JPWO2019003669A1 - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

比較的大面積の矩形断面を有する画像光を通過させる開口部を有しながらも、回転板の小径化を図ることができる画像表示装置を得る。画像表示装置は、矩形断面の画像光を照射する投影装置と、前記画像光が通過する開口部を備えた回転板と、前記画像光の照射方向に沿って延在する回転軸線回りに前記回転板を回転させる駆動装置と、を有し、前記開口部は、前記回転板の回転に応じて、前記投影装置により照射された前記画像光が相対移動する軌跡の形状を有し、前記回転軸線の方向に見たときに、前記開口部を通過する前記画像光の矩形断面における長手方向中心線及び短手方向中心線が前記回転軸線に交差しないように、前記投影装置が前記画像光を出射する。

Description

本発明は、画像表示装置に関する。

光を出射して観察者が視認可能なように画像を表示する画像表示装置が知られている。特許文献１には、光量調整用のフィルターやカラーフィルターを開口部に設置した回転体を、所定の回転軸回りに回転可能とさせ、開口部内を通過する光の量や色を調整する画像表示装置が開示されている。かかる技術では、開口部の形状は円や、扇形等の形状となっている。

特開２００５−７０７３１号公報

ところで、画像表示装置の中には、矩形断面の画像光を出射するものがある。このような画像表示装置においても、特殊なフィルターやスクリーンを回転体の開口部に設置して、状況に応じて回転体を回転させ、特殊なフィルターやスクリーンに画像光を入射させることで、必要な調整を行うようにしている。

このような回転体を回転する場合、一定時間出射された画像光を通過させる為には、回転速度に応じて画像光の断面の移動軌跡に対応する形状を開口部に持たせる必要がある。一般的には、矩形断面の長手方向中心線を回転体の中心に向けるか、回転接線方向に向けるため、回転体の回転の間に画像光が移動軌跡を描くことで開口部の形状は扇形になることが多い。しかしながら、矩形断面の面積を十分に確保した上で開口部を扇形にすると、回転体の大径化を招き、画像表示装置のコンパクト化が図れないという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、比較的大面積の矩形断面を有する画像光を通過させる開口部を有しながらも、回転板の小径化を図ることができる画像表示装置を得ることを目的とする。

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画像表示装置は、
矩形断面の画像光を照射する投影装置と、
前記画像光が通過する開口部を備えた回転板と、
前記画像光の照射方向に沿って延在する回転軸線回りに前記回転板を回転させる駆動装置と、を有し、
前記開口部は、前記回転板の回転に応じて、前記投影装置により照射された前記画像光が相対移動する軌跡の形状を有し、
前記回転軸線の方向に見たときに、前記開口部を通過する前記画像光の矩形断面における長手方向中心線及び短手方向中心線が前記回転軸線に交差しないように、前記投影装置が前記画像光を出射するものである。

本発明によれば、比較的大面積の矩形断面を有する画像光を通過させる開口部を有しながらも、回転板の小径化を図ることができる画像表示装置を得ることができる。

本実施形態にかかる画像表示装置１００の概略構成図である。 回転駆動装置１６０の断面図である。 図２の構成をIII-III線で切断して矢印方向に見た図である。 開口部１６５ａ内に画像光が入射した状態で、回転板１６５Ａが相対回転した状態を示す図である。 変形例にかかる図３と同様な図である。 別な変形例にかかる図３と同様な図である。 比較例１の回転板ＲＰ１を示す図３と同様な図である。 比較例２の回転板ＲＰ２を示す図３と同様な図である。

本発明の実施形態にかかる画像表示装置について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態にかかる画像表示装置１００の概略構成図である。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不図示の車体に搭載されるものであり、投影装置としての描画ユニット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中の後述する表示素子１１に表示されている画像情報を、表示スクリーン２０を介してドライバーが虚像を視認できるように表示するものである。

画像表示装置１００のうち描画ユニット１０は、例えば車両のダッシュボード内に設置されており、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、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、下端の支持によってダッシュボード上に立設され、描画ユニット１０からの表示光ＨＫを車両の後方（図１で右方）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、フロントウインドウとは別体で設置される独立型のものとなっている。また表示スクリーン２０は無しとし、その機能をフロントウインドウで代用する構成でもよい。

表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫは、運転席に座ったドライバーの瞳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。ドライバーは、表示スクリーン２０で反射された表示光ＨＫ、つまり車両の前方にある虚像としての表示像ＩＭを観察することができる。一方、ドライバーは、表示スクリーン２０を透過した外界光、つまり前方景色の実像を観察することができる。結果的に、ドライバーは、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表示像（虚像）ＩＭを観察することができる。

図１に示すように、描画ユニット１０は、表示素子１１を含む虚像型の拡大結像系である本体光学系１３と、本体光学系１３及び回転駆動装置１６０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２０と組み合わせたものは、虚像表示光学系３０を構成する。

本体光学系１３は、表示素子１１のほかに、表示素子１１に形成された画像を拡大した中間像ＴＩを形成可能な投影光学系１５と、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍（以下では結像位置とも呼ぶ）に配置される拡散スクリーン１６と、拡散スクリーン１６上の像（中間像ＴＩそのもの他、中間像ＴＩから位置ズレして僅かにピントがボケたものも含み、以下では強制中間像と呼ぶ）を虚像に変換する虚像形成光学系１７とを備える。

表示素子１１は、像を表示するために２次元的な表示面１１ａを有する。表示面１１ａに形成された像は、本体光学系１３のうち投影光学系１５で拡大されて、矩形断面の画像光として拡散スクリーン１６へ投影される。ここで、矩形断面とは、長方形や正方形を含み、少なくとも一辺が曲線である形状や、四隅の少なくとも一つが丸みを帯びている形状も含む。

この際、２次元表示が可能な表示素子１１を用いることで、拡散スクリーン１６への投影像の切換えを比較的高速とできる。表示素子１１は、ＤＭＤやＬＣＯＳ等の反射型の素子であっても、液晶等の透過型の素子であってもよい。特に、表示素子１１としてＤＭＤを用いると、明るさを維持しつつ画像を高速で切り替えることが容易になり、虚像距離又は投影距離を変化させる表示に有利である。なお、表示素子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表示像（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。

投影光学系１５は、固定焦点のレンズ系であり、図示を省略するが複数のレンズを有する。投影光学系１５は、表示素子１１の表示面１１ａに形成された像に対応する画像光を、強制中間像として拡散スクリーン１６上に適当な倍率で拡大投影する。なお、投影光学系１５は、この投影光学系１５の最も拡散スクリーン１６側に配置された絞り（不図示）を有する。このように絞りを配置することで、投影光学系１５の拡散スクリーン１６側のＦナンバーの設定や調整が比較的容易になる。

拡散スクリーン１６は、配光角を所望の角度に制御するための拡散板であり、結像位置（つまり中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍）において強制中間像を形成する。この結果、拡散スクリーン１６を光軸ＡＸ方向に移動させることにより、強制中間像の位置も光軸ＡＸ方向に移動させることができる。拡散スクリーン１６としては、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を用いることができる。拡散スクリーン１６は、後述するように回転板１６５Ａ〜１６５Ｆに取り付けられて、回転駆動装置１６０により一体的に回転するようになっている。

虚像形成光学系１７は、拡散スクリーン１６に形成された強制中間像を表示スクリーン２０と協働して拡大し、ドライバーの前方に虚像としての表示像ＩＭを形成する。虚像形成光学系１７は、少なくとも１枚のミラーで構成されるが、図示の例では２枚のミラー１７ａ，１７ｂを含む。

図２は、回転駆動装置１６０の断面図である。回転駆動装置１６０は、ケース１６１と、ケース１６１に固定されたモーター１６２と、ケース１６１に回転自在に支持された回転軸１６３と、モーター１６２のモーター軸１６２ａと回転軸１６３との間で動力伝達を行うギヤ列１６４とを有している。ケース１６１から突出した回転軸１６３の先端側には、６枚の回転板１６５Ａ〜１６５Ｆが、回転軸線ＲＸの方向に沿って等ピッチＰにて離間して取り付けられ，一体的に回転するようになっている。

図３は、図２の構成をIII-III線で切断して矢印方向に見た図である。図３においては理解しやすいように、回転板１６５Ａと、拡散スクリーン１６に入射する、画像光の断面（すなわち中間像）ＴＩとを別々に示している。ここで、画像光の断面ＴＩは、短辺がａ、長辺がｂ、対角線の長さがｃである長方形状であるものとする。

回転板１６５Ａは、共通した形状を有する６個の開口部１６５ａ〜１６５ｆを、回転軸線ＲＸを基準に点対称に等角度で配置している。ここで、それぞれの開口部は等角度の配置でなくてもよく、投影距離に応じた最適の角度を任意に設定するのでも構わない。各開口部１６５ａ〜１６５ｆは、回転板１６５Ａの回転に応じて、照射された画像光が相対移動する軌跡の形状を有している。開口部１６５ａを例にとって、その形状を具体的に説明する。開口部１６５ａは、回転軸線ＲＸを中心に半径ｒ１の円弧状の内縁ＩＥと、半径ｒ２の円弧状の外縁ＯＥとを有している。又、開口部１６５ａは、内縁ＩＥと外縁ＯＥの一端同士の距離がｃとなる位置で、長さａの短辺と、これに直交する長さｂの長辺とを連結し、且つ内縁ＩＥと外縁ＯＥの他端同士の距離がｃとなる位置で、長さｂの長辺と、これに直交する長さａの短辺とを連結してなる。

内縁ＩＥと外縁ＯＥの延在する角度範囲は、回転板１６５Ａの回転速度と画像光の照射時間によって決まる。又、内縁ＩＥの半径ｒ１は、周方向に隣接する開口部同士の干渉を招かない最小の値とすることが望ましい。更に、外縁ＯＥと、回転板１６５Ａの外周１６５ｇとを、強度確保のため一定の距離Δで離間させることが望ましい。その他の開口部１６５ｂ〜１６５ｆも同じ形状である。

６枚の回転板１６５Ａ〜１６５Ｆは、それぞれ６個の開口部１６５ａ〜１６５ｆを有するが、そのうち１つの開口部のみに拡散スクリーン１６が設けられており、それ以外の開口部内は空間（素通し）となっている。図３の回転板１６５Ａでは、ハッチングで示す拡散スクリーン１６が開口部１６５ａに接着剤等により取り付けられている。

図示していないが同様に、回転板１６５Ｂでは、拡散スクリーン１６が開口部１６５ｂに相当する角度位相位置に取り付けられ、回転板１６５Ｃでは、拡散スクリーン１６が開口部１６５ｃに相当する角度位相位置に取り付けられ、回転板１６５Ｄでは、拡散スクリーン１６が開口部１６５ｄに相当する角度位相位置に取り付けられ、回転板１６５Ｅでは、拡散スクリーン１６が開口部１６５ｅに相当する角度位相位置に取り付けられ、回転板１６５Ｆでは、拡散スクリーン１６が開口部１６５ｆに相当する角度位相位置に取り付けられ，それ以外の開口部は全て素通しとなっている。尚、拡散スクリーン１６が取り付けられた開口部を特定開口部という。

図４は、開口部１６５ａ内に画像光が入射した状態で、回転板１６５Ａが相対回転した状態を示す図である。図４から明らかなように、画像光の矩形断面ＴＩの長手方向中心線ＣＬ１と、短手方向中心線ＣＬ２は、それぞれ回転軸線ＲＸを通過せず、相対回転する回転板１６５Ａ上の点Ｑ１，Ｑ２を通過するようになっている。

図２において、拡散スクリーン１６を取り付けた回転板１６５Ａ〜１６５Ｆが、回転軸１６３と共にモーター１６２により駆動されて一定角速度で回転する。回転板１６５Ａ〜１６５Ｆの回転位置に応じて、回転板１６５Ａの拡散スクリーン１６に入射した画像光は、回転軸線ＲＸ方向に並んだそれ以外の回転板の開口部を通過する。同様に、回転板１６５Ｂ〜１６５Ｆの拡散スクリーン１６に入射した画像光は、回転軸線ＲＸ方向に並んだそれ以外の回転板の開口部を通過する。つまり、回転板１６５Ａ〜１６５Ｆの回転位置に応じて、回転軸線ＲＸの方向に沿って位置が異なる拡散スクリーン１６を通過することとなるが、拡散スクリーン１６は、回転板１６５Ａ〜１６５Ｆの回転に伴って投影光学系１５の結像位置（中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍）に順次配置されることとなる。

すなわち、回転板１６５Ａ〜１６５Ｆの回転により、６つの拡散スクリーン１６が異なる位置で順次光軸ＡＸを横切るように移動し、回転板１６５Ａ〜１６５Ｆの各拡散スクリーン１６が、この順序で光軸ＡＸ上に配置されるようになる。具体的には、回転板１６５Ａの拡散スクリーン１６が光軸ＡＸを横切るとき、最も虚像形成光学系１７に近接することとなり、それにより表示素子１１に表示されている画像が、表示スクリーン２０の背後の最も近くに虚像として表示される。一方、回転板１６５Ｆの拡散スクリーン１６が光軸ＡＸを横切るとき、最も虚像形成光学系１７からり関しており、それにより表示素子１１に表示されている画像が、表示スクリーン２０の背後の最も遠くに虚像として表示される。更には回転板１６５Ｂ〜１６５Ｅの拡散スクリーン１６は、それらの間に配置されるので、それに応じた位置に虚像として表示されるから、ドライバーにより視認される虚像はアニメーションのように奥行き方向に変化することとなる。更には、回転板の回転速度を速くして、30Hz以上、望ましくは60Hz以上で回転させると、これら複数の虚像が同時性を持って観察され、奥行き方向も含めた3次元映像として見る事が可能となる。回転板１６５Ａ〜１６５Ｆが１回転すると、虚像は元の位置に戻る。つまり、本実施形態では、虚像の位置を奥行き方向に６段階に変えることができる。

回転板１６５Ａ〜１６５Ｆがある程度の速度で回転する間、虚像の位置を固定させておくことで、ドライバーの視認性が高まる。そこで、開口部１６５ａ〜１６５ｆに、図３，４に示すような画像光の断面形状の移動軌跡に相当する形状にしている。

本実施形態によれば、拡散スクリーン１６を光軸ＡＸに沿って移動させることができる。拡散スクリーン１６を光軸ＡＸに沿って移動させることで、虚像形成光学系１７によって表示スクリーン２０の背後に形成される虚像としての表示像ＩＭと観察者の距離を大きく、または小さくすることができる。このように、投影される表示像ＩＭの位置を光軸ＡＸに沿って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、表示像ＩＭまでの虚像距離を変化させつつ表示像ＩＭを変化させることになり、一連の投影像としての表示像ＩＭを３次元的なものとすることができる。ここで、拡散スクリーン１６の光軸ＡＸに沿った移動範囲は、中間像ＴＩの結像予定位置又はその近傍に相当するものであるが、投影光学系１５の拡散スクリーン１６側の焦点深度の範囲内とすることが望ましい。これにより、例えば投影光学系内に合焦手段などの特別な機構を設ける事なくとも、強制中間像の状態と虚像としての表示像ＩＭの結像状態とを、いずれも略ピントが合った良好な状態とすることができる。

以上の本体光学系１３において、拡散スクリーン１６を設けることにより、光軸ＡＸ方向に移動可能な強制中間像を形成できるだけでなく、視野角とアイボックスサイズとを確保しつつ、光学系の光利用効率を高くすることができる。なお、拡散スクリーン１６による拡散の配光角が狭すぎると、アイボックスサイズが小さくなってしまう。逆に、拡散スクリーン１６による拡散の配光角を大きくしすぎると、光利用効率を高くするために虚像形成光学系１７のＦ値を小さくする必要があるため、焦点深度が浅くなり表示可能な距離範囲が狭まってしまう。

図５は、変形例にかかる図３と同様な図である。本変形例では回転板は５枚であり、そのうちの１枚の回転板１６５Ａ’は、５つの開口部１６５ａ’〜１６５ｅ’を形成していて、開口部１６５ａ’にのみ拡散スクリーン１６を取り付けている。図示していないが、回転板１６５Ａ’以外の４枚の回転板も同様の構成である。本変形例では、虚像の位置を奥行き方向に５段階に変えることができる。それ以外の構成は上述した実施形態と同様である。

図６は、変形例にかかる図３と同様な図である。本変形例では回転板は４枚であり、そのうちの１枚の回転板１６５Ａ”は、４つの開口部１６５ａ”〜１６５ｄ”を形成していて、開口部１６５ａ”にのみ拡散スクリーン１６を取り付けている。図示していないが、回転板１６５Ａ”以外の３枚の回転板も同様の構成である。本変形例では、虚像の位置を奥行き方向に４段階に変えることができる。それ以外の構成は上述した実施形態と同様である。

以下、本発明者の検討結果を説明する。図７，図８は、検討に用いた比較例の回転板ＲＰ１，ＲＰ２を示す図３と同様な図であり、各開口部を通過する画像光の断面ＴＩを一点鎖線で示している。図７の回転板ＲＰ１は、画像光の断面ＴＩの相対移動軌跡である６つの扇状の開口部ＲＰ１ａ〜ＲＰ１ｆを有している。開口部ＲＰ１ａを通過する矩形断面ＴＩを持つ画像光は、長手方向中心線Ｌ１が回転軸線ＲＸを通過するようになっており、それ以外の開口部についても同様である。

一方、図８の回転板ＲＰ２も、画像光の断面ＴＩの相対移動軌跡である６つの扇状の開口部ＲＰ２ａ〜ＲＰ２ｆを有している。開口部ＲＰ２ａを通過する矩形断面ＴＩを持つ画像光は、短手方向中心線Ｌ２が回転軸線ＲＸを通過するようになっており、それ以外の開口部についても同様である。

ここで、画像光の矩形断面ＴＩの短辺を３１．１９ｍｍとし、長辺を８３．１７ｍｍとし、１つの開口部を描く画像光の軌跡の移動角度（図３の内縁ＩＥ又は外縁ＯＥの延在角度）を±１０度として、実施例としての図３に示す回転板１６５Ａの直径と、比較例である回転板ＲＰ１、ＲＰ２の直径とを求めたところ、以下の結果を得た。
（実施例）回転板１６５Ａの直径：２８５ｍｍ
（比較例１）回転板ＲＰ１の直径：２９２ｍｍ
（比較例２）回転板ＲＰ２の直径：３２６．５ｍｍ

以上の検討結果によれば、比較例１，２に比べ実施例の回転板の直径が最も小さくなった。本実施例によれば、複数ある開口部同士を最密に配置することが可能となり、比較例１，２と比較しサイズの小型化が実現できるとともに、開口部を通過する画像光の断面の長手方向中心線又は短手方向中心線が回転軸線を通らない限り、任意の角度とすることができるから、光学系内での配置位置にも自由度ができ、他の部品等も含めた全体的な設計の自由度も広がる。

本発明は、明細書に記載の実施形態・変形例・実施例に限定されるものではなく、他の実施形態や変形例を含むことは、本明細書に記載された実施形態や実施例や技術思想から本分野の当業者にとって明らかである。明細書の記載及び実施形態は、あくまでも例証を目的としており、本発明の範囲は後述するクレームによって示されている。例えば、回転板と開口部は２つ、３つ又は７つ以上設けても良い。更に、開口部には、拡散スクリーンのみならず、偏光フィルター、カラーフィルターなど種々の要素を配置することができる。よって、本発明はヘッドアップディスプレイ装置以外にも適用できる。

１０ 描画ユニット
１１ 表示素子
１１ａ 表示面
１３ 本体光学系
１４ ハウジング
１５ 投影光学系
１６ 拡散スクリーン
１７ 虚像形成光学系
１７ａ，１７ｂ ミラー
１８ 表示制御部
２０ 表示スクリーン
３０ 虚像表示光学系
１００ 画像表示装置
１６０ 回転駆動装置
１６１ ケース
１６２ モーター
１６２ａ モーター軸
１６３ 回転軸
１６４ ギヤ列
１６５Ａ-１６５Ｆ、１６５Ａ’-１６５Ｅ’、１６５Ａ”-１６５Ｄ” 回転板
１６５ａ-１６５ｆ、１６５ａ-１６５ｅ、１６５ａ”-１６５ｄ” 開口部
Ｌ１ 長手方向中心線
Ｌ２ 短手方向中心線
ＲＸ 回転軸線
ＴＩ 中間像（画像光の断面）

Claims (4)

1. 矩形断面の画像光を照射する投影装置と、
   前記画像光が通過する開口部を備えた回転板と、
   前記画像光の照射方向に沿って延在する回転軸線回りに前記回転板を回転させる駆動装置と、を有し、
   前記開口部は、前記回転板の回転に応じて、前記投影装置により照射された前記画像光が相対移動する軌跡の形状を有し、
   前記回転軸線の方向に見たときに、前記開口部を通過する前記画像光の矩形断面における長手方向中心線及び短手方向中心線が前記回転軸線に交差しないように、前記投影装置が前記画像光を出射する画像表示装置。
2. 前記開口部には、拡散スクリーン又はフィルターが取り付けられている請求項１に記載の画像表示装置。
3. それぞれＮ（Ｎは２以上の整数）個の前記開口部を有するＮ枚の前記回転板が、前記回転軸線の方向に沿って重ねられた前記開口部を介して前記画像光が通過するように積層されており、Ｎ個の前記開口部のうちの１つである特定開口部に、前記拡散スクリーン又は前記フィルターが取り付けられており、前記特定開口部は、前記回転板毎に異なる回転位相の位置に配置されている請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記矩形断面は長方形である請求項１〜３のいずれかに記載の画像表示装置。

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