JP2018092050A - 表示装置及び表示方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】像を提示するための透明部材が楔状に加工されていなくても二重像の発生を抑制することができる表示装置及び表示方法を提供する。【解決手段】表示装置１は、画像を表示する表示面１０と、入射した光線の一部を反射し残りを透過させる透明部材２に向けて表示面１０からの光線を反射する凹面鏡１１とを有し、透明部材２により前記画像の虚像を提示する。表示面１０上の一点から透明部材２に届き透明部材２の表面２１で反射する第１の光線Ｌ１と、前記一点から透明部材２に届き透明部材２の裏面２２で反射する第２の光線Ｌ２との透明部材２での反射後の光路が、凹面鏡１１による反射により一致している。【選択図】図３

Description

本発明は表示装置及び表示方法に関し、特に虚像を提示する表示装置及び表示方法に関する。
車両用のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ−Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）は、車両の速度、警告、ナビゲーションシステムの案内表示などの情報を、車両のウインドシールド又は半透過型の反射板であるコンバイナなどに反射させることにより表示を行う装置である。ＨＵＤでは、映像を運転者の前方視界に重ねて提示することで、運転者が視線を大きく移動させること無く車両情報等を確認できる。このため、安全な表示装置としてＨＵＤを搭載する車両が増えてきている。
通常、映像をガラスなどの透過性の物体に反射させると、その表面で反射する光線と裏面で反射する光線が存在するため、運転者等のユーザには映像がずれて重なって見える。この現象は、二重像と呼ばれる。この二重像を解消するための方法として、ガラスなど透過性の物体の表面と裏面との間に楔状のわずかな角度をつけることで光線の反射角度を変え、像を一致させる方法が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２）。
特表２０１１−５０５３３０号公報 特開２０１２−５８６８８号公報
特許文献１に記載された方法等のように、ウインドシールドに楔状のわずかな角度を設けることにより二重像を防ぐ場合、ウインドシールドにそのような特殊な加工が要求される。また、特許文献２に記載された方法では、コンバイナが楔状に加工されている必要がある。すなわち、これらの文献に記載された方法では、像を提示するための透明部材が楔状に加工されていなければならない。したがって、像を提示するための透明部材が楔状に加工されていなくても二重像を防ぐ技術が求められている。
本発明の目的は、像を提示するための透明部材が楔状に加工されていなくても二重像の発生を抑制することができる表示装置及び表示方法を提供することにある。
そこで、本発明は、画像を表示する表示面と、入射した光線の一部を反射し残りを透過させる透明部材に向けて前記表示面からの光線を反射する凹面鏡とを有し、前記表示面上の一点から前記透明部材に届き前記透明部材の表面で反射する第１の光線と、前記一点から前記透明部材に届き前記透明部材の裏面で反射する第２の光線との前記透明部材での反射後の光路が、前記凹面鏡による反射により一致しており、前記透明部材により前記画像の虚像を提示する表示装置を提供する。
また、本発明は、画像を表示する表示面と、入射した光線の一部を反射し残りを透過させる透明部材に向けて前記表示面からの光線を反射する凹面鏡とを有し、前記表示面上の一点から前記透明部材に届く第１の光線と第２の光線が、前記凹面鏡による反射により、前記透明部材に平行に入射し、前記透明部材により前記画像の虚像を提示する表示装置を提供する。
また、本発明は、画像を表示面に表示し、入射した光線の一部を反射し残りを透過させる透明部材に向けて前記表示面からの光線を凹面鏡により反射し、前記透明部材により前記画像の虚像を提示し、前記凹面鏡による反射では、前記表示面上の一点から前記透明部材に届き前記透明部材の表面で反射する第１の光線と、前記一点から前記透明部材に届き前記透明部材の裏面で反射する第２の光線との前記透明部材での反射後の光路が、前記凹面鏡による反射により一致するように反射を行う表示方法を提供する。
また、本発明は、画像を表示面に表示し、入射した光線の一部を反射し残りを透過させる透明部材に向けて前記表示面からの光線を凹面鏡により反射し、前記透明部材により前記画像の虚像を提示し、前記凹面鏡による反射では、前記表示面上の一点から前記透明部材に届く第１の光線と第２の光線が、前記透明部材に平行に入射するように反射を行う表示方法を提供する。
本発明によれば、像を提示するための透明部材が楔状に加工されていなくても二重像の発生を抑制することができる表示装置及び表示方法を提供することができる。
二重像の発生原理について示す模式図である。 二重像に見えないための光路について示す模式図である。 実施の形態にかかる表示装置の構成の一例を示す模式図である。 図３における透過部材付近を拡大した拡大図である。 図３における凹面鏡付近を拡大した拡大図である。 変形例にかかる表示装置の構成の一例を示す模式図である。
まず、発明者が事前に検討した内容について述べる。図１は、二重像の発生原理について示す模式図である。図１では、表面と裏面が平行なウインドシールドなどの透明部材２に、物体４からの光が反射し、ユーザの目３に届く様子を示している。物体４上の点Ｐからの光束のうち、透明部材の表面２１に反射して目３に届く第１の光線を光線Ｌ１とし、透明部材の裏面２２に反射して目３に届く第２の光線を光線Ｌ２とする。図１において、光線Ｌ１が太い実線の矢印で示されており、光線Ｌ２が細い実線の矢印で示されている。なお、後述する図２、４、及び５においても同様である。光線Ｌ１は、透明部材２の内部を通ることなく表面２１で反射して目３に届く。これに対し、光線Ｌ２は、図１に示されるように、透明部材２への入射時に屈折した後、透明部材２の内部を通り、裏面２２で反射し、再度屈折して、目３に届く。このとき、透明部材２から目３に至る光線の角度に差があるため、光線Ｌ１により作られる虚像６Ａの位置と、光線Ｌ２により作られる虚像６Ｂの位置とにずれが生じる。したがってユーザの目３には、ずれて重なった虚像が見えることとなる。すなわち、このようにして、二重像の現象が起きる。
よって、図２に示すように、透明部材２に反射した２つの光線Ｌ１、Ｌ２が、同じ方向から目３に届けば、二重像に見えなくなり、１つの虚像６が見えることとなる。すなわち、透明部材２の表面２１で反射した光線Ｌ１と裏面２２で反射した光線Ｌ１とが重なって目３に届けばよい。このような場合、透明部材２に反射する前の２つの光線Ｌ１、Ｌ２は、平行である。なお、このことはスネルの法則から容易に導かれる。言い換えると、２つの光線Ｌ１、Ｌ２が、透明部材２に互いに平行に入射すると、反射後に重なることとなる。ここで、２つの光線Ｌ１、Ｌ２による２つの像がずれることなく一致して見えるためには、２つの光線Ｌ１、Ｌ２がいずれも同一の点Ｐからの光線であることが求められる。このため、図２に示すように、点Ｐからの光線Ｌ２が透明部材２に入射するまでの光路の途中で、屈曲すればよい。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図３は、実施の形態にかかる表示装置１の構成の一例を示す模式図である。なお、図３では、理解を助けるために、表示装置１の他に、透明部材２とユーザの目３も図示している。表示装置１は、例えば、ヘッドアップディスプレイとして構成されており、表示面１０と、凹面鏡１１とを有する。表示装置１は、例えば車両に搭載され、運転者に車両情報などの各種情報を提示する。表示装置１は、表示面１０に表示された画像からの光を透明部材２に反射させることにより、表示面１０に表示された画像の虚像をユーザに提示する。
表示面１０は、発光により画像を表示する。本実施の形態において、表示面１０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、プラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイなどのフラットパネルディスプレイ１２の表示面であるが、プロジェクタにより画像が投影されるスクリーンであってもよい。本実施の形態では、フラットパネルディスプレイ１２に画像信号が入力され、フラットパネルディスプレイ１２が表示面１０に画像信号に応じた画像を表示する。
透明部材２は、入射した光線の一部を反射し残りを透過させる部材であり、表示面１０の画像の虚像を提示する。本実施の形態では、透明部材２は、ウインドシールドであるが、これに限らず、コンバイナなどであってもよい。ここで、透明部材２は、二重像を防ぐための楔形状を有していない。例えば、透明部材２は、表面２１と裏面２２とが平行である、平板状または曲面状のガラスにより構成されている。
表示面１０に映し出された画像の光は、透明部材２に反射され、目３に到達する。また、裏面２２側から透明部材２を通過した光も目３に到達する。したがって、これらの光がオーバーレイ（重畳）して目３に入射することとなる。したがって、ユーザは、映像情報と共に前方の状況を同時に見ることができる。
凹面鏡１１は、表示面１０から透明部材２までの光路上の途中に設けられており、表示面１０からの光線を、透明部材２に向けて反射する。ここで、凹面鏡１１は、図３に示すように、表示面上の任意の一点Ｐから透明部材２に届き透明部材２の表面２１で反射する第１の光線Ｌ１と、一点Ｐから透明部材２に届き透明部材２の裏面２２で反射する第２の光線Ｌ２との透明部材２での反射後の光路が、一致するよう設けられている。言い換えると、凹面鏡１１は、図４に示されるように、表示面１０上の一点Ｐから透明部材２に届く第１の光線Ｌ１と第２の光線Ｌ２が、透明部材２に平行に入射するように設けられている。
より具体的には、両光線の透明部材２での反射後の光路が一致するように、すなわち、両光線が透明部材２に平行に入射するように、所定の曲率を有する凹面鏡１１の反射面と表示面１０との光路上の距離が調整されて凹面鏡１１は設置されている。なお、調整対象は、凹面鏡１１と表示面１０との距離に限らず、凹面鏡１１の曲率であってもよい。すなわち、両光線の透明部材２での反射後の光路が一致するように、すなわち、両光線が透明部材２に平行に入射するように、表示面１０から光路上で所定の距離だけ離れて設けられる凹面鏡１１の曲率が調整されてもよい。なお、曲率及び距離の両方が調整されてもよい。なお、「一致」は、光路の完全な一致が好ましいが、これに限らず、誤差を含んでもよい。同様に、「平行」は、完全なる平行が好ましいが、これに限らず、誤差を含んでもよい。
図５は、図３における凹面鏡１１付近を拡大した拡大図である。図５に示されるように、表示面１０上の点Ｐからの光線Ｌ１は、凹面鏡１１の反射面上の点Ｍ１で反射し、表示面１０上の点Ｐからの光線Ｌ２は、凹面鏡１１の反射面上の点Ｍ２で反射する。このとき、点Ｍ１で反射し透明部材２に向かう光線Ｌ１と、点Ｍ２で反射し透明部材２に向かう光線Ｌ２は、凹面鏡１１での反射により進行方向が平行にそろえられる。このため、図４に示したように、表示面１０上の一点Ｐから透明部材２に届く光線Ｌ１と光線Ｌ２が、透明部材２に平行に入射する。光線Ｌ１は、透明部材２の内部を通ることなく表面２１の点Ｍ３で反射する。これに対し、光線Ｌ２は、透明部材２への入射時に屈折し、透明部材２の内部を通り、裏面２２の点Ｍ４で反射し、再度屈折して透明部材２の表面２１の点Ｍ３から出射される。このとき、透明部材２から目３への光線Ｌ１の光路と光線Ｌ２の光路とは一致する。なお、図３乃至図５では、説明のため表示面１０上の点Ｐから出射される光の光路についてのみ示したが、凹面鏡１１により、表示面１０上の各点から出射される光についても、同様に、光路が調整される。このため、表示面１０に表示された画像についての二重像の発生が抑制される。
凹面鏡１１は、一般的に、画像を拡大するため、及び、より遠方に虚像を提示するために用いられるが、本実施の形態では、上述の通り、これら機能に加え、二重像の発生を抑制するために用いられている。以上説明した通り、表示装置１は、凹面鏡１１により、透明部材２の表面２１で反射する光線Ｌ１と、裏面２２で反射する光線Ｌ２との透明部材２での反射後の光路を一致させている。言い換えると、表示装置１は、凹面鏡１１により、表示面１０から透明部材２に届く光線Ｌ１と光線Ｌ２を、透明部材２に平行に入射させている。このため、表示装置１によれば、像を提示するための透明部材２が楔状に加工されていなくても二重像の発生を抑制することができる。
ウインドシールドに直接映像を反射させるヘッドアップディスプレイを搭載する車両において、二重像を防ぐため、特殊なウインドシールドが用いることが知られている。自動車用ウインドシールドは、２枚のガラスで樹脂製の中間膜を挟んだ構造とすることで、ガラスが破損しても破片が飛び散らないようになっている。この中間膜にクサビ角を持たせた合わせガラスにより構成した特殊なウインドシールドを用いることで、二重像を防ぐことも可能である。しかしながら、この合わせガラスは通常のガラスに比べ高価であるという課題がある。これに対し、本実施の形態では、透明部材２として楔形状を有しない通常のウインドシールドを用いることができる。このため、高価なウインドシールドを用いずとも二重像の発生を抑制することができる。
＜変形例＞
表示面１０は、上述の通り、フラットパネルディスプレイ１２の表示面に限らず、プロジェクタにより画像が投影されるスクリーンであってもよい。図６は、変形例にかかる表示装置７の構成の一例を示す模式図である。表示装置７は、光出射ユニット７１と、第１平面鏡７２と、スクリーン７３と、第２平面鏡７４と、凹面鏡１１と、筐体７５と、を有する。
図６を用いて、光出射ユニット７１から出射された光線Ｌ３がユーザの目３に到達するまでの光路を説明する。なお、光線Ｌ３は、上述の光線Ｌ１及び光線Ｌ２に相当する。光出射ユニット７１は、走査ミラーを有する図示しない光スキャナを用いて、レーザ光をラスター走査することにより、スクリーン７３に画像を表示させる。ここで、光出射ユニット７１から出射された光線Ｌ３は、第１平面鏡７２に反射されることにより光路が曲げられて、スクリーン７３に入射する。光線Ｌ３は、スクリーン７３上に表示画像の中間像を形成する。スクリーン７３は光透過型のものであり、例えば、拡散板やマイクロレンズアレイがスクリーン７３として用いられる。
スクリーン７３から出射された光線Ｌ３は、第２平面鏡７４に反射されることにより光路が曲げられて、凹面鏡１１に入射する。凹面鏡１１に反射された光線Ｌ３は、筐体７５の外に出射されて、透明部材２に入射する。
表示装置７では、筐体７５の開口から出射されて透明部材２により反射された光線Ｌ３と、透明部材２を透過した光線Ｌ４とが、透明部材２により重ねられてユーザの目３に向かう。ユーザから見ると、透明部材２越しの景色に、表示装置７が表示する画像が虚像として重ねられて見えることになる。
本変形例においても、凹面鏡１１は、上記の実施形態と同様、曲率又はスクリーン７３の表示面１０からの光路上の距離が調整されている。したがって、スクリーン７３の表示面１０上の一点から透明部材２に届き透明部材２の表面で反射する第１の光線と、この一点から透明部材２に届き透明部材２の裏面２２で反射する第２の光線との透明部材２での反射後の光路は、一致する。よって、表示装置７においても、像を提示するための透明部材が楔状に加工されていなくても二重像の発生を抑制することができる。なお、図６において、スクリーン７３の表示面１０からの光路上の距離は、スクリーン７３から第２平面鏡７４までの距離と、第２平面鏡７４から凹面鏡１１までの距離の和となる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、図６に示したように、凹面鏡１１と表示面１０とを結ぶ光路上に、平面鏡が設けられていてもよい。また、表示装置は、車載用のヘッドアップディスプレイに用いられるのみならず、ヘルメット内蔵型や眼鏡タイプなどのヘッドマウントディスプレイなどに用いられてもよい。
１、７ 表示装置
２ 透明部材
１０ 表示面
１１ 凹面鏡
２１ 表面
２２ 裏面
７３ スクリーン

Claims (7)

  1. 画像を表示する表示面と、
    入射した光線の一部を反射し残りを透過させる透明部材に向けて前記表示面からの光線を反射する凹面鏡と
    を有し、
    前記表示面上の一点から前記透明部材に届き前記透明部材の表面で反射する第１の光線と、前記一点から前記透明部材に届き前記透明部材の裏面で反射する第２の光線との前記透明部材での反射後の光路が、前記凹面鏡による反射により一致しており、
    前記透明部材により前記画像の虚像を提示する
    表示装置。
  2. 前記凹面鏡は、前記第１の光線と前記第２の光線の前記透明部材での反射後の光路が一致するよう曲率又は前記表示面までの光路上の距離が調整されている
    請求項１に記載の表示装置。
  3. 画像を表示する表示面と、
    入射した光線の一部を反射し残りを透過させる透明部材に向けて前記表示面からの光線を反射する凹面鏡と
    を有し、
    前記表示面上の一点から前記透明部材に届く第１の光線と第２の光線が、前記凹面鏡による反射により、前記透明部材に平行に入射し、
    前記透明部材により前記画像の虚像を提示する
    表示装置。
  4. 前記凹面鏡は、前記第１の光線と前記第２の光線が、前記透明部材に平行に入射するよう曲率又は前記表示面までの光路上の距離が調整されている
    請求項３に記載の表示装置。
  5. 前記透明部材が、ウインドシールドである
    請求項１乃至４のいずれか一項に記載の表示装置。
  6. 画像を表示面に表示し、
    入射した光線の一部を反射し残りを透過させる透明部材に向けて前記表示面からの光線を凹面鏡により反射し、
    前記透明部材により前記画像の虚像を提示し、
    前記凹面鏡による反射では、前記表示面上の一点から前記透明部材に届き前記透明部材の表面で反射する第１の光線と、前記一点から前記透明部材に届き前記透明部材の裏面で反射する第２の光線との前記透明部材での反射後の光路が、前記凹面鏡による反射により一致するように反射を行う
    表示方法。
  7. 画像を表示面に表示し、
    入射した光線の一部を反射し残りを透過させる透明部材に向けて前記表示面からの光線を凹面鏡により反射し、
    前記透明部材により前記画像の虚像を提示し、
    前記凹面鏡による反射では、前記表示面上の一点から前記透明部材に届く第１の光線と第２の光線が、前記透明部材に平行に入射するように反射を行う
    表示方法。
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