JP2021018257A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図るとともに、虚像の品質を向上させ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、３Ｄディスプレイ３０から出射される光を制御する制御部と、視点位置と虚像Ｖ上の位置から定まる視線に対する出射光線を、３Ｄディスプレイ３０上の位置及び方向からなる対応データを収納したテーブルと、を有する。制御部１２は、視認者の視点位置を示す視点位置情報を取得可能である。制御部１２は、複数の画素のうち、所定の視点位置と虚像Ｖ上の位置に必要な画素だけを点灯させる。【選択図】図４

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を表示部として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。

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。投射器は、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。

特開２０１６―２１２３３８号公報

ところで、表示装置の取付位置には様々な機器が配置されるため、表示装置を小型化することができれば好ましい。しかし、特許文献１の表示装置では、スクリーンを斜めに傾けて配置する必要があるため、斜めに配置したスクリーンの分奥行が長くなることで表示装置全体が大きくなる。そこで本発明者らは、斜めのスクリーンを配置することなく、同等の立体像を生成する３Ｄディスプレイを使用して表示装置を小型化することを想起するに至った。

一般的には、３Ｄディスプレイは、平面表示パネルとレンチキュラレンズとを有し、視認者の視点（目）の位置に応じた複数の映像を画素で構成している。

図１を参照する。図１は、一般的な３Ｄディスプレイの作用を説明する図である。図１に示すように、３Ｄディスプレイ１０１単体では車両の左右方向（図中Ｌｅは左、Ｒｉは右を示す）において、３Ｄディスプレイ１０１の画素Ｐ１は、視認者の視点Ｅ１の位置に応じた映像を生成している。また画素Ｐ２は視点Ｅ２に応じた映像を生成し、画素Ｐ３は視点Ｅ３に応じた画素を生成している。

しかし、３Ｄディスプレイ１０１を車両で使用すると、例えば図１に示す視点Ｅ１の位置で本来視認できないはずの画素Ｐ２の虚像が視認されるなど、他の視点位置用の不要な光線（虚像）が僅かながら視認され虚像の品質が低下しうることが分かった。

本発明は、小型化を図るとともに、虚像の品質を向上させ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、複数の画素が交互に並んで光を出射する平面表示パネル、及び、所定方向に延びている半円筒形状のシリンドリカルレンズが複数並んだレンチキュラレンズ、からなる３Ｄディスプレイと、
この３Ｄディスプレイから出射される光を制御する制御部と、を有し、
前記３Ｄディスプレイから出射された光を表示部に投射し、視認者に虚像を視認させる表示装置であって、
前記制御部は、前記視認者の視点位置を示す視点位置情報を取得可能であり、
前記視点位置と前記虚像上の位置から定まる視線に対する出射光線を、前記３Ｄディスプレイ上の位置及び方向からなる対応データを収納したテーブルと、を有し、
前記制御部は、前記複数の画素のうち、所定の前記視点位置と前記虚像上の位置に必要な前記画素だけを点灯させることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、好ましくは、制御部は、所定の視点位置と虚像上の位置がテーブル上に無い組み合わせのときは、テーブルから最も近い視点位置と虚像上の位置の組み合わせを選択する。

請求項３に係る発明では、好ましくは、制御部は、所定の視点位置と虚像上の位置がテーブル上に無い組み合わせのときは、テーブル上から近い複数の視点位置と虚像上の位置の組み合わせを選択して平均することによって補間する。

請求項４に係る発明では、好ましくは、３Ｄディスプレイは、ライトフィールドディスプレイである。

請求項１に係る発明では、３Ｄディスプレイは、平面表示パネル、及び、所定方向に延びているシリンドリカルレンズが複数並んだレンチキュラレンズからなる。表示装置は、視認者の視点位置の情報を取得可能な制御部と、視点位置と虚像上の位置から定まる視線に対する出射光線を、３Ｄディスプレイ上の位置及び方向からなる対応データを収納したテーブルと、を有する。制御部は、複数の画素のうち、所定の視点位置と前記虚像上の位置に必要な画素だけを点灯させるので、不要な光線が視点に到達することがなく、虚像の品質を向上させることができる。また、外光が入射した場合に、３Ｄディスプレイの表面で反射した光が視点に戻らないようにするために、３Ｄディスプレイは光軸に対して傾斜して配置される。本発明の３Ｄディスプレイは、外光が入射した場合に表面で反射した光が視点に戻らないようにする程度の小さい傾斜で配置することができるので、従来技術のような斜めのスクリーンを配置することなく、光軸に沿った方向の奥行きを短くすることができ、表示装置全体を小型化することができる。

請求項２に係る発明では、制御部は、所定の視点位置と虚像上の位置がテーブル上に無い組み合わせのときは、テーブルから最も近い視点位置と虚像上の位置の組み合わせを選択するので、視認者の視点がどの位置にあっても虚像の品質を向上させることができる。

請求項３に係る発明では、制御部は、所定の視点位置と虚像上の位置がテーブル上に無い組み合わせのときは、テーブル上から近い複数の視点位置と虚像上の位置の組み合わせを選択して平均することによって補間するので、視認者の視点がどの位置にあっても虚像の品質をより向上させることができる。

請求項４に係る発明では、３Ｄディスプレイは、ライトフィールドディスプレイであるので、ウィンドシールド（表示部）の直下に配置することができ、従来技術のような斜めに傾けて配置されたスクリーンが不要となり、光軸に沿った奥行を短くすることが可能となり、表示装置の小型化を図ることができる。

一般的な３Ｄディスプレイの作用を説明する図である。 本発明の実施例による表示装置の模式図である。 実施例に係る３Ｄディスプレイの斜視図である。 本発明の表示装置による作用を説明する図である。 本発明の対応データを収納したテーブル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。尚、説明中、左右とは、車内の乗員（視認者）を基準として左右をいい、前後とは車両の進行方向を基準として前後をいう。また、図中Ｌｅは左、Ｒｉは右、Ｆｒは前、Ｒｒは後、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２に示すように、ヘッドアップディスプレイ（以下、「表示装置」という。）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、運転者（視認者）Ｍｎは、ウィンドシールドＷＳの前方に虚像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Ｍｎは走行時に必要な情報を得ることができる。

表示装置１０は、ケース２０と、このケース２０に収納され光を出射する３Ｄディスプレイ（ライトフィールドディスプレイ）３０と、この３Ｄディスプレイ３０から出射された光を反射する平面鏡４０と、この平面鏡４０が反射した光を表示部（ウィンドシールド）ＷＳに向かって反射する凹面鏡５０と、この凹面鏡５０の上方に配置されたカバーガラス６０と、３Ｄディスプレイ３０が出射する光を制御する制御部１２と、視認者Ｍｎの視点位置を検出する視点検出カメラ１３（視点位置検出手段１３）とを有している。視点検出カメラ１３で検出された視認者Ｍｎの視点位置及び方向のデータは制御部１２に送られている。

ケース２０が車両Ｖｅに取り付けられることで、３Ｄディスプレイ３０がウィンドシールドＷＳの直下に配置されている。ケース２０は、遮光性を有する合成樹脂によって形成されている。このため、ケース２０は、外部から３Ｄディスプレイ３０に入射した光が、車室内に反射することを防ぐ遮光部である、ということができる。更には、ケース２０の内壁２０ａを遮光部ということもできる。

図２及び図３に示すように、３Ｄディスプレイ３０は、複数の画素３１が交互に並んで光を出射する平面表示パネル３２と、所定方向に延びている半円筒形状のシリンドリカルレンズ３３が複数並んだレンチキュラレンズ３４を、を有している。

平面表示パネル３２は、例えばバックライト３２ａと、液晶パネル３２ｂとからなることで、シリンドリカルレンズ３３に向かって光を出射する画素３１を複数有している。尚、平面表示パネル３２が出射する光は、各画素３１が出射する光の束である。

各画素３１は、赤・緑・青の副画素により構成されている。副画素が発光することにより、各シリンドリカルレンズ３３に向かって光が出射される。尚、各副画素の発光を組み合わせることで、画素３１から出射される光の明度、色相、彩度を異ならせることができる。

レンチキュラレンズ３４は、例えば透明なポリカーボネートの平板状のベース板部３３ａと、このベース板部３３ａに所定方向に延びて複数配列され画素３１から出射された光が通過するシリンドリカルレンズ３３と、を有している。シリンドリカルレンズ３３が延びている所定方向は、視認者Ｍｎの視点の縦方向である。このように縦方向に延びている複数のシリンドリカルレンズ３３が、それぞれ横に周期的に並んで配置されている。

また、レンチキュラレンズ３４は、ベース板部３３ａ上に、横断面に関して集光する縦長のシリンドリカルレンズ３３が横（左右）に並ぶように切削加工したものである。これにより、シリンドリカルレンズ３３はいわゆるカマボコ形状（Ｄ字状）であり、縦長のカマボコ形状のシリンドリカルレンズ３３が横に並んで配置されたものがレンチキュラレンズ３４となる。

このような形状とすることで、レンチキュラレンズ３４は、各画素３１から出射された光を所定方向に屈折させる。レンチキュラレンズ３４は、ケース２０の外部からレンチキュラレンズ３４に入射した外光を遮光部としての内壁２０ａに向かって反射するよう、内壁２０ａ側に傾けられている。レンチキュラレンズ３４は、例えば、フューズドシリカ、光学ガラス、プラスチック等からなる。

ベース板部３３ａは、平面表示パネル３２の光を出射する面に対して平行に設けられている。シリンドリカルレンズ３３の出射側の断面形状は、例えば、凸形状、球面形状及び非球面形状等からなる。各シリンドリカルレンズ３３は、各画素３１に対応して設けられ、各画素３１から出射された光を屈折させる。

ここで、３Ｄディスプレイ３０が出射する光とは、各画素３１（平面表示パネル３２）から出射された光であってレンチキュラレンズ３４を通過した光のことをいう。つまり、各画素３１から出射された光がレンチキュラレンズ３４を通過することによって、３Ｄディスプレイ３０から光が出射される、ということができる。

レンチキュラレンズ３４を光軸Ｆに対して傾斜して配置することにより、外光Ｇが入射した場合に、３Ｄディスプレイ３０の表面で反射した光が視点に戻らないようにすることができる。なお、便宜上、模式的に示した図面での３Ｄディスプレイ３０の傾斜角は大きくしたが、実際の傾斜角は、外光Ｇが入射した場合に３Ｄディスプレイ３０の表面で反射した光が視点に戻らないようにする程度の小さな角度である。

平面鏡４０は、平面部分を有するように成形した樹脂、例えばポリカーボネートに、金属、例えばアルミを蒸着したミラーであり、光を単純反射するものである。

凹面鏡５０は、凹面を有するように成形した樹脂、例えばポリカーボネートに、金属、例えばアルミを蒸着したミラーであり、平行光を集光するように反射するものである。

カバーガラス６０は、透明な樹脂、例えばポリカーボネートのフィルムである。外装１ｅは，前述の全ての部分を収容する筐体である。

制御部１２は、マイクロプロセッサとそれを動作させる為の各種電子部品、基板、ケースからなり、装置外部から入力される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３Ｄディスプレイ３０を制御する。具体的には、制御部１２は、レンチキュラレンズ３４を通過した光がウィンドシールドＷＳに投射されるように、３Ｄディスプレイ３０が出射する光の方向を制御する。つまり、制御部１２は、レンチキュラレンズ３４を通過した光が所定方向に向かうよう各画素３１が出射する光を制御する。

運転者Ｍｎは、３Ｄディスプレイ３０から出射された光がウィンドシールドＷＳに投射されることにより、角度がθだけ前方に傾いた虚像Ｖが投影されているよう認識する。このような虚像Ｖは、ウィンドシールドＷＳからの結像位置が異なる光が結像することによって投影される。つまり、奥行きのある虚像Ｖを運転者Ｍｎに視認させるためには、３Ｄディスプレイ３０が、視点ごとに応じた複数の画素３１がそれぞれ点灯することで、複数の視点ごとに適切な視差が付いた映像を投影する必要がある。換言すると、３Ｄディスプレイ３０が、視点ごとに応じた複数の画素３１がそれぞれ点灯することで、結像位置の異なる光（虚像Ｖを形成する光）を出射する必要がある。

制御部１２は、３Ｄディスプレイ３０がレンチキュラレンズ３４の一端から他端に亘って連続して結像位置の異なる光を出射し、上部が前方に傾いた虚像Ｖが視認されるよう、各画素３１が出射する光を制御する。更に、制御部１２は、各画素３１から出射される光を制御して、レンチキュラレンズ３４から出射される光の結像位置を自由に変化させることもできる。これにより、虚像Ｖの傾き角度を自由に変えることができる。制御部１２が各画素３１から出射される光を制御することで、運転者Ｍｎの視認する任意の虚像Ｖが投影される。

次に実施例に示す表示装置１０について説明する。

図３は実施例の表示装置１０であり、レンチキュラレンズ３４は、ベース板部３３ａ上に、縦方向に延びているシリンドリカルレンズ３３が、複数横に並んで配置されている。各シリンドリカルレンズ３３の直下にある平面表示パネル３２上の画素領域ｒ中の画素３１が発光すると、発光した画素３１の中心とシリンドリカルレンズ３３の中心を通る光線が発生する。制御部１２は、斜めの平面の立体像Ｌ（図２参照）を構成する光線を、発光した画素３１の制御により生成する。

次に本発明の作用を説明する。

図４に示すように、基本作用として、３Ｄディスプレイ３０が生成する立体像Ｌは、平面鏡４０によって凹面鏡５０へ反射され、凹面鏡５０によってカバーガラス６０へ拡大・反射され、カバーガラス６０を透過してウィンドシールドＷＳによって視認者Ｍｎへ拡大・反射され、視認者Ｍｎの視点において虚像Ｖとして観察される。

図５に示すように、テーブルＴには、視認者Ｍｎの様々な視点位置及び虚像上の位置に応じた視線データ（以下、「視線」と記す。）と、視線データのそれぞれに応じた３Ｄディスプレイ３０上の光線の位置及び光線の方向を示す光線データ（以下、「光線」と記す。）と、光線データのそれぞれに応じた平面表示パネル３２上の発光画素３１（画素３１の位置）を示す発光画素データ（以下、「ＦＰＤ」と記す。）と、が収納されている。視線の視線位置は位置ベクトル（Ｘ，Ｙ）であり、虚像上の位置は位置ベクトル（ｘ，ｙ）である。光線の３Ｄディスプレイ３０上の光線の位置（ＬＦＤ上の位置と記す）は位置ベクトル（Ｕ，Ｖ）であり、光線の方向（ＬＦＤ上の方向と記す）は方向ベクトル（ｕ，ｖ）である。ＦＰＤの発光画素（発光画素の位置）３１は（ｉ，ｊ）である。

図３〜図５に示すように、要部の作用として、視点Ｅａから虚像Ｖ上の点（ｘ０，ｙ０）を見る場合、視線はＬａ０となる。Ｌａ０を、ウィンドシールドＷＳ、凹面鏡５０、平面鏡４０、３Ｄディスプレイ３０の順で光学計算によって辿ると、３Ｄディスプレイ３０のレンチキュラレンズ３４から出射する光線を特定することができる。光線は，レンチキュラレンズ３４の位置ベクトル（Ｕａ０，Ｖａ０）と方向ベクトル（ｕａ０，ｖｂ０）が対応する。更に、光線は平面表示パネル３２上の画素（ｉａ０，ｊａ０）を発光させることにより生成される。

また制御部１２のテーブルＴでは、予め、視点位置（Ｘ，Ｙ）を一定の領域内（社内の領域内）に仮想の格子点で区画を定義され、虚像Ｖ上の位置（ｘ，ｙ）も同様に仮想の格子点を定義されている。視点位置がＥｂ、Ｅｃに移動した場合や、他の虚像Ｖ上の位置の全ての組み合わせについて、３Ｄディスプレイ３０の光線Ｌｂ０、Ｌｃ０等が対応し、光線から平面表示パネル３２上の発光画素３１（画素３１の位置）も同様に求まり、テーブルＴを成す。このテーブルＴにより、視点位置と虚像Ｖ上の座標情報から、平面表示パネル３２の発光画素３１（画素３１の位置）が特定される。これに基づいて虚像Ｖを構成する為に必要な全ての画素を発光させ、３Ｄディスプレイ３０は立体像Ｌを生成する。

なお、視線と虚像上の位置の組み合わせがテーブルＴ上で見つからない場合は、最も近い組み合わせを選択する、または、近い複数の組み合わせを選択し、それらを平均することによって補間しても差し支えない。さらには、テーブルＴは，視点位置や虚像Ｖ上の位置の格子点のサンプリング間隔を粗くしておき、補間を適用することにしてもよい。

次に、本発明の効果を説明する。

以上に示すように、表示装置１０は、視認者Ｍｎの視点位置を検出する視点検出カメラ１３と、視点位置と虚像Ｖ上の位置から定まる視線に対する出射光線を、３Ｄディスプレイ３０上の位置及び方向からなる対応データを収納したテーブルＴと、を有する。制御部１２は、複数の画素３１のうち、所定の視点位置と虚像Ｖ上の位置に必要な画素３１だけを点灯させるので、不要な光線が視点に到達することがなく、虚像Ｖの品質を向上させることができる。

また、外光が入射した場合に、３Ｄディスプレイ３０の表面で反射した光が視点に戻らないようにするために、３Ｄディスプレイ３０は光軸に対して傾斜して配置される。本発明の３Ｄディスプレイ３０は、外光が入射した場合に表面で反射した光が視点に戻らないようにする程度の小さい傾斜で配置することができるので、従来技術のような斜めのスクリーンを配置することなく、光軸に沿った方向の奥行きを短くすることができ、表示装置１０全体を小型化することができる。

制御部１２は、所定の視点位置と虚像Ｖ上の位置がテーブルＴ上に無い組み合わせのときは、テーブルＴから最も近い視点位置と虚像Ｖ上の位置の組み合わせを選択するので、視認者Ｍｎの視点がどの位置にあっても虚像Ｖの品質を向上させることができる。

制御部１２は、所定の視点位置と虚像Ｖ上の位置がテーブルＴ上に無い組み合わせのときは、テーブルＴ上から近い複数の視点位置と虚像Ｖ上の位置の組み合わせを選択して平均することによって補間するので、視認者Ｍｎの視点がどの位置にあっても虚像Ｖの品質をより向上させることができる。

３Ｄディスプレイ３０は、ライトフィールドディスプレイであるので、ウィンドシールド（表示部）ＷＳの直下に配置することができ、従来技術のような斜めに傾けて配置されたスクリーンが不要となり、光軸に沿った奥行を短くすることが可能となり、表示装置１０の小型化を図ることができる。

３Ｄディスプレイ３０の面は、小さい傾斜で配置することができるので、光軸に沿った方向の奥行きを短くすることができる。また、平面表示パネル３２の発光画素の位置を制御することにより斜め面の映像を調整できる為、取り付けの公差が緩和され、製造コストを下げることができる。

テーブルＴによって、視点の位置と虚像Ｖ上の位置から、平面表示パネル３２上の発光画素３１を特定するので、光学計算により発光画素３１を求めるよりも処理時間を削減することができる。

テーブルＴのサンプリング間隔を粗くすることにより、テーブルＴに必要とされる記憶容量を少なくすることができる。

尚、本発明によるヘッドアップディスプレイの画像データ処理方法は、四輪車の他、二輪車又は三輪車に適用されても良い。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。

また、実施例において、表示装置が視点位置検出手段を有する場合を例示したが、視認者の視点位置を示す視点位置情報が取得可能であればよい。

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…ヘッドアップディスプレイ（表示装置）、１２…制御部、１３…視点検出カメラ（視点位置検出手段）、３０…３Ｄディスプレイ（ライトフィールドディスプレイ）、３１…画素、３２…平面表示パネル、３３…シリンドリカルレンズ、３４…レンチキュラレンズ、Ｍｎ…視認者（運転者）、Ｅａ、Ｅｂ、Ｅｃ…視点、Ｌａ０、Ｌｂ０、Ｌｃ０…視線、Ｖｅ…車両、Ｖ…虚像（像）、ＷＳ…表示部（ウィンドシールド）、Ｔ…テーブル。

Claims (4)

1. 複数の画素が交互に並んで光を出射する平面表示パネル、及び、所定方向に延びている半円筒形状のシリンドリカルレンズが複数並んだレンチキュラレンズ、からなる３Ｄディスプレイと、
   この３Ｄディスプレイから出射される光を制御する制御部と、を有し、
   前記３Ｄディスプレイから出射された光を表示部に投射し、視認者に虚像を視認させる表示装置であって、
   前記制御部は、前記視認者の視点位置を示す視点位置情報を取得可能であり、
   前記視点位置と前記虚像上の位置から定まる視線に対する出射光線を、前記３Ｄディスプレイ上の位置及び方向からなる対応データを収納したテーブルと、を有し、
   前記制御部は、前記複数の画素のうち、所定の前記視点位置と前記虚像上の位置に必要な前記画素だけを点灯させることを特徴とする表示装置。
2. 前記制御部は、所定の前記視点位置と前記虚像上の位置が前記テーブル上に無い組み合わせのときは、前記テーブルから最も近い前記視点位置と前記虚像上の位置の組み合わせを選択することを特徴とする請求項１記載の表示装置。
3. 前記制御部は、所定の前記視点位置と前記虚像上の位置が前記テーブル上に無い組み合わせのときは、前記テーブル上から近い複数の前記視点位置と前記虚像上の位置の組み合わせを選択して平均することによって補間することを特徴とする請求項１記載の表示装置。
4. 前記３Ｄディスプレイは、ライトフィールドディスプレイであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項記載の表示装置。

Images