JP6427085B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置などの表示装置に関するものである。

自動車用のヘッドアップディスプレイは、ダッシュボード側からフロントウィンドウのシールドガラスに向けて映像を投影し、運転者の視界の前方に虚像として各種の情報を表示させるものであり、近年、様々なタイプの製品が実用化されている。一般的なヘッドアップディスプレイでは、デフューザ（拡散板）などのスクリーンに結像された中間像を投影光学系（拡大ミラーなど）によってフロントウィンドウのガラス（フロントガラス）に投影する。従って、投影光学系の位置が固定されている場合でも、中間像が結像されるスクリーンの位置を変えることによって、運転者に見える虚像の前後方向の位置を変えることができる。

特許文献１に記載されるヘッドアップディスプレイでは、３つの表示板にそれぞれ中間像が表示され、バックライト光源の光が上方の表示板に到達して出射光がコンバイナに入射するような構成となっている。表示板はコンバイナからの距離が異なるため、表示板の中間像に対応する３つの虚像は、運転者から見て前後方向の位置が異なるように見える。

特開２００４−１６８２３０号公報

複数の虚像をそれぞれ異なる位置に表示させる場合、各虚像に対応する中間像のコンバイナへの距離をそれぞれ変えなければならないため、特許文献１の場合では、中間像を表示する表示板の位置をそれぞれ変えるために、各中間像用に表示板を３つそれぞれ用意している。複数の液晶表示装置を用意しなければならないことから、高コストになるとともに、液晶表示装置の位置をそれぞれ最適な位置に配置しなければならないことから、組み立ても煩雑になるという問題があった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、前後位置の異なる複数の虚像を表示することができる画像表示装置を提供することにある。

本発明に係る画像表示装置は、第１の中間像及び第２の中間像を生成する中間像生成部と、第１のスクリーンと、第２のスクリーンと、前記第１の中間像を前記第１のスクリーンに結像し、前記第２の中間像を前記第２のスクリーンに結像する結像レンズと、前記中間像生成部と前記結像レンズとの間に設けられ、前記第２の中間像の光線が通過する平行平板プリズムと、を有し、前記結像レンズと前記第１のスクリーンとの間の第１の距離と、前記結像レンズと前記第２のスクリーンとの間の第２の距離が異なる。

この構成によれば、第１の中間像及び第２の中間像等の複数の中間像を生成し、結像レンズからの位置がそれぞれ異なる第１のスクリーン及び第２のスクリーンに結像させることで、像を見る者にとって前後位置が異なる虚像を表示する場合でも、第２の中間像の仮想的な前後位置を、平行平板プリズムを用いることで調節することができる。したがって、複数の中間像に対して別々の表示装置を用意しなくてもよくなり、コストの上昇を低減できる。

好適には、前記中間像生成部に平行光を照射する光源をさらに備え、前記中間像生成部は、入射する平行光を基に前記中間像生成部から前記第１の中間像及び前記第２の中間像を形成する光線を出射する。

この構成によれば、中間生成部が光の透過により画像を表示する構成の場合にも、光源により第１の中間像及び第２の中間像を形成することができる。これらの構成と平行平板プリズムを組み合わせることにより、像を見る者にとって前後位置が異なる虚像を表示する構成を低コストで提供することができる。

好適には、前記平行平板プリズムは、前記中間像生成部のうちの前記第２の中間像の位置を、前記結像レンズに対して覆うように配置される。

この構成によれば、第２の中間像の光線が出射された後、平行平板プリズムを通過させることができるので、平行平板プリズムを通過した第２の中間像の光線の側からの第２の中間像の仮想的な位置が、平行平板プリズムの側に移動し、結像レンズによる結像位置を遠くにすることができる。それにより、像を見る者にとって前後位置が異なる虚像を表示する構成を低コストで提供することができる。

好適には、前記平行平板プリズムは、前記第２の中間像の光線の入射面と出射面がいずれも平面であり、前記入射面と前記出射面が平行である。

この構成によれば、第２の中間像の光線が平行平板プリズムに入射する前と出射した後でいずれも方向を保たせるとともに、屈折による迂回を生じさせることで第２の中間像の仮想的な位置を、平行平板プリズムの側に移動し、結像レンズによる結像位置を遠くにすることができる。それにより、像を見る者にとって前後位置が異なる虚像を表示する構成を低コストで提供することができる。

好適には、前記第１のスクリーンは、前記結像レンズから出射された前記第１の中間像の光線を拡散光として出射する拡散板であり、前記第２のスクリーンは、前記結像レンズから出射された前記第２の中間像の光線を拡散光として出射する拡散板である。

この構成によれば、結像レンズから出射された光線を拡散光として出射することにより、結像位置の異なる複数の画像も含めて、像を見る者にとって前後位置が異なる虚像を表示する構成を低コストで提供することができる。

好適には、前記中間像生成部は、書き込み情報によって前記平行光の成分の空間分布を変調することにより、前記平行光から前記第１の中間像及び前記第２の中間像を生成する。

この構成によれば、空間分布の変調により中間像を生成することができるので、像を見る者にとって前後位置が異なる虚像の元となる中間像を低コストで提供することができる。

本発明によれば、前後位置の異なる複数の虚像を表示することができる画像表示装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る画像表示装置の構成を説明する図である。 本発明の実施の形態に係るプリズムによる光の屈折と結像位置の関係を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る虚像を投射する光学系を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る画像表示のための構成を説明する図である。

図１は、本発明の実施の形態に係る画像表示装置の構成を説明する図である。光源１００は、平行光又はほぼ平行となる光を照射する平行光源であり、レーザ光源１１０及びコリメータレンズ１２０を備える。レーザ光源１１０は、インコヒーレントな光源からスペシャルフィルタを通して空間コヒーレンシを高めた光を照射する。コリメータレンズ１２０は、レーザ光源１１０からの光を屈折により平行光とすることで、光源１００から平行光を照射する。それにより、光源１００は、中間像生成部２００に平行光を２次元的に照射する。

中間像生成部２００は、光源１００から照射された平行光を受光する。中間像生成部２００は、入射する平行光を基に第１の中間像２０３及び第２の中間像２０４を形成する光線を出射する。中間像生成部２００は、２次元空間光変調器（ＳＬＭ、Spatial Light Modulator）であり、入射してきた２次元のインコヒーレントな光を２次元のコヒーレント光に変換することにより、光情報を並列に表示する表示デバイスである。中間像生成部２００は、書き込み情報によって平行光の成分の空間分布を変調することにより、平行光から第１の中間像２０３及び第２の中間像２０４を生成する。

空間光変調器（ＳＬＭ）は、「光変調素子」と呼ばれる微小素子を２次元的に複数並べたものであり、光源１００からの光の振幅、位相、偏光などの空間的な分布を電気的に制御することにより、光を変化（変調）させる。言い換えると、空間的・時間的に振幅変調、位相変調、または偏光を変調するために使用される。空間光変調器は透過型（ＬＣ）又は反射型（ＬＣＯＳ）液晶マイクロディスプレイ等があり、本実施の形態では透過型を用いるものとして説明するが、ＤＭＤ、ＬＣＯＳ等の反射型ＳＬＭにも同様に適用することができる。空間光変調器における液晶は、光学的及び電気的な不均一度を基に使用される。

また、空間光変調器の代わりにＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイを用いてもよい。ＥＬディスプレイとは、電圧をかけると発光する物質を利用し、発光体をガラス基板に蒸着し、基板にかける電圧を制御して表示を行うディスプレイである。ＥＬの場合は、ＥＬ自体が発光するものであるから、光源１００は不要となる。また空間光変調器がそれ自体発光機能を有するものであれば、この場合も光源１００は不要となる。

空間光変調器としての中間像生成部２００は、２次元または１次元の読み出し光の位相・偏波面・振幅・強度・伝播方向の分布を、書き込み情報によって変調させる。中間像生成部２００は、アドレス部と光変調部から構成される。中間像生成部２００は、書き込み情報により光変調部の光学的特性を変化させ、その変化に応じて読み出し光が変調され、書き込み情報を反映した出力光を得ることができる表示デバイスである。中間像生成部２００は、情報を光学系により直接書き込む光アドレス型と、電気信号により書き込む電気アドレス型に分けられ、アドレス部と光変調部の材料によって細分される。

中間像生成部２００は、第１の領域と第２の領域に分かれ、第１の領域に第１の中間像２０３を表示し、第２の領域に中間像２０４を表示する。中間像生成部２００のうち上半分が第１の領域であり、下半分が第２の領域であるものとして示すが、領域の分割は半分ずつにする必要はなく、分割比率は必要に応じた大きさとする。第１の中間像２０３に基づく虚像は手前に、第２の中間像２０４に基づく虚像は遠くに表示されるので、より多くの情報を表示したい位置に応じて第１の領域と第２の領域の分割比率を設定する。

結像レンズ２１０は、中間像生成部２００で生成された中間像を直接的又は間接的に受光し、投影画像として射出する投影レンズである。結像レンズ２１０は両凸正レンズであり、結像レンズ２１０に入射した第１の中間像２０３及び第２の中間像２０４の光をそれぞれ拡大して射出する。その結果、結像レンズ２１０は、第１の中間像２０３を第１のスクリーン２３０に結像し、第２の中間像２０４を第２のスクリーン２４０に結像する。

第１のスクリーン２３０は第１の中間像２０３を結像させるための面であり、第２のスクリーン２４０は、第２の中間像２０４を結像させるための面であり、それぞれ例えばスペックル雑音を低減するための拡散板（ディフューザ）を用いて構成される。つまり、第１のスクリーン２３０は、結像レンズ２１０から出射された第１の中間像２０３の光線を拡散光として出射する拡散板であり、第２のスクリーン２４０は、結像レンズ２１０から出射された第２の中間像２０４の光線を拡散光として出射する拡散板である。

第２のスクリーン２４０は、第１のスクリーン２３０に比べて反射面２１から離れた場所に位置するとともに、第１のスクリーン２３０に比べて投影光学系４００の近くに位置する。つまり、結像レンズ２１０と第１のスクリーン２３０との間の第１の距離と、結像レンズ２１０と第２のスクリーン２４０との間の第２の距離が異なる。第１の距離は、結像レンズ２１０において第１の中間像２０３が通過する位置から、第１の中間像２０３の光が第１のスクリーン２３０に到達するまでの距離とし、第２の距離は、結像レンズ２１０において第２の中間像２０４が通過する位置から、第２の中間像２０４が第２のスクリーン２４０に到達するまでの距離とする。なお、開始点は光線の通過位置に関わらず共通としてもよく、例えば結像レンズ２１０から起算し、第１のスクリーン２３０及び第２のスクリーン２４０までの各距離としてもよい。終点についても第１のスクリーン２３０及び第２のスクリーン２４０の各中心位置としてもよい。いずれにしても、第１の距離と第２の距離が異なるように、第１のスクリーン２３０及び第２のスクリーン２４０が配置される。

平行平板プリズム３００は、中間像生成部２００と前記結像レンズ２１０との間に設けられ、第２の中間像２０４の光線が通過する。平行平板プリズム３００は、中間像生成部２００のうちの第２の中間像２０４の位置を、結像レンズ２１０に対して覆うように配置される。平行平板プリズム３００は、第２の中間像２０４の光線の入射面と出射面がいずれも平面であり、入射面と出射面が平行である。本実施の形態では、平行平板プリズム３００を結像レンズ２１０の入射側に配置した場合の例を説明するが、平行平板プリズム３００を結像レンズ２１０の出射側に配置してもよい。

第２の中間像２０４の本来のオブジェクトの位置は、中間像生成部２００上であるが、平行平板プリズム３００を挿入することにより、見かけ上のオブジェクトの位置は、仮想位置３０５に移動する。見かけ上のオブジェクトの位置が仮想位置３０５に移動することにより、仮想位置３０５からの結像レンズ２１０までの距離は、中間像生成部２００上からよりも短くなるので、倍率が大きくなり、結像位置も遠くになる。このプリズムと結像位置の関係を図３を参照することにより説明する。

図２は、本発明の実施の形態に係るプリズムによる光の屈折と結像位置の関係を説明する図である。図３では、第２の中間像２０４と結像レンズ２１０の間に挿入される平行平板プリズム３００を拡大して示す。平行平板プリズム３００は、厚みｔであり、１以上の屈折率ｎを持つ。点Ｏから角度θ１を形成する光は、平行平板プリズム３００に入射した後Ａ,Ｂを通り、平行平板プリズム３００から角度θ１で射出される。ＯＡに平行な線をＯ’Ｂとすると、Ｏからの出射光ＯＡが見かけ上Ｏ’からの出射光Ｏ’Ｂになる。中間像生成部２００上にあるオブジェクトの位置Ｏは、見かけ上、仮想位置３０５上にあるＯ’に移動することになる。出射位置の短縮距離はＯＯ’＝Δｚ＝ｔ（１−１/ｎ）で表される。

中間像生成部２００の下側半分である第２の領域にある、中間像２０４のは平行平板プリズム４によって、中間像生成部２００からΔｚだけ結像レンズ寄りに近い位置に現れる。この位置が仮想位置３０５である。結像レンズ２１０のオブジェクト側の距離がｔ＝０のときと較べて短くなるため、倍率が大きくなり結像位置も遠くになる。ｔ＝０のときと較べると、ｔ≠０のとき倍率が大きくなり結像レンズから遠い位置に結像する。

結像位置にある第１のスクリーン２３０は、第２のスクリーン２４０よりも投影光学系に対し近い位置となり、第２の中間像２０４は、運転者前方のより近い距離に虚像が投影される。したがって、平行平板プリズムの屈折率nと厚さtを適当に設定する事で虚像の投影距離を設定することができる。他の中間像生成部２００上の領域に関して平行平板プリズムのｎ,ｔを各々設定すれば、各々の適当な投影距離に虚像が表示される。

図３は、本発明の実施の形態に係る虚像を投射する光学系を説明する図である。第１のスクリーン２３０に結像された第１の中間像２０３と、第２のスクリーン２４０に結像された第２の中間像２０４の光は、第１のスクリーン２３０及び第２のスクリーン２４０でそれぞれ反射又は透過された後、投影光学系４００に到達する。

投影光学系４００は、第１のスクリーン２３０及び第２のスクリーン２４０に結像される第１の中間像２０３及び第２の中間像２０４に応じた画像を投影する。投影光学系４００は凹型の反射ミラーであり、フロントガラス等の投影面４１０に第１の中間像２０３及び第２の中間像２０４の光を入射する。投影面４１０はコンバイナであり、運転者から見て投影面４１０の反対側に虚像４３０、４４０を投影する。投影光学系４００から近い位置にあるスクリーン２３０の中間像は、運転者から近い位置に見える虚像４３０となり、投影光学系４００から遠い位置にあるスクリーン２４０の中間像は、運転者から遠い位置に見える虚像４４０となる。

図４は、本発明の実施の形態に係る画像表示のための構成を説明する図である。上述の通り、中間像生成部２００に第１の中間像２０３及び第２の中間像２０４を表示するが、この中間像生成部２００と、これに光を照射する光源１００は、表示制御回路５００によって制御される。表示制御回路５００は、表示装置の全体的な動作の制御を行う装置であり、例えば記憶部に格納されるプログラムに基づいてＣＰＵ等のプロセッサにより処理を実行するコンピュータから構成される。表示制御回路５００は、中間像生成部２００において所望となる第１の中間像２０３及び第２の中間像２０４が得られるように、中間像生成部２００の変調制御による各色の光強度の制御と、光源１００から出射される光線の走査の制御を行う。表示制御回路５００により表示制御を行う画像は、ナビゲーション装置５１０から入力される。例えば、車速は手前側に表示し、右左折の指示矢印のようなナビゲーション情報は奥側に表示するように表示制御回路５００に入力する。

以上のように構成することにより、第１の中間像２０３及び第２の中間像２０４等の複数の中間像を生成し、結像レンズ２１０からの位置がそれぞれ異なる第１のスクリーン２３０及び第２のスクリーン２４０に結像させることで、像を見る者にとって前後位置が異なる虚像を表示する場合でも、第２の中間像２０４の前後位置を、平行平板プリズム３００を用いることで調節することができる。

つまり平行平面プリズム３００を配置することにより、見かけ上のオブジェクト位置が光の進行方向に移動するため、結像点をずらすことができ、鮮明な画像を表示することができる。それぞれの中間像生成部２００を結像レンズまでの距離を等距離の位置に配置すればよいので、中間像生成部２００の調整が簡易である。また、複数の中間像に対して別々の表示装置を用意しなくてもよくなり、コストの上昇を低減することができる。

また、虚像の位置によって光学系の配置を調節するのは煩雑であり、複数の表示装置を用いた場合に、その度に各表示装置の位置関係を光学系全体のバランスを考慮しながら正確に調整するのは難しい問題があったが、本実施の形態では、結像レンズ２１０から見た中間像の位置が見かけ上、Δｚ＝ｔ（１−１/ｎ）結像レンズに近づき、結像点（共役点）の倍率が大きくなる。したがって、平行平板プリズム３００の屈折率ｎと厚さｔを適当に設定する事で虚像の投影距離を設定することができ、各々の適当な投影距離に虚像を表示することができる。このとき、結像点（共役点）に第１のスクリーン２３０及び第２のスクリーン２４０を設置する。厚さｔ＝０のときに較べて、ｔ≠０のとき結像倍率が大きくなるので、ｔ＝０と較べて近い距離に虚像が投影される。そして、１枚のＳＬＭの領域を分割することで、各々に適当なｔ、ｎの平行平板プリズム３００を設置し、領域毎に異なる距離に虚像を投影できる。

本発明は上述した実施形態には限定されない。すなわち、当業者は、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し、様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

例えば、上述した実施形態では、第２の中間像２０４に対応する光路上にのみ平行平板プリズム３００を配置した場合を例示したが、請求項１の発明の概念を超えない範囲で、第１の中間像２０３に対応する光路上にも平行平板プリズムを配置してもよい。
また、上述した実施形態では、運転者から遠近２か所に見える虚像を表示する場合を例示したが、スクリーンを３つ以上にすることで、遠近３か所以上の位置に虚像を表示してもよい。

以上のように、本発明に係る表示装置は、車両用のヘッドアップディスプレイ装置に有用であり、複数の表示位置に異なる画像を表示することに適している。

１００…光源
１１０…レーザ光源
１２０…コリメータレンズ
２００…中間像生成部
２０３…第１の中間像
２０４…第２の中間像
２１０…結像レンズ
２３０…第１のスクリーン
２４０…第２のスクリーン
３００…平行平板プリズム
３０５…仮想位置
４００…投影光学系
４１０…投影面
４３０、４４０…虚像
５００…表示制御回路
５１０…ナビゲーション装置

Claims (6)

1. 第１の中間像及び第２の中間像を生成する中間像生成部と、
   第１のスクリーンと、
   第２のスクリーンと、
   前記第１の中間像を前記第１のスクリーンに結像し、前記第２の中間像を前記第２のスクリーンに結像する結像レンズと、
   前記中間像生成部と前記結像レンズとの間に設けられ、前記第２の中間像の光線が通過する平行平板プリズムと、
   を有し、
   前記結像レンズと前記第１のスクリーンとの間の第１の距離と、前記結像レンズと前記第２のスクリーンとの間の第２の距離が異なる、
   画像表示装置。
2. 前記中間像生成部に平行光を照射する光源をさらに備え、
   前記中間像生成部は、入射する平行光を基に前記中間像生成部から前記第１の中間像及び前記第２の中間像を形成する光線を出射する、
   請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記平行平板プリズムは、前記中間像生成部のうちの前記第２の中間像の位置を、前記結像レンズに対して覆うように配置される、
   請求項１又は請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記平行平板プリズムは、
   前記第２の中間像の光線の入射面と出射面がいずれも平面であり、
   前記入射面と前記出射面が平行である、
   請求項１〜請求項３のいずれかに記載の画像表示装置。
5. 前記第１のスクリーンは、前記結像レンズから出射された前記第１の中間像の光線を拡散光として出射する拡散板であり、前記第２のスクリーンは、前記結像レンズから出射された前記第２の中間像の光線を拡散光として出射する拡散板である、
   請求項１〜請求項４のいずれかに記載の画像表示装置。
6. 前記中間像生成部は、書き込み情報によって前記平行光の成分の空間分布を変調することにより、前記平行光から前記第１の中間像及び前記第２の中間像を生成する、
   請求項２〜請求項５のいずれかに記載の画像表示装置。
   
   
   

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