JP3195249B2 - Image floating display device - Google Patents

Image floating display device

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JP3195249B2
JP3195249B2 JP23720896A JP23720896A JP3195249B2 JP 3195249 B2 JP3195249 B2 JP 3195249B2 JP 23720896 A JP23720896 A JP 23720896A JP 23720896 A JP23720896 A JP 23720896A JP 3195249 B2 JP3195249 B2 JP 3195249B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、微小レンズ体を2
次元的に配列したレンズプレートからなる正立等倍実像
光学系と、その物側焦点面に位置する平面状の画像表示
面を有する画像表示素子を具備している画像表示装置に
関するものである。更に詳しく述べると本発明は、画像
表示素子による背景色と同系色に着色されている背景色
均一化手段を有し、像側焦点面を空虚な領域として、画
像表示素子の画像(例えば文字や記号、絵、図形など)
を正立等倍実像光学系によって空間像として結像させ、
該空間像を、両眼の視差によって背景から浮き上がって
視覚されるように構成した画像浮上表示装置に関するも
のである。この装置は、例えば遊戯機械や商品ディスプ
レイの画像表示装置など、あるいはタッチパネルに代わ
るタッチレス方式のデータ入力装置用の画像表示装置な
どに有用である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention
The present invention relates to an image display device including an erecting equal-magnification real image optical system including lens plates arranged in a three-dimensional manner and an image display element having a planar image display surface located at an object-side focal plane. More specifically, the present invention includes a background color uniforming means colored similar to the background color by the image display element, and sets the image-side focal plane as an empty area to set the image (e.g., character or Symbols, pictures, figures, etc.)
Is imaged as an aerial image by the erecting 1 × real image optical system,
The present invention relates to an image floating display device which is configured so that the aerial image rises from the background due to parallax of both eyes and is viewed. This device is useful for, for example, an image display device of a game machine or a product display, or an image display device for a touchless data input device instead of a touch panel.

【0002】[0002]

【従来の技術】空間結像作用を有するレンズ体を用いた
光学系により、画像表示素子の2次元表示画像情報を伝
送する技術は従来公知である。この場合、単一の光学系
では構造的に大型化する問題があるため、多数の微小レ
ンズ体を各微小レンズ体の光軸が互いに平行となるよう
に配列させたレンズプレートが用いられている。このよ
うなレンズプレートを用いた光学系においては、その物
面上の全体像を各微小レンズ体の結像を集積して矛盾無
くレンズプレートの像面上に再生像として合成するため
に、正立等倍実像光学系とする必要がある。
2. Description of the Related Art A technique for transmitting two-dimensional display image information of an image display device by an optical system using a lens having a spatial image-forming action is conventionally known. In this case, since a single optical system has a problem of increasing in size in terms of structure, a lens plate in which a large number of microlenses are arranged so that the optical axes of the microlenses are parallel to each other is used. . In an optical system using such a lens plate, since the entire image on the object surface is integrated with the imaging of each minute lens body and synthesized as a reproduced image on the image surface of the lens plate without contradiction, It is necessary to use a real-magnification real image optical system.

【0003】レンズプレートの例としては、多数の球面
柱状レンズを、それらの光軸が互いに平行となるように
配列すると共に、それら相互間の迷光防止のための遮光
手段を各球面柱状レンズ間に設ける構成が、例えば特開
昭55−90908号公報、あるいは特開平1−124
801号公報に開示されている。ここで前記遮光手段
は、迷光防止の機能に加えて、多数の球面柱状レンズを
支持する機能も有している。その他、凸面又は凹面形状
の多数の微小レンズ体を、それらの光軸が互いに平行と
なるように平板上に成形したレンズプレートの例が、例
えば特開昭55−90908号公報、特開昭64−88
502号公報、特公昭49−8893号公報、特開昭6
1−183601号公報、及び特開昭60−29703
号公報に開示されている。
As an example of a lens plate, a large number of spherical columnar lenses are arranged so that their optical axes are parallel to each other, and a light blocking means for preventing stray light between them is provided between the spherical columnar lenses. The configuration provided is, for example, JP-A-55-90908 or JP-A-1-124.
No. 801. The light blocking means has a function of supporting a large number of spherical columnar lenses in addition to a function of preventing stray light. In addition, examples of lens plates in which a large number of microlenses having a convex or concave shape are formed on a flat plate so that their optical axes are parallel to each other are disclosed in, for example, JP-A-55-90908 and JP-A-64. -88
No. 502, Japanese Patent Publication No. 49-8893,
1-1183601 and JP-A-60-29703
No. 6,086,045.

【0004】また、微小レンズ体が幾何学的な形状によ
り規定されずに、各微小レンズ体の光軸から周辺部に向
け、またレンズプレート表面から光軸方向内部に向け屈
折率が徐々に変化する屈折率分布型で、且つ各微小レン
ズ体の光軸が互いに平行となるように平板上に一体成形
されたレンズプレートの例が、例えば、特開昭57−5
3702号公報、特開昭60−29703号公報に開示
されている。更に、他の屈折率分布型のレンズプレート
の例として、光ファイバの屈折率が中心軸から外周面に
向かって放物線状に変化することで通常のレンズと同様
の空間結像作用を有することを利用し、ロッド状の屈折
率分布型光ファイバを多数本束ねて一体化し、それを軸
方向に対して垂直に切断することで平板状とした屈折率
分布型ロッドレンズプレートがある。
Further, the refractive index of the microlens body is not defined by the geometrical shape, and the refractive index gradually changes from the optical axis of each microlens body toward the periphery and from the lens plate surface toward the inside in the optical axis direction. An example of a refractive index distribution type lens plate which is integrally formed on a flat plate so that the optical axes of the microlenses are parallel to each other is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-5 / 1982.
3702, and JP-A-60-29703. Further, as another example of a refractive index distribution type lens plate, the fact that the refractive index of an optical fiber changes in a parabolic manner from the central axis toward the outer peripheral surface has the same spatial imaging action as a normal lens. There is a gradient index rod lens plate which is made into a flat plate by bundling and integrating a number of rod-shaped gradient index optical fibers, and cutting the bundle perpendicularly to the axial direction.

【0005】いずれにしても、これらの空間結像方式の
画像表示装置では、像側焦点面の位置にスクリーンある
いはすりガラスなどの光散乱板を配置し、それに画像表
示素子の画像を投影する構成が採られている。従って看
者は、この光散乱板上の表示画像を、通常のCRTや液
晶表示画面などと同じ様に観察することになる。
In any case, these spatial image forming type image display devices have a configuration in which a screen or a light scattering plate such as frosted glass is disposed at the position of the image-side focal plane, and an image of the image display element is projected on the light scattering plate. Has been adopted. Therefore, the viewer views the display image on the light scattering plate in the same manner as a normal CRT or liquid crystal display screen.

【0006】ところで、これらとは直接関係はないが、
従来技術としてタッチパネル方式のデータ入力装置があ
る。これは、パネル面に必要な情報を表示し、該パネル
面に指を触れることでスイッチのオン・オフを行い、必
要な情報を選択して機器に入力できるようにした装置で
あり、例えば現金自動支払機などに利用されている。こ
のスイッチ機構は、画像を表示するガラス面にインジウ
ム等の金属を蒸着することによってタッチ電極を形成
し、該タッチ電極に電子回路を接続して、人の指がタッ
チ電極に触れることで電子回路に状態変化を与え、それ
を検出する構成となっている。従って従来の画像表示装
置は、その光散乱板にタッチ電極を形成すれば、タッチ
パネル方式のデータ入力装置用として利用できることに
なる。
[0006] By the way, although not directly related to these,
As a conventional technique, there is a data input device of a touch panel type. This is a device that displays necessary information on a panel surface, turns on / off a switch by touching a finger on the panel surface, and allows necessary information to be selected and input to a device. It is used for automatic payment machines. This switch mechanism forms a touch electrode by depositing a metal such as indium on a glass surface for displaying an image, connects an electronic circuit to the touch electrode, and touches the touch electrode with a human finger. Is given a state change, and the change is detected. Therefore, the conventional image display device can be used as a touch panel type data input device if a touch electrode is formed on the light scattering plate.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】従来の画像表示技術で
は、上記のように、画像表示素子から離れた位置に結像
させうるが、光散乱板上に形成される2次元画像をその
まま観察するものであるため、平面画像を平面的にしか
視覚できない。それに対して立体的に見えるようにする
3次元画像表示装置も種々開発が進んでいるが、高度で
複雑な機構を必要とし、高価なものとなる。しかし2次
元画像であっても、看者の注意を引くことができるよう
に、画像をもっと強調して印象的に表示できるような簡
便なシステムが開発されれば、例えば各種の遊戯機械や
広告宣伝、展示用ディスプレイなどの分野で用途が多い
と考えられる。
According to the conventional image display technique, an image can be formed at a position distant from the image display element as described above, but the two-dimensional image formed on the light scattering plate is observed as it is. Therefore, the planar image can be viewed only in a planar manner. On the other hand, various types of three-dimensional image display devices for making a three-dimensional image appear have been developed, but require a sophisticated and complicated mechanism and are expensive. However, even if it is a two-dimensional image, if a simple system that can emphasize and display the image more impressively so as to draw the attention of the viewer can be developed, for example, various types of amusement machines and advertisements It is considered to have many uses in fields such as advertising and display for display.

【0008】ところでタッチパネル方式ではなく、画面
パネルに触れないでデータ入力が可能になれば、不特定
多数の人が利用する現金自動支払機や各種の切符販売機
などのデータ入力装置を、だれでも不潔感をもたず操作
できるようになる。また、物体(画面パネル)との接触
による汚染が生じないために、病院などでの院内感染の
防止、各種のクリーンルーム(例えばバイオ研究用クリ
ーンルームなど)でのパネルやキーを媒介とする汚染拡
大の防止、などの効果が期待され、それらで用いるキー
入力装置やデータ入力装置等にも利用範囲が広がること
になる。そのためには、従来の画面表示装置を用いて
も、スイッチセンサ位置と画面表示位置をずらせて別平
面となるような構成を採用すれば、データ入力装置を構
成することは不可能ではないが、そのような装置構成で
は画像の表示位置に対して指による指示位置を意識的に
異ならせて操作しなければならないためにデータ入力に
とまどいが生じ、到底実用に耐えうるような装置とはな
りえない。
[0008] By the way, if it becomes possible to input data without touching the screen panel instead of the touch panel type, anyone can use data input devices such as cash dispensers and various ticket vending machines used by an unspecified number of people. You can operate without feeling dirty. In addition, contamination due to contact with objects (screen panels) does not occur, preventing hospital-acquired infections in hospitals, etc., and increasing the spread of contamination through panels and keys in various clean rooms (for example, bio-research clean rooms). Prevention and other effects are expected, and the range of use is expanded to key input devices, data input devices, and the like used therewith. For that purpose, even if a conventional screen display device is used, if a configuration is adopted in which the switch sensor position and the screen display position are shifted to form a separate plane, it is not impossible to configure a data input device, In such a device configuration, it is necessary to consciously operate the position indicated by the finger with respect to the display position of the image, so that data input becomes confusing, and it may not be a device that can withstand practical use at all. Absent.

【0009】本発明の目的は、画像(例えば文字や記
号、絵、図形など)が背景に対して強調され浮き上がっ
て見えるように表示できる画像浮上表示装置を提供する
ことである。また本発明の他の目的は、タッチレス方式
のデータ入力装置に応用できるように、結像位置にスク
リーンのような光散乱板を設けず、空間像をそのまま浮
き上がっているように視覚できる画像浮上表示装置を提
供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an image floating display device capable of displaying an image (for example, a character, a symbol, a picture, a graphic, or the like) emphasized with respect to a background so as to appear to be raised. Another object of the present invention is to provide an image floating device that can be viewed as if an aerial image is raised without providing a light scattering plate such as a screen at an image forming position so as to be applied to a touchless data input device. It is to provide a display device.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明に係る画像浮上表
示装置は、多数の微小レンズ体を各微小レンズ体の光軸
が互いに平行になるように2次元的に配列したレンズプ
レートからなる正立等倍実像光学系と、該正立等倍実像
光学系の物側焦点面に位置する平面状の画像表示面を有
する画像表示素子を具備している。そして本発明におい
て前記正立等倍実像光学系は、その像側焦点距離が5〜
100mm、より好ましくは20〜30mmに設定され、前
記レンズプレートの近傍に、各微小レンズ体に対向して
いる部分が無色透明で、残余の部分が前記画像表示素子
による背景色と同系色に着色されている背景色均一化手
段を有する。ここで画像表示素子による背景色とは、画
像表示素子が表示している文字や記号、絵、図形などの
背景となっている部分の色をいう。正立等倍実像光学系
の像側焦点面は空虚な領域となっていて、少なくともそ
の像側焦点面の位置を含むように側面全体が遮光フード
で囲まれている。
According to the present invention, there is provided an image floating display apparatus comprising a lens plate in which a large number of microlenses are two-dimensionally arranged such that the optical axes of the microlenses are parallel to each other. An erect real-magnification real image optical system and an image display element having a planar image display surface located at the object-side focal plane of the erect real-magnification real image optical system are provided. In the present invention, the erecting equal-magnification real image optical system has an image-side focal length of 5 to 5.
In the vicinity of the lens plate, the portion facing each microlens body is colorless and transparent, and the remaining portion is colored similar to the background color by the image display element. Background color equalizing means. Here, the background color of the image display device refers to the color of the background portion of characters, symbols, pictures, figures, and the like displayed by the image display device. The image-side focal plane of the erecting unit-magnification real image optical system is an empty area, and the entire side surface is surrounded by a light-shielding hood so as to include at least the position of the image-side focal plane.

【0011】画像表示素子の画像は、前記正立等倍実像
光学系によって、その空虚な領域である像側焦点面位置
に空間像として結像する。従来技術では、その位置に光
散乱板を配置し、それに映った画像を見ていた。従っ
て、背景色も光散乱板に映り、平坦な変化に乏しい画像
しか視覚できなかった。しかし、本発明者は、光散乱板
が無ければ、両眼の視差を利用することによって空間像
が背景から浮き上がって見えることに着目し、本発明を
完成させたものである。
The image of the image display element is formed as an aerial image on the image-side focal plane position, which is an empty area, by the erecting equal-magnification real image optical system. In the prior art, a light scattering plate was arranged at that position, and an image reflected on the plate was viewed. Therefore, the background color was also reflected on the light scattering plate, and only a flat image with little change was visible. However, the present inventor has completed the present invention by focusing on the fact that, without a light scattering plate, an aerial image appears to rise from the background by utilizing the parallax of both eyes.

【0012】レンズプレートは、例えば球面又は非球面
形状の凸面又は凹面よりなる微小レンズ体を多数個、各
微小レンズ体の光軸が互いに平行となるように平板上に
成形したり、微小レンズ体を平板部分と共に一体的に成
形することで作製できる。このようなレンズプレート
は、型成形により微小樹脂レンズを製作できるために、
コスト的には現実的で好ましい。正立等倍実像光学系
は、このようなレンズプレートを複数枚、光軸方向に直
列に配設することで構成できる。その他、半径方向に屈
折率分布をもつ微小ロッドレンズを多数個束ねるように
2次元的に配列した単一のレンズプレートによって正立
等倍実像光学系を構成してもよい。微小ロッドレンズの
使用は、半径方向屈折率分布型であるために、光軸調整
が不要で、ロッドの長さにより結像位置を調整できる利
点がある。なおレンズ材料はガラスでもよいしプラスチ
ックでもよい。
The lens plate is formed, for example, by forming a large number of minute lens bodies each having a convex or concave surface of a spherical or aspherical shape on a flat plate such that the optical axes of the respective minute lens bodies are parallel to each other. Can be manufactured integrally with the flat plate portion. Since such a lens plate can manufacture a small resin lens by molding,
It is realistic and preferable in terms of cost. The erecting equal-magnification real image optical system can be configured by arranging a plurality of such lens plates in series in the optical axis direction. In addition, the erecting equal-magnification real image optical system may be constituted by a single lens plate two-dimensionally arranged so as to bundle a large number of micro rod lenses having a refractive index distribution in the radial direction. The use of the micro rod lens is advantageous in that the image forming position can be adjusted according to the length of the rod because the optical axis adjustment is not required because the refractive index distribution is in the radial direction. The lens material may be glass or plastic.

【0013】背景色均一化手段は、微小レンズ体を通る
光による背景と、微小レンズ体が無い部分による背景と
を同系色として、背景全体がほぼ同じ色に均一に配色さ
れた謂わば無地(無模様)の状態を作り出し、看者の意
識が背景にいきにくくして逆に画像を明瞭に視覚できる
ようにする機能を果たすものである。具体的には、例え
ば各微小レンズ体に対向する部分が開口もしくは無色透
明体になっていて、残余の部分が画像表示素子による背
景色と同系色に着色した板状部材がある。板状部材の代
わりにフィルムやシートなどでもよい。場合によって
は、レンズプレートに直接塗料で着色する構成も可能で
ある。ロッド状の微小レンズ体を束ねるレンズプレート
の場合には、微小レンズ体同士を結合する樹脂を、画像
表示素子による背景色と同系色に着色して背景色均一化
手段とすることも可能である。外部からほとんど光が入
らないような使用状態では、背景色均一化手段は有色透
明体とし、画像表示素子からの光を一部透過させて背景
色を作るようにする。ある程度外部から光が入るような
使用状態では、背景色均一化手段は不透明体(マスク)
でもよい。
The background color uniforming means is a so-called solid color in which the background is uniformly arranged in substantially the same color by setting the background of light passing through the microlens body and the background of the portion without the microlens body to have similar colors. (Patternless) state, which makes it difficult for the consciousness of the viewer to go to the background, and conversely makes the image clearly visible. Specifically, for example, there is a plate-shaped member in which a portion facing each microlens body is an opening or a colorless transparent body, and the remaining portion is colored in a similar color to the background color of the image display element. A film or sheet may be used instead of the plate member. In some cases, a configuration in which the lens plate is directly colored with paint is also possible. In the case of a lens plate that bundles rod-shaped microlenses, it is also possible to color the resin that couples the microlenses to a color similar to the background color of the image display element to provide a background color uniforming means. . In a use state where almost no light enters from outside, the background color uniforming means is a colored transparent body, and a part of light from the image display element is transmitted to create a background color. In a usage state where light enters from the outside to some extent, the background color uniforming means is an opaque body (mask)
May be.

【0014】遮光フードは、空間像形成空間を周囲の環
境から遮断し、また側面方向からの外光の入射を妨げ、
看者の注意が極力空間像に向かうようにするものであ
り、そのためにも遮光フードの内面は黒色系であること
が望ましい。また本発明では、レンズプレートの像側の
面に各微小レンズ体の輪郭を見えにくくする暗色系透明
フィルタ手段を設けることも有効である。背景色均一化
手段をレンズプレートの像面側に設ける場合には、暗色
系透明フィルタ手段は、該背景色均一化手段よりも更に
像面側に設ける。前記暗色系透明フィルタ手段として
は、例えばスモークフィルタ板が好適である。この暗色
系透明フィルタ手段は、微小レンズ体の輪郭を見えにく
くして、両眼の焦点をレンズプレート表面ではなく空間
像に向けるようにすることで空間像をより一層見やすく
する機能を果たすものである。従って上記スモークフィ
ルタ板の他に、レンズプレートの表面を黒色系統の色素
で染色したり、コーティングする方法で形成してもよい
し、暗色系のフィルムを貼り付ける構成でもよい。本発
明で用いる画像表示素子としては、例えば液晶表示素子
が好ましいが、平面プラズマディスプレイパネルなどで
もよい。なお本発明において画像とは、静止画のみなら
ず動画も含まれ、モノクローム画像のみならずカラー画
像も含まれることは言うまでもない。
The light-shielding hood blocks the spatial image forming space from the surrounding environment, and prevents external light from entering from the side.
The attention of the viewer is directed to the space image as much as possible, and for that purpose, it is desirable that the inner surface of the light-shielding hood is black. In the present invention, it is also effective to provide a dark transparent filter means on the image-side surface of the lens plate to make the outline of each microlens body difficult to see. When the background color uniforming means is provided on the image plane side of the lens plate, the dark color transparent filter means is further provided on the image plane side than the background color uniforming means. As the dark color transparent filter means, for example, a smoke filter plate is suitable. This dark-colored transparent filter means fulfills the function of making the outline of the microlens body difficult to see and the focus of both eyes on the aerial image instead of the lens plate surface, thereby making it easier to see the aerial image. is there. Therefore, in addition to the above-described smoke filter plate, the surface of the lens plate may be formed by dyeing or coating the surface of the lens plate with a black pigment, or a configuration in which a dark film is attached. As the image display element used in the present invention, for example, a liquid crystal display element is preferable, but a flat plasma display panel or the like may be used. In the present invention, the image includes not only a still image but also a moving image, and it is needless to say that not only a monochrome image but also a color image is included.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】図1は、本発明に係る画像浮上表
示装置の基本構成を示す断面図である。この画像浮上表
示装置は、レンズプレート10からなる正立等倍実像光
学系12と、該正立等倍実像光学系12の物側焦点面に
位置し平面状の画像表示面を有する液晶表示素子のよう
な画像表示素子14を具備している。ここでレンズプレ
ート10は、多数の微小レンズ体16を各微小レンズ体
の光軸が互いに平行になるように2次元的に配列した構
成である。正立等倍実像光学系12は、2枚の両面レン
ズプレートを組み合わせて構成しており、その像側焦点
距離L1 は20〜30mmに設定されている。ここでは両
レンズプレート10の間に、背景色均一化手段となる穴
開きカラー板18を設ける。この穴開きカラー板18
は、レンズプレート10の各微小レンズ体16に対向す
る部分が開口となり、残余の部分が画像表示素子14に
よる背景色と同系色に着色された板状部材である。更に
正立等倍実像光学系12の像側焦点面は、従来技術と異
なりスクリーンなどの光散乱板が一切無い空虚な領域と
なっていて、少なくとも像側焦点面の位置を含むように
側面全体が遮光フード20で囲まれている。この遮光フ
ード20は、装置ケース22に対して伸縮自在に装着さ
れており、該遮光フード20及び装置ケース22の内面
は黒色系の材料からなるか、あるいは黒色系の塗料が塗
布されている。
FIG. 1 is a sectional view showing the basic structure of an image floating display device according to the present invention. This image floating display device includes an erecting equal-magnification real image optical system 12 including a lens plate 10 and a liquid crystal display element having a planar image display surface positioned on the object-side focal plane of the erecting equal-magnification real image optical system 12. The image display device 14 is provided. Here, the lens plate 10 has a configuration in which a large number of minute lens bodies 16 are two-dimensionally arranged so that the optical axes of the minute lens bodies are parallel to each other. Erecting real image optical system 12 is formed by combining two sided lens plate, the image-side focal length L 1 is set to 20 to 30 mm. Here, a perforated color plate 18 serving as a background color equalizing means is provided between the two lens plates 10. This perforated collar plate 18
Is a plate-shaped member in which a portion of the lens plate 10 facing each microlens body 16 is an opening, and the remaining portion is colored in a similar color to the background color of the image display element 14. Further, unlike the prior art, the image-side focal plane of the erecting unit-magnification real image optical system 12 is an empty area without any light scattering plate such as a screen, and the entire side surface is included so as to include at least the position of the image-side focal plane. Are surrounded by a light-shielding hood 20. The light-shielding hood 20 is attached to the device case 22 so as to be able to expand and contract, and the inner surfaces of the light-shielding hood 20 and the device case 22 are made of a black material or a black paint is applied.

【0016】ところで画像表示素子14による背景色
は、その装置の設計時に予め決められており、従って、
その色に合わせて着色されている穴開きカラー板18を
用いることになる。例えば画像表示素子による背景色が
ブラック系であれば、穴開きカラー板もブラック系に着
色する。画像表示素子による背景色がホワイト系、ブル
ー系、あるいはグリーン系などであれば、穴開きカラー
板もそれぞれホワイト系、ブルー系、あるいはグリーン
系などというように着色する。外部から光が入るような
使用状態の場合には、穴開きカラー板18は不透明体
(即ちマスク)であってもよい。レンズプレート10同
士の間に設けた穴開きカラー板18が不透明体である
と、微小光学系相互間の迷光を防止する機能も果たすこ
とができる。外部から光が入らない使用状態の場合に
は、穴開きカラー板18は有色透明体とし、画像表示素
子14からの光を利用して所定の背景色を作るようにす
る。なお開口の代わりに無色透明体が存在する構造でも
よい。その場合、無色透明のガラス板やプラスチック板
の表面に、微小レンズ体に対向する部分を除いて塗料を
塗布したり、カラーフィルムを貼着するなどの構成でも
よい。この背景色均一化手段は、微小レンズ体が無い部
分による背景色を、微小レンズ体16によって映し出さ
れる画像表示素子14による背景色と同系色として、そ
れらによる背景全体がほぼ同じ色に均一配色された謂わ
ば無地(無模様)の状態を作り出し、全体にぼんやりと
した背景を形成するものである。更に、レンズプレート
10の像側に暗色系透明フィルタ手段としてスモークフ
ィルタ板24を設け、各微小レンズ体16の輪郭をぼや
かせる。ここでは、物側から、一方のレンズプレート1
0、穴開きカラー板18、他方のレンズプレート10、
スモークフィルタ板24の順序となるように配列し、間
にスペーサ26を介在させて組み立てている。
The background color of the image display element 14 is predetermined when the device is designed.
The perforated color plate 18 that is colored according to the color is used. For example, if the background color of the image display element is black, the perforated color plate is also colored black. If the background color of the image display device is white, blue, or green, the perforated color plate is also colored such as white, blue, or green. In a use state where light enters from the outside, the perforated color plate 18 may be an opaque body (that is, a mask). When the perforated collar plate 18 provided between the lens plates 10 is an opaque body, a function of preventing stray light between the micro optical systems can also be achieved. In a use state in which light does not enter from the outside, the perforated color plate 18 is made of a colored transparent body, and a predetermined background color is created using light from the image display element 14. Note that a structure in which a colorless transparent body exists instead of the opening may be used. In this case, a configuration may be adopted in which a paint is applied to the surface of the colorless and transparent glass plate or plastic plate except for the portion facing the microlens body, or a color film is attached. The background color uniforming means sets the background color of the portion having no minute lens body as the same color as the background color of the image display element 14 projected by the minute lens body 16, so that the entire background is uniformly colored substantially the same. In other words, a so-called plain (pattern) state is created to form a dim background as a whole. Further, a smoke filter plate 24 is provided on the image side of the lens plate 10 as a dark-colored transparent filter means to blur the outline of each minute lens body 16. Here, from the object side, one lens plate 1
0, perforated collar plate 18, the other lens plate 10,
The smoke filter plates 24 are arranged in the order, and assembled with a spacer 26 interposed therebetween.

【0017】ここでレンズプレート10は、図2及び図
3に示すような構造である。図2は断面を表し、図3は
平面を表す。透明平板28の両面に、凸面形状の微小レ
ンズ体16を多数、それらの光軸が透明平板28に垂直
となるように、縦横正方格子状に規則的に配列形成し
て、レンズプレート10とする。このようなレンズプレ
ートは、例えば次のような方法により作製できる。まず
実質的に平行で、且つ平坦なガラス基板を用意し、その
一方の主表面に多数個の球面形状を有する成形型を用い
てアクリル系樹脂を球面成形する。球面形状は、縦横正
方格子状に同一ピッチで配設する。次いで、成形型に付
加した合わせマークに合わせて、前記ガラス基板の他方
の主表面にアクリル系樹脂を球面成形する。これによっ
てガラス基板の表裏面に形成した球面レンズの中心を同
一軸に揃えることができる。あるいは透明平板部分とレ
ンズ部分をアクリル系樹脂で一体成形する方法でもよ
い。
Here, the lens plate 10 has a structure as shown in FIGS. FIG. 2 shows a cross section, and FIG. 3 shows a plane. A lens plate 10 is formed by regularly arranging a large number of convex-shaped microlenses 16 on both sides of a transparent flat plate 28, and arranging them regularly in a vertical and horizontal square lattice so that their optical axes are perpendicular to the transparent flat plate 28. . Such a lens plate can be manufactured, for example, by the following method. First, a substantially parallel and flat glass substrate is prepared, and an acrylic resin is spherically formed on one main surface of the glass substrate by using a plurality of spherical molds. The spherical shape is arranged at the same pitch in a vertical and horizontal square lattice. Next, an acrylic resin is spherically formed on the other main surface of the glass substrate in accordance with the alignment mark added to the molding die. Thus, the centers of the spherical lenses formed on the front and back surfaces of the glass substrate can be aligned on the same axis. Alternatively, a method in which the transparent flat plate portion and the lens portion are integrally formed of an acrylic resin may be used.

【0018】正立実像を得るには、光軸上に少なくとも
3枚以上の球面が存在しなければならないために、図1
に示すように、上記と同じ、もしくは上記に類似したレ
ンズプレートをもう1枚用意する。例えば、第1曲率半
径又は第1非球面係数を有する第1レンズ面と、第2曲
率半径又は第2非球面係数を有する第2レンズ面とをそ
れぞれ2個用意し、前記第1レンズ面と前記第2レンズ
面を交互に配置する構成、あるいは同じレンズ面を対向
配置する構成とする。ここで、それぞれの球面の曲率半
径又は非球面係数は、物側焦点位置、像側焦点位置によ
って決めることになる。本発明では、浮上画像の見易さ
の点から、物側焦点位置及び像側焦点位置を特に20〜
30mm程度とするのがよい。
In order to obtain an erect real image, at least three or more spherical surfaces must exist on the optical axis.
As shown in (2), another lens plate that is the same as or similar to the above is prepared. For example, two first lens surfaces having a first radius of curvature or a first aspherical surface coefficient and two second lens surfaces having a second radius of curvature or a second aspherical surface coefficient are prepared, and the first lens surface and The second lens surfaces are alternately arranged, or the same lens surfaces are arranged to face each other. Here, the radius of curvature or aspheric coefficient of each spherical surface is determined by the object-side focal position and the image-side focal position. In the present invention, the object-side focal position and the image-side focal position are particularly set to 20 to 20 from the viewpoint of the visibility of the floating image.
It is good to be about 30 mm.

【0019】図4に本発明に係る画像浮上表示装置の動
作原理を示す。正立等倍実像光学系12の物側焦点面位
置(レンズプレートから物側焦点距離L0 だけ離れた位
置)に置かれている画像表示素子による画像は、正立等
倍実像光学系12によって像側焦点面位置(レンズプレ
ートから像側焦点距離L1 =20〜30mmだけ離れた位
置)に正立等倍の空間像を結ぶ。従って、もしその空間
像の形成位置(像側焦点面位置)に光散乱板があれば、
当然、画像が映し出されることになるが、背景色も同一
平面上に映し出されるため、視覚さる画像は平坦な単な
る2次元画像にすぎない。ところが光散乱板が無く単な
る空虚な領域(空間)であると、両眼の焦点を結像位置
に合わせられれば(両眼のピントが結像位置に合え
ば)、右目に至る光路と左目に至る光路が異なるため、
その視差によってその空間像は像側焦点面に位置するも
のとして視覚される。結像に関与している微小レンズ体
の部分では画像表示素子の画像はそのまま伝送される。
それに対して非レンズ部分(微小レンズ体の無い部分)
は穴開きカラー板18であるが、画像表示素子による背
景色と同系色に着色されているため、背景全体としては
ほぼ同じ色に均一配色された無地の状態となり、全体と
してぼやけた背景が形成される。このため、像側焦点面
に位置する空間像に両眼のピントが合い、ぼやけた背景
に対して画像が強調され、くっきりと浮き上がって見え
ることになる。これが画像浮上表示の原理である。
FIG. 4 shows the operation principle of the image floating display device according to the present invention. An image by the image display element placed at the object-side focal plane position of the erecting unit-magnification real image optical system 12 (a position separated from the lens plate by the object-side focal length L 0 ) is output by the erecting unit-magnification real image optical system 12. An erect 1 : 1 spatial image is formed at the image-side focal plane position (a position separated from the lens plate by the image-side focal length L1 = 20 to 30 mm). Therefore, if there is a light scattering plate at the aerial image formation position (image-side focal plane position),
Naturally, an image is projected, but since the background color is also projected on the same plane, the image to be viewed is merely a flat two-dimensional image. However, if there is no light scattering plate and it is just a vacant area (space), if the focus of both eyes can be adjusted to the imaging position (if the focus of both eyes is at the imaging position), the optical path to the right eye and the left eye Because the light path to reach is different,
Due to the parallax, the aerial image is viewed as being located on the image-side focal plane. The image of the image display element is transmitted as it is at the portion of the minute lens body involved in the image formation.
On the other hand, non-lens part (part without minute lens body)
Is a perforated color plate 18, but is colored in a similar color to the background color of the image display element, so that the background as a whole is in a plain state in which the colors are uniformly arranged in substantially the same color, and a blurred background is formed as a whole. Is done. For this reason, both eyes are focused on the aerial image located on the image-side focal plane, and the image is emphasized against the blurred background, so that the image appears to clearly stand out. This is the principle of image floating display.

【0020】ところで、人間の眼は物体に焦点(ピン
ト)が合い易いという性向があるために、通常、レンズ
プレートの表面にピントが合ってしまい、慣れないとそ
のままでは空間像を視覚し難い。しかし図1に示したよ
うに、像側焦点距離L1 を5〜100mm、特に20〜3
0mmに設定し、背景色均一化手段及び遮光フードを設け
ると、だれでも空間像にピントが合い易くなる。像側焦
点距離L1 を5〜100mm、特に20〜30mmに設定す
るのがよい理由は、短すぎるとレンズプレートにピント
が合い易くなり空間像が見え難くなるし、逆に離れ過ぎ
ても空間像にピントが合わせ難くなるためである。背景
色均一化手段は、前述のように、背景全体を均一配色に
することで背景をぼやかして看者の注意(意識)をいき
にくくし、画像を強調して空間像を視覚し易くする。更
に遮光フードは、空間像を周囲の環境から隔離して、よ
り一層見やすくする機能を果たす。またスモークフィル
タ板のような暗色系透明フィルタ手段を設けると、各微
小レンズ体の輪郭が隠れて不明瞭となるために、レンズ
プレート自身に看者の意識が更にいきにくく、空間像に
ピントが合い易くなる。
By the way, since the human eye tends to focus on an object, the surface of the lens plate is usually focused, and it is difficult to visually see the aerial image as it is if it is not used. However, as shown in FIG. 1, the image-side focal length L1 is 5 to 100 mm, especially 20 to 3 mm.
If the distance is set to 0 mm and the background color uniforming means and the light shielding hood are provided, anyone can easily focus on the aerial image. The reason why the image-side focal length L1 is preferably set to 5 to 100 mm, particularly 20 to 30 mm is that if it is too short, it is easy to focus on the lens plate, making it difficult to see the aerial image. This is because it is difficult to focus on the image. As described above, the background color uniforming means makes the background more blurred by making the entire background a uniform color arrangement, making it difficult for the viewer to pay attention (consciousness), and enhancing the image to make it easier to see the aerial image. Furthermore, the shading hood serves to isolate the aerial image from the surrounding environment, making it more visible. Also, if a dark-colored transparent filter means such as a smoke filter plate is provided, the outline of each microlens body is hidden and unclear, so that the lens plate itself is more difficult for the viewer to be conscious and the spatial image is focused. It will be easier to fit.

【0021】図5は微小ロッドレンズを用いたレンズプ
レートによる画像浮上表示装置の構成例を示している。
この画像浮上表示装置は、単一のレンズプレート30か
らなる正立等倍実像光学系と、該正立等倍実像光学系の
物側焦点面に位置し平面状の画像表示面を有する液晶表
示素子のような画像表示素子34を具備している。ここ
でレンズプレート30は、半径方向に屈折率分布を有す
る多数のロッド状の微小レンズ体36を各微小レンズ体
の光軸が互いに平行になるように2次元的に配列した構
成である。つまり多数の微小ロッドレンズを束ねるよう
に板状に配列した構成である。正立等倍実像光学系は、
その像側焦点距離L1 を20〜30mmに設定している。
そしてレンズプレート10の像側に背景色均一化手段と
して穴開きカラー板38を設け、更にその像側に暗色系
透明フィルタ手段としてスモークフィルタ板44を設け
ている。正立等倍実像光学系の像側焦点面は、スクリー
ンなどの光散乱板が無い空虚な領域となっていて、少な
くとも像側焦点面の位置を含むように側面全体が遮光フ
ード40で囲まれている。この遮光フード40は、内面
が黒色系になっていて、装置ケース42に対して伸縮自
在である。
FIG. 5 shows an example of the configuration of an image floating display device using a lens plate using a minute rod lens.
This image levitation display device is a liquid crystal display having an erect real-magnification real image optical system including a single lens plate 30 and a planar image display surface positioned at the object-side focal plane of the erect real-magnification real image optical system. An image display element 34 such as an element is provided. Here, the lens plate 30 has a configuration in which a large number of rod-shaped microlenses 36 having a refractive index distribution in the radial direction are two-dimensionally arranged so that the optical axes of the microlenses are parallel to each other. That is, the configuration is such that a large number of micro rod lenses are arranged in a plate shape so as to be bundled. The erecting 1 × real image optical system
And sets the image-side focal length L 1 in the 20 to 30 mm.
A perforated color plate 38 is provided on the image side of the lens plate 10 as background color uniforming means, and a smoke filter plate 44 is provided on the image side as dark color transparent filter means. The image-side focal plane of the erecting equal-magnification real image optical system is an empty area without a light scattering plate such as a screen, and the entire side surface is surrounded by a light-shielding hood 40 so as to include at least the position of the image-side focal plane. ing. The light-shielding hood 40 has a black inner surface and is extendable and retractable with respect to the device case 42.

【0022】この画像浮上表示装置も、正立等倍実像光
学系に使用しているレンズプレートの構成が異なるだけ
で、画像が浮き上がって見える原理は図4で説明したの
と同様である。正立等倍実像光学系の物側焦点面位置
(レンズプレートから物側焦点距離L0 だけ離れた位
置)に置かれている画像表示素子による画像は、正立等
倍実像光学系32によって像側焦点面位置(レンズプレ
ートから像側焦点距離L1=20〜30mmだけ離れた位
置)に正立等倍の空間像を結ぶ。両眼のピントを結像位
置に合わせると、右目に至る光路と左目に至る光路が異
なるため、その視差によってその空間像が像側焦点面に
位置するものとして視覚され、背景色均一化手段(ここ
では穴開きカラー板38)によるぼやけた背景に対して
画像が強調され浮き上がって見えることになる。
This image floating display device also has the same principle as that described with reference to FIG. 4 except that the configuration of the lens plate used in the erecting equal-magnification real image optical system is different. An image from the image display element placed at the object-side focal plane position of the erecting unit-magnification real image optical system (a position separated from the lens plate by the object-side focal length L 0 ) is imaged by the erecting unit-magnification real image optical system 32. connecting the aerial image of the erect side focal plane position (lens plate image-side focal length L 1 = 20 to 30 mm apart position from). When the focus of both eyes is adjusted to the image forming position, the optical path to the right eye and the optical path to the left eye are different, so that the spatial image is visually recognized as being located on the image side focal plane by the parallax, and the background color uniforming means ( Here, the image is emphasized with respect to the blurred background due to the perforated color plate 38), and the image appears to be raised.

【0023】ロッド状の微小レンズ体同士を結合する接
着剤(樹脂)が無色透明の場合、あるいは接着剤以外の
手段で束ねるために微小レンズ体同士の間が空隙になっ
ている場合には、図5のようにレンズプレートの像側面
に背景色均一化手段を設ける必要がある。しかし、接着
剤(樹脂)として、画像表示素子による背景色と同系色
の有色樹脂を用いれば、該有色樹脂の充填部が背景色均
一化手段としての機能を兼ねることができる。外光を利
用できる場合には不透明な有色樹脂を用いてもよいが、
外光が利用できない場合には、透明な有色樹脂を用い
て、画像表示素子からの光の一部を利用して背景を形成
するようにする。背景色均一化手段は、レンズプレート
の表面に穴開きあるいは無色透明部を有するシートやフ
ィルムを貼着する構成でもよいし、非レンズ部分に直接
塗料を塗布する構成でもよい。
When the adhesive (resin) for bonding the rod-shaped microlenses is colorless and transparent, or when there is a gap between the microlenses to be bundled by means other than the adhesive, As shown in FIG. 5, it is necessary to provide a background color uniforming means on the image side surface of the lens plate. However, if a colored resin similar in color to the background color of the image display element is used as the adhesive (resin), the filled portion of the colored resin can also function as a background color uniforming means. If external light can be used, an opaque colored resin may be used,
When external light cannot be used, a transparent colored resin is used to form a background using a part of light from the image display element. The background color uniforming means may have a configuration in which a sheet or a film having a perforated or colorless transparent portion is attached to the surface of the lens plate, or a configuration in which the paint is applied directly to the non-lens portion.

【0024】本発明の画像浮上表示装置において、画像
表示素子からの出射光がレンズプレートに入射する場
合、その入射角を前記微小レンズ体の光軸に対して一定
角度内(例えば±45度以内)に制限することが望まし
い。これは画像表示素子自身の性質(例えば、液晶表示
素子は出射角が±45度以下である)を利用してもよい
し、別に入射光制限手段を設けてもよい。これによっ
て、レンズ間の迷光を低減又は防止できる。またレンズ
プレート自身の出射角を一定角度内(例えば±25度以
内)の任意の角度に制限することが望ましい。これはレ
ンズプレートの設計によって行える。レンズプレート自
身の出射角を制限すると、結像した空間像が見える視野
角範囲を制限でき、他人に脇から覗かれることによって
セキュリティーが問題となるような場所での使用に適し
たものとなる。
In the image floating display device of the present invention, when the light emitted from the image display device enters the lens plate, the incident angle is within a certain angle (for example, within ± 45 degrees) with respect to the optical axis of the minute lens body. ) Is desirable. This may use the properties of the image display element itself (for example, the liquid crystal display element has an emission angle of ± 45 degrees or less), or may additionally include an incident light limiting means. This can reduce or prevent stray light between the lenses. It is also desirable to limit the exit angle of the lens plate itself to an arbitrary angle within a certain angle (for example, within ± 25 degrees). This can be done by designing the lens plate. If the emission angle of the lens plate itself is limited, the viewing angle range in which the formed aerial image can be viewed can be limited, and the lens plate is suitable for use in a place where security is a problem when viewed from the side by others.

【0025】本発明に係る画像浮上表示装置は、レンズ
プレートあるいはスモークフィルタ板等によって密閉構
造にできるために、防水あるいは防塵などのための装置
ケース外に画像を浮かび上がらせて表示させることがで
きる。その場合、像側焦点面位置以上まで装置ケースの
先端を延設して遮光フードとしてもよいが、装置ケース
の先端部分を覆うように別に遮光フードを設けるのが好
ましい。該遮光フードを着脱自在としたり、伸縮自在と
すれば、不要な時は装置をコンパクトに維持できるた
め、より好ましい構成となる。
Since the image floating display device according to the present invention can have a hermetically sealed structure by a lens plate, a smoke filter plate, or the like, it is possible to display an image floating outside the device case for waterproofing or dustproofing. In this case, a light-shielding hood may be provided by extending the front end of the device case to a position equal to or higher than the image-side focal plane position. However, it is preferable to provide a separate light-shielding hood so as to cover the front end portion of the device case. If the light-shielding hood is made detachable or expandable and contractable, the device can be kept compact when it is not needed, so that a more preferable configuration is obtained.

【0026】[0026]

【実施例】正立等倍実像光学系の設計例を図6及び表1
に示す。ここで正立等倍実像光学系の構成は、同じレン
ズプレートを2枚対称的に配置している。両レンズプレ
ートは、成形型を用いて平板部分とその両主表面の球面
レンズ部分を無色透明のアクリル系樹脂で一体成形した
ものである。図6において、r1 〜r4 はそれぞれ4個
の微小レンズ体の曲率半径であり、物側から順に、
1 、r2 、r3 、r4とする。曲率半径が負の場合
は、球面が像側に凸であることを意味している。対称型
配置であるため微小レンズ体の曲率半径は、r1 =−r
4 、r2 =−r3 となる。nはレンズプレートを構成し
ているアクリル系樹脂の屈折率である。L0は物側焦点
と最も物側に近い微小レンズ体のレンズ面との距離、L
1 は像側焦点と最も像側に近い微小レンズ体のレンズ面
との距離、L2 は2枚のレンズプレートの対向間隔であ
る。d1 とd2 はレンズプレートの厚み、φ1 とφ2
各微小レンズ体の口径である。ここでL0 、L1
2 、d1 、d2 は、いずれも光軸上での長さである。
なお、これら長さの単位は全てmmである。
FIG. 6 and Table 1 show an example of the design of an erecting unit-magnification real image optical system.
Shown in Here, the configuration of the erecting equal-magnification real image optical system is such that two identical lens plates are symmetrically arranged. Both lens plates are obtained by integrally molding a flat plate portion and spherical lens portions on both main surfaces thereof with a colorless and transparent acrylic resin using a molding die. In FIG. 6, r 1 ~r 4 is the radius of curvature of each four minute lens body, in order from the object side,
r 1 , r 2 , r 3 , r 4 . When the radius of curvature is negative, it means that the spherical surface is convex on the image side. Because of the symmetrical arrangement, the radius of curvature of the microlens body is r 1 = −r
4 , r 2 = −r 3 . n is the refractive index of the acrylic resin constituting the lens plate. L 0 is the distance between the object side focal point and the lens surface of the microlens body closest to the object side, L
1 is the distance between the image-side focal point and the lens surface of the microlens body closest to the image side, and L2 is the distance between the two lens plates facing each other. d 1 and d 2 are the thickness of the lens plate, and φ 1 and φ 2 are the apertures of the respective minute lens bodies. Where L 0 , L 1 ,
L 2 , d 1 , and d 2 are all lengths on the optical axis.
Note that the units of these lengths are all mm.

【0027】表1は、前記光学系及びレンズの寸法、及
び空間像の重なり度m(m=像高/2×レンズ半径)、
空間周波数w(Lp/mm/20%)を、9つの構成例に
ついて列記したものである。重なり度mは、レンズ径に
対してそのレンズの作る像の視野半径で定義され、合成
像を形成する際の重なり具合を意味する値である。各微
小光学系の結像を集積して再生像を合成するため、重な
り度mは1以上であることを必要とする。空間周波数w
は解像度に対応した数値であり、その値が大きいほど品
位が高いことを示すが、数値的な制限は特になく、用途
に応じた適当な値をもつように設計する。
Table 1 shows the dimensions of the optical system and the lens, the degree of overlap m of the aerial image (m = image height / 2 × lens radius),
The spatial frequency w (Lp / mm / 20%) is listed for nine configuration examples. The degree of overlap m is defined by the radius of the field of view of an image formed by the lens with respect to the lens diameter, and is a value indicating the degree of overlap when forming a composite image. In order to form a reproduced image by integrating the images of the respective micro optical systems, the degree of overlap m needs to be 1 or more. Spatial frequency w
Is a numerical value corresponding to the resolution, and the larger the value is, the higher the quality is. However, there is no particular numerical limitation, and the value is designed to have an appropriate value according to the application.

【0028】[0028]

【表1】 [Table 1]

【0029】このような具体的数値に基づいて製作され
たレンズプレートにより、像側焦点距離L1 が20〜3
0mmの正立等倍実像光学系を構成でき、それによって本
発明の画像浮上表示装置を構成できる。また空間像の視
野角は、レンズ設計によって任意に選択できる。
[0029] The lens plates fabricated on the basis of such specific values, the image-side focal length L 1 is 20-3
A 0 mm erect, equal-magnification real image optical system can be configured, and thereby the image floating display device of the present invention can be configured. The viewing angle of the aerial image can be arbitrarily selected depending on the lens design.

【0030】上記表1とは異なるが、2枚のレンズプレ
ートを同じ向きに配列しても(即ちr1 =r3 、r2
4 )、像側焦点距離L1 が20〜30mmの正立等倍実
像光学系を構成できる。そのようなレンズプレート配列
とすると、物側焦点距離L0と像側焦点距離L1 とを異
ならせることができ、取り付け位置の制約が無くなると
いった利点が生じる。
Although different from Table 1, even if two lens plates are arranged in the same direction (that is, r 1 = r 3 , r 2 =
r 4 ), an erect real-size real image optical system having an image-side focal length L 1 of 20 to 30 mm can be formed. When such a lens plate arrangement can be made different from the image side focal length L 1 object-side focal distance L 0, advantage constraints of the mounting position is eliminated occurs.

【0031】ロッド状の半径方向屈折率分布型の微小レ
ンズ体からなるレンズプレートを用いた場合には、1枚
のレンズプレートで正立等倍実像光学系を構成できる。
焦点距離(レンズ端面から像面側焦点面までの距離)が
20mmの場合、レンズ直径は0.05〜1.0mm、より
好ましくは0.1〜0.6mm程度とするのがよい。また
焦点距離が30mmの場合、レンズ直径を0.05〜1.
2mm、より好ましくは0.1〜0.8mm程度とするのが
よい。レンズ径が大きくなると、微小レンズ体の輪郭が
明瞭になるため、逆に空間像が見えにくくなるからであ
る。
When a lens plate made of a rod-shaped microlens of a radial refractive index distribution type is used, an erecting equal-magnification real image optical system can be constituted by one lens plate.
When the focal length (the distance from the lens end surface to the image plane side focal plane) is 20 mm, the lens diameter is preferably about 0.05 to 1.0 mm, more preferably about 0.1 to 0.6 mm. When the focal length is 30 mm, the lens diameter is set to 0.05 to 1.
The thickness is preferably 2 mm, more preferably about 0.1 to 0.8 mm. This is because, when the lens diameter increases, the outline of the minute lens body becomes clear, and conversely, the aerial image becomes difficult to see.

【0032】このような画像浮上表示装置のタッチレス
スイッチへの応用例を図7に示す。画像浮上表示装置の
基本構成は図1と同様であってよいので、説明を簡略化
するために対応する部材には同一符号を付す。本装置
は、2枚のレンズプレート10を用いた正立等倍実像光
学系12と、その物側焦点位置に設けた液晶表示素子1
4を具備している。ここでレンズプレート10は、図2
及び図3で説明したようなガラス基板の両面にアクリル
系樹脂で球面レンズを多数成形したもの、あるいは平板
部分とレンズ部分をアクリル系樹脂で一体成形したもの
であってよい。両レンズプレート10の間に、各微小レ
ンズ体16に対向する部分が開口17になっていて残余
の部分が画像表示素子14による背景色と同系色に着色
された穴開きカラー板18を設ける。また正立等倍実像
光学系12の像側には暗色系透明フィルタ手段としての
スモークフィルタ板24(図面を分かり易くするために
一部を破断して描いてある)を設けている。このような
画像浮上表示装置の上方の像側焦点面(空間像形成面)
位置の周辺側部に、スイッチセンサを設ける。このスイ
ッチセンサは、複数の発光素子50を配列した発光部5
2と、複数の受光素子54を配列した受光部56を、縦
方向(Y方向)と横方向(X方向)にそれぞれ一対ずつ
相対向するように設けてある。そして各発光素子からの
光を、それに対向する受光素子で受けるように構成され
ている。発光素子及び受光素子は、上下方向に関しては
像側焦点面のレベルに位置し、水平方向に関しては各空
間像に対応するように設ける。なお図7では、図示の関
係上、発光部の一方と、受光部の一方は省いているが、
実際には、図示されている受光部と発光部にそれぞれ対
向するように設置されている。これらの発光部及び受光
部は、例えば遮光フードを利用し、その内壁面に取り付
けることで組み立てることもできる。
FIG. 7 shows an application example of such an image floating display device to a touchless switch. Since the basic configuration of the image floating display device may be the same as that of FIG. 1, corresponding members are denoted by the same reference numerals for the sake of simplicity. This device comprises an erecting equal-magnification real image optical system 12 using two lens plates 10 and a liquid crystal display element 1 provided at an object-side focal position.
4 is provided. Here, the lens plate 10 is shown in FIG.
Also, a glass substrate as described in FIG. 3 may be formed by molding a large number of spherical lenses with acrylic resin on both sides, or a flat plate portion and a lens portion may be integrally molded with acrylic resin. Between the two lens plates 10, there is provided a perforated color plate 18 in which a portion facing each microlens body 16 is an opening 17 and the remaining portion is colored similar to the background color of the image display element 14. On the image side of the erecting equal-magnification real image optical system 12, there is provided a smoke filter plate 24 (partially cut away for easy understanding of the drawing) as a dark color transparent filter means. An image-side focal plane (a spatial image forming plane) above such an image floating display device.
A switch sensor is provided on the peripheral side of the position. This switch sensor includes a light emitting unit 5 in which a plurality of light emitting elements 50 are arranged.
2, and a light receiving section 56 in which a plurality of light receiving elements 54 are arranged are provided so as to face each other in a vertical direction (Y direction) and a horizontal direction (X direction). The light from each light emitting element is received by a light receiving element facing the light emitting element. The light emitting element and the light receiving element are located at the level of the image-side focal plane in the vertical direction, and are provided so as to correspond to each aerial image in the horizontal direction. In FIG. 7, one of the light emitting unit and one of the light receiving unit are omitted for the sake of illustration.
Actually, it is installed so as to face the illustrated light receiving unit and light emitting unit. These light-emitting unit and light-receiving unit can be assembled by using, for example, a light-shielding hood and attaching it to the inner wall surface thereof.

【0033】液晶表示素子14の画像は、正立等倍実像
光学系12によって空間像58を形成する。両眼の視差
によって、その空間像58はぼんやりとした背景から強
調され浮き上がったように視覚される。そして、その空
間像が形成されている像側焦点面に沿って発光素子から
受光素子へ光線が通っている(光線を破線で示す)。従
って、目的とする空間像の位置に指59を差し込むと、
その指59によって光線が遮られ、遮光されたことは対
応する受光素子によって感知される。X方向の受光素子
列とY方向の受光素子列の受光状態の変化によって、差
し込んだ指の位置(XY座標)を検知でき、それによっ
てその位置の画像を指し示したものとして、スイッチが
作動する。光線が遮られることでスイッチが動作するの
で、指でなくても別の物体(例えば筆記用具の軸など)
が差し込まれても、同様にスイッチとして動作すること
になる。
An image of the liquid crystal display element 14 forms a spatial image 58 by the erect real-size real image optical system 12. Due to the parallax between the two eyes, the aerial image 58 is emphasized from a blurry background and appears as if it were raised. Light rays pass from the light emitting element to the light receiving element along the image-side focal plane on which the aerial image is formed (the light rays are indicated by broken lines). Therefore, when the finger 59 is inserted at the position of the target aerial image,
The light is blocked by the finger 59, and the fact that the light is blocked is sensed by the corresponding light receiving element. The position (XY coordinates) of the inserted finger can be detected by the change in the light receiving state of the light receiving element row in the X direction and the light receiving element row in the Y direction, and the switch is operated as an image at that position. Since the switch is activated by blocking the light beam, it is not a finger but another object (for example, a writing instrument shaft)
Will operate as a switch similarly.

【0034】図8は本発明に係る画像浮上表示装置のタ
ッチレススイッチへの他の応用例を示している。画像浮
上表示装置の基本構成は図5と同様であるので、説明を
簡略化するために対応する部材には同一符号を付す。本
装置は、単一のレンズプレート30からなる正立等倍実
像光学系と、その物側焦点位置に設けた液晶表示素子3
4を具備している。ここでレンズプレート30は、半径
方向屈折率分布型ロッドレンズを多数、2次元的に配列
し、樹脂(接着剤)でその微小レンズ体同士を結合した
構成である。その像側面に背景色均一化手段となる穴開
きカラー板38を設け、更にその像側面に暗色系透明フ
ィルタ手段としてのスモークフィルタ板44を設ける。
このような画像浮上表示装置の上方の像面側焦点面近傍
の周囲側面にスイッチセンサを設ける。このスイッチセ
ンサは、前記実施例(図7)と同様であり、側面の相対
向する辺に、複数の発光素子60を並べた発光部62
と、複数の受光素子64を並べた受光部66を、対にし
て縦方向(Y方向)と横方向(X方向)にそれぞれ設け
てある。図8には示されていないが、手前側にも発光部
が設けられている。
FIG. 8 shows another application example of the image floating display device according to the present invention to a touchless switch. Since the basic configuration of the image floating display device is the same as that of FIG. 5, corresponding members are denoted by the same reference numerals for simplification of description. This device comprises an erecting equal-magnification real image optical system comprising a single lens plate 30 and a liquid crystal display element 3 provided at an object-side focal position.
4 is provided. Here, the lens plate 30 has a configuration in which a large number of radial index distribution type rod lenses are two-dimensionally arranged, and the minute lens bodies are connected to each other with a resin (adhesive). A perforated color plate 38 as a background color uniforming means is provided on the image side surface, and a smoke filter plate 44 as a dark color transparent filter means is provided on the image side surface.
A switch sensor is provided on a peripheral side surface near the image plane side focal plane above such an image floating display device. This switch sensor is the same as that of the above-described embodiment (FIG. 7), and includes a light emitting unit 62 in which a plurality of light emitting elements 60 are arranged on opposite sides of a side surface.
And a light receiving unit 66 in which a plurality of light receiving elements 64 are arranged in pairs in the vertical direction (Y direction) and the horizontal direction (X direction). Although not shown in FIG. 8, a light emitting unit is also provided on the near side.

【0035】液晶表示素子34の画像は、レンズプレー
ト30による正立等倍実像光学系によってスイッチセン
サの位置に空間像を形成する。両眼の視差によって、そ
の空間像は、背景色均一化手段によるぼんやりとした無
地の背景から明瞭に意識され浮き上がったように視覚さ
れる。従って目的とする空間像の位置に物体(例えば
指)を差し込むと、それによって発光素子からの光線が
遮られ、受光素子で感知される。X方向に配列された受
光素子とY方向に配列された受光素子の受光状態の変化
によって、差し込んだ位置(XY座標)を検知でき、そ
れによってその位置の画像を指し示したものとして、ス
イッチが作動する。
The image on the liquid crystal display element 34 forms an aerial image at the position of the switch sensor by the erect real-size real image optical system using the lens plate 30. Due to the parallax between the two eyes, the aerial image appears to be clearly recognized and emerged from the hazy solid background by the background color equalizing means. Therefore, when an object (for example, a finger) is inserted into the position of the target aerial image, the light beam from the light emitting element is blocked thereby, and is sensed by the light receiving element. A change in the light receiving state of the light receiving elements arranged in the X direction and the light receiving element arranged in the Y direction allows detection of the inserted position (XY coordinate), and the switch is operated as an image at that position is indicated. I do.

【0036】スイッチセンサの構成は、上記の例に限ら
れるものではない。空間に置かれた物体(指)の位置
を、ある程度の精度で迅速に特定できるものであればよ
い。
The configuration of the switch sensor is not limited to the above example. Any object can be used as long as the position of the object (finger) placed in the space can be quickly specified with a certain degree of accuracy.

【0037】[0037]

【発明の効果】本発明は上記のように、レンズプレート
からなる正立等倍実像光学系と、その物側焦点面に位置
する平面状の画像表示面を有する画像表示素子を具備
し、像側焦点距離を5〜100mmに設定し、背景色均一
化手段を有し、且つ像側焦点面は空虚な領域となってい
る画像浮上表示装置であるから、簡便な構成であるにも
かかわらず、画像表示素子の絵文字などの画像を均一配
色された無地の背景に対して強調し浮き上がった空間像
として視覚させるたとができる。それによって、例えば
各種の遊戯機械や広告宣伝あるいは展示用ディスプレイ
などにおいて看者の注意を引くような印象的な画像表示
を行わせることができる。
As described above, the present invention comprises an erecting equal-magnification real image optical system comprising a lens plate and an image display element having a flat image display surface located at the object side focal plane. Although the side focal length is set to 5 to 100 mm, the device has a background color uniforming means, and the image-side focal plane is an image floating display device having an empty area, it has a simple configuration. An image such as a pictogram of an image display element can be emphasized with respect to a plain background in which colors are uniformly arranged, and can be visualized as a floating spatial image. As a result, an impressive image display that draws the attention of the viewer can be performed on various types of amusement machines, advertisements, or displays for display.

【0038】また光散乱板などが無く、両眼の視差を利
用して視覚する空間像であるため、レンズプレートの出
射角を制限すると、空間像が見える視野角範囲を制限で
き、他人により傍らから覗かれる心配が無くなり、特に
セキュリティが問題となるような場所での画像表示に有
効である。
Also, since there is no light scattering plate and the like, and the spatial image is viewed by utilizing the parallax of both eyes, limiting the exit angle of the lens plate can limit the viewing angle range in which the spatial image can be viewed, and can be viewed by others. This eliminates the risk of being peeped at from the outside, and is particularly effective for displaying images in places where security is a problem.

【0039】更に本発明の画像浮上表示装置は、上記の
ように画像が浮き上がって見えるために、物の存在・不
存在を検知するセンサと組み合わせることで、タッチレ
ス方式のデータ入力装置の画像表示装置に有用である。
即ち、非接触のスイッチセンサ位置と画面表示位置を同
一平面となるように構成できるため、画像の表示空間を
指で指示すればよく、データ入力にとまどいは生じな
い。これによって、画面パネルに接触しないでデータ入
力が可能となるから、不特定多数の人が利用する現金自
動支払機や各種の切符販売機などのデータ入力装置を、
だれでも不潔感を生じることなく操作できるようにな
る。また物体(画面パネルなど)との接触による汚染が
生じないために、病院などでの院内感染の防止、各種の
クリーンルーム(例えばバイオ研究用クリーンルームな
ど)でのパネルやキーを媒介とする汚染拡大の防止、な
どの効果が期待でき、それらで用いるキー入力装置やデ
ータ入力装置等にも利用範囲が広がることになる。
Further, the image floating display device according to the present invention is combined with a sensor for detecting the presence / absence of an object because the image appears floating as described above. Useful for equipment.
That is, since the non-contact switch sensor position and the screen display position can be configured to be on the same plane, the display space of the image may be indicated by a finger, and data input is not confused. This makes it possible to input data without touching the screen panel, so data input devices such as cash dispensers and various ticket vending machines used by an unspecified number of people,
Anyone can operate without feeling dirty. In addition, since contamination due to contact with objects (screen panels, etc.) does not occur, prevention of hospital-acquired infections in hospitals, etc., and the spread of contamination via panels and keys in various clean rooms (eg, bio-research clean rooms, etc.) It is possible to expect effects such as prevention and the like, and the use range is expanded to key input devices and data input devices used therewith.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る画像浮上表示装置の一実施例を示
す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of an image floating display device according to the present invention.

【図2】それに組み込むレンズプレートの一例を示す断
面図。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a lens plate incorporated therein.

【図3】そのレンズプレートの部分平面図。FIG. 3 is a partial plan view of the lens plate.

【図4】本発明に係る画像浮上表示装置の動作原理の説
明図。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the operation principle of the image floating display device according to the present invention.

【図5】本発明に係る画像浮上表示装置の他の実施例を
示す断面図。
FIG. 5 is a sectional view showing another embodiment of the image floating display device according to the present invention.

【図6】レンズプレートの光学系及びレンズの寸法説明
図。
FIG. 6 is an explanatory diagram of an optical system of a lens plate and dimensions of a lens.

【図7】本発明を応用したタッチレススイッチ装置の一
実施例を示す部分斜視図。
FIG. 7 is a partial perspective view showing one embodiment of a touchless switch device to which the present invention is applied.

【図8】本発明を応用したタッチレススイッチ装置の他
の実施例を示す断面図。
FIG. 8 is a sectional view showing another embodiment of the touchless switch device to which the present invention is applied.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 レンズプレート 12 正立等倍実像光学系 14 画像表示素子 16 微小レンズ体 18 穴開きカラー板 20 遮光フード 22 筐体ケース 24 スモークフィルタ板 26 スペーサ Reference Signs List 10 lens plate 12 erecting equal-magnification real image optical system 14 image display element 16 minute lens body 18 perforated color plate 20 light shielding hood 22 housing case 24 smoke filter plate 26 spacer

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 多数の微小レンズ体を各微小レンズ体の
光軸が互いに平行になるように2次元的に配列したレン
ズプレートからなる正立等倍実像光学系と、該正立等倍
実像光学系の物側焦点面に位置し平面状の画像表示面を
有する画像表示素子とを具備している画像表示装置にお
いて、 前記正立等倍実像光学系は、その像側焦点距離が5〜1
00mmであり、前記レンズプレートの近傍に、各微小レ
ンズ体に対向する部分が無色透明で、残余の部分が前記
画像表示素子による背景色と同系色に着色されている背
景色均一化手段を有し、像側焦点面は空虚な領域となっ
ていて、少なくとも像側焦点面の位置を含むように側面
全体が遮光フードで囲まれており、前記画像表示素子の
画像を前記正立等倍実像光学系によって、その空虚な領
域である像側焦点面位置に空間像として結像させること
を特徴とする画像浮上表示装置。
1. An erecting equal-magnification real image optical system comprising a lens plate in which a large number of minute lens bodies are two-dimensionally arranged such that the optical axes of the respective minute lens bodies are parallel to each other, and the erecting equal-magnification real image. An image display device having an image display element having a planar image display surface located on the object-side focal plane of the optical system, wherein the erecting unit-magnification real image optical system has an image-side focal length of 5 to 5. 1
In the vicinity of the lens plate, there is provided a background color uniforming means near the lens plate, in which a portion facing each minute lens body is colorless and transparent, and a remaining portion is colored in a similar color to the background color by the image display element. The image-side focal plane is an empty area, and the entire side surface is surrounded by a light-shielding hood so as to include at least the position of the image-side focal plane. An image floating display device, wherein an image is formed as an aerial image at an image-side focal plane position which is an empty area by an optical system.
【請求項2】 正立等倍実像光学系は、球面又は非球面
形状の凸面又は凹面よりなる多数の微小レンズ体を各微
小レンズ体の光軸が互いに平行になるように2次元的に
配列したレンズプレートを複数枚、直列配置した構造を
なし、また背景色均一化手段は、各微小レンズ体に対向
する部分が開口もしくは無色透明体になっていて、残余
の部分が画像表示素子による背景色と同系色に着色され
ている板状部材であり、該背景色均一化手段がレンズプ
レート同士の間に組み込まれている請求項1記載の画像
浮上表示装置。
2. An erecting equal-magnification real image optical system includes a plurality of minute lens bodies each having a spherical or aspherical convex or concave surface arranged two-dimensionally such that the optical axes of the respective minute lens bodies are parallel to each other. A plurality of lens plates having a structure in which a plurality of lens plates are arranged in series, and the background color uniforming means is configured such that a portion facing each minute lens body is an opening or a colorless transparent body, and the remaining portion is a background by an image display element. 2. The image floating display device according to claim 1, wherein the plate-like member is colored in a similar color to the color, and the background color uniforming means is incorporated between the lens plates.
【請求項3】 正立等倍実像光学系が、半径方向に屈折
率分布をもつ多数の微小レンズ体を各微小レンズ体の光
軸が互いに平行になるように2次元的に配列した単一の
レンズプレートからなり、背景色均一化手段がレンズプ
レートの像面側に設けられている請求項1記載の画像浮
上表示装置。
3. An erecting equal-magnification real image optical system comprising a plurality of microlenses having a refractive index distribution in a radial direction arranged two-dimensionally such that the optical axes of the microlenses are parallel to each other. 2. The image floating display device according to claim 1, wherein the background color uniforming means is provided on the image plane side of the lens plate.
【請求項4】 半径方向に屈折率分布をもつロッド状の
多数の微小レンズ体を各微小レンズ体の光軸が互いに平
行になるように2次元的に配列した単一のレンズプレー
トからなる正立等倍実像光学系と、該正立等倍実像光学
系の物側焦点面に位置し平面状の画像表示面を有する画
像表示素子とを具備している画像表示装置において、 前記正立等倍実像光学系は、その像側焦点距離が5〜1
00mmであり、各微小レンズ体同士の結合に前記画像表
示素子による背景色と同系色に着色した有色樹脂を用い
ることで該有色樹脂充填部が背景色均一化手段を兼ね、
像側焦点面は空虚な領域となっていて、少なくとも像側
焦点面の位置を含むように側面全体が遮光フードで囲ま
れており、前記画像表示素子の画像を前記正立等倍実像
光学系によって、その空虚な領域である像側焦点面位置
に空間像として結像させることを特徴とする画像浮上表
示装置。
4. A positive lens comprising a single lens plate in which a plurality of rod-shaped microlenses having a refractive index distribution in a radial direction are two-dimensionally arranged so that the optical axes of the microlenses are parallel to each other. An image display apparatus comprising: an erect real-magnification real image optical system; and an image display element having a planar image display surface positioned at an object-side focal plane of the erect real-magnification real image optical system; The double real image optical system has an image-side focal length of 5-1.
00 mm, the colored resin filled portion also serves as a background color uniforming means by using a colored resin colored in a similar color to the background color by the image display element for coupling the respective microlenses.
The image-side focal plane is an empty area, and the entire side surface is surrounded by a light-shielding hood so as to include at least the position of the image-side focal plane. An image floating display device, which forms an aerial image at an image-side focal plane position, which is an empty region of the image.
【請求項5】 前記レンズプレートの像側に、レンズプ
レートの各微小レンズ体の輪郭を見えにくくする暗色系
透明フィルタ手段を設けた請求項1乃至4記載の画像浮
上表示装置。
5. The image floating display device according to claim 1, further comprising: a dark-colored transparent filter means on the image side of the lens plate for making the outline of each minute lens body of the lens plate difficult to see.
【請求項6】 前記レンズプレートの出射角を±25度
以内に制限し、結像した空間像が見える視野角範囲を制
限した請求項1乃至5記載の画像浮上表示装置。
6. The image floating display device according to claim 1, wherein an emission angle of the lens plate is limited to within ± 25 degrees, and a viewing angle range in which a formed aerial image can be viewed is limited.
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