JP2020064126A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＧＢの同時発光を行いつつも各色の光量情報を判別でき、虚像の光強度の減少や全体スペースの拡大を抑制できる表示装置を提供すること。【解決手段】画像表示装置１００は、描画デバイス１１と、受光センサー部６３と、投影光学系１５と、中間スクリーン１９と、拡大光学系１７と、表示制御部１８とを備え、表示制御部１８は、ＲＧＢの同時発光を行う第１の期間ＴＰ１と、ＲＧＢの順列発光又はＲＧＢ内の２色の順次組替発光を行う第２の期間ＴＰ２とを有するよう描画デバイス１１の発光タイミングを制御し、受光センサー部６３の第２の期間ＴＰ２における検出値に基づいて、描画デバイス１１の各色に関する発光量を調整する。【選択図】図２

Description

本発明は、視線の先に虚像を表示し、かつ虚像の投影位置を可変とした表示装置に関するものである。

表示装置であるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Head-Up Display）装置は、例えば自動車の運転手に対して虚像を表示する。この種のＨＵＤ装置では、虚像を運転者からある一定距離だけ離れた位置に生成することが一般的であるが、運転者から虚像までの距離が一定だと、運転者の眼の位置がずれた場合に前方対象物と危険信号等である虚像との位置がずれてしまい、運転者が前方対象物の位置を誤認してしまうという課題がある。このような課題を解決するため、光路上に可動型の中間スクリーンを設けて中間像を形成するとともに中間スクリーンによって中間像を光軸方向に移動させることで、その前方対象物に対して危険信号等である虚像を奥行き方向も含めて重畳させるものが公知となっている（例えば特許文献１参照）。

前方対象物に対して虚像を奥行き方向も含めて重畳させるＨＵＤ装置を実現する際に、例えばデジタル・ミラー・デバイスのような描画デバイスでは、ＲＧＢのカラー画像を時間順列的に投影し、中間スクリーンが所望の距離に存在する際に各色の画像をパルス的に投影することで、目的の虚像を目的の虚像距離に投影することになる。このような装置では、描画デバイスの輝度又は色度の調整のためにフォトダイオードをはじめとする光センサーを光路上に設け、これによって描画デバイスの制御部に対して光量情報をフィードバックし、描画制御に反映させる。この時、描画デバイスを一般的なＲＧＢの時間順列的な発光と、輝度確保のためのＲＧＢの同時発光との２つの発光モードで、ＨＵＤ装置を動作させることができるが、後者の発光モードで動作させる場合、各色の光量情報を判別できないという問題がある。また、これを解決するために各色用の個別のセンサーを設けることが考えられるが、虚像の光強度の減少、全体スペースの拡大等につながるという問題を有する。

特開２００９−１５０９４７号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、ＲＧＢの同時発光を行いつつも各色の光量情報を判別でき、虚像の光強度の減少や全体スペースの拡大を抑制できる表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る表示装置は、ＲとＧとＢとを含むカラー画像を表示する描画デバイスと、描画デバイスからの発光量に対応する光検出を行う受光センサー部と、描画デバイスに形成された像を投影する投影光学系と、拡散機能を有し、投影光学系の光射出側に配置される中間スクリーンと、中間スクリーン上の像を拡大する拡大投学系と、中間スクリーンを光軸に沿って空間的に移動させるとともに描画デバイスの動作を制御する表示制御部と、を備え、表示制御部は、ＲＧＢの同時発光を行う第１の期間と、ＲＧＢの順列発光又はＲＧＢ内の２色の順次組替発光を行う第２の期間とを有するよう描画デバイスの発光タイミングを制御し、受光センサー部の第２の期間における検出値に基づいて、描画デバイスの各色に関する発光量を調整する。

上記表示装置によれば、表示制御部は、ＲＧＢの順列発光又はＲＧＢ内の２色の順次組替発光を行う第２の期間を有するよう描画デバイスの発光タイミングを制御するので、受光センサー部の第２の期間における検出値から、各色の発光量に関する光量情報を取得でき、描画デバイスの各色に関する発光量をフィードバックによって調整することができる。この際、単一の受光センサー部によって描画デバイスの各色に関する発光量を取得できるので、虚像の光強度の減少や全体スペースの拡大を抑制することができる。

本発明の具体的な側面では、上記表示装置において、第１の期間中に第２の期間を割り込ませるとともに、第２の期間中の色バランスを第１の期間中の色バランスと一致させる。この場合、第１の期間中に描画デバイスの各色に関する発光量を取得できる。

本発明の別の側面によれば、表示制御部は、描画デバイスの発光タイミングと、ＲＧＢの発光色と、発光の絶対量及び発光時間の積としての発光量とについて制御を行う。

本発明のさらに別の側面によれば、受光センサー部は、描画デバイスから射出された光を検出する。この場合、光変調素子も含めた発光量に関する情報が得られる。

本発明のさらに別の側面によれば、描画デバイスは、Ｒ光源と、Ｇ光源と、Ｂ光源と、デジタル・ミラー・デバイスとを含む。

（Ａ）は、第１実施形態の画像表示装置を車体に搭載した状態を示す側方断面図であり、（Ｂ）は、画像表示装置を説明する車内側からの正面図である。 虚像表示光学系等の具体的な構成例を説明する拡大側方断面図である。 描画デバイスの構造を説明する概念図である。 描画デバイスの表示タイミングと受光センサー部の動作タイミングとを説明する図である。 描画デバイスの表示タイミングと受光センサー部の動作タイミングとの変形例を説明する図である。 受光センサー部の配置の変形例を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、中間スクリーンを組み込んだ拡散部の構造を説明する平面図及び側断面図であり、（Ｃ）は、中間スクリーンの回転に伴う機能領域の移動等を説明する図である。 中間像の位置の変化を具体的に例示する図である。 画像表示装置を含む移動体用表示システムを説明するブロック図である。 具体的な表示状態を説明する斜視図である。 （Ａ）は、図８に対応する図であり、（Ｂ）〜（Ｄ）は、図１０中の表示像又はフレーム枠に対応する図である。 画像表示装置の動作例を説明する図である。

以下、本発明に係る表示装置の一実施形態である画像表示装置について具体的に説明する。

図１（Ａ）及び１（Ｂ）は、表示装置としての画像表示装置１００及びその使用状態を説明する概念的な側方断面図及び正面図である。この画像表示装置１００は、例えばヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置として車体２内に搭載されるものであり、描画ユニット１０と表示スクリーン２０とを備える。画像表示装置１００は、描画ユニット１０中の後述する描画デバイス１１に表示されている画像情報を、表示スクリーン２０を介して運転者ＵＮに向けて虚像表示するものである。

画像表示装置１００のうち描画ユニット１０は、車体２のダッシュボード４内であってディスプレイ５０の背後に埋め込むように設置されており、運転関連情報等を含む画像に対応する表示光ＨＫを表示スクリーン２０に向けて射出する。表示スクリーン２０は、コンバイナーとも呼ばれ、半透過性を有する凹面鏡又は平面鏡である。表示スクリーン２０は、下端の支持によってダッシュボード４上に立設され、描画ユニット１０からの表示光ＨＫを車体２の後方に向けて反射する。つまり、図示の場合、表示スクリーン２０は、フロントウインドウ８とは別体で設置される独立型のものとなっている。表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫは、運転席３に座った運転者ＵＮの瞳ＨＴ及びその周辺位置に対応するアイボックス（不図示）に導かれる。運転者ＵＮは、表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫ、つまり車体２の前方にある虚像としての表示像ＩＭを観察することができる。一方、運転者ＵＮは、表示スクリーン２０を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を観察することができる。結果的に、運転者ＵＮは、表示スクリーン２０の背後の外界像又はシースルー像に重ねて、表示スクリーン２０での表示光ＨＫの反射によって形成される運転関連情報等を含む表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。

ここで、表示スクリーン２０をフロントウインドウ８と別体で構成しているが、フロントウインドウ８を表示スクリーンとして用い、フロントウインドウ８内に設定した表示範囲に投影を行って、運転者ＵＮが表示像ＩＭを観察できる構成としてもよい。この際、フロントウインドウ８のガラスの一部領域の反射率をコート等によって変更することで、反射領域を確保することができる。また、フロントウインドウ８での反射角度が例えば６０度程度であれば、反射率が１５％程度確保され、特にコートを設けなくても透過性を有する反射面として用いることができる。これら以外に、表示スクリーン２０をフロントウインドウ８のガラス中に挟む構成とすることもできる。

図２に示すように、描画ユニット１０は、描画デバイス１１を含む虚像型の拡大結像系である本体光学系１３と、本体光学系１３を動作させる表示制御部１８と、本体光学系１３等を収納するハウジング１４とを備える。表示制御部１８は、描画デバイス１１の発光タイミングと、ＲＧＢの発光色と、発光量とについて制御を行う。本体光学系１３と表示スクリーン２０とを組み合わせたものは、虚像表示光学系３０を構成する。

本体光学系１３は、描画デバイス１１のほかに、描画デバイス１１に形成された画像を拡大した中間像ＴＩを形成するための投影光学系１５と、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍（以下では結像位置とも呼ぶ）に配置される拡散部１６と、拡散部１６上の像（中間像ＴＩそのもののほか、中間像ＴＩから位置ズレして僅かにピントがボケたものも含み、強制中間像ＴＩ’とも呼ぶ）を拡大して投影するための拡大光学系１７とを備える。

描画デバイス１１は、２次元的な表示面１１ａを有する。描画デバイス１１の表示面１１ａに形成された像は、本体光学系１３のうち投影光学系１５で拡大されて拡散部１６へ投影される。この際、２次元表示が可能な描画デバイス１１を用いることで、投影光学系１５が描画デバイス１１の表示面１１ａに形成された像を拡大するので、表示スクリーン２０越しに虚像として表示される表示像ＩＭの切り替えを比較的高速とできる。描画デバイス１１の動作は、後述する表示制御部１８によって拡散部１６に付随する回転駆動部６４の動作と同期するように制御されている。描画デバイス１１は、例えば反射型の表示素子を含む。この表示素子を照明する発光体としては、例えば半導体光源が用いられる。なお、描画デバイス１１は、虚像距離を変化させる場合には、それぞれの虚像距離に対して３０ｆｐｓ以上、さらに望ましくは６０ｆｐｓ以上のフレームレートで動作する。これにより、異なる虚像距離に複数の表示像（虚像）ＩＭを運転者ＵＮに対して同時に表示されているように見せることが容易になる。

図３は、描画デバイス１１の具体的な構成を説明する図である。描画デバイス１１は、照明光を射出する照明光学系５と、照明光の２次元的な空間変調によって画像を生成する表示デバイス６とを備える。照明光学系５は、照明光を射出する３つの光源４ａ，４ｂ，４ｃと、第１ダイクロイックミラー５ａと、第２ダイクロイックミラー５ｂと、コリメーター５ｄ，５ｅ，５ｆと、リレーレンズ５ｈと、フライアイ光学系５ｊと、コンデンサーレンズ５ｍ，５ｎと、折曲げミラー５ｐと、ＴＩＲプリズム５ｑと、平板５ｒとを備える。３つの光源４ａ，４ｂ，４ｃは、ＬＥＤ（light emitting diode）その他の発光素子であり、Ｒ、Ｇ、及びＢの３色の照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃをそれぞれ射出する。光源４ａは、Ｒ光源であり、光源４ｂは、Ｇ光源であり、光源４ｃは、Ｂ光源である。第１ダイクロイックミラー５ａは、第２の光源（Ｇ光源）４ｂからのＧの照明光Ｌｂと、第３の光源（Ｂ光源）４ｃからのＢの照明光Ｌｃとを合成し、第２ダイクロイックミラー５ｂは、第１の光源（Ｒ光源）４ａからのＲの照明光Ｌａと、第１ダイクロイックミラー５ａで合成されたＧ及びＢの照明光Ｌｂ，Ｌｃとを合成する。各コリメーター５ｄ，５ｅ，５ｆは、各光源４ａ，４ｂ，４ｃからの照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを平行光束に近い状態にする。リレーレンズ５ｈは、照明光Ｌｂ，Ｌｃ側の光路差を補償する役割を有する。フライアイ光学系５ｊは、オプティカルインテグレーターとも呼ばれ、各光源４ａ，４ｂ，４ｃからの照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを均一化する。コンデンサーレンズ５ｍ，５ｎは、フライアイ光学系５ｊを経たＬａ，Ｌｂ，Ｌｃを適度の入射角範囲で表示デバイス６に入射させる。ＴＩＲプリズム５ｑは、全反射の有無を利用して照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの光路と表示光ＨＫの光路とを分離する。具体的には、ＴＩＲプリズム５ｑを構成する一方のプリズムの斜面５ｗで照明光を全反射して投影光学系１５の光軸ＡＸに対して傾いた方向から照明光を表示デバイス６に導くことができ、表示デバイス６からの光を投影光学系１５の光軸ＡＸに沿った正面方向へは透過させて、表示光ＨＫとして投影光学系１５に入射させることができる。平板５ｒは、表示デバイス６のカバーガラスであるが、フィルター機能を持たせることもできる。

表示デバイス６は、デジタル・ミラー・デバイス（ＤＭＤ：Digital Mirror Device）であり、ＴＩＲプリズム５ｑから入射した照明光をＴＩＲプリズム５ｑ越しに投影光学系１５に向けたり投影光学系１５から逸らしたりするオン・オフ動作が可能である。表示デバイス６の動作は、順次発光する光源４ａ，４ｂ，４ｃと同期しており、Ｒ、Ｇ、及びＢの３色の表示光ＨＫを順次又は同時に形成する。

図２に戻って、描画デバイス１１の光射出側には、描画デバイス１１からの発光量に対応する光検出を行う受光センサー部６３が設けられている。表示制御部１８は、受光センサー部６３の検出出力に基づいて動作しており、受光センサー部６３の検出値に基づいて、描画デバイス１１の各色に関する発光量、具体的には表示デバイス６の表示輝度を調整する。表示デバイス６の発光量又は発光輝度の調整は、画素のオン及びオフの時間比の調整によって行われる。つまり、描画デバイス１１の発光量は、発光の絶対量及び発光時間の積として与えられる。受光センサー部６３は、単一のＰＤ（Photo Diode）からなるが、Ｒ、Ｇ、及びＢの３色の光量検出を可能にする。表示制御部１８は、描画デバイス１１の動作タイミング又は発光タイミングに同期して、受光センサー部６３による光量検出を行っている。受光センサー部６３は、例えば表示光ＨＫの光路上であって表示像（虚像）ＩＭを妨げない位置に配置される。受光センサー部６３は、光路近傍に配置されて表示光ＨＫを直接検出するものとすることができるが、これに限らず、光路上に配置された部分透過ミラーによって分岐された光路外に配置することもできる。

図４は、描画デバイス１１の表示タイミング（発光タイミング）と受光センサー部６３の動作タイミングとの一例を示す。第１時間領域ＴＲ１において、描画デバイス１１では、全光源４ａ，４ｂ，４ｃを発光させた状態で表示デバイス６に表示動作を行わせている。第２時間領域ＴＲ２において、各光源４ａ，４ｂ，４ｃにＲＧＢの順列発光を行わせつつ、表示デバイス６に表示動作を行わせている。第３時間領域ＴＲ３において、全光源４ａ，４ｂ，４ｃを発光させた状態で表示デバイス６に表示動作を行わせている。つまり、第１及び第３時間領域ＴＲ１，ＴＲ３は、ＲＧＢの同時発光を行う第１の期間ＴＰ１であり、第２時間領域ＴＲ２は、ＲＧＢの順列発光を行う第２の期間ＴＰ２である。第１及び第３時間領域ＴＲ１，ＴＲ３又は第１の期間ＴＰ１において、描画デバイス１１に白色の表示（つまりＲＧＢの同時表示又は同時発光）を行わせる。日差しが激しい状態では、カラー表示の場合、表示像（虚像）ＩＭの観察が困難になる場合がある。このため、描画デバイス１１に白色の表示を行わせることで、描画デバイス１１の発光量を大きくし、表示像（虚像）ＩＭの視認性を高めている。第２時間領域ＴＲ２又は第２の期間ＴＰ２において、時刻ｔ１〜ｔ２の間にＲの光源４ａが発光し、表示デバイス６によって、Ｒの照明光Ｌａの変調、つまりＲの画像の表示を行わせる。第２時間領域ＴＲ２又は第２の期間ＴＰ２において、時刻ｔ２〜ｔ３の間にＧの光源４ａが発光し、表示デバイス６によって、Ｇの照明光Ｌｂの変調、つまりＧの画像の表示を行わせる。第２時間領域ＴＲ２又は第２の期間ＴＰ２において、時刻ｔ３〜ｔ４の間にＢの光源４ａが発光し、表示デバイス６によって、Ｂの照明光Ｌｃの変調、つまりＢの画像の表示を行わせる。ここで、第２の期間ＴＰ２は、例えば１フレームの表示に対応し、第２の期間ＴＰ２中の色バランスを第１の期間ＴＰ１中の色バランスと一致させているので、第２の期間ＴＰ２の表示は、略白色の表示として認識される。受光センサー部６３は、時刻ｔ１〜ｔ２中の所定期間をＲの照明光Ｌａの検出タイミングＳ１としており、時刻ｔ２〜ｔ３中の所定期間をＧの照明光Ｌｂの検出タイミングＳ２としており、時刻ｔ３〜ｔ４中の所定期間Ｓ３をＢの照明光Ｌｃの検出タイミングＳ３としている。つまり、第２時間領域ＴＲ２は、各光源４ａ，４ｂ，４ｃの発光状態をチェックする時間帯となっている。検出タイミングＳ１で受光センサー部６３によって検出された検出値は、表示制御部１８において描画デバイス１１のＲの発光量（例えばｌｍ単位）に換算され、描画デバイス１１のＲ表示の発光量又は表示輝度のフィードバック制御に利用される。同様に、検出タイミングＳ２で受光センサー部６３によって検出された検出値は、表示制御部１８において描画デバイス１１のＧの発光量に換算され、描画デバイス１１のＧ表示の発光量又は表示輝度のフィードバック制御に利用される。検出タイミングＳ３で受光センサー部６３によって検出された検出値は、表示制御部１８において描画デバイス１１のＢの発光量に換算され、描画デバイス１１のＢ表示の発光量又は表示輝度のフィードバック制御に利用される。

以上では、第２の期間ＴＰ２において、ＲＧＢの順で順次発光を行わせたが、ＧＲＢ等、発光の順序を入れ替えてもよい。

第１の期間ＴＰ１中に短時間の第２の期間ＴＰ２を割り込ませるタイミングは、光源４ａ，４ｂ，４ｃの発光量チェックに必要な定期的なものとすることができる。なお、以上では第１の期間ＴＰ１中に短時間の第２の期間ＴＰ２を割り込ませているが、第１の期間ＴＰ１の開始前に第２の期間ＴＰ２を設定することもできる。

図５は、描画デバイス１１の表示タイミング（発光タイミング）と受光センサー部６３の動作タイミングとの変形例を示す。第２時間領域ＴＲ２の前側に設けた第１の期間ＴＰ１において、全光源４ａ，４ｂ，４ｃを発光させた状態で表示デバイス６に表示動作を行わせている。次に、第２時間領域ＴＲ２の後側に設けた第２の期間ＴＰ２において、ＲＧＢ内の２色（つまりＲＧ又はＧＢの２色）の順次組替発光を行わせつつ、表示デバイス６に表示動作を行わせている。具体的には、第１の期間ＴＰ１の最後に設けた時刻ｔ１〜ｔ２の間に、全光源４ａ，４ｂ，４ｃが発光し、表示デバイス６によって、ＲＧＢの照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃの変調及び画像表示を行わせる。第２の期間ＴＰ２において、時刻ｔ２〜ｔ３の間に、Ｒ及びＧの光源４ａ，４ｂが発光し、表示デバイス６によって、Ｒ及びＧの照明光Ｌａ，Ｌｂの変調及び画像表示を行わせる。さらに次の時刻ｔ２〜ｔ３の間に、Ｇ及びＢの光源４ｂ，４ｃが発光し、表示デバイス６によって、Ｇ及びＢの照明光Ｌｂ，Ｌｃの変調及び画像表示を行わせる。時刻ｔ１〜ｔ２内の検出タイミングＳ１では、ＲＧＢの発光量（例えばｌｍ単位）に対応するＩＴ＝ＩＲ＋ＩＧ＋ＩＢが検出され、時刻ｔ２〜ｔ３内の検出タイミングＳ２では、ＲＧの発光量に対応するＩｓ１＝ＩＲ＋ＩＧが検出され、時刻ｔ３〜ｔ４内の検出タイミングＳ３では、ＧＢの発光量に対応するＩｓ２＝ＩＧ＋ＩＢが検出される。表示制御部１８において、検出値ＩＴ，Ｉｓ１，Ｉｓ２から各色の発光量ＩＲ，ＩＧ，ＩＢが連立方程式の解として計算され、描画デバイス１１のＲＧＢの発光量に換算され、描画デバイス１１のＲ表示、Ｇ表示、及びＢ表示の発光量又は表示輝度のフィードバック制御に利用される。

以上では、第２の期間ＴＰ２において、Ｒ及びＧの組合せとＧ及びＢの組合せとを発光させたが、色を変更して、例えばＲ及びＢの組合せとＧ及びＢの組合せとを発光させることもできる。第１の期間ＴＰ１中に短時間の第２の期間ＴＰ２を割り込ませるタイミングは、光源４ａ，４ｂ，４ｃの発光量チェックに必要な定期的なものとすることができる。なお、以上では第１の期間ＴＰ１中に短時間の第２の期間ＴＰ２を割り込ませているが、第１の期間ＴＰ１の開始前に第２の期間ＴＰ２を設定することもできる。

図６は、受光センサー部の配置に関する変形例を説明する図である。この場合、受光センサー部１６３は、照明光学系５において折曲げミラー１０５ｐの背後に配置されている。折曲げミラー１０５ｐは、例えば数％の透過率を有し、照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを僅かに透過させるので、照明光Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃを合成した発光量等を計測することができる。受光センサー部１６３は、光路近傍に配置されるものであってもよく、この場合、折曲げミラー１０５ｐを透過性を有しないものとすることができる。

図２に戻って、投影光学系１５は、固定焦点のレンズ系であり、複数のレンズ要素を有する。投影光学系１５は、描画デバイス１１の表示面１１ａに形成された画像を中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’として拡散部１６上に適当な倍率で拡大投影する。

拡散部１６は、投影光学系１５による投影位置又は結像位置（つまり、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍）に配置される部材であり、回転駆動部６４に駆動されて例えば一定速度で基準軸ＳＸの周りに回転する。つまり、回転駆動部６４は、拡散部１６（具体的には、後述する回転体１６ａの中間スクリーン１９）に、光軸ＡＸ方向に沿った可動範囲内において周期運動を行わせる。また、回転駆動部６４は、表示制御部１８の制御下で動作しており、位置センサー６５による中間スクリーン１９の配置検出結果に基づいて、中間スクリーン１９の回転位置や回転速度を、描画デバイス１１の投影タイミングに合わせて調整している。なお、回転駆動部６４の駆動制御が正確である場合、位置センサー６５を省略することもできる。

図７（Ａ）及び７（Ｂ）に示すように、画像表示装置１００に組み込まれる拡散部１６は、全体として円板に近い輪郭を有する螺旋状の回転体１６ａと、回転体１６ａを支持する中心軸部１６ｒとを有する。

回転体１６ａは、中央部１６ｃと外周光学部１６ｐとを有する。回転体１６ａの外周光学部１６ｐに形成された一方の表面１６ｆ（本実施形態では、投影光学系１５側又は＋Ｙ側の面）は、平滑面又は光学面に形成されており、表面１６ｆ上には、全域に亘って中間スクリーン１９が形成されている。

中間スクリーン１９は、配光角を所望の角度に制御した環状の拡散板である。中間スクリーン１９は、回転体１６ａに貼り付けられるシートとできるが、回転体１６ａの表面に形成された微細な凹凸パターンであってもよい。さらに、中間スクリーン１９は、回転体１６ａの内部に埋め込むように形成されたものであってもよい。中間スクリーン１９は、入射した表示光ＨＫを拡散させることによって中間像ＴＩ又は強制中間像ＴＩ’を形成する（図２参照）。

回転体１６ａの外周光学部１６ｐに形成された他方の表面１６ｓ（本実施形態では、拡大光学系１７側の面）は、平滑面又は光学面に形成されている。回転体１６ａは、光透過性を有する螺旋状の部材であり、一対の表面１６ｆ，１６ｓは、基準軸ＳＸを螺旋軸とする螺旋面となっている。結果的に、一方の表面１６ｆ上に形成された中間スクリーン１９は、螺旋の１ピッチ分の範囲に形成されている。拡散部１６の周に沿った１箇所に段差状の境界部１６ｊが形成され、この境界部１６ｊは、螺旋端に対応する位置で光軸ＡＸ方向又は基準軸ＳＸ方向に例えば３０ｍｍ以下の距離段差又はピッチを与えるものとなっている。拡散部１６の境界部１６ｊは、中間スクリーン１９の境界部でもある。境界部１６ｊは、螺旋端間の段差を繋ぐとともに、拡散部１６を回転させる基準軸ＳＸを含む平面に対して傾斜した帯状の接続面１６ｋを有する。上記のように、回転体１６ａの一対の表面１６ｆ，１６ｓが基準軸ＳＸを螺旋軸とする螺旋面であることから、回転体１６ａは、基準軸ＳＸ又は光軸ＡＸ方向に関して略等しい厚みｔを有する。

図７（Ａ）に示すように、回転体１６ａにおいて、周方向に沿った１箇所は、本体光学系１３の光軸ＡＸが通る機能領域ＦＡとなっており、機能領域ＦＡにおける中間スクリーン１９の部分によって中間像ＴＩが形成される。この機能領域ＦＡは、回転体１６ａの回転に伴って回転体１６ａ上において一定速度で移動し回転体１６ａ上で周回する（図７（Ｃ）参照）。図示の例では、中間スクリーン１９が螺旋の１周期に対応する範囲に形成されているため、回転体１６ａの１回転で中間スクリーン１９が空間的に移動し、中間スクリーン１９の機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩは、光軸ＡＸ方向に段差に相当する距離Ｄだけ移動することになる（図７（Ｂ）参照）。

なお、投影光学系１５は、拡散部１６に設けた中間スクリーン１９の位置によってピントぼけが生じないように、機能領域ＦＡの移動範囲以上の所定の焦点深度を有する。

図２に戻って、拡大光学系１７は、拡散部１６に形成された中間像ＴＩを表示スクリーン２０と協働して拡大し、運転者ＵＮの前方の表示スクリーン２０越しに虚像としての表示像ＩＭを形成する。拡大光学系１７は、少なくとも１枚のミラーで構成されるが、図示の例では２枚のミラー１７ａ，１７ｂを含む。

図２等に示す画像表示装置１００において、表示制御部１８の制御下で回転駆動部６４を動作させることで、拡散部１６が基準軸ＳＸの周りに回転し、回転体１６ａ又は中間スクリーン１９が光軸ＡＸと交差する位置（つまり機能領域ＦＡ）も光軸ＡＸ方向に移動する。つまり、例えば図７（Ｃ）に示すように、回転体１６ａの回転に伴って、中間スクリーン１９上の機能領域ＦＡは、例えば元の機能領域ＦＡ１から等角度でずれた位置に設定された隣接する機能領域ＦＡ２，ＦＡ３に順次シフトし、光軸ＡＸ方向に移動する。このような機能領域ＦＡの光軸ＡＸ方向への移動により、中間像ＴＩの位置も光軸ＡＸ方向に移動させることができる。拡散部１６が基準軸ＳＸの周りに回転することで、機能領域ＦＡに対応する中間像ＴＩの位置が光軸ＡＸ方向に繰り返し周期的に移動し、拡大光学系１７によって表示スクリーン２０の背後に形成される虚像としての表示像ＩＭと観察者である運転者ＵＮとの距離を大きく、又は小さくすることができる。このように、表示制御部１８の制御下で、投影される投影像ＩＭの位置を前後に変化させるとともに、描画デバイス１１による表示内容をその位置に応じたものとすることで、表示像ＩＭまでの投影距離又は虚像距離を変化させつつ表示像ＩＭの表示内容を変化させることになり、一連の投影像としての表示像ＩＭを３次元的なものとすることができる。

図８は、拡散部１６の回転に伴う中間像ＴＩの位置の変化を具体的に例示する図である。拡散部１６の機能領域ＦＡの中心は、光軸ＡＸ方向に沿って鋸歯状の経時パターンＰＡで繰り返し周期的に移動しており、中間像ＴＩの中心位置も、描画デバイス１１が連続表示を行っている場合、図示のように光軸ＡＸ方向に沿って鋸歯状の経時パターンＰＡで繰り返し周期的に移動する。つまり、中間像ＴＩの位置は、境界部１６ｊに対応する箇所で不連続的ながら、拡散部１６の回転に伴って連続的かつ周期的に変化する。この結果、図示を省略するが、表示像（虚像）ＩＭの位置も、スケールは異なるが、中間像ＴＩの位置と同様に光軸ＡＸ方向に沿って繰り返し周期的に移動し、投影距離を連続的に変化させることができる。描画デバイス１１は、連続表示を行うものでなく、表示内容を切り替りえつつ間欠的な表示を行うものであるから、中間像ＴＩの表示位置も鋸歯状の経時パターンＰＡ上における離散的な位置となる。経時パターンＰＡにおいて、最も近距離側又は拡大光学系１７寄りの表示位置Ｐｎと、最も遠距離側又は反拡大光学系１７寄りの表示位置Ｐｆとは、経時パターンＰＡの両端に設定される。また、経時パターンＰＡの途切れ目ＰＤは、拡散部１６の回転体１６ａに設けた境界部１６ｊに対応する。さらに、図７（Ｃ）に示す機能領域ＦＡ１，ＦＡ２，ＦＡ３の中心は、経時パターンＰＡ上の離散的な表示位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に対応する。

図９は、移動体用表示システム２００を説明するブロック図であり、移動体用表示システム２００は、その一部として画像表示装置１００を含む。この画像表示装置１００は、図２に示す構造を有するものであり、ここでは説明を省略する。移動体用表示システム２００は、移動体である自動車等に組み込まれるものである。

移動体用表示システム２００は、画像表示装置１００のほかに、環境監視部７２と、外光監視部７５と、主制御装置９０とを備える。

環境監視部７２は、前方に近接する自動車、自転車、歩行者等を識別する部分であり、外部用カメラ７２ａと、外部用画像処理部７２ｂと、判断部７２ｃとを備える。外部用カメラ７２ａは、車体２内外の適所に設置されており、運転者ＵＮ又はフロントウインドウ８の前方、側方等の外部画像を撮影する。外部用画像処理部７２ｂは、外部用カメラ７２ａで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って判断部７２ｃでの処理を容易にする。判断部７２ｃは、外部用画像処理部７２ｂを経た外部画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって自動車、自転車、歩行者等の対象物の存否を検出するとともに、外部画像に付随する奥行情報から車体２前方における対象物の空間的な位置を算出する。

なお、外部用カメラ７２ａは、図示を省略しているが、例えば複眼型の３次元カメラである。つまり、カメラ７２ａは、結像用のレンズと、ＣＭＯＳその他の撮像素子とを一組とするカメラ素子をマトリックス状に配列したものであり、撮像素子用の駆動回路をそれぞれ有する。カメラ７２ａを構成する複数のカメラ素子は、例えば奥行方向の異なる位置にピントを合わせるようになっており、或いは相対的な視差を検出できるようになっており、カメラ素子から得た画像の状態（フォーカス状態、オブジェクトの位置等）を解析することで、画像内の各領域又はオブジェクトまでの距離を判定できる。

なお、上記のような複眼型のカメラ７２ａに代えて、２次元カメラと赤外距離センサーとを組み合わせたものを用いても、撮影した画面内の各部（領域又はオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。また、複眼型のカメラ７２ａに代えて、２つの２次元カメラを分離配置したステレオカメラによって、撮影した画面内の各部（領域又はオブジェクト）に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。その他、単一の２次元カメラにおいて、焦点距離を高速で変化させながら撮像を行うことによっても、撮影した画面内の各部に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。

外光監視部７５は、例えば照度センサー等を備え、車体２の周辺の明るさを検知する。主制御装置９０は、車体２の周辺の明るさが規定の閾値を超えた場合、図４に第１時間領域ＴＲ１として例示するように、描画デバイス１１にＲＧＢの３色を合わせた高輝度の白色表示（つまりＲＧＢの同時表示又は同時発光）を行わせる。

表示制御部１８は、主制御装置９０の制御下で虚像表示光学系３０を動作させて、表示スクリーン２０の背後に虚像距離が変化する３次元的な表示像ＩＭを表示させる。表示像ＩＭは、例えば表示スクリーン２０の背後に存在する自動車、自転車、歩行者その他の対象物に対して、その奥行き方向等に関して周辺に位置するフレーム枠ＨＷ（図１０参照）のような標識とすることができる。

主制御装置９０は、画像表示装置１００、環境監視部７２等の動作を調和させる役割を有し、環境監視部７２によって検出した対象物の空間的な位置に対応するように、虚像表示光学系３０によって投影されるフレーム枠ＨＷの空間的な配置を調整する。

図１０は、具体的な表示状態を説明する斜視図である。観察者である運転者ＵＮの前方は観察視野に相当する検出領域ＶＦとなっている。検出領域ＶＦ内、つまり道路及びその周辺に、歩行者等である人のオブジェクトＯＢ１，ＯＢ３や、自動車等である移動体のオブジェクトＯＢ２が存在すると考える。この場合、主制御装置９０は、画像表示装置１００によって３次元的な表示像（虚像）ＩＭを投影させ、各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３に対して関連情報像としてのフレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を付加する。この際、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの距離が異なるので、フレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を表示させる表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３までの虚像距離は、運転者ＵＮから各オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの距離に相当するものとなっている。

なお、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の虚像距離は、離散的であり、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの現実の距離に対して常に正確に一致させるということはできない。ただし、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の虚像距離と、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３までの現実の距離との差が大きくなければ、運転者ＵＮの視点が動いても視差が生じにくく、オブジェクトＯＢ１，ＯＢ２，ＯＢ３とフレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３との配置関係を略維持することができる。

図１１（Ａ）は、図８に対応し、図１１（Ｂ）は、図１０中の表示像ＩＭ３又はフレーム枠ＨＷ３に対応し、図１１（Ｃ）は、図１０中の表示像ＩＭ２又はフレーム枠ＨＷ２に対応し、図１１（Ｄ）は、図１０中の表示像ＩＭ１又はフレーム枠ＨＷ１に対応している。図１１（Ａ）〜１１（Ｄ）より明らかなように、表示像ＩＭ１は、回転体１６ａの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの全部又は一部が表示位置ＰＯ１を中心とする所定範囲内の位置にあるときの投影像又は表示像に対応する。同様に、表示像ＩＭ２は、回転体１６ａの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの全部又は一部が表示位置ＰＯ２を中心とする所定範囲内の位置にあるときの投影像又は表示像に対応し、表示像ＩＭ３は、回転体１６ａの機能領域ＦＡ又は中間像ＴＩの全部又は一部が表示位置ＰＯ３を中心とする所定範囲内の位置にあるときの投影像又は表示像に対応する。中間像ＴＩの移動を基準とする１周期でみた場合、順に、表示位置ＰＯ１に対応する表示像ＩＭ１又はフレーム枠ＨＷ１が表示され、表示位置ＰＯ２に対応する表示像ＩＭ２又はフレーム枠ＨＷ２が表示され、表示位置ＰＯ３に対応する表示像ＩＭ３又はフレーム枠ＨＷ３が表示される。以上の１周期が視覚的に短ければ、表示像ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３の切替えが非常に速くなり、観察者である運転者ＵＮは、フレーム枠ＨＷ１，ＨＷ２，ＨＷ３を奥行きがある画像として同時に観察していると認識する。

図１２は、主制御装置９０の動作を説明する概念図である。まず、主制御装置９０は、外光監視部７５を利用して、車体２の周辺の明るさが許容値を超えたか否かを判断し（ステップＳ１１）、車体２の周辺の明るさが許容値を超えた場合（ステップＳ１１でＹ）、描画デバイス１１に白色表示又は全色表示を行わせる（ステップＳ１２）。この場合、描画デバイス１１の輝度が環境に対して相対的に低くなり、カラー表示では視認性の維持が容易でないことを考慮して白色表示としている。主制御装置９０は、描画デバイス１１について色チェックのタイミングか否かを判断し（ステップＳ１３）、色チェックのタイミングである場合（ステップＳ１３でＹ）、表示制御部１８に受光センサー部６３を利用した表示色の色チェックを行わせる（ステップＳ１４）。その後、主制御装置９０は、表示制御部１８に色チェック結果のフィードバック動作を行わせる（ステップＳ１５）。つまり、主制御装置９０は、表示制御部１８に描画デバイス１１の光量調整を行わせて表示色を規定状態に維持させる。一方、主制御装置９０は、車体２の周辺の明るさが許容値を超えない場合（ステップＳ１１でＮ）、描画デバイス１１に通常表示を行わせる（ステップＳ２２）。この場合、描画デバイス１１の輝度を環境に対して相対的に高くでき、カラー表示がなされる。この場合も、各色について照度チェックが行われカラーバランスが保たれる。なお、主制御装置９０は、表示が継続されるか否かを確認し（ステップＳ１６）、表示が継続される場合（ステップＳ１６でＹ）、ステップＳ１１に戻ってステップＳ１２等の処理を繰り返す。

以上で説明した画像表示装置１００によれば、表示制御部１８は、ＲＧＢの順列発光又はＲＧＢ内の２色の順次組替発光を行う第２の期間ＴＰ２を有するよう描画デバイス１１の発光タイミングを制御するので、受光センサー部６３の第２の期間ＴＰ２における検出値から、各色の発光量に関する光量情報を取得でき、描画デバイス１１の各色に関する発光量をフィードバックによって調整することができる。この際、単一の受光センサー部６３によって描画デバイス１１の各色に関する発光量を取得できるので、虚像の光強度の減少や全体スペースの拡大を抑制することができる。

以上では、具体的な実施形態としての表示装置について説明したが、本発明に係る表示装置は、上記のものには限られない。例えば、図２等に示す投影光学系１５や拡大光学系１７は、単なる例示であり、これら投影光学系１５及び拡大光学系１７の光学的構成については適宜変更することができる。

描画デバイス１１を構成する表示デバイス６としては、ＤＭＤに限らず、様々な動作原理に基づくものを用いることができる。

中間スクリーン１９は、螺旋状のものに限らず、板状で光軸方向に往復移動するものであってもよく、厚みが異なる複数領域を有し複数領域を光路上に順次置き換えて光路長を変化させるようなものであってもよい。

４ａ，４ｂ，４ｃ…光源、 ５…照明光学系、 ５ｑ…ＴＩＲプリズム、 ６…表示デバイス、 ８…フロントウインドウ、 １０…描画ユニット、 １１…描画デバイス、 １１ａ…表示面、 １５…投影光学系、 １６…拡散部、 １６ａ…回転体、 １７…拡大光学系、 １８…表示制御部、 １９…中間スクリーン、 ２０…表示スクリーン、 ３０…虚像表示光学系、 ６３…受光センサー部、 ６４…回転駆動部、 ７２…環境監視部、 ７５…外光監視部、 ９０…主制御装置、 １００…画像表示装置、 ２００…移動体用表示システム、 ＡＸ…光軸、 ＨＫ…表示光、 ＨＴ…瞳、 ＩＭ…表示像、 ＩＭ１，ＩＭ２，ＩＭ３…表示像、 Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ…照明光、 ＵＮ…運転者

Claims (5)

1. ＲとＧとＢとを含むカラー画像を表示する描画デバイスと、
   前記描画デバイスからの発光量に対応する光検出を行う受光センサー部と、
   前記描画デバイスに形成された像を投影する投影光学系と、
   拡散機能を有し、前記投影光学系の光射出側に配置される中間スクリーンと、
   前記中間スクリーン上の像を拡大する拡大光学系と、
   前記中間スクリーンを光軸に沿って空間的に移動させるとともに前記描画デバイスの動作を制御する表示制御部と、
   を備え、
   前記表示制御部は、ＲＧＢの同時発光を行う第１の期間と、ＲＧＢの順列発光又はＲＧＢ内の２色の順次組替発光を行う第２の期間とを有するよう前記描画デバイスの発光タイミングを制御し、前記受光センサー部の前記第２の期間における検出値に基づいて、前記描画デバイスの各色に関する発光量を調整することを特徴とする表示装置。
2. 前記第１の期間中に前記第２の期間を割り込ませるとともに、前記第２の期間中の色バランスを前記第１の期間中の色バランスと一致させることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記表示制御部は、前記描画デバイスの発光タイミングと、ＲＧＢの発光色と、発光の絶対量及び発光時間の積としての発光量とについて制御を行うことを特徴とする請求項１及び２のいずれか一項に記載の表示装置。
4. 前記受光センサー部は、前記描画デバイスから射出された光を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の表示装置。
5. 前記描画デバイスは、Ｒ光源と、Ｇ光源と、Ｂ光源と、デジタル・ミラー・デバイスとを含む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。

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