特開 2024-67476 空中表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024067476

(43)【公開日】2024-05-17

(54)【発明の名称】空中表示装置

(51)【国際特許分類】

   G06F 3/042 20060101AFI20240510BHJP

   G02B 30/56 20200101ALI20240510BHJP

   G06F 3/04817 20220101ALI20240510BHJP

【ＦＩ】

G06F3/042 481

G02B30/56

G06F3/04817

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022177587

(22)【出願日】2022-11-04

(71)【出願人】

【識別番号】000003193

【氏名又は名称】ＴＯＰＰＡＮホールディングス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100179062

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 正

(74)【代理人】

【識別番号】100199565

【弁理士】

【氏名又は名称】飯野 茂

(74)【代理人】

【識別番号】100209048

【弁理士】

【氏名又は名称】森川 元嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100212705

【弁理士】

【氏名又は名称】矢頭 尚之

(74)【代理人】

【識別番号】100219542

【弁理士】

【氏名又は名称】大宅 郁治

(72)【発明者】

【氏名】代工 康宏

【テーマコード（参考）】

2H199

5E555

【Ｆターム（参考）】

2H199BA32

2H199BA52

2H199BB08

2H199BB20

2H199BB52

5E555AA64

5E555BA02

5E555BB02

5E555BC04

5E555CA12

5E555CB14

5E555CB34

5E555CC03

5E555DA11

5E555DB18

5E555DC21

5E555FA00

(57)【要約】

【課題】 観察者による空中像へのタッチ操作をより正確に検知することが可能な空中表示装置を提供する。
【解決手段】 空中表示装置は、画像を表示する表示素子２０と、表示素子２０からの光を受けるように配置され、表示素子２０からの光を、表示素子２０と反対側に反射し、空中に空中像を結像する光学素子４０と、空中像と重なる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とを含む。隣接する空中像の間隔は、空中像の中心からの観察者の移動量に基づいて設定される。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項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、
前記空中像と重なる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、
を具備し、
前記表示素子から前記光学素子までの距離をＤｏｉ、前記光学素子から前記検知領域までの距離をＤａｏ、前記検知領域から観察者までの距離をＤｅａ、前記光学素子と平行な方向における前記空中像の中心からの前記観察者の移動量をＬ、隣接する空中像の間隔をＳｄとすると、Ｓｄは、以下の式を満たす
Ｓｄ＝（Ｄｏｉ＋Ｄａｏ）*Ｌ／（Ｄｏｉ＋Ｄａｏ＋Ｄｅａ）
空中表示装置。

【請求項2】

Ｄｏｉ＝２０（ｍｍ）、Ｄａｏ＝３０（ｍｍ）、Ｄｅａ＝５００（ｍｍ）、Ｌ＝７４（ｍｍ）、Ｓｄ＝６．７（ｍｍ）に設定される
請求項１に記載の空中表示装置。

【請求項3】

前記空中表示装置は、１６歳以上が主に使用する機器に備えられる
請求項２に記載の空中表示装置。

【請求項4】

Ｄｏｉ＝２０（ｍｍ）、Ｄａｏ＝３０（ｍｍ）、Ｄｅａ＝５００（ｍｍ）、Ｌ＝５０（ｍｍ）、Ｓｄ＝４．５（ｍｍ）に設定される
請求項１に記載の空中表示装置。

【請求項5】

前記空中表示装置は、車椅子使用者向けの機器に備えられる
請求項４に記載の空中表示装置。

【請求項6】

Ｄｏｉ＝２０（ｍｍ）、Ｄａｏ＝３０（ｍｍ）、Ｄｅａ＝４００（ｍｍ）、Ｌ＝２５６（ｍｍ）、Ｓｄ＝２８（ｍｍ）に設定される
請求項１に記載の空中表示装置。

【請求項7】

前記空中表示装置は、１５歳以下が主に使用する機器に備えられる
請求項６に記載の空中表示装置。

【請求項8】

前記Ｓｄの情報を格納する記憶部と、
前記記憶部の情報に基づいて、前記空中像の間隔を設定する設定部と、
をさらに具備する
請求項１に記載の空中表示装置。

【請求項9】

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。

【請求項10】

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。

【請求項11】

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。

【請求項12】

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１１に記載の空中表示装置。

【請求項13】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、空中表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

観察者は、機器に接触することなく、空中表示装置が表示した空中像をタッチすることが可能である。空中表示装置が備えるセンシング素子は、空中像の領域に存在する物体を検知し、観察者が空中像をタッチしたことを認識する。

【0005】

空中表示装置に対して観察者の視点が移動した場合に、視点の移動に合わせて空中像が移動する場合がある。この場合、空中像と、空中像を検知するための検知領域とがずれてしまう。この場合、センシング素子は、観察者が目標とする空中像とは異なる空中像がタッチされたと認識してしまう可能性がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１１－１９１４０４号公報

【特許文献2】特開２０１１－１７５２９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、観察者による空中像へのタッチ操作をより正確に検知することが可能な空中表示装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

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、前記空中像と重なる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を具備し、前記表示素子から前記光学素子までの距離をＤｏｉ、前記光学素子から前記検知領域までの距離をＤａｏ、前記検知領域から観察者までの距離をＤｅａ、前記光学素子と平行な方向における前記空中像の中心からの前記観察者の移動量をＬ、隣接する空中像の間隔をＳｄとすると、Ｓｄは、以下の式を満たす
Ｓｄ＝（Ｄｏｉ＋Ｄａｏ）*Ｌ／（Ｄｏｉ＋Ｄａｏ＋Ｄｅａ）
空中表示装置が提供される。

【0009】

本発明の第２態様によると、Ｄｏｉ＝２０（ｍｍ）、Ｄａｏ＝３０（ｍｍ）、Ｄｅａ＝５００（ｍｍ）、Ｌ＝７４（ｍｍ）、Ｓｄ＝６．７（ｍｍ）に設定される、第１態様に係る空中表示装置が提供される。

【0010】

本発明の第３態様によると、前記空中表示装置は、１６歳以上が主に使用する機器に備えられる、第２態様に係る空中表示装置が提供される。

【0011】

本発明の第４態様によると、Ｄｏｉ＝２０（ｍｍ）、Ｄａｏ＝３０（ｍｍ）、Ｄｅａ＝５００（ｍｍ）、Ｌ＝５０（ｍｍ）、Ｓｄ＝４．５（ｍｍ）に設定される、第１態様に係る空中表示装置が提供される。

【0012】

本発明の第５態様によると、前記空中表示装置は、車椅子使用者向けの機器に備えられる、第４態様に係る空中表示装置が提供される。

【0013】

本発明の第６態様によると、Ｄｏｉ＝２０（ｍｍ）、Ｄａｏ＝３０（ｍｍ）、Ｄｅａ＝４００（ｍｍ）、Ｌ＝２５６（ｍｍ）、Ｓｄ＝２８（ｍｍ）に設定される、第１態様に係る空中表示装置が提供される。

【0014】

本発明の第７態様によると、前記空中表示装置は、１５歳以下が主に使用する機器に備えられる、第６態様に係る空中表示装置が提供される。

【0015】

本発明の第８態様によると、前記Ｓｄの情報を格納する記憶部と、前記記憶部の情報に基づいて、前記空中像の間隔を設定する設定部とをさらに具備する、第１態様に係る空中表示装置が提供される。

【0016】

本発明の第９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。

【0017】

本発明の第１０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。

【0018】

本発明の第１１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。

【0019】

本発明の第１２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１１態様に係る空中表示装置が提供される。

【0020】

本発明の第１３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。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、観察者による空中像へのタッチ操作をより正確に検知することが可能な空中表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】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】図２は、図１に示した空中表示装置のＸＺ面における側面図である。

【図3A】図３Ａは、図１に示した配向制御素子の平面図である。

【図3B】図３Ｂは、図３ＡのＡ－Ａ´線に沿った配向制御素子の断面図である。

【図4】図４は、図１に示した光学素子の斜視図である。

【図5】図５は、空中表示装置のブロック図である。

【図6】図６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7】図７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8】図８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9】図９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10】図１０は、空中像の間隔の設定手法を説明する模式図である。

【図11】図１１は、１６歳以上の日本人における身長の平均値を説明する図である。

【図12】図１２は、車椅子使用者の目線の高さを説明する図である。

【図13】図１３は、１５歳以下の日本人における身長の平均値を説明する図である。

【図14】図１４は、空中表示装置における表示モードの設定動作を説明するフローチャートである。

【図15】図１５は、本発明の第２実施形態に係る空中表示装置における表示モードの設定動作を説明するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0023】

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。

【0024】

［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、図１に示した空中表示装置１のＸＺ面における側面図である。

【0025】

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。空中表示装置１の光出射面とは、空中表示装置１を構成しかつ光路上に配置された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。

【0026】

空中表示装置１は、照明素子（バックライトともいう）１０、表示素子２０、配向制御素子３０、光学素子４０、及びセンシング素子５０を備える。照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、光学素子４０、及びセンシング素子５０は、図示せぬ筐体に収容される。照明素子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。照明素子１０、表示素子２０、配向制御素子３０、及び光学素子４０は、互いに特定の間隔を空けるようにして、図示せぬ固定部材で特定の位置に固定される。

【0027】

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

【0028】

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。照明素子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。

【0029】

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

【0030】

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θ_１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の面積以上に設定される。配向制御素子３０の詳細な構成については後述する。

【0031】

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。

【0032】

センシング素子５０は、光学素子４０の上方かつ空中表示装置１の一側部に配置される。センシング素子５０は、例えば、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、センシング素子５０から出射される光が空中像２を斜めに横切るように、空中像２より下方に配置してもよい。センシング素子５０は、図示せぬ固定部材で特定の位置に固定される。

【0033】

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は、適宜設定可能である。

【0034】

［１－１－１］ 配向制御素子３０の構成
図３Ａは、図１に示した配向制御素子３０の平面図である。図３Ｂは、図３ＡのＡ－Ａ´線に沿った配向制御素子３０の断面図である。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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θ_１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θ_１だけ傾いた平行四辺形である。透明部材３３は、光を透過する。

【0039】

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θ_１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θ_１だけ傾いた平行四辺形である。遮光部材３４は、光を遮光する。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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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

【0044】

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

【0045】

［１－１－２］ 光学素子４０の構成
図４は、図１に示した光学素子４０の斜視図である。図４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４の拡大図は、ＸＺ面における側面図である。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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θ_ｐを有する。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

［１－１－３］ 空中表示装置１のブロック構成
図５は、空中表示装置１のブロック図である。空中表示装置１は、制御部６０、記憶部６１、入出力インターフェース（入出力ＩＦ）６２、表示部６３、センシング素子５０、及び入力部６４を備える。制御部６０、記憶部６１、及び入出力インターフェース６２は、バス６５を介して互いに接続される。

【0052】

入出力インターフェース６２は、表示部６３、センシング素子５０、及び入力部６４に接続される。入出力インターフェース６２は、表示部６３、センシング素子５０、及び入力部６４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。

【0053】

表示部６３は、照明素子１０、及び表示素子２０を備える。表示部６３は、画像を表示する。

【0054】

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。

【0055】

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

【0056】

表示処理部６０Ａは、表示部６３（具体的には、照明素子１０、及び表示素子２０）の動作を制御する。表示処理部６０Ａは、照明素子１０のオン及びオフを制御する。表示処理部６０Ａ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。

【0057】

情報処理部６０Ｂ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６０Ｂは、記憶部６１に格納された画像データを用いることが可能である。情報処理部６０Ｂ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。

【0058】

検知位置算出部６０Ｃは、センシング素子５０の動作を制御する。検知位置算出部６０Ｃ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６０Ｃ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。

【0059】

表示モード設定部６０Ｄは、複数の表示モードのうち設定された表示モードに従って空中像２の配置を設定する。表示モード設定部６０Ｄは、記憶部６１に予め格納された表示モードに関する情報に基づいて、特定の表示モードを選択する。

【0060】

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

【0061】

入力部６４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６０Ｂは、入力部６４が受け付けた情報に基づいて、表示部６３に表示する画像を選択することが可能である。

【0062】

［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。

【0063】

図２の矢印は、光路を示している。図２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θ_１の光成分（角度θ_１を中心とした所定の角度範囲の光成分を含む）は、配向制御素子３０を透過する。配向制御素子３０を透過した光は、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。

【0064】

図６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７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７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８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８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。

【0065】

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と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。

【0066】

図７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。

【0067】

図８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。

【0068】

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。

【0069】

図９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。

【0070】

Ｚ方向（素子面に垂直な方向）に対する入射面４３の角度をθ_２、Ｚ方向に対する反射面４４の角度をθ_３、入射面４３と反射面４４とのなす角度をθ_ｐとする。角度をθ_ｐは、以下の式（１）で表される。
θ_ｐ＝θ_２＋θ_３ ・・・（１）

【0071】

配向制御素子３０から角度θ_１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ｎ_ｐ、空気の屈折率を１とする。入射面４３における入射角をθ_４、屈折角をθ_５とする。反射面４４における入射角をθ_６、反射角をθ_７（＝θ_６）とする。光学素子４０の上面における入射角をθ_８、屈折角をθ_９とする。屈折角θ_９が出射角である。出射角θ_９は、以下の式（２）で表される。
θ_９＝sin^－１（ｎ_ｐ＊sin（sin^－１（（１／ｎ_ｐ）＊sin(９０°－（θ_１＋θ_２）））＋θ₂＋２θ_３－９０°）） ・・・（２）

【0072】

反射面４４における臨界角は、以下の式（３）で表される。
臨界角＜θ_６（＝θ_７）
臨界角＝sin^－１（１／ｎ_ｐ） ・・・（３）

【0073】

すなわち、反射面４４における入射角θ_６は、反射面４４における臨界角より大きく設定される。換言すると、反射面４４の角度θ_３は、反射面４４に入射する光の入射角が臨界角より大きくなるように設定される。

【0074】

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

【0075】

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θ_１、光学素子４０の屈折率、光学素子４０の入射面４３の角度θ_２、光学素子４０の反射面４４の角度θ_３を最適に設定することで調整が可能である。

【0076】

［１－３］ 空中像２の間隔の設定手法
次に、空中像２の間隔の設定手法について説明する。

【0077】

図１０は、空中像２の間隔の設定手法を説明する模式図である。図１０には、表示素子２０及び光学素子４０を抽出して示している。図１０は、ＹＺ面における側面図である。空中表示装置１は、観察者３が直立した状態、又は車椅子などに座った状態で、観察者３の正面に配置されている。すなわち、Ｙ方向が鉛直方向（地面に直交する方向）であり、Ｘ方向が水平方向（地面に平行な方向）であり、Ｚ方向が観察者３の正面方向（視線に平行な方向）である。観察者３の上下方向は、Ｙ方向に沿った方向である。

【0078】

表示素子２０は、自身の画面に表示像２１を表示する。表示像２１の光は、図示せぬ配向制御素子３０を介して、光学素子４０に入射する。光学素子４０は、表示像２１の光を表示素子２０と反対側に反射し、空中に空中像２を結像する。空中像２は、例えば押しボタンである。図１０には、Ｙ方向に沿って、複数の表示像２１、及び複数の空中像２を例示している。

【0079】

センシング素子５０は、空中像２が表示される位置（レベル）である空中像レベルに、赤外光からなる２次元領域の検知領域５３を形成し、この検知領域５３に存在する対象物を検知可能である。図１０には、空中像２に対応する検知部分領域５４を示している。検知部分領域５４は、Ｚ方向から見て、空中像２と重なり、かつ空中像２と同じ面積である。センシング素子５０（具体的には、センシング素子５０及び検知位置算出部６０Ｃ）は、ある検知部分領域５４に対象物（例えば観察者３の指）が存在する場合に、当該検知部分領域５４に重なる空中像２が観察者３によってタッチされたことを検知する。検知部分領域５４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６１に格納されている。

【0080】

表示素子２０上の表示像２１のＹ方向の長さを“Ｉａ”、表示素子２０上のＹ方向に隣接する表示像２１の間隔を“Ｉｄ”、 検知部分領域５４のＹ方向の長さを“Ｓａ”、Ｙ方向に隣接する検知部分領域５４の間隔を“Ｓｄ”とする。空中像２のＹ方向の長さは、長さＳａと同じである。Ｙ方向に隣接する空中像２の間隔は、間隔Ｓｄと同じである。Ｙ方向における空中像２の中心（基準点ともいう）を“ｏ´”、Ｙ方向における基準点ｏ´からの観察者３の移動量を“Ｌ”とする。観察者３の位置は、観察者３の目の位置を意味する。表示素子２０から光学素子４０までの距離を“Ｄｏｉ”、光学素子４０から検知領域５３までの距離を“Ｄａｏ”、検知領域５３から観察者３までの距離を“Ｄｅａ”とする。例えば、Ｉａ＝Ｓａ、Ｉｄ＝Ｓｄである。

【0081】

距離Ｄｏｉ、Ｄａｏ、Ｄｅａ、移動量Ｌ、及び間隔Ｓｄは、以下の式（４）の関係を有する。
（Ｄｏｉ＋Ｄａｏ＋Ｄｅａ）：Ｌ＝（Ｄｏｉ＋Ｄａｏ）：Ｓｄ ・・・（４）

【0082】

式（４）から、間隔Ｓｄは、以下の式（５）で表される。
Ｓｄ＝（Ｄｏｉ＋Ｄａｏ）*Ｌ／（Ｄｏｉ＋Ｄａｏ＋Ｄｅａ） ・・・（５）

【0083】

観察者３が基準点ｏ´にいる場合、観察者に光７０が届くことで、観察者３は、空中像２を視認する。この場合、空中像２と、これに対応する検知部分領域５４とは同じ位置にある。よって、観察者３が空中像２をタッチした場合、センシング素子５０は、観察者３のタッチ操作を検知できる。

【0084】

観察者３が上方向に移動量Ｌだけ移動した場合、観察者３に光７１が届くことで、観察者３は、検知部分領域５４から上にずれた位置（光７１と空中像レベルとが重なる領域）で空中像を視認する。移動量Ｌが大きくなると、観察者３が視認する空中像２が、上側に隣接する検知部分領域５４に部分的に重なってしまう。この場合、観察者３が空中像２をタッチした場合、センシング素子５０は、検知すべき空中像２の上側に隣接する空中像をタッチしたと認識してしまう可能性がある。

【0085】

観察者３が下方向に移動量Ｌだけ移動した場合、観察者に光７２が届くことで、観察者３は、検知部分領域５４から下にずれた位置（光７２と空中像レベルとが重なる領域）で空中像を視認する。移動量Ｌが大きくなると、観察者３が視認する空中像２が、下側に隣接する検知部分領域５４に部分的に重なってしまう。この場合、観察者３が空中像２をタッチした場合、センシング素子５０は、検知すべき空中像２の下側に隣接する空中像をタッチしたと認識してしまう可能性がある。

【0086】

よって、センシング素子５０の誤検知を抑制するためには、観察者３が上下に移動する移動量Ｌを想定して、空中像２の間隔Ｓｄを設定することが要求される。本実施形態では、間隔Ｓｄは、空中表示装置１が使用される場所に応じて、以下の第１乃至第３表示モードにそれぞれ対応して設定される。

【0087】

［１－３－１］ 第１表示モード
第１表示モードは、１６歳以上が主に使用する機器に備えられる空中表示装置１の実施例である。第１表示モードは、ガソリンスタント向けＳＳ（service station）－ＰＯＳ（point of sales）ターミナル、及び医療機関向け受付システムに備えられる空中表示装置を含む。

【0088】

図１１は、１６歳以上の日本人における身長の平均値を説明する図である。図１１は、スポーツ庁から出典された令和２年の体力・運動能力調査を引用している。図１１には、年齢ごとに、標本数、平均値、及び標準偏差の数値が示される。図１１から、１６歳以上の日本人の平均的な身長の情報が得られる。

【0089】

１６歳以上の日本人における身長の平均値の最大値は、１７２．１３（ｃｍ）であり、最小値は、１５７．２６（ｃｍ）である。最大値及び最小値から、身長の範囲は、“１６４．６９±７．４（ｃｍ）”となる。基準位置＝１６４．６９（ｃｍ）、Ｌ＝７４（ｍｍ）となる。ここで言うＬは、身長に応じて変化する移動量の上限を想定している。

【0090】

Ｄｏｉ＝２０（ｍｍ）、Ｄａｏ＝３０（ｍｍ）、Ｄｅａ＝５００（ｍｍ）とする。式（５）から、Ｓｄ＝６．７（ｍｍ）が算出される。

【0091】

第１表示モードでは、空中像２のＹ方向の間隔の最小値が“６．７（ｍｍ）”になるように、複数の空中像２を配置することで、センシング素子５０の誤検知を抑制することができる。また、空中像２のＹ方向の間隔を“６．７（ｍｍ）”以上にすることで、センシング素子５０の誤検知を抑制することができる。空中像２のＹ方向の間隔の上限は、空中表示装置１のＹ方向のサイズの半分である。

【0092】

［１－３－２］ 第２表示モード
第２表示モードは、車椅子使用者向けの機器に備えられる空中表示装置１の実施例である。

【0093】

図１２は、車椅子使用者の目線の高さを説明する図である。図１２には、車椅子と、車椅子に座った使用者とを示している。

【0094】

車椅子使用者の目線の高さの平均値は、一般的に、男性で１１５（ｃｍ）、女性で１０５（ｃｍ）とされている。すなわち、平均値の最大値は、１１５（ｃｍ）であり、最小値は、１０５（ｃｍ）である。最大値及び最小値から、目線の高さの範囲は、“１１０±５（ｃｍ）”となる。基準位置＝１１０（ｃｍ）、Ｌ＝５０（ｍｍ）となる。

【0095】

Ｄｏｉ＝２０（ｍｍ）、Ｄａｏ＝３０（ｍｍ）、Ｄｅａ＝５００（ｍｍ）とする。式（５）から、Ｓｄ＝４．５（ｍｍ）が算出される。

【0096】

第２表示モードでは、空中像２のＹ方向の間隔の最小値が“４．５（ｍｍ）”になるように、複数の空中像２を配置することで、センシング素子５０の誤検知を抑制することができる。また、空中像２のＹ方向の間隔を“４．５（ｍｍ）”以上にすることで、センシング素子５０の誤検知を抑制することができる。

【0097】

［１－３－３］ 第３表示モード
第３表示モードは、１５歳以下が主に使用する機器に備えられる空中表示装置１の実施例である。第３表示モードは、子供向け遊技機、及び子供向け情報入力装置に備えられる空中表示装置を含む。

【0098】

図１３は、１５歳以下の日本人における身長の平均値を説明する図である。図１３は、スポーツ庁から出典された令和２年の体力・運動能力調査を引用している。図１３には、年齢ごとに、標本数、平均値、及び標準偏差の数値が示される。図１３から、１５歳以下の日本人の平均的な身長の情報が得られる。

【0099】

１５歳以下の日本人における身長の平均値の最大値は、１６８．４１（ｃｍ）であり、最小値は、１１７．２７（ｃｍ）である。最大値及び最小値から、身長の範囲は、“１４２．８±２５．６（ｃｍ）”となる。基準位置＝１４２．８（ｃｍ）、Ｌ＝２５６（ｍｍ）となる。

【0100】

Ｄｏｉ＝２０（ｍｍ）、Ｄａｏ＝３０（ｍｍ）、Ｄｅａ＝４００（ｍｍ）とする。式（５）から、Ｓｄ＝２８（ｍｍ）が算出される。

【0101】

第３表示モードでは、空中像２のＹ方向の間隔の最小値が“２８（ｍｍ）”になるように、複数の空中像２を配置することで、センシング素子５０の誤検知を抑制することができる。また、空中像２のＹ方向の間隔を“２８（ｍｍ）”以上にすることで、センシング素子５０の誤検知を抑制することができる。

【0102】

［１－４］ 表示モードの設定動作
次に、空中表示装置１における表示モードの設定動作について説明する。図１４は、空中表示装置１における表示モードの設定動作を説明するフローチャートである。

【0103】

表示モード設定部６０Ｄは、表示モードに関する情報を、記憶部６１から読み出す（ステップＳ１００）。表示モードは、前述した第１乃至第３表示モードを含む。

【0104】

続いて、表示モード設定部６０Ｄは、記憶部６１から読み出した情報に基づいて、表示モードに応じた画像を決定する（ステップＳ１０１）。

【0105】

続いて、表示処理部６０Ａは、表示モード設定部６０Ｄにより決定された画像を、表示素子２０に表示させる（ステップＳ１０２）。光学素子４０は、表示素子２０からの光を反射して、空中に空中像２を表示する。また、複数の空中像２は、表示モードによって設定された間隔を空けて配置される。これにより、センシング素子５０の誤検知を抑制することができる。

【0106】

［１－５］ 第１実施形態の効果
第１実施形態によれば、観察者３の移動量Ｌを予め加味して、Ｙ方向に隣接する空中像２の間隔の最小値を設定するようにしている。移動量Ｌは、想定する観察者の身長差に基づいて算出される。これにより、観察者３が目的の空中像にタッチした場合に、この目的の空中像に隣接する空中像をタッチしたと認識してしまう誤検知を抑制できる。ひいては、観察者３による空中像２へのタッチ操作をより正確に検知することが可能な空中表示装置１を実現できる。

【0107】

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。

【0108】

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。

【0109】

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。

【0110】

［２］ 第２実施形態
第２実施形態は、ユーザの指示に応じて、複数の表示モードの１つを選択して実行するようにしている。

【0111】

図１５は、本発明の第２実施形態に係る空中表示装置１における表示モードの設定動作を説明するフローチャートである。空中表示装置１の構成は、第１実施形態と同じである。

【0112】

入力部６４は、ユーザが複数の表示モードの１つを選択するための操作部を含む。ユーザは、空中表示装置１の観察者、及び空中表示装置１を管理する管理者を含む。ユーザは、入力部６４を用いて、複数の表示モードの１つを選択可能である。

【0113】

表示モード設定部６０Ｄは、入力部６４を介して、ユーザにより表示モードが選択されたか否かを監視している（ステップＳ２００）。

【0114】

表示モードが選択された場合（Ｓ２００＝Ｙｅｓ）、表示モード設定部６０Ｄは、表示モードに関する情報を、記憶部６１から読み出す（ステップＳ１００）。その後の動作は、第１実施形態と同じである。

【0115】

第２実施形態によれば、ユーザの操作を受け付けることで、空中表示装置１側で自動的に最適な表示モードを実行することができる。その他の効果は、第１実施形態と同じである。

【0116】

［３］ 変形例
上記実施形態では、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との角度は、０度より大きく４５度より小さい範囲に設定される。この変形例では、配向制御素子３０を省略できる。

【0117】

上記実施形態では、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。

【0118】

上記実施形態では、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、照明素子１０は不要である。

【0119】

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。

【符号の説明】

【0120】

１…空中表示装置、２…空中像、３…観察者、１０…照明素子、１１…光源部、１２…導光板、１３…反射シート、２０…表示素子、２１…表示像、３０…配向制御素子、３１…基材、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、５０…センシング素子、５１…発光部、５２…受光部、５３…検知領域、５４…検知部分領域、６０…制御部、６０Ａ…表示処理部、６０Ｂ…情報処理部、６０Ｃ…検知位置算出部、６０Ｄ…表示モード設定部、６１…記憶部、６２…入出力インターフェース、６３…表示部、６４…入力部、６５…バス、７０～７２…光。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】