JP2015176130A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転者の目から虚像までの表示距離が長くなっても虚像が小さく見えることがなく、輝度ムラの少ない虚像表示装置を提供する。【解決手段】虚像表示装置では、光源からの光を走査手段が走査することにより、スクリーン上に中間像が形成される。中間像に対応する走査光は反射手段により反射され観察者の目に至る。これにより、観察者はスクリーン上の中間像に対応する虚像を視認する。スクリーンを走査手段と反射手段との間で移動させることにより、観察者が視認する虚像の位置が変化する。走査手段と観察者の目の位置とが光学的に共役の関係とにあるので、虚像に輝度ムラが生じることがない。また、スクリーンを移動させて虚像の位置を変化させても虚像の画角が変わらないので、虚像を遠くに表示させた場合でも虚像の内容が見にくくなることがない。【選択図】図１

Description

本発明は、観察者に虚像を視認させる虚像表示装置に関する。

車両に搭載され、運転者に虚像を視認させる車両用ヘッドアップディスプレイが知られている。特許文献１は、虚像の表示距離を可変とするために、光源と、光源からの光を２次元に走査する走査手段と、走査光を結像するスクリーンと、スクリーン上の映像を投影する投影手段と、スクリーンの位置を可変とする可動機構とを備える車両用ヘッドアップディスプレイ装置を記載している。また、特許文献１では、投影手段として球面凹面鏡、非球面凹面鏡、自由曲面鏡、フロントシールドが開示されており、さらに走査手段が投影手段の焦点位置近傍に配置されることが開示されている。

特開２００９−１５０９４７号公報

特許文献１においては、段落００４２に記載されているように、スクリーンの位置を変化させて運転者から虚像までの表示距離を変えた場合に、虚像のサイズが一定となる。しかし、虚像サイズが一定であるため、運転者の目から虚像までの表示距離が長くなる場合には、運転者が視認する見た目上の虚像サイズは小さくなってしまう。また、スクリーンの中心に投影された画像と、中心から離れた位置に投影された画像とが虚像として視認される場合に、両者の輝度が異なってしまう、即ち、いわゆる輝度ムラが生じてしまうという問題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、運転者の目から虚像までの表示距離が長くなっても虚像が小さく見えることがなく、輝度ムラの少ない虚像表示装置を提供することを主な目的とする。

請求項に記載の発明は、観察者に虚像を視認させる虚像表示装置であって、光源からの光を走査する走査手段と、前記走査手段により走査される走査光が入射するスクリーンと、前記スクリーン上の像を構成する光を集光しながら反射する反射手段と、前記スクリーンを、前記走査手段と前記反射手段との間で移動させる第１駆動手段と、を備え、前記走査手段は、当該走査手段と前記観察者の目の位置とが光学的に共役の関係となる位置に配置されることを特徴とする。

第１実施例に係る虚像表示装置の構成を示す。 スクリーンの特性を模式的に示す図である。 虚像距離が異なる場合の表示例を示す。 第２実施例に係る虚像表示装置の構成を示す。

本発明の好適な実施形態では、観察者に虚像を視認させる虚像表示装置は、光源からの光を走査する走査手段と、前記走査手段により走査される走査光が入射するスクリーンと、前記スクリーン上の像を構成する光を集光しながら反射する反射手段と、前記スクリーンを、前記走査手段と前記反射手段との間で移動させる第１駆動手段と、を備え、前記走査手段は、当該走査手段と前記観察者の目の位置とが光学的に共役の関係となる位置に配置される。

上記の虚像表示装置では、光源からの光を走査手段が走査することにより、スクリーン上に像が形成される。スクリーン上の像に対応する走査光は反射手段により反射されて観察者の目に至る。これにより、観察者はスクリーン上の像に対応する虚像を視認する。スクリーンを走査手段と反射手段との間で移動させることにより、観察者が視認する虚像の位置が変化する。走査手段と観察者の目の位置とが光学的に共役の関係にあるので、虚像に輝度ムラが生じることがない。また、スクリーンを移動させて虚像の位置を変化させても虚像の画角が変わらないので、虚像を遠くに表示させた場合でも虚像の内容が見にくくなることがない。

好適には、前記スクリーンは、当該スクリーンの入射面への光の入射角と、前記入射面に対する法線を挟んで反対側であり、かつ前記入射角と同一角度である透過角の方向に、透過光の強度が最大となるように前記光を透過し、前記透過角の方向から離れるに伴い前記透過光の強度を徐々に低下させる特性を有する。

上記の虚像表示装置では、前記第１駆動手段は、前記観察者が視認する前記虚像までの距離を伸ばす場合に、前記スクリーンと前記走査手段との距離を第１距離から、前記第１距離より短い第２距離に移動させればよい。

上記の虚像表示装置では、前記観察者が視認する前記虚像の画角は、前記スクリーンと前記走査手段との距離によらず一定である。

上記の虚像表示装置の一態様は、前記観察者の目の位置を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された目の位置に応じて、前記走査手段を、当該走査手段と前記観察者の目の位置とが光学的に共役の関係となる位置に移動させる第２駆動手段と、を備える。この態様では、運転者の目の位置に応じて走査手段が自動的に移動されるので、走査手段を常に適切な位置に維持することができる。

上記の虚像表示装置の他の一態様では、前記第２駆動手段は、前記走査手段、前記スクリーン及び前記第１駆動手段を含む投影部を駆動する。この態様では、走査手段を含む投影部全体を移動させるので、スクリーンと走査手段の距離が変化しない。よって、観察者が視認する虚像の画角への影響を小さくすることができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例について説明する。

［第１実施例］
図１は、第１実施例に係る虚像表示装置の構成を示す。虚像表示装置１０は、観察者に虚像を視認させる装置であり、光源１と、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラー２と、スクリーン３と、アクチュエータ４と、凹面鏡コンバイナ５と、を備える。

光源１は、レーザ光源などであり、観察者に視認させる画像を構成する光Ｌ１を出射する。ＭＥＭＳミラー２は、光源１から出射された光Ｌ１を走査してスクリーン３上に２次元の画像（以下、「中間像」とも呼ぶ。）を投射する。ＭＥＭＳミラー２から出射される走査光Ｌ２は、スクリーン３を透過して凹面鏡コンバイナ５に入射する。凹面鏡コンバイナ５は、凹面形状に形成されたハーフミラーであり、観察者の前方に配置される。凹面鏡コンバイナ５は、スクリーン３に投射された中間像を構成する走査光Ｌ２の一部を反射し、反射光Ｌ３として観察者の目の位置ＥＰに到達させる。これにより、観察者は凹面鏡コンバイナ５の背後（観察者と反対側）に虚像ＶＩを視認する。虚像ＶＩは、スクリーン３に描画された中間像を、凹面鏡コンバイナ５の曲率に応じた倍率で拡大したものとなる。

図２は、スクリーン３の透過特性を模式的に示す。スクリーン３は基本的に、入射光Ｌｉを拡散させる特性を有する。これに加えて、スクリーン３は、入射光Ｌｉが直進する方向で透過光Ｌｔの強度が最大となり、直進方向から外れるに伴って透過光Ｌｔの強度が徐々に低下する特性を有する。ここで、入射光Ｌｉと透過光Ｌｔがスクリーン３の法線９に対してなす各をそれぞれ入射角θｉ、透過角θｔとすると、スクリーン３は入射角θｉと透過角θｔとが等しくなる（θｉ＝θｔ）特性を有する。即ち、スクリーン３は、スクリーン３の入射面への入射光Ｌｉの入射角θｉと、前記入射面に対する法線９を挟んで反対側であり、かつ、前記入射角θｉと同一角度である透過角θｔの方向に、透過光Ｌｔの強度が最大となるように入射光Ｌｉを透過し、透過角θｔの方向から離れるに伴い透過光Ｌｔの強度を徐々に低下させる特性を有する。

アクチュエータ４は、ＭＥＭＳミラー２と凹面鏡コンバイナ５との間で、スクリーン３を光Ｌ２の光軸に沿って、即ち、図１の矢印７の方向に移動する。これにより、虚像ＶＩの位置、即ち、観察者の目の位置ＥＰと虚像ＶＩとの距離（以下、「虚像距離」と呼ぶ。）が変わる。具体的に、アクチュエータ４の動作によりスクリーン３をＭＥＭＳミラー２の方向に移動すると、虚像距離が長くなり、虚像ＶＩは観察者から遠ざかる方向に移動する。一方、スクリーン３をＭＥＭＳミラー２と反対側、即ち凹面鏡コンバイナ５の方向に移動すると、虚像距離が短くなり、虚像ＶＩは観察者に近づく方向に移動する。このように、アクチュエータ４を動作させてスクリーン３の位置を変えることにより、観察者が視認する虚像ＶＩの位置を変えることができる。

上記の構成において、ＭＥＭＳミラー２は本発明の走査手段の一例であり、凹面鏡コンバイナ５は本発明の反射手段の一例であり、アクチュエータ４は本発明の第１駆動手段の一例である。

本実施例では、凹面鏡コンバイナ５に対して、ＭＥＭＳミラー２と、観察者の目の位置ＥＰとが光学的に共役の関係となる位置に配置される点に特徴を有する。具体的には、図１に示すように、凹面鏡コンバイナ５とスクリーン３との距離を「ａ」、凹面鏡コンバイナ５と虚像ＶＩとの距離を「ｂ」、ＭＥＭＳミラー２とスクリーン３との距離を「ｃ］、観察者の目の位置ＥＰと凹面鏡コンバイナ５との距離を「ｄ」とし、凹面鏡コンバイナ５の焦点距離を「ｆ」とすると、各要素は以下の式が成立するように配置される。

このように、ＭＥＭＳミラー２と観察者の目の位置ＥＰとが光学的に共役の関係となる場合、虚像ＶＩには輝度ムラが生じない。さらに、虚像距離ｂを変化させるためにスクリーン３を移動させても、ＭＥＭＳミラー２と凹面鏡５は固定されており、（ａ＋ｃ）は一定である。よって、スクリーン３を移動させても共役の関係が維持され、輝度は一定のままで輝度ムラが生じることはない。

さらに、ＭＥＭＳミラー２と観察者の目の位置ＥＰとが光学的に共役の関係にあることにより、虚像距離ｂに関係なく、虚像ＶＩの画角が一定となる。以下、これについて説明する。式（１）において、ａ＋ｃ＝ｋとおくと、式（２）が得られる。

ＭＥＭＳミラー２の走査角に依存する定数（角度定数）を「Ａ」とすると、スクリーン３上の中間像の大きさ（高さ）Ｈは式（３）で得られる。

一方、凹面鏡コンバイナ５の拡大倍率を「Ｍ」とすると、虚像ＶＩの大きさ（高さ）Ｈ’は、式（４）で得られる。

中間像と虚像との関係から、ａ、ｂ、ｆについて式（５）が成立する。

観察者から見た虚像の画角Ｆは、式（６）となる。

ここで、式（２）〜（５）より、式（７）が得られる。

よって、式（６）〜（７）より、虚像ＶＩの画角Ｆは式（８）で得られる。

式（８）において、Ａ、ｋ、ｆはいずれも定数であるから、画角Ｆは一定となる。即ち、スクリーン３を移動しても、観察者が視認する虚像ＶＩの画角Ｆは一定となる。

このため、同じデザインの虚像を、虚像距離を変えて表示させる場合に、スクリーン３を移動させること以外には特別な処理をしなくても、適切な虚像サイズを保つことができる。

図３は、虚像距離を変えた場合の虚像の見え方を示す図である。図３（ａ）は虚像距離がＤ１の場合を示し、図３（ｂ）は虚像距離がＤ２（＜Ｄ１）の場合を示す。図３においては、観察者が見やすいように、前方車両との距離に対応するように虚像距離を設定している。図３から理解されるように、虚像ＶＩの位置を変えるためにスクリーン３を移動させても、虚像ＶＩの画角Ｆは変わらないので、虚像距離を長くして虚像ＶＩを遠くに表示しても、虚像ＶＩが小さくなって情報が読み取れないという不具合は生じない。さらに、虚像距離が長い場合と短い場合、即ち、虚像ＶＩが遠い場合と近い場合とで、解像度が変化することもない。

以上のように、本実施例では、ＭＥＭＳミラー２と観察者の目の位置ＥＰとが光学的に共役の関係となるように各要素を配置している。よって、虚像ＶＩに輝度ムラが生じることがない。また、スクリーン３を移動させて虚像距離を変えても虚像ＶＩの画角Ｆが変わらないので、虚像ＶＩを遠くに表示した場合に表示内容が見にくくなることがない。

なお、上記の実施例はＭＥＭＳミラー２を使用しているが、その代わりに、ガルバノミラーを使用してもよい。また、凹面鏡コンバイナ５は、球面又は非球面の凹面を有する凹面鏡であってもよいし、フレネルレンズとミラーを組み合わせた拡大鏡であってもよい。

［第２実施例］
図４は、本発明の第２実施例に係る虚像表示装置の構成を示す。本実施例は、虚像表示装置を車両用のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）５０に適用したものである。図４において、車両はルーフ４１と、フロントガラス（ウィンドシールド）４２と、ダッシュボード４３とを有する。ＨＵＤ５０は、車両のフロントガラス４２を利用して虚像ＶＩを観察者に視認させる。

ダッシュボード４３の内部には、投影部２０と、凹面鏡２５と、アクチュエータ２６と、制御部２８とが収容されている。投影部２０は、光源２１と、ＭＥＭＳミラー２２と、スクリーン２３と、アクチュエータ２４とを備える。投影部２０内の各要素は基本的に第１実施例と同様である。即ち、スクリーン２３はアクチュエータ２４により矢印３１の方向に移動可能となっている。さらに、本実施例では、投影部２０全体がアクチュエータ２６により矢印３２の方向に移動可能となっている。また、車両のルーフ４１にはカメラ２７が取り付けられている。制御部２８には、カメラ２７からの撮影画像が入力される。

投影部２０から出射された光は、凹面鏡２５により反射され、さらにフロントガラス４２で反射されて観察者の目の位置ＥＰに至る。これにより、観察者はフロントガラス４２の背後に虚像ＶＩを視認する。第１実施例と同様に、スクリーン２３を移動させることにより虚像距離が変化し、観察者が視認する虚像ＶＩの位置が変化する。また、ＭＥＭＳミラー２２と観察者の目の位置とが光学的に共役の関係となるように各要素が配置されている。

上記の構成において、ＭＥＭＳミラー２２は本発明の走査手段の一例であり、アクチュエータ２４は本発明の第１駆動手段の一例であり、凹面鏡２５は本発明の反射手段の一例であり、アクチュエータ２６は本発明の第２駆動手段の一例であり、カメラ２７は本発明の検出手段の一例である。

本実施例では、カメラ２７を利用して、観察者の目の位置ＥＰを検出し、これに応じてＭＥＭＳミラー２２の位置を自動的に調整することにより、ＭＥＭＳミラー２２と観察者の目の位置ＥＰとが常に共役の関係を維持するようにする。具体的には、カメラ２７は観察者の顔の画像を撮影し、撮影画像を制御部２８へ供給する。制御部２８は、撮影画像に基づいて、既知の技術により観察者の目の位置を検出する。そして、制御部２８は、観察者の目の位置に基づいて、ＭＥＭＳミラー２２の位置を移動させる。

好適には、制御部２８は、アクチュエータ２６を制御して投影部２０全体を矢印３２の方向に移動させる。これにより、制御部２８は、検出された観察者の目の位置に対して共役の関係となる位置にＭＥＭＳミラー２２が来るように、投影部２０を移動させる。このようにＭＥＭＳミラー２２を移動する際に、投影部２０全体を移動させると、スクリーン２３とＭＥＭＳミラー２２との距離が変化しないため、スクリーン２３上の中間像の大きさが変化せず、観察者が視認する虚像ＶＩの画角Ｆへの影響を小さくすることができる。

本実施例では、観察者の体格の違いによらず、ＭＥＭＳミラー２２と観察者の目の位置ＥＰとが共役の関係となるように自動調整が可能となる。

１、２１ 光源
２、２２ ＭＥＭＳミラー
３、２３ スクリーン
４、２４、２６ アクチュエータ
５ 凹面鏡コンバイナ
２５ 凹面鏡
２７ カメラ
２８ 制御部

Claims (6)

1. 観察者に虚像を視認させる虚像表示装置であって、
   光源からの光を走査する走査手段と、
   前記走査手段により走査される走査光が入射するスクリーンと、
   前記スクリーン上の像を構成する光を集光しながら反射する反射手段と、
   前記スクリーンを、前記走査手段と前記反射手段との間で移動させる第１駆動手段と、
   を備え、
   前記走査手段は、当該走査手段と前記観察者の目の位置とが光学的に共役の関係となる位置に配置されることを特徴とする虚像表示装置。
2. 前記スクリーンは、当該スクリーンの入射面への光の入射角と、前記入射面に対する法線を挟んで反対側であり、かつ前記入射角と同一角度である透過角の方向に、透過光の強度が最大となるように前記光を透過し、前記透過角の方向から離れるに伴い前記透過光の強度を徐々に低下させる特性を有することを特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記第１駆動手段は、前記観察者が視認する前記虚像までの距離を伸ばす場合に、前記スクリーンと前記走査手段との距離を第１距離から、前記第１距離より短い第２距離に移動させることを特徴とする請求項１又は２に記載の虚像表示装置。
4. 前記観察者が視認する前記虚像の画角は、前記スクリーンと前記走査手段との距離によらず一定であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
5. 前記観察者の目の位置を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された目の位置に応じて、前記走査手段を、当該走査手段と前記観察者の目の位置とが光学的に共役の関係となる位置に移動させる第２駆動手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記第２駆動手段は、前記走査手段、前記スクリーン及び前記第１駆動手段を含む投影部を駆動することを特徴とする請求項５に記載の虚像表示装置。