JPWO2017188008A1 - 表示装置 - Google Patents

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Abstract

表示品位の高い表示装置を提供する。
ヘッドアップディスプレイ装置１００は、表示光Ｌを出射する単一の表示器１２０と、表示光Ｌを受けて表示光Ｌ１と表示光Ｌ２を生成し、表示光Ｌ２における自身から結像位置までの距離を表示光Ｌ１における自身から結像位置までの距離よりも長く設定する結像位置調整ミラー１４０と、表示光Ｌ１の結像位置に設置される第１のスクリーン１５０と、表示光Ｌ２の結像位置に設置される第２のスクリーン１６０と、を備え、第２のスクリーン１６０の配光角は、第１のスクリーン１５０の配光角よりも大きく設定される。

Description

本発明は、表示装置に関する。
車両用表示装置として、特許文献１に開示されるような、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：Ｈｅａｄ−Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）装置が知られている。ＨＵＤ装置は、画像に対応する表示光をウインドシールド等の被投射部材に投射することで虚像を表示する。
例えば、特許文献１に開示されたＨＵＤ装置においては、１つの表示器にて視認者から見て距離の異なる２つの虚像が表示される。具体的には、ＨＵＤ装置は、第１および第２の投影光を生成して出射する表示器と、第１および第２の投影光の結像距離を調整する結像位置調整ミラーと、結像位置調整ミラーからの第１および第２の投影光を受けて結像する第１および第２のスクリーンと、を備える。第１および第２のスクリーンは、それぞれ結像位置調整ミラーから異なる距離だけ離れた位置に設けられる。
特開２０１６−４５２５２号公報
結像位置調整ミラーは、第１および第２の投影光の像側ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）を調整することで、結像距離を調整している。具体的には、表示器から離れた位置に配置される第２のスクリーンで結像する第２の投影光は、第２のスクリーンより表示器に近い位置に配置される第１のスクリーンで結像する第１の投影光よりも像側ＮＡが小さくなることが一般的である。スクリーンは、結像する投影光の像側ＮＡの大きさに応じた拡散角度を持つ光を出射する。具体的には、像側ＮＡが大きければ、スクリーンが出射する光の拡散角度も大きくなり、像側ＮＡが小さければ、スクリーンが出射する光の拡散角度も小さくなる。すなわち、第１および第２のスクリーンは、入射する投影光の像側ＮＡの違いにより、出射する光の拡散角度が異なってしまう。
スクリーンから出射される拡散角度は、視認者の視域であるアイボックスへの光の照射範囲に影響する。例えば、スクリーンから所望の拡散角度よりも大きい拡散角度の光が出射されると、アイボックスを超えた範囲に光が照射されるため虚像の輝度が低下する。一方、スクリーンから所望の拡散角度よりも小さい拡散角度の光が出射されると、アイボックス全域を均一に照射することができず虚像全体の輝度の均斉を図ることが困難となる。何れの場合にも表示品位が低下する一因となる。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、表示品位の高い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の本発明に係る表示装置は、
表示光を出射する単一の表示器と、
前記表示光を受けて第１および第２の表示光を生成し、前記第２の表示光における自身から結像位置までの距離を前記第１の表示光における自身から結像位置までの距離よりも長く設定する結像位置調整部と、
前記第１の表示光の結像位置に設置される第１のスクリーンと、
前記第２の表示光の結像位置に設置される第２のスクリーンと、を備え、
前記第２のスクリーンの配光角は、前記第１のスクリーンの配光角よりも大きく設定される。
本発明によれば、表示品位の高い表示装置を提供できる。
一実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の構成を示す概略図である。 一実施の形態に係る（ａ）および（ｂ）は第１のスクリーンおよび第２のスクリーンの構成を説明するための図である。 比較例に係るヘッドアップディスプレイ装置の、第１のスクリーンおよび第２のスクリーンから出射される表示光について説明するための概略図である。 一実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ装置の、第１のスクリーンおよび第２のスクリーンから出射される表示光について説明するための概略図である。 変形例に係る（ａ）および（ｂ）は第１のスクリーンおよび第２のスクリーンを説明するための図である。
以下、本発明の一実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置（以下、「ＨＵＤ装置」と称する。）について、添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態に係るＨＵＤ装置１００は、自動車などの車両に搭載されるものである。図１に示すように、ＨＵＤ装置１００は、筐体１１０と、表示器１２０と、フォールドミラー１３０と、結像位置調整ミラー１４０と、第１のスクリーン１５０と、第２のスクリーン１６０と、平面鏡１７０と、凹面鏡１８０と、制御部１９０と、を備える。
このＨＵＤ装置１００では、表示器１２０から表示光Ｌ（Ｌ１、Ｌ２）が、フォールドミラー１３０、結像位置調整ミラー１４０を介して第１のスクリーン１５０、第２のスクリーン１６０へ出射される。これらの表示光Ｌ１、Ｌ２が第１のスクリーン１５０、第２のスクリーン１６０に結像することで、それぞれ表示画像が表示され、表示画像のそれぞれに対応する表示光Ｎ１、Ｎ２が出射し、平面鏡１７０、凹面鏡１８０で順次反射される。そして、凹面鏡１８０で反射された表示光Ｎ１、Ｎ２は、車両のフロントガラス２００へ照射される。これにより、視認者（主に運転者Ｅ）は、表示光Ｎ１により形成される第１の虚像Ｖ１と、表示光Ｎ２により形成される第２の虚像Ｖ２と、を視認できる。第１の虚像Ｖ１は、運転者Ｅから見て遠方の、路面に沿う水平方向に伸びる第１の表示領域Ａ１に形成される。本実施の形態では、第１の表示領域Ａ１は運転者Ｅから見て開口部が下方を向く凹状に形成されている。第２の虚像Ｖ２は、運転者Ｅから見て第１の虚像Ｖ１より近傍に位置し、運転者Ｅの視線方向に対して垂直方向に延びる第２の表示領域Ａ２に形成される。本実施の形態では、第２の表示領域Ａ２は、第１の表示領域Ａ１より面積が小さく、第１の表示領域Ａ１の下側において第１の表示領域Ａ１の欠落した部分を埋める長方形状をなす。
筐体１１０は、箱状であり、ＨＵＤ装置１００の各種部材を収納する。筐体１１０は、例えば黒色の合成樹脂から形成されている。筐体１１０の周壁の一部には、表示光Ｎ１、Ｎ２を筐体１１０の内側から外側へ通過させるための開口部１１１が設けられている。この開口部１１１は、透光性のカバー１１２で覆われている。
表示光Ｌをそれぞれ第１のスクリーン１５０、第２のスクリーン１６０へ出射する表示器１２０は、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＬＣＯＳ（登録商標：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｌｉｃｏｎ）などの反射型表示素子や、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）液晶パネルなどの透過型表示素子を有する。この表示器１２０は、制御部１９０から入力される制御信号により、２つの表示画像に対応する表示光Ｌ１、Ｌ２をフォールドミラー１３０へ出射する。
フォールドミラー１３０は、合成樹脂やガラスから形成された平板状の基材の一表面に金属の反射膜が形成されてなる平面鏡から構成され、表示器１２０から出射された表示光Ｌを結像位置調整ミラー１４０へ反射する。
結像位置調整ミラー（結像位置調整部）１４０は、合成樹脂やガラスから形成された平板状の基材の一表面に金属の反射膜が形成されてなり、２つの焦点距離（結像距離）を持つバイフォーカルミラーから構成される。結像位置調整ミラー１４０は、平坦な形状を有する第１の反射面１４１と、曲面凸状の第２の反射面１４２と、を有し、これらの反射面１４１，１４２は同一面上に隣接して形成される。
第１の反射面１４１に入射した表示光Ｌは、表示器１２０から第１の結像距離Ｆ１だけ離れた位置で結像する第１の表示光Ｌ１として反射する。第２の反射面１４２に入射した表示光Ｌは、表示器１２０から第２の結像距離Ｆ２だけ離れた位置で結像する第２の表示光Ｌ２として反射する。本実施の形態において、第１の表示光Ｌ１の第１の結像距離Ｆ１は、第２の表示光Ｌ２の第２の結像距離Ｆ２より短く設定されている。表示光Ｌ２の結像距離Ｆ２が、表示光Ｌ１の結像距離Ｆ１より長いので、表示光Ｌ１の結像角度θ１が、表示光Ｌ２の結像角度θ２よりも小さくなる。
平面鏡１７０は、第１のスクリーン１５０から入射した表示光Ｎ１と第２のスクリーン１６０から入射した表示光Ｎ２を、凹面鏡１８０へ反射する。この平面鏡１７０は、合成樹脂やガラス等から形成された平板状の基材の一表面に金属の反射膜が形成されたものである。
凹面鏡１８０は、２つの表示光Ｎ１、Ｎ２をフロントガラス２００へ向けて反射する。この凹面鏡１８０は、合成樹脂やガラス等から形成された基材の一表面に金属の反射膜が形成されたものである。平面鏡１７０と凹面鏡１８０は、２つの表示光Ｎ１、Ｎ２をフロントガラス２００へ導く光学系を構成している。
制御部１９０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などを備え、記憶部（図示せず）に記憶されている制御プログラムを実行し、表示器１２０による表示を制御する。
第１のスクリーン１５０と第２のスクリーン１６０は、図２（ａ）、（ｂ）に例示するように、マイクロレンズアレイ１５２、１６２を備えた透過型スクリーンである。各マイクロレンズアレイ１５２、１６２は、凸レンズがマトリクス状に配置されてなる。表示器１２０から第１のスクリーン１５０の一面側に表示光Ｌ１が入射すると、その他面側に表示画像が表示される。また、表示器１２０から第２のスクリーン１６０の一面側に表示光Ｌ２が入射すると、その他面側に表示画像が表示される。第１のスクリーン１５０の上記他面側から出射される表示画像に対応する表示光Ｎ１は、平面鏡１７０に向けて出射される。また、第２のスクリーン１６０の上記他面側から出射される表示画像に対応する表示光Ｎ２も、平面鏡１７０に向けて出射される。
第１のスクリーン１５０のマイクロレンズアレイ１５２の配列ピッチＰ１は、第２のスクリーン１６０のマイクロレンズアレイ１６２の配列ピッチＰ２よりも小さい。これにより、仮に、表示光Ｌ１と表示光Ｌ２の結像角度が互いに等しい場合、表示光Ｎ１の拡散角度Ｄ１より表示光Ｎ２の拡散角度Ｄ２の方が大きくなる。言い換えると、第２のスクリーン１６０の配光角θｙは、第１のスクリーン１５０の配光角θｘよりも大きく設定される。この配光角θｘ、θｙは、第１のスクリーン１５０および第２のスクリーン１６０の仕様によって定まる値であって、単位結像角度あたりの拡散角度により求められる。
次に、第１のスクリーン１５０から出射される表示光Ｎ１および第２のスクリーン１６０から出射される表示光Ｎ２について、図３、図４を参照し、比較例に係るＨＵＤ装置１０００と比較しつつ説明する。
図３に示すＨＵＤ装置１０００は、第１のスクリーン１５０、第２のスクリーン１６０として同一の配光角を持つスクリーンを適用したものである。すなわち、第１のスクリーン１５０への入射光の結像角度と第２のスクリーン１６０への入射光の結像角度が等しい場合、同一拡散角度の表示光が第１のスクリーン１５０と第２のスクリーン１６０からそれぞれ出射される。なお、その他の構成は、ＨＵＤ装置１００と同様である。また、図３、図４において、説明を容易にするため、フォールドミラー１３０の図示を省略している。
このＨＵＤ装置１０００において、表示器１２０から出射される表示光Ｌ１、Ｌ２は、結像位置調整ミラー１４０によって、第１のスクリーン１５０への結像角度θ１と第２のスクリーン１６０への結像角度θ２とが異なる（本実施の形態において、結像角度θ１＞結像角度θ２）。
第１のスクリーン１５０は、入射した表示光Ｌ１に対応する表示光Ｎ１を、拡散角度Ｄ１で出射する。第２のスクリーン１６０は、入射した表示光Ｌ２に対応する表示光Ｎ２を、拡散角度Ｄ２で出射する。ここで、結像角度θ１＞結像角度θ２であり、かつ第１のスクリーン１５０、第２のスクリーン１６０は同一のスクリーンであるため、拡散角度Ｄ１＞拡散角度Ｄ２となる。
このように、ＨＵＤ装置１０００では、表示光Ｎ１の拡散角度Ｄ１と、表示光Ｎ２の拡散角度Ｄ２とが異なるため、表示光Ｎ１および表示光Ｎ２の、運転者ＥのアイボックスＢへ照射する際の照射範囲が異なる。このため、上記背景技術で説明したように、ＨＵＤ装置１０００では表示品位を高めることが難しい。
一方、図４に示すように、本実施の形態に係るＨＵＤ装置１００において、結像角度θ１と結像角度θ２は、ＨＵＤ装置１０００と同様に結像角度θ１＞結像角度θ２であるものの、第１のスクリーン１５０の配光角θｘより、第２のスクリーン１６０の配光角θｙの方が大きいため、拡散角度Ｄ２が拡散角度Ｄ１に近づく。本実施の形態では、拡散角度Ｄ２が拡散角度Ｄ１と等しくなる。これにより、第１のスクリーン１５０の配光角θｘおよび第２のスクリーン１６０の配光角θｙは、第１の表示光Ｌ１および第２の表示光Ｌ２が運転者ＥのアイボックスＢを均一に照射するように設定される。よって、表示光Ｎ１および表示光Ｎ２の、運転者ＥのアイボックスＢへ照射する際の照射範囲は概ね等しい。従って、上記背景技術で説明したように、ＨＵＤ装置１００の表示品位を高めることができる。
以上、本発明の一実施の形態について説明した。本実施の形態に係るＨＵＤ装置１００は、表示光Ｌ１の結像角度θ１と表示光Ｌ２の結像角度θ２の違いにあわせて、マイクロレンズアレイ１５２の配列ピッチＰ１とマイクロレンズアレイ１６２の配列ピッチＰ２とが互いに異なるピッチであることにより、第１のスクリーン１５０の配光角θｘおよび第２のスクリーン１６０の配光角θｙが調整される。これにより、表示光Ｎ１の拡散角度Ｄ１と表示光Ｎ２の拡散角度Ｄ２が等しくなる。このため、ＨＵＤ装置１００の表示品位を高めることができる。
本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形および応用が可能である。
本実施の形態に係るＨＵＤ装置１００は、２つのスクリーン（第１のスクリーン１５０、第２のスクリーン１６０）を備える例によって説明したが、これに限らず、スクリーンを３つ以上備えてもよい。
本実施の形態に係るＨＵＤ装置１００において、第１のスクリーン１５０の配光角θｘおよび第２のスクリーン１６０の配光角θｙを調整するべく、第１のスクリーン１５０のマイクロレンズアレイ１５２の配列ピッチＰ１と第２のスクリーン１６０のマイクロレンズアレイ１６２の配列ピッチＰ２とが互いに異なる例によって説明したが、これに限らず、例えば、マイクロレンズアレイ１５２とマイクロレンズアレイ１６２の曲率半径が互いに異なるように構成してもよい。具体的には、曲率半径が小さいほど配光角が大きくなることを利用して、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、各マイクロレンズアレイ１５２、１６２の配列ピッチＰ（Ｐ１、Ｐ２）は同一のまま、マイクロレンズアレイ１６２の曲率半径をマイクロレンズアレイ１５２より小さくすることで、拡散角度Ｄ２が拡散角度Ｄ１に近づく。また、配列ピッチＰ（Ｐ１、Ｐ２）と曲率半径の両方を異ならせることで配光角θｘ、θｙを調整してもよい。
なお、本発明の結像位置調整ミラー１４０は、上述した反射型の結像位置調整ミラー１４０で構成する場合に限らず、屈折型の結像位置調整レンズ（図示しない）で構成することもできる。この結像位置調整レンズは、例えば、同じ屈折力を有する２つのレンズを、表示光Ｌ１と表示光Ｌ２との光路上であり、表示器１２０までの距離が異なる位置にそれぞれ配置することで結像距離を調整してもよい。また、この結像位置調整レンズは、異なる屈折力を有する２つのレンズを、表示光Ｌ１と表示光Ｌ２との光路上にそれぞれ配置することで結像距離を調整してもよい。
また、本発明の第１のスクリーン１５０および第２のスクリーン１６０は、上記実施形態で説明したマイクロレンズアレイを用いたもの以外に、例えば、ホログラフィックディフューザや拡散板などの透過型スクリーンを適用してもよい。これら透過スクリーンであっても、構造、材料、組成、製造方法、部材の組み合わせ方などを調整することで、スクリーンの配光角を調整することが可能である。
本発明は、画像を表示する表示装置や、虚像を表示するヘッドアップディスプレイ装置などに適用することができる。
１００、１０００ ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ装置）
１１０ 筐体
１１１ 開口部
１１２ カバー
１２０ 表示器
１３０ フォールドミラー
１４０ 結像位置調整ミラー（結像位置調整部）
１５０ 第１のスクリーン
１５２ マイクロレンズアレイ
１６０ 第２のスクリーン
１６２ マイクロレンズアレイ
１７０ 平面鏡
１８０ 凹面鏡
１９０ 制御部
２００ フロントガラス
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２、Ｎ１、Ｎ２ 表示光
Ｅ 運転者

Claims (2)

  1. 表示光を出射する単一の表示器と、
    前記表示光を受けて第１および第２の表示光を生成し、前記第２の表示光における自身から結像位置までの距離を前記第１の表示光における自身から結像位置までの距離よりも長く設定する結像位置調整部と、
    前記第１の表示光の結像位置に設置される第１のスクリーンと、
    前記第２の表示光の結像位置に設置される第２のスクリーンと、を備え、
    前記第２のスクリーンの配光角は、前記第１のスクリーンの配光角よりも大きく設定される、
    表示装置。
  2. さらに、前記第１および第２のスクリーンからの前記第１および第２の表示光を被投射部材に導くことで、前記被投射部材に反射した前記第１および第２の表示光を視認者のアイボックスに照射する光学系を備え、
    前記第１および第２のスクリーンの配光角は、前記第１および第２の表示光が前記アイボックスを均一に照射するように設定される、
    請求項１に記載の表示装置。
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