JPWO2018199244A1 - Display system - Google Patents
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Abstract
簡易に両眼視時の視差の増大を抑えて広い視野角を確保しやすくした表示システムを提供する。移動体用表示システム(表示システム)200は、像形成素子(描画デバイス)11と、像形成素子11によって形成された表示像を拡大して虚像として表示する表示光学系30と、観察者の視点位置を検出する運転者検出部(視点検出部)71と、表示光学系30に含まれるミラー(光学部材)17aを虚像IMの横方向に対応する方向にチルトさせる第2配置変更装置(チルト駆動部)62と、運転者検出部71によって得た視点位置に応じて、第2配置変更装置62を動作させることでミラー17aを虚像IMの横方向に対応する方向にチルトさせて姿勢を調整するとともに、表示像の位置を変える制御部18,90とを備える。Provided is a display system that easily suppresses an increase in parallax during binocular vision and easily secures a wide viewing angle. A moving object display system (display system) 200 includes an image forming element (drawing device) 11, a display optical system 30 that enlarges a display image formed by the image forming element 11 and displays it as a virtual image, and a viewer's viewpoint. A second arrangement changing device (tilt drive) for tilting a driver (a viewpoint detecting unit) 71 for detecting a position and a mirror (optical member) 17a included in the display optical system 30 in a direction corresponding to a lateral direction of the virtual image IM. The mirror 17a is tilted in the direction corresponding to the lateral direction of the virtual image IM to adjust the posture by operating the second arrangement changing device 62 in accordance with the part) 62 and the viewpoint position obtained by the driver detecting part 71. And control units 18 and 90 for changing the position of the display image.
Description
本発明は、運転者の視線の先に虚像としての画像を表示する表示システムに関するものである。 The present invention relates to a display system that displays an image as a virtual image ahead of a driver's line of sight.
ヘッドアップディスプレイ(以下、HUD(Head-Up Display)とも称す)は、例えば自動車に搭載され、描画デバイスに表示した画像を虚像として表示する投影光学系と、当該虚像を表示するための表示スクリーンとを備える。このHUDにより、運転中の運転者が視線や視点を大きく動かすことなく表示を確認することができる。 A head-up display (hereinafter, also referred to as a HUD (Head-Up Display)) is mounted on, for example, an automobile, and includes a projection optical system that displays an image displayed on a drawing device as a virtual image, and a display screen for displaying the virtual image. Is provided. This HUD allows the driver during driving to check the display without significantly moving his line of sight and viewpoint.
HUDとして、運転者の目の位置の変化に対して、コンバイナーに対する虚像の表示位置を変更可能にしたものが存在する(特許文献1,2)。この場合、投射器の位置を全体的に変更したり、光路上の特定の反射鏡の上下の傾きを調整したりすることで、運転者の目の高さ位置に応じて虚像の表示位置を変更できるようにしている。 There is an HUD in which a display position of a virtual image on a combiner can be changed in response to a change in a driver's eye position (Patent Documents 1 and 2). In this case, by changing the position of the projector as a whole or adjusting the vertical inclination of a specific reflector on the optical path, the display position of the virtual image is changed according to the height position of the driver's eyes. Make changes possible.
しかしながら、運転者の目が左右に移動することを十分に配慮した装置は存在しない。投射器の位置を全体的に変更する手法では、運転者の目の移動方向に関わらず装置が大がかりになる。また、光路上の特定の反射鏡の傾きを調整する手法では、特に運転者の目が左右両端に移動した場合に歪曲収差が大きくなり、両眼の視差が大きくなって運転者に違和感を与える。 However, there is no device that fully considers that the driver's eyes move left and right. In the method of totally changing the position of the projector, the device becomes large regardless of the moving direction of the driver's eyes. Also, in the method of adjusting the inclination of a specific reflecting mirror on the optical path, especially when the driver's eyes move to the left and right ends, the distortion increases, the parallax between both eyes increases, and the driver feels strange. .
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、簡易に両眼視時の視差の増大を抑えて広い視野角を確保しやすくした表示システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above background art, and has as its object to provide a display system that easily suppresses an increase in parallax during binocular vision and easily secures a wide viewing angle.
上述した目的のうち少なくとも一つを実現するために、本発明の一側面を反映した表示システムは、描画デバイスと、描画デバイスによって形成された表示像を拡大して虚像として表示する表示光学系と、観察者の視点位置を検出する視点検出部と、表示光学系に含まれる少なくとも1つの光学部材を虚像の横方向に対応する方向にチルトさせるチルト駆動部と、視点検出部によって得た視点位置に応じて、チルト駆動部を動作させることで少なくとも1つの光学部材を虚像の横方向に対応する方向にチルトさせて姿勢を調整するとともに、表示像の位置を変える制御部とを備える。 In order to achieve at least one of the above objects, a display system that reflects one aspect of the present invention includes a drawing device, and a display optical system that enlarges a display image formed by the drawing device and displays it as a virtual image. A viewpoint detection unit for detecting a viewpoint position of an observer, a tilt drive unit for tilting at least one optical member included in the display optical system in a direction corresponding to a lateral direction of the virtual image, and a viewpoint position obtained by the viewpoint detection unit. And controlling the tilt drive unit to tilt the at least one optical member in a direction corresponding to the lateral direction of the virtual image to adjust the attitude and change the position of the display image.
〔第1実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る表示システムの第1実施形態について説明する。本実施形態の表示システムは、車両等に搭載される移動体用表示システムとなっている。[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of a display system according to the present invention will be described with reference to the drawings. The display system according to the present embodiment is a display system for a moving object mounted on a vehicle or the like.
図1A及び1Bは、本実施形態の表示システムに組み込まれる画像表示装置100を説明する概念的な側方断面図及び正面図である。この画像表示装置100は、例えばヘッドアップディスプレイ装置として車体2内に搭載されるものであり、描画ユニット10と表示スクリーン20とを備える。画像表示装置100は、描画ユニット10中の描画デバイスである像形成素子11に表示されている画像情報を、表示スクリーン20を介して観察者としての運転者UN向けに虚像表示するものである。
1A and 1B are a schematic side sectional view and a front view illustrating an
画像表示装置100のうち描画ユニット10は、車体2のダッシュボード4内に埋め込むように設置されており、運転関連情報等を含む画像に対応する表示光HKを表示スクリーン20に向けて射出する。表示スクリーン20は、コンバイナーとも呼ばれるハーフミラーであり、半透過性を有する凹面鏡又は平面鏡である。表示スクリーン20は、後述する投影光学系17を挟んで像形成素子(描画デバイス)11の反対側つまり下流側に配置されている。表示スクリーン20は、下端の支持によってダッシュボード4上に立設され、描画ユニット10からの表示光HKを車体2の後方に向けて反射する。つまり、図示の場合、表示スクリーン20は、フロントガラス8とは別体で設置される独立型のものとなっている。ハーフミラーである表示スクリーン20で反射された表示光HKは、運転席6に座った運転者UNの瞳HT及びその周辺位置に対応するアイボックス(不図示)に導かれる。運転者UNは、表示スクリーン20で反射された表示光HK、つまり車体2の前方にある投影像としての虚像IMを観察することができる。一方、運転者UNは、ハーフミラーである表示スクリーン20を透過した外界光、つまり前方景色、自動車等の実像を観察することができる。結果的に、運転者UNは、表示スクリーン20の背後の外界像に重ねて、表示スクリーン20での表示光HKの反射によって形成される運転関連情報等を含む投影像としての虚像IMを観察することができる。
The
図2に示すように、描画ユニット10は、像形成素子11を含む虚像型の投影光学系又は反射光学系から構成される本体光学系13と、本体光学系13を動作させる表示制御部18と、本体光学系13等を収納するハウジング14とを備える。これらのうち本体光学系13と表示スクリーン(コンバイナー)20とを組み合わせたものは、表示光学系30を構成する。表示光学系30が複数の光学部材を含むことにより、収差の少ない虚像IMの投影が容易になる。なお、図2等において、座標軸xyzは、一般的な運転者UNの瞳HT間の位置に対応するアイボックスの中心を原点とするが、便宜上原点をシフトさせた状態で表示されている。
As shown in FIG. 2, the
本体光学系13は、描画デバイスである像形成素子11のほかに、像形成素子11に形成された画像を拡大投影するための拡大光学系である投影光学系17を備える。
The main body
像形成素子11は、2次元的な表示面11aを有する描画デバイスである。像形成素子(描画デバイス)11の表示面11aに形成された像は、本体光学系13の投影光学系17で拡大されて表示スクリーン20へ導かれる。この際、2次元表示が可能な像形成素子11を用いることで、表示面11aに形成される表示像や結果的に投影される虚像IMの切換えを比較的高速とできる。像形成素子11は、LCD(liquid Crystal Display)と呼ばれる液晶パネルその他の透過型の表示素子とできる。また、像形成素子11は、DMD(Digital Mirror Device)やLCOS(Liquid Crystal On Silicon)等の反射型の表示素子、反射型表示素子の像を拡大する投射光学系、及び拡散性を有する光学素子を含んだ光学系であってもよく、その場合は拡散性を有する光学素子は表示面11aと等価なものとなっている。また、反射型の表示素子の代わりに、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)を利用した走査型の映像素子を用いることもできる。
The
像形成素子11は、表示制御部18に駆動されて表示動作を行う。像形成素子11の表示面11aは部分的に利用されており、表示像は、表示面11aの部分領域に表示されている。表示制御部18からの画像信号は、後述する運転者UNの視点位置に応じて、投影光学系17を構成する光学部品のチルトに同期又は連動して表示面11aにおける表示像又は表示領域を中心から周辺に適宜シフトさせたものとできる。表示制御部18等による位置変更の対象は、像形成素子11上の表示像そのものである。この際、表示制御部18からの画像信号は、投影光学系17自体やこれを構成する光学部品のチルトに起因する歪曲収差を補正したものとすることができる。つまり、像形成素子11の表示面11aに形成する表示像に強制的な逆の歪曲収差を与えること、つまり表示像に歪曲補正を施すことで、投影される虚像IMの歪曲収差を相殺又は補正することができる。これにより、運転者UNの視点位置の移動に伴って歪曲収差が変動することを防止でき、虚像IMの自然な表示が可能になる。
The
像形成素子(描画デバイス)11は、チルト可能になっており、回動機構を含むチルト補正部である第1配置変更装置61に駆動されて光軸AXに垂直な回動軸RX1の周りに回転して傾斜する。つまり、像形成素子(描画デバイス)11は、第1配置変更装置(チルト補正部)61によってチルト状態の調整が可能になっている。ここで、像形成素子11をチルトさせる回動軸RX1は、像形成素子11の表示面11aと光軸AXとの交点を通って縦のy方向に平行な方向に延びる。このように像形成素子(描画デバイス)11をチルトさせる方向は、虚像IMの横方向つまり運転者UNの目の並ぶ方向に対応するものとなっている。第1配置変更装置(チルト補正部)61は、表示制御部18の制御下で、後述する第2配置変更装置62と同期又は連動して運転者UNの視点位置に応じて像形成素子11のチルト状態を調整するものである。第1配置変更装置61により、横方向の像面の傾きや両眼の視差を低減することができる。第1配置変更装置61は、アクチュエーターとして、ステッピングモーター、DCモーター等を備える。
The image forming element (drawing device) 11 is tiltable, and is driven by a first
投影光学系17は、像形成素子11の表示面11aに形成された表示像を表示スクリーン20と協働して拡大し、運転者UNの前方に投影像としての虚像IMを形成する。投影光学系17は、少なくとも1枚の光学部材で構成されるが、図示の例では2枚のミラー17a,17bを含む。ここで、一方のミラー(光学部材)17aは、第1の反射体であって、光路前段にある像形成素子11側に配置されており、光学的なパワーを有する第1のミラーとなっている。また、他方のミラー(光学部材)17bは、光路後段にある表示スクリーン(コンバイナー)20側に配置されており、光学的なパワーを有する第2のミラーとなっている。
The projection
ミラー17aは、チルト可能になっており、回動機構を含むチルト駆動部である第2配置変更装置62に駆動されて光軸AXを含むyz面に沿って延びる回動軸RX2の周りに回転して傾斜する。つまり、ミラー17aは、第2配置変更装置(チルト駆動部)62によってチルト状態の調整が可能になっている。ここで、ミラー17aをチルトさせる回動軸RX2は、光軸AXを含むyz平面にあり、ミラー17aと光軸AXとの交点又はミラー17aの光学面原点を通って縦のy方向に延びる。このようにミラー17aをチルトさせる方向は、虚像IMの横方向に対応するものとなっている。つまり、ミラー17aを回動軸RX2の周りに回転させチルトさせることで虚像IMを横の±x方向にシフトさせる効果がある。ミラー17aのチルトが適切であれば、ミラー17aのチルトに対して、観察者である運転者UNの視線位置が横方向に移動する動作を相殺するような作用を持たせることができる。第2配置変更装置62は、アクチュエーターとして、ステッピングモーター、DCモーター等を備える。
The
図3Aは、像形成素子11の表示面11aを説明する概念図である。表示面11aの中央には、基準表示領域AD0があり、基準表示領域AD0の上下又は縦方向である±y方向に表示可能な領域が残っている。また、基準表示領域AD0の左右又は横方向である±x方向にも表示可能な領域が残っている。運転者UNの視線位置が横方向に移動する動作を相殺するようミラー17aをチルトさせる場合、基準表示領域AD0に形成していた表示像DMを横の±x方向にシフトさせる。表示面11a上で表示像DMをシフトさせる動作は、ミラー17aをチルトさせる動作と同期又は連動したものであって、ミラー17aのチルトを減少させるようなものとする。このように、像形成素子11上の表示像DMの移動と、ミラー17aのチルトとを組み合わせて相互に補うようにすることで、運転者UNの視線位置が広範囲に亘って横方向に移動する動作を相殺するように虚像IMを移動させることができ、運転者UNの視線移動に伴ってミラー17a,17b等によって虚像IMの欠けが生じることを防止できる。つまり、投影光学系17や表示スクリーン20のサイズをあまり大きくすることなくアイボックスサイズや視野角を大きくすることができる。なお、ミラー17aのチルトだけを利用した場合、視野角を大きくすることは容易でなく、両眼の画像の相違(以下では視差と呼ぶ)が生じやすい。表示像DMのシフトだけを利用した場合も、視野角を大きくすることは容易でなく、両眼の画像の相違(視差)が生じやすい。
FIG. 3A is a conceptual diagram illustrating a
図3Aの表示面11aにおいて、点線で示すシフト表示領域AD1,AD2は、表示像DMをシフトさせる例を示している。この場合、シフト表示領域AD1,AD2は、基準表示領域AD0を±x方向にシフトさせただけでなく、基準表示領域AD0を±y方向にも若干シフトさせたものとなっている。これは、ミラー17aのチルトによって横の±x方向だけでなく縦の±y方向にも虚像IMのシフトが発生することを考慮したものである。このようにミラー17aの横方向に関するチルトに伴って表示面11a上で表示像DMを横方向(必要により、横方向及び縦方向)にシフトさせることで、運転者UNの視線移動に伴って虚像IMの欠けが生じることをより確実に防止できる。
On the
図3Bは、表示像DMを上下にシフトさせる例を示している。上下のシフト表示領域AD3,AD4は、運転者UNの上下方向の視線移動に順応させて虚像IMの欠けを防止することを目的としている。運転者UNの実際の視線移動は、縦横が複合したものであり、図3A及び3Bに示す交差する2方向への表示像DMのシフトを適宜組み合わせた画像シフトが実行される。 FIG. 3B shows an example in which the display image DM is shifted up and down. The upper and lower shift display areas AD3 and AD4 are intended to adapt to the vertical line of sight movement of the driver UN to prevent the virtual image IM from being lost. The actual line-of-sight movement of the driver UN is a composite of vertical and horizontal directions, and an image shift is executed by appropriately combining the shift of the display image DM in two intersecting directions shown in FIGS. 3A and 3B.
図4は、実施形態の表示システムとしての移動体用表示システム200を説明するブロック図であり、移動体用表示システム200は、その一部として画像表示装置100を含む。この画像表示装置100は、図2に示す構造を有するものであり、ここでは説明を省略する。図4に示す移動体用表示システム200は、移動体である自動車等に組み込まれるものである。
FIG. 4 is a block diagram illustrating a
移動体用表示システム200は、画像表示装置100のほかに、運転者検出部71と、環境監視部72と、主制御装置90とを備える。
The
運転者検出部71は、運転者UNの視点位置を検出する視点検出部であり、運転席用カメラ71aと、運転席用画像処理部71bと、判断部71cとを備える。運転席用カメラ71aは、車体2内のダッシュボード4の運転席正面に設置されており(図1B等参照)、運転者UNの頭部及びその周辺の画像を撮影する。運転席用画像処理部71bは、運転席用カメラ71aで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って判断部71cでの処理を容易にする。判断部71cは、運転席用画像処理部71bを経た運転席画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって運転者UNの頭部や目を検出するとともに、運転席画像に付随する奥行情報から車体2内における運転者UNの頭部の存否とともに運転者UNの瞳HTの空間的な位置(より具体的には、2つの瞳HTの中間位置)を算出する。
The
環境監視部72は、前方に近接する自動車、自転車、歩行者等を識別する部分であり、外部用カメラ72aと、外部用画像処理部72bと、判断部72cとを備える。外部用カメラ72aは、車体2内外の適所に設置されており、運転者UN又はフロントガラス8の前方、側方等の外部画像を撮影する。外部用画像処理部72bは、外部用カメラ72aで撮影した画像に対して明るさ補正等の各種画像処理を行って判断部72cでの処理を容易にする。判断部72cは、外部用画像処理部72bを経た外部画像からオブジェクトの抽出又は切り出しを行うことによって自動車、自転車、歩行者等の対象物の存否を検出する。
The
主制御装置90は、画像表示装置100、環境監視部72等の動作を統括的に制御している。具体的には、主制御装置90は、速度その他の運転状況に関連する情報を画像表示装置100に対して画像情報として出力し、運転状況に関連する情報を含む虚像IMを表示スクリーン(コンバイナー)20越しに投影させる。主制御装置90は、例えば環境監視部72によって検出した自動車、自転車、歩行者等の対象物の存在を画像表示装置100によって投影される虚像IM中に警告表示として含ませることもできる。また、主制御装置90は、運転者検出部71によって検出した運転者UNの視点位置に応じて画像表示装置100を動作させ、画像表示装置100によって投影される虚像IMを視点位置に適合させたものとする。つまり、主制御装置90は、運転者検出部71によって得た視点位置に応じて、第2配置変更装置(チルト駆動部)62を動作させて少なくとも1つの光学部材を虚像IMの縦方向に対応する方向にチルトさせるとともに、像形成素子11に表示する像の位置を変える。これにより、運転者UNの視点位置が横方向及び縦方向に大きく移動した際にも視野角を確保できる光学系としつつ、光学部材のサイズが増大することを抑制できる。具体的には、主制御装置90は、運転者UNの視点位置に基づいて表示制御部18を動作させ、第2配置変更装置(チルト駆動部)62によって少なくとも1つのミラー(光学部材)17aをチルトさせて姿勢を調整するとともに、像形成素子11において表示像DMの位置をシフトさせる。
The
以下、図5を参照して、第1及び第2配置変更装置61,62等に関連する表示制御部18及び主制御装置90の動作について説明する。まず、主制御装置90は、運転者検出部71によって運転者UNの目の位置(つまり視点位置であり、具体的には瞳HTの中間位置)を検出する(ステップS11)。その後、主制御装置90は、ステップS11で得た運転者UNの目の位置のx方向及びy方向に関する原点(アイボックスの中心)からの視点位置のズレ量を算出する(ステップS12)。主制御装置90は、視点位置の原点からのズレ量に基づいて、ミラー17aのチルト量を決定し、像形成素子11の表示面11a上での表示像DMを横方向及び縦方向に関するシフト量を決定するとともに、像形成素子11のチルト量を決定し、結果を表示制御部18に信号として出力する(ステップS13)。ここで、ミラー17aのチルト量は、符号としてチルト方向を含む。また、表示像DMの横方向及び縦方向に関するシフト量も、縦横の各々について符号としてシフト方向を含む。また、像形成素子11のチルト量も、符号としてチルト方向を含む。ミラー17aのチルト量、表示像DMのシフト量、及び像形成素子11のチルト量の決定は、演算によって得てもよいが、換算テーブルを利用することができる。表示制御部18は、主制御装置90からの信号、つまりミラー17aのチルト量、表示像DMのシフト量、及び像形成素子11のチルト量に基づいて、ミラー17aや像形成素子11の姿勢を調整するとともに像形成素子11に表示させる表示像DMの位置を調整する(ステップS14)。具体的には、第2配置変更装置62を介してミラー17aのチルト状態を調整し、像形成素子11の表示面11a上での表示像DMの位置を調整し、第1配置変更装置61を介して像形成素子11のチルト状態を調整する。この際、表示制御部18は、像形成素子11の表示面11a上に表示させる表示像DMに歪曲収差を与えることにより、ミラー17aのチルトの増減等によって生じる虚像IMの歪曲収差を相殺するように補正することもできる。
Hereinafter, the operations of the
図6は、図2等に示す画像表示装置100の変形例を示している。この場合、ミラー17aが横方向だけでなく縦方向にチルト可能になっている。縦方向のチルトを具体的に説明すると、ミラー17aは、第2配置変更装置62に駆動されて光軸AXを含むxz面に沿って延びる回動軸RX3の周りに回転して傾斜する。ここで、ミラー17aをチルトさせる回動軸RX3は、光軸AXを含むxz平面にあり、ミラー17aと光軸AXとの交点又はミラー17aの光学面原点を通ってx方向に延び、回動軸RX2と直交する。
FIG. 6 shows a modification of the
このように、ミラー17aが直交する2方向、具体的には虚像IMの横方向及び縦方向に対応する方向にチルト可能であり、ミラー17aの横方向及び縦方向のチルトが適切であれば、ミラー17aのこのような縦横のチルトに、運転者UNの視線位置が横方向及び縦方向に移動する2次元的な動作を相殺するような働きを持たせることができる。この場合、図3Bに示すような表示像DMの上下シフトは必須のものでなくなる。
As described above, the
図7は、図2等に示す画像表示装置100の別の変形例を示している。この場合、ミラー17aをチルトさせる回動軸RX2’は、ミラー17aと光軸AXとの交点又はミラー17aの光学面原点を通ってミラー17aの接線方向に延びる。この場合も、第2配置変更装置62によってミラー17aを回動軸RX2’の周りに回転又は傾斜させることで、虚像IMを横方向又は横方向及び縦方向にチルトさせることになる。
FIG. 7 shows another modification of the
以上で説明した第1実施形態の表示システム又は移動体用表示システム200によれば、制御部としての主制御装置90及び表示制御部18が、運転者検出部(視点検出部)71によって得た視点位置に応じて第2配置変更装置(チルト駆動部)62を動作させることで少なくとも1つの光学部材であるミラー17aを虚像IMの横方向に対応する方向にチルトさせて姿勢を調整するとともに、像形成素子11における表示像DMの位置を変えるので、虚像IMの歪曲収差等を低減して両眼の視差の増加を抑えることができ、投影光学系17等の光学部材のサイズ増大を抑制しつつ虚像IMの視野角を比較的容易に広げることができる。別の言い方をすると、虚像IMの視野角が同じ場合、従来技術と比較して光学部材のサイズを小さくすることができ、描画ユニット10の容積を少なくすることができる。
According to the display system or the moving
図8A及び8Bは、ミラー17aのチルトや像形成素子11上の表示像DMのシフトによるミラーサイズの縮小を説明する概念図である。図8Aは、ミラーチルトや表示像シフトを行った場合を示し、図8Bは、ミラーチルトや表示像シフトを行わなかった場合を示す。図8Aにおいて、アイボックスの中心に瞳HTがある場合のミラー17aの使用領域EA0を中心として、アイボックスの右上に瞳HTがある場合のミラー17aの使用領域EA1と、アイボックスの右下に瞳HTがある場合のミラー17aの使用領域EA2と、アイボックスの左上に瞳HTがある場合のミラー17aの使用領域EA3と、アイボックスの左下に瞳HTがある場合のミラー17aの使用領域EA4とがずれた位置に配置されている。図8Aの場合、ミラー17aのチルト等によって、基本の使用領域EA0に対して瞳HTの位置を大きくずらした際の使用領域EA1〜EA4のズレ量を低減し、全体領域EAの拡大を抑えている。一方、図8Bの比較例の場合、ミラー17aが固定されており、基本の使用領域EA0に対して瞳HTの位置を大きくずらした際の使用領域EA1〜EA4のズレ量が大きく、全体領域EAが大きくなっている。つまり、図8Aの場合、図8Bに比較して全体領域EAがかなり狭く、ミラー17aのサイズの大幅な低減が達成されている。
FIGS. 8A and 8B are conceptual diagrams illustrating the reduction of the mirror size due to the tilt of the
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係る表示システムについて説明する。なお、第2実施形態の表示システムは、第1実施形態の表示システムを変形したものであり、特に説明しない事項は第1実施形態と同様である。[Second embodiment]
Hereinafter, a display system according to the second embodiment will be described. Note that the display system of the second embodiment is a modification of the display system of the first embodiment, and items that are not particularly described are the same as those of the first embodiment.
図9に示すように、第2実施形態の場合、画像表示装置100において、投影光学系17を構成する残りのミラー17bもチルトさせることができる。ミラー17bの回動軸RX4は、光軸AXを含むyz平面にあり、ミラー17bと光軸AXとの交点又はミラー17bの光学面原点を通ってz方向に延びる。この場合、第2配置変更装置62によってミラー17bを回動軸RX4の周りに回転又は傾斜させることで、ミラー17bを虚像IMが基準である横方向(或いは横方向及び縦方向)にチルトさせることになる。表示光学系30に含まれる2つの光学部材を虚像IMの横方向に対応する方向にチルトさせることにより、横方向の視野角をより広くしつつ光学部材のサイズ増大を抑制することができる。
As shown in FIG. 9, in the case of the second embodiment, in the
図9に示す例では、表示スクリーン(コンバイナー)20もチルトさせることができる。表示スクリーン20の回動軸RX5は、光軸AXを含むyz平面にあり、表示スクリーン20と光軸AXとの交点又は表示スクリーン20の光学面原点を通ってy方向に延びる。この場合、不図示の配置変更装置によって表示スクリーン20を回動軸RX5の周りに回転又は傾斜させることで、表示スクリーン20を虚像IMが基準の横方向(或いは横方向及び縦方向)にチルトさせることになる。
In the example shown in FIG. 9, the display screen (combiner) 20 can also be tilted. The rotation axis RX5 of the
以上において、回動軸RX4は、ミラー17bと光軸AXとの交点を通って接線方向に延びるものであってもよい。また、回動軸RX5も表示スクリーン20と光軸AXとの交点を通って接線方向に延びるものであってもよい。
In the above, the rotation axis RX4 may extend tangentially through the intersection of the
以上において、ミラー17aや表示スクリーン20をチルトさせないで、ミラー17bのみをチルトさせることができる。また、ミラー17a,17bをチルトさせないで、表示スクリーン20のみをチルトさせることができる。
As described above, only the
〔第3実施形態〕
以下、第3実施形態に係る表示システムについて説明する。なお、第3実施形態の表示システムは、第1実施形態の表示システムを変形したものであり、特に説明しない事項は第1実施形態と同様である。[Third embodiment]
Hereinafter, a display system according to the third embodiment will be described. Note that the display system of the third embodiment is a modification of the display system of the first embodiment, and items that are not particularly described are the same as those of the first embodiment.
図10に示すように、本体光学系(投影光学系)13は、像形成素子11と投影光学系17との間に結像光学系15を有する。結像光学系15は、像形成素子11に形成された画像を拡大した中間像TIを中間スクリーンMS上に形成し、投影光学系17は、表示スクリーン20と協働して中間像TIを虚像に変換する。ここで、結像光学系15は、第1投影光学系であり、投影光学系17は、第2投影光学系である。中間スクリーンMSは、配光角を所望の角度に制御した拡散板である。拡散板には、例えば摺りガラス、レンズ拡散板、マイクロレンズアレイ等が用いられる。
As shown in FIG. 10, the main optical system (projection optical system) 13 has an imaging
像形成素子11は、表示面11a上において、表示像DMの位置をx方向やy方向に移動させることができる。この結果、中間スクリーンMS上の中間像TIの位置も、光軸AXに垂直なx方向やy方向といった直交する2方向に移動させることができる。制御部としての主制御装置90及び表示制御部18は、運転者検出部(視点検出部)71によって得た視点位置に応じて表示像としての中間像TIの位置をシフトさせる。表示制御部18等による位置変更の対象は、中間像TIとしての表示像である。この際、表示像としての中間像TIを光軸AXに垂直な方向にシフトさせる動作は、ミラー17aをチルトさせる動作と同期又は連動したものとする。なお、第1配置変更装置61によって中間スクリーンMSを回動軸RX1の周りに回転させて中間スクリーンMSを光軸AXに対してチルトさせると、表示像としての中間像TIも光軸AXに対して横方向にチルトさせることになる。
The
〔第4実施形態〕
以下、第4実施形態に係る表示システムについて説明する。なお、第4実施形態の表示システムは、第1実施形態の表示システムを変形したものであり、特に説明しない事項は第1実施形態と同様である。[Fourth embodiment]
Hereinafter, a display system according to the fourth embodiment will be described. Note that the display system of the fourth embodiment is a modification of the display system of the first embodiment, and items that are not particularly described are the same as those of the first embodiment.
図11に示すように、像形成素子11は、第1配置変更装置61によって回動軸RX1の周りに回転しチルトするだけでなく、往復駆動機構63に駆動されて光軸AXに平行な方向に往復移動する。往復駆動機構63によって像形成素子11を光軸AX方向に移動させることで、投影光学系17によって表示スクリーン(コンバイナー)20の背後に形成される虚像IMと観察者である運転者UNとの距離を長く、又は短くすることができる。このように、投影される虚像IMの位置を高速で前後に変化させるとともに、表示内容をその位置に応じたものとすることで、虚像IMまでの虚像距離を変化させつつ虚像IMを変化させることになり、一連の投影像としての虚像IMを3次元的なものとすることができる。なお、像形成素子11は、30fps以上のフレームレートで動作する。これにより、異なる投影距離に複数の投影像としての虚像IMが同時に表示されているように見せることが容易になる。
As shown in FIG. 11, the
〔実施例〕
以下、本発明に係る表示システム又は光学系の具体的な実施例を示す。以下に示す実施例のデータにおいて、Si(i=0,1,2,3,…)は、虚像IMを形成する虚像面側から数えてi番目の面(虚像IMの虚像面を第0番目の面とする)を示している。虚像面に対応する第0面S0に続く第1及び第2面S1,S2は、仮想的な面であり、第3面S3は、瞳HTに相当する。〔Example〕
Hereinafter, specific examples of the display system or the optical system according to the present invention will be described. In the data of the embodiment described below, Si (i = 0, 1, 2, 3,...) Is the i-th surface (the virtual image surface of the virtual image IM is the 0th Surface). The first and second surfaces S1 and S2 following the zeroth surface S0 corresponding to the virtual image surface are virtual surfaces, and the third surface S3 corresponds to the pupil HT.
各面Siの配置は、面頂点座標(x,y,z)と回転角度(ADE,BDE)とでそれぞれ特定される。各面Siの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点として、グローバルな直交座標系(x,y,z)におけるローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点の座標(x,y,z)で表されている(単位はmm)。また、各面Siの傾きは、その面頂点を中心とするX軸回りのADE又は回転角度(α回転)、及び、面頂点を中心とするY軸回りのBDE又は回転角度(β回転)で表されている。なお、回転角度の単位は、°であり、ADEの場合、X軸の正方向から見て時計回りの方向がα回転の回転角度の正方向とし、BDEの場合、Y軸の正方向から見て時計回りの方向がβ回転の回転角度の正方向とする。また、グローバルな直交座標系(x,y,z)は、瞳HT又は瞳面(S3)のローカルな直交座標系(X,Y,Z)と一致した絶対座標系になっている。すなわち、各面Siの配置データは、瞳面中心を原点としたグローバル座標系で表現される。なお、瞳面(S3)では、コンバイナーである表示スクリーン20から瞳HTに向かう方向が+Z方向又は+z方向であり、瞳HTに対して上方向が+Y方向又は+y方向であり、表示スクリーン(コンバイナー)20から瞳HTに向かう方向から見て左方向が+X方向又は+x方向である。つまり、X方向は、図2等に示すx方向、Y方向は、図2等に示すy方向となっている。
The arrangement of each surface Si is specified by surface vertex coordinates (x, y, z) and rotation angles (ADE, BDE). The surface vertex coordinates of each surface Si are determined by using the surface vertex as the origin of the local rectangular coordinate system (X, Y, Z), and using the local rectangular coordinate system (X, y, z) in the local rectangular coordinate system (X, y, z). It is represented by the coordinates (x, y, z) of the origin of (Y, Z) (the unit is mm). The inclination of each surface Si is represented by an ADE or rotation angle (α rotation) about the X axis about the surface vertex and a BDE or rotation angle (β rotation) about the Y axis about the surface vertex. Is represented. The unit of the rotation angle is °. In the case of ADE, the clockwise direction when viewed from the positive direction of the X axis is the positive direction of the rotation angle of α rotation. The clockwise direction is the positive direction of the β rotation angle. The global rectangular coordinate system (x, y, z) is an absolute coordinate system that matches the local rectangular coordinate system (X, Y, Z) of the pupil HT or the pupil plane (S3). That is, the arrangement data of each surface Si is expressed in a global coordinate system with the origin at the center of the pupil plane. In the pupil plane (S3), the direction from the
各実施例において、表示スクリーン(コンバイナー)20に対応する第4面S4と、ミラー17a,17bに対応する面(例えば実施例2の場合、第5及び6面S5,S6)とは、自由曲面であり、その自由曲面形状は、光学面の頂点を原点とし、光軸方向にZ軸をとり、Z軸に平行な面のサグ量をZとして、以下の「数1」で表す。
〔数1〕
ただし、
c :頂点曲率(c=1/R)
k :円錐定数
Cj:XmYnの係数
R :Y曲率半径In each embodiment, the fourth surface S4 corresponding to the display screen (combiner) 20 and the surfaces corresponding to the
[Equation 1]
However,
c: apex curvature (c = 1 / R)
k: conical constant C j: X m Y coefficient n R: Y radius of curvature
以下、本発明の表示システム又は移動体用表示システムの具体的な実施例を説明する。
〔実施例1〕
実施例1の表示システムにおける表示光学系又は投影光学系の基本的な仕様を以下の表1に示す。
〔表1〕
Hereinafter, specific examples of the display system or the display system for a moving object of the present invention will be described.
[Example 1]
Table 1 below shows basic specifications of the display optical system or the projection optical system in the display system of the first embodiment.
[Table 1]
実施例1の光学面等のデータを以下の表2に示す。
〔表2〕
Table 2 below shows data on the optical surface and the like of Example 1.
[Table 2]
実施例1のコンバイナー部分(ドライバー側光学面に相当)の面データを以下の表3に示す。表中の「*」は積を表し、「^」はべき乗を表すものとする(以降の実施例も同様)。
〔表3〕
Table 3 below shows the surface data of the combiner portion (corresponding to the optical surface on the driver side) of Example 1. In the table, “*” represents a product, and “^” represents a power (the same applies to the following examples).
[Table 3]
図12A及び12Bは、実施例1の表示光学系を構成する光学部材の具体的な配置を説明する側面図である。 FIGS. 12A and 12B are side views illustrating the specific arrangement of the optical members constituting the display optical system according to the first embodiment.
運転者(ドライバー)の位置に応じて調整した、表示スクリーン(コンバイナー)のチルト量及び表示像のシフト量を以下の表4に示す。
〔表4〕
表中で、ドライバー位置は、運転者の瞳(間隔70mm)の中間位置がアイボックス内で移動した状態における変移量(mm)を示している。また、表示スクリーン(コンバイナー)のBDEは、表示スクリーンの横回転又はY軸回りの回転の角度(°)を示す。表示像のシフト量xde,ydeの単位はmmである。以上は以降の実施例も同様である。Table 4 below shows the amount of tilt of the display screen (combiner) and the amount of shift of the display image adjusted according to the position of the driver.
[Table 4]
In the table, the driver position indicates the amount of displacement (mm) in a state where the intermediate position of the driver's pupil (interval 70 mm) has moved within the eye box. The BDE of the display screen (combiner) indicates the angle (°) of the horizontal rotation of the display screen or the rotation about the Y axis. The unit of the shift amount xde, yde of the display image is mm. The same applies to the following embodiments.
以下の表5は、運転者(ドライバー)の位置に関わらず虚像の視野角を確保するためのミラーの領域確保を説明するものである。
〔表5〕
表中の(a)欄は、ドライバーの位置(つまり一対の瞳の中間)がアイボックスの中心に位置する場合のコンバイナー使用領域を示し、(b)欄は、チルトタイプの設計で、ドライバーの位置をアイボックス内で限界まで変化させた場合のコンバイナー使用領域を示し、(c)欄は、従来型の通常の設計、つまり非チルトタイプのコンバイナーを用いてドライバーの位置をアイボックス内で限界まで変化させた場合のコンバイナー使用領域を示す。以上は以降の実施例も同様である。Table 5 below describes how to secure a mirror area for securing a virtual image viewing angle regardless of the position of the driver.
[Table 5]
The column (a) in the table shows the use area of the combiner when the position of the driver (that is, the middle of the pair of pupils) is located at the center of the eye box. The column (b) shows a tilt type design, The area where the combiner is used when the position is changed to the limit in the eye box is shown. The column (c) shows the conventional normal design, that is, the position of the driver is limited in the eye box using a non-tilt type combiner. This shows the combiner use area when changed to. The same applies to the following embodiments.
表5から明らかなように、(b)面積/(a)面積は、1.43であり、(c)面積/(a)面積は、2.48であり、(b)面積は、(c)面積の58%で済むことが分かる。 As is clear from Table 5, (b) area / (a) area is 1.43, (c) area / (a) area is 2.48, and (b) area is (c) It can be seen that 58% of the area is sufficient.
〔実施例2〕
実施例2の表示システムにおける表示光学系又は投影光学系の基本的な仕様を以下の表6に示す。
〔表6〕
[Example 2]
Table 6 below shows basic specifications of the display optical system or the projection optical system in the display system of the second embodiment.
[Table 6]
実施例2の光学面等のデータを以下の表7に示す。
〔表7〕
Table 7 below shows data on the optical surface and the like of Example 2.
[Table 7]
実施例2のコンバイナー(車でいうとウインドシールドのドライバー側光学面に相当)、及び、ミラー部分の面データを以下の表8に示す。
〔表8〕
Table 8 below shows the combiner (corresponding to the driver-side optical surface of the windshield in a car) and the mirror portion of the second embodiment.
[Table 8]
図13A及び13Bは、実施例2の表示光学系を構成する光学部材の具体的な配置を説明する側面図である。 FIGS. 13A and 13B are side views illustrating a specific arrangement of the optical members constituting the display optical system according to the second embodiment.
運転者(ドライバー)の位置に応じて調整した、ミラーのチルト量及び表示像のシフト量を以下の表9に示す。
〔表9〕
Table 9 below shows the amount of tilt of the mirror and the amount of shift of the display image adjusted according to the position of the driver.
[Table 9]
以下の表10は、運転者(ドライバー)の位置に関わらず虚像の視野角を確保するためのミラーの領域確保を説明するものである。
〔表10〕
Table 10 below describes the securing of the mirror area for securing the viewing angle of the virtual image regardless of the position of the driver.
[Table 10]
表10から明らかなように、第1のミラー(17b)については、(b)面積/(a)面積は、1.16であり、第2のミラー(17a)については、(b)面積/(a)面積は、1.11であり、チルトタイプのミラーを用いることで、アイボックスの中心での観察に必要なミラーサイズから殆ど増加しないことが分かる。 As is clear from Table 10, (b) area / (a) area is 1.16 for the first mirror (17b), and (b) area / (a) area for the second mirror (17a). (A) The area is 1.11. It can be seen that the use of the tilt type mirror hardly increases the mirror size required for observation at the center of the eye box.
〔実施例3〕
実施例3の表示システムにおける表示光学系又は投影光学系の基本的な仕様を以下の表11に示す。
〔表11〕
[Example 3]
Table 11 below shows basic specifications of the display optical system or the projection optical system in the display system of the third embodiment.
[Table 11]
実施例3の光学面等のデータを以下の表12に示す。
〔表12〕
Table 12 below shows data on the optical surface and the like of the third embodiment.
[Table 12]
実施例3のコンバイナー(車でいうとウインドシールドのドライバー側光学面に相当)、及び、ミラーの面データを以下の表13に示す。
〔表13〕
Table 13 below shows the combiner of Example 3 (corresponding to the driver-side optical surface of the windshield in a car) and the mirror surface data.
[Table 13]
図14A及び14Bは、実施例3の表示光学系を構成する光学部材の具体的な配置を説明する側面図である。 FIGS. 14A and 14B are side views illustrating the specific arrangement of the optical members constituting the display optical system according to the third embodiment.
運転者(ドライバー)の位置に応じて調整した、ミラーのチルト量及び表示像のシフト量を以下の表14に示す。
〔表14〕
Table 14 below shows the tilt amount of the mirror and the shift amount of the display image adjusted according to the position of the driver (driver).
[Table 14]
以下の表15は、運転者(ドライバー)の位置に関わらず視野を確保するためのミラーの領域確保を説明するものである。
〔表15〕
Table 15 below describes the securing of a mirror area for securing the field of view regardless of the position of the driver.
[Table 15]
表15から明らかなように、(b)面積/(a)面積は、147%であり、チルトタイプのミラーを用いることで、アイボックスの中心での観察に必要なミラーサイズから殆ど増加させないで済むことが分かる。 As is clear from Table 15, (b) area / (a) area is 147%, and by using the tilt type mirror, the mirror size required for observation at the center of the eye box is hardly increased. It turns out that it is done.
〔その他〕
以上では、具体的な実施形態としての移動体用表示システム200について説明したが、本発明に係る表示システムは、上記のものには限られない。例えば、像形成素子11の表示面11a上において表示像DMの位置をシフトさせる代わりに、像形成素子11自体を移動させることで表示像DMのシフトを行ってもよい。[Others]
In the above, the
以上では、表示スクリーン20がフロントガラス8とは別体で設置されているが、表示スクリーン20をシート状としてフロントガラス8に貼り付けることができ、表示スクリーン20をフロントガラス8中に埋め込むこともできる。この場合、表示スクリーン20をチルトさせることはできず、投影光学系17を構成する光学部材を変位させることになる。
In the above description, the
画像表示装置100については、その配置を上下反転させて、フロントガラス8の上部又はサンバイザー位置に表示スクリーン20を配置することものでき、この場合、描画ユニット10の斜め下方前方に表示スクリーン20が配置される。
The
上記実施形態において、表示スクリーン20の輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。
In the above-described embodiment, the outline of the
上記実施形態においては、表示スクリーンやミラーの光学面は対称性がある自由曲面としているが、これに限るものではなく、対称性を持たない自由曲面でもよい。 In the above embodiment, the optical surface of the display screen or the mirror is a free-form surface having symmetry. However, the present invention is not limited to this, and a free-form surface having no symmetry may be used.
上記実施形態においては、ミラーは光学面原点を回転中心としてα回転やβ回転を行っているが、それに限られるものではなく、回転中心は光学面原点と異なっていてもよい。 In the above embodiment, the mirror performs the α rotation and the β rotation about the optical surface origin as the rotation center. However, the present invention is not limited to this, and the rotation center may be different from the optical surface origin.
第1配置変更装置(チルト補正部)61は、必須のものではなく、像形成素子11を機械的に変位させない構成とできる。また、第1配置変更装置(チルト補正部)61によって、横方向だけでなく縦方向にも像形成素子11をチルトさせることができる。
The first arrangement changing device (tilt correction unit) 61 is not essential, and can be configured so as not to mechanically displace the
図2等に示す結像光学系15や投影光学系17は、単なる例示であり、これら結像光学系15及び投影光学系17の光学的構成については適宜変更することができる。
The imaging
以上で説明した画像表示装置100は、自動車やその他移動体に搭載される投影装置に限らず、デジタルサイネージ等に組み込むことができるが、これら以外の用途に適用することもできる。
The
Claims (9)
前記描画デバイスによって形成された表示像を拡大して虚像として表示する表示光学系と、
観察者の視点位置を検出する視点検出部と、
前記表示光学系に含まれる少なくとも1つの光学部材を虚像の横方向に対応する方向にチルトさせるチルト駆動部と、
前記視点検出部によって得た視点位置に応じて、前記チルト駆動部を動作させることで前記少なくとも1つの光学部材を虚像の横方向に対応する方向にチルトさせて姿勢を調整するとともに、前記表示像の位置を変える制御部とを備える表示システム。A drawing device,
A display optical system for enlarging a display image formed by the drawing device and displaying it as a virtual image,
A viewpoint detection unit that detects a viewpoint position of an observer,
A tilt drive unit that tilts at least one optical member included in the display optical system in a direction corresponding to a lateral direction of the virtual image;
According to the viewpoint position obtained by the viewpoint detection unit, the tilt drive unit is operated to tilt the at least one optical member in a direction corresponding to a lateral direction of the virtual image, thereby adjusting a posture, and displaying the display image. And a control unit for changing the position of the display.
前記制御部は、前記視点検出部によって得た視点位置に応じて、前記チルト駆動部を動作させて前記少なくとも1つの光学部材又は前記他の光学系を虚像の縦方向に対応する方向にチルトさせるとともに前記描画デバイスに表示する像の位置を変える、請求項1に記載の表示システム。The tilt drive unit tilts the at least one optical member or another optical member included in the display optical system in a direction corresponding to a vertical direction of a virtual image,
The control unit operates the tilt drive unit according to a viewpoint position obtained by the viewpoint detection unit to tilt the at least one optical member or the other optical system in a direction corresponding to a vertical direction of a virtual image. The display system according to claim 1, wherein a position of an image to be displayed on the drawing device is changed at the same time.
前記制御部は、前記視点検出部によって得た視点位置に応じて、前記表示像の位置に対応する前記中間像の位置を変える、請求項1〜3のいずれか一項に記載の表示システム。The display optical system includes a first projection optical system that forms an intermediate image from an image of the drawing device, and a second projection optical system that projects the intermediate image as a virtual image,
The display system according to claim 1, wherein the control unit changes a position of the intermediate image corresponding to a position of the display image according to a viewpoint position obtained by the viewpoint detection unit.
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