JP2023069840A - 虚像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】二重像の発生、および輝度ムラの発生を抑制することができる虚像表示装置を提供する。【解決手段】HUD装置100は、PGU10が二重像の発生が軽減される位置に位置決めされる。これによって二重像の発生を抑制することができる。さらに光源部21が輝度ムラの少ない位置に位置決めされる。これによって輝度ムラの発生を抑制することができる。PGU10の位置決めおよび光源部21の位置決めによって、二重像の発生、および輝度ムラの発生を抑制することができる。【選択図】図2
Description
この明細書における開示は、虚像を表示する虚像表示装置に関する。
近年、車両用表示装置としてヘッドアップディスプレイ装置(以下、HUD装置ということがある)が用いられることがある。HUD装置は、画像表示光を車両のウインドシールドに投射し、画像表示光に基づく虚像を車外の風景に重畳して表示する。ウインドシールドには車内側と車外側の二つの界面があるため、それぞれの界面にて反射して視認される画像表示光がずれて重畳され、二重像に見えてしまうことがある。
このような二重像の発生を抑制するため、特許文献1に記載の虚像表示装置では、表示部と凹面鏡の間に凸レンズを挿入している。凸レンズを挿入することによって、メリディオナル(meridional)面内焦点に表示部を配置して、運転者に向かう2つの光路を一致させて、二重像の発生を抑制している。
前述の特許文献1に記載の虚像表示装置では、縦方向と横方向の光学倍率が大きく異なるので、表示部から凹面鏡が光を取り込む際の入射瞳が方向によって異なる。入射瞳が異なるので、輝度ムラが発生するおそれがある。
そこで、開示される目的は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、二重像の発生、および輝度ムラの発生を抑制することができる虚像表示装置を提供することを目的とする。
本開示は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。
ここに開示された虚像表示装置は、投影部材(202)へ画像を投影することにより、視認者によって視認可能に画像を虚像表示する虚像表示装置(100)であって、入射した光を投影部材に導く凹面鏡(12)と、凹面鏡に対して画像の表示光を出射する出射部(10)と、出射部を凹面鏡に対して変位させて、出射部を位置決めする第1駆動部(11)と、第1駆動部による位置決めを制御する第1位置制御部(14)と、出射部は、光を出射する光源部(21)と、光源部から出射された光を集光する集光部(22)と、集光部が集光した光が入射し、入射した光を、画像を表示するための表示光に変換する表示部(23)と、光源部を、集光部に対して変位させて、光源部を位置決めする第2駆動部(24)と、第2駆動部による位置決めを制御する第2位置制御部(14)と、を含む虚像表示装置である。
このような虚像表示装置に従えば、出射部を二重像の発生が軽減される位置に位置決めすることができる。これによって二重像の発生を抑制することができる。さらに光源部を輝度ムラの少ない位置に位置決めすることができる。これによって輝度ムラの発生を抑制することができる。出射部の位置決めおよび光源部の位置決めによって、二重像の発生、および輝度ムラの発生を抑制することができる。
なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
(第1実施形態)
本開示の第1実施形態に関して、図1~図4を用いて説明する。第1実施形態のHUD装置100は、移動体の一種である車両200に搭載され、インストルメントパネル201内に収容されている。HUD装置100は、車両200の投影部材としてのウインドシールド202へ画像を投影する。これにより、HUD装置100は、視認者である乗員によって視認可能に画像を虚像表示する虚像表示装置として機能する。
本開示の第1実施形態に関して、図1~図4を用いて説明する。第1実施形態のHUD装置100は、移動体の一種である車両200に搭載され、インストルメントパネル201内に収容されている。HUD装置100は、車両200の投影部材としてのウインドシールド202へ画像を投影する。これにより、HUD装置100は、視認者である乗員によって視認可能に画像を虚像表示する虚像表示装置として機能する。
ウインドシールド202に反射される画像の表示光が、車両200の室内に設定された視認領域EBに到達することにより、視認領域EB内にアイポイントEPが位置する乗員が表示光を虚像300として知覚する。これによって乗員は、虚像300として表示される各種情報を認識することができる。虚像300として表示される各種情報としては、例えば車速、燃料残量等の車両状態値、また、道路情報、視界補助情報等の車両情報が挙げられる。
車両200のウインドシールド202は、透光性のガラスないしは合成樹脂により板状に形成されている。ウインドシールド202は、表示光が投影される投影面203を滑らかな凹面状又は平面状に形成している。
視認領域EBは、HUD装置100により表示される虚像300が視認可能となる空間領域である。典型的には、視認領域EBは、車両200に設定されたアイリプスと重なるように設けられる。アイリプスは、乗員としての運転者のアイポイントEPの分布を統計的に表したアイレンジに基づいて、設定されている。
次に、HUD装置100の具体的構成に関して説明する。HUD装置100は、図1および図2に示すように、PGU(Picture Generation Unit)10、PGU駆動部11、凹面鏡12、凹面鏡駆動部13および制御部14を備える。PGU10、PGU駆動部11、凹面鏡12および凹面鏡駆動部13および制御部14は、HUD装置100のハウジング15に収容されている。
PGU10は、出射部であって、凹面鏡12に対して画像の表示光を出射する。PGU駆動部11は、第1駆動部であって、PGU10を凹面鏡12に対して変位させて、PGU10を位置決めする。PGU駆動部11は、表示光の光軸、および光軸に互いに直交する2つの軸に沿ってPGU10をスライド変位させる。したがってPGU10は、互いに直交する3軸に沿ってスライド変位可能である。換言すると、光軸に沿った方向を前後方向とすると左右方向および上下方向に変位可能である。
PGU駆動部11は、たとえば複数のモータ、複数のラックおよびピニオンを含んで構成される。モータは、電力を用いて駆動力を発生する駆動源として機能する。ラックは、長手状の部材であり、PGU10などが固定される。モータの回転軸には、ラックと噛合するピニオンが設けられている。モータに電力が供給されて回転軸が回転駆動することで回転軸とともにピニオンが回転し、ピニオンに噛合しているラックがスライド変位する。ラックがスライド変位する方向は、モータの回転軸の回転方向を切り替えることで制御することができる。ラックの一端部はPGU10などに固定されているので、モータの回転軸が回転することで、PGU10がラックに沿ってスライド変位することになる。3つのラックを3軸に沿わせて、各ラックを互いに組み合わせることで、PGU10の3軸への移動が可能となる。
まず、PGU10に関して説明する。PGU10は、図2に示すように、光源部21、集光部22、表示部23および光源駆動部24を有し、例えば箱状のケーシング25にこれらを収容して形成されている。
光源部21は、集光部22に向けて光を出射する。光源部21は、例えば複数の発光素子の配列により構成されている。本実施形態における発光素子は、光源用回路基板上に配置され、電源と接続されている発光ダイオード素子である。各発光素子は、通電により電流量に応じた発光量で光を発する。より詳細には、各発光素子では、例えば青色発光ダイオードを蛍光体で覆うことにより、疑似白色での発光が実現されている。本実施形態では、発光素子は3つ設けられている。
集光部22は、光源部21から出射された光を集光する。集光部22は、集光した光を表示部23に導く。集光部22は、本実施形態ではコンデンサレンズ31およびフィールドレンズ32を含んで構成される。コンデンサレンズ31およびフィールドレンズ32は、光源部21と表示部23との間に配置されている。具体的には、コンデンサレンズ31は、光源部21側に配置され、フィールドレンズ32は表示部23側に配置される。
コンデンサレンズ31は、例えば合成樹脂ないしはガラス等により透光性を有して形成されている。コンデンサレンズ31は、複数の凸レンズ素子が発光素子の数および配置に合わせて配列されたレンズアレイとなっている。コンデンサレンズ31は、光源部21から入射した光を集光してフィールドレンズ32へ射出する。
フィールドレンズ32は、コンデンサレンズ31と表示部23との間に配置され、例えば合成樹脂ないしはガラス等により透光性を有して形成されている。フィールドレンズ32は、平板状に形成されたフレネルレンズとなっている。フィールドレンズ32は、コンデンサレンズ31側から入射した光をさらに集光して表示部23へ向けて射出する。
表示部23は、集光部22が集光した光が入射し、入射した光を、画像を表示するための表示光に変換する。表示部23は、本実施形態では液晶パネルによって実現される。液晶パネルは、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor、TFT)を用いた液晶パネルであって、例えば2方向に配列された複数の液晶画素から形成されたアクティブマトリクス型の液晶パネルである。
液晶パネルでは、一対の直線偏光板および一対の直線偏光板に挟まれた液晶層等が積層されている。各直線偏光板は、偏光方向が導光軸に沿った光を導光すると共に、偏光方向が遮光軸に沿った光を遮光する性質を有する。一対の直線偏光板は、導光軸を互いに実質直交して配置されている。液晶層は、液晶画素毎の電圧印加により、印加電圧に応じて液晶層に入射する光の偏光方向を回転させることが可能となっている。
液晶パネルは、コンデンサレンズ31側からの光の入射により、液晶画素毎の光の透過率を制御して、表示面から射出される表示光によって画像を形成する。隣り合う液晶画素には、互いに異なる色、例えば、赤、緑、および青のカラーフィルタが設けられており、これらの組み合わせに様々な色が実現されるようになっている。
こうした表示部23により、PGU10は、画像の表示光を凹面鏡12に向けて投射する。PGU10から投射された表示光は、凹面鏡12が形成している光路を経て、ウインドシールド202へと導光される。
光源駆動部24は、第2駆動部であって、光源部21を、集光部22に対して変位させて、光源部21を位置決めする。光源駆動部24は、コンデンサレンズ31の入射面と、光源部21の出射面との距離を光軸に沿ってスライド変位させる。光源駆動部24は、たとえばモータ、ラックおよびピニオンを含んで構成される。モータは、電力を用いて駆動力を発生する駆動源として機能する。ラックは、長手状の部材であり、光源部21が固定される。モータの回転軸には、ラックと噛合するピニオンが設けられている。モータに電力が供給されて回転軸が回転駆動することで回転軸とともにピニオンが回転し、ピニオンに噛合しているラックがスライド変位する。ラックがスライド変位する方向は、モータの回転軸の回転方向を切り替えることで制御することができる。ラックの一端部は光源部21に固定されているので、モータの回転軸が回転することで、光源部21がスライド変位することになる。
凹面鏡12は、入射した表示光を反射してウインドシールド202に導光する。凹面鏡12は、例えば合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に、反射導光面としてアルミニウム等の金属を蒸着させること等により形成されている。反射導光面は、中心が凹む凹状に湾曲することで、滑らかな凹面状に形成されている。凹面鏡12に入射した表示光は、反射導光面により、ウインドシールド202へ向けて反射されるようになっている。
凹面鏡駆動部13は、第3駆動部であって、凹面鏡12を角変位させてウインドシールド202における画像の投影位置を位置決めする。凹面鏡駆動部13は、モータと、モータに連結されて回転する連結軸16を含む。凹面鏡12は、連結軸16に固定されている。凹面鏡駆動部13は、モータを駆動することで、連結軸16を回転させて、反射導光面の向き変更する。これによって虚像300の位置を乗員の座高等に合わせて上下移動させることができるようになっている。
制御部14は、PGU10、PGU駆動部11および凹面鏡駆動部13を統合制御するHUD装置100の制御回路である。制御部14は、記憶媒体に記憶されているプログラムを実行し、各部を制御する。制御部14は、少なくとも1つの演算処理装置(CPU)と、プログラムとデータとを記憶する記憶媒体とを有する。制御部14は、たとえばコンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を備えるマイクロコンピュータによって実現される。記憶媒体は、コンピュータによって読み取り可能なプログラムおよびデータを非一時的に格納する非遷移的実体的記憶媒体である。記憶媒体は、半導体メモリまたは磁気ディスクなどによって実現される。制御部14は、表示部23、光源部21、PGU駆動部11、光源駆動部24および凹面鏡駆動部13を駆動するための駆動回路がさらに設けられている。
制御部14は、第1位置制御部として機能し、PGU駆動部11による位置決めを制御する。また制御部14は、第2位置制御部として機能し、光源駆動部24による位置決めを制御する。さらに制御部14は、第3位置制御部として機能し、凹面鏡駆動部13による位置決めを制御する。
次に、制御部14の位置決め処理に関して、図3および図4を用いて説明する。図3に示すフローチャートは、たとえば車両200の製造工程において、HUD装置100を設置するときに実行される。
ステップS1では、PGU10の位置決めを実施し、ステップS2に移る。ステップS1では、ウインドシールド202において二重像の発生が軽減される軽減範囲内にPGU10を配置するようにPGU駆動部11を制御する。たとえば設置者が調整して、目視で二重像が消えるまたは二重像が軽減される軽減範囲内に配置する。また設置用のカメラを運転席に設置して、カメラが画像を撮像して、軽減範囲内に配置するようにPGU駆動部11を制御する。
ステップS2では、光源部21の位置決めを実施し、本フローを終了する。ステップS2では、ウインドシールド202に投影された画像の輝度ムラがない、または輝度ムラが少ない均等範囲内に光源部21を配置するように光源駆動部24を制御する。たとえば設置者が調整して、目視で均等範囲内に配置する。また設置用のカメラを運転席に設置して、カメラが画像を撮像して、輝度ムラが均等範囲内に配置するように光源駆動部24を制御する。このように制御部14は、PGU10の位置決め後に、光源部21の位置決めを行う。
次に、制御部14の他の位置決め処理に関して図4を用いて説明する。図4に示すフローチャートは、HUD装置100の電源投入状態において、繰り返し実行される。
ステップS1では、凹面鏡12の位置が変更されたか否かを判断し、変更された場合には、ステップS2に移り、変更されてない場合には、本フローを終了する。凹面鏡12の位置の変更は、たとえば乗員が凹面鏡12の角度位置を変更して、画像の位置を変更したいときに行われる。
ステップS2では、PGU10の位置決めを実施し、ステップS2に移る。ステップS2では、凹面鏡12の角度位置が変わるので、ウインドシールド202において軽減範囲内にPGU10を配置するようにPGU駆動部11を制御する。たとえば凹面鏡12の角度位置に関連付けて記憶されるPGU10の軽減範囲内に配置するようにPGU駆動部11を制御する。製造時などに、凹面鏡12の各角度位置に対応するPGU10の軽減範囲を検出しておき、そのデータを制御部14の記憶媒体が記憶しておくことで、凹面鏡12の角度位置に対応するPGU10の位置にいわば自動で位置決めすることができる。
ステップS3では、光源部21の位置決めを実施し、本フローを終了する。ステップS3では、均等範囲内に光源部21を配置するように光源駆動部24を制御する。たとえば凹面鏡12の角度位置に関連付けて記憶される光源部21の均等範囲内に光源部21を配置するように光源駆動部24を制御する。製造時などに、凹面鏡12の各角度位置に対応する光源部21の均等範囲を検出しておき、そのデータを制御部14の記憶媒体が記憶しておくことで、凹面鏡12の角度位置に対応する光源部21の位置にいわば自動で位置決めすることができる。
以上説明したように本実施形態のHUD装置100は、PGU10が二重像の発生が軽減される位置に位置決めされる。これによって二重像の発生を抑制することができる。さらに光源部21が輝度ムラの少ない位置に位置決めされる。これによって輝度ムラの発生を抑制することができる。PGU10の位置決めおよび光源部21の位置決めによって、二重像の発生、および輝度ムラの発生を抑制することができる。
凹面鏡12では縦方向と横方向倍率が大きく異なるため、凹面鏡12が表示光を取り込む際の入射瞳が縦方向と横方向とによって異なる。具体的には液晶パネルから光源部21側方向にメリディオナル断面の入射瞳が配置され、さらにそこから遠方にサジタル断面の入射瞳が配置される。これによって凹面鏡12に対しては結像関係が良好に保てず、画像の輝度ムラおよび視線移動時の輝度ムラが発生する。
そこで本実施形態では、前述のように二重像が理想的に消滅される軽減範囲内の位置にPGU10を位置調整するPGU駆動部11を設ける。さらに、光源像の結像位置が液晶パネルに近く、わずかな光源結像位置の変化に対して液晶パネルを照明する光線角度が変化してしまうので、光源部21から光を集光するコンデンサレンズ31と光源部21との間の距離を調節する光源駆動部24を設ける。これによって本実施形態では、凹面鏡12の縦倍率と横倍率の違いが原因で発生する輝度ムラを補正し、さらに二重像の発生を抑制することができる。
また本実施形態では、制御部14は、凹面鏡駆動部13による投影位置の位置決め後に、PGU10の位置決め制御を実施する。これによって凹面鏡12の角度位置が変更された場合でも、PGU10の位置決めおよび光源部21の位置決めによって、二重像の発生、および輝度ムラの発生を抑制することができる。
換言すると、凹面鏡12が回転したときは、PGU10全体が駆動して二重像を消す、または二重像の発生が軽減される軽減範囲内にPGU10を位置決めする。凹面鏡12が回転するとウインドシールド202の反射点が変化するので、焦点位置が変化する。そこで、PGU10を変位させて二重像が消える条件を満足するように位置決めする。
(その他の実施形態)
以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は前述した実施形態に何ら制限されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は前述した実施形態に何ら制限されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
前述の実施形態の構造は、あくまで例示であって、本開示の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本開示の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
前述の第1実施形態では、投影部材は、車両200と一体となっているウインドシールド202であったが、車両200と別体であってもよい。投影部材として、車両200と別体となっているコンバイナを車両200内に設置して、コンバイナに画像を投影するものであってもよい。また、HUD装置100自体が、投影部材としてのコンバイナを備えていてもよい。
前述の第1実施形態において、HUD装置100の制御部14によって実現されていた機能は、前述のものとは異なるハードウェアおよびソフトウェア、またはこれらの組み合わせによって実現してもよい。制御部14は、たとえば他の制御装置と通信し、他の制御装置が処理の一部または全部を実行してもよい。制御部14が電子回路によって実現される場合、それは多数の論理回路を含むデジタル回路、またはアナログ回路によって実現することができる。
前述の第1実施形態では、HUD装置100は車両200で用いられているが、車両200に搭載された状態に限定されるものではなく、少なくとも一部が車両200に搭載されていなくてもよい。また車両200以外の船舶ないしは飛行機等の各種移動体および輸送機器に、HUD装置100を用いてもよい。
10…PGU(出射部) 11…PGU駆動部(第1駆動部) 12…凹面鏡
13…凹面鏡駆動部(第3駆動部) 14…制御部(第1位置制御部,第2位置制御部)
15…ハウジング 16…連結軸 21…光源部 22…集光部 23…表示部
24…光源駆動部(第2駆動部) 25…ケーシング 31…コンデンサレンズ
32…フィールドレンズ 100…HUD装置(虚像表示装置) 200…車両
201…インストルメントパネル 202…ウインドシールド(投影部材)
203…投影面 300…虚像 EB…視認領域 EP…アイポイント
13…凹面鏡駆動部(第3駆動部) 14…制御部(第1位置制御部,第2位置制御部)
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203…投影面 300…虚像 EB…視認領域 EP…アイポイント
Claims (3)
- 投影部材(202)へ画像を投影することにより、視認者によって視認可能に前記画像を虚像表示する虚像表示装置(100)であって、
入射した光を前記投影部材に導く凹面鏡(12)と、
前記凹面鏡に対して前記画像の表示光を出射する出射部(10)と、
前記出射部を前記凹面鏡に対して変位させて、前記出射部を位置決めする第1駆動部(11)と、
前記第1駆動部による位置決めを制御する第1位置制御部(14)と、
前記出射部は、
光を出射する光源部(21)と、
前記光源部から出射された光を集光する集光部(22)と、
前記集光部が集光した光が入射し、入射した光を、前記画像を表示するための表示光に変換する表示部(23)と、
前記光源部を、前記集光部に対して変位させて、前記光源部を位置決めする第2駆動部(24)と、
前記第2駆動部による位置決めを制御する第2位置制御部(14)と、を含む虚像表示装置。 - 前記凹面鏡を角変位させて前記投影部材における前記画像の投影位置を位置決めする第3駆動部(13)をさらに含み、
前記第1位置制御部は、前記第3駆動部による前記投影位置の位置決め後に、前記第1駆動部の位置決め制御を実施する請求項1に記載の虚像表示装置。 - 前記集光部は、最も前記光源部側に設けられるコンデンサレンズ(31)を含み、
前記第2駆動部は、前記コンデンサレンズの入射面と前記光源部の出射面との距離を光軸に沿って変位させて、前記光源部を位置決めする請求項1または2に記載の虚像表示装置。
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JP2021182008A Pending JP2023069840A (ja) | 2021-11-08 | 2021-11-08 | 虚像表示装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2023069840A (ja) |
-
2021
- 2021-11-08 JP JP2021182008A patent/JP2023069840A/ja active Pending
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