JP6268978B2

JP6268978B2 - 表示装置

Info

Publication number: JP6268978B2
Application number: JP2013243357A
Authority: JP
Inventors: 小幡　雅人; 雅人小幡; 高橋　祐一; 祐一高橋
Original assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Current assignee: Nippon Seiki Co Ltd
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2033-11-25
Also published as: WO2015076144A1; JP2015102695A

Description

本発明は、表示装置に関し、詳しくは、表示素子からの表示光を透明部材に投射して虚像を表示する表示装置に関する。

この種の表示装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。特許文献１に係る表示装置では、表示素子からの表示光を反射部で反射させて、透明部材に投射する。この反射部は回転移動可能となっており、反射部の回転に応じて虚像の表示位置の高さが調節される。

特開２００５−１８１６４０号公報

特許文献１に係る表示装置の構成では、予め想定された平均的な視点の高さのユーザの場合は問題ないが、これよりも視点が高いユーザにとっては虚像の表示位置が下側にずれてしまい、逆に視点が低いユーザにとっては虚像の表示位置が上側にずれてしまう。このような事が起きると、例えば、ＡＲ（Augmented Reality）を用いて前方風景に重ねて情報を表示したい場合に、虚像の表示位置が所望の位置とずれてしまう。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、視点の高さが異なるユーザに、同等の位置に虚像を表示することが可能な表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る表示装置は、
像を表す表示光を透明部材に向けて出射し、前記透明部材で反射した表示光により前記像の虚像を表示する表示装置であって、
前記像を表す表示光を出射する表示手段と、
前記表示手段から出射された表示光が入射し、入射した表示光を透過させて出射する光学素子であって、入射した表示光を透過させて出射する際に入射光の光軸に対する出射光の光軸の角度を変化させることで前記透明部材に向けて表示光を出射する光学素子と、を備え、
前記光学素子は平行移動可能であり、前記光学素子の平行移動に応じて、前記光学素子から出射されて前記透明部材で反射する表示光の光路が変化する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、視点の高さが異なるユーザに、同等の位置に虚像を表示することが可能である。

本発明の一実施形態に係る表示装置の表示態様を説明するための図である。本発明の一実施形態に係る表示装置の概略構成図である。（ａ）は、本発明の一実施形態に係る表示装置の有用性を説明するための図であり、（ｂ）は、従来例に係る表示装置で生じていた問題を説明するための図である。表示素子に対する入射光と出射光との関係を説明するための図である。（ａ）及び（ｂ）は、表示素子の変形例を示す図である。

本発明の一実施形態について図１〜図４を参照して説明する。

本実施形態に係る表示装置１は、車両２のダッシュボードに配設されるヘッドアップディスプレイ装置として構成され、所定の画像を表す表示光Ｌをフロントガラス３（ウインドシールド）に向けて出射する。フロントガラス３で反射した表示光Ｌにより、フロントガラス３の前方に画像の虚像Ｖが表示される。このようにして、ヘッドアップディスプレイ装置として構成された表示装置１は、車両２の前方の景色に重ねて、虚像Ｖをユーザ４（主に、車両２の運転者）に視認させる。虚像Ｖとして視認される画像は、例えば、車両２に関する情報（エンジン回転数、ナビゲーション情報等）を報知する。

表示装置１は、図２に示すように、表示器１０と、反射部２０と、光路調整部３０と、筐体４０とを備える。なお、以下では、表示装置１の構成の理解を容易にするため、虚像Ｖを視認するユーザ４から見ての上下方向を各部材の上下方向として適宜、説明する。

表示器１０は、例えば液晶表示器であり、液晶表示パネル１１と、発光ダイオード１２と、プリント配線板１３と、拡散板１４と、ケース体１５とを有する。

液晶表示パネル１１は、例えば、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）型の液晶セルに偏光膜を貼着したものである。発光ダイオード１２は、液晶表示パネル１１を背面側から照明するバックライトとして機能する。発光ダイオード１２は、液晶表示パネル１１の背面側に位置するプリント配線板１３に実装されている。拡散板１４は、微細な凹凸からなる拡散面を有する透光性の板材であり、発光ダイオード１２と液晶表示パネル１１との間に位置する。拡散板１４は、発光ダイオード１２が出射した光を拡散して、液晶表示パネル１１に到達させる。ケース体１５は、液晶表示パネル１１、プリント配線板１３、及び拡散板１４を保持する。

液晶表示パネル１１と発光ダイオード１２とは、図示しない制御部によって駆動される。この制御部は、車両２のＥＣＵ（Electronic Control Unit）等の外部装置（図示せず）から、車両２に関する情報を取得し、取得した情報に応じて液晶表示パネル１１に画像を表示させる。具体的には、制御部は表示させたい画像に応じて、液晶表示パネル１１が有する各画素を透過／不透過状態に切り替える。そして、発光ダイオード１２に透過照明されることにより、液晶表示パネル１１は、画像を表示する。液晶表示パネル１１に表示された画像を表す光（表示光Ｌ）は、反射部２０に向かう。

反射部２０は、例えば、ポリカーボネート等の樹脂にアルミニウム等の金属を蒸着して反射面を形成した反射鏡からなる。反射面は凹面となっており、これにより虚像Ｖは、液晶表示パネル１１に表示された画像よりも拡大されたものとなる。反射部２０は、表示器１０よりも車両２の後方側に位置し、表示器１０からの表示光Ｌの光路を折り返すようにして反射させる。反射部２０の反射面で反射した表示光Ｌは、光路調整部３０に向かう。

光路調整部３０は、光学素子３１と、保持部材３２と、ステッピングモータ３３とを有し、反射部２０と後述する透光性カバー４１との間に位置する。

光学素子３１は、例えばホログラフィック光学素子（ＨＯＥ：Holographic Optical Element）からなり、入射する光に対して所定の角度で方向を変化させて出射する。ホログラフィック光学素子は、薄いシート状でありながら比較的深い角度で光の進行方向を変えることができるため、光路調整部３０をコンパクトに構成することができる。

保持部材３２は、ＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene Styrene）等の樹脂からなり、筐体４０に固定されて筐体に対して不動である不動部３２ａと、不動部３２ａに対して可動する可動部３２ｂとを有する。可動部３２ｂは、ステッピングモータ３３の回転動力により、不動部３２ａに対して上下方向に移動する。つまり、可動部３２ｂは、筐体４０に対して上下方向に平行移動可能となっている。可動部３２ｂは、上側から見て窓枠状となっており、光学素子３１の外縁を囲むようにして、光学素子３１を保持する。これにより、光学素子３１は筐体４０に対して上下方向に平行移動可能となっている。

ステッピングモータ３３は、前述の制御部（図示せず）の制御のもとで回転軸を回転させる。回転軸にはギヤ３３ａが取り付けられており、ギヤ３３ａと締結するギヤ機構（図示せず）を介して、保持部材３２の可動部３２ｂはステッピングモータ３３の動力により上下方向に移動する。

このように構成される光路調整部３０により、光学素子３１は、上下方向に移動可能となっている。例えば、表示装置１では、ステッピングモータ３３が図示しない操作部（押しボタン、スイッチ等）からのユーザ操作に応じて回転軸を回転させるようになっており、これにより、ユーザ操作で光学素子３１の上下位置が調整可能となっている。

筐体４０は、表示器１０、反射部２０、及び光路調整部３０の各々を、上述した機能を充足する位置に固定し、収納する。筐体４０の上部には、反射部２０で反射して光学素子３１を透過した表示光Ｌを通過させる開口部からなる出射口４０ａが設けられている。また、筐体４０には、出射口４０ａを覆う透光性カバー４１が設けられている。透光性カバー４１は、アクリル等の透光性樹脂からなり、光学素子３１を透過して上側に向かう表示光Ｌを透過させる。表示器１０から出射された表示光Ｌは、透光性カバー４１を透過して、出射口４０ａから表示装置１の外部に出射され、フロントガラス３へ向かう。なお、透光性カバー４１は、到達した外光を極力、ユーザ４の方向へ反射させないように湾曲形状に形成されている。

ここで、表示装置１が虚像Ｖを表示する機構を簡潔に述べる。
表示器１０から出射された表示光Ｌは、反射部２０で反射し、光学素子３１へ向かう。光学素子３１を透過した表示光Ｌの出射方向は、光学素子３１の機能により、入射方向（図２における左上方向）に対して変化される（出射方向は図２における右上方向）。光学素子３１を透過した表示光Ｌは、出射口４０ａから出射され、フロントガラス３へ向かう。フロントガラス３で反射した表示光Ｌにより、フロントガラス３の前方に虚像Ｖが表示される。このようにして、表示装置１は、ユーザ４に画像の虚像Ｖを視認させる。

ここからは、図２、図３（ａ）、及び図４を参照して、光学素子３１の平行移動に応じて虚像Ｖの表示位置がどのように変化するかを説明する。なお、以下では、図２及び図３（ａ）において実線で表した表示光Ｌの光路になる場合の光学素子３１の位置を基準位置として説明する。

操作部からのユーザ４の操作により、保持部材３２の可動部３２ｂが下方に平行移動し、光学素子３１が基準位置よりも下方に位置すると、図２、図３（ａ）に示すように、反射部２０と光学素子３１との間の光路が短くなる。すると、光学素子３１が基準位置よりも下方に位置したときの表示光Ｌ１（以下、「下方位置の表示光Ｌ１」と呼ぶ）は、基準位置の表示光Ｌよりも短い距離で光路が光学素子３１によって変更されるため、図３（ａ）に示すように、基準位置の表示光Ｌよりもフロントガラス３の上方で反射する。これにより、フロントガラス３で反射した下方位置の表示光Ｌ１は、基準位置の表示光Ｌよりも上方の光路でユーザ４に到達する。このようにして、予め想定された平均的な視点位置よりも視点が高いユーザ４にとっても、虚像Ｖが平均的な視点のユーザと同等の表示位置で視認される。
一方、操作部からのユーザ４の操作により、保持部材３２の可動部３２ｂが上方に平行移動し、光学素子３１が基準位置よりも上方に位置すると、図２、図３（ａ）に示すように、反射部２０と光学素子３１との間の光路が長くなる。すると、光学素子３１が基準位置よりも上方に位置したときの表示光Ｌ２（以下、「上方位置の表示光Ｌ２」と呼ぶ）は、基準位置の表示光Ｌよりも長い距離で光路が光学素子３１によって変更されるため、図３（ａ）に示すように、基準位置の表示光Ｌよりもフロントガラス３の下方で反射する。これにより、フロントガラス３で反射した上方位置の表示光Ｌ２は、基準位置の表示光Ｌよりも下方の光路でユーザ４に到達する。このようにして、予め想定された平均的な視点位置よりも視点が低いユーザ４にとっても、虚像Ｖが平均的な視点のユーザと同等の表示位置で視認される。

このように表示装置１では、光学素子３１の上下位置に応じて、光学素子３１を透過後の表示光の光軸位置が変化する。この光軸位置の変化量は光学素子３１の平行移動量に比例するが、光学素子３１に入射する表示光の光軸に対する出射光（光学素子３１が出射する表示光）の光軸の角度を大きくするほど、光学素子３１の平行移動量は少なくて済む。つまり、光学素子３１を通過する前後での光軸の変化量を大きくするほど、筐体４０内における光路調整部３０の占有スペースを小さくすることが可能である。

光路調整部３０の占有スペースが大きくなることを極力抑制する観点からは、光学素子３１を通過する前後の光軸の変化量に対しての光学素子３１の移動量の比率を、概ね２倍以下とすることが好ましい。ここで、図４に示すように、光学素子３１に入射する表示光Ｌの光軸（入射光の光軸）ＡＸ１と光学素子３１から出射される表示光Ｌの光軸（出射光の光軸）ＡＸ２とのなす角をθ、光学素子３１の平行移動変化量（移動距離）をΔｈ、光学素子３１を通過する前後での光軸の変化量（Δｈに対応した光軸の変化量）をΔｄとおく。すると、ｔａｎθ＝Δｄ／Δｈの関係が成り立つ。光学素子３１を通過する前後の光軸の変化量に対しての光学素子３１の移動量の比率が２倍となるときは、ｔａｎθ＝１／２であり、このときのθは約２６．６度となる。これにより、光学素子３１を通過する前後の光軸の変化量に対しての光学素子３１の移動量の比率を、概ね２倍以下とするには、少なくともθが２５度以上であることが好ましいことがわかる。よって、光路調整部３０の占有スペースを極力抑える観点からは、表示光の通過前後でθが２５度以上となる光学素子３１を選定することが好ましい。

次に、図３（ａ）、（ｂ）を参照して、従来例との対比により、本実施形態に係る表示装置１の有用性を説明する。図３（ａ）に示す実施例が表示装置１である。また、図３（ｂ）に、従来例に係る表示装置１Ｐを示した。また、以下の説明の理解を容易にするため、従来例に係る表示装置１Ｐにおいて、本実施形態に係る表示装置１が備える各部と機能が同様なものには、表示装置１の各部と同じ符号を付した。

従来例に係る表示装置１Ｐは、前述した特許文献１に係る表示装置と同様に、反射部２０を回転移動させることにより、ユーザ４の視点高さに合わせた虚像Ｖの表示を可能とするものである。従来例に係る表示装置１Ｐでは、反射部２０を時計回りに回転させると、フロントガラス３において、基準位置の表示光Ｌよりも上方の位置で表示光（表示光Ｌ１）が反射する。これにより、予め想定された平均的な視点位置よりも視点が高いユーザ４にも、虚像Ｖが良好に見えるように調整可能となっている。反対に、反射部２０を反時計回りに回転させると、フロントガラス３において、基準位置の表示光Ｌよりも下方の位置で表示光（表示光Ｌ２）が反射する。これにより、予め想定された平均的な視点位置よりも視点が低いユーザ４にも、虚像Ｖが良好に見えるように調整可能となっている。
しかし、このように、反射部２０を回転移動させると、反射部２０を時計回り、反時計回りに回転させたいずれの場合であっても、フロントガラス３で反射した表示光を前方に延長した光路は、表示器１０からの表示光が反射部２０の反射面に入射する位置（図３（ｂ）に示す基準点Ｏ１）に対応した位置（図３（ｂ）に示す対応点Ｏ２）を通ることになる（なお、対応点Ｏ２に併せて、反射部２０の射影を図３（ｂ）に符号２０ｖで示した）。
つまり、フロントガラス３で反射した表示光の前方への延長光路は、対応点Ｏ２に束縛されることになり、視点が高いユーザ４に合わせた表示光Ｌ１は対応点Ｏ２を通過して虚像として視認されるため、表示位置が下方にずれ（図３（ｂ）の虚像Ｖ１参照）、視点が低いユーザ４に合わせた表示光Ｌ２も対応点Ｏ２を通過した虚像として視認されるため。表示位置が上方にずれてしまう（図３（ｂ）の虚像Ｖ２参照）。この問題は、設定した虚像Ｖの表示位置がフロントガラス３から遠くなればなるほど顕著になる。

一方、本実施形態に係る表示装置１では、前述のように光学素子３１を上下方向に平行移動させことで、表示光の光路を変更する。
このように、光学素子３１を平行移動させる場合、理論上は、フロントガラス３で反射した表示光を前方に延長した光路は、フロントガラス３に入射する表示光の光路を逆に辿っていった位置（図３（ａ）に示す基準点Ｏ１）に対応した位置（図３（ａ）に示す対応点Ｏ２）で虚像Ｖを結ぶ（なお、対応点Ｏ２に併せて、光学素子３１の射影を図３（ａ）に符号３１ｖで示した）。
この場合、反射部２０を回転移動させる場合とは異なり、フロントガラス３と虚像Ｖとの間に対応点Ｏ２が位置せず、対応点Ｏ２そのものが虚像Ｖの結像位置となる。つまり、視点が高いユーザ４に合わせた表示光Ｌ１の光路によっても、視点が低いユーザ４に合わせた表示光Ｌ２の光路によっても、同等の位置に虚像Ｖが結ばれる。したがって、本実施形態に係る表示装置１によれば、視点の高さが異なるユーザ４に、同等の位置に虚像Ｖを表示することが可能である。この表示装置１によれば、ユーザ４の視点の高さが異なっても、光学素子３１の位置を平行移動により調節するだけで、装置提供者が所望する位置でユーザ４に虚像を視認してもらうことができるため、ＡＲ（Augmented Reality）を用いて前方風景に重ねて情報を表示したい場合などに特に有用である。
これらの効果は以下の構成によって実現できる。

表示装置１は、像を表す表示光Ｌをフロントガラス３（透明部材の一例）に向けて出射し、フロントガラス３で反射した表示光Ｌにより像の虚像Ｖを表示する表示装置１であって、像を表す表示光Ｌを出射する表示器１０（表示手段の一例）と、表示器１０から出射された表示光Ｌが入射し、入射した表示光Ｌを透過させて出射する光学素子３１であって、入射光の光軸ＡＸ１に対する出射光の光軸ＡＸ２の角度を変化させることでフロントガラス３に向けて表示光Ｌを出射する光学素子３１と、を備え、光学素子３１は平行移動可能であり、光学素子３１の平行移動に応じて、光学素子３１から出射されてフロントガラス３で反射する表示光Ｌの光路が変化する。

また、表示装置１は、表示器１０が出射した表示光Ｌを光学素子３１に向けて反射させる反射部２０をさらに備え、光学素子３１には、表示器１０から出射されて反射部２０で反射した表示光Ｌが入射する。

また、表示装置１は車両２に搭載され、表示器１０は、表示器１０よりも車両２の後方側に位置する反射部２０に向けて表示光Ｌを出射し、反射部２０で反射した表示光Ｌは、光学素子３１を透過して、フロントガラス３に向けて出射される。

なお、本発明は、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。本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜、実施形態及び図面に変更（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示す。

（変形例）
以上では、光学素子３１がホログラフィック光学素子からなる例を説明したが、これに限られない。光学素子は、図５（ａ）に示すようなくさび状のプリズムからなる光学素子３１ａや、図５（ｂ）に示すような平行線状にカットを入れたフレネルレンズからなる光学素子３１ｂであってもよい。

以上では、光学素子３１が表示装置１の上下方向に平行移動する例を示したが、光学素子３１が斜め方向に平行移動するように表示装置１を構成することも可能である。

また、表示器１０からの表示光Ｌを反射部２０を介さずに光学素子３１に直接入射させる構成も可能であるし、表示光Ｌが光学素子３１を透過した後に、拡大鏡からなる反射部２０で表示光Ｌを反射させ、虚像Ｖを拡大させる作用を付与する構成も可能である。

以上の説明では、表示装置１が搭載される乗り物の例を車両２としたが、これに限られない。表示装置１をその他の乗り物（船舶、航空機等）に設置することもできる。さらには、乗り物に設置するものに限られない。

以上では、表示装置１が車両２のダッシュボード内に配設される例を示したが、表示装置１は、例えば、車両のダッシュボード上に設置される据え置き型（後付け型）のものであってもよい。また、表示光Ｌを投射する透明部材はフロントガラス３に限られず、表示装置１に専用の透明部材（いわゆるコンバイナ）であってもよい。

以上の説明では、本発明の理解を容易にするために、重要でない公知の技術的事項の説明を適宜省略した。

１ …表示装置
１Ｐ…従来例に係る表示装置
２ …車両
３ …フロントガラス
４ …ユーザ
１０ …表示器
２０ …反射部
３０ …光路調整部
３１ …光学素子
３２ …保持部材
３２ａ…不動部
３２ｂ…可動部
３３ …ステッピングモータ
４０ …筐体
４０ａ…出射口
４１ …透光性カバー
Ｌ …表示光
Ｖ …虚像

Claims

像を表す表示光を透明部材に向けて出射し、前記透明部材で反射した表示光により前記像の虚像を表示する表示装置であって、
前記像を表す表示光を出射する表示手段と、
前記表示手段から出射された表示光が入射し、入射した表示光を透過させて出射する光学素子であって、入射した表示光を透過させて出射する際に入射光の光軸に対する出射光の光軸の角度を変化させることで前記透明部材に向けて表示光を出射する光学素子と、を備え、
前記光学素子は平行移動可能であり、前記光学素子の平行移動に応じて、前記光学素子から出射されて前記透明部材で反射する表示光の光路が変化する、
ことを特徴とする表示装置。
前記表示手段が出射した表示光を前記光学素子に向けて反射させる反射部をさらに備え、
前記光学素子には、前記表示手段から出射されて前記反射部で反射した表示光が入射する、
ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記表示装置は車両に搭載され、前記透明部材は前記車両のフロントガラスであり、
前記表示手段は、前記表示手段よりも前記車両の後方側に位置する前記反射部に向けて表示光を出射し、
前記反射部で反射した表示光は、前記光学素子を透過して、前記フロントガラスに向けて出射される、
ことを特徴とする請求項２に記載の表示装置。