JP2017083793A - 画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献2に記載の技術では、1層目を透過後に2層目のホログラフィック光学素子によって第2の回折光を得ているため、第1の回折光と第2の回折光とで視認できる画像の明るさが異なる場合がある。
なお、投影部の光軸に対する凹面反射鏡の光軸との接触面とは、投影部の光軸の垂線を含む面と接触する、各凹面反射鏡の光軸を含む面または光軸の垂線を含む面である。
(9)また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記第1の像および前記第2の像の前後に、{(c/b)d1≧(b/a)d0}の場合、無限遠五角形の視域を形成し、{(c/b)d1<(b/a)d0}の場合、六角形の視域を形成するようにしてもよい。
(12)また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記第1の像および前記第2の像の前後に、{h/(b+e)}d1≧{(bg/ae)d0}の場合、無限遠五角形の視域を形成し、{h/(b+e)}d1<{(bg/ae)d0}の場合、六角形の視域を形成するようにしてもよい。
(16)また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記複数枚の凹面反射鏡それぞれの焦点距離が互いに異なる値であるようにしてもよい。
(17)また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記複数枚の凹面反射鏡の表面または裏面に反射防止のモスアイ構造フィルムおよびARコートのうち、少なくとも1つが施されているようにしてもよい。
(19)また、本発明の一態様に係る画像表示装置において、前記投影部は、プロジェクター、または液晶パネルとレンズとの組み合わせのうち、少なくとも1つを含むようにしてもよい。
(4)によれば、コンバイナーがn枚の場合、n人の観察者に、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を提供でき、n人以外の方向には光エネルギーがほとんど伝搬しない優れた特性を実現することができる。
(6)によれば、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を複数の人に向けて表示させることができる。
(14)によれば、運転者や助手席に着席している同乗者、後部座席の観察者の位置に応じて空間結像アイリス面の空中像が形成される角度、および光軸に垂直な方向の間隔を、コンバイナー毎に調整することができる。
(16)によれば、画像表示装置から観察者が見る位置までの距離を、異なるようにすることができる。
(18)によれば、コンバイナーによって表示される表示画像のコントラストを向上させることができる。
図1は、本実施形態に係る画像表示装置1の構成と第2コンバイナー52の実像g111による空間結像アイリス面g112を示す図である。図2は、本実施形態に係る画像表示装置1の構成と第1コンバイナー51の虚像g121による空間結像アイリス面g122を示す図である。図3は、本実施形態に係る画像表示装置1の構成と第3コンバイナー53の空中像g131による空間結像アイリス面g132を示す図である。図4は、図1〜図3を合成した図である。
図1〜図4に示すように、画像表示装置1は、プロジェクター10(投影部)、拡散フィルム20(投影部)、集光レンズ30(投影部)、結像レンズ40(投影部)、および多重積層コンバイナー50を含んで構成される。また、多重積層コンバイナー50は、第1コンバイナー51(第1の凹面反射鏡)、第2コンバイナー52(第2の凹面反射鏡)、および第3コンバイナー53(第3の凹面反射鏡)を備えている。
図1〜図4に示すように、画像表示装置1は、プロジェクター10の光軸方向に従って、プロジェクター10、拡散フィルム20、集光レンズ30、結像レンズ40、第3コンバイナー53、第2コンバイナー52、第1コンバイナー51が順に配置されている。また、プロジェクター10からコンバイナーに入射する光を入射光線、コンバイナーによって形成される実像、虚像、または空中像に基づく光を主光線という。
集光レンズ30の主平面と結像レンズ40の主平面との距離が、x軸方向に向かって距離a離れて配置されている。なお、距離aは、集光レンズ30の焦点距離f0である。また、集光レンズ30と結像レンズ40それぞれの光軸は、プロジェクター10の光軸(線b7)に合わせて配置されている。なお、レンズの主平面とは、光軸の垂線と接触する面である。
結像レンズ40と第2コンバイナー52とは、x軸方向に向かって距離b離れて配置されている。
プロジェクター10には、画像出力装置(不図示)が接続されている。プロジェクター10は、画像出力装置が出力した画像を拡散フィルム20に投影する。光線b1は、プロジェクター10から照射される画像の光線を示している。なお、プロジェクター10が投影する画像は、空間均一な画像である。また、プロジェクター10が投影する画像は、例えば運転に必要な速度情報、カーナビゲーション情報等の運転情報である。
そして、第2コンバイナー52には、第3コンバイナー53を透過した光が入射する。第2コンバイナー52に入射する光は、第3コンバイナー53に入射する光の強度の0.96倍(96%)であり、第2コンバイナー52を透過する光の強度は、第3コンバイナー53に入射する光の強度の約0.92倍(=0.962)である。第2コンバイナー52は、4%の光を反射し、96%の光を透過する。
さらに、第1コンバイナー51には、第3コンバイナー53と第2コンバイナー52を透過した光が入射する。第1コンバイナー51に入射する光は、第3コンバイナー53に入射する光の強度の約0.92倍(=0.962)であり、第1コンバイナー51を透過する光の強度は、第3コンバイナー53に入射する光の強度の約0.88倍(=0.963)である。第1コンバイナー51は、4%の光を反射し、96%の光を透過する。
なお、第1コンバイナー51、第2コンバイナー52、第3コンバイナー53それぞれの反射率Rは、4%〜50%程度であることが望ましい。
第1コンバイナー51は、実像g111に基づく画像を、プロジェクター10の光軸方向に反射させる。図1において、光線b8と光線b9は、主光線である。なお、図1〜図4において、角度θ2は、tan−1{(b/2ac)d0}である。
また、第1コンバイナー51は、第2コンバイナー52に対して入射光線の進行方向に光軸の垂線に対して角度が+2θ1傾いた虚像g121を形成する。虚像g121のy軸方向の大きさは、(b/a)d0である。第1コンバイナー51上の点p11とp12に結像した光線は、虚像g121上の点p13に結像し、第1コンバイナー51上の点p14とp15に結像した光線は、虚像g121上の点p16に結像する。
第1コンバイナー51は、虚像g121に基づく画像を、プロジェクター10の光軸に対して上方の角度が+2θ1方向に反射させる。図2において、光線b12と光線b13は、主光線であり、線b11は、光線b12と光線b13との中心線である。
また、第3コンバイナー53は、第2コンバイナー52に対して主光線の進行方向に光軸の垂線に対して角度が−2θ1傾いた空中像g131を形成する。空中像g131のy軸方向の大きさは、(b/a)d0である。第3コンバイナー53上の点p21とp22に結像した光線は、空中像g131上の点p23に結像し、第3コンバイナー53上の点p24とp25に結像した光線は、空中像g131上の点p26に結像する。
第3コンバイナー53は、空中像g131をプロジェクター10の光軸(線b7)に対して下方の角度が−2θ1方向に反射させる。図3において、光線b22と光線b23は、主光線であり、線b21は、光線b22と光線b23との中心線である。
次に、第1コンバイナー51、第2コンバイナー52、および第3コンバイナー53それぞれによる結像レンズ40のレンズ瞳の空中像について説明する。
まず、第2コンバイナー52による結像レンズ40のレンズ瞳の空中像について説明する。
図1に示すように、第2コンバイナー52による実像g111の主光線b8と主光線b9は、第2コンバイナー52の焦点距離がf2であり、式(2)の関係を満たしているため、第2コンバイナー52の光軸の垂線との接触面または光軸と実像との接触面からx軸方向に距離c離れた位置に、結像レンズ40のレンズ瞳の拡大像を空中に結像させる。実施形態において、この結像レンズ40のレンズ瞳の拡大空中像を、空間結像アイリス面という。この空間結像アイリス面のy軸方向サイズは、結像レンズのレンズ瞳径d1をc/b倍に拡大したものなので、(c/b)d1となる。
図2に示すように、光軸の垂線に対して角度が+2θ1傾いた虚像g121の主光線b12と主光線b13は、光軸に対して上方方向の角度が+2θ1方向に反射する。このため、第1コンバイナー51は、第1コンバイナー51の光軸の垂線との接触面から距離c離れた位置に、空間結像アイリス面g122を、大きさ(c/b)d1で結像させる。この空間結像アイリス面g122前後にも、第2コンバイナー52による空間結像アイリス面g112(図1)と同様に、領域g123で示した無限遠五角形型またはダイヤモンド型の視域を形成する。また、空間結像アイリス面g122とこの視域の機能は、第2コンバイナー52と同様である。
図3に示すように、第2コンバイナー52の主平面に対して主光線の進行方向に2θ1傾いた空中像g131の主光線b22と主光線b23は、光軸に対して下方方向の角度が−2θ1方向に反射する。このため、第3コンバイナー53は、第3コンバイナー53の光軸の垂線との接触面から距離c離れた位置に、空間結像アイリス面g132を、大きさ(c/b)d1で結像させる。この空間結像アイリス面g132前後にも、第2コンバイナー52による空間結像アイリス面g112(図1)と同様に、領域g133で示した無限遠五角形型またはダイヤモンド型の視域を形成する。また、空間結像アイリス面g132とこの視域の機能は、第2コンバイナー52と同様である。
次に、空間結像アイリス面の空中像の明るさについて説明する。なお、以下の説明では、第2コンバイナー52による空間結像アイリス面g112の空中像について説明するが、第1コンバイナー51による空間結像アイリス面g122の空中像、および第3コンバイナー53による空間結像アイリス面g132の空中像についても同様である。
半球の面積S1に占める面積S2の割合を明るさ効果と定義すると、明るさ効果は、次式(6)のようになる。
反射率が4%の場合でも、LCDと同じ明るさを実現するためには、明るさを25倍にする必要がある。このためには、S1/S2が25になる拡散角θを選択すればよい。式(6)が25であるため、この条件の拡散角θは15.8゜である。
ここで、画像表示装置1から距離H離れた位置における空間結像アイリス面g112の大きさは、2H・tan(θ)である。H=1[m]、拡散角θを15.8゜とすると、空間結像アイリス面g112の大きさは、直径が約57cmとなるので、十分観察者の視域をカバー可能である。なお、観察者は、例えば、車両における運転者、助手席に着席している同乗者、後部座席に着席している同乗者である。
ここで、多重積層コンバイナー50による光の多重反射、透過について説明する。
図6は、コンバイナーが2枚のモデルにおける光の多重反射、透過について説明する図である。図6に示す例では、第1コンバイナー51と第2コンバイナー52の一部をモデルとして示した図である。座標系は、図1〜図4と同じである。また、第1コンバイナー51と第2コンバイナー52の下端は密着され、第1コンバイナー51の光軸との接触面は、第2コンバイナー52の光軸との接触面に対して角度が+θ1傾いて配置されている。
第2コンバイナー52を一部が透過した透過率Tが96%の光は、第1コンバイナー51の表面で、上側に2θ1の方向に反射率Rが4%で反射する。よって反射光強度はTRである。この反射光は、第2コンバイナー52を再度通過し、一部が反射、一部が透過する。一部が反射した光の強度はTR2、一部が透過した光の強度はT2Rであり、この一部が透過した光が上側に2θ1の方向に反射する1次光となり、図2、図4における空間結像アイリス面g122と視域g123を形成する。
この一部が反射した光は、再度第1コンバイナー51に達し、表面で上側4θ1方向に再度一部が反射する。この反射光の強度は、TR3である。
この一部が反射した光は再再度第2コンバイナー52に達し、一部が透過、一部が反射する。一部が反射した光の強度はTR4、一部が透過した光の強度はT2R3であり、この一部が透過した光が上側に4θ1の方向に反射する2次光となる。この2次光の強度には、R3=(0.04)3の係数がかかっているので、1次光と比較して急激に減衰し、観察者から見えなくなる。
n次光は、上側に2nθ1の方向に、光強度T2R(2n−1)で一部が透過してくる。
すなわち、0次光から1次光への減衰率は、T2=(0.96)2でありほとんど減衰しないのに対し1次光から2次光への減衰率は、R2=(0.04)2であり急激に減衰する。また、2次光から3次光への減衰率は、R2=(0.04)2であり急激に減衰する。さらに、n次光からn+1次光への減衰率は、R2=(0.04)2であり急激に減衰する。よって、2枚構成積層コンバイナーを有する画像表示装置では、0次光と1次光の表示画像のみが観察者に視認され、かつ0次光と1次光の表示画像の明るさはほとんど同じとなる。さらに、2次以上の光の表示画像は、観察者にとって、ほとんど見えない。
なお、上述した例で説明したように、透過率Tと反射率Rとの間には、T≫Rの関係が成り立っている。
図7は、コンバイナーが3枚のモデルにおける光の多重反射、透過について説明する図である。座標系は、図1〜図4と同じである。また、第1コンバイナー51〜第3コンバイナー53の下端は密着され、第1コンバイナー51の光軸との接触面は、第2コンバイナー52の光軸との接触面に対して角度が+θ1傾いて配置され、第3コンバイナー53の光軸との接触面は、第2コンバイナー52の光軸との接触面に対して角度が−θ1傾いて配置されている。
また、図6と同様に、第1コンバイナー51〜第3コンバイナー53それぞれを直線として考える。また、図7に示した例では、第1コンバイナー51〜第3コンバイナー53それぞれの裏面にはモスアイ構造フィルム等の無反射処理が施してあるとし、裏面反射を考慮していない。
図7の下側の下側2θ1の方向に反射する0次光の強度はRであり、この0次光は、図3、図4の空間結像アイリス面g132と視域g133を形成する。
また、図7の中央の0°の方向に反射する1次光の強度はT2Rであり、この1次光は、図1、図4の空間結像アイリス面g112と視域g113を形成する。
さらに、図7の上側の上側2θ1の方向に反射する2次光の強度はT4R+T2R3であり、この2次光は、図2、図4の空間結像アイリス面g122と視域g123を形成する。
しかしながら、この2つのクロストーク率は、T2R3/T4R=(R/T)2=(0.04/0.96)2=1/576となる。よって、ノイズ成分が0.17%しか発生しないため、観察者には、ノイズ成分がほとんど見えない。
これにより、本実施形態によれば、3枚の多重積層コンバイナー50を用いた画像表示装置1では、設定3人がほぼ同じ光強度の明るい表示画像を視認することが可能で、設定3人以外の方向には光エネルギーがほとんど伝搬しない優れた特性を実現することができる。
次に、複数のコンバイナーによる透過光の多重屈折による表示画像の歪みについて説明する。
画像表示装置1では、コンバイナーを多重積層するため、入射光線の進行方向の奥に設置したコンバイナーの反射光で表示画像を表示する場合、上述したように、光は、手前のコンバイナーを数枚透過して表示される。この複数枚のコンバイナーを透過する場合に、複数のコンバイナー界面で屈折が複数回発生する。この物理現象により、光線の方向と位置が変化するため、表示画像に歪が発生する可能性がある。
人間の眼に入る光は、水晶体の瞳孔の直径2mm〜8mmのレンズ瞳を通過し網膜上に結像した像を見る。このため、この結像光線は、広がりのない、平行光が網膜上に結像するので、この主光線成分のみで画像歪を検討しても問題ないと考えられる。このため、図8では、画像情報は眼に入る主光線成分のみ記載してある。また、図8に示す例では、ほぼ平行光である。また、図8において、符号g301は、入力画像を表し、符号g302、g303は中間画像を表し、符号g304は出力画像を表している。ここで、中間画像とは、第1コンバイナー51〜第3コンバイナー53間で、形成される画像である。
第1コンバイナー51〜第3コンバイナー53それぞれの厚さをdとすると、厚みdに対し曲率半径が十分に大きい場合は、入射面と出射面がほぼ平行となる。入射界面で入射角をθ1、屈折角をθ2とすると、出射界面で入射角はθ2、屈折角はθ1となる。空気の屈折率をn1、コンバイナーの屈折率をn2とすると、スネル則より、n1・sinθ1=n2・sinθ2となる。
ここで、空気の屈折率がn1=1.0であり、第1コンバイナー51〜第3コンバイナー53の屈折率をn2=1.5とすると、Lは、d・θ2/2となる。
上述した例は、90°入射の場合なので、45°入射では、Lの最大値が、上述した値の半分程度である。これにより、第1コンバイナー51〜第3コンバイナー53の厚みが1cmあっても、5mm程度小さく見えるだけである。
このように、本実施形態の画像表示装置1では、ほとんど歪は発生しない。
第1コンバイナー51〜第3コンバイナー53の曲率半径が急激に変化すると入射角θ1が変化し、屈折角θ2が変化するので、できるだけ一様な曲率半径が望ましい。
また、例えばコンバイナーが3層であり、プロジェクター10に近い順に第3コンバイナー53、第2コンバイナー52、第1コンバイナー51が配置されている場合、第2コンバイナー52上に形成される実像g111に基づいて、入射光に対する0次光によって空間結像アイリス面g112の空中像が形成させる。また、第1コンバイナー51によって形成される虚像g121に基づいて、入射光に対する2次光によって空間結像アイリス面g122の空中像が形成させる。さらに、第3コンバイナー53によって形成される空中像g131に基づいて、入射光に対する0次光によって空間結像アイリス面g132の空中像が形成させる。これにより、本実施形態によれば、0次光から1次光への減衰率がほとんど減衰せず、1次光から2次信号光への減衰率ほとんど減衰しないのに対し、2次信号光から3次信号光への減衰率、2次ノイズ光から3次ノイズ光への減衰率が急激に減衰する。この結果、3枚の多重積層コンバイナー50を用いた画像表示装置1では、3人の観察者に、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を提供でき、3人以外の方向には光エネルギーがほとんど伝搬しない優れた特性を実現することができる。
すなわち、本実施形態によれば、コンバイナーがn枚の場合、n人の観察者に、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を提供でき、n人以外の方向には光エネルギーがほとんど伝搬しない優れた特性を実現することができる。
また、本実施形態では、上述したように拡散角θが所定の角度以下になるように設定されているので、同じ反射率のコンバイナーを用いた従来の画像表示装置と比較して表示画像を明るくすることができる。
また、本実施形態では、透過率96%程度なので、観察者は、明るい外界の景色を見ることができる。
また、本実施形態では、光の回折、干渉を使用しないインコヒーレント光光学系であり、コンバイナーは1回の表面反射のみで視域を形成するため色分離、色収差は発生しない。そして、本実施形態では、コンバイナーは、例えばアクリルドームの一部の形状の簡単な凹面透明反射鏡であるので、製造は非常に容易である。
また、本実施形態では、コンバイナーでは1回の表面反射光を使用するため高次回折光は発生しない。従って、本実施形態では、透過光である外界の景色の色分離は発生しないため、フロントガラスをして見るのと同等のきれいな画像を見ることができる。
また、本実施形態では、視域サイズを関係式に基づいて決定している。これにより、観察者は、表示画像が明るく見え、かつ外界の景色も明るく見ることができる。
また、本実施形態では、コンバイナーは透明アクリル凹面反射鏡であるので、散乱要素はなく、強い太陽光線が照射されても、太陽光線の虹のようなノイズが重畳したり、コントラストが悪化することはない。
また、本実施形態によれば、コンバイナーは透明アクリル凹面反射鏡であるので、ホログラム等と比較し製造容易であり、安価な画像表示装置1であるHUDを実現することができる。
第1実施形態では、第2コンバイナー52上に実像が形成される画像表示装置1の例を説明した。
画像表示装置1が車両に搭載されている場合、観察者は、第1コンバイナー51〜第3コンバイナー53を介して見える外界の風景に焦点を合わせている。第1実施形態における画像表示装置1において、表示画像情報を見る場合、観察者は、図1〜図4に示した虚像、実像、または空中像に焦点を合わせる必要がある。
このため、本実施形態では、コンバイナーの背景方向の位置に、全てのコンバイナーによって虚像が形成させる例を説明する。このように、コンバイナーの奥1m程度の位置に虚像を表示しておけば、ほとんど水晶体の調節を行わずに観察者は表示画像を見ることができる。
図9〜図12に示すように、画像表示装置1Aの構成は、画像表示装置1の構成と同じである。画像表示装置1Aと画像表示装置1との差異は、結像レンズ40と多重積層コンバイナー50との間隔である。なお、画像表示装置1と同じ機能を有する機能部には同じ符号を用いて説明を省略する。また、図1〜図4と同じ光線についても、同じ符号を用いる。また、図9〜図12の座標系は、図1〜図4と同じである。また、図9〜図12において、角度θ2は、tan−1{(bg/2ae(h+g))d0}である。距離eは、実像g241(1次画像の空中実像)から第2コンバイナー52の光軸の垂線との接触面までのx軸方向の距離であり、距離gは、第2コンバイナー52の主平面から第2コンバイナー52の虚像g211(図9、図12)までのx軸方向の距離である。
第1コンバイナー51、第2コンバイナー52、第3コンバイナー53は、実像g241からx軸方向に距離e離れて配置されている。なお、距離eの長さは、第1コンバイナー51〜第3コンバイナー53それぞれの焦点距離f2以下(e≦f2)である。また、焦点距離f2は、次式(7)かつ次式(8)の関係を満たしている。
また、第2コンバイナー52は、光軸(線b7)の垂線方向に虚像g211を形成する。虚像g211のy軸方向の大きさは、(bg/ae)d0である。第2コンバイナー52上の点p33とp34に結像した光線は、虚像g121上の点p35に結像し、第1コンバイナー51上の点p36とp37に結像した光線は、虚像g121上の点p38に結像する。
第2コンバイナー52は、虚像g211をプロジェクター10の光軸方向に反射させる。図9において、光線b32と光線b33は、主光線である。
また、第1コンバイナー51は、虚像g211に対して角度が+2θ1傾いた虚像g221を形成する。虚像g221のy軸方向の大きさは、(bg/ae)d0である。第1コンバイナー51上の点p43とp44に結像した光線は、虚像g221上の点p45に結像し、第1コンバイナー51上の点p46とp47に結像した光線は、虚像g221上の点p48に結像する。
第1コンバイナー51は、虚像g221をプロジェクター10の光軸に対して上方の角度が+2θ1方向に反射させる。図10において、光線b42と光線b43は、主光線であり、線b41は、光線b42と光線b43との中心線である。
また、第3コンバイナー53は、虚像g211に対して角度が−2θ1傾いた虚像g231を形成する。虚像g231のy軸方向の大きさは、(bg/ae)d0である。第3コンバイナー53上の点p53とp54に結像した光線は、虚像g231上の点p55に結像し、第3コンバイナー53上の点p56とp57に結像した光線は、虚像g231上の点p58に結像する。
第3コンバイナー53は、虚像g231をプロジェクター10の光軸(線b7)に対して下方の角度が−2θ1方向に反射させる。図11において、光線b52と光線b53は、主光線であり、線b51は、光線b52と光線b53との中心線である。
次に、第2コンバイナー52、第1コンバイナー51、および第3コンバイナー53それぞれによる空間結像アイリス面について説明する。
まず、第2コンバイナー52による空間結像アイリス面について説明する。
図9に示すように、第2コンバイナー52による虚像g211の主光線b32と主光線b33は、第2コンバイナー52の光軸の垂線との接触面からx軸方向に距離h離れた位置に、空間結像アイリス面g212を結像させる。この空間結像アイリス面g212のy軸方向サイズは、結像レンズのレンズ瞳径d1をh/(b+e)倍に拡大したものなので、{h/(b+e)}d1となる。
図10に示すように、虚像g121の主光線b12と主光線b13は、x軸方向に対して角度が+2θ1方向に反射する。このため、第1コンバイナー51は、第1コンバイナー51の光軸の垂線との接触面から距離h離れた位置に、空間結像アイリス面g222を、大きさ{h/(b+e)}d1で結像させる。この空間結像アイリス面g222前後にも、第2コンバイナー52による空間結像アイリス面g212(図9)と同様に、領域g223で示した無限遠五角形型またはダイヤモンド型の視域を形成する。また、空間結像アイリス面g222とこの視域の機能は、第2コンバイナー52と同様である。
第2コンバイナー52と第1コンバイナー51とが互いに式(5)の角度がθ1以上離れるように傾けて配置することで、表示同士にクロストークが発生しない。
図11に示すように、虚像g231の主光線b52と主光線b53は、x軸方向に対して角度が−2θ1方向に反射する。このため、第3コンバイナー53は、第3コンバイナー53の光軸の垂線との接触面から距離h離れた位置に、空間結像アイリス面g232を、大きさ{h/(b+e)}d1で結像させる。この空間結像アイリス面g232前後にも、第2コンバイナー52による空間結像アイリス面g212(図9)と同様に、領域g233で示した無限遠五角形型またはダイヤモンド型の視域を形成する。また、空間結像アイリス面g232とこの視域の機能は、第2コンバイナー52と同様である。
例えば、第1コンバイナー51〜第3コンバイナー53が3枚の場合、図7において、T4Rの2次光は、一番奥の第2の虚像g212を表示し、T4Rの2次光は、第2コンバイナー52、第3コンバイナー53、第2コンバイナー52と3回反射した鏡面対称の位置の像上を表示している。
このため、図9の空間結像アイリス面g212と視域g213の中では、一番奥の第2の虚像g221(図10)と第2コンバイナー52、第3コンバイナー53、第2コンバイナー52と3回反射した鏡面対称の位置の像が同時に見え、重畳するためクロストークが発生する。
しかしながら、このクロストークも第1実施形態と同様に、第1コンバイナー51〜第3コンバイナー53それぞれの反射率が4%、透過率が96%の場合、観察者は、ノイズ成分が0.17%しか発生しないため、ノイズ成分がほとんど見えない。
また、第1コンバイナー51〜第3コンバイナー53のx軸方向の厚みが厚い場合、裏面反射による2重像が発生するので、第2実施形態においても第1コンバイナー51〜第3コンバイナー53それぞれの裏面には反射防止用のフィルムであるモスアイ構造フィルムまたはARコートなどを施すことが望ましい。
ただし、上記において、符号cは第2実施形態における符号eであり、符号dは第2実施形態における符号gであり、符号eは第2実施形態における符号hである。
すなわち、本実施形態によれば、コンバイナーがn枚の場合、n人の観察者に、従来技術より表示画像同士の明るさが近い表示画像を提供でき、n人以外の方向には光エネルギーがほとんど伝搬しない優れた特性を実現することができる。
第1実施形態および第2実施形態では、第1コンバイナー51〜第3コンバイナー53が、透明凹面反射鏡である例を説明した。
本実施形態では、一番奥に配置されている第1コンバイナー51の表面または裏面が黒色に、例えば塗装または蒸着されている例を説明する。
図13は、本実施形態に係る画像表示装置1Cの構成と第2コンバイナー52による空間結像アイリス面g112、第1コンバイナー51cによる空間結像アイリス面g122、第3コンバイナー53による空間結像アイリス面g132を示す図である。なお、図13に示す例は、視域の形状が無限遠五角形の例を示しているが、ダイヤモンド型であってもよい。また、図13の座標系は、図1〜図4と同じである。
図13に示すように、画像表示装置1Cは、プロジェクター10(投影部)、拡散フィルム20(投影部)、集光レンズ30(投影部)、結像レンズ40(投影部)、および多重積層コンバイナー50Cを含んで構成される。また、多重積層コンバイナー50Cは、第1コンバイナー51c(黒色凹面反射鏡)、第2コンバイナー52(透明凹面反射鏡)、および第3コンバイナー53(透明凹面反射鏡)を備えている。なお、画像表示装置1と同じ機能を有する機能部には同じ符号を用いて説明を省略する。なお、図13に示すように、第1コンバイナー51c、第2コンバイナー52、第3コンバイナー53それぞれは、プロジェクター10側に凹面を有する。
第2コンバイナー52、第3コンバイナー53それぞれは、透明アクリルまたは透明ガラスの透明凹面反射鏡である。第1コンバイナー51cは、凹面反射鏡であり、裏面g441が、黒色に、例えば塗装または蒸着されている。実施形態では、表面または裏面に黒色面を備える凹面反射鏡を、黒色凹面反射鏡という。
図14は、本実施形態に係る画像表示装置1Dの構成と第2コンバイナー52による空間結像アイリス面g212、第1コンバイナー51cによる空間結像アイリス面g222、第3コンバイナー53による空間結像アイリス面g232を示す図である。なお、図14に示す例は、視域の形状がダイヤモンド型の例を示しているが、無限遠五角形であってもよい。また、図14の座標系は、図1〜図4と同じである。
図14に示すように、画像表示装置1Dは、プロジェクター10(投影部)、拡散フィルム20(投影部)、集光レンズ30(投影部)、結像レンズ40(投影部)、および多重積層コンバイナー50Cを含んで構成される。また、多重積層コンバイナー50Cは、第1コンバイナー51c(黒色凹面反射鏡)、第2コンバイナー52(透明凹面反射鏡)、および第3コンバイナー53(透明凹面反射鏡)を備えている。なお、画像表示装置1と同じ機能を有する機能部には同じ符号を用いて説明を省略する。
第2コンバイナー52、第3コンバイナー53それぞれは、透明アクリルまたは透明ガラスの透明凹面反射鏡である。第1コンバイナー51cは、黒色凹面反射鏡である。なお、図14に示すように、第1コンバイナー51c、第2コンバイナー52、第3コンバイナー53それぞれは、プロジェクター10側に凹面を有する。
第1実施形態〜第3実施形態では、プロジェクター10を用いて運転情報等の画像を投影する例を説明したが、画像を投影する装置は、プロジェクター10に限られない。
本実施形態では、液晶パネルを用いて画像を投影する例を説明する。なお、第1実施形態の画像表示装置1に液晶パネルを適用する例を説明するが、第2実施形態の画像表示装置1A、第3実施形態の画像表示装置1C、1Dにも、同様に液晶パネルを適用することができる。
図15〜図18に示すように、画像表示装置1Eは、投影部60、および多重積層コンバイナー50を含んで構成される。また、多重積層コンバイナー50は、第1コンバイナー51(透明凹面反射鏡)、第2コンバイナー52(透明凹面反射鏡)、および第3コンバイナー53(透明凹面反射鏡)を備えている。すなわち、画像表示装置1Eと画像表示装置1との差異は、投影部60である。
投影部60は、LED61、テーパーロッドライクインテグレータ62、ランプ光学系レンズ63、拡散フィルム20、液晶パネル65、集光レンズ30、結像レンズ40が光軸(線b7)に沿って順に配置されている。
また、拡散フィルム20には、液晶パネル65がx軸方向に密着されている。
なお、テーパーロッドライクインテグレータ62、ランプ光学系レンズ63、集光レンズ30、および結像レンズ40それぞれは、光軸(線b7)に合わせて配置されている。
LED61は、例えば赤色、青色、緑色の3個で構成される。LED61には、画像出力装置(不図示)が接続されている。LED61は、画像出力装置が出力した画像をテーパーロッドライクインテグレータ62、ランプ光学系レンズ63を介して拡散フィルム20に投影する。光線b61、光線b62は、テーパーロッドライクインテグレータ62から出射される画像の光線を示している。
集光レンズ30は、液晶パネル65から出射された画像の光線を結像レンズ40のレンズ瞳内へ方向を変えて入射する。
図16、図18に示すように、第1コンバイナー51によって虚像g121が形成される。そして虚像g121によって空間結像アイリス面g122および視域g123が形成される。
図17、図18に示すように、第3コンバイナー53によって空中像g131が形成される。そして空中像g131によって空間結像アイリス面g132および視域g133が形成される。
第1実施形態〜第4実施形態では、第2コンバイナー52の光軸の垂線との接触面に対する第1コンバイナー51の光軸の垂線との接触面の角度+θ1(第1角度)の絶対値と、第2コンバイナー52の光軸の垂線との接触面に対する第3コンバイナー53の光軸の垂線との接触面の角度−θ1(第2角度)の絶対値とが同じ場合を説明したが、第1角度の絶対値と第2角度の絶対値とが、異なっていてもよい。
本実施形態では、第1角度の絶対値と第2角度の絶対値とが異なっている例を説明する。なお、第1実施形態の画像表示装置1を例に説明するが、第2実施形態の画像表示装置1A、第3実施形態の画像表示装置1C、1D、第4実施形態の画像表示装置1Eでも、第1角度の絶対値と第2角度の絶対値とが異なっていてもよい。
第1実施形態〜第4実施形態、第1実施形態〜第4実施形態における第1の変形例、第1実施形態〜第4実施形態における第2の変形例では、複数枚積層したコンバイナーが全て同じ焦点距離であるので、画像表示装置(1、1A、1C、1D、1E、1’)から画像が見る位置までの距離が、全てのコンバイナーからほぼ同じ距離の設定である。
本実施形態では、画像表示装置1’’から画像が見る位置までの距離が異なる例を説明する。
Claims (19)
- プロジェクターの投射画像をサイズd0の1次画像として、角度的均一拡散フィルム上に、または通常の拡散フィルム上に結像させ、この拡散フィルムに、焦点距離f0の集光レンズを密着設置し、この集光レンズからほぼ距離f0=aだけ離れた位置に1枚または複数枚よりなる合成焦点距離f1:((1/a)+(1/b)=(1/f1))でレンズ瞳径がd1の結像レンズを設置し、この結像レンズにより、この結像レンズ主平面からほぼ距離b離れた位置に1次画像の空中実像をほぼ拡大倍率b/a倍で、結像させ、このサイズがほぼ(b/a)d0の空中像近傍に、複数枚の、焦点距離f2:((1/b)+(1/c)=(1/f2))の反射率4%〜50%程度の透明凹面反射鏡を、互いに角度を、θ1:(θ1≧(1/2)tan−1(d1/b))程度変化さて、互いに接触する程度の間隔で積層し、それぞれの透明凹面反射鏡の反射主光線方向にほぼ距離c離れた位置に、結像レンズのレンズ瞳の空中像を、拡大倍率がほぼc/b倍であるサイズ(c/b)d1で結像させ、このレンズ瞳の空中像の前後に、(c/b)d1≧(b/a)d0の場合、無限遠5角形視域、(c/b)d1<(b/a)d0の場合、ダイヤモンド形視域を形成することを特徴とする画像表示装置。
- プロジェクターの投射画像をサイズd0の1次画像として、角度的均一拡散フィルム上に、または通常の拡散フィルム上に結像させ、この拡散フィルムに、焦点距離f0の集光レンズを密着設置し、この集光レンズからほぼ距離f0=aだけ離れた位置に1枚または複数枚よりなる合成焦点距離f1:((1/a)+(1/b)=(1/f1))でレンズ瞳径がd1の結像レンズを設置し、この結像レンズにより、この結像レンズ主平面からほぼ距離b離れた位置に1次画像の空中実像をほぼ拡大倍率b/a倍で、結像させ、このサイズがほぼ(b/a)d0の空中像からほぼ距離c:(c≦f2)離れた位置に、複数枚の、焦点距離f2:((1/c)−(1/d)=(1/f2))の反射率4%〜50%程度の透明反射凹面鏡を、互いに角度を、θ1:(θ1≧(1/2)tan−1(d1/(b+c))程度変化さて、互いに接触する程度の間隔で積層し、それぞれの透明凹面反射鏡の奥方向に距離d離れた位置に1次画像の虚像を、拡大倍率bd/ac倍のサイズ(bd/ac)d0で形成し、それぞれの透明凹面反射鏡の反射主光線方向にほぼ距離e離れた位置に、結像レンズのレンズ瞳の空中像を、拡大倍率がほぼe/(b+c)倍であるサイズ(e/(b+c))d1で結像させ、このレンズ瞳の空中像の前後に、(e/(b+c))d1≧(bd/ac)d0の場合、無限遠5角形視域、(e/(b+c))d1<(bd/ac)d0の場合、ダイヤモンド形視域、を形成することを特徴とする画像表示装置。
- 画像を投影する投影部と、
前記投影部の光軸に対する凹面反射鏡の光軸との接触面が、互いに異なる角度で配置されている複数枚の凹面反射鏡と、
を備え、
前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第1の凹面反射鏡は、前記投影部によって投影された画像の少なくとも一部を反射し、前記画像に基づく第1の像を形成し、
前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第2の凹面反射鏡は、前記投影部によって投影された画像の一部を透過し、前記画像の一部を反射し、前記画像に基づく第2の像を形成する、
画像表示装置。 - 前記投影部は、前記画像を結像する結像レンズ、を備え、
前記第1の凹面反射鏡、前記第2の凹面反射鏡、および前記第1の凹面反射鏡と前記第2の凹面反射鏡との間の位置うちのいずれか1つが、前記結像レンズによって結像される実像の位置に配置され、
前記第1の像は、前記第1の凹面反射鏡によって形成される実像、虚像、および空中像のうちの1つに基づいて形成され、
前記第2の像は、前記第2の凹面反射鏡によって形成される実像、虚像、および空中像のうちの1つに基づいて形成され、
前記第2の凹面反射鏡によって形成される実像、虚像、および空中像のうちの1つの像の種類は、前記第1の凹面反射鏡によって形成される実像、虚像、および空中像のうちの1つの像の種類と異なっている、請求項3に記載の画像表示装置。 - 前記投影部は、前記画像を結像する結像レンズ、を備え、
前記第2の凹面反射鏡は、前記結像レンズからの距離が、前記結像レンズによって結像される実像の位置より遠くに配置され、
前記第1の像は、虚像に基づく像であり、
前記第2の像は、虚像に基づく像である、請求項3に記載の画像表示装置。 - 前記第1の像および前記第2の像それぞれの拡散角は、
前記複数枚の凹面反射鏡それぞれと対応する前記空中像との距離に基づいてそれぞれ算出される角度以内である、
請求項4に記載の画像表示装置。 - 前記投影部は、
前記投影された画像の光線を拡散する拡散フィルムと、
前記拡散フィルムによって拡散された光線を集光する集光レンズと、
を備え、
前記結像レンズは、前記集光レンズによって集光された光線を結像させ、
前記投影部が投影する画像の大きさがd0であり、
前記結像レンズのレンズ瞳径がd1であり、
前記集光レンズと前記結像レンズとの距離がaであり、
前記結像レンズと前記第2の凹面反射鏡との光軸方向の距離がbであり、
前記結像レンズの焦点距離f1は、{(1/a)+(1/b)=(1/f1)}の関係式を満たし、
前記第1の像および前記第2の像は、前記光軸方向に前記実像から距離cの位置に形成され、
前記第1の凹面反射鏡と前記第2の凹面反射鏡それぞれの焦点距離f2は、(1/b)+(1/c)=(1/f2)}の関係式を満たし、
前記第1の像および前記第2の像それぞれの大きさは、(c/b)d1である、請求項4に記載の画像表示装置。 - 前記第1の凹面反射鏡の前記光軸との接触面と、前記第2の凹面反射鏡の前記光軸との接触面との角度θ1は、{|θ1|≧(1/2)tan−1(d1/b)}の関係式を満たす、請求項7に記載の画像表示装置。
- 前記第1の像および前記第2の像の前後に、{(c/b)d1≧(b/a)d0}の場合、無限遠五角形の視域を形成し、{(c/b)d1<(b/a)d0}の場合、六角形の視域を形成する、請求項5または請求項8に記載の画像表示装置。
- 前記投影部は、
前記投影された画像の光線を拡散する拡散フィルムと、
前記拡散フィルムによって拡散された光線を集光する集光レンズと、
を備え、
前記結像レンズは、前記集光レンズによって集光された光線を結像させ、
前記集光レンズのレンズ瞳径がd0であり、
前記結像レンズのレンズ瞳径がd1であり、
前記集光レンズと前記結像レンズとの距離がaであり、
前記結像レンズと前記結像レンズによって結像される実像の光軸方向の距離がbであり、
前記複数枚の凹面反射鏡のうちのいずれか1つと前記実像との光軸方向の距離、または前記複数枚の凹面反射鏡の間の位置と前記実像との光軸方向の距離がeであり、
前記結像レンズの焦点距離f1は、{(1/a)+(1/b)=(1/f1)}の関係式を満たし、
前記第1の像および前記第2の像は、前記第1の凹面反射鏡と前記第2の凹面反射鏡それぞれの反射光の進行方向に、前記複数枚の凹面反射鏡のうちのいずれか1つから距離hの位置、または前記複数枚の凹面反射鏡の間の位置から距離hの位置に形成され、
前記第2の凹面反射鏡による虚像と、前記第2の凹面反射鏡との距離がgであり、
前記第1の凹面反射鏡と前記第2の凹面反射鏡それぞれの焦点距離f2は、[{(1/e)−(1/g)}=(1/f2)]の関係式を満たし、かつ[{1/(b+e)}+(1/h)=(1/f2)]の関係式を満たし、
前記第1の像および前記第2の像それぞれの大きさは、{h/(b+e))}d1である、請求項5に記載の画像表示装置。 - 前記第1の凹面反射鏡の前記光軸との接触面と、前記第2の凹面反射鏡の前記光軸との接触面との角度θ1は、[|θ1|≧(1/2)tan−1{d1/(b+e)}}の関係式を満たす、請求項10に記載の画像表示装置。
- 前記第1の像および前記第2の像の前後に、{h/(b+e)}d1≧{(bg/ae)d0}の場合、無限遠五角形の視域を形成し、{h/(b+e)}d1<{(bg/ae)d0}の場合、六角形の視域を形成する、請求項10または請求項11に記載の画像表示装置。
- 前記複数枚の凹面反射鏡は、3枚以上であり、
前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第3の凹面反射鏡は、前記投影部と前記第1の凹面反射鏡との間に配置され、前記投影部によって投影された画像の一部を反射し、前記画像に基づく第3の空中像を形成し、
前記第2の凹面反射鏡は、前記第1の凹面反射鏡と前記第3の凹面反射鏡との間に配置されている、請求項3から請求項11のいずれか1項に記載の画像表示装置。 - 前記複数枚の凹面反射鏡は、3枚以上であり、
前記複数枚の凹面反射鏡のうちの第3の凹面反射鏡は、前記投影部と前記第1の凹面反射鏡との間に配置され、前記投影部によって投影された画像の一部を反射し、前記画像に基づく第3の空中像を形成し、
前記第2の凹面反射鏡は、前記第1の凹面反射鏡と前記第3の凹面反射鏡との間に配置され、
前記光軸の垂線に対する前記第1の凹面反射鏡の前記光軸との接触面の第1の角度と、前記光軸の垂線に対する前記第2の凹面反射鏡の前記光軸との接触面の第2の角度との第1の差と、
前記第2の角度と、前記光軸の垂線に対する前記第3の凹面反射鏡の前記光軸との接触面の第3の角度との第2の差とが互いに異なっている、請求項3から請求項13のいずれか1項に記載の画像表示装置。 - 前記複数枚の凹面反射鏡それぞれの焦点距離が同じ値のf2である、請求項3から請求項14のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記複数枚の凹面反射鏡それぞれの焦点距離が互いに異なる値である、請求項3から請求項14のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記複数枚の凹面反射鏡の表面または裏面に反射防止のモスアイ構造フィルムおよびARコートのうち、少なくとも1つが施されている、請求項3から請求項16のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記第1の凹面反射鏡は、裏面が黒色である、請求項3から請求項17のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記投影部は、プロジェクター、または液晶パネルとレンズとの組み合わせのうち、少なくとも1つを含む、請求項3から請求項18のいずれか1項に記載の画像表示装置。
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