特許 7547914 空中表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-02

(45)【発行日】2024-09-10

(54)【発明の名称】空中表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 30/56 20200101AFI20240903BHJP

【ＦＩ】

G02B30/56

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020171615

(22)【出願日】2020-10-12

(65)【公開番号】P2022063376

(43)【公開日】2022-04-22

【審査請求日】2023-09-20

(73)【特許権者】

【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】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(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】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(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】100162570

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 早苗

(72)【発明者】

【氏名】代工 康宏

【審査官】横井 亜矢子

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１６／０６７３９７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／２１６６１９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／２４０１３７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／０３０９９１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１１１４６０４１２（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２４０９６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／００－３０／６０

Ｇ０９Ｆ ９／００

Ｇ０９Ｇ ３／２０

Ｈ０４Ｎ １３／００

Ｇ０３Ｂ ３５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

表示素子と、前記表示素子の上方に配置されたミラー素子とを含み、前記表示素子は、画像を表示し、前記ミラー素子は、前記表示素子からの光を偏向して、自身の上方に空中像を結像させる、表示モジュールと、
面状の検出領域を形成するようにレーザー光を出射し、前記検出領域内に入る対象物を検出するセンシング装置と、
前記表示モジュールと前記センシング装置とを収容する筐体と、
を具備し、
前記空中像は、前記表示素子の表示面に平行な第１面に結像され、
前記センシング装置は、前記第１面を斜めに横切る第２面に前記検出領域を形成する
空中表示装置。

【請求項2】

前記センシング装置は、
第１方向に並び、前記レーザー光を発光する複数の発光素子と、
前記第１方向に並び、前記対象物で反射した反射光を検出する複数の受光素子とを含む 請求項１に記載の空中表示装置。

【請求項3】

前記複数の発光素子と前記複数の受光素子とは、交互に配置される
請求項２に記載の空中表示装置。

【請求項4】

前記センシング装置は、前記複数の発光素子が向く角度を調節するようにして、前記第１面と前記検出領域とが交差する角度を調整する角度調整機構を含む
請求項３に記載の空中表示装置。

【請求項5】

前記センシング装置は、前記複数の発光素子及び前記複数の受光素子の上方に設けられた複数のレンズを含む
請求項２乃至４の何れか１項に記載の空中表示装置。

【請求項6】

前記センシング装置は、前記複数の発光素子、前記複数の受光素子、及び前記複数のレンズを収容するケースを含む
請求項５に記載の空中表示装置。

【請求項7】

前記ミラー素子は、複数の光学要素を含み、
前記複数の光学要素の各々は、直方体又は立方体からなり、互いに接しかつ光を反射する第１及び第２反射面を有する
請求項１乃至６の何れか１項に記載の空中表示装置。

【請求項8】

前記ミラー素子により反射された光を、前記第１面に垂直な方向に屈折させる光路偏向素子をさらに具備する
請求項１乃至７の何れか１項に記載の空中表示装置。

【請求項9】

前記光路偏向素子は、複数のプリズムを含む
請求項８に記載の空中表示装置。

【請求項10】

前記表示素子、前記ミラー素子、及び前記光路偏向素子は、互いに平行に配置される
請求項８又は９に記載の空中表示装置。

【請求項11】

前記表示素子と前記ミラー素子との間に配置された第１光制御素子をさらに具備し、
前記第１光制御素子は、複数の第１透明部材と、複数の第１遮光部材とを含み、
前記複数の第１透明部材と前記複数の第１遮光部材とは、隣接するもの同士が接するようにして交互に配置され、
前記複数の第１透明部材及び前記複数の第１遮光部材の各々は、前記表示素子の前記表示面に垂直な方向に延びる
請求項１乃至１０の何れか１項に記載の空中表示装置。

【請求項12】

前記表示素子と前記ミラー素子との間に配置された第２光制御素子をさらに具備し、
前記第２光制御素子は、複数の第２透明部材と、複数の第２遮光部材とを含み、
前記複数の第２透明部材と前記複数の第２遮光部材とは、隣接するもの同士が接するようにして交互に配置され、
前記複数の第２透明部材及び前記複数の第２遮光部材の各々は、前記表示素子の前記表示面に垂直な方向に対して斜め方向に延びる
請求項１乃至１０の何れか１項に記載の空中表示装置。

【請求項13】

前記表示素子に向けて照明光を発光する照明素子をさらに具備し、
前記表示素子は、液晶表示素子である
請求項１乃至１２の何れか１項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用いて、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（特許文献１を参照）。２面コーナーリフレクタアレイによる表示法は、収差が無く、面対称位置に実像（空中像）が表示される。この空中像を非接触で操作できれば、タッチパネルのように直接触れることなく入力できるため、衛生的な入力が可能である。

【0003】

例えば、空中映像を指先で操作できるシステムが提案されている（非特許文献１を参照）。しかしながら、空中像と同一面をセンシングするためには、空中像近傍にセンサーを設置する必要があり、センサーを筐体内への設置することが困難な場合がある。また、空中像に沿ってセンシングを行うためには、空中像の周囲にセンサーを備えた枠を配置する必要があり、このため筐体が大きくなる場合がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－６７９３３号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】独立行政法人情報通信研究機構、“空中映像を操作できるフローティングタッチディスプレイを開発”、[online]、２００９年４月１５日、［令和２年１０月２日検索］、インターネット〈URL : https://www.nict.go.jp/press/2009/04/15-3.html〉

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、空中像をタッチする操作を検出可能であり、かつ小型化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】

【0007】

本発明の第１態様によると、空中像を表示するための表示光を出射する光出射面を有し、前記光出射面の上方かつ前記光出射面に平行な第１面に前記空中像を表示する表示モジュールと、前記第１面に対して斜めに交差する第２面に検出領域を形成するようにレーザー光を出射し、前記検出領域内に入る対象物を検出するセンシング装置と、前記表示モジュールと前記センシング装置とを収容する筐体とを具備する空中表示装置が提供される。

【0008】

本発明の第２態様によると、前記センシング装置は、第１方向に並び、前記レーザー光を発光する複数の発光素子と、前記第１方向に並び、前記対象物で反射した反射光を検出する複数の受光素子とを含む、第１態様に係る空中表示装置が提供される。

【0009】

本発明の第３態様によると、前記複数の発光素子と前記複数の受光素子とは、交互に配置される、第２態様に係る空中表示装置が提供される。

【0010】

本発明の第４態様によると、前記センシング装置は、前記複数の発光素子が向く角度を調節するようにして、前記第１面と前記検出領域とが交差する角度を調整する角度調整機構を含む、第３態様に係る空中表示装置が提供される。

【0011】

本発明の第５態様によると、前記センシング装置は、前記複数の発光素子及び前記複数の受光素子の上方に設けられた複数のレンズを含む、第２乃至４態様の何れかに係る空中表示装置が提供される。

【0012】

本発明の第７態様によると、前記センシング装置は、前記複数の発光素子、前記複数の受光素子、及び前記複数のレンズを収容するケースを含む、第５態様に係る空中表示装置が提供される。

【0013】

本発明の第７態様によると、前記表示モジュールは、前記光出射面に対して斜めに表示光を出射し、画像を表示する表示素子と、前記表示素子から出射された前記表示光を、前記表示素子と反対側に反射するミラー素子と、前記ミラー素子により反射された前記表示光を、前記光出射面に垂直な方向に屈折させる光路偏向素子とを含み、前記表示素子、前記ミラー素子、及び前記光路偏向素子は、互いに平行に配置される、第１乃至６態様の何れかに係る空中表示装置が提供される。

【0014】

本発明の第８態様によると、前記光路偏向素子は、複数のプリズムを含む、第７態様に係る空中表示装置が提供される。

【0015】

本発明の第９態様によると、前記ミラー素子は、複数の光学要素を含み、前記複数の光学要素の各々は、直方体又は立方体からなり、互いに接しかつ光を反射する第１及び第２反射面を有する、第７又は８態様に係る空中表示装置が提供される。

【0016】

本発明の第１０態様によると、前記表示素子に向けて照明光を発光する照明素子をさらに具備し、前記表示素子は、液晶表示素子である、第７乃至９態様の何れかに係る空中表示装置が提供される。

【0017】

本発明の第１１態様によると、前記表示素子と前記ミラー素子との間に配置された第１光制御素子をさらに具備し、前記第１光制御素子は、複数の第１透明部材と、複数の第１遮光部材とを含み、前記複数の第１透明部材と前記複数の第１遮光部材とは、隣接するもの同士が接するようにして交互に配置され、前記複数の第１透明部材及び前記複数の第１遮光部材の各々は、前記光出射面に垂直な方向に延びる、第７乃至１０態様の何れかに係る空中表示装置が提供される。

【0018】

本発明の第１２態様によると、前記表示素子と前記ミラー素子との間に配置された第２光制御素子をさらに具備し、前記第２光制御素子は、複数の第２透明部材と、複数の第２遮光部材とを含み、前記複数の第２透明部材と前記複数の第２遮光部材とは、隣接するもの同士が接するようにして交互に配置され、前記複数の第２透明部材及び前記複数の第２遮光部材の各々は、前記光出射面に垂直な方向に対して斜め方向に延びる、第７乃至１０態様の何れかに係る空中表示装置が提供される。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、空中像をタッチする操作を検出可能であり、かつ小型化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】

【0020】

【図1】図１は、本発明の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に示した表示モジュールの斜視図である。

【図3】図３は、図１に示した表示モジュールの側面図である。

【図4】図４は、照明素子の側面図である。

【図5】図５は、第１光制御素子の平面図である。

【図6】図６は、図５のＡ－Ａ´線に沿った第１光制御素子の断面図である。

【図7】図７は、第２光制御素子の平面図である。

【図8】図８は、図７のＢ－Ｂ´線に沿った第２光制御素子の断面図である。

【図9】図９は、ミラー素子の側面図及び底面図である。

【図10】図１０は、光路偏向素子の平面図である。

【図11】図１１は、光路偏向素子のＹ方向から見た側面図である。

【図12】図１２は、センシング装置の構成を説明する図である。

【図13】図１３は、空中表示装置のブロック図である。

【図14】図１４は、照明素子から出射された照明光における強度と角度との関係を示すグラフである。

【図15】図１５は、第１光制御素子から出射された表示光における強度と角度との関係を示すグラフである。

【図16】図１６は、第２光制御素子から出射された表示光における強度と角度との関係を示すグラフである。

【図17】図１７は、センシング装置の検出領域を説明する図である。

【図18】図１８は、センシング装置による検出対象物の位置を算出する動作を説明する図である。

【図19】図１９は、センシング装置の動作を説明する図である。

【図20】図２０は、センシング装置の設置位置を説明する模式図である。

【図21】図２１は、空中表示装置の全体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】

【0021】

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。

【0022】

［１］ 空中表示装置１の構成
図１は、本発明の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平面に直交する方向（法線方向ともいう）である。空中表示装置１は、筐体２、表示モジュール３、及びセンシング装置４を備える。

【0023】

筐体２は、表示モジュール３、及びセンシング装置４を収容する。筐体２の外形は、直方体である。筐体２は、表示モジュール３の上面（光出射面）を露出する開口部２Ａと、センシング装置４から出射された光が通る開口部２Ｂとを有する。筐体２は、金属、又は樹脂で構成される。

【0024】

表示モジュール３は、画像を表示する装置である。表示モジュール３は、自身の光出射面の上方の空中に、空中像を表示する。空中像とは、空中に結像する実像である。表示モジュール３は、Ｚ方向に間隔を空けて積層された複数の素子を含む。図１では、表示モジュール３を直方体で簡略化して示している。表示モジュール３の詳細については後述する。

【0025】

センシング装置４は、所定の領域に含まれる検出対象物を検出するためのものである。センシング装置４は、所定の方向に向けてレーザー光を出射する。また、センシング装置４は、検出対象物によって反射されたレーザー光を検出する。センシング装置４の詳細については後述する。

【0026】

図２は、図１に示した表示モジュール３の斜視図である。図３は、図１に示した表示モジュール３の側面図である。表示モジュール３は、照明素子（バックライトともいう）１０、表示素子２０、第１光制御素子３０、第２光制御素子４０、ミラー素子５０、及び光路偏向素子６０を備える。照明素子１０、表示素子２０、第１光制御素子３０、第２光制御素子４０、ミラー素子５０、及び光路偏向素子６０は、筐体２内に設けられた支持部材（図示せず）によって、図２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。

【0028】

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、照明光を透過して光変調を行う。そして、表示素子２０は、その表示面に所望の画像及び／又は動画を表示する。

【0029】

第１光制御素子３０は、ゴーストを低減する機能を有する。ゴーストとは、意図しない位置に発生する像であり、また、空中像の近傍に現れる二重画像である。第１光制御素子３０は、法線方向を中心として所定の角度範囲以外の光成分を遮光するように構成される。

【0030】

第２光制御素子４０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、直線的にミラー素子５０を透過する光成分である。第２光制御素子４０は、法線方向に対して斜め方向を中心として所定の角度範囲以外の光成分を遮光するように構成される。

【0031】

ミラー素子５０は、底面側から入射した光を上面側に反射する。また、ミラー素子５０は、入射光を面対称に反射する。そして、ミラー素子５０は、空中像を結像する。

【0032】

光路偏向素子６０は、底面から斜めに入射した表示光を、法線方向に屈折させる。光路偏向素子６０の正面にいる観察者６は、空中像５を視認することができる。

【0033】

以下に、表示モジュール３を構成する複数の素子の詳細について説明する。

【0034】

［１－１］ 照明素子１０の構成
図４は、照明素子１０の側面図である。照明素子１０は、発光素子１１、導光板１２、反射シート１３、及びプリズムシート１４を備える。

【0035】

発光素子１１は、照明光を発光する。発光素子１１は、導光板１２の側面に向き合うように配置され、導光板１２の側面に向けて照明光を出射する。図３には、１個の発光素子を四角で示しているが、例えば、発光素子１１は、Ｙ方向に並んだ複数の発光素子から構成される。

【0036】

導光板１２は、発光素子１１からの照明光を導光し、照明光を上面から出射する。また、導光板１２は、Ｚ方向に対して斜め方向に照明光を出射する。導光板１２は、Ｘ方向に向かって厚さが薄くなるくさび形状を有する。

【0037】

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。

【0038】

プリズムシート１４は、導光板１２からの照明光を屈折させる。プリズムシート１４は、複数の三角柱を横にしてＸ方向に並べた構造を有する。すなわち、プリズムシート１４の上面は、側面から見て波形（のこぎり歯形）を有する。プリズムシート１４は、Ｚ方向に対して左側に傾いた複数の屈折面１４Ａを有する。

【0039】

このように構成された照明素子１０は、出射角θ_１で照明光を出射することができる。また、プリズムシート１４の屈折面１４Ａの傾斜角、及び導光板１２の光出射角を調整することで、出射角θ_１を最適に設定できる。

【0040】

［１－２］ 第１光制御素子３０の構成
図５は、第１光制御素子３０の平面図である。図６は、図５のＡ－Ａ´線に沿った第１光制御素子３０の断面図である。

【0041】

基材３１上には、それぞれがＸ方向に延び、Ｙ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Ｘ方向に延び、Ｙ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。

【0042】

遮光部材３４は、ＹＺ断面において、Ｚ方向に延びる。透明部材３３は、ＹＺ断面において、Ｚ方向に延びる。透明部材３３は、光を透過する。遮光部材３４は、光を遮光する。Ｙ方向における透明部材３３及び遮光部材３４の幅は、適宜設計可能である。

【0043】

基材３１、３２、及び透明部材３３としては、透明な樹脂が用いられ、例えばアクリル樹脂が用いられる。遮光部材３４としては、例えば、黒の染料が混入された樹脂が用いられる。

【0044】

このように構成された第１光制御素子３０は、法線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、第１光制御素子３０は、法線方向を０度とすると、０°±３０°以外の光成分を遮光するように構成される。

【0045】

［１－３］ 第２光制御素子４０の構成
図７は、第２光制御素子４０の平面図である。図８は、図７のＢ－Ｂ´線に沿った第２光制御素子４０の断面図である。

【0046】

基材４１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４３が設けられる。また、基材４１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４４が設けられる。複数の透明部材４３と複数の遮光部材４４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４３及び複数の遮光部材４４上には、基材４２が設けられる。

【0047】

透明部材４３は、ＸＺ断面において、Ｚ方向に対して角度θ_２の斜め方向に延びる。透明部材４３は、ＸＺ断面において、側面が角度θ_２だけ傾いた平行四辺形である。透明部材４３は、光を透過する。

【0048】

遮光部材４４は、ＸＺ断面において、Ｚ方向に対して角度θ_２の斜め方向に延びる。遮光部材４４は、ＸＺ断面において、側面が角度θ_２だけ傾いた平行四辺形である。遮光部材４４は、光を遮光する。

【0049】

隣接する２個の遮光部材４４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。

【0050】

基材４１、４２、及び透明部材４３としては、透明な樹脂が用いられ、例えばアクリル樹脂が用いられる。遮光部材４４としては、例えば、黒の染料が混入された樹脂が用いられる。

【0051】

このように構成された第２光制御素子４０は、法線方向に対して角度θ_２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、第２光制御素子４０は、法線方向に対して４５°±１５°以外の光成分を遮光するように構成される。

【0052】

なお、第１光制御素子３０と第２光制御素子４０との関係では、第１光制御素子３０の遮光部材３４の延在方向は、第２光制御素子４０の遮光部材４４の延在方向と直交する。

【0053】

［１－４］ ミラー素子５０の構成
図９は、ミラー素子５０の側面図及び底面図である。図９（ａ）がミラー素子５０のＹ方向から見た側面図、図９（ｂ）がミラー素子５０の底面図である。

【0054】

ミラー素子５０は、基板５１、及び複数の光学要素５２を備える。図９（ａ）には、１個の光学要素５２の斜視図を抽出して示している。基板５１と複数の光学要素５２とは、アクリル樹脂などの透明な材料で構成される。

【0055】

複数の光学要素５２は、基板５１の底面に設けられる。光学要素５２は、直方体、又は立方体からなる。光学要素５２の平面形状は、例えば正方形である。光学要素５２は、２個の反射面５２Ａ、５２Ｂを有する。反射面５２Ａ、５２Ｂは、直方体の２個の側面に対応し、互いに接する。反射面５２Ａ、５２Ｂは、いわゆる２面コーナーリフレクタを構成する。

【0056】

光学要素５２は、１辺がＸ方向に対して角度θ_３だけ傾くように配置される。角度θ_３は、例えば４５度である。なお、角度θ_３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５２は、千鳥状に配列される。すなわち、複数の光学要素５２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５２は、互いに隙間を空けて配置される。

【0057】

第２光制御素子４０を透過した光は、光学要素５２の底面から光学要素５２に入射し、反射面５２Ａ、５２Ｂで２回反射された後、光学要素５２の上面から出射する。

【0058】

［１－５］ 光路偏向素子６０の構成
図１０は、光路偏向素子６０の平面図である。図１１は、光路偏向素子６０のＹ方向から見た側面図である。

【0059】

光路偏向素子６０は、基材６１と、基材６１上に設けられた複数の三角プリズム６２とを備える。基材６１と複数の三角プリズム６２とは、一体で構成されていてもよい。基材６１と複数の三角プリズム６２とは、アクリル樹脂などの透明な材料で構成される。

【0060】

複数の三角プリズム６２は、それぞれがＹ方向に延び、Ｘ方向に並ぶ。三角プリズム６２は、Ｙ方向に延びる三角柱からなる。三角プリズム６２は、屈折面６２Ａを有する。屈折面６２Ａは、法線方向に対して角度θ_４だけ傾いている。

【0061】

このように構成された光路偏向素子６０は、底面から斜めに入射した表示光を、法線方向に屈折させる。屈折面６２Ａの角度θ_４は、光路偏向素子６０に入射する光の角度、及び光路偏向素子６０の屈折率に応じて適宜設定される。

【0062】

［１－６］ センシング装置４の構成
図１２は、センシング装置４の構成を説明する図である。図１２（ａ）が平面図、図１２（ｂ）が側面図である。図１に示すように、センシング装置４は、レーザー光を出射する部分が水平方向から若干斜め上に向くように配置される。図１２（ａ）の平面図は、図１のセンシング装置４の上面を上から見た図である。図１２の説明では、センシング装置４の光を出射する側を上部と呼ぶ。センシング装置４の上部は、水平方向から若干斜め上に向くように配置される。

【0063】

センシング装置４は、ケース７０、複数の発光素子７１、複数の受光素子７２、複数のレンズ７３、及び角度調整機構７４を備える。

【0064】

ケース７０は、上部が開口された箱形状を有する。ケース７０は、複数の発光素子７１、複数の受光素子７２、及び複数のレンズ７３を収容する。図１２において、図面の理解が容易になるように、発光素子７１、受光素子７２、及び複数のレンズ７３を実線で示している。また、図１２において、発光素子７１にハッチングを付している。

【0065】

複数の発光素子７１、及び複数の受光素子７２は、ケース７０の底部に設けられる。複数の発光素子７１、及び複数の受光素子７２は、交互に配置される。

【0066】

複数の発光素子７１の各々は、レーザー光を発光する。レーザー光は、例えば、利用者の視覚を刺激せず、可視光の影響を受けない赤外線である。発光素子７１は、例えばレーザーダイオードで構成される。

【0067】

複数の受光素子７２の各々は、対象物で反射されたレーザー光（赤外線）を検出する。受光素子７２は、例えばフォトダイオードで構成される。

【0068】

複数のレンズ７３は、複数の発光素子７１、及び複数の受光素子７２の上方に配置され、ケース７０の開口部付近に固定される。複数のレンズ７３は、一方向に並んで配置される。複数のレンズ７３の各々は、平凸レンズで構成される。複数のレンズ７３は、複数の発光素子７１から出射されたレーザー光を正面方向に集光する機能を有する。また、複数のレンズ７３は、対象物で反射されたレーザー光を集光する機能を有する。

【0069】

角度調整機構７４は、ケース７０の底部に取り付けられる。角度調整機構７４は、センシング装置４が向く方向、すなわちセンシング装置４の角度を調整する。具体的には、角度調整機構７４は、ケース７０の角度を調整する。角度調整機構７４は、入力部８３により入力された情報に応じて、センシング装置４の角度を調整する。

【0070】

［２］ 空中表示装置１のブロック構成
図１３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、表示モジュール３、センシング装置４、制御部８０、記憶部８１、入出力インターフェース（入出力ＩＦ）８２、及び入力部８３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、バスを介して接続される。

【0071】

入出力インターフェース８２は、表示モジュール３、センシング装置４、及び入力部８３に接続される。入出力インターフェース８２は、表示モジュール３、センシング装置４、及び入力部８３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。

【0072】

表示モジュール３は、照明素子１０、及び表示素子２０を含む。表示モジュール３の構成は、図２の通りである。

【0073】

センシング装置４は、複数の発光素子（発光素子群）７１、複数の受光素子（受光素子群）７２、角度調整機構７４、及びセンサコントローラ７５を含む。センサコントローラ７５は、制御部８０の制御に基づいて、発光素子７１、及び受光素子７２の動作を制御する。

【0074】

制御部８０は、表示処理部８０Ａ、位置算出部８０Ｂ、及び情報処理部８０Ｃを備える。

【0075】

表示処理部８０Ａは、表示モジュール３の動作を制御する。表示処理部８０Ａは、表示モジュール３に画像信号を送信し、表示モジュール３に画像を表示させる。

【0076】

位置算出部８０Ｂは、センシング装置４の動作を制御する。位置算出部８０Ｂは、センシング装置４に検出領域７７を形成させる。位置算出部８０Ｂは、検出領域７７がユーザによりタッチされた位置を算出する。位置算出部８０Ｂは、上記タッチされた位置が、表示画像に含まれる特定領域内であるか否かを判定する。

【0077】

情報処理部８０Ｃ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８０Ｃ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８０Ｃは、通信機能を用いて外部が画像データを取得してもよい。

【0078】

記憶部８１は、空中表示装置１の動作に必要な種々のデータを格納する。また、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。

【0079】

入力部８３は、ユーザが入力した情報を受け付ける。

【0080】

［３］ 動作
上記のようの構成された空中表示装置１の動作について説明する。

【0081】

［３－１］ 空中表示装置１の画像表示動作
まず、空中表示装置１の画像表示動作について説明する。図３に示した太い矢印が光の光路である。

【0082】

図３に示すように、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。また、照明素子１０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、照明光を出射する。本実施形態では、角度θ_１は、約４５度である。

【0083】

図１４は、照明素子１０から出射された照明光（出射光）における強度と角度との関係を示すグラフである。図１４の縦軸は、照明素子１０から出射された照明光における光強度の相対値（％）であり、図１４の横軸は、照明素子１０から出射された照明光における法線方向に対する角度（度）である。

【0084】

図１４から理解されるように、照明素子１０から出射された照明光は、４５度（＝θ_１）で光強度のピークを有する。また、照明素子１０から出射された光の大部分は、３０～６０度の角度の範囲内にある。

【0085】

表示素子２０は、照明素子１０からの照明光を透過するとともに、画像及び／又は動画を表示する。表示素子２０は、角度θ_１で表示光を出射する。

【0086】

第１光制御素子３０は、表示素子２０から出射された表示光を受ける。第１光制御素子３０は、法線方向に対して所望の角度範囲以外の光成分を遮光する。また、第１光制御素子３０は、Ｙ方向において、光の透過を制御する。例えば、第１光制御素子３０は、法線方向を０度とすると、０°±３０°以外の光を遮光する。

【0087】

図１５は、第１光制御素子３０から出射された表示光（出射光）における強度と角度との関係を示すグラフである。図１５の縦軸は、第１光制御素子３０から出射された表示光における光強度の相対値（％）であり、図１５の横軸は、第１光制御素子３０から出射された表示光における法線方向に対する角度（度）である。

【0088】

図１５から理解されるように、第１光制御素子３０から出射された表示光は、０度で光強度のピークを有する。また、第１光制御素子３０から出射された光の大部分は、－３０～３０度（０°±３０°）の範囲内にある。さらに、表示素子２０から出射された表示光のうち不要な光が第１光制御素子３０によって遮光される。第１光制御素子３０を設けることで、ゴーストを低減できる。

【0089】

第２光制御素子４０は、第１光制御素子３０から出射された表示光を受ける。第２光制御素子４０は、法線方向に対して角度θ_２を中心とした所定の角度範囲以外の光成分を遮光する。また、第２光制御素子４０は、Ｘ方向において、光の透過を制御する。本実施形態では、角度θ_２は、約４５度である。具体的には、第２光制御素子４０の透明材料（透明部材４３、基材４１、４２を含む）の屈折率を考慮して、第２光制御素子４０から出射する光の出射角が決定される。

【0090】

図１６は、第２光制御素子４０から出射された表示光（出射光）における強度と角度との関係を示すグラフである。図１６の縦軸は、第２光制御素子４０から出射された表示光における強度の相対値（％）であり、図１６の横軸は、第２光制御素子４０から出射された表示光における法線方向に対する角度（度）である。

【0091】

図１６から理解されるように、第２光制御素子４０から出射された表示光は、４５度（＝θ_２）で光強度のピークを有する。また、第２光制御素子４０から出射された光の大部分は、１５～７５度（４５°±３０°）の範囲内にある。さらに、第１光制御素子３０から出射された表示光のうち不要光が第２光制御素子４０によって遮光される。第２光制御素子４０を設けることで、不要光を低減できる。

【0092】

第２光制御素子４０から出射された表示光は、ミラー素子５０に斜めに入射、すなわち法線方向に対して約４５度でミラー素子５０に入射する。ミラー素子５０は、第２光制御素子４０側から入射した光を、第２光制御素子４０と反対側に向けて反射する。また、ミラー素子５０は、入射光を、ミラー素子５０に関して面対称の方向に反射する。換言すると、ミラー素子５０は、法線方向に対して＋４５度で入射した入射光を、－４５度の方向に反射する。

【0093】

ミラー素子５０から出射された表示光は、光路偏向素子６０に斜めに入射、すなわち法線方向に対して約４５度で光路偏向素子６０に入射する。光路偏向素子６０は、底面から斜めに入射した表示光を、法線方向に屈折させる。すなわち、光路偏向素子６０は、表示モジュール３の正面に向けて表示光を出射する。

【0094】

光路偏向素子６０から出射された表示光は、空中像５を結像する。また、空中像５は、表示モジュール３の正面にいる観察者６によって視認される。

【0095】

［３－２］ センシング装置４の検出動作
次に、センシング装置４の検出動作について説明する。

【0096】

図１７は、センシング装置４の検出領域を説明する図である。図１７（ａ）が平面図、図１７（ｂ）が側面図である。

【0097】

センシング装置４に含まれる複数の発光素子７１は、レーザー光７６を発光する。発光素子７１から発光されたレーザー光７６は、レンズ７３を透過した後、センシング装置４から正面方向に出射される。センシング装置４の正面は、センシング装置４の光出射面を想定した場合の当該光出射面の正面を意味する。

【0098】

複数の発光素子７１は、一方向に並んでいる。複数の発光素子７１から発光された複数のレーザー光７６は、互いに平行に直進する。よって、図１７（ａ）に示す平面（２次元）での検出領域７７が得られる。

【0099】

図１８は、センシング装置４による検出対象物７８の位置を算出する動作を説明する図である。
前述した検出領域７７に検出対象物７８が入ると、発光素子７１から発光されたレーザー光７６が検出対象物７８で反射される。検出対象物７８で反射された反射光７９は、受光素子７２に到達し、受光素子７２によって検出される。

【0100】

検出領域７７に検出対象物がないと、発光素子７１から発光されたレーザー光の反射光は発生しない。よって、受光素子７２に反射光が到達せず、受光素子７２により反射光が検出されない。

【0101】

複数の発光素子７１は、時間的に順次点灯してレーザー光を出射する。受光素子７２は、レンズ７３を通して、検出対象物７８からの反射光を検出する。位置算出部８０Ｂは、受光素子７２が検出した光の強度を用いて、例えばいわゆる「三角測量の原理」を利用して検出対象物７８の位置を算出及び特定する。具体的には、位置算出部８０Ｂは、レーザー光の出射点と反射光の受光点との距離、出射点の角度、及び受光点の角度を用いて、検出対象物７８の位置を算出する。

【0102】

図１９は、センシング装置４の動作を説明する図である。検出対象物７８は、観察者の指であるものとする。

【0103】

センシング装置４は、表示モジュール３の光出射面３Ａに対して斜め方向にレーザー光７６を出射する。表示モジュール３の光出射面３Ａは、Ｘ－Ｙ平面に平行な面である。また、センシング装置４は、検出領域７７が空中像５を斜めに交差するように、レーザー光７６を出射する。すなわち、センシング装置４の検出領域７７は、空中像５と斜めに交差する。

【0104】

観察者が空中像５を指で触れる場合、指は、空中像５の面で止まることなく、ある程度空中像５を突き抜ける。このため、センシング装置４の検出領域７７を空中像５と平行に重なるような設定にしなくても、観察者の指を検出可能である。

【0105】

観察者の指が検出領域７７内に入ると、指によってレーザー光が反射し、この反射光がセンシング装置４に到達する。これにより、センシング装置４は、観察者の指の位置を算出することができる。

【0106】

図２０は、センシング装置４の設置位置を説明する模式図である。基準面を表示モジュール３の光出射面とする。図２０において、表示モジュール３の光出射面は、光路偏向素子６０の上面に対応する。

【0107】

各変数は、下記とする。
Ｄｉ：表示モジュール３の光出射面と空中像５との間の距離
Ｄｓ：表示モジュール３の光出射面とセンシング装置４の光出射面との間の距離
Ｌｄ：空中像５のＸ方向の長さ
Ｌｓ：空中像５の端からセンシング装置４の光出射面までの水平距離
θ_５：水平面からのセンシング装置４の設置角度（＝水平面からの検出領域７７の角度）
これらの変数から、センシング装置４の設置角度θ_５は、下記式より算出される。
ｔａｎθ_５＝（Ｄｉ＋Ｄｓ）／（Ｌｄ＋Ｌｓ）

【0108】

［３－３］ 空中表示装置１の全体動作
次に、空中表示装置１の全体動作について説明する。図２１は、空中表示装置１の全体動作を説明するフローチャートである。

【0109】

表示処理部８０Ａは、表示モジュール３に画像信号を送信し、表示モジュール３に画像を表示させる。表示する画像は、情報処理部８０Ｃによって生成される。表示モジュール３は、表示処理部８０Ａの制御に基づいて、空中像として画像を表示する（ステップＳ１００）。

【0110】

続いて、位置算出部８０Ｂは、センシング装置４に検出領域７７を形成させる。センシング装置４は、位置算出部８０Ｂの制御に基づいて、検出領域７７用のレーザー光を出射する（ステップＳ１０１）。

【0111】

続いて、センシング装置４は、ユーザによるタッチ操作を検出する（ステップＳ１０２）。センシング装置４によりタッチ操作が検出された場合（ステップＳ１０２＝Ｙｅｓ）、位置算出部８０Ｂは、タッチ操作の位置を算出する（ステップＳ１０３）。

【0112】

続いて、位置算出部８０Ｂは、ステップＳ１０３で算出した位置が特定領域内であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。特定領域は、ステップＳ１００で表示した画像のうち一部の領域であり、例えば押しボタンの画像、又はアイコンである。

【0113】

特定領域内である場合（ステップＳ１０４＝Ｙｅｓ）、表示処理部８０Ａは、特定領域にリンクされた画像信号を表示モジュール３に送信し、リンクされた画像を表示モジュール３に表示させる。リンクされた画像は、情報処理部８０Ｃによって生成される。表示モジュール３は、表示処理部８０Ａの制御に基づいて、リンクされた画像を空中像として表示する（ステップＳ１０５）。特定領域内でない場合（ステップＳ１０４＝Ｎｏ）、制御部８０は、ステップＳ１０２に戻る。

【0114】

続いて、センシング装置４は、ユーザによる終了操作を検出する（ステップＳ１０６）。終了操作とは、例えば終了を表すボタンの画像をユーザがタッチすることである。終了操作が検出されない場合（ステップＳ１０６＝Ｎｏ）、制御部８０は、ステップＳ１０２に戻る。終了操作が検出された場合（ステップＳ１０６＝Ｙｅｓ）、制御部８０は、処理を終了する。

【0115】

［４］ 実施形態の効果
以上詳述したように本実施形態では、空中表示装置１は、空中像を表示するための表示光を出射する光出射面３Ａを有し、光出射面３Ａの上方かつ光出射面３Ａに平行な第１面に空中像を表示する表示モジュール３と、上記第１面に対して斜めに交差する第２面に検出領域７７を形成するようにレーザー光７６を出射し、検出領域７７内に入る対象物７８を検出するセンシング装置４と、表示モジュール３とセンシング装置４とを収容する筐体２とを具備する。

【0116】

従って本実施形態によれば、空中像をタッチする操作を非接触で検出可能である。また、センシング装置４を空中像から離れた箇所に配置してもセンシングを行うことが可能である。

【0117】

また、表示モジュール３は、正面方向に空中像を結像させることができる。表示モジュール３を構成する複数の素子は、互いに平行に配置される。これにより、表示モジュール３のサイズを小さくすることができる。同様の理由により、空中表示装置１のサイズを小さくすることができる。また、筐体２の小型化が可能である。

【0118】

また、空中表示装置１を小型化しつつ、空中像の表示品位を確保できる。

【0119】

上記実施形態では、表示素子として液晶表示素子を例に挙げて説明しているが、液晶表示素子以外の表示素子、例えば自発光型である有機ＥＬ（electroluminescence）表示素子などを用いてもよい。

【0120】

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】

【0121】

１…空中表示装置、２…筐体、２Ａ…開口部、２Ｂ…開口部、３…表示モジュール、４…センシング装置、５…空中像、６…観察者、１０…照明素子、１１…発光素子、１２…導光板、１３…反射シート、１４…プリズムシート、２０…表示素子、３０…第１光制御素子、３１，３２…基材、３３…透明部材、３４…遮光部材、４０…第２光制御素子、４１，４２…基材、４３…透明部材、４４…遮光部材、５０…ミラー素子、５１…基板、５２…光学要素、６０…光路偏向素子、６１…基材、６２…三角プリズム、７０…ケース、７１…発光素子、７２…受光素子、７３…レンズ、７４…角度調整機構、７５…センサコントローラ、８０…制御部、８０Ａ…表示処理部、８０Ｂ…位置算出部、８０Ｃ…情報処理部、８１…記憶部、８２…入出力インターフェース、８３…入力部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】