JP4670367B2 - Display device - Google Patents
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Description
本発明は、光学ユニットから投射される映像情報を虚像または実像として視認可能にした表示装置に関する。 The present invention relates to a display device in which video information projected from an optical unit is visible as a virtual image or a real image.
一般に、光学ユニットから投射される映像情報を虚像または実像として視認可能にした表示装置が知られている。このような表示装置は、ゲームなどのエンターテイメントや車両用の情報提供装置として有用である。表示装置を例えば車両用として利用する際、インストルメントパネル内に表示装置を設置してメータや経路案内などの情報を、虚像または実像として表示することができる。また、光学ユニットから投射される映像情報を半透明な反射手段によって反射させて、映像情報を視点から反射手段による虚像として前景に重畳させれば、いわゆるヘッドアップディスプレイとしても利用できる。 In general, a display device is known in which video information projected from an optical unit is visible as a virtual image or a real image. Such a display device is useful as an information providing device for entertainment such as games and vehicles. When the display device is used for a vehicle, for example, a display device can be installed in the instrument panel to display information such as a meter and route guidance as a virtual image or a real image. Further, if the video information projected from the optical unit is reflected by a translucent reflecting means and the video information is superimposed on the foreground as a virtual image by the reflecting means from the viewpoint, it can be used as a so-called head-up display.
図21は、従来のヘッドアップディスプレイを搭載した車両の概略図である。車室内のインストルメントパネル50内に配置される光学ユニット10は、液晶ディスプレイやCRT等を備えた表示器20と、表示器20から出射される光を反射させる凹面鏡30と、光学ユニット10内に塵やほこりを入り込ませないようにした防塵カバー40とを備えて構成されている。
FIG. 21 is a schematic view of a vehicle equipped with a conventional head-up display. The
このようなヘッドアップディスプレイにおいて、表示器20から出射された光は、凹面鏡30で反射され、光学ユニット10の上部に設けられた開口部に設置された防塵カバー40を通過してウインドシールド60の内表面に入射する。そして、この入射した光がウインドシールド60の内表面で反射することにより、表示情報がウインドシールド60よりも車両前方に形成される虚像61として提示される。なお、上記凹面鏡30は鉛直方向に対して角度θ傾斜した状態で光学ユニット10内部に設置されている。
In such a head-up display, the light emitted from the
図22は、図21に示される表示器20から出射される光の光路を示した図である。図22に示されるように、表示器20の中心B1点から出射される光は、凹面鏡30のB2点で反射し、防塵カバー40のB4点を透過し、ウインドシールド60のB5点で反射して視点70に進む。ここで、図22に示されるB3点は、凹面鏡30による虚像に対応する点であり、B6点はウインドシールド60による虚像、すなわち視点70から視認される虚像に対応する点である。なお、表示器20の端部A1、C1から出射される光の経路も同様に図示している。
FIG. 22 is a diagram showing an optical path of light emitted from the
上記のような配置状態において、車両前方に表示される虚像61を幅d6(A6とC6の距離)とすると、凹面鏡30での光路幅はd2(A2とC2の距離)、表示器20での光路幅はd1(A1とC1の距離)だけそれぞれ必要となる。したがって、車両前方に表示される虚像61のサイズを大画面化しようとすると、凹面鏡30での光路幅d2や表示器20での光路幅d1が大きくなり、結果として光学ユニット10のサイズが大きくなる。
In the arrangement state as described above, if the
しかしながら、光学ユニット10のインストルメントパネル50への搭載を容易にするためには、光学ユニット10が小型であることが必要である。
However, in order to facilitate the mounting of the
そこで、特開平6−55957号公報では、光学ユニットが表示器とN個(例えば3個)の偏向手段とを備えて構成され、表示器と1番目の偏向手段との間の光路と2番目と3番目の偏向手段との間の光路とが水平面内で交差するように配置されたヘッドアップディスプレイが開示されている。 Therefore, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-55957, the optical unit includes a display and N (for example, three) deflecting means, and the optical path between the display and the first deflecting means and the second There is disclosed a head-up display arranged so that an optical path between the first and third deflecting means intersects in a horizontal plane.
このヘッドアップディスプレイでは、光学ユニットの平面内に多数の偏向手段を設けているため、光路長を稼いでいる。しかしながら、光学ユニットから光が出射する直前の偏向手段における光路幅は、結局のところ図22に示されるd2と等しい光路幅が必要となるため、光路長を稼ぐことができても、光学ユニットの鉛直方向のサイズを小型化できるものではない。さらに、複数の偏向手段を用いているため、これらの配置場所を考慮すると必ずしも小型化の要請に十分に応えるものではない。 In this head-up display, since a large number of deflecting means are provided in the plane of the optical unit, the optical path length is increased. However, since the optical path width in the deflecting means immediately before the light is emitted from the optical unit eventually needs an optical path width equal to d2 shown in FIG. 22, even if the optical path length can be obtained, The vertical size cannot be reduced. In addition, since a plurality of deflecting means are used, it is not always sufficient to meet the demand for downsizing in consideration of these arrangement locations.
また、特開平9−318906号公報では、樹脂製またはガラス製の透明部材をブロック状に成型し、ブロック内を光が往復するようにして小型化を図るヘッドアップディスプレイが開示されている。しかしながら、このヘッドアップディスプレイにおいても、光学ユニットから光が出射する直前の偏向手段における光路幅は、結局のところ図22に示されるd2と等しい光路幅が必要となる。さらに、このブロックを光学的に淀みなく均一に成型することは非常に困難である。 Japanese Laid-Open Patent Publication No. 9-318906 discloses a head-up display that is made compact by molding a resin or glass transparent member into a block shape so that light reciprocates in the block. However, also in this head-up display, the optical path width in the deflecting means immediately before the light is emitted from the optical unit eventually requires an optical path width equal to d2 shown in FIG. Furthermore, it is very difficult to uniformly mold this block without optical stagnation.
そして、特開2004−20605号公報では、表示器とウインドシールドなどの反射手段との間にプリズムシートを設けて光学ユニット内の光路幅を小さくしたヘッドアップディスプレイが開示されている。しかしながら、プリズムシートにより発生する色収差により表示像が色づいて見えてしまい、表示品位を著しく低下させる。この現象は、プリズムシートによる屈折角を大きくするほど顕著になるため、光学ユニットの小型化とトレードオフの関係になる。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-20605 discloses a head-up display in which a prism sheet is provided between a display and a reflecting means such as a windshield to reduce the optical path width in the optical unit. However, the display image is colored due to the chromatic aberration generated by the prism sheet, and the display quality is remarkably deteriorated. This phenomenon becomes more prominent as the angle of refraction by the prism sheet is increased.
さらに、特開2000−180967号公報では、プロジェクションディスプレイ装置に利用する全反射プリズムシートもある。この装置はプロジェクターから投影される映像を、全反射プリズムシートからなるプロジェクションスクリーン上に実像として結像させるものである。しかしながら、この全反射プリズムシートを虚像ディスプレイや、実像をスクリーン上ではなく空間上に結像させて用いる場合、見かけ上の結像スポットが大きくなり画像がぼけて視認性が悪化する場合がある。 Furthermore, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-180967 also includes a total reflection prism sheet used for a projection display device. This apparatus forms an image projected from a projector as a real image on a projection screen made of a total reflection prism sheet. However, when this total reflection prism sheet is used in a virtual image display or when a real image is formed on a space rather than on a screen, an apparent image formation spot becomes large and the image may be blurred and visibility may deteriorate.
そこで、本発明は上記点に鑑み、光学ユニットの小型化を図りつつ、視認性の高い表示装置を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention has an object to provide a display device with high visibility while reducing the size of an optical unit.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、表示器(20)から投射された光がシート状光学素子(80)に入射されると、光の進行方向が微小プリズム(82)によって折り曲げられて出射されるようになっていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, when the light projected from the display (20) is incident on the sheet-like optical element (80), the traveling direction of the light is the minute prism (82). It is characterized in that it is bent and emitted by.
このように、微小プリズムを設けたシート状光学素子を光学ユニットに備える。これにより、表示器から投射された光の光路を折り曲げることができるため、光学系配置の取り回しの自由度を上げることができる。また、シート状光学素子は薄く、光路幅を狭くできるので、表示装置を小型化することができる。さらに、微小プリズムには全反射面が含まれているため、微小プリズム内で反射する光のエネルギーのロスを小さくさせて高輝度化でき、ひいては画像の視認性を高めることができる。 As described above, the optical unit includes the sheet-like optical element provided with the minute prism. Thereby, since the optical path of the light projected from the display can be bent, the degree of freedom in handling the optical system arrangement can be increased. Further, since the sheet-like optical element is thin and the optical path width can be narrowed, the display device can be miniaturized. Furthermore, since the microprism includes a total reflection surface, it is possible to reduce the energy loss of the light reflected in the microprism and increase the luminance, thereby improving the visibility of the image.
また、請求項1に記載の発明では表示器から投射された画像光が凹面鏡で反射してシート状光学素子に入射する光の入射角Θinが、シート状光学素子内を通過して出射される出射角Θoutよりも大きくされていることを特徴としている。このように、Θin>Θoutとする。これにより、表示器から出射される画像の高さ成分の長さ、すなわち光路幅をcos(Θin)/cos(Θout)だけ縮小することができ、光学ユニットを小型化することができる。一方、ユーザの前方に表示される虚像の高さ方向の長さをcos(Θout)/cos(Θin)だけ拡大することができる。これにより、光学ユニットのサイズを保ちつつ、より大画面表示が可能となる。 In the first aspect of the present invention, the incident angle Θin of the light incident on the sheet-like optical element after the image light projected from the display is reflected by the concave mirror is emitted through the sheet-like optical element. It is characterized by being larger than the emission angle Θout. Thus, Θin> Θout. Thereby, the length of the height component of the image emitted from the display, that is, the optical path width can be reduced by cos (Θin) / cos (Θout), and the optical unit can be miniaturized. On the other hand, the length in the height direction of the virtual image displayed in front of the user can be enlarged by cos (Θout) / cos (Θin). Thereby, it is possible to display a larger screen while maintaining the size of the optical unit.
また、請求項1に記載の発明では、虚像もしくは実像の結像位置が、シート状光学素子以外の場所とされていることを特徴としている。このように、虚像もしくは実像の結像位置を、シート状光学素子以外の場所とする。これにより、ユーザに表示画像が空間に浮いているように見せることができる。このため、前景の対象物に重ね合わせることや、何もない場所に表示だけが浮かんで見える効果的な表示を実現できる。
Further, the invention described in
また、請求項1に記載の発明では、微小プリズムにおいて、入射面に対する光の入射角と出射面に対する光の出射角とが等しいこと、もしくは、プリズムシートにおいて、入射面に対する光の入射角と出射面に対する光の出射角が垂直であることを特徴としている。 In the first aspect of the invention, in the microprism, the incident angle of the light with respect to the incident surface is equal to the outgoing angle of the light with respect to the outgoing surface, or in the prism sheet, the incident angle and the outgoing angle of the light with respect to the incident surface. The light emission angle with respect to the surface is perpendicular.
このように、光の入射角および出射角を設定する。これにより、微小プリズムの色収差による色づきといった画質を上げることができる。また、微小プリズム界面での反射を抑制できるため、高輝度化できる。
そして、請求項1に記載の発明では、光学ユニットから投射される映像情報が虚像であって、プリズムシートの微小プリズムに偶数個の全反射面が含まれていること、もしくは、光学ユニットから投射される映像情報が実像であって、プリズムシートの微小プリズムに奇数個の全反射面が含まれること、を特徴としている。このように、虚像もしくは実像を表示する場合、微小プリズムに含まれる全反射面の数を設定する。これにより、隣り合う各微小プリズムによるマクロ的な見かけの像、すなわちマクロの結像を虚像もしくは実像として形成することができる。
さらに、請求項1に記載の発明では、複数の微小プリズムのピッチをp、シート状光学素子から視認される場所までの光路長をL1とすると、arctan(p/L1)が眼の分解能以下であること、もしくは、複数の微小プリズムによる結像スポットのサイズをS、結像スポットから視認される場所までの光路長をL2とすると、arctan(S/L2)が眼の分解能以下であること、を特徴としている。このように、各値が人の眼の分解能以下となるように設定する。これにより、微小プリズムの縞が視認されないため、画質を上げることができる。また、表示画像の鮮明度が上がるため、視認性を向上させることができる。
また、請求項1に記載の発明では、表示器上の光点からプリズムシート内に設けられた微小プリズムまでの距離をaとし、M=cos(Θout)/cos(Θin)とした場合、微小プリズムの焦点距離fがf=[M/(M−1)]・aであり、さらに、少なくとも1つの微小プリズム面が曲面であることを特徴としている。これにより、マクロの結像と隣り合う各微小プリズムによるミクロ的な見かけの像、すなわちミクロの結像との位置が一致し、表示画像の鮮明度が上がるため、視認性を向上できる。さらに、微小プリズム面が曲面であることによっても、マクロの結像とミクロの結像の位置とが一致し、表示画像の鮮明度が上がるため、視認性を向上できる。
In this way, the incident angle and the outgoing angle of light are set. Thereby, it is possible to improve the image quality such as coloring due to the chromatic aberration of the minute prism. In addition, since the reflection at the interface of the minute prisms can be suppressed, the brightness can be increased.
In the first aspect of the present invention, the video information projected from the optical unit is a virtual image, and the even number of total reflection surfaces are included in the microprisms of the prism sheet, or the projection is performed from the optical unit. The video information to be displayed is a real image, and the micro prisms of the prism sheet include an odd number of total reflection surfaces. In this way, when displaying a virtual image or a real image, the number of total reflection surfaces included in the minute prism is set. As a result, a macroscopic image formed by each adjacent microprism, that is, a macro image can be formed as a virtual image or a real image.
Further, in the first aspect of the invention, when the pitch of the plurality of micro prisms is p and the optical path length from the sheet-like optical element to the place where it is visually recognized is L1, arctan (p / L1) is less than the eye resolution. Or, if the size of the imaging spot by a plurality of micro prisms is S and the optical path length from the imaging spot to the place where it is visually recognized is L2, arctan (S / L2) is below the eye resolution, It is characterized by. In this way, each value is set to be less than the resolution of the human eye. Thereby, since the stripes of the minute prism are not visually recognized, the image quality can be improved. In addition, since the sharpness of the display image is increased, visibility can be improved.
According to the first aspect of the present invention, when the distance from the light spot on the display to the minute prism provided in the prism sheet is a and M = cos (Θout) / cos (Θin), the focal length f of the prism Ri is f = [M / (M- 1)] · a der, further characterized in that at least one micro-prism surface is a curved surface. Thereby, the position of the macro image and the microscopic image formed by each adjacent micro prism, that is, the position of the micro image coincides with each other, and the sharpness of the display image increases, so that the visibility can be improved. Further, even if the micro prism surface is a curved surface, the macro image formation and the micro image formation position coincide with each other, and the visibility of the display image is increased, so that the visibility can be improved.
請求項2に記載の発明では、シート状光学素子への入射面上にあり、シート状光学素子の表面に平行なベクトルの符号と、シート状光学素子への出射面上にあり、シート状光学素子の表面に平行なベクトルの符号とが、互いに逆符号になっていることを特徴としている。
In the invention according to
このように、シート状光学素子に入射する光のベクトルの符号と、出射される光のベクトルの符号と、が互いに逆符号になっている。これにより、光学ユニットにおいて、光学系配置の取り回しの自由度を向上させることができる。 Thus, the sign of the light vector incident on the sheet-like optical element and the sign of the emitted light vector are opposite to each other. Thereby, in an optical unit, the freedom degree of management of optical system arrangement | positioning can be improved.
請求項3に記載の発明では、微小プリズムは、シート状光学素子においてプリズムシートの表面および裏面に設けられていることを特徴としている。このように、プリズムシートの表裏面の両面に微小プリズムを設ける。これにより、シート状光学素子に対する光の入射角と出射角の設定の自由度を向上させることができる。
The invention according to
請求項4に記載の発明では、シート状光学素子の内部を通過する光の進行方向は、シート状光学素子の法線方向になっていることを特徴としている。このように、シート状光学素子内部を通過させる光を、シート状光学素子の法線方向に設定する。これにより、例えばプリズムシートを複数枚用いる場合、上下のプリズムシートの位置合わせを容易に行うことができる。また、上下のプリズムシートの間に、レンチキュラーレンズやフレネルレンズ等のレンズを挟んだときの画質の劣化を低減できる。 The invention according to claim 4 is characterized in that the traveling direction of light passing through the inside of the sheet-like optical element is the normal direction of the sheet-like optical element. In this way, the light passing through the inside of the sheet-like optical element is set in the normal direction of the sheet-like optical element. Accordingly, for example, when a plurality of prism sheets are used, the upper and lower prism sheets can be easily aligned. In addition, it is possible to reduce image quality degradation when a lens such as a lenticular lens or a Fresnel lens is sandwiched between the upper and lower prism sheets.
請求項5に記載の発明では、arctan(S/L2)が眼の分解能以下になるように、複数の微小プリズムのピッチが設定されていることを特徴としている。このように、微小プリズムのピッチを設定する。これにより、表示画像の鮮明度が上がるため、視認性を向上できる。また、各微小プリズムのピッチを小さく設定するだけなので、コストアップを抑制できる。
The invention according to
請求項6に記載の発明では、シート状光学素子は少なくとも2つのプリズムシートを含んでおり、これら2つのプリズムシートの間にレンチキュラーレンズ(83)が設けられ、このレンチキュラーレンズはプリズムシートに設けられた微小プリズムと平行に形成されているか、もしくはこれら2つのプリズムシートの間にマイクロレンズアレイが形成されていることを特徴としている。 In the invention described in claim 6 , the sheet-like optical element includes at least two prism sheets, a lenticular lens (83) is provided between the two prism sheets, and the lenticular lens is provided on the prism sheet. The microlens array is formed in parallel with the microprism, or a microlens array is formed between the two prism sheets.
このように、2枚のプリズムシートの間に、レンチキュラーレンズもしくはマイクロアレイレンズを設ける。2枚のプリズムシートの間にレンチキュラーレンズを設けることで、マクロの結像とミクロの結像との位置が一致し、表示画像の鮮明度が上がるため、視認性を向上できる。また、2枚のプリズムシートの間にマイクロレンズアレイを設けることで、マクロの結像とミクロの結像との位置が一致するとともに、非点収差を抑制できるため、画質を向上できる。 Thus, a lenticular lens or a microarray lens is provided between the two prism sheets. By providing a lenticular lens between the two prism sheets, the positions of the macro image formation and the micro image formation coincide with each other, and the sharpness of the display image increases, so that the visibility can be improved. Further, by providing the microlens array between the two prism sheets, the positions of the macro image formation and the micro image formation coincide, and astigmatism can be suppressed, so that the image quality can be improved.
請求項7に記載の発明では、マイクロレンズアレイは、プリズムシートの断面方向においてはレンチキュラーレンズの形状を有し、断面方向に垂直な方向においてはリニアフレネルレンズの形状を有していることを特徴としている。このように、マイクロレンズアレイの形状を設定する。これにより、マクロの結像とミクロの結像との位置が一致するとともに、非点収差を抑制できるため、画質を向上できる。 According to a seventh aspect of the invention, the microlens array has a lenticular lens shape in the cross-sectional direction of the prism sheet, and a linear Fresnel lens shape in a direction perpendicular to the cross-sectional direction. It is said. In this way, the shape of the microlens array is set. Thereby, the positions of the macro image formation and the micro image formation coincide with each other and the astigmatism can be suppressed, so that the image quality can be improved.
請求項8に記載の発明では、シート状光学素子は少なくとも1つのフレネルレンズおよび2つのプリズムシートを含んでおり、これら2つのプリズムシートの間にフレネルレンズが設置されていることを特徴としている。 The invention according to claim 8 is characterized in that the sheet-like optical element includes at least one Fresnel lens and two prism sheets, and the Fresnel lens is disposed between the two prism sheets.
このように、シート状光学素子をフレネルレンズを含む構成とする。これにより、フレネルレンズは拡大作用があるため、大画面の画像を形成することができる。また、一体化構造により、コストダウンを図ることができる。 As described above, the sheet-like optical element includes the Fresnel lens. Thereby, since the Fresnel lens has a magnifying action, a large screen image can be formed. In addition, the integrated structure can reduce the cost.
請求項9に記載の発明では、光学ユニットは、横倍率よりも縦倍率が小さい光学素子を備えていることを特徴としている。これにより、非点収差を抑制できるため、画質を向上できる。 The invention according to claim 9 is characterized in that the optical unit includes an optical element having a vertical magnification smaller than the horizontal magnification. Thereby, since astigmatism can be suppressed, image quality can be improved.
請求項10に記載の発明では、光学素子は、ミラーもしくはレンズであることを特徴としている。これにより、非点収差を抑制できるため、画質を向上できる。
The invention according to
請求項11に記載の発明では、プリズムシートは円弧状であること、もしくは、プリズムシートの頂角が場所により異なることを特徴としている。これにより、プリズムシートの場所により最適な光学条件になるため、画質を向上できる。 The invention according to claim 11 is characterized in that the prism sheet is arcuate, or the apex angle of the prism sheet differs depending on the location. As a result, the optical conditions are optimized depending on the location of the prism sheet, so that the image quality can be improved.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について図を参照して説明する。なお、本発明の実施形態は、下記に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうることは言うまでもない。また、以下で示される図面において、上記図21、図22に示す構成要素と同一のものには、同一符号を記してある。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Needless to say, the embodiments of the present invention are not limited to the following and can take various forms as long as they belong to the technical scope of the present invention. In the drawings shown below, the same components as those shown in FIGS. 21 and 22 are denoted by the same reference numerals.
図1は、本発明の第1実施形態に係る表示装置をヘッドアップディスプレイとして車両に搭載した状態を示した図である。図1に示されるように、ヘッドアップディスプレイは、光学ユニット10を有している。この光学ユニット10は、表示器20と、凹面鏡30と、シート状光学素子80と、を備えて構成されている。また、光学ユニット10上部の開口部には、例えば透明樹脂からなる防塵カバー40が装着されている。このような光学ユニット10は、インストルメントパネル50の内部に収納された状態になっている。
FIG. 1 is a diagram illustrating a state in which the display device according to the first embodiment of the present invention is mounted on a vehicle as a head-up display. As shown in FIG. 1, the head-up display has an
表示器20は、画像を表示するものである。表示器20から出力された各画像は、凹面鏡30に照射される。このような表示器20に、例えば液晶ディスプレイ(LCD)が採用される。
The
凹面鏡30は、表示器20から直接入射される画像を拡大し、拡大した画像の画像光を後述するシート状光学素子80、防塵カバー40を介してウインドシールド60に導くものである。ここで、凹面鏡30の高さ方向の長さ(光路幅)はdであり、凹面鏡30は鉛直方向に対しθ傾斜されて設置されている。
The
シート状光学素子80は、入射した光の進行方向を折り曲げて出射するものである。このような機能を有するシート状光学素子80の具体的な構成を図2に示す。図2は、図1に示されるシート状光学素子80の斜視図である。図2に示されるように、本実施形態では、シート状光学素子80は、例えば1枚のプリズムシート81と、そのプリズムシート81の表面に設けられた多数の微小プリズム82と、を有して構成されている。
The sheet-like
プリズムシート81は、プラスチックあるいはガラスのような透明な基板である。プラスチックの材質としては、例えばアクリルやポリカーボネートが挙げられる。微小プリズム82は、内部に入射する光を端面で反射するものであり、プリズムシート81の表面及び裏面に複数設けられる。このような微小プリズム82は、プリズムシートの表面および裏面が鋸歯状に削られて突起として形成されたものであり、この突起が各々微小プリズム82として作用する。
The
次に、シート状光学素子80の光学作用について図3を用いて説明する。図3は、図2に示されるシート状光学素子80の断面図である。図3に示されるように、プリズムシートは透明基板の上下両面に複数の微小プリズム82が多数組み合わされて構成されている。凹面鏡30で反射した光は、入射角Θinでプリズムシートの微小プリズム80aに入射する。このとき、光は、微小プリズム82において凹面鏡30側の面A−1から入射し、面A−1とは反対側の面A−2で全反射した後、プリズムシート81内を通って防塵カバー40側の微小プリズム82において凹面鏡30側の面B−2で全反射し、面B−2とは反対側の面B−1から出射する。この光は、プリズムシート81の鉛直方向に対して出射角Θoutで出射する。
Next, the optical action of the sheet-like
プリズムシート81において鉛直方向に対する微小プリズム82の面A−1の角度をαA1、面A−2の角度をαA2、面B−1の角度をαB1、面B−2の角度をαB2とし、面A−1に対する光の入射角をφin、面B−1に対する光の出射角をφoutとする。また、プリズムシート81内部において、鉛直方向に対する光の角度をγ、プリズムシート81の屈折率をnとすると、以下の関係が成り立つ。
In the
αA1=90−Θin−φin
αA2=(1/2)・[90−αA1−arcsin(sinφin/n)+γ]
αB1=90−Θout−φout
αB2=(1/2)・[90−αB1−arcsin(sinφout/n)+γ]
なお、これら面A−1への入射角αA1および面B−1からの出射角αB1は、必ずしも等しくなくてもよい。
α A1 = 90−Θin−φin
α A2 = (1/2) · [90−α A1 −arcsin (sin φin / n) + γ]
α B1 = 90−Θout−φout
α B2 = (1/2) · [90−α B1 -arcsin (sin φout / n) + γ]
The incident angle α A1 to the surface A-1 and the exit angle α B1 from the surface B-1 are not necessarily equal.
また、面A−2と面B−2とは全反射面で、以下の関係が成り立つ。 Surface A-2 and surface B-2 are total reflection surfaces, and the following relationship is established.
βA>arcsin(1/n)
βB>arcsin(1/n)
以上のような関係になるようにαA1、αA2、αB1、αB2を設定すれば、光はプリズムシート81に対して入射角Θinで入射し、出射角Θoutで出射するように光路を折り曲げることが可能となる。ただし、各面A−1、A−2、B−1、B−2の角度は、シート状光学素子80内で変化させてもよい。
β A > arcsin (1 / n)
β B > arcsin (1 / n)
If α A1 , α A2 , α B1 , and α B2 are set so as to have the above relationship, the light enters the
以上、述べたことを踏まえ、シート状光学素子80を使用することにより光学ユニット10を小型化できることを、図4を参照して説明する。図4は、表示器20から出射される光の光路を示した図である。表示器20の中心B1点からの光は凹面鏡30のB2点で反射し、シート状光学素子80のB8点で屈折し、防塵カバー40のB4点を透過し、ウインドシールド60のB5点で反射して視点70方向に進む。ここで、B3点は凹面鏡30による虚像に対応する点であり、B6点はウインドシールド60による虚像、すなわち視点70から視認される虚像に対応する点である。なお、表示器20の端部A1、C1からの光の経路も同様に、図4に示してある。また、A1とC1との距離を光路幅d1としている。
Based on the above, it will be described with reference to FIG. 4 that the
運転者の前方に表示される虚像61の幅をd6(A6とC6との距離)とすると、ウインドシールド60および防塵カバー40における光路幅は等しい。しかしながら、Θin>Θoutとすると、凹面鏡30における必要な光路幅d2(A2とC2との距離)は、cos(Θin)/cos(Θout)だけ縮小される。この効果により光学ユニット10を小型化できる。逆に、運転者の前方に表示される虚像61の幅d6は、cos(Θout)/cos(Θin)だけ拡大される。これにより、光学ユニット10のサイズを保ちつつ、より大画面表示が可能となる。
If the width of the
ここで、上記に微小プリズム82によって形成されるストライプ状の微小構造を備えたシート状光学素子80を用いると、このストライプ形状が縞状に観察されてしまい視認性を悪化させてしまう場合がある。したがって、微小プリズム82においてストライプのピッチは小さいほうが望ましい。具体的に、各微小プリズム82のピッチをp、観察者(運転者)の眼の位置からシート状光学素子80までの光路長をLとすると、そのなす角arctan(p/L)が眼の分解能より小さければよい。一般に、目の分解能はarctan(1/7.4/254)=0.030°であるので、arctan(p/L)<0.030°となればよい。
Here, when the sheet-like
さらに、シート状光学素子80を用いる場合、見かけ上の結像スポットが大きくなり画像がぼやけて視認性が悪化する場合がある。この点について、図5を用いて説明する。
Further, when the sheet-like
図5は、上記光学ユニット10において、表示器20およびシート状光学素子80を示した概略図である。図5に示されるように、表示器20上のある光点(例えば1つの画素)から出射された光は、各微小プリズム82に入射し、シート状光学素子80内において図3に示される光路を辿って各微小プリズム82から出射される。
FIG. 5 is a schematic view showing the
ここで、表示器20上の光点から微小プリズム82までの距離aが各微小プリズム82のピッチpに比べて非常に大きいとする。また、各微小プリズム82に入射する光の広がり角をΔψ、隣り合う微小プリズム82に入射する光のなす角をΔξとする。各微小プリズム82に入射した光は、各微小プリズム82の内部でそれぞれ全反射されるだけなので、画像のサイズは拡大も縮小もされない。したがって、各微小プリズム82による表示器20上の光点の虚像は、微小プリズム82から距離aの場所に形成される。この各微小プリズム82による結像をミクロの結像と呼ぶ。
Here, it is assumed that the distance a from the light spot on the
このとき、各微小プリズム82によるミクロ結像の光の広がり各はΔψのままである。さらに、隣り合う微小プリズム82に入射する光のなす角Δξも変化せず維持されるので、隣り合う各微小プリズム82によるマクロ的な見かけの像は、M=cos(Θout)/cos(Θin)だけ遠方に形成される。こうして形成される像をマクロの結像と呼ぶ。
At this time, the spread of the light of the micro image formed by each
観察者が表示器20上の光点のシート状光学素子80による虚像を観察する場合、ミクロの結像ではなく、マクロの結像を観察することになる。しかし、各微小プリズム82によるミクロ結像の光の広がり角はΔψであるので、マクロの結像の位置でのスポットサイズSは、S=(M−1)×a×Δψとなる。このスポットサイズSは、表示器20の光点のサイズよりも大きく、さらに表示器20上の光点は多数あるため、光の広がり角Δψによって大きくなってしまったスポットサイズSが多数重なることになり、像がぼやけて見えてしまう。
When the observer observes a virtual image of the light spot on the
このスポットサイズSを小さくするには、シート状光学素子80の各微小プリズム82のピッチpを小さくすればよい。図6は、上記光学ユニット10において、表示器20およびシート状光学素子80を示した概略図であり、図5に示される各微小プリズム82のピッチをより小さくした場合に相当する。図6に示されるように、ピッチpを狭めると、必然的に各微小プリズム82に入射する光の広がり角、すなわち、各微小プリズム82によるミクロ結像の光の広がり角Δψが小さくなる。このため、形成されるマクロの結像のスポットサイズSは縮小される。望ましくは、このスポットサイズS、もしくは光がシート状光学素子80を通過した以降の光学系で形成されるスポットサイズSの拡大(縮小)像が、観察者(運転者)の目となす角が0.030以下であればよい。
In order to reduce the spot size S, the pitch p of each
次に、上記図1に示されるヘッドアップディスプレイの作動について説明する。まず、表示器20から出射した光は、凹面鏡30で反射し、虚像31を形成する。続いて、シート状光学素子80に入射すると共に、その進行方向が折り曲げられて、虚像90を形成する。したがって、虚像90はシート状光学素子80上には存在しない。そして、シート状光学素子80および防塵カバー40を通過した光は、ウインドシールド60で反射されることにより表示情報(映像情報)がウインドシールド60により、前方に形成される虚像61として提示される。
Next, the operation of the head-up display shown in FIG. 1 will be described. First, the light emitted from the
以上、説明したように、本実施形態では、微小プリズム82を設けたシート状光学素子80を光学ユニット10に備えることを特徴としている。これにより、表示器20から投射された光の光路を折り曲げることができるため、光学系配置の取り回しの自由度を上げることができる。また、シート状光学素子80を薄くでき、光路幅を狭くできるので、表示装置のサイズを小型化することができる。さらに、微小プリズム82には全反射面が含まれているため、微小プリズム82内で反射する光のエネルギーのロスを小さくさせて高輝度化でき、ひいては画像の視認性を高めることができる。
As described above, the present embodiment is characterized in that the
(第2実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図7は、本実施形態で用いられるシート状光学素子80の概略断面図である。なお、図7において、図3に示されるシート状光学素子80に同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図7中、同一符号を付してある。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, only different parts from the first embodiment will be described. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the sheet-like
図7に示されるように、凹面鏡30からシート状光学素子80に導かれる光において、微小プリズム82の面A−1への入射角φinと面B−1からの出射角φoutとが等しい。本実施形態では、入射角φinおよび出射角φoutは入射面A−1、出射面B−1に対してそれぞれ垂直になっている。また、シート状光学素子80の内部を通過する光は、シート状光学素子80に垂直、すなわち図示しないプリズムシートの表面もしくは裏面に垂直である。したがって、以下の関係が成り立つ。
As shown in FIG. 7, in the light guided from the
φin=0
φout=0
γ=0
これにより、以下の関係が成り立つ。
φin = 0
φout = 0
γ = 0
Thereby, the following relationship is established.
αA1=90−Θin
αA2=(1/2)・[90−αA1]
αB1=90−Θout
αB2=(1/2)・[90−αB1]
また、微小プリズム82において面A−2および面B−2は全反射面であるので、以下の関係が成り立つ。
α A1 = 90−Θin
α A2 = (1/2) · [90−α A1 ]
α B1 = 90−Θout
α B2 = (1/2) · [90−α B1 ]
In addition, since the surfaces A-2 and B-2 are total reflection surfaces in the
βA>arcsin(1/n)
βB>arcsin(1/n)
上記のような関係になるようにαA1、αA2、αB1、αB2を決めれば、光はプリズムシート81の表面に対して入射角Θinで入射し、裏面に対して出射角Θoutで出射するように光路を折り曲げることが可能となる。
β A > arcsin (1 / n)
β B > arcsin (1 / n)
If α A1 , α A2 , α B1 , and α B2 are determined so as to satisfy the above relationship, light is incident on the surface of the
以上、説明したように、シート状光学素子80を図7に示した構造とした場合、第1実施形態で示した効果の他に、以下に述べる効果が期待できる。すなわち、微小プリズム82の面A−1への入射角αA1および面B−1からの出射角αB1は、共に等しく0であるので、色収差が発生せず、表面反射による光のロスも少ない。特に、色収差は単一の波長のみを光源として用いる場合には問題にならないが、例えばフルカラーディスプレイのように複数の波長を含む光源の場合には、色収差により表示像が色づいて見え、表示品位を著しく劣化させる場合がある。したがって、シート状光学素子80を図7に示す構造とすることで、色収差が発生せず、良好な表示品位を維持することができる。
As described above, when the sheet-like
(第3実施形態)
本実施形態では、上記実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図8は、本実施形態に係る表示装置をヘッドアップディスプレイとして自動車に適用させた例を示した図である。なお、本実施形態で用いられる図において、上記実施形態で用いられた図に示される構成要素に同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、同一符号を付してある。
(Third embodiment)
In the present embodiment, only different portions from the above embodiment will be described. FIG. 8 is a diagram illustrating an example in which the display device according to the present embodiment is applied to a vehicle as a head-up display. In the drawings used in the present embodiment, the same or equivalent parts as those shown in the drawings used in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals in order to simplify the description.
本実施形態では、図8に示されるように、光学ユニット10において、表示器20から出射された光がシート状光学素子80に直接導かれるようになっている。ここで、図8に併記したように、光学ユニット10の断面をYZ面と定義し、シート状光学素子80への入射面、出射面がYZ面上にあるとすると、シート状光学素子80への入射面上にあり、シート状光学素子80に平行なベクトル(Yベクトル)の符号と、シート状光学素子80への出射面上にあり、シート状光学素子80に平行なベクトル(Yベクトル)の符号とが、互いに逆符号である。つまり、図8では、表示器20から車両前方側に出射された光は、表示器20よりも車両前方側に配置されたシート状光学素子80で運転者側に折り曲げられる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 8, in the
図9は、本実施形態で用いられるシート状光学素子80の概略断面図である。なお、図9は、図8において光の進行方向が逆に描かれている。図9に示されるように、表示器20から出射された光は、シート状光学素子80の微小プリズム82に対して入射角Θinで入射する。このとき、光は、シート状光学素子80において、路面側の微小プリズム82の面A−1から入射し、面A−2で全反射した後、プリズムシート81内を通って、天井側の微小プリズム82の面B−2で全反射し、面B−1から出射する。そして、微小プリズム82の面B−1から出射した光は、プリズムシート81に対して出射角Θoutで出射する。このように、本実施形態では、プリズムシート81に対する光の入射ベクトルのY成分と出射ベクトルのY成分との符号は互いに逆向きである。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the sheet-like
上記のようなシート状光学素子80を用いれば、光学ユニット10と干渉する他の装置(エンジンなど)が光学ユニット10の車両前方方向にあった場合でも、光路の取り回しの自由度が増すため、車両への搭載が容易になる。
If the sheet-like
(第4実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図10は、本実施形態に係るシート状光学素子の概略断面図である。なお、本実施形態で用いられる図において、上記実施形態で用いられた図に示される構成要素に同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、同一符号を付してある。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, only different parts from the first embodiment will be described. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the sheet-like optical element according to the present embodiment. In the drawings used in the present embodiment, the same or equivalent parts as those shown in the drawings used in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals in order to simplify the description.
図10に示されるように、本実施形態では、光はプリズムシート81に対して入射角Θinで入射する。このとき、光はシート状光学素子80の地面側の微小プリズム82の面A−1から入射し、面A−2で全反射した後、プリズムシート81内を通って、天井側の微小プリズム82の面B−1からプリズムシート81に対して出射角Θoutで出射される。
As shown in FIG. 10, in this embodiment, light is incident on the
プリズムシート81の垂線に対する面A−1の角度をαA1、面A−2の角度をαA2、面B−1の角度をαB1とし、面A−1に対する入射角をφin、面B−1に対する出射角をφoutとする。また、プリズムシート81内部の光方向の角度をγ、プリズムシート81の屈折率をnとすると、以下の関係が成り立つ。
The angle of the surface A-1 with respect to the perpendicular of the
αA1=90−Θin−φin
αA2=(1/2)・[90−αA1−arcsin(sinφin/n)+γ]
αB1=90−Θout−φout
なお、これら面A−1への入射角αA1および面B−1からの出射角αB1は、必ずしも等しくなくてもよい。
α A1 = 90−Θin−φin
α A2 = (1/2) · [90−α A1 −arcsin (sin φin / n) + γ]
α B1 = 90−Θout−φout
The incident angle α A1 to the surface A-1 and the exit angle α B1 from the surface B-1 are not necessarily equal.
また、地面側の微小プリズム82の面A−2は全反射面であるので、以下の関係が成り立つ。
Further, since the surface A-2 of the
βA>arcsin(1/n)
このような関係になるようにαA1、αA2、αB1を決めれば、光はプリズムシート81に対して入射角Θinで入射し、出射角Θoutで出射するように光路を折り曲げることが可能となる。
β A > arcsin (1 / n)
If α A1 , α A2 , and α B1 are determined so as to have such a relationship, it is possible to bend the optical path so that light enters the
(第5実施形態)
本実施形態では、第2実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図11は、本実施形態に係るシート状光学素子の概略断面図である。なお、本実施形態で用いられる図において、上記実施形態で用いられた図に示される構成要素に同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、同一符号を付してある。
(Fifth embodiment)
In the present embodiment, only different parts from the second embodiment will be described. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the sheet-like optical element according to the present embodiment. In the drawings used in the present embodiment, the same or equivalent parts as those shown in the drawings used in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals in order to simplify the description.
本実施形態では、シート状光学素子80において、地面側の微小プリズム82の面A−1への光の入射角と面B−1からの光の出射角とが等しくなっている。特に、図11に示される構造では、光の進行方向は入射面A−1、出射面B−1に対して垂直である。これにより、以下の関係が成り立つ。
In the present embodiment, in the sheet-like
φin=0
φout=0
また、以下の関係が成り立つ。
φin = 0
φout = 0
In addition, the following relationship holds.
αA1=90−Θin
αA2=(1/2)・[90−αA1+γ]
αB1=90−Θout
さらに、面A−2は全反射面になっているので、以下の関係が成り立つ。
α A1 = 90−Θin
α A2 = (1/2) · [90−α A1 + γ]
α B1 = 90−Θout
Furthermore, since the surface A-2 is a total reflection surface, the following relationship is established.
βA>arcsin(1/n)
以上のような関係になるようにαA1、αA2、αB1を決めれば、光はプリズムシート81に対して入射角Θinで入射し、出射角Θoutで出射するように光路を折り曲げることが可能となる。
β A > arcsin (1 / n)
If α A1 , α A2 , and α B1 are determined so as to have the above relationship, the light path can be bent so that light enters the
図11に示されるシート状光学素子80の構造が採用される場合、上記第2実施形態で述べた効果の他に、以下に述べる効果が期待できる。すなわち、シート状光学素子80において、面A−1への光の入射角αA1および面B−1からの光の出射角αB1は、共に等しく0であるので、色収差が発生せず、表面反射による光のロスも少ない。特に、色収差は単一の波長のみを光源として用いる場合には問題にならないが、例えばフルカラーディスプレイのように複数の波長を含む光源の場合には、色収差により表示像が色づいて見え、表示品位を著しく劣化させる場合がある。このようなことからも、本実施形態で用いられるシート状光学素子80を採用すれば、ヘッドアップディスプレイにおいて色収差が発生せず、良好な表示品位を維持することができる。
When the structure of the sheet-like
(第6実施形態)
本実施形態では、上記実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図12は、本実施形態に係る表示装置を自動車に適用させた例を示した図である。なお、本実施形態で用いられる図において、上記実施形態で用いられた図に示される構成要素に同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、同一符号を付してある。
(Sixth embodiment)
In the present embodiment, only different portions from the above embodiment will be described. FIG. 12 is a diagram showing an example in which the display device according to the present embodiment is applied to an automobile. In the drawings used in the present embodiment, the same or equivalent parts as those shown in the drawings used in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals in order to simplify the description.
図13は、本実施形態に係るシート状光学素子の概略断面図である。図13に示されるように、光は、プリズムシート81に対して入射角Θinで入射する。このとき、光はプリズムシート81の地面側に設けられた微小プリズム82の面A−1から入射し、面A−2で全反射した後、プリズムシート81内を通って、プリズムシート81の天井側に設けられた微小プリズム82の面B−2および面B−3で全反射し、プリズムシート81に対して出射角Θoutで面B−1から出射する。
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of the sheet-like optical element according to the present embodiment. As shown in FIG. 13, the light enters the
ここで、プリズムシート81の垂線に対する面A−1の角度をαA1、面A−2の角度をαA2、面B−1の角度をαB1、面B−2の角度をαB2、面B−3の角度をαB3とし、面A−1に対する入射角をφin、面B−1に対する出射角をφoutとする。また、プリズムシート81内部の光の方向の角度をγ、プリズムシート81の屈折率をnとする。図13の構造では、プリズムシート81の入射面、出射面に対する光の角度は垂直である。また、シート状光学素子80の内を通過する光は、プリズムシート81に垂直である。したがって、以下の関係が成り立つ。
Here, the angle of the surface A-1 with respect to the perpendicular of the
φin=0
φout=0
γ=0
これにより、以下の関係が成り立つ。
φin = 0
φout = 0
γ = 0
Thereby, the following relationship is established.
αA1=90−Θin
αA2=(1/2)・[90−αA1]
αB1=90−Θout
αB2=αB3−Θout/2
また、面A−2、面B−2、面B−3は全反射面であるので、以下の関係が成り立つ。
α A1 = 90−Θin
α A2 = (1/2) · [90−α A1 ]
α B1 = 90−Θout
α B2 = α B3 −Θout / 2
Further, since the surfaces A-2, B-2, and B-3 are total reflection surfaces, the following relationship is established.
βA>arcsin(1/n)
βB1>arcsin(1/n)
βB2>arcsin(1/n)
以上のような関係になるようにαA1、αA2、αB1、αB2、αB3を決めれば、光はプリズムシート81に対して入射角Θinで入射し、出射角Θoutで出射するように光路を折り曲げることが可能となる。
β A > arcsin (1 / n)
β B1 > arcsin (1 / n)
β B2 > arcsin (1 / n)
If α A1 , α A2 , α B1 , α B2 , and α B3 are determined so as to have the above relationship, light is incident on the
次に、ミクロの結像とマクロの結像について述べる。上記実施形態において、図7に示されるプリズムシート81の構造の場合、微小プリズム82の全反射面は2面(偶数)である。ここで、図14および図15は、上記光学ユニット10において、表示器20およびシート状光学素子80を示した概略図である。微小プリズム81の全反射面が2面の場合、図14に示すように、ミクロの結像もマクロの結像も共に虚像となる。
Next, micro imaging and macro imaging will be described. In the above embodiment, in the structure of the
一方、図13に示されるプリズムシート81の構造の場合、微小プリズム82の全反射面は3面(奇数)である。このような場合、図15に示されるように、ミクロの結像は虚像であるが、マクロの結像は実像であり、プリズムシート81に対して表示器20の反対側に形成される。
On the other hand, in the structure of the
観察者(運転者)が像を視認する際、マクロ結像を観察することになるので、図12および図13に示されるヘッドアップディスプレイの構成では、実像として表示を視認することになる。このように、微小プリズム82の全反射面の数によってプリズムシート81によるマクロ結像が実像になるか虚像になるかが変化するので、用途に応じて使い分けることが望ましい。
When an observer (driver) visually recognizes an image, macro image formation is observed. Therefore, in the configuration of the head-up display shown in FIGS. 12 and 13, the display is visually recognized as a real image. As described above, whether the macro image formed by the
(第7実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図16は、本実施形態に係るシート状光学素子の概略断面図である。なお、本実施形態で用いられる図において、上記実施形態で用いられた図に示される構成要素に同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、同一符号を付してある。
(Seventh embodiment)
In the present embodiment, only different parts from the first embodiment will be described. FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of the sheet-like optical element according to the present embodiment. In the drawings used in the present embodiment, the same or equivalent parts as those shown in the drawings used in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals in order to simplify the description.
まず、上記実施形態において、図5を用いて説明したように、各微小プリズム82により形成されるミクロの結像と隣り合う微小プリズム82によるマクロの結像との結像距離のずれが像のぼけとなる。したがって、ミクロの結像とマクロの結像との位置を一致させれば、マクロの結像位置でのスポットサイズSが最小となる。つまり、ミクロの結像を遠方に拡大すればよい。
First, in the above embodiment, as described with reference to FIG. 5, the deviation of the imaging distance between the micro image formed by each
図16に示されるように、本実施形態では、シート状光学素子80は、地面側の第1シート状光学素子80aと、天井側の第2シート状光学素子80bと、を備えて構成されている。そして、第2シート状光学素子80bが第1シート状光学素子80aに接触する面に、ストライプ状の微小レンズ、すなわち複数のレンチキュラーレンズ83が形成されている。このレンチキュラーレンズ83により、ミクロ結像の結像位置をマクロ結像に一致するようにM倍だけ拡大すればよい。このために、レンチキュラーレンズ83の各微小レンズの焦点距離をfとすると、f=[M/(M−1)]・aとすればよい。
As shown in FIG. 16, in the present embodiment, the sheet-like
図17は、本実施形態において、表示器20およびシート状光学素子80を示した概略図である。上記のような設定を行えば、図17に示すようにミクロの結像とマクロの結像との位置が一致して、ぼけのない像を得ることができる。
FIG. 17 is a schematic diagram showing the
(第8実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図18は、本実施形態に係るシート状光学素子の概略断面図である。なお、本実施形態で用いられる図において、上記実施形態で用いられた図に示される構成要素に同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、同一符号を付してある。
(Eighth embodiment)
In the present embodiment, only different parts from the first embodiment will be described. FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of the sheet-like optical element according to the present embodiment. In the drawings used in the present embodiment, the same or equivalent parts as those shown in the drawings used in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals in order to simplify the description.
上記実施形態で説明したように、各微小プリズム82により形成されるミクロの結像と隣り合う微小プリズム82によるマクロの結像との結像距離のずれが像のぼけとなる。したがって、ミクロの結像とマクロの結像との位置を一致させれば、マクロの結像位置でのスポットサイズSが最小となる。つまり、ミクロの結像を遠方に拡大すればよい。
As described in the above embodiment, a shift in image formation distance between the micro image formed by each
本実施形態では、図18に示されるように、微小プリズム82において、面A−1を曲面とすることでレンズ効果を持たせた構造になっている。このレンズ効果により、ミクロ結像の結像位置をマクロ結像に一致するようにM倍だけ拡大すればよい。このために、面A−1の焦点距離をfとすると、f=[M/(M−1)]・aとすればよい。
In the present embodiment, as shown in FIG. 18 , the
このようにすれば、図17に示されるように、ミクロの結像とマクロの結像との位置が一致して、ぼけのない像が得られる。なお、微小プリズム82において、レンズ効果を持たせる面は、面A−1に限定されるものではないことは言うまでもない。
In this way, as shown in FIG. 17, the positions of the micro image and the macro image coincide with each other, and an image without blur is obtained. In the
(第9実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図19は、本実施形態に係るシート状光学素子の概略断面図である。なお、本実施形態で用いられる図において、上記実施形態で用いられた図に示される構成要素に同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、同一符号を付してある。
(Ninth embodiment)
In the present embodiment, only different parts from the first embodiment will be described. FIG. 19 is a schematic cross-sectional view of the sheet-like optical element according to the present embodiment. In the drawings used in the present embodiment, the same or equivalent parts as those shown in the drawings used in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals in order to simplify the description.
図19に示されるように、本実施形態では、シート状光学素子80は、地面側の第1シート状光学素子80aと、天井側の第2シート状光学素子80bと、第1、第2シート状光学素子80a、80bに挟まれたフレネルレンズ84と、を備えて構成されている。このように、フレネルレンズ84を用いることで、表示器20上の映像を拡大して表示することができる。特に、シート状光学素子80内部を通過する光が、シート状光学素子80に対して垂直方向に進むと、フレネルレンズ84にも垂直に光が入射するため、収差が抑えられ、良好な画像を得ることができる。
As shown in FIG. 19, in the present embodiment, the sheet-like
(第10実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。上述したように、シート状光学素子80にて光の進行方向を折り曲げると、入出射面方向の光はマクロの結像の位置に拡大される。しかし、シート状光学素子80は、入出射面に垂直な方向に拡大作用を持たないため、非点収差が発生し画質が劣化する。
(10th Embodiment)
In the present embodiment, only different parts from the first embodiment will be described. As described above, when the traveling direction of light is bent by the sheet-like
そこで、本実施形態では、反射鏡30の縦倍率と横倍率とを異なる値とする。反射鏡30において、入出射面方向の倍率を縦倍率とすると、縦倍率を横倍率より小さい値にし、反射鏡30とシート状光学素子80とによる全倍率を縦方向と横方向とに等しくすればよい。なお、このような作用を持たせるために、反射鏡30ではなく、レンズを用いてもよい。
Therefore, in the present embodiment, the vertical magnification and the horizontal magnification of the reflecting
(第11実施形態)
本実施形態では、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図20は、本実施形態に係るシート状光学素子の概略断面図である。図20は、特に車両進行方向に平行な軸、すなわちY軸方向を見たときの図に相当する。なお、本実施形態で用いられる図において、上記実施形態で用いられた図に示される構成要素に同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、同一符号を付してある。
(Eleventh embodiment)
In the present embodiment, only different parts from the first embodiment will be described. FIG. 20 is a schematic cross-sectional view of the sheet-like optical element according to the present embodiment. FIG. 20 corresponds to a view particularly when viewing an axis parallel to the vehicle traveling direction, that is, the Y-axis direction. In the drawings used in the present embodiment, the same or equivalent parts as those shown in the drawings used in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals in order to simplify the description.
本実施形態では、図20に示されるシート状光学素子80において、YZ断面は図16に示されるような構造となっている。なお、図16に示すYZ断面の形状、いわゆるレンチキュラーレンズ構造の効果は、第7実施形態に示した通りである。
In the present embodiment, in the sheet-like
図20に示されるXZ断面の形状は、リニアフレネルレンズ構造になっている。この形状により、XZ断面方向は遠方に結像される。この結像倍率をYZ断面のマクロ結像の倍率に等しくすれば、非点収差を抑制でき、画質劣化を抑制できる。 The XZ cross-sectional shape shown in FIG. 20 has a linear Fresnel lens structure. With this shape, the XZ cross-sectional direction is imaged far away. If this imaging magnification is made equal to the magnification of macro imaging on the YZ section, astigmatism can be suppressed and image quality deterioration can be suppressed.
(他の実施形態)
上記実施形態では、表示装置を車両に搭載してヘッドアップディスプレイとして用いているが、車両以外の場所で表示装置を用いるようにしても良い。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the display device is mounted on a vehicle and used as a head-up display. However, the display device may be used at a place other than the vehicle.
上記実施形態において、シート状光学素子80を防塵カバー40としてもよい。また、微小プリズム82の形状は直線状ではなく曲線状にしてもよい。このようにすれば、シート状光学素子80内で最適な光学条件になるため、画質が向上する場合がある。
In the above embodiment, the sheet-like
上記実施形態において、2枚のプリズムシート81の間にマイクロレンズアレイを設置しても構わない。
In the above embodiment, a microlens array may be installed between the two
10…光学ユニット、20…表示器、60…ウインドシールド、
80…シート状光学素子、81…プリズムシート、82…微小プリズム、
83…レンチキュラーレンズ。
10 ... Optical unit, 20 ... Display, 60 ... Windshield,
80: sheet-like optical element, 81: prism sheet, 82: microprism,
83 ... Lenticular lens.
Claims (11)
前記光学ユニットは、
前記画像の画像光を投射する表示器(20)と、
前記画像を拡大する凹面鏡(30)と、
板状の透明部材であるプリズムシート(81)と、少なくともその表面もしくは前記表面の反対側の面に複数設けられると共に、少なくとも1つの全反射面を含む微小プリズム(82)と、を有するシート状光学素子(80)と、を備え、
前記表示器から投射された前記画像光が前記凹面鏡で反射して前記シート状光学素子に入射する光の入射角Θinが、前記シート状光学素子内を通過して出射される出射角Θoutよりも大きくされており、
前記虚像もしくは前記実像の結像位置が、前記シート状光学素子以外の場所であり、
前記微小プリズムにおいて、入射面に対する光の入射角と出射面に対する光の出射角とが等しいこと、もしくは、前記プリズムシートにおいて、入射面に対する光の入射角と出射面に対する光の出射角が垂直であり、
前記光学ユニットから投射される映像情報が虚像であって、前記プリズムシートの前記微小プリズムに偶数個の全反射面が含まれていること、
もしくは、前記光学ユニットから投射される映像情報が実像であって、前記プリズムシートの前記微小プリズムに奇数個の全反射面が含まれ、
前記複数の微小プリズムのピッチをp、前記シート状光学素子から視認される場所までの光路長をL1とすると、arctan(p/L1)が眼の分解能以下であること、もしくは、前記複数の微小プリズムによる結像スポットのサイズをS、前記結像スポットから視認される場所までの光路長をL2とすると、arctan(S/L2)が眼の分解能以下であり、
少なくとも1つの前記微小プリズム面が曲面であり、
前記表示器上の光点から前記プリズムシート内に設けられた前記微小プリズムまでの距離をaとし、M=cos(Θout)/cos(Θin)とした場合、前記微小プリズムの焦点距離fがf=[M/(M−1)]・aであることを特徴とする表示装置。 A display device having an optical unit (10) for projecting image light of an image, and visually recognizing an image projected from the optical unit as a virtual image or a real image,
The optical unit is
A display (20) for projecting image light of the image;
A concave mirror (30) for magnifying the image;
A sheet-like sheet having a prism sheet (81), which is a plate-like transparent member, and a microprism (82) provided at least on the surface or on the surface opposite to the surface and including at least one total reflection surface An optical element (80),
The incident angle Θin of the light incident on the sheet-like optical element after the image light projected from the display is reflected by the concave mirror is larger than the emission angle Θout emitted through the sheet-like optical element. Has been enlarged,
The imaging position of the virtual image or the real image is a place other than the sheet-like optical element,
In the micro prism, the incident angle of light with respect to the incident surface is equal to the outgoing angle of light with respect to the outgoing surface, or in the prism sheet, the incident angle of light with respect to the incident surface is perpendicular to the outgoing angle of light with respect to the outgoing surface. Yes,
The image information projected from the optical unit is a virtual image, and the micro prisms of the prism sheet include an even number of total reflection surfaces,
Alternatively, the video information projected from the optical unit is a real image, and the micro prisms of the prism sheet include an odd number of total reflection surfaces,
If the pitch of the plurality of minute prisms is p and the optical path length from the sheet-like optical element to the place where it is visually recognized is L1, arctan (p / L1) is less than the resolution of the eye, or the plurality of minute prisms When the size of the imaging spot by the prism is S and the optical path length from the imaging spot to the place where it is visually recognized is L2, arctan (S / L2) is below the eye resolution,
At least one of said micro-prism surface is a curved surface,
The distance from the light spot on said display to said micro prisms provided in the prism sheet is a, when the M = cos (Θout) / cos (Θin), the focal length f of the micro prism f = [M / (M-1)] · a .
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