JP6644265B2 - 虚像表示装置 - Google Patents

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イ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。ウイ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）。

特開昭６２−２２５４２９号公報

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２０ｍ程度にすることが前提とされる。より近い位置に見えるように虚像を提示する場合であっても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、画像表示光を虚像提示板に向けて反射させる凹面鏡と、表示部と凹面鏡の間に配置される凸レンズとを含む投射光学系と、を備える。表示部は、虚像提示板および投射光学系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より凸レンズに近い位置に配置される。

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。

実施の形態に係る虚像表示装置の構成を模式的に示す図である。 比較例に係る虚像表示装置の光学配置を示す図である。 比較例に係る虚像表示装置を光学配置を示す図である。 実施の形態に係る虚像表示装置の光学配置を詳細に示す図である。す図である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、第１虚像、第２虚像および第３虚像の見え方を模式的に示す図である。

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、駆動部１９と、制御部４０とを備える。照明部１２は、画像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画像表示光を生成し、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、画像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。

駆動部１９は、凹面鏡１８の角度を変化させるように構成される。駆動部１９は、凹面鏡１８の向きを調整して虚像５０の視線方向Ａが変わるようにする。これにより、異なる目の高さのユーザＥに対して適切に虚像５０を提示できるようにする。

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、表示部１４および駆動部１９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。

ウインドシールド６２に投射される画像表示光Ｌは、主に二つの光路Ｌ１，Ｌ２を通ってユーザＥに向かう。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δが設けられる。二つの主面２２３，２２４の間に角度差δ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δ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を挿入し、表示部１４を適切な位置に配置することにより、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より凸レンズ１７に近い位置に表示部１４を配置することで二重像を見えにくくできる。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。

合成光学系２０では、画像表示光Ｌが凹面鏡１８に角度θで斜入射するため、非点較差Ａｓが生じる。その結果、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２６ｆ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２６ｆ，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。

本実施の形態では、合成光学系２０の各焦点２６ｆ，２６ｍ，２６ｓより手前側（凸レンズ１７側）に離れて表示部１４が配置されるため、ユーザＥからは有限の視距離に虚像５０が提示されるように見える。また、非点較差Ａｓがあるため、横方向（サジタル面内）のピントが合うように見える第１虚像５１ｓと、縦方向（メリディオナル面内）のピントが合うように見える第３虚像５３ｍとがユーザＥから見て奥行き方向に異なる位置に提示される。より具体的には、サジタル面内よりメリディオナル面内の焦点距離が短く、表示部１４がサジタル面内焦点２６ｓよりメリディオナル面内焦点２６ｍの近くに配置されるため、サジタル面内でピントが合う第１虚像５１ｓが手前側、メリディオナル面内でピントが合う第３虚像５３ｍが奥側に見える。また、縦方向と横方向の双方のピントが合うように見える第２虚像５２ｆは、第１虚像５１ｓと第３虚像５３ｍの間に位置する。

図５（ａ）〜（ｃ）は、第１虚像５１ｓ、第２虚像５２ｆおよび第３虚像５３ｍの見え方を模式的に示す図であり、虚像提示位置での画像表示光のスポット形状を模式的に示している。図５（ａ）〜（ｃ）において、第１スポット５５ｓ，５５ｆ，５５ｍは、第１光路Ｌ１の画像表示光に対応し、第２スポット５６ｓ，５６ｆ，５６ｍは、第２光路Ｌ２の画像表示光に対応する。

図５（ａ）は、第１虚像５１ｓのスポット形状を模式的に示す。第１虚像５１ｓでは、横方向（ｘ方向）のピントが合う一方で、縦方向（ｙ方向）のピントがずれているため、縦長のスポット形状を有する。そのため、虚像提示板２２の第１主面２３と第２主面２４のそれぞれで反射する画像表示光の光路Ｌ１，Ｌ２が上下方向にずれていたとしても、図５（ａ）に示すように上下方向にスポットが連続して見える。

図５（ｂ）は、第２虚像５２ｆのスポット形状を模式的に示す。第２虚像５２ｆでは、縦方向および横方向のピントの双方が合っており、縦方向および横方向のスポット径の差が小さい円形または楕円のスポット形状を有する。図示する例において、第１スポット５５ｆおよび第２スポット５６ｆが上下に重なって見える。

図５（ｃ）は、第３虚像５３ｍのスポット形状を模式的に示す。第３虚像５３ｍでは、縦方向のピントが合うが、横方向のピントが合っていないため、横長のスポット形状を有する。その結果、第１光路Ｌ１と第２光路Ｌ２が上下方向にずれにより、図５（ｃ）に示すように上下方向にスポットが分離して見える。その結果、第３虚像５３ｍは、上述の第１虚像５１ｓおよび第２虚像５２ｆに比べて、二重像が見えやすい態様で提示される。

本実施の形態では、図４に示すように第１虚像５１ｓが手前側、第３虚像５３ｍが奥側に提示されるため、ユーザＥは主に手前側の第１虚像５１ｓまたは中間の第２虚像５２ｆにピントを合わせると考えられる。このようにして、二重像が見えにくい態様の第１虚像５１ｓや第２虚像５２ｆの視認性を高める一方、二重像が見えやすい態様の第３虚像５３ｍの視認性を低くすることにより、虚像５０の二重像を好適に軽減できる。

なお、上述の作用効果を好適に実現するためには、合成光学系２０の非点較差Ａｓを適切に設定する必要がある。仮に、非点較差Ａｓが小さすぎる場合、第１虚像５１ｓから第３虚像５３ｍまでの距離が短くなってユーザＥのピントが第３虚像５３ｍにも合うようになり、二重像の軽減効果が低下しうる。一方で、非点較差Ａｓが大きすぎる場合には、虚像５０の結像性能が低下し、虚像５０がぼけて見えてしまう。

合成光学系２０の非点較差Ａｓの大きさは、合成光学系２０の合成焦点距離ｆが一定であれば、主に凹面鏡１８の焦点距離ｆ１と凹面鏡１８における画像表示光Ｌの入反射角θに依存する。具体的には、凹面鏡１８の焦点距離ｆ１が小さいほど（つまり、凹面鏡１８の集光力１／ｆ１が大きいほど）、また、入反射角θが大きいほど非点較差Ａｓが大きくなる。虚像表示装置１０の光学配置の制約上、入反射角θを０度に近い値にすることは難しく、入反射角θの値は１０度〜４５度程度の範囲、典型的には２０度〜３５度程度になる。したがって、非点較差Ａｓの値を適切に設定するには、主に凹面鏡１８の焦点距離ｆ１の調整が必要である。

本発明者の考察によれば、投射光学系１６として凹面鏡１８のみを用いて適切な非点較差Ａｓを設定しようとする場合、凹面鏡１８の焦点距離ｆ１を１００ｍｍ〜５００ｍｍ程度にする必要がある。しかしながら、凹面鏡１８の焦点距離ｆ１を小さくすると、凹面鏡１８の曲率が大きくなり、虚像５０の歪みの増大につながる。そこで、本発明者らは、表示部１４と凹面鏡１８の間に凸レンズ１７を設けることにより、凹面鏡１８の焦点距離をある程度大きくしたまま、合成光学系２０の非点較差Ａｓを小さくすることを考えた。より具体的には、凸レンズ１７の焦点距離ｆ２よりも凹面鏡１８の焦点距離ｆ１を大きくすることで、合成光学系２０の全体としての虚像５０の拡大率を確保しつつ、非点較差Ａｓを小さくする。一方で、凹面鏡１８の焦点距離ｆ１を大きくして凹面鏡１８の集光力１／ｆ１を小さくしすぎると、非点較差Ａｓが実質的に生じなくなるため、凹面鏡１８にもある程度の曲率を持たせる必要がある。本発明者らの考察によれば、凹面鏡１８の焦点距離ｆ１を凸レンズ１７の焦点距離ｆ２の１．１倍以上５倍以下とすることが好ましく、１．５倍以上３倍以下とすることがより好ましい。具体的な数値例を挙げると、凹面鏡１８の焦点距離ｆ１は、５００ｍｍ〜２０００ｍｍ程度であり、凸レンズ１７の焦点距離ｆ２は、２００ｍｍ〜６００ｍｍ程度である。この場合の合成光学系２０の合成焦点距離ｆは、１５０ｍｍ〜５００ｍｍ程度となり、合成光学系２０の非点較差Ａｓは、４ｍｍ〜４０ｍｍ程度となる。

上述のように構成した合成光学系２０に対して、表示部１４を適切な位置に配置することで虚像５０を適切な視距離および拡大率で提示できる。具体的には、合成光学系２０のメリディオナル面内焦点２６ｍと表示部１４の間の距離ｄを合成光学系２０のメリディオナル面内焦点距離ｆ_Ｍの５％〜２０％程度とすることが好ましい。例えば、虚像５０の拡大率をβとすれば、合成光学系２０のメリディオナル面内焦点２６ｍと表示部１４の間の距離ｄは、ｄ＝ｆ_Ｍ／βと記述できる。

つづいて、凹面鏡１８の向きが変わる場合の虚像５０の見え方について説明する。凹面鏡１８の向きが変わって入反射角θが変化すると、その変化量に応じて非点較差Ａｓの値も変化する。具体的には、入反射角θが大きくなると、非点較差Ａｓが大きくなり、第１虚像５１ｓと第３虚像５３ｍの距離も大きくなる。その結果、入反射角θが大きくなるように変化すると、二重像がより軽減される方向に虚像５０の見え方が変化する。一方、入反射角θが小さくなると、非点較差Ａｓが小さくなるため、二重像が見えやすい方向に虚像５０の見え方が変化する。その一方で、非点較差Ａｓが小さくなることにより、虚像５０の結像性能が高まるため、ぼけの少ない虚像５０となる。したがって、上述したような合成光学系２０を用いて二重像の発生量と虚像５０の結像性をバランスさせた位置から所定の範囲内で凹面鏡１８の角度θを変化させる場合には、両者のバランスを極端に損なうことなく虚像５０の視線方向Ａを調整できる。

以上の構成により、本実施の形態によれば、凸レンズ１７と凹面鏡１８を組み合わせた投射光学系１６を用いることにより、合成光学系２０の合成焦点距離ｆおよび非点較差Ａｓを適切な値にできる。これにより、虚像５０の結像性能の過度な低下を防ぎながら、第１虚像５１ｓと第３虚像５３ｍを奥行き方向に異なる位置に提示し、二重像が見えにくい態様で虚像５０を提示できる。したがって、本実施の形態によれば、楔ガラスのような高価な部材を用いることなく、虚像５０の二重像の発生を好適に軽減することができる。

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２６ｆ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、例えば、虚像５０の提示位置を２０ｍ程度の遠方ではなく、２ｍ〜１０ｍ程度の相対的に近い位置とすることができる。

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。

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、５０…虚像。

Claims (4)

1. 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と、前記表示部と前記凹面鏡の間に配置される凸レンズとを含む投射光学系と、を備え、
   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は、前記合成光学系のメリディオナル面内焦点が前記合成光学系のサジタル面内焦点よりも前記凸レンズの近くに位置するよう構成され、
   前記表示部は、前記合成光学系のメリディオナル面内焦点より前記凸レンズに近い位置に配置され、
   前記凹面鏡の焦点距離は、前記凸レンズの焦点距離より長いことを特徴とする虚像表示装置。
2. 前記凹面鏡の焦点距離は、前記凸レンズの焦点距離の１．５倍以上３倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記表示部は、前記合成光学系による虚像の拡大率をβ、前記合成光学系のメリディオナル面内焦点距離をｆ_Ｍとしたときに、前記合成光学系のメリディオナル面内焦点からｄ＝ｆ_Ｍ／βの距離に配置さ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。
4. 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から３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。

Images