JP2018205391A - Aerial video display device and input device - Google Patents

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永悟 佐野
Eigo Sano
永悟 佐野
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Abstract

To provide an aerial video display device and an input device with which it is possible to enable a beam of light to be entered to an optical plate at an optimum angle of incidence while reducing the angle formed by an object that could obstruct a reduction in device profile and the optical plate and thereby achieve both a reduced profile and a high-luminance aerial video.SOLUTION: The aerial video display device includes a deflecting optical element arranged near an object and designed so as to deflect a beam of light from the object. The deflecting optical element consists of a structure the surface on side of which is planar and the surface of the other side extends in one direction with the same shape, a plurality of the structure being arranged in a row. The deflecting optical element is arranged with a side thereof including the structure facing the object, and the beam of light heading from the object toward the surface on the light incident side of the optical plate is deflected, when passing through the deflecting optical element, to the side on which the incident angle, with the normal on surface on the light incident side as a point of reference, becomes large.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、被対象物の実像を空中に結像させる空中映像表示装置及び入力装置に関する。   The present invention relates to an aerial image display device and an input device that form a real image of an object in the air.

近年、特殊な光学プレートを使用して被対象物の実像を空中に結像させ、その実像を観察者が観察できるようにした空中映像表示装置が提案されてきている。通常、空中における実像(空中像)の結像位置は、光学プレートに対して被対象物と面対称となる位置であるため、観察者に見やすい映像を提供すべく、光学プレートから大きく離れた位置に映像を結像させる場合には、光学プレートに対して被対象物を大きく離す必要がある。そのため、光学プレートと被対象物の空間が大きくなり、表示装置が大型化してしまうという問題がある。   In recent years, an aerial image display apparatus has been proposed in which a real image of an object is formed in the air using a special optical plate so that an observer can observe the real image. Normally, the image formation position of a real image (aerial image) in the air is a position that is plane-symmetric with the object with respect to the optical plate, so that it is far away from the optical plate in order to provide an easy-to-view image to the observer. When forming an image on the optical plate, it is necessary to greatly separate the object from the optical plate. Therefore, there is a problem that the space between the optical plate and the object is increased, and the display device is increased in size.

一方、表示装置の小型化のため被対象物と光学プレートとの間隔を詰めようとすると、前記光学プレートに対しての光線入射角度が最適な角度(45°〜50°)から逸脱してしまい、それにより反射の効率が低下し、空中像が暗くなってしまったり、正規の実像以外にゴーストと呼ばれる像が見えてしまったりするといった不具合が生じるという問題がある。   On the other hand, if it is attempted to reduce the distance between the object and the optical plate in order to reduce the size of the display device, the light incident angle with respect to the optical plate deviates from the optimum angle (45 ° to 50 °). As a result, there is a problem in that the efficiency of reflection is lowered, the aerial image becomes dark, and an image called a ghost other than a regular real image can be seen.

これに対し特許文献1には、上記光学プレートの効率の観点を考慮しつつも薄型化を行っている例が開示されている。特許文献1の技術によれば、光学プレート近傍に片側面がプリズム形状になった光学素子を配置して被対象物からの光線を偏向させることで、光学プレートに対して被対象物からの光線角度を寝かした状態でも、光学プレートに対して最適な角度で光線を入射させることができるため、表示装置の小型化を図りつつも、効率低下やゴーストなどの不具合を低減することができる。   On the other hand, Patent Document 1 discloses an example in which the thickness is reduced while taking into consideration the efficiency of the optical plate. According to the technique of Patent Document 1, by arranging an optical element having a prism shape on one side in the vicinity of an optical plate and deflecting the light beam from the object, the light beam from the object with respect to the optical plate Even when the angle is neglected, the light beam can be incident on the optical plate at an optimum angle, so that it is possible to reduce inefficiencies and ghosts while reducing the size of the display device.

特開2017−26734号公報JP 2017-26734 A

しかしながら、特許文献1では被対象物から出射される光線角度に関する問題について、特に言及されていない。かかる問題について、具体的に説明する。被対象物として、一般的なLCDなどのディスプレイを考えた場合には、ディスプレイ表面の垂直方向に出射される光量が一番多く、ディスプレイからの光線を特許文献1のように光学プレートの法線に対して大きな角度(光学プレートに対して浅い角度と呼ぶ)で光学プレートに入射させようとすると、ディスプレイは、ディスプレイと光学プレートとのなす角φが大きくなるような配置になる。その結果、ディスプレイからの入射光線を光学プレートに対して浅い角度にして装置の厚みを薄型化しようとしても、今度はディスプレイの角度が薄型化の阻害要因となってしまう。特許文献1では、その対策について言及されていない。   However, Patent Document 1 does not specifically mention the problem regarding the angle of light emitted from the object. This problem will be specifically described. When a general display such as an LCD is considered as the object, the light amount emitted in the vertical direction of the display surface is the largest, and the light from the display is normal to the optical plate as in Patent Document 1. When the light is incident on the optical plate at a large angle (referred to as a shallow angle with respect to the optical plate), the display is arranged such that the angle φ formed by the display and the optical plate is large. As a result, even if it is attempted to reduce the thickness of the apparatus by making the incident light from the display a shallow angle with respect to the optical plate, the angle of the display will be an obstacle to the reduction of the thickness. Patent Document 1 does not mention the countermeasure.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、装置の薄型化の阻害要因となり得る被対象物と光学プレートとのなす角を小さくしながらも、光学プレートに対して最適な入射角度で光線を入射できるようにすることで、薄型化と輝度の高い空中映像の確保とを両立できる空中映像表示装置及び入力装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and at an optimal incident angle with respect to the optical plate while reducing the angle formed between the object and the optical plate, which can be an obstacle to thinning the apparatus. It is an object of the present invention to provide an aerial image display device and an input device that can achieve both a reduction in thickness and securing an aerial image with high brightness by allowing light rays to enter.

本発明の空中映像表示装置は、平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレートを備え、被対象物からの光を前記複数の反射面で反射させて、該光学プレートに対して前記光の入射側とは反対側の空中に導き、前記被対象物の実像を前記空中に結像させる空中映像表示装置であって、
前記被対象物の近傍に配置され、前記被対象物からの光線を偏向するような偏向光学素子を備え、
前記偏向光学素子は、片側の面は平面であり、もう片側の面は、一方向に同一形状で延びる構造体が複数並列に形成されていて、
前記偏向光学素子は、前記構造体を有する側の面を前記被対象物に向けて配置され、前記被対象物から前記光学プレートの光入射側の面に向かう光線は、前記偏向光学素子を透過する際に、前記光入射側の面の法線を基準とする入射角度が大きくなる側に偏向されるものである。
The aerial image display device of the present invention includes an optical plate having a plurality of reflecting surfaces orthogonal to each other in a plan view, and reflects light from an object on the plurality of reflecting surfaces, and An aerial image display device that guides a real image of the object to the air on the side opposite to the light incident side, and forms a real image of the object in the air,
A deflecting optical element that is disposed in the vicinity of the object and deflects a light beam from the object;
In the deflection optical element, one surface is a flat surface, and the other surface is formed in parallel with a plurality of structures extending in the same shape in one direction.
The deflecting optical element is disposed with the surface having the structure facing the object, and light rays traveling from the object to the light incident side of the optical plate are transmitted through the deflecting optical element. In this case, the incident angle with respect to the normal of the surface on the light incident side is deflected to the side where the incident angle becomes larger.

本発明によれば、装置の薄型化の阻害要因となり得る被対象物と光学プレートとのなす角を小さくしながらも、光学プレートに対して最適な入射角度で光線を入射できるようにすることで、薄型化と輝度の高い空中映像の確保とを両立できる空中映像表示装置及び入力装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to make light incident at an optimum incident angle with respect to the optical plate while reducing the angle formed between the object and the optical plate, which can be an obstacle to thinning the apparatus. Therefore, it is possible to provide an aerial image display device and an input device that can achieve both a reduction in thickness and securing an aerial image with high brightness.

(a)は、本実施形態の空中映像表示装置1の全体の構成を模式的に示す図であり、(b)は、図1(a)の構成を矢印IB方向に見た図である。(A) is a figure which shows typically the whole structure of the aerial image display apparatus 1 of this embodiment, (b) is the figure which looked at the structure of Fig.1 (a) in the arrow IB direction. 光学プレート3の概略の構成を示す斜視図である。3 is a perspective view showing a schematic configuration of an optical plate 3. FIG. 1つの板状部材21の斜視図である。3 is a perspective view of one plate-like member 21. FIG. 1つの板状部材31の斜視図である。3 is a perspective view of one plate-like member 31. FIG. 2次元(ZX平面内)での実像の結像原理を示す図である。It is a figure which shows the imaging principle of the real image in two dimensions (in ZX plane). 3次元空間(XYZ座標系)での光線の反射を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically reflection of the light ray in a three-dimensional space (XYZ coordinate system). 3次元空間において、点光源Oから発せられた複数の光線が、別々の反射面を介して1点に集光する様子を模式的に示す図である。In a three-dimensional space, it is a figure which shows typically a mode that the several light ray emitted from the point light source O condenses to one point via a separate reflective surface. 偏向光学素子4とディスプレイ2とを側方から見た図である。It is the figure which looked at the deflection optical element 4 and the display 2 from the side. 偏向光学素子4の構造体4aを拡大して示す図である。FIG. 4 is an enlarged view showing a structure 4a of a deflection optical element 4. (a)は偏向光学素子4を用いない空中映像表示装置のレイアウトを示し、(b)は偏向光学素子4を用いた空中映像表示装置のレイアウトを示している。(A) shows the layout of an aerial image display device that does not use the deflecting optical element 4, and (b) shows the layout of the aerial image display device that uses the deflecting optical element 4. 偏向光学素子の参考例1を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the reference example 1 of a deflection | deviation optical element. 偏向光学素子の参考例2を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the reference example 2 of a deflection | deviation optical element. 光源の出射面の法線が−90°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角90°としたときに、プリズム角を25°とした偏向光学素子通過後の光線の角度分布を示す図である。When the normal of the light emitting surface of the light source is in the -90 ° direction and the light distribution characteristic is 90 ° half-value angle, the angular distribution of the light beam after passing through the deflecting optical element with a prism angle of 25 ° is shown. FIG. 光源の出射面の法線が−90°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角90°としたときに、プリズム角を40°とした偏向光学素子通過後の光線の角度分布を示す図である。The angle distribution of the light beam after passing through the deflecting optical element with a prism angle of 40 ° when the light distribution characteristic is 90 ° half-value when the normal line of the light emitting surface of the light source is in the −90 ° direction. FIG. 光源の出射面の法線が−90°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角90°としたときに、プリズム角を50°とした偏向光学素子通過後の光線の角度分布を示す図である。When the normal of the light emitting surface of the light source is in the −90 ° direction and the light distribution characteristic is a half-value angle of 90 °, the angle distribution of the light beam after passing through the deflecting optical element with a prism angle of 50 ° is shown. FIG. 光源の出射面の法線が−90°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角90°としたときに、プリズム角を60°とした偏向光学素子通過後の光線の角度分布を示す図である。When the normal of the light emitting surface of the light source is in the −90 ° direction and the light distribution characteristic is 90 ° half-value angle, the angle distribution of the light beam after passing through the deflecting optical element with the prism angle set to 60 ° FIG. 面光源の出射面の法線が−90°方向を向いた状態で、その配光特性をランバーシャンとした場合における光線の角度分布を示す図である。It is a figure which shows the angle distribution of the light ray when the normal line of the output surface of a surface light source has faced the -90 degree direction, and the light distribution characteristic is set to Lambertian. 面光源の出射面の法線が−90°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角90°とした場合における光線の角度分布を示す図である。It is a figure which shows angle distribution of the light ray when the normal line of the output surface of a surface light source has faced the -90 degree direction, and the light distribution characteristic is 90 degrees of half-value angles. 面光源の出射面の法線が−90°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角60°とした場合における光線の角度分布を示す図である。It is a figure which shows the angle distribution of a light ray when the normal line of the output surface of a surface light source has faced the -90 degree direction, and the light distribution characteristic is a half-value angle of 60 degrees. シミュレーションに用いた面光源と偏向光学素子との配置関係を示す図である。It is a figure which shows the arrangement | positioning relationship between the surface light source used for simulation, and a deflection | deviation optical element. 面光源の出射面の法線が−90°方向を向いた状態で、その配光特性をランバーシャンとした場合における、プリズム角40°の偏向光学素子を通過後の光線の角度分布を示す図である。The figure which shows angle distribution of the light ray after passing through the deflection | deviation optical element of 40 degrees of prism angles in the state where the normal line of the output surface of a surface light source has faced the -90 degree direction and the light distribution characteristic is a Lambertian It is. 面光源の出射面の法線が−90°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角90°とした場合における、プリズム角40°の偏向光学素子を通過後の光線の角度分布を示す図である。The angle distribution of the light beam after passing through the deflecting optical element with a prism angle of 40 ° when the normal line of the exit surface of the surface light source is in the −90 ° direction and the light distribution characteristic is 90 ° half-value angle. FIG. 面光源の出射面の法線が−90°方向を向いた状態で、その配光特性を半値角60°とした場合における、プリズム角40°の偏向光学素子を通過後の光線の角度分布を示す図である。The angle distribution of the light beam after passing through the deflecting optical element with a prism angle of 40 ° when the light distribution characteristic is 60 ° half-value with the normal of the exit surface of the surface light source directed in the −90 ° direction. FIG. 別な実施の形態にかかる入力装置10の概略図である。It is the schematic of the input device 10 concerning another embodiment.

以下、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて説明する。図1(a)は、本実施形態の空中映像表示装置1の全体の構成を模式的に示す図であり、図1(b)は、図1(a)の構成を矢印IB方向に見た図である。空中映像表示装置1は、被対象物の実像を空中に映像Mとして結像させるものであり、ディスプレイ2と、光学プレート3と、偏向光学素子4、これらを保持する筐体5とを備えている。筐体5は、光学プレート3の外面3aを露出させている。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1A is a diagram schematically showing the overall configuration of the aerial video display device 1 of the present embodiment, and FIG. 1B is a diagram of the configuration of FIG. FIG. The aerial image display device 1 forms a real image of an object as an image M in the air, and includes a display 2, an optical plate 3, a deflection optical element 4, and a casing 5 that holds these. Yes. The housing 5 exposes the outer surface 3 a of the optical plate 3.

ディスプレイ2は,映像を表示するために光を出射する例えばLCDである。なお、ディスプレイ2の代わりに、3次元の物体を配置してもよい。したがって、上記の被対象物には、ディスプレイ2、表示装置、物体そのものが含まれるが、広義には、スクリーンに投影された映像、表示装置に表示された映像も含まれるものとする。   The display 2 is, for example, an LCD that emits light to display an image. Note that a three-dimensional object may be arranged instead of the display 2. Therefore, the above-described objects include the display 2, the display device, and the object itself, but in a broad sense, the image projected on the screen and the image displayed on the display device are also included.

光学プレート3は、ディスプレイ2からの光を内部で反射させて、空中に映像Mを結像する。光学プレート3としては、例えば、互いに直交する反射面(平面視でV字型(L字型))を同一面上にアレイ状に並べた1層構造のものや、複数の反射面を平行に並べた光学パネルを2枚用い、各光学パネル間で反射面が平面視で直交するように、2枚の光学パネルを積層した2層構造のものを用いることができる。なお、光学プレート3の詳細な構成については後述する。   The optical plate 3 internally reflects the light from the display 2 and forms an image M in the air. Examples of the optical plate 3 include a one-layer structure in which reflecting surfaces orthogonal to each other (V-shaped (L-shaped) in plan view) are arranged in an array on the same surface, or a plurality of reflecting surfaces in parallel. It is possible to use a two-layer structure in which two optical panels are used and two optical panels are stacked so that the reflecting surfaces are orthogonal to each other in plan view. The detailed configuration of the optical plate 3 will be described later.

偏向光学素子4は、ディスプレイ2からの光を偏向して光学プレート3に導く機能を有する。なお、偏向光学素子4の詳細については後述する。   The deflecting optical element 4 has a function of deflecting light from the display 2 and guiding it to the optical plate 3. Details of the deflection optical element 4 will be described later.

上記の構成において、ディスプレイ2からの光は、偏向光学素子4に入射した後、光入射側の面の法線を基準とする入射角度が大きくなる側に偏向されて出射し、更に光学プレート3に入射し、光学プレート3の複数の反射面で反射された後、光学プレート3に対して上記光の入射側とは反対側の空中に導かれる。これにより、ディスプレイ2に投影された映像の実像が映像Mとして空中に結像される。   In the above configuration, the light from the display 2 enters the deflecting optical element 4 and is then deflected and emitted to the side where the incident angle is increased with reference to the normal of the surface on the light incident side. And is reflected by a plurality of reflecting surfaces of the optical plate 3 and then guided to the air on the side opposite to the light incident side with respect to the optical plate 3. Thereby, the real image of the image projected on the display 2 is formed in the air as the image M.

(光学プレート)
次に、上述した光学プレート3について説明する。ここでは、2層構造の光学プレート3について説明する。図2は、光学プレート3の概略の構成を示す斜視図である。光学プレート3は、2枚の光学パネル20、30を積層して構成されている。光学パネル20は、光学パネル20、30の積層方向(例えばZ方向)に垂直な面内で互いに垂直な2方向のうちの一方向(例えばX方向)に、複数の板状部材21を隣接して並べることによって形成されている。光学パネル30は、上記2方向のうちの他の方向(例えばY方向)に、複数の板状部材31を隣接して並べることによって形成されている。
(Optical plate)
Next, the above-described optical plate 3 will be described. Here, the optical plate 3 having a two-layer structure will be described. FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of the optical plate 3. The optical plate 3 is configured by laminating two optical panels 20 and 30. The optical panel 20 has a plurality of plate-like members 21 adjacent to each other in one direction (for example, the X direction) of two directions perpendicular to each other in a plane perpendicular to the stacking direction (for example, the Z direction) of the optical panels 20 and 30. Are formed by lining up. The optical panel 30 is formed by arranging a plurality of plate-like members 31 adjacent to each other in the other direction (for example, the Y direction) of the two directions.

図3は、1つの板状部材21の斜視図である。板状部材21は、透明なガラスや樹脂からなる直方体状の透明基板21aを有している。透明基板21aは、Y方向に延びており、対向する2面(例えばYZ面に沿った2面)のうちの一方の面に、反射膜21bが蒸着によって形成されている。なお、反射膜21bは、透明基板21aの対向する2面の両面に形成されていてもよい。   FIG. 3 is a perspective view of one plate-like member 21. The plate-like member 21 has a rectangular parallelepiped transparent substrate 21a made of transparent glass or resin. The transparent substrate 21a extends in the Y direction, and a reflective film 21b is formed by vapor deposition on one of two opposing surfaces (for example, two surfaces along the YZ surface). The reflective film 21b may be formed on both opposing surfaces of the transparent substrate 21a.

図4は、1つの板状部材31の斜視図である。板状部材31は、透明なガラスや樹脂からなる直方体状の透明基板31aを有している。透明基板31aは、X方向に延びており、対向する2面(例えばZX面に沿った2面)のうちの一方の面に、反射膜31bが蒸着によって形成されている。なお、反射膜31bは、透明基板31aの対向する2面の両面に形成されていてもよい。反射膜21b、31bは、例えばアルミニウムのような金属膜で構成されており、入射光が全て反射するように膜厚が適切に制御されている。   FIG. 4 is a perspective view of one plate-like member 31. The plate-like member 31 has a rectangular parallelepiped transparent substrate 31a made of transparent glass or resin. The transparent substrate 31a extends in the X direction, and a reflective film 31b is formed by vapor deposition on one of two opposing surfaces (for example, two surfaces along the ZX surface). Note that the reflective film 31b may be formed on both opposing surfaces of the transparent substrate 31a. The reflection films 21b and 31b are made of a metal film such as aluminum, for example, and the film thickness is appropriately controlled so that all incident light is reflected.

Y方向に延びる複数の板状部材21をX方向に隣接して並べることにより、複数の反射膜21bが、板状部材21のX方向の幅に応じた間隔でX方向に並んで位置する。同様に、X方向に延びる複数の板状部材31をY方向に隣接して並べることにより、複数の反射膜31bが、板状部材31のY方向の幅に応じた間隔でY方向に並んで位置する。そして、このような複数の板状部材21、31の配置により、各板状部材21の反射膜21b(反射面)と各板状部材31の反射膜31b(反射面)とは、平面視で(Z軸方向から見て)互いに直交する位置関係となる。   By arranging the plurality of plate-like members 21 extending in the Y direction so as to be adjacent to each other in the X direction, the plurality of reflective films 21b are arranged in the X direction at intervals corresponding to the width of the plate-like member 21 in the X direction. Similarly, by arranging a plurality of plate-like members 31 extending in the X direction adjacent to each other in the Y direction, a plurality of reflection films 31b are arranged in the Y direction at intervals corresponding to the width of the plate-like member 31 in the Y direction. To position. And by such arrangement | positioning of the several plate-shaped members 21 and 31, the reflective film 21b (reflective surface) of each plate-shaped member 21 and the reflective film 31b (reflective surface) of each plate-shaped member 31 are planar view. The positions are orthogonal to each other (viewed from the Z-axis direction).

次に、光学プレート3による結像原理について説明する。図5は、2次元(ZX平面内)での実像の結像原理を示している。点光源Pから発せられた複数の光線は、Z軸に平行な反射面(反射膜21b)でそれぞれ反射され、X軸に対して点光源Pとは反対側の位置P’(点光源PとX軸に対して対称な位置)に集光する。これにより、位置P’にて、点光源Pの実像が結像される。   Next, the principle of image formation by the optical plate 3 will be described. FIG. 5 shows the imaging principle of a real image in two dimensions (in the ZX plane). A plurality of light rays emitted from the point light source P are respectively reflected by a reflecting surface (reflective film 21b) parallel to the Z axis, and a position P ′ opposite to the point light source P with respect to the X axis (point light source P and Condensed at a position symmetrical to the X axis). Thereby, a real image of the point light source P is formed at the position P ′.

図6は、3次元空間(XYZ座標系)での光線の反射を模式的に示している。3次元空間では、点光源Oから発せられた光線Aを、ZX平面内の光線a1と、YZ平面内の光線a2とに分解し、図5に倣って、それぞれの光線a1、a2のZX平面内またはYZ平面内での反射を考えることで、光線AのZ軸との交点を求めることができる。つまり、ZX平面内の光線a1は、YZ面に平行な反射面(反射膜21b)で反射された後、Z軸に向かい、YZ平面内の光線a2は、ZX面に平行な反射面(反射膜31b)で反射された後、Z軸に向かう。これらの光線a1、a2は、Z軸上の1点、つまり、点O’で交わる。したがって、光線Aは、反射膜21bおよび反射膜31bにて計2回反射した後、Z軸上の点O’に向かうことになる。   FIG. 6 schematically shows the reflection of light rays in a three-dimensional space (XYZ coordinate system). In the three-dimensional space, the light beam A emitted from the point light source O is decomposed into a light beam a1 in the ZX plane and a light beam a2 in the YZ plane, and the ZX plane of each of the light beams a1 and a2 according to FIG. By considering the reflection in the inner or YZ plane, the intersection of the ray A with the Z axis can be obtained. That is, the light ray a1 in the ZX plane is reflected by the reflective surface (reflective film 21b) parallel to the YZ plane and then goes to the Z axis, and the light ray a2 in the YZ plane is reflective surface (reflective) parallel to the ZX plane. After being reflected by the film 31b), it goes to the Z axis. These light rays a1 and a2 intersect at one point on the Z axis, that is, at the point O '. Therefore, the light ray A is reflected twice by the reflective film 21b and the reflective film 31b, and then travels toward the point O 'on the Z axis.

図7は、3次元空間において、点光源Oから発せられた複数の光線が、別々の反射面を介して1点に集光する様子を模式的に示している。点光源Oから発せられた複数の光線は、図6と同様にして、YZ面に平行な反射面(反射膜21b)およびZX面に平行な反射面(反射膜31b)で反射され、Z軸上の同じ点O’に集光する。これにより、点O’にて、点光源Oの実像が結像される。   FIG. 7 schematically shows a state in which a plurality of light beams emitted from the point light source O are condensed at one point via separate reflecting surfaces in a three-dimensional space. A plurality of light rays emitted from the point light source O are reflected by the reflective surface (reflective film 21b) parallel to the YZ plane and the reflective surface (reflective film 31b) parallel to the ZX plane in the same manner as in FIG. Focus on the same point O ′ above. Thereby, a real image of the point light source O is formed at the point O ′.

なお、以上では、光学パネル20、30を積層した2層構造の光学プレート3における結像原理を示したが、V字型(L字型)に並べた2枚の反射面をアレイ状に配置した1層構造の光学プレート3においても、結像原理は同じである。   In the above description, the imaging principle of the optical plate 3 having the two-layer structure in which the optical panels 20 and 30 are laminated is shown. However, two reflecting surfaces arranged in a V shape (L shape) are arranged in an array. The imaging principle is the same for the optical plate 3 having a single layer structure.

(偏向光学素子)
次に、偏向光学素子4について説明する。偏向光学素子4は、光学プレート3に対して被対象物(ここではディスプレイ2)側に近接して配置されており、被対象物からの光を偏向して光学プレート3に導く機能を有する。
(Deflection optical element)
Next, the deflection optical element 4 will be described. The deflecting optical element 4 is disposed close to the object (herein, the display 2) side with respect to the optical plate 3 and has a function of deflecting light from the object and guiding it to the optical plate 3.

図8は、偏向光学素子4とディスプレイ2とを側方から見た図である。透明なガラス又は樹脂製の偏向光学素子4は、平面部4bを有し、この平面部4bのディスプレイ2側の面に沿って複数の構造体4a(プリズム)を並べて形成している。   FIG. 8 is a view of the deflection optical element 4 and the display 2 as seen from the side. The transparent optical element 4 made of glass or resin has a flat surface portion 4b, and a plurality of structures 4a (prisms) are formed side by side along the surface of the flat surface portion 4b on the display 2 side.

ここで、以下での説明の便宜上、互いに垂直な3方向を、それぞれx方向、y方向、z方向とする。このうち、z方向は、空中映像表示装置1の厚み方向に対応しており、図2等で示したZ方向(光学パネル20、30の積層方向)とも対応しているが、y方向は、図2等で示したX方向およびY方向とXY面内で45°の角度をなす方向と対応している。x方向は、yz面に垂直な方向である。   Here, for convenience of explanation below, three directions perpendicular to each other are defined as an x direction, a y direction, and a z direction, respectively. Among these, the z direction corresponds to the thickness direction of the aerial image display device 1 and also corresponds to the Z direction (stacking direction of the optical panels 20 and 30) shown in FIG. This corresponds to the X direction and the Y direction shown in FIG. 2 and the like and a direction that forms an angle of 45 ° in the XY plane. The x direction is a direction perpendicular to the yz plane.

各構造体4aは、一方向(例えばx方向)に同一形状(例えば断面直角三角形)で延びて形成されている。そして、複数の構造体4aは並列に、つまり、x方向と垂直な方向(例えばy方向)に並んで配置されている。各構造体4aの断面形状やプリズム角θ(プリズム形状の平面部とのなす角)は、全て同じであってもよいし、異なっていてもよい。なお、プリズム角とは、プリズムである構造体4aの斜面と平面部4b(または平面部4bと平行な面)とのなす角度を指す。平面部4bは、xy面に対して傾いていてもよい。   Each structure 4a is formed to extend in one direction (for example, the x direction) with the same shape (for example, a right-angled triangle). The plurality of structures 4a are arranged in parallel, that is, aligned in a direction perpendicular to the x direction (for example, the y direction). The cross-sectional shape and prism angle θ (angle formed with the prism-shaped flat portion) of each structure 4a may all be the same or different. The prism angle refers to an angle formed by the slope of the structure 4a that is a prism and the flat surface portion 4b (or a surface parallel to the flat surface portion 4b). The plane part 4b may be inclined with respect to the xy plane.

偏向光学素子4は、平面部4bが光学プレート3(図1)側に位置し、複数の構造体4aがディスプレイ2側に位置するように配置されている。また、偏向光学素子4は、ディスプレイ2の光出射側でディスプレイ2に接するように(各構造体4aがディスプレイ2に当たるように)配置されていると好ましい。   The deflecting optical element 4 is arranged so that the flat portion 4b is positioned on the optical plate 3 (FIG. 1) side and the plurality of structures 4a are positioned on the display 2 side. Further, it is preferable that the deflecting optical element 4 is arranged so as to be in contact with the display 2 on the light emitting side of the display 2 (so that each structure 4a hits the display 2).

図9は、偏向光学素子4の構造体4aを拡大して示す図である。偏向光学素子4は、複数の構造体4aが同一形状で延びる一方向(図9で紙面垂直方向)に垂直な面内(図8でyz面内)でのみ、ディスプレイ2からの光を偏向する。より詳しくは、図9において、ディスプレイ2から出射された光線Lは、構造体4aの斜面4cに入射した際に屈折し、且つ平面部4bから出射する際に屈折する。これにより、光線Lは偏向光学素子4を通過することにより偏向角γで偏向されることとなる。   FIG. 9 is an enlarged view showing the structure 4 a of the deflection optical element 4. The deflecting optical element 4 deflects light from the display 2 only in a plane (in the yz plane in FIG. 8) perpendicular to one direction (the vertical direction in FIG. 9) in which the plurality of structures 4a extend in the same shape. . More specifically, in FIG. 9, the light beam L emitted from the display 2 is refracted when it enters the inclined surface 4c of the structure 4a, and is refracted when it is emitted from the plane portion 4b. As a result, the light beam L is deflected at the deflection angle γ by passing through the deflecting optical element 4.

これを言い換えると、ディスプレイ2から光学プレート3の光入射側の面(内面)3bに向かう光線は、偏向光学素子4を透過する際に、内面3bの法線NL(図1)を基準とする入射角度が大きくなる側に偏向されることとなる。以下での説明において、「入射角度」は、全て、法線NLを基準とする角度を指すものとする。   In other words, the light beam traveling from the display 2 toward the light incident side surface (inner surface) 3b of the optical plate 3 is based on the normal line NL (FIG. 1) of the inner surface 3b when passing through the deflecting optical element 4. It will be deflected to the side where the incident angle becomes larger. In the following description, all “incident angles” refer to angles with reference to the normal line NL.

ところで、空中映像表示装置1の奥行き方向の厚みを薄型化するためには、被対象物、例えばディスプレイ2の角度がボトルネック(図10(a)に示す最大距離Δ)となる。偏向光学素子4を用いずに、より薄型化するためには、図10(a)に示すように、偏向光学素子4と光学プレート3とのなす角αを小さく(角α’と)すればよいが、そうすると光学プレート3へ入射する光線角度βが光学プレート3の法線NLに対して小さく(角β’)なり、空中映像の輝度低下やゴースト発生といった不具合発生要因となる。   By the way, in order to reduce the thickness of the aerial image display device 1 in the depth direction, the angle of the object, for example, the display 2 becomes the bottleneck (maximum distance Δ shown in FIG. 10A). In order to reduce the thickness further without using the deflecting optical element 4, as shown in FIG. 10A, the angle α formed by the deflecting optical element 4 and the optical plate 3 can be reduced (angle α ′). However, if it does so, the light ray angle β incident on the optical plate 3 becomes smaller (angle β ′) with respect to the normal line NL of the optical plate 3, which causes a problem such as a decrease in luminance of the aerial image and occurrence of ghost.

より具体的には、光学プレート3に対する光線の入射角度が所望の角度(例えば45°〜50°)よりも極端に大きくなると(つまり、光学プレート3側に倒れるような方向から光線が入射すると)、光学プレート3の同じ反射面で多重反射が起こり、これによって空中映像の劣化が生じるという現象が起きる。かかる不具合を避けるべく、点線で示すように光学プレート3を傾けることもできるが、更に装置の大型化を招く。   More specifically, when the incident angle of the light beam with respect to the optical plate 3 becomes extremely larger than a desired angle (for example, 45 ° to 50 °) (that is, when the light beam is incident from a direction such that it falls to the optical plate 3 side). Multiple reflection occurs on the same reflecting surface of the optical plate 3, thereby causing a phenomenon in which the aerial image is deteriorated. In order to avoid such a problem, the optical plate 3 can be tilted as indicated by a dotted line, but this further increases the size of the apparatus.

そこで、本実施の形態では、ディスプレイ2に近傍に、ディスプレイ2からの出射光線を偏向するような偏向光学素子4を配置したのである。「近傍」とは、10mm以内の位置をいい、両者が接しているとより好ましい。その理由であるが、偏向光学素子は特定の1方向にのみ光線を偏向させる効果があるため、ディスプレイ2との空気間隔が大きくなると、ディスプレイ2に表示された映像が、偏向光学素子によって偏向される方向にのみ間延びした映像となってしまう。そこで、ディスプレイ2と偏向光学素子はできるだけ近接して配置されることが望ましいが、前述の画像の歪みが許容範囲になる条件として10mm以内の位置に配置されることが望ましい。   Therefore, in the present embodiment, the deflection optical element 4 that deflects the light beam emitted from the display 2 is disposed in the vicinity of the display 2. “Neighborhood” means a position within 10 mm, and it is more preferable that both are in contact. The reason is that the deflecting optical element has an effect of deflecting the light beam only in one specific direction. Therefore, when the air distance from the display 2 is increased, the image displayed on the display 2 is deflected by the deflecting optical element. The image will be extended only in the direction. Therefore, it is desirable that the display 2 and the deflecting optical element be arranged as close as possible, but it is desirable that the display 2 and the deflecting optical element be arranged at a position within 10 mm as a condition that the above-described image distortion is within an allowable range.

図9に示すように偏向光学素子4の法線方向に入射してきた光線Lは、偏向光学素子4を通過することで偏向角γで傾いて出射されるから、図10(b)に示すように、光学プレート3の法線NLとの角度β”が大きくなる方向に入射光線を偏向させることができる。これによりディスプレイ2と光学プレート3とのなす角α”を小さくしつつも、光学プレート3に対して最適な角度で光線を入射することが出来るようになるため、空中映像表示装置1の小型化と空中映像Mの劣化を抑制できる。   As shown in FIG. 9B, the light beam L incident in the normal direction of the deflecting optical element 4 is emitted at an angle of deflection γ by passing through the deflecting optical element 4, and as shown in FIG. In addition, the incident light beam can be deflected in the direction in which the angle β ″ with the normal line NL of the optical plate 3 increases. As a result, the angle α ″ formed between the display 2 and the optical plate 3 can be reduced while the optical plate 3 can be incident at an optimal angle with respect to 3, so that the size of the aerial image display device 1 and the deterioration of the aerial image M can be suppressed.

この時、偏向光学素子4内部での光の全反射を低減するために、偏向光学素子4の片側面,すなわち平面部4bの出射面は平面であることが望ましく、光線をある特定の方向にのみ偏向させるため、もう片側の面は一方向に同一形状で延びる構造体4aが複数並列に形成されていることが望ましい。また、同様に偏向光学素子4内部での光の全反射を低減するためには、構造体4aの形成されている側の面を光線の入射側、つまり、ディスプレイ2側に向けて配置されていることが望ましい。   At this time, in order to reduce the total reflection of light inside the deflecting optical element 4, it is desirable that one side surface of the deflecting optical element 4, that is, the exit surface of the plane portion 4 b is a plane, and the light beam is directed in a certain direction. Therefore, it is desirable that a plurality of structures 4a extending in the same shape in one direction be formed in parallel on the other surface. Similarly, in order to reduce the total reflection of light inside the deflecting optical element 4, the surface on which the structure 4a is formed is arranged facing the light incident side, that is, the display 2 side. It is desirable.

更に、偏向光学素子4の片側面を一方向にプリズム形状で延びる構造体4aとすることで、効率的に被対象物から入射してきた光線を一方向に偏向させることができるようになる。   Furthermore, by making one side surface of the deflecting optical element 4 into a structure 4a extending in a prism shape in one direction, it becomes possible to efficiently deflect the light beam incident from the object in one direction.

ところで、構造体4aのプリズム形状が、平面部4bに接する頂角の一方が直角でないようなものであると、本来偏向したい方向とは逆向きに出射する光線L’が増加してしまったり、成形性が損なわれたりしてしまう恐れがある。具体的には、図11に示す参考例1のように、平面部4bに接する頂角θ1,θ2が両方とも90°より小さい場合、光線Lの入射位置によって光線Lの屈折する方向が異なり、逆方向へ出射する光線が増加してしまう。一方、図12に示す参考例2のように、平面部4bに接する頂角の一方(θ2)が90°より大きい場合、偏向光学素子4を金型成形する際に、プリズム形状が金型から抜けず成形難易度が増加してしまう。よって、図9に示すように、プリズム形状は、平面部に接する頂角の一方が直角であることが望ましい。   By the way, if the prism shape of the structure 4a is such that one of the apex angles in contact with the flat surface portion 4b is not a right angle, the light beam L ′ emitted in the direction opposite to the direction to be originally deflected increases. There is a risk that moldability may be impaired. Specifically, as in Reference Example 1 shown in FIG. 11, when both the apex angles θ1 and θ2 in contact with the flat surface portion 4b are smaller than 90 °, the direction in which the light L is refracted depends on the incident position of the light L, The light rays emitted in the opposite direction will increase. On the other hand, as in Reference Example 2 shown in FIG. 12, when one of the apex angles (θ2) in contact with the flat portion 4b is larger than 90 °, the prism shape is removed from the mold when the deflection optical element 4 is molded. It will not come out and the molding difficulty will increase. Therefore, as shown in FIG. 9, in the prism shape, it is desirable that one of the apex angles in contact with the flat portion is a right angle.

更に、図9を参照して、構造体4aのプリズム形状が、平面部4bに接する頂角の一方が直角である場合において、斜面4cの先端近傍に入射して屈折した光線L”は、垂直面4dにて全反射した後、反対方向へ出射してしまう恐れがある。これを防ぐため、垂直面4dを拡散面にして全反射を低減し、それにより反対方向へ出射する光線L”を低減することができる。垂直面4dを拡散面とするには、例えば垂直面4dを成形する金型の転写面を粗し面にすることなどがある。   Further, referring to FIG. 9, when the prism shape of the structure 4a is such that one of the apex angles in contact with the flat surface portion 4b is a right angle, the light ray L ″ incident and refracted in the vicinity of the tip of the inclined surface 4c is vertical. After the total reflection at the surface 4d, there is a risk that the light will be emitted in the opposite direction. To prevent this, the vertical surface 4d is used as a diffusing surface to reduce the total reflection, and thereby the light ray L "emitted in the opposite direction is emitted. Can be reduced. In order to make the vertical surface 4d a diffusion surface, for example, a transfer surface of a mold for forming the vertical surface 4d may be roughened.

更に、一方向に同一形状で延びる構造体4aが複数並列に形成されている偏向光学素子4を使用した場合の課題の一つとしてモアレ現象がある。偏向光学素子4を、2次元的な画素を持つ表示素子であるLCD等のディスプレイ2に近接して配置すると、偏向光学素子4の構造体4aのピッチとLCD等のディスプレイ2における画素ピッチとの微小なズレによってモアレ現象が生じてしまう恐れがある。そこで、偏向光学素子4の構造体4aのピッチ(隣り合うプリズム形状同士の間隔)Pと、LCD等の画素(不図示)のピッチとを略一致させ、ほぼズレなく配置することで、モアレ現象の発生を抑制することができる。「略一致」とは、ピッチPに対して±10%以内で差がある場合を含む。又、「ほぼズレなく」とは、互いのズレ量がピッチPの±10%以内の場合を含む。   Furthermore, there is a moire phenomenon as one of the problems when using the deflecting optical element 4 in which a plurality of structures 4a extending in the same shape in one direction are formed in parallel. When the deflecting optical element 4 is disposed close to a display 2 such as an LCD, which is a display element having two-dimensional pixels, the pitch of the structures 4a of the deflecting optical element 4 and the pixel pitch in the display 2 such as the LCD There is a possibility that a moire phenomenon may occur due to a minute shift. Therefore, the pitch of the structures 4a of the deflecting optical element 4 (the interval between adjacent prism shapes) P and the pitch of pixels (not shown) such as LCDs are substantially matched, and are arranged with almost no deviation, so that the moire phenomenon occurs. Can be suppressed. The “substantially coincidence” includes a case where there is a difference within ± 10% with respect to the pitch P. Further, “substantially no deviation” includes the case where the mutual deviation amounts are within ± 10% of the pitch P.

更に、上述したモアレ現象を低減するために、偏向光学素子4とLCD等のディスプレイ2との間に光を拡散させる光学素子(拡散板等)を配置することもできる。拡散させる光学素子を使用することで、LCD等の画素間の輪郭をボケさせることができ、結果としてモアレを低減することができる。拡散させる光学素子の設置と、上述したピッチの一致とを同時に行うと、より効果がある。   Furthermore, in order to reduce the above-described moire phenomenon, an optical element (such as a diffusion plate) that diffuses light can be disposed between the deflection optical element 4 and the display 2 such as an LCD. By using the diffusing optical element, the contour between pixels such as an LCD can be blurred, and as a result, moire can be reduced. It is more effective to perform the installation of the optical element to be diffused and the matching of the pitches described above at the same time.

ところで、図9を参照して、偏向光学素子4は構造体4aであるプリズム角θの角度によって光線が偏向する角度が変わってくる。例えば、偏向光学素子4の材質をPMMAとすると、プリズム角θが25°では偏向角γは約13°、プリズム角θが40°では偏向角γは約22°、プリズム角θが50°では偏向角γは約29°、プリズム角θが60°では偏向角γは約38°となる。したがって、偏向角γをより大きくするためにはプリズム角θを大きくしていけばよいが、一方でプリズム角θが大きくなるとプリズムの垂直面4dで全反射して、反対方向へ変更される光が増大してしまう。   By the way, referring to FIG. 9, the deflection optical element 4 changes the angle at which the light beam is deflected depending on the prism angle θ of the structure 4a. For example, if the material of the deflection optical element 4 is PMMA, the deflection angle γ is about 13 ° when the prism angle θ is 25 °, the deflection angle γ is about 22 ° when the prism angle θ is 40 °, and the prism angle θ is 50 °. When the deflection angle γ is about 29 ° and the prism angle θ is 60 °, the deflection angle γ is about 38 °. Therefore, in order to increase the deflection angle γ, the prism angle θ may be increased. On the other hand, when the prism angle θ increases, the light that is totally reflected by the vertical surface 4d of the prism and is changed in the opposite direction. Will increase.

本発明者は、シミュレーションによってプリズムの頂角を変化させた場合の偏向光学素子通過後の光線の角度分布を見積もった。そのシミュレーション結果を図13〜16に示す。かかるシミュレーション結果によれば、図16に示すようにプリズム角θが60°になると、原理的に偏向する角度よりも、それ以外の角度である2方向へ偏向してしまう光の量の方が多くなってしまい望ましくない。また、逆に図13に示すようにプリズム角θが25°であると、配光特性は良好であるものの偏向角γが小さくなり、本来の目的である装置の小型化が不十分となってしまう。これに対し、図24,25に示すプリズム角θが40°、50°では、偏向角γ方向の光量が十分であることが分かる。従って、プリズム形状が以下の条件式を満足することが望ましいといえる。
25°≦θ≦50° (1)
ここで、
θ:プリズム角
The inventor estimated the angular distribution of the light beam after passing through the deflecting optical element when the apex angle of the prism was changed by simulation. The simulation results are shown in FIGS. According to the simulation result, as shown in FIG. 16, when the prism angle θ is 60 °, the amount of light that is deflected in two directions other than the angle that is deflected in principle is larger. This is undesirable because it increases. On the other hand, as shown in FIG. 13, when the prism angle θ is 25 °, the light distribution characteristic is good, but the deflection angle γ is small, and the original purpose of the device is not sufficiently miniaturized. End up. On the other hand, when the prism angle θ shown in FIGS. 24 and 25 is 40 ° and 50 °, the light quantity in the deflection angle γ direction is sufficient. Therefore, it can be said that the prism shape preferably satisfies the following conditional expression.
25 ° ≦ θ ≦ 50 ° (1)
here,
θ: Prism angle

更にディスプレイ2から偏向光学素子4に光線が入射する際に、ディスプレイ2から出射される光線の広がり角によって偏向光学素子通過後の光線の振る舞いが変わってくる。そこで、本発明者は、ディスプレイ2を光源とみなした場合、光源の光線の広がり方(すなわち配光特性)を変化させて、偏向光学素子通過後の光線角度特性をシミュレーションによって確認した。シミュレーションに用いた面光源の配光特性を、ランバーシャンの場合を図17に、半値角90°の場合を図18に、半値角60°の場合を図19に示す。   Further, when a light beam is incident on the deflection optical element 4 from the display 2, the behavior of the light beam after passing through the deflection optical element changes depending on the spread angle of the light beam emitted from the display 2. Therefore, when the display 2 is regarded as a light source, the present inventor has changed the light beam spreading direction (that is, the light distribution characteristic) and confirmed the light beam angle characteristic after passing through the deflecting optical element by simulation. The light distribution characteristics of the surface light source used for the simulation are shown in FIG. 17 for the Lumbershan, FIG. 18 for the half-value angle of 90 °, and FIG. 19 for the case of the half-value angle of 60 °.

ここでは、偏向光学素子4としてプリズム角θ=40°のものを仮定し、図20に示すように偏向光学素子4に密着させて配置した。面光源の配光特性をランバーシャンとした偏向光学素子4の角度特性のシミュレーション結果を図21に示し、面光源の配光特性を半値角90°とした偏向光学素子4の角度特性のシミュレーション結果を図22に示し、面光源の配光特性を半値角60°とした偏向光学素子4の角度特性のシミュレーション結果を図23に示す。   Here, it is assumed that the deflection optical element 4 has a prism angle θ = 40 °, and is arranged in close contact with the deflection optical element 4 as shown in FIG. FIG. 21 shows a simulation result of the angle characteristic of the deflection optical element 4 using the light distribution characteristic of the surface light source as a Lambertian, and the simulation result of the angle characteristic of the deflection optical element 4 with the light distribution characteristic of the surface light source set to a half-value angle of 90 °. FIG. 23 shows a simulation result of the angle characteristics of the deflecting optical element 4 with the light distribution characteristics of the surface light source set to a half-value angle of 60 °.

面光源の配光特性を狭くしていくと、原理的に光線が偏向する方向の光量が増大していくことが分かる。したがって、被対象物と偏向光学素子の間に光の広がり角を狭めるような光学素子、例えばプライバシー確保のための視野角制御フィルターなど、を配置することで、偏向したい方向の光を増大させることができるようになる。   It can be seen that as the light distribution characteristic of the surface light source is narrowed, the amount of light in the direction in which the light beam is deflected increases in principle. Therefore, by arranging an optical element that narrows the spread angle of light between the object and the deflecting optical element, for example, a viewing angle control filter for ensuring privacy, the light in the direction to be deflected is increased. Will be able to.

図24は、別な実施の形態にかかる入力装置10の概略図である。図24において、入力装置10は、図1に示す空中映像表示装置1と,検出装置6とを有している。検出装置6は、特定波長として赤外帯域の波長を持つ赤外光を拡散し、可視光を透過する赤外拡散シート7と、赤外拡散シート7に向けて赤外光を出射する光源8と、空中映像Mが画角内に収まるように撮像する赤外カメラ9と、赤外カメラ9が撮像した情報を処理する検出部としての処理部PROCとを有する。赤外カメラ9は、可視光及び赤外光の双方を撮像するものであってもよい。又、赤外拡散シート7は、偏向光学素子4の出射側に近接して配置されると好ましい。特定波長としては赤外帯域に限らず、可視光域の単一波長であってよい。   FIG. 24 is a schematic diagram of an input device 10 according to another embodiment. 24, the input device 10 includes the aerial video display device 1 and the detection device 6 shown in FIG. The detection device 6 diffuses infrared light having a wavelength in the infrared band as a specific wavelength, transmits an infrared diffusion sheet 7 that transmits visible light, and a light source 8 that emits infrared light toward the infrared diffusion sheet 7. And an infrared camera 9 that captures the aerial image M within an angle of view, and a processing unit PROC as a detection unit that processes information captured by the infrared camera 9. The infrared camera 9 may capture both visible light and infrared light. Further, it is preferable that the infrared diffusing sheet 7 is disposed close to the exit side of the deflecting optical element 4. The specific wavelength is not limited to the infrared band, and may be a single wavelength in the visible light range.

空中映像を表示するだけでなく,空中映像を使用して非接触で入力できる機器が求められている。特に食品加工現場や医療現場など,衛生的な入力が必要なシーンでは,直接手で触れずに情報を入力できる機器が望まれている。そういった機器を実現するためには,空中像を手が触れたことを認識し、その触れた位置を検出する必要がある。   There is a need for a device that not only displays aerial images, but also allows contactless input using aerial images. Especially in scenes where sanitary input is required, such as food processing sites and medical sites, devices that can input information without touching directly are desired. In order to realize such a device, it is necessary to recognize that the hand touches the aerial image and detect the touched position.

本実施の形態では、空中映像表示装置1により空中映像を表示している間、光源8から赤外光を赤外拡散シート7に向けて出射すると、赤外拡散シート7がその表面で赤外光を拡散して反射し、反射された赤外光は光学プレート3で反射されて、空中映像Mの近傍における赤外拡散シート7に対応する位置で、カーテン状の赤外像IMを形成する。赤外像IMは不可視像であるので、観察者は空中映像Mを素通しできる。かかる状態を赤外カメラ9で撮像すると、空中映像M上に形成されたカーテン状の赤外像IMが撮像される。   In the present embodiment, when infrared light is emitted from the light source 8 toward the infrared diffusion sheet 7 while the aerial image display device 1 is displaying an aerial image, the infrared diffusion sheet 7 is infrared on the surface thereof. Light is diffused and reflected, and the reflected infrared light is reflected by the optical plate 3 to form a curtain-like infrared image IM at a position corresponding to the infrared diffusion sheet 7 in the vicinity of the aerial image M. . Since the infrared image IM is an invisible image, the observer can pass through the aerial image M. When such a state is picked up by the infrared camera 9, a curtain-like infrared image IM formed on the aerial image M is picked up.

ここで、観察者が指や指示棒などの物体を空中映像Mに近づけると、かかる物体によりカーテン状の赤外像IMの一部が遮られて赤外光の影ができるが、観察者がそれに気づくことはない。しかしながら、赤外カメラ9で撮像した画像信号を処理部PROCで処理することで、赤外像IMの遮られた位置が分かる。   Here, when the observer brings an object such as a finger or a pointing rod close to the aerial image M, the object blocks a part of the curtain-like infrared image IM and creates a shadow of infrared light. I don't notice it. However, the image signal captured by the infrared camera 9 is processed by the processing unit PROC, so that the position where the infrared image IM is blocked is known.

具体的には、物体が前記空中映像Mに接近する前に赤外カメラ9により撮像して得られた画像信号と、物体が前記空中映像Mに接近した際に赤外カメラ9により撮像して得られた画像信号との差分をとることで赤外光の影の位置が分かり,従って物体が接近した位置を求めることができる。一方、赤外カメラ9から画像信号を入力された処理部PROCは、ディスプレイ2の駆動部に接続されているため、赤外像IMの遮られた位置に対応する空中映像Mの位置を求めることができる。すなわち非接触でありながら、タッチパネルを使用するのと同手法で、入力すべき情報を読み出して出力することができるのである。本実施の形態の入力装置10によれば、空中映像Mを視認する観察者が、非接触で必要な情報を入力することが出来るから、特に食品加工現場や医療現場など,衛生的な入力が必要なシーンでの使用が期待される。   Specifically, the image signal obtained by imaging by the infrared camera 9 before the object approaches the aerial image M, and the image signal obtained by the infrared camera 9 when the object approaches the aerial image M. By taking the difference from the obtained image signal, the position of the shadow of the infrared light can be known, and therefore the position where the object is close can be obtained. On the other hand, since the processing unit PROC to which the image signal is input from the infrared camera 9 is connected to the driving unit of the display 2, the processing unit PROC obtains the position of the aerial image M corresponding to the blocked position of the infrared image IM. Can do. In other words, information to be input can be read and output in the same manner as using a touch panel while being non-contact. According to the input device 10 of the present embodiment, an observer who visually recognizes the aerial image M can input necessary information in a non-contact manner. Expected to be used in necessary scenes.

本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。明細書の記載及び実施例は、あくまでも例証を目的としており、本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。   The present invention is not limited to the embodiments described in the specification, and it is apparent to those skilled in the art from the embodiments and ideas described in the present specification that other embodiments and modifications are included. It is. The description and examples are for illustrative purposes only, and the scope of the invention is indicated by the following claims.

1 空中映像表示装置
2 ディスプレイ
3 光学プレート
3a 外面
3b 内面
4 偏向光学素子
4a 構造体
4b 平面部
4c 斜面
4d 垂直面
5 筐体
6 検出装置
7 赤外拡散シート
8 光源
9 カメラ
10 入力装置
20 光学パネル
21 板状部材
21a 透明基板
21b 反射膜
30 光学パネル
31 板状部材
31a 透明基板
31b 反射膜
IM 赤外像
M カメラ
M 空中映像
PROC 処理部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Aerial video display apparatus 2 Display 3 Optical plate 3a Outer surface 3b Inner surface 4 Deflection optical element 4a Structure 4b Plane part 4c Slope 4d Vertical surface 5 Case 6 Detection apparatus 7 Infrared diffusion sheet 8 Light source 9 Camera 10 Input apparatus 20 Optical panel 21 Plate-shaped member 21a Transparent substrate 21b Reflective film 30 Optical panel 31 Plate-shaped member 31a Transparent substrate 31b Reflective film IM Infrared image M Camera M Aerial video PROC Processing section

Claims (9)

平面視で互いに直交する複数の反射面を有する光学プレートを備え、被対象物からの光を前記複数の反射面で反射させて、該光学プレートに対して前記光の入射側とは反対側の空中に導き、前記被対象物の実像を前記空中に結像させる空中映像表示装置であって、
前記被対象物の近傍に配置され、前記被対象物からの光線を偏向するような偏向光学素子を備え、
前記偏向光学素子は、片側の面は平面であり、もう片側の面は、一方向に同一形状で延びる構造体が複数並列に形成されていて、
前記偏向光学素子は、前記構造体を有する側の面を前記被対象物に向けて配置され、前記被対象物から前記光学プレートの光入射側の面に向かう光線は、前記偏向光学素子を透過する際に、前記光入射側の面の法線を基準とする入射角度が大きくなる側に偏向される空中映像表示装置。
An optical plate having a plurality of reflecting surfaces orthogonal to each other in plan view, wherein light from the object is reflected by the plurality of reflecting surfaces, and is opposite to the light incident side with respect to the optical plate An aerial image display device that guides to the air and forms a real image of the object in the air,
A deflecting optical element that is disposed in the vicinity of the object and deflects a light beam from the object;
In the deflection optical element, one surface is a flat surface, and the other surface is formed in parallel with a plurality of structures extending in the same shape in one direction.
The deflecting optical element is disposed with the surface having the structure facing the object, and light rays traveling from the object to the light incident side of the optical plate are transmitted through the deflecting optical element. An aerial image display device that is deflected to the side where the incident angle becomes larger with respect to the normal of the surface on the light incident side.
前記偏向光学素子は、平面部の一面にプリズム形状としての前記構造体を設けている請求項1に記載の空中映像表示装置。   The aerial image display device according to claim 1, wherein the deflecting optical element is provided with the structure as a prism shape on one surface of a flat portion. 前記プリズム形状は、前記平面部に接する垂直面と斜面とを有する請求項2に記載の空中映像表示装置。   The aerial image display device according to claim 2, wherein the prism shape has a vertical surface and an inclined surface in contact with the flat portion. 前記プリズム形状が以下の条件式を満足する請求項3に記載の空中映像表示装置。
25°≦θ≦50° (1)
ここで、
θ:前記プリズム形状の前記斜面と前記平面部とのなす角
The aerial image display device according to claim 3, wherein the prism shape satisfies the following conditional expression.
25 ° ≦ θ ≦ 50 ° (1)
here,
θ: angle formed by the inclined surface of the prism shape and the flat surface portion
前記プリズム形状の垂直面が拡散面になっている請求項4に記載の空中映像表示装置。   The aerial image display device according to claim 4, wherein the prism-shaped vertical surface is a diffusion surface. 被対象物は2次元的な画素を持つ表示素子であり、前記プリズム形状の隣り合うプリズム形状同士の間隔が表示素子の画素の間隔と略一致していて、ほぼズレなく配置されている請求項2〜5のいずれか1項に記載の空中映像表示装置。   The object is a display element having two-dimensional pixels, and the interval between adjacent prism shapes of the prism shape is substantially the same as the interval between the pixels of the display element, and the objects are arranged with almost no deviation. The aerial image display device according to any one of 2 to 5. 前記偏向光学素子と前記被対象物との間に、前記被対象物からの光線の広がり角を狭める光学素子が配置されている請求項1〜6のいずれか1項に記載の空中映像表示装置。   The aerial image display device according to claim 1, wherein an optical element that narrows a spread angle of a light beam from the object is disposed between the deflection optical element and the object. . 前記偏向光学素子と前記被対象物の間に、光を拡散させる光学素子が配置されている請求項1〜7のいずれか1項に記載の空中映像表示装置。   The aerial image display device according to claim 1, wherein an optical element that diffuses light is disposed between the deflection optical element and the object. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の空中映像表示装置と、検出装置とを有する入力装置であって、
前記検出装置は、前記被対象物と前記光学プレートとの間に配置され、特定波長の光を拡散し、それ以外の光を透過するシートと、前記特定波長の光を前記シートに向けて出射する光源と、前記被対象物の実像が画角内に収まるように撮像するカメラと、前記カメラの撮像によって得られた情報に基づいて、前記実像に物体が接近したことを検出する検出部とを有する入力装置。
An input device comprising the aerial video display device according to any one of claims 1 to 8 and a detection device,
The detection device is disposed between the object and the optical plate, diffuses light of a specific wavelength and transmits other light, and emits light of the specific wavelength toward the sheet. A light source that performs imaging, a camera that captures the real image of the object within an angle of view, and a detection unit that detects that an object has approached the real image based on information obtained by imaging the camera. An input device.
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