JP2012083534A

JP2012083534A - 透過型表示装置

Info

Publication number: JP2012083534A
Application number: JP2010229431A
Authority: JP
Inventors: Akira Kurozuka; 章黒塚; Keiji Sugiyama; 圭司杉山; Tadaya Yamamoto; 格也山本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2012-04-26

Abstract

【課題】文字や記号等の表示要素を、位置、輝度、サイズ、色を変化させながら複数重ねて動的に表示することで、二重像が目立たないようにしながら視認性良く、さらには様々な付加情報の提示も可能な透過型表示装置を提供する。
【解決手段】画像を形成する表示手段と、前記表示手段から投射された表示光を反射する透明表示板とを備え、前記表示手段は、ユーザに提示する文字や記号等の主表示要素を生成する主画像生成手段と、前記主表示要素の位置、輝度、サイズ、色の少なくとも一つを変化させて、一つ以上の補助要素を生成する補助要素生成手段と、前記主表示要素に前記補助要素を一つ以上重ねて表示画像を生成する画像生成手段とを備える。
【選択図】図８

Description

本発明は、透明表示板に映像を投射して、その虚像と透過背景を同時にユーザに視認せしめるＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）等の透過型表示装置に関する。

従来より、透明表示板に映像を投影して、その虚像と透明表示板越しに見える透過背景を同時に視認しうる透過型表示装置が提案されている。特に、自動車等の運転時に速度や各種警告表示を前方視界の中に表示するため、フロントガラスに映像を投影表示する、いわゆるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）が開発されている。

このような透過型の表示装置を用いると、運転者は前方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、より安全に運転を行うことができる。

図１に従来のＨＵＤの例を示す。この例ではフロントガラス部分で、表示光を運転者に向けて反射することで前方外界と表示光の視認を同時に行うことを可能にしている。

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、内部に表示手段１０３、偏向手段１０４を含む。表示手段１０３は、例えば液晶素子および光源からなり、運転者の視点１０７に表示すべき情報を表示する。表示手段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、表示手段１０３からの表示光を、フロントガラス１０６上の表示部１０５に向けて偏向する。フロントガラス１０６の表示部１０５は、ＨＵＤ光学ユニット１０２からの表示光を運転者の視点１０７に向けて反射し、表示画像の虚像１０８を形成する。運転者は、フロントガラス１０６の表示部１０５によって反射された表示光を見ることで、運転に関する情報を視認することが可能になる。

フロントガラスの可視光透過率は、外界の視界を保つため、例えば日本の道路運送車両保安基準では垂直透過率７０％以上と規定されている。従って、表示部１０５の反射率は、少なくとも可視光の垂直透過率が規定値以上となるように制限される。通常、ガラスの表面反射率は、入射角や偏光方向によって変わる。垂直入射では約４％であるが、乗用車に多いフロントガラスの傾斜角が３０°程度の場合、視点１０７の位置に表示光を投射するには入射角は６０〜７０°となり、反射率は１０〜１２％程度となる。

このようなフロントガラスで表示光を反射する従来のＨＵＤにおいては二重像が発生する。

図２はフロントガラス１０６の構成を示す図である。フロントガラスは通常、中間膜２０１を介して内側ガラス２０２と外側ガラス２０３が接合されている。表示手段１０３のある画素Ｐ点から発せられフロントガラスに対して入射する入射光２０４は、内側ガラス２０２の表面のＡ点および外側ガラス２０３のＢ点によって反射され、表面反射光２０５、及び裏面反射光２０６を発生させ、表示像点２０７、ゴースト像点２０８となる。

このように、視点１０７に到達する光路が２通りあるので、表示手段１０３から投射された映像が図３のように、上下に２重に重なって視認されることとなる。

このような二重像を光学干渉膜や波長板、ホログラムなどを用いて光学的に低減する方法が色々と提案されているが、それらはいずれも特殊なフロントガラスを必要とする。

一方、表示の仕方を工夫して二重像を目立たなくする方法も提案されている。

例えば、特許文献１では、二重像の生じる間隔に合わせて繰り返しパターンを表示するし、二重像を知覚させないようにするというものである。

また、特許文献２では、白濁液晶素子を用いて、表示する文字の周辺の拡散光で二重像を隠すというものである。

特開２０１０−５８６１０号公報実開平５−２２１５５号公報

しかしながら、上記の方法では次のような課題があった。

特許文献１の方法では、繰り返しパターンの間隔を二重像の間隔に合わせるので、任意の内容を表示できない。

特許文献２の方法では、表示する文字等の周辺部は画面全体が白浮きした状態となり、表示文字の視認性が良くない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、二重像が目立たないようにしながら視認性良く、さらには様々な付加情報の提示も可能な透過型表示装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の透過型表示装置は、画像を形成する表示手段と、前記表示手段から投射された表示光を反射する透明表示板とを備え、前記表示手段は、ユーザに提示する文字や記号等の主表示要素を生成する主画像生成手段と、前記主表示要素の位置、輝度、サイズ、色の少なくとも一つを変化させて、一つ以上の補助要素を生成する補助要素生成手段と、前記主表示要素に前記補助要素を一つ以上重ねて表示画像を生成する画像生成手段とを備えることを特徴とする。

また、前記補助要素生成手段は、前記透明表示板の厚さや視線に対する傾き角度に応じて生じる前記主表示要素の２重像を包含するように、前記補助要素の位置を決定することを特徴とする。

本構成により、表示手段から発した表示光が透明表示板の両面で反射して視認される２重像が目立たなくなる。

さらに本発明の透過型表示装置は、前記補助要素生成手段が、前記補助要素の位置、輝度、サイズ、色の少なくとも一つを、外部からの制御情報に基づいて動的に変化させることを特徴とする。

また、前記透明表示板が車両のフロントガラスであり、前記制御情報が、車両速度、操舵角、等の車両走行情報であることを特徴とする。

本構成により、一定位置に固定された表示要素とその背後に表示された補助要素が視覚的に分離されて表示要素が際立つとともに、補助要素の動きを、速度や操舵角などの走行情報に連動させることで、運転者に付加情報を提示することが出来る。

本発明の透過型表示装置によれば、文字や記号等の表示要素を、位置、輝度、サイズ、色を変化させながら複数重ねて動的に表示することで、二重像が目立たないようにしながら視認性良く、さらには様々な付加情報の提示も可能な透過型表示装置を提供することができる。

従来のＨＵＤの構成図従来の二重像の発生の例を示す図二重像の見え方の例を示す図二重像の発生を示す光路図入射角と二重像の間隔の関係を示すグラフ本発明の実施例における表示の例を示す図本発明の実施例における奥行きを強調した表示の例を示す図本発明の実施例における描画の方法の例を示す図本発明の実施例における描画方法を示すフローチャート

（実施の形態１）
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。

まず、２重像が発生する位置を求める。

図４は、二重像の発生を示す光路図である。厚さｔ、屈折率ｎのフロントガラス１０６を基準に考えて垂直に描いてあり、表示手段１０３からの入射角θは、フロントガラス１０６の傾斜角θｇ、視点１０７からの見下ろし角ψとすると、
θ＝９０−θｇ＋ψ -----------------（１）
となる。

表示手段１０３の画素点Ｐからフロントガラス１０６上の反射点Ａまでの距離Ｒｉ、Ａ点から視点１０７までの距離Ｒｖとすると、視点１０７から虚像までの距離Ｌは
Ｌ＝Ｒｉ＋Ｒｖ ----------------（２）
である。

一方、フロントガラス１０６上の点Ａ’で屈折した光は裏面の点Ｂで反射し、表面のＣ点で再度屈折して視点１０７に向かう。点Ａ’およびＣにおける入射角と屈折角はスネルの法則により
ｓｉｎθ１＝ｎ・ｓｉｎθ２
∴θ２＝ａｓｉｎ(ｓｉｎθ１／ｎ) -------------------（３）
となる。

フロントガラス１０６の両面は平行なので、点Ｂにおける入射角、反射角はθ２に等しい。

ここで、画素点Ｐから視点１０７への２つの経路Ｐ−Ａ−ＥとＰ−Ａ’−Ｂ−Ｃ−Ｅでフロントガラス１０６に沿った距離Ｘを表すと次のようになる。

経路Ｐ−Ａ−Ｅ
Ｘ＝Ｒｉ・ｓｉｎθ＋Ｒｖ・ｓｉｎθ
＝(Ｒｉ＋Ｒｖ)ｓｉｎθ ----------------------（４）
経路Ｐ−Ａ’−Ｂ−Ｃ−Ｅ
Ｘ＝Ｒｉ・ｃｏｓθ・ｔａｎθ１＋２ｔ・ｔａｎθ２＋Ｒｖ・ｃｏｓθ・ｔａｎθ１
＝(Ｒｉ＋Ｒｖ)ｃｏｓθ・ｔａｎθ１＋２ｔ・ｔａｎθ２ ---------------（５）
式（１）（２）より
(Ｒｉ＋Ｒｖ)ｓｉｎθ＝(Ｒｉ＋Ｒｖ)ｃｏｓθ・ｔａｎθ１＋２ｔ・ｔａｎθ２
(ｓｉｎθ−ｃｏｓθ・ｔａｎθ１)／ｔａｎθ２＝２ｔ／(Ｒｉ＋Ｒｖ) ----------（６）
式（６）に式（３）を代入してθ２を消去すると、ｔ、Ｒｉ、Ｒｖを決めた時のθとθ１の関係が導かれる。

さらに、２重像視差の角度Δθは
Δθ＝θ−θ１ ---------------（７）
虚像位置での２重像間隔Ｄは
Ｄ＝Ｌ・Δθ ---------------（８）
となる。

以上の関係より、入射角θに対する２重像間隔Ｄを、フロントガラスの厚さｔを変えてプロットすると、図５のようになる。

一般的な乗用車のパラメータの例として、
フロントガラスの傾斜角θｇ＝３０度、見下ろし角ψ＝５度では、入射角θ＝６５度、フロントガラスの厚さｔ＝５ｍｍ、屈折率ｎ＝１．５２、Ｒｉ＝Ｒｖ＝１０００ｍｍとすると、２重像間隔Ｄ＝３．１５ｍｍとなる。

虚像サイズを縦１００ｍｍ × 横２００ｍｍとすると、おおむね図３に示したような
重なりで視認されることとなる。

そこで、このようにして求めた２重像間隔に合わせて、表示要素をあらかじめ重ねて表示することで、２重像を隠蔽することができる。

図６（ａ）は本発明の実施例における表示の例、（ｂ）はその部分拡大図、（ｃ）は２重像となった状態である。

車両の速度を表す数字と文字からなる表示要素６０１に対して、補助要素６０２を複数重ねて表示している。

このとき、補助要素６０２は表示要素６０１よりも輝度を下げてある。例えば、表示要素の輝度１に対し２枚の補助要素を重ねる場合、輝度は０．５、０．２などとする。通常、２重像は表面反射像より若干暗いため、補助要素６０２を含めて２重像となった場合に、全体が重なり合ってなじむように輝度の変化を設定する。

このようにすると、図６（ｃ）に示すように、表示要素６０１のみを表示した場合、２重像になって２枚の表示が重なって視認されるのに対して、補助要素の輝度、重ね方向、重ね間隔を適切に設定すると、あたかも表示要素に厚みがついたような立体的な表現となる。さらに表示要素６０１が際立つよう、補助要素６０２の色を表示要素６０１と異なるようにしてもよい。

このような補助要素の表示によって、表示要素の奥行き方向の厚さをさらに強調することも出来る。

図７は奥行き方向を強調した表示の例である。

（ａ）に示すように、補助要素を奥行き方向に延長して多数描いており、（ｂ）に示すように、車両速度に応じて遠方へ延びて流れるように表示する。さらに、左右に方向転換する際、（ｃ）に示すように、操舵方向に応じて奥行き表示を左右に流れるようにする。

このように、奥行きを強調した補助要素を動的に表示することによって、補助要素が静止している場合よりも、２重像が目立たなくなるとともに、一定位置に静止している表示要素がより際立つ効果がある。

また、車両速度や操舵方向などの走行情報に基づいて補助要素の動きを変化させることで、運転者に速度や方向転換をより感覚的に提示することが出来る。
さらに、制限速度を越えると補助要素の色が変わるようにすることも出来る。

また、速度表示とは別に警告マーク等を表示する際、補助要素の表示方法を先述の奥行き強調とは変えて、周囲に広がるような波紋効果とするなど、通常と異なる表示方法としても良い。こうすると、運転者の注意をより引きやすくなる効果がある。

このように、表示要素を元に、多数の補助要素を走行情報に基づいて動的にリアルタイム表示する方法としては、ＯｐｅｎＧＬなどのグラフィックライブラリを用いて、ハードウエア描画システムにより画像を生成するのが好適である。

図８は描画の方法の例を表す図である。

実際の表示画像は２次元画像であるが、奥行き方向を強調した画像をリアルタイムに生成するため、ＯｐｅｎＧＬの３次元画像描画機能を用いて、補助要素を多数生成する。

図８に示すように、２次元画像水平方向Ｘ、垂直方向Ｙに対して、奥行き方向Ｚ軸を設けた３次元空間を取り、表示要素６０１を原点のＸＹ平面に置いてその位置を基点として補助要素６０２を生成する。

表示要素ならびに補助要素は、複数の矩形ポリゴンをグループ化した形で生成し、数字や文字を表すテクスチャマッピングを適用し、車両速度に対応する数値を表すようにテクスチャマップを切り替えることで変化する数値を表示する。

最大Ｎｍａｘ個の補助要素を動画表示のＮフレームごとに生成し、−Ｚ方向に初速Ｖ＿ｉｎｉｔを与えてフレームごとに位置Ｚを更新するようにする。

さらに横方向の加速度Ａ＝(Ａｘ,０,０)を与えることで補助要素の軌跡が左右に曲がる表示が可能となる。

すなわち、補助要素の生成時、速度Ｖ＝(０,０,−Ｖ＿ｉｎｉｔ) と初期化し、以降フレームｉでの補助要素の位置Ｚｉ、速度Ｖｉ、に対して続くフレームｉ＋１では
Ｖｉ＋１＝Ｖｉ＋Ａ
Ｚｉ＋１＝Ｚｉ＋Ｖｉ
というように速度と位置を更新する。

生成された各補助要素は、設定された持続フレーム数ＬｉｆｅＳｐａｎの間、位置や色、透明度等を変化させながら更新し、描画フレーム数に対応するよう透明度を設定して、奥へ行くほど暗くなって消えてゆく表示とする。

車両速度に応じて初速を変化させれば、補助要素が奥行き方向に伸びる長さや早さを変化させることが出来る。車両の方向転換に対応した加速度ＡＸを与えることで、操舵方向に応じて補助要素の流れが自然に曲がるようになる。

以上のような描画方法を示すフローチャートを図９に示す。
起動時にＯｐｅｎＧＬの初期化を行い、テクスチャマップおよび表示要素を構成するポリゴンを生成する。補助要素数がＮｍａｘを越えるまで、位置や速度の初期値を与えて補助要素を生成する。そして、フレーム数が持続フレーム数ＬｉｆｅＳｐａｎに到達するまで、車両から入力した速度、操舵角度、各種警告情報等に基づいて、速度、位置、色、透明度などの補助要素の各パラメータを更新しながら描画処理を行う。補助用素数がＮｍａｘを越えるか、ＬｉｆｅＳｐａｎを越えると消滅する。

このような操作を繰り返すことによって、表示要素位置を起点として、補助要素の列が奥行き方向に流れて行き、速度や方向転換によって動的に変化するアニメーション表示を行う。

補助要素列の起点は、表示要素と同じ位置でも良いし、２重像の方向へずらした位置を起点としてもよい。

これまでに説明した実施の形態は一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな形態を採りうる。

また、フロントガラスの一方の表面に反射防止コーティングを施すなどの２重像を弱める手段と併用しても良い。

本実施形態では、車両用のＨＵＤを例に説明したが、その他にも航空機や船舶等のＨＵＤ、また、めがね型、ゴーグル型などのいわゆるヘッドマウントディスプレイ、さらにはショーウインドウや美術館の展示ケースなど、様々な透過型ディスプレイに応用可能である。

本発明にかかる透過型表示装置は、表示の仕方の工夫により２重像を目立たなくするもので、様々な透過型の表示装置、表示システムなどの用途に応用できる。

１０１車体
１０２光学ユニット
１０３表示手段
１０４偏向手段
１０５表示部
１０６フロントガラス
１０７視点
１０８虚像
１０９インパネ
１１０ハンドル
２０１中間膜
２０２内側ガラス
２０３外側ガラス
２０４入射光
２０５表面反射光
２０６裏面反射光
２０７表示像点
２０８ゴースト像点
６０１表示要素
６０２補助要素
６０３矩形ポリゴン

Claims

画像を形成する表示手段と、
前記表示手段から投射された表示光を反射する透明表示板とを備え、
前記表示手段は、
ユーザに提示する文字や記号等の主表示要素を生成する主画像生成手段と、
前記主表示要素の位置、輝度、サイズ、色の少なくとも一つを変化させて、一つ以上の補助要素を生成する補助要素生成手段と、
前記主表示要素に前記補助要素を一つ以上重ねて表示画像を生成する画像生成手段とを
備えることを特徴とする透過型表示装置。
前記補助要素生成手段は、
前記透明表示板の厚さや視線に対する傾き角度に応じて生じる前記主表示要素の２重像を包含するように、前記補助要素の位置を決定することを特徴とする請求項１に記載の透過型表示装置。
前記補助要素生成手段は
前記補助要素の位置、輝度、サイズ、色の少なくとも一つを、外部からの制御情報に基づいて動的に変化させることを特徴とする請求項２に記載の透過型表示装置。
前記透明表示板が車両のフロントガラスであり、前記制御情報が、車両速度、操舵角、等の車両走行情報であることを特徴とする請求項３に記載の透過型表示装置。