JP2014013319A

JP2014013319A - 光学システム

Info

Publication number: JP2014013319A
Application number: JP2012150668A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Tsujino; 和也辻埜
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2014-01-23

Abstract

【課題】結像を妨げる物体があっても、空中映像の視認性が低下しにくい光学システムを提供する。
【解決手段】本発明の実施形態による光学システム１００Ａは、表示領域を有する表示パネル１０と、光学素子２０と、物体検出装置３０とを備える。光学素子２０は、表示パネルが表示する画像を光学素子２０の表示パネル１０側とは反対側に結像させるように配置されている。物体検出装置３０は、光学素子２０により空中に結像される光を遮る物体Ｚを検出し、物体検出装置３０により検出した物体Ｚの位置情報に応じて、表示パネル１０の表示領域のうち物体Ｚにより光が遮られる領域に対応する領域には画像が表示されない。
【選択図】図１

Description

本発明は、空間に被投影物の像を結像させることができる光学システムに関する。

最近、反射型結像素子を用いて空間に被投影物を結像させる光学システムが提案されている（例えば、特許文献１〜３）。光学システムは反射型結像素子と被投影物とを有し、空間に表示される像（以下、「空中映像」という。）は、反射型結像素子を対称面とする面対称な位置に、被投影物の像が結像したものである。この光学システムは、反射型結像素子の鏡面反射を利用しており、原理上、被投影物の像と空間に映し出される像との大きさの比は、１：１である。

特許文献４には、例えばカメラを用いて、反射型結像素子により空中に結像された空中映像に対する観察者のアクセスを検知して、空中映像と観察者との好適なインタラクションをもたらす空中映像インタラクション装置が開示されている。

特開２００８−１５８１１４号公報国際公開第２００９／１３６５７８号国際公開第２００７／１１６６３９号国際公開第２００８／１２３５００号

発明者の検討によると、特許文献４に開示されている空中映像インタラクション装置では、例えば、人の手を検知することができるが、反射型結像素子上に置かれた物体は検知することができない。そのため、上記装置では、空中映像を形成する光がこの物体により遮られた場合、空中映像の一部が欠けて表示されてしまい、視認性が低下するという問題がある。また、空中映像を形成する光を遮る物体があるかどうかを人が確認し、それを除去するのも手間が掛かる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、結像を妨げる物体があっても、空中映像の視認性が低下しにくい光学システムを提供することにある。

本発明の実施形態における光学システムは、表示領域を有する表示パネルと、光学素子と、物体検出装置とを備え、前記光学素子は、前記表示パネルが表示する画像を前記光学素子の前記表示パネル側とは反対側に結像させるように配置されており、前記物体検出装置は、前記光学素子により空中に結像される光を遮る物体を検出し、前記物体検出装置により検出した前記物体の位置情報に応じて、前記表示パネルの前記表示領域のうち前記物体により前記光が遮られる領域に対応する領域には画像が表示されない。

ある実施形態において、前記光学素子は、反射型結像素子である。

ある実施形態において、前記光学素子はハーフミラー素子であって、前記光学システムは再帰性反射素子をさらに有し、前記ハーフミラー素子は、前記表示パネルの前記表示領域から発せられ、前記ハーフミラー素子に入射された光を反射させるとともに、前記ハーフミラー素子により反射された光が前記再帰性反射素子に入射され、前記再帰性反射素子により再帰反射された光を透過させる。

本発明の実施形態により、結像を妨げる物体があっても、空中映像の視認性が低下しにくい光学システムが提供される。

（ａ）は本発明の実施形態による光学システム１００Ａの模式的な斜視図であり、（ｂ）は光学システム１００Ａの模式的な側面図であり、（ｃ）は空中映像欠損調整装置５０を示すブロック図である。物体検出装置３０を説明するための模式的な平面図である。（ａ）は物体Ｚにより空中映像の一部が欠けることを説明する模式的な斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った模式的な側面図である。図３（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った模式的な側面図である。光学システム１００Ａの模式的な側面図である。光学システム１００Ａの模式的な側面図である。表示パネル１０の模式的な平面図である。光学システム１００Ｂの模式的な側面図である。（ａ）は再帰性反射素子２１の一例を説明する模式的な図であり、（ｂ）は（ａ）に示した再帰性反射素子２１が有する１つの再帰性反射要素２１Ａの模式的な図である。（ａ）は再帰性反射素子２１の一例を説明する模式的な図であり、（ｂ）は（ａ）に示した再帰性反射素子２１が有する１つの再帰性反射要素２１Ｂの模式的な図である。光学システム１００Ｂの結像原理を説明するための模式的な側面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明するが、本発明は例示する実施形態に限定されない。

図１および図２を参照して、本発明の実施形態における光学システム１００Ａを説明する。図１（ａ）は光学システム１００Ａを説明する模式的な斜視図である。図１（ｂ）は光学システム１００Ａの模式的な側面図である。図１（ｃ）は空中映像欠損調整装置５０を示すブロック図である。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示す光学システム１００Ａは、表示領域を有する表示パネル（例えば、液晶表示パネル）１０と、光学素子２０と、物体検出装置３０とを備える。光学素子２０は、表示パネル１０が表示する画像を光学素子２０の表示パネル１０側とは反対側に結像させるように配置されている。物体検出装置３０は、光学素子２０により空中に結像される光を遮る物体を検出し、物体検出装置３０により検出した物体の位置情報に応じて、表示パネル１０の表示領域のうち物体により光が遮られる領域に対応する領域には画像が表示されない。

光学システム１００Ａにより、例えば空中に結像する光を遮る物体が光学素子２０上にあっても、空中映像（画像）７０の一部が欠けて表示されないようにでき、空中映像７０の視認性が低下しにくい。

光学システム１００Ａにおいて、光学素子２０として例えば特許文献１〜３に開示されている反射型結像素子が用いられる。また、このような反射型結像素子は機械的強度が弱いので、反射型結像素子を挟むように透明な基板（例えば、ガラス基板）を配置してもよい。さらに、反射型結像素子の片面側だけに透明な基板を配置してもよい。

光学システム１００Ａでは、例えば表示パネル１０がデスク（机）４０に内蔵されており、デスク４０の天板４０ａの一部に光学素子（例えば、反射型結像素子）２０が組み込まれている。例えば、ＯＡ機器用のディスプレイを内蔵したデスクは特許第３６００７８８号公報に記載されている。

物体検出装置３０としては、例えば特許第２６８３０９３号公報に記載されている装置を用いることができる。この装置は、Ｘ軸およびＹ軸を形成する各辺にそれぞれ発光素子と受光素子との対からなる２次元走査装置を配置してＸＹ座標空間を形成し、これらの各座標の発光素子を順次発光させることによって、その光ビームで２次元の走査を行うというもので、検出対象の物体が遮光した座標位置を求めることができる。

ＸＹ座標を規定する発光素子および受光素子は、例えば光学素子２０の４辺に対応させて配置されることが好ましい。また、光学システム１００Ａのようにデスク４０を利用する場合は、デスク４０の天板４０ａの４辺に対応させて発光素子および受光素子を配置してもよい。その場合、光学素子２０がない部分に置かれた物体も検出対象となり得るが、その部分で得られた検出情報は無視すればよい。

図１（ｃ）に示すように、光学システム１００Ａは例えば空中映像欠損調整装置５０を有する。空中映像欠損調整装置５０では、物体検出装置３０により検出された物体の位置情報が物体位置検出部５０ａで計算される。そして、空中映像欠損領域計算部５０ｂで、空中映像７０が欠ける領域の位置情報およびそれに対応する表示パネル１０の表示領域の位置情報に変換される。そして、この情報を元に、映像元表示映像調整部５０ｃが、欠けのない空中映像７０が得られるように表示パネル１０の表示画像を調整する。

次に、図２を参照しながら、物体検出装置３０について詳細に説明する。図２は物体検出装置３０を説明するための模式的な平面図である。

図２に示すように、例えば光学素子２０の４辺に対応させて、ＸおよびＹ方向の発光素子アレイ３１ａおよび３２ａならびにＸおよびＹ方向の受光素子アレイ３１ｂおよび３２ｂを配置する。このとき、Ｘ方向の発光素子アレイ３１ａとＸ方向の受光素子アレイ３１ｂとが対向するよう配置され、Ｙ方向の発光素子アレイ３２ａとＹ方向の受光素子アレイ３２ｂとが対向するよう配置される。

図２に示すように、物体検出装置３０が物体を検出する範囲内に物体Ｚが置かれていると、例えばＸ方向の発光素子アレイ３１ａから出た光の一部が物体Ｚにより遮蔽される。この場合、Ｘ方向の受光素子アレイ３１ｂの８〜１４（位置番号）に向かう光が遮蔽され、Ｙ方向の受光素子アレイ３２ｂの１〜６（位置番号）に向かう光が遮蔽される。遮蔽された光は各受光素子アレイ３１ｂおよび３２ｂで受光されないので、位置番号から物体Ｚの位置および大きさがわかる。

次に、図３および図４を参照しながら、物体Ｚにより遮蔽された光と空中映像７０の欠ける領域との関係を説明する。図３（ａ）は光学システム１００Ａの模式的な斜視図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った光学システム１００Ａの模式的な側面図である。図４は、図３（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った模式的な側面図である。

図３（ａ）に示すように、物体Ｚが光学素子２０の左手前に置かれ、空中映像７０の一部が欠けて見えなくなったとする。

図３（ｂ）からわかるように、表示パネル１０の表示領域から発せられた光のうちの一部が物体Ｚに遮られ空中映像７０として結像されず、空中映像７０の一部が欠けた状態（欠けた領域７０’）になる。ここで、物体Ｚの位置は、物体検出装置３０によりわかる。つまり、物体Ｚの手前（Ａに近い側）の点Ｙ０と奥（Ａ’に近い側）の点Ｙ２のＹ座標はわかっている。ここで、点Ｙ２から表示パネル１０の表示面（表示領域）に対して垂直な線と表示パネル１０との交点を点Ｙ２ａとすると、Ｙ２ａよりも手前（Ａ側）に近い表示パネル１０の表示領域から出射された光は物体Ｚにより、遮られることがわかる。

一方、点Ｙ２ａよりも奥側（Ａ’側）の表示パネル１０の表示領域から出射された光は、物体Ｚにより遮られず空中に結像する。点Ｙ２ａの位置は、Ｙ２ａの位置情報（Ｘ，Ｙ座標）ならびに表示パネル１０の設置角度および位置情報から以下のように求められる。

図３（ｂ）において、表示パネル１０に平行な直線と光学素子２０に平行な直線との交点を点Ｏとし、またそれらの直線がなす角をθとし、直線ＯＹ２ａの長さをＴとし、直線ＯＹ２の長さをＳとすると、Ｔ＝Ｓ×cｏｓθ（式（１））を満たす。

長さＴは、物体検出装置３０により点Ｙ２の位置がわかっており、点Ｏの位置も表示パネル１０と光学素子２０との配置関係により決まっているので求められる。また、角度θも表示パネル１０と光学素子２０との配置により決まる。以上から、上記式（１）により長さＴが求まる。

さらに、点Ｙ１ａを表示パネル１０の最も手前側（Ａ側）の位置とすると、点Ｙ１ａの位置は表示パネル１０と光学素子２０との配置により予め決まっている。

以上の結果から、表示パネル１０の点Ｙ１ａおよびＹ２ａの間の領域から発せられる光が物体Ｚにより遮られ、それに対応する領域の空中映像の領域７０’が欠ける。

図３（ｂ）に示された側面図からも分かるように、表示パネル１０から出射された光が物体Ｚにより遮られて、それに対応する領域の空中映像の領域７０’が欠ける。

ここで、物体Ｚの位置は、上述の物体検出装置３０により分かっている。つまり、図４に示された、点Ｘ０と点Ｘ２の座標が分かっている。ここで、点Ｘ２から表示パネル１０の表示面に対して垂直に下ろした直線と表示パネル１０との交点を点Ｘ２ａとすると、図４に示した点Ｘ２ａよりも左側の表示パネル１０から出射された光は物体Ｚにより遮られることが分かる。

一方、図４において、点Ｘ２ａよりも右側の表示パネル１０から出射された光は物体Ｚにより遮られず、空中に結像する。点Ｘ２ａの位置は、点Ｘ２から求められる。さらに、図４において、表示パネル１０の最も左側の点を点Ｘ１ａとすると、点Ｘ１ａの位置は表示パネル１０と光学素子２０との配置関係により、予め分かっている。

以上から、表示パネル１０の点Ｘ１ａと点Ｘ２ａの点の間の領域から発せられる光が物体Ｚにより遮られ、それに対応する空中映像の領域７０’が欠けてしまうことが分かる。

次に図５〜図７を参照しながら、欠けのない空中映像７０を得るための画像を表示パネル１０に表示させる方法を説明する。図５および図６は光学システム１００Ａの模式的な側面図である。図５は図３（ｂ）に対応しており、図６は図４に対応している。図７は表示パネル１０の模式的な平面図である。

図３（ｂ）で示したように、表示パネル１０の表示領域のうち物体Ｚにより光が遮られてしまう領域が分かっているので、図５に示すように、光が遮られてしまう領域（点Ｙ１ａから点Ｙ２ａの間の領域）以外の領域だけ画像を表示するように、表示パネル１０を調整する。

同様に、図４で示したように、表示パネル１０の表示領域のうち物体Ｚにより光が遮られてしまう領域が分かっているので、図６に示すように、光が遮られてしまう領域（点Ｘ１ａから点Ｘ２ａの間の領域）以外の領域だけ画像を表示するように、表示パネル１０を調整する。

以上をまとめると、図７に示すように、表示パネル１０の表示領域のうち点Ｘ２ａよりも右側であって、点Ｙ２ａよりも上側の領域にだけ画像を表示させればよい（図７の領域１０ａ参照）。また、その際、画像の縦横比を変えないように適当に表示領域のサイズを調整することが好ましい。

光学システム１００Ａにより、空中に結像する光を遮るような物体Ｚが光学素子２０上にあっても、空中映像７０の一部が欠けて表示されることを防ぐことができ、空中映像の視認性が低下しない。

次に、図８を参照しながら、本発明の他の実施形態による光学システム１００Ｂを参照する。光学システム１００Ａと共通する構成要素には同じ参照符号を付し、説明の重複を避ける。

光学システム１００Ｂでは光学素子２０としてハーフミラー素子２０ａを用いている。さらに、光学システム１００Ｂは再帰性反射素子（レトロリフレクタアレイ）２１を有している。ハーフミラーとレトロリフレクタアレイを有する光学システムは、例えば特許文献４（例えば、特許文献４の図１２〜図１４）に開示されている。

ハーフミラー素子２０ａは、表示パネル１０の表示領域から発せられ、ハーフミラー素子２０ａに入射された光を反射させるとともに、ハーフミラー素子２０ａにより反射された光が再帰性反射素子２１に入射され、ハーフミラー素子２０ａが再帰性反射素子２１により再帰反射された光を透過させることにより、表示パネル１０に映しだされた画像を空中に結像させる。

次に、図９および図１０を参照しながら再帰性反射素子２１を説明する。図９（ａ）および図１０（ａ）は、それぞれ再帰性反射素子２１の一例を示す模式的な図である。図９（ｂ）および図１０（ｂ）は、それぞれ図９（ａ）および図１０（ａ）に示した再帰性反射素子２１が有する再帰性反射要素２１Ａ、２１Ｂの模式的な図である。

再帰性反射素子２１は、入射光を精度よく逆反射させるものが好ましい。例えば、図９（ａ）および図１０（ａ）のそれぞれに示す再帰性反射素子２１は、立方体内角の１つの角を利用するコーナーキューブの集合であるコーナーキューブアレイである。図９（ａ）に示す再帰性反射素子２１の例では、個々の再帰性反射要素２１Ａは、３つの同形同大の直角二等辺三角形をなす鏡面２１Ａａ、２１Ａｂおよび２１Ａｃを１点に集合させて正面視した場合に正三角形を形成するものであり、これらの３つの鏡面２１Ａａ、２１Ａｂおよび２１Ａｃは互いに直交してコーナーキューブを構成している。

図１０（ａ）に示す再帰性反射素子２１の例では、個々の再帰性反射要素２１Ｂは、３つの同形同大の正方形をなす鏡面２１Ｂａ、２１Ｂｂおよび２１Ｂｃを１点に集合させて正面視した場合に正六角形を形成するものであり、これらの３つの鏡面２１Ｂａ、２１Ｂｂおよび２１Ｂｃは互いに直交してコーナーキューブを構成している。図１０（ａ）に示した再帰性反射素子２１は、図９（ａ）に示した再帰性反射素子２１と形状が異なるだけで再帰反射の原理は同じである。

次に、図９（ｂ）および図１０（ｂ）を参照しながら再帰性反射素子２１の再帰反射の原理を説明する。

図９（ｂ）および図１０（ｂ）に示すように、各再帰性反射要素２１Ａおよび２１Ｂの鏡面のうち１つ（例えば、鏡面２１Ａａ、２１Ｂａ）に入射した光は、他の鏡面（例えば、鏡面２１Ａｂ、２１Ｂｂ）、さらに他の鏡面（例えば、鏡面２１Ａｃ、２１Ｂｃ）で順次反射することで、再帰性反射要素２１Ａおよび２１Ｂへ光が入射してきた元の方向へ反射する。

次に、図１１を参照しながら光学システム１００Ｂにおける、表示パネル１０に表示された画像が空中に結像する原理を説明する。図１１は、光学システム１００Ｂにおける、結像原理を説明するための模式的な側面図である。

図１１に示すように、光学システム１００Ｂにおいて、ハーフミラー素子２０ａを水平方向に配置し、ハーフミラー素子２０ａの例えば下側（表示パネル１０側）に、再帰性反射素子２１を配置する。ハーフミラー素子２０ａと再帰性反射素子２１とは互いに直交するようにそれぞれ配置されている。

表示パネル１０から出射された光は、ハーフミラー素子２０ａのハーフミラー面２０Ｓで反射して、さらに再帰性反射素子２１で同じ方向へ再帰反射し、さらにハーフミラー面２０Ｓを透過することによって、ハーフミラー素子２０ａと面対称な位置に結像する（空中映像７０）。

光学システム１００Ｂにおいても、上述の物体検出装置３０を有し、光学素子２０上に置かれた物体Ｚを検出し、その位置情報から物体Ｚにより遮られて欠損する空中映像の領域７０’およびそれに対応する表示パネル１０の表示領域を求める。具体的な算出方法は、上述した光学システム１００Ａと同じであるので説明を省略する（図１（ｃ）参照）。

以上、本発明の実施形態により、結像を妨げる物体があっても、空中映像の視認性が低下しにくい光学システムが提供される。

本発明の実施形態は、空間に被投影物の像を結像させることができる光学素子と、表示パネルとを有する光学システムに、広く適用することができる。

１０表示パネル
２０光学素子
３０物体検出装置
４０デスク
５０空中映像欠損調整装置
５０ａ物体位置検出部
５０ｂ空中映像欠損領域計算部
５０ｃ映像元表示映像調整部
７０空中映像
１００Ａ光学システム
Ｖ観察者

Claims

表示領域を有する表示パネルと、光学素子と、物体検出装置とを備え、
前記光学素子は、前記表示パネルが表示する画像を前記光学素子の前記表示パネル側とは反対側に結像させるように配置されており、
前記物体検出装置は、前記光学素子により空中に結像される光を遮る物体を検出し、
前記物体検出装置により検出した前記物体の位置情報に応じて、前記表示パネルの前記表示領域のうち前記物体により前記光が遮られる領域に対応する領域には画像が表示されない、光学システム。
前記光学素子は、反射型結像素子である、請求項１に記載の光学システム。
前記光学素子はハーフミラー素子であって、前記光学システムは再帰性反射素子をさらに有し、
前記ハーフミラー素子は、前記表示パネルの前記表示領域から発せられ、前記ハーフミラー素子に入射された光を反射させるとともに、前記ハーフミラー素子により反射された光が前記再帰性反射素子に入射され、前記再帰性反射素子により再帰反射された光を透過させる、請求項１に記載の光学システム。