JPWO2019151314A1 - Display device - Google Patents
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Abstract
本発明は、投影距離や表示方向に関して虚像の表示範囲を広げることで表示の自由度を高めつつ高速の表示駆動を可能にする表示装置を提供することを目的とする。本発明の表示装置であるヘッドアップディスプレイ装置(200)は、DMD又はLCOSである反射型表示素子を有し、表示像を形成する表示デバイス(11)と、表示デバイス(11)によって形成された表示像を投影して投影像(虚像)IMを形成する表示光学系(30)と、表示光学系(30)による投影像(虚像)(IM)の投影位置を変更する際に、表示デバイス(11)を光軸AX方向及び光軸AX方向に垂直な面内の所定方向の少なくとも一方に移動させるデバイス駆動部(14)とを備える。An object of the present invention is to provide a display device that enables high-speed display drive while increasing the degree of freedom of display by expanding the display range of a virtual image with respect to a projection distance and a display direction. The head-up display device (200), which is the display device of the present invention, has a reflective display element which is a DMD or LCOS, and is formed by a display device (11) for forming a display image and a display device (11). When changing the projection position of the display optical system (30) that projects the display image to form the projected image (virtual image) IM and the projected image (virtual image) (IM) by the display optical system (30), the display device ( A device drive unit (14) for moving 11) in at least one of a predetermined direction in a plane perpendicular to the optical axis AX direction and the optical axis AX direction is provided.
Description
本発明は、虚像の投影位置を可変とした表示装置に関するものである。 The present invention relates to a display device in which the projection position of a virtual image is variable.
表示装置として、表示素子に表示した画像を投影するための投影光学系と、画像を虚像として表示する表示スクリーンとを備えるヘッドアップディスプレイ(以下HUD(Head-Up Display)とも称する)装置が存在する。HUD装置は、運転中のドライバー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点で、従来の速度メーターその他のインパネ(instrument panel)に情報表示する装置に比べ危険性を減らせるメリットがある。今後、ドライバーの安全運転を支援するための表示装置としてHUD装置が積極的に用いられることが予想され、その際、伝えるべき危険情報や、注意すべき情報をドライバーに確実に伝える必要がある。ドライバーに対してより確実に情報を伝えるには、例えば運転中の前方でドライバーが注意すべき対象であるターゲットについて、そのターゲットから大きく目線や視点をずらすことなく、危険等の情報を認識できるような表示が望まれる。 As a display device, there is a head-up display (hereinafter, also referred to as HUD (Head-Up Display)) device including a projection optical system for projecting an image displayed on a display element and a display screen for displaying the image as a virtual image. .. The HUD device can reduce the risk compared to conventional speed meters and other devices that display information on an instrument panel, in that the driver can check the display without significantly moving the line of sight or viewpoint. There are merits. In the future, it is expected that the HUD device will be actively used as a display device to support the safe driving of the driver, and at that time, it is necessary to surely convey the danger information to be conveyed and the information to be noted to the driver. In order to convey information to the driver more reliably, for example, for a target that the driver should pay attention to in front of the driver, information such as danger can be recognized without significantly shifting the line of sight or viewpoint from the target. Display is desired.
例えば特許文献1の装置では、虚像形成用の光学系において、配置が異なる複数の表示パネルを用いて虚像を形成することで、可動部を設けないで虚像までの表示距離を変えている。 For example, in the apparatus of
しかしながら、特許文献1の装置は、各表示パネルの位置とこれによる表示距離とが固定となるため、虚像の投影距離を設定すれば虚像の表示方向が制限され、虚像の表示方向を設定すれば虚像の投影距離が制限され、表示の自由度が制限される。 However, in the device of
また、特許文献2では、自動車等のフロントガラスをコンバイナーとして使用するヘッドアップディスプレイにおける虚像のコントロール方法及び虚像のコントロール装置が示されており、凹面鏡をターニングミラーとして用い、該凹面鏡の虚像点を出現させる範囲内で表示器を移動させることにより、出現する虚像の焦点距離と大きさとをコントロールしている。 Further,
しかしながら、特許文献2の装置では、表示器として液晶を使用したLCDを用いており、バックに光源を配置すること等から、移動させる表示器全体の重量が重く、例えば表示器を高速に駆動させるとともに虚像を投影する距離を高速に変化させて、観察者(ドライバー)が表示を3D的に観察できる装置等を考えた場合、高速な駆動が困難となり望ましくない。 However, in the device of
本発明は、投影距離や表示方向に関して虚像の表示範囲を広げることで表示の自由度を高めつつ高速の表示駆動を可能にする表示装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a display device that enables high-speed display drive while increasing the degree of freedom of display by expanding the display range of a virtual image with respect to a projection distance and a display direction.
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装置は、DMD又はLCOSである反射型表示素子を有し表示像を形成する表示デバイスと、表示デバイスによって形成された表示像を投影して虚像を形成する表示光学系と、表示光学系による虚像の投影位置を変更する際に、表示デバイスを光軸方向及び光軸方向に垂直な面内の所定方向の少なくとも一方に移動させるデバイス駆動部と、を備える。 In order to realize at least one of the above-mentioned objects, a display device reflecting one aspect of the present invention is a display device having a reflective display element which is a DMD or LCOS and forming a display image, and a display device. When changing the display optical system that projects the formed display image to form a virtual image and the projection position of the virtual image by the display optical system, the display device is placed in a predetermined direction in a plane perpendicular to the optical axis direction and the optical axis direction. A device drive unit for moving to at least one of the above is provided.
〔第1実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る第1実施形態の表示装置について説明する。[First Embodiment]
Hereinafter, the display device of the first embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1A及び1Bは、実施形態の表示装置としてのヘッドアップディスプレイ装置のうち画像表示装置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、例えば自動車の車体2内に搭載されるものであり、投影ユニット10と表示スクリーン20とを備える。画像表示装置100は、投影ユニット10中の後述する表示デバイス11に表示されている画像情報を表示スクリーン20を介して観察者であるドライバーVDに向けて虚像表示するものであり、表示装置とも呼ぶこともある。 1A and 1B are conceptual side sectional views and front views for explaining the
画像表示装置100のうち投影ユニット10は、車体2のダッシュボード4内であってディスプレイ50の背後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映像光である表示光DL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4上に立設され、投影ユニット10からの表示光(映像光)DL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、フロントウインドウ8とは別体で設置される独立型のものとなっている。表示スクリーン20で反射された表示光DLは、運転席6に座ったドライバーVDの瞳PU及びその周辺位置に対応するアイボックスEBに導かれる。ドライバーVDは、表示スクリーン20で反射された表示光DL、つまり車体2の前方にある虚像としての投影像IMを観察することができる。一方、ドライバーVDは、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、観察者であるドライバーVDは、表示スクリーン20の背後の外界像又はシースルー像に重ねて、表示スクリーン20での表示光DLの反射によって形成される運転関連情報等の関連情報を含む投影像(虚像)IMを観察することができる。 Of the
ここで、表示スクリーン20をフロントウインドウ8と別体で構成しているが、フロントウインドウ8を表示スクリーンとして用い、フロントウインドウ8内に設定した表示範囲に投影を行って、ドライバーVDが投影像IMを観察できる構成としても構わない。この際、フロントウインドウ8のガラスの一部領域の反射率をコート等によって変更することで、反射領域を確保することができる。また、フロントウインドウ8での反射角度が例えば60度程度であれば、反射率が15%程度確保され、特にコートを設けなくても透過性を有する反射面として用いることができる。これら以外に、フロントウインドウ8のガラス中にサンドイッチする構成で表示スクリーンを設けることもできる。 Here, the
図2に示すように、投影ユニット10は、表示デバイス11と、虚像型の拡大結像系である本体光学系13と、表示デバイス11を光軸AX方向及び光軸AX方向に垂直な面内の所定方向の少なくとも一方に移動させるデバイス駆動部14と、表示デバイス11等の動作制御する表示制御部18と、表示デバイス11、デバイス駆動部14、本体光学系13、表示制御部18等を収納するハウジング12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とを組み合わせたものは、表示光学系30を構成する。 As shown in FIG. 2, the
表示デバイス11は、2次元的な表示面11aを有する表示素子である。表示デバイス11は、光源によって照明される光変調型の表示装置となっている。表示デバイス(表示素子)11の表示面11aに形成された像は、結像光学系(第1投影光学系)15で拡大されて拡散部16に設けた螺旋面状の中間スクリーン19に投影される。この際、2次元表示が可能な表示デバイス11を用いることで、中間スクリーン19に対する投影像IMの切替え、つまり表示スクリーン20越しに虚像として表示される投影像IMの切替えを比較的高速とできる。表示デバイス11は、バックライトが不要で小型で高速制御可能な反射型の素子であり、具体的にはDMD(Digital Mirror Device)やLCOS(Liquid crystal on silicon)がある。表示デバイス11としてDMD又はLCOSを用いると、それ自体を高速で移動させることができるだけでなく、明るさを維持しつつ画像を高速で切替えること(高速の間欠表示を含む)が容易であり、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、表示デバイス11は、表示距離を変化させる場合には、それぞれの投影距離に対して30fps以上、更に望ましくは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投影像(虚像)IMをドライバー(観察者)VDに対して同時に表示されているように見せることが可能になる。特に、90fps以上で表示の切替えを行う場合、DMDやLCOSが表示デバイス11として望ましい。なお、投影像IMは、例えば眼前のオブジェクトを囲むフレーム枠のような標識とすることができる。 The
図3に示すように、デバイス駆動部14は、表示デバイス11を光軸AX方向又はY方向に移動させる第1駆動部14aと、表示デバイス11を光軸AX方向に垂直な面内のX方向に移動させる第2駆動部14bと、表示デバイス11を光軸AX方向に垂直な面内のZ方向に移動させる第3駆動部14cとを有する。第1〜第3駆動部14a,14b,14cは、ピエゾ素子14e,14f,14gを用いたアクチュエーターである。デバイス駆動部14がピエゾ素子14e,14f,14gを用いたアクチュエーターであることにより、表示デバイス11の移動量の制御が高速かつ比較的精密になり、小型の機構によって高速に虚像位置を変えながら高精度の表示が可能になる。第1駆動部14aは、ピエゾ素子14eに付随する回路の他に表示デバイス11の光軸AX方向の移動を案内するガイドを備える。第2駆動部14bは、ピエゾ素子14fに付随する回路の他に表示デバイス11の±X方向の移動を案内するガイドを備える。第3駆動部14cは、ピエゾ素子14gに付随する回路の他に表示デバイス11の±Z方向の移動を案内するガイドを備える。第1駆動部14aによって、表示デバイス11を光軸AX方向に移動させることができ、後述するように、投影距離の変化に対応して表示状態を維持することができる。また、第2駆動部14bによって、表示デバイス11を±X方向に移動させることができ、移動させない場合に比較して、横のX方向に関して視野角を拡大したり、X方向のアイボックスサイズを拡大したりすることができる。また、第3駆動部14cによって、表示デバイス11を±Z方向に移動させることができ、移動させない場合に比較して、縦のZ方向に関して視野角を拡大したり、Z方向のアイボックスサイズを拡大したりすることができる。 As shown in FIG. 3, the
図2に戻って、本体光学系13は、表示デバイス11に形成された画像を拡大した中間像TIを形成する第1投影光学系である結像光学系15と、中間像TIを虚像に変換する第2投影光学系である虚像形成光学系17と、投影用の両光学系15,17間に配置される拡散部16とを備える。 Returning to FIG. 2, the main body
第1投影光学系である結像光学系15は、特にレンズや可動機構を有していないが、合焦位置変更部を有することも可能である。ここで、合焦位置変更部は、表示光学系30による投影距離の変化に合わせて動作する部分であり、表示制御部18の制御下で、例えば表示デバイス11の駆動だけでは中間スクリーン19の駆動範囲まで動作させることができず、そのままではフォーカスボケが生じてしまう場合等に、フォーカス駆動部15cに駆動されてフォーカスボケ等を抑える機能を有する。 The imaging
拡散部16は、結像光学系(第1投影光学系)15による投影位置又は結像位置(つまり中間像の結像予定位置又はその近傍)に配置され、回転体16aと中空枠体16bとを有し、スクリーン駆動部である回転駆動部64に駆動されて例えば一定速度で基準軸SXの周りに回転する。 The
図4Aは、拡散部16を説明する正面図であり、図4Bは、拡散部16を説明する側方断面図である。拡散部16は、全体として円板に近い輪郭を有する螺旋状の回転体16aと、回転体16aを収納する円筒状の中空枠体16bとを有する。 FIG. 4A is a front view for explaining the
回転体16aは、中央部16cと外周光学部16pとを有する。回転体16aの外周光学部16pに形成された一方の表面16fは、平滑面又は光学面に形成されており、表面16f上には、全域に亘って中間スクリーン19が形成されている。回転体16aの表面16fは、立体形状部116として機能する。中間スクリーン19は、配光角を所望の角度に制御した拡散板であり、拡散度(拡散分布の半値強度の拡散角)が例えば20°以上である。中間スクリーン19は、回転体16aに貼り付けられるシートとできるが、回転体16aの表面に形成された微細な凹凸パターンであってもよい。さらに、中間スクリーン19は、回転体16aの内部に埋め込むように形成されたものであってもよい。中間スクリーン19は、入射した表示光DLを拡散させることによって中間像TIを形成する(図2参照)。中間像TIの位置に拡散作用を有する中間スクリーン19を設けることにより、中間スクリーン19に形成された像を拡大投影することができ、視野角とアイボックスEBとを大きく確保することができる。回転体16aの外周光学部16pに形成された他方の表面16sは、平滑面又は光学面に形成されている。回転体16aは、光透過性を有する螺旋状の部材であり、一対の表面16f,16sは、基準軸SXを螺旋軸とする螺旋面となっている。結果的に、一方の表面16f上に形成された中間スクリーン19も連続的な螺旋面に沿って形成されたものとなっている。回転体16aは、基準軸SX又は光軸AX方向に関して略等しい厚みtを有する。中間スクリーン19は、螺旋の一周期に対応する範囲に形成されている。つまり、中間スクリーン19は、螺旋の1ピッチ分の範囲に形成されている。この結果、拡散部16の周に沿った一箇所に段差部16jが形成されている。段差部16jは、螺旋端間の段差を繋ぐとともに、拡散部16を回転させる基準軸SXを含む平面に対して傾斜した接続面16kを有する。 The
回転体16aにおいて、周方向に沿った一箇所は、本体光学系13の光軸AXが通る機能領域FAとなっており、機能領域FAにおける中間スクリーン19の部分によって中間像TIが形成される。この機能領域FAは、回転体16aの回転に伴って回転体16a上において一定速度で移動する。つまり、回転体16aを回転させつつその一部である機能領域FAに表示光(映像光)DLを入射させることで、機能領域FA又は中間像TIの位置が光軸AXに沿って往復移動する(表示デバイス11の表示が動作していなければ、必ずしも表示としての中間像は形成されないが、中間像が形成されるであろう位置も中間像の位置と呼ぶ)。図示の例では、中間スクリーン19が螺旋の一周期に対応する範囲に形成されているので、回転体16aの1回転で中間スクリーン19の機能領域FA又は中間像TIは、光軸AX方向に段差に相当する距離だけ1往復することになる。 In the
なお、第1駆動部14aは、回転体16aの回転位置に応じて同期動作しており、中間スクリーン19の機能領域FAの位置に応じて表示デバイス11を光軸AX方向又はY方向に移動させる。ここで、デバイス駆動部を構成する第1駆動部14aによる表示デバイス11の光軸AX方向に関する駆動と、中間スクリーン19の光軸AX方向に関する駆動とは同期したものとなっている。また、表示デバイス11と中間スクリーン19とを駆動している間、表示デバイス11と中間スクリーン19との位置関係が光学的に共役となるように保たれている。これにより、投影距離に関わらず虚像のぼけを生じさせないで駆動することができる。つまり、第1駆動部14aによって中間像TIのフォーカシングが行われ、中間スクリーン19の位置によって中間像TIにピントぼけが殆ど生じないようにしている。デバイス駆動部14による表示デバイス11の光軸AX方向に関する駆動範囲は、表示光学系30において中間像TIの移動も考慮した焦点深度の範囲内である。この場合、例えば中間スクリーン19の駆動量を小さくしながら投影距離に関わらず虚像のぼけが生じないで虚像投影距離を変えた表示が可能となる。第1駆動部14aを設けない場合、中間スクリーン19の位置によってピントぼけが生じないように、結像光学系(第1投影光学系)15が機能領域FAの移動範囲以上の所定の焦点深度を有するものとするか、又は結像光学系15が合焦機能を持つものとする。 The
中空枠体16bは、円柱状の外形輪郭を有し、側面部16eと一対の端面部16g,16hとで構成される。側面部16eと一対の端面部16g,16hとは、光透過性を有する同一の材料で形成されている。ただし、側面部16eは、光透過性を有していなくてもよい。一方の端面部16gの主面63a,63bは、互いに平行な平滑面又は光学面となっており、他方の端面部16hの主面64a,64bも、互いに平行な平滑面又は光学面となっている。ここで、主面63a,63b又は主面64a,64bは必ずしも平行な平面でなくてもよく、少なくとも機能領域FAに相当する範囲を自由曲面形状や非球面形状とすれば、例えば性能確保が難しい高倍率の光学系においても、光学系に要求される歪みや像面性等の像性能を確保することが可能となるので、必要に応じて望ましい面形状を選択すればよい。中空枠体16b中の回転体16aは、一対の中心軸部65を介して中空枠体16bに固定されており、中空枠体16bと回転体16aとは基準軸SXの周りに一体的に回転する。このように、中間スクリーン19を設けた回転体16aを中空枠体16b中に配置することで、回転体16aに塵等が付着することを抑制でき、回転体16aの回転に伴う音の発生を抑制することができ、回転体16aの高速での回転を安定化させることが容易になる。なお、回転体16aは、その外周部分において中空枠体16bに固定してもよい。この場合、拡散部16の厚みを薄くすることが容易になる。 The
図5A及び5Bを参照して、回転体16a(又は立体形状部116)の基準軸SXの設定について説明する。回転体16aの基準軸SXは、本体光学系13の光軸AXに対して非平行な状態で僅かに傾いて配置されている。ここで、回転体16a上の中間スクリーン19は、その局所的な機能領域FAが本体光学系13の光軸AX方向に対して略直交するように配置される。つまり、図5Aに示すように、回転体16aを光軸AXから機能領域FAのある横方向に離れた視点で観察した場合、基準軸SXは、光軸AXに対して所定角度αだけ傾斜した状態となっており、図5Bに示すように、回転体16aを基準として図5Aの場合と直交する方向に離れた視点で観察した場合、基準軸SXは、光軸AXに対して所定間隔dだけ離れた状態となっている。なお、図5Aにおいて一点鎖線で示す第1位置PO1は、機能領域FA又は中間像TIが最も光路上流側に位置した場合を示し、同様に一点鎖線で示す第2位置PO2は、機能領域FA又は中間像TIが最も光路下流側に位置した場合を示している。これらの位置PO1,PO2間の距離Dは、機能領域FA又は中間像TIの光軸AX方向の変位量に相当するものである。 The setting of the reference axis SX of the
図2に戻って、スクリーン駆動部である回転駆動部64によって拡散部16を一定速度で基準軸SXの周りに回転させることで、回転体16aの中間スクリーン19(又は立体形状部116)が光軸AXと交差する位置(つまり機能領域FA)も光軸AX方向に移動する。つまり、図5Cに示すように、回転体16aの回転に伴って、中間スクリーン19上の機能領域FAは、例えば等角度でずれた位置に設定された隣接する機能領域FA’に順次シフトし、光軸AX方向に移動する。このような機能領域FAの光軸AX方向への移動により、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。詳細は後述するが、例えば中間像TIの位置を表示デバイス(表示素子)11側に移動させることにより、投影像IMまでの投影距離又は虚像距離を増加させることができる。また、中間像TIの位置を虚像形成光学系17側に移動させることにより、投影像IMまでの投影距離又は虚像距離を減少させることができる。 Returning to FIG. 2, by rotating the
虚像形成光学系(第2投影光学系)17は、結像光学系(第1投影光学系)15によって形成された中間像TIを表示スクリーン20と協働して拡大し、観察者であるドライバーVDの前方に虚像としての投影像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。虚像形成光学系(第2投影光学系)17は、回転体16aの機能領域FAにおける中間スクリーン19の湾曲(つまり中間像TIの像面湾曲)を補正するような光学特性を有するものとできる。 The virtual image forming optical system (second projection optical system) 17 magnifies the intermediate image TI formed by the imaging optical system (first projection optical system) 15 in cooperation with the
図2等に示す画像表示装置100において、表示制御部18の制御下で回転駆動部64を動作させることで、拡散部16が基準軸SXの周りに回転して機能領域FAに対応する中間像TIの位置が光軸AX方向に繰り返し周期的に移動し、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投影像IMと観察者であるドライバーVDとの距離を大きく、又は小さくすることができる。このように、投影される投影像IMの位置を前後に変化させるとともに、表示制御部18の制御下で、表示デバイス11を中間像TIの配置に同期させて光軸AX方向に同期して移動させつつ、表示デバイス(表示素子)11による表示内容をその位置に応じたものとすることで、投影像IMまでの投影距離又は虚像距離を変化させつつ投影像IMの表示内容を変化させることになり、一連の投影像としての投影像IMを3次元的なものとすることができる。なお、機能領域FAが光軸AX方向に移動しても、機能領域FAにおける中間スクリーン19の湾曲状態は維持されるので、投影像IMの位置に関わらず虚像形成光学系(第2投影光学系)17による補正の効果は維持される。 In the
拡散部16若しくは回転体16aの回転速度又は機能領域FAの移動速度は、後に詳述するように虚像としての投影像IMが奥行き方向に関して複数個所又は複数投影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。ここで、各距離ゾーン(後述するサブゾーン)の投影像IMを30fps以上、望ましくは60fps以上で切替えれば、表示される複数の画像が視覚的には連続的な画像として認識される。例えば、拡散部16の動作に伴って投影像IMが近距離から遠距離までに5段階で順次投影されるものとして、表示デバイス11に200fpsで表示を行わせると、各距離(例えば近距離)の投影像IMは、40fpsで表示の切替えが行われることになり、各距離ゾーンの投影像IMが並列的に行われかつ切替えが略連続的なものとして認識される。 The rotation speed of the
図6は、拡散部16の回転に伴う中間像TIの位置の変化を具体的に例示する図である。拡散部16の機能領域FAは、光軸AX方向に沿って鋸歯状の経時パターンPAで繰り返し周期的に移動しており、中間像TIの位置も、表示デバイス(表示素子)11が連続表示を行っている場合、図示のように光軸AX方向に沿って鋸歯状の経時パターンPAで繰り返し周期的に移動する。つまり、中間像TIの位置は、段差部16jに対応する箇所で不連続的ながら、拡散部16の回転に伴って連続的かつ周期的に変化する。この結果、図示を省略するが、投影像(虚像)IMの位置も、スケールは異なるが、中間像TIの位置と同様に光軸AX方向に沿って繰り返し周期的に移動し、投影距離を連続的に変化させることができる。ここで、表示デバイス11は、連続表示を行うものでなく、表示内容を切り替りえつつ間欠的な表示を行うものであるから、中間像TIの表示位置も鋸歯状の経時パターンPA上における離散的な位置となる。経時パターンPAにおいて、最も近距離側又は虚像形成光学系17寄りの表示位置Pnと、最も遠距離側又は反虚像形成光学系17寄りの表示位置Pfとは、マージンを確保して、経時パターンPAの両端から所定量だけ離れた位置に設定される。また、経時パターンPAの途切れ目PDは、拡散部16の回転体16aに設けた段差部16jに対応する。 FIG. 6 is a diagram specifically exemplifying the change in the position of the intermediate image TI with the rotation of the
ここで、ある距離ゾーンの画像について表示を行う場合、図6に示すように表示している時間内で中間像TIの位置が変化することで、表示している奥行き方向の距離が変化する。この際、そのように奥行き方向の距離が変化する表示ゾーンについて観察者(ドライバーVD)に見える表示距離は、その表示時間内で変化する奥行き方向の距離の略平均位置となる。 Here, when displaying an image of a certain distance zone, the position of the intermediate image TI changes within the displayed time as shown in FIG. 6, so that the displayed distance in the depth direction changes. At this time, the display distance seen by the observer (driver VD) for the display zone in which the distance in the depth direction changes is a substantially average position of the distance in the depth direction that changes within the display time.
図7は、中間像TIの位置と投影距離との関係又は中間像TIの位置と表示ゾーンとの関係を説明する図である。一点鎖線で示す特性C1に従って、中間像TIを光軸AX方向に等しい速度で移動させた場合において、各距離ゾーンの切替時間の刻みδを一定値とすれば、投影距離の刻み幅は、近距離では短く、遠距離では長くなる。中間像TIの移動の刻み幅Δは、表示する距離ゾーンの切替時間に相当する均等なものとなっている。 FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the position of the intermediate image TI and the projection distance or the relationship between the position of the intermediate image TI and the display zone. When the intermediate image TI is moved at the same speed in the optical axis AX direction according to the characteristic C1 indicated by the alternate long and short dash line, if the step δ of the switching time of each distance zone is set to a constant value, the step width of the projected distance is close. Short at distances and long at long distances. The step size Δ of the movement of the intermediate image TI is equal to the switching time of the displayed distance zone.
図6に示す中間像TIの位置の両端間を移動する時間を1周期と考えた場合、奥行きを持つ表示の単位を表示ゾーンとして、その1周期の時間が各表示ゾーンの表示時間と表示ゾーン数nとの積よりも短い時間であれば、表示ゾーンは複数の距離ゾーンに亘るものとなり、少なくとも隣り合う表示ゾーンで投影距離範囲に重なりが生じる(図7の表示ゾーンDZ1〜DZn参照)。このように投影距離に関して重ねた表示を行うことで、同一の投影像(虚像)IMを奥行方向に広がりを持たせて表示することができ、重なりを生じない表示に比較して各表示ゾーンの表示時間を長くすることが可能となり、投影像(虚像)IMの輝度が向上する。 When the time to move between both ends of the position of the intermediate image TI shown in FIG. 6 is considered as one cycle, the display unit having depth is set as the display zone, and the time of the one cycle is the display time and the display zone of each display zone. If the time is shorter than the product of several n, the display zone extends over a plurality of distance zones, and the projection distance ranges overlap at least in the adjacent display zones (see display zones DZ1 to DZn in FIG. 7). By superimposing the projection distances in this way, the same projected image (virtual image) IM can be displayed with a spread in the depth direction, and each display zone can be displayed as compared with a display that does not cause overlap. The display time can be lengthened, and the brightness of the projected image (virtual image) IM is improved.
図7に例示するように、特性C1に沿ってn個の表示ゾーンを設定することができる。ここで、説明の便宜上、最も近距離の表示ゾーンを第1表示ゾーンDZ1と呼び、最も遠距離の表示ゾーンを第n表示ゾーンDZn(nは自然数)と呼ぶ。複数の表示ゾーンDZ1〜DZnは、近距離から遠距離になるに従って表示する距離幅が広がっている。複数の表示ゾーンDZ1〜DZnのうち隣り合う表示ゾーンは、投影距離が部分的に重複しており、各表示ゾーンは、本来投影距離を異ならせるべきものを含む。すなわち、第k表示ゾーンDZk(kはnより小さい自然数)と第k+1表示ゾーンDZk+1とは、投影距離が部分的に重複し、例えば第2表示ゾーンDZ2と第3表示ゾーンDZ3とは、投影距離が部分的に重複している。第k表示ゾーンDZkは、そこに表示すべき表示対象の投影距離の本来の表示像に対して、その前、後、又は前後の双方で設定される表示ゾーンで表示する像も合せて表示した複合的な投影像となっている。図示の例では、第k表示ゾーンDZkを表示している間の全体又はある一定時間内では4区間分の距離ゾーン又はサブゾーンLZk−2〜LZk+1に相当するそれぞれの像が重なった状態の表示がされている。この場合、それぞれの表示ゾーンDZ1〜DZnで表示される像の表示時間は、表示時間の刻みδのピッチで隣り合う表示ゾーンDZ1〜DZn間でズレがあるため、その分表示されている間の近側と遠側との両端の距離が変動してその平均距離も変動する。人の目又は脳は、その表示ゾーンDZ1〜DZnの平均距離で表示像を捉えるので、視覚的に同時に表示を行っている場合でも、それぞれの表示ゾーンDZ1〜DZnの表示距離を異なる位置として表示している状態にできる。 As illustrated in FIG. 7, n display zones can be set along the characteristic C1. Here, for convenience of explanation, the shortest display zone is referred to as the first display zone DZ1, and the farthest display zone is referred to as the nth display zone DZn (n is a natural number). The display distance width of the plurality of display zones DZ1 to DZn increases from a short distance to a long distance. Of the plurality of display zones DZ1 to DZn, adjacent display zones have partially overlapping projection distances, and each display zone includes those that should originally have different projection distances. That is, the projection distances of the kth display zone DZk (k is a natural number smaller than n) and the k + 1 display zone DZk + 1 partially overlap. For example, the second display zone DZ2 and the third display zone DZ3 have projection distances. Are partially duplicated. The kth display zone DZk also displays an image to be displayed in the display zone set before, after, or before and after the original display image of the projection distance of the display target to be displayed there. It is a complex projection image. In the illustrated example, while the kth display zone DZk is being displayed, the display of the entire or four sections of the distance zone or the subzones LZk-2 to LZk + 1 corresponding to each image in a certain period of time is displayed in an overlapping state. Has been done. In this case, the display time of the image displayed in each of the display zones DZ1 to DZn is different between the adjacent display zones DZ1 to DZn at the pitch of the display time step δ, so that the display time is increased by that amount. The distance between both ends of the near side and the far side fluctuates, and the average distance also fluctuates. Since the human eye or brain captures the display image at the average distance of the display zones DZ1 to DZn, the display distances of the respective display zones DZ1 to DZn are displayed as different positions even when visually displaying at the same time. Can be in the state of being.
なお、第k表示ゾーンDZkを重なり合う距離ゾーンが切り替わるタイミングで分割して、基準サブゾーンLZkを含む一連のサブゾーンLZk−2〜LZk+1として考えた場合、表示デバイス(表示素子)11に適宜表示動作を行わせることにより同一の投影像(虚像)IMをそれぞれのサブゾーンで表示させていることになる。つまり、距離が段階的に変化する一連の複数のサブゾーンLZk−2〜LZk+1の組合せによって表示ゾーンDZkが構成される。見方を変えれば、着目する1つの基準サブゾーンLZkに対応する距離ゾーンに投影したい局所的な像は、4つの表示ゾーンDZk−2〜DZk+1に重複して繰り返し表示されるので、各距離ゾーンに投影される局所的な像は、輝度を一様に向上させたものとなる。この際、投影距離の変化を考慮して、隣り合う表示ゾーンDZk−2〜DZk+1に共通する距離ゾーン(サブゾーンLZk−2〜LZk+1に対応)に投影される共通の局所的な投影像(虚像)IMを位置及び角度サイズが一致するように重ねて表示させる。これにより、投影距離が変化する投影像(虚像)IMをズレや滲みがない状態で表示することができる。また、この時の平均的な表示距離が、基準サブゾーンLZkに相当する距離となる。なお、図7では、表示の便宜上、各表示ゾーンDZ1〜DZnが横方向に延びるように示されているが、縦軸を中間像TIの位置とした場合、各表示ゾーンDZ1〜DZnは、特性C1に沿って延びるものとなる。 When the kth display zone DZk is divided at the timing when the overlapping distance zones are switched and considered as a series of subzones LZk-2 to LZk + 1 including the reference subzone LZk, the display device (display element) 11 is appropriately displayed. By doing so, the same projected image (virtual image) IM is displayed in each subzone. That is, the display zone DZk is formed by a combination of a series of a plurality of subzones LZk-2 to LZk + 1 in which the distance changes stepwise. From a different point of view, the local image to be projected in the distance zone corresponding to one reference subzone LZk of interest is repeatedly displayed in the four display zones DZk-2 to
第1表示ゾーンDZ1〜第n表示ゾーンDZnでの表示時間は、全て等しくなっている。複数の表示ゾーンを構成する各表示ゾーンDZ1〜DZnでの表示時間を等しくすることで、各表示ゾーンDZ1〜DZnによる複合的な投影像IMの表示輝度を一致させることができ、観察者であるドライバーVDが意図せず特定距離の像に偏って着目する傾向が生じることを防止できる。なお、用途によっては、各表示ゾーンDZ1〜DZnでの表示輝度に差を持たせることができる。例えば遠距離投影に対応する表示ゾーンについては、表示輝度を上げるといった処理が可能である。 The display times in the first display zone DZ1 to the nth display zone DZn are all equal. By equalizing the display time in each of the display zones DZ1 to DZn constituting the plurality of display zones, the display brightness of the composite projected image IM by each display zone DZ1 to DZn can be matched, and the observer is able to match. It is possible to prevent the driver VD from unintentionally tending to focus on an image at a specific distance. Depending on the application, the display brightness in each display zone DZ1 to DZn can be different. For example, for a display zone corresponding to long-distance projection, processing such as increasing the display brightness is possible.
画面内の特定の奥行き方向で異なる対象を表示する場合、距離の異なる表示対象が、奥行き方向以外の2次元平面内において重なる、又は略重なるような近い位置にあり、それらに対する表示間の干渉が発生してしまうことが考えられ、これを回避する必要がある。例えば表示ゾーンDZkの表示対象に対して別の表示距離DZk’に存在する表示対象が2次元平面内で近傍に位置していてそれぞれの対象に対する表示に干渉が生ずる場合には、干渉領域ではそれらを合成するような表示を行うことが考えられる。具体的には、一対の表示対象が重なる共通領域又は交わり領域では、一対の表示対象が半透過重畳表示されるような画像とし、一対の表示対象が重ならない差分領域又は独立領域では、各部分で標準的な表示を行えば足る。又は、色や大きさ(線の場合は太さも含む)、明るさ、及び明滅といった手法で違いを出した表示とする方法も考えられ、ドライバーVDに伝わるような工夫がされた各種表示方法を用いることができる。 When displaying different objects in a specific depth direction on the screen, the display objects with different distances are in close positions that overlap or substantially overlap in a two-dimensional plane other than the depth direction, and interference between the displays is caused. It is possible that it will occur, and it is necessary to avoid this. For example, if display objects existing at another display distance DZk'with respect to the display object in the display zone DZk are located in the vicinity in the two-dimensional plane and interference occurs in the display for each object, they are in the interference region. It is conceivable to make a display that synthesizes. Specifically, in the common area or the intersecting area where the pair of display objects overlap, the image is such that the pair of display objects are semi-transparently superimposed, and in the difference area or the independent area where the pair of display objects do not overlap, each part It is enough to make a standard display with. Alternatively, it is possible to consider a method of displaying different colors, sizes (including thickness in the case of lines), brightness, and blinking, and various display methods devised so as to be transmitted to the driver VD. Can be used.
以上の説明は、ドライバーVDの視点がアイボックスEB(図1参照)内で移動しないことが前提となっているが、ドライバーVDの視点がアイボックスEB内で移動した場合、以上の動作と並行して、表示制御部18の制御下で第2及び第3駆動部14b,14cを動作させ、表示デバイス11をドライバーVDの視点に対応する位置に変位させることも可能である。具体的には、後述する装置でドライバーVDの視点位置を監視しており、ドライバーVDの視点位置がアイボックスEBの中央から横方向に動いて±X方向に変位した場合、第2駆動部14bを動作させて表示デバイス11の投影像(虚像)IMがドライバーVDの視点位置の正面に近づくように、表示デバイス11を基準位置から±X方向に適宜移動させる。同様に、ドライバーVDの視点位置がアイボックスEBの中央から縦方向に動いて±Z方向に変位した場合、第2駆動部14bを動作させて表示デバイス11の投影像(虚像)IMがドライバーVDの視点位置の正面に近づくように、表示デバイス11を基準位置から±Z方向に適宜移動させる。このような表示デバイス11の±X方向又は±Z方向の移動に伴ってドライバーVDから見た投影像(虚像)IMが移動しないように、表示デバイス11の表示内容は、表示デバイス11の移動に応じたシフト、倍率変更、ゆがみ補正等が与えられ、ドライバーVDから見た投影像(虚像)IMの整合性が維持される。表示デバイス11の表示内容を変更する画像処理は、例えば表示制御部18にて行われる。以上のように、ドライバーVDの視点位置に応じて、デバイス駆動部14を動作させることによって表示デバイス11を光軸AXに垂直な直交2方向に移動させることにより、見かけ上大型の表示デバイスを用いたことと等価とすることができ、視点位置に応じて表示デバイス11を移動させるため、小型の装置で視野角やアイボックスEBを広げることができる。 The above explanation is based on the premise that the viewpoint of the driver VD does not move in the eyebox EB (see FIG. 1), but when the viewpoint of the driver VD moves in the eyebox EB, it is parallel to the above operation. Then, the second and
図8は、ヘッドアップディスプレイ装置200の全体構造を説明する概念的ブロック図であり、ヘッドアップディスプレイ装置200は、その一部として画像表示装置100を含む。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。 FIG. 8 is a conceptual block diagram illustrating the overall structure of the head-up
ヘッドアップディスプレイ装置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、主制御部90とを備える。 In addition to the
運転者検出部71は、ドライバーVDの存在やそ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参照)、ドライバーVD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ドライバーVD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内におけるドライバーVDの頭部の存否とともにドライバーVDの目の空間的な位置(結果的に視線の方向)を算出する。 The
環境監視部72は、検出領域内に存在するオブジェクトを検出するオブジェクト検出部であり、前方に近接して存在する移動体や人、具体的には自動車、自転車、歩行者等をオブジェクトとして識別し、オブジェクトの3次元的な位置情報を抽出する3次元計測器を有する。環境監視部(オブジェクト検出部)72は、3次元計測器として、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、可視又は赤外域において外界像の撮影を可能にする。外部用カメラ72aは、車体2内外の適所に設置されており、ドライバーVD又はフロントウインドウ8の前方の検出領域VF(後述する図9参照)を外部画像として撮影する。外部用画像処理部72bは、外部用カメラ72aで撮影した外部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画像の抽出又は切り出しを行うことによって自動車、自転車、歩行者等のオブジェクト(具体的には、後述する図9中のオブジェクトOB1,OB2,OB3参照)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前方におけるオブジェクトの空間的な位置を算出し3次元的な位置情報として記憶部に保管する。判断部72cの記憶部には、外部画像からオブジェクト画像の抽出を可能にするソフトウエアが保管されており、外部画像からオブジェクト画像を抽出する動作時には、記憶部から必要となるソフトウエアやデータが読み出される。判断部72cにより、例えば得られた画像内の各オブジェクト要素の形状、大きさ、色等から、オブジェクト要素に対応する要素が何かを検出することができる。その際の判断基準は、予め登録されている情報とのパターンマッチングを行ってマッチングの度合からオブジェクトが何かを検出する方法等がある。また、処理速度を高める観点で、画像から車線を検知し、その車線内にあるターゲット又はオブジェクト要素について、上記の形状、大きさ、色等からオブジェクトの検出を行うこともできる。 The
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、外部用カメラ72aは、結像用のレンズと、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)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。外部用カメラ72aを構成する複数のカメラ素子は、例えば相対的な視差を検出できるようになっており、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、検出領域に対応する画像内の各領域又はオブジェクトまでの目標距離を判定できる。 Although not shown, the
なお、上記のような複眼型の外部用カメラ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である目標距離を得ることができる。また、複眼型のカメラ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である目標距離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(領域又はオブジェクト)に関して奥行方向の距離情報である目標距離を得ることができる。 Even if a combination of a two-dimensional camera and an infrared distance sensor is used instead of the compound-eye type
また、複眼型の外部用カメラ72aに代えて、LIDAR(Light Detection and Ranging)技術を用いても、検出領域内の各部(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。LIDAR技術により、パルス状のレーザー照射に対する散乱光を測定し、遠距離にある対象までの距離や拡がりを計測して視野内のオブジェクトまでの距離情報やオブジェクトの拡がりに関する情報を取得することができる。さらに、例えばLIDAR技術のようなレーダーセンシング技術と画像情報からオブジェクトの距離等を検出する技術とを組み合わせるような複合的な手法、つまり複数のセンサーをフュージョンさせる手法によって、オブジェクトの検出精度を高めることができる。 Further, instead of the compound eye type
オブジェクトを検出するカメラ72aの動作速度は、入力の高速化の観点で、表示デバイス(表示素子)11の動作速度以上である必要があり、表示ゾーンDZ1〜DZnの表示切替え速度又は表示ゾーンDZ1〜DZnの1周期の表示期間が例えば30fps以上の場合、これより早くすることが望ましい。カメラ72aは、例えば120fpsより高速、例えば480fpsや1000fpsといった高速動作によってオブジェクトの高速検出を可能にするものが望ましい。また、複数センサーをフュージョンさせる場合、その全てのセンサーが高速である必要は必ずしもなく、少なくとも複数センサーの内1つのセンサーは高速である必要があるが、それ以外は高速でなくても構わない。この場合、高速のセンサーで検出するデータを基本としながら、高速でないセンサーのデータで補完するという使い方で、センシング精度を上げるといった方法を用いてもよい。 The operating speed of the
表示制御部18は、主制御部90の制御下で表示デバイス11及び表示光学系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次元的な投影像IMを表示させる。 The
主制御部90は、画像表示装置100、環境監視部72等の動作を調和させる役割を有する。主制御部90は、例えば表示制御部18を介してスクリーン駆動部である回転駆動部64やデバイス駆動部14を動作させることによって、表示光学系30による投影像IMである虚像の投影距離を周期的に変化させる。つまり、主制御部90等は、投影像IMである虚像の奥行き方向に関する投影位置を周期的に変化させる。また、主制御部90は、環境監視部72によって検出したオブジェクトの空間的な位置に対応するように、表示デバイス11及び表示光学系30によって投影されるフレーム枠HW(図9参照)の空間的な配置を調整する。すなわち、主制御部90は、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、表示デバイス11及び表示光学系30によって形成すべき投影像IMに対応する画像データを生成する。投影像IMの表示内容は、回転駆動部64の動作に同期したもの、つまり中間像TIの移動に同期させたものとなっている。投影像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、歩行者その他のオブジェクトに対して、その奥行き位置方向に関して周辺に位置するフレーム枠HW(図9参照)のような標識とすることができる。このフレーム枠HWは、説明の便宜上奥行きのない状態で示されているが、一定の奥行き幅を有するものとなっている。以上のように、主制御部90は、表示制御部18と協働して像付加部として機能し、検出されたオブジェクトまでの目標距離が投影距離と略一致するタイミングで、検出されたオブジェクトに対して表示デバイス11及び表示光学系30を介して虚像として関連情報像を付加する。この際、主制御部90は、表示制御部18と協働し、視点検出部である運転者検出部71によって得た視点位置に応じてデバイス駆動部14を動作させ、表示デバイス11を光軸AXに垂直な2方向に移動させる制御部として機能し、視野角やアイボックスEBを動的に広げる役割を有する。 The
図9に示すように、観察者であるドライバーVD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,OB3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、主制御部90は、画像表示装置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フレーム枠HW1,HW2,HW3を付加する。この際、ドライバーVDから各オブジェクトOB1,OB2,OB3までの距離が異なるので、フレーム枠HW1,HW2,HW3を表示させる投影像IM1,IM2,IM3までの投影距離は、ドライバーVD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。 As shown in FIG. 9, the front of the driver VD, which is the observer, is a detection region VF corresponding to the observation field of view. It is considered that the objects OB1 and OB3 of a person such as a pedestrian and the object OB2 of a moving object such as an automobile exist in the detection area VF, that is, in the road and its surroundings. In this case, the
なお、投影像IM1,IM2,IM3の投影距離は、図7に示す表示ゾーンDZ1〜DZnの一部に対応する表示ゾーンDZa〜DZcに形成されており、各表示ゾーンDZa〜DZcに対応する奥行き幅を有する。例えば、表示ゾーンDZaにおいて、投影像IM1の投影距離は、図9中の投影像IM1’の投影距離の分だけ奥行き幅を有する。各投影距離の中心、つまり投影像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、常に正確に一致させるということはできない。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、ドライバーVD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とフレーム枠HW1,HW2,HW3との配置関係を略維持することができる。なお、運転者検出部71、デバイス駆動部14、表示制御部18等を利用して、ドライバーVDの視点に応じて表示デバイス11自体をシフトさせたり表示デバイス11の表示内容をシフトさせたりすれば、元から視差が生じないような表示が可能になる。 The projection distances of the projected images IM1, IM2, and IM3 are formed in the display zones DZa to DZc corresponding to a part of the display zones DZ1 to DZn shown in FIG. 7, and the depths corresponding to the respective display zones DZa to DZc. Has a width. For example, in the display zone DZa, the projection distance of the projected image IM1 has a depth width corresponding to the projection distance of the projected image IM1'in FIG. The center of each projection distance, that is, the projection distances of the projection images IM1, IM2, and IM3 are discrete, and cannot always be exactly matched with the actual distances to the objects OB1, OB2, and OB3. However, if the difference between the projected distance of the projected images IM1, IM2, IM3 and the actual distance to the objects OB1, OB2, OB3 is not large, parallax is unlikely to occur even if the viewpoint of the driver VD moves, and the objects OB1, OB2 , OB3 and the frame frames HW1, HW2, HW3 can be substantially maintained. If the
図10Aは、図6に対応し、図10Bは、図9中の投影像IM3又はフレーム枠HW3に対応し、図10Cは、図9中の投影像IM2又はフレーム枠HW2に対応し、図10Dは、図9中の投影像IM1又はフレーム枠HW1に対応している。図10A〜10Dより明らかなように、投影像IM1は、回転体16a(又は立体形状部116)の機能領域FA又は中間像TIが表示位置P1を中心とする所定の距離範囲にあるとき、具体的には、この距離範囲に応じて図7に示す特性C1に基づいて決定される所定の表示ゾーンの表示タイミングであるときに、表示デバイス(表示素子)11の表示面11aに形成される一連の表示像に対応する。同様に、投影像IM2は、回転体16a(又は立体形状部116)の機能領域FAが表示位置P2を中心とする距離範囲にあるときに表示デバイス11の表示面11aに形成される一連の表示像に対応し、投影像IM3は、回転体16a(又は立体形状部116)の機能領域FAが表示位置P3を中心とする所定の距離範囲にあるときに表示デバイス11の表示面11aに形成される一連の表示像に対応する。中間像TIの移動を基準とする1周期でみた場合、まず表示位置P1に対応する投影像IM1又はフレーム枠HW1が表示され、次いで表示位置P2に対応する投影像IM2又はフレーム枠HW2が表示された後、表示位置P3に対応する投影像IM3又はフレーム枠HW3が表示される。以上の1周期が視覚的に短ければ、投影像IM1,IM2,IM3の切替えが非常に速くなり、観察者であるドライバーVDは、フレーム枠HW1,HW2,HW3を奥行きがある画像として同時に観察していると認識する。 10A corresponds to FIG. 6, FIG. 10B corresponds to the projection image IM3 or frame frame HW3 in FIG. 9, and FIG. 10C corresponds to the projection image IM2 or frame frame HW2 in FIG. 9D. Corresponds to the projected image IM1 or the frame frame HW1 in FIG. As is clear from FIGS. 10A to 10D, the projected image IM1 is concrete when the functional region FA or the intermediate image TI of the
図11は、主制御部90の動作を説明する概念図である。まず、主制御部90は、環境監視部72を利用してオブジェクトOB1,OB2,OB3を検出した場合、オブジェクトOB1,OB2,OB3に対応するフレーム枠HW1,HW2,HW3に対応する表示データを生成し、不図示の記憶部に保管する(ステップS11)。その後、主制御部90は、ステップS11で得た表示データを、対応する表示ゾーンDZ1〜DZnに振り分けるようなデータの変換を行う(ステップS12)。具体的には、オブジェクトOB1,OB2,OB3の位置に応じて、対応するフレーム枠HW1,HW2,HW3を表示ゾーンDZ1〜DZnのいずれか1つ(図9の例では表示ゾーンDZa〜DZc)に割り当てる。次に、主制御部90は、フレーム枠HW1,HW2,HW3に対応する表示データを割り当てた表示ゾーンDZ1〜DZnに適合するように加工し、不図示の記憶部に保管する(ステップS13)。この適合化は、距離ゾーン(サブゾーンLZk−2〜LZk+1)ごとに枠画像の輪郭や配置を補正するといった画像処理を含む。その後、主制御部90は、ステップS13で適合化させた表示データを既存データと合成する(ステップS14)。表示ゾーンDZ1〜DZnによる表示は、時間差があるものの同時並行して行われ、短時間であるが残像を残すような表示が行われるので、新たなオブジェクトOB1,OB2,OB3が出現した場合、既存のオブジェクトと新たなオブジェクトとを併存させるように表示内容を組み直す必要があることを考慮したものである。最後に、主制御部90は、ステップS14で得た表示データを、回転駆動部64の動作に同期して表示制御部18に出力し、表示デバイス(表示素子)11に回転体16aの機能領域FAに応じた表示動作を行わせる(ステップS15)。この際、表示制御部18は、主制御部90から得た視点位置に応じてデバイス駆動部14を動作させ、表示デバイス11を光軸AXに垂直な2方向に移動させるとともに表示デバイス11の表示内容をシフトさせる等の画像処理で修正し、投影像(虚像)IMがドライバー(観察者)VDの視点に適合したものになるようにする。また、表示制御部18は、デバイス駆動部14を利用して、表示デバイス11の光軸AX方向の位置を機能領域FA又は中間像TIの位置に適合するように移動させるとともに、フォーカス駆動部15cを利用して結像光学系15のフォーカス状態を適正に保つ。 FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating the operation of the
図12は、表示デバイス(表示素子)11の動作を説明する図である。この場合、縦方向に並ぶ第1表示領域〜第n表示領域は、図7等に示す第1〜第n表示ゾーンDZ1〜DZnに対応している。回転体16a(又は立体形状部116)の1回転に対応する1サイクルで、第1〜第n表示ゾーンDZ1〜DZnに対応して、表示デバイス(表示素子)11の表示面11aにおいて、第1表示領域〜第n表示領域での表示が繰り返される。各表示領域において、信号F1〜F4は、同一の表示像が4つのサブゾーンで繰り返されることを意味し、信号F1〜F4のそれぞれにカラー表示用のR,G、及びBの信号成分が含まれている。信号F1〜F4は、投影像IMの表示時間に対応する時間幅を有している。 FIG. 12 is a diagram illustrating the operation of the display device (display element) 11. In this case, the first display area to the nth display area arranged in the vertical direction correspond to the first to nth display zones DZ1 to DZn shown in FIG. 7 and the like. In one cycle corresponding to one rotation of the
以上で説明した第1実施形態のヘッドアップディスプレイ装置200又は画像表示装置100によれば、デバイス駆動部14が表示デバイス11を光軸AX方向及び光軸AX方向に垂直な面内の所定方向に移動させるので、表示デバイス11及び表示光学系30による虚像の投影位置を変更する動作が可能になり、或いは表示光学系30によって投影像(虚像)IMの投影位置を変更しても投影像(虚像)IMの画質を維持することが容易になる。また、DMDやLCOSといった小型で軽量の表示デバイス11を用いた構成とすることで、表示デバイス11の高速な移動又は駆動が可能となり、例えば表示デバイス11を光軸AX方向に高速に移動させることが可能となる。これによって、観察者が3D的な虚像表示を観察することが可能となる。例えば前方の歩行者や対向車等、対象となる人や物体に重ねて虚像表示を行うことを考えた場合、対象物のある複数の距離に、ほぼ同時に表示させたい表示を行いながら3D表示を見せることが可能となり、より自然で確実に観察者の注意喚起が可能となる。 According to the head-up
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係る表示装置について説明する。なお、第2実施形態の表示装置は第1実施形態の表示装置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, the display device according to the second embodiment will be described. The display device of the second embodiment is a modification of the display device of the first embodiment, and items not particularly described are the same as those of the first embodiment.
図13に示すように、結像光学系15の投影位置又は結像位置には、中間スクリーン19が配置されている。中間スクリーン19は、平坦面に沿って形成され、光軸AX方向に移動する光学素子である。中間スクリーン19は、配光角を所望の角度に制御した拡散板であり、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。この場合、中間スクリーン19の有効領域が、中間スクリーン19の機能領域となる。 As shown in FIG. 13, an
制御部としての主制御部90及び表示制御部18は、スクリーン駆動部である往復駆動部264を介して、中間スクリーン19の位置を周期的にシフトさせることで、中間像TIの位置を図14に示すように周期的に往復移動させて投影距離を周期的に変化させつつ、表示デバイス11に形成する画像を投影距離に応じたものとする。具体的には、往復駆動部264を構成するガイド部264aとアクチュエーター264bとによって中間スクリーン19を光軸AX方向に往復移動させることで投影距離を周期的に変化させる。 The
中間像TIの位置を図14に示す三角波形の経時パターンPAとする場合、又は図示していないが例えばサインカーブで周期的に往復移動させる場合、図7に示す表示ゾーンDZ1〜DZnを近距離から遠距離に順次切替えるように変化させた後、表示ゾーンDZ1〜DZnを遠距離から近距離に順次切替えるように変化させることを1サイクルとして、同様のサイクルを繰り返す動作を行うことになる。中間像TIの位置をサインカーブで周期的に往復移動させる場合、表示ゾーンDZ1〜DZnは図7に示すようなものとは異なるものとなり、表示時間もそれに合わせたものとする。 When the position of the intermediate image TI is set to the time-dependent pattern PA of the triangular waveform shown in FIG. 14, or when it is not shown but is periodically reciprocated by, for example, a sine curve, the display zones DZ1 to DZn shown in FIG. After changing so as to sequentially switch from a long distance to a long distance, changing the display zones DZ1 to DZn so as to sequentially switch from a long distance to a short distance is set as one cycle, and the same cycle is repeated. When the position of the intermediate image TI is periodically reciprocated by a sine curve, the display zones DZ1 to DZn are different from those shown in FIG. 7, and the display time is also adjusted accordingly.
〔その他〕
以上では、具体的な実施形態としてのヘッドアップディスプレイ装置200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、デバイス駆動部14のうち第1駆動部14aのみを用い、第2及び第3駆動部14b,14cについては省略することができる。この場合、表示デバイス11を光軸AX方向にのみ移動させることになる。また、デバイス駆動部14のうち第2及び第3駆動部14b,14cのみを用い、第1駆動部14aについては省略することができる。この場合、表示デバイス11を光軸AXに垂直な面内のX方向又はZ方向に移動させることになる。さらに、この場合において、第2及び第3駆動部14b,14cのうち第2駆動部14bのみを設けて第3駆動部14cを省略すれば、ドライバーVDの視点位置に応じて表示デバイス11を光軸AXに垂直なX方向又は横方向に移動させることができる。[Other]
Although the head-up
また、第1実施形態において、画像表示装置100の配置を上下反転させて、フロントウインドウ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、この場合、投影ユニット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、自動車の従来のミラーに対応する位置に配置してもよい。 Further, in the first embodiment, the arrangement of the
以上では、中間スクリーン19又は機能領域FAを本体光学系13の光軸AX方向に対して略直交するように配置するとしたが、機能領域FAを光軸AXに対して強制的に傾けることもできる。この場合、虚像形成光学系17との組み合わせによって傾きが無いか又は所定の傾きの投影像IMを投影することができる。 In the above, the
以上で説明した第1〜第n表示ゾーンDZ1〜DZnについては、投影距離の全範囲に亘って連続的である必要はなく、距離ゾーン(サブゾーンLZ1〜LZn)の境界に対応する部分で分離した不連続なものであってもよい。また、表示ゾーンDZ1〜DZnは、同一数のサブゾーンを含むものに限らず、表示ゾーンDZ1〜DZnごとに異なる数のサブゾーンを含ませることができる。 The first to nth display zones DZ1 to DZn described above do not have to be continuous over the entire projection distance, and are separated at a portion corresponding to the boundary of the distance zone (subzones LZ1 to LZn). It may be discontinuous. Further, the display zones DZ1 to DZn are not limited to those including the same number of subzones, and different numbers of subzones can be included in each of the display zones DZ1 to DZn.
第1実施形態では、拡散部16において、1つの中間スクリーン19を設けているが、2つ以上の中間スクリーン19を設けもよい。この場合、中間スクリーン19は、螺旋の1/2ピッチ、1/3ピッチ等に対応する範囲に分割されて形成されることになる。 In the first embodiment, one
中間スクリーン19の立体形状部116は、全周に亘って螺旋形状である必要はなく、全周の内の一部が螺旋となっている形状や、段差なく往復運動が可能となる回転体構造も考えられる。 The three-
拡散部16において、中空枠体16bは必須でなく、回転体16aのみとすることができる。この場合も、段差部16jに傾斜した接続面16kを形成しているので、回転体16aの回転に伴う音の発生を抑制することができ、回転体16aの回転を安定化させることができる。 In 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 embodiment, the outline of the
図2に示す結像光学系15や虚像形成光学系17は、単なる例示であり、これら結像光学系15及び虚像形成光学系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
以上では、環境監視部72によって車体2の前方に存在するオブジェクトOBを検出し、画像表示装置100にオブジェクトOBの配置に対応するフレーム枠HW1,HW2,HW3といった関連情報像を表示しているが、オブジェクトOBの有無に関わらず、通信ネットワークを利用して付随的な運転関連情報を取得し、このような運転関連情報を画像表示装置100に表示させることができる。例えば死角に存在する車、障害物等を警告するような表示も可能である。 In the above, the
以上では、中間スクリーン19を介して虚像の投影を行っているが、中間スクリーン19を用いないで表示デバイス11に形成された像を直接的に投影することもできる。 In the above, the virtual image is projected through the
本発明の表示装置は、車その他の移動体に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置(HUD)に限らず、3次元表示を行うヘッドマウント装置、ウェアラブルディスプレイ装置等に適用することができる。 The display device of the present invention is not limited to a head-up display device (HUD) mounted on a vehicle or other moving body, and can be applied to a head-mounted device, a wearable display device, or the like that performs three-dimensional display.
Claims (9)
前記表示デバイスによって形成された前記表示像を投影して虚像を形成する表示光学系と、
前記表示光学系による前記虚像の投影位置を変更する際に、前記表示デバイスを光軸方向及び前記光軸方向に垂直な面内の所定方向の少なくとも一方に移動させるデバイス駆動部と、を備える表示装置。A display device having a reflective display element, which is DMD or LCOS, and forming a display image,
A display optical system that projects the display image formed by the display device to form a virtual image,
A display including a device drive unit that moves the display device in at least one of an optical axis direction and a predetermined direction in a plane perpendicular to the optical axis direction when the projection position of the virtual image by the display optical system is changed. apparatus.
前記視点検出部によって得た視点位置に応じて、前記デバイス駆動部を動作させることによって前記表示デバイスを前記所定方向に移動させる制御部と、をさらに備える、請求項1及び2のいずれか一項に記載の表示装置。A viewpoint detection unit that detects the viewpoint position of the observer,
One of claims 1 and 2, further comprising a control unit that moves the display device in the predetermined direction by operating the device drive unit according to the viewpoint position obtained by the viewpoint detection unit. The display device described in.
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