檢測對象物。
在上述各實施形態中，就顯示元件20而言，舉出液晶顯示裝置為例進行了說明，但並不限定於此。顯示元件20係亦能夠使用自發光型的有機EL(electroluminescence；電致發光)顯示元件或Micro LED(Light Emitting Diode)(微型發光二極體)顯示元件等。Micro LED顯示元件乃係以LED令構成像素的R(紅)、G(綠)、B(藍)分別發光的顯示元件。
本發明並不限定於上述實施形態，於實施階段，當能夠在不脫離本發明主旨的範圍內進行各種變形。此外，各實施形態係可適宜組合來實施，此時可獲得組合效果。此外，上述實施形態係含有各種發明，藉由從所揭示的複數個構成要件選擇的組合，能抽出各種發明。例如，即使從實施形態所示的全部的構成要件刪除數個構成要件，當能夠解決課題、獲得效果時，係能將刪除該些構成要件後的構成抽出作為發明。
1:空中顯示裝置 2:框體 2A:開口部 3:顯示模組 4:空中影像 5:觀看者 6:對象物 10:照明元件 11:光源部 12:導光板 13:反射片 20:顯示元件 30:配向控制元件 31,32:基材 33:透明構件 34:遮光構件 40:光學元件 41:基材 42,45:光學要素 50:感測裝置 51:框體 52:光源部 53:攝像機 54:感測器控制器 55:檢測區域 60:控制部 61:記憶部 62:輸入/輸出介面 63:輸入部 70:光路偏向元件 71:基材 72:三角稜鏡
圖1係本發明第1實施形態的空中顯示裝置的立體圖。 圖2係圖1所示的顯示模組(module)及感測裝置的立體圖。 圖3係圖1所示的顯示模組及感測裝置的從Y方向觀看的側視圖。 圖4A係圖2所示的配向控制元件的俯視圖。 圖4B係沿圖4A的A-A´線剖切的配向控制元件的剖面圖。 圖5係圖2所示的光學元件的立體圖及局部放大圖。 圖6係圖1所示的感測裝置的示意性的俯視圖。 圖7係空中顯示裝置的方塊圖(block diagram)。 圖8係說明光在光學元件的反射情形之立體圖。 圖9係說明光在光學元件的反射情形之XZ面的側視圖。 圖10係說明光在光學元件的反射情形之YZ面的側視圖。 圖11係說明光學元件的入射面及反射面的角度條件之圖。 圖12係空中顯示裝置的光線追跡圖。 圖13係說明感測裝置的動作之圖。 圖14係感測裝置的光線追跡圖。 圖15係本發明第2實施形態的空中顯示裝置的立體圖。 圖16係本發明第3實施形態的空中顯示裝置的側視圖。 圖17係本發明第4實施形態的空中顯示裝置的立體圖。 圖18係圖17所示的顯示模組及感測裝置的從Y方向觀看的側視圖。 圖19A係圖18所示的光學元件的從Y方向觀看的側視圖。 圖19B係圖18所示的光學元件的底視圖。 圖20A係圖18所示的光路偏向元件的俯視圖。 圖20B係圖18所示的光路偏向元件的從Y方向觀看的側視圖。 圖21係本發明第5實施形態的變形例的空中顯示裝置的立體圖。
1:空中顯示裝置
2:框體
2A:開口部
3:顯示模組
50:感測裝置

Claims (10)

  1. 一種空中顯示裝置，具備： 顯示元件，其顯示圖像； 光學元件，其以接受來自前述顯示元件的光照射的方式配置，將來自前述顯示元件的光朝與前述顯示元件相反的一側反射而使空中影像成像；及 第1感測裝置，其配置在前述顯示元件與前述光學元件之間且配置在前述光學元件所佔區域的外側； 前述第1感測裝置係含有： 光源部，其朝前述光學元件射出紅外線；及 複數台攝像機，其檢測依序被對象物及前述光學元件反射的紅外線。
  2. 如請求項1之空中顯示裝置，其中前述光學元件係具有平面狀的基材、及設在前述基材之下，分別沿第1方向延伸、沿正交於前述第1方向之第2方向並排的複數個光學要素； 前述複數個光學要素的每一者係具有相對於前述基材的法線方向分別傾斜且彼此相接的入射面及反射面。
  3. 如請求項2之空中顯示裝置，其中前述反射面相對於前述基材的法線方向之角度係以使射入前述反射面的光的入射角成為比臨界角大的方式設定。
  4. 如請求項2之空中顯示裝置，其中前述入射面相對於前述基材的法線方向之角度係以使射入前述入射面的光的入射角成為比臨界角小的方式設定。
  5. 如請求項2之空中顯示裝置，其中前述第1感測裝置係沿前述光學元件的前述第2方向配置。
  6. 如請求項1之空中顯示裝置，其中前述顯示元件與前述光學元件係彼此平行地配置。
  7. 如請求項1之空中顯示裝置，其更具備配向控制元件，前述配向控制元件係配置在前述顯示元件與前述光學元件之間，讓來自前述顯示元件的光的一部分穿透。
  8. 如請求項1之空中顯示裝置，其更具備框體，前述框體係收容前述顯示元件、前述光學元件及前述第1感測裝置。
  9. 如請求項1之空中顯示裝置，其更具備控制部，前述控制部係根據前述複數台攝像機的圖像信號，算出前述對象物的位置。
  10. 如請求項1之空中顯示裝置，其更具備第2感測裝置，前述第2感測裝置係配置在前述顯示元件與前述光學元件之間且配置在前述光學元件所佔前述區域的外側，相對於前述光學元件配置在與前述第1感測裝置相反之側，具有與前述第1感測裝置相同的構成。
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