JP2011227281A - Transmission type display device - Google Patents
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Images
Abstract
Description
本発明は、透過型の表示部から見える外界の景色に映像を重ねて表示し、外界の景色に含まれる所定の外界の物体に照準映像を重ねて操作することにより、予め登録されている自律動作をさせるように指示することができる透過型表示装置に関する。 The present invention superimposes and displays an image on an external scene that can be seen from a transmissive display unit, and operates by superimposing an aiming image on a predetermined external object included in the external scene. The present invention relates to a transmissive display device that can be instructed to operate.
動車などの車両を運転するドライバーは、運転中に車外の状況の把握、車両の表示装置の情報の読み取りおよび運転操作等を、安全かつ迅速に行うことが要求されるので、ドライバーの視点移動の範囲が運転中の車外の状況の把握に必要な範囲内で車両の表示装置の情報が読み取れることが望ましい。したがって、例えば車両のフロントガラスなどの透明板の一部に光を照射することなどにより文字または画像を表示する画像表示装置の実現などが期待されている。 Drivers who drive vehicles such as moving vehicles are required to perform safe and quick operations such as understanding the conditions outside the vehicle, reading information on the display device of the vehicle, and driving operations. It is desirable that the information on the display device of the vehicle can be read within the range necessary for grasping the situation outside the vehicle while driving. Therefore, for example, realization of an image display device that displays characters or images by irradiating light to a part of a transparent plate such as a windshield of a vehicle is expected.
このような透過型の表示装置として、自動車のフロントガラスに運転情報を表示するヘッドアップディスプレイ(Head-UP Display。以下、HUD)、眼鏡のレンズ部分に情報を表示するヘッドマウントディスプレイ(Head-Mounted Display。以下、HMD)などが上げられる。このような透過型の装置を用いると、ドライバーは外界を視認しながら同時に、運転に関する情報(例えば地図やスピードメータ)を見ることができるため、ドライバーがより安全に運転を行うことができると期待されている。 As such a transmissive display device, a head-up display (HUD) that displays driving information on the windshield of an automobile, a head-mounted display (Head-Mounted) that displays information on the lens part of the glasses Display, hereinafter referred to as HMD). If such a transmission type device is used, the driver can see driving information (for example, a map and a speedometer) at the same time while visually recognizing the outside world, so the driver is expected to be able to drive more safely. Has been.
従来のHUDとしては、フロントガラスに虚像を投影するものがあった(例えば、特許文献1)。図1は、前記特許文献1に記載された従来のHUDを示すものである。この例ではフロントガラス部分に、透過性の高いホログラムコンバイナを用いることで外界の透過率を高め、かつ、表示像の輝度を上げることが出来るとしている。 As a conventional HUD, there is one that projects a virtual image on a windshield (for example, Patent Document 1). FIG. 1 shows a conventional HUD described in Patent Document 1. In this example, the use of a highly transmissive hologram combiner for the windshield portion increases the external transmittance and increases the brightness of the display image.
図1において、101はHUDが搭載されている車体である。102はダッシュボード内部に格納されたHUD光学ユニットであり、内部に表示素子103、偏向手段104を含む。表示素子103は、例えば液晶素子および光源からなり、ドライバー108に表示すべき情報を表示する。表示素子103で表示される表示光は、偏向手段104に向かって投影される。偏向手段104はミラーなどで構成され、表示素子103からの表示光を、フロントガラス107に備え付けられたコンバイナ106に向けて偏向する。偏向手段104によって偏向された表示光は、HUD光学ユニット102の開口部105を通過して、フロントガラス107の表面に形成されたコンバイナ106に投影される。コンバイナ106は、HUD光学ユニット102からの表示光をドライバー108に向けて偏向する。ドライバー108は、コンバイナ106によって反射された表示光をみることで、運転に関する情報を視認することが可能になる。アイボックス109はドライバー108が頭を動かしたときに映像が見える範囲を示し、ドライバー108の眼がアイボックス109内にある場合に、表示光はドライバー108の網膜に届き、ドライバー108は映像を視認することができる。また、コンバイナ106は、HUD光学ユニット102からの表示光を反射すると同時に、フロントガラスの外部(外界)からの光を透過する性能を持つ。このコンバイナの性能によって、ドライバー108は、表示素子103が表示する情報と一緒に、フロントガラス外の外界の光景を見ることができる。このようにHUDでは、ドライバー108が外界から視線を逸らさずに表示素子からの情報を見ることができるため、ドライバーは視線を動かす必要が少なくなり、運転時の安全性が向上するとされている。また従来例1では、コンバイナ106にホログラムコンバイナが用いられている。ホログラムコンバイナは高い波長選択性をもち、例えば表示素子で用いられている波長のみを反射し、それ以外の波長の光を透過させることで、表示素子からの光を高い輝度で反射させ、外界からの光を高い透過率で透過することが可能になるとされている。また特許文献1においては、偏向手段104を凹面ミラーとすることで、コンバイナ106の曲率によって発生する画像の歪みを補正することが提案されている。
In FIG. 1,
しかしながら、このようなフロントガラスにホログラムコンバイナを取り付けることでドライバーに対して表示を行うHUDにおいては、表示手段からの表示光がホログラムコンバイナの他に、フロントガラス自身でも反射してしまい、その結果、ドライバーはホログラムコンバイナによって回折された表示光と、フロントガラス自身によって反射された表示光の二つの像を見ることになる。この例を図2に示す。図2では、フロントガラスを構成する二枚のガラス202と203の間に、ホログラムコンバイナ201が設置されている。このホログラムコンバイナ201に対して入射する表示光204は、図2において図示されるように、前ガラス202および後ガラス203によっても反射され、二つの反射光206、207を発生させる。その結果、表示光204の光はドライバーに対して、ホログラムによる回折光205、ガラスによる反射光206、207の三種類に分かれて視認されることになり、その結果、表示素子が表示する表示光は二重、三重にぼやけてドライバーに視認されてしまうことになる。以後、本明細書においては、ホログラムコンバイナによる回折光と、ガラスによる反射光が同時にドライバーに視認されてしまう問題を表面反射問題と呼ぶ。
However, in a HUD that displays to the driver by attaching a hologram combiner to such a windshield, the display light from the display means is reflected by the windshield itself in addition to the hologram combiner, and as a result, The driver sees two images: display light diffracted by the hologram combiner and display light reflected by the windshield itself. An example of this is shown in FIG. In FIG. 2, a
この表面反射問題に対処するために、偏光の特性を利用することが提案されている(例えば、特許文献2)。偏光を利用した表面反射問題に対する対策の例を図3に示す。図3の例では、ホログラムコンバイナ201とフロントガラスを構成する二枚のガラス202、203の間に、1/2波長板301、302が配置されている。また表示光303はP偏光成分で構成され、ホログラムコンバイナ201に対して入射される。この時、表示光303が前ガラス302に入射する角度306は、P偏光の反射率が低くなるようにガラスのブリュースター角に等しくなるように設定されている。そのためP偏光された表示光303は、前ガラス302で反射光を発生させない。また、表示光303はホログラムコンバイナ201に入射する前に1/2波長板302を通過することで、S偏光された光に変換され、ホログラムコンバイナ201に対してはS偏光で入射する。一般に体積ホログラムなどで構成されるホログラムコンバイナでは、P偏光よりもS偏光の光に対して高い回折効率を持つため、ホログラムコンバイナ201は、表示光303を高い回折効率で回折し、回折光305を発生させる。回折光305は、再度1/2波長板302を通過し、P偏光に偏光された後に、前ガラス202を通過して、ドライバーに視認される。また入射光303のうち、ホログラムコンバイナ201で回折されず、ホログラムコンバイナ201を通過した光は、1/2波長板301を通過し、再度P偏光されてから裏ガラス203に入射する。この時、P偏光された表示光が、裏ガラスに入射する角度は、前ガラス202に表示光303が入射した際の入射角306と同じく、ブリュースター角に近い角度に設定されているため、表示光303は裏ガラス203で反射を起すことなく、透過光304として、裏ガラス203を透過し、ドライバーには視認されない。このように表示光に偏光を利用することで、ガラスでの反射光の発生を防ぎ、ドライバーに対してホログラムコンバイナによる回折光のみを視認させることが可能になる。
In order to deal with this surface reflection problem, it has been proposed to use the characteristics of polarized light (for example, Patent Document 2). An example of countermeasures against the surface reflection problem using polarized light is shown in FIG. In the example of FIG. 3, half-wave plates 301 and 302 are disposed between the
また、表面反射問題に対する別の方法として、ホログラムコンバイナによる回折光の方向と、ガラスによる表面反射光の方向を異なる値に設定する方法が挙げられる。この例を図8に示す。 Further, as another method for the surface reflection problem, there is a method in which the direction of the diffracted light by the hologram combiner and the direction of the surface reflected light by the glass are set to different values. An example of this is shown in FIG.
図8の例では、ホログラムコンバイナ201は入射角306で入射された光に対して、回折光802が回折角804で出射するように光学性能が設計されている。この時、裏ガラス203によって発生する反射光803は入射角306と大きさの等しい出射角805でフロントガラスから出射される。この時、回折角804が出射角805に対して充分に大きい値をもつように設計されていると、図8に示されるようにドライバーが表示像を視認するアイボックス内には、ホログラムコンバイナによる回折光802のみが入射し、ガラスによる反射光803をドライバーに視認させないようにすることができる。ガラスによる反射光の方向と、ホログラムコンバイナによる回折光の方向を変更する方法は、既に提案されている(例えば、特許文献3)。
In the example of FIG. 8, the optical performance of the
しかしながら、ホログラムコンバイナへの入射角・出射角を定める際には、表示に使用する光源の波長幅を考慮することが必要になる。 However, when determining the incident angle and the outgoing angle to the hologram combiner, it is necessary to consider the wavelength width of the light source used for display.
表面反射問題に対策するために、回折角と出射角に大きく差をつける場合、ホログラムコンバイナによって像ボケ(色収差)が大きく発生する。ここで像ボケとは、ホログラムコンバイナの設計波長とことなる波長の光がホログラムコンバイナに入射した場合に、設計波長とは異なる方向に入射光が回折してしまう現象を指す。ホログラムコンバイナが光源の中心波長で設計されていた場合、光源の波長幅が大きいほど、ホログラムコンバイナに対しては設計波長から外れた波長の光が入射することになり、結果として設計した回折角度からは異なる方向に光源からの光が回折してしまうことになる。ホログラムコンバイナの入射角と回折角の差が大きいほど、このホログラムコンバイナによる像ボケの影響は大きくなる。従って、光源波長幅が大きい場合には、表面反射問題への対策のために、ホログラムコンバイナの入射角と回折角の差を大きくしてしまうと、ドライバーに対して表示される映像の解像度は大きく低下する。特許文献2では、光源の波長幅に対する考慮が成されていない。 When a large difference is made between the diffraction angle and the emission angle in order to counter the surface reflection problem, image blurring (chromatic aberration) is greatly generated by the hologram combiner. Here, image blur refers to a phenomenon in which incident light is diffracted in a direction different from the design wavelength when light having a wavelength different from the design wavelength of the hologram combiner is incident on the hologram combiner. When the hologram combiner was designed with the center wavelength of the light source, the larger the wavelength width of the light source, the light with a wavelength deviating from the designed wavelength is incident on the hologram combiner. Will diffract the light from the light source in different directions. The greater the difference between the incident angle and diffraction angle of the hologram combiner, the greater the effect of image blur due to this hologram combiner. Therefore, when the wavelength range of the light source is large, if the difference between the incident angle and the diffraction angle of the hologram combiner is increased to prevent the surface reflection problem, the resolution of the image displayed to the driver is increased. descend. In Patent Document 2, no consideration is given to the wavelength width of the light source.
偏光を用いて、表面反射問題に対応する方法では、ホログラムコンバイナの入射角と回折角の差を小さくすることが可能なため、前述の像ボケの問題は生じない。しかしながら、図3に示したような偏光を用いる方法では、ドライバーに対して直線偏光を表示することになる。回折光がP偏光であった場合、ドライバーがP偏光を遮断する眼鏡をかけていた場合に、一切の表示が見えなくなるという課題が生じる。またS偏光を遮断するサングラスをかけていた場合にも、ドライバーが首を傾けてしまった拍子に、表示光が偏光眼鏡によって遮断され、ドライバーに表示光が見えなくなる可能性が生じる。特許文献1では、この問題に対する考慮がなされていない。 In the method for dealing with the surface reflection problem using polarized light, the difference between the incident angle and the diffraction angle of the hologram combiner can be reduced, so that the above-mentioned image blur problem does not occur. However, in the method using polarized light as shown in FIG. 3, linearly polarized light is displayed to the driver. When the diffracted light is P-polarized light, there arises a problem that when the driver wears glasses that block the P-polarized light, no display is visible. In addition, even when wearing sunglasses that blocks S-polarized light, the display light is blocked by the polarized glasses when the driver tilts his / her neck, and the driver may not be able to see the display light. In Patent Document 1, no consideration is given to this problem.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、光源の波長幅に応じてホログラムコンバイナの適切な入射角、出射角が適切に設定された透過型表示装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a transmissive display device in which appropriate incident angles and outgoing angles of a hologram combiner are appropriately set according to the wavelength width of a light source.
前記従来の課題を解決するために、本発明の透過型表示装置は、光を出力する光源と、光源からの出射光を受けて画像を形成する表示手段と、前記表示手段から射出された表示光に含まれる波長の光をユーザに向けて反射し、それ以外の波長の光を透過する透過反射手段とを有し、前記光源の出力する光の波長幅である光源波長幅に応じて、前記表示光が前記透過反射手段に入射する入射角と、前記透過反射手段から表示光が出射される回折角との角度差が異なることを特徴とする。 In order to solve the above-described conventional problems, a transmissive display device of the present invention includes a light source that outputs light, a display unit that forms an image by receiving light emitted from the light source, and a display emitted from the display unit. The light having a wavelength included in the light is reflected toward the user, and has a transmission / reflection unit that transmits the light of other wavelengths, and according to the light source wavelength width that is the wavelength width of the light output from the light source, An angle difference between an incident angle at which the display light is incident on the transmission / reflection unit and a diffraction angle at which the display light is emitted from the transmission / reflection unit is different.
本構成によって使用する光源の波長幅に応じた表面反射問題への対応を行うことが可能になる。 With this configuration, it is possible to cope with the surface reflection problem according to the wavelength width of the light source used.
また本発明の透過型表示装置は、前記光源の前記光源波長幅が、一定値以上の場合には、前記表示光が前記透過反射手段に入射する入射角と、前記透過反射手段から表示光が出射される回折角との角度差が5度以下であることを特徴とする。 In the transmissive display device of the present invention, when the light source wavelength width of the light source is a certain value or more, an incident angle at which the display light is incident on the transmissive reflecting means, and display light from the transmissive reflecting means is displayed. The difference in angle from the emitted diffraction angle is 5 degrees or less.
本構成によって光源波長幅が大きい場合に、ドライバーに表示される画像の画質が低下することを防ぐことが可能になる。 With this configuration, when the light source wavelength width is large, it is possible to prevent the image quality of the image displayed on the driver from being deteriorated.
また本発明の透過型表示装置は、前記光源波長幅の一定値は、0.5nm以上であることを特徴とする。 In the transmissive display device of the present invention, the constant value of the light source wavelength width is 0.5 nm or more.
本構成によって、レーザによるスペックルを防止するために光源波長幅を広くしている光源を使用している場合においても、ドライバーに表示される画像の画質が低下することを防ぐことが出来る。 With this configuration, even when a light source having a wide light source wavelength width is used to prevent speckle due to laser, it is possible to prevent the image quality of the image displayed on the driver from being deteriorated.
また本発明の表示手段は、表示手段は、表示光を円偏光に変換する偏光手段を備え、前記透過反射手段は、表示光の向きを偏向する回折素子と、前記回折素子を保持する透明部材であって、前記表示光が前記透過反射手段に入射する側に配置される前側透明部材と、前記回折素子を保持する透明部材であって、前記透明部材とは前記回折素子を挟んだ反対方向に配置される後側透明部材と、保持する前側透明部材、後側透明部材と、前記回折手段と前記前側透明部材の間に、円偏光を前記回折素子に対するS偏光に変換するS偏光変換手段と、前記回折手段と前記後側透明部材の間に、前記回折素子に対するS偏光を前記回折素子に対するP偏光に変換するP偏光変換手段とを備えることを特徴とする。 In the display means of the present invention, the display means includes polarizing means for converting display light into circularly polarized light, and the transmission and reflection means includes a diffraction element that deflects the direction of display light, and a transparent member that holds the diffraction element. A transparent member for holding the diffractive element and a transparent member for holding the diffractive element in a direction opposite to the transparent element. A rear transparent member, a front transparent member to be held, a rear transparent member, and S-polarized light conversion means for converting circularly polarized light into S-polarized light for the diffraction element between the diffraction means and the front transparent member And a P-polarized light converting means for converting S-polarized light for the diffractive element into P-polarized light for the diffractive element between the diffractive means and the rear transparent member.
本構成によって、ドライバーが直線偏光を遮断する偏光眼鏡をつけている場合においても、表示画像を視認することが可能になる。 With this configuration, it is possible to visually recognize the display image even when the driver wears polarized glasses that block linearly polarized light.
また本発明の透過型表示装置は、前記透過反射手段への入射角と、前記後側透明部材のブリュースター角との差が5度以内であることを特徴とする。 In the transmissive display device of the present invention, the difference between the incident angle to the transmissive reflecting means and the Brewster angle of the rear transparent member is within 5 degrees.
本構成によって、フロントガラスによってガラス反射光が発生することを防止することが可能になる。 With this configuration, it is possible to prevent the glass reflected light from being generated by the windshield.
また本発明の透過型表示装置は、前記前側透明部材の空気との界面は、表面反射を防止する無反射コートが施されていることを特徴とする。 In the transmissive display device of the present invention, the interface of the front transparent member with air is provided with a non-reflective coating that prevents surface reflection.
本構成によって、フロントガラスの車内側の面でガラスによる反射光が発生することを防止することが可能になる。 With this configuration, it is possible to prevent light reflected by the glass from being generated on the inner surface of the windshield.
また本発明の後側透明部材は楔形形状を有し、前記後側透明部材から透過する透過光の、前記後側透明部材への入射角が前記後側透明部材のブリュースター角になるように楔の傾斜角が設定されていることを特徴とする。 The rear transparent member of the present invention has a wedge shape, and the incident angle of the transmitted light transmitted from the rear transparent member to the rear transparent member is the Brewster angle of the rear transparent member. The inclination angle of the wedge is set.
本構成によって、フロントガラスの傾斜角度によって表示光がフロントガラスに入射する角度がガラスのブリュースター角と異なる場合においても、ガラス反射光の発生を防ぐことが可能になる。 With this configuration, it is possible to prevent the generation of glass reflected light even when the angle at which the display light is incident on the windshield depending on the tilt angle of the windshield is different from the Brewster angle of the glass.
また本発明の透過型表示装置は、前記透過反射手段への入射角が、前記後側透明部材のブリュースター角から外れないように、前記表示手段によって表示される表示像の高さが制限されている特徴とする。 In the transmissive display device of the present invention, the height of the display image displayed by the display unit is limited so that the incident angle to the transmission / reflection unit does not deviate from the Brewster angle of the rear transparent member. It is a characteristic.
本構成によって、表示像の上端・下端の部分でガラスによる反射光が発生してしまうことを防止することが可能になる。 With this configuration, it is possible to prevent the reflected light from being generated by the glass at the upper and lower end portions of the display image.
また本発明の透過型表示装置は、前記透過反射手段への入射角が前記後側透明部材のブリュースター角になるように、前記透過反射手段の傾きに応じて前記後側透明部材の屈折率が決定されていることを特徴とする。 In the transmissive display device of the present invention, the refractive index of the rear transparent member according to the inclination of the transmissive reflective means so that the incident angle to the transmissive reflective means becomes the Brewster angle of the rear transparent member. Is determined.
本構成によってフロントガラスへの入射角とガラスのブリュースター角の違いを削減し、ガラスによる反射光の発生を防止することが可能になる。 With this configuration, it is possible to reduce the difference between the angle of incidence on the windshield and the Brewster angle of the glass and prevent the generation of reflected light from the glass.
また本発明の透過型表示装置は、前記光源の前記光源波長幅が、一定値以下の場合には、前記表示光が前記透過反射手段に入射する入射角と、前記透過反射手段から表示光が出射される回折角との角度差が10度以上であることを特徴とする。 In the transmissive display device of the present invention, when the light source wavelength width of the light source is equal to or smaller than a certain value, an incident angle at which the display light is incident on the transmissive reflecting means, and display light from the transmissive reflecting means is displayed. The angle difference from the emitted diffraction angle is 10 degrees or more.
本構成によって、フロントガラスに波長板などを追加すること無しに表面反射問題を解決することが可能になる。 With this configuration, it is possible to solve the surface reflection problem without adding a wave plate or the like to the windshield.
また本発明の透過型表示装置は、前記光源波長幅の一定値は、0.5nm以下であることを特徴とする。 In the transmissive display device of the present invention, the constant value of the light source wavelength width is 0.5 nm or less.
本発明によって線幅の小さいレーザ光源などを使用する際に、表面反射問題の発生を防ぐこと可能になる。 The present invention makes it possible to prevent the occurrence of surface reflection problems when using a laser light source having a small line width.
また本発明の前記光源は、波長幅の小さい波長変換素子(SHG)によって構成されることを特徴とする。 In addition, the light source of the present invention is configured by a wavelength conversion element (SHG) having a small wavelength width.
本構成によって光源の波長幅を小さく抑えることが可能になり、ドライバーに表示する画像の画質が低下することを防ぐことが可能になる。 With this configuration, the wavelength width of the light source can be kept small, and the image quality displayed on the driver can be prevented from being degraded.
また本発明の表示素子は、空間変調素子および中間スクリーンから構成され、前記中間スクリーンを振動させる振動手段を備えることを特徴とする。 The display element of the present invention includes a spatial modulation element and an intermediate screen, and includes a vibrating means for vibrating the intermediate screen.
本構成によって、波長幅の小さい光源を使用する場合においても、スペックルノイズの発生を防止することが可能になる。 With this configuration, it is possible to prevent speckle noise from occurring even when a light source having a small wavelength width is used.
本発明の透過型表示装置によれば、光源の波長幅に応じてホログラムコンバイナの適切な入射角、出射角を適切に設定し、高画質の画像を表示することが可能になる。 According to the transmissive display device of the present invention, it is possible to appropriately set the appropriate incident angle and outgoing angle of the hologram combiner according to the wavelength width of the light source, and display a high-quality image.
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
本実施の形態では、光源の波長幅が大きい場合に表面反射問題に対策するための光学系の構成について示す。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a configuration of an optical system for taking measures against a surface reflection problem when the wavelength width of a light source is large will be described.
図1に、本発明の実施の形態1における、HUD(ヘッドアップディスプレイ)の構成図を示す。 FIG. 1 shows a configuration diagram of a HUD (head-up display) in Embodiment 1 of the present invention.
図1において、101はHUDが搭載される車体を示し、ダッシュボード内部にHUD光学ユニット102を備える。HUD光学ユニット102は、表示手段103、偏向手段104、開口部105より構成される。
In FIG. 1,
表示手段103は、ドライバー108に対して運転情報(スピードメータや地図情報)などを表示する。本実施の形態において表示手段103は、レーザ光源からの出力ビームを表示スクリーン上で二次元走査にすることでドライバー108に表示する像を形成する。本実施の形態における表示手段103の構成図を図5に示す。
The display means 103 displays driving information (speedometer and map information) and the like for the
図5に示すように、本実施の形態においては表示手段の光源はレーザ光源であり、赤色レーザ光源501と青色レーザ光源502と緑色レーザ光源503からの出力レーザ光をコリメータ504を通過させ、ダイクロイックミラー505でレーザ光Lとして合波している。各色レーザ光源からの出力を適切に変調することで、任意の色のレーザ光を出力できる。なお、図5では501は赤色(R)の半導体レーザ光源、502は青色(B)の半導体レーザ光源、503は緑色(G)の半導体レーザ光源としているが、503は赤外線の半導体レーザ光源と、赤外線を緑色に変換するSHG(Second−Harmonic Generation:第2次高調波発生)素子の組合せであってもよいし、各光源が固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ、発光ダイオードでもよい。
As shown in FIG. 5, in this embodiment, the light source of the display means is a laser light source, and the output laser light from the red laser
なお、図5では各レーザ光源でレーザ光の変調を行っているが、レーザ光源から出力された光を変調する手段を、レーザ光源と組み合わせて用いることで、レーザ光を変調してもよい。 In FIG. 5, the laser light is modulated by each laser light source. However, the laser light may be modulated by using a means for modulating the light output from the laser light source in combination with the laser light source.
なお本実施の形態においては、レーザ光源501〜503の内、少なくとも一つ以上の光源は、0.5nm以上の波長幅を有する光源である。
In the present embodiment, at least one of the
偏光手段509は、光源501〜503からのビームLを偏光する機能を備える。本実施の形態では、ビームLは偏光手段509によって円偏光に変換される。また本実施の形態における偏光手段509は、直線偏光子と1/4波長板から構成される。偏光手段509に入射したビームLは、まず直線偏光子によって直線偏光に変換される。この際、ビームLがコンバイナ106に入射する際に、コンバイナ106に対してP偏光になるように偏光される。その後ビームLは更に1/4波長板を通過することで円偏光に変換された後に、偏光手段509から出射される。
The
なお偏向手段509は、他の偏光子による組み合わせによって実現されていてもよい。また偏光手段509は、光源501〜503と走査手段506の間に配置される必要は無く、走査手段506とスクリーン507の間に配置されていてもよい。
The deflecting
走査手段506は、光源501〜503からのビームLを、表示スクリーン507上で2次元走査する。走査手段506は角度を2次元的に偏向できる単板小型ミラーで、MEMS(Micro−Electro−Mechanical−System)マイクロミラーである。この例を図6に示す。走査手段506は単板小型ミラーを回転軸601および回転軸602の二軸の方向に振動させることにより、ミラーに入射するレーザ光Lを二次元方向に走査する。
The
なお本実施の形態では、走査手段506は一枚のミラーを二次元方向に振動させる方法をとっているが、それぞれが異なる一次元方向に振動する二枚のミラーを組み合わせてレーザ光Lを二次元方向に走査する方法をとっても良い。この場合、それぞれのミラーは一次元方向にのみ振動するため各ミラーの角度の制御が簡単になる効果がある。
In this embodiment, the
走査手段506からの光は表示スクリーン507の背面で二次元走査され、表示像が形成される。表示スクリーン507上に結像された映像が、表示スクリーン507の表面から、表示手段103からの映像として、偏向手段104に対して出力される。
The light from the
なお本実施の形態では、表示手段103は表示スクリーン507に対しては背面投影を行う形態をとったが、表示スクリーン507に対して前面投影を行う方法であってもよい。このときの表示手段103の別の構成例を図7に示す。この場合、表示スクリーン507に拡散効率の高いフライアイミラーやビーズスクリーンなどを用いることでユーザに表示する映像の輝度を向上させる効果がある。
In the present embodiment, the
なお表示手段103は、表示スクリーン507を持たずに、後述のコンバイナ106上に直接レーザ光を投影する方式であってもよい。この場合、ドライバーの網膜に直接光を投影することが可能になり、より鮮明な映像をドライバーに表示することなどが可能になる。
Note that the display means 103 may be a system in which laser light is projected directly onto the
なお表示手段103は、レーザ光を走査する方式ではなく、液晶素子およびバックライト光源からなる表示素子であってもよい。例えば、走査手段506の代わりに液晶素子を配置し、液晶素子とダイクロイックミラー505の間に、液晶素子を照明するための光学系を配置する構成をとってもよい。またこのときバックライト光源はレーザ光源を使用してもよいし、LEDなどの他の光源を用いても良い。この時の表示手段103の構成図を図9に例示する。図9においては図5とは異なり、走査手段506の代わりに液晶素子902および折り返しミラーが配置される。光源501〜503からの光は、照明光学素子901によって拡散された後に、液晶素子902を照射し、表示光Lを形成する。
The display means 103 may be a display element composed of a liquid crystal element and a backlight light source instead of a method of scanning with laser light. For example, a configuration may be adopted in which a liquid crystal element is disposed instead of the
液晶素子902によって形成された表示光Lは偏光素子509によって、円偏光に変換された後、折り返しミラー903を経由してスクリーン507上に像を形成する。なお液晶素子から出力された光は、通常、直線偏光となっている。そのため、液晶素子からの出力光がコンバイナ106に対してS偏光である場合には、偏光素子509の構成は1/2波長板および1/4波長板で形成され、液晶素子からの光を1/2波長板でコンバイナ106に対するP偏光に偏光した後で、1/4波長板で円偏光へと変換する。また、液晶素子からの出力光がコンバイナ106に対するP偏光である場合には、偏光素子509は1/4波長板によってのみ構成され、直線偏光を円偏光へと変換する。
The display light L formed by the
なお走査手段ではなく液晶素子によって表示像を形成する場合には、図9に示した折り返しミラー903、スクリーン507を使用することなく、偏光素子509からの出射光を直接、表示手段103からの出力とする構成をとってもよい。この場合、表示素子103をより小型化することが可能になる。
Note that when a display image is formed by a liquid crystal element instead of a scanning unit, the light emitted from the
偏向手段104は表示手段103からの表示光Lの向きを変え、ホログラムコンバイナ106に入射させる。本実施の形態では偏向手段104は平面ミラーによって構成されるが、拡大性能をもつ凹面ミラーやホログラムミラーなどから構成されていてもよい。この場合、光学系の光路長を短くし、HUD筐体102の大きさを小型化できるなどの効果がある。
The deflecting
コンバイナ106は、前記偏向手段104から入射される表示光の向きをユーザの眼に向かう方向へ反射する透過反射手段である。本実施の形態におけるコンバイナ106では、フロントガラスの内側(車体101の室内側)に、例えばフォトポリマー層が形成され、フォトポリマー層にはリップマン体積ホログラムが形成されて、偏向手段104から入射角110で入射された表示光を、回折角111の角度でユーザ108に向かって反射するように製作されている。
The
また本実施の形態では、フォトポリマー層には赤色、緑色、青色、それぞれの光源からの光を反射する3つのホログラムを多重に形成されている。 In this embodiment, the photopolymer layer is formed with three holograms that reflect red, green, and blue light from each light source.
なお、本実施の形態においては一層のホログラムにRGBの三色を多重露光する方法を用いたが、それぞれの色の光に対応した3層のホログラムを積層してもよい。この場合、ホログラム材料における屈折率変調の数値をRGBの三色に振り分けるのではなく、それぞれの色に全て振り分けることが可能になるため、それぞれの色の回折効率を高めることが可能になる。 In this embodiment, a method of performing multiple exposure of three colors of RGB on one hologram is used, but three layers of holograms corresponding to light of each color may be laminated. In this case, the numerical value of refractive index modulation in the hologram material can be assigned to each color instead of being assigned to the three colors of RGB, so that the diffraction efficiency of each color can be increased.
なおコンバイナにホログラムを用いる場合、光源501〜503の光源波長幅によって、色収差(像ボケ)の影響が生じる。ホログラムコンバイナへの入射角とホログラムコンバイナからの出射角の角度差が大きく、また光源波長幅が大きいほどホログラムによる像ボケは大きくなり、その結果、ドライバーに表示する画像の画質は悪化する。本実施の形態では光源波長幅による像ボケの影響を低減するため、ホログラムコンバイナ106への表示光の入射角110と、ホログラムコンバイナによる回折光111の角度の差が少なくとも5度以下になるようにホログラムコンバイナの光学性能が設計されている。
When a hologram is used for the combiner, the influence of chromatic aberration (image blur) is caused by the light source wavelength width of the
また表面反射問題に対処するため、本実施の形態ではホログラムコンバイナ106はフロントガラス107に対して、図4に示される構造で取り付けられる。図4においてホログラムコンバイナ106は、ホログラム201として示されている。またフロントガラス107は二枚のガラス202、203で構成され、内部にホログラム201および1/2波長板301、1/4波長板401を含む。
In order to deal with the surface reflection problem, in the present embodiment, the
図4では、表示素子103からの光は、円偏光された表示光402として示されており、ホログラムコンバイナ201に対して、入射角110で入射する。この時、表ガラス202の表面で表面反射光が発生しないよう、本実施の形態においては表ガラス202の表面(ガラスと空気の界面)において無反射コート405(ARコート)が施されている。表ガラス202とホログラム201の間には、円偏光である表示光402をS偏光に変換するように設計された1/4波長板401が配置される。1/4波長板401によってS偏光に偏光された表示光402は、ホログラム201によって回折光403として出射される。ホログラム201からの回折光は再度1/4波長板401を通過することによって円偏光へと変換され、前ガラス202を通過した後、ドライバーへと表示される。ドライバーに視認される回折光403は前述のように円偏光となっているため、ドライバーが直線偏光を遮断する偏光眼鏡をつけている場合においても、遮断されることなく、ドライバーに対して表示を行うことが可能になる。
In FIG. 4, the light from the
ホログラム201に入射した表示光402のうち、回折されずにホログラムを通過した分の光は、ホログラム201と後ガラス203の間に配置された1/2波長板301を通過することでP偏光へと変換される。本実施の形態においては、P偏光に偏光された表示光が後ガラス203に入射する角度404は、ガラスのブリュースター角になるように設定されている。そのため、P偏光は裏ガラス203で反射せずに、透過光304として車外へと透過される。なお図10にガラスへの入射角とP偏光、S偏光の反射率の関係の例を示す。図の1001に示される範囲が、P偏光に対する反射率が0.1%以下になる入射角の範囲であり、本実施の形態においても後ガラスへの入射角404が入射角範囲1001の中に納まるように光学系が設計されている。
Of the
なお、前述のように、本実施の形態においては、光源波長幅によるホログラムコンバイナでの像ボケの影響を抑えるために、ホログラムコンバイナへの入射角110と回折角111はほぼ等しい値になるように設計されている。ホログラムコンバイナからの回折角111の値は、フロントガラスの傾斜角度およびドライバーがHUDの画面を見下ろす角度によって定められるため、HUDが搭載される車種に応じては必ずしもホログラムコンバイナへの入射角110が図10に示される入射角範囲1001に存在しない可能性がある。前ガラス202と、後ガラス203が共に平面形状を持つ場合、後ガラス203への入射角404は、入射角110と等しい値を持つため、入射角110がブリュースター角から大きく外れた値を持つ場合には、裏ガラス203に対する入射角もまたブリュースター角を外れるため、裏ガラス203で反射光が発生する。これを防止するために、裏ガラス203の形状を楔形にし、透過光304が裏ガラスを透過する面を、表ガラス202に対して傾ける方法をとることができる。この例を図12、図13に示す。図12は入射角110がブリュースター角よりも大きい場合の例であり、裏ガラス203の背面1202を前ガラス202に対して角度1201だけ傾けている。この時、裏ガラス203への入射角は、入射角110から角度1201を引いた値となるため、裏ガラス203への入射角をブリュースター角に近づけることが可能になる。また、図13は入射角110がブリュースター角よりも小さい場合の例であり、裏ガラス203の背面1202を前ガラス202に対して角度1301だけ傾けている。この時、裏ガラス203への入射角は、入射角110から角度1201を足した値となるため、裏ガラス203への入射角をブリュースター角に近づけることが可能になり、裏ガラス203による反射光の発生を防止することが可能になる。
As described above, in the present embodiment, in order to suppress the influence of image blur in the hologram combiner due to the light source wavelength width, the incident angle 110 and the diffraction angle 111 on the hologram combiner are set to be substantially equal values. Designed. Since the value of the diffraction angle 111 from the hologram combiner is determined by the inclination angle of the windshield and the angle at which the driver looks down the screen of the HUD, the incident angle 110 to the hologram combiner is not necessarily shown depending on the vehicle type on which the HUD is mounted. 10 may not exist in the incident angle range 1001 shown in FIG. When both the
本構成をとることで、ガラスによる反射光の発生を防止し、かつ、ドライバーが偏光眼鏡などを装着している場合においても表示を妨げられることのない情報表示を実現することが可能になる。 By adopting this configuration, it is possible to prevent the generation of reflected light from the glass and to realize information display that is not hindered even when the driver wears polarized glasses or the like.
(実施の形態2)
本実施の形態では、光源の波長幅が小さい場合に表面反射問題に対策するための光学系の構成について示す。
(Embodiment 2)
In this embodiment, a configuration of an optical system for taking measures against the surface reflection problem when the wavelength width of the light source is small will be described.
本実施の形態における表示装置は、実施の形態1と同様に図1に示す構成をとる。なお実施の形態1と同様の部分については説明を省略する。図11に本実施の形態における表示素子103の構成を示す。本実施の形態では、光源501〜503からの光は、偏光されることなく走査手段506によって走査され、スクリーン1101上に投影される。本実施の形態では、光源501〜503は、0.5nm以下の小さい波長幅を持つ。そのため、ホログラムコンバイナ106によって生じる色収差(像ボケ)の影響を小さく抑えることが可能になる。
The display device in the present embodiment has the configuration shown in FIG. 1 as in the first embodiment. Note that the description of the same parts as those in Embodiment 1 is omitted. FIG. 11 shows a configuration of the
しかしながら、一般に光源波長幅が小さい場合、レーザを用いる表示装置においてはスペックルノイズが問題となる。本実施の形態においては、スクリーン507を振動させるための振動装置1101を備え、表示に際してはスクリーン507を振動させることでスペックルノイズの発生を防止する。なお振動装置1101は、スクリーン507の周辺部分に取り付けられ、電流などにより自身が微小振動することでスクリーン507を振動させる構成をとってもよいし、バネなどで構成され、車からの振動をスクリーン507に伝えることでスクリーン507を振動させる構成をとってもよい。後者の構成を用いる場合、スクリーン507を振動させるために可動部分を設ける必要がなくなるためHUD筐体の構造が簡単になり、コストの削減が可能になる。
However, in general, when the light source wavelength width is small, speckle noise becomes a problem in a display device using a laser. In this embodiment mode, a
なお、本実施の形態では表示素子103は、レーザを走査することで画像を形成する構成を示したが、実施の形態1と同様に液晶素子を用いる形態としてもよい。
Note that although the
図8に本実施の形態におけるホログラムコンバイナ106の構成を示す。ホログラムコンバイナ106はホログラム201およびホログラムを保持するガラス202、203で構成される。ホログラム201は、入射角306で入射された表示光を回折角804で回折光802として出射するように設計されている。またこの時、ガラスによって生じる反射光803は、出射角805の角度で出射される。この時、回折光がホログラムコンバイナから出射される回折角804が、出射角805よりも充分大きい、もしくは充分小さい場合には、図8に示されるように、回折光802と反射光803は分離され、反射光803がアイボックスに侵入することを防止することが可能になる。フロントガラスからドライバーまでの距離が1m、アイボックスの大きさが上下方向に10cmの場合、回折光の回折角804が反射光の出射角805と少なくとも10度以上異なるようにホログラム201の光学性能を設計することで、アイボックス109への反射光803の侵入を防止することが可能になる。
FIG. 8 shows the configuration of the
本発明にかかる透過型表示装置は、ホログラムからなる透過反射手段を有し、表示装置、表示システム、表示方法、表示プログラム、などの用途にも応用できる。 The transmission type display device according to the present invention has transmission / reflection means made of a hologram, and can be applied to uses such as a display device, a display system, a display method, and a display program.
101 透過型表示装置が設置される機器
105 光学系開口部
107 フロントガラス
108 ユーザ
102 光学ユニット
103 表示手段
104 偏向手段
106 透過反射手段(コンバイナ)
110 コンバイナへの入射角
111 コンバイナからの回折角
501 赤色レーザ光源
502 青色レーザ光源
503 緑色レーザ光源
504 コリメータ
506 走査手段
507 表示スクリーン
509 偏光手段
DESCRIPTION OF
110 Incident angle to combiner 111 Diffraction angle from
Claims (13)
光源からの出射光を受けて画像を形成する表示手段と、
前記表示手段から射出された表示光に含まれる波長の光をユーザに向けて反射し、それ以外の波長の光を透過する透過反射手段とを有し、
前記光源の出力する光の波長幅である光源波長幅に応じて、
前記表示光が前記透過反射手段に入射する入射角と、前記透過反射手段から表示光が出射される回折角との角度差が異なることを特徴とする透過型表示装置。 A light source that outputs light;
Display means for receiving light emitted from the light source to form an image;
Transmission light reflecting means for reflecting light of a wavelength included in the display light emitted from the display means toward the user, and transmitting light of other wavelengths,
According to the light source wavelength width which is the wavelength width of the light output from the light source,
A transmission type display device, wherein an angle difference between an incident angle at which the display light is incident on the transmission reflection means and a diffraction angle at which the display light is emitted from the transmission reflection means is different.
前記表示光が前記透過反射手段に入射する入射角と、前記透過反射手段から表示光が出射される回折角との角度差が5度以下であることを特徴とする請求項1に記載の透過型表示装置。 When the light source wavelength width of the light source is a certain value or more,
2. The transmission according to claim 1, wherein an angle difference between an incident angle at which the display light is incident on the transmission reflection means and a diffraction angle at which the display light is emitted from the transmission reflection means is 5 degrees or less. Type display device.
前記透過反射手段は、表示光の向きを偏向する回折素子と、
前記回折素子を保持する透明部材であって、前記表示光が前記透過反射手段に入射する側に配置される前側透明部材と、
前記回折素子を保持する透明部材であって、前記透明部材とは前記回折素子を挟んだ反対方向に配置される後側透明部材と、保持する前側透明部材、後側透明部材と、
前記回折手段と前記前側透明部材の間に、円偏光を前記回折素子に対するS偏光に変換するS偏光変換手段と、
前記回折手段と前記後側透明部材の間に、前記回折素子に対するS偏光を前記回折素子に対するP偏光に変換するP偏光変換手段とを
備えることを特徴とする請求項3に記載の画像表示装置。 The display means includes polarization means for converting display light into circularly polarized light,
The transmission and reflection means includes a diffraction element that deflects the direction of display light;
A transparent member for holding the diffraction element, the front transparent member disposed on the side where the display light is incident on the transmission / reflection means,
A transparent member for holding the diffraction element, the transparent member being arranged in the opposite direction across the diffraction element, a front transparent member for holding, a rear transparent member,
S-polarized light converting means for converting circularly polarized light into S-polarized light for the diffractive element between the diffracting means and the front transparent member;
The image display apparatus according to claim 3, further comprising a P-polarization conversion unit that converts S-polarized light with respect to the diffraction element into P-polarized light with respect to the diffraction element between the diffraction unit and the rear transparent member. .
前記後側透明部材から透過する透過光の、前記後側透明部材への入射角が前記後側透明部材のブリュースター角になるように楔の傾斜角が設定されていることを特徴とする請求項6に記載の透過型表示装置。 The rear transparent member has a wedge shape;
The wedge inclination angle is set so that an incident angle of the transmitted light transmitted from the rear transparent member to the rear transparent member becomes a Brewster angle of the rear transparent member. Item 7. The transmissive display device according to Item 6.
前記表示光が前記透過反射手段に入射する入射角と、前記透過反射手段から表示光が出射される回折角との角度差が10度以上であることを特徴とする請求項1に記載の透過型表示装置。 When the light source wavelength width of the light source is a certain value or less,
2. The transmission according to claim 1, wherein an angle difference between an incident angle at which the display light is incident on the transmission / reflection unit and a diffraction angle at which the display light is emitted from the transmission / reflection unit is 10 degrees or more. Type display device.
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