CN102597857B - 光学*** - Google Patents

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Abstract

本发明的光学***(100A)具备反射型成像元件(10)和配置在反射型成像元件(10)的光入射侧的液晶显示面板(20A)，该液晶显示面板(20A)以使显示面相对于由反射型成像元件(10)规定的面成45°以上75°以下的角的方式倾斜配置，对比度的视角依存性在从上述显示面的法线向上述显示面的倾斜方向倾斜10°以上的方向上取中心值，使显示在液晶显示面板(20A)的显示面上的影像成像于以反射型成像元件(10)为对称面的面对称的位置。本发明的光学***(100A)可以以高显示质量显示有浮游感的影像。

Description

光学***
技术领域
本发明涉及一种具有能使被投影物的像在空间成像的反射型成像元件和液晶显示面板的光学***。
背景技术
最近，提出了一种关于用反射型成像元件使被投影物在空间成像的光学***(例如专利文献1、2)。光学***具备反射型成像元件和被投影物，在空间显示的像是被投影物的像成像于以反射型成像元件为对称面的面对称的位置而得到的影像。这种光学***利用了反射型成像元件的镜面反射，在原理上，被投影物的像与在空间中映现的像的大小比例为1∶1。
作为反射型成像元件公开有如下特征：具备沿平板状基板的厚度方向贯穿的孔，具有包括与各个孔的内壁正交的2个镜面要素的光学元件(也称为单位结合元件)(例如，参见专利文献1的图4)，或者具备沿基板厚度方向突出的多个透明的筒状体，具有包括与各个筒状体的内壁面正交的2个镜面要素的光学元件(例如，参见专利文献1的图7)。
专利文献1和2所公开的反射型成像元件，在厚度为50μm～200μm的基板中形成有数万至数十万个边长约为50μm～200μm的正方形的孔，对各个孔的内面通过电铸法、纳米压印法、溅射法等实行镜面镀膜。
为便于参考，将专利文献1和2的全部公开内容用于本说明书。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2008-158114号公报
专利文献2：特开2009-75483号公报
发明的内容
发明要解决的问题
在上述光学***中，如果使被投影物相对于反射型成像元件倾斜配置，那么在空中所显示出的像(以下称“空中影像”)也会带角度，其结果是可以得到空中影像看起来如同漂浮于空间一样的效果。另外，被投影物相对于反射型成像元件的倾斜角度越大，越能在空中成像为更直立(更接近垂直)的像，因而就越能显示出更具现场感的像。
当作为被投影物使用显示于显示面板(例如液晶显示面板)的影像时，显示于显示面板的影像会在空中直立显示。因此，即使被显示出的影像是二维影像，对观察者而言能够看到空中影像就像浮现于空中，因此认知为在空中显示出三维影像那样。如上所述，观察者所认知的如同三维影像在空中浮现的影像在本说明书中称为“有浮游感的影像”。
本发明人利用液晶显示面板，在试制能够显示具有浮游感的影像的光学***时，发现了无法显示具有足够的显示质量(例如对比度)的空中影像的情况。
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能以高显示质量显示具有浮游感的影像的光学***。
用于解决问题的方案
本发明的光学***具有反射型成像元件和液晶显示面板，上述液晶显示面板配置在上述反射型成像元件的光入射侧，以使显示面相对于由上述反射型成像元件规定的面成45°以上75°以下的角的方式倾斜配置，对比度的视角依存性在从上述显示面的法线向上述显示面的倾斜方向倾斜10°以上的方向上取中心值，使显示于上述液晶显示面板的上述显示面的影像成像于以上述反射型成像元件为对称面的面对称的位置。
在一种实施方式中，由上述液晶显示面板出射的显示光的配光分布在从上述显示面的法线向上述显示面的倾斜方向倾斜10°以上的方向上取最大值。
在一种实施方式中，上述液晶显示面板是TN型液晶显示面板。
本发明的其它光学***具备：反射型成像元件；液晶显示面板，其配置在上述反射型成像元件的光入射侧，以使显示面相对于由上述反射型成像元件规定的面成15°以上45°以下的角的方式倾斜配置，对比度的视角依存性在上述显示面的法线方向或从上述显示面的法线方向向上述显示面的倾斜方向倾斜超过0°不足10°的方向上取中心值；以及导光元件，其具有入射面、出射面以及形成在上述入射面和出射面之间的多个导光路，上述入射面配置于上述显示面的上述反射型成像元件一侧，以使上述出射面相对于由上述反射型成像元件所规定的面成45°以上75°以下的角的方式倾斜配置，使显示于上述导光元件的上述出射面的影像成像于以上述反射型成像元件为对称面的面对称的位置。
在一种实施方式中，上述导光元件是纤维片。
在一种实施方式中，上述液晶显示面板是TN型液晶显示面板。
发明效果
根据本发明，提供一种能以高显示质量显示有浮游感影像的光学***。
附图说明
图1(a)是表示本发明的实施方式的光学***100A的构成的示意性立体图，(b)是表示光学***100A所具有的液晶显示面板20A的视角特性的等对比度线图。
图2是表示本发明的实施方式的光学***100B的构成的示意性立体图。
图3是表示本发明的实施方式的光学***所使用的反射型成像元件10的构成的图，(a)是示意性的主视图，(b)是(a)中的C部分放大后的示意性立体图。
图4表示单位成像元件13的构造和光的路径的示意性的图。
图5是用于说明现有的具有一般液晶显示面板20B的光学***200(比较例)的问题的图，(a)是表示光学***200的构成的示意性的立体图，(b)是表示光学***200所具有的一般液晶显示面板20B的视角特性的等对比度线图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明，本发明不限定于列举的实施方式。
参照图1(a)和(b)，对本发明实施方式的光学***100A的构成进行说明。图1(a)是表示光学***100A的构成的示意性立体图，图1(b)是表示光学***100A所具有的液晶显示面板20A的视角特性的等对比度线图。
图1(a)示出的光学***100A具备反射型成像元件10和配置在反射型成像元件10的光入射侧的液晶显示面板20A。反射型成像元件10例如具有如图3所示的构成，使显示在液晶显示面板20A的显示面的影像成像在以反射型成像元件10为对称面的面对称的位置。
液晶显示面板20A以显示面相对于由反射型成像元件10规定的面成45°以上75°以下的角的方式倾斜配置。这样，通过使液晶显示面板20A倾斜配置，光学***100A能显示具有浮游感的影像。
如图1(b)所示，液晶显示面板20A的对比度的视角依存性被调整为在从显示面的法线向显示面的倾斜方向倾斜10°以上的方向上取中心值。其结果就是，光学***100A可以以高显示质量显示有浮游感的影像。
图2示出本发明的其它实施方式的光学***100B的构成。
图2所示的光学***100B具备：反射型成像元件10、配置在反射型成像元件10的光入射侧的液晶显示面板20B和导光元件30。反射型成像元件10例如具有图3所示的构成，使显示在导光元件30的出射面的影像成像在以反射型成像元件10为对称面的面对称的位置。
液晶显示面板20B以使显示面相对于由反射型成像元件10规定的面(例如如图所示与水平面平行)成15°以上30°以下的角的方式倾斜配置。液晶显示面板20B与图1所示的光学***100A具有的液晶显示面板20A不同，对比度的视角依存性在显示面的法线方向或者从法线方向向显示面的倾斜方向倾斜超出0°不足10°的方向上取中心值(参见图5(b))。液晶显示面板20B是一般的透射型的TN型液晶显示面板，具有TN型的液晶单元以及隔着TN型液晶单元正交尼科尔配置的两张偏振光板。TN型液晶单元在每个像素中具有非晶硅TFT，液晶层的厚度约为5μm，利用摩擦处理过的取向膜扭曲取向90°。液晶材料为市面销售的TN用的向列液晶材料。
导光元件30例如是纤维片(也称做纤维面板)，具有入射面、出射面以及形成在入射面与出射面之间的多个导光路(未图示)。导光元件30的入射面配置在液晶显示面板20B的显示面的反射型成像元件10的一侧，以使出射面相对于由反射型成像元件10规定的面(例如如图所示与水平面平行)成45°以上75°以下的角的方式倾斜配置。这样，使影像显示在导光元件30的倾斜的出射面上，由此光学***100B能显示具有浮游感的影像。
在说明能利用实施方式的光学***100A和光学***100B显示具有浮游感的影像的原理之前，参照图3至图5说明反射型成像元件10的构成和作用以及具有反射型成像元件10和现有一般的液晶显示面板20B的比较例的光学***200的问题。
图3(a)和(b)是表示反射型成像元件10的构成的图，图3(a)是示意性的主视图，图3(b)是把图3(a)中的C部分放大的示意性立体图。反射型成像元件10记载于专利文献1。
如图3(a)所示，反射型成像元件10具有沿平板状的基板11的厚度方向贯通的多个孔12。从基板11的法线方向观察时的孔12的形状为大致矩形(大致正方形)。
如图3(b)所示，在各个孔12的内壁面形成了相互正交的两个镜面要素14a、14b，各个孔12作为单位成像元件13发挥功能。对孔12的内壁面中的其它2个面不实施镜面处理来作为不反射光的面，或者，如图4所示，对其设定角度θa(如18°)等来抑制反射。图4所示的单位成像元件13，例如，L1约为150μm、L2约为49μm(＝tan18°×150μm)、L3约为10μm、D1约为150μm、θa约为18°。
当来自被投影物的光入射到反射型成像元件10时，如图4中的箭头15所示，光通过各单位成像元件13的相互正交的镜面要素14a和14b被反射，在以反射型成像元件10为对称面的面对称的位置对被投影物的影像进行成像。
参照图5的(a)和(b)说明现有的具有一般液晶显示面板20B的光学***200(比较例)的问题。图5(a)是表示光学***200的构成的示意性的侧面图，图5(b)是表示光学***200所具有的一般液晶显示面板20B的视角特性的等对比度线图。
在图5(b)示出一般的TN型液晶显示面板20B的视角特性的等对比度线图。同心圆示出观察方向的极角(起自显示面法线的角度)。当将显示面看作时钟的表盘时，观察方向的方位角在显示面的右方向为3点钟，左方向为9点钟，上方向为12点钟，下方向为6点钟。
图5(b)中的CR1是对比度为100∶1的区域，CR2是对比度为50∶1的区域，CR3是对比度为10∶1的区域，CR4是灰度级反转区域。从该图，液晶显示面板20B的对比度的视角依存性在显示面的法线方向上取对比度的最大值，在从显示面的法线方向向6点钟方向稍微(不足10°)倾斜的方向上具有中心值。此外，在对比度为10∶1以上时，将无论使视角向哪一个方向变化对比度的变化都小的点称为中心值。液晶显示面板20B是在6点钟方向具有正视角方向的典型的TN型液晶显示面板。当视角向6点钟方向倾斜，极角为约30度以上(CR4区域)时，就会造成灰度级反转(正负反转)。
如图5(a)所示，当在P5的位置以较小的倾斜角度配置液晶显示面板20B(虚线)时，空中影像在以反射型成像元件10为对称面的面对称的位置P5′处成像。如图5(b)所示，液晶显示面板20B在显示面的法线方向上对比度取最大值。因此，如图5(a)所示，当从视点V5处观察时，在位置P5′处成像的空中影像以对比度最高的状态被观察到。
在这里，为了增强浮游感，当在P4位置使液晶显示面板20B的倾斜角度变大时(例如图1(a)的α1＝70°)，为了以对比度的最高状态观察在P4′位置成像的空中影像，需要从视点V6处进行观察。即：需要使视点从V5下降到V6来使对反射型成像元件10的角度变小。一般而言，观察者从相对于显示面垂直或者从6点钟方向稍稍倾斜的方向来观察的情况较多(液晶显示面板20B设计成具有图5(b)的视角特性也是基于这个理由。)。在光学***200中，反射型成像元件10所规定的面是离观察者最近的物理面(被视为显示面)，因此如果相对于反射型成像元件10的角度变小，观察者就会感觉观看费力。另一方面，当从视点V5的位置观察在P4′位置成像的空中影像时，由于是从向6点钟方向倾斜的视点来观察液晶显示面板20B，因此会导致发生灰度级反转(参照图5(b)中的区域CR4)。
如果反射型成像元件10与液晶显示面板20B的距离大，空中影像成像的位置P4′会从反射型成像元件10分离，因此即使同样从视点V5来看，也能使对空中影像的视角(极角)变小。然而，当使反射型成像元件10与液晶显示面板20B的距离变大时，就会存在光学***200变大的问题。另外，光路变长，因此也会存在空中影像鲜明度降低的问题。
再次参照图1(a)和(b)详细说明本发明实施方式中的光学***100A的构造以及动作。
如前所述，图1(a)所示的光学***100A具有反射型成像元件10和配置在反射型成像元件10的光入射侧的液晶显示面板20A。液晶显示面板20A以显示面相对于由反射型成像元件10所规定的面成45°以上75°以下的角的方式倾斜配置。
如图1(b)所示，液晶显示面板20A的对比度的视角依存性调整为在从显示面的法线向显示面的倾斜方向(此处为6点钟视角方向)倾斜10°以上的方向上取中心值。液晶显示面板20A的对比度的视角依存性的中心值大致处于6点钟方向的极角约为14°处。另外，在6点钟方向，对比度为50以上(区域CR2)直到极角约为36°为止。灰度级反转区域CR4在6点钟方向的极角变到60°之前是不会出现的。
如图1(a)所示，说明在配置于反射型成像元件10的光入射侧的位置P 1’处的液晶显示面板20A上显示文字A的情况。液晶显示面板20A以使显示面相对于由反射型成像元件10规定的面(图中的水平面)成70°(倾斜角α1＝70°)角的方式倾斜配置。液晶显示面板20A的配置在靠近反射型成像元件10一侧的短边侧为所显示的图像的下侧，形成在相对于反射型成像元件10的面对称的位置P 1处的空中影像以靠近反射型成像元件10的一侧为下侧。液晶显示面板20A的倾斜角α1(逆时针旋转为正)和空中影像的倾斜角γ1(顺时针旋转为正)是相等的(γ1＝α1的关系成立)，因此液晶显示面板20A的倾斜角α1越大，空中影像的倾斜角γ1就会变得越大，能够显示具有浮游感的空中影像。优选倾斜角α1为45°以上75°以下的范围。当小于45°时不能获得足够的浮游感。另一方面，当超过75°时，观察空中影像就会变得费力。
液晶显示面板20A具有图1(b)所示的视角特性，因此即使从视点V 1观察在图1(a)的位置P 1’成像的空中影像，仍能观察到对比度为10以上的(对比度接近50)的空中影像。即，从视点V 1观察空中影像与使视角向6点钟方向倾斜40°(极角θ＝40°)来观察显示于位置P 1的液晶显示面板20A的影像相对应，从图1(b)的视角特性可知，这时的对比度接近50。只要是图5(b)所示一般的TN型液晶显示面板20B，在处于灰度级反转区域CR4的视角中，液晶显示面板20A就能进行对比度10以上的显示。其结果就是，光学***100A可以以高显示质量显示有浮游感的影像。
图1(b)所示的具有视角特性的显示面板20A通过使用上述现有的液晶显示面板20B具有的一般的TN型的液晶单元，使用如下光学补偿膜(大视角膜)和透镜薄膜而得到。在以夹着TN型液晶单元的方式配置的一对偏光板(正交尼科尔配置)与TN型液晶单元之间分别配置GRP(Gradual Refraction Polarizer：渐进折射偏振片，シヤ一プ技報第85号第19-23页，2003年4月)方式的大视角膜(WVA02B：富士FILM公司制造)。而且在观察者一侧的表面上重叠有住友3M公司制造的透镜薄膜(IDFII20)。这里，大视角膜使用倾斜角度为21.4°、相位差为103nm的大视角膜WVA02B，使出射光的顶峰从显示面的法线方向倾斜约20°的透镜薄膜(IDFII20)，由此得到图1(b)所示的视角特性。
优选从液晶显示面板20A出射的显示光的配光分布调整为在从显示面的法线向显示面的倾斜方向倾斜以10°以上的方向上(即，视角特性的中心值附近)取最大值。液晶显示面板20A是透射型液晶显示面板，因此能通过调整背光源的配光来得到上述配光分布。背光源具有冷阴极荧光灯管和各种光学镜片，背光源的配光分布能使用公知的光学镜片，例如住友3M公司制造的透镜薄膜(IDFII20)进行调整。
液晶显示面板20A优选上述TN型液晶显示面板。虽然也能使用如VA(Vertical Alignment：垂直取向)型液晶显示面板、IPS(In-PlaneSwitching：平面转换)型液晶显示面板那样具有大视角的液晶显示面板，但与TN型相比价格昂贵。另外，从上述说明可知，不是对液晶显示面板20A要求大的视角特性，只要在特定方向上显示质量(如对比度)高即可。在使用VA型、IPS型等大视角型液晶显示面板的情况下，不如优选例如改为使用指向性高的背光源等，使得必要的视角以外的显示光不会成为漫射光。
下面详细说明图2所示的本发明其它实施方式的光学***100B的构造以及动作。
如上所述，图2所示的光学***100B具有反射型成像元件10、配置在反射型成像元件10的光入射侧的液晶显示面板20B以及导光元件30。液晶显示面板20B以使显示面相对于由反射型成像元件10规定的面(例如如图所示与水平面平行)成15°以上30°以下的角的方式倾斜配置。
液晶显示面板20B能使用一般的TN型液晶显示面板。如图5(b)所示，液晶显示面板20B的对比度的视角依存性在显示面的法线方向或者从法线方向向显示面的倾斜方向超过0°不足10°(图示的例中为约5°)的方向上取中心值。导光元件30例如为纤维片，导光元件30的入射面配置在液晶显示面板20B的显示面的反射型成像元件10侧，以使出射面相对于由反射型成像元件10规定的面成45°以上75°以下的角的方式倾斜配置。导光元件30的入射面与出射面所成的角例如为15°以上70°以下。
如图2所示，说明配置在反射型成像元件10的光入射侧位置P2的液晶显示面板20B上显示文字A的情况。图2中的一方虚线表示液晶显示面板20B的显示面的法线方向，另一方虚线表示导光元件30的出射面的法线方向。纤维片30具有与显示面的法线方向平行排列的多个纤维，沿其方向导光。
液晶显示面板20B以使显示面相对于由反射型成像元件10规定的面(图中的水平面)成30°(倾斜角α2＝30°)角的方式倾斜配置。导光元件30的入射面配置在液晶显示面板20B的显示面的反射型成像元件10侧，以使出射面相对于由反射型成像元件10规定的面成70°角的方式倾斜配置。导光元件30的入射面与出射面所成的角度β为40°。
在配置于位置P2的液晶显示面板20B上显示文字A。液晶显示面板20B的配置在靠近反射型成像元件10一侧的短边侧为所显示的图像的下侧。在导光元件30的反射型成像元件10一侧的面(出射面)的位置P3显示文字A。在相对于反射型成像元件10的面对称的位置P3’处形成的空中影像以靠近反射型成像元件10的一侧为下侧。液晶显示面板20B的倾斜角α2(逆时针旋转为正)和导光元件30的入射面与出射面所成的角β(逆时针旋转为正)之和等于空中影像的倾斜角γ2(顺时针旋转为正)(γ2＝α2+β的关系成立)，因此液晶显示面板20B的倾斜角α2以及由导光元件30的入射面与出射面所形成的角β越大，空中影像的倾斜角γ2就会变得越大，能够显示具有浮游感的空中影像。
优选倾斜角α2+β处于45°以上75°以下的范围。如果小于45°就不能获得足够的浮游感。另一方面，如果超过75°，观察空中影像就会变得费力。α2和β的和满足上述范围，优选α2为15°以上30°以下的角度。当α2超过30°时，显示质量会下降。
这里，考虑在图2所示的光学***100B中不具有纤维片30的情况。
在不具有纤维片30的情况下，当从视点V4观察空中影像时，观察者就会从液晶显示面板20B的显示面的法线方向来观察液晶显示面板20B。如图5(b)所示，液晶显示面板20B具有中心附近(区域CR1)的对比度较高的视角特性，因此观察者能观察到对比度较高的空中影像。但是，当倾斜角α2小至30°时，空中影像就会缺乏浮游感。
因此，使液晶显示面板20B的倾斜角α2为70°。即，在图2中，使液晶显示面板20B多余地倾斜40°(α2＝30°+40°)，以使液晶显示面板20B的显示面位于纤维片30的出射面侧的表面。这样，与液晶显示面板20B的显示面的法线方向对应的视点，即能以图5(b)中的中心附近(区域CR1)的对比度观察到空中影像的视点是比V4低40°的视点V3。当从视点V3观察该空中影像时，就会在图5(b)的视角特性中成为从使视角自中心向6点钟方向倾斜40°的视角进行观察，因此会成为从接近发生灰度级反转的区域CR4的视角来进行观察，就会看得非常费力。
而如本发明提出的实施方式的光学***100B那样，当设置β＝40°的纤维片30，在纤维片30的出射面上以向液晶显示面板20B的显示面的法线方向出射的光来形成影像。因此，该影像虽然会受到纤维片30的若干影响，但是会接近图5(b)中的中心附近(区域CR1)的对比度，具有高的对比度。
这样，通过使用导光元件30(β＝40°)，使用在显示面的法线方向或者从法线方向向显示面的倾斜方向倾斜超过0°不足10°的方向上取中心值的以往的TN型的液晶显示面板20B，可以以高显示质量显示具有浮游感的影像。
导光元件30除了纤维片以外，也可以是棱镜等透镜片，优选具有能分辨显示于液晶显示面板20B上的图像的性能。例如，能使用纤维直径为6μm、分辨率为1021p/mm(lines pare/mm)的纤维片。此外，为了抑制内部反射，优选液晶显示面板20B和导光元件30由具有与液晶显示面板20B和导光元件30的折射率相近的折射率的粘接材料进行粘合。
通过这种对具有一般视角特性的液晶显示面板20B(最佳视角相对于显示面处于法线方向上)使用了纤维片等导光元件30的光学***100，可以以高显示质量显示具有浮游感的影像。
在上述实施方式中，空中影像所具有的倾斜只是一维方向的倾斜，但是不局限于此，也可以进行二维或者三维的倾斜。无论哪种情况，从所期望的任意空中影像的显示状态来寻求显示面板所要求的最佳视角特性，使用最佳的显示面板，由此能提高空中影像的显示质量。
产业上的可利用性
本发明可广泛应用于具有能使被投影物的像成像于空间的反射型成像元件和液晶显示面板的光学***。
附图标记说明
10：反射型成像元件
11.：基板
12：成像元件的孔
13：单位成像元件
14a、14b：单位成像元件的镜面要素
20A、20B：液晶显示面板
30：导光元件(纤维片)
100A、100B、200：光学***

Claims (6)

1.一种光学***，
具备：
反射型成像元件；和
液晶显示面板，其配置在上述反射型成像元件的光入射侧，
使显示于上述液晶显示面板的显示面的影像成像于以上述反射型成像元件为对称面的面对称位置，
上述光学***的特征在于，
上述液晶显示面板以使上述显示面相对于由上述反射型成像元件规定的面成45°以上75°以下的角的方式倾斜配置，对比度的视角依存性在从上述显示面的法线向上述显示面的倾斜方向倾斜10°以上的方向上取中心值。
2.根据权利要求1所述的光学***，
从上述液晶显示面板出射的显示光的配光分布在从上述显示面的法线向上述显示面的倾斜方向倾斜10°以上的方向上取最大值。
3.根据权利要求1或者权利要求2所述的光学***，
上述液晶显示面板是TN型液晶显示面板。
4.一种光学***，
具备：
反射型成像元件；
液晶显示面板，其配置在上述反射型成像元件的光入射侧，
上述光学***的特征在于，
上述液晶显示面板以使显示面相对于由上述反射型成像元件规定的面成15°以上45°以下的角的方式倾斜配置，对比度的视角依存性在上述显示面的法线方向或者从上述法线方向向上述显示面的倾斜方向倾斜超过0°不足10°的方向上取中心值，
上述光学***还具备：导光元件，其具有入射面、出射面以及形成在上述入射面和上述出射面之间的多个导光路，上述入射面配置在上述显示面的上述反射型成像元件一侧，以使上述出射面相对于由上述反射型成像元件规定的面成45°以上75°以下的角度的方式倾斜配置，
使显示于上述导光元件的上述出射面的影像成像于以上述反射型成像元件为对称面的面对称位置。
5.根据权利要求4所述的光学***，
上述导光元件是纤维片。
6.根据权利要求4或者权利要求5所述的光学***，
上述液晶显示面板是TN型液晶显示面板。
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