JPWO2019093496A1 - 虚像投影光学系及び表示装置 - Google Patents
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Abstract
画像表示性能を確保して虚像を投影することができる虚像投影光学系を提供する。表示デバイスである像形成素子11によって形成された画像を表示スクリーン20越しに虚像投影して表示させる虚像投影光学系である本体光学系13であって、中間像TIの形成位置の近傍に配置される中間スクリーン16と、中間スクリーン16より像形成素子11側に配置される投影光学系15と、中間スクリーン16より虚像側に配置される虚像生成光学系17とを備え、投影光学系15の焦点距離を、虚像生成光学系17への出射角から敢えて外すとともに、中間スクリーンの拡散角を、虚像生成光学系17で必要となる最小限の拡がり角よりも大きな拡散角とする。
Description
本発明は、画像表示性能を確保した虚像投影光学系及び当該虚像投影光学系を有する表示装置に関するものである。
表示デバイスからの画像を虚像投影光学系によって、コンバイナーやウインドシールド等の表示スクリーン越しに虚像表示させるヘッドアップディスプレイ(HUD)装置において、虚像投影光学系として、中間像を形成し、中間像の位置近傍に中間スクリーンを有するものがある。中間スクリーンより表示スクリーン側に配置される虚像生成光学系については、その視野やアイボックスサイズに応じて中間スクリーンからの出射光の角度を決定する必要が生じる。そのため、中間スクリーンより表示デバイス側に配置される投影光学系は、虚像生成光学系とのマッチングという意味で最適な焦点距離が一意的に決定されるものである。しかし、投影光学系の焦点距離に自由度がないと光学全長がほぼ固定されてしまうため、HUD装置の構成に自由度がなくなり、大型化もしくは歪な形状となってしまうおそれがある。
中間スクリーンを組み込んだ公知例として、光源にレーザーを用い、光偏向器として例えばMEMSを用い、さらに凹面ミラーを通して被走査面に2次元像を形成し、その先に虚像生成光学系を用いる構成とし、更に被走査面の拡散特性を楕円拡散とすることで虚像の輝度を向上させる技術が開示されている(特許文献1参照)。この構成において凹面ミラーは走査光を被走査面に対して最適な角度で入射させるものであると推察されるが、凹面ミラーという部材があることで装置の大型化やコストアップを招いてしまうおそれがある。
本発明は、画像表示性能を確保して虚像を投影することができる虚像投影光学系を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記虚像投影光学系を有する表示装置を提供することを目的とする。
上記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虚像投影光学系は、表示デバイスによって形成された画像を表示スクリーン越しに虚像投影して表示させる虚像投影光学系であって、中間像の形成位置の近傍に配置される中間スクリーンと、中間スクリーンより表示デバイス側に配置される投影光学系と、中間スクリーンより表示スクリーン側に配置される虚像生成光学系とを備え、投影光学系の焦点距離を、虚像生成光学系への出射角から敢えて外すとともに、中間スクリーンの拡散角を、虚像生成光学系で必要となる最小限の拡がり角よりも大きな拡散角とする。ここで、必要となる最小限の拡がり角とは、アイボックスを確保するために必要な角度を意味する(図9における中間スクリーンの射出側に表示された破線参照)。また、拡散角とは、拡散板の有する拡散特性である。図9において、拡散角の例示として、0°で入射した光の拡散後の強度分布を見たときに、その強度がピーク強度の約50%以上となる角度範囲を示す(図9の上記点線参照)。
上記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装置は、上記虚像投影光学系と、虚像投影光学系によって形成される虚像を投影する表示スクリーンとを備える。
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る虚像投影光学系及び表示装置の一実施形態について説明する。
図1A及び1Bは、本実施形態の表示装置100及びその使用状態を説明する概念的な側方断面図及び正面図である。この表示装置(画像表示装置)100は、例えばヘッドアップディスプレイ(HUD:Head-Up Display)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。表示装置100は、描画ユニット10中の後述する像形成素子11に表示されている画像情報を、表示スクリーン20を介して運転者(観察者)UNに向けて虚像表示するものである。
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、運転関連情報や危険信号等を含む画像に対応する表示光HKを表示スクリーン20に向けて出射する。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、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(ウインドシールド)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EB(図9参照)に導かれる。図1A及び図2に示すように、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の前方にある虚像としての表示像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や危険信号等を含む表示像(虚像)IMを観察することができる。
図2に示すように、描画ユニット10は、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、虚像表示光学系30を構成する。なお、図3A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EB(図9参照)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。
本体光学系(虚像投影光学系)13は、像形成素子(表示デバイス)11と、像形成素子11に形成された画像を拡大した中間像TIを形成可能な結像光学系(投影光学系)15と、中間像TIの結像位置に近接して光路後段に配置される中間スクリーン16と、中間像TIを虚像に変換する虚像生成光学系17とを備える。詳細は後述するが、虚像投影光学系である本体光学系13によって、虚像投影距離が可変となっている。
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(表示部)である。像形成素子11の表示面11aに形成された像は、本体光学系13のうち投影光学系15で拡大されて中間像TIを形成し、中間スクリーン16を通過し、虚像生成光学系17等へ導かれる。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、中間像TI又は表示像(虚像)IMの切換えを比較的高速とできる。像形成素子11には、デジタルミラーデバイス(DMD:Digital Mirror Device)や反射型液晶デバイス(LCOS:Liquid crystal on silicon)を用いることができる。像形成素子11としてDMDやLCOS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(高速の間欠表示を含む)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、像形成素子11は、虚像を複数距離に投影する場合の虚像1距離あたり例えば30fps以上、好ましくは60fps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を運転者UNに対して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のF値は、2.0以上となっている。投影光学系15は、像形成素子11の表示面11aに形成された画像を適当な倍率に拡大投影し、中間スクリーン16の入射面16mに近接した位置に中間像TI(又は入射面16mの位置に強制中間像TI’)を形成する。ここで、強制中間像TI’は、中間像TIそのものの他、中間像TIから位置ずれして僅かにピントがボケたものも含む。なお、投影光学系15は、この投影光学系15の最も中間スクリーン16側に配置された絞り15aを有する。このように、絞り15aを配置することで、投影光学系15の中間スクリーン16側のF値の設定や調整が比較的容易になる。なお、投影光学系15の絞りはレンズ系のどこに配置されていてもよい。
投影光学系15の焦点距離をf1とし、表示デバイスである像形成素子11の水平方向の表示に対応する中間像サイズをHとしたとき、下記の条件式(3)
2×tan(0.5・θh)≦H/f1
H/f1≦2×tan(4・θh) …(3)
を満たす。この場合、値H/f1が、条件式(3)の下限値以上であることで、投影光学系15の焦点距離f1が長くなりすぎず、光学系が必要以上に大きくなることを防ぐことができる。一方、値H/f1が、条件式(3)の上限値以下であることで、投影光学系15の焦点距離f1が短くなりすぎず、画角差が大きくなりすぎない。そのため、中間スクリーン16の拡散角を大きくする必要がなく、明るさの分布中心においても光が拡散しすぎず、輝度が低くなり表示の明るさが低下することを防ぐことができる。
2×tan(0.5・θh)≦H/f1
H/f1≦2×tan(4・θh) …(3)
を満たす。この場合、値H/f1が、条件式(3)の下限値以上であることで、投影光学系15の焦点距離f1が長くなりすぎず、光学系が必要以上に大きくなることを防ぐことができる。一方、値H/f1が、条件式(3)の上限値以下であることで、投影光学系15の焦点距離f1が短くなりすぎず、画角差が大きくなりすぎない。そのため、中間スクリーン16の拡散角を大きくする必要がなく、明るさの分布中心においても光が拡散しすぎず、輝度が低くなり表示の明るさが低下することを防ぐことができる。
中間スクリーン16は、拡散角を所望の角度に制御した部材であり、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TI’を形成する。この結果、後述するように中間スクリーン16を光軸AX方向に移動させることにより、強制中間像TI’の位置も光軸AX方向に移動させることができる。中間スクリーン16には、例えば拡散板、拡散スクリーン、マイクロレンズアレイ等を用いることができる。中間スクリーン16によって、アイボックスサイズを拡大することができる。中間像TIは、中間スクリーン16から光路前段にかけての表示領域に結像される。中間スクリーン16の入射面16mは、拡散機能を有している。入射面16mに強制中間像TI’が形成され、ここから光が拡散するので、アイボックスを広く確保することができる。中間スクリーン16は、投影光学系15の焦点深度内で移動する。
中間スクリーン16は、配置変更装置62に駆動されて例えば一定速度又は周期的な運動で光軸AXに沿って移動する。つまり、中間スクリーン16の位置は可変となっている。本例の場合、光軸AXとは、表示デバイス(描画デバイス)である像形成素子11の中心と、アイボックスの中心と、表示装置100によって作られる像形成素子11の中心に対応する像点(虚像)とを通るものである。配置変更装置62によって中間スクリーン16を光軸AXに沿って移動させることで、虚像生成光学系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としての表示像IMと観察者である運転者UNとの距離を長く、または短くすることができる。つまり、配置変更装置62は、本体光学系(虚像投影光学系)13の構成配置を変化させて投影距離を変化させる。このように、投影される表示像IMの位置を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までの虚像距離又は投影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。中間スクリーン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の中間スクリーン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、強制中間像TI’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。中間スクリーン16の光軸AX方向の移動量は、例えば20mm以下となっている。これにより、中間スクリーン16の移動を効率良く行うことができ、中間スクリーン16の応答性を向上させることができる。中間スクリーン16の移動速度は、虚像としての表示像IMが複数個所又は複数虚像距離に同時に表示されているかのように見せることができる速度であることが望ましい。配置変更装置62は、例えば15Hz以上の速度で中間スクリーン16を移動させる。この場合、観察者(運転者UN)の知覚を超える速さのため、観察者は投影距離の異なる虚像を略同時に認識することができる。
中間スクリーン16は、支持部材62aに支持されている。支持部材62aは、配置変更装置62の台座62bに光軸AX方向に沿った所定の範囲内で移動可能に取り付けられている。中間スクリーン16が移動範囲の最も上流側(つまり、投影光学系15に最も近い側)に配置されたタイミングでは、この時点で中間スクリーン16に表示されている画像が、ハーフミラーである表示スクリーン(コンバイナー)20の背後の最も遠くに虚像として表示される。また、中間スクリーン16が移動範囲の最も下流側(つまり、投影光学系15から最も遠い側)に配置されたタイミングでは、この時点で中間スクリーン16に表示されている画像が、ハーフミラーである表示スクリーン(コンバイナー)20の背後の最も近くに虚像として表示される。
虚像生成光学系17は、中間スクリーン16付近に形成された中間像TIを表示スクリーン20と協働して拡大する拡大光学系であり、運転者UNの前方に虚像としての表示像IMを形成する。虚像生成光学系17は、反射光学系を有し、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枚の第1及び第2ミラー17a,17bを含む。ここで、第1ミラー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。また、第2ミラー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1及び第2ミラー17a,17bは、凸面、凹面、又は平面とでき、曲面の場合、球面に限らず、非球面、自由曲面等とすることができる。図示の例では、中間スクリーン16からの光を水平方向(±Z方向)に沿って虚像生成光学系17に入射させるが、結像光学系15、中間スクリーン16等の配置を90°回転させ、中間スクリーン16からの光を上向き(+Y方向)にして虚像生成光学系17に入射させることもできる。この場合、虚像生成光学系17を構成する一対のミラーを+Y−Z方向に傾ける(図7の虚像生成光学系17及びミラー117a,117b参照)。
虚像投影光学系である本体光学系13は、投影光学系15の焦点距離f1に対応する中間スクリーン16の入射角を、中間スクリーン16から虚像生成光学系17への出射角から敢えて外すとともに、中間スクリーン16の拡散角を、虚像生成光学系17で必要となる最小限の拡がり角よりも大きな拡散角としている。具体的には、本体光学系13は、以下の条件式(1)及び(2)の少なくともいずれかを満たすことが好ましい。
図3Aに示すように、投影光学系15から中間スクリーン16への例えば入射光の主光線である光線ILの入射角をθpとし、中間スクリーン16の拡散角をθdpとし、中間スクリーン16から虚像生成光学系17への例えば出射光の主光線である光線OLの出射角をθhとし、虚像生成光学系17での拡がり角をθdとしたとき、θdp=θd+2×(θp−θh)を過不足のない状態として、入射角θpが出射角θhよりも2度以上大きい場合には下記の条件式(1)
θd+1.5×(θp−θh)<θdp
θdp<θd+4.0×(θp−θh) …(1)
を満たす。この場合、値θdpが条件式(1)の下限値より大きいことで、拡散角が小さく狭くなりすぎず、周辺での光量低下を防ぐことができる。一方、値θdpが条件式(1)の上限値より小さいことで、拡散角が大きくなりすぎず、中心光量が低くなることを防ぎ、表示輝度を確保することができる。また、入射角θpと出射角θhとの差が2度未満の場合には、条件式(1)を当てはめる必要はなく、敢えて当てはめると、拡散角θdpの範囲が極端に狭くなるため、拡散板の製造ばらつき等により容易に数値範囲から外れてしまったり、カスタム要素が強くなるためコストアップとなってしまったりする懸念がある。なお、図3Aにおいて、点線で示す角度範囲は、θdp=θd+2(θp−θh)であるときの拡散角θdpの片側半分(θdp/2)を示しているが、実際には、拡散角θdpは、+Y方向に広がるものとなっている。
θd+1.5×(θp−θh)<θdp
θdp<θd+4.0×(θp−θh) …(1)
を満たす。この場合、値θdpが条件式(1)の下限値より大きいことで、拡散角が小さく狭くなりすぎず、周辺での光量低下を防ぐことができる。一方、値θdpが条件式(1)の上限値より小さいことで、拡散角が大きくなりすぎず、中心光量が低くなることを防ぎ、表示輝度を確保することができる。また、入射角θpと出射角θhとの差が2度未満の場合には、条件式(1)を当てはめる必要はなく、敢えて当てはめると、拡散角θdpの範囲が極端に狭くなるため、拡散板の製造ばらつき等により容易に数値範囲から外れてしまったり、カスタム要素が強くなるためコストアップとなってしまったりする懸念がある。なお、図3Aにおいて、点線で示す角度範囲は、θdp=θd+2(θp−θh)であるときの拡散角θdpの片側半分(θdp/2)を示しているが、実際には、拡散角θdpは、+Y方向に広がるものとなっている。
なお、条件式(1)は、下式とすることがより好ましい。
θd+2.0×(θp−θh)<θdp
θdp<θd+3.0×(θp−θh) …(1)’
θd+2.0×(θp−θh)<θdp
θdp<θd+3.0×(θp−θh) …(1)’
また、図3Bに示すように、入射出射の角度差が逆となる場合において、投影光学系15から中間スクリーン16への入射角をθpとし、中間スクリーン16の拡散角をθdpとし、中間スクリーン16から虚像生成光学系17への出射角をθhとし、虚像生成光学系17での拡がり角をθdとしたとき、入射角θpが出射角θhよりも2度以上大きい場合には下記の条件式(2)
θd+1.5×(θh−θp)<θdp
θdp<θd+4.0×(θh−θp) …(2)
を満たす。この場合、値θdpが条件式(2)の下限値より大きいことで、拡散角が小さく狭くなりすぎず、周辺での光量低下を防ぐことができる。一方、値θdpが条件式(2)の上限値より小さいことで、拡散角が大きくなりすぎず、中心光量が低くなることを防ぎ、表示輝度を確保することができる。また、出射角θhと入射角θpとの差が2度未満の場合には、拡散角θdpの範囲が極端に狭くなるため、拡散板の製造ばらつき等により容易に数値範囲から外れてしまったり、カスタム要素が強くなるためコストアップとなってしまったりする懸念がある。なお、図3Bにおいて、点線で示す角度範囲は、θdp=θd+2(θh−θp)であるときの拡散角θdpの片側半分(θdp/2)を示しているが、実際には、拡散角θdpは、−Y方向に広がるものとなっている。
θd+1.5×(θh−θp)<θdp
θdp<θd+4.0×(θh−θp) …(2)
を満たす。この場合、値θdpが条件式(2)の下限値より大きいことで、拡散角が小さく狭くなりすぎず、周辺での光量低下を防ぐことができる。一方、値θdpが条件式(2)の上限値より小さいことで、拡散角が大きくなりすぎず、中心光量が低くなることを防ぎ、表示輝度を確保することができる。また、出射角θhと入射角θpとの差が2度未満の場合には、拡散角θdpの範囲が極端に狭くなるため、拡散板の製造ばらつき等により容易に数値範囲から外れてしまったり、カスタム要素が強くなるためコストアップとなってしまったりする懸念がある。なお、図3Bにおいて、点線で示す角度範囲は、θdp=θd+2(θh−θp)であるときの拡散角θdpの片側半分(θdp/2)を示しているが、実際には、拡散角θdpは、−Y方向に広がるものとなっている。
なお、条件式(2)は、下式とすることがより好ましい。
θd+2.0×(θh−θp)<θdp
θdp<θd+3.0×(θh−θp) …(2)’
θd+2.0×(θh−θp)<θdp
θdp<θd+3.0×(θh−θp) …(2)’
以上の説明は、X方向に関して入射角と出射角とに差がないことを前提としているが、X方向に関しても入射角と出射角とに差があってもよく、この場合、X方向の拡散度の条件も、Y方向の拡散度の条件と同様に設定できる。
図4A及び4Bに例示するように、投影光学系15から投射された表示光(映像光)HKは、中間スクリーン16で上記条件式(1)及び(2)の少なくともいずれかを満たすように拡散される。中間スクリーン16において、拡散度合は光軸AXに垂直な複数の方向によって異なるものとすることができ、例えば、中間スクリーン16のY方向の拡散角θdpを小さく、X方向の拡散角θdpを大きく設定することができる。なお、中間スクリーン16に対して光が傾いて入射したときは、その拡散角θdpは光が中間スクリーン16に対して垂直に入射したときと略同じであり、強度分布は入射した光の主光線の方向がもっとも高いものとなるのが一般的である。
図2に戻って、ハウジング14は、表示光HKを通過させる開口14aを有し、この開口14aには、フィルム又は薄板状の光透過部材14bを配置することができる。
図5は、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、その一部として表示装置100を含む。この表示装置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5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。
移動体用表示システム200は、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。
運転者検出部71は、運転者UNの存在や視点位置を検出する部分であり、運転席用カメラ71aと、運転席用画像処理部71bと、運転席画像判断部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運転席画像判断部71cでの処理を容易にする。運転席画像判断部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の目の空間的な位置(結果的に視線の方向)を算出する。
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、外部画像判断部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外部画像判断部72cでの処理を容易にする。外部画像判断部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(例えば図6に示すオブジェクトOB参照)の存否を検出するとともに、外部画像に付随する奥行情報から車体2前方における対象物の空間的な位置を算出する。
なお、運転席用カメラ71aや外部用カメラ72aは、図示を省略しているが、例えば複眼型の3次元カメラである。つまり、両カメラ71a,72aは、結像用のレンズと、CMOSその他の撮像素子とを一組とするカメラ素子をマトリックス状に配列したものであり、撮像素子用の駆動回路をそれぞれ有する。各カメラ71a,72aを構成する複数のカメラ素子は、例えば奥行方向の異なる位置にピントを合わせるようになっており、或いは相対的な視差を検出できるようになっており、各カメラ素子から得た画像の状態(フォーカス状態、オブジェクトの位置等)を解析することで、画像内の各領域又はオブジェクトまでの距離を判定できる。
なお、上記のような複眼型のカメラ71a,72aに代えて、2次元カメラと赤外距離センサーとを組み合わせたものを用いても、撮影した画面内の各部(領域又はオブジェクト)に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。また、複眼型のカメラ71a,72aに代えて、2つの2次元カメラを分離配置したステレオカメラによって、撮影した画面内の各部(領域又はオブジェクト)に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。その他、単一の2次元カメラにおいて、焦点距離を高速で変化させながら撮像を行うことによっても、撮影した画面内の各部に関して奥行方向の距離情報を得ることができる。
表示制御部18は、主制御装置90の制御下で虚像表示光学系30を動作させて、表示スクリーン20の背後に虚像距離又は投影距離が変化する3次元的な表示像IMを表示させる。表示制御部18は、主制御装置90を介して環境監視部72から受信した表示形状や表示距離を含む表示情報から、虚像表示光学系30に表示させる表示像IMを生成する。表示像IMは、例えば表示スクリーン20の背後に存在する自動車、自転車、歩行者その他の対象物に対してその奥行き位置方向に関して周辺に位置する表示枠(図6に示す表示枠HW参照)のような標識とすることができる。
表示制御部18は、主制御装置90を介して運転者検出部71から運転者UNの存在や目の位置に関する検出出力を受け取る。これにより、虚像表示光学系30による表示像IMの投影の自動的な開始や停止が可能になる。また、運転者UNの視線の方向のみに表示像IMの投影を行うこともできる。さらに、運転者UNの視線の方向の表示像IMのみを明るくする、点滅する等の強調を行った投影を行うこともできる。
主制御装置90は、表示装置100、環境監視部72等の動作を調和させる役割を有し、環境監視部72によって検出した対象物の空間的な位置に対応するように、虚像表示光学系30によって投影される表示枠の空間的な配置を調整する。
図6は、具体的な表示状態を説明する斜視図である。観察者である運転者UNの前方は観察視野に相当する検出領域VFとなっている。検出領域VF内、つまり道路及びその周辺に、歩行者等である人のオブジェクトOB1や、自動車等である移動体のオブジェクトOB2が存在すると考える。この場合、主制御装置90は、表示装置100によって3次元的な投影像(虚像)IMを投影させ、各オブジェクトOB1,OB2,OB3に対して関連情報像としての表示枠HW1,HW2,HW3を付加する。この際、運転者UNから各オブジェクトOB1,OB2,OB3までの距離が異なるので、表示枠HW1,HW2,HW3を表示させる投影像(表示像)IM1,IM2,IM3までの投影距離は、運転者UNから各オブジェクトOB1,OB2,OB3までの距離に相当するものとなっている。なお、投影像IM1,IM2,IM3の投影距離は、離散的であり、オブジェクトOB1,OB2,OB3までの現実の距離に対して正確に一致させることはできない。ただし、投影像IM1,IM2,IM3の投影距離と、オブジェクトOB1,OB2,OB3までの現実の距離との差が大きくなければ、運転者UNの視点が動いても視差が生じにくく、オブジェクトOB1,OB2,OB3と表示枠HW1,HW2,HW3との配置関係を略維持することができる。
以上で説明した虚像投影光学系及び表示装置では、投影光学系15の焦点距離を虚像生成光学系17に応じた最適な焦点距離よりも例えば広角又は望遠にするとともに、中間スクリーン16の拡散度を上げることで、画像表示性能を確保しながら光学系全体のサイズを最適化することができる。
上述の虚像投影光学系である本体光学系13では、投影光学系15の焦点距離を虚像生成光学系17に最適な値から敢えて外すことで、光学系全長に自由度が生まれるため、本体光学系13の小型化もしくは外形形状の最適化が達成できる。その際に、中間スクリーン16内の各像位置に対して、虚像生成光学系17に入射する光束の持つ入射角と、投影光学系15から出射する光束の出射角とがずれてしまう。また、中間スクリーン16に用いる拡散板、拡散スクリーン、マイクロレンズアレイ等の拡散特性は、投影光学系15からの光束の中間スクリーン16へ入射する入射角方向が分布中心となり最も強度が高くなるため、中間スクリーン16の拡散角が狭い場合、虚像生成光学系17に入射する光束の輝度分布に偏りが生じてしまい画面内で明るさの分布が一様でなくなってしまう問題が生じる。しかし、本実施形態の本体光学系13のように、中間スクリーン16の拡散角を拡大することで、画面内の明るさ分布を一様に保つことができる。
〔実施例〕
以下、本発明に係る虚像投影光学系及び表示装置の具体的な実施例を示す。
以下、本発明に係る虚像投影光学系及び表示装置の具体的な実施例を示す。
図7は、投影光学系15と中間スクリーン16と、虚像生成光学系17の一部とをYZ断面で表した図である。図7において、符号HK1は虚像の下端の表示光を示し、符号HK2は虚像の中心の表示光を示し、符号HK3は虚像の上端の表示光を示す。投影光学系15から中間スクリーン16に入射する光の入射角θpは、主光線を考えて、表示光HK1,HK3で4.5度であり、表示光HK2で0度である。これに対して、中間スクリーン16から虚像生成光学系17への出射角θhは、主光線を考えて、表示光HK1で16.2度であり、表示光HK2で7.1度であり、表示光HK3で3.6度である。そのため、表示光HK3では、入射角θpと出射角θhとがほぼ一致しているのに対して、表示光HK1,HK2では、入射角θpと出射角θhとが一致していない。また、中間スクリーン16から虚像生成光学系17へ出射する光の拡がり角θdは、表示光HK1で9.3度であり、表示光HK2で9.2度であり、表示光HK3で8.8度である。そのため、中間スクリーン16の拡散角θdpは、少なくとも9.3度以上とする必要があるといえる。加えて、入射角θpと出射角θhとが一致していない点を補正するため、θd=9.3、θh=16.2、θp=4.5として条件式(2)に従って計算すると、拡散角θdpは26.9〜44.4度とするのがよいといえる。
一方、図8は、投影光学系15と、中間スクリーン16と、虚像生成光学系17の一部とをXY断面で示した図である。図8において、符号HK4は虚像の左端の表示光を示し、符号HK5は虚像の右端の表示光を示す。投影光学系15から中間スクリーン16に入射する光の入射角θpは、表示光HK4,HK5で11.1度であり、HK2で0度である。これに対して、中間スクリーン16から虚像生成光学系17への出射角θhは、表示光HK4,HK5で10.1度であり、表示光HK2で0.0度である。そのため、入射角θpと出射角θhとがほぼ一致している。また、中間スクリーン16から虚像生成光学系17へ出射する光の拡がり角θdは、表示光HK4,HK5で23.7度であり、表示光HK2で23.4度である。そのため、中間スクリーン16の拡散角θdpは、少なくとも23.7度以上とする必要があるといえる。この場合、入射角θpと出射角θhとの差も2度未満であるため、条件式(1)及び(2)に依らず、拡がり角θdをカバーできる中間スクリーン(拡散スクリーン)16を使用すればよい。
なお、本実施例では表示デバイス面(表示面11a)と中間スクリーン16とが平行となるような配置で断面を描画しているが、光路途中に折り曲げミラー等を配し、それらが平行とならないような配置として、装置全体の外形形状がスムーズなものにすることもできる。
以上では、具体的な実施形態としての表示装置について説明したが、本発明に係る表示装置は、上記のものには限られない。例えば、上記実施形態において、表示装置100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を配置することもできる。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。また、表示スクリーン20は、車でいうとウインドシールドの運転者UN側光学面に相当する。上記実施形態では表示スクリーン20を平面としたが、曲面でも、曲面をさらに傾けたものでも、対称性をもたない自由曲面であってもよい。
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。
図2等に示す本体光学系13は、単なる例示であり、これら本体光学系13の光学的構成については適宜変更することができる。例えば、投影光学系15中に中間像TIの前段としての中間像を追加で形成することができる。虚像生成光学系17の光路中において、光学的なパワーを持たない1つ以上のミラーを配置してもよい。この場合、折り返しによる描画ユニット10等の小型化に有利になる場合もある。
上記実施形態において、表示像(虚像)IMの表示位置は、上記実施例で例示した3か所に限らず、適当数に設定することができる。また、表示像IMの表示は、位置を変化させて連続的又は断続的に設定することもできる。
また、上記実施形態において、描画デバイスである像形成素子11として、DMDやLCOS等を用いたが、液晶ディスプレイ(LCD:liquid crystal display)や、他の種類の表示素子、例えば有機ELを用いてもよい。また、像形成素子11は、反射型の素子の代わりに、MEMSを利用した走査型の映像素子を用いてもよい。
また、上記実施形態において、虚像生成光学系17には、2枚のミラーを設けたが、1枚又は3枚以上のミラーを設けてもよい。また、ミラーを省略してもよい。また、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。
また、上記実施形態において、コンバイナーを設けずに、フロントウインドウを形成するフロントガラス8の運転席正面に設けた矩形の反射領域の内側に表示スクリーン20を貼り付けてもよい。なお、表示スクリーン20は、フロントガラス8内に埋め込むこともできる。
また、上記実施形態において、投影光学系15は、固定焦点光学系としたが、焦点可変光学系であってもよい。
上記実施形態では、中間スクリーン16を光軸AXに沿って移動させることで投影される表示像IMの位置を変化させたが、複数の厚みが異なる階段状の部分領域を有する中間スクリーンを回転又はスライドさせる等、他の手法を用いて表示像IMの位置を変化させてもよい。
以上で説明した表示装置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。
Claims (13)
- 表示デバイスによって形成された画像を表示スクリーン越しに虚像投影して表示させる虚像投影光学系であって、
中間像の形成位置の近傍に配置される中間スクリーンと、
前記中間スクリーンより前記表示デバイス側に配置される投影光学系と、
前記中間スクリーンより前記表示スクリーン側に配置される虚像生成光学系と、を備え、
前記投影光学系の焦点距離を、前記虚像生成光学系への出射角から敢えて外すとともに、前記中間スクリーンの拡散角を、前記虚像生成光学系で必要となる最小限の拡がり角よりも大きな拡散角とする、虚像投影光学系。 - 前記投影光学系から前記中間スクリーンへの入射角をθp、前記中間スクリーンの拡散角をθdpとし、前記中間スクリーンから前記虚像生成光学系への出射角をθh、前記虚像生成光学系での拡がり角をθdとしたとき、前記入射角θpが前記出射角θhよりも2度以上大きい場合には
下記の条件式
θd+1.5×(θp−θh)<θdp
θdp<θd+4.0×(θp−θh) …(1)
を満たす、請求項1に記載の虚像投影光学系。 - 前記投影光学系から前記中間スクリーンへの入射角をθp、前記中間スクリーンの拡散角をθdpとし、前記中間スクリーンから前記虚像生成光学系への出射角をθh、前記虚像生成光学系での拡がり角をθdとしたとき、前記入射角θpが前記出射角θhよりも2度以上小さい場合には
下記の条件式
θd+1.5×(θh−θp)<θdp
θdp<θd+4.0×(θh−θp) …(2)
を満たす、請求項1に記載の虚像投影光学系。 - 前記投影光学系の焦点距離をf1とし、前記表示デバイスの水平方向の表示に対応する中間像サイズをHとしたとき、
下記の条件式
2×tan(0.5×θh)≦H/f1
H/f1≦2×tan(4×θh) …(3)
を満たす、請求項2及び3のいずれか一項に記載の虚像投影光学系。 - 虚像投影距離が可変である、請求項1から4までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
- 前記虚像生成光学系は、反射光学系を有する、請求項1から5までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
- 前記投影光学系のF値は、2.0以上である、請求項1から6までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
- 前記中間スクリーンの位置は可変である、請求項1から7までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
- 前記中間スクリーンは、前記投影光学系の焦点深度内で移動する、請求項8に記載の虚像投影光学系。
- 前記投影光学系は、固定焦点光学系及び焦点可変光学系のいずれかである、請求項1から9までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
- 前記中間スクリーンは、拡散板、拡散スクリーン、及びマイクロレンズアレイのいずれかである、請求項1から10までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
- 前記表示デバイスは、デジタルミラーデバイス及び反射型液晶デバイスのいずれかである、請求項1から11までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系。
- 請求項1から12までのいずれか一項に記載の虚像投影光学系と、
前記虚像投影光学系によって形成される虚像を投影する表示スクリーンと、
を備える、表示装置。
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