JPWO2017086242A1 - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

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Abstract

光の利用効率を向上させつつも、視点移動に伴う虚像の消え方に違和感の生じにくいヘッドアップディスプレイを提供する。
画像表示部１０は、表示領域に複数の画素１３１，１３２，１３３からなる表示画像を表示し、前記表示画像に基づく表示光Ｌを出射し、投射部２０は、画像表示部１０からの表示光Ｌを視認者側に導き、前記表示画像の虚像Ｖの少なくとも一部を視認可能な視域３を生成し、配光部１４（１３）は、表示光Ｌが出射される前記表示領域の画素毎または複数の画素を含む領域毎に表示光Ｌの配光される位置を調整し、視域３の所定の基準点から視点が離れるに従い、前記表示領域の端部から徐々に虚像Ｖとして視認できない領域が増加するように表示光Ｌを配光する。

Description

本発明は、視認者に虚像を視認させるヘッドアップディスプレイに関するものである。
従来のヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤ）が、例えば特許文献１に開示されている。このようなＨＵＤは、昼間の明るい環境でも虚像を視認者に認識させる必要があり、高輝度の虚像を生成することが要求されている。このような要求に対応するため、虚像を生成するための表示光を視認者の視点周辺の所定の領域（アイボックス）に集中させて光の利用効率を向上させることで、高輝度の虚像を実現している。
図４は、従来のＨＵＤにおける表示光が進行する様子と、アイボックスに到達する光強度とを模式的に図示したものである。
従来のＨＵＤは、表示画像（実像とも呼ぶ）を表示し、この表示画像に基づく表示光Ｍを出射するレーザーディスプレイなどからなる画像表示部５１０と、この画像表示部５１０から出射する表示光Ｍを視認者の視点周辺のアイボックス５３０に向け、画像表示部５１０に表示される表示画像の虚像を生成する投射部５２０と、から主に構成される。
図４の符号５３１，５３２，５３３それぞれは、視認者の視点周辺に配光される表示光Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の光強度分布を示している。
画像表示部５１０の任意の画素５１１，５１２，５１３から出射される表示光Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、拡散光であり、投射部５２０を介した後、図４の符号５３１，５３２，５３３に示されるようにアイボックス５３０の全域に概ね均一に配光されるように調整される。このような所定領域で概ね垂直に光強度が立ち上がる光強度分布は、トップハット状の光強度分布とも言われる。従来のＨＵＤは、表示光Ｍの配光をトップハット状にアイボックス５３０に集中させることで、視認者の視点の位置がアイボックス５３０内であれば、画像表示部５１０の各画素５１１，５１２，５１３に対応した虚像を略均一な輝度で視認させることができる。
特開２０１５−０２５９７７号公報
しかしながら、従来のＨＵＤでは、視認者の視点がアイボックスから外れると、途端に虚像全体が視認できなくなるため、虚像の消え方に違和感があるという問題が生じるおそれがあった。
そこで本発明は、前述の課題を鑑みて、光の利用効率を向上させつつも、視点移動に伴う虚像の消え方に違和感の生じにくいヘッドアップディスプレイを提供することを目的とする。
本発明は、前記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
すなわち、第１の発明におけるヘッドアップディスプレイは、表示領域に複数の画素からなる表示画像を表示し、前記表示画像に基づく表示光を出射する画像表示部と、
前記画像表示部からの前記表示光を視認者側に導き、前記表示画像の虚像の少なくとも一部を視認可能な視域を生成する投射部と、
前記画像表示部から出射される前記表示光の配光される位置を調整する配光部と、を備え、
前記配光部は、前記表示光が出射される前記表示領域の画素毎または複数の画素を含む領域毎に前記表示光の配光される位置を調整し、前記視域の所定の基準点から視点が離れるに従い、前記表示領域の端部から徐々に前記虚像として視認できない領域が増加するように前記表示光を配光する、ものである。
本発明は、光の利用効率を向上させつつも、視点移動に伴う虚像の消え方に対する違和感の生じにくくする。
以下、添付の図面に基づいて、本発明のヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤと記載）の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態のＨＵＤ１が表示光Ｌを視認者の視点周辺の視域３に向ける様子を示す模式図である。
なお、本実施形態の説明及びこの説明に用いる図面において、視認者が虚像Ｖを視認する方向をＺ軸方向とし、視認者から虚像Ｖに向かう方向をＺ軸正方向とする。また、視認者が虚像Ｖを視認する際の左右方向をＸ軸方向とし、視認者から見た右方向をＸ軸正方向とする。さらに、視認者が虚像Ｖを視認する際の上下方向をＹ軸方向とし、視認者から見た上方向をＹ軸正方向とする。
本実施形態に係るＨＵＤ１は、例えば、車両のダッシュボード内に設けられ、図１に示すように、表示光Ｌを透過反射部２に出射する。透過反射部２は、ＨＵＤ１からの表示光Ｌを視認者側に反射する。これにより、ＨＵＤ１は、視認者から見て透過反射部２の奥側（Ｚ軸正方向）に虚像Ｖを表示することができる。透過反射部２は、車両のウインドシールドなどであり、ＨＵＤ１の表示光Ｌを視認者側へ反射する透明部材である。なお、透過反射部２は、ＨＵＤ１の虚像Ｖを視認させる専用部品であるコンバイナなどであってもよく、図１に示されるような曲面形状ではなく、平面形状で形成されてもよい。
図１のＨＵＤ１は、実像である表示画像を表示し、前記表示画像の表示光Ｌを出射する画像表示部１０と、画像表示部１０の表示光Ｌを視認者側に反射し、画像表示部１０が表示する前記表示画像の虚像Ｖを視認可能な視域３を生成する投射部２０と、を備える。
投射部２０は、例えば自由曲面を有する凹面鏡であり、画像表示部１０が表示する前記表示画像を適宜拡大した虚像Ｖを生成する拡大機能、透過反射部２の曲面により生じる虚像Ｖの歪みを補正する歪み補正機能、虚像Ｖが結像される結像位置を設定する結像位置設定機能などを有していてもよい。なお、本実施形態における投射部２０は、反射光学系である凹面鏡で構成した例を示すが、凹面鏡以外の凸面鏡や平面鏡などを適宜追加してもよい。また、投射部２０は、レンズなどの屈折光学系で有していてもよい。
図２は、Ｙ−Ｚ平面における画像表示部１０の各画素１３１，１３２，１３３から出射される表示光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の経路と、この表示光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の視域３のＹ軸方向の光強度分布３１，３２，３３を示した図である。
画像表示部１０は、実像である表示画像を表示し、配光を調整した表示光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を各画素１３１，１３２，１３３から出射する。各画素１３１，１３２，１３３から出射される表示光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の配光特性は、投射部２０及び透過反射部２を通過した後、虚像Ｖの少なくとも一部が視認可能な領域である視域３内の所定の領域で略均一なトップハット状の光強度分布を有するように調整される。
表示光Ｌの中心となる光線を主光線Ｌｐとすると、画像表示部１０に表示される前記表示画像の中心となる画素１３２から出射される表示光Ｌ２の主光線Ｌ２ｐは、視域３の概ね中心（基準点）に向けられ、この主光線Ｌ２ｐが到達した位置を中心とする領域３２ｖに略均一な光強度分布を形成する。また、前記表示画像の上端（前記表示画像のＹ軸正方向の端部）となる画素１３１から出射される表示光Ｌ１の主光線Ｌ１ｐは、視域３の中心より下側にずれた位置に向けられ、この主光線Ｌ１ｐが到達した位置を中心とする領域３１ｖに略均一な光強度分布を形成する。さらに、前記表示画像の下端（前記表示画像のＹ軸負方向の端部）となる画素１３３から出射される表示光Ｌ３の主光線Ｌ３ｐは、視域３の中心より上側にずれた位置に向けられ、この主光線Ｌ３ｐが到達した位置を中心とする領域３３ｖに略均一な光強度分布を形成する。
すなわち、前記表示画像の各画素１３１，１３２，１３３から出射される表示光Ｌの主光線Ｌ１ｐ，Ｌ２ｐ，Ｌ３ｐは、画像表示部１０から視域３までの間に一度交差することで、配光される位置が上下反転する。これにより、視認者の視点が視域３内の中心領域であるアイボックス３ａ内である場合、各画素１３１，１３２，１３３から出射される表示光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の全てが配光されるため、視認者は、画像表示部１０に表示される前記表示画像の上端１３１から下端１３３までの全体の虚像Ｖを視認することができるが、視認者の視点が視域３内のアイボックス３ａより上方の領域３ｂに位置する場合、前記表示画像の上端の画素１３１から出射される表示光Ｌ１が配光されないため、視認者は、画像表示部１０に表示される前記表示画像の上端の画素１３１が虚像Ｖとして視認できなくなり、さらに、視認者の視点が視域３内のアイボックス３ａより上方の領域３ｃに位置する場合、前記表示画像の中心の画素１３２も虚像Ｖとして視認できなくなる。また、視認者の視点が視域３内のアイボックス３ａより下方の領域３ｄに位置する場合、前記表示画像の上端の画素１３３から出射される表示光Ｌ３が配光されないため、視認者は、画像表示部１０に表示される前記表示画像の上端の画素１３３が虚像Ｖとして視認できなくなり、さらに、視認者の視点が視域３内のアイボックス３ａより下方の領域３ｅに位置する場合、前記表示画像の中心の画素１３２も虚像Ｖとして視認できなくなる。すなわち、画像表示部１０が表示する前記表示画像の各画素から出射される表示光Ｌの配光位置を、視域３内でそれぞれずらして配光しているため、視点移動に伴い、前記表示画像に基づく虚像Ｖの全体が一度に視認できなくなることを防止することができる。
また、各画素１３１，１３２，１３３から出射される表示光Ｌの視域３における配光の広さ３１ｖ，３２ｖ，３３ｖを均一に調整し、表示光Ｌの配光位置は、出射される画素が中心画素１３２から離れるに従い、中心画素１３２から出射される表示光Ｌの光強度分布３２に対して大きくずれるように調整される。これにより、各画素１３１，１３２，１３３が視認可能な視域３内の広さが一定となり、視点の移動量に対する虚像Ｖが視認できなくなる領域の増加量を一定にすることができ、視点移動に伴う虚像の消え方をより自然にすることができる。
また、一次方向（例えば、上下Ｙ軸方向や左右Ｘ軸方向）に配列される画素から出射される表示光Ｌの主光線Ｌｐを、一度交差した後、視域３に到達させることで、各表示光Ｌの配光される位置が一次方向（例えば、上下Ｙ軸方向）で反転するため、視点が視域３の中心点（所定の基準点の例）から上側に離れるにつれ、虚像Ｖの上端から徐々に視認できなくなる領域が増加し、視点が視域３の前記中心点から下側に離れるにつれ、虚像Ｖの下側から徐々に視認できなくなる領域が増加する。このように、視点を所定の方向に移動させると、視認される像が前記所定の方向から徐々に視認できなくなる領域が増加する視認態様は、一般的な所定の開口を覗いた際に視認される像の視認態様と同様となり、虚像の消え方に違和感が生じにくくなる。
なお、主光線Ｌｐが画像表示部１０から視域３までに間に交差する回数は、一回だけではなく、三回や五回などの奇数回であってもよい。
画像表示部１０の具体的な構成の第一実施形態を以下に説明する。
第一実施形態における画像表示部１０は、例えば、図２に示すように、レーザー光を出射するレーザー光源１１と、レーザー光源１１が出射するレーザー光を二次元的に走査することが前記表示画像を生成するＭＥＭＳミラーなどからなる走査部１２と、走査部１２が走査した光を受けて前記表示画像を表示し、前記表示画像に基づく表示光Ｌを出射するスクリーン１３と、走査部１２からスクリーン１３に向かう光の光路上に位置し、スクリーン１３の各画素から出射される表示光Ｌの主光線Ｌｐの方向を調整するフィールドレンズ１４と、から主に構成される。
スクリーン１３は、走査部１２からの光を拡散し、所望の配光に調整した表示光Ｌを出射するものであり、例えば、レンズアレイスクリーンやディヒューザースクリーンなどで構成される。スクリーン１３は、画素毎、または複数の画素を含む領域毎に表示光Ｌの配光特性を調整し、視域３内に光強度分布が略均一な領域を形成する。
フィールドレンズ（配光部）１４は、正のパワーを有する屈折型光学系であり、例えば、走査部１２側が平面の片凸レンズなどで構成され、スクリーン１３の画素毎、または複数の画素を含む領域毎から出射される表示光Ｌの主光線Ｌｐの方向を調整し、視域３内の所望の位置に表示光Ｌを配光する。なお、本発明における配光部１４は、出射される表示光Ｌの主光線Ｌｐの方向（角度）を調整すればよいので、正のパワーを有する反射型光学系である、例えば、凹面鏡などで構成されてもよい。
なお、スクリーン１３を、入射側と出射側とがレンズアレイからなるダブルレンズアレイスクリーンで構成してもよい。この場合、ダブルレンズアレイスクリーンからなるスクリーン１３は、入射側のレンズアレイの位置に対する出射側のレンズアレイの位置をずらすことで、画素毎、または複数の画素を含む領域毎に表示光Ｌの主光線Ｌｐの出射方向を調整して配光位置を調整することが可能となる。すなわち、スクリーン１３自体に、スクリーン１３から出射される表示光Ｌの配光される位置を調整する配光部としての機能を備えても良い。この場合、フィールドレンズ１４を省略してもよい。また、スクリーン１３の各画素に入射する表示光Ｌの角度を調整可能に、走査部１２を制御することで、フィールドレンズ１４を省略してもよい。
なお、図２に示した第一実施形態における画像表示部１０では、レーザー走査型の表示装置（レーザー光源１１及び走査部１２）を用いて前記表示画像をスクリーン１３上に表示させていたが、投影型の表示装置であれば、第一実施形態におけるレーザー走査型の表示装置に代わり、ＤＭＤ素子や反射型液晶表示素子を用いた表示装置を適用してもよい。
これより、図３を用いて、第二実施形態の画像表示部１０ａの具体的な構成を説明する。なお、第一実施形態と同じ構成については、同じ符号を付して説明は省略する。第二実施形態における画像表示部１０ａは、液晶表示素子などの透過型表示素子１３ａを用いる点で第一実施形態とは異なる。第二実施形態における画像表示部１０ａは、光源１１ａからの光を受けて、各画素を選択的に制御することで透過型表示素子１３ａに前記表示画像を表示する。第二実施形態におけるフィールドレンズ（配光部）１４は、光源１１ａから透過型表示素子１３ａに向かう光の入射角度を調整することで、透過型表示素子１３ａの各画素１３１ａ，１３２ａ，１３３ａから出射される表示光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の主光線Ｌ１ｐ，Ｌ２ｐ，Ｌ３ｐの方向を調整し、視域３内に第一実施形態と同様に、画像表示部１０が表示する前記表示画像の画素毎、または複数の画素を含む領域毎から出射される表示光Ｌの配光位置を、視域３内でそれぞれずらして配光しているため、視点移動に伴い、前記表示画像に基づく虚像Ｖの全体が一度に視認できなくなることを防止することができる。
以上に説明したように、本発明ヘッドアップディスプレイは、表示領域に複数の画素１３１，１３２，１３３からなる表示画像を表示し、前記表示画像に基づく表示光Ｌを出射する画像表示部１０と、画像表示部１０からの表示光Ｌを視認者側に導き、前記表示画像の虚像Ｖの少なくとも一部を視認可能な視域３を生成する投射部２０と、画像表示部１０から出射される表示光Ｌの配光される位置を調整する配光部１４（１３）と、を備え、配光部１４（１３）は、表示光Ｌが出射される前記表示領域の画素毎または複数の画素を含む領域毎に表示光Ｌの配光される位置を調整し、視域３の所定の基準点から視点が離れるに従い、前記表示領域の端部から徐々に虚像Ｖとして視認できない領域が増加するように表示光Ｌを配光する。このように、表示領域の画素毎または複数の画素を含む領域毎で、視域３内の配光される位置をずらしておくことで、視点移動に伴い、前記表示画像に基づく虚像Ｖの全体が一度に視認できなくなることを防止することができる。さらに、視点移動に伴い、表示領域の端部から徐々に虚像Ｖとして視認できない領域を増加させるように表示光Ｌを配光しているため、主要となる表示領域の中央箇所が突然視認できなくなることを防止することができる。
また、配光部１４（１３）は、視点が視域３内の中心領域であるアイボックス３ａ内である場合、視表示領域の全体を虚像Ｖとして視認可能とするように表示光Ｌを配光する。これにより、視点移動が所定の領域（アイボックス３ａ）内であれば、虚像Ｖの全体を輝度変化がない良好な表示品位で視認させることが可能となる。
上記実施形態では、表示領域の上下方向に配列された画素１３１，１３２，１３３毎から出射される表示光Ｌの主光線Ｌｐが奇数回交差した後、視域３に到達するように表示光Ｌを配光していたが、表示領域の左右方向に配列された画素毎から出射される表示光Ｌの主光線Ｌｐが奇数回交差した後、視域３に到達するように表示光Ｌを配向してもよい。
なお、左右方向の視点の移動量に応じた虚像Ｖの視認できなくなる領域の増加率は、上下方向の視点の移動量に応じた虚像Ｖの視認できなくなる領域の増加率より小さくしてもよい。すなわち、左右方向に視点を移動させた際は、虚像Ｖの視認できなくなる領域は、緩やかに増加するのに対し、上下方向に視点を移動させた際、虚像Ｖの視認できなくなる領域は、急激に増加する。これにより、上下方向における表示光Ｌの配光を集中させることができるため、光の利用効率を上昇させつつ、視認者が意図して移動させる傾向が強い左右方向の視点移動については、虚像Ｖの視認できなくなる領域の増加を緩やかにすることができる。
本発明のヘッドアップディスプレイが表示光を視域に向ける様子を示す模式図である。 本発明の第一実施形態の画像表示部の各画素から出射される表示光の経路と、この表示光のアイボックスの光強度分布を示す図である。 本発明の第二実施形態の画像表示部の各画素から出射される表示光の経路と、この表示光のアイボックスの光強度分布を示す図である。 従来の画像表示部の各画素から出射される表示光の経路と、この表示光のアイボックスの光強度分布を示す図である。
本発明は、虚像を生成するヘッドアップディスプレイに適用可能であり、特に車両に搭載するヘッドアップディスプレイに好適である。
１ ＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）
２ 透過反射部
３ 視域
１０ 画像表示部
１１ レーザー光源
１２ 走査部
１３ スクリーン
１４ フィールドレンズ（配光部）
２０ 投射部
３１，３２，３３ 光強度分布
１３１、１３２，１３３ 画素

Ｌ（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３） 表示光
Ｌｐ（Ｌ１ｐ，Ｌ２ｐ，Ｌ３ｐ） 主光線

Claims (4)

  1. 表示領域に複数の画素からなる表示画像を表示し、前記表示画像に基づく表示光を出射する画像表示部と、
    前記画像表示部からの前記表示光を視認者側に導き、前記表示画像の虚像の少なくとも一部を視認可能な視域を生成する投射部と、
    前記画像表示部から出射される前記表示光の配光される位置を調整する配光部と、を備え、
    前記配光部は、前記表示光が出射される前記表示領域の画素毎または複数の画素を含む領域毎に前記表示光の配光される位置を調整し、前記視域の所定の基準点から視点が離れるに従い、前記表示領域の端部から徐々に前記虚像として視認できない領域が増加するように前記表示光を配光する、ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
  2. 前記配光部は、前記視域の前記基準点を含む所定領域内では、前記表示領域の全体を前記虚像として視認可能とするように前記表示光を配光する、ことを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
  3. 前記視域に配光される前記表示光は、トップハット状の光強度分布を有する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ。
  4. 前記配光部は、前記表示領域の少なくとも一次方向に配列された前記画素毎から出射される前記表示光の主光線が奇数回交差した後、前記視域に到達するように前記表示光を配光する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
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