JP7078904B2 - 虚像表示光学系及び画像表示装置 - Google Patents
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Description
また、上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した第2の虚像表示光学系は、表示素子と、表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、拡散機能を有し、投影光学系の光射出側に配置される拡散スクリーンと、拡散スクリーン上の像を虚像に変換する虚像形成光学系と、拡散スクリーンの位置を変化させる配置変更装置とを備え、投影光学系は、下記条件式を満たすようにFナンバーが設定されている。
0.8≦2×F×P×m2/δ≦1.2
ただし、
F:投影光学系の表示素子側のFナンバー
P:表示素子の画素ピッチ[mm]
m:投影光学系の光学倍率
δ:所望の虚像距離範囲を得るために必要な拡散スクリーン移動量[mm]
以下、本発明の第1実施形態に係る虚像表示光学系及びこれを組み込んだ画像表示装置について説明する。
2≦FOV/(m×H)≦4 … (1)
を満たす。ただし、値FOVは、虚像形成光学系17の水平方向視野角[rad]を表し、値mは、投影光学系15の光学倍率を表し、値Hは、表示素子11の水平方向長さ[m]を表す。ここで、水平方向長さとは、運転者UNの目の並ぶ横方向又はX方向を意味する。上記条件式(1)を満たす範囲とすることで、小型ながらも高倍率で高性能な虚像表示光学系30とすることができる。また、拡散スクリーン16の移動量をあまり大きくしなくても、虚像である表示像IMの移動範囲を比較的大きくとることができる。値FOV/(m×H)を条件式(1)の上限以下とすることで、光学系が大型になる、虚像又は表示像IMに歪が生じるといったことを回避しやすくなる。一方、値FOV/(m×H)を条件式(1)の下限以上とすることで、十分な視野角を確保できるので、安全運転支援とのマッチングが良くなる。具体的な作製例では、水平方向視野角FOVを0.279[rad](16°)とし、投影光学系15の光学倍率mを9.6とし、表示素子11の水平方向長さHを0.00866[m]とした。この場合、条件式(1)の値FOV/(m×H)は、3.36となる。
2≦M/L≦4 … (2)
を満たす。ただし、値Mは、虚像形成光学系17の光学倍率を表し、値Lは、運転者UNの目又は瞳HTがある観察位置から虚像である表示像IMまでの距離[m]を表す。上記条件式(2)を満たす範囲とすることで、小型ながらも高倍率で高性能な虚像表示光学系30とすることができる。また、拡散スクリーン16の移動量をあまり大きくしなくても、虚像又は表示像IMの移動範囲を比較的大きくとることができる。値M/Lを条件式(2)の上限以下とすることで、光学系が大型になる、虚像又は表示像IMに歪が生じるといったことを回避しやすくなる。一方、値M/Lを条件式(2)の下限以上とすることで、十分な視野角を確保できるので、安全運転支援とのマッチングが良くなる。具体的な作製例では、虚像形成光学系17の光学倍率Mを35.3とし、観察位置から虚像までの値Lを10[m]とした。この場合、条件式(2)の値M/Lは、3.53となる。また、虚像形成光学系17の光学倍率Mを16.8とし、観察位置から虚像までの値Lを5[m]とした。この場合、条件式(2)の値M/Lは、3.36となる。
0.8≦2×F×P×m2/δ≦1.2 … (3)
を満たす。ただし、値Fは、投影光学系15の表示素子11側のFナンバーを表し、値Pは、表示素子11の画素ピッチ[mm]を表し、値δは、所望の虚像距離範囲を得るために必要な拡散スクリーン移動量[mm]を表す。上記条件式(3)を満たす範囲とすることで、拡散スクリーン16側で十分な焦点深度を確保することができるため、所望の虚像距離範囲において鮮明な虚像表示とすることができる。
m×F=F’=1/(2・sinθ)≒1/(2・tanθ)
=Δ/2ε=Δ/2mP
となる。これを焦点深度の範囲Δを与える式に変更すれば、
Δ≒2×F×P×m2
となる。ここで、焦点深度の範囲Δが拡散スクリーン16の移動量δを用いてα×δ(αは係数)で表されるとすると、
α≒2×F×P×m2/δ
となる。つまり、値2×F×P×m2/δを1に近い値とすれば、投影光学系15の焦点深度の範囲Δを有効に活用した比較的広い範囲で拡散スクリーン16すなわち強制中間像TI’を移動させることができることが分かる。そして、表示光HKの結像の光線束を細めてフォーカスがずれてもピントが合っているとみなせる範囲であれば、拡散スクリーン16を移動させても結像に殆ど影響しないことが分かる。
以下、第2実施形態に係る画像表示装置又は虚像表示光学系について説明する。なお、第2実施形態の画像表示装置等は第1実施形態の画像表示装置等を変形したものであり、特に説明しない事項は第1実施形態と同様である。
AR HUDには、本実施形態の画像表示装置100のように、虚像距離を変えるための可動部機構(具体的には、モーターを含めた回転機構)を簡素化することが重要である。
表示素子11を、回転体19aの回転パルスをトリガーにして制御する。これにより、アウターモーター19kの回転に応じて表示素子11を制御することができる。図11に示すように、支持体19fを正面(光軸AX方向)から見たときに、回転体19aにおいて、拡散領域16a~16dの外側には、アウターモーター19kの回転角を検出するホール素子19mが設けられている。図示の例では、回転体19aの4つの拡散領域16a~16dに対応する支持体領域19e上に、ホール素子19mがそれぞれ設けられている。支持体19fの回転に伴う回転信号は、各ホール素子19mのパルス信号として得られる。図12A~12Cは、回転信号と表示素子の発光タイミングとの関係を説明する図である。図12Aにおいて、符号S1~S4は、拡散領域16a~16dに対応する支持体領域19eに設けられた各ホール素子19mで発生する磁気又は磁界に対応する回転信号を示している。ここで、各パルスがどの位置の回転信号であるかを判別できるようにしておけば、図12A及び12Bに示すように、支持体19fの回転信号パルスをトリガーにして、適切なタイミングで表示素子11の発光パルス(点灯信号)を発生させることができる。これにより、図9に示す虚像距離L1~L4で虚像が同時に表示されるように運転者UNに視認させることができる。また、図12Cに示すように、虚像距離L2のみに対応するタイミングで表示素子11を発光させれば、虚像距離L2での虚像だけ運転者UNに視認させることもできる。
回転体19aに関して、アウターモーター19kの回転数を、表示素子11の発光タイミングと回転体19aの回転角情報とに基づいて制御する。当該方法は、表示素子11の発光タイミングが一定である場合に効果的に用いることができる。回転体19aの回転角は、図11に示すように、ホール素子19mを用いて検知することができる。また、図14Aに示すように、ホール素子19mの代わりにロータリーエンコーダー19oを用いて回転角を検知してもよい。
以下、第3実施形態に係る画像表示装置等について説明する。なお、第3実施形態の画像表示装置等は第1及び第2実施形態の画像表示装置等を変形したものであり、特に説明しない事項は第1実施形態等と同様である。
以下、第4実施形態に係る画像表示装置又は虚像表示光学系について説明する。なお、第4実施形態の画像表示装置等は第2実施形態の画像表示装置等を変形したものであり、特に説明しない事項は第2実施形態と同様である。
〔表1〕
Claims (27)
- 表示素子と、
前記表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、
拡散機能を有し、前記投影光学系の光射出側に配置される拡散スクリーンと、
前記拡散スクリーン上の像を虚像に変換する虚像形成光学系と、
前記拡散スクリーンの位置を変化させる配置変更装置と
を備え、
前記拡散スクリーンは、拡散面と底面とを一対の面とする円盤形状を有し、光軸方向の厚さが円周方向で異なる回転体であり、
前記回転体を回転させて前記回転体の拡散面を前記光軸を横切るように移動させることによって、虚像距離を変化させる虚像表示光学系。 - 前記表示素子は、2次元的な表示面を有する、請求項1に記載の虚像表示光学系。
- 前記回転体は、アウターモーターで順回転制御される、請求項1及び2のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
- 前記表示素子は、前記回転体の回転パルスをトリガーにして制御される、請求項1~3のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
- 前記回転体は、前記回転体の回転角情報に基づいて回転数を制御される、請求項1~4のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
- 前記拡散スクリーンは、略円柱状で、かつ中空の光透過性を有するカバーで包囲される、請求項1~5のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
- 前記拡散スクリーンは、前記表示素子の表示動作と同期して移動する、請求項1~6のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
- 前記表示素子は、30fps以上のフレームレートで動作する、請求項7に記載の虚像表示光学系。
- 前記虚像表示光学系は、下記の条件式を満たす、請求項1~8のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
2≦FOV/(m×H)≦4
ただし、
FOV:前記虚像形成光学系の視野角[rad]
m:前記投影光学系の光学倍率
H:前記表示素子の水平方向長さ[m] - 前記虚像形成光学系は、下記の条件式を満たす、請求項1~9のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
2≦M/L≦4
ただし、
M:前記虚像形成光学系の光学倍率
L:観察位置から虚像までの距離[m] - 前記投影光学系は、下記条件式を満たすようにFナンバーが設定されている、請求項1~10のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
0.8≦2×F×P×m2/δ≦1.2
ただし、
F:前記投影光学系の前記表示素子側のFナンバー
P:前記表示素子の画素ピッチ[mm]
m:前記投影光学系の光学倍率
δ:所望の虚像距離範囲を得るために必要な拡散スクリーン移動量[mm] - 前記投影光学系は、絞りを有し、
前記絞りは、前記投影光学系の最も拡散スクリーン側に配置されている、請求項1~11のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。 - 表示素子と、
前記表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、
拡散機能を有し、前記投影光学系の光射出側に配置される拡散スクリーンと、
前記拡散スクリーン上の像を虚像に変換する虚像形成光学系と、
前記拡散スクリーンの位置を変化させる配置変更装置と
を備え、
前記投影光学系は、下記条件式を満たすようにFナンバーが設定されている虚像表示光学系。
0.8≦2×F×P×m2/δ≦1.2
ただし、
F:前記投影光学系の前記表示素子側のFナンバー
P:前記表示素子の画素ピッチ[mm]
m:前記投影光学系の光学倍率
δ:所望の虚像距離範囲を得るために必要な拡散スクリーン移動量[mm] - 前記表示素子は、2次元的な表示面を有する、請求項13に記載の虚像表示光学系。
- 前記拡散スクリーンは、前記投影光学系の結像位置に配置され、焦点深度内で光軸方向に往復駆動させることにより、虚像距離を変化させる、請求項13及び14のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
- 前記拡散スクリーンは、光軸方向に関する位置が異なるとともに前記投影光学系の結像位置に配置可能な複数の領域を有する回転体であり、
前記回転体を回転させて前記複数の領域を光軸を横切るように移動させることによって、虚像距離を変化させる、請求項13及び14のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。 - 前記拡散スクリーンは、拡散面と底面とを一対の面とする円盤形状を有し、光軸方向の厚さが円周方向で異なる回転体であり、
前記回転体を回転させて前記回転体の拡散面を前記光軸を横切るように移動させることによって、虚像距離を変化させる、請求項13及び14のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。 - 前記回転体は、アウターモーターで順回転制御される、請求項16及び17のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
- 前記表示素子は、前記回転体の回転パルスをトリガーにして制御される、請求項16~18のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
- 前記回転体は、前記回転体の回転角情報に基づいて回転数を制御される、請求項16~19のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
- 前記拡散スクリーンは、略円柱状で、かつ中空の光透過性を有するカバーで包囲される、請求項16~20のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
- 前記拡散スクリーンは、前記表示素子の表示動作と同期して移動する、請求項13~21のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
- 前記表示素子は、30fps以上のフレームレートで動作する、請求項22に記載の虚像表示光学系。
- 前記虚像表示光学系は、下記の条件式を満たす、請求項13~23のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
2≦FOV/(m×H)≦4
ただし、
FOV:前記虚像形成光学系の視野角[rad]
m:前記投影光学系の光学倍率
H:前記表示素子の水平方向長さ[m] - 前記虚像形成光学系は、下記の条件式を満たす、請求項13~24のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。
2≦M/L≦4
ただし、
M:前記虚像形成光学系の光学倍率
L:観察位置から虚像までの距離[m] - 前記投影光学系は、絞りを有し、
前記絞りは、前記投影光学系の最も拡散スクリーン側に配置されている、請求項13~25のいずれか一項に記載の虚像表示光学系。 - 請求項1~26のいずれか一項に記載の虚像表示光学系を搭載した画像表示装置。
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