JP2023008930A - head-up display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。 The present invention relates to a head-up display device.
操作者が操作をしつつ視線を殆ど変えることなく操作に必要な情報を知ることのできるヘッドアップディスプレイ装置が種々の装置に用いられている。例えば、下記特許文献1には、車両用表示装置として、二台の表示デバイスの各々に表示される表示パターンがフロントガラス越しの異なる位置に虚像として見ることができるように、フロントガラスから所定距離離れた箇所に設置されたハーフミラーの両面側の各々に、ハーフミラー面との距離が異なる位置に表示デバイスが設置されているものが記載されている。また、下記特許文献2には、パチンコ機等の遊技機に用いられ、所定の遊技条件により本体枠の前方空間に仮想表示像が結像するように、画像表示部と、この画像表示部から投影される画像を遊技機の後方側に向けて反射するハーフミラーと、このハーフミラーで反射した反射画像をハーフミラーに向けて再帰反射させる再帰性反射部材とが設けられたものが記載されている。更に、特許文献2には、ハーフミラー又は再帰性反射部材の画像表示部に対する相対距離を調整する距離調整機構を設けることにより、仮想表示画像の大きさ、位置等を変化させることができる旨も記載されている。
2. Description of the Related Art A head-up display device is used in various devices, with which an operator can know information necessary for operation without changing his or her line of sight. For example, in
前述した特許文献1、2に記載されたヘッドアップディスプレイ装置によれば、運転者や遊技者は運転や遊技をしつつ運転に必要な情報や所定の遊技条件に達したことを、視線を殆ど変えることなく知ることができる。
しかしながら、特許文献1の装置によれば、表示する情報ごとに表示デバイスを設けなければならず、装置が大型化する。しかも、数多くの情報を表示しようとする場合、多数の表示デバイスが必要となって実用化が困難となる。また、特許文献2の装置によれば、ハーフミラー又は再帰性反射部材の画像表示部に対する相対距離を調整する際、画像表示部の調整をしないと、仮想表示画像が不鮮明となるおそれがある。
According to the head-up display devices described in
However, according to the apparatus of
本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、簡単な構造で且つ複数の情報を表示できる画像表示手段を用い、単数又は複数の情報についての明瞭な虚像を見ることのできるヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems. It is an object of the present invention to provide a display device.
前記の目的を達成するためになされた本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、複数の所定像の各々が異なる所定位置に投影されるように作成されたホログラムに平行光が照射され、前記ホログラムの干渉情報に基づいて回折された回折光が射出されるホログラフィックプロジェクタ部と、傾斜して設置され、前記回折光が照射されて透過するハーフミラーと、前記ハーフミラーの一面側から所定距離離れた位置であって、前記ハーフミラーを透過した前記回折光が照射されて前記所定像の各々に対応する投影像が投影される前記所定位置に配置された、一枚の再帰性反射素子又は互いに重なる部分なく配置された複数枚の再帰性反射素子とから構成され、前記再帰性反射素子は、その再帰性反射光射出面から射出された前記投影像の再帰性反射光が前記ハーフミラーで反射し、前記ハーフミラーの他面側に虚像として見えるように、前記再帰性反射光射出面が前記ハーフミラーの一面側に向いて設置され、前記一枚の再帰性反射素子又は前記複数枚の再帰性反射素子のうち少なくとも一枚の再帰性反射素子は、対応する前記所定像の投影位置に移動可能に設けられ、或いは前記複数枚の再帰性反射素子の全部又は移動可能に設けられた前記再帰性反射素子を除く残余の再帰性反射素子の各々は、対応する前記所定像の投影位置に配置されていることを特徴とするものである。 A head-up display device according to the present invention, which has been made to achieve the above object, irradiates parallel light onto a hologram created so that each of a plurality of predetermined images is projected at different predetermined positions, and A holographic projector unit that emits diffracted light diffracted based on interference information, a half mirror that is installed at an angle and transmits the diffracted light that is irradiated, and a predetermined distance away from one surface side of the half mirror. A single retroreflective element placed at the predetermined position where the diffracted light transmitted through the half mirror is irradiated and projection images corresponding to the predetermined images are projected, or they overlap each other and a plurality of retroreflecting elements arranged without any part, and the retroreflecting element reflects the retroreflected light of the projected image emitted from the retroreflected light exit surface thereof by the half mirror. , the retroreflective light exit surface is installed facing one side of the half mirror so that it can be seen as a virtual image on the other side of the half mirror, and the one retroreflective element or the plurality of retroreflective elements are installed. At least one retroreflective element among the reflective elements is movably provided at a corresponding projection position of the predetermined image, or all of the plurality of retroreflective elements or the movably provided retroreflective element Each of the remaining retroreflective elements other than the reflective element is characterized in that it is arranged at the projection position of the corresponding predetermined image.
前記ハーフミラーの一面側から見たとき、前記複数の所定像に対応する虚像の全てが同時に見えるように、前記所定像の各々に対応する前記投影位置に前記再帰性反射素子の各々が配置されていることにより、同時に複数の所定像についての明瞭な虚像を見ることができる。 Each of the retroreflective elements is arranged at the projection position corresponding to each of the predetermined images so that all virtual images corresponding to the plurality of predetermined images can be seen at the same time when viewed from one side of the half mirror. Therefore, clear virtual images of a plurality of predetermined images can be viewed at the same time.
前記虚像の各々が、前記ハーフミラーの他面側から異なる距離に見えるように、前記虚像の各々に対応する前記再帰性反射素子の前記ハーフミラーの一面側からの距離が調整されていることにより、同時に複数の所定像についての明瞭な虚像が異なる位置に見ることができる。 The distance of the retroreflective element corresponding to each of the virtual images from the one surface of the half mirror is adjusted so that each of the virtual images can be seen at different distances from the other surface of the half mirror. , at the same time, distinct virtual images of a plurality of predetermined images can be seen at different positions.
前記ホログラムが、計算機合成ホログラムであって、前記平行光を前記計算機合成ホログラムの干渉情報に基づいて回折光に変調する空間光変調器が設けられていることにより、所望のホログラムを簡単に作成できる。 The hologram is a computer-generated hologram, and a spatial light modulator that modulates the parallel light into diffracted light based on the interference information of the computer-generated hologram is provided, so that a desired hologram can be easily created. .
前記計算機合成ホログラムが、振幅ホログラムであって、前記振幅ホログラムが下記数式(1)
前記計算機合成ホログラムが位相ホログラムであって、前記位相ホログラムが下記数式(2)
前記平行光がレーザ光であることにより、明るい虚像ができる。 A bright virtual image can be formed by using laser light as the parallel light.
本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、表示装置として複数の投影像を同時に各所定位置に投影できるホログラフィックプロジェクタ部を用いていることにより、装置の小型化が可能となり、同時に距離感の異なる複数の虚像を鮮明に見ることができる。また、移動可能に設けた再帰性反射素子を予定された投影像が投影される位置に移動することにより、異なる虚像或いは遠近感が異なる虚像を鮮明に見ることもできる。 The head-up display device according to the present invention uses a holographic projector unit capable of simultaneously projecting a plurality of projection images at respective predetermined positions as a display device, so that the size of the device can be reduced, and at the same time, a plurality of images with different senses of distance can be displayed. You can clearly see the virtual image of Further, by moving the movably provided retroreflective element to a predetermined position where the projection image is projected, it is possible to clearly see different virtual images or virtual images with different perspectives.
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。 Although the present invention will be described in detail below, the scope of the present invention is not limited thereto.
本発明を適用するヘッドアップディスプレイ装置を図1(a)に示す。図1(a)に示すヘッドアップディスプレイ装置10はホログラフィックプロジェクタ部10aと投影部10bとから構成される。ホログラフィックプロジェクタ部10aは、タブレット型端末装置11が接続されたパーソナルコンピュータ(PC)12、反射型の空間光変調器(SLM)14、第1ハーフミラー22及び平行光射出部15から構成される。平行光射出部15は、レーザ光射出部16、対物レンズ18及び平凸レンズ20から成る。ホログラフィックプロジェクタ部10aは、タブレット型端末装置11から入力された文字や図形等の所定像の計算機合成ホログラム(CGH)がPC12のCGH計算部17で計算されてSLM14に表示される。SLM14に表示される干渉縞は、所定像が所定位置に結像されるように作成された干渉情報である。このような干渉縞が表示されているSLM14の表示面に平行光が照射される。この平行光は、平行光射出部15のレーザ光射出部16から射出されたレーザ光が対物レンズ18で一旦集光した後に広がり、平凸レンズ20で平行光となり、第1ハーフミラー22によりSLM14の表示面の方向に反射された光である。SLM14の表示面に照射された平行光は、表示面に表示されているホログラムの干渉情報に基づいて回折された回折光となって、SLM14の表示面から射出し、第1ハーフミラー22を透過して投影部10bに射出される。
A head-up display device to which the present invention is applied is shown in FIG. A head-up
投影部10bは、傾斜角45°に傾斜して配置されている鏡24及び第2ハーフミラー30と、第2ハーフミラー30の一面側(傾斜面側)に配置された再帰性反射素子としての再帰性反射シート32a,32bとから構成される。再帰性反射シート32aは第2ハーフミラー30の傾斜面の下端側に配置され、再帰性反射シート32bは第2ハーフミラー30の傾斜面の上端側に配置されている。互いに重なる部分なく配置されている再帰性反射シート32a,32bは、いずれの再帰性反射光射出面も第2ハーフミラー30の一面側を向いており、PC12のCGH計算部17でCGHが計算された所定像の投影面でもある。この再帰性反射シート32a,32bは、図1(b)に示すように反射シート33aの一面側に形成された透明樹脂層33c中に多数のガラスビーズ33bが配置されているものであり、図1(b)に示すように再帰性反射光射出面からは入射光の入射経路に沿って入射光と逆方向に再帰性反射光が射出する。尚、図1(b)に示す再帰性反射シート32は、多数のガラスビーズ33bを用いたものであったが、多数のプリズムを用いた再帰性反射シートであってもよい。
The
このような投影部10bにホログラフィックプロジェクタ部10aから入射した回折光は、鏡24で反射し第2ハーフミラー30を透過して再帰性反射シート32a,32bの再帰性反射光射出面を照射する。回折光が照射された再帰性反射シート32aの再帰性反射光射出面には、投影像aが投影される。投影像aが投影された再帰性反射シート32aの再帰性反射光射出面からは、投影像aの入射光と逆方向に再帰性反射光が射出する。この再帰性反射光は、第2ハーフミラー30の一面側で反射されて人の目に入り、第2ハーフミラー30の他面側に投影像aに対応する虚像aが見える。第2ハーフミラー30の他面側から虚像aまでの奥行き(図1(a)にFa′で示す)は、第2ハーフミラー30の一面側から再帰性反射シート32aまでの高さ(図1(a)にFaで示す)に等しい。また、回折光が照射された再帰性反射シート32bの再帰性反射光射出面には、投影像bが投影される。投影像bが投影された再帰性反射シート32bの再帰性反射光射出面からは、投影像bの入射光と逆方向に再帰性反射光が射出する。この再帰性反射光は、第2ハーフミラー30の一面側で反射されて人の目に入り、第2ハーフミラー30の他面側に投影像bに対応する虚像bが虚像aよりも奥側に見える。第2ハーフミラー30の他面側から虚像bまでの奥行き(図1(a)にFb′で示す)も、第2ハーフミラー30の一面側から再帰性反射シート32bまでの高さ(図1(a)にFbで示す)に等しい。
ところで、第2ハーフミラー30の一面側から再帰性反射シート32aの投影面までの高さ(図1(a)にFaで示す)は、第2ハーフミラー30の一面側から再帰性反射シート32bの投影面までの高さ(図1(a)にFbで示す)よりも長いが、虚像bが虚像aよりも奥側に見えるのは、再帰性反射シート32aが第2ハーフミラー30の傾斜面の下端側に配置されていることによるものである。
The diffracted light incident on the
By the way, the height from one side of the
図2には、ヘッドアップディスプレイ装置10から、再帰性反射シート32aの再帰性反射光射出面である投影面(以下、単に投影面という。)に投影像aとして文字「A」を投影すると共に、再帰性反射シート32bの再帰性反射光射出面である投影面(以下、単に投影面という。)に投影像bとして文字「B」を投影した状態を示す。再帰性反射シート32aに投影された文字「A」は第2ハーフミラー30の他面側に虚像aとしての文字「A」が見え、再帰性反射シート32bの投影面に投影された文字「B」は第2ハーフミラー30の他面側に虚像bとしての文字「B」が虚像aの文字「A」よりも奥側に見える。このように、1台のホログラフィックプロジェクタ部10aにより、第2ハーフミラー30の一面側から第2ハーフミラー30の他面側に、距離感の異なる文字「A」と文字「B」との鮮明な虚像を同時に見ることができる。
In FIG. 2, from the head-up
ここで、図1(a)の再帰性反射シート32a,32bに代えて鏡を配置したところ、虚像a、bは見えなかった。鏡と再帰性反射シートとの反射の違いによるものと推察される。また、再帰性反射シート32a,32bに代えて白紙又は黒紙を配置したところ、虚像a、bは見えるものの著しく不鮮明であった。白紙又は黒紙の再帰反射する方向への反射率が再帰性反射シートよりも低いことによるものと推察される。
Here, when mirrors were arranged instead of the
図1(a)に示す虚像aと虚像bとの間に図3に示すように遮光板31を挿入しても、遮光板31を透過して虚像bを見ることができる。また、図4に示すように再帰性反射シート32bを、矢印Fの方向(第2ハーフミラー30の方向)に移動して位置32b′の位置にすることにより、虚像bの見える位置を矢印f(第2ハーフミラー30の方向)に移動し、虚像aよりも手前の位置b′とすることができる。但し、再帰性反射シート32bを移動する際に、図4に示す位置32b′に投影像bが投影される計算機合成ホログラム(CGH)がPC12のCGH計算部17で計算されてSLM14に表示されていることが必要である。
Even if a shielding
図1~図4に示すように虚像a,bが見える位置は、再帰性反射シート32a,32bと第2ハーフミラー30との距離(光路長)に対応し、再帰性反射シートと第2ハーフミラー30との距離(光路長)が長いほど、虚像は第2ハーフミラー30よりも奥側に見える。再帰性反射シートと第2ハーフミラー30との距離(光路長)を長くとりたい場合であって、部屋の広さ等の物理的制約があるとき、図5に示すように再帰性反射シート32aと第2ハーフミラー30との間に鏡34を設置して再帰性反射シート32aと第2ハーフミラー30との光路を曲折して光路長を長くしてもよい。
As shown in FIGS. 1 to 4, the positions at which the virtual images a and b are visible correspond to the distances (optical path lengths) between the
図1~図5に示す投影部10bでは、二枚の再帰性反射シートを配置していたが、図6に示す投影部10bのように可動可能の一枚の再帰性反射シート32aのみであってもよい。ホログラフィックプロジェクタ部10aからは第2ハーフミラー30の一面側(傾斜面)の所定位置に投影像a,bを投影するように回折光が投射されているので、図6に示す再帰性反射シート32aの位置では、投影像aが投影されて虚像aが第2ハーフミラー30の他面側に見える。投影像aの投影位置にある再帰性反射シート32aを、投影像bが投影される投影位置32a′に移動すると、虚像aは消滅するが、再帰性反射シート32aに投影像bが投影されて虚像bが第2ハーフミラー30の他面側に見える。虚像bは虚像aよりも奥側に見える。このように移動可能に設けた再帰性反射シート32aを投影像bが投影される位置に移動することにより、虚像aと遠近感が異なる虚像bを見ることができる。
In the
図1~6の投影部10bでは、図2に示すように再帰性反射シート32a,32bを第2ハーフミラー30の下端側と上端側とに直列状に配置していたが、虚像a,bの位置は第2ハーフミラー30の傾斜にも影響される。このような第2ハーフミラー30の傾斜による影響を避けるには、図7(a)に示すように長方形の第2ハーフミラー30の左右方向に再帰性反射シート32a,32bを並列状に配置することが好ましい。このような再帰性反射シート32a,32bの配置とすることにより、図7(b)に示すように第2ハーフミラー30から再帰性反射シート32a,32bまでの各々の高さ(光路長)に応じた位置に虚像a,bが見えることを予測できる。
1 to 6, the
以上、述べてきたヘッドアップディスプレイ装置10は、タブレット型端末装置11からPC12に入力された所定像の計算機合成ホログラム(CGH)をCGH計算部17で計算してSLM14に出力している。このCGH計算部17で計算する計算機合成ホログラム(CGH)について説明する。
図8に示すN個の物体点で構成された三次元物体の計算機合成ホログラム(以下、単にCGHと称する)は、三次元物体の各物体点を点光源とし、三次元物体上のn番目の点光源Pの位置座標をP(xn,yn,zn)としたとき、図8に示すCGH上の各点(xh,yh,0)における光強度Icomp(xh,yh,0)は下記数式(3)
A computer-generated hologram (hereinafter simply referred to as CGH) of a three-dimensional object composed of N object points shown in FIG. When the position coordinates of the point light source P are P(x n , y n , z n ), the light intensity I comp ( x h , y h ,0) is the following formula (3)
ところで、SLM14には、振幅ホログラムを表示するものと、位相ホログラムを表示するものがある。ここで、図8に示すように三次元物体上のn番目の点光源Pの位置座標をP(xn,yn,zn)とし、その明るさをAn、1ピクセルの大きさをΔx×Δy、x,y方向にi,j番目に位置するCGHのピクセルの座標を(xh,yh)=(iΔx,jΔy)とすると、振幅ホログラム上の各点(xh,yh,0)における光強度Iamp(xh,yh,0)は、下記数式(4)
また、位相ホログラム上の各点(xh,yh,0)における位相Iphase(xh,yh,0)は、下記数式(5)
上記数式(5)のIm{Icomp}は虚部であり、Re{Icomp}は実部であって、上記数式(4)
と同じであるから、上記数式(5)は下記数式(6)
Im{I comp } in the above equation (5) is the imaginary part, Re{I comp } is the real part, and the above equation (4)
is the same as, the above formula (5) becomes the following formula (6)
上記数式(4)に基づいて振幅ホログラムを、上記数式(6)に基づいて位相ホログラムを計算でき、三次元静止画のCGHの計算用として用いることができる。
唯、三次元動画においては、上記数式(4)又は上記数式(6)を用いたCGHの計算よりも、計算速度の更なる向上が求められる。このため、CGHの計算速度を向上すべく、振幅ホログラムの光強度(Iamp(xh,yh,0))を表す上記数式(4)を下記数式(7)
また、位相ホログラムの位相(Iphase(xh,yh,0))を表す上記数式(6)を下記数式(8)
However, in the case of 3D moving images, a further improvement in calculation speed is required compared to the calculation of CGH using the above formula (4) or the above formula (6). Therefore, in order to improve the calculation speed of CGH, the above formula (4) representing the light intensity of the amplitude hologram (I amp (x h , y h , 0)) is changed to the following formula (7)
Also, the above formula (6) representing the phase of the phase hologram (I phase (x h , y h , 0)) is changed to the following formula (8)
図1に示すPC12のCGH計算部17で上記数式(7)に基づいて振幅ホログラムを計算するために、図9に示すようにCGH計算部17内に、タブレット型端末装置11から入力される三次元像の点光源の位置座標のデータを記憶する位置座標データ記憶部17aと、位置座標データ記憶部17aの位置座標データに基づいてCGHのx方向のsinX,cosXを計算した値を記憶するCGHのx方向の三角関数テーブル17bと、位置座標データ記憶部17aの位置座標データに基づいてCGHのy方向のsinY,cosYを計算した値を記憶するCGHのy方向の三角関数テーブル17cと、三角関数テーブル17b、17cに記憶された三角関数値を用いて振幅ホログラムの光強度(Iamp(xh,yh,0))を計算する振幅ホログラム計算部17dと、振幅ホログラム計算部17dで算出された振幅ホログラムの光強度(Iamp(xh,yh,0))を記憶してSLM14に出力する振幅ホログラムデータ記憶部17eとが設けられている。
In order to calculate the amplitude hologram based on the above formula (7) in the
図9に示すCGH計算部17で振幅ホログラムを計算するための疑似コードは図10であり、そのフローチャートを図11に示す。図10に示す疑似コードは、CGHの解像度をW×Hとし、図11に示すフローチャートは三次元動画のものであるが、三次元静止画であっても適用できる。
図10及び図11では、三角関数テーブル17bを作成してから三角関数テーブル17cを作成しているが、三角関数テーブル17cを作成してから三角関数テーブル17bを作成してもよく、三角関数テーブル17b、17cを並列に作成してもよい。また、三角関数テーブル17b、17cの作成、振幅ホログラムの計算部17dでの振幅ホログラムの計算、振幅ホログラムデータ記憶部17eによる振幅ホログラムのSLM14への出力を並列処理してもよい。更に、三次元動画の各フレームにおいて、予め三角関数テーブル17b、17cが作成され、それを用いてSLM14に表示する振幅ホログラムを作成し表示できる場合、図11に示すフローチャートで点光源ループを一番内側のループとしてもよい。
FIG. 10 is a pseudo code for calculating the amplitude hologram in the
10 and 11, the trigonometric function table 17c is created after creating the trigonometric function table 17b, but the trigonometric function table 17b may be created after creating the trigonometric function table 17c. 17b and 17c may be created in parallel. The creation of the trigonometric function tables 17b and 17c, the calculation of the amplitude hologram by the
図1に示すPC12のCGH計算部17で上記数式(8)に基づいて位相ホログラムを計算するために、図12に示すようにCGH計算部17内に、タブレット型端末装置11から入力される三次元像の点光源の位置座標データを記憶する位置座標データ記憶部17aと、位置座標データ記憶部17aの位置座標データに基づいてCGHのx方向のsinX,cosXを計算した値を記憶するCGHのx方向の三角関数テーブル17bと、位置座標データ記憶部17aの位置座標データに基づいてCGHのy方向のsinY,cosYを計算した値を記憶するCGHのy方向の三角関数テーブル17cと、三角関数テーブル17b、17cに記憶された三角関数値を用いて虚部Im{Icomp}と、実部Re{Icomp}とを計算する虚部・実部計算部17fと、虚部・実部計算部17fで計算された虚部Im{Icomp}、実部Re{Icomp}の虚部・実部記憶部17gと、虚部・実部記憶部17gに記憶された虚部Im{Icomp}、実部Re{Icomp}を用いて位相ホログラムの位相(Iphase(xh,yh,0))を計算する位相ホログラム計算部17hと、位相ホログラム計算部17hで算出された位相ホログラムの位相(Iphase(xh,yh,0))を記憶してSLM14に出力する位相ホログラムデータ記憶部17iとが設けられている。
In order to calculate the phase hologram based on the above formula (8) in the
図12に示すCGH計算部17で位相ホログラムを計算するための疑似コードは図13であり、そのフローチャートを図14に示す。図13に示す疑似コードは、CGHの解像度をW×Hとし、図14に示すフローチャートは三次元動画のものであるが、三次元静止画であっても適用できる。
図13及び図14では、三角関数テーブル17bを作成してから三角関数テーブル17cを作成しているが、三角関数テーブル17cを作成してから三角関数テーブル17bを作成してもよく、三角関数テーブル17b、17cを並列に作成してもよい。また、三角関数テーブル17b、17cの作成、虚部・実部計算部17fでの虚部Im{Icomp}と、実部Re{Icomp}との計算、位相ホログラム計算部17hでの位相ホログラムの位相(Iphase(xh,yh,0))の計算、位相ホログラムデータ記憶部17iによる位相ホログラムのSLM14への出力を並列処理してもよい。更に、三次元動画の各フレームにおいて、予め三角関数テーブル17b、17cが作成され、それを用いてSLM14に表示する位相ホログラムを作成し表示できる場合、図14に示すフローチャートで点光源ループを一番内側のループとしてもよい。
Pseudo code for calculating the phase hologram in the
13 and 14, the trigonometric function table 17c is created after creating the trigonometric function table 17b, but the trigonometric function table 17b may be created after creating the trigonometric function table 17c. 17b and 17c may be created in parallel. In addition, the trigonometric function tables 17b and 17c are created, the imaginary part Im{Icomp} and the real part Re{Icomp} are calculated in the imaginary/
上記数式(7)に基づいて振幅ホログラムを計算処理し、或いは上記数式(8)に基づいて位相ホログラムを計算処理する図1に示すCGH計算部17を、CPU(中央演算処理装置)及び/又はGPU(Graphics Processing Unit)内に設けることができる。
ところで、CPU及びGPUはいずれも複数のコアを持つが、三次元動画のリアルタイム再生を実現するには、1秒間に最低でも30枚のCGHを計算し、それを再生しなければならない。しかし、CPUが持つコア数はGPUに比べて格段に少なく、CPUによる処理速度は遅く、三次元静止画像の処理に用いることはできるものの、三次元動画処理には適しない。一方、GPUは多数のコアを持っており、三次元静止画像の処理には勿論のこと、三次元動画処理にも用いることができる。
尚、以上のCGHの説明は、三次元物体についてであったが、二次元物体の場合、上記数式(3)~(8)においてZnを一定値として計算することで対応できる。
A CPU (Central Processing Unit) and/or the
By the way, both CPU and GPU have a plurality of cores, but in order to realize real-time reproduction of 3D moving images, at least 30 CGHs must be calculated per second and reproduced. However, the number of cores that a CPU has is much smaller than that of a GPU, and the processing speed of the CPU is slow. Although it can be used for processing 3D still images, it is not suitable for processing 3D moving images. On the other hand, a GPU has many cores and can be used not only for processing 3D still images but also for 3D moving image processing.
Although the above explanation of CGH was for a three-dimensional object, it can be handled by calculating Zn as a constant value in the above equations (3) to (8) in the case of a two-dimensional object.
図1に示す投影像aの文字「A」を所定位置の再帰性反射シート32aに投影し、同時に、図1に示す投影像bの文字「B」を所定位置の再帰性反射シート32bに投影するCGHはSLM14に表示される。このCGHは、数式(7)又は数式(8)において、タブレット型端末装置11から入力された文字「A」のZnを所定値aとし、タブレット型端末装置11から入力された文字「B」のZnを所定値bとして、まとめて1度に計算される。計算された1枚のCGHをSLM14に表示することで、文字「A」及び文字「B」は、それぞれの所定位置a,bに同時に投影できる。
1 is projected onto the
以上の説明では、SLM14として反射型のものを用いていたが、透過型のSLMであってもよく、タブレット型端末装置11からPC12に所定像を入力していたが、直接PC12に所定像を入力してもよい。また、PC12で計算した計算機合成ホログラムをSLM14に表示していたが、フィルムにホログラムの干渉縞を印刷したものであってもよい。更に、SLM14にレーザ光を照射していたが、発光ダイオード(LED)の光を照射してもよい。
In the above description, a reflective SLM was used as the
以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described in detail below, but the scope of the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
図1(a)に示すヘッドアップディスプレイ装置10の投影部10bでは、鏡24及び長方形の第2ハーフミラー30の傾斜角を45°とし、第2ハーフミラー30の一面側(傾斜面側)の所定高さに、図7に示すように長方形の第2ハーフミラー30の左右方向に並列状に再帰性反射シート32a,32bの各々を水平に配置した。再帰性反射シート32a,32bは、3M Company製スコッチライト反射布8910を用い、各再帰性反射光射出面である投影面は第2ハーフミラー30の傾斜面に向いている。再帰性反射シート32aの投影面の第2ハーフミラー30の傾斜面からの高さ(図1(a)にFaで示す)は100cmであり、再帰性反射シート32bの投影面の第2ハーフミラー30の傾斜面からの高さ(図1(a)にFbで示す)は70cmである。
このような投影部10bに向けて、ホログラフィックプロジェクタ部10aのタブレット型端末装置11からPC12に文字「A」,「B」及び各文字の投影位置データを入力した。その入力されたデータにより数式(8)により1枚のCGHが計算されてSLM14に表示される。これにより、文字「A」が再帰性反射シート32aの投影面に、文字「B」が再帰性反射シート32bの投影面に同時に投影されることが可能となった。数式(8)を計算する際の疑似コードは図13であり、そのフローチャートは図14であった。
このように文字「A」,「B」に関するCGHが表示されているSLM14に、レーザ光射出部16から射出したグリーンレーザ光(波長532nm)を対物レンズ18及び平凸レンズ20を通して平行光とした光を照射し、SLM14に表示された文字「A」,「B」についての干渉情報に基づいて回折された回折光を、第1ハーフミラー22を透過して、図1(a)に示す投影部10bに射出した。
投影部10bに入射した回折光は、鏡24と第2ハーフミラー30とを通過して、図7に示すように再帰性反射シート32a,32bの投影面を照射し、再帰性反射シート32aの投影面に文字「A」が投影されており、再帰性反射シート32bの投影面に文字「B」が同時に投影されていた。
更に、第2ハーフミラー30の傾斜面側から見ると、図7に示すように第2ハーフミラー30の他面側に虚像aである文字「A」と、虚像bである文字「B」とが明瞭に見え、虚像aの文字「A」が虚像bの文字「B」よりも奥側に見えた。
(Example 1)
In the
The characters "A" and "B" and projection position data of each character were input from the
Green laser light (wavelength: 532 nm) emitted from the laser
The diffracted light incident on the
Furthermore, when viewed from the inclined surface side of the
(比較例1)
実施例1において、再帰性反射シート32a,32bに代えて鏡を用いたところ、各鏡の反射面には対応する文字が投影されているものの、第2ハーフミラー30の傾斜面側から見ると、虚像は全く見えなかった。
また、再帰性反射シート32a,32bに代えて黒紙を用いたところ、各黒紙の照射面には対応する文字が投影されているものの、第2ハーフミラー30の傾斜面側から見ると、虚像は不鮮明であった。この黒紙を白紙に代えても、各白紙の照射面には対応する文字が投影されているものの、第2ハーフミラー30の傾斜面側から見ると、虚像は不鮮明であった。
(Comparative example 1)
When mirrors are used in place of the
Also, when black paper is used instead of the
(実施例2)
図1に示すPC12のCGH計算部17を、CPU又はGPU内に設け、振幅ホログラムのCGHの計算式の違いによるCGH作成速度を物体点の点数を変更して測定した。その結果を下記表1に示す。
振幅ホログラムの計算式
上記数式(4)[疑似コード:図15(a)]
上記数式(7)[疑似コード:図10]
CGH計算部17
CPU:INTEL Corporation 製のCore(商標)i7-8700K
GPU:NVIDIA Corporation 製のGeForce RTX(商標)3080
(Example 2)
The
Calculation formula for amplitude hologram Equation (4) above [pseudocode: FIG. 15(a)]
Equation (7) above [pseudocode: FIG. 10]
CPU: Core (trademark) i7-8700K manufactured by INTEL Corporation
GPU: GeForce RTX™ 3080 from NVIDIA Corporation
ここで、数式(4)の計算をCPUで行う際、cos関数の計算負荷が大きくなるため、0~2πの1周期において256等分にサンプリングし、サンプリングしたcos関数の値域-1~+1を8ビットの-127~127の整数値としたcosテーブルを用いて計算高速化した。また、コンパイラとしてIntel C++ compiler classic Version 2021.2.0 (オプション: -O3 -xCORE-AVX2 -qopenmp) を用い、OpenMPのスレッド数を12とした。
Here, when the calculation of formula (4) is performed by the CPU, the calculation load of the cos function becomes large. A cos table with 8-bit integer values from -127 to 127 was used to speed up the calculation. Also, Intel C++ compiler classic Version 2021.2.0 (option: -O3 -xCORE-AVX2 -qopenmp) was used as a compiler, and the number of OpenMP threads was set to 12.
(実施例3)
図1に示すPC12のCGH計算部17をCPU又はGPU内に設け、位相ホログラムのCGHの計算式の違いによるCGH作成速度を物体点の点数を変更して測定した。その結果を下記表2に示す。
位相ホログラムの計算式
上記数式(6)[疑似コード:図15(b)]
上記数式(8)[疑似コード:図13]
CGH計算部17
CPU:INTEL Corporation 製のCore(商標)i7-8700K
GPU:NVIDIA Corporation 製のGeForce RTX(商標)3080
(Example 3)
The
Calculation formula for phase hologram Equation (6) above [pseudocode: FIG. 15(b)]
Equation (8) above [pseudocode: FIG. 13]
CPU: Core (trademark) i7-8700K manufactured by INTEL Corporation
GPU: GeForce RTX™ 3080 from NVIDIA Corporation
ここで、数式(6)の計算をCPUで行う際、cos及びsin関数の計算負荷が大きくなるため、0~2πの1周期において256等分にサンプリングし、サンプリングしたcos及びsin関数の値域-1~+1を8ビットの-127~127の整数値としたcos及びsinテーブルを用いて計算高速化した。また、コンパイラとしてIntel C++ compiler classic Version 2021.2.0 (オプション: -O3 -xCORE-AVX2 -qopenmp) を用い、OpenMPのスレッド数を12とした。
Here, when the calculation of formula (6) is performed by the CPU, the calculation load of the cosine and sin functions becomes large. Calculation speed was increased using cos and sin tables in which 1 to +1 are integer values of -127 to 127 of 8 bits. In addition, Intel C++ compiler classic Version 2021.2.0 (options: -O3 -xCORE-AVX2 -qopenmp) was used as the compiler, and the number of OpenMP threads was set to 12.
本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置は、案内用ヘッドアップディスプレイ、空中メッセージボード、ショーウインドやデジタルサイネージに用いることができる。 The head-up display device according to the present invention can be used for guidance head-up displays, aerial message boards, show windows, and digital signage.
10:ヘッドアップディスプレイ装置、10a:ホログラフィックプロジェクタ部、10b:投影部、11:タブレット型端末装置、12:パーソナルコンピュータ(PC)、14:空間光変調器(SLM)、15:平行光射出部、16:レーザ光射出部、17:CGH計算部、17a:位置座標データ記憶部、17b:CGHのx方向の三角関数テーブル、17c:CGHのy方向の三角関数テーブル、17d:振幅ホログラム計算部、17e:振幅ホログラムデータ記憶部、17f:虚部・実部計算部、17g:虚部・実部データ記憶部、17h:位相ホログラム計算部、17i:位相ホログラムデータ記憶部、18:対物レンズ、20:平凸レンズ、22:第1ハーフミラー、24,34:鏡、30:第2ハーフミラー、31:遮光板、32a,32b:再帰性反射シート、32a′:再帰性反射シート32aの移動位置、32b′:再帰性反射シート32bの移動位置、33a:反射シート、33b:ガラスビーズ、33c:透明樹脂層、Fa,Fb:高さ、Fa′,Fb′:奥行き、F,f:矢印、b′:再帰性反射シート32bが位置32b′に移動したとき、虚像bが見える位置、W:CGHの横のピクセル数、H:CGHの縦のピクセル数、xh:ホログラム上のピクセルのx方向の位置座標、yh:ホログラム上のピクセルのy方向の位置座標、Δx:x方向のピクセルの大きさ、Δy:y方向のピクセルの大きさ、P(xn,yn,zn):三次元物体のn番目の物体点Pの位置座標 10: Head-up display device, 10a: Holographic projector section, 10b: Projection section, 11: Tablet type terminal device, 12: Personal computer (PC), 14: Spatial light modulator (SLM), 15: Parallel light emission section , 16: Laser beam emitting unit, 17: CGH calculation unit, 17a: Position coordinate data storage unit, 17b: CGH x-direction trigonometric function table, 17c: CGH y-direction trigonometric function table, 17d: Amplitude hologram calculation unit , 17e: amplitude hologram data storage unit, 17f: imaginary/real part calculation unit, 17g: imaginary/real part data storage unit, 17h: phase hologram calculation unit, 17i: phase hologram data storage unit, 18: objective lens, 20: planoconvex lens, 22: first half mirror, 24, 34: mirror, 30: second half mirror, 31: light blocking plate, 32a, 32b: retroreflective sheet, 32a': movement position of retroreflective sheet 32a , 32b': movement position of the retroreflective sheet 32b, 33a: reflective sheet, 33b: glass beads, 33c: transparent resin layer, Fa, Fb: height, Fa', Fb': depth, F, f: arrow, b': the position where the virtual image b can be seen when the retroreflective sheet 32b is moved to the position 32b', W: the number of horizontal pixels of the CGH, H : the number of vertical pixels of the CGH, xh: x of the pixel on the hologram. Directional position coordinates, y h : y-direction position coordinates of pixels on the hologram, Δ x : x-direction pixel size, Δ y : y-direction pixel size, P(x n , y n , z n ): position coordinates of the n-th object point P of the 3D object
Claims (7)
傾斜して設置され、前記回折光が照射されて透過するハーフミラーと、
前記ハーフミラーの一面側から所定距離離れた位置であって、前記ハーフミラーを透過した前記回折光が照射されて前記所定像の各々に対応する投影像が投影される前記所定位置に配置された、一枚の再帰性反射素子又は互いに重なる部分なく配置された複数枚の再帰性反射素子とから構成され、
前記再帰性反射素子は、その再帰性反射光射出面から射出された前記投影像の再帰性反射光が前記ハーフミラーで反射し、前記ハーフミラーの他面側に虚像として見えるように、前記再帰性反射光射出面が前記ハーフミラーの一面側に向いて設置され、
前記一枚の再帰性反射素子又は前記複数枚の再帰性反射素子のうち少なくとも一枚の再帰性反射素子は、対応する前記所定像の投影位置に移動可能に設けられ、
或いは前記複数枚の再帰性反射素子の全部又は移動可能に設けられた前記再帰性反射素子を除く残余の再帰性反射素子の各々は、対応する前記所定像の投影位置に配置されていることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。 a holographic projector unit that irradiates parallel light onto a hologram created so that each of a plurality of predetermined images is projected at different predetermined positions, and emits diffracted light that is diffracted based on interference information of the hologram;
a half mirror installed at an angle and through which the diffracted light is irradiated and transmitted;
The diffracted light transmitted through the half mirror is applied at a predetermined distance from one surface side of the half mirror, and the projection image corresponding to each of the predetermined images is projected at the predetermined position. , Consists of a single retroreflective element or a plurality of retroreflective elements arranged without overlapping portions,
The retroreflective element is configured so that the retroreflected light of the projected image emitted from the retroreflected light exit surface thereof is reflected by the half mirror and appears as a virtual image on the other side of the half mirror. The light emitting surface of the reflective light is installed facing one side of the half mirror,
At least one retroreflective element out of the one retroreflective element or the plurality of retroreflective elements is provided movably to the projection position of the corresponding predetermined image,
Alternatively, all of the plurality of retroreflective elements or each of the remaining retroreflective elements excluding the movably provided retroreflective elements are arranged at the projection positions of the corresponding predetermined images. A head-up display device characterized by:
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021107810 | 2021-06-29 | ||
JP2021107810 | 2021-06-29 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2023008930A true JP2023008930A (en) | 2023-01-19 |
Family
ID=85112091
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022104901A Pending JP2023008930A (en) | 2021-06-29 | 2022-06-29 | head-up display device |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2023008930A (en) |
-
2022
- 2022-06-29 JP JP2022104901A patent/JP2023008930A/en active Pending
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