JP2024064078A - 空中表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 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。
【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。
【選択図】 図１

Description

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。

特開２０１１－１９１４０４号公報 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、前記検知領域の面に沿って並んだ複数の第１発光素子を含む、第１態様に係る空中表示装置が提供される。

本発明の第３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５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６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５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９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１０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１１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１０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。

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。

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。

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。

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θ_ｐ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６２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。

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）

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）

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）

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。

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。

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。

［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θ_１０だけ傾くように配置される。角度θ_１０は、例えば４５度である。なお、角度θ_１０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 (12)

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、前記検知領域の面に沿って並んだ複数の第１発光素子を含む
   請求項１に記載の空中表示装置。
3. 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２に記載の空中表示装置。
4. 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。
5. 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。
6. 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
   請求項５に記載の空中表示装置。
7. 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６に記載の空中表示装置。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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１０に記載の空中表示装置。
12. 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。