JPWO2022224613A5 - - Google Patents
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Description
本発明は、表示手段に表示される画像を空中像として結像させる光学結像手段を用いた反射型空中像結像装置及び反射型空中像結像方法に関する。
物体表面から発する光(散乱光)を用いて空中にその物体の空中像(立体像)を形成する装置として、例えば、特許文献1に記載の光学結像装置(光学結像手段)がある。
この光学結像装置は、2枚の透明平板の内部に、この透明平板の厚み方向に渡って垂直に多数かつ帯状で、金属反射面(鏡面)からなる光反射面を一定のピッチで並べて形成した第1、第2の光制御パネルを有し、平面視して第1、第2の光制御パネルのそれぞれの光反射面同士が直交するように、第1、第2の光制御パネルの一面側を向い合わせて密着させたものである。この光学結像装置によれば、三次元的な形状を有する物体の立体像を空中に結像させる以外に、ディスプレイ等の表示手段が発する光を空中で結像させて、表示手段に表示される画像を空中に浮かび上がらせることができる。そして、この光学結像装置を利用したものとして、例えば特許文献2のような空中タッチパネルも提案されている。
この光学結像装置は、2枚の透明平板の内部に、この透明平板の厚み方向に渡って垂直に多数かつ帯状で、金属反射面(鏡面)からなる光反射面を一定のピッチで並べて形成した第1、第2の光制御パネルを有し、平面視して第1、第2の光制御パネルのそれぞれの光反射面同士が直交するように、第1、第2の光制御パネルの一面側を向い合わせて密着させたものである。この光学結像装置によれば、三次元的な形状を有する物体の立体像を空中に結像させる以外に、ディスプレイ等の表示手段が発する光を空中で結像させて、表示手段に表示される画像を空中に浮かび上がらせることができる。そして、この光学結像装置を利用したものとして、例えば特許文献2のような空中タッチパネルも提案されている。
しかしながら、この光学結像装置では、対象物の空中像が光学結像装置を挟んで対象物と対称に形成されるため、例えば水平に配置した光学結像装置の下側に表示手段を設置し、表示手段に表示される画像の空中像を光学結像装置の上側に形成する構造とした場合、表示手段から光学結像装置までの垂直距離と光学結像装置から空中像までの垂直距離は等しくなり、表示手段から空中像までの垂直距離は、表示手段から光学結像装置までの垂直距離の2倍となって高さ方向に大きな占有スペースを必要とするという課題があった。また、鉛直に配置した光学結像装置の奥側に表示手段を設置し、表示手段に表示される画像の空中像を光学結像装置の手前側に形成する構造とした場合、表示手段から光学結像装置までの水平距離と光学結像装置から空中像までの水平距離は等しくなり、表示手段から空中像までの水平距離は、表示手段から光学結像装置までの水平距離の2倍となって奥行方向に大きな占有スペースを必要とするという課題があった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、表示手段及び空中像から光学結像手段までのそれぞれの直線距離を短縮して装置の小型化及び薄型化を図りつつ、表示手段から光学結像手段を経由して空中像に至るまでの光路の長さを維持して、視野角を狭めることなく、鮮明で視認性に優れた空中像を形成することができる反射型空中像結像装置及び反射型空中像結像方法を提供することを目的とする。
前記目的に沿う第1の発明に係る反射型空中像結像装置は、透明平板の一方の面に垂直で該透明平板の内部に間隔を空けて平行配置された複数の第1光反射面を有する第1の光制御部と、前記透明平板の他方の面に垂直で該透明平板の内部に間隔を空けて平行配置された複数の第2光反射面を有する第2の光制御部とが、平面視して前記第1光反射面と前記第2光反射面が直交するように前記透明平板の厚さ方向に重ね合わされて配置された光学結像手段を用いる反射型空中像結像装置であって、
前記光学結像手段の前記第1の光制御部側に該第1の光制御部と間隔を空けて対向配置された第1の反射鏡と、前記光学結像手段の前記第2の光制御部側に該第2の光制御部と間隔を空けて対向配置された第2の反射鏡とを有し、表示手段から発せられて前記第1の反射鏡に照射された光を、該第1の反射鏡で反射させて前記第1の光制御部に入射させ、該第1の光制御部に入射する光のうち、前記第1光反射面で1回反射して前記第2の光制御部に入射し、前記第2光反射面で1回反射して前記第2の光制御部から出射する光を前記第2の反射鏡で反射させて、前記表示手段に表示される画像を空中像として結像させ、前記表示手段及び前記空中像は、前記第1の反射鏡を含む平面と前記第2の反射鏡を含む平面で挟まれた空間に位置する。
前記光学結像手段の前記第1の光制御部側に該第1の光制御部と間隔を空けて対向配置された第1の反射鏡と、前記光学結像手段の前記第2の光制御部側に該第2の光制御部と間隔を空けて対向配置された第2の反射鏡とを有し、表示手段から発せられて前記第1の反射鏡に照射された光を、該第1の反射鏡で反射させて前記第1の光制御部に入射させ、該第1の光制御部に入射する光のうち、前記第1光反射面で1回反射して前記第2の光制御部に入射し、前記第2光反射面で1回反射して前記第2の光制御部から出射する光を前記第2の反射鏡で反射させて、前記表示手段に表示される画像を空中像として結像させ、前記表示手段及び前記空中像は、前記第1の反射鏡を含む平面と前記第2の反射鏡を含む平面で挟まれた空間に位置する。
第1の発明に係る反射型空中像結像装置において、前記光学結像手段と重ならない位置で前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡の間に配置され、前記第1の反射鏡と対向する第1反射面及び前記第2の反射鏡と対向する第2反射面を表裏に有する第3の反射鏡を備え、前記表示手段から発せられる光を前記第1反射面で反射させてから前記第1の反射鏡に照射し、前記第2の光制御部から出射して前記第2の反射鏡で反射した光を前記第2反射面で反射させてから結像させることもできる。
第1の発明に係る反射型空中像結像装置において、前記空中像に触れる指示手段の位置を検知する検知手段が設けられてもよい。
前記目的に沿う第2の発明に係る反射型空中像結像方法は、透明平板の一方の面に垂直で該透明平板の内部に間隔を空けて平行配置された複数の第1光反射面を有する第1の光制御部と、前記透明平板の他方の面に垂直で該透明平板の内部に間隔を空けて平行配置された複数の第2光反射面を有する第2の光制御部とが、平面視して前記第1光反射面と前記第2光反射面が直交するように前記透明平板の厚さ方向に重ね合わされて配置された光学結像手段を用いる反射型空中像結像方法であって、
前記光学結像手段の前記第1の光制御部側に該第1の光制御部と間隔を空けて第1の反射鏡を対向配置し、前記光学結像手段の前記第2の光制御部側に該第2の光制御部と間隔を空けて第2の反射鏡を対向配置して、表示手段から発せられて前記第1の反射鏡に照射された光を、該第1の反射鏡で反射させて前記第1の光制御部に入射させ、該第1の光制御部に入射する光のうち、前記第1光反射面で1回反射して前記第2の光制御部に入射し、前記第2光反射面で1回反射して前記第2の光制御部から出射する光を前記第2の反射鏡で反射させて、前記表示手段に表示される画像を空中像として結像させ、前記表示手段及び前記空中像は、前記第1の反射鏡を含む平面と前記第2の反射鏡を含む平面で挟まれた空間に位置する。
前記光学結像手段の前記第1の光制御部側に該第1の光制御部と間隔を空けて第1の反射鏡を対向配置し、前記光学結像手段の前記第2の光制御部側に該第2の光制御部と間隔を空けて第2の反射鏡を対向配置して、表示手段から発せられて前記第1の反射鏡に照射された光を、該第1の反射鏡で反射させて前記第1の光制御部に入射させ、該第1の光制御部に入射する光のうち、前記第1光反射面で1回反射して前記第2の光制御部に入射し、前記第2光反射面で1回反射して前記第2の光制御部から出射する光を前記第2の反射鏡で反射させて、前記表示手段に表示される画像を空中像として結像させ、前記表示手段及び前記空中像は、前記第1の反射鏡を含む平面と前記第2の反射鏡を含む平面で挟まれた空間に位置する。
第2の発明に係る反射型空中像結像方法において、前記光学結像手段と重ならない位置で前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡の間に、前記第1の反射鏡と対向する第1反射面及び前記第2の反射鏡と対向する第2反射面を表裏に有する第3の反射鏡を配置し、前記表示手段から発せられる光を前記第1反射面で反射させてから前記第1の反射鏡に照射し、前記第2の光制御部から出射して前記第2の反射鏡で反射した光を前記第2反射面で反射させてから結像させることもできる。
第1の発明に係る反射型空中像結像装置及び第2の発明に係る反射型空中像結像方法によれば、表示手段から発せられる光を第1の反射鏡で反射させて光学結像手段(第1の光制御部)に入射させ、第1光反射面及び第2光反射面で連続的に1回ずつ反射して光学結像手段(第2の光制御部)から出射する光を第2の反射鏡で反射させることにより、表示手段から光学結像手段に至る光路及び光学結像手段から空中像に至る光路をそれぞれ折り曲げて(折り畳んで)、表示手段から光学結像手段までの直線距離及び光学結像手段から空中像までの直線距離をそれぞれ短縮し、装置の小型化及び薄型化を図ることができる。
第1の発明に係る反射型空中像結像装置及び第2の発明に係る反射型空中像結像方法において、第1の反射鏡と対向する第1反射面及び第2の反射鏡と対向する第2反射面を表裏に有する第3の反射鏡を用いて、表示手段から発せられる光を第1反射面で反射させてから第1の反射鏡に照射し、光学結像手段(第2の光制御部)から出射して第2の反射鏡で反射した光を第2反射面で反射させてから結像させる場合、装置を大型化することなく、表示手段から光学結像手段に至るまでの光路及び光学結像手段から空中像に至るまでの光路をさらに長くして、視野角を狭めることなく、鮮明で視認性に優れた空中像を形成することができる。
第1の発明に係る反射型空中像結像装置において、空中像に触れる指示手段の位置を検知する検知手段が設けられた場合、空中像を非接触型のタッチパネルとして機能させることができる。
続いて、本発明の実施例に係る反射型空中像結像装置及び反射型空中像結像方法について、図面を参照しながら説明する。
図1に示す本発明の第1の実施例に係る反射型空中像結像装置10及び反射型空中像結像方法は、表示手段11に表示される画像を、光学結像手段12を用いて、空中像13として結像させる装置及び方法である。表示手段としては、例えば、携帯電話(特に、スマートフォン)若しくはタブレット端末等のディスプレイ又はパソコンその他の機器のモニタ等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、発光により各種の画像(文字等も含む)を表示する表示画面(平面画面)を有するものであればよい。なお、表示手段は、反射型空中像結像装置に予め組み込まれていてもよいし、空中像の基となる画像が表示された表示手段を所定の位置に適宜、設置して使用してもよい。
図1に示す本発明の第1の実施例に係る反射型空中像結像装置10及び反射型空中像結像方法は、表示手段11に表示される画像を、光学結像手段12を用いて、空中像13として結像させる装置及び方法である。表示手段としては、例えば、携帯電話(特に、スマートフォン)若しくはタブレット端末等のディスプレイ又はパソコンその他の機器のモニタ等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、発光により各種の画像(文字等も含む)を表示する表示画面(平面画面)を有するものであればよい。なお、表示手段は、反射型空中像結像装置に予め組み込まれていてもよいし、空中像の基となる画像が表示された表示手段を所定の位置に適宜、設置して使用してもよい。
反射型空中像結像装置10及び反射型空中像結像方法で用いる光学結像手段12は、図2に示すように、透明平板15の一方の面に垂直で透明平板15の内部に間隔を空けて平行配置された複数の第1光反射面16を有する第1の光制御部17と、透明平板15の他方の面に垂直で透明平板15の内部に間隔を空けて平行配置された複数の第2光反射面18を有する第2の光制御部19とが、平面視して第1光反射面16と第2光反射面18が直交するように透明平板15の厚さ方向に重ね合わされて配置されたものである。なお、本実施例では、第1の光制御部17となる複数の第1光反射面16が形成された第1の透明板材21と、第2の光制御部19となる複数の第2光反射面18が形成された第2の透明板材22が重ね合わされ(接合され)て、光学結像手段12が作製されている。
ここで、第1の光制御部17は、第1の透明板材21の他側に、傾斜面23と垂直面24とを有する断面三角形の複数の溝25、及び隣り合う溝25の間に形成される断面三角形の複数の凸条26がそれぞれ所定ピッチで配置されたものであり、それぞれの溝25の垂直面24のみに第1光反射面16が形成されている。
また、第2の光制御部19は、第2の透明板材22の一側に、傾斜面30と垂直面31とを有する断面三角形の複数の溝32、及び隣り合う溝32の間に形成される断面三角形の複数の凸条33がそれぞれ所定ピッチで配置されたものであり、それぞれの溝32の垂直面31のみに第2光反射面18が形成されている。
そして、向かい合わせに配置された溝25、32には透明樹脂36が充填されている。
なお、第1、第2の透明板材21、22の屈折率η1、η2は同一で、その間に充填される透明樹脂36の屈折率η3は、第1、第2の透明板材21、22の屈折率η1、η2の0.8~1.2倍(より好ましくは、0.9~1.1倍、さらに好ましくは、0.95~1.05倍)の範囲にあることが好ましい。また、第1、第2の透明板材21、22の原料となる透明樹脂としては、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルメタルクレート(アクリル系樹脂)、非晶質フッ素樹脂、PMMA、光学用ポリカーボネイト、フルオレン系ポリエステル、ポリエーテルスルホン等の熱可塑性樹脂を使用することができるが、特に融点、透明度の高いものが好適に用いられる。
また、第2の光制御部19は、第2の透明板材22の一側に、傾斜面30と垂直面31とを有する断面三角形の複数の溝32、及び隣り合う溝32の間に形成される断面三角形の複数の凸条33がそれぞれ所定ピッチで配置されたものであり、それぞれの溝32の垂直面31のみに第2光反射面18が形成されている。
そして、向かい合わせに配置された溝25、32には透明樹脂36が充填されている。
なお、第1、第2の透明板材21、22の屈折率η1、η2は同一で、その間に充填される透明樹脂36の屈折率η3は、第1、第2の透明板材21、22の屈折率η1、η2の0.8~1.2倍(より好ましくは、0.9~1.1倍、さらに好ましくは、0.95~1.05倍)の範囲にあることが好ましい。また、第1、第2の透明板材21、22の原料となる透明樹脂としては、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルメタルクレート(アクリル系樹脂)、非晶質フッ素樹脂、PMMA、光学用ポリカーボネイト、フルオレン系ポリエステル、ポリエーテルスルホン等の熱可塑性樹脂を使用することができるが、特に融点、透明度の高いものが好適に用いられる。
第1光反射面16及び第2光反射面18は、溝25、32の垂直面24、31に形成された金属膜37の表面であり、鏡面(金属反射面)となっている。溝25、32の垂直面24、31に直接、スパッタリング、金属蒸着、金属微小粒子の吹き付け、イオンビームの照射、金属ペーストの塗布等を行って金属膜37を形成し、その表面を第1光反射面16及び第2光反射面18として利用するものが好適に用いられるが、これらに限定されない。
また、溝25、32に透明樹脂36を充填して第1、第2の光制御部17、19を一体化する方法としては、第1の光制御部17の他側と、第2の光制御部19の一側、つまり、それぞれの溝25、32が形成された側の面が対向するように向かい合わせに配置された状態で、その間に、第1、第2の透明板材21、22より融点が低いシート状の透明樹脂を挟み込み、真空状態で加熱、押圧して、透明樹脂のみを溶解し、固化させてもよいし、それぞれの溝25、32に別々に透明樹脂からなる透明接着剤を充填し、第1、第2の光制御部17、19の溝25、32を向かい合わせ、突き合わせて、透明接着剤を硬化させてもよい。或いは、それぞれの溝25、32に別々に透明樹脂を充填して硬化させた後、平板状になった第1の透明板材21と第2の透明板材22を透明接着剤等で接合することもできる。透明接着剤としては、紫外線等を照射することにより硬化する光硬化型の他、熱硬化型や二液混合型の接着剤を用いることができる。特に、屈折率η3を屈折率η1、η2に近づけるために、屈折率を調整した屈折率調整樹脂からなる光学用接着剤等が好適に用いられる。
また、溝25、32に透明樹脂36を充填して第1、第2の光制御部17、19を一体化する方法としては、第1の光制御部17の他側と、第2の光制御部19の一側、つまり、それぞれの溝25、32が形成された側の面が対向するように向かい合わせに配置された状態で、その間に、第1、第2の透明板材21、22より融点が低いシート状の透明樹脂を挟み込み、真空状態で加熱、押圧して、透明樹脂のみを溶解し、固化させてもよいし、それぞれの溝25、32に別々に透明樹脂からなる透明接着剤を充填し、第1、第2の光制御部17、19の溝25、32を向かい合わせ、突き合わせて、透明接着剤を硬化させてもよい。或いは、それぞれの溝25、32に別々に透明樹脂を充填して硬化させた後、平板状になった第1の透明板材21と第2の透明板材22を透明接着剤等で接合することもできる。透明接着剤としては、紫外線等を照射することにより硬化する光硬化型の他、熱硬化型や二液混合型の接着剤を用いることができる。特に、屈折率η3を屈折率η1、η2に近づけるために、屈折率を調整した屈折率調整樹脂からなる光学用接着剤等が好適に用いられる。
次に、光学結像手段12の動作を説明する。
光学結像手段12は、図示しない表示手段から発せられて光学結像手段12の第1の光制御部17に入射する光のうち、例えば、図2(A)、(B)に示すように、P11、P21の位置から第1の光制御部17に入射し、第1光反射面16上のP12、P22の位置でそれぞれ1回反射して第2の光制御部19に進入し、第2光反射面18のP13、P23の位置でそれぞれ1回反射してP14、P24の位置で第2の光制御部19から出射する光L1、L2により、表示手段に表示される画像を空中像として結像させることができる。ここで、光L1、L2は、図2(B)のQ1、Q2で第1の透明板材21から透明樹脂36に入射し、図2(A)のS1、S2で透明樹脂36から第2の透明板材22に入射するが、第1、第2の透明板材21、22の屈折率η1、η2が同一で、透明樹脂36の屈折率η3と近似する(略同等である)ので、全反射や分光等の現象は起こらない。なお、P11、P21、P14、P24の位置でも屈折を起こすが、P11とP14の屈折及びP21とP24の屈折はそれぞれ相殺する。
なお、本実施例では、図2(A)、(B)において、金属膜37の左側の面が第1光反射面16及び第2光反射面18となっているが、金属膜は、表裏(図2(A)、(B)の左右)いずれ側の面も第1光反射面及び第2光反射面として機能することができ、第1の光制御部及び第2の光制御部の配置(表裏の反転)又は光の進入方向に対応して、金属膜の表裏いずれか一方の面が選択的に第1光反射面及び第2光反射面として機能する。
光学結像手段12は、図示しない表示手段から発せられて光学結像手段12の第1の光制御部17に入射する光のうち、例えば、図2(A)、(B)に示すように、P11、P21の位置から第1の光制御部17に入射し、第1光反射面16上のP12、P22の位置でそれぞれ1回反射して第2の光制御部19に進入し、第2光反射面18のP13、P23の位置でそれぞれ1回反射してP14、P24の位置で第2の光制御部19から出射する光L1、L2により、表示手段に表示される画像を空中像として結像させることができる。ここで、光L1、L2は、図2(B)のQ1、Q2で第1の透明板材21から透明樹脂36に入射し、図2(A)のS1、S2で透明樹脂36から第2の透明板材22に入射するが、第1、第2の透明板材21、22の屈折率η1、η2が同一で、透明樹脂36の屈折率η3と近似する(略同等である)ので、全反射や分光等の現象は起こらない。なお、P11、P21、P14、P24の位置でも屈折を起こすが、P11とP14の屈折及びP21とP24の屈折はそれぞれ相殺する。
なお、本実施例では、図2(A)、(B)において、金属膜37の左側の面が第1光反射面16及び第2光反射面18となっているが、金属膜は、表裏(図2(A)、(B)の左右)いずれ側の面も第1光反射面及び第2光反射面として機能することができ、第1の光制御部及び第2の光制御部の配置(表裏の反転)又は光の進入方向に対応して、金属膜の表裏いずれか一方の面が選択的に第1光反射面及び第2光反射面として機能する。
また、本実施例では、第1の光制御部17となる複数の第1光反射面16が形成された第1の透明板材21と、第2の光制御部19となる複数の第2光反射面18が形成された第2の透明板材22を重ね合わせた(接合した)光学結像手段12について説明したが、光学結像手段は、1枚の透明平板の一面側及び他面側にそれぞれ第1の光制御部及び第2の光制御部を一体に形成したものでもよい。つまり、光学結像手段は、1枚の透明平板の一面側及び他面側にそれぞれ前述と同様の複数の溝と複数の凸条を形成し、一面側の各溝の垂直面及び他面側の各溝の垂直面にそれぞれ第1光反射面及び第2光反射面を形成して、一面側及び他面側のそれぞれの溝に透明樹脂を充填して作製することもできる。また、各溝の垂直面に金属膜によって鏡面(金属反射面)を形成して透明樹脂を充填する代わりに、各溝内に空気等の気体を密封したり、各溝内を真空にしたりして、光の全反射を利用する場合は、各溝の垂直面をそのまま光反射面として機能させることができる。さらに、これらの光学結像手段以外にも、例えば、特許文献1(図4~図6)に記載されたように、透明な直方体と金属膜(光反射面)が交互に積層された平板状の第1、第2の光制御部(光制御パネル)で形成された光学結像手段、又は国際公開第2019/003730号に記載されたように、複数の光反射面が放射状に配置された第1の光制御部と、複数の光反射面が同心円状に配置された第2の光制御部を有する光学結像手段等の従来公知のその他の光学結像手段を適宜、使用することもできる。
次に、反射型空中像結像装置10及び反射型空中像結像方法では、図1に示すように、光学結像手段12の第1の光制御部17側に第1の光制御部17と間隔を空けて第1の反射鏡38が対向配置され、光学結像手段12の第2の光制御部19側に第2の光制御部19と間隔を空けて第2の反射鏡39が対向配置されている。そして、表示手段11から発せられて第1の反射鏡38に照射された光を、第1の反射鏡38で反射させて第1の光制御部17に入射させ、第1の光制御部17に入射する光のうち、第1光反射面16で1回反射して第2の光制御部19に入射し、第2光反射面18で1回反射して第2の光制御部19から出射する光を第2の反射鏡39で反射させて、表示手段11に表示される画像を空中像13として結像させる。
ここで、第1の反射鏡38の反射面(鏡面)40を挟んで表示手段11と対称な位置に仮想線で描かれた表示手段11の虚像11aは、表示手段11から発せられる光を第1の反射鏡38を用いずに、直接、光学結像手段12(第1の光制御部17)に照射する場合の従来の表示手段11の位置に相当し、第2の反射鏡39の反射面(鏡面)41を挟んで空中像13と対称な位置に仮想線で描かれた空中像13の虚像13aは、光学結像手段12(第2の光制御部19)から出射した光を第2の反射鏡39で反射させずに、そのまま空中で結像させた場合の空中像13の位置に相当する。
従って、この反射型空中像結像装置10及び反射型空中像結像方法では、第1の反射鏡38及び第2の反射鏡39を用いて、表示手段11から光学結像手段12に至る光路及び光学結像手段12から空中像13に至る光路をそれぞれ折り曲げて(折り畳んで)、表示手段11から光学結像手段12までの直線距離及び光学結像手段12から空中像13までの直線距離をそれぞれ短縮することができ、高さ方向の寸法を半分程度まで削減(小型化)することができる。また、筐体42で囲まれた空間内に空中像13が形成されることにより、輝度が向上すると共に、他人からは空中像13が視認され難く、プライバシーを守ることもできる。
従って、この反射型空中像結像装置10及び反射型空中像結像方法では、第1の反射鏡38及び第2の反射鏡39を用いて、表示手段11から光学結像手段12に至る光路及び光学結像手段12から空中像13に至る光路をそれぞれ折り曲げて(折り畳んで)、表示手段11から光学結像手段12までの直線距離及び光学結像手段12から空中像13までの直線距離をそれぞれ短縮することができ、高さ方向の寸法を半分程度まで削減(小型化)することができる。また、筐体42で囲まれた空間内に空中像13が形成されることにより、輝度が向上すると共に、他人からは空中像13が視認され難く、プライバシーを守ることもできる。
さらに、反射型空中像結像装置10に、空中像13に触れる指示手段(例えば、手指やタッチペン等)の位置を検知する検知手段43が設けられている場合、指示手段で指示された空中像13上の位置を検知手段43で検知し、指示された位置に対応した処理(命令)を図示しないパソコン等に実行させることができ、空中像13を空中タッチパネル(非接触入力画面)として機能させることができる。本実施例では、検知手段43として、zForce(登録商標)AIRタッチセンサ若しくはAIRBAR(登録商標)等のフラットバー状(短冊状)に形成された光学近接センサを、空中像13の外周の一辺(ここでは下辺)に沿って配置したが、検知手段は、これらに限定されることなく、適宜、選択され、検知手段の配置は、それぞれの検知手段の構造(形状)及び検知方法に応じて異なる。例えば、検知手段として、空中像の外周に沿う枠型に形成され、空中像の周囲に複数の発光素子と受光素子を配置する枠型センサ(光学近接センサの一種)を用いることもできるし、赤外線モーションセンサー等を用いることもできる。
本実施例では、光学結像手段12の下面側を第1の光制御部17とし、上面側を第2の光制御部19として、それに対応させて、光学結像手段12の下側に第1の反射鏡38を配置し、上側に第2の反射鏡39を配置したが、図3に示す変形例の反射型空中像結像装置45のように、光学結像手段12、第1の反射鏡38及び第2の反射鏡39は、上下を反転させて配置してもよい。また、本実施例では、光学結像手段12の入光面46(透明平板15の一方の面)と出光面47(透明平板15の他方の面)、第1の反射鏡38の反射面40及び第2の反射鏡39の反射面41を全て平行に配置した(図1参照)が、反射型空中像結像装置45のように、光学結像手段12の入光面46と第1の反射鏡38の反射面40とのなす角度及び光学結像手段12の出光面47と第2の反射鏡39の反射面41とのなす角度は、適宜、選択することができる。さらに、表示手段11の表示面48と第1の反射鏡38の反射面40とのなす角度も適宜、選択可能である。そして、表示手段11、光学結像手段12、第1の反射鏡38及び第2の反射鏡39の設置角度を適宜、選択することにより、空中像13が水平面となす角度を選択(設定)することができる。また、反射型空中像結像装置10及び反射型空中像結像装置45は、水平面に対して所望の角度で傾斜させて使用することができ、特に90度回転させた場合は、装置の奥行き寸法を最小にして薄型化を図ることができる。
次に、図4を参照して本発明の第2の実施例に係る反射型空中像結像装置50及び反射型空中像結像方法について説明する。なお、第1の実施例と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図4に示す第2の実施例に係る反射型空中像結像装置50及び反射型空中像結像方法が第1の実施例に係る反射型空中像結像装置10及び反射型空中像結像方法と異なる点は、光学結像手段12と重ならない位置で第1の反射鏡38と第2の反射鏡39の間に、第1の反射鏡38と対向する第1反射面51及び第2の反射鏡39と対向する第2反射面52を表裏に有する第3の反射鏡53を配置し、表示手段11から発せられる光を第1反射面51で反射させてから第1の反射鏡38に照射し、第2の光制御部19から出射して第2の反射鏡39で反射した光を第2反射面52で反射させてから結像させる点である。
このように、第1の反射鏡38と対向する第1反射面51及び第2の反射鏡39と対向する第2反射面52を表裏に有する第3の反射鏡53を用いて、表示手段11から発せられる光を第1反射面51で反射させてから第1の反射鏡38に照射し、光学結像手段12(第2の光制御部19)から出射して第2の反射鏡39で反射した光を第2反射面52で反射させてから結像させることにより、反射型空中像結像装置50を大型化させずに、表示手段11から光学結像手段12に至るまでの光路及び光学結像手段12から空中像13に至るまでの光路を反射型空中像結像装置10よりもさらに長くして、視野角を狭めることなく、鮮明で視認性に優れた空中像13を形成することができる。
図4に示す第2の実施例に係る反射型空中像結像装置50及び反射型空中像結像方法が第1の実施例に係る反射型空中像結像装置10及び反射型空中像結像方法と異なる点は、光学結像手段12と重ならない位置で第1の反射鏡38と第2の反射鏡39の間に、第1の反射鏡38と対向する第1反射面51及び第2の反射鏡39と対向する第2反射面52を表裏に有する第3の反射鏡53を配置し、表示手段11から発せられる光を第1反射面51で反射させてから第1の反射鏡38に照射し、第2の光制御部19から出射して第2の反射鏡39で反射した光を第2反射面52で反射させてから結像させる点である。
このように、第1の反射鏡38と対向する第1反射面51及び第2の反射鏡39と対向する第2反射面52を表裏に有する第3の反射鏡53を用いて、表示手段11から発せられる光を第1反射面51で反射させてから第1の反射鏡38に照射し、光学結像手段12(第2の光制御部19)から出射して第2の反射鏡39で反射した光を第2反射面52で反射させてから結像させることにより、反射型空中像結像装置50を大型化させずに、表示手段11から光学結像手段12に至るまでの光路及び光学結像手段12から空中像13に至るまでの光路を反射型空中像結像装置10よりもさらに長くして、視野角を狭めることなく、鮮明で視認性に優れた空中像13を形成することができる。
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は何ら上記した実施例に記載の構成に限定されるものではなく、請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施例や変形例も含むものである。
例えば、第2の実施例では、表示手段から発せられた光が空中で結像するまでの間に、第1の反射鏡の反射面、第2の反射鏡の反射面、及び第3の反射鏡の第1反射面と第2反射面でそれぞれ1回ずつ反射しているが、それぞれの反射面のいずれか1以上で複数回反射するようにして、光路をさらに長くしてもよい。
例えば、第2の実施例では、表示手段から発せられた光が空中で結像するまでの間に、第1の反射鏡の反射面、第2の反射鏡の反射面、及び第3の反射鏡の第1反射面と第2反射面でそれぞれ1回ずつ反射しているが、それぞれの反射面のいずれか1以上で複数回反射するようにして、光路をさらに長くしてもよい。
本発明に係る反射型空中像結像装置及び反射型空中像結像方法においては、装置の小型化及び薄型化を図ることができ、鮮明で視認性に優れた空中像を形成することができる。本発明に係る反射型空中像結像装置は、空中像を利用する機器、例えば、医療機器、家庭電気製品、自動車、航空機、船舶、ゲーム・遊戯機器、広告塔、非接触型のタッチパネル等に応用でき、機器全体のコンパクト化を図ることができる。
10:反射型空中像結像装置、11:表示手段、11a:虚像、12:光学結像手段、13:空中像、13a:虚像、15:透明平板、16:第1光反射面、17:第1の光制御部、18:第2光反射面、19:第2の光制御部、21:第1の透明板材、22:第2の透明板材、23:傾斜面、24:垂直面、25:溝、26:凸条、30:傾斜面、31:垂直面、32:溝、33:凸条、36:透明樹脂、37:金属膜、38:第1の反射鏡、39:第2の反射鏡、40、41:反射面(鏡面)、42:筐体、43:検知手段、45:反射型空中像結像装置、46:入光面、47:出光面、48:表示面、50:反射型空中像結像装置、51:第1反射面、52:第2反射面、53:第3の反射鏡
Claims (5)
- 透明平板の一方の面に垂直で該透明平板の内部に間隔を空けて平行配置された複数の第1光反射面を有する第1の光制御部と、前記透明平板の他方の面に垂直で該透明平板の内部に間隔を空けて平行配置された複数の第2光反射面を有する第2の光制御部とが、平面視して前記第1光反射面と前記第2光反射面が直交するように前記透明平板の厚さ方向に重ね合わされて配置された光学結像手段を用いる反射型空中像結像装置であって、
前記光学結像手段の前記第1の光制御部側に該第1の光制御部と間隔を空けて対向配置された第1の反射鏡と、前記光学結像手段の前記第2の光制御部側に該第2の光制御部と間隔を空けて対向配置された第2の反射鏡とを有し、表示手段から発せられて前記第1の反射鏡に照射された光を、該第1の反射鏡で反射させて前記第1の光制御部に入射させ、該第1の光制御部に入射する光のうち、前記第1光反射面で1回反射して前記第2の光制御部に入射し、前記第2光反射面で1回反射して前記第2の光制御部から出射する光を前記第2の反射鏡で反射させて、前記表示手段に表示される画像を空中像として結像させ、前記表示手段及び前記空中像は、前記第1の反射鏡を含む平面と前記第2の反射鏡を含む平面で挟まれた空間に位置することを特徴とする反射型空中像結像装置。 - 請求項1記載の反射型空中像結像装置において、前記光学結像手段と重ならない位置で前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡の間に配置され、前記第1の反射鏡と対向する第1反射面及び前記第2の反射鏡と対向する第2反射面を表裏に有する第3の反射鏡を備え、前記表示手段から発せられる光を前記第1反射面で反射させてから前記第1の反射鏡に照射し、前記第2の光制御部から出射して前記第2の反射鏡で反射した光を前記第2反射面で反射させてから結像させることを特徴とする反射型空中像結像装置。
- 請求項1又は2記載の反射型空中像結像装置において、前記空中像に触れる指示手段の位置を検知する検知手段が設けられていることを特徴とする反射型空中像結像装置。
- 透明平板の一方の面に垂直で該透明平板の内部に間隔を空けて平行配置された複数の第1光反射面を有する第1の光制御部と、前記透明平板の他方の面に垂直で該透明平板の内部に間隔を空けて平行配置された複数の第2光反射面を有する第2の光制御部とが、平面視して前記第1光反射面と前記第2光反射面が直交するように前記透明平板の厚さ方向に重ね合わされて配置された光学結像手段を用いる反射型空中像結像方法であって、
前記光学結像手段の前記第1の光制御部側に該第1の光制御部と間隔を空けて第1の反射鏡を対向配置し、前記光学結像手段の前記第2の光制御部側に該第2の光制御部と間隔を空けて第2の反射鏡を対向配置して、表示手段から発せられて前記第1の反射鏡に照射された光を、該第1の反射鏡で反射させて前記第1の光制御部に入射させ、該第1の光制御部に入射する光のうち、前記第1光反射面で1回反射して前記第2の光制御部に入射し、前記第2光反射面で1回反射して前記第2の光制御部から出射する光を前記第2の反射鏡で反射させて、前記表示手段に表示される画像を空中像として結像させ、前記表示手段及び前記空中像は、前記第1の反射鏡を含む平面と前記第2の反射鏡を含む平面で挟まれた空間に位置することを特徴とする反射型空中像結像方法。 - 請求項4記載の反射型空中像結像方法において、前記光学結像手段と重ならない位置で前記第1の反射鏡と前記第2の反射鏡の間に、前記第1の反射鏡と対向する第1反射面及び前記第2の反射鏡と対向する第2反射面を表裏に有する第3の反射鏡を配置し、前記表示手段から発せられる光を前記第1反射面で反射させてから前記第1の反射鏡に照射し、前記第2の光制御部から出射して前記第2の反射鏡で反射した光を前記第2反射面で反射させてから結像させることを特徴とする反射型空中像結像方法。
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