CN107111150B - 光学设备及操作输入装置 - Google Patents

Abstract

光学设备具有：在与光的射出面平行的面内对光进行引导的导光板；相对于导光板设置在射出面的相反侧，利用在与射出面相反侧的背面及射出面通过的光来检测位于射出面侧的物体的传感器，导光板具有多个光会聚部，这多个光会聚部分别具有将由导光板引导的光射入，且将实质上会聚在空间上的一个会聚点或会聚线上或者实质上从空间上的一个会聚点或会聚线发散的方向的射出光从射出面射出的光学面，会聚点或会聚线在多个光会聚部之间互不相同，通过多个会聚点或会聚线的聚集而在射出面侧的空间上形成像。

Description

光学设备及操作输入装置

技术领域

本发明涉及光学设备及操作输入装置。

背景技术

已知有具有导光板、光源、配置在导光板的表面侧的视差屏蔽方式或阵列透镜方式中的掩模或阵列透镜的可立体观察的显示装置(例如参照专利文献1)。另外，已知有如下的立体的二维图像显示装置，其具有：显示部，其具有显示包含立体像在内的二维图像的平面状的图像显示面；透镜框区域，其与图像显示面平行地分开配置，由多个透镜构成且将具有比二维图像中的立体像大的有效面积的微型阵列透镜及微型阵列透镜的有效区域包围，在位于微型阵列透镜的显示部的相反侧的空间生成显示二维图像的实像的成像面的图像传递面板(例如，参照专利文献2)。

专利文献1：(日本)特开2012－008464号公报

专利文献2：(日本)特开2001－255493号公报

若使用掩模或阵列透镜，则会有难以将检测物体的光学传感器设置在导光板的射出面的相反侧的背面的情况。例如在使用掩模的情况下，具有用于检测物体的检测光实质上被掩模遮住的情况。另外，例如在使用阵列透镜的情况下，具有检测光被阵列透镜较大扩散的情况。

发明内容

本发明第一方面的光学设备具有：导光板，其在与光的射出面平行的面内对光进行引导；传感器，其相对于导光板设置在射出面的相反侧，利用在与射出面相反侧的背面及射出面通过的光来检测位于射出面侧的物体，导光板具有多个光会聚部，这多个光会聚部分别具有将由导光板引导的光射入，且使实质上会聚在空间上的一个会聚点或会聚线上或者实质上从空间上的一个会聚点或会聚线发散的方向的射出光从射出面射出的光学面，会聚点或会聚线在多个光会聚部之间互不相同，通过多个会聚点或会聚线的聚集而在射出面侧的空间上形成像。

多个光会聚部也可以在与射出面平行的面内分别沿着预先规定的线而形成。

多个光会聚部在射出面侧的空间上，在传感器可检测到物体的检测范围内及所述检测范围附近的至少一方可以形成表示受到使用者操作的位置的像。

传感器可以具有将来自射出面侧的空间上的位置的光通过射出面及背面而受光的受光部。

传感器还可以具有将光通过射出面及背面而投射到射出面侧的空间的投光部。在物体存在于从投光部投射到射出面侧的空间的光的光路内的预先规定的范围内的情况下，受光部可以接受被投光部投射而由物体反射的反射光。

多个光会聚部可以在射出面侧的空间上的预先规定的范围内及预先规定的范围附近的至少一方形成表示受到使用者操作的位置的像。

还可以具有多个柱面透镜，其设置在导光板的射出面侧与多个光会聚部对应的位置，分别限制被导光板引导而从射出面射出的来自对应的光会聚部的光的扩展。

传感器也可以通过沿着与射出面正交且与多个柱面透镜的延伸方向平行的面的光来检测物体。

多个柱面透镜也可以沿着与导光板引导光的方向正交的方向而延伸。

多个柱面透镜也可以沿着导光板引导光的方向而延伸。

本发明第二方面的操作输入装置具有：上述的光学设备；判断部，其在由传感器检测到位于射出面侧的物体的情况下，判断为物体处于受到使用者操作的位置。

另外，上述发明的概要并非列举了本发明的全部特征。另外，这些特征组的副组合也可构成本发明。

附图说明

图1将一实施方式的操作输入装置20与在空间上投影的立体像一同概略地表示；

图2概略地表示操作输入装置20的yz平面的截面；

图3概略地表示操作输入装置20的xz平面的截面；

图4概略地表示作为操作输入装置20的变形例的操作输入装置320；

图5概略地表示作为操作输入装置20的变形例的操作输入装置420；

图6概略地表示作为操作输入装置20的变形例的操作输入装置620；

图7概略地表示作为操作输入装置20的变形例的操作输入装置720；

图8概略地表示作为光会聚部30的变形例的光会聚部130及光会聚部132。

标记说明

6：像

7：部分像

10：显示装置

20：操作输入装置

21：光源

30：光会聚部

60：传感器

61：投光部

62：发光部

63：投光侧透镜

64：受光部

65：光致传感器

66：受光侧透镜

70：导光板

71：射出面

72：背面

73、74、75、76：端面

80：控制部

90：手指

130：光会聚部

132：光会聚部

140：部分

180：范围

190：线

300：半反半透镜

320：操作输入装置

400：遮光板

401、402：开口

420：操作输入装置

600：柱面透镜

620：操作输入装置

700：柱面透镜

720：操作输入装置

具体实施方式

以下，通过发明的实施方式对本发明进行说明，但以下的实施方式不限定本发明要求保护的范围。另外，在实施方式中说明的特征的组合的全部不限于必须为发明的解决手段。

图1将一实施方式的操作输入装置20与在空间上投影的立体像一同概略地表示。操作输入装置20具有显示装置10、传感器60及控制部80。操作输入装置20作为虚拟开关起作用。另外，为了便于说明，实施方式的说明中使用的图为概略或示意性的。用于实施方式的说明的图具有不由实际的比例尺描绘的情况。

显示装置10将形成虚拟开关的像6的光射出。像6为使用者在空间上可识别的立体像。像6包含表示在空间上可识别的操作面的部分像7。传感器60对位于部分像7附近的物体的存在进行检测。作为一例，物体是指使用者的手指90。若由传感器60检测到在部分像7附近存在物体，则显示装置10将表示虚拟开关被按下的信号向外部输出。

显示装置10具有将光射出的射出面71。显示装置10通过从射出面71射出的光而形成作为立体像的像6。另外，立体像是指，以位于与显示装置10的射出面71不同的位置的方式被识别的像。立体像是指，例如也包含在从显示装置10的射出面71离开的位置可被识别的二维像。即，立体像不仅为作为立体的形状而被识别的像，也包含在与显示装置10的射出面71上不同的位置可被识别的二维形状的像。

显示装置10具有导光板70、光源21。光源21例如为LED光源。导光板70由透明且折射率较高的树脂材料成形。形成导光板70的材料可以为例如聚碳酸酯树脂(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯树脂(PMMA)、玻璃等。

导光板70具有射出面71相反侧的背面72。另外，导光板70具导光板70的四个端面即端面73、端面74、端面75及端面76。端面73为导光板70的入光端面。在端面73设置光源21，来自光源21的光从端面73向导光板70射入。端面74为端面73相反侧的面。端面76为端面75相反侧的面。导光板70将来自光源21的光在与射出面71平行的面内面状地扩展引导。

在实施方式的说明中，具有使用x轴、y轴及z轴的右手系正交座标系的情况。将z轴方向在与射出面71垂直的方向上设定。将从背面72向射出面71的方向设定为z轴正方向。另外，将y轴方向在与端面73垂直的方向上设定。将从端面73向端面74的方向设定为y轴正方向。x轴为与端面75及端面76垂直的方向，将从端面75向端面76的方向设定为x轴正方向。另外，为了不使记载冗长，也将与xy平面平行的面称为xy面，将与yz平面平行的面称为yz面，将与xz平面平行的面称为xz面。

图2概略地表示操作输入装置20的yz平面的截面。图3概略地表示操作输入装置20的xz平面的截面。

在导光板70的背面72形成有包含光会聚部30a、光会聚部30b及光会聚部30c的多个光会聚部30。光会聚部30在x轴方向上实质上连续地形成。在光会聚部30的x轴方向的各位置射入由导光板70引导的光。光会聚部30使射入到光会聚部30的各位置的光实质上会聚到分别与光会聚部30对应的定点。在图1中，作为光会聚部30的一部分，特别表示了光会聚部30a、光会聚部30b及光会聚部30c，并且表示了在光会聚部30a、光会聚部30b及光会聚部30c分别将从光会聚部30a、光会聚部30b及光会聚部30c各自射出的多个光线会聚的情形。

具体地，光会聚部30a与像6上的定点PA对应。来自光会聚部30a的各位置的光线会聚在定点PA。因此，来自光会聚部30a的光的波面成为从定点PA发出的光的波面。光会聚部30b对应于像6上的定点PB。来自光会聚部30b的各位置的光线会聚在定点PB。这样，来自任意的光会聚部30的各位置的光线实质上会聚在与光会聚部30对应的定点。由此，通过任意的光会聚部30能够提供从对应的定点发光那样的光的波面。各光会聚部30对应的定点互不相同，通过分别对应于光会聚部30的多个定点的聚集而在空间上形成可识别的像6。这样，显示装置10在空间上投影立体像。

在本实施方式中，光会聚部30分别包含在x轴方向上实质上连续而形成的多个反射面。背面72中的反射面的面密度优选为30％以下。任意的光会聚部30分别具有的反射面的反射光会聚在与光会聚部30对应的定点。例如，光会聚部30a具有的多个反射面各自产生的多个反射光的光线会聚在定点PA。另外，光会聚部30b具有的多个反射面各自产生的多个反射光的光线会聚在定点PB。另外，光会聚部30c具有的多个反射面各自产生的多个反射光的光线会聚在定点PC。

在xy面内，被导光板70引导而在导光板70内的各位置通过的光束以将导光板70内的各位置和光源21连接的方向为中心，具有比规定值小的扩展角。在光会聚部30设置在从光源21离开的位置的情况下，由导光板70引导而射入光会聚部30的光成为大致以y轴方向为中心的扩展小的光。因此，例如在包含定点PA且与xz平面平行的面，来自光会聚部30a的光实质上会聚在一个定点。另外，在本说明书中，在导光板内外的点通过的光束的扩展是指，该光束看作从该点发散的光时的光的扩展。另外，也将在导光板内外的点通过的光束的扩展简单地称为光的扩展。

另外，在射入光会聚部30的光在z方向上具有扩展的情况下，来自光会聚部30的光在包含空间上的定点的沿着y轴的线上会聚。但是，为了便于说明实施方式，注意xz面内的光的会聚，以来自会聚部30的光会聚在定点而进行说明。

如图1所示，光会聚部30a沿着线190a而形成。光会聚部30b沿着线190b而形成。光会聚部30c沿着线190c而形成。在此，线190a、线190b及线190c为与x轴大致平行的直线。任意的光会聚部30沿着与x轴大致平行的直线而实质上连续地形成。

这样，光会聚部30在与射出面71平行的面内分别沿着预先规定的线而形成。而且，光会聚部30分别射入由导光板70引导的光，将实质上会聚在空间上的一个会聚点的方向的射出光从射出面71射出。另外，定点在导光板70的背面72侧的情况下，射出光成为从定点发散的方向的光。因此，在定点为导光板70的背面72侧的情况下，光会聚部30具有的反射面使实质上从空间上的一个会聚点发散的方向的射出光从射出面71射出。另外，如后所述地，光会聚部30可以分别由菲涅耳透镜的一部分形成。

传感器60为限定反射型的光传感器。传感器60可检测物体的检测范围实质上限定在射出面71侧的空间上的范围180内。具体地，传感器60具有投光部61和受光部64。范围180为投光部61的投光光芒和受光部64的受光光芒交叉的区域。

更具体地，投光部61将光投射到射出面71侧的空间。投光部61投射的光为用于检测物体的检测光。来自投光部61的检测光通过射出面71及背面72而投射到射出面71侧的空间。

受光部64将来自射出面71侧的空间上的位置的光通过射出面71及背面72而受光。在物体存在于从投光部61投射到射出面71侧的空间的光的光路内的预先规定的范围180内的情况下，受光部64接受从投光部61投射而由物体反射的反射光。

具体地，投光部61具有发光部62及投光侧透镜63。受光部64具有光致传感器65及受光侧透镜66。发光部62将成为检测光的光发光。投光侧透镜63朝向范围180而减小来自入射的发光部62的光的扩展。从投光侧透镜63射出的光通过导光板70而朝向射出面71侧的空间作为检测光而射出。另外，投光部61投射的光也可以为红外光等不可见光。例如，发光部62可以为红外LED。投光部61将不可见光投射，从而能够抑制使用者识别到检测光，能够使使用者仅识别虚拟开关的像6。

在物体存在于范围180内的情况下，检测光被物体反射，反射光朝向受光部64。反射光通过导光板70而射入受光侧透镜66。射入到受光侧透镜66的反射光朝向光致传感器65聚光而射入光致传感器65。在范围180内不存在物体的情况下，检测光不被物体反射，或者反射光不向受光部64射入。控制部80获取表示光致传感器65受光的受光量的信号。控制部80在受光量超过预先规定的阈值的情况下，判断为虚拟开关被按下，将表示虚拟开关被按下的信号向外部的装置输出。这样，控制部80在通过传感器60检测到位于射出面侧的物体的情况下，判断为物体处于受到使用者操作的位置。

在此，像6中的部分像7表示虚拟开关的操作面。部分像7为表示接受使用者操作的位置的像的一例。部分像7在范围180内形成。因此，在物体位于部分像7附近的情况下，检测物体的存在。另外，部分像7无需一定形成在范围180内，只要在范围180附近的位置形成即可。这样，光会聚部30在射出面71侧的空间上传感器60可检测物体的范围180内及传感器60可检测物体的范围180附近的一方形成部分像7。由此，能够判断为虚拟开关被按下。

根据显示装置10，由于导光板70是透明的，故而能够在背面72侧设置光学地检测的传感器60。另外，光会聚部30具有的反射面的面密度可以为30％以下。因此，即使在背面72设置传感器60，也能够由透过导光板70的检测光来检测物体。

图4示意地表示作为操作输入装置20的变形例的操作输入装置320。操作输入装置320除了操作输入装置20具有的构成要素之外，还具有半反半透镜300。

半反半透镜300设置在传感器60与导光板70之间。具体地，半反半透镜300设置在投光部61及受光部64与导光板70的背面72之间。从投光部61投射的光透过半反半透镜300而投射到射出面71侧的空间。由范围180内或范围180附近的物体反射的反射光透过半反半透镜300而射入受光部64。根据操作输入装置320，由于设有半反半透镜300，故而传感器60不易被使用者识别。

图5概略地表示作为操作输入装置20的变形例的操作输入装置420。操作输入装置420除了操作输入装置20具有的构成要素之外，还具有遮光板400。

遮光板400具有开口401及开口402。开口401对应于从投光部61投射的光的光轴而设置。开口402对应于受光部64受光的光的光轴而设置。从投光部61投射的光通过开口401而投射到射出面71侧的空间。由物体反射的反射光通过开口402而射入受光部64。根据操作输入装置320，由于设有遮光板400，故而传感器60不易被使用者识别。

图6概略地表示作为操作输入装置20的变形例的操作输入装置620。图6(a)是概略地表示操作输入装置620的立体图。图6(b)是操作输入装置620的xz面内的剖面图。

操作输入装置620除了操作输入装置620具有的构成要素之外，还具有柱面透镜600。柱面透镜600在导光板70的射出面71侧，设置在与光会聚部30对应的位置。多个柱面透镜600分别沿着x轴方向延伸。这样，多个柱面透镜600分别沿着与导光板70引导光的方向正交的方向而延伸。多个柱面透镜600沿着y轴方向排列设置。

一个光会聚部30的各反射面产生的反射光通过该反射面，以x轴方向的扩展小的状态被从射出面71射出，向与该光会聚部30对应的一个柱面透镜600射入。即，各光会聚部30的各反射面产生的反射光通过反射面以x轴方向的扩展小的状态从射出面71射出，分别向分别与各光会聚部30对应的柱面透镜600射入。柱面透镜600将自对应的光会聚部30射入的反射光以将y轴方向的扩展减小而射出。这样，反射光通过柱面透镜600以扩展变得更小的状态被射出。特别是，柱面透镜600将射出光的y轴方向的扩展减小。由此，使用者从任意方向观察，都能够以实质上从空间上的一点发光的方式识别。因此，通过设置柱面透镜600，能够进一步抑制立体像的模糊、失真等的影响。

这样，通过设置柱面透镜600，能够进一步减小射出光的扩展。另外，柱面透镜600为限制被导光板70引导而从射出面71射出的光的扩展的射出制限部的一例。

如图6(b)所示，传感器60通过沿着xz平面的光来检测物体。即，传感器60通过沿着与射出面71正交且与多个柱面透镜600的延伸方向平行的面的光来检测物体。例如，投光部61的投光光轴及受光部64的受光光轴实质上存在于与射出面71正交且与多个柱面透镜600的延伸方向平行的面内。投光部61及受光部64对应于一个柱面透镜600而设置。例如，投光部61及受光部64以投光部61、受光部64、对应的一个柱面透镜600的顶部及物体的检测范围180实质上位于与柱面透镜600的延伸方向平行的面内的方式设置。因此，柱面透镜600不对传感器60的检测性能产生较大影响。

另外，在操作输入装置620中，多个柱面透镜600实质上覆盖整个射出面71。作为其他实施方式，柱面透镜600设置在射出面71的一部分区域，射出面71的一部分的面不被柱面透镜600覆盖。

图7概略地表示作为操作输入装置20的变形例的操作输入装置720。图7(a)是概略地表示操作输入装置720的立体图。图7(b)为操作输入装置720的xz面内的剖面图。

操作输入装置720除了操作输入装置20具有的构成要素之外，还具有柱面透镜700。柱面透镜700在与光会聚部30的一个反射面对应的位置设置在射出面71。柱面透镜700分别设置在与光会聚部30具有的多个反射面对应的位置。多个柱面透镜700分别沿着y轴方向延伸。这样，多个柱面透镜600分别沿着导光板70引导光的方向而延伸。多个柱面透镜700沿着x轴方向排列设置。

光会聚部30具有的各反射面产生的反射光通过对应的柱面透镜700进一步减小光的扩展而被射出。特别是，柱面透镜700将射出光的x轴方向的扩展减小。因此，通过设置柱面透镜700，能够进一步抑制立体像的模糊等影响。

这样，通过设置柱面透镜700，能够进一步减小射出光的扩展。另外，柱面透镜700为限制射出光的x轴方向的扩展的射出制限部的一例。在显示单元可以不具有透光性的情况下，也可以通过视差阻挡来限制射出光的x轴方向的扩展。

如图7(b)所示，传感器60通过沿着yz平面的光来检测物体。即，传感器60通过沿着与射出面71正交且与多个柱面透镜700的延伸方向平行的面的光来检测物体。具体地，投光部61的投光光轴及受光部64的受光光轴实质上存在于与射出面71正交且与多个柱面透镜700的延伸方向平行的面内。投光部61及受光部64对应于一个柱面透镜700而设置。例如，投光部61及受光部64以投光部61、受光部64、对应的一个柱面透镜600的顶部及物体的检测范围180实质上位于与柱面透镜700的延伸方向平行的面内而设置。因此，柱面透镜700不对传感器60的检测性能产生较大影响。

另外，在操作输入装置720中，多个柱面透镜700实质上覆盖整个射出面71。作为其他实施方式，柱面透镜700也可以设置在射出面71的一部分区域，射出面71的一部分面不被柱面透镜700覆盖。

图8概略地表示作为光会聚部30的变形例的光会聚部130及光会聚部132。图8(a)概略地表示由菲涅耳透镜的一部分形成的一个光会聚部130。另外，在作为菲涅耳透镜起作用的光会聚部130的多个折射面(棱镜面)之间也可以设置间隙。

图8(b)所示的光会聚部132对应于将光会聚部130沿着x轴方向分割成多个部分140a、部分140b、部分140c、部分140d、部分140e、部分140f、部分140g及部分140h的构成。来自光会聚部132的各部分140的光会聚在同一定点。这样，通过将光会聚部分割成多个部分，具有产生所谓的黑矩阵效应而提高像的对比度的情况。另外，除了反射面或菲涅耳透镜之外，作为光会聚部30，也可以使用衍射晶格。

以上，使用实施方式对本发明进行了说明，但本发明的技术范围不限于上述实施方式记载的范围。本领域技术人员可对上述实施方式进行多种变更或改良。由权利要求的保护范围可明了，施加了这样的变更或改良的方式也包含在本发明的技术范围中。

在权利要求、说明书及附图中表示的装置、系统、程序及方法中的动作、顺序、步骤及阶段等各处理的执行顺序不特别明示为“更前”、“之前”，另外，应留意，只要不在后处理中使用前处理的输出，则能够以任意的顺序实现。关于权利要求、说明书及附图中的动作流程，为了便于说明，即使使用“首先”、“接着”等来说明，也并非意味着必须以该顺序进行。

Claims (9)

1.一种光学设备，其具有：

导光板，其在与光的射出面平行的面内对光进行引导；

传感器，其相对于所述导光板设置在所述射出面的相反侧，利用在与所述射出面相反侧的背面及所述射出面通过的光来检测位于所述射出面侧的物体，

所述导光板具有多个光会聚部，该多个光会聚部分别具有供由所述导光板引导的光射入，且使实质上会聚在空间上的一个会聚点或会聚线上或者实质上从空间上的一个会聚点或会聚线发散的方向的射出光从所述射出面射出的光学面，

所述会聚点或会聚线在所述多个光会聚部之间互不相同，通过多个所述会聚点或会聚线的聚集而在所述射出面侧的空间上形成像，

所述传感器具有将来自所述射出面侧的空间上的位置的光通过所述射出面及所述背面而受光的受光部、及将光通过所述射出面及所述背面而投射到所述射出面侧的空间的投光部，

在所述物体存在于从所述投光部投射到所述射出面侧的空间的光的光路内的预先规定的范围内的情况下，所述受光部接受被所述投光部投射而由所述物体反射的反射光。

2.如权利要求1所述的光学设备，其中，

所述多个光会聚部在与所述射出面平行的面内分别沿着预先规定的线而形成。

3.如权利要求1或2所述的光学设备，其中，

所述多个光会聚部在所述射出面侧的空间上，在所述传感器可检测到物体的检测范围内及所述检测范围附近的至少一方形成表示受到使用者操作的位置的所述像。

4.如权利要求1所述的光学设备，其中，

所述多个光会聚部在所述射出面侧的空间上的所述预先规定的范围内及所述预先规定的范围附近的至少一方形成表示受到使用者操作的位置的所述像。

5.如权利要求1所述的光学设备，其中，

还具有多个柱面透镜，其设置在所述导光板的所述射出面侧与所述多个光会聚部对应的位置，分别限制被所述导光板引导而从所述射出面射出的来自对应的光会聚部的光的扩展。

6.如权利要求5所述的光学设备，其中，

所述传感器通过沿着与所述射出面正交且与所述多个柱面透镜的延伸方向平行的面的光来检测所述物体。

7.如权利要求5或6所述的光学设备，其中，

所述多个柱面透镜沿着与所述导光板引导光的方向正交的方向而延伸。

8.如权利要求5或6所述的光学设备，其中，

所述多个柱面透镜沿着所述导光板引导光的方向而延伸。

9.一种操作输入装置，其具有：

权利要求3或4所述的光学设备；

判断部，其在由所述传感器检测到位于所述射出面侧的物体的情况下，判断为所述物体处于受到所述使用者操作的位置。