JP2020160296A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウィンドシールドの自由曲面に合わせて、視認者に届く光線の画角を均一にし、品質の高い虚像を投影することができる表示装置を提供すること。【解決手段】表示装置１０は、光を出射する表示器２０と、この表示器２０に対向して配置され表示器２０から出射された光が通過するレンズ３２が複数配列されたレンズアレイ３０と、表示器２０を制御する制御部１１と、を有する。レンズ３２を通過した光をレンズ３２の上方に配置された表示部２０に投射し、視認者Ｍｎに虚像を視認させる。レンズ３２の位置は、第１方向に沿った隣接するレンズ３２の列が互いにオフセットされ、視認者Ｍｎに届く光線の画角が均一となるように表示部２０の曲面に合わせて配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、表示部に光を投射し情報を提供することができる表示装置に関する。

一部の車両には、ウィンドシールド等の表示部に光を投射することにより、運転者（視認者）に必要な情報を提供する表示装置（ヘッドアップディスプレイ装置）が搭載されている。このような、表示装置の従来技術として特許文献１に開示される技術がある。

特許文献１に示される表示装置は、光を出射する投射器と、この投射器から出射された光が通過するスクリーンと、これらの投射器及びスクリーンを収納しているケースと、を備えている。

投射器は、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）等の光学素子を備えるプロジェクタである。スクリーンは、投射器から出射される光の結像位置に配置されている、透過型のスクリーンである。スクリーンの光が通過する面は、投射器の光を出射する面に対して、傾いて設けられている。即ち、スクリーンは、投射器から出射される光の光軸に対して、傾いて設けられている。

スクリーンの光が通過する面が、投射器の光を出射する面に対して傾いて設けられていることにより、奥行きのある虚像を運転者に認識させることができる。

また、特定の面を通過する光線の分布を再現することにより立体映像を再生するデバイスとして、ライトフィールドディスプレイが知られている。このようなライトフィールドディスプレイの従来技術として特許文献２に開示される技術がある。

特許文献２に示される技術では、ライトフィールドディスプレイで奥行きのある映像を表示することによって、奥行き方向に斜めに傾いた虚像を表示することができる。

特開２０１６―２１２３３８号公報 特許第６１４９３３９号公報

特許文献１の表示装置は、投射器、スクリーン、折り返しミラー、凹面鏡、カバーガラス、外装、制御部とからなる。プロジェクタは、映像をスクリーンに投射し、このスクリーンで反射された映像は、凹面鏡で拡大された後、ウィンドシールドへ出射される。ここで、凹面鏡とスクリーンとの間に一定の光路長を設ける必要があるため、装置全体が大きくなる。さらには、スクリーンの光が通過する面は、表示手段の光が出射される面に対して傾いている。このため、スクリーンの一部は、投射器から出射される光の結像位置から外れることがある。結果、虚像が不鮮明になる虞がある。

特許文献２のライトフィールドディスプレイは、虚像を直視することを前提としており、ウィンドシールドにそのままライトフィールドディスプレイが出射する光線を反射させた場合、ウィンドシールドが非対称な自由曲面であることから、視認者に届く光線の分布は画角に対して不均一となり、虚像の品位が低下する虞がある。

本発明は、ウィンドシールドの自由曲面に合わせて、視認者に届く光線の画角を均一にし、品質の高い虚像を投影することができる表示装置を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明では、光を出射する表示器と、この表示器に対向して配置され前記表示器から出射された光が通過するレンズが複数配列されたレンズアレイと、前記表示器を制御する制御部と、を有し、
前記レンズを通過した光を前記レンズの上方に配置された表示部に投射し、視認者に虚像を視認させる表示装置であって、
前記レンズの位置は、第１方向に沿った隣接する前記レンズの列が互いにオフセットされ、前記視認者に届く光線の画角が均一となるように前記表示部の曲面に合わせて配置されていることを特徴とする表示装置が提供される。

請求項２に係る発明では、好ましくは、前記レンズアレイの縦断面に沿った方向が前記第１方向であり、前記レンズアレイの横断面に沿った方向が第２方向であり、
前記レンズは、前記第１方向と前記第２方向に関して異なるピッチで配置されている。

請求項３に係る発明では、好ましくは、前記レンズのピッチは、前記縦断面に関する前記光の結像位置と、前記横断面に関する前記光の結像位置とで、前記結像位置が近い断面方向のピッチが大きい。

請求項１に係る発明では、表示装置は、光を出射する表示器と、表示器から出射された光が通過するレンズが複数配列されたレンズアレイと、表示器を制御する制御部と、を有する。レンズの位置は、第１方向に沿った隣接するレンズの列が互いにオフセットされ、表示部であるウィンドシールドの曲面に合わせて配置されているので、視認者に届く光線の画角を均一にし、品質の高い像を投影することができる。

請求項２に係る発明では、レンズアレイの縦断面に沿った方向が第１方向であり、レンズアレイの横断面に沿った方向が第２方向である。レンズは、第１方向と第２方向に関して異なるピッチで配置されているので、第１方向と第２方向に関し、表示部の自由曲面に合わせてそれぞれのピッチで配置することで、同じ位置に虚像を生成させて像の鮮明度を向上することができる。

請求項３に係る発明では、レンズのピッチは、縦断面に関する光の結像位置と、横断面に関する光の結像位置とで、結像位置が表示器に近い断面方向のピッチが大きい。このため、縦断面に関する光の結像位置と、横断面に関する光の結像位置とで、異なる位置に像を生成させても表示器の画素を無駄にせずに像を生成することができ、画素の利用効率を改善して像の鮮明度をより向上することができる。

本発明の実施例による表示装置の斜視図である。 図１に示されたライトフィールドディスプレイから出射される光により投影される虚像について説明する図である。 互いにオフセットされたレンズの列の作用を説明する図である。 第１方向と第２方向に関して異なるピッチで配置されたレンズの作用について説明する図である。 図４に示されたレンズアレイの斜視図である。 異なるピッチで配置されたレンズの作用を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、説明中、左右とは、表示装置をレンズアレイ側から見た状態を基準として左右をいい、前後とはレンズアレイを基準に表示器が出射する光の進行方向を前として前後をいう。また、図中Ｆｒは前、Ｒｒは後、Ｌｅは左、Ｒｉは右、Ｕｐは上、Ｄｎは下を示している。

本発明の基本構成について説明する。

図１に示すように、表示装置１０は、光を出射する表示器２０と、この表示器２０に対向して配置され表示器２０から出射された光が通過可能なレンズアレイ３０と、表示器２０を制御する制御部１１と、から成る。

表示器２０には、例えば、平面ディスプレイを用いることができる。表示器２０は、レンズアレイ３０に向かって光を出射する画素ユニット２１を複数有し、制御部１１によって制御され、光を出射する。表示器２０が出射する光は、画素ユニット２１が出射する光の束である。

画素ユニット２１は、レンズアレイ３０に対向して複数配列されている。画素ユニット２１は、２次元配列された複数の画素２１ａによって構成されている。画素ユニット２１は、画素２１ａが発光することによって、レンズアレイ３０に向かって光を出射する。

画素２１ａは、赤・緑・青の副画素により構成され、副画素が光を発することにより発光する。画素２１ａは、それぞれの副画素が発する光の組み合わせによって、明度、色相、彩度を異ならせて発光する。

レンズアレイ３０は、ベース部３１と、このベース部３１に複数設けられると共に画素ユニット２１に対応して配列されているレンズ３２と、を有する。レンズアレイ３０の材質は、例えば、フューズドシリカ、光学ガラス、プラスチック等によってなる。

レンズアレイ３０は、表示器２０から出射された光を通過させ焦点位置に虚像Ｖを形成させる。レンズアレイ３０の各レンズ３２は、各画素２１ａから出射された光を所定方向に屈折させる。

レンズ３２は、画素ユニット２１から出射された光を通過させ光の進行方向を焦点位置の方向に変える。なお、レンズ３２は、光の進行方向を焦点位置の方向に変えることができるものであればよく、凸形状に限られず、凹形状、球面形状、非球面形状等も採用することができる。

図１、図２に示すように、表示装置１０は、例えば、車両Ｖｅに搭載され、車体の前部にあるウィンドシールド（表示部）ＷＳに光を投射する。ウィンドシールドＷＳに光が投射されることにより、視認者Ｍｎは、ウィンドシールドＷＳの前方に虚像（像）Ｖが投影されているように認識する。

表示装置１０により投影される虚像Ｖは、上部が車両Ｖｅの前方側に傾いている。この上部が傾いた虚像Ｖに車速やナビゲーション情報等の情報を含ませることにより、運転者などの視認者Ｍｎは走行時に必要な情報を得ることができる。

表示器２０と、レンズアレイ３０とにより、ライトフィールドディスプレイ４０が構成されている。制御部１１によって、ライトフィールドディスプレイ４０から出射される光が制御されている。ライトフィールドディスプレイ４０はウィンドシールドＷＳの直下に配置されている。

図２、図３に示すように、表示装置１０では、奥行き方向に斜めに傾いた理想的な虚像ＶをウィンドシールドＷＳへ逆方向に投影した像Ｖ’を、ライトフィールドディスプレイ４０により表示することで虚像Ｖが表示される。

ところで、従来のライトフィールドディスプレイ４０においては、直視することを前提としているため、ライトフィールドディスプレイ４０が出射する光線をそのままウィンドシールドＷＳに反射させた場合、ウィンドシールドＷＳの曲面が非対称な自由曲面であるために、視認者Ｍｎの視点に届く光線の分布は画角に対して不均一になり、虚像Ｖの品位が低下する。

この点、本発明では、レンズ３２の位置は、第１方向に沿った隣接するレンズ３２の列３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄが互いにオフセットされ、視認者Ｍｎに届く光線の画角が均一となるようにウィンドシールドＷＳの曲面に合わせて配置されている。

ここで、虚像Ｖの中心と視認者（視点）Ｍｎを結ぶ中心の光路に垂直、且つ、虚像Ｖと視認者Ｍｎが作る四角錐の断面の矩形面Ｒを定義する。この矩形面Ｒを縦横等間隔（例えば横７×縦５）の格子線で区切ると、縦横の格子線の交点から格子点（例えば、３５点）ができる。各格子点を通る光線を逆方向に辿った光線群と、レンズアレイ３０の表面が交差する点群上に、レンズ３２を配置する。

制御部１１は、外部から車両情報やユーザーの入力を処理し、それに基づいて映像を適切に表示するように表示器２０を制御する。表示装置１０では、視認者Ｍｎへ入射する光線の分布が画角に対して均一になるため、質の高い虚像Ｖを投影することができる。

次に第１方向と第２方向に関して異なるピッチで配置されたレンズ３２について説明する。

図４、図５に示すように、レンズアレイ３０の縦断面に沿った方向が第１方向Ｘであり、レンズアレイ３０の横断面に沿った方向が第２方向Ｙである。レンズ３２は、第１方向Ｘと第２方向Ｙに関して異なるピッチである。

次に異なるピッチＰ１、Ｐ２で配置されたレンズ３２の作用について説明する。

図２、図４〜図６に示すように、平面ディスプレイ（表示器）２０は、液晶ディスプレイパネルであり、レンズ３２に対して適切な画像を表示することにより、像Ｖ’及びＶ”を構成する映像光Ｌを生成する。制御部１１は、平面ディスプレイ２０で適切に表示がなされるような信号を平面ディスプレイ２０に対して出力する。

ところで、従来のレンズアレイ３０によるライトフィールドディスプレイ４０では、ピッチが同じピッチで配置されていたため、それぞれの方向に関して、同じ位置に３Ｄ映像（虚像）Ｖが生成される。仮に、異なる位置に虚像Ｖを生成させようとすると、平面パネル上の画素２１ａが一部利用されなくなり、虚像Ｖの解像度が低下する。

この点、本発明では、第１方向ＸのピッチはＰ１であり、第２方向ＹのピッチはＰ２である。第１方向ＸのピッチＰ１が、第２方向ＹのピッチＰ２よりも大きく設定されている。さらに、レンズ３２のピッチＰ１、Ｐ２は、縦断面に沿った第１方向Ｘに関する光の結像位置Ｄ１と、横断面に沿った第２方向Ｙに関する光の結像位置Ｄ２とで、結像位置が近い断面方向のピッチＰ１がピッチＰ２よりも大きく設定されている。レンズ３２の縦断面の曲率と横断面の曲率を変えることで、レンズ３２への縦断面に関する出射角度と横断面に関する出射角度を変えることができる。

このため、縦断面（第１方向Ｘ）と横断面（第２方向Ｙ）に関して異なる位置に結像する３Ｄ映像を、平面ディスプレイ２０の画素２１ａを無駄にせずに生成することができる。表示装置１０は、平面ディスプレイ２０で映像を生成し、レンズアレイ３０で横断面に関して結像する像Ｖ’と縦断面に関して結像する像Ｖ”から成る３Ｄ映像を生成する。この３Ｄ映像の光線は、ウィンドシールドＷＳで反射し、視認者Ｍｎはそれを虚像Ｖとして認識する。

次に、本発明の効果を説明する。

以上に述べたように、表示装置１０は、光を出射する表示器２０と、表示器２０から出射された光が通過するレンズ３２が複数配列されたレンズアレイ３０と、表示器２０を制御する制御部１１と、を有する。レンズ３２の位置は、第１方向Ｘに沿った隣接するレンズ３２の列３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄが互いにオフセットされ、ウィンドシールド（表示部）ＷＳの曲面に合わせて配置されているので、視認者Ｍｎに届く光線の画角を均一にし、品質の高い像を投影することができる。

さらに、レンズアレイ３０の縦断面に沿った方向が第１方向Ｘであり、レンズアレイ３０の横断面に沿った方向が第２方向Ｙである。レンズ３２は、第１方向Ｘと第２方向Ｙに関して異なるピッチＰ１、Ｐ２で配置されているので、第１方向Ｘと第２方向Ｙに関し、ウィンドシールド（表示部）ＷＳの自由曲面に合わせてそれぞれのピッチＰ１、Ｐ２で配置することで、同じ位置に虚像を生成させて像の鮮明度を向上することができる。

さらに、レンズ３２のピッチＰ１、Ｐ２は、縦断面に関する光の結像位置Ｄ１と、横断面に関する光の結像位置Ｄ２とで、結像位置Ｄ１が表示器２０に近い断面方向のピッチＰ１が大きい。このため、縦断面に関する光の結像位置Ｄ１と、横断面に関する光の結像位置Ｄ２とで、異なる位置に像を生成させても表示器２０の画素２１ａを無駄にせずに像を生成することができ、画素２１ａの利用効率を改善して像の鮮明度をより向上することができる。

尚、本発明による表示装置１０が搭載される車両は、四輪車の他、二輪車又は三輪車であっても良い。更には、車両以外の乗り物や建機等にも適用が可能である。

更に、実施例において、表示部はウィンドシールドとして説明されている。しかしながら、本発明による表示装置は、いわゆるコンバイナからなる表示部に光を投射することもできる。

即ち、本発明の作用及び効果を奏する限りにおいて、本発明は、実施例に限定されるものではない。

本発明の表示装置は、車両に搭載するのに好適である。

１０…表示装置、１１…制御部、２０…表示器（平面ディスプレイ）、３０…レンズアレイ、３２…レンズ、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ…レンズの列、Ｍｎ…視認者（視点）、Ｖ…虚像（像）、ＷＳ…表示部（ウィンドシールド）、Ｘ…第１方向（縦断面）、Ｙ…第２方向（横断面）、Ｐ１…第１方向のピッチ、Ｐ２…第２方向のピッチ、Ｄ１…縦断面に関する結像位置、Ｄ２…横断面に関する結像位置。

Claims (3)

1. 光を出射する表示器と、この表示器に対向して配置され前記表示器から出射された光が通過するレンズが複数配列されたレンズアレイと、前記表示器を制御する制御部と、を有し、
   前記レンズを通過した光を前記レンズの上方に配置された表示部に投射し、視認者に虚像を視認させる表示装置であって、
   前記レンズの位置は、第１方向に沿った隣接する前記レンズの列が互いにオフセットされ、前記視認者に届く光線の画角が均一となるように前記表示部の曲面に合わせて配置されていることを特徴とする表示装置。
2. 前記レンズアレイの縦断面に沿った方向が前記第１方向であり、前記レンズアレイの横断面に沿った方向が第２方向であり、
   前記レンズは、前記第１方向と前記第２方向に関して異なるピッチで配置されていることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
3. 前記レンズのピッチは、前記縦断面に関する前記光の結像位置と、前記横断面に関する前記光の結像位置とで、前記結像位置が前記表示器に近い断面方向のピッチが大きいことを特徴とする請求項２記載の表示装置。

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