JP7097335B2 - 非接触入力装置 - Google Patents

Description

本発明は、空間投影した像に対する操作を検出する非接触入力装置に関する。

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）。

特開２０１３－４４７６号公報

この種の入力装置においては、視認される実像の視認範囲は広くすることが望まれる。しかしながら、視認範囲は広げるには、空間投影器と実像との距離を大きくする必要があり、結果的に装置の奥行きが増加してしまう。

そこで、本発明は、視認範囲を広くすることができる非接触入力装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた発明は、画像を表示する表示部と、前記表示部と同一軸線上に配置され、前記画像の実像を空間投影する空間投影器と、前記実像が形成される領域を含むように測定範囲が設定され、前記測定範囲内に存在する物体との距離を測定する距離センサと、を備え、前記表示部及び前記空間投影器は、前記実像の背景面となるとともに当該空間投影器からの光を透過する板状の光透過部材の裏側に配置され、さらに、前記空間投影器は、前記光透過部材の周縁部から当該光透過部材の中央に向かって前記実像が投影されるように前記光透過部材に対して傾けて配置されている、ことを特徴とする非接触入力装置である。

また、前記距離センサは、前記光透過部材裏側の前記表示部よりも前記光透過部材に近い位置かつ、前記光透過部材に対して傾けて配置されていることを特徴とすることができる。

また、前記距離センサの測定結果に応じた応答動作を行なう操作応答部をさらに備えることを特徴とすることができる。

本発明によれば、空間投影器が光透過部材の縁部かつ空間投影器から実像に向かう光線が光透過部材と斜めに交わるように配置されているので、装置の奥行きを増やさずに視認範囲を広くすることができる。

本発明の一実施形態にかかる非接触入力装置の構成を示す図である。 図１に示された空間投影器の一部断面図である。 マイクロレンズアレイが球面レンズの場合の光路を示した説明図である。 マイクロレンズアレイが非球面レンズの場合の光路を示した説明図である。 図１に示された空間投影器を構成するマイクロレンズアレイのレンズの具体例である。 遮光部が形成されたマイクロレンズアレイの一部断面図である。 図６に示されたマイクロレンズアレイの一部正面図である。 遮光部が形成されない場合に別像を形成する光が透過する説明図である。 図６に示されたマイクロレンズアレイの分割構造の説明図である。 図９に示されたマイクロレンズアレイの分割構造の一部正面図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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θ_１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θ_２以内に収まる光線である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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）

Claims (5)

1. 画像を表示する表示部と、
   前記表示部と同一軸線上に配置され、前記画像の実像を空間投影する空間投影器と、
   前記実像が形成される領域を含むように測定範囲が設定され、前記測定範囲内に存在する物体との距離を測定する距離センサと、
   を備え、
   前記表示部及び前記空間投影器は、前記実像の背景面となるとともに当該空間投影器からの光を透過する板状の光透過部材の裏側に配置され、
   さらに、前記空間投影器は、前記光透過部材の周縁部から当該光透過部材の中央に向かって前記実像が投影されるように前記光透過部材に対して傾けて配置されている、
   ことを特徴とする非接触入力装置。
2. 前記距離センサは、前記光透過部材裏側の前記表示部よりも前記光透過部材に近い位置かつ、前記光透過部材に対して傾けて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触入力装置。
3. 前記距離センサの測定結果に応じた応答動作を行なう操作応答部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の非接触入力装置。
4. 前記空間投影器は、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構成され、
   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、
   ことを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の非接触入力装置。
5. 前記空間投影器は、両面に複数の凸レンズが配列されたレンズアレイで構成され、
   前記凸レンズの周囲には、透過する光量を減少させる光量減少部が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から３のうちいずれか一項に記載の非接触入力装置。

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