WO2024090130A1 - 空中表示装置 - Google Patents

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WO2024090130A1
WO2024090130A1 PCT/JP2023/035470 JP2023035470W WO2024090130A1 WO 2024090130 A1 WO2024090130 A1 WO 2024090130A1 JP 2023035470 W JP2023035470 W JP 2023035470W WO 2024090130 A1 WO2024090130 A1 WO 2024090130A1
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WO
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light
aerial
display device
aerial image
optical element
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Application number
PCT/JP2023/035470
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English (en)
French (fr)
Inventor
康宏 代工
Original Assignee
Ｔｏｐｐａｎホールディングス株式会社
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/50—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels
    • G02B30/56—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels by projecting aerial or floating images
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/042—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by opto-electronic means
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/048—Interaction techniques based on graphical user interfaces [GUI]
    • G06F3/0481—Interaction techniques based on graphical user interfaces [GUI] based on specific properties of the displayed interaction object or a metaphor-based environment, e.g. interaction with desktop elements like windows or icons, or assisted by a cursor's changing behaviour or appearance
    • G06F3/04815—Interaction with a metaphor-based environment or interaction object displayed as three-dimensional, e.g. changing the user viewpoint with respect to the environment or object
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09F—DISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F9/00—Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/349—Multi-view displays for displaying three or more geometrical viewpoints without viewer tracking
    • H04N13/351—Multi-view displays for displaying three or more geometrical viewpoints without viewer tracking for displaying simultaneously

Definitions

  • the present invention relates to an aerial display device.
  • Aerial display devices capable of displaying images and videos as aerial images are being researched, and are expected to become a new human-machine interface.
  • An aerial display device for example, is equipped with a two-sided corner reflector array in which two-sided corner reflectors are arranged in an array, and reflects light emitted from the display surface of a display element to form a real image in the air.
  • the display method using a two-sided corner reflector array is aberration-free, and can display a real image (aerial image) in a plane-symmetrical position.
  • Patent Document 1 discloses an optical element in which a transparent square prism protruding from the surface of a transparent flat plate is used as a two-sided corner reflector, and multiple square prisms are arranged in an array on a flat surface.
  • Patent Document 2 discloses an optical element in which each of the first and second light control panels is formed by arranging multiple planar light reflecting sections vertically inside a transparent flat plate, and the first and second light control panels are arranged so that the planar light reflecting sections are orthogonal to each other.
  • the optical elements of Patent Documents 1 and 2 reflect light emitted from a display element twice from orthogonal reflecting surfaces to generate an aerial image.
  • a push button is displayed as an aerial image
  • the observer can operate the button without touching the device. In this case, it is necessary to make it clearer that the observer has pressed the button.
  • the present invention provides an aerial display device that allows users to more clearly recognize when they have touched an aerial image.
  • an aerial display device comprising: a display element for displaying an image; an optical element arranged to receive light from the display element and reflect the light from the display element to the opposite side of the display element to form an aerial image in the air; a sensing element for forming a detection area in a spatial region including the aerial image and detecting an object within the detection area; and an illumination element for irradiating light onto the object when the object is present in the area of the aerial image.
  • an aerial display device in which the lighting elements are arranged on a plane including the aerial image.
  • an aerial display device in which the lighting elements include a plurality of first light-emitting elements arranged along the plane.
  • an aerial display device according to the third aspect, further comprising a determination unit that causes one of the plurality of first light-emitting elements to emit light corresponding to the position of the target object.
  • an aerial display device in which the lighting element irradiates a blinking light onto the object when the object is present at the edge of the area of the aerial image.
  • an aerial display device according to the first aspect, further comprising a warm lighting element that irradiates the object with far-infrared light when the object is present in the area of the aerial image.
  • an aerial display device in which the warm lighting element is disposed on a plane including the aerial image.
  • an aerial display device in which the warm lighting element includes a plurality of second light-emitting elements arranged along the surface of the detection area.
  • an aerial display device according to the eighth aspect, further comprising a determination unit that causes one of the plurality of second light-emitting elements to emit light corresponding to the position of the target object.
  • an aerial display device in which the sensing element includes a light-emitting section that emits light toward the detection area and a light-receiving section that receives the light reflected by the object.
  • an aerial display device in which the optical element includes a planar substrate and a plurality of optical elements disposed below the substrate, each extending in a first direction and aligned in a second direction perpendicular to the first direction, each of the plurality of optical elements being inclined with respect to the normal direction of the substrate and having an entrance surface and a reflection surface that are in contact with each other.
  • an aerial display device according to the first aspect, further comprising an orientation control element disposed between the display element and the optical element, which transmits oblique light components of the light from the display element.
  • an aerial display device in which the alignment control element includes a plurality of transparent members and a plurality of light-shielding members arranged alternately, and the plurality of light-shielding members are inclined with respect to the normal to the alignment control element.
  • an aerial display device in which the display element and the optical element are arranged parallel to each other.
  • the present invention provides an aerial display device that allows users to more clearly recognize when they have touched an aerial image.
  • FIG. 1 is a perspective view of an aerial display device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a portion of the aerial display device.
  • FIG. 3 is a side view of the main part of the aerial display device in the XZ plane.
  • FIG. 4A is a plan view of the alignment control element shown in FIG.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of the alignment control element taken along line AA' in FIG. 4A.
  • FIG. 5 is a perspective view of the optical element shown in FIG.
  • FIG. 6 is a side view of a partial area of a lighting element included in the lighting device.
  • FIG. 7 is a perspective view of one light emitting element shown in FIG.
  • FIG. 8 is a block diagram of an aerial display device.
  • FIG. 1 is a perspective view of an aerial display device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a portion of the aerial display device.
  • FIG. 3 is
  • FIG. 9 is a perspective view illustrating the state of light reflection in an optical element.
  • FIG. 10 is a side view of the XZ plane for explaining how light is reflected in the optical element.
  • FIG. 11 is a side view of the YZ plane for explaining how light is reflected in the optical element.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining the angular conditions of the incident surface and the reflecting surface in the optical element.
  • FIG. 13 is a perspective view illustrating the light irradiation operation.
  • FIG. 14 is a bottom view illustrating the light irradiation operation.
  • FIG. 15 is a flowchart explaining the overall operation of the aerial display device.
  • FIG. 16 is a bottom view illustrating a light irradiation operation according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a flowchart explaining the overall operation of the aerial display device.
  • FIG. 18 is a perspective view of a portion of an aerial display device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a side view of a partial area of the warm lighting element.
  • FIG. 20 is a bottom view illustrating the light irradiation operation.
  • FIG. 21 is a flowchart explaining the overall operation of the aerial display device.
  • FIG. 22 is a perspective view of an aerial display device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a perspective view of a portion of the aerial display device.
  • FIG. 24A is a side view of the optical element shown in FIG. 22 in the X'Z' plane.
  • FIG. 24B is a bottom view of the optical element shown in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view of the aerial display device 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the X direction is the direction along one side of the aerial display device 1
  • the Y direction is the direction perpendicular to the X direction in the horizontal plane
  • the Z direction is the direction perpendicular to the XY plane (also called the normal direction).
  • Fig. 2 is a perspective view of a part of the aerial display device 1 (sensing element 50 and lighting device 60).
  • Fig. 3 is a side view of the main part of the aerial display device 1 in the XZ plane.
  • the aerial display device 1 is a device that displays images (including videos).
  • the aerial display device 1 displays an aerial image in the air above its own light emission surface. "Displaying an aerial image” has the same meaning as "forming an aerial image.”
  • the light emission surface of the aerial display device 1 refers to the upper surface of the component that is arranged in the uppermost layer among multiple components used to display an aerial image.
  • An aerial image is a real image that is formed in the air.
  • the aerial display device 1 comprises a backlight 10, a display element 20, an orientation control element 30, an optical element 40, a sensing element 50, an illumination device 60, and a housing 70.
  • the backlight 10, the display element 20, the orientation control element 30, and the optical element 40 are arranged in this order along the Z direction and parallel to one another.
  • the backlight 10, the display element 20, the orientation control element 30, and the optical element 40 are fixed at desired positions with fixing members (not shown) so as to leave a desired distance between each other.
  • the backlight 10 emits illumination light and outputs the illumination light toward the display element 20.
  • the backlight 10 includes a light source unit 11, a light guide plate 12, and a reflective sheet 13.
  • the backlight 10 is, for example, a side light type backlight.
  • the backlight 10 constitutes a surface light source.
  • the backlight 10 may be configured so that the light intensity reaches a peak in an oblique direction at an angle ⁇ 1 , which will be described later.
  • the light source unit 11 is disposed to face the side of the light guide plate 12.
  • the light source unit 11 emits light toward the side of the light guide plate 12.
  • the light source unit 11 includes a plurality of light-emitting elements, for example, white LEDs (Light Emitting Diodes).
  • the light guide plate 12 guides the illumination light from the light source unit 11 and emits the illumination light from its upper surface.
  • the reflective sheet 13 reflects the illumination light emitted from the bottom surface of the light guide plate 12 back toward the light guide plate 12.
  • the backlight 10 may be provided with a member (including a prism sheet and a diffusion sheet) that improves optical characteristics on the upper surface of the light guide plate 12.
  • the display element 20 is a transmissive display element.
  • the display element 20 is composed of, for example, a liquid crystal display element.
  • the drive mode of the display element 20 is not particularly limited, and TN (Twisted Nematic) mode, VA (Vertical Alignment) mode, homogeneous mode, or the like can be used.
  • the display element 20 receives illumination light emitted from the backlight 10.
  • the display element 20 transmits the illumination light from the backlight 10 and performs optical modulation. Then, the display element 20 displays a desired image on its own screen.
  • the orientation control element 30 has a function of reducing unnecessary light.
  • the unnecessary light is a light component that does not contribute to generating an aerial image, and includes a light component that transmits through the optical element 40 in the normal direction.
  • the orientation control element 30 is configured to transmit light components in a predetermined angular range centered on an oblique direction at an angle ⁇ 1 with respect to the normal direction, and to block light components outside the above-mentioned angular range.
  • the area of the orientation control element 30 is set to be approximately the same as the area of the display element 20. A detailed configuration of the orientation control element 30 will be described later.
  • the optical element 40 reflects light incident from the bottom side to the top side.
  • the optical element 40 also reflects light incident obliquely from the bottom side, for example, in the front direction (normal direction).
  • the area of the optical element 40 is set to be equal to or larger than the area of the display element 20.
  • the detailed configuration of the optical element 40 will be described later.
  • the optical element 40 forms an aerial image 2 in the air.
  • the aerial image 2 is parallel to the element surface of the optical element 40 and is a two-dimensional image.
  • the element surface refers to a virtual plane on which the optical element 40 extends in the in-plane direction.
  • the element surface has the same meaning as in-plane.
  • the element surfaces of the other elements have the same meaning.
  • An observer 3 standing in front of the optical element 40 can view the aerial image 2.
  • the sensing element 50 is disposed on one side of the aerial display device 1, above the optical element 40 and at approximately the same level as the aerial image 2.
  • the sensing element 50 forms a detection area in a two-dimensional spatial region that includes part or all of the aerial image 2 generated by the aerial display device 1.
  • the sensing element 50 detects an object (body) present in the detection area.
  • the sensing element 50 emits infrared light into the detection area and detects the reflected light reflected by the object.
  • the sensing element 50 includes a light-emitting unit that emits infrared light toward the detection area and a light-receiving unit (sensor) that detects the reflected light reflected by the object.
  • the sensing element 50 is, for example, composed of a line sensor in which multiple light-emitting elements and multiple light-receiving elements are arranged alternately in a row.
  • the line sensor is capable of scanning space in a line using infrared light, and is capable of scanning a two-dimensional space consisting of the direction in which multiple light-emitting elements are arranged and the direction in which light travels.
  • the direction of the infrared light emitted by the sensing element 50 (the emission angle from the XY plane) can be set as appropriate.
  • the lighting device 60 has a function of irradiating light to an object present in the detection area of the sensing element 50.
  • the lighting device 60 includes four lighting elements 61-1 to 61-4 arranged on each of the four sides of the aerial display device 1. Each of the lighting elements 61-1 to 61-4 is arranged above the optical element 40 and at approximately the same level as the aerial image 2.
  • the lighting elements 61-1 to 61-4 are arranged on a plane including the aerial image 2 (a spatial area including the aerial image 2) and are arranged outside the area in which the aerial image 2 can be displayed.
  • Each of the lighting elements 61-1 to 61-4 is configured to be able to irradiate light to the entire detection area.
  • Each of the lighting elements 61-1 to 61-4 includes a substrate extending in one direction and a plurality of light-emitting elements mounted on the substrate. The plurality of light-emitting elements are aligned in one direction. The specific configuration of the lighting device 60 will be described later.
  • the housing 70 houses the sensing element 50 and the lighting device 60.
  • the housing 70 is disposed above the optical element 40.
  • the housing 70 has a rectangular shape in a plan view.
  • the sensing element 50 and the lighting device 60 are attached to the inner surface of the housing 70 using a support member (not shown).
  • the housing 70 has an opening 71 at the top that exposes the optical element 40.
  • the aerial image 2 is viewed by the observer 3 through the opening 71.
  • the housing 70 is made of a colored resin, for example black (for example, a resin containing a black dye or pigment).
  • FIG. 4A is a plan view of the alignment control element 30 shown in Fig. 1.
  • Fig. 4B is a cross-sectional view of the alignment control element 30 taken along the line AA' in Fig. 4A.
  • the substrate 31 is configured to be planar in the XY plane and has a rectangular parallelepiped shape.
  • the substrate 31 transmits light.
  • a plurality of transparent members 33 are provided, each extending in the Y direction and aligned in the X direction.
  • a plurality of light-shielding members 34 are provided, each extending in the Y direction and aligned in the X direction.
  • the plurality of transparent members 33 and the plurality of light-shielding members 34 are arranged alternately such that adjacent ones are in contact with each other.
  • a substrate 32 is provided on the plurality of transparent members 33 and the plurality of light-shielding members 34.
  • the substrate 32 is configured to be planar in the XY plane and has a rectangular parallelepiped shape.
  • the substrate 32 transmits light.
  • the transparent member 33 extends in an oblique direction at an angle ⁇ 1 with respect to the normal direction of the base material 31 in the XZ plane.
  • the transparent member 33 is a parallelogram with a side surface inclined by the angle ⁇ 1 in the XZ plane.
  • the transparent member 33 transmits light.
  • the light blocking member 34 extends in an oblique direction at an angle ⁇ 1 with respect to the normal direction of the base material 31 in the XZ plane.
  • the light blocking member 34 is a parallelogram with side surfaces inclined by an angle ⁇ 1 in the XZ plane.
  • the light blocking member 34 blocks light.
  • the thickness of the light blocking member 34 is set to be thinner than the thickness of the transparent member 33.
  • Two adjacent light blocking members 34 are positioned so that their ends slightly overlap in the Z direction.
  • Glass or transparent resin (including acrylic resin) is used for the base materials 31 and 32 and the transparent member 33.
  • resin mixed with black dye or pigment is used for the light blocking member 34.
  • the alignment control element 30 may be constructed by omitting one or both of the substrates 31 and 32.
  • the function of the alignment control element 30 can be realized if multiple transparent members 33 and multiple light blocking members 34 are arranged alternately.
  • the orientation control element 30 configured in this manner can transmit the display light so that the light intensity in the oblique direction at an angle ⁇ 1 with respect to the normal direction becomes a peak.
  • the angle ⁇ 1 is set, for example, to be equal to or greater than 10 degrees and equal to or less than 60 degrees.
  • the orientation control element 30 is configured to block light components other than the range of 30° ⁇ 30° with respect to the normal direction.
  • the orientation control element 30 is configured to block light components other than the range of 30° ⁇ 20° with respect to the normal direction.
  • the alignment control element 30 may be disposed between the backlight 10 and the display element 20. Also, the alignment control element 30 may be omitted when constructing the aerial display device 1.
  • FIG. 5 is a perspective view of the optical element 40 shown in Fig. 1.
  • Fig. 5 also shows an enlarged view of a portion of the optical element 40.
  • the enlarged view in Fig. 5 is a side view in the XZ plane.
  • the optical element 40 includes a substrate 41 and a plurality of optical elements 42.
  • the substrate 41 is configured to be planar in the XY plane and has a rectangular parallelepiped shape.
  • a plurality of optical elements 42 are provided on the bottom surface of the substrate 41.
  • Each of the plurality of optical elements 42 is composed of a triangular prism.
  • the optical element 42 is arranged so that three side surfaces of the triangular prism are parallel to the XY plane, and one side surface is in contact with the substrate 41.
  • the plurality of optical elements 42 each extend in the Y direction and are arranged side by side in the X direction. In other words, the plurality of optical elements 42 have a sawtooth shape in the XZ plane.
  • Each of the multiple optical elements 42 has an incident surface 43 and a reflective surface 44.
  • the left side surface is the incident surface 43
  • the right side surface is the reflective surface 44.
  • the incident surface 43 is a surface onto which light from the display element 20 is incident.
  • the reflective surface 44 is a surface that reflects light that has been incident on the incident surface 43 from the outside, within the optical element 42.
  • the incident surface 43 and the reflective surface 44 form an angle ⁇ p .
  • the substrate 41 and the optical element 42 are made of a transparent material.
  • the optical element 42 is, for example, formed integrally with the substrate 41 using the same transparent material as the substrate 41.
  • the substrate 41 and the optical element 42 may be formed separately, and the optical element 42 may be adhered to the substrate 41 using a transparent adhesive.
  • the transparent material that constitutes the substrate 41 and the optical element 42 may be glass or a transparent resin (including an acrylic resin).
  • the optical element 40 configured in this way internally reflects incident light and forms a real image in the air.
  • the optical element 40 also forms an aerial image 2 at a position in front of the element surface.
  • illumination device 60 includes four illumination elements 61-1 to 61-4.
  • Fig. 6 is a side view of a partial area of illumination element 61-1 included in illumination device 60.
  • Illumination elements 61-2 to 61-4 have the same configuration as illumination element 61-1.
  • the lighting element 61-1 is positioned so that it can irradiate light toward the detection area of the sensing element 50.
  • the lighting element 61-1 includes a substrate 62 and a number of light-emitting elements 63.
  • the substrate 62 is configured to extend in one direction.
  • the substrate 62 includes an insulating substrate made of resin or the like, and a wiring layer provided on the upper surface and/or inside the insulating substrate.
  • the multiple light-emitting elements 63 are arranged in a row along the extension direction of the substrate 62 with a predetermined distance between adjacent elements.
  • the number of multiple light-emitting elements 63 and the size of each element can be set appropriately.
  • FIG. 7 is a perspective view of one light-emitting element 63 shown in FIG. 6.
  • the light-emitting element 63 includes a substrate 64, a red LED (light-emitting diode) 65R, a green LED 65G, a blue LED 65B, lead frames 66-1 and 66-2, and a sealing resin 67.
  • the substrate 64 comprises an insulating substrate made of resin or the like, and a wiring layer provided on the upper surface and/or inside the insulating substrate.
  • the substrate 64 may be a metal-based substrate with excellent heat dissipation properties.
  • the metal-based substrate is constructed by laminating a metal substrate, an insulating layer, and a wiring layer in this order.
  • the red LED 65R emits red light.
  • the green LED 65G emits green light.
  • the blue LED 65B emits blue light.
  • the red LED 65R, the green LED 65G, and the blue LED 65B are mounted on the substrate 64 and are electrically connected to a wiring layer included in the substrate 64.
  • the lead frames 66-1 and 66-2 are electrically connected to the wiring layer of the substrate 64. A ground voltage and a positive voltage are applied to the lead frames 66-1 and 66-2.
  • the sealing resin 67 seals the substrate 64, the red LED 65R, the green LED 65G, and the blue LED 65B.
  • the sealing resin 67 is made of a transparent resin.
  • the lighting elements 61-1 to 61-4 configured in this manner can emit red light, green light, blue light, or a mixed color light that is a mixture of two of these three colors. Furthermore, each of the lighting elements 61-1 to 61-4 can irradiate light at a specific position in the detection area of the sensing element 50 by causing at least one light-emitting element 63 corresponding to the position of the target to emit light.
  • FIG. 8 Block configuration of the aerial display device 1
  • Figure 8 is a block diagram of the aerial display device 1.
  • the aerial display device 1 includes a control unit 80, a memory unit 81, an input/output interface (input/output IF) 82, a display unit 83, a sensing element 50, a lighting device 60, and an input unit 84.
  • the control unit 80, the memory unit 81, and the input/output interface 82 are connected to each other via a bus 85.
  • the input/output interface 82 is connected to the display unit 83, the sensing element 50, the lighting device 60, and the input unit 84.
  • the input/output interface 82 performs interface processing according to a predetermined standard for each of the display unit 83, the sensing element 50, the lighting device 60, and the input unit 84.
  • the display unit 83 includes a backlight 10 and a display element 20.
  • the display unit 83 displays an image.
  • the sensing element 50 includes a light-emitting unit 51 and a light-receiving unit 52.
  • the light-emitting unit 51 emits infrared light toward a detection area 53.
  • the light-receiving unit 52 detects the light reflected by the object.
  • the control unit 80 is composed of one or more processors, such as a CPU (Central Processing Unit) or an MPU (Micro Processing Unit).
  • the control unit 80 realizes various functions by executing programs stored in the memory unit 81.
  • the control unit 80 includes a display processing unit 80A, an information processing unit 80B, a detection position calculation unit 80C, and a light irradiation determination unit 80D.
  • the display processing unit 80A controls the operation of the display unit 83 (specifically, the backlight 10 and the display element 20).
  • the display processing unit 80A controls the on and off of the backlight 10.
  • the display processing unit 80A transmits an image signal to the display element 20, causing the display element 20 to display an image.
  • the information processing unit 80B generates an image to be displayed by the aerial display device 1.
  • the information processing unit 80B can use image data stored in the memory unit 81.
  • the information processing unit 80B may also obtain image data from outside using a communication function (not shown).
  • the detection position calculation unit 80C controls the operation of the sensing element 50.
  • the detection position calculation unit 80C controls the light emitting unit 51 included in the sensing element 50 to emit infrared light, and forms a detection area consisting of infrared light in a specified spatial region.
  • the detection position calculation unit 80C calculates the position of the target object based on multiple detection signals sent from the light receiving unit 52 included in the sensing element 50.
  • the light irradiation determination unit 80D uses the calculation result by the detection position calculation unit 80C to determine whether or not the object is present within the set area (the area occupied by the aerial image 2). If the object is present within the set area, the light irradiation determination unit 80D controls the lighting device 60 to irradiate the object with light.
  • the memory unit 81 includes non-volatile memory devices such as a ROM (Read Only Memory), HDD (Hard Disk Drive), and SSD (Solid State Drive), and volatile memory devices such as a RAM (Random Access Memory) and registers.
  • the memory unit 81 stores programs executed by the control unit 80.
  • the memory unit 81 stores various data necessary for the control of the control unit 80.
  • the memory unit 81 stores data for images displayed by the aerial display device 1.
  • the input unit 84 includes, for example, a touch panel or buttons, and receives information input by the user.
  • the information processing unit 80B is capable of selecting an image to be displayed on the display unit 83 based on the information received by the input unit 84.
  • Fig. 3 The arrows in Fig. 3 indicate optical paths.
  • light emitted from an arbitrary point "o" of the display element 20 is incident on the orientation control element 30.
  • a light component at an angle ⁇ 1 (including a light component in a predetermined angle range centered on the angle ⁇ 1 ) is transmitted through the orientation control element 30.
  • the light transmitted through the orientation control element 30 is incident on the optical element 40.
  • the optical element 40 reflects the incident light to the opposite side to the orientation control element 30, and forms an aerial image 2 in the air.
  • Figure 9 is a perspective view illustrating how light is reflected in the optical element 40.
  • Figure 10 is a side view of the XZ plane illustrating how light is reflected in the optical element 40.
  • Figure 10 is a view of the optical element 40 when both eyes of the observer 3 (i.e., the line connecting both eyes) are parallel to the X direction.
  • Figure 11 is a side view of the YZ plane illustrating how light is reflected in the optical element 40.
  • Figure 11 is a view of the optical element 40 when both eyes of the observer 3 are parallel to the Y direction.
  • the critical angle is the smallest incident angle above which total reflection occurs.
  • the critical angle is the angle with respect to the perpendicular to the incident surface.
  • the light emitted from point "o" is totally reflected by the reflecting surface 44 of the optical element 42, and the light is focused in the air to generate an aerial image.
  • the light emitted from point "o" is not reflected by the reflecting surface 44 of the optical element 42, and the light does not form an image in the air, so it does not contribute to the generation of an aerial image.
  • the condition for observer 3 to be able to see the aerial image is that both eyes of observer 3 are parallel to the X direction or close to it (for example, ⁇ 10 degrees with respect to the X direction). Also, if observer 3's eyes are parallel to the X direction or close to it and the viewpoint is moved along the Y direction, the aerial image can always be recognized.
  • FIG. 12 is a diagram explaining the angular conditions of the incident surface 43 and the reflecting surface 44 of the optical element 40.
  • the angle of the incident surface 43 with respect to the Z direction (the direction perpendicular to the element surface) is ⁇ 2
  • the angle of the reflecting surface 44 with respect to the Z direction is ⁇ 3
  • the angle between the incident surface 43 and the reflecting surface 44 is ⁇ p .
  • the refractive index of the material of optical element 40 is n p , and the refractive index of air is 1.
  • the incident angle at incident surface 43 is ⁇ 4 , and the refraction angle is ⁇ 5.
  • the incident angle at the top surface of optical element 40 is ⁇ 8 , and the refraction angle is ⁇ 9.
  • the refraction angle ⁇ 9 is the emission angle.
  • the emission angle ⁇ 9 is expressed by the following equation (2).
  • ⁇ 9 sin ⁇ 1 (n p * sin (sin ⁇ 1 ((1/n p ) * sin (90° - ( ⁇ 1 + ⁇ 2 )))) + ⁇ 2 + 2 ⁇ 3 - 90°)) ...
  • the critical angle at the reflecting surface 44 is expressed by the following formula (3).
  • Critical angle ⁇ ⁇ 6 ( ⁇ 7 )
  • Critical angle sin ⁇ 1 (1/n p ) (3)
  • the angle of incidence ⁇ 6 on the reflecting surface 44 is set to be larger than the critical angle on the reflecting surface 44.
  • the angle ⁇ 3 of the reflecting surface 44 is set so that the angle of incidence of light incident on the reflecting surface 44 is larger than the critical angle.
  • the angle ⁇ 2 of the incident surface 43 is set so that the light incident on the incident surface 43 is not totally reflected by the incident surface 43.
  • the angle ⁇ 2 of the incident surface 43 is set so that the angle of incidence of the light incident on the incident surface 43 is smaller than the critical angle.
  • the angle between the element surface of the optical element 40 and the surface of the aerial image 2, and the distance between the element surface of the optical element 40 and the surface of the aerial image 2 can be adjusted by optimally setting the angle ⁇ 1 of light incident on the optical element 40, the refractive index of the optical element 40, the angle ⁇ 2 of the incident surface 43 of the optical element 40, and the angle ⁇ 3 of the reflecting surface 44 of the optical element 40.
  • FIG. 13 is a perspective view for explaining the light irradiation operation.
  • Fig. 14 is a bottom view (a view of the aerial image 2 seen from below) for explaining the light irradiation operation.
  • the light emitting elements 63 included in the illumination elements 61-1 to 61-4, respectively, are represented as light emitting elements 63-1 to 63-4.
  • the aerial display device 1 displays an aerial image 2.
  • the aerial image 2 is, for example, a push button.
  • the sensing element 50 forms a detection area 53 in a two-dimensional spatial region that includes the aerial image 2.
  • the detection area 53 is composed of infrared light.
  • the observer 3 presses the aerial image 2 with his/her finger 3A.
  • the sensing element 50 detects the object (the observer's finger 3A) included in the detection area 53.
  • the detection result of the sensing element 50 is sent to the detection position calculation unit 80C.
  • the detection position calculation unit 80C calculates the position of the object based on the detection result of the sensing element 50.
  • the light irradiation determination unit 80D determines whether the position of the object calculated by the detection position calculation unit 80C is included in the area of the aerial image 2. If the position of the object is included in the area of the aerial image 2, the light irradiation determination unit 80D controls the lighting device 60 to irradiate the object with light. That is, the lighting elements 61-1 to 61-4 each cause the light-emitting elements 63-1 to 63-4 corresponding to the position of the object to emit light of a predetermined color.
  • the number of light-emitting elements emitted by each of the lighting elements 61-1 to 61-4 may be one or two or more.
  • the number of light-emitting elements emitted by each of the lighting elements 61-1 to 61-4 may be set according to the size of the object.
  • the number of light-emitting elements that are emitted may be increased as the size of the object increases.
  • the color of light emitted by the light-emitting elements 63-1 to 63-4 can be set arbitrarily.
  • the light emitted from the light-emitting elements 63-1 to 63-4 is irradiated onto the target object (the finger 3A of the observer 3).
  • the observer 3 visually recognizes light of a specific color irradiated onto his or her finger 3A. This allows the observer 3 to recognize that he or she has pressed the push button on the aerial image 2.
  • the control unit 80 displays the aerial image 2 (step S100).
  • the display processing unit 80A displays an image on the screen of the display element 20.
  • the optical element 40 reflects light from the display element 20 and forms the aerial image 2 in the air.
  • the sensing element 50 executes a sensing operation (step S101).
  • the light-emitting unit 51 included in the sensing element 50 emits infrared light to a detection area 53 including the area where the aerial image 2 is displayed.
  • the sensing element 50 monitors whether or not an object is present within the detection area 53 (step S102). That is, the light receiving unit 52 included in the sensing element 50 monitors the infrared light reflected by the object.
  • the detection position calculation unit 80C calculates the position of the object based on the detection signal of the sensing element 50 (step S103).
  • the light irradiation determination unit 80D determines whether or not the target object is present within the set area (step S104).
  • the set area refers to the area occupied by the aerial image 2.
  • Information on the set area is set in advance according to the image of the aerial image 2, and the information is stored in the storage unit 81.
  • the light irradiation determination unit 80D controls the lighting device 60 to irradiate the object with light (step S105).
  • the operation of the lighting device 60 is as described above.
  • the aerial display device 1 can display an aerial image 2 in the air by reflecting light emitted from the display element 20 by the optical element 40.
  • the aerial display device 1 can also display the aerial image 2 in the front direction, parallel to the element surface of the optical element 40. It is also possible to realize an aerial display device 1 that can improve display quality.
  • the observer 3 when the observer 3 looks at the optical element 40 with both eyes parallel to or close to the X direction (i.e., the direction in which the multiple optical elements 42 are arranged), the observer 3 can see an aerial image. In addition, when the observer 3 moves the viewpoint along the Y direction with both eyes parallel to or close to the X direction, the observer 3 can always see an aerial image. In addition, a wider viewing angle can be achieved when the observer 3's eyes are parallel to or close to the X direction.
  • the multiple elements that make up the aerial display device 1 can be arranged in parallel. This makes it possible to realize an aerial display device 1 that can be made smaller in size in the Z direction.
  • FIG. 16 is a bottom view (aerial image 2 viewed from below) explaining the light irradiation operation according to the second embodiment of the present invention.
  • the configuration of the aerial display device 1 is the same as that of the first embodiment.
  • the aerial display device 1 displays an aerial image 2.
  • the sensing element 50 forms a detection area 53 in a two-dimensional spatial region that includes the aerial image 2.
  • An observer 3 presses the aerial image 2 with his or her finger 3A. At this time, the position of the observer 3's finger 3A is assumed to be the edge of the aerial image 2.
  • the edge of the aerial image 2 refers to the outer periphery edge of the region occupied by the aerial image 2.
  • the sensing element 50 detects an object (the finger 3A of the observer 3) included in the detection area 53.
  • the detection result of the sensing element 50 is sent to the detection position calculation unit 80C.
  • the detection position calculation unit 80C calculates the position of the object based on the detection result of the sensing element 50.
  • the light irradiation determination unit 80D determines whether the position of the object calculated by the detection position calculation unit 80C is an edge of the aerial image 2. If the position of the object is an edge of the aerial image 2, the light irradiation determination unit 80D controls the lighting device 60 to irradiate the object with blinking light. That is, the lighting elements 61-1 to 61-4 respectively cause the light-emitting elements 63-1 to 63-4 corresponding to the position of the object to emit blinking light of a predetermined color.
  • the light emitted from the light-emitting elements 63-1 to 63-4 is irradiated onto the target object (the finger 3A of the observer 3).
  • the observer 3 visually recognizes a blinking light of a specific color irradiated onto his or her finger 3A. This allows the observer 3 to recognize that he or she has pressed the end of the push button as the aerial image 2.
  • FIG 17 is a flowchart explaining the overall operation of the aerial display device 1.
  • the operations of steps S100 to S103 are the same as those in the first embodiment.
  • the light irradiation determination unit 80D determines whether or not the target object is present in the center of the set area (step S200).
  • the set area refers to the area occupied by the aerial image 2.
  • the light irradiation determination unit 80D controls the lighting device 60 to irradiate the object with light (step S201).
  • the light in step S201 is continuously lit light.
  • the light irradiation determination unit 80D determines whether the object is present at the edge of the set area (step S202).
  • the edge of the set area is the area surrounding the center of the set area.
  • the light irradiation determination unit 80D controls the lighting device 60 to irradiate the object with blinking light (step S203).
  • the observer 3 can be made to recognize that he is pressing the end of the push button as the aerial image 2. Also, the observer 3 can be made to recognize that he is pressing the center of the push button as the aerial image 2. This makes it possible to guide the finger 3A of the observer 3 to the center of the aerial image 2.
  • FIG. 18 is a perspective view of a portion (sensing element 50 and lighting device 60) of an aerial display device 1 according to a third embodiment of the present invention.
  • the configuration other than the lighting device 60 is the same as in FIG. 1.
  • the lighting device 60 comprises four warm lighting elements 90-1 to 90-4 arranged on each of the four sides of the housing 70. Each of the warm lighting elements 90-1 to 90-4 is arranged above the optical element 40 and at approximately the same level as the aerial image 2.
  • the warm lighting elements 90-1 to 90-4 are arranged on a plane including the aerial image 2 (a spatial region including the aerial image 2) and are arranged outside the region in which the aerial image 2 can be displayed.
  • Each of the warm lighting elements 90-1 to 90-4 is configured to be able to irradiate light over the entire detection region.
  • FIG. 19 is a side view of a partial area of the warm lighting element 90-1.
  • the configuration of the warm lighting elements 90-2 to 90-4 is the same as that of the warm lighting element 90-1.
  • the warm lighting element 90-1 is positioned so that it can irradiate light toward the detection area of the sensing element 50.
  • the warm lighting element 90-1 comprises a substrate 91 and a number of light-emitting elements 92.
  • the substrate 91 is configured to extend in one direction.
  • the substrate 91 comprises an insulating substrate made of resin or the like, and a wiring layer provided on the upper surface and/or inside the insulating substrate.
  • the multiple light-emitting elements 92 are arranged in a row along the extension direction of the substrate 91 with a predetermined distance between adjacent elements. The number of the multiple light-emitting elements 92 and the size of each element can be set appropriately.
  • the light-emitting elements 92 emit light in the far-infrared wavelength range (far-infrared light). The far-infrared light can increase the temperature of a substance.
  • FIG. 20 is a bottom view (aerial image 2 viewed from below) explaining the light irradiation operation.
  • the light-emitting elements 92 included in the warm lighting elements 90-1 to 90-4 are referred to as light-emitting elements 92-1 to 92-4.
  • the operation up to calculating the position of the target object (finger 3A of observer 3) is the same as in the first embodiment.
  • the light irradiation determination unit 80D determines whether the position of the object calculated by the detection position calculation unit 80C is included in the area of the aerial image 2. If the position of the object is included in the area of the aerial image 2, the light irradiation determination unit 80D controls the lighting device 60 to irradiate the object with far-infrared light. That is, the warm lighting element 90-1 causes the light-emitting elements 92-1 to 92-4 corresponding to the position of the object to emit far-infrared light.
  • the number of light-emitting elements emitted by each of the warm lighting elements 90-1 to 90-4 may be one or two or more. In addition, the number of light-emitting elements emitted by each of the warm lighting elements 90-1 to 90-4 may be set according to the size of the object. The number of light-emitting elements emitted may be increased as the size of the object increases.
  • the far-infrared light emitted from the light-emitting elements 92-1 to 92-4 is irradiated onto the object (the finger 3A of the observer 3).
  • the observer 3 recognizes that his or her finger 3A has become warm. This enables the observer 3 to recognize that he or she has pressed the push button on the aerial image 2.
  • Figure 21 is a flowchart explaining the overall operation of the aerial display device 1.
  • the operations of steps S100 to S104 are the same as those in the first embodiment.
  • the light irradiation determination unit 80D controls the lighting device 60 to irradiate the object with far-infrared light (step S300).
  • the operation of the lighting device 60 is as described above.
  • the observer 3 can be made aware through a temperature sensation that he or she is pressing the end of the push button as the aerial image 2.
  • the lighting device 60 may be equipped with only the warmth lighting elements 90-1 to 90-4, and the observer 3 may only sense a temperature sensation.
  • light is not emitted by the lighting elements 61-1 to 61-4.
  • the fourth embodiment is an example of a configuration in which the display element 20 is disposed at an angle with respect to the optical element 40 , and the aerial image 2 is displayed at a position plane-symmetrical with respect to the display element 20 .
  • Figure 22 is a perspective view of an aerial display device 1 according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the X direction is the direction along one side of the housing 70
  • the Y direction is the direction perpendicular to the X direction in the horizontal plane of the housing 70
  • the Z direction is the direction perpendicular to the XY plane.
  • Figure 23 is a perspective view of a portion of the aerial display device 1 (sensing element 50 and lighting device 60).
  • the aerial display device 1 includes a backlight 10, a display element 20, an optical element 40, a sensing element 50, an illumination device 60 (illumination elements 61-1 to 61-4), and a housing 70.
  • the configuration of the backlight 10 and the display element 20 is the same as in the first embodiment.
  • the light guide plate 12 and the reflective sheet 13 are illustrated as a single unit.
  • the display element 20 is disposed at an angle to the optical element 40.
  • the angle between the display element 20 and the optical element 40 is, for example, 10 degrees or more and 60 degrees or less.
  • the optical element 40 is positioned to receive light from the display element 20.
  • the optical element 40 is composed of a dihedral corner reflector array in which dihedral corner reflectors are arranged in an array.
  • the optical element 40 reflects light incident from the bottom side to the top side.
  • the optical element 40 also forms an image of the display element 20 in a plane-symmetrical position, forming an aerial image in the air.
  • FIG. 24A is a side view of the optical element 40 shown in FIG. 22 in the X'Z' plane.
  • FIG. 24B is a bottom view of the optical element 40 shown in FIG. 22.
  • the X' direction is the direction along one side of the optical element 40
  • the Y' direction is the direction perpendicular to the X' direction within the plane of the optical element 40
  • the Z' direction is the direction perpendicular to the X'Y' plane.
  • the optical element 40 comprises a substrate 41 and a number of optical elements 45.
  • FIG. 24A shows an extracted perspective view of one optical element 45.
  • the substrate 41 and the number of optical elements 45 are made of a transparent material such as acrylic resin.
  • the substrate 41 and the number of optical elements 45 may be integrally formed, or may be bonded with a transparent adhesive.
  • the optical elements 45 are provided on the bottom surface of the substrate 41.
  • the optical elements 45 are rectangular parallelepipeds or cubes.
  • the planar shape of the optical elements 45 is, for example, a square.
  • the optical elements 45 have two reflecting surfaces 46, 47.
  • the reflecting surfaces 46, 47 correspond to two side surfaces of the rectangular parallelepiped and are in contact with each other.
  • the reflecting surfaces 46, 47 form a so-called two-sided corner reflector.
  • the optical elements 45 are arranged such that one side is inclined at an angle ⁇ 10 with respect to the X' direction.
  • the angle ⁇ 10 is, for example, 45 degrees. Note that the angle ⁇ 10 is not limited to 45 degrees, and can be set within a range of 30 degrees to 60 degrees.
  • the optical elements 45 are arranged in a staggered pattern. That is, the optical elements 45 are arranged such that one row extends in a direction at 45 degrees with respect to the X direction, and multiple rows are arranged in a direction at 45 degrees with respect to the Y direction.
  • the optical elements 45 are also arranged with gaps between each other.
  • the lighting device 60 includes four lighting elements 61-1 to 61-4.
  • the lighting elements 61-1 to 61-4 are arranged in a two-dimensional spatial region that includes the aerial image 2, and are arranged on each of the four sides of the rectangular spatial region in which the aerial image 2 is displayed.
  • the configuration of the lighting elements 61-1 to 61-4 is the same as in the first embodiment.
  • the sensing element 50 is disposed near the two-dimensional spatial region that includes the aerial image 2, and is disposed near one side of the rectangular spatial region in which the aerial image 2 is displayed.
  • the sensing element 50 forms a detection region in the two-dimensional spatial region that includes part or all of the aerial image 2 generated by the aerial display device 1.
  • the configuration of the sensing element 50 is the same as in the first embodiment.
  • the housing 70 houses the sensing element 50 and the lighting device 60.
  • the housing 70 is disposed in a two-dimensional spatial region that includes the aerial image 2. That is, when viewed from the YZ plane, the housing 70 is disposed above the optical element 40 and disposed at an angle to the optical element 40.
  • the housing 70 has a rectangular shape in a plan view.
  • the sensing element 50 and the lighting device 60 are attached to the inner surface of the housing 70 using a support member (not shown).
  • the housing 70 has an opening 71 that exposes a rectangular spatial region in which the aerial image 2 is displayed.
  • the operation of the aerial display device 1 according to the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment.
  • the fourth embodiment can also achieve the same effects as the first embodiment. It is also possible to apply the second or third embodiment to the fourth embodiment.
  • the lighting device 60 is configured to include four lighting elements 61-1 to 61-4.
  • the present invention is not limited to this configuration, and the lighting device 60 may include one lighting element 61 or two or more lighting elements 61. The same applies to the warm lighting elements 90-1 to 90-4.
  • the display element 20 and the optical element 40 are arranged parallel to each other. However, this is not limited to this, and the display element 20 may be arranged diagonally relative to the optical element 40.
  • the angle between the display element 20 and the optical element 40 is set to, for example, 10 degrees or more and 60 degrees or less.
  • the orientation control element 30 can be omitted.
  • the left side of the optical element 42 is defined as the incident surface 43, and the right side is defined as the reflective surface 44.
  • the incident surface 43 and the reflective surface 44 may be configured in reverse. In this case, the action of the aerial display device 1 described in the embodiment is also reversed.
  • a liquid crystal display element is used as an example of the display element 20, but the present invention is not limited to this.
  • the display element 20 may also be a self-luminous organic EL (electroluminescence) display element or a micro LED (Light Emitting Diode) display element.
  • a micro LED display element is a display element that uses LEDs to emit the R (red), G (green), and B (blue) that make up a pixel. When a self-luminous display element 20 is used, the backlight 10 is not required.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be modified in various ways during implementation without departing from the gist of the invention.
  • the embodiments may also be implemented in appropriate combination, in which case the combined effects can be obtained.
  • the above-described embodiments include various inventions, and various inventions can be extracted by combinations selected from the multiple constituent elements disclosed. For example, if the problem can be solved and an effect can be obtained even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements shown in the embodiments, the configuration from which these constituent elements are deleted can be extracted as an invention.
  • 1...aerial display device 2...aerial image, 3...observer, 10...backlight, 11...light source unit, 12...light guide plate, 13...reflective sheet, 20...display element, 30...orientation control element, 31, 32...substrate, 33...transparent member, 34...light-shielding member, 40...optical element, 41...substrate, 42...optical element, 43...incident surface, 44...reflective surface, 45...optical element, 46, 47...reflective surface, 50...sensing element, 51...light-emitting unit, 52...light-receiving unit, 53...detection area, 60...illumination device, 61-1 to 61-4...illumination element, 62 ...Substrate, 63...Light-emitting element, 64...Substrate, 65B...Blue LED, 65G...Green LED, 65R...Red LED, 66-1, 66-2...Lead frame, 67...Sealing resin, 70...Housing,

Landscapes

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Abstract

空中表示装置は、画像を表示する表示素子（２０）と、表示素子（２０）からの光を受けるように配置され、表示素子（２０）からの光を、表示素子（２０）と反対側に反射し、空中に空中像を結像する光学素子（４０）と、空中像を含む空間領域に検知領域を形成し、検知領域内の対象物を検知するセンシング素子（５０）と、対象物が空中像の領域に存在する場合に、対象物に光を照射する照明素子（６１）とを含む。

Description

空中表示装置
　本発明は、空中表示装置に関する。
　画像や動画などを空中像として表示可能な空中表示装置が研究され、新しいヒューマン・マシン・インターフェースとして期待されている。空中表示装置は、例えば、２面コーナーリフレクタがアレイ状に配列された２面コーナーリフレクタアレイを備え、表示素子の表示面から出射される光を反射し、空中に実像を結像する。２面コーナーリフレクタアレイによる表示方法は、収差が無く、面対称位置に実像（空中像）を表示することができる。
　特許文献１は、透明平板の表面から突出した透明な四角柱を２面コーナーリフレクタとして使用し、複数の四角柱を平面上にアレイ状に配置した光学素子を開示している。また、特許文献２は、第１及び第２光制御パネルの各々を、透明平板の内部に垂直に複数の平面光反射部を並べて形成し、第１及び第２光制御パネルを、互いの平面光反射部が直交するように配置した光学素子を開示している。特許文献１、２の光学素子は、表示素子から出射された光を直交する反射面で２回反射させ、空中像を生成している。
　空中像として例えば押しボタンを表示した場合、観察者は、機器に接触することなく、押しボタンを操作することが可能である。この時、観察者が押しボタンを押したことをより明確に認識させることが必要である。
日本国特開２０１１－１９１４０４号公報 日本国特開２０１１－１７５２９７号公報
　本発明は、空中像に触れたことをより明確に認識させることが可能な空中表示装置を提供する。
　本発明の第１態様によると、画像を表示する表示素子と、前記表示素子からの光を受けるように配置され、前記表示素子からの光を、前記表示素子と反対側に反射し、空中に空中像を結像する光学素子と、前記空中像を含む空間領域に検知領域を形成し、前記検知領域内の対象物を検知するセンシング素子と、前記対象物が前記空中像の領域に存在する場合に、前記対象物に光を照射する照明素子とを具備する空中表示装置が提供される。
　本発明の第２態様によると、前記照明素子は、前記空中像を含む平面に配置される、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第３態様によると、前記照明素子は、前記平面に沿って並んだ複数の第１発光素子を含む、第２態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第４態様によると、前記複数の第１発光素子のうち前記対象物の位置に対応する１個の発光素子を発光させる判定部をさらに具備する、第３態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第５態様によると、前記照明素子は、前記対象物が前記空中像の領域の端部に存在する場合に、前記対象物に点滅する光を照射する、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第６態様によると、前記対象物が前記空中像の領域に存在する場合に、前記対象物に遠赤外光を照射する温感照明素子をさらに具備する、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第７態様によると、前記温感照明素子は、前記空中像を含む平面に配置される、第６態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第８態様によると、前記温感照明素子は、前記検知領域の面に沿って並んだ複数の第２発光素子を含む、第７態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第９態様によると、前記複数の第２発光素子のうち前記対象物の位置に対応する１個の発光素子を発光させる判定部をさらに具備する、第８態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第１０態様によると、前記センシング素子は、前記検知領域に向けて光を発光する発光部と、前記対象物で反射された反射光を受光する受光部とを含む、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第１１態様によると、前記光学素子は、平面状の基材と、前記基材の下に設けられ、それぞれが第１方向に延び、前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の光学要素とを含み、前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射面及び反射面を有する、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第１２態様によると、前記表示素子と前記光学素子との間に配置され、前記表示素子からの光のうち斜め方向の光成分を透過する配向制御素子をさらに具備する、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第１３態様によると、前記配向制御素子は、交互に配置された複数の透明部材及び複数の遮光部材を含み、前記複数の遮光部材は、前記配向制御素子の法線に対して傾いている、第１２態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明の第１４態様によると、前記表示素子及び前記光学素子は、互いに平行に配置される、第１態様に係る空中表示装置が提供される。
　本発明によれば、空中像に触れたことをより明確に認識させることが可能な空中表示装置を提供することができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る空中表示装置の斜視図である。 図２は、空中表示装置の一部を抽出した斜視図である。 図３は、空中表示装置の主要部のＸＺ面における側面図である。 図４Ａは、図１に示した配向制御素子の平面図である。 図４Ｂは、図４ＡのＡ－Ａ´線に沿った配向制御素子の断面図である。 図５は、図１に示した光学素子の斜視図である。 図６は、照明装置に含まれる照明素子の一部領域の側面図である。 図７は、図６に示した１個の発光素子の斜視図である。 図８は、空中表示装置のブロック図である。 図９は、光学素子における光の反射の様子を説明する斜視図である。 図１０は、光学素子における光の反射の様子を説明するＸＺ面の側面図である。 図１１は、光学素子における光の反射の様子を説明するＹＺ面の側面図である。 図１２は、光学素子における入射面及び反射面の角度条件を説明する図である。 図１３は、光照射動作を説明する斜視図である。 図１４は、光照射動作を説明する下面図である。 図１５は、空中表示装置における全体動作を説明するフローチャートである。 図１６は、本発明の第２実施形態に係る光照射動作を説明する下面図である。 図１７は、空中表示装置における全体動作を説明するフローチャートである。 図１８は、本発明の第３実施形態に係る空中表示装置の一部を抽出した斜視図である。 図１９は、温感照明素子の一部領域の側面図である。 図２０は、光照射動作を説明する下面図である。 図２１は、空中表示装置における全体動作を説明するフローチャートである。 図２２は、本発明の第４実施形態に係る空中表示装置の斜視図である。 図２３は、空中表示装置の一部を抽出した斜視図である。 図２４Ａは、図２２に示した光学素子のＸ´Ｚ´面における側面図である。 図２４Ｂは、図２２に示した光学素子の下面図である。
　以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複する説明は省略する。
　［１］　第１実施形態
　［１－１］　空中表示装置１の構成
　図１は、本発明の第１実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。図１において、Ｘ方向は、空中表示装置１のある１辺に沿った方向であり、Ｙ方向は、水平面内においてＸ方向に直交する方向であり、Ｚ方向は、ＸＹ面に直交する方向（法線方向ともいう）である。図２は、空中表示装置１の一部（センシング素子５０及び照明装置６０）を抽出した斜視図である。図３は、空中表示装置１の主要部のＸＺ面における側面図である。
　空中表示装置１は、画像（動画を含む）を表示する装置である。空中表示装置１は、自身の光出射面の上方の空中に、空中像を表示する。「空中像を表示する」とは、「空中像を結像する」と同じ意味である。空中表示装置１の光出射面とは、空中像を表示するための複数の部材のうち最上層に配置された部材の上面を意味する。空中像とは、空中に結像する実像である。
　空中表示装置１は、バックライト１０、表示素子２０、配向制御素子３０、光学素子４０、センシング素子５０、照明装置６０、及び筐体７０を備える。バックライト１０、表示素子２０、配向制御素子３０、及び光学素子４０は、この順にＺ方向に沿って配置され、互いに平行に配置される。バックライト１０、表示素子２０、配向制御素子３０、及び光学素子４０は、互いに所望の間隔を空けるようにして、図示せぬ固定部材で所望の位置に固定される。
　バックライト１０は、照明光を発光し、この照明光を表示素子２０に向けて出射する。バックライト１０は、光源部１１、導光板１２、及び反射シート１３を備える。バックライト１０は、例えばサイドライト型のバックライトである。バックライト１０は、面光源を構成する。バックライト１０は、後述する角度θ１の斜め方向に光強度がピークになるように構成してもよい。
　光源部１１は、導光板１２の側面に向き合うように配置される。光源部１１は、導光板１２の側面に向けて光を発光する。光源部１１は、例えば白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）からなる複数の発光素子を含む。導光板１２は、光源部１１からの照明光を導光し、照明光を自身の上面から出射する。反射シート１３は、導光板１２の底面から出射した照明光を、再び導光板１２に向けて反射する。バックライト１０は、導光板１２の上面に、光学特性を向上させる部材（プリズムシート、及び拡散シートを含む）を備えていてもよい。
　表示素子２０は、透過型の表示素子である。表示素子２０は、例えば液晶表示素子で構成される。表示素子２０の駆動モードについては特に限定されず、ＴＮ（Twisted Nematic）モード、ＶＡ（Vertical Alignment）モード、又はホモジニアスモードなどを用いることができる。表示素子２０は、バックライト１０から出射された照明光を受ける。表示素子２０は、バックライト１０からの照明光を透過して光変調を行う。そして、表示素子２０は、自身の画面に所望の画像を表示する。
　配向制御素子３０は、不要光を低減する機能を有する。不要光とは、空中像を生成するのに寄与しない光成分であり、法線方向に光学素子４０を透過する光成分を含む。配向制御素子３０は、法線方向に対して角度θ１の斜め方向を中心として所定の角度範囲の光成分を透過するとともに、上記角度範囲以外の光成分を遮光するように構成される。配向制御素子３０の面積は、表示素子２０の面積とほぼ同じに設定される。配向制御素子３０の詳細な構成については後述する。
　光学素子４０は、底面側から入射した光を上面側に反射する。また、光学素子４０は、底面側から斜めに入射した入射光を、例えば正面方向（法線方向）に反射する。光学素子４０の面積は、表示素子２０の面積以上に設定される。光学素子４０の詳細な構成については後述する。光学素子４０は、空中に空中像２を結像する。空中像２は、光学素子４０の素子面に平行であり、２次元の画像である。素子面とは、光学素子４０が面内方向に広がる仮想的な平面を言う。素子面は、面内と同じ意味である。その他の素子の素子面についても同様の意味である。光学素子４０の正面にいる観察者３は、空中像２を視認することができる。
　センシング素子５０は、空中表示装置１の一側部に配置され、光学素子４０の上方かつ空中像２とおおよそ同じレベルに配置される。センシング素子５０は、空中表示装置１が生成した空中像２の一部又は全部を含む２次元の空間領域に、検知領域を形成する。センシング素子５０は、検知領域に存在する対象物（物体）を検知する。センシング素子５０は、検知領域に赤外光を出射し、対象物で反射された反射光を検知する。センシング素子５０は、検知領域に向けて赤外光を発光する発光部と、対象物で反射された反射光を検知する受光部（センサ）とを含む。センシング素子５０は、例えば、複数の発光素子と複数の受光素子とが交互に一列に並んだラインセンサで構成される。ラインセンサは、赤外光を用いてライン状に空間をスキャンすることが可能であり、複数の発光素子が並んだ方向と光が進む方向とからなる２次元の空間をスキャンすることが可能である。センシング素子５０が出射する赤外光の方向（ＸＹ面からの出射角度）は、適宜設定可能である。
　照明装置６０は、センシング素子５０の検知領域に存在する対象物に光を照射する機能を有する。照明装置６０は、空中表示装置１の４個の側部にそれぞれ配置された４個の照明素子６１－１～６１－４を備える。照明素子６１－１～６１－４の各々は、光学素子４０の上方かつ空中像２とおおよそ同じレベルに配置される。照明素子６１－１～６１－４は、空中像２を含む平面（空中像２を含む空間領域）に配置されるとともに、空中像２が表示可能な領域の外側に配置される。照明素子６１－１～６１－４の各々は、検知領域全体に光を照射可能なように構成される。照明素子６１－１～６１－４の各々は、一方向に延びる基板と、基板に実装された複数の発光素子とを備える。複数の発光素子は、一方向に並ぶ。照明装置６０の具体的な構成については後述する。
　筐体７０は、センシング素子５０及び照明装置６０を収容する。筐体７０は、光学素子４０の上方に配置される。筐体７０は、平面視において四角形を有する。センシング素子５０及び照明装置６０は、筐体７０の内側の面に支持部材（図示せず）を用いて取り付けられる。筐体７０は、上部に光学素子４０を露出する開口部７１を有する。空中像２は、開口部７１を通して観察者３に視認される。筐体７０は、例えば黒色などの色の付いた樹脂（例えば、黒色の染料または顔料を含む樹脂）で構成される。
　［１－１－１］　配向制御素子３０の構成
　図４Ａは、図１に示した配向制御素子３０の平面図である。図４Ｂは、図４ＡのＡ－Ａ´線に沿った配向制御素子３０の断面図である。
　基材３１は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。基材３１は、光を透過する。
　基材３１上には、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の透明部材３３が設けられる。また、基材３１上には、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んだ複数の遮光部材３４が設けられる。複数の透明部材３３と複数の遮光部材３４とは、隣接するもの同士が接するようにして交互に配置される。
　複数の透明部材３３及び複数の遮光部材３４上には、基材３２が設けられる。基材３２は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。基材３２は、光を透過する。
　透明部材３３は、ＸＺ面において、基材３１の法線方向に対して角度θ１の斜め方向に延びる。透明部材３３は、ＸＺ面において、側面が角度θ１だけ傾いた平行四辺形である。透明部材３３は、光を透過する。
　遮光部材３４は、ＸＺ面において、基材３１の法線方向に対して角度θ１の斜め方向に延びる。遮光部材３４は、ＸＺ面において、側面が角度θ１だけ傾いた平行四辺形である。遮光部材３４は、光を遮光する。遮光部材３４の厚みは、透明部材３３の厚みより薄く設定される。
　隣接する２個の遮光部材３４は、Ｚ方向において互いの端部が若干重なるように配置される。
　基材３１、３２、及び透明部材３３としては、ガラス、又は透明な樹脂（アクリル樹脂を含む）が用いられる。遮光部材３４としては、例えば、黒色の染料又は顔料が混入された樹脂が用いられる。
　なお、基材３１、３２の一方又は両方を省略して、配向制御素子３０を構成してもよい。複数の透明部材３３と複数の遮光部材３４とが交互に配置されていれば、配向制御素子３０の機能を実現できる。
　このように構成された配向制御素子３０は、法線方向に対して角度θ１の斜め方向の光強度がピークになるように、表示光を透過することができる。角度θ１は、例えば１０度以上６０度以下に設定される。例えば、配向制御素子３０は、法線方向に対して３０°±３０°の範囲以外の光成分を遮光するように構成される。望ましくは、配向制御素子３０は、法線方向に対して３０°±２０°の範囲以外の光成分を遮光するように構成される。
　なお、変形例として、配向制御素子３０は、バックライト１０と表示素子２０との間に配置してもよい。また、配向制御素子３０を省略して、空中表示装置１を構成してもよい。
　［１－１－２］　光学素子４０の構成
　図５は、図１に示した光学素子４０の斜視図である。図５には、光学素子４０の一部を拡大した拡大図も図示している。図５の拡大図は、ＸＺ面における側面図である。
　光学素子４０は、基材４１、及び複数の光学要素４２を備える。基材４１は、ＸＹ面において平面状に構成され、直方体を有する。
　基材４１の底面には、複数の光学要素４２が設けられる。複数の光学要素４２の各々は、三角柱で構成される。光学要素４２は、三角柱の３個の側面がＸＹ面と平行になるように配置され、１つの側面が基材４１に接する。複数の光学要素４２は、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並んで配置される。換言すると、複数の光学要素４２は、ＸＺ面において鋸歯状を有する。
　複数の光学要素４２の各々は、入射面４３及び反射面４４を有する。Ｙ方向から見て、左側の側面が入射面４３であり、右側の側面が反射面４４である。入射面４３は、表示素子２０からの光が入射する面である。反射面４４は、入射面４３に外部から入射した光を、光学要素４２の内部で反射する面である。入射面４３と反射面４４とは、角度θｐを有する。
　基材４１及び光学要素４２は、透明材料で構成される。光学要素４２は、例えば、基材４１と同じ透明材料によって基材４１と一体的に形成される。基材４１と光学要素４２とを個別に形成し、透明な接着材を用いて基材４１に光学要素４２を接着してもよい。基材４１及び光学要素４２を構成する透明材料としては、ガラス、又は透明な樹脂（アクリル樹脂を含む）が用いられる。
　このように構成された光学素子４０は、入射光を内部で反射して、空中に実像を結像する。また、光学素子４０は、素子面の正面の位置に、空中像２を結像する。
　［１－１－３］　照明装置６０の構成
　図２に示すように、照明装置６０は、４個の照明素子６１－１～６１－４を備える。図６は、照明装置６０に含まれる照明素子６１－１の一部領域の側面図である。照明素子６１－２～６１－４の構成は、照明素子６１－１と同じである。
　照明素子６１－１は、センシング素子５０の検知領域に向けて光を照射可能なように配置される。照明素子６１－１は、基板６２と、複数の発光素子６３とを備える。基板６２は、一方向に延びるように構成される。基板６２は、樹脂などで構成される絶縁基板と、絶縁基板の上面及び／又は内部に設けられた配線層とを備える。
　複数の発光素子６３は、隣接するもの同士が所定の間隔を空けるようにして、基板６２が延びる方向に沿って一列に配置される。複数の発光素子６３の数及び各々のサイズは、適宜設定可能である。
　図７は、図６に示した１個の発光素子６３の斜視図である。発光素子６３は、基板６４、赤色ＬＥＤ（light-emitting diode）６５Ｒ、緑色ＬＥＤ６５Ｇ、青色ＬＥＤ６５Ｂ、リードフレーム６６－１、６６－２、及び封止樹脂６７を備える。
　基板６４は、樹脂などで構成される絶縁基板と、絶縁基板の上面及び／又は内部に設けられた配線層とを備える。基板６４は、放熱性に優れた金属ベース基板であってもよい。金属ベース基板は、金属基板、絶縁層、及び配線層が順に積層されて構成される。
　赤色ＬＥＤ６５Ｒは、赤色光を発光する。緑色ＬＥＤ６５Ｇは、緑色光を発光する。青色ＬＥＤ６５Ｂは、青色光を発光する。赤色ＬＥＤ６５Ｒ、緑色ＬＥＤ６５Ｇ、及び青色ＬＥＤ６５Ｂは、基板６４に実装され、基板６４に含まれる配線層に電気的に接続される。
　リードフレーム６６－１、６６－２は、基板６４の配線層に電気的に接続される。リードフレーム６６－１、６６－２には、接地電圧、及び正電圧が印加される。
　封止樹脂６７は、基板６４、赤色ＬＥＤ６５Ｒ、緑色ＬＥＤ６５Ｇ、及び青色ＬＥＤ６５Ｂを封止する。封止樹脂６７は、透明樹脂で構成される。
　このように構成された照明素子６１－１～６１－４は、赤色光、緑色光、青色光、及びこれら３色のうち２色の光を混色した混色光を発光することができる。また、照明素子６１－１～６１－４の各々は、対象物の位置に対応した少なくとも１個の発光素子６３を発光させることで、センシング素子５０の検知領域の特定の位置に光を照射することができる。
　［１－１－４］　空中表示装置１のブロック構成
　図８は、空中表示装置１のブロック図である。空中表示装置１は、制御部８０、記憶部８１、入出力インターフェース（入出力ＩＦ）８２、表示部８３、センシング素子５０、照明装置６０、及び入力部８４を備える。制御部８０、記憶部８１、及び入出力インターフェース８２は、バス８５を介して互いに接続される。
　入出力インターフェース８２は、表示部８３、センシング素子５０、照明装置６０、及び入力部８４に接続される。入出力インターフェース８２は、表示部８３、センシング素子５０、照明装置６０、及び入力部８４のそれぞれに対して、所定の規格に応じたインターフェース処理を行う。
　表示部８３は、バックライト１０、及び表示素子２０を備える。表示部８３は、画像を表示する。
　センシング素子５０は、発光部５１、及び受光部５２を備える。発光部５１は、検知領域５３に向けて赤外光を発光する。受光部５２は、対象物で反射された反射光を検知する。
　制御部８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）等の１つ以上のプロセッサにより構成される。制御部８０は、記憶部８１に格納されたプログラムを実行することで各種機能を実現する。制御部８０は、表示処理部８０Ａ、情報処理部８０Ｂ、検知位置算出部８０Ｃ、及び光照射判定部８０Ｄを備える。
　表示処理部８０Ａは、表示部８３（具体的には、バックライト１０、及び表示素子２０）の動作を制御する。表示処理部８０Ａは、バックライト１０のオン及びオフを制御する。表示処理部８０Ａは、表示素子２０に画像信号を送信し、表示素子２０に画像を表示させる。
　情報処理部８０Ｂは、空中表示装置１が表示する画像を生成する。情報処理部８０Ｂは、記憶部８１に格納された画像データを用いることが可能である。情報処理部８０Ｂは、図示せぬ通信機能を用いて外部から画像データを取得してもよい。
　検知位置算出部８０Ｃは、センシング素子５０の動作を制御する。検知位置算出部８０Ｃは、センシング素子５０に含まれる発光部５１が赤外光を出射するように制御し、所定の空間領域に赤外光からなる検知領域を形成する。検知位置算出部８０Ｃは、センシング素子５０に含まれる受光部５２から送られる複数の検知信号に基づいて、対象物の位置を算出する。
　光照射判定部８０Ｄは、検知位置算出部８０Ｃによる算出結果を用いて、対象物が設定領域（空中像２が占める領域）内に存在するか否かを判定する。光照射判定部８０Ｄは、対象物が設定領域内に存在する場合、対象物に光を照射するように、照明装置６０を制御する。
　記憶部８１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、及びＳＳＤ（Solid State Drive）等の不揮発性記憶装置と、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びレジスタ等の揮発性記憶装置とを含む。記憶部８１は、制御部８０が実行するプログラムを格納する。記憶部８１は、制御部８０の制御に必要な各種データを格納する。さらに、記憶部８１は、空中表示装置１が表示する画像のデータを格納する。
　入力部８４は、例えばタッチパネルやボタンなどを含み、ユーザが入力した情報を受け付ける。情報処理部８０Ｂは、入力部８４が受け付けた情報に基づいて、表示部８３に表示する画像を選択することが可能である。
　［１－２］　空中表示装置１の動作
　次に、上記のように構成された空中表示装置１の動作について説明する。
　［１－２－１］　空中像２の表示動作
　まず、空中像２の表示動作について説明する。
　図３の矢印は、光路を示している。図３に示すように、表示素子２０の任意の点“ｏ”から出射された光は、配向制御素子３０に入射する。表示素子２０から出射された光のうち角度θ１の光成分（角度θ１を中心とした所定の角度範囲の光成分を含む）は、配向制御素子３０を透過する。配向制御素子３０を透過した光は、光学素子４０に入射する。光学素子４０は、入射光を、配向制御素子３０と反対側に反射し、空中に空中像２を結像する。
　図９は、光学素子４０における光の反射の様子を説明する斜視図である。図１０は、光学素子４０における光の反射の様子を説明するＸＺ面の側面図である。図１０は、観察者３の両目（すなわち、両目を結ぶ線）がＸ方向に平行な状態で光学素子４０を見た図である。図１１は、光学素子４０における光の反射の様子を説明するＹＺ面の側面図である。図１１は、観察者３の両目がＹ方向に平行な状態で光学素子４０を見た図である。
　表示素子２０の任意の点“ｏ”から出射された光は、光学素子４０の入射面４３に入射し、反射面４４に到達する。反射面４４の法線方向に対して臨界角よりも大きい角度で反射面４４に到達した光は、反射面４４で全反射され、光学素子４０の光学要素４２が形成されている側の反対側の平面から出射される。臨界角とは、その入射角を超えると全反射する最少の入射角である。臨界角は、入射面の垂線に対する角度である。
　図１０のＸＺ面では、点“ｏ”から出射された光は、光学要素４２の反射面４４で全反射され、その光は空中で結像されて空中像を生成する。
　図１１のＹＺ面では、点“ｏ”から出射された光は、光学要素４２の反射面４４で反射されず、その光は空中で結像することがないため空中像の生成に寄与しない。
　すなわち、観察者３が空中像を視認できる条件は、観察者３の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態（例えばＸ方向に対して±１０度）である。また、観察者３の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態でＹ方向に沿って視点を移動した場合、空中像を常に認識することができる。
　図１２は、光学素子４０における入射面４３及び反射面４４の角度条件を説明する図である。
　Ｚ方向（素子面に垂直な方向）に対する入射面４３の角度をθ２、Ｚ方向に対する反射面４４の角度をθ３、入射面４３と反射面４４とのなす角度をθｐとする。角度をθｐは、以下の式（１）で表される。
　θｐ＝θ２＋θ３　　　・・・（１）
　配向制御素子３０から角度θ１で出射された光は、入射面４３に入射する。光学素子４０の材料の屈折率をｎｐ、空気の屈折率を１とする。入射面４３における入射角をθ４、屈折角をθ５とする。反射面４４における入射角をθ６、反射角をθ７（＝θ６）とする。光学素子４０の上面における入射角をθ８、屈折角をθ９とする。屈折角θ９が出射角である。出射角θ９は、以下の式（２）で表される。
　θ９＝sin－１（ｎｐ＊sin（sin－１（（１／ｎｐ）＊sin(９０°－（θ１＋θ２）））＋θ２＋２θ３－９０°））　　　・・・（２）
　反射面４４における臨界角は、以下の式（３）で表される。
　臨界角＜θ６（＝θ７）
　臨界角＝sin－１（１／ｎｐ）　　　・・・（３）
　すなわち、反射面４４における入射角θ６は、反射面４４における臨界角より大きく設定される。換言すると、反射面４４の角度θ３は、反射面４４に入射する光の入射角が臨界角より大きくなるように設定される。
　また、入射面４３に入射した光は、入射面４３で全反射されないように設定される。すなわち、入射面４３の角度θ２は、入射面４３に入射する光の入射角が臨界角より小さくなるように設定される。
　光学素子４０の素子面と空中像２の面との角度、及び光学素子４０の素子面と空中像２の面との距離は、光学素子４０に入射する光の角度θ１、光学素子４０の屈折率、光学素子４０の入射面４３の角度θ２、光学素子４０の反射面４４の角度θ３を最適に設定することで調整が可能である。
　［１－２－２］　光照射動作
　次に、対象物に光を照射する光照射動作について説明する。図１３は、光照射動作を説明する斜視図である。図１４は、光照射動作を説明する下面図（空中像２を下から見た図）である。照明素子６１－１～６１－４にそれぞれ含まれる発光素子６３を、発光素子６３－１～６３－４と表記する。
　空中表示装置１は、空中像２を表示する。空中像２は、例えば押しボタンである。センシング素子５０は、空中像２を含む２次元の空間領域に検知領域５３を形成する。検知領域５３は、赤外光で構成される。
　観察者３は、自身の指３Ａで、空中像２を押す。センシング素子５０は、検知領域５３に含まれる対象物（観察者３の指３Ａ）を検知する。センシング素子５０の検知結果は、検知位置算出部８０Ｃに送られる。検知位置算出部８０Ｃは、センシング素子５０の検知結果に基づいて、対象物の位置を算出する。
　光照射判定部８０Ｄは、検知位置算出部８０Ｃにより算出された対象物の位置が、空中像２の領域に含まれるか否かを判定する。対象物の位置が空中像２の領域に含まれる場合、光照射判定部８０Ｄは、対象物に光を照射するように、照明装置６０を制御する。すなわち、照明素子６１－１～６１－４はそれぞれ、対象物の位置に対応する発光素子６３－１～６３－４に、所定の色の光を発光させる。照明素子６１－１～６１－４の各々が発光させる発光素子の数は、１個であってもよいし、２個以上であってもよい。また、照明素子６１－１～６１－４の各々が発光させる発光素子の数は、対象物の大きさに応じて設定してもよい。対象物の大きさが大きくなるにつれて、発光させる発光素子の数を増やしてもよい。発光素子６３－１～６３－４が発光する光の色は、任意に設定可能である。
　発光素子６３－１～６３－４から出射した光は、対象物（観察者３の指３Ａ）に照射される。観察者３は、自身の指３Ａに照射された所定の色の光を視認する。これにより、観察者３は、空中像２としての押しボタンを押したことを認識できる。
　［１－２－３］　全体動作の流れ
　次に、空中表示装置１における全体動作の流れについて説明する。図１５は、空中表示装置１における全体動作を説明するフローチャートである。
　制御部８０は、空中像２を表示する（ステップＳ１００）。表示処理部８０Ａは、表示素子２０の画面に画像を表示させる。光学素子４０は、表示素子２０からの光を反射し、空中に空中像２を結像する。
　続いて、センシング素子５０は、センシング動作を実行する（ステップＳ１０１）。センシング素子５０に含まれる発光部５１は、空中像２が表示された領域を含む検知領域５３に、赤外光を出射する。
　続いて、センシング素子５０は、検知領域５３内に対象物が存在するか否かを監視している（ステップＳ１０２）。すなわち、センシング素子５０に含まれる受光部５２は、対象物で反射された赤外光を監視している。
　センシング素子５０が対象物を検知した場合（Ｓ１０２＝Ｙｅｓ）、検知位置算出部８０Ｃは、センシング素子５０の検知信号に基づいて、対象物の位置を算出する（ステップＳ１０３）。
　続いて、光照射判定部８０Ｄは、対象物が設定領域内に存在するか否かを判定する（ステップＳ１０４）。設定領域は、空中像２が占める領域を意味する。設定領域の情報は、空中像２の画像に応じて予め設定され、当該情報は、記憶部８１に格納されている。
　対象物が設定領域内に存在する場合（Ｓ１０４＝Ｙｅｓ）、光照射判定部８０Ｄは、対象物に光を照射するように、照明装置６０を制御する（ステップＳ１０５）。照明装置６０の動作は、前述した通りである。
　［１－３］　第１実施形態の効果
　第１実施形態によれば、対象物（例えば観察者３の指）が空中像２に触れたことを検知した場合に、観察者３の指を任意の色の光で照射することができる。これにより、空中像２に触れたことをより明確に観察者に認識させることができる。
　また、空中表示装置１は、表示素子２０から出射された光を光学素子４０で反射させることで、空中に空中像２を表示することができる。また、空中表示装置１は、その正面方向において、光学素子４０の素子面に平行に空中像２を表示することができる。また、表示品質を向上させることが可能な空中表示装置１を実現できる。
　また、観察者３の両眼がＸ方向（すなわち、複数の光学要素４２が並ぶ方向）に平行、又はそれに近い状態で光学素子４０を見た場合に、観察者３は、空中像を視認することができる。また、観察者３の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態でＹ方向に沿って視点を移動した場合、空中像を常に視認することができる。また、観察者３の両眼がＸ方向に平行、又はそれに近い状態において、より広い視野角を実現できる。
　また、空中表示装置１を構成する複数の素子を平行に配置することができる。これにより、Ｚ方向に小型化が可能な空中表示装置１を実現できる。
　［２］　第２実施形態
　第２実施形態は、観察者３の指が空中像２の端部に存在する場合に、観察者３の指に、点滅する光を照射するようにしている。
　図１６は、本発明の第２実施形態に係る光照射動作を説明する下面図（空中像２を下から見た図）である。空中表示装置１の構成は、第１実施形態と同じである。
　空中表示装置１は、空中像２を表示する。センシング素子５０は、空中像２を含む２次元の空間領域に検知領域５３を形成する。観察者３は、自身の指３Ａで、空中像２を押す。この時、観察者３の指３Ａの位置が空中像２の端部であるものとする。空中像２の端部は、空中像２が占める領域の外周の端部を意味する。
　センシング素子５０は、検知領域５３に含まれる対象物（観察者３の指３Ａ）を検知する。センシング素子５０の検知結果は、検知位置算出部８０Ｃに送られる。検知位置算出部８０Ｃは、センシング素子５０の検知結果に基づいて、対象物の位置を算出する。
　光照射判定部８０Ｄは、検知位置算出部８０Ｃにより算出された対象物の位置が、空中像２の端部であるか否かを判定する。対象物の位置が空中像２の端部である場合、光照射判定部８０Ｄは、対象物に点滅する光を照射するように、照明装置６０を制御する。すなわち、照明素子６１－１～６１－４はそれぞれ、対象物の位置に対応する発光素子６３－１～６３－４に、所定の色の点滅する光を発光させる。
　発光素子６３－１～６３－４から出射した光は、対象物（観察者３の指３Ａ）に照射される。観察者３は、自身の指３Ａに照射された所定の色かつ点滅した光を視認する。これにより、観察者３は、空中像２としての押しボタンの端部を押したことを認識できる。
　次に、空中表示装置１における全体動作の流れについて説明する。図１７は、空中表示装置１における全体動作を説明するフローチャートである。ステップＳ１００～Ｓ１０３の動作は、第１実施形態と同じである。
　続いて、光照射判定部８０Ｄは、対象物が設定領域の中央部に存在するか否かを判定する（ステップＳ２００）。設定領域は、空中像２が占める領域を意味する。
　対象物が設定領域の中央部に存在する場合（Ｓ２００＝Ｙｅｓ）、光照射判定部８０Ｄは、対象物に光を照射するように、照明装置６０を制御する（ステップＳ２０１）。ステップＳ２０１における光は、連続点灯した光である。
　対象物が設定領域の中央部に存在しない場合（Ｓ２００＝Ｎｏ）、光照射判定部８０Ｄは、対象物が設定領域の端部に存在するか否かを判定する（ステップＳ２０２）。設定領域の端部は、設定領域の中央部の周囲の領域である。
　対象物が設定領域の端部に存在する場合（Ｓ２０２＝Ｙｅｓ）、光照射判定部８０Ｄは、対象物に点滅する光を照射するように、照明装置６０を制御する（ステップＳ２０３）。
　以後、図１７のフローを繰り返し、対象物が設定領域の端部から中央部に移動した場合、対象物に連続点灯した光が照射される。
　第２実施形態によれば、空中像２としての押しボタンの端部を押していることを観察者３に認識させることができる。また、空中像２としての押しボタンの中央部を押していることを観察者３に認識させることができる。これにより、観察者３の指３Ａを空中像２の中央部に誘導することができる。
　［３］　第３実施形態
　第３実施形態は、空中像２の領域に対象物が存在する場合に、対象物に遠赤外光を照射するようにしている。
　図１８は、本発明の第３実施形態に係る空中表示装置１の一部（センシング素子５０及び照明装置６０）を抽出した斜視図である。照明装置６０以外の構成は、図１と同じである。
　照明装置６０は、筐体７０の４個の側部にそれぞれ配置された４個の温感照明素子９０－１～９０－４を備える。温感照明素子９０－１～９０－４の各々は、光学素子４０の上方かつ空中像２とおおよそ同じレベルに配置される。温感照明素子９０－１～９０－４は、空中像２を含む平面（空中像２を含む空間領域）に配置されるとともに、空中像２が表示可能な領域の外側に配置される。温感照明素子９０－１～９０－４の各々は、検知領域全体に光を照射可能なように構成される。
　図１９は、温感照明素子９０－１の一部領域の側面図である。温感照明素子９０－２～９０－４の構成は、温感照明素子９０－１と同じである。
　温感照明素子９０－１は、センシング素子５０の検知領域に向けて光を照射可能なように配置される。温感照明素子９０－１は、基板９１と、複数の発光素子９２とを備える。基板９１は、一方向に延びるように構成される。基板９１は、樹脂などで構成される絶縁基板と、絶縁基板の上面及び／又は内部に設けられた配線層とを備える。
　複数の発光素子９２は、隣接するもの同士が所定の間隔を空けるようにして、基板９１が延びる方向に沿って一列に配置される。複数の発光素子９２の数及び各々のサイズは、適宜設定可能である。発光素子９２は、遠赤外線の波長領域の光（遠赤外光）を発光する。遠赤外光は、物質の温度を上昇させることができる。
　次に、上記のように構成された空中表示装置１の動作について説明する。
　図２０は、光照射動作を説明する下面図（空中像２を下から見た図）である。温感照明素子９０－１～９０－４にそれぞれ含まれる発光素子９２を、発光素子９２－１～９２－４と表記する。対象物（観察者３の指３Ａ）の位置を算出するまでの動作は、第１実施形態と同じである。
　光照射判定部８０Ｄは、検知位置算出部８０Ｃにより算出された対象物の位置が、空中像２の領域に含まれるか否かを判定する。対象物の位置が空中像２の領域に含まれる場合、光照射判定部８０Ｄは、対象物に遠赤外光を照射するように、照明装置６０を制御する。すなわち、温感照明素子９０－１はそれぞれ、対象物の位置に対応する発光素子９２－１～９２－４に、遠赤外光を発光させる。温感照明素子９０－１～９０－４の各々が発光させる発光素子の数は、１個であってもよいし、２個以上であってもよい。また、温感照明素子９０－１～９０－４の各々が発光させる発光素子の数は、対象物の大きさに応じて設定してもよい。対象物の大きさが大きくなるにつれて、発光させる発光素子の数を増やしてもよい。
　発光素子９２－１～９２－４から出射した遠赤外光は、対象物（観察者３の指３Ａ）に照射される。観察者３は、自身の指３Ａが温かくなったことを認識する。これにより、観察者３は、空中像２としての押しボタンを押したことを認識できる。
　なお、照明素子６１－１～６１－４による可視光線を照射する動作は、第１及び第２実施形態と同じである。
　次に、空中表示装置１における全体動作の流れについて説明する。図２１は、空中表示装置１における全体動作を説明するフローチャートである。ステップＳ１００～Ｓ１０４の動作は、第１実施形態と同じである。
　続いて、対象物が設定領域内に存在する場合（Ｓ１０４＝Ｙｅｓ）、光照射判定部８０Ｄは、対象物に遠赤外光を照射するように、照明装置６０を制御する（ステップＳ３００）。照明装置６０の動作は、前述した通りである。
　また、対象物に遠赤外光を照射する動作と並行して、対象物に可視光線を照射する動作が行われる。
　第３実施形態によれば、空中像２としての押しボタンの端部を押していることを温度感覚によって観察者３に認識させることができる。
　なお、変形例として、可視光線の照射を行わず、遠赤外光のみを照射するようにしてもよい。すなわち、照明装置６０は、温感照明素子９０－１～９０－４のみを備え、温度感覚のみを観察者３に認識させるようにしてもよい。この変形例では、照明素子６１－１～６１－４による光照射は行われない。
　［４］　第４実施形態
　第４実施形態は、光学素子４０に対して表示素子２０を斜めに配置し、表示素子２０と面対称の位置に空中像２を表示する構成例である。
　図２２は、本発明の第４実施形態に係る空中表示装置１の斜視図である。図２２において、Ｘ方向は、筐体７０のある１辺に沿った方向であり、Ｙ方向は、筐体７０の水平面内においてＸ方向に直交する方向であり、Ｚ方向は、ＸＹ面に直交する方向である。図２３は、空中表示装置１の一部（センシング素子５０及び照明装置６０）を抽出した斜視図である。
　空中表示装置１は、バックライト１０、表示素子２０、光学素子４０、センシング素子５０、照明装置６０（照明素子６１－１～６１－４）、及び筐体７０を備える。
　バックライト１０及び表示素子２０の構成は、第１実施形態と同じである。図２２では、導光板１２及び反射シート１３を一体で図示している。ＹＺ面から見て、表示素子２０は、光学素子４０に対して斜めに配置される。表示素子２０と光学素子４０とのなす角度は、例えば１０度以上６０度以下である。
　光学素子４０は、表示素子２０からの光を受けるように配置される。光学素子４０は、２面コーナーリフレクタがアレイ状に配列された２面コーナーリフレクタアレイで構成される。光学素子４０は、底面側から入射した光を上面側に反射する。また、光学素子４０は、表示素子２０の画像を面対称の位置に結像し、空中に空中像を結像する。
　図２４Ａは、図２２に示した光学素子４０のＸ´Ｚ´面における側面図である。図２４Ｂは、図２２に示した光学素子４０の下面図である。図２４Ａ及び図２４Ｂにおいて、Ｘ´方向は、光学素子４０のある一辺に沿った方向であり、Ｙ´方向は、光学素子４０の面内においてＸ´方向と直交する方向であり、Ｚ´方向は、Ｘ´Ｙ´面に直交する方向である。
　光学素子４０は、基材４１、及び複数の光学要素４５を備える。図２４Ａには、１個の光学要素４５の斜視図を抽出して示している。基材４１と複数の光学要素４５とは、アクリル樹脂などの透明な材料で構成される。基材４１と複数の光学要素４５とは、一体で構成されてもよいし、透明な接着材で接着されてもよい。
　複数の光学要素４５は、基材４１の底面に設けられる。光学要素４５は、直方体、又は立方体からなる。光学要素４５の平面形状は、例えば正方形である。光学要素４５は、２個の反射面４６、４７を有する。反射面４６、４７は、直方体の２個の側面に対応し、互いに接する。反射面４６、４７は、いわゆる２面コーナーリフレクタを構成する。
　光学要素４５は、１辺がＸ´方向に対して角度θ１０だけ傾くように配置される。角度θ１０は、例えば４５度である。なお、角度θ１０は、４５度に限定されず、３０度以上６０度以下の範囲で設定可能である。複数の光学要素４５は、千鳥状に配列される。すなわち、複数の光学要素４５は、１行がＸ方向に対して４５度の方向に延び、複数行がＹ方向に対して４５度の方向に並ぶように配置される。また、複数の光学要素４５は、互いに隙間を空けて配置される。
　図２３に示すように、照明装置６０は、４個の照明素子６１－１～６１－４を備える。照明素子６１－１～６１－４は、空中像２を含む２次元の空間領域に配置され、空中像２が表示される四角形の空間領域の４つの側辺にそれぞれ配置される。照明素子６１－１～６１－４の構成は、第１実施形態と同じである。
　センシング素子５０は、空中像２を含む２次元の空間領域付近に配置され、空中像２が表示される四角形の空間領域の１つの側辺付近に配置される。センシング素子５０は、空中表示装置１が生成した空中像２の一部又は全部を含む２次元の空間領域に、検知領域を形成する。センシング素子５０の構成は、第１実施形態と同じである。
　筐体７０は、センシング素子５０及び照明装置６０を収容する。筐体７０は、空中像２を含む２次元の空間領域に配置される。すなわち、ＹＺ面から見て、筐体７０は、光学素子４０の上方に配置され、光学素子４０に対して斜めに配置される。筐体７０は、平面視において四角形を有する。センシング素子５０及び照明装置６０は、筐体７０の内側の面に支持部材（図示せず）を用いて取り付けられる。筐体７０は、空中像２が表示される四角形の空間領域を露出する開口部７１を有する。
　第４実施形態に係る空中表示装置１の動作は、第１実施形態と同じである。第４実施形態においても、第１実施形態と同じ効果を得ることができる。また、第４実施形態に、第２又は第３実施形態を適用することも可能である。
　［５］　変形例
　上記各実施形態では、照明装置６０が４個の照明素子６１－１～６１－４を備える構成について示している。しかし、この構成に限定されず、照明装置６０が１個の照明素子６１を備えていてもよいし、２個以上の照明素子６１を備えていてもよい。温感照明素子９０－１～９０－４についても同様である。
　第１実施形態では、表示素子２０と光学素子４０とを平行に配置している。しかし、これに限定されず、光学素子４０に対して表示素子２０を斜めに配置してもよい。表示素子２０と光学素子４０とのなす角度は、例えば、１０度以上６０度以下に設定される。この変形例では、配向制御素子３０を省略できる。
　第１実施形態では、光学要素４２の左側の側面が入射面４３、右側の側面が反射面４４として定義している。しかし、これに限定されず、入射面４３と反射面４４とを逆に構成してもよい。この場合、実施形態で説明した空中表示装置１の作用も左右が逆になる。
　上記各実施形態では、表示素子２０として液晶表示素子を例に挙げて説明しているが、これに限定されるものではない。表示素子２０は、自発光型である有機ＥＬ（electroluminescence）表示素子、又はマイクロＬＥＤ（Light Emitting Diode）表示素子などを用いることも可能である。マイクロＬＥＤ表示素子は、画素を構成するＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）をそれぞれＬＥＤで発光させる表示素子である。自発光型の表示素子２０を用いる場合、バックライト１０は不要である。
　本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
　１…空中表示装置、２…空中像、３…観察者、１０…バックライト、１１…光源部、１２…導光板、１３…反射シート、２０…表示素子、３０…配向制御素子、３１，３２…基材、３３…透明部材、３４…遮光部材、４０…光学素子、４１…基材、４２…光学要素、４３…入射面、４４…反射面、４５…光学要素、４６，４７…反射面、５０…センシング素子、５１…発光部、５２…受光部、５３…検知領域、６０…照明装置、６１－１～６１－４…照明素子、６２…基板、６３…発光素子、６４…基板、６５Ｂ…青色ＬＥＤ、６５Ｇ…緑色ＬＥＤ、６５Ｒ…赤色ＬＥＤ、６６－１，６６－２…リードフレーム、６７…封止樹脂、７０…筐体、７１…開口部、８０…制御部、８０Ａ…表示処理部、８０Ｂ…情報処理部、８０Ｃ…検知位置算出部、８０Ｄ…光照射判定部、８１…記憶部、８２…入出力インターフェース、８３…表示部、８４…入力部、８５…バス、９０－１～９０－４…温感照明素子、９１…基板、９２…発光素子。

Claims (14)

  1. 　画像を表示する表示素子と、
    　前記表示素子からの光を受けるように配置され、前記表示素子からの光を、前記表示素子と反対側に反射し、空中に空中像を結像する光学素子と、
    　前記空中像を含む空間領域に検知領域を形成し、前記検知領域内の対象物を検知するセンシング素子と、
    　前記対象物が前記空中像の領域に存在する場合に、前記対象物に光を照射する照明素子と、
    　を具備する空中表示装置。
  2. 　前記照明素子は、前記空中像を含む平面に配置される
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  3. 　前記照明素子は、前記平面に沿って並んだ複数の第１発光素子を含む
    　請求項２に記載の空中表示装置。
  4. 　前記複数の第１発光素子のうち前記対象物の位置に対応する１個の発光素子を発光させる判定部をさらに具備する
    　請求項３に記載の空中表示装置。
  5. 　前記照明素子は、前記対象物が前記空中像の領域の端部に存在する場合に、前記対象物に点滅する光を照射する
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  6. 　前記対象物が前記空中像の領域に存在する場合に、前記対象物に遠赤外光を照射する温感照明素子をさらに具備する
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  7. 　前記温感照明素子は、前記空中像を含む平面に配置される
    　請求項６に記載の空中表示装置。
  8. 　前記温感照明素子は、前記平面に沿って並んだ複数の第２発光素子を含む
    　請求項７に記載の空中表示装置。
  9. 　前記複数の第２発光素子のうち前記対象物の位置に対応する１個の発光素子を発光させる判定部をさらに具備する
    　請求項８に記載の空中表示装置。
  10. 　前記センシング素子は、前記検知領域に向けて光を発光する発光部と、前記対象物で反射された反射光を受光する受光部とを含む
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  11. 　前記光学素子は、平面状の基材と、前記基材の下に設けられ、それぞれが第１方向に延び、前記第１方向に直交する第２方向に並んだ複数の光学要素とを含み、
    　前記複数の光学要素の各々は、前記基材の法線方向に対してそれぞれが傾き、互いに接する入射面及び反射面を有する
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  12. 　前記表示素子と前記光学素子との間に配置され、前記表示素子からの光のうち斜め方向の光成分を透過する配向制御素子をさらに具備する
    　請求項１に記載の空中表示装置。
  13. 　前記配向制御素子は、交互に配置された複数の透明部材及び複数の遮光部材を含み、
    　前記複数の遮光部材は、前記配向制御素子の法線に対して傾いている
    　請求項１２に記載の空中表示装置。
  14. 　前記表示素子及び前記光学素子は、互いに平行に配置される
    　請求項１に記載の空中表示装置。
     
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