JP2025082905A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 薄型化が可能な表示装置を提供する。
【解決手段】 本発明の空中像表示装置１００は、ハウジング１１０と、ハウジング１１０の表面に形成されたビームスプリッター１２０と、ビームスプリッター１２０と対向するように配置され、空中像の原画像の意匠を生成するための切り欠きまたは開口が形成された再帰反射シート１３０と、再帰反射シート１３０を裏面側から照射する光源１４０と、ビームスプリッター１２０と、再帰反射シート１３０との間に配置された屈折率が１より小さいメタマテリアル層１５０とを含む。光源１４０によって照射された意匠Ｑの空中像Ｐがハウジング１１０の上方に浮遊距離Ｌｂ（Ｌｂ＞Ｌｘ）で表示される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、再帰反射を利用して空中に映像を表示する機能を備えた表示装置に関する。

再帰反射を用いた空中表示（Ａｅｒｉａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ ｂｙ Ｒｅｔｒｏ－Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＡＩＲＲ）が知られている。例えば、特許文献１は、ハーフミラーと、ハーフミラーの一面に向けて光を出力する画像出力装置と、画像出力装置とハーフミラーとの間に配置され、複数の開口が形成された再帰反射部材とを備える表示装置を開示している。また、特許文献２は、発光部を有する面状発光体と、面状発光体の出射面側に配置され、発光部に対応する位置に空中表示する図形を表した複数の貫通孔を有する再帰反射シートと、再帰反射シートの出射面側に配置されたハーフミラーとを備える空中表示装置を開示している。

特開２０１８－８１１３８号公報 特開２０２２－１４０２６４号公報

ＡＩＲＲ方式の空中表示システムとして、光源にＬＥＤを用い、固定表示パターンを空中に表示させるものがある。このような表示装置は、小型化、薄型化を図るため、各光学部品が互いに向かうように配置されており、その一構成例を図１に示す。

図１（Ａ）は、従来の空中像表示装置の模式的な平面図、図１（Ｂ）は、そのＡ－Ａ線概略断面図である。空中像表示装置１０は、矩形状のハウジング２０の表面に取り付けられたビームスプリッター３０と、ビームスプリッター３０と対向するようにハウジング２０の内部に配置された再帰反射シート４０と、ＬＥＤ等の光源５０とを有する。再帰反射シート４０には、切り欠きまたは開口４２が形成され、切り欠き４２は、空中像Ｐの原画像をなる意匠（固定表示パターン）Ｑを生成する。図１（Ａ）の空中像Ｐは、装置の電源オン／オフを表すアイコンを例示している。

再帰反射シート４０の裏面側から光源５０で照射すると、切り欠き４２を通過した光が再帰反射シート４０とビームスプリッター３０との間で再帰反射され、意匠Ｑの空中像Ｐがハウジング２０の上方に表示される。空中像Ｐの浮遊距離Ｌ１は、ビームスプリッター３０から再帰反射シート４０（または意匠Ｑ）の距離Ｌ２と等価である。ハウジング２０の高さＨの薄型化を図るために、距離Ｌ２を小さくすると、空中像Ｐの浮遊距離Ｌ１が短くなり、空中像Ｐが浮いている感が薄れるといった課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決し、空中像の浮遊距離を保ちつつ薄型化が可能な表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る再帰反射を利用して空中像を表示可能な表示装置は、入射した光の一部を透過し残りを反射する光学部材と、前記光学部材と対向するように配置され、空中像の原画像の意匠を生成するための切り欠きまたは開口が形成された再帰反射部材と、前記再帰反射部材を裏面側から照射する光源と、前記光学部材と前記再帰反射部材との間に配置され、屈折率が１よりも小さい物質から構成される透明な中間層とを含む。

ある態様では、前記透明な中間層は、メタマテリアルから構成される。ある態様では、前記空中像は、前記透明な中間層の屈折率に応じた浮遊距離で前記光学部材の上方に表示される。ある態様では、前記光学部材は、ハーフミラー、ビームスプリッターまたは偏光ビームスプリッターである。

本発明によれば、光学部材と再帰反射部材との間に屈折率が１よりも小さい中間層を設けることで、光学部材を透過する光の屈折角を小さくし、空中像をより遠方に結像させることができる。このため、光学部材と再帰反射部材との間の距離を小さくて表示装置の薄型化を図る一方で、空中像の浮遊距離を大きくすることができる。

図１（Ａ）は、従来の空中像表示装置の平面図、図１（Ｂ）は、そのＡ－Ａ線の概略断面図である。 本発明の実施例に係る空中像表示装置の平面図、図２（Ｂ）は、そのＡ－Ａ線の概略断面図である。 従来の空中像表示装置により生成される空中像のシミュレーション結果および本実施例の空中像表示装置により生成される空中像のシミュレーション結果を示す図である。

本発明に係る表示装置は、特殊なメガネ等をかけなくても３次元空間内に再帰反射を用いた空中像を表示する。以下の実施例の説明で参照される図面は、発明の理解を容易にするために誇大した表示を含んでおり、実際の製品の形状やスケールをそのまま表したものではないことに留意すべきである。

次に、本発明の実施例について詳細に説明する。図２は、本発明の実施例に係る空中像表示装置の概略断面図であり、この断面図は、図１（Ａ）のＡ－Ａ線断面に相当する。

本実施例の空中像表示装置１００は、例えば、矩形状のハウジング１１０と、ハウジング１１０の表面に取り付けられたビームスプリッター１２０、ビームスプリッター１２０と対向するようにハウジング１１０内に取り付けられた再帰反射シート１３０、再帰反射シート１３０の裏面側に配置された光源１４０、ビームスプリッター１２０と再帰反射シート１３０との間の空間を埋めるように配置されたメタマテリアル層１５０とを含んで構成される。

ビームスプリッター１２０は、入射した光の一部を透過し残りを反射する光学部材、すなわち入射光を一定の割合で透過光と反射光に分離する光学部材である。ビームスプリッター１２０は、例えばハーフミラーである。また、偏光された光を利用する場合には、ビームスプリッター１２０には、偏光ビームスプリッターが用いられる。

再帰反射シート１３０は、ビームスプリッター１２０と対向するように配置されされる。再帰反射シート１３０は、入射光と同じ方向に光を反射する光学部材であり、例えば、三角錐型再帰反射素子、フルキューブコーナー型再帰反射素子などのプリズム型再帰反射素子やビーズ型再帰反射素子によって構成される。

再帰反射シート１３０の形状や大きさは、特に限定されないが、再帰反射シート１３０には、空中像Ｐの原画像となる意匠Ｑを生成するための切り欠きまたは開口が形成される。例えば、図１（Ａ）に示したように、意匠Ｑは、電源のオン／オフを表すアイコンである。但し、再帰反射シート１３０に形成される意匠の種類（文字、アイコンなど）や数は任意である。

再帰反射シート１３０の裏面側には光源１４０が配置される。光源１４０は、特に限定されないが、例えば、ＬＥＤ光源、液晶等のディスプレイ光源、プロジェクタなどの投射光源などである。ＬＥＤ光源を用いる場合には、例えば、複数のＬＥＤが線状または面状に配置され、再帰反射シート１３０の裏面全体を効率よく、満遍なく照射するようにしてもよい。また、拡散板や拡散シートを併用して再帰反射シート１３０の裏面側が均一に照射されるようにしてもよい。

ビームスプリッター１２０と再帰反射シート１３０との間に、屈折率が１より小さい光透過性の透明な物質、すなわちメタマテリアル層１５０が充填または配置される。メタマテリアル層１５０は、その上面がビームスプリッター１２０に接し、その底面が再帰反射シート１３０に接するように概ね一定の膜厚で形成される。但し、メタマテリアル層１５０は、その膜厚や形状を特に限定されるない。

メタマテリアルとは、自然界の物質には無い振る舞いをする人工物質または人工材料であり、ここでは、屈折率が１よりも小さい性質を有する。メタマテリアルは、一般的に微細な構造やパターンが周期的に配置され、これによって光の屈折を制御することが可能である。一般的なメタマテリアルの構成要素には、例えば、金属、誘電体、磁性体、炭素ナノチューブや金属ナノワイヤー、シリコンやプラスチックなどがある。メタマテリアル層１５０を介在させることで、ビームスプリッター１２０を透過する光の屈折角を、メタマテリアル層１５０が存在しない空気層のときの屈折率よりも小さくすることができる。

次に、本実施例の空中像表示装置１００の動作について説明する。光源１４０からの光は、再帰反射シート１３０の裏面側を照射し、照射した光は、再帰反射シート１３０に形成された切り欠きまたは開口を通過することで、空中像Ｐの原画像である意匠Ｑが生成される。切り欠きまたは開口を透過した光は、メタマテリアル層１５０を介してビームスプリッター１２０でその一部が反射され、次いで、再帰反射シート１３０で再帰反射された光がメタマテリアル層１５０を介してビームスプリッター１２０から透過し、意匠Ｐの空中像Ｑが再結像される。

ビームスプリッター１２０と再帰反射シート１３０との間にメタマテリアル層１５０を埋めることで、その空間が空気層であるときと比較して、ビームスプリッター１２０を透過する光の屈折角が小さくなり、空中像Ｐを遠くに結像させることができ、すなわち浮遊距離Ｌｂを大きくすることができる。

比較例として、図２に示す空中像Ｐ１は、ビームスプリッター１２０と再帰反射シート１３０との間にメタマテリアル層１５０を存在させない空気層としたときの結像位置であり、そのときの浮遊距離Ｌａは、ビームスプリッター１２０と再帰反射シート１３０（または意匠Ｑ）との距離Ｌｘに等価である（Ｌａ＝Ｌｘ）。一方、空中像Ｐは、ビームスプリッター１２０と再帰反射シート１３０との間の距離Ｌｘの空間をメタマテリアル層１５０で埋めたときの結像位置であり、その浮遊距離Ｌｂは、メタマテリアル層１５０がないときの浮遊距離Ｌａよりも大きい（Ｌｂ＞Ｌａ）。浮遊距離Ｌｂは、概ねメタマテリアル層１５０の屈折率に応じて決定される。

このことにより、ビームスプリッター１２０と再帰反射シート１３０までの間隔Ｌｘを短くしても、つまりハウジングの薄型化を図ったとしても、空中像Ｐの浮遊距離Ｌｂを伸ばすことができ、浮いている感を出すことができる。

また、本実施例の別な態様では、光源１４０は、偏光板または偏光フィルターを含み、偏光された光で再帰反射シート１３０の裏面側を照射するようにしてもよい。この場合、再帰反射シート１３０の表面側に、位相差フィルムとして、例えばλ／４フィルムを設け、ビームスプリッター１２０に偏光ビームスプリッターを用いる。偏光ビームスプリッターは、ある偏光状態の光の一部を透過し残りを反射する。偏光板または偏光フィルムの偏光状態は、偏光ビームスプリッターの偏光状態との関係において決められる。

図３の上側は、従来の液晶表示装置によって生成される空中像のシミュレーション結果を示し、下側は、本実施例の液晶表示装置によって生成される空中像のシミュレーション結果を示している。従来の液晶表示装置において、再帰反射シートと偏光ビームスプリッターとの間は空気層であり、アイポイントからは、空気層の厚さと同じ浮遊距離で生成された空中像が視認される。

これに対し、本実施例の液晶表示装置では、空気層の代わりに、屈折率が１より小さい透明体であるメタマテリアル層を埋め込むことで、空気層のときよりも結像位置が伸びた空中像が表示され、アイポイントからは、空気層のときよりも浮遊距離が大きい空中像が視認される。

本実施例の空中像表示装置は、あらゆる機器の情報の表示やユーザー入力に適用することができ、例えば、コンピュータ装置、車載用電子機器、銀行等のＡＴＭ、駅等のチケットの購入機、エレベータの入力ボタンなどに適用することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の要旨の範囲において、種々の変形、変更が可能である。

１００：空中像表示装置
１１０：ハウジング
１２０：ビームスプリッター
１３０：再帰反射シート
１４０：光源
１５０：メタマテリアル層
Ｐ：空中像
Ｑ：意匠（原画像）

Claims (4)

1. 再帰反射を利用して空中像を表示可能な表示装置であって、
   入射した光の一部を透過し残りを反射する光学部材と、
   前記光学部材と対向するように配置され、空中像の原画像の意匠を生成するための切り欠きまたは開口が形成された再帰反射部材と、
   前記再帰反射部材を裏面側から照射する光源と、
   前記光学部材と前記再帰反射部材との間に配置され、屈折率が１よりも小さい物質から構成される透明な中間層と、
   を含む表示装置。
2. 前記透明な中間層は、メタマテリアルから構成される、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記空中像は、前記透明な中間層の屈折率に応じた浮遊距離で前記光学部材の上方に表示される、請求項１に記載の表示装置。
4. 前記光学部材は、ハーフミラー、ビームスプリッターまたは偏光ビームスプリッターである、請求項１に記載の表示装置。

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