TWI797633B - 空中顯示裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供確保空中像的顯示品質的空中顯示裝置。本發明的實施形態的空中顯示裝置係具備：顯示單元(20)，係具有顯示圖像的顯示面，從顯示面射出顯示光；及鏡子裝置，係相對於顯示單元(20)的顯示面傾斜地配置，將從顯示單元(20)射出的顯示光反射，在與顯示單元(20)為面對稱的位置成像空中像；顯示光的配光分布係以顯示面的法線方向為0度而為比-35.0度大、未達+35.0度。

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。空中顯示裝置係例如使用由雙面角反射器(dihedral corner reflector)排列成陣列(array)狀而成的雙面角反射器陣列，將從顯示元件的顯示面射出的光反射，於空中成像實像。藉由雙面角反射器陣列進行的顯示方法沒有像差，實像(以下，稱為空中像)顯示在面對稱的位置。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開2017-67933號公報
本發明係提供確保空中像的顯示品質的空中顯示裝置。
本發明的實施形態的空中顯示裝置係具備：顯示單元(unit)，係具有顯示圖像的顯示面，從前 述顯示面射出顯示光；及鏡子裝置(mirror device)，係相對於前述顯示單元的前述顯示面傾斜地配置，將從前述顯示單元射出的前述顯示光反射，在與前述顯示單元為面對稱的位置成像空中像；前述顯示光的配光分布係以前述顯示面的法線方向為0度而為比-35.0度大且未達+35.0度。
依據本發明，能夠提供確保空中像的顯示品質的空中顯示裝置。
1:空中顯示裝置
10:鏡子裝置
11:基材
12:光學要素
12A:反射面
12B:反射面
20:顯示單元，顯示元件
21:基板
22:發光元件，光源
23:第1透鏡
24:第2透鏡
25:顯示元件
26:光控制元件
30:實像(空中像)
31:鬼影
90:觀察者
D1:成像位置
D2:觀察位置
L3:光源
圖1係概略性顯示空中顯示裝置的一構成例之圖。
圖2係概略性顯示圖1中所示之鏡子裝置的一構成例之圖。
圖3係說明實施形態的空中顯示裝置1的原理之用的示意圖。
圖4係說明在圖2所示之鏡子裝置的1個光學要素反射兩次的光的樣子的一例之示意圖。
圖5係顯示從z方向觀看圖4所示之光學要素時所觀察到的光路之圖。
圖6係顯示從y方向觀看圖4所示之光學要素時所觀察到的光路之圖。
圖7係顯示從x方向觀看圖4所示之光學要素時所觀察到的光路之圖。
圖8係說明藉由空中顯示裝置而顯示的鬼影之示意 圖。
圖9係說明在圖8所示之鏡子裝置的1個光學要素反射一次的光的樣子之示意圖。
圖10係說明從z方向觀看圖9所示之光學要素時所觀察到的光路之圖。
圖11係說明從y方向觀看圖9所示之光學要素時所觀察到的光路之圖。
圖12係說明從x方向觀看圖9所示之光學要素時所觀察到的光路之圖。
圖13係說明對空中顯示裝置中顯示鬼影的原因進行解析的模擬(simulation)條件的一例之用之圖。
圖14係顯示在圖13中所示之成像位置的觀察像與模擬值的一例之圖。
圖15係顯示圖13所示之觀察的觀察像與模擬值的一例之圖。
圖16係顯示改變光源的配光分布時在觀察位置的模擬值的一例之圖。
圖17係顯示改變光源的配光分布時在觀察位置的模擬值的其他例之圖。
圖18係概略性顯示本實施形態的空中顯示裝置的顯示單元的一構成例之圖。
圖19係概略性顯示實施形態的空中顯示裝置的顯示單元的一構成例之圖。
圖20係說明實施形態的空中顯示裝置的效果的一例之用之圖。
圖21係說明實施形態的空中顯示裝置的效果的一例之用之圖。
[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，各圖式的尺寸及比率等未必與實際相同。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率不同的時候。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，僅在需要時才重複說明。
[1]第1實施形態 [1-1]空中顯示裝置的原理
空中顯示裝置乃係例如利用雙面角反射器等空中成像元件(鏡子裝置)使從液晶顯示器等顯示單元的顯示面射出的光成像於空間中。
圖1係概略性顯示空中顯示裝置的一構成例之圖。
空中顯示裝置1係含有顯示單元20及鏡子裝置10。空中顯示裝置1係亦可具備顯示驅動部(未圖示)、電壓供給電路(未圖示)、及控制電路(未圖示)，亦可藉由設 在外部的上述各構成進行驅動及控制。
鏡子裝置10的主面係相對於x-y平面(顯示於圖2)平行地並置。顯示單元20的顯示面係以相對於x-y平面成例如45度的角度θ的方式配置。換言之，鏡子裝置10的主面係相對於顯示單元20的顯示面，例如以45度傾斜地配置。亦即，顯示單元20的顯示面與鏡子裝置10的主面所形成之角度θ係例如為45度。另外，角度θ並不限定為45度，能夠在30度以上60度以下的範圍設定。
從顯示單元20射出的光係藉由鏡子裝置10反射。藉由鏡子裝置10反射的光係在鏡子裝置10與觀察者90之間的空中成像實像(空中像)30。空中像30係成像在相對於鏡子裝置10為顯示單元20的面對稱的位置。
顯示單元20係具有未圖示的光源及顯示元件。從光源射出的光係藉由光學系統，以使配光分布形成為預定的範圍的方式控制，朝顯示元件射出。在顯示元件係讓射入的光穿透，並且將表示所期望之資訊的圖像或動畫等顯示。亦即，顯示元件係利用從光源射出的光，而射出將圖像或動畫等以空中像的形式顯示之用的光(以下，稱為顯示光)。顯示單元20的顯示面乃係顯示光射出之側的面，在本實施形態的空中顯示裝置1中乃係與鏡子裝置10相對向之側的面。
關於本實施形態的空中顯示裝置1所適用的顯示單元20的構成，於後文中說明。
顯示驅動部係驅動顯示單元20的顯示元件，使圖像或動畫等顯示於顯示元件。
電壓供給電路係產生令顯示單元20的光源部與顯示驅動部動作所需的電壓，將該等電壓供給至光源部與顯示驅動部。
控制電路係控制空中顯示裝置1全體的動作。亦即，控制電路係控制顯示單元20的光源部、顯示驅動部及電壓供給電路，令空中像30顯示在鏡子裝置10與觀察者90之間的顯示位置。
圖2係概略性顯示圖1中所示之鏡子裝置的一構成例之圖。
此處係顯示鏡子裝置10的立體圖。
鏡子裝置10係具備平面狀的基材11、及設在基材11上的複數個光學要素12。複數個光學要素12係以沿相互正交的x方向及y方向擴散的方式排列成例如矩陣(matrix)狀。複數個光學要素12各者係具有配置成為直角的兩個反射面。光學要素12係由立方體或長方體構成。基材11及光學要素12係以透明的樹脂構成。
另外，在圖2中雖例示36(=6×6)個光學要素12，但實際上係可排列更多的光學要素12。光學要素12的數目及尺寸(size)係能夠相應於空中顯示裝置1的規格而任意設定。此外，2個光學要素12的間隔係能夠相應於空中顯示裝置的規格而任意設定。
圖3係說明實施形態的空中顯示裝置1的原理之用的示意圖。
空中顯示裝置1係具備在顯示面顯示圖像的顯示單元20、及鏡子裝置10。在圖3中係為了使圖式容易理解，將鏡子裝置10中的基材11的圖示省略，僅將複數個光學要素12抽出來顯示。複數個光學要素12係沿x-y平面排列。z方向乃係光學要素12的高度方向。
從顯示元件20射出的光(顯示光)係在複數個光學要素12各者的兩個側面反射。在圖3中係將在畫有影線(hatching)的光學要素12反射的光的光路抽出來顯示。從顯示元件20射出的光係在相對於鏡子裝置10為與顯示元件20為面對稱的位置成像，在該位置成像空中像30。觀察者係能夠視認該空中像。
圖4係說明在圖2所示之鏡子裝置的1個光學要素反射兩次的光的樣子的一例之示意圖。
圖5係顯示從z方向觀看圖4所示之光學要素時所觀察到的光路之圖。
圖6係顯示從y方向觀看圖4所示之光學要素時所觀察到的光路之圖。
圖7係顯示從x方向觀看圖4所示之光學要素時所觀察到的光路之圖。
從光學要素12的底面射入的光係在第1側面反射，在與第1側面成直角的第2側面又反射，從上表面射出。
另外，射入光學要素12的任意的側面的光係並非全部的光成分都會在該側面反射，而是分成反射成分與穿透成分。所謂的反射成分，乃係在該側面以與入射角 相應的反射角反射的光的成分，所謂的穿透成分，乃係直接直線穿透該側面的光的成分。
另外，亦可為，從Z方向觀察鏡子裝置10時，1個光學要素12係由在x方向及y方向具有對角的頂點的立方體或長方體構成，複數個光學要素12係沿x方向及y方向排列。換言之，亦可為，圖2至圖7中所示的複數個光學要素12各者係配置在相對於x方向轉45度的位置。此時，各光學要素12的反射面12A、12B係以相對於x方向具有角度45度的狀態配置。另外，x方向及y方向乃係與鏡子裝置10的基材11的主面的端邊大致平行的方向。
(關於鬼影)
接著，針對因為從顯示元件20射出的光射入鏡子裝置10後在預期外的位置成像而產生的鬼影進行說明。所謂的鬼影，乃係顯現在空中像30附近之雙重圖像。
圖8係說明藉由空中顯示裝置而顯示的鬼影之示意圖。
鬼影31乃係藉由僅被鏡子裝置10反射一次的光(亦即，未被反射兩次的光)而成像的圖像。鬼影31係成像在相對於鏡子裝置10非與顯示元件20為面對稱的位置。
圖9係說明在圖8所示之鏡子裝置的1個光學要素反射一次的光的樣子之示意圖。
圖10係說明從z方向觀看圖9所示之光學要素時所觀察到的光路之圖。
圖11係說明從y方向觀看圖9所示之光學要素時所觀察到的光路之圖。
圖12係說明從x方向觀看圖9所示之光學要素時所觀察到的光路之圖。
從光學要素12的底面射入的光係在第1側面反射，穿透與第1側面成直角的第2側面。以此路徑行進的光係在相對於鏡子裝置10非與顯示元件20為面對稱的位置成像，使鬼影31顯示。
本專利申請案發明人係進行對上述鬼影31顯示的原因進行解析之用的模擬，提出沒有顯示鬼影31的空中顯示裝置1。
圖13係說明對空中顯示裝置中顯示鬼影的原因進行解析的模擬條件的一例之用之圖。
在模擬中，係以從1個或複數個點光源LS射出的光作為顯示光，解析在鏡子裝置10反射的顯示光在成像位置D1及觀察位置D2觀察到什麼。成像位置D1乃係在鏡子裝置10反射兩次的顯示光成像的位置。觀察位置D2乃係觀察者觀察在鏡子裝置10反射而成像在成像位置D1的空中像的位置，對進行模擬人眼的視網膜投影近似而得的模擬值進行解析。
圖14係顯示在圖13中所示之成像位置的觀察像與模擬值的一例之圖。
圖15係顯示圖13所示之觀察的觀察像與模擬值的 一例之圖。
在成像位置D1，係在觀察像與模擬值雙方，觀察到來自點光源LS的顯示光成像的樣子。此外，在觀察位置D2，係在觀察像與模擬值雙方，觀察到來自點光源LS的顯示光成像的樣子，同時也觀察到鬼影產生的樣子。從上述結果可知，藉由該模擬值可獲得與觀察像對應的結果。
圖16係顯示改變光源的配光分布時在觀察位置的模擬值的一例之圖。
此處，針對光源L3的配光分布的範圍為±10度、±20度、±30度、±40度、±50度、±60度、±70度、±80度、±90度各者時，顯示在觀察位置D2的模擬值。另外，光從光源L3射出的0度的方向(光的輸出比成為最大的方向)乃係相對於鏡子裝置10的主面成角度θ(例如45度)的方向。
參照模擬結果，當光源L3的配光分布的範圍變大，模擬結果便有鬼影31產生的傾向。此外，得到如下述的結果，即，在光源L3的配光分布為±30度時，模擬結果沒有鬼影31產生，而在光源L3的配光分布的範圍為±40度時，模擬結果有鬼影31產生。
有鑒於此，進一步進行針對光源L3的配光分布的範圍為±30.0度、±32.5度、±35.0度、±37.5度、±40.0度各者時，在觀察位置D2視認到的顯示光的模擬。
圖17係顯示改變光源的配光分布時在觀 察位置的模擬值的其他例之圖。
參照該模擬結果，得到如下述的結果，即，當光源L3的配光分布的範圍為±35.0度時，模擬結果開始有鬼影31產生，在光源L3的配光分布的範圍為±37.5度及±40.0度時，模擬結果有鬼影31產生。
從上述的模擬結果可知，光源L3的配光分布的範圍超過相對於法線方向(0度)±35.0度之範圍時的光使鬼影像產生。因此，相信藉由使從顯示單元20射出的顯示光的配光分布的範圍落在相對於法線方向±35.0度(設成為比-35.0度大、未達+35.0度)，能夠抑制鬼影31的產生。
圖18係概略性顯示本實施形態的空中顯示裝置的顯示單元的一構成例之圖。
本實施形態的空中顯示裝置1的顯示單元20係根據上述的模擬結果，以使射出的光的配光分布的範圍成為相對於法線方向(正交於顯示面的方向)±35.0度內(設成為比-35.0度大、未達+35.0度)的方式構成。
顯示單元20係具備基板21、發光元件22、第1透鏡(lens)23、第2透鏡24、顯示元件25、及光控制元件26。
基板21乃係支持發光元件22及第1透鏡23的板狀的構件。
發光元件22係配置在基板21上，以使輸出比針對基板21的主面的法線方向成為最大的方式射出光。發光元件22係例如具備1個或複數個發光二極 體(diode)。發光二極體係例如發出白色的光。
第1透鏡23係配置在發光元件22上。第1透鏡23係例如為藉由光學玻璃(glass)形成的平凸透鏡，以使第1透鏡23的平面側與發光元件22相對向的方式，與發光元件22隔著預定的間隔配置。另外，第1透鏡23係只要至少配置在從發光元件22射出的光射入的位置即可，只要為至少配置在發光元件22及其周圍的區域上之大小即可。
第2透鏡24係配置在第1透鏡23上。第2透鏡24係例如為藉由樹脂材料形成的平凸透鏡的菲涅耳透鏡(Fresnel lens)，以使第2透鏡24的平面側與第1透鏡23的凸面相對向的方式，與第1透鏡23隔著預定的間隔配置。另外，第2透鏡24的長邊及短邊的長度乃係與顯示單元20的顯示面為相同程度之大小，為至少比第1透鏡23大型的透鏡。
顯示元件25係例如為液晶顯示元件。就液晶模式(mode)而言，例如能夠適用垂直配向(VA)模式。另外，顯示元件25並不限定為VA模式的液晶顯示元件，亦可為TN(扭轉向列)模式和均質(homogeneous)模式的液晶顯示元件。
光控制元件26係配置在顯示元件25上。光控制元件26係例如具備透明區域與遮光區域。光控制元件26的透明區域與遮光區域係在與顯示單元20的顯示面大致平行的平面，與光控制元件26的長邊方向或短邊方向大致平行地延伸，以條(strip)狀交替排列而 配置。另外，光控制元件26的透明區域的短邊方向的長度係比遮光區域的短邊方向的長度大。
圖19係概略性顯示實施形態的空中顯示裝置的顯示單元的一構成例之圖。
此處係顯示從顯示單元20射出的顯示光的配光分布的範圍成為相對於顯示面的法線方向比-35.0度大、未達+35.0度之範圍時的光源22、第1透鏡23及第2透鏡24的構成之一例。
光源22係含有1個或複數個發光二極體，以使輸出比在顯示單元20的顯示面的法線方向成為最大的方式射出光。
第1透鏡23係隔著0.7mm的間隔配置在光源22上。第1透鏡23係例如為藉由屬於光學玻璃的BK7形成的平凸透鏡，以使平面側與光源22相對向的方式配置。第1透鏡23的厚度(面間隔：透鏡中心的光軸方向的厚度)為1.2mm，第1透鏡23的凸面的曲率半徑為14.0mm。
第2透鏡24係隔著36.0mm的間隔配置在第1透鏡23上。第2透鏡24係例如為藉由丙烯酸樹脂(acrylic resin)形成的平凸透鏡的菲涅耳透鏡，以使平面側與第1透鏡23的凸面相對向的方式配置。第2透鏡24的厚度(面間隔：透鏡中心的光軸方向的厚度)為2.0mm，第2透鏡24的凸面的曲率半徑為18.5mm。
另外，光源22、第1透鏡23及第2透鏡24並不限定為上述的材料和設計，只要能夠實現相同的作用就能 夠適用。
藉由如上述構成顯示單元20，能夠將從顯示單元20射出的顯示光的配光分布的範圍設成為相對於法線方向(0度)±35.0度之範圍內(將配光分布設成為比-35.0度大、未達+35.0度)。
接著，針對本實施形態的空中顯示裝置的效果進行說明。
圖20及圖21係說明實施形態的空中顯示裝置的效果的一例之用之圖。
此處係顯示顯示單元20的配光分布、及藉由含有顯示單元20的空中顯示裝置1形成的觀察像的一例。
依據圖20，將空中顯示裝置1的顯示單元20的配光分布設成為比-35.0度大、未達+35.0度之範圍時，觀察像沒有鬼影產生。另一方面，在圖21中係顯示藉由使用配光分布的範圍比±80度大的顯示單元的空中顯示裝置形成的觀察像的一例。在該例中係令跟圖20時相同的圖像顯示在顯示單元，但觀察像產生了鬼影。
如上述所述，依據將顯示單元20的配光分布設成為比-35.0度大、未達+35.0度之範圍的本實施形態的空中顯示裝置1，成功抑制了鬼影的產生。亦即，依據本實施形態的空中顯示裝置1，能夠提供確保空中像的顯示品質的空中顯示裝置。
另外，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幾個構成要件，也能夠解決課題、獲得效果的情況時，係能將刪除該等構成要件後的構成抽出作為發明。
1:空中顯示裝置
10:鏡子裝置
20:顯示單元
30:實像(空中像)
90:觀察者

Claims (4)

  1. 一種空中顯示裝置，係具備：顯示單元，係具有顯示圖像的顯示面，從前述顯示面射出顯示光；及鏡子裝置，係相對於前述顯示單元的前述顯示面傾斜地配置，將從前述顯示單元射出的前述顯示光反射，在與前述顯示單元為面對稱的位置成像空中像；前述顯示單元係具備：光源；第1透鏡，係隔著預定的間隔配置在前述光源上；第2透鏡，係隔著預定的間隔配置在前述第1透鏡上；顯示元件，係配置在前述第2透鏡上；及光控制元件，係配置在前述顯示元件上，具備有彼此交替排列而配置的複數個透明區域及複數個遮光區域；前述光源係以輸出比相對於前述顯示面的法線方向成為最大的方式射出光；前述第1透鏡乃係以使平面側與前述光源相對向的方式配置的平凸透鏡；前述第2透鏡乃係以使平面側與前述第1透鏡相對向的方式配置的菲涅耳透鏡，長邊及短邊的寬度係與前述顯示單元的顯示面大致相等，前述第1透鏡及前述第2透鏡之前述平面的法線係與前述顯示面的法線大致平行， 前述顯示光的配光分布係以前述顯示面的法線方向為0度而為比-35.0度大、未達+35.0度。
  2. 如請求項1之空中顯示裝置，其中前述鏡子裝置係具有分別含有配置成為直角的兩個反射面的複數個光學要素。
  3. 如請求項2之空中顯示裝置，其中前述複數個光學要素各者係由立方體或長方體構成。
  4. 如請求項1至3中任一項之空中顯示裝置，其中前述鏡子裝置的主面與前述顯示單元的前述顯示面所形成之角度為45度。
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