JP7845127B2 - aerial display device - Google Patents
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Description
本発明は、空中表示装置に関する。 This invention relates to an aerial display device.
画像や動画などを空中像として表示可能な空中表示装置が研究され、新しいヒューマン・マシン・インターフェースとして期待されている。空中表示装置は、例えば、2面コーナーリフレクタがアレイ状に配列された2面コーナーリフレクタアレイを備え、表示素子の表示面から出射される光を反射し、空中に実像を結像する。2面コーナーリフレクタアレイによる表示方法は、収差が無く、面対称位置に実像(空中像)を表示することができる。 Aerial display devices capable of displaying images and videos as aerial images are being researched and are expected to be a new human-machine interface. For example, an aerial display device might include a two-sided corner reflector array, where two-sided corner reflectors are arranged in an array. This reflects light emitted from the display surface of the display element, forming a real image in mid-air. The display method using a two-sided corner reflector array is aberration-free and allows for the display of a real image (aerial image) in a plane-symmetrical position.
特許文献1は、透明平板の表面から突出した透明な四角柱を2面コーナーリフレクタとして使用し、複数の四角柱を平面上にアレイ状に配置した光学素子を開示している。また、特許文献2は、第1及び第2光制御パネルの各々を、透明平板の内部に垂直に複数の平面光反射部を並べて形成し、第1及び第2光制御パネルを、互いの平面光反射部が直交するように配置した光学素子を開示している。特許文献1、2の光学素子は、表示素子から出射された光を直交する反射面で2回反射させ、空中像を生成している。 Patent Document 1 discloses an optical element in which a transparent rectangular prism protruding from the surface of a transparent flat plate is used as a two-sided corner reflector, and multiple rectangular prisms are arranged in an array on a plane. Patent Document 2 discloses an optical element in which each of the first and second light control panels is formed by arranging multiple planar light reflecting sections perpendicularly inside a transparent flat plate, and the first and second light control panels are arranged so that their planar light reflecting sections are orthogonal to each other. The optical elements in Patent Documents 1 and 2 generate an aerial image by reflecting light emitted from a display element twice using orthogonal reflective surfaces.
特許文献1、2の光学素子を利用した表示装置は、光学素子の斜方向から観察することで空中像を認識できるものであり、光学素子の法線方向からの観察では良好な空中像を認識することは難しい。 The display devices using optical elements described in Patent Documents 1 and 2 can recognize an aerial image by observing the optical element from an oblique direction; however, it is difficult to recognize a good aerial image by observing it from the direction normal to the optical element.
本発明は、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。 This invention provides an aerial display device capable of improving display quality.
本発明の第1態様によると、画像を表示する表示素子と、前記表示素子からの光を受けるように配置され、交互に配置された複数の第1領域及び複数の第2領域を有し、前記複数の第1領域は、前記表示素子からの光を、前記表示素子と反対側に反射し、空中に空中像を結像するように構成され、前記複数の第2領域は、前記表示素子からの光を透過する、光学素子と、前記光学素子からの光を受けるように配置され、第1表示モードにおいて、前記複数の第2領域を遮光し、第2表示モードにおいて、前記複数の第1領域を遮光する切替素子とを具備する空中表示装置が提供される。 According to a first aspect of the present invention, an aerial display device is provided, comprising: a display element for displaying an image; a plurality of alternately arranged first regions and a plurality of second regions positioned to receive light from the display element; the plurality of first regions being configured to reflect light from the display element to the opposite side, thereby forming an aerial image in the air; and the plurality of second regions comprising optical elements that transmit light from the display element, and switching elements positioned to receive light from the optical elements, which in a first display mode shield the plurality of second regions and in a second display mode shield the plurality of first regions.
本発明の第2態様によると、前記光学素子は、平面状の基材と、前記基材の下に設けられ、それぞれが第1方向に延び、前記第1方向に直交する第2方向に並び、前記複数の第1領域にそれぞれ設けられた複数の光学要素とを含み、前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射面及び反射面を有し、前記光学素子の前記複数の第2領域はそれぞれ、複数の平面で構成される、第1態様に係る空中表示装置が提供される。 According to a second aspect of the present invention, the optical element includes a planar substrate and a plurality of optical elements provided beneath the substrate, each extending in a first direction and arranged in a second direction perpendicular to the first direction, and each provided in a plurality of first regions, wherein each of the plurality of optical elements is inclined with respect to the normal direction of the substrate and has an incident surface and a reflective surface that are in contact with each other, and each of the plurality of second regions of the optical element is composed of a plurality of planes, thereby providing an aerial display device according to the first aspect.
本発明の第3態様によると、前記切替素子は、前記第1方向に延び、前記第2方向に交互に並んだ複数の第1要素画素及び複数の第2要素画素を有し、前記複数の第1要素画素はそれぞれ、前記複数の第1領域に設けられ、前記複数の第2要素画素はそれぞれ、前記複数の第2領域に設けられ、前記複数の第1要素画素及び前記複数の第2要素画素の各々は、透過状態と遮光状態とに設定可能である、第2態様に係る空中表示装置が提供される。 According to a third aspect of the present invention, an aerial display device according to the second aspect is provided, wherein the switching element has a plurality of first element pixels and a plurality of second element pixels extending in the first direction and arranged alternately in the second direction, each of the plurality of first element pixels provided in the plurality of first regions, each of the plurality of second element pixels provided in the plurality of second regions, and each of the plurality of first element pixels and the plurality of second element pixels can be set to a transparent state and a light-shielding state.
本発明の第4態様によると、前記複数の第1要素画素及び前記複数の第2要素画素の各々は、前記第1方向に並んだ複数の画素を有し、前記複数の画素は、透過状態と遮光状態とに設定可能である、第3態様に係る空中表示装置が提供される。 According to a fourth aspect of the present invention, an aerial display device according to the third aspect is provided, wherein each of the plurality of first element pixels and the plurality of second element pixels has a plurality of pixels arranged in the first direction, and the plurality of pixels can be set to a transparent state and a light-shielding state.
本発明の第5態様によると、前記光学素子は、前記反射面に設けられ、光を反射する反射層と、前記反射層上に設けられ、光を吸収する吸収層とを含む、第2態様に係る空中表示装置が提供される。 According to a fifth aspect of the present invention, an aerial display device according to the second aspect is provided, wherein the optical element includes a reflective layer provided on the reflective surface that reflects light, and an absorbing layer provided on the reflective layer that absorbs light.
本発明の第6態様によると、前記表示素子と前記光学素子との間に配置され、前記表示素子からの光のうち斜め方向の光成分を透過する配向制御素子をさらに具備する、第1態様に係る空中表示装置が提供される。 According to a sixth aspect of the present invention, an aerial display device according to the first aspect is provided, further comprising an orientation control element disposed between the display element and the optical element, which transmits the oblique light component of the light from the display element.
本発明の第7態様によると、前記配向制御素子は、交互に配置された複数の透明部材及び複数の遮光部材を含み、前記複数の遮光部材は、前記配向制御素子の法線に対して傾いている、第6態様に係る空中表示装置が提供される。 According to a seventh aspect of the present invention, an aerial display device according to the sixth aspect is provided, wherein the orientation control element includes a plurality of alternately arranged transparent members and a plurality of light-shielding members, and the plurality of light-shielding members are inclined with respect to the normal of the orientation control element.
本発明の第8態様によると、前記配向制御素子と前記光学素子との間に配置された光拡散素子をさらに具備し、前記光拡散素子は、前記第1表示モードにおいて、光を透過する透過状態に設定され、前記第2表示モードにおいて、光を拡散する拡散状態に設定される、第6態様に係る空中表示装置が提供される。 According to an eighth aspect of the present invention, an aerial display device according to the sixth aspect is provided, further comprising a light-diffusing element disposed between the orientation control element and the optical element, wherein the light-diffusing element is set to a light-transmitting state in the first display mode and to a light-diffusing state in the second display mode.
本発明の第9態様によると、前記表示素子、前記光学素子、及び前記切替素子は、互いに平行に配置される、第1態様に係る空中表示装置が提供される。 According to a ninth aspect of the present invention, an aerial display device according to the first aspect is provided, wherein the display element, the optical element, and the switching element are arranged parallel to each other.
本発明の第10態様によると、光を発光する照明素子をさらに具備し、前記表示素子は、前記照明素子からの光を受けるように配置され、液晶表示素子で構成される、第1態様に係る空中表示装置が提供される。 According to a tenth aspect of the present invention, an aerial display device according to the first aspect is provided, further comprising an illumination element that emits light, wherein the display element is arranged to receive light from the illumination element and is composed of a liquid crystal display element.
本発明によれば、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。 According to the present invention, it is possible to provide an aerial display device capable of improving display quality.
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、重複する説明は省略する。 The embodiments will be described below with reference to the drawings. However, the drawings are schematic or conceptual, and the dimensions and proportions shown in each drawing are not necessarily identical to those of actual objects. Furthermore, even when the same part is represented between different drawings, the relationships between dimensions and proportions may differ. In particular, the embodiments shown below are illustrative examples of devices and methods for realizing the technical concept of the present invention, and the technical concept of the present invention is not defined by the shape, structure, arrangement, etc., of the components. In the following description, elements having the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted.
[1] 第1実施形態
[1-1] 空中表示装置1の構成
図1は、本発明の第1実施形態に係る空中表示装置1の斜視図である。図1において、X方向は、空中表示装置1のある1辺に沿った方向であり、Y方向は、水平面内においてX方向に直交する方向であり、Z方向は、XY面に直交する方向(法線方向ともいう)である。図2は、図1に示した空中表示装置1の側面図である。
[1] First Embodiment [1-1] Configuration of the Aerial Display Device 1 Figure 1 is a perspective view of the aerial display device 1 according to the first embodiment of the present invention. In Figure 1, the X direction is the direction along one side of the aerial display device 1, the Y direction is the direction perpendicular to the X direction in the horizontal plane, and the Z direction is the direction perpendicular to the XY plane (also called the normal direction). Figure 2 is a side view of the aerial display device 1 shown in Figure 1.
空中表示装置1は、画像(動画を含む)を表示する装置である。空中表示装置1は、自身の光出射面の上方の空中に、空中像を表示する。空中表示装置1の光出射面とは、空中表示装置1を構成する複数の部材のうち最上層に配置された部材の上面を意味する。空中像とは、空中に結像する実像である。 The aerial display device 1 is a device that displays images (including videos). The aerial display device 1 displays an aerial image in the air above its light-emitting surface. The light-emitting surface of the aerial display device 1 refers to the upper surface of the uppermost component among the multiple components constituting the aerial display device 1. An aerial image is a real image formed in the air.
空中表示装置1は、照明素子(バックライトともいう)10、表示素子20、配向制御素子30、光学素子40、及び切替素子50を備える。照明素子10、表示素子20、配向制御素子30、光学素子40、及び切替素子50は、この順にZ方向に沿って配置され、互いに平行に配置される。照明素子10、表示素子20、配向制御素子30、光学素子40、及び切替素子50は、互いに所望の間隔を空けるようにして、図示せぬ固定部材で所望の位置に固定される。 The aerial display device 1 comprises an illumination element (also called a backlight) 10, a display element 20, an orientation control element 30, an optical element 40, and a switching element 50. The illumination element 10, display element 20, orientation control element 30, optical element 40, and switching element 50 are arranged in this order along the Z-direction and are parallel to each other. The illumination element 10, display element 20, orientation control element 30, optical element 40, and switching element 50 are fixed at desired positions by fixing members (not shown) with a desired spacing between them.
照明素子10は、照明光を発光し、この照明光を表示素子20に向けて出射する。照明素子10は、光源部11、導光板12、及び反射シート13を備える。照明素子10は、例えばサイドライト型の照明素子である。照明素子10は、面光源を構成する。照明素子10は、後述する角度θ1の斜め方向に光強度がピークになるように構成してもよい。 The illumination element 10 emits illumination light and directs this illumination light toward the display element 20. The illumination element 10 comprises a light source unit 11, a light guide plate 12, and a reflective sheet 13. The illumination element 10 is, for example, a side-light type illumination element. The illumination element 10 constitutes a surface light source. The illumination element 10 may be configured so that the light intensity peaks in an oblique direction at an angle θ1 , as described later.
光源部11は、導光板12の側面に向き合うように配置される。光源部11は、導光板12の側面に向けて光を発光する。光源部11は、例えば白色LED(Light Emitting Diode)からなる複数の発光素子を含む。導光板12は、光源部11からの照明光を導光し、照明光を自身の上面から出射する。反射シート13は、導光板12の底面から出射した照明光を、再び導光板12に向けて反射する。照明素子10は、導光板12の上面に、光学特性を向上させる部材(プリズムシート、及び拡散シートを含む)を備えていてもよい。 The light source unit 11 is positioned facing the side surface of the light guide plate 12. The light source unit 11 emits light toward the side surface of the light guide plate 12. The light source unit 11 includes multiple light-emitting elements, such as white LEDs (Light Emitting Diodes). The light guide plate 12 guides the illumination light from the light source unit 11 and emits the illumination light from its upper surface. The reflective sheet 13 reflects the illumination light emitted from the bottom surface of the light guide plate 12 back toward the light guide plate 12. The illumination element 10 may include a member (including a prism sheet and a diffusion sheet) on the upper surface of the light guide plate 12 to improve its optical properties.
表示素子20は、透過型の表示素子である。表示素子20は、例えば液晶表示素子で構成される。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。表示素子20は、照明素子10から出射された照明光を受ける。表示素子20は、照明素子10からの照明光を透過して光変調を行う。そして、表示素子20は、その画面に所望の画像を表示する。 The display element 20 is a transmissive display element. The display element 20 is composed of, for example, a liquid crystal display element. The driving mode of the display element 20 is not particularly limited; TN (Twisted Nematic) mode, VA (Vertical Alignment) mode, or homogeneous mode can be used. The display element 20 receives illumination light emitted from the illumination element 10. The display element 20 transmits the illumination light from the illumination element 10 and performs light modulation. Then, the display element 20 displays a desired image on its screen.
配向制御素子30は、不要光を低減する機能を有する。不要光とは、空中像を生成するのに寄与しない光成分であり、法線方向に光学素子40を透過する光成分を含む。配向制御素子30は、法線方向に対して角度θ1の斜め方向を中心として所定の角度範囲の光成分を透過するとともに、上記角度範囲以外の光成分を遮光するように構成される。配向制御素子30の面積は、表示素子20の面積とほぼ同じに設定される。配向制御素子30の詳細な構成については後述する。 The orientation control element 30 has the function of reducing unwanted light. Unwanted light is light components that do not contribute to the generation of an aerial image and includes light components that are transmitted through the optical element 40 in the normal direction. The orientation control element 30 is configured to transmit light components within a predetermined angular range centered on an oblique direction at an angle θ 1 with respect to the normal direction, while blocking light components outside of the above angular range. The area of the orientation control element 30 is set to be approximately the same as the area of the display element 20. The detailed configuration of the orientation control element 30 will be described later.
光学素子40は、底面側から入射した光を上面側に反射する。また、光学素子40は、底面側から斜めに入射した入射光を、例えば正面方向(法線方向)に反射する。光学素子40の面積は、表示素子20の面積以上に設定される。光学素子40の詳細な構成については後述する。光学素子40は、空中に空中像2を結像する。空中像2は、光学素子40の素子面に平行であり、2次元の画像である。素子面とは、光学素子40が面内方向に広がる仮想的な平面を言う。素子面は、面内と同じ意味である。その他の素子の素子面についても同様の意味である。光学素子40の正面にいる観察者3は、空中像2を視認することができる。 The optical element 40 reflects light incident from the bottom side to the top side. It also reflects incident light obliquely incident from the bottom side, for example, in the front direction (normal direction). The area of the optical element 40 is set to be greater than or equal to the area of the display element 20. The detailed configuration of the optical element 40 will be described later. The optical element 40 forms an aerial image 2 in the air. The aerial image 2 is parallel to the element plane of the optical element 40 and is a two-dimensional image. The element plane refers to a virtual plane that extends in the in-plane direction of the optical element 40. The term "element plane" has the same meaning as "in-plane." The same meaning applies to the element planes of other elements. An observer 3 standing in front of the optical element 40 can see the aerial image 2.
切替素子50は、空中表示装置1の上方の空中に空中像を表示する第1表示モードと、表示素子20の画面に表示された画像を表示する第2表示モードとを切り替える機能を有する。切替素子50は、それぞれがY方向に延び、X方向に並んだ複数の要素画素を備える。切替素子50は、複数の要素画素の各々に対して、光を透過する透過状態と、光を遮光する遮光状態とに設定可能である。本実施形態では、切替素子50による表示モードの切り替えにより、観察者3に視認される表示像の奥行き位置を切り替えることが可能である。切替素子50の面積は、光学素子40の面積とほぼ同じに設定される。切替素子50の詳細な構成については後述する。 The switching element 50 has the function of switching between a first display mode, which displays an aerial image in the air above the aerial display device 1, and a second display mode, which displays an image displayed on the screen of the display element 20. The switching element 50 comprises multiple element pixels, each extending in the Y direction and arranged in the X direction. Each of the multiple element pixels of the switching element 50 can be set to either a light-transmitting state or a light-blocking state. In this embodiment, the depth position of the displayed image visible to the observer 3 can be switched by switching the display mode using the switching element 50. The area of the switching element 50 is set to be approximately the same as the area of the optical element 40. The detailed configuration of the switching element 50 will be described later.
[1-1-1] 配向制御素子30の構成
図3Aは、図1に示した配向制御素子30の平面図である。図3Bは、図3AのA-A´線に沿った配向制御素子30の断面図である。
[1-1-1] Configuration of the orientation control element 30 Figure 3A is a plan view of the orientation control element 30 shown in Figure 1. Figure 3B is a cross-sectional view of the orientation control element 30 along the line A-A' in Figure 3A.
基材31は、XY面において平面状に構成され、直方体を有する。基材31は、光を透過する。 The substrate 31 is planar in the XY plane and has a rectangular parallelepiped. The substrate 31 transmits light.
基材31上には、それぞれがY方向に延び、X方向に並んだ複数の透明部材33が設けられる。また、基材31上には、それぞれがY方向に延び、X方向に並んだ複数の遮光部材34が設けられる。複数の透明部材33と複数の遮光部材34とは、隣接するもの同士が接するようにして交互に配置される。 Multiple transparent members 33 are provided on the base material 31, each extending in the Y direction and aligned in the X direction. Additionally, multiple light-shielding members 34 are provided on the base material 31, each extending in the Y direction and aligned in the X direction. The multiple transparent members 33 and the multiple light-shielding members 34 are arranged alternately so that adjacent members are in contact with each other.
複数の透明部材33及び複数の遮光部材34上には、基材32が設けられる。基材32は、XY面において平面状に構成され、直方体を有する。基材32は、光を透過する。 Multiple transparent members 33 and multiple light-shielding members 34 are provided with a base material 32. The base material 32 is planar in the XY plane and has a rectangular parallelepiped shape. The base material 32 transmits light.
透明部材33は、XZ面において、基材31の法線方向に対して角度θ1の斜め方向に延びる。透明部材33は、XZ面において、側面が角度θ1だけ傾いた平行四辺形である。透明部材33は、光を透過する。 The transparent member 33 extends in an oblique direction at an angle θ 1 with respect to the normal direction of the base material 31 in the XZ plane. The transparent member 33 is a parallelogram with its side surface inclined at an angle θ 1 in the XZ plane. The transparent member 33 transmits light.
遮光部材34は、XZ面において、基材31の法線方向に対して角度θ1の斜め方向に延びる。遮光部材34は、XZ面において、側面が角度θ1だけ傾いた平行四辺形である。遮光部材34は、光を遮光する。遮光部材34の厚みは、透明部材33の厚みより薄く設定される。 The light-shielding member 34 extends in an oblique direction at an angle θ 1 with respect to the normal direction of the base material 31 in the XZ plane. The light-shielding member 34 is a parallelogram with its side surface inclined by an angle θ 1 in the XZ plane. The light-shielding member 34 blocks light. The thickness of the light-shielding member 34 is set to be thinner than the thickness of the transparent member 33.
隣接する2個の遮光部材34は、Z方向において互いの端部が若干重なるように配置される。 The two adjacent light-shielding members 34 are arranged so that their ends slightly overlap in the Z-direction.
基材31、32、及び透明部材33としては、ガラス、又は透明な樹脂(アクリル樹脂を含む)が用いられる。遮光部材34としては、例えば、黒色の染料又は顔料が混入された樹脂が用いられる。 The base materials 31, 32, and transparent member 33 are made of glass or a transparent resin (including acrylic resin). The light-shielding member 34 is, for example, a resin mixed with a black dye or pigment.
なお、基材31、32の一方又は両方を省略して、配向制御素子30を構成してもよい。複数の透明部材33と複数の遮光部材34とが交互に配置されていれば、配向制御素子30の機能を実現できる。 Furthermore, the orientation control element 30 may be constructed by omitting one or both of the base materials 31 and 32. The function of the orientation control element 30 can be achieved by arranging multiple transparent members 33 and multiple light-shielding members 34 alternately.
このように構成された配向制御素子30は、法線方向に対して角度θ1の斜め方向の光強度がピークになるように、表示光を透過することができる。例えば、配向制御素子30は、法線方向に対して30°±30°の範囲以外の光成分を遮光するように構成される。望ましくは、配向制御素子30は、法線方向に対して30°±20°の範囲以外の光成分を遮光するように構成される。 The orientation control element 30 configured in this way can transmit display light such that the light intensity peaks in the oblique direction at an angle θ 1 with respect to the normal direction. For example, the orientation control element 30 is configured to block light components outside the range of 30° ± 30° with respect to the normal direction. Preferably, the orientation control element 30 is configured to block light components outside the range of 30° ± 20° with respect to the normal direction.
なお、変形例として、配向制御素子30は、照明素子10と表示素子20との間に配置してもよい。また、配向制御素子30を省略して、空中表示装置1を構成してもよい。 As a variation, the orientation control element 30 may be placed between the illumination element 10 and the display element 20. Alternatively, the orientation control element 30 may be omitted to configure the aerial display device 1.
[1-1-2] 光学素子40の構成
図4は、図1に示した光学素子40の部分側面図である。
[1-1-2] Configuration of the optical element 40 Figure 4 is a partial side view of the optical element 40 shown in Figure 1.
光学素子40は、基材41、及び複数の光学要素42を備える。基材41は、XY面において平面状に構成され、直方体を有する。 The optical element 40 comprises a substrate 41 and a plurality of optical elements 42. The substrate 41 is planar in the XY plane and has a rectangular parallelepiped.
基材41の底面には、複数の光学要素42が設けられる。複数の光学要素42の各々は、三角柱で構成される。光学要素42は、三角柱の3個の側面がXY面と平行になるように配置され、1つの側面が基材41に接する。複数の光学要素42は、それぞれがY方向に延び、X方向に並んで配置される。また、隣接する光学要素42は、一定の間隔を空けて配置される。 Multiple optical elements 42 are provided on the bottom surface of the base material 41. Each of the multiple optical elements 42 is composed of a triangular prism. The optical elements 42 are arranged so that three sides of the triangular prism are parallel to the XY plane, and one side is in contact with the base material 41. Each of the multiple optical elements 42 extends in the Y direction and is arranged in a line in the X direction. Adjacent optical elements 42 are arranged with a certain spacing between them.
光学要素42が配置される領域を第1領域Saと呼び、光学要素42が配置されない領域を第2領域Sbと呼ぶ。複数の第1領域Saと複数の第2領域Sbとは交互に配置される。例えば、第1領域SaのX方向の長さは、第2領域SbのX方向の長さと同じである。この構成に限定されず、第1領域SaのX方向の長さは、第2領域SbのX方向の長さと異なっていてもよい。 The region where the optical element 42 is placed is called the first region Sa, and the region where the optical element 42 is not placed is called the second region Sb. Multiple first regions Sa and multiple second regions Sb are arranged alternately. For example, the length of the first region Sa in the X direction is the same as the length of the second region Sb in the X direction. This configuration is not limited to this; the length of the first region Sa in the X direction may differ from the length of the second region Sb in the X direction.
複数の光学要素42の各々は、入射面43及び反射面44を有する。Y方向から見て、左側の側面が入射面43であり、右側の側面が反射面44である。入射面43は、表示素子20からの光が入射する面である。反射面44は、入射面43に外部から入射した光を、光学要素42の内部で反射する面である。 Each of the multiple optical elements 42 has an incident surface 43 and a reflecting surface 44. Viewed from the Y direction, the left side is the incident surface 43, and the right side is the reflecting surface 44. The incident surface 43 is the surface onto which light from the display element 20 enters. The reflecting surface 44 is the surface that reflects light incident on the incident surface 43 from the outside within the optical element 42.
光学素子40の第2領域Sbは、隣接する光学要素42の間隔の部分に対応する。第2領域Sbにおける光学素子40の底面は、平面45で構成される。平面45は、XY面に水平な面である。 The second region Sb of the optical element 40 corresponds to the space between adjacent optical elements 42. The bottom surface of the optical element 40 in the second region Sb is composed of a plane 45. The plane 45 is a plane horizontal to the XY plane.
基材41及び光学要素42は、透明材料で構成される。光学要素42は、例えば、基材41と同じ透明材料によって基材41と一体的に形成される。基材41と光学要素42とを個別に形成し、透明な接着材を用いて基材41に光学要素42を接着してもよい。基材41及び光学要素42を構成する透明材料としては、ガラス、又は透明な樹脂(アクリル樹脂を含む)が用いられる。 The base material 41 and the optical element 42 are made of a transparent material. The optical element 42 is formed integrally with the base material 41, for example, using the same transparent material as the base material 41. Alternatively, the base material 41 and the optical element 42 may be formed separately, and the optical element 42 may be bonded to the base material 41 using a transparent adhesive. As the transparent material constituting the base material 41 and the optical element 42, glass or a transparent resin (including acrylic resin) can be used.
光学素子40の第1領域Saは、光学素子40の下側から入射した光を内部で反射して、空中に実像を結像する。また、光学素子40の第1領域Saは、素子面の正面の位置に、空中像を結像する。 The first region Sa of the optical element 40 reflects light incident from below the optical element 40 internally, forming a real image in the air. Furthermore, the first region Sa of the optical element 40 also forms an aerial image at a position directly in front of the element surface.
光学素子40の第2領域Sbは、光学素子40の下側から入射した光を反射せずに透過する。光学素子40の第2領域Sbでは、空中像を結像することなく、表示素子20の画面に表示された平面像がそのまま観察者に視認される。平面像とは、表示素子20の画面に表示された画像を意味する。 The second region Sb of the optical element 40 transmits light incident from below the optical element 40 without reflection. In the second region Sb of the optical element 40, the planar image displayed on the screen of the display element 20 is directly visible to the observer without forming an aerial image. The planar image refers to the image displayed on the screen of the display element 20.
[1-1-3] 切替素子50の構成
図5は、図1に示した切替素子50の部分平面図である。図5には、光学素子40と切替素子50との対応関係が理解できるように、光学素子40の部分側面図も示している。なお、前述した図4には、切替素子50の側面図も示している。図4の構成例では、切替素子50は、光学素子40の上面に接している。
[1-1-3] Configuration of the switching element 50 Figure 5 is a partial plan view of the switching element 50 shown in Figure 1. Figure 5 also shows a partial side view of the optical element 40 so that the correspondence between the optical element 40 and the switching element 50 can be understood. Note that Figure 4, mentioned above, also shows a side view of the switching element 50. In the configuration example in Figure 4, the switching element 50 is in contact with the upper surface of the optical element 40.
切替素子50は、それぞれがY方向に延び、X方向に並んだ複数の要素画素51a、51bを備える。複数の要素画素51aと複数の要素画素51bとは交互に配置される。複数の要素画素51a、51bの各々は、例えば複数の画素で構成される。 The switching element 50 comprises multiple element pixels 51a and 51b, each extending in the Y direction and aligned in the X direction. The multiple element pixels 51a and multiple element pixels 51b are arranged alternately. Each of the multiple element pixels 51a and 51b is composed of, for example, multiple pixels.
複数の要素画素51aはそれぞれ、光学素子40の複数の第1領域Saの上方に配置される。要素画素51aのX方向の長さ及びY方向の長さはそれぞれ、第1領域SaのX方向の長さ及びY方向の長さと同じである。複数の要素画素51bはそれぞれ、光学素子40の複数の第2領域Sbの上方に配置される。要素画素51bのX方向の長さ及びY方向の長さはそれぞれ、第2領域SbのX方向の長さ及びY方向の長さと同じである。 Each of the multiple elemental pixels 51a is positioned above each of the multiple first regions Sa of the optical element 40. The length of each elemental pixel 51a in the X direction and the length in the Y direction are the same as the length of each first region Sa in the X direction and the Y direction, respectively. Each of the multiple elemental pixels 51b is positioned above each of the multiple second regions Sb of the optical element 40. The length of each elemental pixel 51b in the X direction and the Y direction are the same as the length of each second region Sb in the X direction and the Y direction, respectively.
切替素子50は、複数の要素画素51a、51bの各々に対して、光を透過する透過状態と、光を遮光する遮光状態とに設定可能である。 The switching element 50 can be set for each of the multiple element pixels 51a and 51b to either a light-transmitting state or a light-blocking state.
切替素子50は、液晶素子で構成することが可能である。液晶素子は、偏光板を備え、画素ごとに、光を透過する透過状態と、光を遮光する遮光状態とに設定可能である。 The switching element 50 can be composed of liquid crystal elements. The liquid crystal elements are equipped with polarizing plates, and each pixel can be set to either a light-transmitting state or a light-blocking state.
また、切替素子50は、エレクトロクロミック素子、又は高分子分散型液晶(PDLC:Polymer Dispersed Liquid Crystal)素子で構成してもよい。 Furthermore, the switching element 50 may be composed of an electrochromic element or a polymer dispersed liquid crystal (PDLC) element.
また、他の構成例として、切替素子50は、複数の要素画素の領域に1つ置きに配置された複数の遮光板を有する。そして、複数の遮光板を1要素画素分だけ一斉にずらすことで、機械的に透過領域と遮光領域との位置を切り替えてもよい。 Furthermore, as another configuration example, the switching element 50 has multiple light-shielding plates arranged alternately in the regions of multiple element pixels. The positions of the transparent region and the light-shielding region can then be mechanically switched by simultaneously shifting the multiple light-shielding plates by the width of one element pixel.
[1-1-4] 空中表示装置1のブロック構成
図6は、空中表示装置1のブロック図である。空中表示装置1は、制御部60、記憶部61、入出力インターフェース(入出力IF)62、表示部63、及び入力部64を備える。制御部60、記憶部61、及び入出力インターフェース62は、バス65を介して互いに接続される。
[1-1-4] Block Configuration of the Aerial Display Device 1 Figure 6 is a block diagram of the aerial display device 1. The aerial display device 1 comprises a control unit 60, a storage unit 61, an input/output interface (input/output IF) 62, a display unit 63, and an input unit 64. The control unit 60, the storage unit 61, and the input/output interface 62 are connected to each other via a bus 65.
入出力インターフェース62は、表示部63、及び入力部64に接続される。入出力インターフェース62は、表示部63、及び入力部64のそれぞれに対して、所定の規格に応じたインターフェース処理を行う。 The input/output interface 62 is connected to the display unit 63 and the input unit 64. The input/output interface 62 performs interface processing for each of the display unit 63 and the input unit 64 according to a predetermined standard.
表示部63は、照明素子10、表示素子20、及び切替素子50を備える。表示部63は、画像を表示する。 The display unit 63 comprises an illumination element 10, a display element 20, and a switching element 50. The display unit 63 displays an image.
制御部60は、CPU(Central Processing Unit)やMPU(Micro Processing Unit)等の1つ以上のプロセッサにより構成される。制御部60は、記憶部61に格納されたプログラムを実行することで各種機能を実現する。制御部60は、表示処理部60A、及び情報処理部60Bを備える。 The control unit 60 is composed of one or more processors, such as a CPU (Central Processing Unit) or an MPU (Micro Processing Unit). The control unit 60 implements various functions by executing programs stored in the storage unit 61. The control unit 60 includes a display processing unit 60A and an information processing unit 60B.
表示処理部60Aは、表示部63(具体的には、照明素子10、表示素子20、及び切替素子50)の動作を制御する。表示処理部60Aは、照明素子10のオン及びオフを制御する。表示処理部60Aは、表示素子20に画像信号を送信し、表示素子20に画像を表示させる。表示処理部60Aは、表示モードに応じて、切替素子50の要素画素51a、51bを透過状態又は遮光状態に設定する。 The display processing unit 60A controls the operation of the display unit 63 (specifically, the illumination element 10, the display element 20, and the switching element 50). The display processing unit 60A controls the on/off state of the illumination element 10. The display processing unit 60A transmits an image signal to the display element 20, causing the display element 20 to display an image. Depending on the display mode, the display processing unit 60A sets the element pixels 51a and 51b of the switching element 50 to either a transparent or light-shielding state.
情報処理部60Bは、空中表示装置1が表示する画像を生成する。情報処理部60Bは、記憶部61に格納された画像データを用いることが可能である。情報処理部60Bは、図示せぬ通信機能を用いて外部から画像データを取得してもよい。 The information processing unit 60B generates the image to be displayed by the aerial display device 1. The information processing unit 60B can use image data stored in the storage unit 61. The information processing unit 60B may also acquire image data from an external source using a communication function (not shown).
記憶部61は、ROM(Read Only Memory)、HDD(Hard Disk Drive)、及びSSD(Solid State Drive)等の不揮発性記憶装置と、RAM(Random Access Memory)、及びレジスタ等の揮発性記憶装置とを含む。記憶部61は、制御部60が実行するプログラムを格納する。記憶部61は、制御部60の制御に必要な各種データを格納する。さらに、記憶部61は、空中表示装置1が表示する画像のデータを格納する。 The storage unit 61 includes non-volatile storage devices such as ROM (Read Only Memory), HDD (Hard Disk Drive), and SSD (Solid State Drive), as well as volatile storage devices such as RAM (Random Access Memory) and registers. The storage unit 61 stores the program executed by the control unit 60. The storage unit 61 also stores various data necessary for controlling the control unit 60. Furthermore, the storage unit 61 stores the image data displayed by the aerial display device 1.
入力部64は、例えばタッチパネルやボタンなどを含み、ユーザが入力した情報を受け付ける。情報処理部60Bは、入力部64が受け付けた情報に基づいて、表示部63に表示する画像を選択することが可能である。 The input unit 64 includes, for example, a touch panel or buttons, and receives information entered by the user. The information processing unit 60B can select an image to display on the display unit 63 based on the information received by the input unit 64.
[1-2] 空中表示装置1の動作
次に、上記のように構成された空中表示装置1の動作について説明する。
[1-2] Operation of the aerial display device 1 Next, the operation of the aerial display device 1 configured as described above will be explained.
[1-2-1] 空中像2の表示動作
まず、空中像2の表示動作について説明する。
図2の矢印は、光路を示している。図2に示すように、表示素子20の任意の点“o”から出射された光は、配向制御素子30に入射する。表示素子20から出射された光のうち角度θ1の光成分(角度θ1を中心とした所定の角度範囲の光成分を含む)は、配向制御素子30を透過する。配向制御素子30を透過した光は、光学素子40に入射する。光学素子40は、入射光を、配向制御素子30と反対側の空中に結像し、空中に空中像2を表示する。
[1-2-1] Display Operation of Aerial Image 2 First, we will explain the display operation of aerial image 2.
The arrows in Figure 2 indicate the optical path. As shown in Figure 2, light emitted from any point "o" on the display element 20 enters the orientation control element 30. Of the light emitted from the display element 20, the optical component at angle θ1 (including the optical component within a predetermined angular range centered on angle θ1 ) passes through the orientation control element 30. The light that has passed through the orientation control element 30 enters the optical element 40. The optical element 40 images the incident light into the air on the opposite side of the orientation control element 30, displaying an aerial image 2 in the air.
図7は、光学素子40における光の反射の様子を説明する斜視図である。図8は、光学素子40における光の反射の様子を説明するXZ面の側面図である。図8は、観察者3の両目(すなわち、両目を結ぶ線)がX方向に平行な状態で光学素子40を見た図である。図9は、光学素子40における光の反射の様子を説明するYZ面の側面図である。図9は、観察者3の両目がY方向に平行な状態で光学素子40を見た図である。 Figure 7 is a perspective view illustrating the reflection of light in the optical element 40. Figure 8 is a side view of the XZ plane illustrating the reflection of light in the optical element 40. Figure 8 shows the optical element 40 as viewed by observer 3 with both eyes (i.e., the line connecting both eyes) parallel to the X direction. Figure 9 is a side view of the YZ plane illustrating the reflection of light in the optical element 40. Figure 9 shows the optical element 40 as viewed by observer 3 with both eyes parallel to the Y direction.
表示素子20の任意の点“o”から出射された光は、光学素子40の入射面43に入射し、反射面44に到達する。反射面44の法線方向に対して臨界角よりも大きい角度で反射面44に到達した光は、反射面44で全反射され、光学素子40の光学要素42が形成されている側の反対側の平面から出射される。臨界角とは、その入射角を超えると全反射する最少の入射角である。臨界角は、入射面の垂線に対する角度である。 Light emitted from any point "o" on the display element 20 enters the incident surface 43 of the optical element 40 and reaches the reflective surface 44. Light that reaches the reflective surface 44 at an angle greater than the critical angle with respect to the normal direction of the reflective surface 44 undergoes total internal reflection at the reflective surface 44 and is emitted from the plane opposite the side of the optical element 42 of the optical element 40. The critical angle is the smallest angle of incidence beyond which total internal reflection occurs. The critical angle is the angle with respect to the perpendicular to the incident surface.
図8のXZ面では、点“o”から出射された光は、光学要素42の反射面44で全反射され、その光は空中で結像されて空中像を生成する。 In the XZ plane of Figure 8, light emitted from point "o" is totally reflected by the reflective surface 44 of the optical element 42, and this light is imaged in the air to generate an aerial image.
図9のYZ面では、点“o”から出射された光は、光学要素42の反射面44で反射されず、その光は空中で結像することがないため空中像の生成に寄与しない。 In the YZ plane of Figure 9, the light emitted from point "o" is not reflected by the reflective surface 44 of the optical element 42, and therefore does not form an image in the air, thus not contributing to the generation of an aerial image.
すなわち、観察者3が空中像を視認できる条件は、観察者3の両眼がX方向に平行、又はそれに近い状態(例えばX方向に対して±10度)である。また、観察者3の両眼がX方向に平行、又はそれに近い状態でY方向に沿って視点を移動した場合、空中像を常に認識することができる。 In other words, the condition under which observer 3 can perceive the aerial image is that both of observer 3's eyes are parallel to or nearly parallel to the X direction (for example, ±10 degrees relative to the X direction). Furthermore, if observer 3 moves their viewpoint along the Y direction while both of their eyes are parallel to or nearly parallel to the X direction, they can always perceive the aerial image.
図10は、光学素子40における入射面43及び反射面44の角度条件を説明する図である。 Figure 10 illustrates the angular conditions of the incident surface 43 and the reflective surface 44 in the optical element 40.
Z方向(素子面に垂直な方向)に対する入射面43の角度をθ2、Z方向に対する反射面44の角度をθ3、入射面43と反射面44とのなす角度をθpとする。角度をθpは、以下の式(1)で表される。
θp=θ2+θ3 ・・・(1)
Let θ2 be the angle of the incident surface 43 with respect to the Z direction (direction perpendicular to the element surface), θ3 be the angle of the reflecting surface 44 with respect to the Z direction, and θp be the angle between the incident surface 43 and the reflecting surface 44. The angle θp is expressed by the following equation (1).
θ p = θ 2 + θ 3 ...(1)
配向制御素子30から角度θ1で出射された光は、入射面43に入射する。光学素子40の材料の屈折率をnp、空気の屈折率を1とする。入射面43における入射角をθ4、屈折角をθ5とする。反射面44における入射角をθ6、反射角をθ7(=θ6)とする。光学素子40の上面における入射角をθ8、屈折角をθ9とする。屈折角θ9が出射角である。出射角θ9は、以下の式(2)で表される。
θ9=sin-1(np*sin(sin-1((1/np)*sin(90°-(θ1+θ2)))+θ2+2θ3-90°)) ・・・(2)
Light emitted from the orientation control element 30 at an angle θ 1 is incident on the incident surface 43. Assume the refractive index of the material of the optical element 40 is np and the refractive index of air is 1. The incident angle at the incident surface 43 is θ 4 and the refraction angle is θ 5. The incident angle at the reflecting surface 44 is θ 6 and the reflection angle is θ 7 (= θ 6 ). The incident angle at the upper surface of the optical element 40 is θ 8 and the refraction angle is θ 9. The refraction angle θ 9 is the emission angle. The emission angle θ 9 is expressed by the following equation (2).
θ 9 = sin -1 (n p *sin (sin -1 ((1/n p ) * sin (90° - (θ 1 + θ 2 ))) + θ 2 +2θ 3 -90°)) ... (2)
反射面44における臨界角は、以下の式(3)で表される。
臨界角<θ6(=θ7)
臨界角=sin-1(1/np) ・・・(3)
The critical angle at the reflective surface 44 is expressed by the following equation (3).
Critical angle <θ 6 (=θ 7 )
Critical angle = sin -1 (1/n p )...(3)
すなわち、反射面44における入射角θ6は、反射面44における臨界角より大きく設定される。換言すると、反射面44の角度θ3は、反射面44に入射する光の入射角が臨界角より大きくなるように設定される。 In other words, the angle of incidence θ 6 at the reflective surface 44 is set to be greater than the critical angle at the reflective surface 44. To put it another way, the angle θ 3 of the reflective surface 44 is set so that the angle of incidence of light incident on the reflective surface 44 is greater than the critical angle.
また、入射面43に入射した光は、入射面43で全反射されないように設定される。すなわち、入射面43の角度θ2は、入射面43に入射する光の入射角が臨界角より小さくなるように設定される。 Furthermore, the light incident on the incident surface 43 is set so that it is not totally reflected at the incident surface 43. That is, the angle θ2 of the incident surface 43 is set so that the angle of incidence of the light incident on the incident surface 43 is smaller than the critical angle.
光学素子40の素子面と空中像2の面との角度、及び光学素子40の素子面と空中像2の面との距離は、光学素子40に入射する光の角度θ1、光学素子40の屈折率、光学素子40の入射面43の角度θ2、光学素子40の反射面44の角度θ3を最適に設定することで調整が可能である。 The angle between the element surface of the optical element 40 and the plane of the aerial image 2, and the distance between the element surface of the optical element 40 and the plane of the aerial image 2, can be adjusted by optimally setting the angle θ1 of the light incident on the optical element 40, the refractive index of the optical element 40, the angle θ2 of the incident surface 43 of the optical element 40, and the angle θ3 of the reflective surface 44 of the optical element 40.
[1-2-2] 2種類の表示モード
次に、2種類の表示モードにおける動作について説明する。空中表示装置1は、空中像2を表示する第1表示モードと、表示素子20の画面の平面像を表示する第2表示モードとの2種類の表示モードを実行することが可能である。表示モードの切り替えは、切替素子50を用いて行われる。
[1-2-2] Two types of display modes Next, the operation in the two types of display modes will be explained. The aerial display device 1 is capable of executing two types of display modes: a first display mode that displays an aerial image 2, and a second display mode that displays a planar image of the screen of the display element 20. Switching between display modes is performed using a switching element 50.
図11は、空中像2を表示する第1表示モードを説明するための空中表示装置1の部分側面図である。
第1表示モードにおいて、切替素子50は、第1領域Saに対応する要素画素51aを透過状態に設定し、第2領域Sbに対応する要素画素51bを遮光状態に設定する。図11において、遮光状態の要素画素に斜線ハッチングを付している。
Figure 11 is a partial side view of the aerial display device 1 for illustrating the first display mode for displaying the aerial image 2.
In the first display mode, the switching element 50 sets the element pixel 51a corresponding to the first region Sa to a transparent state and the element pixel 51b corresponding to the second region Sb to a light-shielding state. In Figure 11, the element pixels in the light-shielding state are shown with diagonal hatching.
表示素子20は、自身の画面に画像を表示する。表示素子20から配向制御素子30を介して光学素子40に入射した光のうち第1領域Saの光成分は、光学素子40の光学要素42で反射されて、切替素子50の第1領域Saを透過する。切替素子50の第1領域Saを透過した光成分は、図11に示した表示面Aiの位置に空中像2を生成する。 The display element 20 displays an image on its screen. The light component of the first region Sa of the light incident from the display element 20 to the optical element 40 via the orientation control element 30 is reflected by the optical element 42 of the optical element 40 and transmitted through the first region Sa of the switching element 50. The light component transmitted through the first region Sa of the switching element 50 generates an aerial image 2 at the position of the display surface Ai shown in Figure 11.
表示素子20から配向制御素子30を介して光学素子40に入射した光のうち第2領域Sbの光成分(光学素子40の平面45に入射した光成分)は、光学素子40を透過し、切替素子50の第2領域Sbで遮光される。よって、光学素子40に入射した光のうち第2領域Sbの光成分は、空中像2の表示に寄与しない。 Of the light incident on the optical element 40 via the orientation control element 30 from the display element 20, the light component in the second region Sb (the light component incident on the plane 45 of the optical element 40) passes through the optical element 40 and is blocked by the second region Sb of the switching element 50. Therefore, the light component in the second region Sb of the light incident on the optical element 40 does not contribute to the display of the aerial image 2.
図12は、表示素子20の画面の平面像を表示する第2表示モードを説明するための空中表示装置1の部分側面図である。
第2表示モードにおいて、切替素子50は、第1領域Saに対応する要素画素51aを遮光状態に設定し、第2領域Sbに対応する要素画素51bを透過状態に設定する。図12において、遮光状態の要素画素に斜線ハッチングを付している。
Figure 12 is a partial side view of the aerial display device 1 for illustrating a second display mode in which a planar image of the screen of the display element 20 is displayed.
In the second display mode, the switching element 50 sets the element pixel 51a corresponding to the first region Sa to a light-shielding state and the element pixel 51b corresponding to the second region Sb to a transparent state. In Figure 12, the element pixels in the light-shielding state are shown with diagonal hatching.
表示素子20は、自身の画面に画像を表示する。表示素子20から配向制御素子30を介して光学素子40に入射した光のうち第1領域Saの光成分は、光学素子40の光学要素42で反射され、切替素子50の第1領域Saで遮光される。よって、光学素子40により空中像は結像されない。 The display element 20 displays an image on its own screen. Of the light incident from the display element 20 to the optical element 40 via the orientation control element 30, the light component in the first region Sa is reflected by the optical element 42 of the optical element 40 and blocked by the first region Sa of the switching element 50. Therefore, the optical element 40 does not form an image of the air.
表示素子20から配向制御素子30を介して光学素子40に入射した光のうち第2領域Sbの光成分(光学素子40の平面45に入射した光成分)は、光学素子40を透過し、切替素子50の第2領域Sbを透過する。切替素子50の第2領域Sbを透過した光成分は、観察者3にそのまま視認される。よって、図12に示した表示面Biの位置に平面像21が表示される。 Of the light incident on the optical element 40 via the orientation control element 30 from the display element 20, the light component in the second region Sb (the light component incident on the plane 45 of the optical element 40) passes through the optical element 40 and then through the second region Sb of the switching element 50. The light component that passes through the second region Sb of the switching element 50 is directly visible to the observer 3. Therefore, the planar image 21 is displayed at the position of the display surface Bi shown in Figure 12.
このように、空中表示装置1は、第1表示モードにおいて、空中表示装置1の上方の表示面Aiの位置に空中像2を表示することができる。また、空中表示装置1は、第2表示モードにおいて、表示素子20の画面に対応する表示面Biの位置に平面像21を表示することができる。 Thus, in the first display mode, the aerial display device 1 can display the aerial image 2 at the position of the display surface Ai above the aerial display device 1. Furthermore, in the second display mode, the aerial display device 1 can display the planar image 21 at the position of the display surface Bi corresponding to the screen of the display element 20.
図13は、空中表示装置1の表示動作を説明するフローチャートである。
情報処理部60Bは、空中表示装置1が表示する画像データを選択する(ステップS100)。例えば、情報処理部60Bは、初期値として設定された画像データに関する情報を記憶部61から読み出し、この読み出した情報に基づいて、記憶部61から画像データを読み出す。情報処理部60Bは、入力部64を用いてユーザが入力した情報に基づいて、記憶部61から画像データを読み出してもよい。情報処理部60Bは、通信機能を用いて外部から送信された画像データを選択してもよい。
Figure 13 is a flowchart illustrating the display operation of the aerial display device 1.
The information processing unit 60B selects image data to be displayed by the aerial display device 1 (step S100). For example, the information processing unit 60B reads information about image data set as an initial value from the storage unit 61, and reads image data from the storage unit 61 based on this read information. The information processing unit 60B may also read image data from the storage unit 61 based on information entered by the user using the input unit 64. The information processing unit 60B may also select image data transmitted from an external source using the communication function.
続いて、表示処理部60Aは、空中表示(第1表示モード)が選択されたか否か、すなわち、第1表示モード及び第2表示モードのどちらが選択されたかを判定する(ステップS101)。例えば、表示処理部60Aは、初期値として設定された表示モードに関する情報を記憶部61から読み出し、この読み出した情報に基づいて、表示モードを判定する。表示処理部60Aは、入力部64を用いてユーザが入力した情報に基づいて、表示モードを判定してもよい。 Next, the display processing unit 60A determines whether or not aerial display (first display mode) is selected, that is, which of the first and second display modes is selected (step S101). For example, the display processing unit 60A reads information about the display mode set as an initial value from the storage unit 61 and determines the display mode based on this read information. The display processing unit 60A may also determine the display mode based on information entered by the user using the input unit 64.
続いて、第1表示モードが選択された場合(ステップS101=Yes)、表示処理部60Aは、切替素子50の要素画素51bを遮光状態に設定し、切替素子50の要素画素51aを透過状態に設定する(ステップS102)。 Next, if the first display mode is selected (step S101 = Yes), the display processing unit 60A sets the element pixels 51b of the switching element 50 to a light-shielding state and the element pixels 51a of the switching element 50 to a light-transmitting state (step S102).
続いて、表示処理部60Aは、ステップS100で選択した画像を、表示素子20に表示する(ステップS103)。これにより、光学素子40の光学要素42で反射された光成分が空中で結像し、空中像2が表示される。 Next, the display processing unit 60A displays the image selected in step S100 on the display element 20 (step S103). As a result, the light components reflected by the optical element 42 of the optical element 40 are imaged in the air, and the aerial image 2 is displayed.
一方、第2表示モードが選択された場合(ステップS101=No)、表示処理部60Aは、切替素子50の要素画素51aを遮光状態に設定し、切替素子50の要素画素51bを透過状態に設定する(ステップS104)。 On the other hand, if the second display mode is selected (step S101 = No), the display processing unit 60A sets the element pixel 51a of the switching element 50 to a light-shielding state and the element pixel 51b of the switching element 50 to a transparent state (step S104).
続いて、表示処理部60Aは、ステップS100で選択した画像を、表示素子20に表示する(ステップS103)。これにより、光学素子40の第2領域Sbを透過した光成分が観察者3に視認され、表示素子20の画面に表示された平面像21が観察者3に視認される。 Next, the display processing unit 60A displays the image selected in step S100 on the display element 20 (step S103). As a result, the light component transmitted through the second region Sb of the optical element 40 is visible to the observer 3, and the planar image 21 displayed on the screen of the display element 20 is visible to the observer 3.
[1-3] 変形例
変形例として、表示素子20に表示される画像のうち一部の領域を第1表示モードで表示し、他の一部の領域を第2表示モードで表示するようにしてもよい。
[1-3] Modification As a modification, a portion of the image displayed on the display element 20 may be displayed in the first display mode, and another portion may be displayed in the second display mode.
表示処理部60Aは、空中像を表示する領域において、切替素子50の要素画素51bを遮光状態に設定し、切替素子50の要素画素51aを透過状態に設定する。また、表示処理部60Aは、表示素子20の画像を表示する領域において、切替素子50の要素画素51aを遮光状態に設定し、切替素子50の要素画素51bを透過状態に設定する。 The display processing unit 60A sets the element pixels 51b of the switching element 50 to a light-shielding state and the element pixels 51a of the switching element 50 to a transparent state in the area where the aerial image is displayed. Furthermore, the display processing unit 60A sets the element pixels 51a of the switching element 50 to a light-shielding state and the element pixels 51b of the switching element 50 to a transparent state in the area where the image of the display element 20 is displayed.
変形例によれば、表示素子20に表示された画像のうち一部の画像を空中像として表示し、他の一部の画像を表示素子20の画面に表示することができる。 According to the modified version, some of the images displayed on the display element 20 can be displayed as an aerial image, while other parts of the images can be displayed on the screen of the display element 20.
[1-4] 第1実施形態の効果
第1実施形態によれば、空中表示装置1は、第1表示モードと第2表示モードとの2種類の表示モードを実行することができる。空中表示装置1は、第1表示モードにおいて、空中表示装置1の上方の表示面Aiの位置に空中像2を表示することができる。空中表示装置1は、第2表示モードにおいて、表示素子20の画面に対応する表示面Biの位置に平面像21を表示することができる。また、空中表示装置1は、奥行き方向において異なる2つの位置にそれぞれ2次元の画像を表示することができる。
[1-4] Effects of the First Embodiment According to the first embodiment, the aerial display device 1 can perform two types of display modes: a first display mode and a second display mode. In the first display mode, the aerial display device 1 can display an aerial image 2 at the position of the display surface Ai above the aerial display device 1. In the second display mode, the aerial display device 1 can display a planar image 21 at the position of the display surface Bi corresponding to the screen of the display element 20. In addition, the aerial display device 1 can display two-dimensional images at two different positions in the depth direction.
また、空中表示装置1は、表示素子20から出射された光を光学素子40で反射させることで、空中に空中像を表示することができる。また、空中表示装置1は、その正面方向において、光学素子40の素子面に平行に空中像を表示することができる。また、表示品質を向上させることが可能な空中表示装置1を実現できる。 Furthermore, the aerial display device 1 can display an aerial image in mid-air by reflecting light emitted from the display element 20 with the optical element 40. The aerial display device 1 can also display the aerial image parallel to the element surface of the optical element 40 in its frontal direction. Moreover, it is possible to realize an aerial display device 1 capable of improving display quality.
また、観察者3の両眼がX方向(すなわち、複数の光学要素42が並ぶ方向)に平行、又はそれに近い状態で光学素子40を見た場合に、観察者3は、空中像を視認することができる。また、観察者3の両眼がX方向に平行、又はそれに近い状態でY方向に沿って視点を移動した場合、空中像を常に視認することができる。また、観察者3の両眼がX方向に平行、又はそれに近い状態において、より広い視野角を実現できる。 Furthermore, when observer 3's eyes are parallel to or nearly parallel to the X direction (i.e., the direction in which the multiple optical elements 42 are aligned), observer 3 can perceive the aerial image. Also, when observer 3 moves their viewpoint along the Y direction while their eyes are parallel to or nearly parallel to the X direction, they can always perceive the aerial image. Additionally, a wider field of view can be achieved when observer 3's eyes are parallel to or nearly parallel to the X direction.
また、空中表示装置1を構成する複数の素子を平行に配置することができる。これにより、Z方向に小型化が可能な空中表示装置1を実現できる。 Furthermore, multiple elements constituting the aerial display device 1 can be arranged in parallel. This makes it possible to realize an aerial display device 1 that can be miniaturized in the Z direction.
[2] 第2実施形態
第2実施形態は、切替素子50をマトリクス状に配置された複数の画素で構成し、画素ごとに透過状態と遮光状態とを切り替えるようにしている。
[2] Second Embodiment In the second embodiment, the switching element 50 is composed of a plurality of pixels arranged in a matrix, and each pixel is configured to switch between a light-transmitting state and a light-shielding state.
図14は、本発明の第2実施形態に係る切替素子50の部分平面図である。図14には、光学素子40と切替素子50との対応関係が理解できるように、光学素子40の部分側面図も示している。 Figure 14 is a partial plan view of the switching element 50 according to the second embodiment of the present invention. Figure 14 also shows a partial side view of the optical element 40 to illustrate the correspondence between the optical element 40 and the switching element 50.
切替素子50は、それぞれがY方向に延び、X方向に並んだ複数の要素画素51a、51bを備える。複数の要素画素51aと複数の要素画素51bとは交互に配置される。 The switching element 50 comprises multiple element pixels 51a and 51b, each extending in the Y direction and aligned in the X direction. The multiple element pixels 51a and multiple element pixels 51b are arranged alternately.
各要素画素51aは、Y方向に並んだ複数の画素52aを備える。各要素画素51bは、Y方向に並んだ複数の画素52bを備える。すなわち、複数の画素52a、52bは、マトリクス状に配置される。複数の画素52a、52bの各々は、例えば正方形を有する。切替素子50は、複数の画素52a、52bの各々に対して、光を透過する透過状態と光を遮光する遮光状態とに設定可能である。 Each elemental pixel 51a comprises multiple pixels 52a arranged in the Y direction. Each elemental pixel 51b comprises multiple pixels 52b arranged in the Y direction. That is, the multiple pixels 52a and 52b are arranged in a matrix. Each of the multiple pixels 52a and 52b has, for example, a square shape. The switching element 50 can set each of the multiple pixels 52a and 52b to either a light-transmitting state or a light-blocking state.
表示処理部60Aは、空中像を表示する領域において、切替素子50の画素52bを遮光状態に設定し、切替素子50の画素52aを透過状態に設定する。また、表示処理部60Aは、表示素子20の画像を表示する領域において、切替素子50の画素52aを遮光状態に設定し、切替素子50の画素52bを透過状態に設定する。 The display processing unit 60A sets the pixel 52b of the switching element 50 to a light-shielding state and the pixel 52a of the switching element 50 to a transparent state in the area where the aerial image is displayed. Furthermore, the display processing unit 60A sets the pixel 52a of the switching element 50 to a light-shielding state and the pixel 52b of the switching element 50 to a transparent state in the area where the image of the display element 20 is displayed.
第2実施形態によれば、表示素子20に表示された画像のうち一部の画像を空中像として表示し、他の一部の画像を表示素子20の画面に表示することができる。さらに、Y方向に隣接するようにして、空中像と平面像(表示素子20の画面に表示される画像)とを表示することができる。 According to the second embodiment, some of the images displayed on the display element 20 can be displayed as an aerial image, while other parts of the image can be displayed on the screen of the display element 20. Furthermore, the aerial image and the planar image (the image displayed on the screen of the display element 20) can be displayed adjacent to each other in the Y direction.
[3] 第3実施形態
第3実施形態は、第2表示モードにおいて、配向制御素子30から斜めに出射された光を、光拡散素子70を用いて拡散させるようにしている。
[3] Third Embodiment In the third embodiment, in the second display mode, the light emitted diagonally from the orientation control element 30 is diffused using the light diffusion element 70.
図15は、本発明の第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、光拡散素子70をさらに備える。光拡散素子70は、配向制御素子30と光学素子40との間に配置される。 Figure 15 is a perspective view of an aerial display device 1 according to a third embodiment of the present invention. The aerial display device 1 further comprises a light diffusion element 70. The light diffusion element 70 is positioned between the orientation control element 30 and the optical element 40.
光拡散素子70は、全面において、光を透過する透過状態と、光を拡散する拡散状態とに設定可能である。なお、光拡散素子70の全面とは、光変調領域全体を意味し、光拡散素子70を駆動する回路が配置される周辺領域が存在する場合、この周辺領域は除かれる。光拡散素子70の面積は、配向制御素子30の面積とほぼ同じに設定される。光拡散素子70は、例えば高分子分散型液晶(PDLC)素子で構成される。 The light diffusion element 70 can be set to either a light-transmitting state or a light-diffusing state across its entire surface. The entire surface of the light diffusion element 70 refers to the entire light modulation region; if there is a peripheral region where the circuit driving the light diffusion element 70 is located, this peripheral region is excluded. The area of the light diffusion element 70 is set to be approximately the same as the area of the alignment control element 30. The light diffusion element 70 is composed, for example, of a polymer-dispersed liquid crystal (PDLC) element.
光拡散素子70は、第1表示モードにおいて、全面が透過状態に設定され、第2表示モードにおいて、全面が拡散状態に設定される。表示処理部60Aは、第1表示モードにおいて、光拡散素子70を透過状態に設定し、第2表示モードにおいて、光拡散素子70を拡散状態に設定する。 In the first display mode, the light diffusion element 70 is set to a fully transparent state, and in the second display mode, the entire surface is set to a diffused state. The display processing unit 60A sets the light diffusion element 70 to a transparent state in the first display mode, and sets the light diffusion element 70 to a diffused state in the second display mode.
第3実施形態によれば、配向制御素子30から斜めに出射された光を、光拡散素子70で拡散することができる。これにより、空中表示装置1を見る角度に依存して表示像が劣化するのを抑制することができる。また、第2表示モードにおいて、表示像の品質を向上させることができる。 According to the third embodiment, the light emitted obliquely from the orientation control element 30 can be diffused by the light diffusion element 70. This suppresses the degradation of the displayed image depending on the viewing angle of the aerial display device 1. Furthermore, the quality of the displayed image can be improved in the second display mode.
[4] 第4実施形態
第4実施形態では、光学素子40は、空中像の結像に不要な光成分を吸収する吸収層47をさらに備える。そして、配向制御素子30を省略して空中表示装置1を構成するようにしている。
[4] Fourth Embodiment In the fourth embodiment, the optical element 40 further includes an absorption layer 47 that absorbs light components unnecessary for the formation of an aerial image. The orientation control element 30 is omitted to constitute the aerial display device 1.
図16は、本発明の第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、照明素子10、表示素子20、光学素子40、及び切替素子50を備える。第4実施形態では、第1実施形態で示した配向制御素子30が省略されている。照明素子10、表示素子20、光学素子40、及び切替素子50は、この順にZ方向に沿って配置され、互いに平行に配置される。照明素子10、表示素子20、光学素子40、及び切替素子50は、互いに所望の間隔を空けるようにして、図示せぬ固定部材で所望の位置に固定される。 Figure 16 is a perspective view of an aerial display device 1 according to the fourth embodiment of the present invention. The aerial display device 1 comprises an illumination element 10, a display element 20, an optical element 40, and a switching element 50. In the fourth embodiment, the orientation control element 30 shown in the first embodiment is omitted. The illumination element 10, display element 20, optical element 40, and switching element 50 are arranged in this order along the Z direction and are parallel to each other. The illumination element 10, display element 20, optical element 40, and switching element 50 are fixed at desired positions by fixing members (not shown) with a desired spacing between them.
図17は、図16に示した光学素子40のX方向に沿った部分断面図である。
光学要素42の反射面44には、反射層46が設けられる。反射層46は、反射面44の全体を覆うように構成される。反射層46は、光を反射する機能を有する。反射層46は、反射率の高い材料で構成される。反射層46としては、例えば、アルミニウム(Al)、銀(Ag)、又はこれらの1つを含む合金が用いられる。
Figure 17 is a partial cross-sectional view of the optical element 40 shown in Figure 16, along the X direction.
A reflective layer 46 is provided on the reflective surface 44 of the optical element 42. The reflective layer 46 is configured to cover the entire reflective surface 44. The reflective layer 46 has the function of reflecting light. The reflective layer 46 is made of a material with high reflectivity. For example, aluminum (Al), silver (Ag), or an alloy containing one of these can be used as the reflective layer 46.
反射層46上には、吸収層47が設けられる。吸収層47は、反射層46の全体を覆うように構成される。吸収層47は、光を吸収する機能を有する。吸収層47は、光吸収率が高い材料で構成される。吸収層47としては、例えば、黒色の染料又は顔料が混入された樹脂が用いられる。 An absorbing layer 47 is provided on the reflective layer 46. The absorbing layer 47 is configured to cover the entire reflective layer 46. The absorbing layer 47 has the function of absorbing light. The absorbing layer 47 is made of a material with high light absorption. For example, a resin mixed with a black dye or pigment can be used as the absorbing layer 47.
次に、上記のように構成された空中表示装置1の動作について説明する。図18は、空中表示装置1の動作を説明する側面図である。図19は、光学素子40の動作を説明する部分側面図である。図18及び図19の矢印は、光路を示している。 Next, the operation of the aerial display device 1 configured as described above will be explained. Figure 18 is a side view illustrating the operation of the aerial display device 1. Figure 19 is a partial side view illustrating the operation of the optical element 40. The arrows in Figures 18 and 19 indicate the optical path.
表示素子20の点“o”から放射状に光が出射される。表示素子20から出射された光のうち角度θ1の光成分(角度θ1を中心とした所定の角度範囲の光成分を含む)は、光学要素42の入射面43に入射する。入射面43に入射して反射面44に到達した光は、反射面44及び反射層46で反射される。また、反射層46の存在により、反射面44に到達した光は、より確実に反射される。 Light is emitted radially from point "o" of the display element 20. Of the light emitted from the display element 20, the light component at angle θ1 (including the light component within a predetermined angular range centered on angle θ1 ) is incident on the incident surface 43 of the optical element 42. The light that is incident on the incident surface 43 and reaches the reflective surface 44 is reflected by the reflective surface 44 and the reflective layer 46. Furthermore, the presence of the reflective layer 46 ensures that the light that reaches the reflective surface 44 is reflected more reliably.
一方、光学素子40の外から吸収層47に直接入射する光は、吸収層47で吸収される。具体的には、光学素子40に入射する光のうち、光学素子40の素子面に垂直な方向(Z方向)を基準にして入射面43が傾く側の光成分は、吸収層47で吸収される。吸収層47に直接入射する光は、光学素子40によって反射されず、観察者3に視認されない。 On the other hand, light directly incident on the absorption layer 47 from outside the optical element 40 is absorbed by the absorption layer 47. Specifically, of the light incident on the optical element 40, the light component on the side where the incident surface 43 is tilted with respect to the direction perpendicular to the element surface of the optical element 40 (Z direction) is absorbed by the absorption layer 47. Light directly incident on the absorption layer 47 is not reflected by the optical element 40 and is not visible to the observer 3.
このように、光学素子40は、空中像2を生成するための光のみを反射し、それ以外の光を反射しないように機能する。すなわち、光学素子40は、空中像2の生成に寄与しない不要光を遮光することができる。 Thus, the optical element 40 functions to reflect only the light necessary to generate the aerial image 2, and to block all other light. In other words, the optical element 40 can block unwanted light that does not contribute to the generation of the aerial image 2.
切替素子50の動作は、第1実施形態と同じである。 The operation of the switching element 50 is the same as in the first embodiment.
第4実施形態によれば、配向制御素子30を省略して空中表示装置1を構成することができる。これにより、Z方向により小型化が可能な空中表示装置1を実現できる。 According to the fourth embodiment, the aerial display device 1 can be constructed by omitting the orientation control element 30. This makes it possible to realize an aerial display device 1 that can be miniaturized in the Z direction.
[5] 第5実施形態
第5実施形態は、光学素子40を用いて空中像を表示しつつ、観察者に対して光学素子40の向きを変えることで、第1表示モードと第2表示モードとを実行するようにしている。
[5] Fifth Embodiment The fifth embodiment displays an aerial image using the optical element 40 and performs a first display mode and a second display mode by changing the orientation of the optical element 40 relative to the observer.
[5-1] 空中表示装置1の構成
図20は、本発明の第5実施形態に係る空中表示装置1の斜視図である。図21は、図20に示した空中表示装置1の側面図である。
[5-1] Configuration of the aerial display device 1 Figure 20 is a perspective view of the aerial display device 1 according to the fifth embodiment of the present invention. Figure 21 is a side view of the aerial display device 1 shown in Figure 20.
空中表示装置1は、照明素子10、表示素子20、配向制御素子30、光学素子40、及び回転機構80を備える。照明素子10、表示素子20、配向制御素子30、及び光学素子40は、この順にZ方向に沿って配置され、互いに平行に配置される。照明素子10、表示素子20、配向制御素子30、及び光学素子40は、互いに所望の間隔を空けるようにして、図示せぬ固定部材で所望の位置に固定される。 The aerial display device 1 comprises an illumination element 10, a display element 20, an orientation control element 30, an optical element 40, and a rotation mechanism 80. The illumination element 10, display element 20, orientation control element 30, and optical element 40 are arranged in this order along the Z-direction and are parallel to each other. The illumination element 10, display element 20, orientation control element 30, and optical element 40 are fixed in desired positions by fixing members (not shown) at desired intervals from each other.
回転機構80は、照明素子10、表示素子20、配向制御素子30、及び光学素子40からなるユニットを、XY平面において90度回転させる機能を有する。回転機構80は、照明素子10、表示素子20、配向制御素子30、及び光学素子40を纏めて固定する固定部材(図示せず)に取り付けられ、この固定部材を回転させることで、上記ユニットを一斉に回転させる。又は、照明素子10、表示素子20、配向制御素子30、及び光学素子40からなるユニットが互いに固定され、回転機構80は、上記ユニットの最下層の照明素子10に取り付けられる。そして、回転機構80は、照明素子10を回転させることで、上記ユニットを一斉に回転させる。 The rotation mechanism 80 has the function of rotating a unit consisting of an illumination element 10, a display element 20, an orientation control element 30, and an optical element 40 by 90 degrees in the XY plane. The rotation mechanism 80 is attached to a fixing member (not shown) that securely fixes the illumination element 10, display element 20, orientation control element 30, and optical element 40 together, and by rotating this fixing member, the unit is rotated simultaneously. Alternatively, the unit consisting of the illumination element 10, display element 20, orientation control element 30, and optical element 40 is fixed to each other, and the rotation mechanism 80 is attached to the illumination element 10 at the bottom of the unit. The rotation mechanism 80 then rotates the unit simultaneously by rotating the illumination element 10.
[5-1-1] 光学素子40の構成
図22は、図1に示した光学素子40の斜視図である。図22には、光学素子40の一部を拡大した拡大図も図示している。図22の拡大図は、XZ面における側面図である。
[5-1-1] Configuration of the optical element 40 Figure 22 is a perspective view of the optical element 40 shown in Figure 1. Figure 22 also shows an enlarged view of a part of the optical element 40. The enlarged view in Figure 22 is a side view in the XZ plane.
光学素子40は、基材41、及び複数の光学要素42を備える。基材41は、XY面において平面状に構成され、直方体を有する。 The optical element 40 comprises a substrate 41 and a plurality of optical elements 42. The substrate 41 is planar in the XY plane and has a rectangular parallelepiped.
基材41の底面には、複数の光学要素42が設けられる。複数の光学要素42の各々の構成は、第1実施形態と同じである。複数の光学要素42は、X方向に並んで配置され、また、隣接するもの同士が接するように配置される。換言すると、複数の光学要素42は、XZ面において鋸歯状を有する。 Multiple optical elements 42 are provided on the bottom surface of the substrate 41. The configuration of each of the multiple optical elements 42 is the same as in the first embodiment. The multiple optical elements 42 are arranged in a line in the X direction, and adjacent elements are arranged to be in contact with each other. In other words, the multiple optical elements 42 have a sawtooth shape in the XZ plane.
基材41及び光学要素42は、透明材料で構成される。光学要素42は、例えば、基材41と同じ透明材料によって基材41と一体的に形成される。基材41と光学要素42とを個別に形成し、透明な接着材を用いて基材41に光学要素42を接着してもよい。基材41及び光学要素42を構成する透明材料としては、ガラス、又は透明な樹脂(アクリル樹脂を含む)が用いられる。 The base material 41 and the optical element 42 are made of a transparent material. The optical element 42 is formed integrally with the base material 41, for example, using the same transparent material as the base material 41. Alternatively, the base material 41 and the optical element 42 may be formed separately, and the optical element 42 may be bonded to the base material 41 using a transparent adhesive. As the transparent material constituting the base material 41 and the optical element 42, glass or a transparent resin (including acrylic resin) can be used.
このように構成された光学素子40は、入射光を内部で反射して、空中に実像を結像する。また、光学素子40は、素子面の正面の位置に、空中像を結像する。 The optical element 40, configured in this way, reflects incident light internally to form a real image in the air. Furthermore, the optical element 40 forms an aerial image at a position directly in front of its surface.
[5-1-2] 空中表示装置1のブロック構成
図23は、空中表示装置1のブロック図である。
[5-1-2] Block configuration of the aerial display device 1 Figure 23 is a block diagram of the aerial display device 1.
表示部63は、照明素子10、及び表示素子20を備える。表示部63は、画像を表示する。 The display unit 63 comprises an illumination element 10 and a display element 20. The display unit 63 displays an image.
入出力インターフェース62は、回転機構80に接続される。入出力インターフェース62は、回転機構80に対して、所定の規格に応じたインターフェース処理を行う。 The input/output interface 62 is connected to the rotating mechanism 80. The input/output interface 62 performs interface processing on the rotating mechanism 80 according to a predetermined standard.
表示処理部60Aは、表示部63(具体的には、照明素子10、及び表示素子20)の動作を制御する。表示処理部60Aは、照明素子10のオン及びオフを制御する。表示処理部60Aは、表示素子20に画像信号を送信し、表示素子20に画像を表示させる。 The display processing unit 60A controls the operation of the display unit 63 (specifically, the illumination element 10 and the display element 20). The display processing unit 60A controls the on/off state of the illumination element 10. The display processing unit 60A transmits an image signal to the display element 20, causing the display element 20 to display an image.
制御部60は、回転駆動部60Cをさらに備える。回転駆動部60Cは、回転機構80を回転させる。回転駆動部60Cは、第1表示モードが選択された場合、回転機構80を用いて、ユニット(照明素子10、表示素子20、配向制御素子30、及び光学素子40)を第1表示モードの位置(光学素子40のX方向が観察者3の両目と平行になる位置)に回転させる。回転駆動部60Cは、第2表示モードが選択された場合、回転機構80を用いて、上記ユニットを第2表示モードの位置(光学素子40のY方向が観察者3の両目と平行になる位置)に回転させる。 The control unit 60 further comprises a rotation drive unit 60C. The rotation drive unit 60C rotates the rotation mechanism 80. When the first display mode is selected, the rotation drive unit 60C uses the rotation mechanism 80 to rotate the unit (illumination element 10, display element 20, orientation control element 30, and optical element 40) to the position for the first display mode (a position where the X-direction of the optical element 40 is parallel to both eyes of the observer 3). When the second display mode is selected, the rotation drive unit 60C uses the rotation mechanism 80 to rotate the unit to the position for the second display mode (a position where the Y-direction of the optical element 40 is parallel to both eyes of the observer 3).
その他の構成は、第1実施形態と同じである。 The other components are the same as those of the first embodiment.
[5-2] 空中表示装置1の動作
次に、上記のように構成された空中表示装置1の動作について説明する。
[5-2] Operation of the aerial display device 1 Next, the operation of the aerial display device 1 configured as described above will be explained.
[5-2-1] 空中像2の表示動作
図21の矢印は、光路を示している。図21に示すように、表示素子20の任意の点“o”から出射された光は、配向制御素子30に入射する。表示素子20から出射された光のうち角度θ1の光成分(角度θ1を中心とした所定の角度範囲の光成分を含む)は、配向制御素子30を透過する。配向制御素子30を透過した光は、光学素子40に入射する。光学素子40は、入射光を、配向制御素子30と反対側の空中に結像し、空中に空中像2を表示する。
[5-2-1] Display Operation of the Aerial Image 2 The arrows in Figure 21 indicate the optical path. As shown in Figure 21, light emitted from any point "o" of the display element 20 is incident on the orientation control element 30. Of the light emitted from the display element 20, the optical component at angle θ1 (including the optical component within a predetermined angular range centered on angle θ1 ) is transmitted through the orientation control element 30. The light that has been transmitted through the orientation control element 30 is incident on the optical element 40. The optical element 40 images the incident light into the air on the opposite side of the orientation control element 30, and displays the aerial image 2 in the air.
図24は、光学素子40における光の反射の様子を説明する斜視図である。図25は、光学素子40における光の反射の様子を説明するXZ面の側面図である。図25は、観察者3の両目(すなわち、両目を結ぶ線)がX方向に平行な状態で光学素子40を見た図である。 Figure 24 is a perspective view illustrating the reflection of light in the optical element 40. Figure 25 is a side view of the XZ plane illustrating the reflection of light in the optical element 40. Figure 25 shows the optical element 40 as seen by observer 3 with both eyes (i.e., the line connecting the two eyes) parallel to the X direction.
表示素子20の任意の点“o”から出射された光は、光学素子40の入射面43に入射し、反射面44に到達する。反射面44の法線方向に対して臨界角よりも大きい角度で反射面44に到達した光は、反射面44で全反射され、光学素子40の光学要素42が形成されている側の反対側の平面から出射される。図25のXZ面では、点“o”から出射された光は、光学要素42の反射面44で全反射され、その光は空中で結像されて空中像を生成する。 Light emitted from an arbitrary point "o" on the display element 20 enters the incident surface 43 of the optical element 40 and reaches the reflective surface 44. Light that reaches the reflective surface 44 at an angle greater than the critical angle with respect to the normal direction of the reflective surface 44 undergoes total internal reflection at the reflective surface 44 and is emitted from the plane opposite the side of the optical element 42 on the optical element 40. In the XZ plane of Figure 25, light emitted from point "o" undergoes total internal reflection at the reflective surface 44 of the optical element 42, and this light is imaged in the air to generate an aerial image.
光学素子40における光の反射の様子を説明するYZ面の側面図は、第1実施形態で説明した図9と同じである。図9は、観察者3の両目がY方向に平行な状態で光学素子40を見た図である。図9のYZ面では、点“o”から出射された光は、光学要素42の反射面44で反射されず、その光は空中で結像することがないため空中像の生成に寄与しない。 The side view of the YZ plane illustrating the reflection of light in the optical element 40 is the same as Figure 9 described in the first embodiment. Figure 9 shows the optical element 40 as seen by observer 3 with both eyes parallel to the Y direction. In the YZ plane of Figure 9, light emitted from point "o" is not reflected by the reflective surface 44 of the optical element 42, and therefore does not form an image in the air, and thus does not contribute to the generation of an aerial image.
すなわち、観察者3が空中像を認識できる条件は、観察者3の両眼がX方向に平行、又はそれに近い状態(例えばX方向に対して±10度)である。また、観察者3の両眼がX方向に平行、又はそれに近い状態でY方向に沿って視点を移動した場合、空中像を常に認識することができる。 In other words, the condition for observer 3 to perceive the aerial image is that both of observer 3's eyes are parallel to or nearly parallel to the X direction (for example, ±10 degrees relative to the X direction). Furthermore, if observer 3 moves their viewpoint along the Y direction while both of their eyes are parallel to or nearly parallel to the X direction, they can always perceive the aerial image.
[5-2-2] 2種類の表示モード
次に、2種類の表示モードにおける動作について説明する。空中表示装置1は、空中像2を表示する第1表示モードと、表示素子20の画面に平面像を表示する第2表示モードとの2種類の表示モードを実行することが可能である。表示モードの切り替えは、回転機構80を用いて行われる。
[5-2-2] Two types of display modes Next, the operation in the two types of display modes will be described. The aerial display device 1 is capable of performing two types of display modes: a first display mode that displays an aerial image 2, and a second display mode that displays a planar image on the screen of the display element 20. Switching between display modes is performed using the rotation mechanism 80.
図26は、空中像2を表示する第1表示モードを説明するための空中表示装置1の斜視図である。
第1表示モードにおいて、回転機構80は、光学素子40のX方向が観察者3の両目と平行になるように、照明素子10、表示素子20、配向制御素子30、及び光学素子40からなるユニットを回転させる。
Figure 26 is a perspective view of the aerial display device 1 for illustrating the first display mode for displaying the aerial image 2.
In the first display mode, the rotation mechanism 80 rotates the unit consisting of the illumination element 10, the display element 20, the orientation control element 30, and the optical element 40 so that the X direction of the optical element 40 is parallel to both eyes of the observer 3.
表示素子20は、自身の画面に画像を表示する。第1表示モードにおいて、表示素子20から配向制御素子30を介して光学素子40に入射した光成分は、光学素子40の光学要素42で反射される。そして、空中表示装置1は、図26に示した表示面Aiの位置に空中像2を表示する。 The display element 20 displays an image on its screen. In the first display mode, the light component incident from the display element 20 to the optical element 40 via the orientation control element 30 is reflected by the optical element 42 of the optical element 40. The aerial display device 1 then displays the aerial image 2 at the position of the display surface Ai shown in Figure 26.
図27は、表示素子20の画面に平面像を表示する第2表示モードを説明するための空中表示装置1の斜視図である。
第2表示モードにおいて、回転機構80は、光学素子40のY方向が観察者3の両目と平行になるように、上記ユニットを回転させる。
Figure 27 is a perspective view of the aerial display device 1 to illustrate the second display mode in which a planar image is displayed on the screen of the display element 20.
In the second display mode, the rotation mechanism 80 rotates the unit so that the Y-direction of the optical element 40 is parallel to both eyes of the observer 3.
表示素子20は、自身の画面に画像を表示する。第2表示モードにおいて、表示素子20から配向制御素子30を介して光学素子40に入射した光成分は、光学素子40を透過する。第2表示モードでは、光学素子40により空中像は結像されない。そして、空中表示装置1は、図27に示した表示面Biの位置に平面像21を表示する。 The display element 20 displays an image on its screen. In the second display mode, the light component incident from the display element 20 to the optical element 40 via the orientation control element 30 passes through the optical element 40. In the second display mode, the optical element 40 does not form an aerial image. The aerial display device 1 then displays a planar image 21 at the position of the display surface Bi shown in Figure 27.
このように、空中表示装置1は、第1表示モードにおいて、空中表示装置1の上方の表示面Aiの位置に空中像2を表示することができる。また、空中表示装置1は、第2表示モードにおいて、表示素子20の画面に対応する表示面Biの位置に平面像21を表示することができる。 Thus, in the first display mode, the aerial display device 1 can display the aerial image 2 at the position of the display surface Ai above the aerial display device 1. Furthermore, in the second display mode, the aerial display device 1 can display the planar image 21 at the position of the display surface Bi corresponding to the screen of the display element 20.
図28は、空中表示装置1の表示動作を説明するフローチャートである。ステップS100及びS101の動作は、第1実施形態と同じである。 Figure 28 is a flowchart illustrating the display operation of the aerial display device 1. The operations in steps S100 and S101 are the same as in the first embodiment.
続いて、第1表示モードが選択された場合(ステップS101=Yes)、回転駆動部60Cは、回転機構80を用いて、上記ユニットを第1表示モードの位置に回転させる(ステップS200)。すなわち、回転駆動部60Cは、光学素子40のX方向が観察者3の両目と平行になるように、上記ユニットを回転させる。 Next, if the first display mode is selected (step S101 = Yes), the rotation drive unit 60C uses the rotation mechanism 80 to rotate the unit to the position for the first display mode (step S200). That is, the rotation drive unit 60C rotates the unit so that the X-direction of the optical element 40 is parallel to both eyes of the observer 3.
続いて、表示処理部60Aは、ステップS100で選択した画像を、表示素子20に表示する(ステップS103)。これにより、光学素子40の光学要素42で反射された光成分が空中で結像し、空中像2が表示される。 Next, the display processing unit 60A displays the image selected in step S100 on the display element 20 (step S103). As a result, the light components reflected by the optical element 42 of the optical element 40 are imaged in the air, and the aerial image 2 is displayed.
一方、第2表示モードが選択された場合(ステップS101=No)、回転駆動部60Cは、回転機構80を用いて、上記ユニットを第2表示モードの位置に回転させる(ステップS201)。すなわち、回転駆動部60Cは、光学素子40のY方向が観察者3の両目と平行になるように、上記ユニットを回転させる。 On the other hand, if the second display mode is selected (step S101 = No), the rotation drive unit 60C uses the rotation mechanism 80 to rotate the unit to the position for the second display mode (step S201). That is, the rotation drive unit 60C rotates the unit so that the Y-direction of the optical element 40 is parallel to both eyes of the observer 3.
続いて、表示処理部60Aは、ステップS100で選択した画像を、表示素子20に表示する(ステップS103)。これにより、光学素子40を透過した光成分が観察者3に視認され、表示素子20の画面に表示された平面像21が観察者3に視認される。 Next, the display processing unit 60A displays the image selected in step S100 on the display element 20 (step S103). As a result, the light component transmitted through the optical element 40 is visible to the observer 3, and the planar image 21 displayed on the screen of the display element 20 is visible to the observer 3.
[5-3] 第5実施形態の効果
第5実施形態によれば、第1実施形態と同様に、空中表示装置1は、奥行き方向において異なる2つの位置にそれぞれ2次元の画像を表示することができる。
[5-3] Effects of the Fifth Embodiment According to the fifth embodiment, similar to the first embodiment, the aerial display device 1 can display two-dimensional images at two different positions in the depth direction.
なお、第5実施形態に、第3実施形態及び第4実施形態を適用することも可能である。 Furthermore, it is also possible to apply the third and fourth embodiments to the fifth embodiment.
[6] 第6実施形態
第6実施形態は、第5実施形態の変形例である。
[6] Sixth Embodiment The sixth embodiment is a modified version of the fifth embodiment.
図29は、本発明の第6実施形態に係る空中表示装置1の動作を説明する図である。図29の横軸は、回転機構80による回転角度(度)であり、縦軸は、知覚される像の高さである。回転角度は、第1表示モードにおける表示面Aiを0度、第2表示モードにおける表示面Biを90度とする。 Figure 29 is a diagram illustrating the operation of the aerial display device 1 according to the sixth embodiment of the present invention. The horizontal axis in Figure 29 represents the rotation angle (degrees) by the rotation mechanism 80, and the vertical axis represents the height of the perceived image. The rotation angle is defined as 0 degrees for the display surface Ai in the first display mode and 90 degrees for the display surface Bi in the second display mode.
空中表示装置1の基本的な構成は、第5実施形態と同じである。回転機構80は、照明素子10、表示素子20、配向制御素子30、及び光学素子40からなるユニットを0度から90度の範囲で回転可能である。 The basic configuration of the aerial display device 1 is the same as in the fifth embodiment. The rotation mechanism 80 allows the unit consisting of the illumination element 10, display element 20, orientation control element 30, and optical element 40 to rotate within a range of 0 to 90 degrees.
図29に示すように、知覚される像の高さは、回転角度の変化に応じて線形で変化する。本実施形態では、一例として、回転角度が45度の場合に、光学素子40の上面(すなわち、空中表示装置1の最上面)に像が表示されるように、照明素子10、表示素子20、配向制御素子30、及び光学素子40のZ方向の位置関係が設定される。 As shown in Figure 29, the perceived height of the image changes linearly with respect to the change in rotation angle. In this embodiment, as an example, the Z-direction positional relationship of the illumination element 10, display element 20, orientation control element 30, and optical element 40 is set so that when the rotation angle is 45 degrees, the image is displayed on the upper surface of the optical element 40 (i.e., the uppermost surface of the aerial display device 1).
第3表示モードが選択された場合、回転駆動部60Cは、回転機構80を用いて、上記ユニットを第3表示モードの位置、すなわち、回転角度が45度の位置に回転させる。これにより、空中表示装置1の最上面に表示された像が観察者に視認される。視認される画像の向きは、表示素子20に表示する画像の向きに基づいて調整可能である。 When the third display mode is selected, the rotation drive unit 60C uses the rotation mechanism 80 to rotate the unit to the position for the third display mode, i.e., a position with a rotation angle of 45 degrees. This allows the image displayed on the uppermost surface of the aerial display device 1 to be visible to the observer. The orientation of the visible image can be adjusted based on the orientation of the image displayed on the display element 20.
なお、第3表示モードにおける回転角度は、0度より大きく90度より小さい角度範囲の任意の角度に設定することが可能である。これに応じて、第3表示モードにおける像の高さは、図29の関係を有する特定の位置に設定される。 Furthermore, the rotation angle in the third display mode can be set to any angle within the range greater than 0 degrees and less than 90 degrees. Accordingly, the image height in the third display mode is set to a specific position having the relationship shown in Figure 29.
[7] 変形例
上記実施形態では、表示素子20と光学素子40とを平行に配置している。しかし、これに限定されず、光学素子40に対して表示素子20を斜めに配置してもよい。表示素子20と光学素子40との角度は、0度より大きく45度より小さい範囲に設定される。この変形例では、配向制御素子30を省略できる。
[7] Modified Example In the above embodiment, the display element 20 and the optical element 40 are arranged in parallel. However, the invention is not limited to this, and the display element 20 may be arranged diagonally with respect to the optical element 40. The angle between the display element 20 and the optical element 40 is set to a range greater than 0 degrees and less than 45 degrees. In this modified example, the orientation control element 30 can be omitted.
上記実施形態では、光学要素42の左側の側面が入射面43、右側の側面が反射面44として定義している。しかし、これに限定されず、入射面43と反射面44とを逆に構成してもよい。この場合、実施形態で説明した空中表示装置1の作用も左右が逆になる。 In the above embodiment, the left side of the optical element 42 is defined as the incident surface 43, and the right side is defined as the reflective surface 44. However, the embodiment is not limited to this, and the incident surface 43 and the reflective surface 44 may be configured in reverse. In this case, the operation of the aerial display device 1 described in the embodiment will also be reversed left and right.
上記実施形態では、表示素子20として液晶表示素子を例に挙げて説明しているが、これに限定されるものではない。表示素子20は、自発光型である有機EL(electroluminescence)表示素子、又はマイクロLED(Light Emitting Diode)表示素子などを用いることも可能である。マイクロLED表示素子は、画素を構成するR(赤)、G(緑)、B(青)をそれぞれLEDで発光させる表示素子である。自発光型の表示素子20を用いる場合、照明素子10は不要である。 In the above embodiment, a liquid crystal display element is used as an example for the display element 20, but it is not limited to this. The display element 20 can also be a self-emissive organic electroluminescent (EL) display element or a micro-LED (Light Emitting Diode) display element. A micro-LED display element is a display element that uses LEDs to emit light for the R (red), G (green), and B (blue) components that make up the pixels. When using a self-emissive display element 20, the illumination element 10 is unnecessary.
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and can be modified in various ways during implementation without departing from its essence. Furthermore, each embodiment may be combined as appropriate, and in that case, combined effects can be obtained. Moreover, the above embodiments include various inventions, and various inventions can be extracted by selecting combinations from the multiple disclosed constituent elements. For example, if the problem can be solved and effects obtained even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements shown in the embodiments, then the configuration with these deleted constituent elements can be extracted as an invention.
1…空中表示装置、2…空中像、3…観察者、10…照明素子、11…光源部、12…導光板、13…反射シート、20…表示素子、21…平面像、30…配向制御素子、31,32…基材、33…透明部材、34…遮光部材、40…光学素子、41…基材、42…光学要素、43…入射面、44…反射面、45…平面、46…反射層、47…吸収層、50…切替素子、51a,51b…要素画素、52a,52b…画素、60…制御部、60A…表示処理部、60B…情報処理部、60C…回転駆動部、61…記憶部、62…入出力インターフェース、63…表示部、64…入力部、65…バス、70…光拡散素子、80…回転機構。
1...Aerial display device, 2...Aerial image, 3...Observer, 10...Illumination element, 11...Light source unit, 12...Light guide plate, 13...Reflective sheet, 20...Display element, 21...Planar image, 30...Orientation control element, 31, 32...Substrate, 33...Transparent member, 34...Light shielding member, 40...Optical element, 41...Substrate, 42...Optical element, 43...Incident surface, 44...Reflective surface, 45...Plane, 46...Reflective layer, 47...Absorption layer, 50...Switching element, 51a, 51b...Elemental pixels, 52a, 52b...Pixels, 60...Control unit, 60A...Display processing unit, 60B...Information processing unit, 60C...Rotation drive unit, 61...Storage unit, 62...Input/output interface, 63...Display unit, 64...Input unit, 65...Bus, 70...Light diffusion element, 80...Rotation mechanism.
Claims (10)
前記表示素子からの光を受けるように配置され、交互に配置された複数の第1領域及び複数の第2領域を有し、前記複数の第1領域は、前記表示素子からの光を、前記表示素子と反対側に反射し、空中に空中像を結像するように構成され、前記複数の第2領域は、前記表示素子からの光を透過する、光学素子と、
前記光学素子からの光を受けるように配置され、第1表示モードにおいて、前記複数の第2領域を遮光し、第2表示モードにおいて、前記複数の第1領域を遮光する切替素子と、
を具備する空中表示装置。 A display element that displays an image,
The display element has a plurality of alternately arranged first regions and a plurality of second regions, the plurality of first regions being configured to reflect the light from the display element to the opposite side of the display element and to form an aerial image in the air, and the plurality of second regions being optical elements that transmit the light from the display element.
A switching element is arranged to receive light from the optical element, and in the first display mode, it blocks light from the plurality of second regions, and in the second display mode, it blocks light from the plurality of first regions.
An aerial display device equipped with the following.
前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射面及び反射面を有し、
前記光学素子の前記複数の第2領域はそれぞれ、複数の平面で構成される
請求項1に記載の空中表示装置。 The optical element includes a planar substrate and a plurality of optical elements provided beneath the substrate, each extending in a first direction and arranged in a second direction perpendicular to the first direction, and each provided in a plurality of first regions.
Each of the plurality of optical elements has an incident surface and a reflective surface that are inclined with respect to the normal direction of the substrate and are in contact with each other.
The aerial display device according to claim 1, wherein each of the plurality of second regions of the optical element is composed of a plurality of planes.
前記複数の第1要素画素はそれぞれ、前記複数の第1領域に設けられ、
前記複数の第2要素画素はそれぞれ、前記複数の第2領域に設けられ、
前記複数の第1要素画素及び前記複数の第2要素画素の各々は、透過状態と遮光状態とに設定可能である
請求項2に記載の空中表示装置。 The switching element has a plurality of first element pixels and a plurality of second element pixels that extend in the first direction and are arranged alternately in the second direction,
Each of the plurality of first element pixels is provided in the plurality of first regions,
Each of the plurality of second element pixels is provided in the plurality of second regions,
The aerial display device according to claim 2, wherein each of the plurality of first element pixels and the plurality of second element pixels can be set to a transparent state and a light-shielding state.
前記複数の画素は、透過状態と遮光状態とに設定可能である
請求項3に記載の空中表示装置。 Each of the plurality of first element pixels and the plurality of second element pixels has a plurality of pixels arranged in the first direction,
The aerial display device according to claim 3, wherein the plurality of pixels can be set to a transparent state and a light-shielding state.
請求項2に記載の空中表示装置。 The aerial display device according to claim 2, wherein the optical element includes a reflective layer provided on the reflective surface that reflects light, and an absorbing layer provided on the reflective layer that absorbs light.
請求項1に記載の空中表示装置。 The aerial display device according to claim 1, further comprising an orientation control element disposed between the display element and the optical element, which transmits the oblique light component of the light from the display element.
前記複数の遮光部材は、前記配向制御素子の法線に対して傾いている
請求項6に記載の空中表示装置。 The orientation control element includes a plurality of transparent members and a plurality of light-shielding members arranged alternately.
The aerial display device according to claim 6, wherein the plurality of light-shielding members are inclined with respect to the normal of the orientation control element.
前記光拡散素子は、前記第1表示モードにおいて、光を透過する透過状態に設定され、前記第2表示モードにおいて、光を拡散する拡散状態に設定される
請求項6に記載の空中表示装置。 The system further comprises a light-diffusing element disposed between the orientation control element and the optical element,
The aerial display device according to claim 6, wherein the light diffusing element is set to a light-transmitting state in the first display mode and to a light-diffusing state in the second display mode.
請求項1に記載の空中表示装置。 The aerial display device according to claim 1, wherein the display element, the optical element, and the switching element are arranged parallel to each other.
前記表示素子は、前記照明素子からの光を受けるように配置され、液晶表示素子で構成される
請求項1に記載の空中表示装置。
It further comprises a light-emitting illuminating element,
The aerial display device according to claim 1, wherein the display element is arranged to receive light from the illumination element and is composed of a liquid crystal display element.
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