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JP2020064086A - 空中映像出力装置 - Google Patents

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JP2020064086A
JP2020064086A JP2017030502A JP2017030502A JP2020064086A JP 2020064086 A JP2020064086 A JP 2020064086A JP 2017030502 A JP2017030502 A JP 2017030502A JP 2017030502 A JP2017030502 A JP 2017030502A JP 2020064086 A JP2020064086 A JP 2020064086A
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佳周 長田
Yoshichika Osada
佳周 長田
坂元 豪介
Gosuke Sakamoto
豪介 坂元
光正 松本
Mitsumasa Matsumoto
光正 松本
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    • G02B30/50Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels
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Abstract

【課題】ユーザが空中映像を適切に観察できる範囲が広げられた空中映像出力装置を提供する。【解決手段】空中映像出力装置10は、映像を形成する第一の光を出力する映像出力部11と、映像出力部11から出力された第一の光を反射する反射部12と、反射部12が反射した第一の光を第二の光に変換して出射することにより、上記映像に対応する空中映像30を結像させるAIプレート13と、AIプレート13から入射角θ1で入射した第二の光を入射角θ1よりも小さい出射角θ2で出射する角度調整光学素子14とを備える。【選択図】図3

Description

本発明は、空中に映像を表示する空中映像出力装置に関する。
特許文献1には、液晶ディスプレイに表示された平面映像に対応する映像を空中に結像させることができる光学結像装置が提案されている。
特許第5667729号公報
上記のような光学結像装置を用いて空中に映像を結像させる場合、ユーザが空中に結像された映像(以下、空中映像とも記載する)を適切に観察できる範囲はある程度制限される。
本発明は、ユーザが空中映像を適切に観察できる範囲が広げられた空中映像出力装置を提供する。
本発明の一態様に係る空中映像出力装置は、映像を形成する第一の光を出力する映像出力部と、前記映像出力部から出力された前記第一の光を反射する反射部と、前記反射部が反射した前記第一の光を第二の光に変換して出射することにより、前記映像に対応する空中映像を結像させる結像光学素子と、前記結像光学素子から入射角θ1で入射した前記第二の光を前記入射角θ1よりも小さい出射角θ2で出射する角度調整光学素子とを備える。
本発明によれば、ユーザが空中映像を適切に観察できる範囲が広げられた空中映像出力装置が実現される。
図1は、実施の形態に係る空中映像出力装置を備えるシステムキッチンの模式図である。 図2は、実施の形態に係る空中映像出力装置を備えるシステムキッチンの内部構造を示す図である。 図3は、実施の形態に係る空中映像出力装置の構成を示す図である。 図4は、角度調整光学素子の立体的形状を示す図である。 図5は、角度調整光学素子を側方から見た図である。 図6は、角度調整光学素子の具体的寸法を示す図である。 図7は、比較例1に係る空中映像出力装置の構成を示す図である。 図8は、比較例2に係る空中映像出力装置の構成を示す図である。 図9は、変形例1に係る空中映像出力装置の構成を示す図である。 図10は、変形例2に係る第1の空中映像出力装置の構成を示す図である。 図11は、変形例2に係る第2の空中映像出力装置の構成を示す図である。
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
なお、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化される場合がある。
また、以下の実施の形態で説明に用いられる図面においては座標軸が示される場合がある。座標軸におけるZ軸方向は、例えば、鉛直方向であり、Z軸+側は、上側(上方)と表現され、Z軸−側は、下側(下方)と表現される。また、X軸方向及びY軸方向は、Z軸方向に垂直な平面(水平面)上において、互いに直交する方向である。
(実施の形態)
[概略構成]
まず、実施の形態に係る空中映像出力装置の概略構成について、図1及び図2を用いて説明する。図1は、実施の形態に係る空中映像出力装置を備えるシステムキッチンの模式図である。図2は、実施の形態に係る空中映像出力装置を備えるシステムキッチンの内部構造を示す図である。なお、図2は、システムキッチンを側方から見た断面図である。
図1及び図2に示されるように、空中映像出力装置10は、システムキッチン20に適用することができる。この場合、システムキッチン20を使用するユーザが空中映像出力装置10を利用することができる。
システムキッチン20は、例えば、ユーザが調理をしたり食器を洗ったりするための設備である。具体的には、システムキッチン20は、調理等の作業を行うためのキッチン台21と、キッチン台21の奥側に衝立状に配置されたキッチン壁22とを備える。
空中映像出力装置10は、キッチン台21に組み込まれている。空中映像出力装置10は、映像出力部11が出力(表示)する映像を空中映像30として、空中の表示領域に結像させる。空中映像出力装置10は、例えば、料理のレシピ等の空中映像30を表示する。これにより、ユーザは、レシピ等の空中映像30を見ながら調理することができる。
[空中映像出力装置の構成]
次に、空中映像出力装置10の構成について説明する。図3は、空中映像出力装置10の構成を示す図(図2の空中映像出力装置10を拡大した図)である。空中映像出力装置10は、具体的には、映像出力部11と、反射部12と、AI(Aerial Imaging)プレート13と、角度調整光学素子14と、筐体15とを備える。
映像出力部11は、映像を表示する。映像出力部11は、言い換えれば、映像を形成する第一の光を出力する。映像出力部11は、例えば、液晶表示装置、有機EL表示装置、又はLED表示装置等の2次元映像を表示するフラットパネルディスプレイである。映像出力部11は、具体的には、表示面11aを有し、表示面11aには、空中映像30として空中に表示される映像が表示される。表示面11aは、例えば、マトリクス状に複数の画素が設けられた画素領域を有する。映像出力部11は、AIプレート13及び反射部12の間に配置され、反射部12に向けて第一の光を出力する。
なお、実施の形態において、映像(画像)は、静止画像及び動画像のいずれであってもよく、例えば、空中映像出力装置10に記憶されたコンテンツ映像、テレビ番組の放送中の映像もしくは録画映像、BDもしくはDVD等の再生映像、または、インターネット映像等である。映像は、予め定められた固定の映像であってもよい。
反射部12は、映像出力部11から出力された第一の光を反射する。反射部12は、平板状の光学ミラーであり、筐体15の底部に反射面12aが上方を向いた状態で配置される。反射面12aは、X−Y平面に平行な平面である。
AIプレート13は、結像光学素子の一例であって、反射部12が反射した第一の光を第二の光に変換して出射することにより、映像出力部11の表示面に表示された映像に対応する空中映像30を結像させる光学デバイスである。AIプレート13は、いわゆる反射型面対称結像素子であり、入射する光を透過及び反射することでAIプレート13を対称軸として1:1で空中に実像を形成する。
AIプレート13は、反射部12と角度調整光学素子14との間に配置される。AIプレート13の光の入射面は、反射部12の反射面12aと対向し、AIプレート13の光の出射面は、角度調整光学素子14と対向する。AIプレートの入射面及び出射面は、X−Y平面に平行な平面である。
AIプレート13は、例えば、ガラス基板または透明樹脂基板等の透光性を有する基板と、基板上に樹脂材料等で形成された平面視形状が格子状の隔壁と、隔壁によって二次元的に区画された複数の開口部の内面に形成された反射膜とによって構成された平板状のプレートである。
複数の開口部の各々は、直方体であり、例えば、平面視形状が1辺100μm程度の正方形で、深さが100μm程度である。また、各開口部の隔壁の内面に形成された反射膜は、例えば、銀またはアルミニウム等の金属膜である。つまり、反射膜の表面は、鏡面(マイクロミラー)である。
空中映像出力装置10では、映像出力部11によって出力された映像を形成する第一の光が、円錐状に広がってAIプレート13の入射面に入射し、AIプレート13の開口部の内面を構成する反射膜の表面のうち隣接する2つの反射面(直交する2つの反射面)で順次反射されて出射面から第二の光として出射される。このように出射された第二の光によって、空中映像30が空中に投影される。
AIプレート13は、映像出力部11の表示面11aと光学的に対称となる位置に、映像出力部11の表示面11aに表示される映像と同じ映像を空中映像30として結像させる。言い換えれば、AIプレート13から映像出力部11までの光学距離(光路長)と、AIプレート13から空中映像30までの距離とはほぼ等しく、映像出力部11の表示面11aに表示される映像の大きさと空中映像30の大きさもほぼ等しい。
角度調整光学素子14は、AIプレート13から入射角θ1で入射した第二の光を入射角θ1よりも小さい出射角θ2で出射する。角度調整光学素子14は、具体的には、アクリル樹脂などの樹脂、または、ガラスなどの透光性材料(透明材料)によって形成されたプリズム(プリズムシート)である。なお、透光性材料の屈折率は、空気よりも大きい。
角度調整光学素子14の具体的な形状は、図4〜図6に示される。図4は、角度調整光学素子14の立体的形状を示す図である。図5は、角度調整光学素子14を側方から見た図である。図6は、角度調整光学素子14の具体的寸法を示す図である。
角度調整光学素子14は、AIプレート13の上面に配置される。図4に示されるように、角度調整光学素子14は、X軸方向を高さ方向とする三角柱状のプリズム単位が、Y軸方向に複数並んで配置される。複数のプリズム単位の入射面14aは、X軸方向を長手方向とする長尺矩形状であり、X−Y平面に平行な平面である。複数のプリズム単位の入射面14aは、AIプレート13の出射面と対向する。複数のプリズム単位の入射面14aは、AIプレート13の出射面と接している。図5及び図6に示されるように、一のプリズム単位の入射面14aのY軸方向の長さ(幅)wは、0.01mm以上0.2mm以下程度である。
角度調整光学素子14の出射面14bは、X軸方向を長手方向とする長尺矩形状であり、入射面14aと角度αで交差する平面である。角度αは、例えば40°であるが、所望の出射角θ2を実現するために適宜変更されてよい。また、図5に示される角度βは、例えば、90°である。
角度調整光学素子14への光の入射角θ1及び出射角θ2は、入射面14aに平行な平面に垂直な方向に対する角度である。図6に示されるように、入射角θ1が60°以上80°以下の範囲で変わると、出射角θ2は、33.3°以上42.1°以下の範囲で変わる。このように、角度調整光学素子14は、AIプレート13から入射角θ1で入射した第二の光を入射角θ1よりも小さい出射角θ2で出射する。
筐体15は、映像出力部11、反射部12、AIプレート13、及び、角度調整光学素子14を収容する。筐体15は、上方が開口した直方体状であり、例えば金属材料又は樹脂材料によって形成される。なお、筐体15の形状は、特に限定されない。筐体15の開口部には、当該開口部を塞ぐように、AIプレート13及び角度調整光学素子14が配置される。なお、角度調整光学素子14の上には、透光性材料(透明材料)によって形成された保護カバーが配置されていてもよい。
[角度調整光学素子によって得られる効果]
次に、角度調整光学素子14によって得られる効果について、比較例1に係る空中映像出力装置及び比較例2に係る空中映像出力装置と比較しながら説明する。図7は、比較例1に係る空中映像出力装置の構成を示す図であり、図8は、比較例2に係る空中映像出力装置の構成を示す図である。
上述のように、空中映像30からAIプレート13までの距離(光路長)は、映像出力部11からAIプレート13までの距離(光路長)と等しくなる。したがって、AIプレート13から離れた位置に空中映像30を結像するためには、映像出力部11とAIプレート13との距離を離す必要がある。そうすると、筐体15が大型化してしまうことが課題となる。
そこで、空中映像出力装置10では、反射部12を配置して映像出力部11から出力される第一の光を反射することにより、筐体15の薄型化が図られている。
ここで、図7に示される比較例1に係る空中映像出力装置10aでは、映像出力部11は、反射面12aへの第一の光の入射角θ3が比較的小さくなるように配置されている。言い換えれば、映像出力部11は、表示面11aが反射部12の反射面12aと平行に近づくように配置されている。これにより、筐体15をさらに薄型化することができる。
空中映像出力装置10aでは、反射面12aによって反射した第一の光の一部が映像出力部11によって遮られ、当該第一の光の一部がAIプレート13に入射しない場合がある。つまり、空中映像30が途切れてしまう可能性がある。なお、空中映像出力装置10aにおいて、AIプレート13への第一の光の入射角、及び、AIプレート13からの第二の光の出射角は、いずれも反射面12aへの第一の光の入射角θ3と等しくなる。
このように、空中映像30が途切れてしまうことを抑制するために、図8に示される比較例2に係る空中映像出力装置10bでは、映像出力部11は、反射面12aへの第一の光の入射角θ4が比較的大きくなるように配置されている。この場合、なお、AIプレート13への第一の光の入射角、及び、AIプレート13からの第二の光の出射角は、いずれも反射面12aへの第一の光の入射角θ4と等しくなる。
そうすると、ユーザの視点から見たときのAIプレート13の見かけの大きさ(面積)が小さくなる。このため、ユーザが空中映像30を適切に観察できる範囲が狭くなってしまうことが課題となる。例えば、空中映像出力装置10bによって出力される空中映像30は、ユーザが屈んだ位置からでなければ適切に観察できず、上方からは適切に観察することが難しい。なお、AIプレート13の見かけの大きさは、図8の角度θ5によって定められる。
そこで、空中映像出力装置10では、角度調整光学素子14によって第二の光の出射角が入射角θ1よりも小さいθ2に調整されている。入射角θ1が大きい場合であっても、ユーザの視点から見たときのAIプレート13の見かけの大きさ(面積)が小さくなる(図3の角度θ6>図8の角度θ5となる)。このため、ユーザが空中映像30を適切に観察できる範囲を広くすることができる。したがって、空中映像30のサイズを大きくすることができる。なお、空中映像出力装置10では、出射角θ2は、0<θ2<60°の関係を満たせばよい。
[変形例1]
AIプレート13は、結像光学素子の一例であり、結像光学素子の具体的な態様については特に限定されない。結像光学素子は、例えば、ハーフミラー及び再帰反射部を含む構成であってもよい。図9は、ハーフミラー及び再帰反射部を含む結像光学素子を備える空中映像出力装置の構成を示す図である。
図9に示される空中映像出力装置10cは、結像光学素子として、ハーフミラー13a及び再帰反射部13bを備える。
ハーフミラー13aは、反射部12によって反射された第一の光を反射し、及び、再帰反射部13bによって出射された第二の光を透過するビームスプリッタである。
ハーフミラー13aは、空中映像出力装置10のAIプレート13と同様に、筐体15の開口部に配置される。空中映像出力装置10cにおいて、ハーフミラー13aと反射部12とは対向配置される。映像出力部11は、ハーフミラー13a及び反射部12の間に配置され、映像を形成する第一の光を反射部12に向けて出力する。
ハーフミラー13aは、反射部12が反射した第一の光を再帰反射部13bに向けて反射するとともに、再帰反射部13bによって出射された第二の光を透過する。この場合の第二の光は、第一の光が再帰反射されることによって得られる光である。透過した第二の光は、空中映像出力装置10の上方の空間において結像される。これにより、表示面11aに表示された映像に対応する空中映像30が空中に表示される。
再帰反射部13bは、入射した光を再び入射方向へ実質的な方向を変更することなく反射する(再帰反射する)部材である。再帰反射部13bは、言い換えれば、再帰反射光学部材、または、再帰反射ミラーである。再帰反射部13bは、ハーフミラー13aによって反射された第一の光を再帰反射することにより、第一の光を第二の光に変換して出射する。再帰反射部13bは、具体的には、複数の球状のガラスビーズが板状の基材の面内に敷き詰められたシート状の部材、または、マイクロプリズムが設けられた板材などである。
再帰反射部13bは、反射部12と同様に、筐体15の底部に反射面が上方を向いた状態で配置される。再帰反射部13bは、Y軸方向において反射部12と並んで配置される。再帰反射部13bは、反射部12よりも映像出力部11から遠い位置に配置される。
空中映像出力装置10cは、空中映像出力装置10と同様に、ユーザが空中映像30を適切に観察できる範囲を広くすることができる。
[変形例2]
上記実施の形態では、角度調整光学素子14は、AIプレート13上またはハーフミラー13a上に配置されたが、角度調整光学素子14は、映像出力部11から出力される第一の光が反射部12によって反射される前に、当該第一の光の角度を調整してもよい。図10は、このような変形例2に係る第1の空中映像出力装置の構成を示す図である。
図10に示される空中映像出力装置10dが備える角度調整光学素子14dは、例えば、映像出力部11からθ1=0°で入射した第二の光を出射角θ2>0で出射する。出射された第一の光は、反射部12によって反射された後、AIプレート13に入射する。角度調整光学素子14dは、例えば、入射角よりも出射角のほうが大きくなるプリズムなどである。
このような空中映像出力装置10dは、空中映像出力装置10と同様に、ユーザが空中映像30を適切に観察できる範囲を広くすることができる。
また、角度調整光学素子14は、映像出力部11から出力される第一の光が反射部12によって反射された後、AIプレート13に入射する前に当該第一の光の角度を調整してもよい。図11は、このような変形例2に係る第2の空中映像出力装置の構成を示す図である。
図11に示される空中映像出力装置10eが備える角度調整光学素子14eは、反射部12から入射角θ1で入射した第一の光を入射角θ1よりも小さい出射角θ2で出射する。出射された第一の光は、AIプレート13に入射する。角度調整光学素子14eは、例えば、角度調整光学素子14と同様の構成のプリズムである。
このような空中映像出力装置10eは、空中映像出力装置10と同様に、ユーザが空中映像30を適切に観察できる範囲を広くすることができる。
[まとめ]
以上説明したように、空中映像出力装置10は、映像を形成する第一の光を出力する映像出力部11と、映像出力部11から出力された第一の光を反射する反射部12と、反射部12が反射した第一の光を第二の光に変換して出射することにより、上記映像に対応する空中映像30を結像させる結像光学素子と、結像光学素子から入射角θ1で入射した第二の光を入射角θ1よりも小さい出射角θ2で出射する角度調整光学素子14とを備える。
これにより、空中映像出力装置10は、ユーザが空中映像30を適切に観察できる範囲を広くすることができる。つまり、ユーザが空中映像30を適切に観察できる範囲が広げられた空中映像出力装置10が実現される。
また、出射角θ2は、0<θ2<60°の関係を満たしてもよい。
これにより、ユーザが上方寄りから空中映像30を観察する場合に、ユーザが空中映像30を適切に観察できる範囲を広くすることができる。
また、結像光学素子は、AIプレート13であってもよい。
これにより、AIプレート13を備える空中映像出力装置10であって、ユーザが空中映像30を適切に観察できる範囲が広げられた空中映像出力装置10が実現される。
また、AIプレート13と反射部12とは対向配置され、映像出力部11は、AIプレート13及び反射部12の間に配置され、反射部12に向けて第一の光を出力してもよい。
これにより、反射部12によって光路が折り返されるため、AIプレート13と反射部12との並び方向(上下方向)における、空中映像出力装置10の厚みの増加が抑制される。
また、空中映像出力装置10cのように、結像光学素子は、ハーフミラー13a及び再帰反射部13bを含んでもよい。ハーフミラー13aは、反射部12が反射した第一の光を反射し、再帰反射部13bは、ハーフミラー13aによって反射された第一の光を再帰反射することにより、第一の光を第二の光に変換して出射する。ハーフミラー13aは、再帰反射部13bによって出射された第二の光を透過する。
これにより、ハーフミラー13a及び再帰反射部13bを備える空中映像出力装置10cであって、ユーザが空中映像30を適切に観察できる範囲が広げられた空中映像出力装置10が実現される。
また、ハーフミラー13aと反射部12とは対向配置され、映像出力部11は、ハーフミラー13a及び反射部12の間に配置され、反射部12に向けて第一の光を出力してもよい。
これにより、反射部12によって光路が折り返されるため、ハーフミラー13aと反射部12との並び方向(上下方向)における、空中映像出力装置10cの厚みの増加が抑制される。
また、空中映像出力装置10は、さらに、映像出力部11、反射部12、結像光学素子、及び、角度調整光学素子14を収容する筐体15を備えてもよい。
これにより、空中映像出力装置10がユニット化されるため、空中映像出力装置10のシステムキッチン20等への組み込みが容易となる。
(他の実施の形態)
以上、実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。
上記実施の形態では、角度調整光学素子は、入射した光を入射角よりも小さい出射角で出射したが、入射した光を入射角よりも大きい出射角で出射してもよい。角度調整光学素子は、入射した光を入射角と異なる出射角で出射すればよい。
上記実施の形態では、角度調整光学素子は、光の屈折を利用したプリズムであったが、全反射を利用したプリズムであってもよい。また、角度調整光学素子は、レンズなどの他の光学部材であってもよい。角度調整光学素子は、入射した光を入射角と異なる出射角で出射する光学部材であればよい。
また、上記実施の形態に示される光学構成は、一例であり、本発明は上記光学構成に限定されない。つまり、上記光学構成と同様に、本発明の特徴的な機能を実現できる光学構成も本発明に含まれる。例えば、上記光学構成と同様の機能を実現できる範囲で、上記光学構成で使用された光学部品の一部が省略されてもよいし、上記光学構成に光学部品が追加されてもよい。
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、または、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。
10、10a、10b、10c、10d、10e 空中映像出力装置
11 映像出力部
12 反射部
13 AIプレート(結像光学素子)
13a ハーフミラー(結像光学素子)
13b 再帰反射部(結像光学素子)
14、14d、14e 角度調整光学素子
15 筐体
30 空中映像

Claims (7)

  1. 映像を形成する第一の光を出力する映像出力部と、
    前記映像出力部から出力された前記第一の光を反射する反射部と、
    前記反射部が反射した前記第一の光を第二の光に変換して出射することにより、前記映像に対応する空中映像を結像させる結像光学素子と、
    前記結像光学素子から入射角θ1で入射した前記第二の光を前記入射角θ1よりも小さい出射角θ2で出射する角度調整光学素子とを備える
    空中映像出力装置。
  2. 前記出射角θ2は、0<θ2<60°の関係を満たす
    請求項1記載の空中映像出力装置。
  3. 前記結像光学素子は、AI(Aerial Imaging)プレートである
    請求項1または2に記載の空中映像出力装置。
  4. 前記AIプレートと前記反射部とは対向配置され、
    前記映像出力部は、前記AIプレート及び前記反射部の間に配置され、前記反射部に向けて前記第一の光を出力する
    請求項3に記載の空中映像出力装置。
  5. 前記結像光学素子は、ハーフミラー及び再帰反射部を含み、
    前記ハーフミラーは、前記反射部が反射した前記第一の光を反射し、
    前記再帰反射部は、前記ハーフミラーによって反射された前記第一の光を再帰反射することにより、前記第一の光を前記第二の光に変換して出射し、
    前記ハーフミラーは、前記再帰反射部によって出射された前記第二の光を透過する
    請求項1または2に記載の空中映像出力装置。
  6. 前記ハーフミラーと前記反射部とは対向配置され、
    前記映像出力部は、前記ハーフミラー及び前記反射部の間に配置され、前記反射部に向けて前記第一の光を出力する
    請求項5に記載の空中映像出力装置。
  7. さらに、前記映像出力部、前記反射部、前記結像光学素子、及び、前記角度調整光学素子を収容する筐体を備える
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の空中映像出力装置。
JP2017030502A 2017-02-21 2017-02-21 空中映像出力装置 Pending JP2020064086A (ja)

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