JP2020187362A - 表示画像作成装置および画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1に示すようにHUD1は、自動車や航空機、船舶などの移動体に搭載される装置である。HUD1は、当該移動体の操縦者の視界内において、当該移動体の操縦に有用な情報を表示する。なお、「移動体の操縦に有用な情報」とは、当該移動体の操縦者の視界に存在するものに関連する情報、当該移動体の動作に関連する情報等を含む。例えば、移動体の動作状態を報知する警報なども含まれる。本明細書において、「移動体の操縦に有用な情報」を単に「情報」と表記することもある。
図1に示すように、HUD1は、光源部10と、走査光学系20と、観察光学系30と、を備えている。HUD1は、すでに説明のとおり、操縦者である観察者3の視界内に虚像2を表示する装置である。
光源部10は、虚像2の元になる中間画像の作成に用いる光束を出射する。虚像2をカラー画像にするのであれば、光源部10からはカラー画像に必要な光の三原色に相当する光束が出射される。
走査光学系20は、光源部10から出射された光束に基づいて、虚像2において所定の情報を表示するための中間画像を作成する。一般的に、中間画像の外形は、長方形や正方形などの矩形である。
走査光学系20において作成された中間画像は、観察光学系30の反射光学素子である凹面ミラー31において拡大されて投射される。拡大投射された中間画像は、光コンバイナ32において観察者3に向けて反射される。
次に、光源部10の詳細な構成について図2を用いて説明する。光源部10は、カラー画像である虚像2を形成するために用いられる画像作成用ビーム101を出射する。画像作成用ビーム101は、赤(以下「R」と表示する。)、緑(以下「G」と表示する。)、青(以下「B」と表示する。)の3色のビームを1本に合成した光ビームである。
図3に示すように、走査光学系20は、二次元偏向素子である光偏向器21と、走査ミラー22と、中間スクリーン23と、を有してなる。
光偏向器21は、光源部10から出射された画像作成用ビーム101を偏向走査し、中間スクリーン23上を二次元偏向走査する画像形成素子である。光偏向器21は、半導体プロセス等で微小揺動ミラー素子として作製されたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)である。例えば、光偏向器21は、微小なミラーの集合体で構成され、各微小ミラーが互いに直交する二軸を用いて揺動するように構成された微小揺動ミラー素子(DMD:Digital Micromirror Device,Texas Instruments社)である。
ここで、光偏向器21の詳細な構造について図6を用いて説明する。すでに説明のとおり、光偏向器21は半導体プロセスにて製造されるMEMSミラーであって微小ミラー210を備えている。なお、図6において、光偏向器21の長手方向の軸をx軸、x軸に直交する光偏向器21の短手方向の軸をy軸、x軸とy軸に直交し光偏向器21で反射された光が進行する方向をz軸とする。図6におけるx軸、y軸、z軸は、すでに図1において示した軸(X軸、Y軸、Z軸)とは示す方向が異なる軸である。
以上の構成を備える光偏向器21を用いることで、x軸を中心とする垂直方向への光走査を低い電圧で行うことができる。一方、y軸を中心とした水平方向では、微小ミラー210に接続されたトーションバーなどを利用した共振による光走査を行うことができる。
図3に戻る。光偏向器21において画像作成用ビーム101が二次元的に偏向されると、この偏向されたビームが走査用ビーム102として走査ミラー22に入射する。走査ミラー22は、例えば、凹面鏡であって、中間スクリーン23で発生する走査線(走査軌跡)の曲がりを補正する効果を有する。走査ミラー22により反射された走査用ビーム102は、光偏向器21による偏向に伴い平行移動しつつ中間スクリーン23に入射する。
走査用ビーム102により中間スクリーン23を二次元偏向走査することで、中間画像が作成される。なお、ここで作成された中間画像は、カラーの二次元画像である。本実施形態では、カラー画像を前提として説明するが、中間スクリーン23においてモノクロの中間画像を作成するものでもよい。
中間スクリーン23は、微細な凸レンズが二次元的に配列されているマイクロレンズアレイであって、この微細凸レンズに入射した走査用ビーム102が出射面から拡散して出射される。中間スクリーン23の走査は、例えば、主走査方向は高速で走査されて、副走査方向は低速で走査されるラスタースキャンである。走査された中間スクリーン23から出射される拡散光によって中間画像が作成される。すなわち、中間画像は、中間スクリーン23の出射面側(観察光学系30側)に現れる。
観察光学系30は、凹面ミラー31と、光コンバイナ32と、を有してなる。凹面ミラー31は、走査光学系20において作成された中間画像を拡大反射する。本実施形態では光コンバイナ32としてフロントウインドシールド50を用いている。
すでに説明のとおり、中間スクリーン23の出射面側、すなわち、凹面ミラー31側に中間画像は現れる。この中間画像に係る画像光は凹面ミラー31の反射面によって光コンバイナ32に向けて反射される。
凹面ミラー31と光コンバイナ32によって、中間画像は、観察者3の視野内の広い領域に虚像2として表示される。これによって、観察者3が頭を少々動かしても(視点を動かしても)虚像2を確実に視認できようになる。
ここで、HUD1が備える画像作成装置100の動作を制御する制御系の構成について説明する。図4に示すようにHUD1は、FPGA600と、CPU602と、ROM604と、RAM606と、I/F608と、バスライン610と、LDドライバ6111と、MEMSコントローラー615と、を有してなる。
次に、HUD1が備える画像作成装置100の機能構成について説明する。図5に示すように画像作成装置100は、車両情報入力部800と外部情報入力部802と、画像情報生成部804と、画像作成部806と、を有してなる。
次に、画像作成装置100の特徴についてより詳細に説明する。すでに説明のとおり、画像作成装置100において作成される中間画像は、中間スクリーン23を走査用ビーム102が二次元走査することで作成される。言い換えると、中間画像は、中間スクリーン23上を、走査用ビーム102が主走査方向と副走査方向の二方向で走査して作成される。一般的に中間スクリーン23に対する走査の範囲は規定されていて、この走査の範囲を有効画像領域とする。有効画像領域は主走査方向と副走査方向において二次元偏向走査される領域であるから、その境界の形状は矩形になる。有効画像領域の形状に倣って中間画像の形状は決まるので、中間画像の外形は矩形になる。
HUD1において表示される虚像2は、観察者3の視界に存在する周囲の風景に重畳された状態で視認されるものである。したがって、中間スクリーン23の有効画像領域の全てを情報で埋め尽くしたような中間画像を作成すると、この中間画像に基づいて表示される虚像2の表示領域全体が情報で埋め尽されることになる。そのような大量の情報を虚像2として現すと、観察者3が認知すべき情報の量が多くなりすぎて、観察者3にストレスを与えることになる。
次に、凹面ミラー31の例について詳細に説明する。図7に示すように、凹面ミラー31は、中間画像の係る光束のうち、凹面ミラー31の四つの角に相当する光束を除いた光束を光コンバイナ32に導光する構造を有している。言い換えると、凹面ミラー31によって、中間画像に係る光束の一部は蹴られる。
図7に戻る。凹面ミラー31の形状を中間スクリーン23における有効画像領域の形状、すなわち作成される中間画像の形状とは異なる形状にすることで、画像作成装置100を小さくすることができる。また、画像作成装置100を備えるHUD1を小さくすることができる。以下、その理由を説明する。
次に、画像作成装置100の別の実施形態について説明する。第1の実施形態と同じ構成については同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。第2の実施形態に係る画像作成装置100は、中間スクリーン23aの外形が第1の実施形態とは異なる。また、中間スクリーン23aの外形に合わせて、同期検知センサ24が配置されている。
次に、画像作成装置100のさらに別の実施形態について説明する。第1および第2の実施形態と同じ構成については同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。第3の実施形態に係る画像作成装置100は、走査光学系20が備える同期検知センサ24の配置が、第2の実施形態とは異なる。
2 虚像
3 利用者
10 光源部
20 走査光学系
21 光偏向器
22 走査ミラー
23 中間スクリーン
30 観察光学系
31 凹面ミラー
32 コンバイナ
50 フロントガラス
101 画像表示用ビーム
102 走査用ビーム
Claims (10)
- 光源素子からの光を走査光学系へ出射する光源部と、
前記光源部から出射された光束により中間スクリーンに中間画像を作成する走査光学系と、
前記中間画像を結合光学素子に導く反射光学素子と、
を備え、
前記反射光学素子は、前記中間画像の一部を除いて前記結合光学素子に導光する形状を有する、
ことを特徴とする表示画像作成装置。 - 光源素子からの光を走査光学系へ出射する光源部と、
前記光源部から出射された光束により中間スクリーンに中間画像を作成する走査光学系と、
前記中間画像を結合光学素子に導く反射光学素子と、
を備え、
前記反射光学素子は、前記中間画像に外接する面積最小の矩形の角に対応する部分を除いた前記中間画像を前記結合光学素子に導光する、
ことを特徴とする表示画像作成装置。 - 光源素子からの光を走査光学系へ出射する光源部と、
前記光源部から出射された光束により中間スクリーンに中間画像を作成する走査光学系と、
前記中間画像を結合光学素子に導く反射光学素子と、
を備え、
前記反射光学素子は、前記中間画像に外接する面積最小の矩形の角に対応する前記光束を蹴る、
ことを特徴とする表示画像作成装置。 - 光源素子からの光を走査光学系へ出射する光源部と、
前記光源部から出射された光束により中間スクリーンに中間画像を作成する走査光学系と、
前記中間画像を結合光学素子に導く反射光学素子と、
を備え、
前記反射光学素子は、前記中間画像に外接する面積最小の矩形の角に対応する前記光束を透過して前記結合光学素子に反射しない、
ことを特徴とする表示画像作成装置。 - 前記反射光学素子は、外形が矩形であって、四つの角のうちの少なくとも一つのかどが切り欠かれている、
請求項1乃至4のいずれかに記載の表示画像作成装置。 - 前記反射光学素子は、前記走査光学系の前記中間スクリーンからの前記光束の進行方向において回転している、
請求項1乃至5のいずれかに記載の表示画像作成装置。 - 前記走査光学系は、前記光束による前記中間スクリーンの走査範囲を検知するセンサを有し、
前記センサの少なくとも一部は、前記中間画像に外接する面積最小の矩形の内側に配置されている、
請求項1乃至6のいずれかに記載の表示画像作成装置。 - 少なくとも1つの前記センサは、前記中間スクリーンの走査面に対して、前記中間スクリーンに前記光束が入射する方向にシフトしている、
請求項7記載の表示画像作成装置。 - 前記中間スクリーンに入射する前記光束は、前記中間スクリーンの垂線に対して副走査方向について一方の側のみから入射する、
請求項1乃至8のいずれかに記載の表示画像作成装置。 - 移動体に搭載され、前記移動体に関する情報を前記移動体の操縦者が認知可能な虚像として形成する画像表示装置であって、
光源素子からの光を走査光学系へ出射する光源部と、
前記光源部から出射された光束により中間スクリーンに中間画像を作成する走査光学系と、
前記中間画像を結合光学素子に導く反射光学素子と、前記中間画像を前記虚像として現す結合光学素子と、を有する観察光学系と、
を備え、
前記反射光学素子は、前記中間画像の一部を除いて前記結合光学素子に導光する形状を有する、
ことを特徴とする画像表示装置。
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