JP2018040921A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を伴うことなく、好適に視点の移動に対応可能な表示装置を提供する。【解決手段】ヘッドアップディスプレイは、利用者の前方風景に重畳して虚像ＩＶを表示する表示装置であって、虚像ＩＶを構成する光を出射する光源部１と、光源部１から出射された虚像ＩＶを構成する光を反射する凹面鏡３と、を備える。そして、凹面鏡３は、反射面に凹面形状を有し、当該反射面の中心部よりも端部の曲率のほうが小さい形状を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、虚像として画像を視認させる表示装置に関する。

従来から、ユーザの目の位置（アイポイント）から虚像として画像を視認させるヘッドアップディスプレイなどの表示装置が知られている。例えば、特許文献１には、運転者のアイポイントの上下に応じて光源及びコンバイナが上下方向にそれぞれ位置変更可能に構成されたヘッドアップディスプレイが開示されている。

特開２００２−０５２９５３号公報

特許文献１に記載のように、視点の移動に応じて光源及びコンバイナを移動させる構成を採用した場合には、光源とコンバイナとの両方に位置調整機構が必要となり、装置が大型化するという問題が発生する。また、光源及びコンバイナ等の位置調整機構を備えることなく虚像を視認可能な視点の範囲（所謂アイボックス）を拡大するには、コンバイナ等を拡大させる必要があり、同様に装置が大型化するという問題が発生する。

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、装置の大型化を伴うことなく、視点の移動に適切に対応することが可能な表示装置を提供することを主な目的とする。

請求項１に記載の発明は、利用者の前方風景に重畳して虚像を表示する表示装置であって、前記虚像を構成する光を出射する光源部と、前記光源部から出射された前記虚像を構成する光を反射する反射部と、を備え、前記反射部は、反射面に凹面形状を有し、当該反射面の中心部よりも端部の曲率のほうが小さい形状を有することを特徴とする。

ヘッドアップディスプレイの概略構成図である。 局所的に曲率を小さくした凹面鏡を採用した場合の図１と等価な光学系の概略図である。 図２の状態からアイボックスの外周付近にアイポイントを移動させた場合の光学系の概略図である。 アイボックスとの相対位置関係を明示した虚像の表示例である。 曲率を小さくする領域を明示した凹面鏡の正面図である。 中心部から端部にかけて曲率を除変させた凹面鏡を採用した場合の図１と等価な光学系の概略図である。 図６の状態からアイボックスの外周付近にアイポイントを移動させた場合の光学系の概略図である。 アイボックスとの相対位置関係を明示した虚像の表示例である。 曲率の大小関係を明示した凹面鏡の正面図である。

本発明の１つの好適な実施形態では、利用者の前方風景に重畳して虚像を表示する表示装置であって、前記虚像を構成する光を出射する光源部と、前記光源部から出射された前記虚像を構成する光を反射する反射部と、を備え、前記反射部は、反射面に凹面形状を有し、当該反射面の中心部よりも端部の曲率のほうが小さい形状を有する。この構成によれば、表示装置は、反射部の外形を拡大することなく、虚像を視認可能な視点の範囲（所謂アイボックス）を好適に拡大することができる。

上記表示装置の一態様では、前記反射部の複数の端部のうち少なくとも１つの端部において、前記中心部よりも曲率が小さい形状を有する。この態様により、曲率を小さくした端部に対応する方向にアイボックスを好適に拡大させることができる。

上記表示装置の他の一態様では、前記反射部の複数の端部は略長方形を構成し、平行な前記端部の組み合わせのうちいずれかの組み合わせにおいて、前記反射面の中心部よりも端部の曲率のほうが小さい形状を有する。この態様によれば、虚像の歪みの方向が一方向になるため、虚像の視認性の低下を好適に抑制することができる。

上記表示装置の他の一態様では、前記反射部の複数の端部の全てにおいて、前記中心部よりも曲率が小さい形状を有する。この態様によれば、アイボックスを左右方向及び上下方向の両方向において好適に拡大させることができる。

上記表示装置の他の一態様では、前記虚像を視認可能な視点の範囲のうち、少なくとも前記範囲の中心において視認される前記虚像を構成する光が照射される前記反射面の曲率は均一である。この態様によれば、表示装置は、標準的な位置で虚像を観察した場合に、観察者に歪みのない虚像を好適に視認させることができる。

上記表示装置の他の一態様では、前記反射面は、前記中心部から前記端部にかけて前記曲率が徐変している。この態様によれば、歪みの度合が徐々に変化するため、虚像に発生した歪みに対する違和感を好適に低減させることができる。

上記表示装置の好適な例では、表示装置は、ヘッドアップディスプレイである。上記ヘッドアップディスプレイの好適な例では、前記反射部は、前記光の一部を反射して前記利用者の目に導くコンバイナである。上記ヘッドアップディスプレイの他の好適な例では、前記反射部は、前記光をウィンドシールドへ向けて反射する凹面鏡である。これらの例によれば、ヘッドアップディスプレイにおけるアイボックスを好適に拡大することができる。

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。

［概略構成］
図１（Ａ）は、ヘッドアップディスプレイの概略構成図である。ヘッドアップディスプレイは、ウィンドシールド２５及びダッシュボード２９を備える車両の搭乗者に虚像「ＩＶ」を視認させるシステムであって、主に、光源部１と、スクリーン２と、凹面鏡３Ａと、を備える。

光源部１は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色のレーザ素子を有し、画像信号に基づいて変調されたレーザの合成光を、ＭＥＭＳミラーでスクリーン２上に走査する。

スクリーン２は、光源部１から照射された光に基づき中間像「ＩＭ」を生成する透過型の光学部材であって、光源部１から照射された光の発散角を広げることで射出瞳を拡大する。スクリーン２は、例えば、複数のマイクロレンズが配列されたマイクロレンズアレイである。スクリーン２から出射された光は、凹面鏡３Ａに入射する。

凹面鏡３Ａは、スクリーン２から出射されたレーザ光を反射し、ウィンドシールド２５へ到達させる。この場合、凹面鏡３Ａは、レーザ光を反射することで、当該光が示す画像を拡大させる。凹面鏡３Ａで反射されたレーザ光は、さらにウィンドシールド２５で反射され、観察者の目の位置（「アイポイントＰｅ」とも呼ぶ。）へ到達する。これにより、観察者は、虚像ＩＶを視認する。

なお、図１（Ａ）に示すヘッドアップディスプレイの構成は一例であり、本発明が適用可能な構成は、これに限定されない。図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、ヘッドアップディスプレイの他の構成例を示す。図１（Ｂ）に示すヘッドアップディスプレイは、反射型のスクリーン２Ａを有し、当該スクリーン２Ａにより、光源部１から照射された光の拡散角を広げることで射出瞳を拡大する構成を有する。図１（Ｃ）に示すヘッドアップディスプレイは、ウィンドシールド２５とアイポイントＰｅとの間に半透明の凹面鏡であるコンバイナ３Ｂを設け、光源部１とスクリーン２を適切に配置し、レーザ光をコンバイナ３Ｂで反射することで、光源部１のレーザ光をアイポイントＰｅへ到達させて虚像ＩＶを運転者に視認させる構成となっている。なお、図１（Ｃ）に示すヘッドアップディスプレイは、図１（Ｂ）の構成と同様に、スクリーン２に代えて反射型のスクリーン２Ａを有し、光源部１から照射された光をスクリーン２Ａで反射させてコンバイナ３Ｂに到達させる構成であってもよい。

以後では、図１（Ａ）、（Ｂ）に示す凹面鏡３Ａ及び半透明の凹面鏡であるコンバイナ３Ｂを、「凹面鏡３」と総称する。

［凹面鏡の詳細］
本実施例では、凹面鏡３は、少なくとも１つの端部において中心部よりも曲率が小さい形状を有する。これにより、虚像ＩＶを視認可能な視点の範囲（所謂アイボックス）を好適に拡大する。以後では、凹面鏡３の端部付近の曲率を局所的に小さくした構成と、凹面鏡３の中心部から端部にかけて曲率を徐変させた構成とについてそれぞれ説明する。

（１）局所的に曲率を小さくした構成
図２は、局所的に曲率を小さくした凹面鏡３を採用した場合のヘッドアップディスプレイの光学系の概略図である。図２には、アイポイントＰｅと、凹面鏡３（３Ａ、３Ｂ）と、図１（Ａ）〜（Ｃ）のスクリーン２、２Ａにおいて生成される中間像ＩＭと、凹面鏡３で反射された光に基づき視認される虚像ＩＶとが示されている。

図２に示す凹面鏡３は、所定の曲率を有する主要部３０と、主要部３０よりも曲率が小さく（即ち曲率半径が大きく）構成された端部３１Ａ、３１Ｂとを有する。ここで、端部３１Ａ、３１Ｂは、例えば、略長方形に形成された凹面鏡３の短手方向又は長手方向のいずれかの両端を形成する。

そして、図２の例では、アイポイントＰｅはアイボックスの中心付近に存在し、観察者は端部３１Ａ、３１Ｂを介すことなく虚像ＩＶを視認する。この場合、曲率が均一な主要部３０のみを使用するため、観察者が視認する虚像ＩＶに歪みが生じない。

図３は、図２の状態からアイボックスの外周付近にアイポイントＰｅを移動させた場合の光学系の概略図である。なお、図３において、矢印「Ａ１」は、仮に端部３１Ａ、３１Ｂを主要部３０と同一の曲率にした場合のアイボックス（「従来アイボックス」とも呼ぶ。）の範囲を示す。

図３の例では、アイポイントＰｅは、従来アイボックスの外に存在する。この場合であっても、本実施例に係るヘッドアップディスプレイでは、端部３１Ａ、３１Ｂの曲率を主要部３０よりも小さく設計したことにより、観察者に虚像ＩＶの全体を視認させることが可能となっている。この場合、虚像ＩＶの一部（矢印Ａ２参照）は、端部３１Ａ、３１Ｂを使用して視認される。ここで、曲率が小さい端部３１Ａ、３１Ｂについては、主要部３０よりも光学系の倍率が小さいため、矢印Ａ２が示す虚像ＩＶの部分は、主要部３０を使用して視認される虚像ＩＶの他の部分よりも低い倍率により表示される。

図４（Ａ）は、図２の例と同様にアイボックスの中心付近にアイポイントＰｅが存在する場合の虚像ＩＶの表示例である。また、図４（Ｂ）は、図３の例と同様に従来アイボックスの外にアイポイントＰｅが存在する場合の虚像ＩＶの表示例である。図４（Ａ）、（Ｂ）では、アイボックスに対する虚像ＩＶの相対位置を概略的に示している。図４（Ａ）、（Ｂ）では、上下方向及び左右方向に等間隔でグリッド線を引いた長方形を虚像ＩＶとして表示させている。なお、図４（Ｂ）の例では、アイポイントＰｅは、左右方向において従来アイボックスから外れているものとし、端部３１Ａ、３１Ｂは、凹面鏡３の左端及び右端に相当するものとする。

図４（Ａ）に示すように、アイボックスの中心付近にアイポイントＰｅが存在する場合には、グリッド線が上下及び左右に均等に並んであり、歪みが発生していない。また、図４（Ｂ）の例においても、主要部３０を利用して表示された虚像ＩＶの部分（矢印Ａ３参照）については、図４（Ａ）の例と同様にグリッド線が上下及び左右に均等に並んであり、歪みが発生していない。一方、端部３１Ａ又は端部３１Ｂを利用して表示された虚像ＩＶの部分（矢印Ａ４参照）については、グリッド線の左右方向における間隔が相対的に短くなっている。そして、図４（Ｂ）の例では、一部に歪みが生じているものの、虚像ＩＶの全体が観察者によって視認可能となっている。このように、本実施例に係るヘッドアップディスプレイでは、従来アイボックスの外にアイポイントＰｅが存在する場合であっても、虚像ＩＶの全体を視認することが可能となっており、アイボックスが拡大している。

ここで、曲率を主要部３０よりも小さくする端部３１Ａ、３１Ｂの配置について、図５を参照して補足説明する。

図５（Ａ）〜（Ｃ）は、曲率を小さくする領域を明示した凹面鏡３の正面図を示す。図５（Ａ）の例では、凹面鏡３の左端部及び右端部を主要部３０よりも曲率が小さい端部３１Ａ、３１Ｂとしており、この場合には、アイボックスを左右方向において拡大することができる。また、図５（Ｂ）の例では、凹面鏡３の上端部及び下端部を主要部３０よりも曲率が小さい端部３１Ａ、３１Ｂとしており、この場合には、アイボックスを上下方向において拡大することができる。また、図５（Ｃ）の例では、凹面鏡３の全外周部（即ち左右方向及び上下方向の両方の端部）を主要部３０よりも曲率が小さい端部３１としており、この場合には、アイボックスを、従来アイボックスに対して上下方向及び左右方向の両方向において拡大することができる。

なお、凹面鏡３の形状は、図５（Ａ）〜（Ｃ）等に示すように正面視において矩形形状を有する場合に限られない。例えば、凹面鏡３は、正面視において四隅に丸みを帯びていてもよい。他の例では、凹面鏡３は、正面視において半円（又は半楕円）形状であってもよい。また、凹面鏡３の４つの端部（右端、左端、上端、下端）のいずれか一つの端部の曲率のみが小さく設計されていてもよい。

（２）凹面鏡の中心部から端部にかけて曲率を徐変させた構成
図６は、中心部から端部にかけて曲率を除変させた凹面鏡３を採用した場合のヘッドアップディスプレイの光学系の概略図である。なお、図６では、中心部から端部にかけて曲率を除変させた凹面鏡３に加えて、中心部から端部までの曲率が均一に構成された凹面鏡３Ｘについても比較のために図示している。図６に示すように、凹面鏡３は、中心部から端部にかけて徐々に曲率が小さく（即ち曲率半径が大きく）なるように構成されており、端部の曲率が最も小さくなっている。

図７は、図６の状態からアイボックスの外周付近にアイポイントＰｅを移動させた場合の光学系の概略図である。なお、図７において、矢印Ａ５は、仮に凹面鏡３に代えて凹面鏡３Ｘを使用した場合のアイボックス（即ち従来アイボックス）の範囲を示す。

図７の例では、凹面鏡３Ｘを使用した場合のアイボックスの外にアイポイントＰｅが存在する。この場合であっても、凹面鏡３の曲率を中心部から端部にかけて徐々に小さくする構成としたことにより、アイポイントＰｅから虚像ＩＶを視認することが可能となっている。

図８（Ａ）は、図６の例と同様にアイボックスの中心付近にアイポイントＰｅが存在する場合の虚像ＩＶの表示例である。また、図８（Ｂ）は、図７の例と同様にアイボックスの外周付近にアイポイントＰｅが存在する場合の虚像ＩＶの表示例である。なお、凹面鏡３は、左右方向に曲率が除変しているものとし、図８（Ｂ）でのアイポイントＰｅは、左右方向におけるアイボックスの端部に存在するものとする。

図８（Ａ）に示すように、アイボックスの中心付近にアイポイントＰｅが存在する場合であっても、利用する凹面鏡３の部分の曲率が除変していることから、視認される虚像ＩＶは、左右方向において徐々に歪んでいる。具体的には、虚像ＩＶは、中心位置から離れた部分ほど小さい倍率により表示されている。一方、この場合の虚像ＩＶの歪みの度合いは、左右方向の中心から端にかけて徐々に（即ち連続的に）変化するため、虚像ＩＶの歪みの度合いが段階的に変化する場合と比較して、観察者の違和感は相対的に小さい。また、図８（Ｂ）の例においても同様に、利用する凹面鏡３の部分の曲率が除変していることから、視認される虚像ＩＶは、アイボックスの中心位置から離れて表示される部分ほど小さく表示され、歪みが大きくなる。一方、この場合においても、虚像ＩＶの歪みの度合いは、左右方向において徐々に変化するため、虚像ＩＶの歪みの度合いが段階的に変化する場合と比較して、観察者の違和感は相対的に低い。

このように、中心部から端部にかけて曲率を除変させた凹面鏡３を採用した場合、アイボックスの中心付近にアイポイントＰｅが存在する場合にも虚像ＩＶに歪みが発生する一方で、発生する歪みの度合いが連続的に変化するため、虚像ＩＶの歪みに対する観察者の違和感を好適に低減させることができる。

ここで、凹面鏡３の曲率は、凹面鏡３の左右方向を基準として徐々に変化するものであってもよく、これに代えて、またはこれに加えて、凹面鏡３の上下方向を基準として徐々に変化するものであってもよい。図９（Ａ）〜（Ｃ）は、位置ごとの曲率の関係を明示した凹面鏡３の正面図を示す。図９（Ａ）の例では、左右方向を基準として凹面鏡３の中心から離れた位置ほど曲率が徐々に小さくなっており、この場合、アイボックスを左右方向において拡大することができる。また、図９（Ｂ）の例では、上下方向を基準として凹面鏡３の中心から離れた位置ほど曲率が徐々に小さくなっており、この場合にはアイボックスを上下方向において拡大することができる。また、図９（Ｃ）の例では、方向によらず凹面鏡３の中心位置から離れた位置ほど当該位置での曲率が小さくなるように構成されており、この場合、アイボックスを左右方向及び上下方向の両方向において拡大することができる。

なお、凹面鏡３は、図９の例に代えて、凹面鏡３の４つの端部（右端、左端、上端、下端）のうち一つの端部を対象として、中心部から当該端部へかけて曲率が徐々に小さくなるように構成されていてもよい。

以上説明したように、本実施例に係るヘッドアップディスプレイは、利用者の前方風景に重畳して虚像ＩＶを表示する表示装置であって、虚像ＩＶを構成する光を出射する光源部１と、光源部１から出射された虚像ＩＶを構成する光を反射する凹面鏡３と、を備える。そして、凹面鏡３は、反射面に凹面形状を有し、当該反射面の中心部よりも端部の曲率のほうが小さい形状を有する。この態様により、ヘッドアップディスプレイは、凹面鏡３の外形の拡大を伴うことなく、好適にアイボックスを拡大することができる。

１ 光源部
２ スクリーン
３（３Ａ、３Ｂ）、３Ｘ 凹面鏡
２５ ウィンドシールド
２９ ダッシュボード

Claims (9)

1. 利用者の前方風景に重畳して虚像を表示する表示装置であって、
   前記虚像を構成する光を出射する光源部と、
   前記光源部から出射された前記虚像を構成する光を反射する反射部と、
   を備え、
   前記反射部は、反射面に凹面形状を有し、当該反射面の中心部よりも端部の曲率のほうが小さい形状を有することを特徴とする表示装置。
2. 前記反射部の複数の端部のうち少なくとも１つの端部において、前記中心部よりも曲率が小さい形状を有することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記反射部の複数の端部は略長方形を構成し、平行な前記端部の組み合わせのうちいずれかの組み合わせにおいて、前記反射面の中心部よりも端部の曲率のほうが小さい形状を有することを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
4. 前記反射部の複数の端部の全てにおいて、前記中心部よりも曲率が小さい形状を有することを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
5. 前記虚像を視認可能な視点の範囲のうち、少なくとも前記範囲の中心において視認される前記虚像を構成する光が照射される前記反射面の曲率は均一であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の表示装置。
6. 前記反射面は、前記中心部から前記端部にかけて前記曲率が徐変していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の表示装置。
7. ヘッドアップディスプレイであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の表示装置。
8. 前記反射部は、前記光の一部を反射して前記利用者の目に導くコンバイナであることを特徴とする請求項７に記載の表示装置。
9. 前記反射部は、前記光をウィンドシールドへ向けて反射する凹面鏡であることを特徴とする請求項７に記載の表示装置。