WO2015040776A1 - 画像表示装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an image display device.
- a vehicle display device called a head-up display is known.
- the head-up display is a display that displays information superimposed on the scenery outside the vehicle by transmitting light entering from outside the vehicle and reflecting the image projected from the optical unit arranged inside the vehicle to the windshield of the vehicle.
- Device A head-up display has recently been attracting attention as a display device for vehicles because a driver who is viewing the scenery outside the vehicle can recognize information on the image projected from the optical unit with almost no change in line of sight or focus. Collecting.
- a configuration is disclosed in which a projection angle of display light can be adjusted by moving a driving mirror that guides display light to a windshield of the vehicle (see, for example, Patent Document 1). .
- the device since the mounting position and space of the head-up display are often limited, it is desirable that the device is small. However, the visibility of the display light may be reduced due to the downsizing.
- the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an image display device that is small in size and has high visibility.
- the image display device of the present invention includes an image projection unit that projects image display light, an intermediate image formation unit that forms a real image based on the image display light projected from the image projection unit, and an image that has passed through the intermediate image formation unit. And a projection mirror that reflects the display light toward the virtual image presentation surface.
- the intermediate image forming unit includes first means for controlling the direction of the principal ray of transmitted image display light, and second means for controlling the light distribution angle of the principal ray.
- the image display device of the present invention it is possible to increase the visibility of display light while reducing the size of the device.
- FIG. 10 is a diagram illustrating an intermediate image forming unit according to Modification 1. It is a figure which shows the relationship between the angle of the light which injects into a diffusion screen, and the angle of the light to permeate
- FIG. 10 is a diagram illustrating an intermediate image forming unit according to Modification 2.
- FIG. 1 is a diagram schematically showing an installation mode of a head-up display 10 according to an embodiment of the present invention.
- the head-up display 10 includes an optical unit 100 and a control device 50.
- FIG. 1 is a diagram showing a case where an optical unit 100 is used in a dashboard on the left side with reference to the traveling direction of the vehicle (left direction in FIG. 1).
- the following embodiment is a left-hand drive vehicle.
- the example in which the head-up display 10 is arranged for the driver in FIG.
- the internal configuration of the optical unit 100 may be reversed left and right with reference to the traveling direction of the vehicle.
- an outline of the head-up display 10 will be described with reference to FIG.
- the control device 50 includes a CPU (Central Processing Unit) (not shown), and generates an image signal to be displayed on the optical unit 100.
- the control device 50 also includes an external input interface (not shown), which receives an image signal output from an external device such as a navigation device or a media playback device, and performs a predetermined process on the input signal. Thereafter, it can be output to the optical unit 100.
- a CPU Central Processing Unit
- an external input interface not shown
- the optical unit 100 generates image display light to be displayed as a virtual image 450 on the windshield 610 based on the image signal generated by the control device 50. Therefore, the optical unit 100 includes an image projection unit 210, an intermediate mirror 350, an intermediate image formation unit 360, and a projection mirror 400 inside the housing 110.
- the image projection unit 210 houses a light source, an image display element, various optical lenses, and the like.
- the image projection unit 210 generates and projects image display light based on the image signal output from the control device 50.
- LCOS Liquid crystal on silicon
- DMD Digital Micromirror Device
- the optical system and the driving circuit according to the display element to be applied are used.
- the image display light projected by the image projection unit 210 is reflected by the intermediate mirror 350.
- the image display light reflected by the intermediate mirror 350 forms an image on the intermediate image forming unit 360.
- the image display light related to the real image formed by the intermediate image forming unit 360 is transmitted through the intermediate image forming unit 360 and projected onto the projection mirror 400.
- the projection mirror 400 is a concave mirror, and the image display light transmitted through the intermediate image forming unit 360 is magnified by the projection mirror 400 and projected onto the windshield 610.
- the image display light projected on the windshield 610 is changed to an optical path toward the user by the windshield 610.
- the user E who is a driver recognizes the image display light reflected by the windshield 610 as a virtual image 450 ahead of the windshield 610 in the line-of-sight direction.
- FIG. 2 is a diagram showing an internal configuration of the optical unit 100 according to the embodiment of the present invention.
- the internal configuration of the optical unit 100 will be described with reference to FIG.
- the optical unit 100 includes the image projection unit 210, the intermediate mirror 350, the intermediate image formation unit 360, and the projection mirror 400 inside the housing 110.
- the image projection unit 210 includes three different light sources that respectively generate red, green, or blue light.
- the light source can be realized by using an LED (Light-Emitting-Diode) or a semiconductor laser light source. In this embodiment, a case where an LED is used as the light source will be described.
- the optical unit 100 includes a heat sink for cooling the light source. Since there are three types of light sources, in order to cool the light sources, a heat sink 120a connected to the red light source, a heat sink 120b (not shown) connected to the green light source, and the outside of the housing 110 of the optical unit 100, A heat sink 120c connected to the blue light source is provided.
- the housing 110 is aluminum die-cast.
- both the heat sink 120b and the heat sink 120c for cooling the blue light source and the green light source are configured integrally with the housing 110, respectively.
- the heat sink 120a for cooling the red light source is installed at a location spatially separated from the heat sink 120b and the heat sink 120c, and is externally attached separately from the housing 110. For this reason, the heat generated by the red light source is carried to the heat sink 120a via the heat pipe 25.
- FIG. 3 is a diagram schematically showing the internal configuration of the image projection unit 210 together with the optical path of the image display light.
- FIG. 4 is a diagram illustrating an optical path of image display light projected onto the windshield 610 via the intermediate mirror 350, the intermediate image forming unit 360, and the projection mirror 400.
- the image projection unit 210 includes illumination units 230a, 230b, and 230c (hereinafter also collectively referred to as illumination units 230), a dichroic cross prism 244, a reflector 236, a field lens 237, a polarization beam splitter 238, a phase difference plate 239, and an analyzer. 241 and a projection lens group 242.
- illumination units 230 include illumination units 230a, 230b, and 230c (hereinafter also collectively referred to as illumination units 230), a dichroic cross prism 244, a reflector 236, a field lens 237, a polarization beam splitter 238, a phase difference plate 239, and an analyzer. 241 and a projection lens group 242.
- FIG. 3 the description of the internal configurations of the first illumination unit 230a and the third illumination unit 230c is omitted, and only the internal configuration of the second illumination unit 230b is shown, but each illumination unit 230 has the same configuration. .
- the illumination unit 230 includes a light source 231, a collimator lens 232, a UV-IR (UltraViolet-Infrared Ray) cut filter 233, a polarizer 234, and a fly-eye lens 235.
- the light source 231 includes a light emitting diode that emits light of any one of red, green, and blue.
- the 1st illumination part 230a has a light emitting diode which emits red light as a light source.
- the 2nd illumination part 230b has a light emitting diode which emits green light as the light source 231.
- the 3rd illumination part 230c has a light emitting diode which emits blue light as a light source.
- the light source 231 is attached to the light source attachment portion 243.
- the light source mounting portion 243 is thermally coupled to a heat sink (not shown), and dissipates heat generated when the light source 231 emits light.
- the light emitted from the light source 231 is converted into parallel light by the collimating lens 232.
- the UV-IR cut filter 233 absorbs and removes ultraviolet light and infrared light from the parallel light that has passed through the collimating lens 232.
- the polarizer 234 changes the light that has passed through the UV-IR cut filter 233 into unpolarized P-polarized light.
- the fly-eye lens 235 uniformly adjusts the brightness of the light that has passed through the polarizer 234.
- each illumination unit 230 enters the dichroic cross prism 244 from different directions.
- the red, green, and blue light incident on the dichroic cross prism 244 becomes white light that is a combination of the three colors and travels toward the reflecting mirror 236.
- the reflecting mirror 236 changes the optical path of the white light synthesized by the dichroic cross prism 244 by 90 degrees.
- the light reflected by the reflecting mirror 236 is collected by the field lens 237.
- the light collected by the field lens 237 is irradiated to the image display element 240 via the polarization beam splitter 238 and the phase difference plate 239 that transmit the P-polarized light.
- the image display element 240 includes red, green, and blue color filters for each pixel.
- the light emitted to the image display element 240 has a color corresponding to each pixel, is modulated by the liquid crystal composition included in the image display element 240, and becomes S-polarized image display light toward the polarization beam splitter 238. Emitted.
- the emitted S-polarized light is reflected by the polarization beam splitter 238, changes its optical path, passes through the analyzer 241, and then enters the projection lens group 242.
- the image display light transmitted through the projection lens group 242 exits the image projection unit 210 and enters the intermediate mirror 350.
- the optical path of the image display light projected from the intermediate mirror 350 onto the windshield 610 through the intermediate image forming unit 360 and the projection mirror 400 will be described with reference to FIG.
- the optical path of the image display light emitted from the projection lens group 242 of the image projection unit 210 is changed to an optical path toward the projection mirror 400 by the intermediate mirror 350.
- a real image based on the image display light reflected by the intermediate mirror 350 is formed by the intermediate image forming unit 360.
- the intermediate image forming unit 360 includes a diffusion screen 362 and a concave lens 364.
- the diffusing screen 362 forms a real image based on the image display light transmitted through the intermediate image forming unit 360 as a second means constituting the intermediate image forming unit 360 and distributes the image display light toward the projection mirror 400.
- the concave lens 364 is a first means constituting the intermediate image forming unit 360, controls the direction of the principal ray of the image display light toward the projection mirror 400, and forms the image display light before and after passing through the intermediate image forming unit 360. Adjust the angle ⁇ .
- the image display light transmitted through the intermediate image forming unit 360 is reflected by the projection mirror 400 and projected onto the windshield 610.
- the image display light projected on the windshield 610 is changed to an optical path toward the user by the windshield 610.
- the user can visually recognize the virtual image based on the image display light forward through the windshield 610 as described above. Therefore, the windshield 610 has a function as a virtual image presentation surface.
- the user can visually recognize the virtual image based on the image signal output from the control device 50 by superimposing it on the actual landscape via the windshield 610.
- FIG. 5 is a diagram illustrating an optical path of image display light when a virtual image 450 is presented to viewpoints E1 and E2 having different heights.
- FIG. 6 is a diagram showing image display light distributed by the intermediate image forming unit 360, and shows an enlarged optical path between the intermediate image forming unit 360 and the projection mirror 400 in FIG.
- the viewpoints E1 and E2 of the user who is the driver change in the vertical direction depending on the height of the driver and the sitting position. Even when the user's viewpoint changes, it is preferable that the entire virtual image 450 from the upper end 451 to the lower end 452 can be visually recognized.
- the virtual image 450 is presented at a position slightly shifted in the vertical direction instead of presenting the virtual image 450 directly in front of the line-of-sight directions C1 and C2 when viewing the front of the vehicle, the virtual image 450 is shifted slightly when necessary. Since it can be referenced, it is easy for the user to use.
- the diffusing screen 362 and the concave lens 364 as the intermediate image forming unit 360, the direction and the light distribution angle of the principal ray of the image display light transmitted through the intermediate image forming unit 360 are controlled, and the virtual image Increase the visibility of 450.
- the virtual image 450 can be presented in a position that is easy to see by shifting the presentation position of the virtual image 450 in the vertical direction.
- a configuration in which the virtual image 450 is presented downward with respect to the line-of-sight directions C1 and C2 is shown.
- the virtual image 450 is presented at different positions by changing the decentering mode of the concave lens 364. It is good.
- the first viewpoint E1 is an upper limit position where the entire virtual image 450 can be visually recognized
- the second viewpoint E2 is a lower limit position where the entire virtual image 450 can be visually recognized. Therefore, the user can visually recognize the entire virtual image 450 within the range between the first viewpoint E1 and the second viewpoint E2.
- light A ⁇ b> 1 and A ⁇ b> 2 indicated by solid lines indicate light rays for presenting the upper end portion 451 of the virtual image 450 to the user, and are emitted from the upper end portion 371 of the real image 370 formed on the intermediate image forming unit 360.
- the reflected light is reflected by the projection mirror 400 and the windshield 610 and reaches the user's viewpoints E1 and E2.
- the light A1 toward the first viewpoint E1 is reflected at the first reflection position 401 of the projection mirror 400
- A2 toward the second viewpoint E2 is reflected at the second reflection position 402 of the projection mirror 400.
- the image display light is reflected by the projection mirror 400 and the windshield 610, a real image that is vertically inverted is formed on the intermediate image forming unit 360.
- light B 1 and B 2 indicated by broken lines indicate light rays for presenting the lower end portion 452 of the virtual image 450 to the user, and are emitted from the lower end portion 372 of the real image 370 formed on the intermediate image forming unit 360.
- the light is reflected by the projection mirror 400 and the windshield 610 and reaches the viewpoints E1 and E2.
- the light B1 toward the first viewpoint E1 is reflected at the third reflection position 403 of the projection mirror 400
- the light B2 toward the second viewpoint E2 is reflected at the fourth reflection position 404 of the projection mirror 400.
- FIG. 6 is an enlarged view of the optical path between the intermediate image forming unit 360 and the projection mirror 400 of FIG.
- the light A imaged as the upper end 371 of the real image 370 is incident on the concave lens 364 with the direction orthogonal to the diffusion screen 362 (z direction) as a reference, and the direction is changed upward (y direction) by an angle ⁇ 1.
- the image is formed as a real image on the diffusion screen 362 and diffused, and is directed to the projection mirror 400 as image display light having a light distribution angle ⁇ 1 .
- the light A incident on the intermediate image forming unit 360 is distributed between the light A1 toward the first reflection position 401 and the light A2 toward the second reflection position 402 with the principal ray A0 as the center. It becomes display light.
- the light B formed as the lower end 372 of the real image 370 is incident on the concave lens 364 and is transmitted by changing the direction upward (y direction) by the angle ⁇ 2 . Thereafter, an image is formed as a real image on the diffusion screen 362 and diffused, and is directed to the projection mirror 400 as image display light having a light distribution angle ⁇ 2 .
- the light B incident on the intermediate image forming unit 360 is distributed between the light B1 toward the third reflection position 403 and the light B2 toward the fourth reflection position 404 with the principal ray B0 as the center. It becomes display light.
- the concave lens 364 of the present embodiment is provided eccentrically in the vertical direction (vertical direction in FIG. 4) with respect to the z direction. More specifically, the position of the optical axis of the concave lens 364 is positioned below the center position of the diffusion screen 362. Therefore, than the angle theta 1 of the principal ray A0 emitted from the upper end 371 closer to the optical axis of the concave lens 364, the direction of the angle theta 2 of the principal ray B0 emitted from a distant lower portion 372 from the optical axis of the concave lens 364 growing.
- both the principal rays A 0 and B 0 are inclined upward (y direction). Emitted.
- the intermediate image forming unit 360 in the present embodiment controls the light distribution angle of the principal ray so as to obtain image display light having predetermined light distribution angles ⁇ 1 and ⁇ 2 with respect to the principal rays A0 and B0. 362. For this reason, even if the viewpoint position moves, a virtual image with a certain brightness can be presented within a predetermined range. Further, as the diffusion screen 362, the light distribution angles ⁇ 1 and ⁇ 2 are within the range from the first reflection position 401 to the second reflection position 402 of the projection mirror 400, or within the range from the third reflection position 403 to the fourth reflection position 404. By selecting the one having the characteristic that satisfies the above, the image display light can be used with high efficiency.
- the range of the viewpoint where the bright virtual image 450 can be presented becomes narrow, while the light distribution angle becomes wider than the range of the reflection position. This is because the ratio of the image display light not reflected by the projection mirror 400 increases and the virtual image 450 presented to the user becomes dark.
- the light distribution angles ⁇ 1 and ⁇ 2 the bright virtual image 450 can be presented to the user with high efficiency, and the visibility of the virtual image 450 can be enhanced.
- the intermediate image forming unit 360 includes a concave lens 364 that controls the directions of the principal rays A0 and B0 transmitted through the intermediate image forming unit 360.
- the concave lens 364 controls the directions of the principal rays A0 and B0 transmitted through the intermediate image forming unit 360.
- the intermediate image forming unit 360 is provided with the concave lens 364 decentered in the vertical direction.
- the virtual image 450 can be presented at a position slightly shifted in the vertical direction rather than directly in front of the user's line-of-sight direction. This is because an angle difference can be provided between the light for presenting the upper end portion 451 of the virtual image 450 and the light for presenting the lower end portion 452 of the virtual image 450.
- the optical unit 100 can be further downsized by using a concave lens that is decentered in the vertical direction.
- the present invention has been described with reference to the above-described embodiments.
- the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the configurations of the embodiments are appropriately combined or replaced. Those are also included in the present invention.
- FIG. 7 is a diagram illustrating an intermediate image forming unit 360 according to the first modification.
- a transmission type screen in which diffusion beads 367 are provided on the first main surface 366 a of the base member 366 is used as the diffusion screen 362.
- the image display light is incident on the first main surface 366 a side where the diffusion beads 367 are provided, so that the direction of the principal ray of the image display light is controlled also on the diffusion screen 362.
- the diffusion screen 362 includes a base member 366 and a plurality of diffusion beads 367.
- the base member 366 is a flat plate made of a transparent resin material or the like, and has a first main surface 366a and a second main surface 366b that face each other.
- the diffusion bead 367 is a highly transparent bead for optics, and its diameter is 10 micrometers or less.
- the diffusion beads 367 are applied on the first main surface 366a of the base member 366 with a thickness of 10 to 15 micrometers.
- the diffusion screen 362 and the concave lens 364 are disposed so that the first main surface 366a on which the diffusion beads 367 are provided and the flat surface 364b of the concave lens 364 are opposed to each other. Therefore, the light incident on the curved surface 364 a of the concave lens 364 is incident on the first principal surface 366 a that is the bead surface of the diffusion screen 362 after the angle of the principal ray is changed by ⁇ 1 at the interface.
- Image display light obliquely incident on the bead surface further only [Delta] [theta] 2 is changed the angle of the principal ray emitted from the second main surface 366b.
- the direction can be controlled so that the inclination of the principal ray is further increased by causing the image display light to enter the bead surface obliquely.
- FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the angle ⁇ 3 of light incident on the diffusion screen 362 and the angles ⁇ 4 and ⁇ 5 of transmitted light.
- FIG. 8A shows a case where light is incident on the first main surface 366a which is a bead surface
- FIG. 8B shows a case where light is incident on the second main surface 366b which is not a bead surface.
- the angle of the principal ray on the exit angle theta 4 the angle only ⁇ is large with respect to the incident angle theta 3 is changed.
- the main screen of the image display light transmitted through the intermediate image forming unit 360 is inclined by arranging the diffusion screen 362 and the concave lens 364 so that the bead surface of the diffusion screen 362 and the flat surface 364b of the concave lens 364 face each other. Can be made larger. Thereby, the virtual image 450 presented to the user can be made larger.
- the diffusion screen 362 may have a function of controlling the direction of the principal ray.
- FIG. 9 is a diagram illustrating an intermediate image forming unit 360 according to the second modification.
- a microlens array 368 is used instead of the diffusion screen 362, and a Fresnel lens 369 is used as the concave lens 364.
- the microlens array 368 and the Fresnel lens 369 are integrally molded, a microlens array is formed on the first surface 360 a of the intermediate image forming unit 360, and the Fresnel lens is formed on the second surface 360 b of the intermediate image forming unit 360.
- a lens is formed.
- the direction of the principal ray of the image display light is controlled by the Fresnel lens 369, and the light distribution angle of the image display light is controlled by the microlens array 368.
- the diffusion screen 362 or the concave lens 364 described in the above embodiment may be combined with the microlens array 368 or the Fresnel lens 369.
- the concave lens 364 may be used as a means for controlling the direction of the principal ray
- the microlens array 368 may be used as a means for controlling the light distribution angle of the principal ray.
- the Fresnel lens 369 may be used as means for controlling the direction of the chief ray
- the diffusion screen 362 may be used as means for controlling the light distribution angle of the chief ray.
- the light distribution angle of the image display light is controlled by the diffusion screen 362 and the direction of the principal ray is controlled by the concave lens 364 to present a highly visible virtual image 450 can do.
- DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Head-up display, 50 ... Control apparatus, 100 ... Optical unit, 210 ... Image projection part, 350 ... Intermediate
- the image display device of the present invention it is possible to increase the visibility of display light while reducing the size of the device.
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Abstract
画像表示装置は、画像表示光を投射する画像投射部210と、画像投射部210から投射された画像表示光に基づく実像を結像させる中間像形成部360と、中間像形成部360を透過した画像表示光を虚像提示面に向けて反射させる投射鏡400と、を備える。中間像形成部360は、透過した画像表示光の主光線の方向を制御する第1手段と、主光線の配光角を制御する第2手段と、を有する。第1手段は、凹レンズであり、第2手段は、透過光を拡散させる拡散スクリーンであってもよい。拡散スクリーンは、主面を有するベース部材と、主面上に複数設けられる拡散ビーズと、を含み、投射された画像表示光を当該主面に入射させる向きで配置されることとしてもよい。
Description
本発明は、画像表示装置に関する。
ヘッドアップディスプレイと呼ばれる車両用表示装置が知られている。ヘッドアップディスプレイは、車外から入る光を透過すると共に、車内に配置された光学ユニットから投射された画像を車両のウィンドシールドなどに反射させることにより、車外の風景に重畳して情報を表示する表示装置である。ヘッドアップディスプレイは、車外の景色を視認している運転者が視線や焦点をほとんど変化させることなく光学ユニットから投射された画像の情報を認識することができるため、車両用の表示装置として近年注目を集めている。
車両のダッシュボードに搭載させるヘッドアップディスプレイにおいて、車両のウィンドシールドへ表示光を導く駆動ミラーを動かすことにより、表示光の投射角度を調整できる構成が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
一般に、ヘッドアップディスプレイの取り付け位置や空間は限られていることが多いため装置は小型であることが望ましいが、小型化により表示光の視認性が低下するおそれがある。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、小型であり、かつ視認性の高い画像表示装置を提供することを目的とする。
本発明の画像表示装置は、画像表示光を投射する画像投射部と、画像投射部から投射された画像表示光に基づく実像を結像させる中間像形成部と、中間像形成部を透過した画像表示光を虚像提示面に向けて反射させる投射鏡と、を備える。中間像形成部は、透過した画像表示光の主光線の方向を制御する第1手段と、主光線の配光角を制御する第2手段と、を有する。
本発明の画像表示装置によれば、装置を小型にしつつ、表示光の視認性を高めることができる。
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。
実施の形態に係る画像表示装置として、車両のダッシュボード内に設置して使用されるヘッドアップディスプレイ10を例に挙げて説明する。図1は、本発明の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ10の設置態様を模式的に示す図である。ヘッドアップディスプレイ10は、光学ユニット100と制御装置50とを含む。図1は、車両の進行方向(図1における左方向)を基準として左側のダッシュボード内に光学ユニット100を配置して使用する場合を示す図であり、以下の実施の形態は、左ハンドル車における運転者向けにヘッドアップディスプレイ10が配置されている例を示している。なお、右ハンドル車用とするためには、車両の進行方向を基準として光学ユニット100の内部構成を左右反転させればよい。以下図1を参照して、ヘッドアップディスプレイ10の概要を説明する。
制御装置50は図示しないCPU(Central Processing Unit)を備え、光学ユニット100に表示させるための画像信号を生成する。制御装置50はまた、図示しない外部入力インタフェースを備えており、ナビゲーション装置やメディア再生装置などの外部装置から出力された画像信号が入力され、その入力された信号に対して所定の処理を行った後、光学ユニット100に出力することもできる。
光学ユニット100は、制御装置50が生成した画像信号をもとに、ウィンドシールド610に虚像450として表示させる画像表示光を生成する。このため光学ユニット100は、筐体110の内部に画像投射部210、中間鏡350、中間像形成部360、および投射鏡400を備える。
画像投射部210には、光源、画像表示素子、及び各種光学レンズなどが収納される。画像投射部210は制御装置50が出力した画像信号をもとに画像表示光を生成して投射する。なお、本実施の形態では画像表示素子として反射型液晶表示パネルであるLCOS(Liquid crystal on silicon)を用いる場合を例示するが、画像表示素子としてDMD(Digital Micromirror Device)を用いてもよい。その場合、適用する表示素子に応じた光学系及び駆動回路で構成するものとする。
画像投射部210が投射した画像表示光は中間鏡350で反射される。中間鏡350で反射された画像表示光は、中間像形成部360に結像される。中間像形成部360で結像した実像に係る画像表示光は、中間像形成部360を透過し、投射鏡400に投射される。
投射鏡400は凹面鏡であり、中間像形成部360を透過した画像表示光は投射鏡400によって拡大されてウィンドシールド610に投射される。ウィンドシールド610に投射された画像表示光は、ウィンドシールド610によってユーザに向かう光路へ変更される。運転者であるユーザEは、ウィンドシールド610で反射さた画像表示光を虚像450として、ウィンドシールド610よりも視線方向の前方に認識する。
図2は、本発明の実施の形態に係る光学ユニット100の内部構成を示す図である。以下、図2を参照して、光学ユニット100の内部構成を説明する。
上述したように、光学ユニット100は、筐体110の内側に画像投射部210、中間鏡350、中間像形成部360、および投射鏡400を備える。詳細は後述するが、画像投射部210は、赤色、緑色、または青色の光をそれぞれ発生する3種類の異なる光源を備える。光源はLED(Light Emitting Diode)や半導体レーザー光源を用いて実現できるが、本実施の形態では、光源としてLEDを用いる場合について説明する。
光源は使用時に熱を発生する。このため、光学ユニット100は、光源を冷却するためのヒートシンクを備える。光源は3種類あるため、それらの光源を冷やすために、光学ユニット100の筐体110の外側に、赤色の光源と接続するヒートシンク120a、緑色の光源と接続するヒートシンク120b(図示せず)、および青色の光源と接続するヒートシンク120cを備える。
筐体110はアルミ製のダイキャストである。ここで、青色の光源および緑色の光源をそれぞれ冷却するためのヒートシンク120bおよびヒートシンク120cはともに、筐体110と一体に構成されている。これに対し、赤色の光源を冷やすためのヒートシンク120aは、ヒートシンク120bおよびヒートシンク120cから空間的に離れた場所に設置されるとともに、筐体110とは分離して外付けされている。このため、赤色の光源が発生する熱は、ヒートパイプ25を介してヒートシンク120aまで運ばれる。
次に、図3および図4を参照してヘッドアップディスプレイ10の光学系について説明する。図3は、画像投射部210の内部構成を画像表示光の光路とともに模式的に示す図である。図4は、中間鏡350、中間像形成部360および投射鏡400を介してウィンドシールド610に投射される画像表示光の光路を示す図である。
まず、図3を参照して画像投射部210の内部構成を説明する。画像投射部210は、照明部230a、230b、230c(以下総称して照明部230ともいう)、ダイクロイッククロスプリズム244、反射鏡236、フィールドレンズ237、偏光ビームスプリッタ238、位相差板239、検光子241、及び投射レンズ群242を備える。なお、図3では第1照明部230a、第3照明部230cの内部構成の記載を省略し、第2照明部230bの内部構成のみを示すが、それぞれの照明部230は、同様の構成を有する。
照明部230は、光源231、コリメートレンズ232、UV-IR(UltraViolet-Infrared Ray)カットフィルタ233、偏光子234、フライアイレンズ235を備える。光源231は赤色、緑色、青色のいずれかの色の光を発する発光ダイオードからなる。第1照明部230aは、光源として赤色の光を発する発光ダイオードを有する。第2照明部230bは、光源231として緑色の光を発する発光ダイオードを有する。第3照明部230cは、光源として青色の光を発する発光ダイオードを有する。
光源231は、光源取付部243に取り付けられる。光源取付部243は、図示しないヒートシンクと熱的に結合され、光源231の発光に伴い発生する熱を放熱する。光源231が発光した光は、コリメートレンズ232によって平行光に変えられる。UV-IRカットフィルタ233は、コリメートレンズ232を通過した平行光から紫外光及び赤外光を吸収し除去する。偏光子234は、UV-IRカットフィルタ233を通過した光を乱れのないP偏光へと変える。そしてフライアイレンズ235が、偏光子234を通過した光の明るさを均一に整える。
それぞれの照明部230のフライアイレンズ235を透過した光は、ダイクロイッククロスプリズム244に異なる向きから入射される。ダイクロイッククロスプリズム244に入射した赤色、緑色、青色の光は、三色が合成された白色光となって反射鏡236へ向かう。反射鏡236は、ダイクロイッククロスプリズム244により合成された白色光の光路を90度変更する。反射鏡236で反射された光は、フィールドレンズ237によって集光される。フィールドレンズ237が集光した光は、P偏光を透過する偏光ビームスプリッタ238及び位相差板239を介して、画像表示素子240に照射される。
画像表示素子240は、画素毎に赤色、緑色、及び青色のカラーフィルタを備えている。画像表示素子240に照射された光は、各画素に対応する色となり、画像表示素子240の備える液晶組成物によって変調が施され、S偏光の画像表示光となって偏光ビームスプリッタ238に向けて出射される。出射されたS偏光の光は偏光ビームスプリッタ238で反射され、光路を変えて検光子241を通過した後に投射レンズ群242へ入射される。投射レンズ群242を透過した画像表示光は、画像投射部210を出て中間鏡350に入射する。
次に、図4を参照して中間鏡350から中間像形成部360および投射鏡400を介してウィンドシールド610に投射される画像表示光の光路について説明する。画像投射部210の投射レンズ群242から出射された画像表示光の光路は、中間鏡350によって投射鏡400に向かう光路へ変更される。その途中で、中間鏡350で反射された画像表示光に基づく実像が中間像形成部360で結像する。
中間像形成部360は、拡散スクリーン362と、凹レンズ364を有する。拡散スクリーン362は、中間像形成部360を構成する第2手段として、中間像形成部360を透過する画像表示光に基づく実像を結像させるとともに、投射鏡400へと向かう画像表示光の配光角ψを制御する。凹レンズ364は、中間像形成部360を構成する第1手段として、投射鏡400へと向かう画像表示光の主光線の方向を制御し、中間像形成部360を透過する前後の画像表示光がなす角度θを調整する。
中間像形成部360を透過した画像表示光は、投射鏡400により反射されウィンドシールド610に投射される。ウィンドシールド610に投射された画像表示光は、ウィンドシールド610によってユーザに向かう光路へ変更される。これにより、ユーザは上述したように、ウィンドシールド610を介して画像表示光に基づく虚像を前方に視認することができる。したがって、ウィンドシールド610は、虚像提示面としての機能を有することとなる。
以上の構成とすることで、ユーザは、制御装置50から出力された画像信号に基づく虚像を、ウィンドシールド610を介して現実の風景に重畳して視認することができる。
つづいて、図5および図6を参照しながら、本実施の形態に係る中間像形成部360の機能について詳述する。図5は、異なる高さの視点E1、E2に対して虚像450を提示する場合の画像表示光の光路を示す図である。図6は、中間像形成部360により配光される画像表示光を示す図であり、図5の中間像形成部360と投射鏡400の間の光路を拡大して示したものである。
図5に示すように、運転者であるユーザの視点E1、E2は、運転者の身長や、着座位置により上下方向に変わる。ユーザの視点が変わるような場合においても、虚像450の上端部451から下端部452までの全体を視認できることが好ましい。また、車両前方を見る視線方向C1、C2の真正面に虚像450を提示するのではなく、上下方向に少しずらした位置に虚像450を提示すると、必要なときに視線方向を少しずらして虚像450を参照することができるのでユーザにとって使いやすい。
そこで、本実施の形態では、中間像形成部360として拡散スクリーン362と凹レンズ364を組み合わせることにより、中間像形成部360を透過した画像表示光の主光線の向きと配光角を制御し、虚像450の視認性を高める。特に、凹レンズ364を上下方向に偏心して設けることにより、虚像450の提示位置を上下方向にずらして、見やすい位置に虚像450を提示することができる。なお、本実施の形態では、虚像450を視線方向C1、C2に対して下方に提示する場合の構成を示すが、凹レンズ364の偏心の態様を変えることにより、虚像450を異なる位置に提示することとしてもよい。
まず、図5を参照して視点E1、E2の違いによる画像表示光の経路の相違について詳述する。第1視点E1は、虚像450の全体を視認することのできる上限位置であり、第2視点E2は虚像450の全体を視認できる下限位置である。よって、第1視点E1から第2視点E2の間の範囲であれば、ユーザは虚像450の全体を視認することができる。
図5において、実線で示す光A1、A2は、虚像450の上端部451をユーザに提示するための光線を示しており、中間像形成部360に結像される実像370の上端部371から出射される光が投射鏡400およびウィンドシールド610に反射してユーザの視点E1、E2に到達する。第1視点E1に向かう光A1は、投射鏡400の第1反射位置401で反射され、第2視点E2に向かうA2は、投射鏡400の第2反射位置402で反射される。なお、本実施の形態で示す光学系においては、投射鏡400とウィンドシールド610とで画像表示光を反射する構成としているため、中間像形成部360には上下反転した実像が結像される。
一方、破線で示す光B1、B2は、虚像450の下端部452をユーザに提示するための光線を示しており、中間像形成部360に結像される実像370の下端部372から出射される光が投射鏡400およびウィンドシールド610に反射して視点E1、E2に達する。第1視点E1に向かう光B1は、投射鏡400の第3反射位置403で反射され、第2視点E2に向かう光B2は、投射鏡400の第4反射位置404で反射される。
つづいて図6を参照して、中間像形成部360により上下方向に配光される画像表示光について詳述する。図6は、図5の中間像形成部360と投射鏡400の間の光路を拡大して示したものである。実像370の上端部371として結像する光Aは、拡散スクリーン362に直交する方向(z方向)を基準に、凹レンズ364に入射して角度θ1だけ上方向(y方向)に方向を変えて透過する。その後、拡散スクリーン362に実像として結像するとともに拡散されて、配光角ψ1を有する画像表示光として投射鏡400に向かう。その結果、中間像形成部360に入射する光Aは、主光線A0を中心にして、第1反射位置401に向かう光A1と、第2反射位置402に向かう光A2の間で配光する画像表示光となる。
同様に、実像370の下端部372として結像する光Bは、凹レンズ364に入射して角度θ2だけ上方向(y方向)に方向を変えて透過する。その後、拡散スクリーン362に実像として結像するとともに拡散されて、配光角ψ2を有する画像表示光として投射鏡400に向かう。その結果、中間像形成部360に入射する光Bは、主光線B0を中心にして、第3反射位置403に向かう光B1と、第4反射位置404に向かう光B2の間で配光する画像表示光となる。
ここで、本実施の形態の凹レンズ364は、z方向を基準として上下方向(図4における上下方向)に偏心して設けられる。より詳細には、凹レンズ364の光軸の位置は、拡散スクリーン362の中心位置よりも下方に位置される。そのため、凹レンズ364の光軸に近い上端部371から出射される主光線A0の角度θ1よりも、凹レンズ364の光軸から遠い下端部372から出射される主光線B0の角度θ2の方が大きくなる。また、本実施の形態の凹レンズ364は、凹レンズ364の光軸が凹曲面に含まれないように構成されるため、主光線A0およびB0は、いずれも上方向(y方向)に傾いて出射される。
以下、本実施の形態における中間像形成部360により奏する効果について述べる。
本実施の形態における中間像形成部360は、主光線A0、B0に対して所定の配光角ψ1、ψ2を有した画像表示光となるよう主光線の配光角を制御する拡散スクリーン362を有する。このため、視点位置が移動する場合であっても所定範囲内であれば一定の明るさの虚像を提示することができる。また、拡散スクリーン362として、配光角ψ1、ψ2が投射鏡400の第1反射位置401から第2反射位置402の範囲内、または第3反射位置403から第4反射位置404の範囲内となる特性のものを選択することにより、画像表示光を高効率に利用することができる。この反射位置の範囲よりも配光角が狭くなってしまうと、明るい虚像450を提示できる視点の範囲が狭くなってしまう一方で、この反射位置の範囲よりも配光角が広くなってしまうと、投射鏡400で反射されない画像表示光の割合が増えて、ユーザに提示される虚像450が暗くなってしまうためである。このように、配光角ψ1、ψ2を適切に制御することにより、明るい虚像450を高効率でユーザに提示することができ、虚像450の視認性を高めることができる。
また、中間像形成部360は、中間像形成部360を透過した主光線A0、B0の方向を制御する凹レンズ364を有する。中間像形成部360として凹レンズ364を設けることにより、中間像形成部360と投射鏡400の間の距離Dを短くしなければならない場合であっても、ユーザに提示する虚像450をより大きくすることができる。したがって、凹レンズ364を設けることにより、光学ユニット100の大きさを小型化しつつ、より大きな虚像450を提示することができ、虚像450の視認性を高めることができる。
また、中間像形成部360は、凹レンズ364が上下方向に偏心して設けられる。これにより、虚像450をユーザの視線方向に対して真正面ではなく、上下方向に少しずらした位置に提示することができる。虚像450の上端部451を提示するための光と、虚像450の下端部452を提示するための光との間に角度差をつけることができるためである。虚像450を上下方向にずらすことによって、ユーザにとって見やすい位置に虚像450を提示することができ、虚像450の視認性を高めることができる。また、上下方向に偏心させた凹レンズを用いることにより、光学ユニット100をより小型化することができる。
以上、本発明を上述の各実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の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。
(変形例1)
図7は、変形例1に係る中間像形成部360を示す図である。変形例1では、拡散スクリーン362として、ベース部材366の第1主面366aに拡散ビーズ367が設けられた透過型スクリーンを用いる。このとき、拡散ビーズ367が設けられる第1主面366a側に画像表示光を入射させることで、拡散スクリーン362においても画像表示光の主光線の向きを制御する。
図7は、変形例1に係る中間像形成部360を示す図である。変形例1では、拡散スクリーン362として、ベース部材366の第1主面366aに拡散ビーズ367が設けられた透過型スクリーンを用いる。このとき、拡散ビーズ367が設けられる第1主面366a側に画像表示光を入射させることで、拡散スクリーン362においても画像表示光の主光線の向きを制御する。
拡散スクリーン362は、ベース部材366と、複数の拡散ビーズ367とを有する。ベース部材366は、透明な樹脂材料などで構成される平板であり、互いに対向する第1主面366aと第2主面366bを有する。拡散ビーズ367は、光学用の高透明ビーズであり、その直径は10マイクロメートル以下である。拡散ビーズ367は、ベース部材366の第1主面366a上に、10~15マイクロメートル厚で塗布される。
拡散スクリーン362と凹レンズ364は、拡散ビーズ367が設けられる第1主面366aと、凹レンズ364の平面364bとが対向するように配置される。そのため、凹レンズ364の曲面364aに入射する光は、その界面にてΔθ1だけ主光線の角度が変えられた後、拡散スクリーン362のビーズ面である第1主面366aに入射する。ビーズ面に斜めに入射する画像表示光は、さらにΔθ2だけ主光線の角度が変えられて第2主面366bから出射する。このとき、画像表示光をビーズ面に斜めに入射させることにより、主光線の傾きがさらに大きくなるように方向を制御することができる。
図8は、拡散スクリーン362に入射する光の角度θ3と透過する光の角度θ4、θ5の関係を示す図である。図8(a)は、ビーズ面である第1主面366aに光を入射させる場合を示し、図8(b)は、ビーズ面ではない第2主面366bに光を入射させる場合を示す。ビーズ面である第1主面366aから光を入射させる場合には、入射角θ3に対してΔθだけ角度が大きくなった出射角θ4に主光線の角度が変化する。一方、ビーズ面ではない第2主面366bから光を入射させる場合には、入射角θ3に対してΔθだけ角度が小さくなった出射角θ5に主光線の角度が変化する。球面を構成する拡散ビーズ367に入射して角度が変化する場合と、拡散ビーズ367から出射して角度が変化する場合とで、角度の変化の仕方が異なるためである。
変形例1では、拡散スクリーン362のビーズ面と凹レンズ364の平面364bが対向するように拡散スクリーン362と凹レンズ364を配置することにより、中間像形成部360を透過した画像表示光の主光線の傾きをより大きくすることができる。これにより、ユーザに提示する虚像450をより大きくすることができる。このように、変形例1においては、拡散スクリーン362が主光線の向きを制御する機能を担うこととしてもよい。
(変形例2)
図9は、変形例2に係る中間像形成部360を示す図である。変形例2では、拡散スクリーン362の代わりにマイクロレンズアレイ368を用いるとともに、凹レンズ364としてフレネルレンズ369を用いる。また、マイクロレンズアレイ368とフレネルレンズ369は、一体的に成型されており、中間像形成部360の第1面360aにマイクロレンズアレイが形成され、中間像形成部360の第2面360bにフレネルレンズが形成される。この場合、フレネルレンズ369によって画像表示光の主光線の向きが制御されるとともに、マイクロレンズアレイ368によって画像表示光の配光角が制御される。
図9は、変形例2に係る中間像形成部360を示す図である。変形例2では、拡散スクリーン362の代わりにマイクロレンズアレイ368を用いるとともに、凹レンズ364としてフレネルレンズ369を用いる。また、マイクロレンズアレイ368とフレネルレンズ369は、一体的に成型されており、中間像形成部360の第1面360aにマイクロレンズアレイが形成され、中間像形成部360の第2面360bにフレネルレンズが形成される。この場合、フレネルレンズ369によって画像表示光の主光線の向きが制御されるとともに、マイクロレンズアレイ368によって画像表示光の配光角が制御される。
なお、変形例2のさらなる変形例として、上述の実施の形態に示した拡散スクリーン362または凹レンズ364を、マイクロレンズアレイ368またはフレネルレンズ369と組み合わせることとしてもよい。例えば、主光線の向きを制御する手段として凹レンズ364を用いるとともに、主光線の配光角を制御する手段としてマイクロレンズアレイ368を用いることとしてもよい。また、主光線の向きを制御する手段としてフレネルレンズ369を用いるとともに、主光線の配光角を制御する手段として拡散スクリーン362を用いることとしてもよい。
(変形例3)
上述の実施の形態および変形例においては、中間像形成部360として凹レンズ364を拡散スクリーン362の手前に配置する場合、つまり、凹レンズ364を透過した画像表示光が拡散スクリーン362に入射する構成となる場合を示した。さらなる変形例として、拡散スクリーン362と凹レンズ364を逆に配置することとしてもよい。この場合、中間鏡350から投射鏡400の間は、中間鏡350、拡散スクリーン362、凹レンズ364、投射鏡400の順に光学素子が配列されることとなる。中間像形成部360の向きを逆にしたとしても、拡散スクリーン362により画像表示光の配光角を制御するとともに、凹レンズ364により主光線の向きを制御して、視認性の高い虚像450を提示することができる。
上述の実施の形態および変形例においては、中間像形成部360として凹レンズ364を拡散スクリーン362の手前に配置する場合、つまり、凹レンズ364を透過した画像表示光が拡散スクリーン362に入射する構成となる場合を示した。さらなる変形例として、拡散スクリーン362と凹レンズ364を逆に配置することとしてもよい。この場合、中間鏡350から投射鏡400の間は、中間鏡350、拡散スクリーン362、凹レンズ364、投射鏡400の順に光学素子が配列されることとなる。中間像形成部360の向きを逆にしたとしても、拡散スクリーン362により画像表示光の配光角を制御するとともに、凹レンズ364により主光線の向きを制御して、視認性の高い虚像450を提示することができる。
10…ヘッドアップディスプレイ、50…制御装置、100…光学ユニット、210…画像投射部、350…中間鏡、360…中間像形成部、362…拡散スクリーン、364…凹レンズ、366…ベース部材、368…マイクロレンズアレイ、370…実像、400…投射鏡、450…虚像、610…ウィンドシールド。
本発明の画像表示装置によれば、装置を小型にしつつ、表示光の視認性を高めることができる。
Claims (6)
- 画像表示光を投射する画像投射部と、
前記画像投射部から投射された画像表示光に基づく実像を結像させる中間像形成部と、
前記中間像形成部を透過した画像表示光を虚像提示面に向けて反射させる投射鏡と、
を備え、
前記中間像形成部は、前記透過した画像表示光の主光線の方向を制御する第1手段と、前記主光線の配光角を制御する第2手段と、を有することを特徴とする画像表示装置。 - 前記第1手段は、凹レンズであり、前記第2手段は、透過光を拡散させる拡散スクリーンであることを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。
- 前記第1手段は、凹レンズであり、前記第2手段は、マイクロレンズアレイであることを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。
- 前記拡散スクリーンは、主面を有するベース部材と、前記主面上に複数設けられる拡散ビーズと、を含み、前記投射された画像表示光を当該主面に入射させる向きで配置されることを特徴とする請求項2に記載の画像表示装置。
- 前記凹レンズの光軸方向をz軸方向とし、そのz軸方向と前記主光線の透過方向との双方に直交する方向をx軸方向、そのz軸方向およびそのx軸方向に直交する方向をy軸方向とした場合に、
前記凹レンズは、前記y軸方向に偏心して設けられることを特徴とする請求項2から4のいずれかに記載の画像表示装置。 - 前記凹レンズは、その光軸位置が前記拡散スクリーンの中心位置よりも前記y軸方向の下方に偏心して設けられることを特徴とする請求項5に記載の画像表示装置。
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