JP7416061B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示部に光を投射し情報を提供することができる表示装置に関する。

一部の車両には、ウィンドシールド等の表示部に光を投射することにより、運転者（視認者）に必要な情報を提供する表示装置（ヘッドアップディスプレイ装置）が搭載されている。このような、表示装置の従来技術として特許文献１に開示される技術がある。

特許文献１に示される表示装置は、光を出射する投射器と、この投射器から出射された光が通過するスクリーンと、これらの投射器及びスクリーンを収納しているケースと、を備えている。

投射器は、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）等の光学素子を備えるプロジェクタである。スクリーンは、投射器から出射される光の結像位置に配置されている、透過型のスクリーンである。スクリーンの光が通過する面は、投射器の光を出射する面に対して、傾いて設けられている。即ち、スクリーンは、投射器から出射される光の光軸に対して、傾いて設けられている。

スクリーンの光が通過する面が、投射器の光を出射する面に対して傾いて設けられていることにより、奥行きのある虚像を運転者に認識させることができる。

特許文献１の表示装置は、投射器、スクリーン、折り返しミラー、凹面鏡、カバーガラス、外装、制御部とからなる。投射器は、映像をスクリーンに投射し、このスクリーンで反射された映像は、凹面鏡で拡大された後、ウィンドシールドへ出射される。

特開２０１６－２１２３３８号公報

表示装置は、視認者に情報等を認識させるための装置であるから、より明確に視認者に虚像を認識させることが望まれる。

本発明は、視認者に虚像をより明確に認識させることができる表示装置を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明では、バックライトと、液晶パネルと、からなり、複数の画素が交互に並んで光を出射する平面表示パネル、及び、縦方向の所定方向に延びている略半円筒形状の複数のシリンドリカルレンズを横に互いに平行に並べてなるレンチキュラレンズ、からなる３Ｄディスプレイと、
この３Ｄディスプレイから出射される光を制御する制御部と、を有し、
前記３Ｄディスプレイから出射された光を表示部に投射し、視認者に虚像を認識させる表示装置であって、
側面視の状態で、前記液晶パネルに対して前記レンチキュラレンズは平行に配置され、前記液晶パネル及び前記レンチキュラレンズは、前記バックライトから出射される光の光軸に対して前記シリンドリカルレンズの延び方向に傾斜して配置され、前記レンチキュラレンズの出射側面の形状が、前記レンチキュラレンズの前記横である所定の横軸を含み前記光軸に沿った断面で円弧形状であり、且つ前記レンチキュラレンズの前記横軸を含み前記レンチキュラレンズに対して垂直な断面で楕円の短軸半径が最も突出した楕円形状であることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、好ましくは、３Ｄディスプレイは、ライトフィールドディスプレイである。

請求項１に係る発明では、レンチキュラレンズは、平面表示パネルから出射される光の光軸に対してシリンドリカルレンズの延び方向に傾斜して配置されている。表示装置の外部から表示部内に入射した外光は、レンチキュラレンズによって反射される。レンチキュラレンズが光軸に対して傾斜して配置されていることにより、外光は、平面表示パネルから出射される光とは異なる方向に向かって反射される。これにより、外光が平面表示パネルから出射される光に干渉することを抑制でき、視認者に虚像をより明確に認識させることができる。

さらに、レンチキュラレンズの出射側面の形状が、レンチキュラレンズの平面視で楕円形状であり、且つ光軸に沿った断面で円弧形状である。ここで、一般的なレンチキュラレンズの光の出射側の断面形状は、平面視で円弧形状である。このため、レンチキュラレンズを光軸に対して傾けて配置することにより、光軸に沿った断面は、円弧の半径よりも大きい長軸半径の楕円形状となる。この点、本発明では、レンチキュラレンズが傾けて配置されることを前提に、レンチキュラレンズの形状を光軸に沿った断面が円弧形状となるよう、平面視において楕円形状とした。レンチキュラレンズの出射側面の形状が、光軸に沿った断面で円弧形状であるので、レンズ収差が小さくなり、立体像の鮮明度を向上させることができる。

請求項２に係る発明では、３Ｄディスプレイは、ライトフィールドディスプレイであるので、ウィンドシールド（表示部）の直下に配置することができ、従来技術のような斜めに傾けて配置されたスクリーンが不要となり、光軸に沿った奥行を短くすることが可能となり、表示装置の小型化を図ることができる。

本発明の実施例による表示装置の模式図である。 実施例に係る３Ｄディスプレイの斜視図である。 図２に示されたレンチキュラレンズの平面図である。 図２に示されたレンチキュラレンズの光軸に沿った断面形状を示す図である。 実施例の３Ｄディスプレイの側面図と、比較例の３Ｄディスプレイの側面図である。 比較例によるレンチキュラレンズについて説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。尚、説明中、左右とは、車内の乗員（視認者）を基準として左右をいい、前後とは車両の進行方向を基準として前後をいう。また、図中Ｌｅは左、Ｒｉは右、Ｆｒは前、Ｒｒは後、Ｕｐは上、Ｄｎは下、を示している。

本発明の基本構成について説明する。図１に示すように、表示装置の一例として、ヘッドアップディスプレイが示されている。表示装置１０は、例えば、車両Ｖｅに搭載され、車体の前部にあるウィンドシールドＷＳ（表示部ＷＳ）に光を投射する。ウィンドシールドＷＳに光が投射されることにより、運転者Ｍｎ（視認者Ｍｎ）は、ウィンドシールドＷＳの前方に虚像Ｖが投影されているように認識する。

表示装置１０により投影される虚像Ｖは、上部が車両Ｖｅの前方側に傾いている。この上部が傾いた虚像Ｖに車速やナビゲーション情報等の情報を含ませることにより、運転者Ｍｎは走行時に必要な情報を得ることができる。

表示装置１０は、ケース２０と、このケース２０に収納され光を出射する３Ｄディスプレイ３０（ライトフィールドディスプレイ３０）と、この３Ｄディスプレイ３０から出射された光を反射する平面鏡４０と、この平面鏡４０が反射した光をウィンドシールドＷＳに向かって反射する凹面鏡５０と、この凹面鏡５０の上方に配置されたカバーガラス６０と、３Ｄディスプレイ３０が出射する光を制御する制御部１２と、を有している。

ケース２０が車両Ｖｅに取り付けられることで、３Ｄディスプレイ３０がウィンドシールドＷＳの直下に配置されている。ケース２０は、遮光性を有する合成樹脂によって形成されている。このため、ケース２０は、外部から３Ｄディスプレイ３０に入射した光が、車室内に反射することを防ぐ遮光部である、ということができる。更には、ケース２０の内壁２０ａを遮光部ということもできる。

図１及び図２に示すように、３Ｄディスプレイ３０は、複数の画素３１が交互に並んで光を出射する平面表示パネル３２と、所定方向に延びている半円筒形状のシリンドリカルレンズ３３が複数並んだレンチキュラレンズ３４を、を有している。

平面表示パネル３２は、例えばバックライト３２ａと、液晶パネル３２ｂとからなることで、シリンドリカルレンズ３３に向かって光を出射する画素３１を複数有している。尚、平面表示パネル３２が出射する光は、各画素３１が出射する光の束である。

各画素３１は、赤・緑・青の副画素により構成されている。副画素が発光することにより、各シリンドリカルレンズ３３に向かって光が出射される。尚、各副画素の発光を組み合わせることで、画素３１から出射される光の明度、色相、彩度を異ならせることができる。

レンチキュラレンズ３４は、例えば透明なポリカーボネートの平板状のベース板部３３ａと、このベース板部３３ａに所定方向に延びて複数配列され画素３１から出射された光が通過するシリンドリカルレンズ３３と、を有している。シリンドリカルレンズ３３が延びている所定方向は、視認者Ｍｎの視点の縦方向である。このように縦方向に延びている複数のシリンドリカルレンズ３３は、それぞれ横に周期的に並んで配置されている。

また、レンチキュラレンズ３４は、ベース板部３３ａ上に、横断面に関して集光する縦長のシリンドリカルレンズ３３が横（左右）に並ぶように切削加工したものである。これにより、シリンドリカルレンズ３３はいわゆるかまぼこ形状（Ｄ字状）であり、縦長のかまぼこ形状のシリンドリカルレンズ３３が横に並んで配置されたものがレンチキュラレンズ３４となる。

このような形状とすることで、レンチキュラレンズ３４は、各画素３１から出射された光を所定方向に屈折させる。レンチキュラレンズ３４は、ケース２０の外部からレンチキュラレンズ３４に入射した外光を遮光部としての内壁２０ａに向かって反射するよう、内壁２０ａ側に傾けられている。レンチキュラレンズ３４は、例えば、フューズドシリカ、光学ガラス、プラスチック等からなる。

ベース板部３３ａは、平面表示パネル３２の光を出射する面に対して平行に設けられている。シリンドリカルレンズ３３の出射側の断面形状は、例えば、凸形状、球面形状及び非球面形状等からなる。各シリンドリカルレンズ３３は、各画素３１に対応して設けられ、各画素３１から出射された光を屈折させる。

ここで、３Ｄディスプレイ３０が出射する光とは、各画素３１（平面表示パネル３２）から出射された光であってレンチキュラレンズ３４を通過した光のことをいう。つまり、各画素３１から出射された光がレンチキュラレンズ３４を通過することによって、３Ｄディスプレイ３０から光が出射される、ということができる。

また、レンチキュラレンズ３４の所定の横軸Ｘ（水平方向に延びる軸）を含み、且つ３Ｄディスプレイ３０から出射された光の光軸Ｆを含む断面はＳ１である。レンチキュラレンズ３４の所定の横軸Ｘ（水平方向に延びる軸）を含み、且つレンチキュラレンズ３４に対して垂直な断面はＳ２である。光軸Ｆを含む断面Ｓ１に対して垂直な断面Ｓ２は傾斜角αとなるように傾斜している。つまり、レンチキュラレンズ３４は、平面表示パネル３２から出射される光の光軸Ｆに対してシリンドリカルレンズ３３の延び方向に傾斜角αとなるように傾斜して配置されている。

また、光軸Ｆに対し、平面表示パネル３２及びレンチキュラレンズ３４は同じ所定の角度（傾斜角）αで傾斜している。レンチキュラレンズ３４は、平面表示パネル３２を光軸Ｆに沿って平行移動した位置にあり、且つ平面表示パネル３２から出射された光が全て通過する大きさに設定されている。平面表示パネル３２及びレンチキュラレンズ３４は正面視で矩形状であり、光軸Ｆに沿って、レンチキュラレンズ３４の矩形状の四隅は、平面表示パネル３２の矩形状の四隅に一致している。

レンチキュラレンズ３４を光軸Ｆに対して傾斜角αだけ傾斜して配置することにより、外光Ｇが入射した場合に、３Ｄディスプレイ３０の表面で反射した光が視点に戻らないようにすることができる。なお、便宜上、模式的に示した図面での傾斜角αは大きくしたが、実際の傾斜角αは、外光Ｇが入射した場合に３Ｄディスプレイ３０の表面で反射した光が視点に戻らないようにする程度の小さな角度である。

平面鏡４０は、平面部分を有するように成形した樹脂、例えばポリカーボネートに、金属、例えばアルミを蒸着したミラーであり、光を単純反射するものである。

凹面鏡５０は、凹面を有するように成形した樹脂、例えばポリカーボネートに、金属、例えばアルミを蒸着したミラーであり、平行光を集光するように反射するものである。

カバーガラス６０は、透明な樹脂、例えばポリカーボネートのフィルムである。ケース２０は，前述の全ての部分を収容する筐体である。

制御部１２は、マイクロプロセッサとそれを動作させる為の各種電子部品、基板、ケースからなり、外部から車両情報やユーザーの入力を処理し、それに基づいて映像を適切に表示するように３Ｄディスプレイ３０を制御する。具体的には、制御部１２は、レンチキュラレンズ３４を通過した光がウィンドシールドＷＳに投射されるように、３Ｄディスプレイ３０が出射する光の方向を制御する。つまり、制御部１２は、レンチキュラレンズ３４を通過した光が所定方向に向かうよう各画素３１が出射する光を制御する。

運転者Ｍｎは、３Ｄディスプレイ３０から出射された光がウィンドシールドＷＳに投射されることにより、角度がθだけ前方に傾いた虚像Ｖが投影されているよう認識する。このような虚像Ｖは、視点ごとに異なる映像が投影される。つまり、奥行きのある虚像Ｖを運転者Ｍｎに視認させるためには、３Ｄディスプレイ３０が、視点ごとに適切な視差が付いた映像を投影する必要がある。

制御部１２は、３Ｄディスプレイ３０がレンチキュラレンズ３４の一端から他端に亘って連続して結像位置の異なる光を出射し、上部が前方に傾いた虚像Ｖが視認されるよう、各画素３１が出射する光を制御する。更に、制御部１２は、各画素３１から出射される光を制御して、レンチキュラレンズ３４から出射される光の結像位置を自由に変化させることもできる。これにより、虚像Ｖの傾き角度を自由に変えることができる。制御部１２が各画素３１から出射される光を制御することで、運転者Ｍｎの視認する任意の虚像Ｖが投影される。

次に実施例に示すレンチキュラレンズ３４の断面形状について説明する。

図３に示すように、レンチキュラレンズ３４のうち、光が出射する面である出射側面は、当該レンチキュラレンズ３４の平面視において楕円形状を呈する。レンチキュラレンズ３４の最も突出した位置は、楕円の短軸半径の位置である。

図４に示すように、レンチキュラレンズ３４の断面形状は、当該レンチキュラレンズ３４の光軸Ｆを含む断面Ｓ１での断面形状である。レンチキュラレンズ３４の出射側の断面形状は、光軸Ｆに沿った断面Ｓ１で円弧形状である。

次に実施例に示す３Ｄディスプレイ３０の側面視の状態と、比較例に示す３Ｄディスプレイ１００の側面視の状態とについて説明する。

図５（ａ）は実施例の３Ｄディスプレイ３０の側面図であり、バックライト３２ａから出射されている光の光軸Ｆに対して、液晶パネル３２ｂ及びレンチキュラレンズ３４が傾斜して配置されている。液晶パネル３２ｂに対してレンチキュラレンズ３４は平行に配置されている。液晶パネル３２ｂの中心を通る垂直線Ｔは、レンチキュラレンズ３４の中心を通っていない。液晶パネル３２ｂの上端部を通る光軸Ｆと平行な線Ｆ１は、レンチキュラレンズ３４の上端部を通過している。液晶パネル３２ｂの下端部を通る光軸Ｆと平行な線Ｆ２は、レンチキュラレンズ３４の下端部を通過している。このため、液晶パネル３２ｂを通過した光は全てレンチキュラレンズ３４を通過する。

図５（ｂ）は比較例の３Ｄディスプレイ１００の側面図であり、バックライト１０１から出射されている光の光軸Ｆに対して、液晶パネル１０２及びレンチキュラレンズ１０３が傾斜して配置されている。液晶パネル１０２に対してレンチキュラレンズ１０３は平行に配置されている。バックライト１０１と液晶パネル１０２とから平面表示パネル１０４が構成されている。液晶パネル１０２の中心を通る垂直線Ｔは、レンチキュラレンズ１０３の中心を通っている。液晶パネル１０２の上端部を通る光軸Ｆと平行な線Ｆ１は、レンチキュラレンズ１０３の上端部を通過していない。液晶パネル１０２の下端部を通る光軸Ｆと平行な線Ｆ２は、レンチキュラレンズ１０３の下端部を通過していない。このため、液晶パネル１０２を通過した光の一部がレンチキュラレンズ３４を通過し、液晶パネル１０２の上部と、レンチキュラレンズ１０３の下部とが無駄になる。

次に比較例のレンチキュラレンズ１０３の断面形状について説明する。

図６（ａ）には、平面視における比較例のレンチキュラレンズ１０３が示されている。レンチキュラレンズ１０３の出射面側の形状は、平面視において円弧形状である。

図６（ｂ）に示すように、比較例のレンチキュラレンズ１０３の断面形状は、当該レンチキュラレンズ１０３の光軸Ｆを含む断面Ｓ１での断面形状である。レンチキュラレンズ１０３の出射面側の断面形状（シリンドリカルレンズ１０３ｂの断面形状）は、光軸Ｆに沿った断面Ｓ１では円弧の半径よりも大きい長軸半径の楕円形状となる。このため、比較例のレンチキュラレンズ１０３は、レンチキュラレンズの出射側面の形状が光軸に沿った断面で円弧形状であるので、レンズ収差が大きくなり、立体像の鮮明度が低下する。

次に本発明の作用を説明する。

図１に示すように、３Ｄディスプレイ３０が生成する立体像Ｌは、平面鏡４０によって凹面鏡５０へ反射され、凹面鏡５０によってカバーガラス６０へ拡大・反射され、カバーガラス６０を透過してウィンドシールドＷＳによって視認者Ｍｎへ拡大・反射され、視認者Ｍｎの視点において虚像Ｖとして観察される。

図４に示すように、レンチキュラレンズ３４の光軸Ｆに沿った断面Ｓ１では、光の出射側のレンチキュラレンズ３４の断面形状が円弧形状であるので、レンズ収差が小さくなり、立体像の鮮明度が向上する。

図２及び図５（ａ）に示すように、光軸に沿った平面表示パネル３２（液晶パネル３２ｂ）の四隅とレンチキュラレンズ３４の四隅とは一致する。このため、平面表示パネル３２から出射された光は無駄になることなくレンチキュラレンズ３４を通過する。すなわち、画素３１の利用効率が向上する。さらに、レンチキュラレンズ３４も光が通過しない無駄になる部分がない。結果、平面表示パネル３２及びレンチキュラレンズ３４が効率よく使用される。

次に、本発明の効果を説明する。

図１及び図２を参照する。レンチキュラレンズ３４は、平面表示パネル３２から出射される光の光軸Ｆに対してシリンドリカルレンズ３３の延び方向に傾斜して配置されている。表示装置１０の外部から表示部内に入射した外光Ｇは、レンチキュラレンズ３４によって反射される。レンチキュラレンズ３４が光軸Ｆに対して傾斜して配置されていることにより、外光Ｇは、平面表示パネル３２から出射される光（光軸Ｆに沿っている光）とは異なる方向に向かって反射される。これにより、外光Ｇが平面表示パネル３２から出射される光に干渉することを抑制でき、視認者に虚像Ｖをより明確に認識させることができる。

図３、図４及び図６を参照する。さらに、レンチキュラレンズ３４の出射側面の形状が、レンチキュラレンズ３４の平面視で楕円形状（図３）であり、且つ光軸Ｆに沿った断面で円弧形状（図４）である。ここで、一般的なレンチキュラレンズ１０３の光の出射側の断面形状は、平面視で円弧形状である（図６（ａ））。このため、レンチキュラレンズを光軸に対して傾けて配置することにより、光軸に沿った断面は、円弧の半径よりも大きい長軸半径の楕円形状となる（図６（ｂ））。この点、本発明では、レンチキュラレンズ３４が傾けて配置されることを前提に、レンチキュラレンズ３４の形状を光軸Ｆに沿った断面が円弧形状となるよう、平面視において楕円形状とした。レンチキュラレンズ３４の出射側面の形状が、光軸Ｆに沿った断面で円弧形状であるので、レンズ収差が小さくなり、立体像の鮮明度を向上させることができる。

さらに、３Ｄディスプレイ３０は、ライトフィールドディスプレイであるので、ウィンドシールドＷＳの直下に配置することができ、従来技術のような斜めに傾けて配置されたスクリーンが不要となり、光軸に沿った奥行を短くすることが可能となり、表示装置１０の小型化を図ることができる。

さらに、平面表示パネル３２の発光画素の位置を制御することにより斜め面の映像を調整できる為、取り付けの公差が緩和され、製造コストを下げることができる。

尚、本発明によるヘッドアップディスプレイの画像データ処理方法は、四輪車の他、二輪車又は三輪車に適用されても良い。更には、車両以外の乗り物や建機等にも適用が可能である。

更に、実施例において、表示部はウィンドシールドとして説明されている。しかしながら、本発明による表示装置は、いわゆるコンバイナからなる表示部に光を投射することもできる。

即ち、本発明の作用及び効果を奏する限りにおいて、本発明は、実施例に限定されるものではない。

本発明の表示装置は、車両に搭載するのに好適である。

１０…表示装置（ヘッドアップディスプレイ）、１２…制御部、３０…３Ｄディスプレイ（ライトフィールドディスプレイ）、３２…平面表示パネル、３３…シリンドリカルレンズ、３４…レンチキュラレンズ、Ｍｎ…視認者（運転者）、Ｖｅ…車両、Ｖ…虚像（像）、ＷＳ…表示部（ウィンドシールド）、Ｆ…光軸、α…傾斜角、Ｓ１…光軸に沿った断面、Ｓ２…平面視での断面。

Claims (2)

1. バックライトと、液晶パネルと、からなり、複数の画素が交互に並んで光を出射する平面表示パネル、及び、縦方向の所定方向に延びている略半円筒形状の複数のシリンドリカルレンズを横に互いに平行に並べてなるレンチキュラレンズ、からなる３Ｄディスプレイと、
   この３Ｄディスプレイから出射される光を制御する制御部と、を有し、
   前記３Ｄディスプレイから出射された光を表示部に投射し、視認者に虚像を認識させる表示装置であって、
   側面視の状態で、前記液晶パネルに対して前記レンチキュラレンズは平行に配置され、前記液晶パネル及び前記レンチキュラレンズは、前記バックライトから出射される光の光軸に対して前記シリンドリカルレンズの延び方向に傾斜して配置され、前記レンチキュラレンズの出射側面の形状が、前記レンチキュラレンズの前記横である所定の横軸を含み前記光軸に沿った断面で円弧形状であり、且つ前記レンチキュラレンズの前記横軸を含み前記レンチキュラレンズに対して垂直な断面で楕円の短軸半径が最も突出した楕円形状であることを特徴とする表示装置。
2. 前記３Ｄディスプレイは、ライトフィールドディスプレイであることを特徴とする請求項１記載の表示装置。
   

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