JP6557868B2 - 虚像表示装置、ヘッドアップディスプレイシステム及び乗物 - Google Patents

Description

本開示は、虚像表示装置、虚像表示装置を備えたヘッドアップディスプレイシステム及びヘッドアップディスプレイシステムを備えた乗物に関する。

ヘッドアップディスプレイ（Ｈｅａｄ−Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＨＵＤ）は、自動車等の車両に乗った運転手の前景に、運転を支援するための補助情報を描画した画像を虚像として重畳表示する。特許文献１には、左眼用虚像と右眼用虚像の視差量を変更して左右両眼のそれぞれで視認させ、融像させることにより、虚像の表示距離を変更する虚像表示装置が開示されている。

特開２００５−３０１１４４号公報

虚像表示において、立体視するためには使用者の左右の目に視差画像を適切に振り分ける必要がある。

本開示は、空間分割方式の視差画像を、使用者の左右の眼に適切に振り分ける虚像表示装置、ヘッドアップディスプレイシステム及び乗物を提供する。

本開示の虚像表示装置は、右眼用画像を構成する右眼用画素と左眼用画像を構成する左眼用画素を表示する表示デバイスと、表示デバイス出射面側に配置され、表示デバイスの出力に基づく光を右眼方向および左眼方向に振り分ける第１の光学部材と、第１の光学部材により右眼方向および左眼方向に振り分けられた光を、正のパワーにより反射もしくは屈折させる第２の光学部材と、を備え、隣接する右眼用画素と左目用画素の２つの画素を一対とした画素対は、第１のピッチで配列され、第１の光学部材は、第２のピッチで周期的に配列され、前記第１のピッチと前記第２のピッチの関係は、

である。

本開示の虚像表示装置によれば、空間分割方式の視差画像を、使用者の左右の眼に適切に振り分けることができる。

図１は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイシステムの構成を示す図である。 図２は、実施の形態１に係る表示デバイスと視差バリアと制御部の構成を示すブロック図である。 図３は、実施の形態１に係る観察者の左眼用画像と右眼用画像と立体像の関係を示す図である。 図４は、画素対のピッチＰ１と視差バリアのピッチＰ２の関係を説明する第１の図である。 図５は、画素対のピッチＰ１と視差バリアのピッチＰ２の関係を説明する第２の図である。 図６は、画素対のピッチＰ１と視差バリアのピッチＰ２の関係を説明する第３の図である。 図７は、画素対のピッチＰ１と視差バリアのピッチＰ２との関係を説明する第４の図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１）
［１．ヘッドアップディスプレイシステムの構成］
本実施の形態で説明するヘッドアップディスプレイシステムは、例えば、自動車の運転席に備えつけられる。

図１は、実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイシステム１００の構成を説明する図である。ヘッドアップディスプレイシステム１００は、自動車１０に備えつけられている。ヘッドアップディスプレイシステム１００は、虚像表示装置２００と、コンバイナー４００を備えている。

虚像表示装置２００は、表示デバイス２２０と、視差バリア２３０と、マイコン等の制御部２５０を備えている。虚像表示装置２００は、例えば自動車１０のダッシュボード内部に配置され、表示デバイス２２０が表示する画像を、コンバイナー４００を介して反射させ、自動車１０内部の観察者Ｄに導いて虚像Ｉを表示する。

表示デバイス２２０には液晶ディスプレイ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）や有機ＥＬディスプレイ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｄｉｓｐｌａｙ）、プラズマディスプレイ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ）などが用いられる。表示デバイス２２０は、制御部２５０からの制御に従って、道路進行案内や、前方車両までの距離、自動車１０のバッテリー残量、現在の車速など、各種の情報を表示する。

コンバイナー４００は、正のパワーをもつ光学部材であり、凹面ミラーで構成されている。また、コンバイナー４００は、ハーフミラー構造であり、表示デバイス２２０から投射された光の一部を観察者Ｄの方向に反射する。そして、コンバイナー４００と表示デバイス２２０の距離を、焦点距離よりも小さくすることで、コンバイナー４００越しに観察者Ｄは虚像Ｉを認識する。

［２．表示デバイスと視差バリアの構成］
次に、表示デバイス２２０と視差バリア２３０の構成について詳細に説明する。図２は、表示デバイス２２０と視差バリア２３０と制御部２５０の構成図である。

表示デバイス２２０は、Ｒ（ＲＥＤ）、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）、Ｂ（Ｂｌｕｅ）からなる画素を有している。実施の形態１では、表示デバイス２２０の各画素は、左眼用画素２２１及び右眼用画素２２２として、空間分割されている。表示デバイス２２０の各画素は、左眼用画素２２１と右眼用画素２２２として交互に割り当てられる。左眼用画素２２１及び右眼用画素２２２を一対とした画素対は、所定の画素ピッチＰ１で配列される。つまり、右眼用画素２２１と左眼用画素２２２の各画素の単位の周期は（Ｐ１）／２となる。

視差バリア２３０は、図示しないガラス基板に、例えば、クロムなどの遮光材料を蒸着させ、ガラス基板上に１次元的にストライプ状に形成される。クロムなどの遮光材料が蒸着されない部分が開口２３１となる。視差バリア２３０は、遮光部分と開口２３１が交互にかつ周期的に設けられ、所定のピッチＰ２で開口２３１が形成されている。視差バリア２３０の開口２３１の幅と遮光部分の幅は同じ幅でなくてもよい。開口２３１によって、表示デバイス２２０から出射した光は、配光を制御され、コンバイナー４００による反射がなされた後に、左眼用画素２２１から出射した光は観察者Ｄの左眼に、右眼用画素２２２から出射した光は観察者Ｄの右眼に到達する。これにより、表示デバイス２２０と視差バリア２３０は、観察者Ｄに視差のある視差画像を提示することができる。

制御部２５０は、表示デバイス２２０の表示する画像を制御する。表示デバイス２２０は、制御部２５０からの制御に従って、表示する画像を出力する。

図３は、観察者Ｄの左眼用虚像画像ＩＬと右眼用虚像画像ＩＲと立体像Ｓの関係を示す図である。観察者Ｄは、ヘッドアップディスプレイシステム１００を用いると、所定の位置に視差画像の虚像Ｉである左眼用虚像画像ＩＬ及び、右眼用虚像画像ＩＲが表示される。観察者Ｄは、左眼用虚像画像ＩＬ及び、右眼用虚像画像ＩＲを見ることで、これらを立体視して融像した立体像Ｓが所定の位置より遠方にあるように知覚する。

［３．画素対のピッチと視差バリアのピッチとの関係］
ヘッドアップディスプレイシステム１００において、立体視するために、左右の目に、異なる映像を表示する。つまり、右眼用画素２２２から出射した光はすべて観察者Ｄの右眼に入射し、左眼用画素２２１から出射した光はすべて観察者Ｄの左眼に入射する必要がある。

発明者らは、表示デバイス２２０の各画素から出射された光線を右眼、左眼に適切に振り分けるためには、視差バリア２３０のピッチＰ２を、左眼用画素２２１及び右眼用画素２２２の画素対の画素ピッチＰ１よりも大きくとすると良好であることを見出した。

ヘッドアップディスプレイシステム１００における画素対のピッチＰ１と視差バリア２３０のピッチＰ２の関係について詳細に説明する。

まず視差バリア２３０と表示デバイス２２０との距離Ｌについて説明する。図４は、画素対のピッチＰ１と視差バリア２３０のピッチＰ２の関係を説明する第１の図である。図４において、観察者Ｄとコンバイナー４００の距離をＺとし、コンバイナー４００と表示デバイス２２０の距離をａとし、コンバイナー４００と虚像Ｉの距離をｂとする。

コンバイナー４００のレンズパワーをΦとすると、焦点距離ｆは、１／Φである。距離ａが焦点距離ｆより小さい場合には、観察者Ｄは虚像Ｉを認識できる。ここで、距離ｂは、

で表される。

また、コンバイナー４００の倍率Ｍは、

で表される。

ここで、表示デバイス２２０の右眼用画素サイズ及び左眼用画素サイズは（Ｐ１）／２であるので、虚像Ｉの右眼用画素サイズ及び左眼用画素サイズは（Ｍ＊Ｐ１）／２である。

図５は、画素対のピッチＰ１と視差バリア２３０のピッチＰ２の関係を説明する第２の図である。図５において、虚像バリアから観察者Ｄまでの距離をＹとし、観察者Ｄの目と目の間の距離をＰＤとする。ここで、虚像バリアとは、視差バリア２３０の仮想的な虚像位置に存在するバリアである。虚像バリアから虚像Ｉまでの距離（ｂ＋Ｚ−Ｙ）と距離Ｙの関係を、虚像Ｉの右眼用画素サイズ及び左眼用画素サイズと距離ＰＤを用いると、三角形の相似の関係から、

が、成り立つ。従って、虚像バリアから観察者Ｄまでの距離Ｙは、

となる。虚像バリアから観察者Ｄの目へと到達する光線の出射角αは、

で表すことができる。

図６は、画素対のピッチＰ１と視差バリア２３０のピッチＰ２との関係を説明する第３の図である。図６において、表示デバイス２２０から観察者Ｄの目へと到達する光線の出射角βは、虚像Ｉの倍率がＭであるので、

で表される。

ここで、表示デバイス２２０の右眼用画素のサイズ及び左眼用画素サイズ（Ｐ１）／２なので、
出射角βで出射するための、視差バリア２３０と表示デバイス２２０の距離Ｌは、

となる。

このように距離Ｌを設定することで、観察者Ｄの右眼には表示デバイス２２０の右眼用画素のみが表示され、観察者Ｄの左眼には表示デバイス２２０の左眼用画素のみが表示される。

以上のように、コンバイナー４００のパワーΦと、コンバイナー４００と表示デバイス２２０の距離ａ、コンバイナー４００と観察者Ｄの距離Ｙ、画素対のピッチＰ１から、表示デバイス２２０と視差バリア２３０の距離Ｌが決定される。

次に、画素対のピッチＰ１と視差バリア２３０のピッチＰ２の関係について説明する。図７は、画素対のピッチＰ１と視差バリア２３０のピッチＰ２の関係を説明する第４の図である。

右眼用画素２２１と左眼用画素２２２の横方向の合計画素数をＮとする。表示デバイス２２０の右眼用画素サイズ及び左眼用画素サイズは（Ｐ１）／２であるので、虚像Ｉの右眼用画素サイズ及び左眼用画素サイズは（Ｍ＊Ｐ１）／２である。従って、表示デバイス２２０の虚像Ｉのサイズは、Ｎ＊（Ｍ＊Ｐ１）／２となる。

虚像Ｉの横方向の一端から観察者Ｄの眉間の位置を結ぶ直線とコンバイナー４００とが交わる点をＡとし、虚像Ｉの中心と観察者Ｄの眉間の位置を結ぶ直線とコンバイナー４００が交わる点をＢとすると、点Ａと点Ｂの距離Ｑは、三角形の相似関係から、

が成り立つ。従って、

となる。

従って、表示デバイス２２０の横方向の端の画素から観察者Ｄの眉間に到達する光線の出射角θは、

となる。

そして、視差バリア２３０の幅は、

となる。

視差バリア２３０の幅を右眼用画素２２２と左眼用画素２２１の合計画素数Ｎの半分Ｎ／２、すなわち、右眼用画素２２２の合計画素数または左眼用画素２２１の合計画素で割ると、

となり、

が得られる。

Ｌ、ｔａｎθ、Ｎは正数であるので、Ｐ２＞Ｐ１となる。従って、正のパワーをもつコンバイナー４００を光路上に介在させたとき、観察者Ｄの目に対して的確に左右画像を振り分けるためには、Ｐ２＞Ｐ１とするとよい。

例えば、観察者Ｄの目と目の間の距離ＰＤを６５ｍｍ、コンバイナー４００のレンズパワーΦを１／１８０（１／ｍｍ）、焦点距離ｆを１８０ｍｍ、表示デバイス２２０からコンバイナー４００までの距離ａを１３０ｍｍ、とすると、コンバイナー４００から虚像Ｉまでの距離ｂは４６８ｍｍとなる。つまり、倍率Ｍが３．６となる。表示デバイス２２０の右眼用画素２２２の画素サイズ及び左眼用画素２２１の画素サイズを０．０８７５ｍｍとすると、虚像Ｉの右眼用画素サイズ及び左眼用の画素サイズは０．３１５ｍｍとなり、画素対のピッチＰ１は、０．１７５ｍｍとなる。

ここで、コンバイナー４００から観察者Ｄまでの距離を８４０ｍｍとすると、虚像Ｉから観察者Ｄまでの距離は１３０８ｍｍとなる。虚像バリアから観察者Ｄに向けた光線の出射角αを計算すると、１．４３°となる。つまり、表示デバイス２２０から観察者Ｄの目へ到達する光線の出射角βは５．１５°にすればよく、表示デバイス２２０から視差バリア２３０までの距離は０．４８５ｍｍとなる。

また、右眼用画素２２１と左眼用画素２２２の横方向の合計画素数Ｎが４８０画素のとき、倍率Ｍは３．６倍なので、虚像Ｉの表示デバイス２２０の幅は４２ｍｍとなる。したがって、ＡＢ間の距離Ｑは４８．５５ｍｍとなる。

よって、表示デバイス２２０の横方向の端の画素から観察者Ｄの眉間に到達する光線の出射角θは１１．９６６°となり、視差バリア２３０の幅は４２．２１ｍｍとなる。したがって、視差バリア２３０のピッチＰ２は、０．１７５９ｍｍとなる。

［４．効果等］
以上のように、視差バリア２３０のピッチＰ２を、左眼用画素２２１及び右眼用画素２２２の画素対のピッチＰ１よりも大きくすることにより、空間分割方式の視差画像を、観察者Ｄの左右の眼に適切に振り分けることができる。

なお、本実施の形態では視差バリアを用いて説明したが、これに限定されない。すなわち、レンチキュラーレンズや、液晶レンズなど、表示デバイスから投射された光の配光を制御できる構成であれば、他の構成であっても構わない。他の構成の場合であっても同様に、表示デバイスの左眼用画素と右眼用画素の画素対のピッチＰ１は、レンチキュラーレンズのピッチＰ２或いは、液晶レンズのピッチＰ２よりも狭く構成する。

なお、本実施の形態では、コンバイナーを用いたヘッドアップディスプレイシステムについて説明したが、これに限定されない。例えば、虚像表示のために、正のパワーのあるミラー或いは、凸レンズを用いてもよい。

本開示の虚像表示装置、虚像表示装置を備えたヘッドアップディスプレイシステムは、自動車等の車両の用途だけでなく、飛行機や船舶の操縦席や、ゲーム機等の操縦をユーザに体感させるようなシミュレーションシステム等にも適用可能である。

１０ 自動車
１００ ヘッドアップディスプレイシステム
２００ 虚像表示装置
２２０ 表示デバイス
２３０ 視差バリア
２５０ 制御部
４００ コンバイナー

Claims (3)

1. 右眼用画像を構成する右眼用画素と左眼用画像を構成する左眼用画素を表示する表示デバイスと、
   前記表示デバイス出射面側に配置され、前記表示デバイスの出力に基づく光を右眼方向および左眼方向に振り分ける第１の光学部材と、
   前記第１の光学部材により右眼方向および左眼方向に振り分けられた光を、正のパワーにより反射もしくは屈折させる第２の光学部材と、を備え、
   隣接する前記右眼用画素と前記左目用画素の２つの画素を一対とした画素対は、第１のピッチで配列され、
   前記第１の光学部材は、第２のピッチで周期的に配列され、
   前記第１のピッチと前記第２のピッチの関係は、
   

   

   である、
   虚像表示装置。
2. 請求項１に記載の虚像表示装置を備えるヘッドアップディスプレイシステム。
3. 請求項２に記載のヘッドアップディスプレイシステムを搭載する乗物。

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