JP2020016897A - 虚像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】二重像の発生を低減して虚像の視認性を向上させる。【解決手段】虚像表示装置10は、照明光を変調して画像表示光Lを生成する表示部14と、画像表示光Lを厚さが均一な虚像提示板22に向けて反射させる凹面鏡18を少なくとも含む投射光学系16と、を備え、表示部14は、虚像提示板22および投射光学系20により構成される合成光学系20のサジタル面内焦点26sより合成光学系20のメリディオナル面内焦点26mの近くに配置される。【選択図】図4
Description
本発明は、虚像表示装置に関する。
近年、車両用表示装置としてヘッドアップディスプレイが用いられることがある。ヘッドアップディスプレイは、画像表示光を車両のウィンドシールドなどに投射し、画像表示光に基づく虚像を車外の風景に重畳して表示する。ウィンドシールドには車内側と車外側の二つの界面があるため、それぞれの界面にて反射して視認される画像表示光がずれて重畳され、二重像に見えてしまうことがある。このような二重像の発生を抑制するため、二重像のずれ量が人間の目の分解能以内となるように視距離を設定し、その視距離を実現する光学配置を得るための数式が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
上述の技術では、二重像を低減するためにユーザの前方に見える虚像の提示位置までの視距離を大きくすることが前提とされる。虚像の視距離によらずに二重像の発生を好適に低減できることが好ましい。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、提示する虚像の視認性を向上させる技術を提供することを目的とする。
本発明のある態様の虚像表示装置は、照明光を変調して画像表示光を生成する表示部と、画像表示光を厚さが均一なウインドシールドに向けて反射させる凹面鏡を少なくとも含む投射光学系と、を備え、表示部は、ウインドシールドおよび投射光学系により構成される合成光学系のサジタル面内焦点より、合成光学系のメリディオナル面内焦点の近くに配置される。
なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、二重像の発生を低減して虚像の視認性を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。かかる実施の形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
図1は、実施の形態に係る虚像表示装置10の設置態様を模式的に示す図である。本実施の形態では、移動体の一例である車両60のダッシュボード内に虚像表示装置10が設置される。虚像表示装置10は、いわゆるヘッドアップディスプレイ装置である。虚像表示装置10は、虚像提示板であるウインドシールド62に画像表示光を投射し、車両60の進行方向(図1の右方向)の前方に虚像50を提示する。運転者などのユーザEは、ウインドシールド62を介して現実の風景に重畳される虚像50を視認できる。そのため、ユーザEは、車両の走行中に視線をほとんど動かすことなく虚像50に示される情報を得ることができる。図1において、車両60の進行方向(前後方向)をz方向、車両60の天地方向(上下方向)をy方向、車両60の左右方向をx方向としている。
虚像表示装置10は、照明部12と、表示部14と、投射光学系16と、制御部40とを備える。照明部12は、表示光を生成するための光源であり、表示部14を照明するための照明光を生成する。照明部12は、LED(Light Emitting Diode)やLD(Laser Diode)などの発光素子と、発光素子からの出力光の強度分布や角度分布を調整するための光学素子とを有する。照明部12は、表示部14にほぼ一様な明るさの白色光が照明されるようにする。照明部12の構成は特に限られないが、発光素子からの出力光を整えるために、例えば、ライトトンネル、フレネルレンズ、光拡散板などの光学素子を用いることができる。
表示部14は、照明部12からの照明光を変調して表示光を生成し、虚像50の表示内容に対応する中間像を形成する。表示部14は、表示光を生成するための透過型の画像表示素子を含み、透過型の液晶パネルといった表示デバイスを含む。画像表示素子は、制御部40から送信される画像信号を受け、画像信号に対応する表示内容の画像表示光を生成する。表示部14は、画像表示光の向きや配光角を整えるための光学素子をさらに含んでもよく、例えば、マイクロレンズアレイシートや光拡散シートといった透過型スクリーンを含んでもよい。
投射光学系16は、表示部14が生成する画像表示光をウインドシールド62に向けて投射する。投射光学系16は、凸レンズ17と、凹面鏡18とを含む。凹面鏡18は、表示部14からの画像表示光をウインドシールド62に向けて反射させ、表示部14に表示される中間像を拡大してユーザEに提示する。凸レンズ17は、表示部14と凹面鏡18の間に配置され、表示部14から凹面鏡18に向かう画像表示光の向きを変化させる。
投射光学系16は、図示しない追加の光学素子をさらに含んでもよく、例えば、照明部12から凹面鏡18までの光路を折り返すための平面鏡などがさらに設けられてもよい。追加の平面鏡は、照明部12と表示部14の間に配置されてもよいし、表示部14と凸レンズ17の間に配置されてもよいし、凸レンズ17と凹面鏡18の間に配置されてもよい。投射光学系16に二枚以上の平面鏡がさらに設けられてもよい。また、凸レンズ17が複数枚のレンズからなるレンズ群により構成されてもよい。
制御部40は、表示用画像を生成し、表示用画像に対応する虚像50が提示されるように照明部12および表示部14を動作させる。制御部40は、外部装置64と接続されており、外部装置64からの情報に基づいて表示用画像を生成する。
外部装置64は、虚像50として表示される画像の元データを生成する装置である。外部装置64は、例えば、車両60の電子制御ユニット(ECU;Electronic Control Unit)や、ナビゲーション装置、携帯電話やスマートフォン、タブレットといったモバイル装置などである。外部装置64は、虚像50の表示に必要な画像データ、画像データの内容や種別を示す情報、車両60の速度や現在位置といった車両60に関する情報を制御部40に送信する。
本実施の形態では、表示部14を所定の位置に配置することにより、ウインドシールド62の車内側と車外側の二つの界面で反射して視認される画像表示光がずれて表示され、二重像に見えてしまうのを抑制する。実施の形態に係る表示部14の配置を詳述する前に、比較例を参照しながらこのような二重像の発生について説明する。
図2は、比較例に係る虚像表示装置110の光学配置を示す図であり、二重像が発生している状態を模式的に示している。虚像表示装置110は、上述の実施の形態と同様に構成される表示部114および凹面鏡118を備える。凹面鏡118は、表示部114からの画像表示光Lをウインドシールド62である虚像提示板22に投射する。虚像提示板22は、所定の厚みtを有し、第1主面23と、第2主面24とを有する。第1主面23は、ウインドシールド62の車内側の界面に対応し、第2主面24は、ウインドシールド62の車外側の界面に対応する。
表示部114の任意の一点からユーザEに達する画像表示光Lは、主に二つの光路L1,L2を通る。第1光路L1は、第1主面23で反射されてユーザEに向かう光路であり、第2光路L2は、第1主面23で屈折し、第2主面24で反射された後、第1主面23で再度屈折してユーザEに向かう光路である。このとき、ユーザEに向かう第1光路L1と第2光路L2の間に角度差Δφが存在すると、その角度差Δφに応じて二つの光路L1,L2のそれぞれを通る画像表示光がずれて視認され、虚像150に二重像が生じる。なお、第1主面23と第2主面24の間を多重反射してユーザEに向かう光路も想定しうるが、多重反射してユーザEに向かう画像表示光の成分は小さく、通常の使用態様において無視できる。
図3は、比較例に係る虚像表示装置110の光学配置を示す図であり、図2とは異なる虚像提示板222を用いて二重像を抑制する様子を模式的に示している。図3に示す虚像提示板222は、いわゆる「楔ガラス」と言われるものであり、虚像提示板222の厚みが変化するよう構成されている。その結果、虚像提示板222の第1主面223と第2主面224は、虚像表示装置110に対して互いに異なる傾斜角を有し、角度差Δθが設けられる。二つの主面223,224の間に角度差Δθが設けられた楔ガラスを用いることにより、図2に示すような第1光路L1と第2光路L2の角度差Δφが補正され、二重像を低減させた虚像250を提示できる。
しかしながら、このような「楔ガラス」は角度差Δθを精密に制御して形成する必要があるため、厚さtが均一な通常のガラスと比べて高価である。また、車両60のウインドシールド62を楔ガラスにする場合には、車両60の形状に応じた専用の楔ガラスが必要となるだけでなく、ウインドシールド62の全体を交換しなければならないため、非常にコストがかかる。したがって、このような特殊な楔ガラスを用いずに二重像の発生を低減できることが好ましい。
図4は、実施の形態に係る虚像表示装置10の光学配置を詳細に示す図であり、上述の図1の構成に対応する。図4では、虚像提示板22として楔ガラスではなく、厚さtが均一な通常ガラスを用いている。本実施の形態では、表示部14と凹面鏡18の間に凸レンズ17を挿入することにより、二重像の発生が抑制される。特に、投射光学系16および虚像提示板22により構成される合成光学系20のメリディオナル(meridional)面内焦点26mに表示部14を配置することで二重像の発生を抑制できる。
ここで「メリディオナル面」とは、合成光学系20の光軸と画像表示光Lの主光線を含む平面のことをいい、図4に示す例では、yz平面がメリディオナル面に相当する。第1光路L1と第2光路L2の角度差は、メリディオナル面内で生じるため、合成光学系20のメリディオナル面内焦点26mに表示部14を配置することで、ユーザEに向かう二つの光路L1,L2の向きを一致させ、二重像の発生を抑制することができる。
合成光学系20では、画像表示光Lが凹面鏡18および虚像提示板22に斜入射するため、非点収差が生じている。つまり、合成光学系20のメリディオナル面内焦点26mは、サジタル(sagittal)面内焦点26sと位置が異なり、メリディオナル面内焦点26mの方がサジタル面内焦点26sよりも凸レンズ17の近くに位置する。ここで「サジタル面」とは、合成光学系20の光軸を含む平面であって、メリディオナル面に直交する平面である。合成光学系20の合成焦点26は、メリディオナル面内焦点26mとサジタル面内焦点26sの間に位置する。
合成光学系20の焦点は、合成光学系20を構成する凸レンズ17、凹面鏡18および虚像提示板22の特性および配置により決定される。具体的には、凸レンズ17の焦点距離、凹面鏡18の焦点距離、虚像提示板22の焦点距離、凸レンズ17、凹面鏡18および虚像提示板22の相対距離や向きにより決まる。このとき、虚像提示板22は、所定の曲率を有し、第1主面23が凹面、第2主面24が凸面となる形状を有してもよいし、第1主面23および第2主面24が平面となる形状を有してもよい。なお、図4に示される合成光学系20の各焦点26,26m,26sの位置は模式的に示すものであり、合成光学系20の光学配置に基づく正確な焦点位置を示すものではない。
本実施の形態によれば、表示部14を合成光学系20のメリディオナル面内焦点26mに配置することにより、虚像提示板22の第1主面23と第2主面24のそれぞれで反射してユーザEに向かう画像表示光の光路L1,L2の向きを一致させることができる。これにより、楔ガラスのような高価な部材を用いることなく、第1光路L1と第2光路L2の角度差Δφを解消し、二重像の発生を抑制できる。したがって、本実施の形態によれば、簡易な構成で視認性の高い虚像50を提示することができる。
本実施の形態によれば、表示部14が合成光学系20の合成焦点26からずれているため、ユーザEから見たときの虚像50の視距離を有限値にできる。その結果、有限の距離に見える風景と重畳される虚像50の視認性を高めることができる。
本実施の形態によれば、凸レンズ17と凹面鏡18を組み合わせて投射光学系16を構成することにより、投射光学系を凹面鏡のみで構成する場合と比べて、曲率半径の大きい凹面鏡18を採用できる。凹面鏡18の曲率半径を大きく(つまり、曲率を小さく)することにより、虚像提示面上のより広い範囲内で二重像を解消させることができ、視認性のより高い虚像50を提示できる。また、投射光学系を凹面鏡のみで構成する場合と比べて、投射光学系16の非点収差量を小さくでき、より解像度の高い虚像50を提示できる。
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、各表示例に示す構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。
上述の実施の形態では、表示部14を合成光学系20のメリディオナル面内焦点26mに配置することにした。表示部14は、合成光学系20のメリディオナル面内焦点26mに厳密に一致させなくてもよく、メリディオナル面内焦点26mの近傍の所定範囲内に位置させてもよい。この場合、表示部14は、合成光学系20の合成焦点26とメリディオナル面内焦点26mの間に位置してよく、サジタル面内焦点26sよりメリディオナル面内焦点26mの近くに位置してもよい。表示部14は、メリディオナル面内焦点26mよりも凸レンズ17の近くに位置してもよい。表示部14の位置をメリディオナル面内焦点26mから離すほど二重像が視認されやすくなるため、例えば、視力1.0の人間から見て二重像の発生が知覚できない程度にメリディオナル面内焦点26mに近い位置に表示部14を配置することが好ましい。
上述の実施の形態では、表示部14と凹面鏡18の間に凸レンズ17が配置される構成を示した。変形例においては、投射光学系16に凸レンズ17が設けられなくてもよい。この場合であっても、凹面鏡18と虚像提示板22により構成される合成光学系のメリディオナル面内焦点またはその近傍に表示部14を配置することで、二重像の発生を抑制できる。
10…虚像表示装置、14…表示部、16…投射光学系、17…凸レンズ、18…凹面鏡、20…合成光学系、22…虚像提示板、26m…メリディオナル面内焦点、26s…サジタル面内焦点、50…虚像、60…車両。
Claims (3)
- 照明光を変調して画像表示光を生成する表示部と、
前記画像表示光を厚さが均一なウインドシールドに向けて反射させる凹面鏡を少なくとも含む投射光学系と、を備え、
前記表示部は、前記ウインドシールドおよび前記投射光学系により構成される合成光学系のサジタル面内焦点より、前記合成光学系のメリディオナル面内焦点の近くに配置されることを特徴とする虚像表示装置。 - 前記投射光学系は、前記表示部と前記凹面鏡の間に配置される凸レンズをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の虚像表示装置。
- 前記ウインドシールドおよび前記虚像表示装置は、車両に設けられることを特徴とする請求項1または2に記載の虚像表示装置。
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