JP2021026044A - Lens array unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、所定の実像を空間投影する空間投影器に利用可能なレンズアレイユニットに関する。 The present invention relates to a lens array unit that can be used as a spatial projector that spatially projects a predetermined real image.
従来から、対象機器を動作させるための各種操作を入力する操作入力装置として、浮かび上がって目視される実像を操作目標として表示すると共に、その操作目標に対する非接触操作を実現した入力装置が知られている(例えば特許文献1を参照)。 Conventionally, as an operation input device for inputting various operations for operating a target device, an input device that displays a real image that emerges and is visually observed as an operation target and realizes a non-contact operation with respect to the operation target has been known. (See, for example, Patent Document 1).
この種の入力装置において、実像を表示するための空間表示器として特許文献2に記載されているようなマイクロレンズアレイが用いられることがある。特許文献2に記載のマイクロレンズアレイは、各光軸が同軸に配置された1対の凸レンズからなるレンズ系の複数が、それら光軸が互いに平行となるように、2次元状に配列されている。そして、LCDの画像表示面とマイクロレンズアレイの物体側焦点面とを一致させた相対的な位置関係にすることで、LCDの画像表示面に被写体の像が形成されている時、それが像側焦点面に結像され、略光軸方向から二次元像の実像の目視が可能となる。 In this type of input device, a microlens array as described in Patent Document 2 may be used as a spatial display for displaying a real image. In the microlens array described in Patent Document 2, a plurality of lens systems consisting of a pair of convex lenses in which each optical axis is coaxially arranged are arranged two-dimensionally so that the optical axes are parallel to each other. There is. Then, when the image of the subject is formed on the image display surface of the LCD by making the relative positional relationship between the image display surface of the LCD and the focal plane on the object side of the microlens array, it is an image. An image is formed on the lateral focal plane, and the real image of the two-dimensional image can be visually observed from the direction of the optical axis.
マイクロレンズアレイを空間表示器として用いた場合、レンズの曲率等の構成によっては視認角度が狭くなってしまう場合がある。 When the microlens array is used as a spatial display, the viewing angle may be narrowed depending on the configuration such as the curvature of the lens.
そこで、本発明は、空間表示器として使用した際に視認角度を広くすることができるレンズアレイユニットを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a lens array unit capable of widening the viewing angle when used as a spatial display.
上記課題を解決するためになされた発明は、両面に複数の凸レンズが配列された第1レンズアレイと、両面に複数の凸レンズが配列された第2レンズアレイと、を備えたレンズアレイユニットであって、前記第1レンズアレイの前記凸レンズと前記第2レンズアレイの前記凸レンズが同軸になるように配置され、前記第1レンズアレイ及び前記第2レンズアレイの凸レンズは非球面レンズで構成されていることを特徴とするレンズアレイユニットである。 The invention made to solve the above problems is a lens array unit including a first lens array in which a plurality of convex lenses are arranged on both sides and a second lens array in which a plurality of convex lenses are arranged on both sides. The convex lens of the first lens array and the convex lens of the second lens array are arranged so as to be coaxial with each other, and the convex lens of the first lens array and the second lens array is composed of an aspherical lens. It is a lens array unit characterized by this.
また、前記第1レンズアレイの前記第2レンズアレイと相対しない面の前記凸レンズと、前記第2レンズアレイの前記第1レンズアレイと相対しない面の前記凸レンズと、は、同一の曲面形状に形成されていることを特徴とすることができる。 Further, the convex lens having a surface not facing the second lens array of the first lens array and the convex lens having a surface not facing the first lens array of the second lens array are formed into the same curved surface shape. It can be characterized by being done.
また、前記第1レンズアレイの前記第2レンズアレイと相対する面の前記凸レンズと、前記第2レンズアレイの前記第1レンズアレイと相対する面の前記凸レンズと、は、同一の曲面形状に形成されていることを特徴とすることができる。 Further, the convex lens on the surface of the first lens array facing the second lens array and the convex lens on the surface of the second lens array facing the first lens array are formed in the same curved surface shape. It can be characterized by being done.
本発明によれば、第1レンズアレイ及び第2レンズアレイの凸レンズは非球面レンズで構成されているので、表示部から第1レンズアレイに入射する光線の角度が大きい場合であっても、隣接する第2レンズアレイの光軸が同軸の凸レンズに光線が入射するため、面対象位置に結像させることができる。したがって、視認角度を大きくすることができる。 According to the present invention, since the convex lenses of the first lens array and the second lens array are composed of aspherical lenses, they are adjacent to each other even when the angle of the light rays incident on the first lens array from the display unit is large. Since the light beam is incident on the convex lens whose optical axis of the second lens array is coaxial, it is possible to form an image at a plane target position. Therefore, the viewing angle can be increased.
図1は、本実施形態に係る非接触入力装置100の構成を示す図である。本図に示すように、非接触入力装置100は、表示部110、発光部120、空間投影器130、距離センサ140、操作応答部150を備えている。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a
表示部110は、像として形成する画像を表示する。表示部110は、スライドのように静的表示を行なうものであってもよいし、液晶表示装置のように動的表示を行なうものであってもよい。発光部120は、表示部110の画像を投影するための光源であり、LED等を用いることができる。なお、表示部110に照射する外光等が十分であったり、表示部110自体が発光する場合等には発光部120は省いてもよい。
The
空間投影器130は、入射した画像を空中に結象する装置である。空間投影機130は、図1に示したように、後述する背景面となる背景部材としての鏡200の裏側の下縁部に鏡200の上側に向けて鏡200対して傾けて配置されている。なお、図1では、空間投影機130は下縁部に配置されているが、上縁や左縁、右縁であってもよい。また、上縁に配置した場合は下側に向けて傾け、左縁に配置した場合は右側に向けて傾け、右縁に配置した場合は左側に向けて傾ける。つまり、空間投影器130は、実像180の背景面となる鏡200の縁部かつ鏡200の中央に向かって実像180が投影されるように鏡200に対して傾けて配置されている。また、中央部に向かうとは、鏡200の中心点に向かうことに限らず、上述したように上側、下側、右側、左側等縁部から内側に向かっているものを含む。
The
また、空間投影機130は図2に示したようなマイクロレンズアレイユニットで構成されている。図2は、空間投影機130を構成するマイクロレンズアレイユニットの一部断面図である。マイクロレンズアレイユニットは、マイクロレンズアレイ131、132から構成されている。そして、マイクロレンズアレイ131とマイクロレンズアレイ132とは、マイクロレンズアレイ131の凸レンズとマイクロレンズアレイ132の凸レンズが同軸になるように配置されている。
Further, the
マイクロレンズアレイ131、132は、複数の微小レンズから構成されている。マイクロレンズアレイ131は、その両面に微小レンズとして凸レンズ131a、131bが形成されている。凸レンズ131aと凸レンズ131bは、光軸が同軸になるように配置され、2次元状に配列されることでマイクロレンズアレイとなる。
The
マイクロレンズアレイ132は、その両面に微小レンズとして凸レンズ132a、132bが形成されている。凸レンズ132aと凸レンズ132bは、光軸が同軸になるように配置され、2次元状に配列されることでマイクロレンズアレイとなる。
Convex
各凸レンズ131a、131b、132a、132bは、非球面レンズとなっている。この非球面とは、レンズの縁部に入射した光ほど、小さく屈折させるようになっている。ここで、球面レンズと非球面レンズとの比較を図3と図4を参照して説明する。
Each
図3は、球面レンズでマイクロレンズアレイユニットを構成した場合である。図3の矢印は光路Lである。マイクロレンズアレイユニットに入射する光線Lの角度(入射角度)θが大きい場合、光線Lがマイクロレンズアレイ131のレンズAに入射後、マイクロレンズアレイ132の隣り合う(同軸である)レンズBに入射しないため、レンズアレイユニットの面対称位置に結像せず、実像180が見えなくなる。一般的な球面レンズでマイクロレンズアレイを形成した場合、入射角度θが10°〜15°よりも大きくなると実像180が見えなくなる。
FIG. 3 shows a case where the microlens array unit is configured with a spherical lens. The arrow in FIG. 3 is the optical path L. When the angle (incident angle) θ of the light ray L incident on the microlens array unit is large, the light ray L is incident on the lens A of the
図4は、非球面レンズでレンズアレイユニットを構成した場合である。図4の矢印は光路Lである。非球面レンズとし、レンズの縁部に入射した光ほど、小さく屈折させるようにすると、マイクロレンズアレイユニットに入射角度θが、球面レンズであれば実像が見えなくなるような大きい値の場合であっても、光線Lがマイクロレンズアレイ131のレンズAに入射後、マイクロレンズアレイ132の隣り合う(同軸である)レンズBに入射する。そのため、レンズアレイユニットに対して面対称位置に結像し、実像180が見える。
FIG. 4 shows a case where the lens array unit is configured with an aspherical lens. The arrow in FIG. 4 is the optical path L. When an aspherical lens is used and the light incident on the edge of the lens is refracted smaller, the incident angle θ on the microlens array unit is so large that the real image cannot be seen with a spherical lens. Also, after the light beam L is incident on the lens A of the
つまり、凸レンズ131a、131b、132a、132bは、レンズの縁部に入射する光は小さく屈折するようになっているので、図4のように入射角度θが大きい場合であっても、光線Lがマイクロレンズアレイ131のレンズAに入射後、マイクロレンズアレイ132の隣り合うレンズBに入射することができる。
That is, in the
図2や図4に示した凸レンズ131a、131b、132a、132bは、使用する機器等に合わせて曲面形状が最適化されている。例えば、図2に示したように、入射角度θ1が0°〜24°で、良い光線数が最も多くなる形状とすることができる。良い光線とは面対称となる光線に対して例えば±0.1°の角度θ2以内に収まる光線である。
The curved surface shape of the
凸レンズ131a、131b、132a、132bの非球面形状としては断面が楕円や放物線となるものが挙げられる。図5は断面が楕円形状となる具体例である。図5では、凸レンズ131aを示しているが、凸レンズ131b、132a、132bも同様である。
Examples of the aspherical shape of the
以上の説明から明らかなように、マイクロレンズアレイ131が第1レンズアレイ、マイクロレンズアレイ132が第2レンズアレイとして機能している。
As is clear from the above description, the
また、凸レンズ131a、131b、132a、132bは全て同一形状に限らない。凸レンズ131aと凸レンズ132bが同一形状であり、凸レンズ131bと凸レンズ132aが同一形状であればよい。また、凸レンズ131aと凸レンズ131bは同一形状でなくてもよく、凸レンズ132aと凸レンズ132bは同一形状でなくてもよい。
Further, the
また、マイクロレンズアレイ131、132は、図6、図7に示すような構成としてもよい。図6は、マイクロレンズアレイ131、132の断面図、図7は、マイクロレンズアレイ131の正面図である(マイクロレンズアレイ132も同様)。マイクロレンズアレイ131は、凸レンズ131aの周囲に遮光部131cが形成され、凸レンズ131bの周囲に遮光部131dが形成されている。遮光部131c、131dは、黒色印刷等の遮光処理が施されており、遮光部131cに入射した光や出射しようとする光は遮光される(遮光部131dも同様)。即ち、遮光部131c、131dは、透過する光量を減少させる光量減少部として機能する。
Further, the
マイクロレンズアレイ132は、凸レンズ132aの周囲に遮光部132cが形成され、凸レンズ132bの周囲に遮光部132dが形成されている。遮光部132c、132dは、黒色印刷等の遮光処理が施されており、遮光部132cに入射した光や出射しようとする光は遮光される(遮光部132dも同様)。図6においては、遮光部132cに入射した光線L2が遮光されている。
In the
遮光部131c等を設けない場合、図8に示すように、マイクロレンズアレイ131への入射角度θが大きい場合面対称でない光線L3による別像が発生してしまう。そこで、遮光部131c等を設けることで、上述した別像の発生を防止することができる。
When the light-shielding
図6及び図7に示したマイクロレンズアレイ131は、図9に示したように、遮光部131c、131dの部分で分割して形成されたものを接着剤等により接合することで、マイクロレンズアレイ131を所定の大きさに形成することができる。これは、例えば図10に示したように短冊状のマイクロレンズアレイプレート1310として形成し、それを複数枚接合することでマイクロレンズアレイ131を形成することができる。マイクロレンズアレイプレート1310は、勿論遮光部131c、131dの部分で分割する。なお、マイクロレンズアレイ132も同様である。
As shown in FIG. 9, the
また、図6等で示されたマイクロレンズアレイ131は、接合面に遮光処理を施してもよい。接合面に遮光処理を施すことで、より確実に遮光することができる。
Further, in the
また、遮光部131c等は遮光に限らず、シボ加工等の荒らし処理により表面を荒れた状態として入射光が散乱されるようにしてもよい。つまり、図6の光線L2の光量を減少させる光量減少部であればよい。
Further, the light-shielding
また、上述した光量減少部は、凸レンズ131a等が非球面レンズで構成されるに限らず、球面レンズで構成されている場合に形成してもよい。
Further, the above-mentioned light intensity reducing portion is not limited to the case where the
また、空間投影器130としては、上述したマイクロレンズアレイユニットが好適であるが、それに限らず例えば、平面視して交差する第1、第2の微小反射面がそれぞれ同一平面上に多数立設して配置され、各第1の微小反射面からの第1の反射光を、対応する第2の微小反射面で受けて第2の反射光とする装置を用いることができる。
Further, as the
表示部110に表示された画像が放つ光線は、空間投影器130により、面対称の位置に結象し、実像180が形成される(図1参照)。このため、表示部110および空間投影器130の位置と傾きとが定まることで、実像180の結像位置が一意に定まることになる。
The light rays emitted by the image displayed on the
距離センサ140は、実像180が形成される領域を含むように測定範囲が設定されており、測定範囲内に存在する物体との距離を測定する。本実施形態では、距離センサ140は、測定範囲が斜め方向に延びるように設定されている。つまり、距離センサ140が鏡200に対して傾けて配置されている。距離センサ140の測定方式は問わず、例えば、赤外線方式を用いることができる。
The
操作応答部150は、距離センサ140の測定結果に応じた応答動作を行なう。操作応答部150は、例えば、照明装置とすることができる。この場合、距離センサ140の測定結果に応じて照明のオンオフを切り換えることができる。操作応答部150は、距離センサ140の測定結果に応じて表示部110の表示内容を変更するようにしてもよい。
The
距離センサ140と実像180との距離lは既知であり、距離センサ140の測定範囲が、実像180が形成される領域を含むため、測定された物体までの距離が、距離lに近ければ、実像180に対する操作であると検知することができる。この場合、検出対象は、実像180面上でのタッチ操作に限られないため、検出可能な非接触操作の多様性を複雑な構成を用いることなく高めることができる。
The distance l between the
例えば、表示部110にスイッチボタンの画像を表示することで、実像180としてスイッチボタンが空間投影される。このとき、操作者の実像180に対する押下操作等を検出することで、操作応答部150は、スイッチボタンのオンオフを切り換える応答動作を行なうことができるようになる。
For example, by displaying the image of the switch button on the
また、距離センサ140を用いていることから、実像180に対する奥行方向の操作を検出することができ、例えば、スイッチボタンの押し加減を複数段階で識別することができる。そこで、操作応答部150は、スイッチボタンが深く押された場合と、浅く押された場合とで応答制御を変えるようにしてもよい。例えば、スイッチボタンを照明のスイッチボタンとして用い、深く押された場合は明るい照明とし、浅く押された場合は薄暗い照明とすることができる。これにより、検出可能な非接触操作の多様性を一層高めることができる。
Further, since the
あるいは、実像180に手を近づけるに従って照明が明るくなるようにし、実像180から手が離れるに従って照明が暗くなるようにするような応答動作も可能である。
Alternatively, it is possible to perform a response operation such that the illumination becomes brighter as the hand approaches the
また、距離センサ140の測定範囲を遠距離まで広げることで、操作者が遠くから近づいていることを検知し、所定の距離まで近づいた場合に、表示部110に実像180を表示させて、実像180に対する操作を検出するようにしてもよい。
Further, by expanding the measurement range of the
さらに、ある画像の実像180に対する操作を受け付けた後に、次の操作を受け付けるための別の画像の表示部110に表示させるようにしてもよいし、操作を受け付けたことを示すために、表示させる画像を変更するようにしてもよい。例えば、オフ状態を示す画像の実像180が操作を受け付けると、オン状態を示す画像の実像180に切り換える等である。
Further, after receiving an operation on the
ところで、本実施形態の非接触入力装置100は、図1に示すように、鏡200の裏面側に配置している。ここで、鏡200は、ガラス等の透明板201の一方の面に反射膜202を形成し、さらに、不透明保護膜203を形成して構成されており、透明板201側、すなわち、鏡像を見ることができる側を表面とする。そして、鏡200の表面側に実像180が結象するようにしている。この鏡200は、例えば筐体やケース等の本体部300の前面に設けられている。
By the way, as shown in FIG. 1, the
このとき、空間投影器130からの光、距離センサ140の出射信号、物体からの反射信号を透過させるために、鏡200の一部の領域を、不透明保護膜203を欠いたハーフミラー210としている。ハーフミラー210の領域は、空間投影器130からの光、距離センサ140の出射信号、物体からの反射信号を透過させるために必要最小限の大きさとすることが好ましい。不透明保護膜203を欠いた領域に透明保護膜を形成してもよい。なお、図1では、非接触入力装置100を鏡200の裏面に配置したため、ハーフミラーとしているが、鏡200でなくてもよい。例えばガラス、スモークガラス等でもよく、空間投影器130からの光、距離センサ140の出射信号、物体からの反射信号を透過させることができる光透過部材であればよい。
At this time, in order to transmit the light from the
本実施形態によれば、マイクロレンズアレイユニットとして構成されている空間投影機130は、両面に複数の凸レンズ131a、131bが配列されたマイクロレンズアレイ131と、両面に複数の凸レンズ132a、132bが配列されたマイクロレンズアレイ132と、を備えている。そして、マイクロレンズアレイ131の凸レンズ131a、131bとマイクロレンズアレイ132の凸レンズ132a、132bが同軸になるように配置されている。そして、凸レンズ131a、131b、132a、132bは非球面レンズで構成されている。このようにすることにより、表示部110からマイクロレンズアレイ131に入射する光線の角度が大きい場合であっても、隣接するマイクロレンズアレイ132の光軸が同軸の凸レンズに光線が入射するため、面対象位置に結像させることができる。したがって、視認角度を大きくすることができる。
According to the present embodiment, the
また、凸レンズ131aと、凸レンズ132bと、は、同一の曲面形状に形成されている。このようにすることにより、表示部110から入射した光線がマイクロレンズアレイユニットに対して面対称の位置に実像180を形成することができる。
Further, the
また、マイクロレンズアレイ131の凸レンズ131aや131bの周囲には、透過する光量を減少させる光量減少部として遮光部131c、131dが形成されている。このようにすることにより、面対称とならない光線を遮光して、面対称でない別像の表示を防止することができる。
Further, light-shielding
また、マイクロレンズアレイ131は、遮光部131c、131dで接合されている。このようにすることにより、光が出射しない部分で分割して形成できるので、実像180にスジが入ることを防止することができる。また、分割することにより、マイクロレンズアレイ131のサイズを変更する際に接合する数を変更するだけで足り、金型の変更が不要となる。さらには、同時に複数のマイクロレンズアレイプレート1310を製造することが可能となるので製造効率を向上させることができる。
Further, the
また、非接触入力装置100は、画像を表示する表示部110と、画像の実像180を空間投影する空間投影器130と、実像180が形成される領域を含むように測定範囲が設定され、測定範囲内に存在する指等の物体との距離を測定する距離センサ140と、表示部110、空間投影器130、距離センサ140が裏側に配置される板状のハーフミラー210が形成された鏡200と、を備えている。そして、空間投影器130は、実像180の背景面となる鏡200の縁部かつ鏡200の中央に向かって実像200が投影されるように鏡200に対して傾けて配置されている。このようにすることにより、非接触入力装置100の奥行きを増やさずに視認範囲を拡大することが可能となる。
Further, the
また、距離センサ140は、鏡200に対して当該鏡200に対して傾けて配置されている。距離センサ140から出射された赤外光等は、鏡200のハーフミラー210で反射される光が生じる。距離センサ140が上記のように傾けて配置されることで、ハーフミラー210で反射された光が距離センサ140に入射することで生じる誤検知を防止することが可能となる。
Further, the
また、距離センサ140の測定結果に応じた応答動作を行なう操作応答部を備えている。このようにすることにより、距離センサにより操作を検出してスイッチボタンのオンオフを切り換える応答動作等を行なうことができるようになる。
Further, it is provided with an operation response unit that performs a response operation according to the measurement result of the
なお、上述した実施形態では、鏡200の裏側に設置する構成であったが、鏡200とは別体に構成してもよい。その場合であっても、鏡200の縁部に設けるとともに、空間投影器130が、実像180の背景面となる鏡200の中央に向かって実像180が投影されるように鏡200に対して傾けて配置されるように設ければよい。また、上述した本実施形態では、背景部材として鏡200を説明したが、鏡に限らずガラスやスモークガラス等であってもよい。或いは、実像180の背景となる物体であれば絵画や展示物等、平面状でなくてもよい。
In the above-described embodiment, the
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の非接触入力装置の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。 The present invention is not limited to the above embodiment. That is, those skilled in the art can carry out various modifications according to conventionally known knowledge within a range that does not deviate from the gist of the present invention. As long as the non-contact input device of the present invention is still provided by such a modification, it is, of course, included in the category of the present invention.
100 非接触入力装置
110 表示部
130 空間投影器(レンズアレイユニット)
131 マイクロレンズアレイ(第1レンズアレイ)
131a、131b 凸レンズ
131c、131d 遮光部(光量減少部)
132 マイクロレンズアレイ(第2レンズアレイ)
132a、132b 凸レンズ
132c、132d 遮光部(光量減少部)
140 距離センサ
150 操作応答部
200 鏡
210 ハーフミラー(光透過部材)
100
131 Microlens Array (1st Lens Array)
131a, 131b
132 Microlens Array (2nd Lens Array)
132a, 132b
140
Claims (3)
前記第1レンズアレイの前記凸レンズと前記第2レンズアレイの前記凸レンズが同軸になるように配置され、
前記第1レンズアレイ及び前記第2レンズアレイの凸レンズは非球面レンズで構成されていることを特徴とするレンズアレイユニット。 A lens array unit including a first lens array in which a plurality of convex lenses are arranged on both sides and a second lens array in which a plurality of convex lenses are arranged on both sides.
The convex lens of the first lens array and the convex lens of the second lens array are arranged so as to be coaxial with each other.
A lens array unit characterized in that the convex lens of the first lens array and the second lens array is composed of an aspherical lens.
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