JP6830182B2 - 画像投写装置 - Google Patents
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Description
以下、図1〜7を用いて、実施の形態1を説明する。
[1−1−1.ヘッドアップディスプレイの全体構成]
本開示のヘッドアップディスプレイ100(画像投写装置の一例)の具体的な実施の形態及び実施例を、図面を参照して、以下、説明する。
以下、図4〜7を用いて、投射光学系120の構成について説明する。
次に、ミラー122について説明する。ミラー122は、レンズ群121よりも車両200の前方方向に位置する。ミラー122は、レンズ群121から出射された光線をウインドシールド220に向けて反射する。ミラー122の反射面は、偏心して配置されている。ここで、ミラー122の反射面は凹面形状である。すなわち、ミラー122は、レンズ群121から入射した光を拡大してウインドシールド220に投射する。これにより、表示デバイス110で表示する画像111を拡大して、観察者Dに虚像Iとして視認させることができる。また、ミラー122は自由曲面形状である。これは反射で生じた虚像のひずみを補正するためである。これにより、観察者Dが視点領域300の全域で良好な虚像Iが見えるようにできる。
次に、図4および図8A〜図11Bを用いて、本開示に係るヘッドアップディスプレイ100の動作について説明する。レンズ群121の内、駆動レンズ121Aは、表示デバイス110との間隔を変化させるように移動する。より詳しくは、観察者Dの視点領域300の中心に到達し、虚像Iの中心に相当する光線を基準光線Lcとしたとき、 駆動レンズ121Aを基準光線Lcの方向に移動させる。これにより、観察者Dから虚像Iまでの距離(視距離)を変化させることができる。図4に示すように、駆動レンズ121Aと表示デバイス110との間隔を縮める方向に移動させる場合、視距離は大きくなる。これは、駆動レンズ121Aと表示デバイス110との間隔を縮める方向に移動させると、投射光学系120の倍率が大きくなるためである。このとき、図8B、図9Aに示すように、観察者Dから虚像Iを見た時の視野角も大きくなる。すなわち、駆動レンズ121Aの移動の前と後とで表示デバイス110に表示する画像111のサイズを一定にした場合、観察者Dから視認される虚像Iの大きさが変化してしまう(図9A参照)。
本開示に係るヘッドアップディスプレイ100は、表示デバイス110(表示デバイスの一例)と、投射光学系120と、を備える。表示デバイス110は、画像を表示する。投射光学系120は、表示デバイス110から光路の順に、レンズ群121と、ミラー122を有し、表示デバイス110に表示された画像を観察者Dに投射する。レンズ群121は、駆動レンズ121Aと、固定レンズ121Bと、を有する。駆動レンズ121Aは基準光線Lcに対して傾けて配置される。駆動レンズ121Aの表示デバイス110側にある入射面は、X軸方向において表示デバイス110側に対し凹面を形成している。また、駆動レンズ121Aの入射面のY軸方向における曲率は、入射面のX軸方向における曲率よりも小さい。
ヘッドアップディスプレイ100の結像光学系は、表示デバイス110が表示する画像である実像(第1の像面)を、ミラー122とレンズ群121、ウインドシールド220を介して観察者Dから視認される虚像I(第2の像面)として結像させる。すなわち、ヘッドアップディスプレイ100の結像光学系は、レンズ群121とミラー122を用いて、ウインドシールド220を介することで、第1の像面と第2の像面を共役関係にしている。ヘッドアップディスプレイ100の基準光線Lc、すなわち、第2の像面の中心に対応する光線は、駆動レンズ121Aと固定レンズ121Bの入射面と出射面とを通る。
実施の形態2のヘッドアップディスプレイ100は、レンズ群121が集光作用を有する駆動レンズ121Aと、発散作用を有する固定レンズ121Bで構成される点において実施の形態1と異なる。以下、図9を用いて実施の形態1と異なる点を中心に説明し、同様の構成についてはその説明を省略する。
図12は、実施の形態2に係るヘッドアップディスプレイ100の投射光学系120の構成を説明するための模式図である。
[2−2.動作]
実施の形態3に係る駆動レンズ121Aは、表示画像111との距離を変化させるように移動する。これにより、観察者Dから虚像Iまでの距離(視距離)を変化させることができる。図12に示すように、駆動レンズ121Aと表示デバイス110との距離を拡げる方向に移動させる場合、視距離は大きくなる。これは、駆動レンズ121Aと表示デバイス110との距離を拡げる方向に移動させると、投射光学系120の倍率が大きくなるためである。
[2−3.効果等]
本開示のヘッドアップディスプレイ100によれば、駆動レンズ121Aを備えているため、虚像Iの視距離を変化させることが可能である。
以下、本開示のヘッドアップディスプレイ100が満足することが望ましい条件を説明する。なお、各実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ100に対して、複数の好ましい条件が規定されるが、これら複数の条件すべてを満足する構成が最も望ましい。しかしながら、個別の条件を満足することにより、それぞれ対応する効果を奏する光学系を得ることも可能である。
ここで、
ΔD:1/Z1−1/Z2 (dioptor)
Z1:駆動レンズの移動前の虚像Iの視距離(m)
Z2:駆動レンズの移動後の虚像Iの視距離(m)
ΔL:駆動レンズの移動量(m)
である。
条件(1)’の上限を上回ると、駆動レンズ121Aのパワーが強くなり、駆動レンズ121Aが移動したときの偏心像面湾曲の変動を抑制することが困難となる。
また、以下の条件(1)’ ’ ’を満足することにより前記効果をさらに奏功させることが出来る。
また、以下の条件(1)’ ’ ’ ’を満足することにより前記効果をさらに奏功させることが出来る。
本開示のヘッドアップディスプレイ100は、以下の条件(2)を満足するとこが望ましい。
ここで、
βF:最短の視距離における駆動レンズの横倍率
βR:最短の視距離における駆動レンズと表示デバイスとの間に配置されるレンズ群の横倍率
である。
また、以下の条件(2)’ ’を満足することにより前記効果をさらに奏功させることが出来る。
本開示のヘッドアップディスプレイ100は、以下の条件(3)を満足するとこが望ましい。
ここで、
ΔM:表示デバイスの表示領域における表示画像の移動量[m]
である。
条件(3)’の下限を下回ると、駆動レンズ121Aの移動量を小さくするために駆動レンズ121Aのパワーを大きくする必要があり、駆動レンズ121Aが駆動したときの偏心像面湾曲の変動を抑制することが困難となる。
また、以下の条件(3)’ ’ ’を満足することにより前記効果をさらに奏功させることが出来る。
本開示のヘッドアップディスプレイ100は、以下の条件(4)を満足するとこが望ましい。
ここで、
ΔN:X1/X2
X1:駆動レンズの移動前における表示デバイスの表示領域に表示する画像の横サイズ
X2:駆動レンズの移動後における表示デバイスの表示領域に表示する画像の横サイズ
条件(4)は虚像を移動したときに、移動後の虚像の視野角を一定とするために必要な表示デバイスに表示する画像のサイズ調整を規定する条件である。条件(4)の上限を上回ると、表示デバイス110に表示する画像111の解像度が低くなり、観察者Dに良好な虚像Iを視認させることが困難となる。
また、以下の条件(4)’ ’を満足することにより、前記効果をさらに奏功させることができる。
本開示のヘッドアップディスプレイ100は、駆動レンズ121Aを移動させて虚像Iの視距離を変化させるとき、駆動レンズ121Aの移動に応じて表示デバイス110に表示する画像111の形状を歪ませることが望ましい。こうすることで、駆動レンズ121Aが移動したときに発生する偏心歪曲を電子的に補正することが出来る。
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態1〜2を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態1〜2で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
以下、実施の形態1、2に係るヘッドアップディスプレイを具体的に実施した数値実施例1、2を説明する。なお各数値実施例において、各データの長さの単位はすべて「mm」であり、角度の単位はすべて「°」である。また、各数値実施例において、自由曲面は次式で定義している。
数値実施例1は、実施の形態1のヘッドアップディスプレイで構成される。虚像Iの移動前における投射光学系120の偏心データを図13に、移動後における偏心データを図14に示す。投射光学系120の各面の曲率半径を図15に示す。投射光学系120の各面の多項式自由曲面の係数を図16〜図18に示す。
数値実施例2は、実施の形態2のヘッドアップディスプレイで構成される。虚像Iの移動前における投射光学系120の偏心データを図19に、移動後における偏心データを図20に示す。投射光学系120の各面の曲率半径を図21に示す。投射光学系120の各面の多項式自由曲面の係数を図22〜図24に示す。
110 表示デバイス
111 画像
120 投射光学系
121 レンズ群
121A 駆動レンズ
121B 固定レンズ
122 ミラー
130 レンズ駆動部
140 ミラー駆動部
170 カメラ
200 車両
210 ダッシュボード
211 開口部
220 ウインドシールド(反射部材)
300 視点領域
D 観察者
I 虚像
Lc 基準光線
Lo 基準外側光線
Li 基準内側光線
Claims (4)
- 透過性を有する反射部材に画像を投写して観察者に虚像を視認させる画像投写装置であって、
画像を表示する表示デバイスと、
少なくとも1枚のレンズ素子を含むレンズ群を有し、前記表示デバイスに表示された前記画像を前記反射部材に投写する投写光学系と、を備え、
前記観察者の視点領域の中心に到達し、前記虚像の中心に相当する光線を基準光線としたとき、
前記レンズ群は、前記表示デバイスとの距離を変化させるように光路の方向に移動する駆動レンズを有し、かつ、前記基準光線に対して傾けて配置され、
前記表示デバイスは、前記駆動レンズの移動量に応じて、前記駆動レンズの移動の前と後とで前記観察者が前記虚像を視認するときの俯角を一定にするように、前記表示デバイスの表示領域における前記画像を表示する位置を変更する、
画像投写装置。 - 前記表示デバイスは、前記駆動レンズと前記表示デバイスとの距離が小さいほど、前記表示デバイスの前記表示領域に表示する前記画像のサイズを小さくする、
請求項1に記載の画像投写装置。 - 前記駆動レンズの入射面は、前記基準光線上において、前記表示デバイス側の面とし、前記駆動レンズの出射面は、前記入射面と反対側の面とし、
前記基準光線と前記入射面との交点を原点とし、
前記観察者の前記視点領域の中心に到達し、前記観察者から見て前記虚像の左側端に相当する光線を基準外側光線とし、
前記原点における前記入射面の接平面と前記基準外側光線との交点と、前記原点と、を含む直線の方向をX軸方向とし、
前記接平面において、前記X軸方向に対して垂直な方向をY軸方向としたとき、
前記入射面は、前記X軸方向において前記表示デバイス側に対し凹面であり、
前記入射面の前記Y軸方向における曲率は、前記入射面の前記X軸方向における曲率よりも小さい、
請求項1または2のいずれかに記載の画像投写装置。 - 前記投写光学系は、前記レンズ群の出射光を前記反射部材に反射するミラーを有する、
請求項1から3のいずれかに記載の画像投写装置。
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