JP2019003332A - 空中映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空中映像表示素子２と非接触の入力検知部４とを備えた構成で、物体Ｆが空中の実像Ｒの表示画面を通り抜けたとしても、その物体Ｆの空中映像表示素子２への接触のリスクを十分に低減し、接触による不都合が生じる可能性を十分に低減する。【解決手段】空中映像表示装置１は、平板状の空中映像表示素子２と、入力検知部４と、侵入検知部５と、警告部６とを備える。空中映像表示素子２は、一方の面２ａ側に配置される像源３の実像Ｒを、他方の面２ｂ側の空中に結像させて表示する。入力検知部４は、実像Ｒの表示画面において物体Ｆによって指定される入力位置を、物体Ｆと非接触で検知する。侵入検知部５は、空中映像表示素子２と実像Ｒの表示位置との間に設定される基準位置Ｔ０よりも空中映像表示素子２側への物体Ｆの侵入を検知する。警告部６は、侵入検知部５にて物体Ｆの侵入を検知したときに、警告を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、像源（例えば表示器の表示画像）の実像を空中に結像させる空中映像表示素子と、実像の表示画面において、物体（例えば指）によって指定される入力位置を、物体と非接触で検知する入力検知部とを備えた空中映像表示装置に関するものである。

従来から、像源の実像を空中に結像させる空中映像表示素子が種々提案されている（例えば特許文献１、２参照）。空中映像表示素子を用いて、空中映像表示素子と観察者の目との間の空中に実像を結像させることにより、あたかも空中に映像や物体が浮遊しているかのような表示を行うことができる。このような空中映像表示素子と、非接触入力センサ（入力検知部）とを組み合わせ、空中映像表示素子によって空中に結像された実像の表示画面において指等によって指定された入力位置を、非接触入力センサによって検知することにより、観察者が、空中映像表示素子に触れることなく、所定の操作や入力が可能な空中映像表示装置（非接触入出力端末）を実現することができる。

ここで、特許文献１では、上記非接触入力センサとしてカメラを用い、カメラでの撮影によって取得した画像から、手指の形状を認識して指先の座標データを取得している。また、特許文献２では、上記非接触入力センサとして光学式の位置入力手段を用いている。上記位置入力手段は、実像の表示画面を囲む枠体に、投光素子と受光素子とを対向して配置するとともに、投光素子と受光素子との対を所定間隔で多数配置することによって構成されている。枠体内に結像された実像中のどこかに指を置くと、任意の投光素子から任意の受光素子に向かう光が指で遮蔽され、これによって指を置いた位置が検知される。

特開２０１３−２４２８５０号公報（請求項１、段落〔０００５〕、〔０００６〕、〔００２５〕、〔００３６〕〜〔００４３〕、図１等参照） 特開２０１４−６７０７１号公報（請求項１、段落〔０００８〕、〔００１５〕、〔００２２〕、〔００２３〕、図１、図２等参照）

例えばキッチンでの調理においては、材料を包丁で切ったり、水で洗ったりするなどして、調理者の手が汚れたり、濡れたりする。また、例えば病院での手術中においては、手術を行う医師は、自身の衛生を保つ必要があり、外部機器と直接手（手袋）が触れないようにする必要がある。このように手が汚れる作業中や、手術中において、タッチパネルに対して接触操作を行うと、接触面が汚れて表示映像が見にくくなる、接触面の清掃が必要になる、故障（誤動作を含む）が生じる、接触による感染が生じる、などの不都合が生じる。空中映像表示素子と非接触入力センサとを備えた従来の構成は、空中の表示画像に対して非接触での操作や入力が可能であるため、接触操作による上記の不都合を低減でき、手が汚れる作業等を行う場合に非常に有効であるとも考えられる。

しかし、空中映像表示素子と非接触入力センサとを備えた構成でも、例えば、空中の表示画面に対して手（または指）で入力を行うときに、手が表示画面を通り抜けて、その奥にある空中映像表示素子に接触する場合がある。この場合、やはり、接触面が汚れて表示映像が見にくくなる、接触面の清掃が必要になる、故障（例えば空中映像表示素子の破損）が生じる、接触による感染が生じる、などの不都合が生じる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、空中映像表示素子と非接触の入力検知部とを備えた構成で、物体（例えば手や指）が空中の実像の表示画面を通り抜けたとしても、その物体の空中映像表示素子への接触のリスクを十分に低減でき、これによって接触による不都合が生じる可能性を十分に低減できる空中映像表示装置を提供することにある。

本発明の一側面に係る空中映像表示装置は、一方の面側に配置される像源の実像を、他方の面側の空中に結像させて表示する平板状の空中映像表示素子と、前記実像の表示画面において物体によって指定される入力位置を、前記物体と非接触で検知する入力検知部とを備えた空中映像表示装置であって、前記空中映像表示素子と前記実像の表示位置との間に設定される基準位置よりも前記空中映像表示素子側への前記物体の侵入を検知する侵入検知部と、前記侵入検知部にて前記物体の侵入を検知したときに、警告を行う警告部とを備えている。

前記侵入検知部は、発光部および受光部を有し、前記発光部が発した光の前記物体による遮蔽の有無を、前記受光部での受光状態に基づいて検知することにより、前記物体の侵入を検知してもよい。

前記発光部および前記受光部は、前記空中映像表示素子と前記基準位置との間に位置していてもよい。

前記入力検知部は、前記侵入検知部を兼ねており、前記物体の位置検知に基づいて前記物体の侵入を検知してもよい。

前記空中映像表示装置は、前記空中映像表示素子に対して前記像源とは反対側に位置する投光部および受光部を備え、前記投光部は、前記平板状の空中映像表示素子に垂直な任意の断面内で、前記空中映像表示素子に対して垂直な方向に線状の光、または前記方向に走査された光を前記受光部に向けて出射し、前記侵入検知部は、前記投光部および前記受光部を有し、前記投光部から出射されて、前記基準位置に対して前記空中映像表示素子側を通る光の前記受光部での受光状態に基づいて、前記物体の侵入を検知し、前記入力検知部は、前記投光部および前記受光部を有し、前記投光部から出射されて、前記基準位置に対して前記空中映像表示素子とは反対側を通る光の前記受光部での受光状態に基づいて、前記物体によって指定される前記入力位置を検知してもよい。

前記像源、前記空中映像表示素子および前記実像の表示画面は、互いに平行であってもよい。

前記警告部は、前記像源の位置に配置される表示器を含み、前記表示器は、警告情報を表示し、その実像を前記空中映像表示素子によって空中に表示させることにより、警告を行ってもよい。

前記表示器は、前記警告情報以外の表示情報の少なくとも一部を、前記警告情報に置き換えて、または前記警告情報と重ねて表示してもよい。

前記警告情報は、警告に関する映像および文章の少なくとも一方を含んでいてもよい。

前記警告部は、音または音声を出力することによって警告を行う音声出力部を含んでいてもよい。

前記警告部は、光を発することによって警告を行う光源を含んでいてもよい。

前記警告部は、超音波を前記物体に伝達することによって警告を行う超音波発生装置を含んでいてもよい。

前記空中映像表示装置は、前記空中映像表示素子を収容する筐体をさらに備え、前記筐体は、前記空中映像表示素子と前記実像の表示位置との間に透明部を有していてもよい。

前記筐体は、前記平板状の空中映像表示素子を立てた状態で収容していてもよい。

上記の構成によれば、空中映像表示素子と非接触の入力検知部とを備えた構成において、物体が実像の表示画面を通り抜け、基準位置よりも空中映像表示素子側に侵入したときに、侵入検知部がそれを検知し、警告部が警告を行う。これにより、実像Ｒの観察者（実像Ｒの表示画面に対して物体によって入力を行う者）に対して、物体が空中映像表示素子に接触する可能性があることを察知させ、物体の空中映像表示素子側への侵入を停止させることができる。したがって、物体が実像の表示画面を通り抜けたとしても、その物体の空中映像表示素子への接触のリスクを十分に低減することができ、接触によって不都合（接触面の汚染等）が生じる可能性を十分に低減することができる。

本発明の実施の一形態に係る空中映像表示装置の概略の構成を示す説明図である。 上記空中映像表示装置が有する空中映像表示素子の概略の構成を模式的に示す斜視図である。 上記空中映像表示素子による２次元での実像の結像原理を示す説明図である。 ３次元空間での光線の反射を模式的に示す説明図である。 ３次元空間において、点光源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説明図である。 上記空中映像表示装置の警告部としての表示器による警告情報の表示の一例を示す説明図である。 上記警告情報の表示の他の例を示す説明図である。 上記警告情報の表示のさらに他の例を示す説明図である。 上記空中映像表示装置の他の構成を示す説明図である。 上記空中映像表示装置のさらに他の構成を示す説明図である。 上記空中映像表示装置のさらに他の構成を示す説明図である。 図１１の空中映像表示装置が有する投光部および受光部の詳細な構成および光の光路を示す説明図である。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本発明は、以下の内容に限定されるわけではない。

〔空中映像表示素子の構成〕
図１は、本実施形態の空中映像表示装置１の概略の構成を示す説明図である。空中映像表示装置１は、平板状の空中映像表示素子２と、像源３とを備え、像源３からの光を空中映像表示素子２で反射させて、空中映像表示素子２に対して像源３とは反対側の空中に集めることにより、上記空中に像源３の実像Ｒを結像させる。言い換えると、空中映像表示装置１は、空中映像表示素子２の一方の面２ａ側に配置される像源３の実像Ｒを、他方の面２ｂ側の空中に結像させて映像として表示する。ここで、まず、空中映像表示素子２の構成について説明する。

図２は、本実施形態の空中映像表示素子２の概略の構成を模式的に示す斜視図である。空中映像表示素子２は、２枚の光学プレート２０・３０を貼り合わせて構成されている。一方の光学プレート２０は、光学プレート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、接着層を介して複数のミラー素子２１を並べることによって形成されている。ミラー素子２１は、透明部材２１ａを有している。透明部材２１ａは、例えばガラスからなる直方体状の透明基板（透明体）であり、Ｙ方向に延びている。そして、透明部材２１ａにおいて、対向する２面（例えばＹＺ面に沿った２面）のうちの少なくとも一方の面に、アルミニウムなどの金属膜の蒸着によってミラー２１ｂが形成されている。

他方の光学プレート３０は、上記２方向のうちの他の方向（例えばＹ方向）に、接着層を介して複数のミラー素子３１を並べることによって形成されている。ミラー素子３１は、透明部材３１ａを有している。透明部材３１ａは、例えばガラスからなる直方体状の透明基板（透明体）であり、Ｘ方向に延びている。そして、透明部材３１ａにおいて、対向する２面（例えばＺＸ面に沿った２面）のうちの少なくとも一方の面に、アルミニウムなどの金属膜の蒸着によってミラー３１ｂが形成されている。

上記のようにＸ方向に複数のミラー素子２１を並べて配置した光学プレート２０と、上記のようにＹ方向に複数のミラー素子３１を並べて配置した光学プレート３０とをＺ方向に積層することにより、光学プレート２０のミラー２１ｂと光学プレート３０のミラー３１ｂ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。このような構成の空中映像表示素子２を用いることにより、空中に映像を結像させることができる。以下、その結像原理について簡単に説明する。

図３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（ミラー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。

図４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３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（ミラー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（ミラー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ａ１・ａ２の合成からなる光線Ａは、ミラー２１ｂおよびミラー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。

図５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４と同様にして、ＹＺ面に平行な反射面（ミラー２１ｂ）およびＺＸ面に平行な反射面（ミラー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。

なお、平面視で交差するように配置される各反射面での計２回反射を利用して空中に映像を結像させる方式のことを、コーナーミラー方式と呼ぶことがある。本実施形態の空中映像表示素子もコーナーミラー方式を採用しているが、コーナーミラー方式の空中映像表示素子は、一方の面側に配置される像源の実像を他方の面側の空間位置に結像させる結像素子等（マイクロミラーアレイ、リフレクタアレイ、光学結像装置、反射型面対称結像素子群などを含む）と言い換えることも可能である。

なお、本実施形態では、２枚の光学プレート２０・３０を積層して空中映像表示素子２を構成しているが、１枚の光学プレートにおいて、互いに直交する反射面を２次元的に配置して空中映像表示素子２を構成してもよい。

〔空中映像表示装置の構成〕
次に、図１に戻り、空中映像表示装置１において、空中映像表示素子２以外の構成について説明する。図１で示した像源３としては、例えば液晶表示装置などの表示器３ａに表示される２次元の画像を考えることができるが、３次元の観察対象物であってもよい。後者の場合、像源３から空中映像表示素子２に向かう光は、観察対象物そのものが発光する光であってもよいし、観察対象物に光が当たったときに周囲に散乱される光（散乱光）であってもよい。また、表示器３ａは、液晶表示装置単体であってもよいし、プロジェクタとスクリーンとの組み合わせであってもよい。

また、像源３は、発光するボタン（例えばＬＥＤ（発光ダイオード））を複数並べて構成されていてもよい。この場合、複数の安価なＬＥＤを並べるだけで像源３が構成されるため、液晶表示装置を用いて像源３を形成する（画像を表示させる）構成に比べて、空中映像表示装置１のコストを低減することができる。

空中映像表示装置１は、空中映像表示素子２および像源３に加えて、入力検知部４と、侵入検知部５と、警告部６とを備えている。なお、以下での説明において、実像Ｒの表示画面とは、実像Ｒが実際に空中に表示（結像）されたときの表示領域（例えば矩形の領域）を指し、実像Ｒの表示位置とは、表示画面の空中での位置を指すものとする。

入力検知部４は、空中に結像される実像Ｒの表示画面において、実像Ｒの観察者が物体Ｆによって入力を行うときに、その物体Ｆによって指定される入力位置を、物体Ｆと非接触で検知する。なお、物体Ｆとしては、例えば実像Ｒの観察者の手や指のほか、観察者が手に持つスタイラスペンなどを想定することができる。このような入力検知部４は、例えば、マイクロソフト社のＫｉｎｅｃｔ（登録商標）など、公知の非接触入力デバイスを用いることができる。

ここで、Ｋｉｎｅｃｔ（登録商標）には、Light Coding方式（パターン照射方式とも呼ばれる）が採用されたセンサと、ＴＯＦ（Time of Flight）方式が採用されたセンサとの２種類がある。前者のセンサは、赤外線パターンを投光するＩＲプロジェクタと、投光された赤外線パターンを読み取るＩＲカメラとを備えており、物体に投光した赤外線パターンをＩＲカメラで撮影し、（工場出荷時にキャリブレーションしておいた）パラメータを用いて、三角測量により画像上の各点のデプス（位置）を算出する。

すなわち、Light Coding方式では、「キャリブレーション（準備）」と「テスト（実際の撮影）」との２段階で位置検知が行われる。「キャリブレーション」では、既知のパターンについて「パターン中の各点がどれだけ移動（シフト）すると、デプスがどれだけ変化するか」というパラメータを、単純で正確な物体（平面や立方体など）を撮影することによって予め求めておく。そして、「テスト」では、撮影した画像の各点が既知パターンのどの位置に相当するかを画像処理（テンプレートマッチングなど）によって求め、あとは「キャリブレーション」で求めておいたパラメータから、その画素のデプスを計算する。

一方、後者のセンサ（ＴＯＦ方式のセンサ）は、パルス変調された赤外線を投光するプロジェクタと、赤外線カメラとを備えており、物体に投光した赤外線が反射して戻ってくる時間を計測し、上記時間と赤外線の移動速度とから、物体の各点までの距離（位置情報）を得る。

また、入力検知部４としては、この他にも、レーザーカーテンによって入力位置を非接触で検知するセンサを用いることもできる。なお、レーザーカーテンを利用する場合、入力検知部４と侵入検知部５とを同時に（一体的に）構成することができるが、この例については後述する。その他、詳細な説明は省略するが、リープモーション社のＬＥＡＰ ＭＯＴＩＯＮ（登録商標）コントローラや、ネオノード社のＡｉｒＢａｒ（商品名）も、入力検知部４として用いることができる。

侵入検知部５は、空中映像表示素子２と実像Ｒの表示位置との間に設定される基準位置Ｔ０よりも空中映像表示素子２側への物体Ｆの侵入（空中映像表示素子２への近接）を検知する光学式センサである。上記の基準位置Ｔ０は、空中映像表示素子２と実像Ｒの表示位置との間であればどの位置に設定されてもよいが、空中映像表示素子２に近すぎると、物体Ｆが基準位置Ｔ０を超えたときに、その後すぐに空中映像表示素子２または筐体７に接触する可能性がある。逆に、基準位置Ｔ０が実像Ｒの表示位置に近すぎると、物体Ｆが実像Ｒの表示画面を通り抜けたときに、その後すぐに基準位置Ｔ０を超えて侵入が検知される場合がある。このため、実像Ｒの表示画面に対して物体Ｆによって入力を行うときの通り抜け方向の許容幅（マージン）が狭くなり、物体Ｆによる入力を精度よく行う（物体Ｆが表示画面から突き出ないようにする）ことが実像Ｒの観察者に要求される。したがって、基準位置Ｔ０は、空中映像表示素子２または筐体７への物体Ｆの接触を確実に回避する観点と、物体Ｆによる入力の許容幅を確保する観点とから、空中映像表示素子２と実像Ｒの表示位置との間で適切に設定されればよい。

上記の侵入検知部５は、例えば発光部５ａおよび受光部５ｂで構成可能である。発光部５ａは、例えば複数のＬＥＤを並べて構成され、受光部５ｂは、例えば複数のフォトダイオードを並べて構成される。発光部５ａおよび受光部５ｂは、空中映像表示素子２と基準位置Ｔ０との間（特に筐体７と基準位置Ｔ０との間）に設けられており、空中映像表示素子２から実像Ｒの表示位置（結像位置）に向かう光に対して互いに反対側に位置している。このように発光部５ａおよび受光部５ｂを配置することにより、発光部５ａと受光部５ｂとの間に物体Ｆの侵入検知領域Ｓが形成される。上記侵入検知部５の構成では、発光部５ａが発した光の物体Ｆによる遮蔽の有無を、受光部５ｂでの受光状態に基づいて検知することができ、これによって、侵入検知領域Ｓへの物体Ｆの侵入、つまり、基準位置Ｔ０よりも空中映像表示素子２側への物体Ｆの侵入を検知することができる。

なお、平板状の空中映像表示素子２に垂直な方向において、発光部５ａおよび受光部５ｂの設置位置および幅を調整することにより、侵入検知領域Ｓの幅を調整でき、これによって、空中映像表示素子２と実像Ｒの表示位置との間で基準位置Ｔ０を調整することができる。なお、図１では、発光部５ａに対して受光部５ｂを相対的に上方に位置させているが、これらの位置関係は逆であってもよい。

警告部６は、侵入検知部５にて物体Ｆの侵入を検知したときに、警告を行う。このような警告部６は、音声出力部としてのスピーカー６ａ、光を発することによって警告を行う光源６ｂ（例えばＬＥＤ）、超音波を物体Ｆに伝達することによって警告を行う超音波発生装置６ｃの少なくともいずれかを含んで構成することができる。超音波発生装置６ｃは、超音波振動子を格子状に多数並べた超音波振動子アレイから、空中の任意の位置に焦点を結ぶように超音波を発生させる装置である。

空中映像表示装置１において、像源２、空中映像表示素子３、入力検知部４および警告部６は、筐体７内に収容されており、侵入検知部５は、筐体７の外部に設けられている。なお、入力検知部４は、筐体７の外部に設けられていてもよい。筐体７は、空中映像表示素子２と実像Ｒの表示位置との間に透明部７ａを有しており、これによって、像源３からの光を、空中映像表示素子２および透明部７ａを介して実像Ｒの表示位置に導き、空中に実像Ｒを表示させることができる。

なお、筐体７は、その全体が透明であっても勿論構わないが、筐体７の内部での散乱光やゴースト光を吸収するために、筐体７における透明部７ａ以外の部分の内面は、黒色であることが望ましい。また、上記の透明部７ａの代わりに開口部を筐体７に設け、像源３からの光を、空中映像表示素子２および開口部を介して実像Ｒの表示位置に導く構成としてもよい。

上記の構成において、像源３からの光は、空中映像表示素子２によって像源３とは反対側の空中に導かれ、これによって像源３の実像Ｒが空中に結像される。結像された実像Ｒの表示画面において、実像Ｒの観察者が物体Ｆ（例えば指）によって入力位置を指定したとき、その入力位置は入力検知部４によって非接触で検知される。このとき、物体Ｆが実像Ｒの表示画面を通り抜け、さらに空中映像表示素子２と実像Ｒの表示位置との間の基準位置Ｔ０を超えて侵入検知領域Ｓに侵入すると、侵入検知部５がそれを検知し、警告部６が警告を行う。

例えば、警告部６がスピーカー６ａを含む場合、スピーカー６ａから、「ピー」というような音、または「近づきすぎです」などの音声が出力される。また、警告部６が光源６ｂを含む場合、光源６ｂが点灯する。さらに、警告部６が超音波発生装置６ｃを含む場合、超音波発生装置６ｃが物体Ｆに向けて超音波を出力する。いずれの警告方法によっても、実像Ｒの観察者に対して、物体Ｆの空中映像表示素子２（筐体７に透明部７ａが存在せず開口部がある場合）または筐体７（透明部７ａが存在する場合）への接触の可能性があることを察知させることができ、これによって、物体Ｆの侵入（空中映像表示素子２側への移動）を停止させることができる。

以上のように、侵入検知部５による侵入検知および警告部６による警告により、実像Ｒの表示画面を通り抜けた物体Ｆが空中映像表示素子２または筐体７に接触する前に、物体Ｆの侵入を停止させることができる。したがって、物体Ｆの空中映像表示素子２または筐体７への接触のリスクを十分に低減することができ、接触によって不都合が生じる可能性を十分に低減することができる。例えば、空中映像表示素子２または筐体７において、物体Ｆとの接触面が汚れて実像Ｒが見にくくなる、接触面の清掃が必要になる、空中映像表示素子２が破損する（筐体７に透明部７ａが存在しない場合）、接触によって物体Ｆが感染する、滅菌されていない物体Ｆとの接触によって空中映像表示素子２または筐体７の接触面が汚染される、などの不都合が生じる可能性を十分に低減することができる。

また、侵入検知部５は、発光部５ａおよび受光部５ｂを有し、発光部５ａが発した光の物体Ｆによる遮蔽の有無を、受光部５ｂでの受光状態に基づいて検知することにより、物体Ｆの侵入を検知する。このような光学的な検知方法により、物体Ｆの侵入を容易に検知することができる。

また、発光部５ａおよび受光部５ｂは、空中映像表示素子２と基準位置Ｔ０との間に位置している。これにより、基準位置Ｔ０よりも空中映像表示素子２側への物体Ｆの侵入を確実に検知することができる。

また、警告部６は、スピーカー６ａ、光源６ｂ、超音波発生装置６ｃの少なくともいずれかを含んでいる。スピーカー６ａから音または音声を発して警告を行うことにより、その警告を実像Ｒの観察者に聴覚的な刺激として与えることができる。また、光源６ｂを点灯して警告を行うことにより、その警告を実像Ｒの観察者に視覚的な刺激として与えることができる。さらに、超音波発生装置６ｃから超音波を発生させることにより、物体Ｆの位置に音響放射圧と呼ばれる圧力が生じ、この圧力によって物体Ｆに触覚的な刺激を与えることができる。いずれの警告の手法でも、実像Ｒの観察者に対して、物体Ｆが空中映像表示素子２または筐体７に接触する可能性があることを確実に認識させることができる。

また、空中映像表示装置１において、空中映像表示素子２を収容する筐体７が、空中映像表示素子２と実像Ｒの表示位置との間に透明部７ａを有している場合、侵入検知部５による侵入検知および警告部６の警告により、物体Ｆが透明部７ａに接触する前に、物体Ｆの透明部７ａ側への侵入を停止させることができる。したがって、物体Ｆの透明部７ａへの接触のリスクを十分に低減することができ、接触によって透明部７ａの接触面が汚れて実像Ｒが見にくくなる、接触面の清掃が必要になる、透明部７ａが破損する、透明部７ａとの接触によって物体Ｆが感染する、などの不都合が生じる可能性を十分に低減することができる。

なお、筐体７が透明部７ａを有する場合、筐体７の内部に収容された空中映像表示素子２が外部に露出しないため（物体Ｆの侵入側に透明部７ａが位置するため）、物体Ｆが空中映像表示素子２に直接接触することはほとんどない。したがって、筐体７が透明部７ａを有する構成では、透明部７ａがない構成（例えば筐体７に開口部を設ける構成）に比べて、物体Ｆの空中映像表示素子２への接触のリスクをさらに低減して、空中映像表示素子２への接触による不都合が生じる可能性をさらに低減できると言える。

また、本実施形態では、図１のように、筐体７は、平板状の空中映像表示素子２を立てた状態で収容している。なお、「平板状の空中映像表示素子２を立てた状態」とは、空中映像表示素子２の像源３側の面２ａおよび実像Ｒ側の面２ｂが両方とも、筐体７で水平に位置する底面７ｂに対して垂直な方向（底面７ｂに対して９０°）となるように、空中映像表示素子２が位置する場合のみならず、面２ａ・２ｂが底面７ｂに対して所定の角度範囲（例えば６０°以上９０°未満）で傾くように空中映像表示素子２が位置する場合も含まれるものとする。なお、上記のように筐体７内で空中映像表示素子２が位置する空中映像表示装置１の構成を、以下では、縦型とも称する。

縦型の構成では、実像Ｒの観察者から見て手前から奥に向かって、実像Ｒの表示画面、空中映像表示素子２、像源３が順に並び、しかも、実像Ｒの表示画面の直下に空間だけが存在する。つまり、実像Ｒの表示画面の直下に空中映像表示装置１の構成部材が何ら存在しないレイアウトとなる。したがって、実像Ｒの観察者が、水等によって手が濡れる作業中に実像Ｒの表示画面に対して入力を行い、そのときに、濡れた手から水が下方に滴り落ちたとしても、実像Ｒの表示画面の直下に空中映像表示装置１の構成部材が何らないため、手から落下した水があたって空中映像表示装置１が故障する（例えば物体Ｆの入力位置の検知や物体Ｆの侵入検知領域Ｓへの侵入検知ができなくなる）などの心配がほとんどない。よって、縦型の空中映像表示装置１は、実像Ｒの観察者が、手が濡れる作業中に実像Ｒの表示画面に対して入力を行う使用形態において非常に有効である。

〔警告の他の例〕
警告部６は、像源３の位置に配置される表示器３ａを含んでいてもよい。この場合、表示器３ａは、警告情報を表示し、その実像Ｒを空中映像表示素子２によって空中に表示させることにより、警告を行ってもよい。なお、表示器３ａ以外の警告部６（スピーカー６ａ、光源６ｂ、超音波発生装置６ｃ）は、音声出力、光源点灯、超音波の少なくともいずれかによる警告を、表示器３ａによる警告表示と同時に行ってもよい。

例えば、図６および図７は、警告部６としての表示器３ａが、警告情報Ｄ２と、その警告情報Ｄ２以外の表示情報Ｄ１とを同時に表示し、これを空中映像表示素子２によって実像Ｒとして空中に表示したときの表示画面の例を示しており、図６は、表示情報Ｄ１の一部を警告情報Ｄ２に置き換えて表示した場合を示し、図７は、表示情報Ｄ１に警告情報Ｄ２を重ねて表示した場合を示している。いずれの場合も、警告情報Ｄ２の表示により、実像Ｒの観察者に対して、物体Ｆが空中映像表示素子２に接触する可能性があることを認識させて、物体Ｆの空中映像表示素子２側への侵入停止を適切に促すことができる。

図８は、警告部６としての表示器３ａが、表示情報Ｄ１の全てを警告情報Ｄ２に置き換えて表示した場合の、実像Ｒの表示画面を示している。警告情報Ｄ２の単独表示により、警告情報Ｄ２が強調されるため、実像Ｒの観察者に対して、物体Ｆが空中映像表示素子２に接触する可能性があることを確実に認識させることができ、物体Ｆの空中映像表示素子２側への侵入停止を確実に促すことができる。

このように、警告部６としての表示器３ａは、警告情報Ｄ２以外の表示情報Ｄ１の少なくとも一部を、警告情報Ｄ２に置き換えて、または警告情報Ｄ２と重ねて表示する。このように、実像Ｒの観察者が物体Ｆによる入力作業を行っている画面上で警告が行われるため、その画面を見て入力作業を行っている実像Ｒの観察者に対して、警告を確実に伝えることができる。

また、図８の例では、実像Ｒとして表示される警告情報Ｄ２に、警告に関する映像Ｄ２−１（例えば注意マーク）および文章Ｄ２−２が含まれている。これにより、実像Ｒの観察者に対して警告を確実に認識させることができる。なお、警告情報Ｄ２は、映像Ｄ２−１および文章Ｄ２−２のいずれか一方のみであってもよい。

なお、表示器３ａでの警告表示の手法は、上記の例に限定されるわけではない。例えば、全ての表示を消す、表示情報の背景や色を変える、表示情報を点滅させる、警告情報を点滅させる、などの手法によって警告表示を行ってもよい。

なお、以上で説明した警告部６による警告は、段階的に行われてもよい。例えば、物体Ｆの空中映像表示素子２側への侵入に度合い応じて（空中映像表示素子２に物体Ｆが近づくにつれて）、警告音を大きくする、光源の点灯輝度を上げる、警告表示を大きくする、超音波の出力強度を上げるなど、警告の態様を変化させてもよい。

〔空中映像表示装置１の他の構成〕
図９は、空中映像表示装置１の他の構成を示す説明図である。空中映像表示装置１において、筐体７は、平板状の空中映像表示素子２を横にした状態で収容していてもよい。なお、「平板状の空中映像表示素子２を横にした状態」とは、空中映像表示素子２の像源３側の面２ａおよび実像Ｒ側の面２ｂが両方とも、筐体７で水平に位置する底面７ｂに対して平行な方向（底面７ｂに対して０°）となるように、空中映像表示素子２が位置する場合のみならず、面２ａ・２ｂが底面７ｂに対して所定の角度範囲（例えば０°よりも大きく４５°未満）で傾くように空中映像表示素子２が位置する場合も含まれるものとする。なお、上記のように筐体７内で空中映像表示素子２が位置する空中映像表示装置１の構成を、以下では、横型とも称する。

横型の構成では、実像Ｒの表示画面の直下に筐体７が位置するレイアウトとなるが、実像Ｒの表示画面に対して入力を行う観察者が、手から水等が落下する心配のない作業者である場合には、水等の落下によって空中映像表示装置１が故障する心配がないため、有効である。

図１０は、空中映像表示装置１のさらに他の構成を示す説明図である。上記した入力検知部４は、侵入検知部５を兼ねていてもよい。そして、入力検知部４は、物体Ｆの位置検知に基づいて、基準位置Ｔ０よりも空中映像表示素子２側への物体Ｆの侵入を検知してもよい。入力検知部４は、上述したＫｉｎｅｃｔ（登録商標）等の採用により、物体Ｆの位置を３次元的に検知することができる。したがって、基準位置Ｔ０の３次元空間での位置（座標）が予めわかっていれば、その基準位置Ｔ０と、検知した物体Ｆの位置とに基づいて、物体Ｆが基準位置Ｔ０よりも空中映像表示素子２側に侵入したか否かを検知することができる。このように、入力検知部４が侵入検知部５を兼ねる場合、これらを別々に設ける図１の構成に比べて、部品点数が少なくなり、構成が簡素化されるため、空中映像表示装置１の製造コストを低減することができる。

〔レーザーカーテンを利用した構成〕
図１１は、空中映像表示装置１のさらに他の構成を示す説明図である。なお、以下での説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。まず、平板状の空中映像表示素子２に対して垂直な方向をｚ方向とする。そして、ｚ方向に垂直な面内で互いに垂直な２方向のうちの一方をｘ方向とし、他方をｙ方向とする。図１１では、ｘ方向を水平方向に対応させ、ｙ方向を鉛直方向に対応させている。

図１１の空中映像表示装置１では、空中映像表示素子２の像源３側の面２ａおよび実像Ｒ側の面２ｂが両方とも、水平な底面７ｂ（ｚｘ面）に対して９０°となるように、筐体７内で空中映像表示素子２を立てて収容している。空中映像表示装置１の像源３、平板状の空中映像表示素子２および実像Ｒの表示画面は、互いに平行となっている。

上記空中映像表示装置１は、空中映像表示素子２に対して像源３とは反対側に位置する投光部８ａおよび受光部８ｂを備えている。投光部８ａおよび受光部８ｂは、空中映像表示素子２から実像Ｒの表示位置（結像位置）に向かう光に対して互いに反対側に位置している。また、投光部８ａは、平板状の空中映像表示素子２に垂直な任意の断面内で（例えばｙｚ面内で）、空中映像表示素子２に対して垂直な方向（ｚ方向）に線状の光、または上記方向に走査された光を受光部８ｂに向けて出射する。このように、上記線状の光または走査光を出射する投光部８ａと、その光を受光する受光部８ｂとを用いることにより、これらの投光部８ａおよび受光部８ｂを、侵入検知部５として機能させることもできるし、入力検知部４として機能させることもできる。

図１２は、投光部８ａおよび受光部８ｂの詳細な構成、および平板状の空中映像表示素子２に垂直な任意の断面内での光の光路を示す説明図である。投光部８ａは、半導体レーザ１１と、ポリゴンミラー１２と、反射ミラー１３と、コリメータレンズ（Ｆθレンズ）１４とを備えている。受光部８ｂは、受光レンズ２１と、受光素子２２（例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの固体撮像素子）と、エッジ検出部２３（例えばエッジ検出回路）と、判断部２４（例えばＣＰＵなどの演算処理部）とを備えている。なお、判断部２４は、受光部８ｂの外部にあってもよい。

半導体レーザ１１から出射されたレーザ光は、回転するポリゴンミラー１２の一側面で反射され、反射ミラー１３で反射された後、コリメータレンズ１４に入射する。このとき、ポリゴンミラー１２が回転しているため、半導体レーザ１１から出射されたレーザ光は、ポリゴンミラー１２および反射ミラー１３を介して、一方向（ｚ方向）に走査されながらコリメータレンズ１４に入射し、コリメータレンズ１４を透過して受光部８ｂに導かれる。なお、上記のように走査された光のことを、レーザーカーテンと呼ぶ。

ここで、投光部８ａと受光部８ｂとの間に物体Ｆが存在していると、コリメータレンズ１４を透過したレーザ光の一部は物体Ｆで遮蔽され、残りは物体Ｆで遮蔽されずに、受光レンズ２１を介して受光素子２２に入射する。受光素子２２では、物体Ｆの大きさや位置に応じて各画素での光の受光状態が変化し、受光素子２２からは上記受光状態に応じた検出信号がエッジ検出部２３に送られる。エッジ検出部２３では、エッジ検出フィルタ等を用いた公知のエッジ検出処理により、レーザ光の走査方向（ｚ方向）における物体Ｆのエッジが検出される。判断部２４では、エッジ検出部２３にて検出された物体Ｆのエッジの位置に基づき、レーザ光の走査方向における物体Ｆの大きさおよび位置を判断することが可能となる。

したがって、空中映像表示素子２に対して垂直なｚ方向がレーザ光の走査方向と対応している上記の構成では、投光部８ａから出射されて、基準位置Ｔ０に対して空中映像表示素子２側を通るレーザ光の受光部８ｂでの受光状態に基づいて、（基準位置Ｔ０に対して空中映像表示素子２側の侵入検知領域Ｓへの）物体Ｆの侵入を検知することができる。また、投光部８ａから出射されて、基準位置Ｔ０に対して空中映像表示素子２とは反対側を通るレーザ光の受光部８ｂでの受光状態に基づいて、（基準位置Ｔ０に対して空中映像表示素子２とは反対側の入力検知領域Ｖでの）物体Ｆによる入力位置を検知することができる。

以上のことから、図１１の空中映像表示装置１では、侵入検知部５は、投光部８ａおよび受光部８ｂを有し、投光部８ａから出射されて、基準位置Ｔ０に対して空中映像表示素子２側を通る光の受光部８ｂでの受光状態に基づいて、物体Ｆの侵入を検知すると言うことができる。また、入力検知部４は、投光部８ａおよび受光部８ｂを有し、投光部８ａから出射されて、基準位置Ｔ０に対して空中映像表示素子２とは反対側を通る光の受光部８ｂでの受光状態に基づいて、物体Ｆによる入力位置を検知すると言うことができる。

このように、レーザーカーテンを利用することにより、同じ投光部８ａおよび受光部８ｂを用いて物体Ｆの侵入検知と入力位置の検知とを行うことができる。つまり、空中映像表示装置１の簡素な構成で、物体Ｆの侵入検知と入力位置の検知とを両方行うことができる。

特に、像源３、平板状の空中映像表示素子２および実像Ｒの表示画面は、互いに平行である（筐体７内で像源３および空中映像表示素子２の位置が平行に設定されている）。この場合、図１１に示すように、平板状の空中映像表示素子２に沿った方向（ｙ方向）に投光部８ａから受光部８ｂに向けて光を出射させる構成で、実像Ｒの表示画面を含む入力検知領域Ｖの幅（空中映像表示素子２に垂直なｚ方向の入力位置の検知幅）を、例えば空中映像表示素子２に対して実像Ｒの表示画面が４５°程度傾いた構成に比べて狭くすることができ、その分、投光部８ａおよび受光部８ｂの小型化が可能となる。

なお、ここでは、投光部８ａが一方向に光を走査して出射する構成としているが、上記一方向に線状の光源を用い、上記線状の光源から出射される、上記一方向に線状の光を用いても、上記と同様に、同じ投光部８ａおよび受光部８ｂを用いた構成で、侵入検知および入力検知を両方行うことができる。

なお、発光部８ａおよび受光部８ｂは、ｘ方向の各位置で、上記と同様の侵入検知および入力検知を行うために、ｘ方向に複数並んで構成されていてもよい。さらに、発光部８ａおよび受光部８ｂは、ｙ方向の各位置で、上記と同様の侵入検知および入力検知を行うために、ｙ方向にも複数並んで構成されていてもよい。

なお、投光部８ａは、ポリゴンミラー１２および反射ミラー１３の代わりに、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーを用いて構成されてもよい。ＭＥＭＳミラーを用いることにより、光源（半導体レーザ１１）からの入射光を２次元的に走査して面状の光として受光部８ｂに導くことができ、物体Ｆの侵入位置および物体Ｆによる入力位置を２次元的に検知することが可能となる。

また、投光部８ａは、半導体レーザ１１の代わりに、他の光源（例えばＬＥＤ）を用いて光を走査し、出射する構成であってもよい。

本発明は、例えば、像源の実像を空中に表示するとともに、表示された実像に対する物体の入力位置を検知する空中映像表示装置に利用可能である。

１ 空中映像表示装置
２ 空中映像表示素子
３ 像源
３ａ 表示器（警告部）
４ 入力検知部
５ 侵入検知部
５ａ 発光部
５ｂ 受光部
６ 警告部
６ａ スピーカー（警告部、音声出力部）
６ｂ 光源（警告部）
６ｃ 超音波発生装置（警告部）
７ 筐体
７ａ 透明部
８ａ 投光部（入力検知部、侵入検知部）
８ｂ 受光部（入力検知部、侵入検知部）
Ｆ 物体
Ｒ 実像
Ｔ０ 基準位置

Claims (14)

1. 一方の面側に配置される像源の実像を、他方の面側の空中に結像させて表示する平板状の空中映像表示素子と、
   前記実像の表示画面において物体によって指定される入力位置を、前記物体と非接触で検知する入力検知部とを備えた空中映像表示装置であって、
   前記空中映像表示素子と前記実像の表示位置との間に設定される基準位置よりも前記空中映像表示素子側への前記物体の侵入を検知する侵入検知部と、
   前記侵入検知部にて前記物体の侵入を検知したときに、警告を行う警告部とを備えていることを特徴とする空中映像表示装置。
2. 前記侵入検知部は、発光部および受光部を有し、前記発光部が発した光の前記物体による遮蔽の有無を、前記受光部での受光状態に基づいて検知することにより、前記物体の侵入を検知することを特徴とする請求項１に記載の空中映像表示装置。
3. 前記発光部および前記受光部は、前記空中映像表示素子と前記基準位置との間に位置していることを特徴とする請求項２に記載の空中映像表示装置。
4. 前記入力検知部は、前記侵入検知部を兼ねており、前記物体の位置検知に基づいて前記物体の侵入を検知することを特徴とする請求項１に記載の空中映像表示装置。
5. 前記空中映像表示素子に対して前記像源とは反対側に位置する投光部および受光部を備え、
   前記投光部は、前記平板状の空中映像表示素子に垂直な任意の断面内で、前記空中映像表示素子に対して垂直な方向に線状の光、または前記方向に走査された光を前記受光部に向けて出射し、
   前記侵入検知部は、前記投光部および前記受光部を有し、前記投光部から出射されて、前記基準位置に対して前記空中映像表示素子側を通る光の前記受光部での受光状態に基づいて、前記物体の侵入を検知し、
   前記入力検知部は、前記投光部および前記受光部を有し、前記投光部から出射されて、前記基準位置に対して前記空中映像表示素子とは反対側を通る光の前記受光部での受光状態に基づいて、前記物体によって指定される前記入力位置を検知することを特徴とする請求項１に記載の空中映像表示装置。
6. 前記像源、前記空中映像表示素子および前記実像の表示画面は、互いに平行であることを特徴とする請求項５に記載の空中映像表示装置。
7. 前記警告部は、前記像源の位置に配置される表示器を含み、
   前記表示器は、警告情報を表示し、その実像を前記空中映像表示素子によって空中に表示させることにより、警告を行うことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の空中映像表示装置。
8. 前記表示器は、前記警告情報以外の表示情報の少なくとも一部を、前記警告情報に置き換えて、または前記警告情報と重ねて表示することを特徴とする請求項７に記載の空中映像表示装置。
9. 前記警告情報は、警告に関する映像および文章の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項７または８に記載の空中映像表示装置。
10. 前記警告部は、音または音声を出力することによって警告を行う音声出力部を含むことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の空中映像表示装置。
11. 前記警告部は、光を発することによって警告を行う光源を含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の空中映像表示装置。
12. 前記警告部は、超音波を前記物体に伝達することによって警告を行う超音波発生装置を含むことを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の空中映像表示装置。
13. 前記空中映像表示素子を収容する筐体をさらに備え、
    前記筐体は、前記空中映像表示素子と前記実像の表示位置との間に透明部を有していることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の空中映像表示装置。
14. 前記筐体は、前記平板状の空中映像表示素子を立てた状態で収容することを特徴とする請求項１３に記載の空中映像表示装置。

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