JP5310161B2 - 画像表示装置 - Google Patents
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Description
このような画像表示装置を車両において搭載する場合には、インストルメントパネルのメータに示される情報や経路案内の情報など示す画像を、コンバイナとして用いられるフロントガラスに投射する構成が考えられる。フロントガラスに投射された画像は、フロントガラスに反射して運転者の目に投射されるため、運転者はフロントガラスを介して車両外部を視認しながらに、その視界において画像を虚像表示像として視認することができるようになる。
例えば、図10(a),(b)に示す画像表示装置301では、表示器10から出力された画像は、凹面鏡30を経由しカバー40を透過した後、車両のフロントガラス50をコンバイナとして観察者の視点Aに到達する。観察者は、フロントガラス50の前方の地点(図10(b)における虚像表示面B)において、画像を拡大された虚像表示像として視認することができる。
像面湾曲を補正する例としては、拡大光学系にて発生する像面湾曲効果を相殺するような湾曲形状を持つ中間実像をリレー光学系にて一旦形成し、その中間実像を拡大光学系にて拡大した虚像表示像に変換することで、観察者が最終的に視認する虚像表示像の像面湾曲を補正する技術が提案されている(例えば、特許文献1を参照。)。
また、特許文献2の装置では以下のような問題がある。例えば長方形の画像を観察者に視認させたい場合に、その長方形の画像に形状歪みを持たせた画像を一般的な長方形の表示画面にて表示するためには、その表示画面は形状歪みを持たせる前の画像の長方形よりも大きなものを用いる必要がある。その結果、装置が大型化してしまったり、コスト高に繋がるという問題があった。
また、請求項1に記載の画像表示装置において、上述したレンズが、そのレンズにおける上記入射光と反射光を含む平面に平行な断面において、第1面側の境界線と、第2面側の境界線と、が非平行となるように形成されていてもよい。
また、請求項1に記載の画像表示装置において、表示器の表示面とレンズの第2面との間に位置するリニアフレネルレンズを備えていてもよい。この場合において、リニアフレネルレンズは負のパワーを持ち、そのリニアフレネルレンズが、曲率方向が上記レンズの曲率方向に沿う方向となるように配置されていてもよい。
このように構成された画像表示装置では、レンズおよびリニアフレネルレンズの効果を1つの光学素子で達成でき、部品点数を減らすことができることから組み付けの容易を向上することができる。
[実施例1]
(1)構成
本実施例の画像表示装置1は、車両に搭載されて用いられるものであって、図1(a)に示すように、平面形状の表示面10aに2次元画像を表示する表示器10と、平凸形状のシリンドリカルレンズ20と、凹面鏡30と、防塵を目的とし、拡散,集光などの光学作用を持たない透明なカバー40と、からなる。
上述した表示器10は、液晶やCRT等のディスプレイにより表示面10aを構成するものであるが、プロジェクタ等の画像投影手段によってスクリーン(表示面10a)に画像を形成する構成に置き換えることも可能である。この表示器10は、基準平面において、表示面10aの法線14が第1光路11と平行となる場合より、表示器10を時計回りに回転させた位置関係にて配置されている(図1(a)参照)。
なお、図2は、シリンドリカルレンズ20と凹面鏡30との関係を模式的に示したものであるため、それらの位置関係は他の図面と一致しない場合がある。
x軸:第i面のローカル座標系の原点を通り、X軸と平行な直線。
表1における各項目について以下に説明する。なお、後述する表2〜4においても同様である。
d:第i面のz軸の+方向における、第i面のローカル座標の原点から第(i+1)面のローカル座標の原点までの長さを示す(単位はmm)。
n、ν:第i面と第(i+1)面の間のd線での屈折率とアッベ数を示す。
(2.1)像面湾曲収差の補正
本実施例の表示器10およびシリンドリカルレンズ20は、上述したように、表示面10aと平面20aとが接するように配置されている。
表示面10aから出力された画像光は、厚みを持った媒質内を通過することによる光路長の変化が発生する。ここで言う光路長の変化とは、ある厚みを持った屈折率が1以上の媒質内を光線が通過する場合に、見かけ上の光路長(ある厚みを持った屈折率が1以上の媒質によって形成される見かけ表示面10bからの光路長)が、実際に光が通る空間的長さよりも短くなる効果のことを指す。
(2.2)弓状の形状歪みの補正
上述したように、本実施例の表示器10およびシリンドリカルレンズ20は、表示面10aと平面20aとが接するように配置されている。図3(a),(b)に、図1(a)のX軸方向およびY軸方向から見たシリンドリカルレンズ20の断面図および上面図を示す。なお、図3(a),(b)は、説明を容易にするためシリンドリカルレンズ20のサイズを適宜変更して記載しているの、そのサイズが各図で一致しない場合がある。図中の光路60,61,62は、表示面10aから射出された画像光のうち、YZ平面に関する方向は同一で、X軸方向が異なる光路を示している。
(2.3)その他の効果
車両に搭載する画像表示装置1においては、装置サイズが小さいこと、つまり、装置内の光路がコンパクトであることが望まれる。本実施例では、光路の順に、表示器10、シリンドリカルレンズ20、凹面鏡30と配置する構成において、表示器10の表示面10aとシリンドリカルレンズ20の平面20aとを接するように配置することで、光路をコンパクトにすることが実現されている。
(3)変形例
本実施例においては、シリンドリカルレンズ20の平面20aと表示器10の表示面10aとが接するように配置される構成を例示したが、上記平面20aと上記表示面10aとが対向していれば、それらの間に間隔があってもよい。なお、その間隔が小さいほどシリンドリカルレンズ20による拡大効果が生じないため都合がよい。
また、本実施例においては、一方向にのみ曲率を有するシリンドリカルレンズ20を用いた。しかしながら、他方にも曲率を有するトロイダルレンズを用いる構成であっても、形状歪みの補正,および太陽光などのノイズ光抑制は困難になるものの、像面湾曲収差の補正を実現できる。
[実施例2]
(1)構成
実施例2における画像表示装置101を図7(a),(b)に示す。図7(a),(b)は、図1(a),(b)と同じ視点から画像表示装置101を見た断面図である。なお、本実施例において、上述した実施例1と共通する構成については共通の符号を用いて詳細な説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
上記各光学素子(構成要素)および光学配置の具体的なデータを表2に示す。
表示面10aからシリンドリカルレンズ120に進入した画像光のうち、シリンドリカルレンズ120にて内部反射しない光線を正規光とし、内部反射した光線をノイズ光とすると、図8に示すように、シリンドリカルレンズ120を射出した正規光とノイズ光との間に角度差が生じる。その結果、ノイズ光は観察者の視点に到達しないこととなる。ノイズ光が観察者の視点に到達すると表示画質が劣化するが、本実施例の構成であれば、ノイズ光が観察者の視点に到達しないため、表示画質の劣化を防ぐことができる。
[実施例3]
(1)構成
実施例3における画像表示装置201を図9(a),(b)に示す。図9(a),(b)は、図1(a),(b)と同じ視点から画像表示装置201を見た断面図である。なお、本実施例において、上述した実施例1と共通する構成については共通の符号を用いて詳細な説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
リニアフレネルレンズ210は1つの方向にのみ負のパワーを有しているため、その曲率方向にのみ、負のフィールドレンズ効果を与える。ここで、負のフィールドレンズ効果とは、負のパワーを有するレンズをフィールドレンズとして用いた場合の光学効果を表すこととする。一方、シリンドリカルレンズ20は、その曲率方向に正のフィールドレンズ効果を与える。ここで、正のフィールドレンズ効果とは、正のパワーを有するレンズをフィールドレンズとして用いた場合の光学効果を表すこととする。このとき、上述したリニアフレネルレンズ210の曲率方向は、シリンドリカルレンズ20の曲率方向に沿った方向であるため、シリンドリカルレンズ20によるフィールドレンズ効果をリニアフレネルレンズ210により打消し合うような光学作用を発生させることができる。
(3)変形例
本実施例においては、負のパワーを持つリニアフレネルレンズ210を、その曲率方向がシリンドリカルレンズ20の曲率方向に沿った位置関係で配置する構成を例示したが、リニアフレネルレンズ210に替えて、正のパワーを持つリニアフレネルレンズを、その曲率方向がシリンドリカルレンズ20の曲率方向と交差する位置関係で配置する構成であっても良い。
[比較例]
従来技術の画像表示装置301を図10(a),(b)に示す。各構成要素の基本的な光学配置は、上記各実施例と同様である。上記各光学素子(構成要素)および光学配置の具体的なデータを表4に示す。
Claims (4)
- 表示面に画像を出力する表示器と凹面鏡とを備え、前記表示面に出力された画像を、前記凹面鏡を介して観察者の視点に投射する画像表示装置であって、
所定の方向にのみ曲率を有する第1面と、略平坦な第2面と、からなる平凸型のシリンドリカル形状を有しており、前記第2面が前記表示面に対向するレンズを備えており、
前記レンズは、前記表示面の中心から観察者の視点の中心に向かう光路を中心光軸としたとき、前記中心光軸を通り前記凹面鏡に入射する入射光と、前記中心光軸を通り前記凹面鏡から反射する反射光と、を含む平面の法線に、前記レンズの曲率方向が沿う位置関係で配置され、
前記表示器および前記凹面鏡は、前記平面において、前記表示器の前記表示面における法線,および,前記凹面鏡の前記入射光が入射する部分の法線が前記中心光軸と平行となる位置から、前記平面の法線方向を回転軸として、それぞれが同じ方向に回転して傾斜した位置関係で配置されており、
さらに、前記表示面と前記第2面との間に位置するリニアフレネルレンズを備える
ことを特徴とする画像表示装置。 - 前記リニアフレネルレンズは負のパワーを持ち、曲率方向が前記レンズの曲率方向に沿う方向となるように配置される
ことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。 - 前記リニアフレネルレンズは正のパワーを持ち、曲率方向が前記レンズの曲率方向と交差する方向となるように配置される
ことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。 - 前記リニアフレネルレンズは、前記レンズと一体として形成されている
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の画像表示装置。
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