JP2023102972A - 空中表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 空中像付近の対象物を検出可能な空中表示装置を提供する。【解決手段】 空中表示装置は、画像を表示する表示素子２０と、表示素子２０からの光を受けるように配置され、表示素子２０からの光を表示素子２０と反対側に向けて反射して空中像を結像させる反射素子４０と、表示素子２０と反射素子４０との間かつ反射素子４０が占める領域の外側に配置されたセンシング装置５０とを含む。センシング装置５０は、赤外光を反射素子４０に向けて出射する光源部５２と、対象物及び反射素子４０に順に反射された赤外光を検出する複数のカメラ５３とを含む。【選択図】 図１

Description

本発明は、空中表示装置に関する。

画像や動画などを空中像として表示可能な空中表示装置が研究され、新しいヒューマン・マシン・インターフェースとして期待されている。空中表示装置は、例えば、２面コーナーリフレクタがアレイ状に配列された２面コーナーリフレクタアレイを用いて、表示素子の表示面から出射される光を反射し、空中に実像を結像するものが提案されている。２面コーナーリフレクタアレイによる表示方法は、収差が無く、面対称位置に実像（空中像）が表示される。

空中像を指先で操作できれば、タッチパネルのように直接指先を触れることなく情報を入力できるため、衛生的な入力が可能である。空中像と同一面をセンシングするためには、空中像近傍にセンサを設置する必要がある。また、空中像に沿ってセンシングを行うためには、空中像の周囲にセンサを備えた装置を配置する必要がある。

特開２０１７－６７９３３号公報

本発明は、空中像付近の対象物を検出することが可能な空中表示装置を提供する。

本発明の第１態様によると、画像を表示する表示素子と、前記表示素子からの光を受けるように配置され、前記表示素子からの光を前記表示素子と反対側に向けて反射して空中像を結像させる反射素子と、前記表示素子と前記反射素子との間かつ前記反射素子が占める領域の外側に配置された第１センシング装置とを具備し、前記第１センシング装置は、赤外光を前記反射素子に向けて出射する光源部と、対象物及び前記反射素子に順に反射された赤外光を検出する複数のカメラとを含む、空中表示装置が提供される。

本発明の第２態様によると、前記反射素子は、平面状の基材と、前記基材の下に設けられ、それぞれが第１方向に延び、前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の光学要素とを有し、前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射面及び反射面を有する、第１態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第３態様によると、前記反射面の前記基材の法線方向に対する角度は、前記反射面に入射する光の入射角が臨界角より大きくなるように設定される、第２態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第４態様によると、前記入射面の前記基材の法線方向に対する角度は、前記入射面に入射する光の入射角が臨界角より小さくなるように設定される、第３態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第５態様によると、前記第１センシング装置は、前記第２方向に配置される、第２乃至４態様の何れかに係る空中表示装置が提供される。

本発明の第６態様によると、前記表示素子と前記反射素子とは、互いに平行に配置される、第１乃至５態様の何れかに係る空中表示装置が提供される。

本発明の第７態様によると、前記表示素子と前記反射素子との間に配置され、前記表示素子からの光の一部を透過する配向制御素子をさらに具備する、第１乃至６態様の何れかに係る空中表示装置が提供される。

本発明の第８態様によると、前記表示素子と、前記反射素子と、前記第１センシング装置とを収容する筐体をさらに具備する、第１乃至７態様の何れかに係る空中表示装置が提供される。

本発明の第９態様によると、前記複数のカメラの画像信号に基づいて、検出物の位置を算出する制御部をさらに具備する、第１乃至８態様の何れかに係る空中表示装置が提供される。

本発明の第１０態様によると、前記表示素子と前記反射素子との間かつ前記反射素子が占める前記領域の外側に配置され、前記反射素子に対して前記第１センシング装置と反対側に配置され、前記第１センシング装置と同じ構成を有する第２センシング装置をさらに具備する、第１乃至９態様の何れかに係る空中表示装置が提供される。

本発明によれば、空中像付近の対象物を検出することが可能な空中表示装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る空中表示装置の斜視図である。 図２は、図１に示した表示モジュール及びセンシング装置の斜視図である。 図３は、図１に示した表示モジュール及びセンシング装置のＹ方向から見た側面図である。 図４Ａは、図２に示した配向制御素子の平面図である。 図４Ｂ、図４ＡのＡ－Ａ´線に沿った配向制御素子の断面図である。 図５は、図２に示した反射素子の斜視図及び部分拡大図である。 図６は、図１に示したセンシング装置の模式的な平面図である。 図７は、空中表示装置のブロック図である。 図８は、反射素子における光の反射の様子を説明する斜視図である。 図９は、反射素子における光の反射の様子を説明するＸＺ面の側面図である。 図１０は、反射素子における光の反射の様子を説明するＹＺ面の側面図である。 図１１は、反射素子における入射面及び反射面の角度条件を説明する図である。 図１２は、空中表示装置の光線追跡図である。 図１３は、センシング装置の動作を説明する図である。 図１４は、センシング装置の光線追跡図である。 図１５は、本発明の第２実施形態に係る空中表示装置の斜視図である。 図１６は、本発明の第３実施形態に係る空中表示装置の側面図である。 図１７は、本発明の第４実施形態に係る空中表示装置の斜視図である。 図１８は、図１７に示した表示モジュール及びセンシング装置のＹ方向から見た側面図である。 図１９Ａは、図１８に示した反射素子のＹ方向から見た側面図である。 図１９Ｂは、図１８に示した反射素子の底面図である。 図２０Ａは、図１８に示した光路偏向素子の平面図である。 図２０Ｂは、図１８に示した光路偏向素子のＹ方向から見た側面図である。 図２１は、本発明の第５実施形態の変形例に係る空中表示装置の斜視図である。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複する説明は省略する。

［１］ 第１実施形態
［１－１］ 空中表示装置１の構成
図１は、本発明の第１実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。図１において、Ｘ方向は、空中表示装置１のある１辺に沿った方向であり、Ｙ方向は、水平面内においてＸ方向に直交する方向であり、Ｚ方向は、ＸＹ平面に直交する方向（法線方向ともいう）である。空中表示装置１は、筐体２、表示モジュール３、及びセンシング装置５０を備える。

筐体２は、表示モジュール３、及びセンシング装置５０を収容する。すなわち、筐体２、表示モジュール３、及びセンシング装置５０は、一体で構成される。筐体２の形状は、直方体であり、また箱形を有する。筐体２は、表示モジュール３、及びセンシング装置５０を図示した位置に固定する支持部材（図示せず）を含む。筐体２は、表示モジュール３の上面（光出射面）を露出する開口部２Ａを有する。筐体２は、金属、又は樹脂で構成される。

表示モジュール３は、画像（動画を含む）を表示する装置である。表示モジュール３は、自身の光出射面の上方の空中に、空中像を表示する。空中像とは、空中に結像する実像である。表示モジュール３は、Ｚ方向に間隔を空けて積層された複数の素子を含む。なお、図１では、簡略化のために、表示モジュール３に含まれる複数の素子のうち一部の素子を抽出して示している。表示モジュール３の詳細については後述する。

センシング装置５０は、空中像付近の所定の領域に含まれる対象物を検出するための装置である。センシング装置５０の形状は、直方体である。センシング装置５０は、所定の方向に向けて光を出射する。また、センシング装置５０は、対象物によって反射された光を検出する。センシング装置５０の詳細については後述する。

図２は、図１に示した表示モジュール３及びセンシング装置５０の斜視図である。図３は、図１に示した表示モジュール３及びセンシング装置５０のＹ方向から見た側面図である。

表示モジュール３は、照明素子（バックライトともいう）１０、表示素子２０、配向制御素子３０、及び反射素子４０を備える。照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、及び反射素子４０は、互いに平行に配置される。照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、及び反射素子４０は、筐体２内に設けられた支持部材（図示せず）によって、図２の位置に固定される。

照明素子１０は、照明光を発光し、この照明光を表示素子２０に向けて出射する。照明素子１０は、光源部１１、導光板１２、及び反射シート１３を備える。照明素子１０は、例えばサイドライト型の照明素子である。照明素子１０は、面光源を構成する。照明素子１０は、後述する角度θ_１の斜め方向に光強度がピークになるように構成してもよい。

光源部１１は、光を発光する。光源部１１は、例えば白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）からなる複数の発光素子を含む。導光板１２は、光源部１１からの照明光を導光し、照明光を上面から出射する。反射シート１３は、導光板１２の底面から出射した照明光を、再び導光板１２に向けて反射する。照明素子１０は、導光板１２の上面に、光学特性を向上させる光学素子（プリズムシート、及び拡散シートを含む）を備えていてもよい。

表示素子２０は、透過型の表示素子である。表示素子２０は、例えば液晶表示素子で構成される。表示素子２０の駆動モードについては特に限定されず、ＴＮ（Twisted Nematic）モード、ＶＡ（Vertical Alignment）モード、又はホモジニアスモードなどを用いることができる。表示素子２０は、照明素子１０から出射された照明光を受ける。表示素子２０は、照明光を透過して光変調を行う。そして、表示素子２０は、その表示面に所望の画像を表示する。

配向制御素子３０は、不要光を低減する機能を有する。不要光とは、空中像を生成するのに寄与しない光成分であり、法線方向に反射素子４０を透過する光成分である。配向制御素子３０は、法線方向に対して角度θ_１の斜め方向を中心として所定の角度範囲以外の光成分を遮光するように構成される。

反射素子４０は、底面側から入射した光を上面側に反射する。また、反射素子４０は、底面側から斜めに入射した入射光を、例えば正面方向（法線方向）に反射する。そして、反射素子４０は、空中に空中像４を結像する。反射素子４０の正面にいる観察者５は、空中像４を視認することができる。

［１－１－１］ 配向制御素子３０の構成
図４Ａは、図２に示した配向制御素子３０の平面図である。図４Ｂは、図４ＡのＡ－Ａ´線に沿った配向制御素子３０の断面図である。

基材３１、３２はそれぞれ、四角形の平面状に構成される。基材３１上には、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の透明部材３３が設けられる。また、基材３１上には、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の遮光部材３４が設けられる。複数の透明部材３３と複数の遮光部材３４とは、隣接するもの同士が接するようにして交互に配置される。複数の透明部材３３及び複数の遮光部材３４上には、基材３２が設けられる。

透明部材３３は、Ｘ方向において、基材３１の法線方向に対して角度θ_１の斜め方向に延びる。透明部材３３は、ＸＺ断面において、側面が角度θ_１だけ傾いた平行四辺形である。透明部材３３は、光を透過する。

遮光部材３４は、Ｘ方向において、基材３１の法線方向に対して角度θ_１の斜め方向に延びる。遮光部材３４は、ＸＺ断面において、側面が角度θ_１だけ傾いた平行四辺形である。遮光部材３４は、光を遮光する。

隣接する２個の遮光部材３４は、Ｚ方向において互いの端部が若干重なるように配置される。

基材３１、３２、及び透明部材３３としては、透明な樹脂が用いられ、例えばアクリル樹脂が用いられる。遮光部材３４としては、例えば、黒の染料が混入された樹脂が用いられる。

このように構成された配向制御素子３０は、法線方向に対して角度θ_１の斜め方向の光強度がピークになるように、表示光を透過することができる。例えば、配向制御素子３０は、法線方向に対して３０°±３０°の範囲以外の光成分を遮光するように構成される。望ましくは、配向制御素子３０は、法線方向に対して３０°±２０°の範囲以外の光成分を遮光するように構成される。

なお、変形例として、配向制御素子３０は、照明素子１０と表示素子２０との間に配置してもよい。また、配向制御素子３０は、反射素子４０により近づけて配置してもよい。また、配向制御素子３０を省略して、空中表示装置１を構成してもよい。

［１－１－２］ 反射素子４０の構成
図５は、図２に示した反射素子４０の斜視図及び部分拡大図である。図５の部分拡大図は、ＸＺ面の拡大図である。

反射素子４０は、基材４１、及び複数の光学要素４２を備える。基材４１は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。

基材４１の底面には、複数の光学要素４２が設けられる。複数の光学要素４２の各々は、三角柱で構成される。光学要素４２は、三角柱の３個の側面がＸＹ面と平行になるように配置され、１つの側面が基材４１に接する。複数の光学要素４２は、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んで配置される。換言すると、複数の光学要素４２は、鋸歯状を有する。

光学要素４２は、入射面４３及び反射面４４を有する。入射面４３は、配向制御素子３０からの光が入射する面である。反射面４４は、入射面４３に外部から入射した光を、光学要素４２の内部で反射する面である。

光学要素４２は、例えば、基材４１と同じ透明材料によって基材４１と一体的に形成される。基材４１と光学要素４２とを個別に形成し、基材４１に光学要素４２を接着してもよい。基材４１及び光学要素４２を構成する透明材料としては、例えばアクリル樹脂、又はガラスが用いられる。

反射素子４０は、入射光を内部で反射して、空中に実像を結像する。また、反射素子４０は、その素子面の正面の位置に、実像を結像させる。素子面とは、反射素子４０が広がる仮想的な平面を言う。その他の素子の素子面についても同様の意味である。

［１－１－３］ センシング装置５０の構成
図６は、図１に示したセンシング装置５０の模式的な平面図である。センシング装置５０は、筐体５１、光源部５２、及び２個のカメラ５３－１、５３－２を備える。カメラ５３の数は、３個以上でもよい。

筐体５１は、光源部５２、及びカメラ５３－１、５３－２を収容する。筐体５１は、箱状のケースと、ケースの上部を覆うカバーとで構成される。筐体５１のカバーは、光源部、及びカメラを露出する開口部を有する。

光源部５２は、センシング装置５０の素子面に垂直方向に、赤外光を出射する。光源部５２が発光する光は、表示素子２０が表示する画像に影響を与えない波長を有することが望ましい。光源部５２は、１個、又は複数のＬＥＤを含む。

カメラ５３－１、５３－２は、対象物で反射された赤外光を検出する。カメラ５３－１、５３－２は、赤外線カメラで構成され、撮像素子を含む。撮像素子は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサ、又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサで構成される。カメラ５３－１、５３－２は、ステレオカメラを構成する。ステレオカメラは、複数のカメラ（例えば２個のカメラ）を用い、対象物を複数の方向から撮像することで３次元位置情報を取得することができる。すなわち、ステレオカメラは、空中像と平行な２次元位置情報に奥行き情報を加えた３次元位置情報を取得することができる。

図２に示すように、センシング装置５０は、平面視において、反射素子４０が占める領域の外側に配置されるとともに、表示素子２０と反射素子４０との間に配置される。センシング装置５０は、反射素子４０の入射面４３と向き合うように、反射素子４０に対してＸ方向に沿った側に配置される。センシング装置５０は、出射光が反射素子４０に照射されるように、素子面が斜め上を向くように配置される。センシング装置５０は、例えば１０度以上６０度以下の角度で傾いて配置される。

［１－２］ 空中表示装置１のブロック構成
図７は、空中表示装置１のブロック図である。空中表示装置１は、制御部６０、記憶部６１、入出力インターフェース（入出力ＩＦ）６２、表示モジュール３、及び入力部６３を備える。制御部６０、記憶部６１、及び入出力インターフェース６２は、バスを介して互いに接続される。

入出力インターフェース６２は、表示モジュール３、センシング装置５０、及び入力部６３に接続される。入出力インターフェース６２は、表示モジュール３、センシング装置５０、及び入力部６３のそれぞれに対して、所定の規格に応じたインターフェース処理を行う。

表示モジュール３は、照明素子１０、及び表示素子２０を備える。

センシング装置５０は、光源部５２、複数のカメラ５３、及びセンサコントローラ５４を備える。センサコントローラ５４は、制御部６０の制御に基づいて、光源部５２、及び複数のカメラ５３の動作を制御する。センサコントローラ５４は、光源部５２の発光タイミングを制御する。センサコントローラ５４は、複数のカメラ５３から画像信号を受信する。

制御部６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の１つ以上のプロセッサにより構成される。制御部６０は、記憶部６１に格納されたプログラムを実行することで各種機能を実現する。制御部６０は、表示処理部６０Ａ、位置算出部６０Ｂ、及び情報処理部６０Ｃを備える。

表示処理部６０Ａは、表示モジュール３（具体的には、照明素子１０、及び表示素子２０）の動作を制御する。表示処理部６０Ａは、表示モジュール３に画像信号を送信し、表示モジュール３に画像を表示させる。

位置算出部６０Ｂは、センシング装置５０の動作を制御する。位置算出部６０Ｂは、センシング装置５０から画像信号を受信する。位置算出部６０Ｂは、センシング装置５０に、赤外光を用いて対象物を検出するための検出領域を形成させる。位置算出部６０Ｂは、複数のカメラ５３の画像信号に基づいて、検出領域に入った対象物の位置を算出する。対象物までの距離は、公知の技術である三角測量の原理を用いて算出される。検出される位置は、空中像をユーザが指でタッチした位置を含む。

情報処理部６０Ｃは、空中表示装置１が表示する画像を生成する。情報処理部６０Ｃは、記憶部６１に格納された画像データを用いることが可能である。情報処理部６０Ｃは、図示せぬ通信機能を用いて外部が画像データを取得してもよい。

記憶部６１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、及びＳＳＤ（Solid State Drive）等の不揮発性記憶装置と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びレジスタ等の揮発性記憶装置とを含む。記憶部６１は、制御部６０が実行するプログラムを格納する。記憶部６１は、制御部６０の制御に必要な各種データを格納する。記憶部６１は、空中表示装置１が表示する画像のデータを格納する。

入力部６３は、ユーザが入力した情報を受け付ける。情報処理部６０Ｃは、入力部６３が受け付けた情報に基づいて、画像を選択することが可能である。

［１－３］ 空中表示装置１の動作
次に、上記のよう構成された空中表示装置１の動作について説明する。

［１－３－１］ 表示動作
図３の矢印は、光路を示している。図３に示すように、表示素子２０から出射された光は、配向制御素子３０に入射する。表示素子２０から出射された光のうち角度θ_１の光成分（角度θ_１を中心とした所定の角度範囲の光成分を含む）は、配向制御素子３０を透過する。配向制御素子３０を透過した光は、反射素子４０に入射する。反射素子４０は、入射光を、配向制御素子３０と反対側の空中に結像し、空中に空中像４を表示する。

図８は、反射素子４０における光の反射の様子を説明する斜視図である。図９は、反射素子４０における光の反射の様子を説明するＸＺ面の側面図である。図９は、観察者５の両目（すなわち、両目を結ぶ線）がＸ方向に平行な状態で反射素子４０を見た図である。図１０は、反射素子４０における光の反射の様子を説明するＹＺ面の側面図である。図１０は、観察者５の両目がＹ方向に平行な状態で反射素子４０を見た図である。

配向制御素子３０の素子面における任意の点“ｏ”から出射された光は、反射素子４０の入射面４３から入射し、反射面４４に到達する。反射面４４の法線方向に対して臨界角よりも大きい角度で到達した光は、反射面４４で全反射され、反射素子４０の光学要素４２が形成されている側の反対側の平面から出射される。臨界角とは、その入射角を超えると全反射する最少の入射角である。臨界角は、入射面の垂線に対する角度である。

図９のＸＺ面では、点“ｏ”から出射された光は、光学要素４２の反射面４４で全反射され、その光は空中で結像されて空中像を生成する。

図１０のＹＺ面では、点“ｏ”から出射された光は、光学要素４２の反射面４４で反射されず、その光は空中で結像することがないため空中像の生成に寄与しない。

すなわち、観察者５が空中像を認識できる条件は、観察者５の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態（例えばＸ方向に対して±１０度）である。また、観察者５の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態でＹ方向に沿って視点を移動した場合、空中像を常に認識することができる。

図１１は、反射素子４０における入射面４３及び反射面４４の角度条件を説明する図である。

Ｚ方向（素子面に垂直な方向）に対する入射面４３の角度をθ_２、Ｚ方向に対する反射面４４の角度をθ_３、入射面４３と反射面４４とのなす角度をθ_ｐとする。角度をθ_ｐは、以下の式（１）で表される。
θ_ｐ＝θ_２＋θ_３ ・・・（１）
配向制御素子３０から角度θ_１で出射した光は、入射面４３に入射する。反射素子４０の材料の屈折率をｎ_ｐ、空気の屈折率を１とする。入射面４３における入射角をθ_４、屈折角をθ_５とする。反射面４４における入射角をθ_６、反射角をθ_７（＝θ_６）とする。配向制御素子３０の上面における入射角をθ_８、屈折角をθ_９とする。屈折角θ_９が出射角である。出射角θ_９は、以下の式（２）で表される。
θ_９＝sin^－１（ｎ_ｐ＊sin（sin^－１（（１／ｎ_ｐ）＊sin(９０°－（θ_１＋θ_２）））＋θ₂＋２θ_３－９０°）） ・・・（２）
反射面４４における臨界角は、以下の式（３）で表される。
臨界角＜θ_６（＝θ_７）
臨界角＝sin^－１（１／ｎ_ｐ） ・・・（３）
すなわち、反射面４４における入射角θ_６は、反射面４４における臨界角より大きく設定される。換言すると、反射面４４の角度θ_３は、反射面４４に入射する光の入射角が臨界角より大きくなるように設定される。

また、入射面４３に入射した光は、入射面４３で全反射されないように設定される。すなわち、入射面４３の角度θ_２は、入射面４３に入射する光の入射角が臨界角より小さくなるように設定される。

図１２は、空中表示装置１の光線追跡図である。図１２のパラメータは、θ_１＝３５度、θ_３＝２２.５度、θ_ｐ＝４５度である。配向制御素子３０から出射された光は、反射素子４０で反射され、空中像４を結像する。

［１－３－２］ センシング動作
次に、センシング動作について説明する。図１３は、センシング装置５０の動作を説明する図である。

センシング装置５０の光源部５２は、反射素子４０に向けて赤外光を出射する。光源部５２は、所定の拡がり角を持つように赤外光を出射する。拡がり角とは、センシング装置５０の素子面に垂直な方向に対する角度である。光源部５２は、反射素子４０の全面に赤外光を放射可能なように構成される。光源部５２は、放射領域を制御するためのレンズを有していてもよい。

光源部５２から出射された赤外光は、反射素子４０の反射面４４から入射し、入射面４３で全反射される。反射素子４０に反射された赤外光は、反射素子４０のセンシング装置５０とは反対側かつおおよそ法線方向に出射される。これにより、赤外光による検出領域５５が形成される。

図１３では、対象物６として指を例示している。反射素子４０から出射された赤外光は、対象物６で反射される。対象物６で反射された光は、光源部５２から出射された赤外光と逆の光路を辿り、反射素子４０の入射面４３で全反射される。反射素子４０に反射された赤外光は、センシング装置５０の複数のカメラ５３で受光及び検出される。

複数のカメラ５３で撮像された画像信号は、制御部６０に送信される。位置算出部６０Ｂは、複数のカメラ５３の画像信号に基づいて、検出領域５５に入った対象物６の位置を算出する。

図１４は、センシング装置５０の光線追跡図である。センシング装置５０の光源部５２から出射された赤外光は、反射素子４０のほぼ全面に照射される。

反射素子４０によって反射された赤外光は、右側（センシング装置５０に近い側）に行くほど光密度が高く、右側（センシング装置５０から遠い側）に行くほど光密度が低くなる。赤外光強度は、光量子束密度で定義してもよい。

［１－４］ 第１実施形態の効果
第１実施形態によれば、空中像４付近の対象物を検出することが可能な空中表示装置１を実現できる。

また、反射素子４０の反射光を利用することで、１個のセンシング装置５０で広範囲の検出領域５５を形成できる。また、空中像４を含む広範囲の領域で対象物６を検出することができる。

また、複数のカメラ５３を用いて、対象物６を撮像することで、３次元位置情報を取得することができる。

また、センシング装置５０を筐体２に収容することができる。これにより、センシング装置５０を含む空中表示装置１を一体で構成できるとともに、空中表示装置１を小型化することができる。

また、表示品質を確保しつつ、空中像を表示することが可能な空中表示装置１を実現できる。

また、観察者５の両眼がＸ方向（すなわち、複数の光学要素４２が並ぶ方向）に平行、又はそれに近い状態で反射素子４０を見た場合に、観察者５は、空中像を視認することができる。また、観察者５の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態でＹ方向に沿って視点を移動した場合、空中像を常に視認することができる。すなわち、観察者５の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態において、視野角を確保することができる。

また、空中表示装置１を構成する複数の素子を平行に配置することができる。これにより、Ｚ方向に小型化が可能な空中表示装置１を実現できる。

また、空中表示装置１の正面方向において、空中像を表示することができる。

［２］ 第２実施形態
第２実施形態は、空中表示装置１が２個のセンシング装置５０を備える構成例である。

図１５は、本発明の第２実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。

空中表示装置１は、２個のセンシング装置５０－１、５０－２を備える。センシング装置５０－１、５０－２の各々の構成は、第１実施形態で説明したセンシング装置５０と同じである。

センシング装置５０－１は、平面視において、反射素子４０が占める領域の外側に配置されるとともに、表示素子２０と反射素子４０との間に配置される。センシング装置５０－１は、反射素子４０の入射面４３と向き合うように、Ｘ方向において反射素子４０の右側に配置される。センシング装置５０－１は、出射光が反射素子４０に照射されるように、素子面が斜め上を向くように配置される。センシング装置５０－１は、例えば１０度以上６０度以下の角度で傾いて配置される。

センシング装置５０－２は、平面視において、反射素子４０が占める領域の外側に配置されるとともに、表示素子２０と反射素子４０との間に配置される。センシング装置５０－２は、反射素子４０の反射面４４と向き合うように、Ｘ方向において反射素子４０の左側に配置される。センシング装置５０－２は、出射光が反射素子４０に照射されるように、素子面が斜め上を向くように配置される。センシング装置５０－２は、例えば１０度以上６０度以下の角度で傾いて配置される。

位置算出部６０Ｂは、センシング装置５０－１、５０－２の画像信号に基づいて、検出領域に入った対象物の位置を算出する。

第２実施形態によれば、Ｘ方向において、センシング装置５０－１、５０－２が出射する赤外光の強度をより均一化できる。これにより、センシング装置５０の感度を向上させることができる。その他の効果は、第１実施形態と同じである。

［３］ 第３実施形態
第３実施形態は、表示素子２０を反射素子４０に対して斜めに配置する構成例である。

図１６は、本発明の第３実施形態に係る空中表示装置１の側面図である。図１６において、Ｚ方向は、表示素子２０のある１辺に沿った方向であり、Ｘ方向は、Ｚ方向に直交する方向であり、Ｙ方向は、図面の奥行き方向である。

空中表示装置１は、照明素子１０、表示素子２０、及び反射素子４０を備える。照明素子１０、表示素子２０、及び反射素子４０の各々の構成は、第１実施形態と同じである。

反射素子４０は、表示素子２０に対して角度θ_１０で斜めに配置される。角度θ_１０は、例えば、３０度以上６０度以下である。

表示素子２０は、素子面に垂直な方向に光を出射する。表示素子２０から出射された光は、反射素子４０に入射する。反射素子４０は、底面側から斜めに入射した光を上面側に反射する。例えば、反射素子４０は、表示素子２０に表示された画像を、反射素子４０を対称面とする面対称の位置に、空中像４として結像する。反射素子４０の法線方向に対して角度θ_１０で斜め方向にいる観察者５は、空中像４を視認することができる。

なお、表示素子２０と反射素子４０とのなす角度、及び反射素子４０の光学要素４２が有する面の角度に応じて、空中像４の結像位置を任意に設定できる。

センシング装置５０は、表示素子２０と反射素子４０との間、かつＺ方向から見て反射素子４０が占める領域の外側に配置される。センシング装置５０は、素子面が反射素子４０の底面に向くように配置される。また、センシング装置５０は、光源部５２の光軸が反射素子４０の底面の中央付近を通るように配置される。センシング装置５０の構成及び動作は、第１実施形態と同じである。

第３実施形態によれば、表示素子２０を反射素子４０に対して斜めに配置して空中表示装置１を実現できる。その他の効果は、第１実施形態と同じである。

［４］ 第４実施形態
第４実施形態は、反射素子４０の他の構成例であり、２面コーナーリフレクタアレイで反射素子４０を構成している。

［４－１］ 空中表示装置１の構成
図１７は、本発明の第４実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。空中表示装置１は、筐体２、表示モジュール３、及び４個のセンシング装置５０－１～５０－４を備える。図１７では、簡略化のために、表示モジュール３に含まれる複数の素子のうち一部の素子を抽出して示している。

センシング装置５０－１は、Ｘ方向において、表示モジュール３の一方の端部側に配置され、センシング装置５０－３は、Ｘ方向において、表示モジュール３の他方の端部側に配置される。センシング装置５０－２は、Ｙ方向において、表示モジュール３の一方の端部側に配置され、センシング装置５０－４は、Ｙ方向において、表示モジュール３の他方の端部側に配置される。センシング装置５０－１～５０－４の各々の構成は、第１実施形態で説明したセンシング装置５０と同じである。

図１８は、図１７に示した表示モジュール３及びセンシング装置５０のＹ方向から見た側面図である。図１８では、センシング装置５０－２、５０－４の図示を省略している。

表示モジュール３は、照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、反射素子４０、及び光路偏向素子７０を備える。照明素子１０、表示素子２０、及び配向制御素子３０の構成は、第１実施形態と同じである。

反射素子４０は、底面側から入射した光を上面側に反射する。また、反射素子４０は、入射光を素子面に対して面対称に反射する。そして、反射素子４０は、空中像を結像する。

光路偏向素子７０は、底面から斜めに入射した表示光を、法線方向に屈折させる。光路偏向素子７０の正面にいる観察者５は、空中像４を視認することができる。

［４－２］ 反射素子４０の構成
図１９Ａは、図１８に示した反射素子４０のＹ方向から見た側面図である。図１９Ｂは、図１８に示した反射素子４０の底面図である。

反射素子４０は、基材４１、及び複数の光学要素４５を備える。図１９Ａには、１個の光学要素４５の斜視図を抽出して示している。基材４１と複数の光学要素４５とは、アクリル樹脂などの透明な材料で構成される。基材４１と複数の光学要素４５とは、一体で構成されてもよいし、透明な接着材で接着されてもよい。

複数の光学要素４５は、基材４１の底面に設けられる。光学要素４５は、直方体、又は立方体からなる。光学要素４５の平面形状は、例えば正方形である。光学要素４５は、２個の反射面４６、４７を有する。反射面４６、４７は、直方体の２個の側面に対応し、互いに接する。反射面４６、４７は、いわゆる２面コーナーリフレクタを構成する。

光学要素４５は、１辺がＸ方向に対して角度θ_１１だけ傾くように配置される。角度θ_１１は、例えば４５度である。なお、角度θ_１１４５度に限定されず、３０度以上６０度以下の範囲で設定可能である。複数の光学要素４５は、千鳥状に配列される。すなわち、複数の光学要素４５は、１行がＸ方向に対して４５度の方向に延び、複数行がＹ方向に対して４５度の方向に並ぶように配置される。また、複数の光学要素４５は、互いに隙間を空けて配置される。

配向制御素子３０を透過した光は、光学要素４５の底面から光学要素４５に入射し、反射面４６、４７で２回反射された後、光学要素４５の上面から出射する。

［４－３］ 光路偏向素子７０の構成
図２０Ａは、図１８に示した光路偏向素子７０の平面図である。図２０Ｂは、図１８に示した光路偏向素子７０のＹ方向から見た側面図である。

光路偏向素子７０は、基材７１と、基材７１上に設けられた複数の三角プリズム７２とを備える。基材７１と複数の三角プリズム７２とは、アクリル樹脂などの透明な材料で構成される。基材７１と複数の三角プリズム７２とは、一体で構成されていてもよいし、透明な接着材で接着されてもよい。

複数の三角プリズム７２は、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並ぶ。三角プリズム７２は、Ｙ方向に延びる三角柱からなる。三角プリズム７２は、屈折面７３を有する。屈折面７３は、法線方向に対して角度θ_１２だけ傾いている。

このように構成された光路偏向素子７０は、底面から斜めに入射した表示光を、法線方向に屈折させる。屈折面７３の角度θ_１２は、光路偏向素子７０に入射する光の角度、及び光路偏向素子７０の屈折率に応じて適宜設定される。

なお、光路偏向素子７０は、省略してもよい。この場合、空中像は、反射素子４０に対して面対称な位置に結像する。

［４－４］ センシング動作
上記のように構成された空中表示装置１において、センシング装置５０－１～５０－４の各々の動作は、第１実施形態で説明したセンシング装置５０と同じである。

センシング装置５０－１～５０－４に含まれる複数のカメラ５３で撮像された画像信号は、制御部６０に送信される。位置算出部６０Ｂは、複数のカメラ５３の画像信号に基づいて、検出領域５５に入った対象物６の位置を算出する。

［４－５］ 第４実施形態の効果
第４実施形態によれば、２面コーナーリフレクタアレイで反射素子４０を構成した場合でも、センシング装置５０を用いて、対象物を検出することができる。

第４実施形態では、センシング装置５０を配置する位置に制限はない。第４の実施形態では、４個のセンシング装置５０－１～５０－４を示しているが、センシング装置５０の数は、１個であってもよいし、２個以上であってもよい。

なお、第４実施形態に第３実施形態を適用してもよい。すなわち、表示素子２０を反射素子４０に対して斜めに配置してもよい。

［５］ 第５実施形態
第５実施形態は、第４実施形態の変形例である。

図２１は、本発明の第５実施形態の変形例に係る空中表示装置１の斜視図である。空中表示装置１は、４個のセンシング装置５０－１～５０－４を備える。

センシング装置５０－１～５０－４は、表示モジュール３の４個の角付近に配置される。その他の構成は、第４実施形態と同じである。

第５実施形態においても、センシング装置５０を用いて、対象物を検出することができる。

上記各実施形態では、表示素子２０として液晶表示装置を例に挙げて説明しているが、これに限定されるものではない。表示素子２０は、自発光型である有機ＥＬ（electroluminescence）表示素子、又はマイクロＬＥＤ（Light Emitting Diode）表示素子などを用いることも可能である。マイクロＬＥＤ表示素子は、画素を構成するＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）をそれぞれＬＥＤで発光させる表示素子である。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１…空中表示装置、２…筐体、２Ａ…開口部、３…表示モジュール、４…空中像、５…観察者、６…対象物、１０…照明素子、１１…光源部、１２…導光板、１３…反射シート、２０…表示素子、３０…配向制御素子、３１，３２…基材、３３…透明部材、３４…遮光部材、４０…反射素子、４１…基材、４２，４５…光学要素、５０…センシング装置、５１…筐体、５２…光源部、５３…カメラ、５４…センサコントローラ、５５…検出領域、６０…制御部、６１…記憶部、６２…入出力インターフェース、６３…入力部、７０…光路偏向素子、７１…基材、７２…三角プリズム。

Claims (10)

1. 画像を表示する表示素子と、
   前記表示素子からの光を受けるように配置され、前記表示素子からの光を前記表示素子と反対側に向けて反射して空中像を結像させる反射素子と、
   前記表示素子と前記反射素子との間かつ前記反射素子が占める領域の外側に配置された第１センシング装置と、
   を具備し、
   前記第１センシング装置は、
   赤外光を前記反射素子に向けて出射する光源部と、
   対象物及び前記反射素子に順に反射された赤外光を検出する複数のカメラとを含む
   空中表示装置。
2. 前記反射素子は、平面状の基材と、前記基材の下に設けられ、それぞれが第１方向に延び、前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の光学要素とを有し、
   前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射面及び反射面を有する
   請求項１に記載の空中表示装置。
3. 前記反射面の前記基材の法線方向に対する角度は、前記反射面に入射する光の入射角が臨界角より大きくなるように設定される
   請求項２に記載の空中表示装置。
4. 前記入射面の前記基材の法線方向に対する角度は、前記入射面に入射する光の入射角が臨界角より小さくなるように設定される
   請求項３に記載の空中表示装置。
5. 前記第１センシング装置は、前記第２方向に配置される
   請求項２乃至４の何れか１項に記載の空中表示装置。
6. 前記表示素子と前記反射素子とは、互いに平行に配置される
   請求項１乃至５の何れか１項に記載の空中表示装置。
7. 前記表示素子と前記反射素子との間に配置され、前記表示素子からの光の一部を透過する配向制御素子をさらに具備する
   請求項１乃至６の何れか１項に記載の空中表示装置。
8. 前記表示素子と、前記反射素子と、前記第１センシング装置とを収容する筐体をさらに具備する
   請求項１乃至７の何れか１項に記載の空中表示装置。
9. 前記複数のカメラの画像信号に基づいて、検出物の位置を算出する制御部をさらに具備する
   請求項１乃至８の何れか１項に記載の空中表示装置。
10. 前記表示素子と前記反射素子との間かつ前記反射素子が占める前記領域の外側に配置され、前記反射素子に対して前記第１センシング装置と反対側に配置され、前記第１センシング装置と同じ構成を有する第２センシング装置をさらに具備する
    請求項１乃至９の何れか１項に記載の空中表示装置。