JP2018200384A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】提示する虚像の視認性を向上させる。【解決手段】虚像表示装置１０は、第１表示素子２８を用いて生成される第１画像表示光Ｌ１を投射する投射部１２と、第１画像表示光Ｌ１に基づく実像が結像する透過型スクリーン３２と、透過型スクリーン３２を透過した第１画像表示光Ｌ１を変調して第２画像表示光Ｌ２を生成する透過型の第２表示素子３４とを含む中間像形成部１４と、第２画像表示光Ｌ２を虚像提示面に向けて反射させる投射鏡１６と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、虚像表示装置に関する。

近年、車両用表示装置としてヘッドアップディスプレイが用いられることがある。ヘッドアップディスプレイは、画像表示光を車両のウィンドシールドなどに投射し、画像表示光に基づく虚像を車外の風景に重畳して表示する。画像表示光は、スクリーンに結像され、スクリーン上の画像が虚像として提示される。太陽光などの外来光がスクリーンに入射し、スクリーンからの戻り光が生じると、提示される虚像のコントラストが低下しうる。スクリーンからの外来光の戻りを低減するため、透過型スクリーンに波長板および偏光板が組み合わせて用いられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−２６２４５号公報

外来光が入射する環境下であっても、コントラストのより高い虚像を提示できることが好ましい。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、提示する虚像の視認性を向上させる技術を提供することを目的とする。

本発明のある態様の虚像表示装置は、第１表示素子を用いて生成される第１画像表示光を投射する投射部と、第１画像表示光に基づく実像が結像する透過型スクリーンと、透過型スクリーンを透過した第１画像表示光を変調して第２画像表示光を生成する透過型の第２表示素子と、を含む中間像形成部と、第２画像表示光を虚像提示面に向けて反射させる投射鏡と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、提示する虚像の視認性を向上させることができる。

実施の形態に係る虚像表示装置の構成を模式的に示す図である。 図１の虚像表示装置の内部構成を詳細に示す図である。 図３（ａ）および（ｂ）は、第１表示素子および第２表示素子の表示例を模式的に示す図である。 ユーザに提示される虚像の表示例を模式的に示す図である。 実施の形態に係る中間像形成部による外来光の反射低減効果を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。かかる実施の形態に示す具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、実施の形態に係る虚像表示装置１０の設置態様を模式的に示す図である。本実施の形態では、移動体の一例である車両６０のダッシュボード内に虚像表示装置１０が設置される。虚像表示装置１０は、いわゆるヘッドアップディスプレイ装置である。虚像表示装置１０は、虚像提示面であるウインドシールド６２に画像表示光を投射し、車両６０の進行方向（図１の左方向）の前方に虚像５０を提示する。運転者などのユーザＥは、ウインドシールド６２を介して現実の風景に重畳される虚像５０を視認できる。そのため、ユーザＥは、車両の走行中に視線をほとんど動かすことなく虚像５０に示される情報を得ることができる。

虚像表示装置１０は、投射部１２と、中間像形成部１４と、投射鏡１６と、制御部４０とを備える。投射部１２は、第１表示素子を用いて第１画像表示光を生成し、生成した第１画像表示光を中間像形成部１４に向けて投射する。中間像形成部１４は、第１画像表示光に基づく実像が結像する結像面である。中間像形成部１４は、透過型の第２表示素子を含み、第１画像表示光を変調して第２画像表示光を生成する。

投射鏡１６は、中間像形成部１４から出射される第２画像表示光をウインドシールド６２に向けて反射させる。投射鏡１６は、例えば凹面鏡であり、中間像形成部１４の実像を拡大してユーザＥに提示する。ユーザＥは、中間像形成部１４に結像する実像を虚像５０として視認する。投射鏡１６は、第２画像表示光の反射方向が可変となるように構成されてもよく、向きを変えるための駆動機構と接続されてもよい。

制御部４０は、表示用画像を生成し、表示用画像に対応する虚像５０が提示されるように投射部１２、中間像形成部１４および投射鏡１６を動作させる。制御部４０は、外部装置６４と接続されており、外部装置６４からの情報に基づいて表示用画像を生成する。

外部装置６４は、虚像５０として表示される画像の元データを生成する装置である。外部装置６４は、例えば、車両６０の電子制御ユニット（ＥＣＵ；Electronic Control Unit）や、ナビゲーション装置、携帯電話やスマートフォン、タブレットといったモバイル装置などである。外部装置６４は、虚像５０の表示に必要な画像データ、画像データの内容や種別を示す情報、車両６０の速度や現在位置といった車両６０に関する情報を制御部４０に送信する。

図２は、虚像表示装置１０の内部構成を詳細に示す図である。投射部１２は、照明部１８、反射鏡２５、フィールドレンズ２６、偏光ビームスプリッタ２７、第１表示素子２８、検光子２９および投射レンズ３０を含む。照明部１８は、光源２０、コリメートレンズ２１、フィルタ２２、偏光子２３、フライアイレンズ２４を含む。

光源２０は、白色光を出力するためのＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）などの発光素子である。コリメートレンズ２１は、光源２０の出力光を平行光に変換する。フィルタ２２は、コリメートレンズ２１からの平行光に含まれる可視光以外の成分、例えば、紫外光や赤外光を除去する。偏光子２３は、フィルタ２２を透過した光を直線偏光にする。フライアイレンズ２４は、偏光子２３を透過した光の照度分布を均一化する。これらの光学素子により、照明光Ｌ０が生成される。

照明部１８の構成は図示するものに限られず、適切な照明光Ｌ０を生成できる限りにおいて他の構成で実現されてもよい。例えば、白色光を出力する単一の発光素子を用いる代わりに、赤色光、緑色光および青色光のそれぞれを出力する複数の発光素子を用いてもよい。この場合、複数の発光素子のそれぞれについて、コリメートレンズ、フィルタ、偏光子、フライアイレンズが設けられてもよい。また、発光素子からの出力光を整えるため、ライトトンネル、フレネルレンズ、光拡散板などの他の光学素子を用いてもよい。

照明部１８から出力される照明光Ｌ０は、反射鏡２５、フィールドレンズ２６および偏光ビームスプリッタ２７を経て第１表示素子２８に向かう。フィールドレンズ２６は、照明光Ｌ０を第１表示素子２８に集光させる。第１表示素子２８は、照明光Ｌ０を変調して第１画像表示光Ｌ１を生成する。第１表示素子２８からの第１画像表示光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ２７で反射され、検光子２９を経て投射レンズ３０により中間像形成部１４に向けて投射される。

第１表示素子２８は、反射型の表示デバイスであり、例えば、反射型液晶表示パネルであるＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）である。第１表示素子２８は、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）や、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等であってもよい。第１表示素子２８として、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）液晶表示パネルなどの透過型表示素子を用いてもよい。

中間像形成部１４は、透過型スクリーン３２および第２表示素子３４を含む。照明部１８からの第１画像表示光Ｌ１は、まず透過型スクリーン３２に入射し、つづいて第２表示素子３４に入射する。透過型スクリーン３２は、第１画像表示光Ｌ１を所定の配光角で拡散させる。透過型スクリーン３２として、表面に微細な凹凸を設けた拡散板や、直径数十ミクロン程度のビーズ拡散材を分布させた拡散フィルムなどを用いることができる。透過型スクリーン３２は、マイクロレンズアレイであってもよい。

第２表示素子３４は、透過型スクリーン３２を透過して拡散された第１画像表示光Ｌ１を変調して第２画像表示光Ｌ２を生成する。第２表示素子３４は、透過型の表示素子であり、例えばＴＦＴ液晶表示パネルである。第２表示素子３４は、透過型スクリーン３２に隣接して設けられることが好ましく、例えば、透過型スクリーン３２および第２表示素子３４が積層されるように設けられる。

透過型スクリーン３２は、第２表示素子３４の第１画像表示光Ｌ１が入射する側に配置され、例えば、第２表示素子３４の第１画像表示光Ｌ１が入射する入射面と接するように配置される。したがって、投射レンズ３０から出射される第１画像表示光Ｌ１は、透過型スクリーン３２を透過した後に第２表示素子３４によって変調される。透過型スクリーン３２および第２表示素子３４は、互いに接して実質的に距離が０ｍｍとなるように設けられる好ましいが、第２表示素子３４の入射面と透過型スクリーン３２とが離れていてもよい。第２表示素子３４の入射面と透過型スクリーン３２とが離れている場合には、両者の距離は１０ｍｍ以下であることが好ましい。

中間像形成部１４は、中間像形成部１４から出射する第２画像表示光Ｌ２の光軸に対して傾斜するように設けられる。具体的には、投射鏡１６に入射する第２画像表示光Ｌ２の入射光軸Ｂ１と、投射鏡１６にて反射して出射する出射光軸Ｂ２との双方に直交する基準軸Ｂ３まわりに回転する方向に傾斜している。基準軸Ｂ３の方向は、例えば、図２の紙面に直交する方向である。中間像形成部１４の傾斜角θは、特に限られないが、例えば、５度〜１５度程度である。中間像形成部１４を傾斜させることにより、第２画像表示光Ｌ２の光軸Ｂ１，Ｂ２に沿って入射する外来光が中間像形成部１４の表面で鏡面反射され、第２画像表示光Ｌ２と同様の光路を辿ってユーザＥに到達するのを抑制できる。

中間像形成部１４は、入射光軸Ｂ１と出射光軸Ｂ２の双方に直交する基準軸Ｂ３まわりに左回転方向に傾斜させてもよいし、右回転方向に傾斜させてもよい。図示する例では、中間像形成部１４を基準軸Ｂ３まわりに左回転方向に傾斜させることが好ましい。中間像形成部１４を左回転方向に傾斜させることにより、第２画像表示光Ｌ２の光軸Ｂ１，Ｂ２に沿って入射した外来光を図２の紙面における下方に向けて反射させることができ、外来光による影響をより少なくすることができる。

第１表示素子２８および第２表示素子３４は、制御部４０から送信される画像信号に基づいて動作する。本実施の形態において、第１表示素子２８および第２表示素子３４のそれぞれには異なる種類の画像信号が送信される。例えば、第１表示素子２８には表示用画像に対応する輝度信号が送信され、第２表示素子３４には表示用画像に対応する色度信号が送信される。この場合、白色の照明光Ｌ０は、第１表示素子２８において輝度変調され、さらに第２表示素子３４において色度変調される。その結果、モノクロの第１画像表示光Ｌ１と、カラーの第２画像表示光Ｌ２が生成される。本実施の形態では、二つの表示素子を光路に沿って直列的に配置し、二つの表示素子による変調を組み合わせることで最終的な画像表示光を生成する。

制御部４０は、表示用画像に基づいて、第１表示素子２８に送信する第１画像信号と、第２表示素子３４に送信する第２画像信号とを生成する。制御部４０は、例えば、カラーの表示用画像に対して所定の画像処理を施すことにより、輝度画像および色度画像を生成し、輝度画像に基づく第１画像信号と、色度画像に基づく第２画像信号とを生成する。制御部４０は、第１表示素子２８および第２表示素子３４の画素数が異なる場合には、各表示素子の画素数に対応した画像信号を生成する。

図３（ａ）および（ｂ）は、第１表示素子２８および第２表示素子３４の表示例を模式的に示す図である。図３（ａ）は、第１表示素子２８の表示例であり、表示用画像に対応する輝度画像またはモノクロ画像を示す。第１表示素子２８では、虚像５０として表示すべき文字や図形部分の輝度が高く、それ以外の背景部分の輝度が低くなるように表示される。第１表示素子２８は、二階調の白黒画像を表示してもよく、文字や図形部分が最大輝度の白色となり、背景部分が最小輝度の黒色となるように表示してもよい。第１表示素子２８は、白黒画像ではなく、複数階調のグレースケール画像を表示してもよい。

図３（ｂ）は、第２表示素子３４の表示例であり、表示用画像に対応する色度画像またはカラー画像を示す。第２表示素子３４では、虚像５０として表示すべき文字や図形等の種類に応じて表示色が異なるように表示される。例えば、速度表示の文字は白色で表示され、路面標示のガイド線などが白色や黄色で表示され、進路を案内する矢印が緑色で表示される。その他、道路標識を示すアイコン等が実際の道路標識と同等の色彩（白、赤、緑、青、黄色等）で表示される。第２表示素子３４は、実質的に色度のみを変調してもよいし、色度と輝度の双方を変調してもよい。

図４は、ユーザＥに提示される虚像５０の表示例を模式的に示す図である。ユーザＥに提示される第２画像表示光Ｌ２は、第１表示素子２８および第２表示素子３４の双方に変調されているため、図３（ａ）の画像上に図３（ｂ）の画像を重畳させたような表示となる。本実施の形態では、二つの表示素子を光路上に直列的に配置させるため、表示される虚像５０のコントラスト比を高めることができる。一般的な液晶表示素子の場合、黒色部分と白色部分のコントラスト比が１／１，０００程度であることから、二つの表示素子を組み合わせることで１／１００，０００〜１／１，０００，０００程度のコントラスト比を実現できる。これにより、視認性のより高い虚像５０を提示できる。

第１表示素子２８は、上述のようにモノクロ画像ないしグレースケール画像を表示するため、カラーフィルタ等を備えない単色用の表示素子であってもよい。また、最終的な表示光の解像度は第２表示素子３４の性能により決められるため、第１表示素子２８は相対的に画素数ないし精細度の低い表示デバイスであってもよい。一方、第２表示素子３４は、上述のようにカラー画像を表示するため、カラーフィルタ等を備えるカラーの表示素子である必要がある。第２表示素子３４は、表示する虚像５０の解像度に応じて高精細な表示デバイスであることが好ましい。

図３（ａ）に示す第１表示素子２８の表示画像は、図３（ｂ）に示す第２表示素子３４の表示画像に比べて文字や図形等の輪郭が太くなるように構成されてもよい。例えば、第１表示素子２８にて高輝度に表示される部分が第２表示素子３４にて高輝度に表示される部分より広くなるように第１表示素子２８と第２表示素子３４の表示用画像が生成されてもよい。これにより、透過型スクリーン３２の面内での第１画像表示光Ｌ１の結像位置と、第２表示素子３４の表示位置とが多少ずれたとしても、第２表示素子３４の高輝度表示部分に高輝度の第１画像表示光Ｌ１を確実に投射することができる。その結果、車両６０の振動等により表示位置にずれが生じるような場合であっても、位置ずれによる表示品位の劣化を緩和できる。

上述の文字や図形の輪郭の太さが異なる画像は、元の表示用画像に所定の画像処理を施すことにより生成してもよい。例えば、元の表示用画像に対して画素密度変換処理を施すことにより生成されてもよい。その他、輪郭線を抽出して輪郭線を太くするようなフィルタ処理を施すことにより生成されてもよい。また、元の表示用画像を変換して第１表示素子２８および第２表示素子３４のそれぞれの表示用画像を生成するのではなく、制御部４０がそれぞれの表示用画像を別々に生成するようにしてもよい。

図５は、実施の形態に係る中間像形成部１４による外来光の反射低減効果を模式的に示す図である。図示される第２表示素子３４は、透過型の液晶表示パネルであり、第１偏光板３６と、液晶層３７と、第２偏光板３８とを有する。第１偏光板３６は、図５の紙面に平行な偏光成分を透過し、第２偏光板３８は、図５の紙面に直交する偏光成分を透過する。液晶層３７は、画素毎の印加電圧に応じて透過光の偏光を回転させ、第２表示素子３４を透過する光を変調する。図５では、中間像形成部１４の透過光の偏光方向（紙面に直交または平行）を例示している。

図５では、高輝度の画素に対応する第１画素３７ａと、低輝度の画素に対応する第２画素３７ｂとを例示し、輝度の異なる画素３７ａ，３７ｂを透過する画像表示光および外来光を模式的に示している。第１画素３７ａに入射する第１画像表示光Ｌ１ａは、透過型スクリーン３２にて拡散され、第１偏光板３６を透過し、液晶層３７にて偏光方向が回転する。その結果、入射光の大部分が第２偏光板３８を透過し、高輝度の第２画像表示光Ｌ２ａが出射される。一方、第２画素３７ｂに入射する第１画像表示光Ｌ１ｂは、液晶層３７にて偏光方向が回転しないため、入射光の大部分が第２偏光板３８により遮断される。その結果、低輝度の第２画像表示光Ｌ２ｂが出射される。

太陽光などの外来光Ｓ１ａ，Ｓ１ｂは、第１画像表示光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂとは反対側から中間像形成部１４に入射する。第１画素３７ａに入射する外来光Ｓ１ａは、第２偏光板３８に入射し、紙面に直交する偏光成分のみが第２偏光板３８を透過する。つづいて、液晶層３７にて偏光方向が回転し、第２偏光板３８を透過した外来光の大部分が第１偏光板３６を透過し、透過型スクリーン３２に入射する。透過型スクリーン３２での散乱光の一部は、第２表示素子３４側に戻り、第２表示素子３４を透過して戻り光Ｓ２ａとして出射する。第１画素３７ａに入射する外来光Ｓ１ａは、第２偏光板３８により一部の偏光成分が遮断され、第２表示素子３４の往復による二回の変調を受けるため、第２表示素子３４が設けられない場合と比較して戻り光Ｓ２ａの強度が小さくなる。

第２画素３７ｂに入射する外来光Ｓ１ｂは、第２偏光板３８を紙面に直交する偏光成分が透過した後、液晶層３７にて偏光方向が回転しないため、第２偏光板３８を透過した外来光の大部分が第１偏光板３６により遮断される。したがって、第２画素３７ｂを透過して透過型スクリーン３２に到達する外来光の成分は非常に僅かである。その後、透過型スクリーン３２にて散乱されて第２表示素子３４側に戻る成分があったとしても、第２表示素子３４を再度通過する際にその大部分が遮断される。その結果、第２画素３７ｂから出射する戻り光Ｓ２ｂの強度は、無視できる程度に小さい。

以上より、本実施の形態に係る中間像形成部１４によれば、中間像形成部１４にて生じる外来光の戻り光Ｓ２ａ，Ｓ２ｂに対して、画像表示光と同様の強度変調を施すことができる。そのため、外来光の入射に起因する虚像５０のコントラスト低下を抑制できる。特に、低輝度の画素（例えば、第２画素３７ｂ）において外来光の戻り光Ｓ２ｂのほとんどを遮断できるため、黒色として表示すべき箇所が明るく見えてしまう「黒浮き」の発生を好適に防ぐことができる。また、カラー表示される高輝度の画素（例えば、第１画素３７ａ）についても、外来光の戻り光Ｓ２ａに対して往復二回の変調を施すことができるため、表示光と同様の表示色を持つ戻り光Ｓ２ａを出射させることができる。これにより、外来光が混合することによる表示色の変化を好適に防ぐことができる。さらに、特定の状況下では、外来光の一部を第２表示素子３４のバックライトとして利用することができるため、虚像５０の見かけ上の輝度を向上させることができる。したがって、本実施の形態によれば、提示される虚像５０のコントラスト比を高め、虚像５０の視認性を向上させることができる。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、各表示例に示す構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。

上述の実施の形態では、第１表示素子２８にてモノクロ変調し、第２表示素子３４にてカラー変調する場合について示した。変形例では、第１表示素子２８にてカラー変調し、第２表示素子３４にてモノクロ変調するようにしてもよいし、第１表示素子２８および第２表示素子３４の双方にてカラー変調するようにしてもよい。また、モノクロの虚像を提示する場合には、第１表示素子２８と第２表示素子３４の双方でモノクロ変調するようにしてもよい。

上述の実施の形態では、投射部１２に一つの第１表示素子２８が設けられる場合について示した。変形例においては、投射部１２からカラーの第１画像表示光Ｌ１が投射させるため、複数の第１表示素子を用いるようにしてもよい。例えば、赤色、緑色、青色のそれぞれを変調するための複数の第１表示素子が用いられてもよい。

１０…虚像表示装置、１２…投射部、１４…中間像形成部、１６…投射鏡、２８…第１表示素子、３２…透過型スクリーン、３４…第２表示素子、５０…虚像、Ｌ１…第１画像表示光、Ｌ２…第２画像表示光。

Claims (8)

1. 第１表示素子を用いて生成される第１画像表示光を投射する投射部と、
   前記第１画像表示光に基づく実像が結像する透過型スクリーンと、前記透過型スクリーンを透過した第１画像表示光を変調して第２画像表示光を生成する透過型の第２表示素子と、を含む中間像形成部と、
   前記第２画像表示光を虚像提示面に向けて反射させる投射鏡と、を備えることを特徴とする虚像表示装置。
2. 前記透過型スクリーンは、前記第２表示素子の前記第１画像表示光の入射側に隣接して設けられることを特徴とする請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記中間像形成部は、前記第２画像表示光の光軸に対して傾斜していることを特徴とする請求項１または２に記載の虚像表示装置。
4. 前記中間像形成部は、前記投射鏡に入射する第２画像表示光の入射光軸と、前記投射鏡にて反射して出射する第２画像表示光の出射光軸との双方に直交する基準軸まわりに回転する方向に傾斜していることを特徴とする請求項３に記載の虚像表示装置。
5. 前記第１画像表示光は、モノクロの画像表示光であり、前記第２画像表示光は、カラーの画像表示光であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記第１画像表示光および前記第２画像表示光のいずれもカラーの画像表示光であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 前記第１表示素子および前記第２表示素子の一方は、表示用画像に対応した輝度信号に基づいて作動し、前記第１表示素子および前記第２表示素子の他方は、表示用画像に対応した色度信号に基づいて作動することを特徴とする請求項５または６に記載の虚像表示装置。
8. 前記第１表示素子および前記第２表示素子のうちカラー変調する一方の表示素子は、前記第１表示素子および第２表示素子のうちモノクロ変調する他方の表示素子より高精細であることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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