JP2023137232A - 空間浮遊映像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】システムや空間浮遊映像表示装置の薄型化と、光源装置などの熱による影響の低減とを実現できる技術を提供する。【解決手段】空間浮遊映像表示装置は、光源装置である光源アセンブリと、光源装置からの光に基づいて映像光を出射する映像表示素子である液晶パネルと、映像表示素子からの映像光を反射させて、反射させた光により空中に実像である空間浮遊映像を形成する再帰反射部材とを備える。映像表示素子に対し接続されるフレキシブルケーブルまたは基板は、光源装置の光源部との間に空間を設けるように光源部を迂回して、光源装置の背面側に回り込むように配置されている。【選択図】図17
Description
本発明は、空間浮遊映像表示装置の技術に関する。
空間浮遊映像表示システムとして、直接外部に向かって映像を表示する映像表示装置と空間画面として表示される表示法は既に知られている。また、表示された空間像の操作面における操作を検知する検知システムについても既に知られている。
従来技術例の空間浮遊映像表示システムを構成する空間浮遊映像表示装置としては、液晶パネルなどの映像表示素子を含む映像表示装置と、空間浮遊映像を発生させる再帰反射部材とを組み合わせた構成例がある。再帰反射部材は、再帰反射板、再帰反射シートなどと記載する場合もある。この構成例では、映像表示装置からの映像光を、再帰反射部材で再帰反射させ、再帰反射部材を基準として映像表示装置に対し対称的な空間位置に、空間浮遊映像を形成する。このような再帰反射光学系については、例えば特許文献1に開示されている。
上記再帰反射光学系を有する空間浮遊映像表示装置の構成例の場合、従来では、空間浮遊映像表示システムの薄型化、すなわち実装において奥行き方向の寸法をなるべく小さくすることについて、考慮が不十分である。空間浮遊映像表示装置は、システムの実装に応じて、システムの筐体内に、光源装置、液晶パネル、再帰反射板などの構成要素と共に、液晶パネルの駆動のためのフレキシブルプリント回路基板、言い換えるとフレキシブルケーブルや、中継基板などの電子回路基板も、配置する必要がある。システムの筐体内に構成要素をコンパクトに配置することが求められる。
また、上記構成例の場合、従来では、液晶パネルのバックライト光源として光源装置の発する熱が、フレキシブルケーブルなどの熱に弱い部品に影響する。従来では、この光源装置などの熱による部品の劣化などの影響についても、考慮が不十分である。システムを薄型化するほど、上記熱による影響も大きくなる。
従来の空間浮遊映像表示装置は、上記システムの薄型化、カバーを含む空間浮遊映像表示装置の薄型化と、光源装置などの熱による影響の低減とを考慮した、システムの最適化について、改善余地がある。
本開示の目的は、空間浮遊映像表示装置に係わる技術に関して、システムや空間浮遊映像表示装置の薄型化と、光源装置などの熱による影響の低減とを実現できる技術を提供することである。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、一例としての空間浮遊映像表示装置を以下に挙げる。空間浮遊映像表示装置は、空間浮遊映像を表示する空間浮遊映像表示装置であって、光源装置と、前記光源装置からの光に基づいて映像光を出射する映像表示素子と、前記映像表示素子からの映像光を反射させて、反射させた光により空中に実像である前記空間浮遊映像を形成する再帰反射部材と、を備え、前記映像表示素子に対し接続されるフレキシブルケーブルまたは基板は、前記光源装置の光源部との間に空間を設けるように前記光源部を迂回して、前記光源装置の背面側に回り込むように配置されている。
本開示のうち代表的な実施の形態によれば、空間浮遊映像表示装置に係わる技術に関して、システムや空間浮遊映像表示装置の薄型化と、光源装置などの熱による影響の低減とを実現できる。上記した以外の課題、構成および効果等については、発明を実施するための形態において示される。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態(「本開示」「実施例」ともいう)の内容に限定されるものではない。本発明は、発明の精神ないし特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲またはその均等範囲物にも及ぶ。また、以下に説明する実施形態の構成は、あくまで例示に過ぎないのであって、本明細書に開示される技術的思想の範囲において、当業者による様々な変更および修正が可能である。
また、本発明を説明するための図面において、同一または類似の機能を有するものには、同一の符号を付与し、適宜、異なる名称を使用する一方で、機能等の繰り返しの説明を省略する場合がある。なお、以下の実施形態の説明において、空間に浮遊する映像を「空間浮遊映像」という用語で表現している。この用語の代わりに、「空中像」、「空間像」、「空中浮遊映像」、「表示映像の空間浮遊光学像」、「表示映像の空中浮遊光学像」などと表現してもかまわない。実施形態の説明で主として用いる「空間浮遊映像」の用語は、これらの用語の代表例として用いている。
本開示は、例えば、大面積な映像発光源からの映像光による映像を、ショーウィンドのガラス等の空間を仕切る透明な部材を介して透過して、店舗空間の内部または外部に空間浮遊映像として表示することが可能な表示システムに関する。また、本開示は、かかる表示システムを複数用いて構成される大規模なデジタルサイネージシステムに関する。
以下の実施形態によれば、例えば、ショーウィンドのガラス面や光透過性の板材上に高解像度な映像を空間浮遊した状態で表示可能となる。このとき、出射する映像光の発散角を小さく、即ち鋭角とし、さらに特定の偏波に揃えることで、再帰反射部材に対して正規の反射光だけを効率良く反射させることができる。このため、光の利用効率が高く、従来の再帰反射方式での課題となっていた主空間浮遊像の他に発生するゴースト像を抑えることができ、鮮明な空間浮遊映像を得ることができる。
また、本開示の光源を含む装置により、消費電力を大幅に低減することが可能な、新規で利用性に優れた空間浮遊映像表示システムを提供することができる。また、本開示の技術によれば、例えば、車両のフロントガラスやリアガラスやサイドガラスを含むシールドガラスを介して、車両外部において視認可能である、いわゆる、一方向性の空間浮遊映像の表示が可能な車両用浮遊映像表示システムを提供することができる。
図1Aに示すように、空間浮遊映像表示装置において使用される再帰反射部材5は、第1の光制御パネル221(第1の光制御部材とも記載する)と第2の光制御パネル222(第2の光制御部材とも記載する)とを有して構成される。第1の光制御パネル221、第2の光制御パネル222は、それぞれ、厚みが一定な透明平板18,17の一方側の面に垂直に多数かつ帯状の平面光反射部を有する一定ピッチの光学部材20を並べて形成されている。光学部材20は光反射部材である。ここで、第1の光制御パネル221および第2の光制御パネル222を構成する光学部材20の光反射部は、再帰反射部材5の主面の平面視で交差して、この実施例では直交状態で、配置されている。
続いて、空間浮遊映像表示装置において使用される再帰反射部材5の作用と具体的な空間浮遊映像表示装置の実施例について説明する。図1Bに示すように、映像表示装置1に対して再帰反射部材5は角度θ2として40~50度の角度を有して傾斜配置されるのが一般的である。空間浮遊映像3は、映像光が再帰反射部材5に入射する角度(90度-θ2)と同一角度で再帰反射部材5から出射する。空間浮遊映像3は、再帰反射部材5に対し角度θ1を有して配置される。空間浮遊映像3は、再帰反射部材5に対し、映像表示装置1から再帰反射部材5までの距離L1と同じ距離だけ離れた対称位置に形成される。
以下、空間浮遊映像3の結像のメカニズムについて、図1A~図2Bを用いて詳細に説明する。図2Aは、図1Aの再帰反射部材5の斜視図である。図2Bは、再帰反射部材5の主面の平面視の構成を示す。図2Aでは、映像表示装置1からの映像光が、再帰反射部材5の一方面側として透明平板18から入射し、第1の光制御パネル221の光学部材20の光反射部、および第2の光制御パネル222の光学部材20の光反射部を通じて反射されて、他方面側として透明平板17から出射する様子を示す。図2Bの平面視では、第1の光制御パネル221の光学部材20と第2の光制御パネル222の光学部材20との交差により、光反射部が格子状に形成されている。
図1Bの再帰反射部材5の一方側に設けられた映像表示装置1から発した映像光は、図2Aの第2の光制御部材222の平面光反射部Cで反射され、次に第1の光制御部材221の平面光反射部C′で反射される。これにより、図1Bのように、空間浮遊映像3である実像が、再帰反射部材5の外側位置として映像表示装置1側の空間に対する他方側の空間に結像される。平面光反射部Cおよび平面光反射部C′は、光反射部材20の反射面である。この再帰反射部材5を用いることで、空間浮遊映像表示装置が成立し、空間に映像表示装置1の画像を空間浮遊映像3として表示できる。
再帰反射部材5では、上述したように二つの反射面が存在するため、図2Aおよび図2Bにも示すように、正規反射光による空間浮遊映像3の他に、反射面の数に応じた二つのゴースト像3a,3bが発生する。再帰反射部材5から出射する反射光は、空間浮遊映像3の正規像を形成する正規反射光と、ゴースト像3a,3bを形成する異常反射光とを有する。
更に、外光の強度が高く、再帰反射部材5の上面から入射する場合、反射面の間隔(例えば300μm以下)が短くなるため、光干渉が発生し、虹色の反射光が観察され、観視者に再帰反射部材5の存在が認識されるという弊害がある。そこで、外光入射により再帰反射部材5の反射面のピッチによって発生する干渉光が観視者の目に戻らないように、外光の入射角度をパラメータとして干渉光が発生する面積を、図3Aに示す測定環境により実験的に求めた。これにより得られた結果を図3Bに示す。反射面のピッチが300μmで反射面の高さが300μmとした場合において、再帰反射部材5の傾斜角θYZを35度以上にして傾けた場合、干渉光が観視者側に戻らないことがわかった。
他方、上述した光反射部材20のピッチPと反射面の高さHとの比率H/Pでは、反射面の60%程度が再帰反射による空間浮遊映像を形成し、残りの40%がゴースト像を発生させる異常反射光となることがわかった。今後の空間浮遊映像の解像度向上のためには、反射面のピッチの短縮が必須となる。加えて、ゴースト像の発生を抑えるためには、反射面の高さを現状よりも高くする必要がある。再帰反射部材5の製造上の制約により、反射面のピッチPと高さHとの比率H/Pは、現状の1.0に対して0.8から1.2の範囲を選択するとよい。
以上述べた検討の結果、本発明者は、ゴースト像の発生量が原理的に少ない再帰反射部材を用いた空間浮遊映像表示システムにおいて得られる空間浮遊映像の高画質化を実現する再帰反射光学系について検討した。以下詳細に図面を用いて説明する。
<第1の再帰反射光学系の構成例>
図4Aおよび図4Bは、空間浮遊映像表示システムを実現するために使用する第1の再帰反射光学系を構成する映像表示装置1および再帰反射部材5に係わる構成例を示す。なお、以下の実施形態の説明において、液晶パネル11を「液晶パネル」という用語で表現しているが、この用語の代わりに、「液晶表示パネル」、「表示パネル」、「映像表示素子」などと表現してもかまわない。
図4Aおよび図4Bは、空間浮遊映像表示システムを実現するために使用する第1の再帰反射光学系を構成する映像表示装置1および再帰反射部材5に係わる構成例を示す。なお、以下の実施形態の説明において、液晶パネル11を「液晶パネル」という用語で表現しているが、この用語の代わりに、「液晶表示パネル」、「表示パネル」、「映像表示素子」などと表現してもかまわない。
前述の図1Bのような再帰反射光学系では、空間浮遊映像3は、再帰反射部材5に対し映像表示装置1と対称位置に形成される。そのため、それぞれの配置で成す角度θ1と角度θ2とがほぼ等しくなる。このため、観視者の目が空間浮遊映像表示システムの空間浮遊映像3を覗き込む角度が決められた場合、再帰反射光学系において、映像表示装置1と再帰反射部材5との角度θ2を、例えば空間浮遊映像3を覗き込む角度の1/2とするとよい。
さらに、映像表示装置1と再帰反射部材5との間には、映像表示装置1の冷却効率を高めるために、一定以上の間隔L1が必要となる。さらに、角度θ2を構造的に得るためには、間隔L1に対する間隔L2を定める必要がある。
実施例の空間浮遊映像表示装置は、特定偏波の映像光を挟角に発散させる映像表示装置1と、その映像表示装置1からの挟角で発散する映像光を再帰反射させる再帰反射部材5とを備える。再帰反射部材5からの再帰反射光によって、特定の方向に指向性を有した空間浮遊映像3が形成される。映像表示装置1は、図4A等に示すように、液晶パネル11と、液晶パネル11へのバックライトとして、挟角な拡散特性を有する特定偏波の光を生成する光源装置13とを備える。
また、再帰反射部材5の外側面として空間浮遊映像3側に向いた表面には、反射防止膜を有する吸収型偏光シートが設けられるとよい。吸収型偏光シートは、空間浮遊映像3を形成するための特定偏波の映像光を選択的に透過させるとともに、外光に含まれる他方の偏波を吸収させる。これにより、空間浮遊映像3に対する再帰反射部材5の表面での反射光の影響が防止される。
なお、空間浮遊映像3を形成する光は、再帰反射部材5から空間浮遊映像3の光学像へ収束する光線の集合であり、これらの光線は、空間浮遊映像3の光学像を通過後も直進する。よって、空間浮遊映像3は、一般的なプロジェクタなどでスクリーン上に形成される拡散映像光とは異なり、高い指向性を有する映像である。
よって、図1Bに示すように観視者の目の方向から視認する場合には、空間浮遊映像3は明るい映像として視認されるが、他の方向、例えば観視者の目に対して反対の方向から他の人物が視認する場合には、空間浮遊映像3は映像として一切視認できない。このような特性は、高いセキュリティが求められる映像や、ユーザに正対する人物には秘匿したい秘匿性の高い映像を表示するシステムなどに採用する場合に、非常に好適である。
なお、再帰反射部材5の性能によっては、再帰反射後の映像光の偏光軸が不揃いになることがある。この場合、偏光軸が不揃いになった一部の映像光は、上述した吸収型偏光シートで吸収される。このため、再帰反射光学系で不要な反射光が発生せず、空間浮遊映像3の画質低下を防止ないし抑制することができる。
また、実施例の空間浮遊映像表示装置では、観視者が空間浮遊映像3を覗き込んだ場合に、映像表示装置1の表示画面自体は再帰反射部材5の反射面によって遮光されるため、映像表示装置1の表示画面自体の画像は見えにくく、空間浮遊映像3の視認を妨げない。
図4Aの液晶パネル11は、画面サイズが5インチ程度の小型のものから、80インチを超える大型なものまで適用可能であり、システムの実装に応じて選択される。
図2A等に示す異常反射光に相当するゴースト像を消去して高画質な空間浮遊映像3を得るためには、液晶パネル11の出射面側に、映像光制御シートを設けることで、不要な方向の拡散特性を制御してもよい。また、再帰反射部材5の映像出射面にも映像光制御シートを設けることで、空間浮遊映像3の正規像の両側に発生するゴースト像を消去してもよい。
液晶パネル11からの映像光は、特定偏波としては、例えば、S偏波を適用すると、再帰反射部材5での反射率を原理的に高くできるため好適である。S偏波は、入射面に垂直な偏波であり、P偏波は、入射面に平行な偏波である。なお、観視者が偏光サングラスを使用する場合には、空間浮遊映像3を形成する光が偏光サングラスで反射または吸収される。その場合の対策としては、液晶パネル11からの特定偏波の映像光の一部を光学的に他方の偏波に変換して疑似的に自然光に変換する素子である偏光解消素子を設けてもよい。この場合、観視者が偏光サングラスを使用していても良好な空間浮遊映像3を観視できる。
再帰反射部材5に吸収型偏光シートを設ける場合や、液晶パネル11や再帰反射部材5に映像光制御シートを設ける場合には、粘着剤によって光学的に接合する構成とすれば、光反射面が発生せず、空間浮遊映像3の画質を損なわない。
<ゴースト像を低減する技術手段>
図4A等を用いて、前述のゴースト像を低減した高画質な空間映像表示装置を実現するための技術手段について説明する。図4Aおよび図4Bには、映像光制御シートを空間映像表示装置に適用する具体的な技術手段を示す。図4Aに示すように、映像表示素子としての液晶パネル11からの映像光の発散角を所望の方向に制御するために、液晶パネル11の出射面に、映像光制御シート334Aを設けるとよい。さらに、図4Bに示すように、再帰反射部材5の光線出射面または光線入射面またはそれらの両面に、映光制御シート334Bを設けることで、ゴースト像を発生させる異常光を吸収させるとよい。
図4A等を用いて、前述のゴースト像を低減した高画質な空間映像表示装置を実現するための技術手段について説明する。図4Aおよび図4Bには、映像光制御シートを空間映像表示装置に適用する具体的な技術手段を示す。図4Aに示すように、映像表示素子としての液晶パネル11からの映像光の発散角を所望の方向に制御するために、液晶パネル11の出射面に、映像光制御シート334Aを設けるとよい。さらに、図4Bに示すように、再帰反射部材5の光線出射面または光線入射面またはそれらの両面に、映光制御シート334Bを設けることで、ゴースト像を発生させる異常光を吸収させるとよい。
図4Aは、映像表示装置1の液晶パネル11の映像光出射面に映像光制御シート334Aを配置した構成例の垂直断面図である。映像光制御シート334Aは、光透過部336と光吸収部337とを交互に配置して構成され、粘着層338により、液晶パネル11の映像光出射面に粘着固定される。
図4Bは、再帰反射部材5の映像光出射面に映像光制御シート334Bを配置した構成例の垂直断面図である。映像光制御シート334Bは、光透過部336と光吸収部337とを交互に配置して構成されている。
図4Aで、液晶パネル11の画素と映像光制御シート334Aの透過部336と光吸収部337とのピッチに応じた干渉によって発生するモアレを低減するためには、以下に示す2つの方法が有効である。
第1の方法としては、映像光制御シート334Aの透過部336と光吸収部337とにより生じる縦縞を、液晶パネル11の画素の配列に対し、所定の角度だけ傾けて配置する。
第2の方法としては、液晶パネル11の画素寸法をA、映像光制御シート334Aの縦縞のピッチをBとした場合に、この比率B/Aを、整数倍から外した値として選択する。
液晶パネル11の1画素はRGBの3色のサブ画素が並列して構成され、一般的には正方形であるため、上述したモアレの発生を画面全体で抑えることはできない。このため、実験により求めた結果、第1の方法に示した傾きの角度は、空間浮遊映像3を表示させない場所にモアレの発生位置を意図的にずらして配置できるように例えば5度から25度の範囲で最適化すればよい。
モアレの低減に関して、液晶パネル11を題材に述べたが、図4Bで再帰反射部材5と映像光制御シート334Bとの間に発生するモアレについては、以下のように低減可能である。再帰反射部材5と映像光制御シート334Bとの両者が線状の構造体であるため、映像光制御シート334BをX軸に着目して最適に傾ける。図4Bでは、映像光制御シート334Bにおいて、透過部336と光吸収部337とによる縦縞が、再帰反射光の出射方向に合わせて、面垂直方向に対し傾斜角である角度θXをもって傾斜配置されている。これにより、目視でも視認できる波長が長く周波数が低い大柄なモアレを低減できる。また、これにより、前述した再帰反射に伴って発生する異常光を吸収し、他方、正規反射光を損出無く透過させることができる。
また、映像表示素子である液晶パネル11として、例えば7インチのWUXGA(1920×1200画素)液晶パネルを用いる場合には、以下のような透過特性を実現できる。この場合に、1画素(1トリプレット)のピッチAが約80μmであっても、例えば図4Aの映像光制御シート334Aの透過部336の幅d2が300μm、光吸収部337の幅d1が40μmから成る、ピッチBが340μmである場合には、十分な透過特性を実現できる。また、その場合には、異常光の発生原因となる映像表示装置1からの映像光の拡散特性を制御でき、空間浮遊映像3の正規像の両側に発生するゴースト像を軽減できる。このとき、映像光制御シート334Aの厚さは、ピッチBの2/3以上とすれば、ゴースト低減効果が大幅に向上する。
他方、上述した映像光制御シート334A,334Bは、外界からの外光が空間浮遊映像表示装置の内部に侵入する妨げにもなるため、構成部品の信頼性向上にも繋がる。この映像光制御シートとしては、例えば信越ポリマー(株)の視野角制御フィルム(VCF)が適している。そのVCFの構造は、透明シリコンと黒色シリコンを交互に配置し、光入出射面に合成樹脂を配置して、サンドウィッチ構造としている。そのため、映像光制御シートとしてのVCFは、外光制御フィルムと同様の効果が期待できる。
<システムの設計>
次に、図5Aおよび図5Bは、上述した再帰反射光学系を採用した空間浮遊映像表示装置を要素として含んで構成される空間浮遊映像表示システムにおける、空間浮遊映像3、再帰反射部材5、映像表示装置1等の配置の角度などに関する設計検討についての模式説明図である。図5Aでは、空間浮遊映像表示システムの筐体501内に、空間浮遊映像表示装置の構成要素を収容または設置する場合を想定した配置例を示している。空間浮遊映像表示システムの実装例に応じて、ユーザである観視者の目UEから空間浮遊映像3を視認する場合に視認しやすい好適な角度αが想定される。
次に、図5Aおよび図5Bは、上述した再帰反射光学系を採用した空間浮遊映像表示装置を要素として含んで構成される空間浮遊映像表示システムにおける、空間浮遊映像3、再帰反射部材5、映像表示装置1等の配置の角度などに関する設計検討についての模式説明図である。図5Aでは、空間浮遊映像表示システムの筐体501内に、空間浮遊映像表示装置の構成要素を収容または設置する場合を想定した配置例を示している。空間浮遊映像表示システムの実装例に応じて、ユーザである観視者の目UEから空間浮遊映像3を視認する場合に視認しやすい好適な角度αが想定される。
図5Aおよび図5Bの例では、角度αは、空間浮遊映像3を面垂直方向から正対して視認する場合に対応した、水平線に対応するY方向に対し斜め下向きで45度程度の角度αである場合を示している。同様に、ユーザの手指UHによって空間浮遊映像3をタッチ等で操作する場合の好適な角度が想定され、ここではその角度も角度αと同じとする。空間浮遊映像表示システムの実装例は、後述するが、いわゆるキオスク端末(KIOSK端末)が挙げられる。キオスク端末は、所定の形状の筐体501を有する。
このような視認の角度αの選択に応じて、空間浮遊映像3の配置を決めるとする。その場合に、空間浮遊映像3の配置に合わせて、空間浮遊映像表示装置の構成要素として、再帰反射部材5、映像表示装置1等の配置が決められる。
図5Aの例は、空間浮遊映像3の平面が、システムの筐体501の図示の斜面で示す前面501aに対し、前方に飛び出すように、言い換えると浮遊するように、筐体501の前面501aに合わせて再帰反射部材5を配置した例である。かつ、図5Aの例は、筐体501の前面501aおよび再帰反射部材5に対し、空間浮遊映像3の上辺と下辺とで、上辺側が下辺側よりも飛び出しの距離LAが大きくなるように、図示の角度θ1で配置した場合を示す。空間浮遊映像3は、再帰反射部材5および筐体501の前面501aに対し、角度θ1をなすように配置されている。映像表示装置1の液晶パネル11は、再帰反射部材5および筐体501の前面501aに対し、角度θ2をなすように配置されている。
他方、図5Bの例は、筐体501の前面および再帰反射部材5に対し、空間浮遊映像3の上辺と下辺とで、下辺側が上辺側よりも飛び出しの距離LBが大きくなるように、図示の角度θ1で配置した場合を示す。距離LBは距離LAと同程度である。空間浮遊映像3は、再帰反射部材5および筐体501の前面501aに対し、角度θ1をなすように配置されている。映像表示装置1の液晶パネル11は、再帰反射部材5および筐体501の前面501aに対し、角度θ2をなすように配置されている。ここでの角度θ1と角度θ2はほぼ同じまたは同一であり、前述の図1Bの角度θ1と角度θ2に対しては小さい角度として40度よりも小さい角度である。
図5Aおよび図5Bで、角度θ1と角度θ2はほぼ同じまたは同一であり、いずれも、前述の図1Bの角度θ1と角度θ2に対しては小さい角度であり、例えば45度よりも小さい角度である。また、図5Bでの、再帰反射部材5の下端と映像表示装置1の下端との距離も、再帰反射部材5の下端と空間浮遊映像3の下端との距離LBと同程度となる。図5Bでの角度αを含む空間浮遊映像3等の方式は、基準として想定される観視者の目UEの高さ位置が比較的高い場合に好適な方式である。
空間浮遊映像表示装置は、構成要素である映像表示装置1および再帰反射部材5等を収容するカバー502を有し、図5Aや図5Bでは破線枠で図示している。カバー502を含めた空間浮遊映像表示装置は、システムの筐体501内に収容されることが望ましい。映像表示装置1と再帰反射部材5は、カバー502内において、図示のように、所定の位置関係を有して固定される。
映像表示装置1は、液晶パネル11と、光源装置13である光源アセンブリ30とを有して構成されている。光源アセンブリ30は、後述の光源であるLED、リフレクタ、偏光変換素子、導光体、拡散板などを有して構成されている。光源アセンブリ30に対し液晶パネル11が固定される。
また、空間浮遊映像表示装置は、空間浮遊映像3の面でのユーザの手指UHなどの物体による操作を検出可能とするための空中センサ50を有する。空中センサ50は、図5Aの例では、空間浮遊映像3の下辺側に対応させて、筐体501の前面501aの下部に設けられている。空中センサ50は、図5Bの例では、空間浮遊映像3の上辺側に対応させて、筐体501の前面501aの上部に設けられている。空中センサ50に関しては、カバー502内に設ける形態に限らず、別体で設けられてもよい。
空中センサ50は、筐体501の前面501aに対して前方に飛び出す位置に設けることも可能であるが、その場合には空中センサ50の支持部材を含めてカバー502が大きくなってしまうので、図示する例の位置として前面501aの位置に配置している。
ここで、前述の課題におけるシステムの薄型化とは、例えば奥行き方向であるY方向において筐体501の寸法が小さいことである。空間浮遊映像表示装置の薄型化とは、例えば奥行き方向であるY方向においてカバー502の寸法が小さいことである。システムの薄型化に対応して、空間浮遊映像表示装置のカバー502も、筐体501内に収容できるように、Y方向においてカバー502の寸法が小さいことを含め、コンパクトな構成が求められる。
さらに、液晶パネル11には、駆動のためのフレキシブルケーブルや中継基板や映像信号処理基板などが接続されている。また、光源アセンブリ30などに電源供給するための電源基板も必要である。これらの構成要素も、カバー502または筐体501内に収容されるように配置されることが望ましい。この観点については後述する。
図5Aに示す空間浮遊映像3および空間浮遊映像表示装置の方式を、説明上、上辺側飛び出し方式とし、図5Bに示す方式を下辺側飛び出し方式とも記載する。後述の実施の形態では、システムの最適化のため、図5Bの方式を採用する場合を示す。図5Aの方式を採用する場合では、図示のように、好適な角度αを優先する場合、筐体501およびカバー502の配置や形状において奥行き方向の寸法が大きくなってしまう。また、図5Aの方式で、筐体501の斜面である前面501aの角度を、図5Bのようにより鉛直に近い傾きにしたい場合には、空間浮遊映像3の配置の角度もより鉛直に近い傾きになる。そのため、その場合には視認や操作がしにくい可能性がある。
それに対し、図5Bの方式の場合では、図5Aの場合よりも、筐体501およびカバー502の配置や形状において奥行き方向の寸法を小さくできる。図5Bの場合では、システムおよび装置の薄型化と、光源アセンブリ30による熱の影響の低減とを考慮したシステムの最適化、さらには空間浮遊映像3の視認や操作のしやすさ、システムの実装のしやすさ、といった効果が得られる。
一実施の形態では、空間浮遊映像表示システムとして例えばキオスク端末の上部において、上述した図5Bのような空間浮遊映像表示装置を組み込んだ構成とする。上述のように、想定される観視者の目UEの位置から所望の角度αに対応した方向で空間浮遊映像3を好適に視認できるように、空間浮遊映像表示装置の再帰反射部材5および映像表示装置1等の配置の位置や角度などが最適に設計される。このキオスク端末の上部における、空間浮遊映像表示装置による空間浮遊映像3において、ユーザに対しサービスをガイドするアバターなどの映像を表示させる。この場合、空間浮遊映像3の映像光は、観視者の目に対し、好適な角度αで向かい、観視者は、好適な角度αで、高輝度な空間浮遊映像3を観視できる。また、観視者は、好適な角度αで、空間浮遊映像3を操作できる。
<空中センサ>
空間浮遊映像表示装置による空間浮遊映像3を、観視者が操作者として操作するためのセンシング技術として、空中センサ50について説明する。例えば図5Bの構成の場合で適用できる空中センサ50の構成例を説明する。空間浮遊映像3が配置された平面上において、空間浮遊映像3の上辺から離れた位置に空中センサ50が配置されている。空中センサ50は、詳しくは、筐体501の前面501aを構成する部材の裏側に隠れるように配置されてもよい。
空間浮遊映像表示装置による空間浮遊映像3を、観視者が操作者として操作するためのセンシング技術として、空中センサ50について説明する。例えば図5Bの構成の場合で適用できる空中センサ50の構成例を説明する。空間浮遊映像3が配置された平面上において、空間浮遊映像3の上辺から離れた位置に空中センサ50が配置されている。空中センサ50は、詳しくは、筐体501の前面501aを構成する部材の裏側に隠れるように配置されてもよい。
空中センサ50は、センサデバイスと検出回路とを有して構成される。空中センサ50は、例えばAirBar(登録商標)を内蔵した測距装置を用いて実装できる。図6は、空中センサ50の構成例を示し、空間浮遊映像3が配置された平面としてx-y面での構成を示す。
空中センサ50は、長板形状の基板50Aにおいて、空間浮遊映像3のy方向のラインに対応した列ごとに、例えばセンサデバイスとして発光部50aと受光部50bとを有し、x方向に沿ってそれらが交互に複数配置されている。発光部50aは光源として例えば近赤外線発光のLEDを用いる。発光部50aは、システム信号に同期して、近赤外線をy方向の下側へ発光する。発光部50aのLEDの出射側には、図示しないが発散角を制御するための光学素子が配置されている。
発光部50aに対応した対として、受光部50bは、y方向の上側への反射光を受光する。空中センサ50は、発光部50aからの光が例えば手指UHの指先で反射されて受光部50bが検出する赤外光の強さに基づいて、空間浮遊映像3の面における手指UHあるいはペンなどの物体による空中でのタッチ等の操作をした場合の位置を検出できる。
空間浮遊映像3のx-y面において、ある画素位置GPに対し手指UHがタッチ等の操作で位置した場合、発光部50aからの光がその画素位置GPで反射され、反射光を受光部50bが受光する。空中センサ50の検出回路は、このような複数のセンサデバイスの検出信号に基づいて、空間浮遊映像3の面における手指UHあるいはペンなどの物体による空中でのタッチ等の操作をした場合の画素位置や動きなどを検出できる。
また、空中センサ50は、空間浮遊映像3のx-y面を基準として面垂直方向であるz方向においても同様に設けられてもよい。この場合、空間浮遊映像3の面に対するz方向での手指UHの進入などの位置や動きについても検出可能となる。
図6の空中センサ50のセンサデバイスは、x-y面で、空間浮遊映像3の上辺3Uに対し所定の距離で離れた位置に配置されている。
なお、図5Bで、空間浮遊映像3の上辺と筐体501の前面501aとの距離については、下辺側の飛び出しの距離LBよりも短いが、この距離についても十分確保される。これにより、ユーザの手指UHが操作の際に再帰反射部材5に接触することが防止される。また、空中センサ50は、上記の例に限らず、TOF(Time Of Flight)システムを内蔵した測距装置などを用いてもよい。
[液晶パネルおよび光源アセンブリ]
図7Aおよび図7Bは、空間浮遊映像表示システムおよび空間浮遊映像表示装置に適用する液晶パネル11および光源アセンブリ30の構成例を示し、液晶パネル11のフレキシブルケーブル703等に対する光源アセンブリ30等の熱による影響の課題についての模式説明図でもある。図7A等を用いて課題について説明する。図7Aでは、空間浮遊映像表示装置の映像表示装置1の液晶パネル11を図7Aでの横方向に配置した場合を図示している。図7Aでの横方向は例えば水平面であるがここでは限定しない。図7Bでは、液晶パネル11の表示画面11aを平面視する場合に、液晶パネル11の本体に接続されるフレキシブルケーブルや各基板などを示している。
図7Aおよび図7Bは、空間浮遊映像表示システムおよび空間浮遊映像表示装置に適用する液晶パネル11および光源アセンブリ30の構成例を示し、液晶パネル11のフレキシブルケーブル703等に対する光源アセンブリ30等の熱による影響の課題についての模式説明図でもある。図7A等を用いて課題について説明する。図7Aでは、空間浮遊映像表示装置の映像表示装置1の液晶パネル11を図7Aでの横方向に配置した場合を図示している。図7Aでの横方向は例えば水平面であるがここでは限定しない。図7Bでは、液晶パネル11の表示画面11aを平面視する場合に、液晶パネル11の本体に接続されるフレキシブルケーブルや各基板などを示している。
空間浮遊映像表示システムの実装に応じて、液晶パネル11の表示画面11aのサイズを所定のサイズとして確保する。その場合に、図7Aの構成例では、そのサイズを確保するために、光源アセンブリ30は、光源アセンブリ30Aと光源アセンブリ30Bとで構成されている。光源アセンブリ30は、図7Aでの横方向で、中心線Cに対し、光源アセンブリ30Aと光源アセンブリ30Bとが2つ1組で対称的に配置されている。光源アセンブリ30Aは、光源部31Aと、導光体部32Aとを有する。光源部31Aは、基板、LED、リフレクタ、ヒートシンクなどを含んでおり、導光体部32Aは、導光体を含んでおり、詳しくは後述する。
図7Bで、液晶パネル11の本体に対し、例えば下辺11D側に、フレキシブルケーブル701の一方端が接続され、フレキシブルケーブル701の他方端には中継基板702が接続されている。中継基板702の他方端には、フレキシブルケーブル703の一方端が接続されている。フレキシブルケーブル703の他方端には映像信号処理基板704が接続されている。また、光源部31A,31Bが配置されている空間領域を破線枠で図示している。例として、光源部31A,31Bの領域は、液晶パネル11の表示画面11aの領域に対し、上辺11Uの上側の領域と、下辺11Dの下側の領域とに配置されている。これらの光源部31A,31Bに対しては、図示しない電源基板から電源供給される。
このような光源アセンブリ30、フレキシブルケーブル703や各基板などを、例えば図5Bのようなカバー502内に収容する。図5Bで、まず筐体501内の上部の空間5001は、下部の空間5002に比べて狭いため、上部の空間5001にフレキシブルケーブル等を配置することは不利である。そのため、実施の形態では、図5Bでの筐体501内の下部の空間5002において、液晶パネル11の下辺11D側から引き出されるフレキシブルケーブル703等を配置・収容することを考える。
筐体501内の下部の空間5002においても、奥行き方向の寸法を含め、収容に使える空間は限られており、カバー502の体積をなるべく小さく抑える必要がある。下部の空間5002内に、広く余裕をもってフレキシブルケーブル703等を配置する場合、カバー502が大きくなり、筐体501内への収容が難しくなる。そのため、筐体501の奥行き方向寸法を含む寸法に合わせて、体積を抑えたカバー502内に、フレキシブルケーブル703や中継基板702等をコンパクトに収容する。
しかしながら、体積を抑えたカバー502内に、光源アセンブリ30やフレキシブルケーブル703等を収容する場合、フレキシブルケーブル703や中継基板702等を、光源アセンブリ30に対し密着または近付けて配置する必要が生じる。
図8は、比較例として、カバー502の厚さ等を抑えたコンパクトな構成を優先して、カバー502内に、光源アセンブリ30の光源部31に近接してフレキシブルケーブル703や基板等を配置する構成例を示す。図8では、一方の光源アセンブリ30Aのみに対応した部分を図示している。液晶パネル11と再帰反射部材5との空間は映像光の光路となるので、そちら側にはフレキシブルケーブル等を配置しない。この比較例では、フレキシブルケーブル703等を、光源部31Aの側面を介して光源アセンブリ30Aの裏側に回り込むように配置している。この比較例では、図8内の方向において、光源部31Aの上側にフレキシブルケーブル701や中継基板702が配置され、光源部31Aの左側に近接してフレキシブルケーブル702が配置され、光源部31Aの下側に近接して映像信号処理基板704が配置されている。そして、それらの構成要素を収容するように、カバー502が構成されている。
しかしながら、このような比較例の場合では、熱に弱い部品であるフレキシブルケーブル703等が、光源部31Aに近接して配置されるので、それらの部品が、光源部31Aの光源やリフレクタやヒートシンクから発する熱による影響を受けやすい。そのため、フレキシブルケーブル703等の劣化・損傷などを招くおそれがある。
また、図8のように、液晶パネル11および光源アセンブリ30Aを例えば水平面に配置した場合には、熱力学的に、光源部31Aからの熱は鉛直方向で下から上へ流れるため、フレキシブルケーブル703や中継基板702がその熱による影響を受けやすい。
そこで、実施の形態では、体積を抑えたカバー502内に光源アセンブリ30やフレキシブルケーブル703や中継基板702等を収容し、コンパクトな構成と、光源部の熱による影響の低減との両方を考慮した構成を工夫したものである。以下に詳細を説明する。
<実施の形態1の空間浮遊映像表示装置>
図9は、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置の構成概要を示している。図5Bのシステムにおける筐体501の空間内において、映像表示装置1が鉛直方向に対応したZ軸方向に沿って配置される。下部の空間5002内において、液晶パネル11の下辺側から引き出されたフレキシブルケーブル701、中継基板702、フレキシブルケーブル703、映像信号処理基板704等が配置される。そして、実施の形態では、光源アセンブリ30Aの光源部31Aに対し、所定の距離1001で間隔をあけるようにして、フレキシブルケーブル703が配置されている。図9中の構成要素は、所定の位置関係でカバー502内に固定される。
図9は、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置の構成概要を示している。図5Bのシステムにおける筐体501の空間内において、映像表示装置1が鉛直方向に対応したZ軸方向に沿って配置される。下部の空間5002内において、液晶パネル11の下辺側から引き出されたフレキシブルケーブル701、中継基板702、フレキシブルケーブル703、映像信号処理基板704等が配置される。そして、実施の形態では、光源アセンブリ30Aの光源部31Aに対し、所定の距離1001で間隔をあけるようにして、フレキシブルケーブル703が配置されている。図9中の構成要素は、所定の位置関係でカバー502内に固定される。
フレキシブルケーブル703は、光源部31Aに対しY軸で前面側に配置された中継基板702側から、Z軸の下方を経由して、Y軸で背面側に配置された映像信号処理基板704まで回り込むように、湾曲して配置されている。そして、フレキシブルケーブル703は、その回り込みにおいて、光源部31Aに近接しないように、Z方向で所定の距離1001をあけて配置されている。フレキシブルケーブル703は、Y方向では距離1003を有して配置されている。空間1002は、距離1001および距離1003に対応した囲まれた空間である。
これにより、システムの筐体501および装置のカバー502において、奥行き方向であるY軸方向での寸法を小さく抑えることができる。Z軸方向では、筐体501の下部の空間5001を利用して、距離1001が確保される。距離1001は、システムや装置の実装に応じて設計されるが、少なくとも1cm以上である。距離1001は、光源部31Aの端面との距離として図示しているが、詳しくは、後述のように、光源であるLED、または、基板やヒートシンクやリフレクタのいずれかとの距離としてもよい。
この実施の形態では、熱に弱い部品であるフレキシブルケーブル703等が、光源部31Aから十分に離れて配置されるので、それらの部品が、光源部31Aの光源やリフレクタやヒートシンクから発する熱による影響を受けにくい。そのため、フレキシブルケーブル703等の劣化・損傷などを防止できる。
また、図9のように、液晶パネル11および光源アセンブリ30Aを鉛直方向に沿って配置した場合には、熱力学的に、光源部31Aからの熱は鉛直方向で下から上へ流れるため、光源部31Aよりも下方に配置されているフレキシブルケーブル703は、その熱による影響をより受けにくい。
また、図9の構成では、光源部31A等に電源供給する電源基板705の配置例も示している。電源基板705は、光源アセンブリ30に対しY軸方向で背面側に配置されている。電源基板705も熱を発するが、その熱は鉛直方向で上へ流れる。電源基板705よりも下方に配置されているフレキシブルケーブル703は、その熱による影響も受けにくい。
フレキシブルケーブル701および中継基板702は、光源部31Aに対しY軸方向で前面側に配置されているが、光源部31A内の光源等はY軸方向で背面側、奥側に寄って配置されており、光源等による熱は上に流れる。そのため、フレキシブルケーブル701や中継基板702は、光源部31A内の光源等による熱の影響を受けにくい。
映像信号処理基板704は、光源部31Aに対しY軸方向で背面側に配置されている。映像信号処理基板704上のプロセッサ等も熱を発するが、そのプロセッサ等にもヒートシンクが配置され、その熱は上に流れる。そのため、映像信号処理基板704は、光源部31A内の光源等からの熱の影響を受けにくい。
<実施の形態1の空間浮遊映像表示装置>
図10以降を用いて、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置、およびその空間浮遊映像表示装置を含んで構成される空間浮遊映像表示システムの詳細について説明する。以下では、空間浮遊映像表示システムの実装例として、駅やコンビニなどに設置されるキオスク端末に適用した場合を説明する。なお、これに限定されず、空間浮遊映像表示システムの実装例としては、様々なシステムに適用可能であり、例えば、ATM(現金自動預け払い機)、自動券売機などにも適用可能である。適用するシステムに応じて、筐体501の形状等の要件、言い換えると制約条件や、好適な空間浮遊映像3の視認の角度などがある。角度の一例は前述の図5Bの角度αである。それらの要件に応じて、システムに空間浮遊映像表示装置が実装される。
図10以降を用いて、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置、およびその空間浮遊映像表示装置を含んで構成される空間浮遊映像表示システムの詳細について説明する。以下では、空間浮遊映像表示システムの実装例として、駅やコンビニなどに設置されるキオスク端末に適用した場合を説明する。なお、これに限定されず、空間浮遊映像表示システムの実装例としては、様々なシステムに適用可能であり、例えば、ATM(現金自動預け払い機)、自動券売機などにも適用可能である。適用するシステムに応じて、筐体501の形状等の要件、言い換えると制約条件や、好適な空間浮遊映像3の視認の角度などがある。角度の一例は前述の図5Bの角度αである。それらの要件に応じて、システムに空間浮遊映像表示装置が実装される。
図10は、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置の斜視図を示し、前述のカバー502および光源アセンブリ30を除いた部分を示す。図10の構成要素の配置は、映像表示装置1の液晶パネル11等が鉛直方向に対応するZ軸方向に沿って配置されており、前述の図5Bのようなシステムの実装に対応した配置である。
図11は、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置のY-Z面の断面図を示し、前述のカバー502および光源アセンブリ30については模式で概要のみ図示している。図11の光源部31Aおよびフレキシブルケーブル703等の付近は、図9と同様の構成を有する。
映像信号処理基板704は、所定の通信インタフェースで、コネクタから、システムの制御装置からの制御信号および映像源からの映像信号を入力し、映像表示装置である液晶パネル11での映像表示のための映像信号処理を行う。映像信号処理基板704は、その処理の結果生成された表示信号を、コネクタからフレキシブルケーブル703を通じて中継基板702へ送信する。
中継基板702は、映像信号処理基板704からの表示信号を受信し、その表示信号に基づいて、液晶パネル11の表示駆動のための駆動信号を生成し、コネクタからフレキシブルケーブル701を通じて液晶パネル11の本体へ送信する。液晶パネル11は、その駆動信号に基づいて駆動されて、表示画面11aで映像を表示する。
電源基板705は、光源アセンブリ30の背面側で例えば中心線Cの付近に配置されている。電源基板705は、図7Aのような光源アセンブリ30の光源部31(31A,31B)などに電源供給する。電源基板705の電源回路は、図示しないが、コネクタから電源ケーブルを通じて光源部31の基板と接続されている。
図12は、図10の空間浮遊映像表示装置のカバー502がある状態の斜視図を示し、映像表示装置1などを省略して示す。カバー502の詳細構成例として、カバー502a、カバー502b、カバー502c等を有する。カバー502aは、映像表示装置1の液晶パネル11および光源アセンブリ30、フレキシブルケーブル703等を収容し固定する。カバー502bは、再帰反射部材5を例えば4辺で固定する。カバー502cは、カバー502aから出た支持部材であり、空中センサ50を支持し固定する。
図13は、図12の空間浮遊映像表示装置のカバー502が無い状態の斜視図を示し、映像表示装置1の光源アセンブリ30、中継基板702などを示す。
図14は、図12の空間浮遊映像表示装置のカバー502がある状態をZ軸方向で背面側から見たX-Y平面図を示す。カバー502は、光源アセンブリ30の背面側を覆うカバー502dを有する。また、カバー502dは、映像信号処理基板704を固定する部分として凸部を有する。
図15は、図12の空間浮遊映像表示装置のカバー502が無い状態をZ軸方向で背面側から見たX-Y平面図を示す。光源アセンブリ30の背面側において、Z軸で下側に、映像信号処理基板704が配置されている。映像信号処理基板704には、プロセッサ、フレキシブルケーブル703とのコネクタ704b、およびヒートシンク704c等を有する。光源アセンブリ30のZ軸方向で中心付近には、電源基板705が配置されている。本例では、電源基板705として3枚の電源基板705を有し、X軸方向に配列されている。
図16は、図12の空間浮遊映像表示装置のカバー502がある状態を側面方向であるX軸方向から見たY-Z平面図を示す。カバー502は、前述の部分の他、カバー502e、カバー502gを有する。カバー502eは、映像表示装置1の液晶パネル11および光源アセンブリ30を含む部分を、X軸方向で両側から覆っている。カバー502eのうち、Z軸で下方にある部分であるカバー502fは、前述のフレキシブルケーブル703等をZ軸方向およびX軸方向で覆っている。
また、本実施例では、カバー502は、映像信号処理基板704および電源基板705については覆わない構成としている。変形例としては、カバー502は、映像信号処理基板704および電源基板705についても覆う構成としてもよい。
カバー502gは、カバー502eからY軸方向で前面側に立ち、再帰反射部材5を支持し固定する。
図17は、図12の空間浮遊映像表示装置のカバー502が無い状態を側面方向であるX軸方向から見たY-Z断面図を示し、図11に対応した詳細構造例を示している。映像表示装置1は、図7Aと同様に、中心線Cに対しZ軸方向で上下対称に配置された、下側の光源アセンブリ30Aと上側の光源アセンブリ30Bとを2つ1組とした光源アセンブリ30を有する。例えば下側の光源アセンブリ30Aは、Z軸方向で下側に配置された光源部31Aと、光源部31Aから上側に中心線C以下の下側に配置された導光体部32Aとを有する。光源アセンブリ30Aは、光源部31AからZ軸で上方に発光し、その発光を導光体部32AでY軸の前方へ反射させる。光源アセンブリ30Bは、光源部31BからZ軸で下方に発光し、その発光を導光体部32BでY軸の前方へ反射させる。導光体部32A,32Bと液晶パネル11との間には拡散板204が配置されている。
光源部31Aおよび光源部31Bは、X軸方向に長く延在しており、X軸方向において複数の光源およびリフレクタ等が配列されている。光源部31Aは、詳細を後述するが、本例では、光源としてLEDを含み、LEDを搭載した基板に対しY軸方向で奥側にはヒートシンク330が配置されている。ヒートシンク330はLED用ヒートシンクである。光源部31Aは、LEDからの発散光をリフレクタでZ軸上方にほぼ平行光として反射させる。そのZ軸上方への平行光は、後述の偏光変換素子を通じて偏光変換された後、導光体部32Aに入射する。その入射光は、導光体部32Aの反射型導光体の反射面によってY軸方向で前方へ反射され、拡散板204を経由して拡散されて、液晶パネル11の背面側に入射する。このような作用は、光源アセンブリ30Bでも同様であり、上下逆向きの作用となる。
図17ではカバー502を破線で図示しており、詳しくは図12、図14、図16等の通りである。カバー502は、材質としては例えば金属で構成される。
図17のように、液晶パネル11の下辺側から引き出されたフレキシブルケーブル701、中継基板702、フレキシブルケーブル703、および映像信号処理基板704は、図9でも説明した通り、光源部31Aから距離1001を含む空間1002をとって迂回するようにして、光源アセンブリ30Aの背面側に回り込むように配置されている。
図18は、図12の空間浮遊映像表示装置の映像表示装置1の液晶パネル11の下辺側および光源アセンブリ30の背面側から光源部31Aやフレキシブルケーブル703などをみた場合の斜視図である。図19は、同様に、映像表示装置1の液晶パネル11の上辺側および光源アセンブリ30の背面側から光源部31Bなどをみた場合の斜視図である。光源部31Aおよび光源部31Bは、液晶パネル11の下辺および上辺に対応したX軸方向に延在しており、Y軸で奥側にはヒートシンク330が配置されている。本例では、ヒートシンク330は、LEDの基板の背面に接する部分のみならず、Z軸で上下外側に向いた部分にも設けられている。図7Aや図10にも示したように、X軸方向で例えば中央付近において液晶パネル11の下辺側からフレキシブルケーブル701等が引き出されており、図18のように、光源部31AのZ軸下側の一側面を回り込むようにフレキシブルケーブル703が配置されている。
なお、図17の光源部31Aとフレキシブルケーブル703等との空間1002において、空気以外に何も設けられない構成を基本とする。変形例としては、この空間1002内において、例えばフレキシブルケーブル703等の部品を所定の好適な位置に固定するための部品などが設けられてもよい。この場合の部品は、カバー502の一部、例えば図16でのカバー502fから内側に出た部品でもよい。
上記実施の形態1の空間浮遊映像表示装置によれば、空間浮遊映像表示システムや空間浮遊映像表示装置の薄型化、コンパクトな配置を実現でき、かつ、光源アセンブリ30などの熱による影響の低減を実現でき、フレキシブルケーブル703などの熱に弱い部品に与える劣化などの影響を極力排除できる。
図10~図19等に示した実施の形態1の空間浮遊映像表示装置は、前述のように、奥行き方向の寸法をなるべく小さくしたコンパクトな構成が実現できるとともに、熱に弱いフレキシブルケーブル703等に対する光源部31Aや電源基板705の熱による影響を低減できる。そして、この空間浮遊映像表示装置は、図5Bのような空間浮遊映像表示システムの筐体501等への実装が容易となり、ユーザによる空間浮遊映像3の好適な視認および操作を実現する。
上記実施の形態1の空間浮遊映像表示装置は、液晶パネル11から映像信号処理基板704までのフレキシブルケーブル703等の取り回しを、図示したような空間1002を設ける構成とすることにより、フレキシブルケーブル703等が光源装置13のLEDやヒートシンクからの熱による影響を受けにくくなる。これらのフレキシブルケーブル703等は、規定の長さ等の寸法を有する部品を使用でき、カバー502、言い換えるとケースや支持部材によって、支持または覆われる。
また、上記実施の形態1の空間浮遊映像表示装置は、図5Bや図11にも示したように、再帰反射光学系の設計として下辺側飛び出し方式に合わせて、映像表示装置1を概略的に鉛直方向に沿った配置とする。そして、再帰反射部材5と映像表示装置1との間の開いている距離(図5Bの距離LBと同程度の距離)が大きい方である、液晶パネル11に対し下辺側に、フレキシブルケーブル703等の取り回しの空間を設ける。液晶パネル11に対し上辺側の空間は、下辺側の空間よりも狭く、取り回しおよび熱の観点でも不利であるため、下辺側に取り回しの空間を設ける。下辺側の空間において、カバー502fを除いてフレキシブルケーブル703が最も下側に配置される。このような配置により、光源アセンブリの光源部31Aの熱は、鉛直方向で下から上に逃げるので、フレキシブルケーブル703等がその熱の影響を受けにくくなる。
また、上記実施の形態1の空間浮遊映像表示装置は、図17等に示したように、映像信号処理基板704と電源基板705との配置において、鉛直方向で、映像信号処理基板704を下側、電源基板705を上側に配置する。下辺側の空間に配置されたフレキシブルケーブル703に接続できる映像信号処理基板704を、フレキシブルケーブル703の近くで、光源アセンブリの背面側に配置する。電源基板705に対しフレキシブルケーブル703および映像信号処理基板704が下側に配置されるので、それらは電源基板705による熱の影響も受けにくくなる。
また、上記実施の形態1の空間浮遊映像表示装置は、図5B等に示したように、システムの実装を考慮して、下辺側飛び出し方式の配置とし、空中センサ50については、再帰反射部材5と映像表示装置1との間の開いている距離、言い換えると空間浮遊映像3の飛び出しの距離が小さい方である、液晶パネル11に対し上辺側に配置する。これにより、空中センサ50の支持部材も小さくでき、空中センサ50および支持部材を含むカバー502を含めた装置全体の構成を、コンパクトおよび薄型にすることができる。
<キオスク端末の第1の構成例>
次に、図20以降を用いて、上記実施の形態1の空間浮遊映像表示装置を含んで構成される空間浮遊映像表示システムの実装例として、キオスク端末の構成例について説明する。
次に、図20以降を用いて、上記実施の形態1の空間浮遊映像表示装置を含んで構成される空間浮遊映像表示システムの実装例として、キオスク端末の構成例について説明する。
キオスク端末とは、従来、不特定多数の人が、タッチパネル操作などのマン・マシン・インタフェースやユーザインタフェースを通じて、必要な情報にアクセスしたり、様々なサービスを利用したりするための情報端末である。キオスク端末は、公共施設や交通機関、遊園地等のエンタテイメント施設、また、近年では、いわゆるコンビニエンスストアの店内などにも設置されている。キオスク端末は、各種のチケットの販売や、行政サービス、例えば住民票の発行などにも用いられている。
なお、以下の実施形態の説明において、特定の構成を有する情報端末を、「キオスク端末」という用語で表現している。この「キオスク端末」という用語の代わりに、「情報端末」の他、「情報表示装置」、「情報処理端末」、「発券端末」、「書類発行端末」、「行政端末」、「サービス端末」などと表現してもよい。実施形態の説明で主として用いる「キオスク端末」の用語は、これらの用語の代表例として用いている。
まず、図20は、比較のために、従来一般的なキオスク端末2000の構成例の斜視図を示す。このキオスク端末2000は、例えば高さ120~50cmほどの金属製の筐体501を備える。筐体501の高さは利用者の身長などを考慮したものである。筐体501の前面501aとして、ユーザに対向する側の表面である斜面には、液晶表示画面2001や入力ボタン2002が設けられている。液晶表示画面2001は、液晶表示装置の一部であり、各種情報を表示して利用者のタッチ操作を受け付けるタッチパネル付きの画面である。入力ボタン2002は、利用者に固有の暗証番号等を入力するための物理的なボタン、あるいはタッチパネルで構成された画面内のタッチボタンである。また、筐体501の前面501a付近の一部には、取り出し口2003が設けられている。取り出し口2003は、キオスク端末2000に対する操作の結果、例えば発行されたチケットや行政書類などを取り出すための取り出し口である。
図21は、図10~図19のような実施の形態1の空間浮遊映像表示装置を実装したキオスク端末2100の外観構成例として斜め右上から見た斜視図を示す。図21ではキオスク端末の第1の構成例を示す。図21での筐体501は、図5Bでの筐体501と概略的に同様の構成であり、奥行き方向の寸法などが規定されている。筐体501は、図5Bでは図示を省略していた下部において、取り出し口2003等を有し、また、例えば地面近くの位置に人感センサ2106を備える。筐体501の下部の内部にはキオスク端末2100を構成する制御装置や通信装置や電源装置などが収容されている。
図21のキオスク端末2100は、図20のキオスク端末2000との違いとしては以下がある。図21のキオスク端末2100は、筐体501の前面501aにおいて、上部に、図20と同様に液晶表示装置による液晶表示画面2101を有し、それに加え、下部に、空間浮遊映像3を表示するための空間浮遊映像表示部2102を備える。この空間浮遊映像表示部2102は、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置により構成される。言い換えると、キオスク端末2100は、液晶表示画面2101と空間浮遊映像表示部2102との2種類の映像による2画面を有し、前面501aにおいて液晶表示画面2101と空間浮遊映像表示部2102との2つの表示部に分かれている構成を有する。
図21の構成例では、2画面のうち、基本として使用されるのは、空間浮遊映像表示部2102の画面である。この画面を第1画面とも記載する。この第1画面において、ユーザインタフェースとして、空間浮遊映像3による映像が表示される。映像は、例えばアバターや操作メニューなどが挙げられる。図21では、第1画面において、空間浮遊映像3により、サービスなどをガイドするアバター2105(言い換えると人物像、コンシェルジュ)を表示する例を示している。
空間浮遊映像表示部2102の第1画面は、縦横に所定のサイズの領域を基本としている。本例では、第1画面は、若干横長のサイズを有する。
他方、液晶表示画面2101は、例えばタッチセンサを備えた液晶タッチパネル画面であり、任意の映像が表示可能であるが、例えば一般的なキオスク端末と同様に、広告表示などの用途で使用される。液晶表示画面2101を第2画面とも記載する。
なお、変形例では、液晶表示画面2101である第2画面を、空間浮遊映像表示部2102の第1画面と合わせて、操作メニューなどのユーザインタフェースとして使用してもよい。
また、変形例として、液晶表示画面2101である第2画面を設けない構成も可能である。
また、変形例として、図21の空間浮遊映像表示部2102の第1画面に、1つの空間浮遊映像3として、アバターと操作メニューとの両方を表示させてもよい。ただし、第1画面のサイズが限られているので、第1画面内にそれらの両方を表示させた場合、小さく細かい表示内容となり、見にくい可能性がある。よって、図21の例では、第1画面内には、アバターと操作メニューとの一方をなるべく大きく表示するように、表示の切り替え等が制御される。
勿論、液晶表示画面2101と空間浮遊映像表示部2102との2つの画面の位置関係は、図21の構成例に限らず可能である。例えばこれらの2つの画面の上下の配置を逆としてもよい。また、前面501aにおいて2つの画面が左右に並列して配置されてもよい。ただし、キオスク端末2100として液晶表示画面2101に加え空間浮遊映像表示部2102も備える構成では、図21のように液晶表示画面2101を上側、空間浮遊映像表示部2102を下側に配置する構成とした方が、筐体501内の構成要素の配置として、より好適である。
また、図21のように2つの画面を有する構成である場合、それらの2つの画面がそれぞれ液晶表示画面2101と空間浮遊映像表示部2102であることがユーザにわかりやすいように、それぞれの画面上に、例えば「これは液晶画面です」、「これは空間浮遊映像です」のように、その旨を伝える表示をしてもよい。これにより、ユーザにとっての使い勝手が良くなる。また、その表示は、画面上の表示ではなく、それぞれの画面の枠部分などの近傍位置に、予め物理的に「液晶画面」、「空間浮遊映像」といった表記をしておいてもよい。
図21の例では、キオスク端末2100の利用者であるユーザは、液晶表示画面2101に表示される映像に加え、空間浮遊映像表示部2102に表示される空間浮遊映像3による映像を見ながら、キオスク端末2100のサービスを利用できる。例えば、ユーザは、空間浮遊映像3によるアバター2105による操作案内に従って、空間浮遊映像表示部2102に表示される空間浮遊映像3として表示される操作メニューなどを操作することができる。アバター2105は、ユーザに対し、映像と音声によって、操作案内などを行う。
したがって、ユーザは、あたかも、キオスク端末2100上に実際の人が存在するような感覚が得られる。しかも、そのアバターがユーザに対しキオスク端末2100の操作方法などについて説明を丁寧に行う。そのため、初めてキオスク端末2100を利用するユーザ等であっても、戸惑うことなく、キオスク端末2100をより容易に操作でき、所望のサービスを受けることができる。
なお、キオスク端末2100は、通常時には、液晶表示画面2101と空間浮遊映像表示部2102との2つの画面の少なくとも一方における表示をスリープ状態としておき、人感センサ2106等によって、人が筐体501の前面501aに対し近付いたことを検知した場合に、液晶表示画面2101と空間浮遊映像表示部2102との2つの画面の少なくとも一方における表示を起動してもよい。例えば、キオスク端末2100は、人感センサ2106によって、人が近付いたことを検知した場合に、空間浮遊映像表示部2102による空間浮遊映像3として最初にアバター2105を表示させて、操作案内などを開始させてもよい。
空間浮遊映像表示部2102における空間浮遊映像3の形成の方式は、前述の再帰反射光学系を用いた、図5Bのような下辺側飛び出し方式である。ユーザは、空間浮遊映像3による操作メニューのボタンなどを手指等で操作する。その際に、空間浮遊映像3の面は筐体501の前面501aの再帰反射部材5よりも前方に飛び出して浮いているため、手指等が前面501aの再帰反射部材5に接触しにくい。特に、空間浮遊映像3の上辺に対し下辺の方が前方により大きく飛び出している。そのため、空間浮遊映像3内において下部に操作メニューのボタン等が配置される場合には、ユーザがそのボタン等を押す際に背後に物理的に接触することが生じにくく、好適である。
また、図21の構成例では、筐体501の前面501aにおいて2つの画面の間のフレーム部分の裏側に前述の空中センサ50が配置されている。
変形例としては、キオスク端末2100の筐体501のいずれかの位置にカメラを備えてもよい。例えば、筐体501の左右位置にステレオカメラを備えてもよい。キオスク端末2100は、そのカメラの画像を用いて、人が筐体501の前面501aに対し近付いたことを検知してもよい。キオスク端末2100は、そのカメラの画像を用いて、ユーザの識別や認証を行ってもよい。
また、キオスク端末2100には、筐体501のいずれかの位置に、スピーカ等を備えてもよい。キオスク端末2100は、そのスピーカ等を用いて、ユーザに対し、操作音や操作案内などを音声出力してもよい。
図22は、図21のキオスク端末2100の内部構造の説明図を示す。図22では、図21の筐体501の上部を右側面に対応するX軸方向から見た場合の内部のY-Z断面図を示している。筐体501の上部は、Y-Z断面で前面501aが斜面であり概略的に台形または直角三角形の形状を有する。筐体501内の空間内において、上部の空間2210には、液晶表示画面2101を含む液晶表示装置等が配置されている。下部の空間2220には、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置が配置されており、具体的には、前面501aに合わせて再帰反射部材5が配置され、空間2220内に映像表示装置1が図17と同様に鉛直方向であるZ軸方向に立つように配置されている。
映像表示装置1の液晶パネル11からの映像光は、Y軸での前方に出射し、再帰反射部材5に入射する。入射した映像光は、再帰反射部材5で再帰反射されて、所定の角度αに対応した方向に出射する。出射した映像光は、再帰反射部材5から所定の距離の位置に、実像である空間浮遊映像3を形成する。ユーザの目UEからは、角度αに対応した視線方向で、この空間浮遊映像3を好適に視認できる。
ユーザは、空間浮遊映像3として表示された操作メニュー等に対し、手指UH等によって操作を行うことができる。空中センサ50は、その操作の位置などを検出する。空中センサ50と通信で接続された制御装置は、空中センサ50の検出信号に基づいて、ユーザの操作を検出し、検出した操作に応じた制御を行う。制御装置は、例えば操作に応じて空間浮遊映像3の表示内容、すなわち映像表示装置1への映像信号の内容を変化させる。
筐体501の前面501aである斜面および再帰反射部材5は、例えば水平面に対し所定の角度βを有して配置されている。この角度βは、図5Aのようなシステムの場合の同様の角度よりも大きく、前面501aである斜面は鉛直方向に近い面とすることができる。そして、その分、筐体501の奥行き方向の寸法、例えば上部での寸法2231や下部での寸法2232は、図5Aのようなシステムの場合の同様の寸法よりも小さくすることができる。また、そのように奥行き方向の空間が限られた筐体501内に、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置をコンパクトに収容できる。
それとともに、前述のように、光源部31Aの熱によるフレキシブルケーブル703等への影響も低減できる。筐体501内の空間2230において、光源部31Aや電源基板705で発生した熱は、鉛直方向に対応するZ軸方向で下から上へ流れる。空間2230内で下部に配置されたフレキシブルケーブル703等は、熱の影響を受けにくい。筐体501に通気または冷却のための機構、例えば筐体501の背面に通気孔が設けられる場合、光源部31A等からの熱は、その通気孔を通じた通気に従って外部へ流れる。
また、変形例として、空中センサ50によるセンシングシステムを、人がキオスク端末2100の前面501aに近付いたかどうかの検知に利用してもよい。図示の空中センサ50の位置から発した光は、空間浮遊映像3の面に沿ってその先まで出射する。よって、その先に人の胴体などがある場合には、反射光として検出が可能である。
<キオスク端末の第2の構成例>
図23は、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置を実装したキオスク端末2300の外観構成例として斜め右上から見た斜視図を示す。図23ではキオスク端末の第2の構成例を示す。図23のキオスク端末2300は、図21のキオスク端末2100との違いとしては以下がある。
図23は、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置を実装したキオスク端末2300の外観構成例として斜め右上から見た斜視図を示す。図23ではキオスク端末の第2の構成例を示す。図23のキオスク端末2300は、図21のキオスク端末2100との違いとしては以下がある。
図23の筐体501は、前面501aにおいて、液晶表示装置による液晶表示画面2101を備えず、ほとんど全面に、空間浮遊映像表示部2301を備える。この空間浮遊映像表示部2301は、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置により構成される。言い換えると、キオスク端末2300は、空間浮遊映像表示部2301に表示される空間浮遊映像3による1画面を有する。
図23の構成例では、空間浮遊映像表示部2301の画面において、ユーザインタフェースとして、空間浮遊映像3による映像が表示される。映像は、例えばアバターや操作メニューなどが挙げられる。図23では、この画面において、空間浮遊映像3により、サービスなどをガイドするアバター2305と、操作メニュー2306とを、上下に並列で表示する例を示している。空間浮遊映像表示部2301の画面には、アバター2305と操作メニュー2306との一方を切り替えながら表示してもよい。
空間浮遊映像表示部2301の画面は、縦横に所定のサイズの領域を基本としている。本例では、この画面は、縦長のサイズを有する。図17のような光源アセンブリ30を備える空間浮遊映像表示装置は、この画面のサイズを確保できる。空間浮遊映像表示部2301の画面のサイズは、例えば、10インチ~20インチである。
図23の例では、キオスク端末2300の利用者であるユーザは、比較的大きなサイズの空間浮遊映像表示部2301に表示される空間浮遊映像3による映像を見ながら、キオスク端末2300のサービスを利用できる。例えば、ユーザは、空間浮遊映像3によるアバター2305による操作案内に従って、空間浮遊映像3として表示される操作メニュー2306などを操作することができる。
また、図23の構成例では、筐体501の前面501aにおいて空間浮遊映像表示部2301の画面の上側のフレーム部分の裏側に前述の空中センサ50が配置されている。
図24は、図23のキオスク端末2300の内部構造の説明図を示す。図24では、図23の筐体501の上部を右側面に対応するX軸方向から見た場合の内部のY-Z断面図を示している。筐体501の上部は、Y-Z断面で前面501aが斜面であり概略的に台形の形状を有する。図24の構成例では、図22の液晶表示画面2101を設けない分、筐体501の高さ寸法を短くできる。あるいは、図22での筐体501の高さ寸法と同じにする場合には、全体的により大きなサイズの空間浮遊映像表示装置を用いることで、空間浮遊映像表示部2301の画面サイズをより大きくしてもよい。
筐体501内の空間2430において、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置が配置されており、具体的には、前面501aのほとんど全面に合わせて再帰反射部材5が配置され、空間2430内に映像表示装置1が図17と同様に鉛直方向であるZ軸方向に立つように配置されている。
映像表示装置1の液晶パネル11からの映像光は、Y軸での前方に出射し、再帰反射部材5に入射する。入射した映像光は、再帰反射部材5で再帰反射されて、所定の角度αに対応した方向に出射する。出射した映像光は、再帰反射部材5から所定の距離の位置に、実像である空間浮遊映像3を形成する。ユーザの目UEからは、角度αに対応した視線方向で、この空間浮遊映像3を好適に視認できる。
筐体501の前面501aである斜面および再帰反射部材5は、例えば水平面に対し所定の角度βを有して配置されている。この角度βは、図5Aのようなシステムの場合の同様の角度よりも大きく、前面501aである斜面は鉛直方向に近い面とすることができる。そして、その分、筐体501の奥行き方向の寸法、例えば上部での寸法2431や下部での寸法2432は、図5Aのようなシステムの場合の同様の寸法よりも小さくすることができる。また、そのように奥行き方向の空間が限られた筐体501内に、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置をコンパクトに収容できる。
それとともに、前述のように、光源部31Aの熱によるフレキシブルケーブル703等への影響も低減できる。筐体501内の空間2430において、光源部31Aや電源基板705で発生した熱は、鉛直方向に対応するZ軸方向で下から上へ流れる。空間2430内で下部に配置されたフレキシブルケーブル703等は、熱の影響を受けにくい。筐体501に通気または冷却のための機構、例えば筐体501の背面に通気孔が設けられる場合、光源部31A等からの熱は、その通気孔を通じた通気に従って外部へ流れる。
以上のように、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置によれば、キオスク端末などの空間浮遊映像表示システムの筐体にコンパクトに収容して実装可能であり、空間浮遊映像表示システムの筐体の奥行き方向の寸法が限られていた場合でも実装がしやすい。図5B、図22や図24のような、下辺側飛び出し方式の空間浮遊映像3とし、システムの筐体501内に、映像表示装置1を鉛直方向に沿って配置でき、再帰反射部材5を斜面である前面501aに合わせて配置できるので、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置はシステムに実装しやすい。
また、前述のように、キオスク端末などの空間浮遊映像表示システムの筐体501内において、より下側の空間にフレキシブルケーブル703等を取り回す構成としたので、熱に弱いフレキシブルケーブル703等の劣化も防止できる。また、従来一般的なキオスク端末などのシステムにおいて図5Bのような奥行き方向の寸法が限られた筐体501がある場合に、実施の形態1の空間浮遊映像表示装置は、その筐体501を流用して収容することも容易となる。
<光源装置の構成例>
図25A~図25Gを用いて、上述した実施の形態1の空間浮遊映像表示装置の光源装置13として適用可能である光源アセンブリ30の構成例について説明する。この構成例では、偏光変換を用いて光利用効率を1.8倍向上した光源装置に関する光学系の構成を示す。
図25A~図25Gを用いて、上述した実施の形態1の空間浮遊映像表示装置の光源装置13として適用可能である光源アセンブリ30の構成例について説明する。この構成例では、偏光変換を用いて光利用効率を1.8倍向上した光源装置に関する光学系の構成を示す。
図25A、図25B、図25C、図25D、および図25Eは、光源装置13である光源アセンブリ30の構成例を示す。図25Aおよび図25Eは、サブリフレクタを設けない実施例を示し、それに対し、図25Bおよび図25Cは、サブリフレクタ310,308を設ける変形例を示す。図25Aは、実施例での光源アセンブリ30の斜視図である。図示のX,Y,Zの軸は、前述の図17等の軸と対応している。図25Eは、図25Aの一部の縦断面図に相当する。図25Bは、変形例での光源部に対応するユニット312の部分の拡大斜視図である。図25Cは、図25Bのユニット312と後段の偏光変換素子21等とを含む部分の縦断面図である。図25Dは、実施例での導光体306の反射面307の一部の拡大図である。
図25Aおよび図25Eで、光線アセンブリ30は、Z軸方向に、光源であるLED12とリフレクタ300とを含むユニット312と、偏光変換素子21と、反射型導光体である導光体306とを有する。ユニット312に対し、Z軸方向に、所定の距離をあけて、偏光変換素子21が配置されており、偏光変換素子21の後段に導光体306が配置されている。導光体306に対し、Y軸方向に、拡散板206が配置されている。拡散板206の上面側に、液晶パネル11が配置される。
図25A~図25Eでは、光源を構成するLED14が基板102に備え付けられた状態を示している。これらは、リフレクタ300とLED14とを一対のブロックとし、複数のブロックを有するユニット312として構成されている。複数のブロックは、X軸方向に配列されている。複数のリフレクタ300は、図示のように一体として形成されてもよい。
図25A、図25F、図25Gでは、ヒートシンク330の図示を省略している。図25Eの実施例では、ヒートシンク330の構成例を図示している。図25Cの変形例では、ヒートシンク330の他の構成例を図示している。図25Eでのヒートシンク330は、基板102に対しY軸で背面側に接する部分と、Z軸下側でリフレクタ300もカバーするように接する部分とを有する。図25Bでのヒートシンク330は、Y軸で基板102の背面側に接して設けられている。一般に、金属性の基板102は熱を持っている。特に、基板102は、表面側に設けられた光源であるLED14から発する熱を有する。そのため、基板102の熱を冷却するために、ヒートシンク330が設けられている。
基板102の表面のLED14に対しY軸で上側には、リフレクタ300が配置されている。リフレクタ300は、LED14からY軸を光軸として発する発散光を、Z軸の方向へ反射させながら、略平行光束に変換する。その略平行光束を図25Eや図25Cでは光束φ5で示す。
リフレクタ300の反射面は、LED14の出射光の光軸に対して非対称な形状でもよい。この理由を、図25Bを用いて説明する。本実施例では、リフレクタ300の反射面は放物面であり、放物面の焦点位置に、面光源であるLED14の発光面の中心が配置されている。また、放物面の特性上、LED14の発光面の4隅からの発光も略平行光束となり、出射方向が異なるだけである。そのため、発光部が面積を持っていても、後段に配置された偏光変換素子21とリフレクタ300との間隔が短ければ、偏光変換素子21へ入射する光量と変換効率は、ほとんど影響を受けない。
また、LED14の取り付け位置が、対応するリフレクタ300の焦点に対してX-Z平面内でずれた場合でも、上述した理由により、光変換効率の低下を軽減できる光学系が実現できる。さらに、LED14の取り付け位置がY軸方向にばらついた場合でも、変換された平行光束がY-Z平面内で移動するだけであり、面光源であるLED14の取り付け精度を大幅に軽減できる。
本実施例では、放物面の一部を子午(南北線)に切り欠いた反射面を有するリフレクタ300について記載したが、放物面全面を反射面として切り欠いた一部分にLED14が配置されてもよい。
一方、本実施例では、図25Eや図25Cに示すように、LED14からの発散光を放物面321で反射させて略平行な光に変換した後、後段の偏光変換素子21の端面に入射させ、偏光変換素子21により特定の偏波に揃えることを特徴的な構成としている。偏光変換素子21は、例えば偏光変換プリズムと波長板213とを組み合わせて構成されている。この特徴的な構成により、光の利用効率が従来技術例に対して1.8倍となり、高効率な光源が実現できる。
なお、このとき、LED14からの発散光を放物面321で反射させた略平行な光は、すべて均一というわけではない。よって、本実施例では、偏光変換素子21を通過したその略平行な光として光束φ6を、導光体306における複数の傾きを持った反射面307により、反射光の角度分布を調整することで、液晶パネル11に向けて、液晶パネル11に対し垂直方向に入射可能としている。
ここで、本例では、LED14からリフレクタ300に入る光における主光線の向きと液晶パネル11に入る光の向きとが略平行になるように配置されている。図25A等の例では、それらはY軸に沿って略平行に配置されている。この配置は、設計上行いやすく、また、熱源を光源装置13の下部に配置する方が、空気が下から上に抜けることから、LED14の温度上昇を低減できるため、好適である。
また、図25Cの変形例に示すように、LED14からの発散光の捕捉率を向上させるために、リフレクタ300で捕捉できない光束を捕捉するための構成として以下を有する。本変形例では、リフレクタ300で反射された光の一部をサブリフレクタ308で反射し、サブリフレクタ308で反射された光を、サブリフレクタ310で導光体306に向かう方向に反射させる。詳しくは、リフレクタ300で捕捉できない光束を、リフレクタ300の出射側の斜め上に配置された遮光板309に設けられたサブリフレクタ308によって反射させる。さらに、その反射された光束を、基板102上でリフレクタ300の下部に設けられたサブリフレクタ310の斜面によって反射させる。その反射された光束を、Z軸方向で、後段の偏光変換素子21の有効領域に入射させる。これにより、光の利用効率を更に向上させることができる。
図25Cで、遮光板309は、例えば拡散板206の一端に接続された遮光板402と、偏光変換素子21の入射面側に設けられた遮光板410とに接続されている。
図25Cで、Z軸方向で、偏光変換素子21により特定の偏波に揃えられた略平行光束は、導光体306の表面に設けられた反射形状の反射面307によって、Y軸方向で導光体306に対向して配置された液晶パネル11に向けて反射される。このとき、液晶パネル11に入射する光束の光量分布は、前述したリフレクタ300の形状と配置、ならびに、導光体306の反射面307の断面形状、傾きおよび面粗さによって、最適設計されている。
導光体306の表面に設けられた反射面307の形状としては、偏光変換素子21の出射面に対向して複数の反射面が配置され、偏光変換素子21からの距離に応じて、反射面307の傾き、面積、高さ、およびピッチが最適化されることで、前述のように液晶パネル11に入射する光束の光量分布が所望の値とされている。なお、図25Eや図25Cでは反射面307の一部のみ図示している。
導光体306は、全体的な形状としては、X軸方向で、ユニット312に近い側から遠い側へ向かって傾斜が大きくなっており、反射面307は、ユニット312に近い側では、拡散板206との間のY軸方向の開口の距離が大きく、ユニット312から遠い側では、拡散板206との間の距離が小さい。また、導光体306に対しX軸方向で外側には、側壁400が設けられており、反射面307に入射し反射する光が外部に出ないようにされている。
導光体306に設けられた反射面307は、図25Dに示すように、1面に複数の傾きを持つような構成とする。これにより、より高精度に反射光の調整を実現できる。図25Dでは、偏光変換素子21からの光束φ6における例えば光線R7~R10が、反射面307のそれぞれの傾きの箇所P7~P10で反射される様子を示している。なお、反射面307において、1面に複数の傾きを持つような構成としては、反射面307として使用する領域が、複数面または多面または曲面でもよい。さらに、反射面307からの反射光について、図25Aの拡散板206の拡散作用により、より均一な光量分布を実現する。Z軸方向でLED14に近い側での拡散板206に入射する光は、反射面307の傾きを変化させる設計によって、均一な光量分布が実現される。
本実施例では、反射面307の基材は、耐熱性ポリカーボネイトなどのプラスチック材料を用いる。また、波長板213であるλ/2板(二分の一波長板)213の出射直後に対応した反射面307の角度は、λ/2板213と反射面307との距離によって変化するように設計されている。
本実施例では、LED14とリフレクタ300は、一部において近接して配置されているが、リフレクタ300の開口側の空間へ放熱が可能であり、LED14の温度上昇を低減でき、前述の中継基板702やフレキシブルケーブル701,703への影響も低減できる。また、他の変形例としては、Y軸方向での基板102とリフレクタ300の配置を、図25A~図25Eに示す配置とは上下逆の配置としてもよい。
ただし、基板102をリフレクタ300の上側に配置する場合、その分、基板102が液晶パネル11に近くなるので、レイアウトが困難になる場合がある。よって、図示した通り、基板102をリフレクタ300の下側、液晶パネル11から遠い側に配置する方が、装置内の構成がより簡素になる。
図25Eおよび図25Cで、偏光変換素子21の光入射面には、後段の光学系に不要な光が入射しないように、遮光板410を設けるとよい。図示の遮光板410は、Y軸方向で入射面の有効領域以外の上下の領域に配置されている。このような構成とすることで、温度上昇を抑えた光源装置13が実現できる。
液晶パネル11の光入射面に設けられた偏光板では、本実施例での偏光が揃えられた光束を吸収することで温度上昇を低減させる。本実施例での偏光が揃えられた光束は、導光体306で反射された際に偏光方向が回転した場合に、一部の光は、液晶パネル11の光入射面に設けられた偏光板で吸収される。さらに、液晶パネル11の液晶自体での吸収や、電極パターンに入射した光による温度上昇によって、液晶パネル11の温度も上昇する。しかしながら、導光体306の反射面307と液晶パネル11との間には十分な空間が確保されているため、自然冷却が可能となる。
図25Eの構成では、図25Cのようなサブリフレクタ308およびサブリフレクタ310を設けておらず、拡散板206とリフレクタ300の上端との間が、遮光板401で接続されている。導光体306と拡散板206との間の入射面では、下部に偏光変換素子21および遮光板410が配置されており、上部は開口している。図25Eの遮光板401や、図25Cの遮光板309,402により、中継基板702やフレキシブルケーブル701,703への影響も低減できる。
図25Fおよび図25Gは、図25Eや図25Cの光源装置13の変形例を示す。図25Fおよび図25Gは、光源装置13の一部を抜粋してその変形例を図示している。その他の構成については、図25Eや図25Cで示した光源装置13と同じ構成であるため、図示および繰り返しの説明を省略する。図25Fおよび図25Gでは、Y-Z断面を示している。
まず、図25Fに示す変形例では、図25Cの基板102上のサブリフレクタ310における凹部319および凸部318を有する。図25BにもY軸方向に延在するサブリフレクタ310の凹部および凸部が示されている。凹部319の高さは、LED14の上側に配置された蛍光体114から横向きであるZ軸方向に出力される蛍光の主光線f1が凹部319から抜けるように、蛍光体114よりも低い位置となるように調整されている。蛍光の主光線f1は、図25Fで、Z軸と平行な方向に伸びる直線として図示している。さらに、蛍光体114から横向きに出力される蛍光の主光線f1が、遮光板410によって遮られずに偏光変換素子21の有効領域に入射するように、蛍光体114の位置に対し、Y軸方向において遮光板410の高さが低くなるように調整されている。
また、サブリフレクタ310の頂部における凹凸の凸部318が有する反射面は、図25Cのサブリフレクタ308で反射された光を導光体306に導くために、サブリフレクタ308で反射された光を反射する。凸部318で反射された光は、リフレクタ300の反射面321で反射されて、Z軸方向で偏光変換素子21に向かう。よって、凸部318の高さは、サブリフレクタ308で反射された光を反射させて後段の偏光変換素子21の有効領域に入射できるように調整されている。これにより、光の利用効率を更に向上させることができる。
なお、サブリフレクタ310は、図25Bに示すように、X軸に対応した一方向に延伸して配置され、凹凸形状を有している。さらに、サブリフレクタ310の頂部には、1つ以上の凹部を有する凹凸が周期的に一方向に沿って並んでいる。このような凹凸形状とすることにより、蛍光体114から横向きに出力される蛍光の主光線f1が偏光変換素子21の有効領域に入射するように構成できる。
また、サブリフレクタ310の凹凸形状は、X軸方向でLED14がある位置に凹部319がくるようなピッチで周期的に配置されている。すなわち、蛍光体114のそれぞれは、サブリフレクタ310の凹凸の凹部319の配置のピッチに対応して一方向に沿って周期的に配置されている。なお、LED14に蛍光体114が備えられている場合には、蛍光体114を光源の発光部と表現してもよい。
また、図25Gに示す変形例のように、サブリフレクタ310は無くてもよい。図25Gの変形例では、図25Fと同様に、蛍光体114から横向きであるZ軸方向に出力される蛍光の主光線f1が、遮光板410によって遮られずに偏光変換素子21の有効領域に入射するように、蛍光体114の位置に対して、Y軸方向において遮光板410の高さが低くなるように調整されている。
なお、上述した図25A~図25Gの光源装置13について、図25Aに示したように、導光体306の反射面307と液晶パネル11との間の空間へのゴミの入り込みの防止、光源装置13外部への迷光発生防止、および光源装置13外部からの迷光侵入防止のために、側壁400を設けてもよい。図25Aでは側壁400を透明として模式で図示している。側壁400を設ける場合には、偏光変換素子21と導光体306と拡散板206および液晶パネル11との間の空間をX軸方向で前後に挟んで開口を生じないように、X軸方向で前後の両方に側壁400が配置される。側壁400は、空間浮遊映像表示装置のカバーの一部としてもよい。
図25Eや図25C等のように、偏光変換された光である光束φ6を出射する偏光変換素子21の光出射面は、導光体306と拡散板206と偏光変換素子21と側壁400とで囲まれた空間1801に面する。また、側壁400におけるX軸方向での内側の面のうち、偏光変換素子21の出射面から光が出力される空間として、偏光変換素子21の出射面から右側の空間を、X軸方向で側面から覆う部分の面は、反射膜などを有する反射面を用いるとよい。すなわち、上記空間1800に面する側壁400の面は、反射膜を有する反射領域を備える。側壁400の内側の面のうち当該部分の面を、その反射面とすることで、当該反射面で反射された光を光源光として再利用できる。これにより、光源装置13の輝度を向上できる。
側壁400の内側の面のうち、偏光変換素子21を側面から覆う部分の面は、光反射率の低い面、言い換えると反射膜の無い黒色面などとする。これは、偏光変換素子21の側面で反射光が生じると、想定外の偏光状態の光が生じ、迷光の原因となるためである。言い換えると、上記面を光反射率の低い面とすることにより、映像の迷光および想定外の偏光状態の光の発生を防止ないし抑制できる。また、側壁400の一部に空気が通る穴を設けることで、冷却効果を向上させるように構成してもよい。
なお、図25A~図25Gの光源装置13は、偏光変換素子21を用いる構成を前提として説明した。すなわち、これらの構成では、LED14からのランダム偏光を有する光を、特定の偏光を有する光に揃えることができる。しかしながら、変形例として、これらの光源装置13から偏光変換素子21を省略した構成としてもよい。この場合、より安価に光源装置13を提供できる。
上述した光源装置13の構成例をベースとして、前述の実施の形態1等に示した光源アセンブリ30を構成できる。例えば図25Aの光源装置13は、適用する液晶パネル11の表示画面サイズとして所定のサイズを想定した構成であり、Z軸方向において、液晶パネル11の表示画面サイズに合わせた寸法や形状として導光体306が設計されている。この導光体306の寸法はある程度調整可能である。他方、前述の実施例のように、適用するシステムで必要とされる液晶パネル11の表示画面サイズが比較的大きい場合には、図25A等の光源装置13を複数並列に組み合わせることで、その必要な表示画面サイズへの対応が可能である。すなわち、前述の実施の形態1のように、一方向で図25A等の光源装置13を2つ1組として対称的に配置した光源アセンブリ30とし、その1組の導光体306に対して他の方向で1つの液晶パネル11等を配置した構成とすればよい。
[付記]
以上、本開示の実施形態として種々の具体例について詳述した。一方で、上述した実施形態のみに限定されず、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は、分かりやすく説明するためにシステム全体を詳細に説明したが、説明した全ての構成を備えるものに限定されない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換が可能である。各実施形態を組み合わせた形態も可能である。特に限定しない場合、各構成要素は、単数とすることも複数とすることも可能である。
以上、本開示の実施形態として種々の具体例について詳述した。一方で、上述した実施形態のみに限定されず、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は、分かりやすく説明するためにシステム全体を詳細に説明したが、説明した全ての構成を備えるものに限定されない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換が可能である。各実施形態を組み合わせた形態も可能である。特に限定しない場合、各構成要素は、単数とすることも複数とすることも可能である。
上述した光源装置は、空間浮遊映像表示装置に限られず、ヘッドアップディスプレイ装置、タブレット端末、デジタルサイネージ等のような、各種の表示装置やシステムに適用することも可能である。
本実施形態に係る技術では、空間浮遊映像を高解像度かつ高輝度な映像を空間浮遊した状態で表示することにより、例えば、ユーザは感染症の接触感染に対する不安を感じることなく操作することを可能にする。不特定多数のユーザが使用するシステムに本実施形態に係る技術を用いれば、感染症の接触感染のリスクを低減し、不安を感じることなく使用できる非接触ユーザインタフェースを提供することを可能にする。このような技術を提供する本発明によれば、国連の提唱する持続可能な開発目標(SDGs:Sustainable Development Goals)の「3すべての人に健康と福祉を」に貢献する。
また、上述した実施形態に係る技術では、出射する映像光の発散角を小さくし、さらに特定の偏波に揃えることで、再帰反射部材に対して正規の反射光だけを効率良く反射させるため、光の利用効率が高く、明るく鮮明な空間浮遊映像を得ることが可能になる。本実施形態に係る技術によれば、消費電力を大幅に低減することが可能な、利用性に優れた非接触ユーザインタフェースを提供することができる。このような技術を提供する本発明によれば、国連の提唱する持続可能な開発目標(SDGs:Sustainable Development Goals)の「9産業と技術革新の基盤をつくろう」および「11住み続けられるまちづくりを」に貢献する。
さらに、上述した実施形態に係る技術では、指向性(言い換えると直進性)の高い映像光による空間浮遊映像を形成することを可能にする。本実施形態に係る技術では、例えば銀行のATMや駅の券売機等における高いセキュリティが求められる映像や、ユーザに正対する人物には秘匿したい秘匿性の高い映像を表示する場合でも、指向性の高い映像光を表示することで、ユーザ以外に空間浮遊映像を覗き込まれる危険性が少ない非接触ユーザインタフェースを提供することを可能にする。本発明は、以上のような技術を提供することにより、国連の提唱する持続可能な開発目標(SDGs:Sustainable Development Goals)の「11住み続けられるまちづくりを」に貢献する。
1…映像表示装置、3…空間浮遊映像、5…再帰反射部材、11…液晶パネル、13…光源装置、30,30A,30B…光源アセンブリ、31A,31B…光源部、32A,32B…導光体部、50…空中センサ、204…拡散板、330…ヒートシンク、502…カバー、701,703…フレキシブルケーブル、702…中継基板、704…映像信号処理基板、705…電源基板、1001…距離、1002…空間。
Claims (9)
- 空間浮遊映像を表示する空間浮遊映像表示装置であって、
光源装置と、
前記光源装置からの光に基づいて映像光を出射する映像表示素子と、
前記映像表示素子からの映像光を反射させて、反射させた光により空中に実像である前記空間浮遊映像を形成する再帰反射部材と、
を備え、
前記映像表示素子に対し接続されるフレキシブルケーブルまたは基板は、前記光源装置の光源部との間に空間を設けるように前記光源部を迂回して、前記光源装置の背面側に回り込むように配置されている、
空間浮遊映像表示装置。 - 請求項1記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記フレキシブルケーブルまたは前記基板は、
前記映像表示素子の表示画面に対し、下辺側から引き出される第1のフレキシブルケーブルと、
前記第1のフレキシブルケーブルに接続される中継基板と、
前記中継基板に接続される第2のフレキシブルケーブルと、
前記第2のフレキシブルケーブルに接続される映像信号処理基板と、を有し、
前記第2のフレキシブルケーブルは、前記光源部との間に空間を設けるように前記光源部を迂回して、前記光源装置の背面側に回り込むように配置されている、
空間浮遊映像表示装置。 - 請求項1記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記光源装置に電源供給する電源基板を備え、
前記電源基板は、前記光源装置の背面側で、前記フレキシブルケーブルおよび前記基板に対し鉛直方向で上側に配置されている、
空間浮遊映像表示装置。 - 請求項1記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記映像表示素子、前記再帰反射部材、前記フレキシブルケーブルおよび前記基板を収容し固定するカバーを備える、
空間浮遊映像表示装置。 - 請求項1記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記空間浮遊映像の面での操作を検出するためのセンサを備え、
前記センサは、前記空間浮遊映像表示装置が実装される空間浮遊映像表示システムの筐体における前面において、前記再帰反射部材よりも上側に配置されている、
空間浮遊映像表示装置。 - 請求項1記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記再帰反射部材は、前記空間浮遊映像表示装置が実装される空間浮遊映像表示システムの筐体における前面に沿って配置され、
前記映像表示装置は、前記筐体の内部において、鉛直方向に沿って配置され、
前記空間浮遊映像は、前記再帰反射部材に対し、前記空間浮遊映像の上辺側よりも下辺側の方が前方に飛び出す距離が大きい状態で傾斜して配置されている、
空間浮遊映像表示装置。 - 請求項1記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記光源装置は、
前記光源部として、光源と、前記光源からの光を反射させるリフレクタと、を有し、
前記リフレクタからの光を前記映像表示装置に向けて導光する導光体を有する、
空間浮遊映像表示装置。 - 請求項1記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記光源装置は、中心線に対し対称に配置された第1の光源アセンブリと第2の光源アセンブリとを有し、
前記第1の光源アセンブリは、第1の光源部と、第1の導光体部とを有し、
前記第2の光源アセンブリは、第2の光源部と、第2の導光体部とを有し、
前記フレキシブルケーブルは、前記光源部として前記第1の光源部との間に空間を設けるように前記第1の光源部を迂回して、前記光源装置の背面側に回り込むように配置されている、
空間浮遊映像表示装置。 - 請求項7記載の空間浮遊映像表示装置において、
前記導光体は、複数の傾きを有する反射面を備える反射型導光体である、
空間浮遊映像表示装置。
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