JP2021089396A - 画像表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】奥行方向に複数の画像を結像させながらも、省スペース化と軽量化を図ることが可能な画像表示装置を提供する。【解決手段】第1画像を照射する第1画像投影部(S1)と、第2画像を照射する第2画像投影部(S2)と、第1面に入射した第1画像投影部(S1)からの光を第1方向に反射し、第2面に入射した第2画像投影部(S2)からの光を第1方向に透過する第1ビームスプリッタ(BS1)と、第1方向に進行した光を空間上に結像させる結像光学部を備え、第1画像投影部(S1)および第2画像投影部(S2)は、共通の画像信号入力部から入力された信号によって駆動される画像表示装置(100)。【選択図】図1

Description

本発明は、画像表示装置に関し、特に空間の奥行方向に複数の画像を重ね合わせて結像させる画像表示装置に関する。
従来から、車両内に各種情報を表示する装置として、アイコンを点灯表示する計器盤が用いられている。また、表示する情報量の増加とともに、計器盤に画像表示装置を埋め込むことや、計器盤全体を画像表示装置で構成することも提案されている。
しかし、計器盤は車両のフロントガラスより下方に位置しているため、計器盤に表示された情報を運転者が視認するには、運転中に視線を下方に移動させる必要があるため好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、運転者が車両の前方を視認したときに情報を読み取れるようにするヘッドアップディスプレイ(以下HUD:Head Up Display)も提案されている(例えば、特許文献1を参照)。このようなHUDでは、フロントガラスの広い範囲に画像を投影するための光学装置が必要であり、光学装置の小型化および軽量化が望まれている。
一方で、小型の光学装置を用いて光を投影する画像表示装置としては、メガネ形状をしたヘッドマウント型のHUDが知られている(例えば、特許文献2を参照)。ヘッドマウント型のHUDでは、光源から照射された光を視聴者の眼に直接照射して、視聴者の網膜に画像を投影している。
特開2018−118669号公報 特表2018−528446号公報
しかし、従来のヘッドマウント型HUDでは、複数の画像を照射してビームスプリッタまたはハーフミラーで光軸を重ね合わせて結像させるためには、画像数に応じた画像表示部と配線を配置し、駆動制御を行う必要があり、省スペース化や軽量化が困難であるという問題があった。
そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、奥行方向に複数の画像を結像させながらも、省スペース化と軽量化を図ることが可能な画像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に、本発明の画像表示装置は、第1画像を照射する第1画像投影部と、第2画像を照射する第2画像投影部と、第1面に入射した前記第1画像投影部からの光を第1方向に反射し、第2面に入射した前記第2画像投影部からの光を前記第1方向に透過する第1ビームスプリッタと、前記第1方向に進行した光を空間上に結像させる結像光学部を備え、前記第1画像投影部および前記第2画像投影部は、共通の画像信号入力部から入力された信号によって駆動されることを特徴とする。
このような本発明の画像表示装置では、第1画像投影部と第2画像投影部を共通の画像信号入力部から入力された信号によって駆動することで、部品点数や配線数を低減することができ、奥行方向に複数の画像を結像させながらも、省スペース化と軽量化を図ることが可能となる。
また本発明の一態様では、前記第1画像投影部および前記第2画像投影部は、一つの画像表示装置における第1表示領域および第2表示領域で構成されている。
また本発明の一態様では、前記画像表示装置は、可撓性を有する有機EL素子または無機EL素子で構成されている。
また本発明の一態様では、前記第1画像投影部と前記第2画像投影部は、可撓性を有する信号配線で接続されている。
また本発明の一態様では、前記第1画像の結像位置と、前記第2画像の結像位置が異なっている。
本発明では、奥行方向に複数の画像を結像させながらも、省スペース化と軽量化を図ることが可能な画像表示装置を提供することができる。
第1実施形態に係る画像表示装置100の構成を示す模式図である。 第2実施形態に係る画像表示装置110の構成を示す模式図である。 第3実施形態に係る画像表示装置120の構成を示す模式図である。
(第1実施形態)
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図1は、本実施形態に係る画像表示装置100の構成を示す模式図である。図1に示すように画像表示装置100は、ビームスプリッタBS1,BS2,BS3と、再帰反射部RR1,RR2と、画像投影装置Sと、電磁シャッターES1,ES2,ES3と、ダイクロイックミラーDMと、ヘッドマウントディスプレイHMDを備えている。また、画像投影装置Sは、異なる表示領域がそれぞれ画像を表示して、第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3として機能する。
図1に示した画像表示装置100では、視聴者は、第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3およびヘッドマウントディスプレイHMDから投影された第1画像A1、第2画像A2、第3画像A3、第4画像Hを奥行方向に異なる距離に視認する。図1においては、第1画像A1、第2画像A2、第3画像A3、第4画像Hが並ぶ方向を奥行方向とし、奥行方向に直交する上下方向を垂直方向とし、奥行方向と垂直方向に直交する方向を横方向とする。図1において、第1画像投影部S1と、第2画像投影部S2と、第3画像投影部S3と、ヘッドマウントディスプレイHMDのそれぞれから描かれた一点鎖線、破線、二点鎖線、等の線は、各々が照射する画像の投影光の経路を示している。
ビームスプリッタBS1は、入射した光の一部を透過するとともに一部を反射する部材であり、表面に反射率を調整する膜が形成された部分反射板を用いることができる。ビームスプリッタBS1は垂直方向と奥行方向に対して45度の角度となるように配置されている。また、第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3から照射される光の光軸に対しても45度傾斜して配置されている。
ビームスプリッタBS2は、入射した光の一部を透過するとともに一部を反射する部材であり、表面に反射率を調整する膜が形成された部分反射板を用いることができる。ビームスプリッタBS2は垂直方向と奥行方向に対して45度の角度となるように傾斜して配置されている。また、第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3から照射される光の光軸に対しても45度傾斜して配置されている。さらに、ビームスプリッタBS2とビームスプリッタBS1の傾斜方向は互いに反対であり、90度の角度で交差するように対向して配置されている。
ビームスプリッタBS3は、入射した光の一部を透過するとともに一部を反射する部材であり、表面に反射率を調整する膜が形成された部分反射板を用いることができる。ビームスプリッタBS3は垂直方向と奥行方向に対して45度の角度となるように配置されている。また、第1画像投影部S1、第2画像投影部S2から照射される光の光軸に対しても45度傾斜して配置されている。
再帰反射部RR1,RR2は、入射した光を入射方向に対して集光性を保ったまま反射させる光学部材であり、反射膜の表面側に微小なガラスビーズを敷き詰めた構造やプリズムを用いた構造の再帰反射部を用いることができる。再帰反射部RR1は、ビームスプリッタBS2の下方に配置され、主面が水平方向とされている。再帰反射部RR2は、ビームスプリッタBS1,BS2,BS3と並んで奥行方向に配置され、主面が垂直方向とされている。
ここでは、ビームスプリッタBS1,BS2,BS3での光の透過率と反射率は任意のバランスを選択することができるが、例えば透過率を50%として反射率を50%とする。また、ビームスプリッタBS1,BS2,BS3の傾斜角度として45度と直交の例を示したが、第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3からの光照射方向と画像の結像位置との関係から適切な角度を用いることができる。
ダイクロイックミラーDMは、特定波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する光学部材である。ダイクロイックミラーDMは、再帰反射部RR1、ビームスプリッタBS2の上方に配置されており、奥行方向に45度の角度となるように傾斜して配置されている。図1に示した例では、ダイクロイックミラーDMは、第1画像投影部S1および第2画像投影部S2から照射される光の波長を反射し、その他の可視光を透過するものを用いる。後述するように、ビームスプリッタBS2、再帰反射部RR1,RR2およびダイクロイックミラーDMを経由した光によって、第1画像A1、第2画像A2および第3画像A3が空間上で結像されるので、これらの光学要素の組み合わせは本発明における結像光学部を構成している。
また、図1では省略しているが、ビームスプリッタBS2とダイクロイックミラーDMとの間に結像光学系の一部として結像レンズを配置するとしてもよい。結像レンズは、ビームスプリッタBS2を透過してきた光を空間上の所定位置に結像させるための光学部材であり、複数のレンズ群を用いてもよい。
ヘッドマウントディスプレイHMDは、第4画像Hを空間上に結像させる画像投影部である。ヘッドマウントディスプレイHMDの具体的構成は限定されず、導光板と回折格子を用いるものや、導光板と光学素子を用いるもの等、公知の構成を用いることができる。
画像投影装置SとヘッドマウントディスプレイHMDは、それぞれ画像を構成する光を照射する装置であり、それぞれ視聴者の目から所定距離に対して画像を投影する。第1画像投影部S1は、ビームスプリッタBS1の下方に配置され、ビームスプリッタBS1の他方の面(ビームスプリッタBS2と対向する面)に対して垂直方向に光を照射する。第2画像投影部S2は、ビームスプリッタBS1,BS2,BS3および再帰反射部RR2と並んで横方向に配置され、ビームスプリッタBS3の一方の面(ビームスプリッタBS1とは反対側の面)に対して横方向に光を照射する。第3画像投影部S3は、ビームスプリッタBS3の下方に配置され、ビームスプリッタBS3の他方の面(ビームスプリッタBS1と対向する面)に対して垂直方向に光を照射する。ヘッドマウントディスプレイHMDは、視聴者の目とダイクロイックミラーDMの間に配置される。
画像投影装置Sは、画像信号入力部(図示省略)から入力された信号によって駆動されて画像を表示する装置であり、異なる表示領域がそれぞれ第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3として機能する。図1に示すように画像投影装置Sは、第1画像投影部S1と第3画像投影部S3がそれぞれビームスプリッタBS1,BS3の下方に位置し、第2画像投影部S2がビームスプリッタBS3の横方向に配置されるように、屈曲部で連結された二つの平面を有している。画像投影装置Sの具体的構成は限定されないが、例えば可撓性を有する有機EL素子または無機EL素子を用いることができる。本実施形態の画像表示装置100では、画像投影装置Sを屈曲された複数の表示面を有する一つの装置で構成しているため、共通の画像信号入力部から入力された信号によって第1画像投影部S1、第2画像投影部S2と、第3画像投影部S3がそれぞれ駆動される。
電磁シャッターES1,ES2,ES3は、それぞれ第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3の光出射面側に配置されており、光の透過と遮蔽を制御する光学部材である。電磁シャッターES1,ES2,ES3の具体的構成は限定されず、例えば液晶シャッターを用いることができる。
第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3およびヘッドマウントディスプレイHMDが投影する画像は、静止画でも動画であってもよく、それぞれの投影する画像が同一であっても異なっていてもよい。また、第1画像投影部S1と、第2画像投影部S2と、第3画像投影部S3と、ヘッドマウントディスプレイHMDの光出射面側にレンズ等の光学部材を設けるとしてもよい。
図1に示したように、第1画像投影部S1から照射された光は、ビームスプリッタBS1で反射された後にビームスプリッタBS2に入射して一部が反射され、一部が透過する。反射された光は再帰反射部RR1で再反射されてビームスプリッタBS2に再入射してビームスプリッタBS2を透過し、ダイクロイックミラーDMで反射されて第1距離に第1画像A1として結像される。透過した光は再帰反射部RR2で再反射されてビームスプリッタBS2に再入射してビームスプリッタBS2で反射され、ダイクロイックミラーDMで反射されて第1距離に第1画像A1として結像される。第1画像A1として結像された光は、ヘッドマウントディスプレイHMDを透過して視聴者の目に到達する。したがって、視聴者は奥行方向における第1距離の空中に第1画像A1を視認する。
また、第2画像投影部S2から照射された光は、ビームスプリッタBS3,BS1を透過した後にビームスプリッタBS2に入射して一部が反射され、一部が透過する。反射された光は再帰反射部RR1で再反射されてビームスプリッタBS2に再入射してビームスプリッタBS2を透過し、ダイクロイックミラーDMで反射されて第2距離に第2画像A2として結像される。透過した光は再帰反射部RR2で再反射されてビームスプリッタBS2に再入射してビームスプリッタBS2で反射され、ダイクロイックミラーDMで反射されて第2距離に第2画像A2として結像される。第2画像A2として結像された光は、ヘッドマウントディスプレイHMDを透過して視聴者の目に到達する。したがって、視聴者は奥行方向における第2距離の空中に第2画像A2を視認する。
また、第3画像投影部S3から照射された光は、ビームスプリッタBS3で反射された後にビームスプリッタBS2に入射して一部が反射され、一部が透過する。反射された光は再帰反射部RR1で再反射されてビームスプリッタBS2に再入射してビームスプリッタBS2を透過し、ダイクロイックミラーDMで反射されて第3距離に第3画像A3として結像される。透過した光は再帰反射部RR2で再反射されてビームスプリッタBS2に再入射してビームスプリッタBS2で反射され、ダイクロイックミラーDMで反射されて第3距離に第3画像A3として結像される。第3画像A3として結像された光は、ヘッドマウントディスプレイHMDを透過して視聴者の目に到達する。したがって、視聴者は奥行方向における第3距離の空中に第3画像A3を視認する。
このとき、第1再帰反射部RR1で再帰反射された光と、第2再帰反射部RR2で再帰反射された光は、ビームスプリッタBS2で分岐された同一内容の画像であり、互いに重ね合わされてダイクロイックミラーDMに到達する必要がある。したがって、第1再帰反射部RR1と第2再帰反射部RR2の光学的な特性が同一である場合には、第1再帰反射部RR1と第2再帰反射部RR2からビームスプリッタBS2の距離を等しくすることが好ましい。
また、ヘッドマウントディスプレイHMDから照射された光は、ヘッドマウントディスプレイHMDが備える光学系によって決まる第4距離に結像される光路で視聴者の目に到達する。したがって、視聴者は奥行方向における第4距離の空中に第4画像Hを視認する。
上述したように視聴者は、第1画像A1、第2画像A2、第3画像A3および第4画像Hを結像させる光が、同一の視聴者における視野範囲に入射し、奥行方向に異なる位置である第1距離、第2距離、第3距離および第4距離に、第1画像A1、第2画像A2、第3画像A3および第4画像Hを視認できる。同時に、視聴者はダイクロイックミラーDMおよびヘッドマウントディスプレイHMDを透過して目に到達する背景を視認できる。したがって、視聴者は背景に第1画像A1、第2画像A2、第3画像A3および第4画像Hを重ね合わせたエアリアルイメージを視認することになる。
上述したように本実施形態の画像表示装置100では、一つの画像投影装置Sの異なる表示領域がそれぞれ第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3を構成している。これにより、共通の画像信号入力部から入力された信号によって第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3での表示を行うことができる。したがって、第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3のそれぞれを別個の画像表示装置で構成し、個別に配線を施して駆動制御するよりも、奥行方向に複数の画像を結像させながらも、省スペース化と軽量化を図ることが可能となる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図2を用いて説明する。第1実施形態と重複する内容は説明を省略する。図2は、本実施形態に係る画像表示装置110の構成を示す模式図である。図2に示すように画像表示装置110は、ビームスプリッタBS1,BS2,BS3と、再帰反射部RR1,RR2と、画像投影装置Sと、電磁シャッターES1,ES2,ES3と、ダイクロイックミラーDMと、ヘッドマウントディスプレイHMDを備えている。
本実施形態の画像表示装置110では、画像投影装置Sにおいて、第1画像投影部S1と第3画像投影部S3が設けられる平面と、第2画像投影部S2が設けられる平面との間を曲率が大きな曲面とした点が第1実施形態と異なっている。
上述したように画像投影装置Sの異なる表示領域がそれぞれ第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3として機能し、第1距離、第2距離、第3距離に第1画像A1、第2画像A2、第3画像A3が結像される。したがって、第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3を構成する領域は平坦な面とすることが好ましいが、画像表示に寄与しない領域の平坦性は重要度が低い。そこで、図2に示したように第2画像投影部S2と第3画像投影部S3の間は曲率が大きな曲面とすることで、画像表示装置Sのサイズを小さくすることができる。また、図1に示した第1実施形態と比較すると、画像表示装置Sが占有する空間を低減してさらなる省スペース化を図ることもできる。
ここで、図2では第2画像投影部S2と第3画像投影部S3の間で全域にわたって曲面とする例を示したが、曲率が小さな屈曲部と平坦面を組み合わせて、第2画像投影部S2と第3画像投影部S3の間で平坦面が斜めに設けられるとしてもよい。
本実施形態の画像表示装置110でも、共通の画像信号入力部から入力された信号によって第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3での表示を行うことができ、奥行方向に複数の画像を結像させながらも、省スペース化と軽量化を図ることが可能となる。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について図3を用いて説明する。第1実施形態と重複する内容は説明を省略する。図3は、本実施形態に係る画像表示装置120の構成を示す模式図である。図2に示すように画像表示装置120は、ビームスプリッタBS1,BS2,BS3と、再帰反射部RR1,RR2と、第1画像投影部S1と、第2画像投影部S2と、第3画像投影部S3と、フレキシブルケーブルFC1,FC2と、電磁シャッターES1,ES2,ES3と、ダイクロイックミラーDMと、ヘッドマウントディスプレイHMDを備えている。
本実施形態では、第1画像投影部S1と第3画像投影部S3はフレキシブルケーブルFC1で接続され、第2画像投影部S2と第3画像投影部S3はフレキシブルケーブルFC2で接続されており、共通の画像信号入力部(図示省略)から入力された信号によって駆動される画像投影装置Sを構成している。
第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3は、それぞれ視聴者の目から所定距離に対して画像を投影する装置である。第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3の構成は限定されず、バックライトを備えた液晶表示装置、自発光の有機EL表示装置または無機EL素子、光源と変調素子を用いたプロジェクター装置等を用いることができる。
フレキシブルケーブルFC1,FC2は、それぞれ第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3の間を電気的に接続するための可撓性を有する信号配線である。第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3の内部にも信号配線が設けられている。したがって、フレキシブルケーブルFC1で第1画像投影部S1と第3画像投影部S3の間を接続し、フレキシブルケーブルFC2で第2画像投影部S2と第3画像投影部S3の間を接続することで、一つの画像信号入力部から信号を入力するだけで画像投影装置Sに含まれる第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3に対して信号を供給して画像表示を行うことができる。
また、フレキシブルケーブルFC1,FC2は可撓性を有しているため、第2画像投影部S2と第3画像投影部S3の設置自由度を向上させて、互いの光出射方向が交差するように配置することができる。また、第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3の面積を最小化して表示に寄与しない領域を削減するとともに、部品点数の削減による省スペース化と軽量化を図ることができる。
図3では、フレキシブルケーブルFC2を大きな曲率で弧を描くように曲げた例を示しているが、長さや配置形状は限定されず、他の部材間に設けられた空隙を利用して配線の取り回しをするとしてもよい。
本実施形態の画像表示装置120でも、共通の画像信号入力部から入力された信号によって第1画像投影部S1、第2画像投影部S2、第3画像投影部S3での表示を行うことができ、奥行方向に複数の画像を結像させながらも、省スペース化と軽量化を図ることが可能となる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
100,110,120…画像表示装置
A1…第1画像
A2…第2画像
A3…第3画像
S1…第1画像投影部
S2…第2画像投影部
S3…第3画像投影部
RR1,RR2…再帰反射部
ES1,ES2,ES3…電磁シャッター
BS1,BS2,BS3…ビームスプリッタ
FC1,FC2…フレキシブルケーブル

Claims (5)

  1. 第1画像を照射する第1画像投影部と、
    第2画像を照射する第2画像投影部と、
    第1面に入射した前記第1画像投影部からの光を第1方向に反射し、第2面に入射した前記第2画像投影部からの光を前記第1方向に透過する第1ビームスプリッタと、
    前記第1方向に進行した光を空間上に結像させる結像光学部を備え、
    前記第1画像投影部および前記第2画像投影部は、共通の画像信号入力部から入力された信号によって駆動されることを特徴とする画像表示装置。
  2. 請求項1に記載の画像表示装置であって、
    前記第1画像投影部および前記第2画像投影部は、一つの画像表示装置における第1表示領域および第2表示領域で構成されていることを特徴とする画像表示装置。
  3. 請求項2に記載の画像表示装置であって、
    前記画像表示装置は、可撓性を有する有機EL素子または無機EL素子で構成されていることを特徴とする画像表示装置。
  4. 請求項1に記載の画像表示装置であって、
    前記第1画像投影部と前記第2画像投影部は、可撓性を有する信号配線で接続されていることを特徴とする画像表示装置。
  5. 請求項1から4の何れか一つに記載の画像表示装置であって、
    前記第1画像の結像位置と、前記第2画像の結像位置が異なっていることを特徴とする画像表示装置。
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