JP6857800B2

JP6857800B2 - 虚像表示装置

Info

Publication number: JP6857800B2
Application number: JP2016247942A
Authority: JP
Inventors: 智明宮本
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: JP2018101099A; US10775619B2; US20190162956A1; DE112017006420T5; CN108474953A; WO2018116778A1

Description

本開示は、反射部材を介して表示画像を虚像として観察者に視認させる虚像表示装置に関する。

特許文献１は、観察者の視点領域全域で画面歪みが小さく、小型な虚像表示装置を開示する。

特開２０１５−１９４７０７号公報

本開示は、小型な虚像表示装置を提供する。

本開示における虚像表示装置は、被投影部材に画像を投影し、被投影部材に対して観察者と反対側に虚像を形成する。虚像表示装置は、画像を投影する投影部材と、被投影部材に画像を導き、虚像を形成する投射光学系と、を備える。観察者の視認領域中央から虚像の中心までの距離（ＶＩＤ）は、２５００ｍｍ以上である。投射光学系は、投影部材から虚像へ向かう順に、レンズ素子からなる第１光学素子と、第２反射部材と、からなる。第２反射部材は、被投影部材に対して略鉛直下方に配置され、投影部材の略中心における法線に対して、投影部材の略中心から第１光学素子の略中心へ向かう線分は傾きを有する。投影部材から虚像へ向かう光路において、第２反射部材の反射面は、下記の条件（１）を満足する。

１０°＜｜θｚｍａｘ−θｚｍｉｎ｜＜３０°・・・（１）
ここで、
θｚ：第２反射部材の形状を定義する定義式の原点を通る接平面に垂直な法線ベクトルと、第２反射部材上の任意の点における接平面の法線ベクトルとの成す角、
θｚｍａｘ：θｚの最大値、
θｚｍｉｎ：θｚの最小値、
である。

本開示によれば、小型な虚像表示装置を提供できる。

本開示の虚像表示装置を搭載した、車両の断面を示す模式図実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイを説明するための光学断面を示す模式図実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイを説明するための光学断面を示す模式図実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイを説明するための光学断面を示す模式図実施の形態１〜３に係る投影部材の座標系を示す概略図実施の形態１〜３に係る虚像表示装置における投射光学系の最終反射部材の傾斜角θｚの説明図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

［１．構成］
［１．１概略構成］
実施の形態１〜３に係る虚像表示装置について、図面を参照して、以下では、虚像表示装置としてヘッドアップディスプレイを一例として、説明する。

図１は、実施の形態１〜３に係るヘッドアップディスプレイを搭載した、車両の断面を示す模式図である。

画像を投影するヘッドアップディスプレイ１０は、車両２０のダッシュボード２１の内部に配置される。ヘッドアップディスプレイ１０は、車両２０に配置された光透過性の被投影部材であるウインドシールド２２（または後述のコンバイナ６０）に画像を投影し、これによりウインドシールド２２の観察者３０側とは反対側にヘッドアップディスプレイ１０が投影する画像の虚像４０を形成する。観察者３０は、ヘッドアップディスプレイ１０により投影される画像の虚像４０がウインドシールド２２を通して、視認可能となるものである。図１に示す２点鎖線は、投影される画像の中心光路Ｌを示しており、以下の説明においても、中心光路Ｌは、２点鎖線で図示している。

(実施の形態１)
図２は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１０の模式図である。

ヘッドアップディスプレイ１０は、被投影部材であるウインドシールド２２に画像を投影し、ウインドシールド２２に対して、観察者３０と反対側に虚像４０を形成する。ヘッドアップディスプレイ１０は、投影部材であるＬＣＤ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）１３と、ＬＣＤ１３に表示された画像をウインドシールド２２に導き虚像４０を形成する投射光学系と、を備える。

投射光学系は、反射部材１２と最終反射部材１１を備える。最終反射部材１１は、ウインドシールド２２に対して略鉛直下方に配置され、ＬＣＤ１３からの光を、ウインドシールド２２へ導く。最終反射部材１１の観察者側の表面は凹面形状である。これにより、観察者３０は、ウインドシールド２２を通して、画像の虚像４０が視認可能となる。ウインドシールド２２に投影される画像は、あらかじめ想定される視認領域であるアイボックス（ＥｙｅＢｏｘ）３１から、観察者３０は画像の虚像４０が視認可能となる。
なお、ＬＣＤ１３からの光を最終反射部材１１に至る光路にはレンズ素子や反射部材などの光学素子を複数配置してもよい。

(実施の形態２)
図３は、実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１０の模式図である。

ヘッドアップディスプレイ１０は、被投影部材であるウインドシールド２２に画像を投影し、ウインドシールド２２に対して、観察者３０と反対側に虚像４０を形成する。ヘッドアップディスプレイ１０は、投影部材であるＬＣＤ１３と、ＬＣＤ１３に表示された画像をウインドシールド２２に導き虚像４０を形成する投射光学系と、を備える。

投射光学系は、レンズ素子５０と最終反射部材１１を備える。最終反射部材１１は、最終反射部材１１は、ウインドシールド２２に対して略鉛直下方に配置され、ＬＣＤ１３からの光を、ウインドシールド２２へ導く。最終反射部材１１の観察者側の表面は凹面形状である。これにより、観察者３０は、ウインドシールド２２を通して、画像の虚像４０が視認可能となる。ウインドシールド２２に投影される画像は、あらかじめ想定される視認領域であるアイボックス３１から、観察者３０は画像の虚像４０が視認可能となる。
なお、レンズ素子は複数配置してもよい。ＬＣＤ１３からの光を最終反射部材１１まで導くために、レンズ素子の他に、反射部材を複数配置してもよい。

(実施の形態３)
図４は、実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイ１０の模式図である。

ヘッドアップディスプレイ１０は、被投影部材であるコンバイナ６０に画像を投影し、コンバイナ６０に対して、観察者３０と反対側に虚像４０を形成する。ヘッドアップディスプレイ１０は、投影部材であるＬＣＤ１３と、ＬＣＤ１３に表示された画像をコンバイナ６０に導き虚像４０を形成する投射光学系と、を備える。

投射光学系は、反射部材１２とコンバイナ６０を備える。コンバイナ６０は、半透過性の部材であり、被投影部材であるとともに最終反射部材として機能する。コンバイナ６０は、ウインドシールド２２に対して略鉛直下方に配置され、観察者側の表面は凹面形状である。反射部材１２は、ＬＣＤ１３からの光を、コンバイナ６０へ導く。これにより、観察者３０は、コンバイナ６０を通して、ウインドシールド２２ごしに画像の虚像４０が視認可能となる。観察者３０は、コンバイナ６０に投影される画像を、あらかじめ想定される視認領域であるアイボックス３１から、虚像４０として視認可能となる。
なお、投射光学系は、反射部材１２は必須ではなく、ＬＣＤ１３からの光を直接、コンバイナ６０へ導いても良い。投射光学系は、光路中にレンズ素子を複数配置してもよい。ＬＣＤ１３からの光をコンバイナ６０まで導くために、レンズ素子の他に、反射部材を複数配置してもよい。

［１．２投影部材］
図５は、実施の形態１〜３における投影部材の座標系を示す概略図である。

実施の形態１〜３では、投影部材の一例として、ＬＣＤ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ）１３について説明した。投影部材は、有機発光ダイオード（エレクトロルミネッセンス）、蛍光表示装置（セブンセグメント）、プラズマディスプレイなどの表示装置でもよい。また、プロジェクタや走査型レーザであってもよい。したがって、投影部材はＬＣＤに限定されない。

［１．３最終反射部材の詳細構成］
図６は、実施の形態１〜３における最終反射部材１１の傾斜角θｚを説明する説明図である。最終反射部材の反射面の形状を定義する定義式の原点Ｏ、原点Ｏでの反射面の法線ベクトルＮ１、任意の反射面上の点での法線ベクトルＮ２とし、法線ベクトルＮ１と法線ベクトルＮ２の成す角を傾斜角θｚとする。

［２．条件および効果など］
虚像表示装置であるヘッドアップディスプレイ１０は、被投影部材であるウインドシールド２２（またはコンバイナ６０）に画像を投影し、被投影部材に対して観察者３０と反対側に虚像４０を形成する。ヘッドアップディスプレイ１０は、画像を投影する投影部材であるＬＣＤ１３と、被投影部材に画像を導き、虚像４０を形成する投射光学系と、を備える。観察者３０の視認領域であるアイボックス３１の中央から虚像４０の中心までの距離（ＶＩＤ）は、２５００ｍｍ以上である。投射光学系は、少なくとも１つの反射部材（反射部材１１、反射部材１２、コンバイナ６０など）を有する。ＬＣＤ１３から虚像４０へ向かう光路において、反射部材（最終反射部材１１、反射部材１２、コンバイナ６０など）のうち光線を最後に反射させる最終反射部材１１（またはコンバイナ６０）の反射面は、下記の条件（１）を満足する。

１０°＜｜θｚｍａｘ−θｚｍｉｎ｜＜３０°・・・（１）
ここで、
θｚ：最終反射部材１１（またはコンバイナ６０）の形状を定義する定義式の原点を通る接平面に垂直な法線ベクトルと、最終反射部材１１（またはコンバイナ６０）上の任意の点における接平面の法線ベクトルとの成す角、
θｚｍａｘ：θｚの最大値、
θｚｍｉｎ：θｚの最小値、
である。

条件（１）の下限値である１０°を下回ると、最終反射部材１１（またはコンバイナ６０）のパワーが弱くなり、全体の光路長が伸びてしまうため、虚像表示装置が大型化してしまう。条件（１）の上限値である３０°を超えると、最終反射部材１１（またはコンバイナ６０）のパワーが強くなりすぎてしまい、実験した結果によると、太陽光によるヘッドアップディスプレイ１０内の部材の温度が１００度を超え、ドット欠け等の不具合が発生する。

すなわち、ヘッドアップディスプレイ１０を小型にできる。

また、ヘッドアップディスプレイ１０は、下記の条件（２）を満足することが望ましい。

０．０１＜ＬＷＳ／ＶＩＤ＜０．６０・・・（２）
ここで、
ＬＷＳ：観察者３０のアイボックス３１中央から虚像４０の中心までを結んだ直線上の、観察者３０からウインドシールド２２（実施の形態３の場合はコンバイナ６０）までの距離、
である。

条件（２）の下限値である０．０１を下回ると、投射光学系の光路長が長くなり、ヘッドアップディスプレイ１０が大型化してしまう。条件（２）の上限値である０．６を超えると、投射光学系の光路長が短くなり、光線と投影部材や、光線と反射部材との間に干渉が発生してしまう。

また、ヘッドアップディスプレイ１０は、下記の条件（３）を満足することが望ましい。

１．０＜ＬＭ／ＬＤ＜８．０・・・（３）
ここで、
ＬＭ：ＬＣＤ１３から虚像４０へ向かう投射光学系の中心光路Ｌにおける、最終反射部材１１（またはコンバイナ６０）と、最終反射部材１１（またはコンバイナ６０）の１つ前の光学素子（実施の形態１の反射部材１２、実施の形態２のレンズ素子５０、実施の形態３の反射部材１２）との間隔、
ＬＤ：ＬＣＤ１３から光学素子（実施の形態１の反射部材１２、実施の形態２のレンズ素子５０、実施の形態３の反射部材１２）までの中心光路Ｌにおける間隔、
である。

条件（３）の下限値である１．０を下回ると、ＬＣＤ１３と光学素子（実施の形態１の反射部材１２、実施の形態２のレンズ素子５０、実施の形態３の反射部材１２）の距離が長くなるため、装置が大型化してしまう。条件（３）の上限値である８．０を超えると、ＬＣＤ１３と光学素子（実施の形態１の反射部材１２、実施の形態２のレンズ素子５０、実施の形態３の反射部材１２）の距離が短くなりすぎてしまい、ＬＣＤ１３と光線との干渉が発生してしまう。

（数値実施例）
以下、本開示における虚像表示装置について、具体的な数値実施例を説明する。なお、以下で説明する数値実施例において、表中の長さの単位は（ｍｍ）であり、角度の単位は（度）である。また、自由曲面は、次の数式で定義されるものである。

ここで、ｚは面を定義する軸から（ｘ，ｙ）の位置におけるサグ量、ｒは面を定義する軸の原点における曲率半径、ｃは面を定義する軸の原点における曲率、ｋはコーニック定数、ｍおよびｎは、数２を満たす整数、Ｃｊは単項式ｘ^ｍｙ^ｎの係数である。

また、各数値実施例において、基準となる座標原点はＬＣＤ１３の表示画像７１の中心であり、図５で示すようにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を定義している。

さらに、各数値実施例中の偏心データにおいて、ＡＤＥとはＸ軸を中心にＺ軸方向からＹ軸方向に回転した量、ＢＤＥとはＹ軸を中心にＸ軸方向からＺ軸方向に回転した量、ＣＤＥとはＺ軸を中心にＸ軸方向からＹ軸方向に回転した量を意味する。

（数値実施例１）
数値実施例１の投射光学系は、実施の形態１の投影光学系の一例である。数値実施例１の投射光学系の構成データを表１に、ウインドシールド２２の曲率を表２に、多項式自由曲面の係数を表３に、示す。

（数値実施例２）
数値実施例２の投射光学系は、実施の形態１の投影光学系の一例である。数値実施例２の投射光学系の構成データを表４に、ウインドシールド２２の曲率を表５に、多項式自由曲面の係数を表６に、示す。

（数値実施例３）
数値実施例３の投射光学系は、実施の形態１の投影光学系の一例である。数値実施例３の投射光学系の構成データを表７に、ウインドシールド２２の曲率を表８に、多項式自由曲面の係数を表９に、示す。

（数値実施例４）
数値実施例４の投射光学系は、実施の形態１の投影光学系の一例である。数値実施例４の投射光学系の構成データを表１０に、ウインドシールド２２の曲率を表１１に、多項式自由曲面の係数を表１２に、示す。

（数値実施例５）
数値実施例５の投射光学系は、実施の形態１の投影光学系の一例である。数値実施例５の投射光学系の構成データを表１３に、ウインドシールド２２の曲率を表１４に、多項式自由曲面の係数を表１５に、示す。

（数値実施例６）
数値実施例６の投射光学系は、実施の形態２の投影光学系の一例である。数値実施例６の投射光学系の構成データを表１６に、ウインドシールド２２の曲率を表１７に、多項式自由曲面の係数を表１８に、示す。

（数値実施例７）
数値実施例７の投射光学系は、実施の形態３の投影光学系の一例である。数値実施例７の投射光学系の構成データを表１９に、多項式自由曲面の係数を表２０に、示す。

（数値実施例のまとめ）
表２１は、画像の表示サイズ、虚像サイズ、観察者の視点から虚像までの距離（ＶＩＤ）の一例を示す。また、表２２は、条件（１）〜（３）の値を示す。

本開示にかかる虚像表示装置は、車載などに搭載するヘッドアップディスプレイに好適である。

１０ヘッドアップディスプレイ（虚像表示装置）
１１最終反射部材
１２反射部材
１３ＬＣＤ
２０車両
２１ダッシュボード
２２ウインドシールド
３０観察者
３１アイボックス
４０虚像
５０レンズ素子
６０コンバイナ
７１表示画像
Ｌ中心光路
Ｎ１最終反射部材の原点での法線ベクトル
Ｎ２最終反射部材の任意の点での法線ベクトル

Claims

被投影部材に画像を投影し、前記被投影部材に対して観察者と反対側に虚像を形成する虚像表示装置であって、
前記画像を投影する投影部材と、
前記被投影部材に前記画像を導き、前記虚像を形成する投射光学系と、
を備え、
観察者の視認領域中央から前記虚像の中心までの距離（ＶＩＤ）は、２５００ｍｍ以上であり、
前記投射光学系は、前記投影部材から前記虚像へ向かう順に、
レンズ素子からなる第１光学素子と、
第２反射部材と、
からなり、
前記第２反射部材は、前記被投影部材に対して略鉛直下方に配置され、
前記投影部材の略中心における法線に対して、前記投影部材の略中心から前記第１光学素子の略中心へ向かう線分は傾きを有し、
前記投影部材から前記虚像へ向かう光路において、前記第２反射部材の反射面が、下記の条件（１）を満足する虚像表示装置：
１０°＜｜θｚｍａｘ−θｚｍｉｎ｜＜３０°・・・（１）
ここで、
θｚ：前記第２反射部材の形状を定義する定義式の原点を通る接平面に垂直な法線ベクトルと、前記第２反射部材上の任意の点における接平面の法線ベクトルとの成す角、
θｚｍａｘ：θｚの最大値、
θｚｍｉｎ：θｚの最小値、
である。
前記被投影部材の前記観察者側の表面は凹面形状であり、
前記第２反射部材の反射面は凹面形状であり、
前記第１光学素子の前記投影部材側の表面は凹面形状であり、前記第１光学素子の前記第２反射部材側の表面は凸面形状である、
請求項１に記載の虚像表示装置。
下記の条件（２）を満足する、請求項１または２に記載の虚像表示装置：
０＜ＬＷＳ／ＶＩＤ＜０．６０・・・（２）
ここで、
ＬＷＳ：観察者の視認領域中央から前記虚像の中心までを結んだ直線上の、観察者から前記被投影部材までの距離、
である。
下記の条件（３）を満足する、請求項１から３のいずれかに記載の虚像表示装置：
１．０＜ＬＭ／ＬＤ＜８．０・・・（３）
ここで、
ＬＭ：前記投影部材から前記虚像へ向かう前記投射光学系の中心光路における、前記第２反射部材と、前記第１光学素子との間隔、
ＬＤ：前記投影部材から前記第１光学素子までの中心光路における間隔、
である。
前記第１光学素子は、回転非対称である、
請求項１から４のいずれかに記載の虚像表示装置。
前記被投影部材は移動体に搭載されるウインドシールドである
請求項１から５のいずれかに記載の虚像表示装置。