JP2019008177A - 立体画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】精度良く組み付け可能な立体画像表示装置を提供する。【解決手段】振動スクリーン１０は、少なくともスクリーン面の法線方向に沿って振動し、投射部２０は、振動スクリーン１０に投影光Ｌを出射することで、振動スクリーン１０に画像Ｍを結像させ、結像部３０は、振動スクリーン１０に結像した画像を空間中に立体的な中間像ＩＭとして結像させ、リレー光学部４０は、結像部３０が結像した中間像ＩＭを被投射部に向けて拡大して投射することで、被投射部を介して中間像ＩＭの虚像を結像し、第１のベースフレーム１００は、振動スクリーン１０と、投射部２０と、結像部３０と、をそれぞれ位置調整可能に固定する。【選択図】図１

Description

本発明は、立体的な虚像を表示する立体画像表示装置に関するものである。

特許文献１に開示される立体画像表示装置は、高速に振動するスクリーン上に画像を投影することで立体的なボリューム実像を結像し、このボリューム実像を被投射部に映すことでボリューム実像の虚像を視認者に視認させるものである。

特表２００８−５０１９５６号公報

しかしながら、このように立体的な虚像を表示する場合、各光学部材の配置を適切にすることが重要であるが、各部品形状の誤差や、組み付け誤差などにより、所望の状態で立体的な虚像を表示しにくいといった問題があった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、精度良く組み付け可能な立体画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明の立体画像表示装置は、振動スクリーンと、振動スクリーンに画像を投射する投射部と、振動スクリーンに結像した画像を空間中に立体的な中間像として結像させる結像部と、を第１のベースフレームに位置調整可能に固定することで、振動スクリーン、投射部、および結像部を適切な配置に調整することが可能となり、所望の立体的な虚像を表示する、ことをその要旨とする。

本発明の第１の態様における立体画像表示装置は、振動部（１１）により少なくともスクリーン面の法線方向に沿って振動する振動スクリーン（１０）と、
前記振動スクリーン（１０）に表示光（Ｌ２）を出射し、前記振動スクリーン（１０）に画像（Ｍ）を結像させる投射部（２０）と、
前記振動スクリーン（１０）に結像した前記画像を空間中に立体的な中間像（ＩＭ）として結像させる結像部（３０）と、
前記結像部（３０）が結像した前記中間像（ＩＭ）を被投射部に向けて拡大して投射することで、前記被投射部を介して前記中間像（ＩＭ）の虚像を結像するリレー光学部（４０）と、
前記振動スクリーン（１０）と、前記投射部（２０）と、前記結像部（３０）と、をそれぞれ位置調整可能に固定する第１のベースフレーム（１００）と、を備える。

このように構成された立体画像表示装置によれば、第１のベースフレームを基準に、振動スクリーンと、投射部と、結像部と、をそれぞれ適切な公差範囲内に位置調整することができ、所望の状態で立体的な虚像を表示することができる。

また、第１の態様に従属する第２の態様における立体画像表示装置のように、前記第１のベースフレーム（１００）の面に非平行な方向に位置調整可能に前記結像部（３０）を前記第１のベースフレーム（１００）に固定する結像位置調整機構（３３）を備えてもよい。

このように構成された立体画像表示装置によれば、結像位置調整機構により、第１のベースフレームのフレーム面に非平行な方向に結像部が位置調整可能に固定されるため、立体的な中間像の位置をベースフレームの形状に依らず柔軟に調整することができる。また、結像部が、画像の投影光の光軸方向に概ね沿って位置調整されるため、結像部を位置調整させても光の利用効率を低下させにくくすることができる。

また、第１または第２の態様に従属する第３の態様における立体画像表示装置のように、前記結像位置調整機構（３３）は、前記結像部（３０）が有する複数のレンズの縁を保持しつつ内部に収納する筒状に形成され、外表面にネジ山を有する保持部（３４）と、前記第１のベースフレーム（１００）に固定され、前記ネジ山に螺合することで前記保持部（３４）を支持する支持体（３５）と、で構成され、前記保持部（３４）を回転させることで前記結像部（３０）を前記保持部（３４）の回転軸方向に移動させてもよい。

このように構成された立体画像表示装置によれば、保持部を回転させることで、第１のベースフレームに固定された支持体の内表面に形成されたネジ山により保持部が送り出され、保持部を回転軸方向に沿って直進的に移動させることができる。すなわち、画像の投影光の光軸方向と、支持体が保持部（複数のレンズを有する結像部）を送り出す方向とを概ね揃えてしまえば、保持部を回転させる簡単な操作で、結像部を画像の投影光の光軸方向に沿って移動させることができる。

また、第１乃至第３の態様のいずれかに従属する第４の態様における立体画像表示装置のように、前記画像の表示光（Ｌ２）の光軸方向に沿う方向であり、前記第１のベースフレーム（１００）の面に平行な第１の方向、前記第１のベースフレーム（１００）の面に平行であり前記第１の方向と垂直な第２の方向、および前記第１の方向及び前記第２の方向に垂直な第３の方向にそれぞれ位置調整可能に前記投射部（２０）を前記第１のベースフレーム（１００）に固定する投射位置調整機構を備えていてもよい。

このように構成された立体画像表示装置によれば、投射部を光軸方向および光軸方向と垂直な２方向に１方向ずつ位置調整するができるため、精度良く投射部の位置を調整することができる。

また、第４の態様に従属する第５の態様における立体画像表示装置のように、前記投射位置調整機構は、電気的に制御されることで、前記投射部の位置を調整してもよい。

このように構成された立体画像表示装置によれば、設定値を入力することで、簡単に所望の位置に投射部を調整することができる。

また、第１乃至第５の態様に従属する第６の態様における立体画像表示装置のように、前記リレー光学部が有する複数の反射部が固定される第２のベースフレーム（２００）をさらに備え、前記結像部（３０）から出射される光の光軸方向に位置調整可能に前記第２のベースフレーム（２００）を前記第１のベースフレーム（１００）に固定する中間像位置調整機構（３００）をさらに備えてもよい。

これによれば、リレー光学部に対して、結像部が結像する中間像の位置を簡単に調整することができる。

本発明の実施形態に係るＨＵＤ装置の構成を説明する図である。 上記実施形態のＨＵＤ装置において、結像部の位置を調整する結像位置調整機構の構成を示す図である。

以下に、本発明の立体画像表示装置の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置を、添付図面に基づいて説明する。

ＨＵＤ装置１は、車両のダッシュボードに内蔵され、画像を表す表示光Ｌ２を被投影部の一例である図示しないウインドシールドに向けて出射する。この表示光Ｌ２は、ウインドシールドで反射したうえで視認者（主に、車両の運転者）の視点に到達する。これにより、視認者は、ウインドシールドの前方に形成された３次元の虚像を視認可能となる。３次元の虚像は、視認者から見て奥行きがある形状であれば、どのような形状であってもよい。また、３次元の虚像は、道路情報、車両情報等、いかなる情報の提示に利用されてもよい。

図１に示すように、ＨＵＤ装置１は、振動スクリーン１０と、投射部２０と、結像部３０と、リレー光学部４０と、これら振動スクリーン１０、投射部２０、および結像部３０が取付けられる第１のベースフレーム１００と、リレー光学部４０が取付けられる第２のベースフレーム２００と、を備える。

振動スクリーン１０は、例えば、拡散フィルムであるスクリーンを有し、このスクリーンに投射部２０から出射される投影光Ｌ１が結像した画像Ｍが表示される。振動スクリーン１０は、スクリーンを投射部２０から出射される投影光Ｌ１の光軸に沿って往復振動する駆動部１１を有する。詳しくは、駆動部１１は、図示しないモーターと、そのモーターの回転運動を直線的な往復運動に変換し、その変換した往復運動を前記スクリーンに伝達する図示しない変換機構と、を備える。

投射部２０は、図示しない制御部から入力される映像信号に基づいてその映像信号に含まれる画像Ｍを表す投影光Ｌ１を振動スクリーン１０に出射するプロジェクタであり、画像Ｍを高速でＭ１…Ｍｎで高速に切り替え、その間、振動スクリーン１０は、その投影光Ｌ１の光軸に沿って高速で往復運動する。すなわち、投射部２０は、振動スクリーン１０の振動位置に応じた画像Ｍ１…Ｍｎを振動スクリーン１０上に表示する。図１では、投射部２０は、往復運動で、振動スクリーン１０が最も投射部２０に近い位置にある際、振動スクリーン１０に画像Ｍ１を表示し、また、振動スクリーン１０が最も投射部２０から遠い位置にある際、振動スクリーン１０に画像Ｍｎを表示する。画像Ｍ１は、投射部２０に最も近い画像Ｍであり、後述する結像部３０により結像部３０とリレー光学部４０との間の最も結像部３０に近い中間像ＩＭ１として再結像される。したがって、画像Ｍ１（中間像ＩＭ１）の虚像は、虚像のうち視認者から最も遠い位置に視認される。また、画像Ｍｎは、投射部２０から最も遠い画像Ｍであり、後述する結像部３０により結像部３０とリレー光学部４０との間の最もリレー光学部４０に近い中間像ＩＭｎとして再結像される。したがって、画像Ｍｎ（中間像ＩＭｎ）の虚像は、虚像のうち視認者から最も近い位置に視認される。本実施形態では、前記制御部は、振動スクリーン１０がその振幅のうち第１の範囲に位置している期間においては投影光Ｌ１を出射せず、振動スクリーン１０がその振幅のうち第２の範囲に位置している期間においては投影光Ｌ１を出射する。第１の範囲及び第２の範囲の位置及び比率が調整されることで３Ｄ虚像の奥行き方向における位置及び長さが調整される。具体的には、振動スクリーン１０は、６０[Ｈｚ]以上の周波数で振動し、この周期１／６０［ｓｅｃ］内で、投射部２０が複数フレームの異なる画像Ｍ１…Ｍｎを投射することで各振動位置に複数フレームの異なる実像である画像Ｍ（以下では、第１の３Ｄ画像とも呼ぶ）を結像する。すなわち、本実施形態では、複数フレームの実像が振動スクリーン１０の振動方向で重なることで第１の３Ｄ画像Ｍが生成される。なお、前記制御部は、振動スクリーン１０の振幅を変化させることで、前記３Ｄの虚像の奥行き方向の長さを調整してもよい。

結像部３０は、投射部２０が振動スクリーン１０上に表示した第１の３Ｄ画像Ｍの光を受け、この第１の３Ｄ画像Ｍを拡大した第２の３Ｄ画像ＩＭを結像するものである。結像部３０は、例えば、投射部２０が生成した第１の３Ｄ画像Ｍの光を受光するレンズ群からなる第１の結像部３１と、第１の結像部３１を通った光を反射し、第１の結像部３１の光学的パワーと協働して第１の３Ｄ画像Ｍを拡大した第２の３Ｄ画像ＩＭを結像させる第２の結像部３２と、から構成される。

第１の結像部３１は、第１の３Ｄ画像Ｍにおける振動スクリーン１０の各振動位置に結像した各画像Ｍ１…Ｍｎを、異なる倍率で拡大する機能を有し、図２では模式的に１枚のレンズに図示されているが、実際には図示しない複数の薄膜レンズを合成した合成レンズから構成される。

第２の結像部３２は、例えば、正の光学的パワーを有する凹状の反射面を有するミラーで構成され、第１の結像部３１から第１の３Ｄ画像Ｍの光を入射し、この入射した光を第１のリレー光学部４１に向けて反射し、第１の結像部３１の光学的パワーと協働して第１の３Ｄ画像Ｍを拡大した第２の３Ｄ画像ＩＭを、第２の結像部３２（結像部３０）と第１のリレー光学部４１（リレー光学部４０）との間で結像させる。なお、第２の結像部３２が担う光学的作用を、第１の結像部３１に持たせることで、第２の結像部３２は、省略されてもよい。

リレー光学部４０は、第２の３Ｄ画像ＩＭの表示光Ｌ２を被投影部に向けて反射させる凹状の反射面を有する単数または複数のミラーであり、第１のリレー光学部４１と、第１のリレー光学部４１が反射した表示光Ｌ２を被投影部に向けて反射する第２のリレー光学部４２と、から構成され、被投影部の曲面形状による像の歪みを補正する機能と、第２の３Ｄ画像ＩＭを拡大する機能と、を有する。なお、リレー光学部４０は、反射型の光学部材のみではなく、レンズ等の屈折型光学部材や、回折型光学部材を含んでいてもよい。

第１のベースフレーム１００は、例えば、金属などの硬質材料からなり、平板状又は厚さ方向に貫通穴を有する枠形状で形成され、振動スクリーン１０、投射部２０及び結像部３０が取付けられるものである。第１のベースフレーム１００には、１方向に位置調整可能なスクリーンスライド機構（図示しない）により振動スクリーン１０が取付けられ、３方向それぞれに位置調整可能な投射位置調整機構（図示しない）により投射部２０が取付けられ、第１のベースフレーム１００の面に非平行な方向に位置調整可能に第１のベースフレーム１００に固定する結像位置調整機構３３により結像部３０が取付けられる。

前記スクリーンスライド機構は、例えば、第１のベースフレーム１００上に設けられた投射部２０から出射される投影光Ｌ１の光軸方向に延びた長穴と、振動スクリーン１０に設けられた貫通穴と、第１のベースフレーム１００の前記長穴と振動スクリーン１０の前記貫通穴に挿通されるボルトと、ボルトを固定するナットで構成され、この長穴における任意の位置でボルトとナットを用いて振動スクリーン１０を固定することで、振動スクリーン１０を投影光Ｌ１に概ね沿った方向で位置調整可能に固定することができる。なお、他の実施例として、例えば、ラック・アンド・ピニオン機構、送りネジ機構などの公知の機構を採用してもよい。また、前記スクリーンスライド機構は、振動スクリーン１０だけではなく、その他の部材も取付けられてもよい。具体的には、振動スクリーン１０に向けられた投影光Ｌ１の配光を調整するレンズや、その他の外装部品などが取付けられてもよい。

前記投射位置調整機構は、投射部２０から出射される投影光Ｌ１の光軸方向に沿う方向であり、かつ第１のベースフレーム１００の面に平行な第１の方向に投射部２０の位置を調整可能な第１の投射位置調整機構（図示しない）と、第１のベースフレーム１００の面に平行であり、かつ第１の方向と垂直な第２の方向に投射部２０の位置を調整可能な第２の投射位置調整機構（図示しない）と、第１の方向及び第２の方向に垂直な第３の方向（第１のベースフレームの面の法線方向）に投射部２０の位置を調整可能な第３の投射位置調整機構（図示しない）と、で構成される。

前記第１の投射位置調整機構は、例えば、第１のベースフレーム１００上に設けられた投射部２０から出射される投影光Ｌ１の光軸方向（第１の方向）に延びた長穴と、投射部２０が係合する中間ベース体（図示しない）に設けられた貫通穴と、第１のベースフレーム１００の前記長穴と前記中間ベース体の前記貫通穴に挿通されるボルトと、ボルトを固定するナットで構成され、この長穴における任意の位置でボルトとナットを用いて投射部２０を固定することで、投射部２０を投影光Ｌ１に概ね沿った方向で位置調整可能に固定することができる。なお、他の実施例として、例えば、ラック・アンド・ピニオン機構、送りネジ機構などの公知の機構を採用してもよい。

前記第２の投射位置調整機構は、例えば、前記中間ベース体に設けられた第２の方向に延びた長穴と、投射部２０に設けられた貫通穴と、第１のベースフレーム１００の前記長穴と投射部２０の前記貫通穴に挿通されるボルトと、ボルトを固定するナットで構成され、この長穴における任意の位置でボルトとナットを用いて投射部２０を固定することで、投射部２０を第２の方向で位置調整可能に固定することができる。なお、他の実施例として、例えば、ラック・アンド・ピニオン機構、送りネジ機構などの公知の機構を採用してもよい。

前記第３の投射位置調整機構は、例えば、調整シムで構成され、前記第１の投射位置調整機構における第１のベースフレーム１００と前記中間ベース体との間、または／及び前記第２の投射位置調整機構における前記中間ベース体と投射部２０との間に配置されることで、投射部２０を第１のベースフレーム１００の面の法線方向で位置調整可能に固定することができる。

図２は、結像位置調整機構３３は、筒状に形成され、結像部３０を保持しつつ内部に収納し、外表面にネジ山（図示しない）を有する保持部３４と、第１のベースフレーム１００に固定され、ネジ山に螺合することで保持部３４を支持する支持体３５と、で構成される。保持部３４を回転させることで保持部３４自身が保持部３４の回転軸方向ＡＸに移動し、これに伴い、保持部３４に収納された第１の結像部３１も移動する。なお、保持部３４の回転軸方向ＡＸは、第１のベースフレーム１００の平行面と平行でなくてもよく、具体的に例えば、保持部３４の回転軸方向ＡＸは、第１のベースフレーム１００の平行面に対して１［ｄｅｇｒｅｅ］程度傾いていてもよい。なお、他の実施例として、結像位置調整機構３３は、第１のベースフレーム１００の面に非平行な方向に位置調整可能に結像部３０を第１のベースフレーム１００に固定するものであり、例えば、第１のベースフレーム１００上に設けられた投射部２０から出射される投影光Ｌ１の光軸方向に延びた長穴と、結像部３０に設けられた貫通穴と、第１のベースフレーム１００の前記長穴と結像部３０の前記貫通穴に挿通されるボルトと、ボルトを固定するナットと、で構成されてもよい。また、結像位置調整機構３３は、ラック・アンド・ピニオン機構、送りネジ機構などの公知の機構で構成されてもよい。

第２のベースフレーム２００は、例えば、金属などの硬質材料からなり、平板状又は厚さ方向に貫通穴を有する枠形状で形成され、少なくともリレー光学部４０が取付けられるものである。図１において、第２のベースフレーム２００には、第２の結像部３２と、第１のリレー光学部４１と、第２のリレー光学部４２とが取付けられる。

中間像位置調整機構３００は、結像部３０から出射される投影光Ｌ１の光軸方向に位置調整可能に第２のベースフレーム２００を第１のベースフレーム１００に固定するものである。中間像位置調整機構３００は、例えば、第１のベースフレーム１００上に設けられた投射部２０から出射される投影光Ｌ１の光軸方向に延びた長穴と、第２のベースフレーム２００上に設けられた貫通穴と、第１のベースフレーム１００の前記長穴と第２のベースフレーム２００の前記貫通穴に挿通されるボルトと、ボルトを固定するナットで構成され、この長穴における任意の位置でボルトとナットを用いて第２のベースフレーム２００を固定することで、投影光Ｌ１に概ね沿った方向で、第１のベースフレーム１００と第２のベースフレーム２００との相対的な位置を調整することができる。なお、他の実施例として、例えば、ラック・アンド・ピニオン機構、送りネジ機構などの公知の機構を採用してもよい。

［変形例］
なお、本発明は、以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜、実施形態及び図面に変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。以下に、変形例の一例を記す。

前記スクリーンスライド機構、前記投射位置調整機構、結像位置調整機構３３は、電動であってもよい。具体的には、ラック・アンド・ピニオン機構、送りネジ機構にモーターを設け、前記制御部からの制御に基づいてモーターを駆動して位置調整してもよい。

上記実施形態では、第１のベースフレーム１００に、振動スクリーン１０と、投射部２０と、結像部３０と、を個別に取付けていたが、振動スクリーン１０、投射部２０、及び結像部３０のうち２以上を相対的に位置調整可能に組み付けた後に、第１のベースフレーム１００に組み付けられてもよい。例えば、振動スクリーン１０と投射部２０とを相対的に位置調整可能に組み付けた後に、このモジュールを第１のベースフレーム１００に組み付けてもよい。

本発明の立体画像表示装置は、車両などの移動体に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置に適用可能である。

１ ：ＨＵＤ装置（立体画像表示装置）
１０ ：振動スクリーン
１１ ：駆動部
２０ ：投射部
３０ ：結像部
３１ ：第１の結像部
３２ ：第２の結像部
３３ ：結像位置調整機構
３４ ：保持部
３５ ：支持体
４０ ：リレー光学部
４１ ：第１のリレー光学部
４２ ：第２のリレー光学部
１００ ：第１のベースフレーム
２００ ：第２のベースフレーム
３００ ：中間像位置調整機構
ＡＸ ：回転軸方向
ＩＭ ：第２の３Ｄ画像
Ｌ１ ：投影光
Ｌ２ ：表示光
Ｍ ：画像（第１の３Ｄ画像）

Claims (6)

1. 振動部により少なくともスクリーン面の法線方向に沿って振動する振動スクリーンと、
   前記振動スクリーンに投影光を出射し、前記振動スクリーンに画像を結像させる投射部と、
   前記振動スクリーンに結像した前記画像を空間中に立体的な中間像として結像させる結像部と、
   前記結像部が結像した前記中間像を被投射部に向けて拡大して投射することで、前記被投射部を介して前記中間像の虚像を結像するリレー光学部と、
   前記振動スクリーンと、前記投射部と、前記結像部と、をそれぞれ位置調整可能に固定する第１のベースフレームと、を備える、
   ことを特徴とする立体画像表示装置。
2. 前記第１のベースフレームの面に非平行な方向に位置調整可能に前記結像部を前記第１のベースフレームに固定する結像位置調整機構を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の立体画像表示装置。
3. 前記結像位置調整機構は、前記結像部が有する複数のレンズの縁を保持しつつ内部に収納する筒状に形成され、外表面にネジ山を有する保持部と、前記第１のベースフレームに固定され、前記ネジ山に螺合することで前記保持部を支持する支持体と、で構成され、前記保持部を回転させることで前記結像部を前記保持部の回転軸方向に移動させる、ことを特徴とする請求項２に記載の立体画像表示装置。
4. 前記画像の投影光の光軸方向に沿う方向であり、前記第１のベースフレームの面に平行な第１の方向、前記第１のベースフレームの面に平行であり前記第１の方向と垂直な第２の方向、および前記第１の方向及び前記第２の方向に垂直な第３の方向にそれぞれ位置調整可能に前記投射部を前記第１のベースフレームに固定する投射位置調整機構を備える、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立体画像表示装置。
5. 前記投射位置調整機構は、電気的に制御されることで、前記投射部の位置を調整する、ことを特徴とする請求項４に記載の立体画像表示装置。
6. 前記リレー光学部が有する複数の反射部が固定される第２のベースフレームをさらに備え、前記結像部から出射される光の光軸方向に位置調整可能に前記第２のベースフレームを前記第１のベースフレームに固定する中間像位置調整機構をさらに備える、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の立体画像表示装置。
   

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