JP2024094704A - 表示装置、虚像表示装置及び移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】プリズムを備えながらも、製造性を向上した表示装置、虚像表示装置及び移動体を提供する。【解決手段】表示装置Ｄは、表示光Ｌを出射する表示面２１を有し、表示面２１に対して非垂直な出射方向へ中心表示光を出射する表示器２０と、表示面２１上に設けられ、表示光Ｌを入射する入射面４０ｉと表示光Ｌを出射する出射面４０ｏとを有し、出射方向に向かって厚みを増すプリズムとを備え、プリズム４０は、出射面４０ｏの頂点が入射面４０ｉの直上領域に対して出射方向側に逸脱して位置する。【選択図】図４

Description

本発明は、表示装置、虚像表示装置及び移動体に関する。

特許文献１には、従来の表示装置、虚像表示装置及び移動体の構成が開示されている。特許文献１の段落００２６や図７等には、移動体（車両）に備わるヘッドアップディスプレイ（１００）として虚像表示装置が開示されており、特に虚像表示装置には液晶表示装置（１１）として表示装置が備わる。

国際公開２０１５－９３２９４号

特に、液晶表示装置（１１）は、三角プリズム（４１，４２）を設ける。このような表示装置の表示面上にプリズムを設ける構成は、設けない構成と比較して構成が複雑になり、製造工程を複雑にし、製造上の困難性を増大していた。

そこで本発明の目的とするところは、上述課題に着目し、プリズムを備えながらも、製造性を向上した表示装置、虚像表示装置及び移動体を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る表示装置は、
表示光を出射する表示面を有し、前記表示面に対して非垂直な出射方向へ中心表示光を出射するディスプレイと、
前記表示面上に設けられ、前記表示光を入射する入射面と前記表示光を出射する出射面とを有し、前記出射方向に向かって厚みを増すプリズムとを備え、
前記プリズムは、前記出射面の頂点が前記入射面の直上領域に対して前記出射方向側に逸脱して位置する。

上記目的を達成するため、本発明に係る表示装置は、当該表示装置を備え、前記表示光を被投射部材へ投射することで虚像を表示する。

上記目的を達成するため、本発明に係る移動体は、当該虚像表示装置を備え、前記被投射部材としてのウインドシールドまたはコンバイナを更に備える。

本開示の実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の概略図である。 本開示の実施形態に係る実風景に重なる虚像を示す図である。 本開示の実施形態に係るプリズム及び表示器の斜視図である。 本開示の実施形態に係るプリズム及び表示器の側面図である。 本開示の実施形態に係るプリズムの側面図である。 本開示の変形例に係るプリズム及び表示器の側面図である。 本開示の変形例に係るプリズムの側面図である。 本開示の変形例に係るプリズムの側面図である。

本開示の第１の実施形態に係る表示装置、虚像表示装置及び移動体について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１００（虚像表示装置の一例）は、車両２００（移動体の一例）のダッシュボードに搭載されている。ヘッドアップディスプレイ装置１００は、表示光Ｌを被投射部材の一例であるウインドシールド２０１に投射することにより、車両情報を含む虚像Ｖ１を表示する。視認者１の視点ＥＰが可視領域Ｒ内にあるときに、視認者１が虚像Ｖ１を視認可能となる。虚像Ｖ１は虚像表示仮想領域Ｋ１内に表示される。虚像表示仮想領域Ｋ１は、実体のない平面または曲面で形成される。

図２に示すように、虚像表示仮想領域Ｋ１は、路面に沿って延びる。ここで、路面に沿うとは、虚像表示仮想領域Ｋ１が水平方向に対して±４５°未満であることを指す。本例では、虚像表示仮想領域Ｋ１は、視認者１から離れるにつれて上方向に向かうように傾斜する。

図２に示すように、虚像Ｖ１は、視認者１から見て実風景である路面に沿うように表示される。虚像Ｖ１には、路面に関連付けられた情報、例えば、経路案内矢印等の記号情報が含まれている。虚像Ｖ１には、加えて車速等の文字情報又は標識情報が含まれている。文字とは、数字、アルファベット、ひらがな、カタカナ、漢字等である。その他にも、虚像Ｖ１には、建物又は樹木等の地面に立設する構造物を示すアイコンが含まれていてもよい。

次に、ヘッドアップディスプレイ装置１００の構成について説明する。
図１に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１００は、光学リレーである凹面ミラー１２と、表示器２０と、制御部２５と、ケース３０と、プリズム４０と、を備える。なお、表示器２０とプリズム４０は、表示装置Ｄの一例としても構成される。

ケース３０は遮光性の樹脂又は金属により箱状に形成されている。ケース３０内には、凹面ミラー１２、表示器２０及びプリズム４０が収容されている。ケース３０は、ケース３０の内部空間で生成される表示光Ｌをウインドシールド２０１に向けて透過する光透過性部材からなる窓部３１を備える。

表示器２０は、画像を表す表示光Ｌを放射する表示面２１を有する。表示器２０は、液晶パネル及び照明装置を有するタイプであってもよいし、ＤＭＤ（Digital Micro mirror Device）素子等の反射型表示素子及びプロジェクタを有するタイプであってもよい。表示面２１は、車両２００の前方下側を向いている。表示面２１に表示される画像には、視認者１が視認する虚像Ｖ１の歪みを補正する歪み補正（ワーピング）が施されている。表示面２１は、表示光Ｌの光軸中心Ｌａ（表示面２１の中心と可視領域Ｒの中心とを結ぶ光線、中心表示光とも）に対して傾斜している。光軸中心Ｌａは、表示光Ｌの横断面の中心に位置する。表示光Ｌ及び光軸中心Ｌａは、表示面２１に対して非垂直な出射方向へ出射される。

制御部２５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＤＣ（Graphics Display Controller）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）等を有する。制御部２５は、外部から車速及び経路案内等の情報を取得し、これらの情報に基づき表示面２１に表示する画像を生成する。

プリズム４０は、表示面２１に設置され、表示面２１から出射された表示光Ｌが透過する。プリズム４０については後で詳述する。

図２に示すように、凹面ミラー１２は、車両の高さ方向及び幅方向に沿って凹状に湾曲する反射面１２ａを有する。凹面ミラー１２は、プリズム４０を透過した表示光Ｌをウインドシールド２０１に向けて反射する。凹面ミラー１２は、表示面２１からの表示光Ｌを拡大するようにウインドシールド２０１に向けて反射する。凹面ミラー１２の反射面１２ａは、車両２００の後方上側を向いている。凹面ミラー１２は、ウインドシールド２０１での反射による虚像の歪みを抑制する機能を有する。

次に、プリズム４０の構成について説明する。
図３、図４及び図５に示すように、プリズム４０は、屈折率ｎが空気（ｎ＝１）よりも大きい材質、例えば、ガラス又は透明光学樹脂により形成されている。透明光学樹脂には、例えばアクリル樹脂や、環状オレフィン系樹脂などが含まれる。プリズム４０は、表示面２１を覆う楔状で形成されている。本例では、表示面２１は車幅方向に長い長方形状をなし、プリズム４０は車幅方向に長い多角柱状をなす。

図４に示すように、プリズム４０は、内部に仮想ディスプレイ平面４８Ａを形成する。仮想ディスプレイ平面４８Ａとは、本来のディスプレイ平面である表示面２１の見かけ上の位置である。というのも、視点ＥＰではプリズム４０を経由した表示光Ｌを感受することで、表示面２１を視認するが、この際、プリズム４０の屈折率ｎの影響により、視認者にとっては表示面２１あたかも仮想ディスプレイ平面４８Ａに存在するように見える。例えば本実施形態では、表示面２１は、プリズム４０の形状の作用によって、仮想ディスプレイ平面４８Ａに存在するように見える。

プリズム４０は、表示面２１に対向して位置し、表示面２１からの表示光を入射する入射面４１ｉと、入射面４１ｉの反対側に位置し、入射した表示光Ｌを出射する出射面４１ｏと、を備える。入射面４１ｉは矩形平面状に形成されている。プリズム４０の入射面４１ｉはオプティカルボンディングにより表示面２１に固定されていてもよいし、プリズム４０は図示しない支持機構により支持されていてもよい。

入射面４１ｉは、表示面２１全体に亘って形成されていてもよい。しかし、本実施形態では、図４に示すように、入射面４１ｉは、表示面２１のうち使用範囲２１ｕに対応して設置される。使用範囲２１ｕは、表示面２１のうち、虚像Ｖ１を形成するために表示が行われ得る範囲を指す。使用範囲２１ｕは、表示面２１の外形と虚像Ｖ１の外形とが一致しない場合などに生じる場合がある。入射面４１ｉが使用範囲２１ｕのみに対応して形成される場合、プリズム４０の大型化を防げるので好適である。

出射面４１ｏは、表示光Ｌの出射方向に向かってプリズム４０の厚みが増すように形成される。入射面４１ｉから出射面４１ｏにかけて、どの程度の距離を表示光Ｌが進行したかに応じて、仮想ディスプレイ平面４８Ａの位置が定まる。具体的には、図４においては、プリズム４０の厚みが小さい図面内左側の部位では仮想ディスプレイ平面４８Ａと表示面２１との間の距離は、小さい。その一方、プリズム４０の厚みが大きい図面内右側の部位では仮想ディスプレイ平面４８Ａと表示面２１との間の距離は、大きい。この作用により、実際の表示面２１の角度よりも大きい角度を仮想ディスプレイ平面４８Ａに与えることで、虚像Ｖ１の傾斜をより大きくできる。虚像Ｖ１の傾斜が大きいと、視認者１は虚像Ｖ１と路面の一体感を感じやすく、視認性に優れる。このように、プリズムの作用によって表示面２１の角度を軽減することは、表示器２０の視野角性能が比較的低いもの

図５に示すように、プリズム４０は、より詳細には、面４１ｄ、頂点４１ｐ、突出部４２、を備える。

頂点４１ｐは、出射面４１ｏのうち最も入射面４１ｉの法線ベクトル成分において離間した箇所である。頂点４１ｐは、入射面４１ｉの直上領域Ｚに対して、表示光Ｌの出射方向側に逸脱して位置する。頂点４１ｐは、直上領域Ｚの外側に位置するとも言える。
このように構成される頂点４１ｐを形成するプリズムを備える表示装置は、製造を行うことが容易である。というのも、上述した特許文献１に開示されるような三角プリズムを本実施形態の表示装置に適用した場合、プリズムが肥大化してしまう。具体的には、従来のプリズム（三角プリズムなど）は、頂点部分から入射面方向に下ろした垂線に沿う面までプリズムが形成されており、この面と入射面とが直角を形成する。そのため、本実施形態のような、頂点４１ｐが入射面４１ｉの垂直領域に対して逸脱した位置に存在する場合、不必要にプリズムが肥大化してしまう。
その一方、本開示のプリズム４０のように構成されれば、入射面から外側に不必要なプリズムの肥大化を防ぐことができ、製造上のコストの低減やハンドリング性の向上の結果、製造性を向上できる。

プリズム４０は、突出部４２を備える。突出部４２は、頂点４１ｐと入射面４１ｉの端部４１ｅを接続する仮想側面４１ｖに対して、更にプリズム４０の外側（出射方向側）へ張り出した部分である。仮想側面４１ｖは、頂点４１ｐから表示光Ｌと略並行な面に沿って入射面４１ｉに向かって下ろした面であってもよい。

面４２ｃは、突出部４２の外形として、頂点４１ｐと隣接して形成される面である。例えば、面４２ｃは、頂点４１ｐを起点に下方外側に向かって大きく開く方向に形成される。面４２ｃは、出射面４１ｏとも隣接することで、両者の間に頂点角θ１を形成する。頂点角θ１は、突出部４２が無い場合に頂点４１ｐで形成される仮想角θ２よりも鈍角に形成される。仮想角θ２は、具体的には出射面４１ｏと仮想側面４１ｖとで形成される。このように形成されるプリズム４０は、比較的鋭角に形成されがちな頂点４１ｐ付近の形状を、より鈍角な形状として形成しやすくすることによって、製造時の欠けの発生を生じにくくする。製造時の欠けを発生しづらくすることで、プリズム４０、引いては表示装置の製造性の向上が達成される。

面４２ｂは、突出部の外形として、最も外側に形成される面である。面４２ｂは、入射面４１ｉに対して垂直な面である。面４２ｂと入射面４１ｉは、それぞれの延長線が仮想点Ｐｖで直角に交わる。このようにして、突出部４２に垂直面（面４２ｂ）が形成される構成は、表示装置の製造性を向上する。

具体的には、プリズム４０は、例えば表示面２１に対して接着などされることで表示面２１上に設置される。この際、プリズム４０は、接着面である入射面４１ｉに対して傾斜した出射面４１ｏを押圧されるなどして接着される。プリズム４０は、この押圧時、傾斜の作用によって、突出部４２側へずれるような力を受ける。
この時、突出部や垂直面を有さない従来のプリズムでは、頂点などが製造時の治具に接触するなどしてしまう。その一方、このように頂点より先に突出部４２や面４２ｂに接触するように構成されたプリズム４０は、例え治具に接触したとしても表示機能上重要な箇所に欠けが生じる虞を低減できる。なおかつ、垂直面である面４２ｂを有するプリズム４０は、設置時に面４２ｂを治具へあえて当接することで、位置決めを容易に行うことができる。

面４２ａは、面４２ｂと端部４１ｅとを接続するように形成された面である。

面４１ｄは、入射面４１ｉと出射面４１ｏとを接続するように形成された面である。特に、面４１ｄは、入射面４１ｉに対して垂直な垂直面として形成される。垂直面である突出部４２は、治具に当接することで、位置決めを容易に行うことができる。

面４１ｄは、突出部４２とは反対の側面に形成されている。図示はされないが、面４１ｄは、突出部４２に形成される垂直面である面４２ｂと少なくとも一部分が対向して設けられるとなお良い。互いの面が対抗して設けられると、表示装置の製造性が更に向上される。具体的には、少なくとも一部分が対向した垂直面が形成されるプリズム４０は、組み立て作業者や自動組立機により対向部分を把持されることで容易にハンドリングできるので、表示装置の製造性の向上を実現できる。

突出部４２は、上述の通りの面及び角で形成される例が示された。特に、突出部４２は、図示されるように全ての角が鈍角に形成されることが望ましい。

また、突出部４２の形状について、主に図４等の側面図に基づいて説明がなされた。しかし実際には、プリズム４０（突出部４２）は、図３に示される側面４３の周囲にも角を形成している。詳述された突出部の形状は、この側面との間では必ずしも所望の形状を達成されていなくともよい。現に、上記の実施形態では、側面４３と突出部４２との間には、直角形状を為す箇所がある。これらの箇所は、鈍角でなくともよい。すなわち、望ましいとされた突出部の各形状は、少なくとも表示面２１の法線と光軸中心Ｌａとを含む面による断面の外形で実現されるとよい。

なお、側面４３も、上記の実施形態では平面として例示されたが、曲面・傾斜面などであってもよい。側面４３の周囲に形成される角は、鈍角であることが望ましい。この構成によっても、表示装置の製造性が向上される。

（効果）
以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏する。
第一に、表示装置Ｄは、
表示光Ｌを出射する表示面２１を有し、表示面２１に対して非垂直な出射方向へ中心表示光を出射する表示器２０と、
表示面２１上に設けられ、表示光Ｌを入射する入射面４０ｉと表示光Ｌを出射する出射面４０ｏとを有し、出射方向に向かって厚みを増すプリズムとを備え、
プリズム４０は、出射面４０ｏの頂点が入射面４０ｉの直上領域に対して出射方向側に逸脱して位置する。

この構成によれば、プリズム４０の不必要な体積の肥大化を抑制でき、表示装置の製造性向上を図ることができる。

第二に、第一に示された表示装置Ｄでは
プリズム４０は、入射面４０ｉのうち出射方向側の端部４１ｅと頂点４１ｐとを結んだ仮想側面４１ｖに対して、更に出射方向側に張り出した突出部４２を形成し、
突出部４２は、面４２ａ，４２ｂ，４２ｃと角で形成され、
角のうち、頂点４１ｐで形成される頂点角θ１は、仮想側面４１ｖと出射面４１ｏとが為す仮想角θ２より鈍角である。

この構成によれば、頂点４１ｐで形成される角をより鈍角となるよう形成しやすくなり、表示装置の製造性向上を図ることができる。

第三に、第二に示した表示装置Ｄでは、
突出部４２を形成する面のうち最も出射方向側に張り出した面４２ｂは、入射面４１ｉに対して垂直な垂直面である。

この構成によれば、製造時にプリズム４０の位置決めを容易にでき、表示装置の製造性の向上を図ることができる。

第四に、第二に示した表示装置Ｄでは、
突出部４２は、頂点４１ｐから端部４１ｅにかけて、全て鈍角及び面で形成される。

この構成によれば、プリズム４０の欠けの発生を抑制でき、表示装置の製造性の向上を図ることができる。

なお、本開示は以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本開示の要旨を変更しない範囲で、適宜、変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。以下に、変形の一例を説明する。

（変形例）
表示装置は、以下に示されるような構成を採用しても良い。
例えば、図６は、図４に示される表示装置を図面左方向から視認した場合の側面図である。特に、表示装置は、プリズム４０の代わりにプリズム４０１が適用されている。

プリズム４０１は、プリズム４０と対比して、更に脚部４１ｆを備える。脚部４１ｆは、入射面４０ｉから表示面２１へ向かって突出した突出形状である。脚部４１ｆは、四隅に一つずつ点状に形成されてもよいし、プリズムの両側に１対の線状に形成されてもよいし、入射面４１ｉを取り囲むように環状または多角形状に形成されてもよい。

脚部４１ｆは、例えば表示器２０に当接する。表示器２０が、表示面２１の周囲を囲むように形成されるベゼル２１ａ（枠体）を備える場合、脚部４１ｆは、ベゼル２１ａに当接することが望ましい。ベゼル２１ａは、表示面２１へのノイズや静電気などを軽減する金属などで形成される。

脚部４１ｆは、表示面２１とプリズム４０とを接着する接着材２２の厚みを一定に保つような形状で形成される。すなわち、脚部４１ｆは、プリズム４０の表示面２１に対する相対位置を一定に保つように形成される。脚部４１ｆは、表示面２１と入射面４１ｉとの間の距離を一定に保つように形成されてもよい。

プリズムは、図７に示されるプリズム４０２であってもよい。プリズム４０２は、プリズム４０と対比して、面４２ｃが面４２ｃ２として構成される。
面４２ｃ２は、出射面４１ｏと面４２ｂを接続して形成される点では面４２ｃと共通する。その一方、面４２ｃ２は、曲面形状を為す。また、面４２ｃ２は頂点４１ｐで微分不可能な角形状で出射面４１ｏへ接続される。
この場合は、出射面４１ｏの面及び面４２ｃ２の接平面が為す頂点角θ３が、仮想角より鈍角を為すことが望ましい。

プリズムは、図８に示されるプリズム４０３であってもよい。プリズム４０３は、プリズム４０と対比して、面４２ｃが面４２ｃ３として構成される。
面４２ｃ３は、頂点４１ｐから面４２ｂにかけて、絶えず微分可能な形状で形成される曲面である。いうなれば、面４２ｃ３は、出射面４１ｏ及び面４２ｂをなめらかに繋ぐ形状を為す。
頂点角が形成されないこのような構成を採用した場合であっても、突出部が面（曲面をも含む）と鈍角で形成されていれば、表示装置の製造性は向上される。

また別の変形例として、下記のような構成が採用されてもよい。
出射面４１ｏは平面形状である例が示されたが、曲面であってもよい、
頂点４１ｐは頂点同士が連なって直線状に形成された例が示されたが、曲線状に形成されてもよい。
頂点４１ｐは必ずしも出射面４１ｏを横断するように形成されていなくともよい。
端部４１ｅは直線でなく、曲線であってもよい。
その他、特筆されなかったプリズムの部分的な形状は、適宜変更されてもよい。

上記各実施形態においては、ヘッドアップディスプレイ装置１００が車載されていたが、これに限らず、飛行機、船等の移動体に搭載されてもよい。また、被投射部材はウインドシールド２０１に限られず、専用のコンバイナであってもよい。
また、表示光Ｌは、ミラーやレンズの収斂作用によって光路内でクロスされてもよい。この場合であっても、所望の虚像の形態に対応して、適宜プリズムや表示器が構成されると本発明の効果が発揮される。
例えば、表示光Ｌが光路内において上下方向へ１回クロスする場合、クロスされない場合と比較して、プリズムや表示器は上下反転して設けられるとよい。
表示光Ｌは、表示装置と被投射部材との間で任意のミラー及びレンズを経過して投射されてもよい。任意のミラーとは、形状が平面・凹面・凸面・自由曲面であってよく、波長特性は全反射・可視光反射を示してもよい。任意のレンズとは、入射面・出射面の形状が平面・凹面・凸面・自由曲面であってよく、波長特性は全反射・可視光反射を示してもよい。

１ 視認者
１２ 凹面ミラー
１２ａ 反射面
２０ 表示器
２１ 表示面
２１ａ ベゼル（枠体の一例）
２１ｕ 使用範囲
２２ 接着材
２５ 制御部
３０ ケース
３１ 窓部
４０ プリズム
４１ｉ 入射面
４１ｏ 出射面
４１ｄ 面
４１ｅ 端部
４１ｖ 仮想側面
４１ｐ 頂点
４２ 突出部
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｃ２，４２ｃ３ 面
４３ 側面
θ１ 頂点角
θ２ 仮想角

４８Ａ 仮想ディスプレイ平面
１００ ヘッドアップディスプレイ装置 （虚像表示装置の一例）
２００ 車両 （移動体の一例）
２０１ ウインドシールド （被投射部材の一例）
Ｄ 表示装置
Ｌ 表示光
Ｌａ 光軸中心
ＥＰ 視点
Ｒ 可視領域
Ｖ１ 虚像
Ｋ１ 虚像表示仮想領域
Ｚ 直上領域

Claims (8)

1. 表示光を出射する表示面を有し、前記表示面に対して非垂直な出射方向へ中心表示光を出射する表示器と、
   前記表示面上に設けられ、前記表示光を入射する入射面と前記表示光を出射する出射面とを有し、前記出射方向に向かって厚みを増すプリズムとを備え、
   前記プリズムは、前記出射面の頂点が前記入射面の直上領域に対して前記出射方向側に逸脱して位置する
   表示装置。
2. 前記プリズムは、前記入射面のうち前記出射方向側の端部と前記頂点とを結んだ仮想側面に対して、更に前記出射方向側に膨張した突出部を形成し、
   前記突出部は、面と角で形成され、
   前記角のうち、前記頂点で形成される頂点角は、前記仮想側面と前記出射面とが為す角より鈍角である
   請求項１に記載の表示装置。
3. 前記突出部を形成する面のうち最も前記出射方向側に張り出した面は、前記入射面に対して垂直な垂直面である
   請求項２に記載の表示装置。
4. 前記突出部は、前記頂点から前記端部にかけて、全て鈍角及び面で形成される。
   請求項２に記載の表示装置。
5. 前記プリズムは、前記入射面側へ突出した脚部を更に設け、
   前記脚部は、前記入射面と前記表示面との間の距離を一定に保つように前記表示器へ接触する
   請求項２に記載の表示装置。
6. 前記表示器は、前記表示面の周囲を覆う枠体を更に設け、
   前記脚部は、前記枠体へ接触する
   請求項５に記載の表示装置。
7. 請求項１から６のうちいずれか１項に記載の表示装置を備え、
   前記表示光を被投射部材へ投射することで虚像を表示する
   虚像表示装置。
8. 請求項７に記載の虚像表示装置を備え,
   前記被投射部材としてのウインドシールドまたはコンバイナを更に備える
   移動体。
   

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