JP2020064235A - Display device - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a display device in which a virtual image is displayed in front of the line of sight and the projection position of the virtual image is variable.
表示装置として、表示素子に表示した画像を虚像投影するための投影系と、虚像を表示するためのウインドシールドやコンバイナー等の表示スクリーンとを備えるヘッドアップディスプレイ(HUD)装置が存在する。HUD装置は、運転中の運転者が視線や視点を大きく動かすことなく表示を確認することができる点で、従来の速度メーター等のインパネに情報表示する装置に比べて危険性を減らせるメリットがある。今後運転者の安全運転を支援するための表示を行う装置としてHUD装置が積極的に用いられることが予想され、その際、伝えるべき危険情報や注意すべき情報を運転者に確実に伝える必要がある。運転者により確実に情報を伝えるには、例えば運転中の前方で運転者が注意すべき対象(ターゲット)に対して、そのターゲットから大きく目線や視点をずらすことなく見ることでより自然に違和感なく、かつより速く、危険等の情報を認識することが必要となる。そういった機能を達成するために、HUD装置としては、表示する虚像の投影距離をターゲットの存在する距離で、その距離面内での縦横座標も合わせて表示させることが求められる。そのため、HUD装置としては、虚像投影する距離を可変とした光学系が必要となる。その際、虚像の投影距離を、例えば1/60sec以内で近側から遠側(又はその逆)に変えることができれば、運転者からは全ての距離の投影像が同時性を持って3D映像として観察することができ、同時に複数の距離に投影した画像の表示が可能となる。 As a display device, there is a head-up display (HUD) device including a projection system for projecting an image displayed on a display element as a virtual image and a display screen such as a windshield or a combiner for displaying the virtual image. The HUD device allows the driver to check the display without significantly moving the line of sight or viewpoint, and has the advantage of reducing the risk compared to the conventional device that displays information on the instrument panel such as a speedometer. is there. In the future, it is expected that the HUD device will be actively used as a device for displaying a display to support the driver's safe driving. At that time, it is necessary to surely inform the driver of dangerous information and cautionary information to be transmitted. is there. In order to convey the information to the driver more reliably, for example, by looking at the target (target) that the driver should pay attention to while driving, without looking far away from the target, you can feel more natural and comfortable. In addition, it is necessary to recognize information such as danger faster and faster. In order to achieve such a function, the HUD device is required to display the projection distance of the virtual image to be displayed at the distance at which the target exists and also the ordinate and abscissa in the distance plane. Therefore, the HUD device requires an optical system in which the virtual image projection distance is variable. At that time, if the projection distance of the virtual image can be changed from the near side to the far side (or vice versa) within 1/60 sec, for example, the projected images of all distances from the driver can be converted into a 3D image. It is possible to observe and display images projected at a plurality of distances at the same time.
HUD装置で虚像の投影距離を変化させる場合の手段として、DMD、LCOSといった表示素子を中間スクリーンに投影し、その中間スクリーンを移動させて虚像距離を変える方法がある。しかし、中間スクリーンを移動させる場合、近側から遠側までの虚像表示に対して光学性能を確保しようとすると、光学系の光学倍率を比較的低くする必要があり、それによって中間スクリーンの移動量が増大してしまう。特に、虚像距離を変化させるために中間スクリーンの光軸上の位置を移動させる際に、中間スクリーンに画像投影する投影光学系のフォーカス位置を変化させずに固定焦点として中間スクリーンを投影光学系の焦点深度内で移動させる構成とした場合には、中間スクリーンの移動量が大きいと深度を深くするために投影光学系のF値を大きく設定する必要があり、表示輝度の確保が困難となり問題となる。 As a means for changing the projection distance of the virtual image in the HUD device, there is a method of projecting a display element such as DMD or LCOS on the intermediate screen and moving the intermediate screen to change the virtual image distance. However, when moving the intermediate screen, it is necessary to make the optical magnification of the optical system relatively low in order to secure the optical performance for virtual image display from the near side to the far side. Will increase. In particular, when the position on the optical axis of the intermediate screen is moved to change the virtual image distance, the intermediate screen is used as a fixed focus without changing the focus position of the projection optical system that projects an image on the intermediate screen. When it is configured to move within the depth of focus, if the amount of movement of the intermediate screen is large, it is necessary to set the F value of the projection optical system to a large value in order to deepen the depth, which makes it difficult to secure the display brightness. Become.
特許文献1は、MEMSミラーを用いて像を走査して虚像表示を行うHUD装置用の光学系を開示し、可動スクリーンを、その移動方向に対して傾斜した姿勢で往復運動させることで、虚像の表示距離を可変としている。特許文献1の光学系は、2次元的表示像について投影像を形成するものではなく、表示速度を速くすることが容易でない。 Patent Document 1 discloses an optical system for a HUD device that scans an image using a MEMS mirror to display a virtual image, and reciprocates a movable screen in a posture inclined with respect to the moving direction of the movable screen. The display distance of is variable. The optical system of Patent Document 1 does not form a projected image of a two-dimensional display image, and it is not easy to increase the display speed.
特許文献2には、運転者から虚像までの距離とともに虚像の傾斜角も変位可能とした虚像表示装置が示されている。2枚のミラーを用いて光路長可変として虚像距離を変化させる構成が示されているが、虚像の傾きを変化させる手段については開示されていない。
特許文献3は、2つの虚像を表示するプロジェクターを有し2つの虚像距離に表示可能なHUD装置を開示し、距離が遠い側の虚像の想定的な傾きを、中間スクリーン又は光路中に配置するミラーの回転により変化させる。この場合、2つのプロジェクターによる虚像の相対的角度を調整できるが、単一のプロジェクターによって3次元的表示を行うものではない。 Patent Document 3 discloses a HUD device that has a projector for displaying two virtual images and can display at two virtual image distances, and an assumed inclination of the virtual image on the far side is arranged on an intermediate screen or an optical path. It is changed by rotating the mirror. In this case, the relative angles of the virtual images by the two projectors can be adjusted, but the three-dimensional display is not performed by a single projector.
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、中間スクリーンの移動量の増大を抑えつつ虚像の投影距離の広がり範囲を広くできる表示装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the background art described above, and an object of the present invention is to provide a display device capable of widening the spread range of the projection distance of a virtual image while suppressing an increase in the movement amount of the intermediate screen.
上記課題を解決するため、本発明に係る表示装置は、投影する像を表示する表示素子と、表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、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、中間スクリーンに形成された中間像を拡大する拡大光学系と、中間スクリーンを横断面において光軸に対して傾斜して配置しつつ、中間スクリーンの位置を投影光学系の光軸方向に移動させて虚像投影位置を変化させる配置変更装置とを備え、中間スクリーンは、横断面において中間像の下部が拡大光学系側に、中間像の上部が投影光学系側に配置されるように傾斜する。 In order to solve the above problems, a display device according to the present invention includes a display element that displays an image to be projected, a projection optical system that magnifies an image formed on the display element, and a light of the projection optical system that has a diffusion function. The intermediate screen located on the exit side, the magnifying optical system that magnifies the intermediate image formed on the intermediate screen, and the intermediate screen that is inclined with respect to the optical axis in the cross section while projecting the position of the intermediate screen And an arrangement changing device for changing the virtual image projection position by moving in the optical axis direction of the optical system.In the intermediate screen, the lower part of the intermediate image is on the magnifying optical system side and the upper part of the intermediate image is on the projection optical system side in the cross section. Tilt to be placed in.
上記表示装置によれば、配置変更装置が、中間スクリーンを横断面において光軸に対して傾斜して配置しつつ中間スクリーンの位置を投影光学系の光軸方向に移動させて虚像投影位置を変化させるので、空間的に広がる表示が可能であり、中間スクリーンを光軸方向に移動させる量を少なくしつつ虚像の投影距離の全体的な距離幅又は広がり範囲を拡大することができる。また、中間像の下部を拡大光学系側に、中間像の上部を投影光学系側に配置するように中間スクリーンを傾斜させることにより、表示像の上側を相対的に遠方側に投影しつつ表示像の下側を相対的に近辺側に投影することができ、例えば路面といった水平面に沿った表示が可能になる。 According to the above display device, the arrangement changing device changes the virtual image projection position by moving the position of the intermediate screen in the optical axis direction of the projection optical system while arranging the intermediate screen in a cross-section inclined with respect to the optical axis. Therefore, it is possible to spatially expand the display, and it is possible to expand the overall distance width or expansion range of the virtual image projection distance while reducing the amount of movement of the intermediate screen in the optical axis direction. Also, by tilting the intermediate screen so that the lower part of the intermediate image is located on the magnifying optical system side and the upper part of the intermediate image is located on the projection optical system side, the upper side of the displayed image is displayed while being projected relatively far. The lower side of the image can be projected relatively to the near side, and the display along a horizontal plane such as a road surface becomes possible.
本発明の具体的な1つの側面では、上記表示装置において、表示素子は、中間スクリーンの傾斜角度に応じて傾斜角度を調整される。この場合、中間スクリーンにおける中間像のフォーカス状態を一様なものとしやすくなり、虚像の画質を向上させることができる。 In one specific aspect of the present invention, in the display device, the display element has an inclination angle adjusted according to the inclination angle of the intermediate screen. In this case, the focus state of the intermediate image on the intermediate screen can be easily made uniform, and the image quality of the virtual image can be improved.
本発明の別の側面では、配置変更装置は、中間スクリーンを一定の傾斜角度で移動させる。この場合、中間スクリーンの移動機構を簡潔化でき、中間スクリーンの移動に関わらず虚像の状態を維持することが容易になる。 In another aspect of the invention, the repositioning device moves the intermediate screen at a constant tilt angle. In this case, the moving mechanism of the intermediate screen can be simplified, and it becomes easy to maintain the state of the virtual image regardless of the movement of the intermediate screen.
本発明のさらに別の側面では、配置変更装置は、横断面において中間スクリーンの中間像の下部を支点として中間スクリーンを傾斜させて中間スクリーンを移動させる。 In still another aspect of the present invention, the arrangement changing device moves the intermediate screen by inclining the intermediate screen with the lower part of the intermediate image of the intermediate screen as a fulcrum in the cross section.
本発明のさらに別の側面では、中間スクリーンは、回転軸を中心として回転する回転体に設けられる。この場合、中間スクリーンの光軸方向の移動が安定し、高速で虚像距離を変化させることが可能となるとともに、装置の信頼性も増す。 In still another aspect of the present invention, the intermediate screen is provided on the rotating body that rotates about the rotation axis. In this case, the movement of the intermediate screen in the optical axis direction is stabilized, the virtual image distance can be changed at high speed, and the reliability of the apparatus is increased.
本発明のさらに別の側面では、投影距離を変化させる複数の表示ゾーンのうち隣り合う表示ゾーンにおいて投影距離が部分的に重複するように表示素子に像を表示させる表示制御部を備える。この場合、空間表示密度を高めることができる。 In still another aspect of the present invention, a display control unit that displays an image on a display element so that projection distances partially overlap in adjacent display zones among a plurality of display zones that change projection distances is provided. In this case, the spatial display density can be increased.
本発明のさらに別の側面では、複数の表示ゾーンは、近距離から遠距離になるに従って表示する距離幅が広がる。 In yet another aspect of the present invention, the plurality of display zones have a wider distance range to be displayed from a short distance to a long distance.
本発明のさらに別の側面では、投影光学系は、光軸に対して傾斜した中間スクリーンの傾き角に最適化した設計とする。その際に、中間スクリーンの傾き角に最適化した設計とした投影光学系は、表示素子を光軸に対して傾けて構成する。または、中間スクリーンの傾き角に最適化した設計とした投影光学系は、表示素子を光軸と垂直な面内で表示素子の中心位置が光軸からシフトした位置になるように配置する。または、中間スクリーンの傾き角に最適化した設計とした投影光学系は、投影光学系を構成する各レンズの少なくとも1枚を光軸に対してシフトまたはチルトさせて構成する。これらの構成とすることにより、投影光学系を中間スクリーンの傾きに対して最適に焦点を合わせることができ、中間スクリーン上で焦点がぼけてしまって画質が低下することを防ぐことができる。また、投影光学系に合焦機能を持たせないで、投影光学系の深度内で中間スクリーンを移動させる構成とした場合には、中間スクリーンの移動量が小さくなった分だけ投影光学系のF値を小さく設定することができ、表示する虚像の明るさを確保しやすくなって望ましい構成と言える。 In still another aspect of the present invention, the projection optical system has a design optimized for the tilt angle of the intermediate screen tilted with respect to the optical axis. At that time, the projection optical system having a design optimized for the tilt angle of the intermediate screen is configured by tilting the display element with respect to the optical axis. Alternatively, in the projection optical system designed to optimize the tilt angle of the intermediate screen, the display element is arranged so that the center position of the display element is a position shifted from the optical axis in a plane perpendicular to the optical axis. Alternatively, the projection optical system having a design optimized for the tilt angle of the intermediate screen is configured by shifting or tilting at least one of the lenses forming the projection optical system with respect to the optical axis. With these configurations, the projection optical system can be optimally focused on the inclination of the intermediate screen, and it is possible to prevent the image quality from being deteriorated due to the defocus on the intermediate screen. If the projection optical system is not provided with the focusing function and the intermediate screen is moved within the depth of the projection optical system, the F of the projection optical system is reduced by the amount of movement of the intermediate screen. The value can be set small, and it is easy to ensure the brightness of the virtual image to be displayed, which is a desirable configuration.
本発明のさらに別の側面では、拡大光学系は、光軸に対して傾斜した中間スクリーンの傾き角に最適化した設計とする。ここで、最適化とは、傾けた中間スクリーンでピントが合うように、その中間スクリーン面を物体面として収差補正設計を行うことである。例えば、通常の傾きのない中間スクリーンで最適化した拡大光学系を、傾けた中間スクリーンを有する装置に使用した場合、像歪や像面湾曲等の収差が大きく出てしまい、性能上問題となる。この問題を防ぐには、傾けた中間スクリーンに合わせて最適化設計した拡大光学系が必要となる。 In still another aspect of the present invention, the magnifying optical system has a design optimized for the tilt angle of the intermediate screen tilted with respect to the optical axis. Here, optimization means designing aberration correction with the intermediate screen surface as the object plane so that the inclined intermediate screen is in focus. For example, when a magnifying optical system optimized for a normal intermediate screen having no tilt is used in an apparatus having a tilted intermediate screen, aberrations such as image distortion and field curvature become large, which is a performance problem. . To prevent this problem, a magnifying optical system optimized for the tilted intermediate screen is required.
〔第1実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る表示装置である第1実施形態のヘッドアップディスプレイ装置について説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, the head-up display device of the first embodiment, which is the display device according to the present invention, will be described with reference to the drawings.
図1(A)及び1(B)を参照して、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置100は、車体2内に搭載される表示装置であり、描画ユニット10と表示スクリーン20とを備える。ヘッドアップディスプレイ(HUD:Head-Up Display)装置100は、描画ユニット10中の後述する表示素子11(図2参照)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(観察者)DRに向けて虚像表示するものである。
Referring to FIGS. 1A and 1B, the head-up
HUD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内に埋め込むように設置されており、運転関連情報や危険信号等を含む画像に対応する表示光HKを表示スクリーン20に向けて出射する。表示スクリーン20は、コンバイナーとも呼ばれるハーフミラーであり、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させる。図示の場合、表示スクリーン20は、フロントガラス(ウインドシールド)8とは別体で設置される独立型のものとなっているが、表示スクリーン20はウインドシールドそのものであってもよい。
The
図1(A)及び図2に示すように、ハーフミラーである表示スクリーン20で反射された表示光HKは、運転席6に座った運転者DRの瞳HT及びその周辺位置に対応するアイボックスEBに導かれる。運転者DR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DRは、ハーフミラーである表示スクリーン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DRは、表示スクリーン20の背後の外界像に重ねて、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や危険信号等を含む表示像(虚像)IMを観察することができる。
As shown in FIGS. 1A and 2, the display light HK reflected by the
図2に示すように、描画ユニット10は、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。これらのうち本体光学系13と表示スクリーン(コンバイナー)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。なお、図2等において座標軸XYZは、一般的な運転者DRの瞳HT間の位置に対応するアイボックスEBの中心を原点とするが、便宜上原点をシフトさせた状態で表示されている。
As shown in FIG. 2, the
本体光学系13は、表示素子11と、表示素子11に形成された画像を拡大した中間像TIを形成可能な投影光学系15と、中間像TIの結像位置に対応して光路後段に配置される拡散部19と、中間像TIを虚像に変換する拡大光学系17とを備える。詳細は後述するが、本体光学系13によって、光軸AXに対して傾いた状態の虚像である表示像IMの投影であって投影距離を変更することが可能となっている。本体光学系13のうち投影光学系15と、拡散部19と、拡大光学系17とは、結像光学系30aを構成する。また、本体光学系13のうち拡大光学系17と、本体光学系13の上方に配置された表示スクリーン20とを組み合わせたものは、射出側合成光学系30bを構成する。
The main body
本体光学系13において、表示素子11は、2次元的な表示面11aを有する描画デバイス(表示部)である。ここで、表示面11aは、中間スクリーン16の拡散面16mの傾斜に対応して、光軸AXに対して角度θ2で傾斜させている。表示素子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で拡大されて中間像TIを拡散部19に設けた拡散部材16k上に形成し、拡大光学系17等へ導かれる。この際、表示面11aを適宜傾斜させることで、拡散面16m上における中間像TIのフォーカス状態を一様なものとしやすくなる。表示素子11として、2次元表示が可能な描画デバイスを用いることで、中間像TI又は表示像(虚像)IMの切替えを比較的高速とできる。表示素子11には、デジタルミラーデバイス(DMD:Digital Mirror Device)や反射型液晶デバイス(LCOS:Liquid crystal on silicon)を用いることができる。表示素子11としてDMDやLCOSを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切替えること(高速の間欠表示を含む)が容易になり、虚像距離又は投影距離を変化させる表示に有利である。応用例として、表示素子11は、虚像を複数距離に同時投影する場合には虚像1距離あたり例えば30fps以上、好ましくは60fps以上のフレームレートで表示させる。これにより、異なる投影距離に複数の表示像(虚像)IMを運転者DRに対して同時に表示されているように見せる際に虚像のちらつきを改善できる。
In the main body
投影光学系15は、本体レンズ15aを有する。本体レンズ15aは、固定焦点のレンズ系であり、図示を省略するが、複数のレンズ要素を有する。投影光学系15のF値は、1.8以上となっている。投影光学系15は、表示素子11の表示面11aに形成された画像を適当な倍率に拡大投影し、拡散部19の拡散部材16kの表面に設けた中間スクリーン16に近接した位置に中間像TI(又は中間スクリーン16の位置に強制中間像TI’)を形成する。強制中間像TI’は、中間像TIそのものの他、中間像TIから位置ずれして僅かにピントがぼけたものも含み、広義に中間像TIと呼ぶこともある。
The projection
拡散部19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、配置変更装置である回転駆動部64に駆動されて例えば一定速度で回転軸SXの周りに回転する。つまり、回転駆動部64は、拡散部19(具体的には、後述する回転体19aの中間スクリーン16)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、中間スクリーン16の回転位置や回転速度を、表示素子11の投影タイミングに合わせて調整している。
The diffusing
図3(A)及び3(B)に示すように、拡散部19は、全体として円板に近い輪郭を有する螺旋状の回転体19aと、回転体19aを収納する円筒状の中空枠体であるスクリーンカバー19bとを有する。
As shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B), the diffusing
回転体19aは、中間スクリーン16として機能する円錐状の部材である。回転体19aに形成された一方の表面19fは、平滑面又は光学面に形成されており、表面19f上には、略全域に亘って拡散面16mが形成されている。つまり、中間スクリーン16は、拡散スクリーンである。拡散面16mは、配光角を所望の角度に制御する部分である。拡散面16mは、回転体19aに貼り付けられるシートとできるが、回転体19a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、拡散面16mは、回転体19a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。拡散面16m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。回転体19aに形成された他方の表面19sは、平滑面又は光学面に形成されている。回転体19aは、光透過性を有する螺旋状の部材であり、一対の表面19f,19sは、円錐側面を変形したものであって、回転軸SXを螺旋軸とする螺旋変位面となっている。結果的に、一方の表面19f上に形成された拡散面16mも円錐側面を変形した螺旋変位面に沿って形成されている。回転体19a又は中間スクリーン16は、回転軸SX又は光軸AX方向に関してほぼ等しい厚みtを有する。拡散面16mは、螺旋の一周期に対応する範囲に形成されており、拡散部19の周に沿った一箇所には、拡散面16mの切れ目として段差部19jが形成されている。回転体19aすなわち中間スクリーン16をこのような形状とすることで、中間スクリーン16の拡散面16mを光軸AXに対して所望の角度だけ傾斜させることができるとともに、拡散面16mの光軸AX方向の位置を連続的に変化させることができ、表示像IMを光軸AXに対して傾けつつ投影距離を変化させる投影が可能となる。
The rotating
回転体19aにおいて、周方向に沿った一箇所は、投影光学系15又は虚像表示光学系30の光軸AXが通る機能領域FAとなっており、機能領域FAにおける拡散面16m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19aの回転に伴って回転体19a上において一定速度で移動する。つまり、回転体19aを回転させつつその一部である機能領域FAに表示光(映像光)HKを入射させることで、機能領域FA又は中間像TIが傾斜した姿勢を維持したままで機能領域FA又は中間像TIの位置が光軸AXに沿って往復移動する(図4参照)。つまり、中間スクリーン16を一定の傾斜角度で移動させることになる。図示の例では、拡散面16mが螺旋の一周期に対応する範囲に形成されているので、回転体19aの1回転で拡散面16m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だけ1往復することになる。
In the
なお、図示のYZ面に平行な横断面において中間スクリーン16の拡散面16m又は中間像TIを光軸AXに垂直な面を基準として図面上で時計方向に回転させるように角度θ1だけ傾斜させることによって、図示の拡大光学系17の場合、表示像IMの上側を相対的に遠方側に投影しつつ表示像IMの下側を相対的に近辺側に投影することができ、表示像IMを上側で奥に倒れるような状態とすることができる。これに対応して、中間スクリーン16は、中間像TIの下部が拡大光学系17側に、中間像TIの上部が投影光学系15側に配置されるように傾斜している。
In the transverse section parallel to the YZ plane shown in the drawing, the diffusing
ここで、投影光学系15は、光軸AXに対して傾斜した中間スクリーン16の傾き角θ1に最適化した設計としている。その際に、中間スクリーン16の傾き角θ1に最適化した設計とした投影光学系15は、表示素子11を光軸AXに対して傾けて構成するものとできる。または、中間スクリーン16の傾き角θ1に最適化した設計とした投影光学系15は、表示素子11を光軸AXと垂直な面内で表示素子11の中心位置が光軸AXからシフトした位置になるように配置するものとできる。または、中間スクリーン16の傾き角θ1に最適化した設計とした投影光学系15は、投影光学系15を構成する各レンズの少なくとも1枚を光軸AXに対してシフトまたはチルトさせて構成するものとできる。これらの構成とすることにより、投影光学系15を中間スクリーン16の傾きに対して最適に焦点を合わせることができ(具体的には、例えば中間スクリーン16の機能領域FA又はその一部に近似又はフィッティングさせた平面又は曲面と、投影光学系15のフォーカス面に近似又はフィッティングさせた平面又は曲面とを相対的角度差や光軸AX方向の位置ずれなく略一致させることができ)、中間スクリーン16上で焦点がぼけてしまって画質が低下することを防ぐことができる。また、投影光学系15に合焦機能を持たせないで、投影光学系15の深度内で中間スクリーン16を移動させる構成とした場合には、中間スクリーン16の移動量が小さくなった分だけ投影光学系15のF値を小さく設定することができ、表示する虚像の明るさを確保しやすくなって望ましい構成と言える。なお、拡大光学系17についても、光軸AXに対して傾斜した中間スクリーン16の傾き角θ1に最適化した設計としている。
Here, the projection
投影光学系15は、拡散部19に設けた中間スクリーン16又は拡散面16m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。
The projection
スクリーンカバー19bは、円柱状の外形輪郭を有し、円筒状の側面部19eと、一対の円板状の端面部19g,19hとで構成される。側面部19eは、光透過性を有していなくてもよく、遮光体で形成することができる。一対の端面部19g,19hは、可視波長域で高い透過性を有する材料で形成され、可視光線である表示光HKを通過させる。一対の端面部19g,19hは、平行平板であるが、自由曲面形状や非球面形状を有するものとできる。スクリーンカバー19b中の回転体19aは、一対の中心軸部65を介してスクリーンカバー19bに固定されており、スクリーンカバー19bと回転体19aとは回転軸SXの周りに一体的に回転する。このように、拡散面16mを設けた回転体19aをスクリーンカバー19b中に配置することで、回転体19aに塵等が付着することを抑制でき、回転体19aの回転に伴う音の発生を抑制することができ、回転体19aの高速での回転を安定化させることが容易になる。なお、回転体19aは、その外周部分においてスクリーンカバー19bに固定してもよい。
The
図2に戻って、拡大光学系17は、拡散部19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DR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。また、拡大光学系17を構成する2枚のミラー17a,17bは、自由曲面形状となっており、中間スクリーン16の傾き角に最適化した設計としている。
Returning to FIG. 2, the magnifying
図2等に示すヘッドアップディスプレイ装置100において、回転駆動部64によって拡散部19を一定速度で回転軸SXの周りに回転させることで、回転体19a又は中間スクリーン16の拡散面16mが光軸AXと交差する位置(具体的には、図3(A)等に示す機能領域FA)も光軸AX方向に移動する。つまり、図3(C)に示すように、回転体19aの回転に伴って、中間スクリーン16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19が回転軸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DRとの距離を大きく、又は小さくすることができる。つまり、表示像IMの虚像投影位置を変化させることになる。このように、表示制御部18の制御下で、投影される表示像IMの虚像投影位置を前後に変化させるとともに、表示素子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、上側で奥に倒れた表示像IMを表示しつつ表示像IMの光軸AXとの交点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。
In the head-up
図5は、拡散部19の回転に伴う中間像TIの中心位置(中間像TIの光軸AXとの交点)の変化を具体的に例示する図である。図2に示す中間スクリーン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、表示素子11が継続的に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の中心位置は、境界部16jに対応する箇所で不連続的ながら、拡散部19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の中心位置(表示像IMの光軸AXとの交点)も、スケールは異なるが、中間像TIの中心位置と同様に光軸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。表示素子11は、厳密には連続表示を行うものでなく、表示内容を切替えつつ間欠的な表示を行うものであるから、中間像TIの中心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、最も遠距離側又は投影光学系15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19の回転体19aに設けた境界部16jに対応する。さらに、図3(C)に示す機能領域FA1,FA2,FA3の中心位置は、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。
FIG. 5 is a diagram specifically exemplifying a change in the center position of the intermediate image TI (intersection point of the intermediate image TI with the optical axis AX) due to the rotation of the
図6は、表示像IMの投影状態を説明する概念図である。表示像IMは、水平方向に近い0°の方向から伏角4°程度の方向に広がっており、垂直方向の画角は4°程度となっている。表示像IMによって実現される空間表示SIは、経時的に移動する複数の表示ゾーンIM1〜IM5からなり、表示ゾーンIM1〜IM5を高速度で順次表示させることで3D表示を可能としている。ここでは、表示像IM又は空間表示SIを5つの表示ゾーンIM1〜IM5で構成しているが、表示ゾーンの分割数は5つに限らず、例えば3、4、又は6以上とすることができる。図からも明らかなように、表示像IM又は表示ゾーンIM1〜IM5を傾けることで、比較的狭い画角αにおいて中間像TIの中心位置の移動量を抑えつつ路面RSから瞳HTを通る水平面HPまでの空間をカバーすることができ、路上走行を前提とする場合、小画角で効率的な表示が可能になる。表示ゾーンIM1〜IM5は、近距離から遠距離になるに従って表示する距離幅が広がっている。 FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating the projection state of the display image IM. The display image IM spreads from a direction of 0 ° near the horizontal direction to a direction of a dip angle of about 4 °, and an angle of view in the vertical direction is about 4 °. The spatial display SI realized by the display image IM is composed of a plurality of display zones IM1 to IM5 that move over time, and 3D display is possible by sequentially displaying the display zones IM1 to IM5 at high speed. Here, the display image IM or the spatial display SI is composed of five display zones IM1 to IM5, but the number of divisions of the display zone is not limited to five, and can be, for example, three, four, or six or more. . As is clear from the figure, by tilting the display image IM or the display zones IM1 to IM5, the horizontal plane HP passing through the pupil HT from the road surface RS while suppressing the movement amount of the center position of the intermediate image TI at a relatively narrow angle of view α. It is possible to cover the space up to, and if traveling on the road is premised, it is possible to display efficiently with a small angle of view. In the display zones IM1 to IM5, the distance width to be displayed is widened from the short distance to the long distance.
図6の場合、表示像IM又は表示ゾーンIM1〜IM5を、鉛直のYZ断面において上に凸となる曲面上に形成しているが、拡散面16mを湾曲させることや拡大光学系17に像面湾曲を生じさせることにより、2点鎖線で示すように下に凸となる曲面上に形成することもでき、図示を省略するが、直線的な面上に形成することもができる。図6の場合、隣り合う表示ゾーン、例えば表示ゾーンIM2,IM3が投影距離に関して部分的に重複する領域AR1を有しているが、隣り合う表示ゾーン(例えば表示ゾーンIM2,IM3)間に投影距離の重複がなくてもよい。ただし、重なり合う表示ゾーンの数が多い程、或いは表示ゾーンの密度が高い程、表示像IMによる空間表示密度が高まって、光軸AXに垂直な縦方向に関して表示の自由度を高めることができる。奥行き方向の領域AR2については、例えば光軸AXに沿った表示ゾーンIM1〜IM5の対応領域AP1〜AP5で異なる表示を行う。これにより、奥行き方向に関して投影距離ごとに異なる表示が可能になる。ただし、対応領域AP1〜AP5の全体又は一部において、共通の表示を行うことができる。例えば対応領域AP1〜AP3で共通の表示(例えば前方移動物を囲む枠)を行った場合、表示の切替えが高速で画像の重複が正確ならば、視覚的な認識としては中央の対応領域AP2付近に表示が行われたと知覚される。同様に、対応領域AP2〜AP4で共通の表示(例えば前方移動物を囲む枠)を行った場合、表示の切替えが高速で画像の重複が正確ならば、視覚的な認識としては中央の対応領域AP3付近に表示が行われたと知覚される。このように、奥行き方向に重複した表示を行う場合、輝度のバランスを保つ観点で、各表示ゾーンIM1〜IM5について略同一の表示時間で表示素子11に表示動作を行わせることが望ましい。
In the case of FIG. 6, the display image IM or the display zones IM1 to IM5 is formed on a curved surface that is convex upward in the vertical YZ cross section, but the
図7は、具体的な表示像IMの投影距離を説明する図である。縦軸は中間スクリーン16の拡散面16m又は中間像TIの上下方向又はZ’方向の位置を示し、横軸は投影距離を示す。ここで、拡大光学系17の拡大倍率は、虚像距離4mの場合に11倍とし、虚像距離24mの場合に77倍としている。また、拡散面16m又は機能領域FAの上下方向又はZ’方向の幅は26mmとして、中間像TIの光軸AX方向に関する最大の位置差Δを4.6mmとしている。以下の表1は、図7に対応する具体的な数値を説明するものである。表1において、縦に図7のグラフ中の曲線に対応する配置例1〜6が列挙され、各配置例1〜6において左側が近距離投影を示し、右側が遠距離投影を示す。表1中の光軸方向の位置は、中間像TIの上下の各位置における中間スクリーン16の光軸AX方向の移動量を示す。
〔表1〕
FIG. 7 is a diagram illustrating a specific projection distance of the display image IM. The vertical axis represents the position of the diffusing
[Table 1]
図8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、その一部としてヘッドアップディスプレイ装置100を含む。このヘッドアップディスプレイ装置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。
FIG. 8 is a block diagram illustrating the
移動体用表示システム200は、ヘッドアップディスプレイ装置100のほかに、環境監視部72と、主制御装置90とを備える。
The
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DR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。
The
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、外部用カメラ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。外部用カメラ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。
Although not shown, the
なお、上記のような複眼型の外部用カメラ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、複眼型の外部用カメラ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(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。
Even when a combination of a two-dimensional camera and an infrared distance sensor is used instead of the compound-eye type
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のような標識とすることができる。
The
主制御装置90は、ヘッドアップディスプレイ装置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その他の標識の虚像投影位置又は空間的な配置を調整する。
The
以上で説明した第1実施形態のヘッドアップディスプレイ装置(表示装置)100によれば、配置変更装置である回転駆動部64が、中間スクリーン16を横断面において光軸AXに対して傾斜して配置しつつ中間スクリーン16の位置を投影光学系15の光軸AX方向に移動させて虚像投影位置を変化させるので、空間的に広がる表示が可能であり、中間スクリーン16を光軸AX方向に移動させる量を少なくしつつ虚像の投影距離の全体的な距離幅又は広がり範囲を拡大することができる。また、中間像TIの下部を拡大光学系17側に、中間像TIの上部を投影光学系15側に配置するように中間スクリーン16を傾斜させることにより、表示像IMの上側を相対的に遠方側に投影しつつ表示像IMの下側を相対的に近辺側に投影することができ、例えば路面といった水平面に沿った表示が可能になる。
According to the head-up display device (display device) 100 of the first embodiment described above, the
〔実施例1〕
以下、本発明の表示装置の投影光学系、表示素子等の実施例を示す。投影光学系は、光軸に対して傾斜した中間スクリーンの傾き角に最適化した設計となっている。実施例1の投影光学系、表示素子等の全体諸元を以下に示す。
有効焦点距離:27.342(mm)
Fナンバー:4.000
倍率:6.046
表示素子(DMD)の傾き:2.400(°)
物体(中間像)の傾き:15.000(°)
[Example 1]
Examples of the projection optical system, the display element, etc. of the display device of the present invention will be shown below. The projection optical system is designed to be optimized for the tilt angle of the intermediate screen tilted with respect to the optical axis. The overall specifications of the projection optical system, the display element, etc. of Example 1 are shown below.
Effective focal length: 27.342 (mm)
F number: 4.000
Magnification: 6.046
Display device (DMD) tilt: 2.400 (°)
Tilt of object (intermediate image): 15.000 (°)
実施例1の投影光学系、表示素子等のレンズ面のデータを以下の表1に示す。なお、以下の表1において、面番号を「Surf. N」で表し、物体を「OBJ」で表し、開口絞りを「ST」で表し、無限大を「INF」で表し、全反射プリズムを「TIR」で表し、表示素子を「DMD」で表している。また、曲率半径を「R」で表し、軸上面間隔を「D」で表し、レンズ材料を「N」で表す。
〔表1〕
Surf. N R(mm) D(mm) N
OBJ INF 142.97
1 110.00 2.62 SLAL18_OHARA
2 -110.00 8.86
3 9.63 4.00 SNPH3_OHARA
4 5.56 3.92
5(ST) INF 5.80
6 -16.00 4.72 SLAL18_OHARA
7 -10.00 13.22
8 25.00 2.00 SNPH3_OHARA
9 16.00 1.96
10 19.00 4.61 SLAL18_OHARA
11 -70.00 8.02
12(TIR) INF 15.00 BSC7_HOYA
13(TIR) INF 2.00
14(DMD) INF 0.65 B270_SCHOTT
15(DMD) INF 0.30
The data of the lens surfaces of the projection optical system, the display element and the like of Example 1 are shown in Table 1 below. In Table 1 below, the surface number is represented by "Surf. N", the object is represented by "OBJ", the aperture stop is represented by "ST", infinity is represented by "INF", and the total reflection prism is represented by " It is represented by "TIR" and the display element is represented by "DMD". Further, the radius of curvature is represented by “R”, the axial upper surface distance is represented by “D”, and the lens material is represented by “N”.
[Table 1]
Surf. NR (mm) D (mm) N
OBJ INF 142.97
1 110.00 2.62 SLAL18_OHARA
2 -110.00 8.86
3 9.63 4.00 SNPH3_OHARA
4 5.56 3.92
5 (ST) INF 5.80
6 -16.00 4.72 SLAL18_OHARA
7 -10.00 13.22
8 25.00 2.00 SNPH3_OHARA
9 16.00 1.96
10 19.00 4.61 SLAL18_OHARA
11 -70.00 8.02
12 (TIR) INF 15.00 BSC7_HOYA
13 (TIR) INF 2.00
14 (DMD) INF 0.65 B270_SCHOTT
15 (DMD) INF 0.30
図9は、実施例1の投影光学系15等の断面図である。投影光学系15は、物体側から順に、第1レンズL1と、第2レンズL2と、第3レンズL3と、第4レンズL4と、第5レンズL5とを備える。第2レンズL2と第3レンズL3との間には、開口絞りSTが配置されている。なお、本実施例は投影光学系15を構成する各レンズL1〜L5をシフト、チルトさせることなく、表示素子11を傾けた状態で最適化した設計となっているが、投影光学系15内のレンズL1〜L5の少なくとも1枚をシフトしたり、チルトさせたりすることで最低化する構成としても構わない。
FIG. 9 is a sectional view of the projection
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第2実施形態の表示装置は第1実施形態の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第1実施形態と同様である。
[Second Embodiment]
The display device according to the second embodiment will be described below. The display device of the second embodiment is a modification of the display device of the first embodiment, and matters not particularly described are the same as those of the first embodiment.
図10を参照して、表示装置であるヘッドアップディスプレイ装置100において、拡散部19は、平板状の中間スクリーン216を有し、配置変更装置である往復駆動部264に駆動されて光軸AX方向に移動する。ただし、中間スクリーン216の拡散面16m又は中間像TIを光軸AXに垂直な面を基準として図面上で時計方向に回転させるように傾斜させることによって、表示像IMを上側で奥に倒れるような状態とすることができる。
Referring to FIG. 10, in head-up
〔第3実施形態〕
以下、第3実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第3実施形態の表示装置は第2実施形態の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第2実施形態と同様である。
[Third Embodiment]
The display device according to the third embodiment will be described below. The display device of the third embodiment is a modification of the display device of the second embodiment, and matters not particularly described are the same as those of the second embodiment.
図11に示すように、拡散部19の中間スクリーン216は、紙面に垂直な基準軸TXのまわり回転可能になっている。配置変更装置である回転駆動部364により中間スクリーン216を基準軸TXの周りに回転させることで、中間スクリーン216を全体として光軸AX方向に移動させることができる。ただし、中間スクリーン216は、光軸AX方向に移動する際に光軸AXに対する角度が変化し、表示像IMの傾斜状態も変化する。
As shown in FIG. 11, the
なお、第3実施形態において、第1実施形態の拡散部19を用いてもよい。この場合、拡散部19において、例えば回転体19aの円錐側面の傾斜角度を回転角に伴い変化する構造とする。
Note that the
〔第4実施形態〕
以下、第4実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第4実施形態の表示装置は第1実施形態の表示装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第1実施形態と同様である。
[Fourth Embodiment]
The display device according to the fourth embodiment will be described below. The display device of the fourth embodiment is a modification of the display device of the first embodiment, and matters not particularly described are the same as those of the first embodiment.
図12を参照して、表示装置であるヘッドアップディスプレイ装置100において、表示素子11は、素子変位部464を有している。配置変更装置である素子変位部464は、中間スクリーン16の変位に同期して表示素子11を光軸AX方向に移動させる。これにより、中間スクリーン16又は拡散面16m上に中間像TIを正確にフォーカスさせることができ、投影光学系15のF値を明るくすることができる。
Referring to FIG. 12, in head-up
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、ヘッドアップディスプレイ装置100は、車体2以外の装置に搭載することができる。
Although the display device as a specific embodiment has been described above, the display device according to the present invention is not limited to the above. For example, the head-up
10…描画ユニット、 11…表示素子、 13…本体光学系、 15…投影光学系、 16,216…中間スクリーン、 17…拡大光学系、 18…表示制御部、 19…拡散部、 19a…回転体、 19b…スクリーンカバー、 20…表示スクリーン、 30…虚像表示光学系、 64…回転駆動部、 72…環境監視部、 90…主制御装置、 100…ヘッドアップディスプレイ装置、 200…移動体用表示システム、 264…往復駆動部、 364…回転駆動部、 464…素子変位部、 AX…光軸、 DR…運転者、 EB…アイボックス、 FA,FA1,FA2,FA3…機能領域、 HK…表示光、 HT…瞳、 IM…表示像、 IM1〜IM5…表示ゾーン、 SX…回転軸、 TI…中間像
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記表示素子に形成された像を拡大する投影光学系と、
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に形成された中間像を拡大する拡大光学系と、
前記中間スクリーンを横断面において光軸に対して傾斜して配置しつつ、前記中間スクリーンの位置を前記投影光学系の前記光軸方向に移動させて虚像投影位置を変化させる配置変更装置と、を備え、
前記中間スクリーンは、横断面において前記中間像の下部が前記拡大光学系側に、前記中間像の上部が前記投影光学系側に配置されるように傾斜することを特徴とする表示装置。 A display element for displaying an image to be projected,
A projection optical system for enlarging the image formed on the display element,
An intermediate screen having a diffusing function and arranged on the light exit side of the projection optical system;
A magnifying optical system for magnifying the intermediate image formed on the intermediate screen,
An arrangement changing device for changing the virtual image projection position by moving the position of the intermediate screen in the optical axis direction of the projection optical system while arranging the intermediate screen in a cross-section with an inclination with respect to the optical axis. Prepare,
The display device characterized in that the intermediate screen is inclined so that a lower portion of the intermediate image is arranged on a side of the magnifying optical system and an upper portion of the intermediate image is arranged on a side of the projection optical system in a cross section.
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WO2023130759A1 (en) * | 2022-01-05 | 2023-07-13 | 华为技术有限公司 | Display device and vehicle |
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