WO2018190434A1 - スクリーン及び画像表示装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a screen for projecting and displaying an image while having light transparency, and an image display device using the screen.
- HUD head-up display
- This screen reflects display light from the optical unit or drawing unit of the image display apparatus and transmits light from the outside.
- the display light enters the screen from an oblique direction. Therefore, the display light is required to be bent in a predetermined direction on the screen so that the observer can recognize a projection image by the display light.
- the prism sheet which is provided in the optical unit of the HUD device and adjusts the optical path width
- a prism sheet having a plurality of serrated protrusions on one side of a plastic or glass transparent substrate see Patent Document 1.
- the sawtooth projections act as prisms, and each prism can bend the optical path incident on the prism sheet in a predetermined direction.
- Patent Document 1 since the surface having the sawtooth projection is exposed, for example, when the user sticks to the front window as a windshield of the HUD device, the user wipes the window, etc.
- the sheet may be damaged by touching the protrusion, and desired reflection performance may not be obtained.
- problems such as an uncomfortable feeling of the observer due to the protrusions appearing to be exposed and distortion of the transmitted image also occur.
- a prism mirror that reflects image light emitted from an image light source and a diffusion sheet on which the emitted image light is imaged (see Patent Document 2).
- the prism mirror is provided with a plurality of prisms each having a reflection surface of a plurality of minute reflection units and a rise surface.
- the prism mirror reflects the projection angle ⁇ 2 (light beam spreading angle) of the reflected light beam to be smaller than the projection angle ⁇ 1 of the light beam before reflection.
- This optical member has a structure in which a large number of sawtooth or prism-shaped rectangular lenses extending in one direction are continuously arranged on one surface.
- This Fresnel lens has a structure in which a number of saw blade-shaped lens element portions are formed on one surface along the longitudinal direction.
- Patent Documents 2 to 4 described above have the same problem as that of Patent Document 1 because the surface having a sawtooth shape or a prism shape is exposed. Further, in the device of Patent Document 2, when the projection angle after reflection becomes narrow, there is a problem that the viewing angle and the eye box become narrow when applied to the HUD device.
- This light transmission plate is comprised by two transparent members, and one surface of each member is a plane, and the other surface has a Fresnel step or an inclined surface. The two members are joined to each other on the Fresnel step side or the inclined surface side.
- the light transmissive plate is provided with a semi-transmissive coating on the joint surface, and the refractive index of each member is set to the same value or substantially the same value, so that light transmitted through the element is hardly refracted. Thereby, the light transmission plate transmits the backlight of the LCD display without being refracted, and forms a bright image by reflecting the ambient light at the joint surface.
- the windshield of the HUD device has first to third optical layers, the first optical layer and the second optical layer are in close contact with each other, and the first optical layer and the third optical layer.
- Have optical members in close contact with each other see Patent Document 6).
- the first optical layer has a concave portion on the first main surface and a plurality of convex ridge portions provided around the concave portion, and has a convex portion on the second main surface facing the first main surface.
- a plurality of protrusions provided around the protrusion.
- the refractive index of the first optical layer is higher than the refractive index of the second optical layer and higher than the refractive index of the third optical layer.
- the optical member suppresses distortion of the external image transmitted through the windshield while enlarging the display image.
- the device of Patent Document 6 solves the distortion of the transmitted image, which is one of the problems of the devices of Patent Documents 1 to 4, but the reflection surface of the light beam is disposed in the element medium, so On the other hand, the direction of refraction and / or reflection (refractive index) differs between the vertical direction and the horizontal direction, and image magnification differences and astigmatic differences occur in the vertical and horizontal directions. Thereby, performance degradation of an observation image (projection image) arises.
- the present invention has been made in view of the above-described background art, and an object thereof is to provide a screen that reduces the distortion of a transmitted image from the outside while ensuring the performance of a projected image displayed by reflection of display light.
- Another object of the present invention is to provide an image display device incorporating the above-described screen.
- a screen reflecting one aspect of the present invention includes a first optical element having a first prism structure that is continuously and repeatedly arranged on one surface, A second optical element having a second prism structure continuously and repeatedly arranged on the surface, the second prism structure having a shape obtained by substantially inverting the shape of the first prism structure, And the second optical element are bonded in a state where the first prism structure and the second prism structure are opposed to each other, and the display light from the display element is transmitted to the first and second optical elements at the bonding surface.
- the reflected light is reflected as reflected light by at least one of the second prism structure and the light from the opposite side of the display element is transmitted as transmitted light, so that the reflected light and the transmitted light can be superposed and observed.
- Prism structures are arranged in at least a first direction along the screen surface, in response to the first direction of the position, the inclination of the first prism structure, and at least one of different curvatures.
- the substantially inverted shape also means that the shape of the second prism structure is not completely the same as the shape of the inverted first prism structure, and may include some errors. In this case, it is desirable that an adhesive or the like be interposed between the first and second prism structures.
- the screen surface is a surface on which incident light is reflected.
- an image display device reflecting one aspect of the present invention includes the above-described screen, and a drawing unit that displays an image corresponding to a virtual image displayed over the screen. Prepare.
- FIGS. 3B and 3C are diagrams for explaining a screen and an image display apparatus incorporating the screen according to the first embodiment. It is a figure explaining the structure of the screen shown in FIG. 3A is a plan view of the screen of FIG. 2 as viewed from the first optical element side, and FIGS. 3B and 3C are diagrams illustrating a modification of the screen of FIG. It is a figure explaining conditional expression (1). It is a figure explaining the non-reflective area
- the screen 100 uses a film-like sheet 90 as a light-transmitting plate-like member such as a windshield 8 of a moving body such as an automobile or a windshield. It is affixed so that it adheres closely.
- the sheet 90 is affixed to the windshield 8 or the like via an adhesive or an adhesive layer.
- the sheet 90 has an internal transmittance of 80% or more in the visible light wavelength region.
- the sheet 90 functions as the display unit 110 in the screen 100.
- the display unit 110 clearly displays a projection image (display light) from a drawing unit 210 of the image display device 200 described later, and emits light from the outside world. Make it transparent.
- the screen 100 when the screen 100 is used for the image display device 200 such as a HUD device, an observer (driver UN) or the like observes the external background via the screen 100, specifically the display unit 110, and also displays a projected image. Can be observed.
- the screen 100 is locally provided on the display unit 110 that is an area where a projection image is displayed, but may be spread over the entire windshield 8.
- the screen 100 includes a first optical element 10 having a first prism structure 11 that is continuously and repeatedly arranged on one surface, and a repeatedly and continuously arrayed on one surface.
- the second prism structure 21 has a shape obtained by substantially inverting the shape of the first prism structure 11.
- the surfaces opposite to the joint surfaces CR are planes 12 and 22, respectively.
- the plane 22 also has a curved surface when the screen 100 is attached to the windshield 8. It is desirable that the surface shape of the first prism structure 11 of the screen 100 also takes into account the shape of the windshield 8.
- At least one of the surfaces of the first and second prism structures 11 and 21 is a mirror having desired reflection characteristics.
- the reflectance of the mirror is, for example, 15% to 30%.
- the direction in which the wavelength range satisfying the reflectance defines the reflectance in the visible region is assumed to be incident at an angle ⁇ 2 shown in FIG. 2, for example.
- the mirror is made of metal, a multilayer film, or the like.
- the mirror may be provided only in the reflection part 14 of the 1st prism structure 11 mentioned later, for example.
- the first optical element 10 and the second optical element 20 are joined with the first prism structure 11 and the second prism structure 21 facing each other. Since the surface opposite to the joint surface CR is a flat surface, it is possible to suppress the influence other than the prism structures 11 and 21 and to easily handle the screen 100.
- the shape of the second prism structure 21 is not completely the same as the shape obtained by inverting the shape of the first prism structure 11, and may include some errors. In this case, it is desirable that an adhesive or the like be interposed between the first and second prism structures 11 and 21.
- the display unit 110 of the screen 100 receives display light L1 from the display element 30 of the drawing unit 210 described later on the first and second prism structures 11 and 21 on the joint surface CR of the first and second optical elements 10 and 20.
- the reflected light LR is reflected, and the light from the side opposite to the display element 30 is transmitted as the transmitted light L2, so that the reflected light LR and the transmitted light L2 are superposed for observation.
- the first prism structure 11 is arranged in the first direction among the two directions orthogonal to each other along the screen surface 100a.
- the inclination of the first prism structure 11 differs depending on the position in the first direction.
- the first prism structure 11 extends substantially in a straight line in the second direction out of two orthogonal directions.
- the screen surface 100a is a surface on which incident light (display light L1) is reflected.
- the first prism structure 11 of the first optical element 10 faces the second prism structure 21 (joint surface CR). It has become.
- the joint surface CR is considered to be approximate to a plane.
- the other surface 13 (in this embodiment, the flat surface 12) of the first optical element 10 that is opposite to the bonding surface CR is an incident surface 100 b of the screen 100.
- the first direction is preferably a direction formed by the vertical direction (h-axis direction in FIG. 2) and the screen surface 100a, that is, a direction in which the vertical direction is projected onto the screen surface 100a.
- the first direction is the vertical direction.
- the first direction is a direction in which the vertical direction is projected onto the screen surface 100a with respect to the thickness direction of the screen 100, and the screen 100 is in the Z direction (the vehicle longitudinal direction).
- the first direction is a direction in which the screen 100 and the YZ plane intersect. Even if the screen 100 is curved, if the curvature is small, the first direction is a direction in which the screen 100 and the YZ plane intersect.
- the vertical structure is changed with the direction formed by the vertical direction and the screen surface 100a or the direction in which the vertical direction is projected on the screen surface 100a as the vertical direction.
- the refractive power difference (power difference) in the vertical direction can be reliably reduced.
- the first direction is the Y direction (vertical direction)
- the second direction is the X direction (lateral direction).
- the first prism structure 11 When the display light HK from the drawing unit 210 is emitted substantially along a surface close to the vertical plane, the first prism structure 11 emits the principal ray at the center of the incident light flux and the principal ray reflected by the screen surface 100a.
- Each of the first prism structures has a step structure in a direction parallel to the plane including the light beam and in a direction perpendicular to the screen surface 100a in a direction (Y direction) in which the principal ray projected onto the screen surface 100a is incident. 11, the height t2 of the step structure decreases.
- the height of the lower first prism structure 11 is the upper first in the Y direction that is a direction formed by the vertical direction and the screen surface 100 a. It changes so as to be larger than the height of the prism structure 11.
- the curvature in the direction perpendicular to the screen surface 100a is changed over the entire surface of the screen 100 or the display unit 110 (specifically, the incident surface 100b).
- the curvature in the direction perpendicular to the screen surface 100a may change in each of the first prism structures 11 (specifically, a reflection unit 14 described later).
- the first prism structure 11 may be a periodic structure or an aperiodic structure.
- a periodic structure for example, the pitch p (length in the Y direction) of each first prism structure 11 can be regular.
- the heights of the individual first prism structures 11 can be made constant, and the pitch p of the first prism structures 11 can be made irregular.
- the periodic structure it becomes easy to use a method such as roll-to-roll, for example, in manufacturing the screen 100. If it is desired to change the direction in which the light beam is reflected in a different direction, or if the periodic structure is not suitable due to the design of the optical system that constitutes the HUD, the screen 100 should be an aperiodic structure. Good.
- the display unit 110 includes a first optical surface 111 provided on the observation side where the driver UN who is an observer is present or the seat 6 (see FIG. 1A) side, and a first optical surface 111 provided on the counter-observation side or the windshield (front window) 8 side. And two optical surfaces 121.
- the first optical surface 111 is a concave curved surface when viewed macroscopically, and is an aspherical surface or a free curved surface.
- the second optical surface 121 is a convexly curved surface when viewed macroscopically (a concave curved surface when viewed from the observer side), and is an aspherical surface or a free curved surface.
- the windshield 8 is not limited to a curved one but may be a flat plate.
- the joint surface CR of the first and second prism structures 11 and 21 can transmit the external light GK to a desired degree while appropriately reflecting the display light HK.
- An antireflection film and a protective coat are formed on the second optical surface 121. In some cases, an antireflection film or the like is not formed on the second optical surface 121.
- the screen 100 or the display unit 110 is disposed so as to extend in a substantially vertical direction in the present embodiment. Since the display unit 110 includes the prism structures 11 and 21, the screen 100 for the observer (driver UN) and the window of a HUD device or the like in a moving body in which a front window such as a track or a bus is nearly perpendicular to the ground. Even when placed on or attached to the shield 8, the observer (driver UN) can sufficiently observe the image projected at oblique incidence while observing the image of the outside world.
- the screen 100 is provided to be inclined with respect to the vertical direction (h-axis direction)
- the shape of the first prism structure 11 is designed in consideration of the inclination.
- the upper side is a positive angle and the lower side is a negative angle with respect to the horizontal direction perpendicular to the vertical direction.
- the individual first and second prism structures 11 and 21 when at least one of the inclination and the curvature is the same, the individual first and second prism structures in at least the first direction in the screen surface 100a, that is, the vertical direction.
- the powers of 11 and 21 are different.
- the reflection angle increases to about ⁇ 5 ° for display light incident from below the set reflection angle and to about + 4 ° for display light incident from the upper direction.
- these angular changes can be corrected by setting the inclination and / or curvature of the first prism structure 11 to be different in the first direction in the screen surface 100a.
- the shapes of the first and second prism structures 11 and 21 are set so that the astigmatic difference is also corrected while making the light reflection angles projected onto the Yz plane at least substantially the same in a side sectional view.
- the incident angle to the reflecting surface of the reflecting portion 14 can be reflected in the entire range from 0 ° to 90 °.
- the difference between the maximum height t 1 and the minimum height t 2 from the plane 12 and the pitch p (length in the Y direction) of the first prism structure 11 are different from those of the optical system constituting the HUD. It is a value determined from the structure required to ensure performance in combination.
- the pitch p is determined so that the difference between the maximum height t1 and the minimum height t2 from the plane 12 becomes a constant value, and the pitch p is not a constant value but a value that varies depending on the location.
- the difference between the maximum height t1 and the minimum height t2 from the plane 12 is 0.05 mm to 0.75 mm, and the minimum height t2 is about 0.1 mm to 1.0 mm.
- the second prism structure 21 has a shape obtained by substantially inverting the first prism structure 11, and thus description of dimensions and the like is omitted (the same applies hereinafter).
- the first prism structure 11 includes a reflecting portion 14 that reflects the display light L1 and a stepped wall portion 15 that does not contribute to the reflection of the display light L1.
- the angle formed by the reflecting portion 14 and the stepped wall portion 15, that is, the Fresnel surface angle b, is the direction (or angle, ie, the incident angle ⁇ 1) of the incident light beam with respect to the incident surface 100b of the screen 100, and the incident surface 100b of the screen 100 of the emitted light beam.
- the refractive index of the medium constituting the screen 100 reffractive indexes N2 and N3 of first and second optical elements 10 and 20 described later).
- the light flux from the light source LT placed at a certain distance with respect to the screen 100 is, for example, when the light flux is incident as diverging light, depending on the position where it enters the incident surface 100b of the screen 100.
- the incident angle of the light beam at the position (that is, the incident angle ⁇ 1) changes.
- the Fresnel based on the central ray of the light beam incident on the screen 100 (specifically, for example, the display light HK emitted from the drawing unit 210 substantially along the vertical plane and incident on the center of the screen 100).
- the surface angle b is the reference Fresnel surface angle b0, for example, when light is incident at an incident angle ⁇ 1 of 60 ° on the incident surface 100b of the screen 100 constituted by the plane 12, the medium of the first prism structure 11 is used.
- the refractive index N2 is 1.5
- the reference Fresnel surface angle b0 is set in the range of 69 ° to 75.5 °, the light beam can be emitted at an emission angle ⁇ 4 within ⁇ 10 °, and further the reference Fresnel surface angle.
- b0 is set in the range of 70.5 ° to 74 °, the light beam is emitted at an emission angle ⁇ 4 in the range of about ⁇ 5 °.
- the step wall portion 15 satisfies the following conditional expression.
- ⁇ w is an angle formed between the horizontal plane S1 and the step wall portion 15
- ⁇ 2 is an angle formed between the horizontal plane S1 and the incident light beam of the display light L1 before being reflected by the first prism structure 11 (FIG. 2 and FIG. 2).
- the horizontal plane S1 is based on a perpendicular to the other surface 13 of the first optical element 10 where the first prism structure 11 is not provided when the first optical element 10 is viewed in a cross section.
- the other surface 13 is not a flat surface, the surface is made uniform in the target range and regarded as a flat surface.
- the horizontal plane S1 converts the inclination angle of the screen 100 (or the surface angle of the screen 100). Therefore, the angles ⁇ w and ⁇ 2 are also based on the converted horizontal plane.
- Conditional expression (1) defines the relationship between the angle of the step wall portion 15 of the first prism structure 11 and the incident light beam. By satisfying the range of the conditional expression (1), it is possible to prevent the display light L1 from entering the step wall 15 and becoming stray light.
- the display light L1 does not enter the first prism structure 11, and a non-reflection area DA that does not contribute to reflection may occur.
- the first prism structure 11 is preferably designed so that the non-reflection area DA is minimized.
- the non-reflective area DA can be narrowed as the maximum height t1 of each first prism structure 11 is reduced. If the pitch p and the maximum height t1 of the first prism structure 11 are set to such an extent that diffraction does not become a problem, and the maximum height t1 of the first prism structure 11 is made as small as possible, the non-reflection area DA can be reduced.
- the screen 100 is manufactured by press molding, transfer molding using a photocurable resin, or the like.
- the 1st and 2nd optical elements 10 and 20 are formed with the organic material, inorganic material, etc. which have a light transmittance.
- the base material on the first prism structure 11 side and the base material on the second prism structure 21 side have substantially the same refractive index.
- substantially the same refractive index means having a refractive index difference of about 0 to 0.05.
- problems such as refraction can be prevented from occurring at the joint surface CR of the first and second prism structures 11 and 21, and deterioration such as image distortion can be prevented.
- the refractive indexes of the first and second optical elements 10 and 20 are preferably based on the refractive index of the base material having the prism (that is, the first prism structure 11) on the side from which the display light L1 is reflected.
- the reflectance of the display unit 110 that displays an image from the display element 30 in the screen surface 100a is higher than the reflectance of the area around the display unit 110.
- the display unit 110 means an area having the first and second prism structures 11 and 21 in the screen 100. That is, when the film-like sheet 90 having the first and second prism structures 11 and 21 is attached as in the present embodiment, the film itself becomes a display unit. For example, when providing a mirror in the 1st prism structure 11 of a part of film 90, the area
- the display unit 110 can make the image easier to see than the periphery of the display unit 110.
- the area of the display unit 110 and the surrounding area are determined by the viewing angle of the observer (driver UN) and the specifications of the eye box.
- the screen 100 includes a plurality of first and second prism structures 11 and 21, so that the screen 100 is at an angle ⁇ 1 with respect to a plane perpendicular to the screen 100 (a plane parallel to the horizontal plane S1 or the X direction).
- the angle ⁇ 4 is given from the incident angle ⁇ 4 ′ before refraction using the same Snell relational expression as described above.
- the substantially horizontal has a width of ⁇ 10 °, preferably about ⁇ 5 °.
- the screen 100 is incorporated in the image display device 200.
- the image display device 200 is mounted in the vehicle body 2 as a head-up display (HUD) device, for example, and includes a drawing unit 210 and a screen 100.
- the image display device 200 displays image information displayed on a display element 30 described later on a virtual image or projects a virtual image through the screen 100.
- the screen 100 is installed integrally with the windshield (front window) 8.
- the drawing unit 210 of the image display device 200 is installed so as to be embedded in the dashboard 4 of the vehicle body 2, and emits display light HK corresponding to an image including driving-related information toward the display unit 110 of the screen 100.
- the display unit 110 reflects the display light HK from the drawing unit 210 toward the rear of the vehicle body 2.
- the display light HK reflected by the screen 100 (display unit 110) is guided to an eye box corresponding to the pupil HT of the driver UN and its peripheral position.
- the driver UN can observe the display light HK reflected by the screen 100, that is, the display image IM as a virtual image in front of the vehicle body 2.
- the driver UN can observe external light transmitted through the screen 100, that is, a real image such as a front scene.
- the driver UN superimposes the external image behind the display unit 110 on the display image (virtual image) IM including the operation related information formed by the reflection of the display light HK on the display unit 110 of the screen 100. Can be observed.
- the drawing unit 210 includes a drawing device 40 including a display element 30, a variable magnification projection optical system 50, and a housing 60.
- FIG. 6 exemplifies the configuration of the image display device 200, and the configuration of the image display device 200 is appropriately changed depending on its specifications, installation location, and the like.
- the display element 30 may be a reflective element such as a digital mirror device (DMD) or a reflective liquid crystal element (LCOS), or a transmissive element such as a liquid crystal display (for example, a liquid crystal display (LCD)).
- DMD digital mirror device
- LCOS reflective liquid crystal element
- LCD liquid crystal display
- variable magnification projection optical system 50 displays a virtual image by causing a first projection optical system 51 that forms an intermediate image corresponding to the image formed on the display element 30 and image light corresponding to the intermediate image to enter the screen 100. And a second projection optical system 52.
- the housing 60 has an opening 61 through which the display light HK passes, and a film-like or thin plate-like light transmitting member 62 can be disposed in the opening 61.
- the display light HK reflected by the screen 100 is guided to the pupil HT of the driver UN.
- the virtual image light beam KK obtained by extending the display light HK behind the screen 100 forms a display image (virtual image) IM at a predetermined position in front of the driver's pupil HT.
- the distance d1 from the pupil HT to the screen 100 is about 0.5 to 1 m, for example, depending on the specifications of the vehicle body 2, and the distance d2 from the screen 100 to the display image IM is about 1 m or more, for example.
- the viewing angle is about ⁇ 10 ° to ⁇ 15 °.
- the eye box is set so as to cover the position of the pupil HT of a standard driver UN, and is set to a size of, for example, 10 to 15 cm in width and 5 to 8 cm in length.
- the first optical surface 111 (actually, the bonding surface CR) disposed on the pupil HT side of the screen 100 displays an image formed on the display element 30 via the variable magnification projection optical system 50 with respect to the pupil HT.
- the display image IM is displayed or projected with little distortion.
- the first optical surface 111 can form a display image IM without distortion depending on the shape of the optical surface.
- the antireflection film is not provided on the second optical surface 121, or when some reflection remains in the antireflection film, the display light branched through the first optical surface 111 also on the second optical surface 121. HK is partially reflected.
- the display light reflected on the second optical surface 121 behind the branch after branching passes through the first optical surface 111 and enters the pupil HT, so that the display image IM To form a double image.
- the secondary display light reflected by the second optical surface 121 travels from the same point on the display image IM in relation to the original display light HK, the virtual image and the secondary display by the display light HK are displayed. Formation of a double image can be avoided by overlapping with a virtual image due to light.
- the curvature or inclination angle of the second optical surface 121 and the thickness of the base material may be adjusted with the first optical surface 111 as a reference.
- the screen 100 described above includes first and second prism structures 11 and 21 in which the first and second optical elements 10 and 20 are continuously and repeatedly arranged, and two directions perpendicular to the screen surface 100a.
- 11 (display unit 110) can be made substantially uniform in power in at least the first direction, that is, the reflection angle of light rays in the region is almost uniform in at least the first direction, Astigmatic difference can be prevented from occurring.
- the observer (driver UN) can sufficiently observe the image projected at the oblique incidence without causing deterioration in performance while observing the image of the outside world. Further, since the prism structures 11 and 21 are bonded together, the prism structures 11 and 21 can be prevented from being damaged.
- a head-up display (HUD) device by providing desired prism structures 11 and 21 on the screen 100, an observer (driver UN) is projected at an oblique incidence on the screen 100 provided along a substantially vertical direction.
- the image can be observed with sufficient accuracy.
- the transmission image outside the vehicle is not distorted while ensuring the performance of the reflected image displayed by the HUD device. That is, in the screen 100 standing substantially vertically, the images projected from, for example, the obliquely lower side and the obliquely upper side of the screen 100 in a direction substantially perpendicular to the screen 100 by the prism structures 11 and 21 of the screen 100.
- the reflected image can be returned.
- a windshield type HUD device having a front window as a screen 100 can be achieved even in a moving body in which front windows such as buses and trucks are arranged substantially vertically, and a space for arranging a combiner is no longer necessary. It can be used effectively.
- a conventional windshield that does not change the shape of the prism structure in the first direction is used for a vertical front window such as a bus or truck, for example, the light beam illuminated obliquely from below is reflected upward, and the observer ( It becomes difficult to be reflected toward the direction of the driver UN).
- the screen 100 of the embodiment has the same configuration as that shown in FIG.
- the screen 100 stands vertically (90 degrees) along the vertical direction (h-axis direction).
- the overall specifications of the screen of this example are shown below.
- Refractive index N1 1.00 on the incident side (air)
- Refractive index N2 of the first optical element 1.49
- Refractive index N3 of the second optical element 1.49
- Light source distance D 500.00 mm
- Light distribution angle ⁇ 15 ° Incident surface angle a: 90 °
- the angle ⁇ 2 between the horizontal plane and the incident light before being reflected by the first prism structure 35.54 °
- Output angle ⁇ 4 2.29 °
- Angle ⁇ w between horizontal plane and step wall 0 °
- the position of the light source LT is 500.00 mm along the z direction perpendicular to the screen 100 from the screen 100, and the ray angle (incident angle ⁇ 1) of the incident light beam center is 60 °.
- the reference Fresnel surface angle b0 at the center of the light beam is 73 degrees.
- the shape of the screen surface 100a is based on the vertex of the surface as the origin, the z axis in the direction perpendicular to the screen surface 100a, the h axis in the direction parallel to the screen surface 100a and perpendicular to the z axis.
- the following “Equation 1” is used.
- the surface shape represented by “Equation 1” is added to the screen surface 100a having a surface angle of 73 °.
- “Equation 1” is a function of only the direction along the h-axis with respect to the screen 100 in FIG. 2, and represents the surface shape in the one-dimensional direction of the step of the first prism structure 11. .
- a power of 10 (eg, 2.5 ⁇ 10 ⁇ 02 ) is expressed using E (eg, 2.5E-02).
- E eg, 2.5E-02.
- the surface shape is changed only in the one-dimensional direction, but the surface shape may be expressed as a function of a two-dimensional free-form surface, and the incident surface 100b of the screen may be a free-form surface Fresnel shape. In this case, astigmatism correction becomes easy.
- the vertex N connecting the reflecting portion 14 and the stepped wall portion 15 has an R surface 16.
- the R surface should just be provided in the vertex N of the side into which the display light L1 injects.
- the screen according to the third embodiment will be described below.
- the screen or the like of the third embodiment is a modification of the screen of the first embodiment, and matters not specifically described are the same as those of the first embodiment.
- the first prism structure 11 of the screen 100 has a portion extending substantially parallel to the second direction (specifically, the X direction) of the two orthogonal directions and is curved. is doing.
- the curvature in the direction parallel to the cross section of the screen surface 100a of the first prism structure 11 changes according to the position in the first direction (specifically, the Y direction).
- the astigmatism difference can be corrected in the second direction by changing the curvature in the direction parallel to the cross section of the screen surface 100a in accordance with the position in the first direction.
- the display unit 110 can be arranged above the windshield (front window) 8 by inverting the arrangement of the image display device 200 upside down.
- the display unit 110 may be disposed at a position corresponding to a conventional mirror of an automobile.
- the outline of the display unit 110 is not limited to a rectangle, and can be various shapes.
- the film having the first and second prism structures 11 and 21 is attached to the windshield 8.
- the film may be attached to a combiner which is a member independent of the windshield 8.
- the first and second prism structures 11 and 21 may be incorporated in the windshield 8 or the combiner.
- FIG. 10 shows an example in which the screen 100 including the first and second prism structures 11 and 21 is incorporated in the windshield 8.
- the windshield 8 has a front glass member 81 and an inner glass member 82, and a screen 100 having a cross-sectional structure shown in FIG.
- the prism structures 11 and 12 forming the screen surface 100a of the screen 100 can extend linearly as shown in FIG. 3A, but may also be curved as shown in FIG.
- the illustrated windshield 8 is inclined with respect to the vertical direction or the vertical plane, but may extend along the vertical direction.
- a film having the first and second prism structures 11 and 21 may be sandwiched between two glass substrates.
- the tilt and / or curvature of the first prism structure 11 is changed according to the position in the first direction, but further, the tilt and / or the first prism structure 11 according to the position in the second direction.
- the curvature may be changed.
- the first and second prism structures 11 and 21 are provided on one surface of the first and second optical elements 10 and 20, but on the other surface of the first and second optical elements 10 and 20. It may be provided. In this case, it is desirable to provide a protective layer for preventing damage to the exposed prism structure.
- the other surfaces of the first and second optical elements 10 and 20 may be free-form surfaces or off-axis Fresnel shapes.
- the surface shape indicated by “Equation 1” is an example, and the coefficient is appropriately changed according to the surface angle of the screen surface 100a at the center of the light beam.
- variable magnification projection optical system 50 may be changed as appropriate, or the display element 30 may be replaced with another type of display element. it can.
- the variable magnification projection optical system 50 can be changed to a fixed focus optical system.
- the variable magnification projection optical system 50 may be omitted, or the first projection optical system 51 may be omitted.
- the surface on the opposite side of the first prism structure 11 is the flat surface 12, but the surface on the opposite side to the bonding surface CR of the first optical element 10 and the bonding surface CR of the second optical element 20 are other than the flat surface.
- the entire element constituted by the opposite surface can be made non-powered. Further, due to the relationship with the optical system of the HUD device, power such as curvature is given to the surface opposite to the bonding surface CR of the first optical element 10 and the surface opposite to the bonding surface CR of the second optical element 20. It can also be configured.
- the first direction is one of the two directions orthogonal to each other, but the first direction may be an arbitrary direction.
- the first direction is the direction formed by the vertical direction and the screen surface 100a.
- the first direction may be a direction orthogonal to the vertical direction (that is, the X direction) or may be arbitrarily rotated with respect to the vertical direction. It is good also as the made direction.
- the first and second optical elements 10 and 20 are separately molded and then joined to manufacture the screen 100 (or sheet 90).
- the screen 100 may be manufactured by molding the second optical element 20 in a state where the first optical element 10 is inserted into the mold for the second optical element 20.
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Abstract
表示光の反射によって表示される投影像の性能を確保しつつ、外界からの透過像の歪みを低減するスクリーンを提供する。一方の面に連続的に繰り返し配列された第1プリズム構造11を有する第1光学素子10と、一方の面に連続的に繰り返し配列された第2プリズム構造21を有する第2光学素子20とを備え、第2プリズム構造21は、第1プリズム構造11の形状を略反転させた形状を有し、第1及び第2光学素子10,20は、第1及び第2プリズム構造11,21を対向させた状態で接合されており、第1及び第2光学素子10,20の接合面CRにおいて、表示素子30からの表示光L1を第1及び第2プリズム構造11,21の少なくともいずれか一方により反射光LRとして反射させるとともに、表示素子30と反対側からの光を透過光L2として透過させることにより、反射光LRと透過光L2とを重ねて観察可能にし、第1プリズム構造11は、スクリーン面100aに沿った少なくとも第1方向に配列され、第1方向に位置において、第1プリズム構造11の傾き、及び第1プリズム構造11のスクリーン面100aに垂直な方向の曲率の少なくともいずれか一方が異なる。
Description
本発明は、光透過性を有しつつ、画像を投影表示させるスクリーン、及びスクリーンを用いた画像表示装置に関するものである。
ヘッドアップディスプレイ(以下、HUDとする)装置等に用いる光透過型のスクリーンがある。このスクリーンは、画像表示装置の光学ユニット又は描画ユニットからの表示光を反射し、かつ外界からの光を透過させるものである。HUD装置において、表示光は斜め方向からスクリーンに入射する。そのため、表示光は、スクリーンにおいて観察者が表示光による投影画像を認識するように所定の方向に曲げられることが求められる。
HUD装置の光学ユニット内に設けられ、光路幅を調整するプリズムシートの例ではあるが、プラスチック製又はガラス製の透明基板の片側に複数の鋸歯状突起を有するものがある(特許文献1参照)。この鋸歯状突起はプリズムとして作用し、各々のプリズムはプリズムシートに入射する光路を所定の方向に曲げることができる。
しかしながら、特許文献1では、鋸歯状突起を有する面が露出した構成となっているため、例えばHUD装置のウィンドシールドとしてフロントウィンドウに貼り付けて使用するといった場合には、使用者がウィンドウの拭き掃除等を行った際に、突起に触ってシートに傷をつけてしまい、所望の反射性能を得られなくなるおそれがある。また、突起が露出して見えることによる観察者の違和感や、透過像の歪みといった問題も発生する。
また、投写型表示装置の例ではあるが、映像光源から出射された映像光を反射するプリズムミラーと、出射された映像光が結像する拡散シートとを備えたものがある(特許文献2参照)。プリズムミラーには、複数の微小な反射単位の反射面とライズ面とからなる複数のプリズムが並設されている。プリズムミラーは、入射した映像光を反射する際に、反射後の光線の投影角Ψ2(光束の広がり角)が反射前の光線の投影角Ψ1より小さくなるように反射する。
また、自発光サンボードの例ではあるが、法線方向の光を発光部材面から所定の角度θの方向に偏向させる光学部材が開示されている(特許文献3参照)。この光学部材は、一方の面に一方向に延びる鋸刃状又はプリズム形状の矩形レンズが連続して多数配列した構造を有する。
また、反射防止型フレネルレンズの例ではあるが、自動車等のガラスの一部に一体的に装着することで、前下方等の死角部分の観察を可能とするものがある(特許文献4参照)。このフレネルレンズは、一方の面に鋸刃状のレンズエレメント部を長手方向に沿って多数形成した構造を有する。
以上で説明した特許文献2~4の装置でも、鋸刃状又はプリズム形状等を有する面が露出した構成であるため、特許文献1と同様の問題が生じる。また、特許文献2の装置では、反射後の投影角が狭くなると、HUD装置に適用する場合に、視野角やアイボックスが狭くなるという問題が発生する。
また、LCDディスプレイに用いる光透過プレートの例ではあるが、光反射性及び光透過性を有するものがある(特許文献5参照)。この光透過プレートは、2つの透明部材で構成され、各々の部材の一方の面が平面であり、他方の面がフレネルステップ又は傾斜面を有している。2つの部材は、フレネルステップ側又は傾斜面側で互いに接合されている。光透過プレートは、接合面に半透過のコーティングを施すとともに、各々の部材の屈折率を同じ値又は略同じ値とすることで、素子を透過する光がほとんど屈折しないようにしている。これにより、光透過プレートは、LCDディスプレイのバックライトを屈折させることなく透過させるとともに、環境光を接合面で反射させることで明るい像を形成する。
また、HUD装置のウィンドシールドにおいて、第1~第3の光学層を有し、第1の光学層と第2の光学層とが互いに密着し、かつ第1の光学層と第3の光学層とが互いに密着した光学部材を有するものがある(特許文献6参照)。第1の光学層は、第1の主面に凹部と当該凹部の周囲に設けられた複数の凸条部とを有し、第1の主面に対向する第2の主面に凸部と当該凸部の周囲に設けられた複数の凸条部とを有する。第1の光学層の屈折率は、第2の光学層の屈折率よりも高く、かつ第3の光学層の屈折率よりも高くなっている。光学部材は、表示像を拡大しつつ、ウィンドシールドを透過する外界像の歪みを抑制している。
特許文献6の装置では、上記特許文献1~4の装置の問題の1つであった透過像の歪みを解決するが、光束線の反射面が素子媒質内に配置されるため、素子面に対して縦方向と横方向とで屈折及び/又は反射する方向(屈折率)が異なり、上下左右方向での像倍率差や非点隔差が生じる。これにより、観察像(投影像)の性能劣化が生じる。
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、表示光の反射によって表示される投影像の性能を確保しつつ、外界からの透過像の歪みを低減するスクリーンを提供することを目的とする。
また、本発明は、上述のスクリーンを組み込んだ画像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スクリーンは、一方の面に連続的に繰り返し配列された第1プリズム構造を有する第1光学素子と、一方の面に連続的に繰り返し配列された第2プリズム構造を有する第2光学素子と、を備え、第2プリズム構造は、第1プリズム構造の形状を略反転させた形状を有し、第1光学素子と第2光学素子とは、第1プリズム構造と第2プリズム構造とを対向させた状態で接合されており、第1及び第2光学素子の接合面において、表示素子からの表示光を第1及び第2プリズム構造の少なくともいずれか一方により反射光として反射させるとともに、表示素子と反対側からの光を透過光として透過させることにより、反射光と透過光とを重ねて観察可能にし、第1プリズム構造は、スクリーン面に沿った少なくとも第1方向に配列され、第1方向の位置に応じて、第1プリズム構造の傾き、及び曲率の少なくともいずれか一方が異なる。なお、略反転させた形状とは、第2プリズム構造の形状が、第1プリズム構造の形状を反転させた形状と完全に同じでなく、多少の誤差を含んでもよいことも意味する。この場合、第1及び第2プリズム構造間には、接着剤等が介在することが望ましい。また、スクリーン面は、入射光が反射される面である。
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画像表示装置は、上述のスクリーンと、スクリーン越しに表示する虚像に対応する画像を表示する描画ユニットと、を備える。
〔第1実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第1実施形態にかかるスクリーンについて説明する。
以下、図面を参照しつつ、本発明の第1実施形態にかかるスクリーンについて説明する。
図1A、1B、及び図2に示すように、本実施形態のスクリーン100は、フィルム状のシート90を自動車等の移動体のウィンドシールド8又はフロントガラス等の光透過性を有する板状部材に密着するように貼り付けたものである。シート90は、接着剤又は粘着剤層等を介してウィンドシールド8等に貼り付けられている。シート90は、可視光波長域で80%以上の内部透過率を有している。シート90は、スクリーン100において表示部110として機能しており、表示部110では、後述する画像表示装置200の描画ユニット210からの投影像(表示光)を鮮明に映し出し、かつ外界からの光を透過させる。つまり、当該スクリーン100をHUD装置等の画像表示装置200に用いる場合、観察者(ドライバーUN)等がスクリーン100、具体的には表示部110を介して外部の背景を観察するとともに、投影像も観察することができる。本実施形態において、スクリーン100は、投影像が表示される領域である表示部110に局所的に設けられているが、ウィンドシールド8全体に広がっていてもよい。
図2に示すように、スクリーン100は、表示部110において、一方の面に連続的に繰り返し配列された第1プリズム構造11を有する第1光学素子10と、一方の面に連続的に繰り返し配列された第2プリズム構造21を有する第2光学素子20とを備える。つまり、第1及び第2プリズム構造11,21は、第1及び第2光学素子10,20の同一面上に2次元的にそれぞれ配列されている。第2プリズム構造21は、第1プリズム構造11の形状を略反転させた形状を有している。また、第1及び第2光学素子10,20において、これらの接合面CRと反対側の面はそれぞれ平面12,22となっている。なお、ウィンドシールド8が湾曲面を有する場合、スクリーン100をウィンドシールド8に貼り付けた状態では、平面22も湾曲面を有することになる。スクリーン100の第1プリズム構造11の面形状は、ウィンドシールド8の形状も考慮したものであることが望ましい。
第1及び第2プリズム構造11,21の表面の少なくともいずれか一方は、所望の反射特性を持つミラーとなっている。ミラーの反射率は、例えば15%~30%となっている。この反射率を満たす波長域が可視領域で反射率を規定する方向は、例えば図2に示す角度θ2で入射する場合のものとしている。ミラーは、金属や多層膜等で形成されている。なお、ミラーは、例えば後述する第1プリズム構造11の反射部14のみに設けられていてもよい。
第1光学素子10と第2光学素子20とは、第1プリズム構造11と第2プリズム構造21とを対向させた状態で接合されている。接合面CRと反対側の面が平面であることにより、プリズム構造11,21以外の影響を抑制してスクリーン100の取り扱いを容易にすることができる。なお、第2プリズム構造21の形状は、第1プリズム構造11の形状を反転させた形状と完全に同じでなく、多少の誤差を含んでもよい。この場合、第1及び第2プリズム構造11,21間には、接着剤等が介在することが望ましい。スクリーン100のうち表示部110は、第1及び第2光学素子10,20の接合面CRにおいて、後述する描画ユニット210の表示素子30からの表示光L1を第1及び第2プリズム構造11,21により反射光LRとして反射させるとともに、表示素子30と反対側からの光を透過光L2として透過させ、反射光LRと透過光L2とを重ねて観察可能にしている。
第1プリズム構造11は、スクリーン面100aに沿って直交する2方向のうち第1方向に配列されている。この第1方向の位置に応じて、第1プリズム構造11の傾きは異なっている。また、図3Aに示すように、第1プリズム構造11は、直交する2方向のうち第2方向に直線状に略平行に延びている。スクリーン面100aは、入射光(表示光L1)が反射する面であり、本実施形態では、第1光学素子10の第1プリズム構造11が第2プリズム構造21と対向する面(接合面CR)となっている。スクリーン面100aは、方向を規定するための巨視的な基準面として扱う場合、接合面CRを平面に近似して考える。なお、接合面CRに対して反対側である第1光学素子10の他方の面13(本実施形態では、平面12)は、スクリーン100の入射面100bとなっている。ここで、第1方向は、鉛直方向(図2のh軸方向)とスクリーン面100aとがなす方向、つまり鉛直方向をスクリーン面100aに投影した方向であることが望ましい。なお、スクリーン100が鉛直方向に延びる場合、第1方向は鉛直方向となる。スクリーン100が鉛直方向に対して傾斜する場合、第1方向は、スクリーン100の厚み方向を基準として、鉛直方向をスクリーン面100aに投影した方向となり、スクリーン100がZ方向(車両の前後方向)に単純に傾斜する場合、第1方向はスクリーン100とYZ面とが交差する方向となる。スクリーン100が湾曲していてもその湾曲が小さい場合、第1方向はスクリーン100とYZ面とが交差する方向となる。斜め下方向や斜め上方向から表示光HKを入射させる場合、鉛直方向とスクリーン面100aとがなす方向又は鉛直方向をスクリーン面100aに投影した方向を縦方向として、縦方向の構造を変化させることで、縦方向の屈折力差(パワー差)を確実に低減することができる。本実施形態において、第1方向はY方向(縦方向)であり、第2方向はX方向(横方向)となっている。第1プリズム構造11は、描画ユニット210からの表示光HKが鉛直面に近い面に略沿って射出される場合、入射光束の中心の主光線と、主光線がスクリーン面100aで反射された出射光線とを含む面に平行な方向、かつスクリーン面100aに垂直な方向に段差構造を有し、スクリーン面100aに投影した主光線が入射する方向(Y方向)に向かって、各第1プリズム構造11における段差構造の高さt2が減少する。第1プリズム構造11は、例えば光が下斜め方向から入射するとして、鉛直方向とスクリーン面100aとがなす方向であるY方向において、下側の第1プリズム構造11の高さが上側の第1プリズム構造11の高さよりも大きくなるように変化している。
なお、表示部110の第1方向において、図3Bに示すように、スクリーン100又は表示部110の面(具体的には、入射面100b)全体において、スクリーン面100aに垂直な方向の曲率が変化してもよいし、図3Cに示すように、個々の第1プリズム構造11(具体的には、後述する反射部14)において、スクリーン面100aに垂直な方向の曲率が変化してもよい。
第1プリズム構造11は、周期的な構造であってもよいし、非周期的な構造であってもよい。周期的な構造としては、例えば個々の第1プリズム構造11のピッチp(Y方向の長さ)を規則的なものとすることができる。非周期的な構造としては、例えば個々の第1プリズム構造11の高さを一定にし、第1プリズム構造11のピッチpを不規則的なものとすることができる。周期的な構造とすることで、スクリーン100の製造において、例えばロール・トゥー・ロールのような手法を用いることが容易となる。光束の反射する方向を部分的に別方向にしたい場合や、HUDを構成する光学系の設計との関係で周期的な構造が向かない場合等においては、スクリーン100を非周期的構造とすればよい。
表示部110は、観察者であるドライバーUNのいる観察側又は座席6(図1A参照)側に設けた第1光学面111と、反観察側又はウィンドシールド(フロントウィンドウ)8側に設けた第2光学面121とを有する。シート90をウィンドシールド8に貼り付けた状態において、第1光学面111は、巨視的に見て凹の曲面であり、非球面又は自由曲面となっている。また、第2光学面121は、巨視的に見て凸の曲面(観察者側から見た場合には凹の曲面)であり、非球面又は自由曲面となっている。ウィンドシールド8は、湾曲したものに限らず、平板状のものであってもよい。第1光学面111側において、第1及び第2プリズム構造11,21の接合面CRは、表示光HKを適度に反射しつつ外界光GKを所望の程度に透過させることができる。第2光学面121には、反射防止膜や保護コートが形成されている。なお、第2光学面121に反射防止膜等を形成しない場合もある。
スクリーン100又は表示部110は、本実施形態において略鉛直方向に延びるように配置される。表示部110が上記プリズム構造11,21を有することにより、観察者(ドライバーUN)に対してスクリーン100をトラックやバス等のフロントウィンドウが地面に対して垂直に近い移動体におけるHUD装置等のウィンドシールド8に配置し又は貼り付けても、観察者(ドライバーUN)は外界の像を観察しつつ、斜入射で投影された画像を十分に観察することができる。スクリーン100を鉛直方向(h軸方向)に対して傾斜させて設ける場合、第1プリズム構造11の形状は、その傾斜分を考慮して設計される。ここで、鉛直方向に直交する水平方向に対して上側を正の角度とし、下側を負の角度とする。
第1及び第2プリズム構造11,21において、その傾き及び曲率の少なくともいずれか一方が同じである場合、スクリーン面100a内の少なくとも第1方向、つまり上下方向で個々の第1及び第2プリズム構造11,21のパワーが異なるものとなる。つまり、設定している反射角度よりも下方向から入射する表示光では-5°程度、上方向から入射する表示光では+4°程度に反射角度が増加する。既に説明したように、スクリーン面100a内の第1方向において、第1プリズム構造11の傾き及び/又は曲率が異なるように設定することで、これらの角度変化を補正することができる。
第1及び第2プリズム構造11,21の形状は、側断面視において、少なくともYz面に投影した光線反射角を略同じにしつつ、非点隔差も補正されるよう設定されている。反射部14の反射面への入射角は、0°から90°までの全ての範囲で反射することができる。
第1プリズム構造11において、平面12からの最大高さt1と最小高さt2との差、及び第1プリズム構造11のピッチp(Y方向の長さ)は、HUDを構成する光学系との組合せで性能確保するために必要な構造から決まる値である。通常は、平面12からの最大高さt1と最小高さt2との差が一定値になるようピッチpを決めるものであり、ピッチpは、一定値ではなく場所により変化する値となる。例えば平面12からの最大高さt1と最小高さt2との差が0.05mm~0.75mmで、最小高さt2が0.1mm~1.0mm程度となっている。なお、第2プリズム構造21は、第1プリズム構造11を略反転させた形状であるので、寸法等の説明を省略する(以降も同様)。
図2及び図4に示すように、第1プリズム構造11は、表示光L1を反射させる反射部14と、表示光L1の反射に寄与しない段差壁部15とを有する。反射部14と段差壁部15とのなす角、すなわちフレネル面角度bは、入射光束のスクリーン100の入射面100bに対する方向(又は角度、すなわち入射角θ1)、出射光束のスクリーン100の入射面100bに対する方向(又は角度、すなわち出射角θ4)、及びスクリーン100を構成する媒質の屈折率(後述する第1及び第2光学素子10,20の屈折率N2,N3)で決められる。スクリーン100に対して、ある一定の距離を持った位置に置かれた光源LTからの光束は、例えば発散光として光束が入射する場合には、スクリーン100の入射面100bに入射する位置によって、その位置の光線の入射角度(つまり、入射角θ1)が変化する。ここで、スクリーン100に入射する光束の中心光線(具体的には例えば描画ユニット210から鉛直面に略沿って射出される表示光HKのうちスクリーン100の中央に入射するもの)を基準としたフレネル面角度bを基準フレネル面角度b0とすれば、例えば、平面12で構成されるスクリーン100の入射面100bに対して60°の入射角θ1で光が入射する場合、第1プリズム構造11の媒質屈折率N2を1.5とすると、基準フレネル面角度b0を69°~75.5°の範囲で設定すれば±10°以内の出射角θ4で光束が出射可能となり、更には基準フレネル面角度b0を70.5°~74°の範囲で設定すれば、±5°程度の範囲の出射角θ4で光束が出射される。
スクリーン100において、段差壁部15は、以下の条件式を満たす。
θw≦θ2 … (1)
ここで、θwは水平面S1と段差壁部15とのなす角度であり、θ2は水平面S1と第1プリズム構造11で反射する前の表示光L1の入射光線とのなす角度である(図2及び図4参照)。ここで、水平面S1は、第1光学素子10を横断面で見た場合に、第1光学素子10の第1プリズム構造11を設けていない他方の面13に対する垂線を基準としている。当該他方の面13が平面でない場合、対象範囲で面を均一化させて平面とみなす。なお、スクリーン100が略鉛直方向に延びるように配置されない場合、すなわちスクリーン100が垂直(90°)に立っていない場合、水平面S1はスクリーン100の傾斜角(又はスクリーン100の面角度)を換算したものとなり、角度θw,θ2も換算した水平面を基準とするものとなる。
θw≦θ2 … (1)
ここで、θwは水平面S1と段差壁部15とのなす角度であり、θ2は水平面S1と第1プリズム構造11で反射する前の表示光L1の入射光線とのなす角度である(図2及び図4参照)。ここで、水平面S1は、第1光学素子10を横断面で見た場合に、第1光学素子10の第1プリズム構造11を設けていない他方の面13に対する垂線を基準としている。当該他方の面13が平面でない場合、対象範囲で面を均一化させて平面とみなす。なお、スクリーン100が略鉛直方向に延びるように配置されない場合、すなわちスクリーン100が垂直(90°)に立っていない場合、水平面S1はスクリーン100の傾斜角(又はスクリーン100の面角度)を換算したものとなり、角度θw,θ2も換算した水平面を基準とするものとなる。
条件式(1)は、第1プリズム構造11の段差壁部15の角度と入射光線との関係を規定するものである。条件式(1)の範囲を満たすことにより、表示光L1が段差壁部15に入射して迷光となることを防ぐことができる。
図5に示すように、スクリーン100には、第1プリズム構造11に表示光L1が入射せず、反射に寄与しない無反射領域DAが発生しうる。第1プリズム構造11は、この無反射領域DAが最小限となるように設計されることが好ましい。無反射領域DAは、個々の第1プリズム構造11の最大高さt1を小さくするほど狭くすることができる。第1プリズム構造11のピッチp及び最大高さt1を回折が問題にならない程度に設定し、第1プリズム構造11の最大高さt1をできるだけ小さくすれば無反射領域DAを小さくすることができる。
スクリーン100は、プレス成形、光硬化性樹脂等を用いた転写成形等によって製造される。第1及び第2光学素子10,20は、光透過性を有する有機材料や無機材料等で形成されている。第1及び第2光学素子10,20の接合面CRにおいて、第1プリズム構造11側の基材と、第2プリズム構造21側の基材とは、略同じ屈折率を有する。ここで、略同じ屈折率とは、0~0.05程度の屈折率差を有することを意味する。この場合、第1及び第2プリズム構造11,21の接合面CRで屈折等の問題が生じることを防ぐことができ、画像の歪み等の劣化を防ぐことができる。なお、第1及び第2光学素子10,20の屈折率については、表示光L1が反射する側のプリズム(つまり第1プリズム構造11)を有する基材の屈折率を基準とすることが望ましい。
スクリーン面100aのうち表示素子30からの画像を表示させる表示部110の反射率は、表示部110の周囲の領域の反射率よりも高い。ここで、表示部110とは、スクリーン100のうち第1及び第2プリズム構造11,21を有する領域を意味する。つまり、本実施形態のように、第1及び第2プリズム構造11,21を有するフィルム状のシート90を貼り付ける場合、そのフィルム自体が表示部となる。また、例えばフィルム90の一部の第1プリズム構造11にミラーを設ける場合、ミラーが設けられる領域が表示部となる。また、ウィンドシールド8等に第1及び第2プリズム構造11,21を組み込む場合、第1及び第2プリズム構造11,21が設けられる領域、つまりウィンドシールド8等の一部が表示部となる。この場合、表示部110において、表示部110の周囲よりも画像を見えやすくすることができる。表示部110の領域及びその周囲の領域は、観察者(ドライバーUN)の視野角とアイボックスの仕様とで決まる。
図2等に示すように、スクリーン100が複数の第1及び第2プリズム構造11,21を有することにより、スクリーン100に垂直な面(水平面S1又はX方向に平行な面)に対し角度θ1で入射した光(表示光L1)は、第1光学素子10の基材の屈折率をNとした際に、屈折の法則により以下の式
sinθ1=N×sinθ1’
で示される方向に屈折し、その後構造面である接合面CRで反射されて観察者(ドライバーUN)から見て略水平(水平面S1に対して角度θ4)な方向に帰ってくる。ここで、角度θ4は、屈折前の入射角θ4’から上記と同様のスネルの関係式を利用して与えられる。なお、略水平(図中の角度θ4)とは、±10°、好ましくは±5°程度の幅を有する。
sinθ1=N×sinθ1’
で示される方向に屈折し、その後構造面である接合面CRで反射されて観察者(ドライバーUN)から見て略水平(水平面S1に対して角度θ4)な方向に帰ってくる。ここで、角度θ4は、屈折前の入射角θ4’から上記と同様のスネルの関係式を利用して与えられる。なお、略水平(図中の角度θ4)とは、±10°、好ましくは±5°程度の幅を有する。
以下、スクリーン100の使用状態等について説明する。図1A、1B、及び図6に示すように、スクリーン100は、画像表示装置200に組み込まれる。この画像表示装置200は、例えばヘッドアップディスプレイ(HUD)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210とスクリーン100とを備える。画像表示装置200は、後述する表示素子30に表示される画像情報を、スクリーン100越しに虚像表示又は虚像投影するものである。本実施形態では、スクリーン100は、ウィンドシールド(フロントウィンドウ)8と一体で設置されるものとなっている。
画像表示装置200のうち描画ユニット210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、運転関連情報を含む画像に対応する表示光HKをスクリーン100の表示部110に向けて射出する。表示部110は、描画ユニット210からの表示光HKを車体2の後方に向けて反射する。スクリーン100(表示部110)で反射された表示光HKは、ドライバーUNの瞳HT及びその周辺位置に対応するアイボックスに導かれる。ドライバーUNは、スクリーン100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、ドライバーUNは、スクリーン100を透過した外界光、つまり前方景色等の実像を観察することができる。結果的に、ドライバーUNは、表示部110の背後の外界像に重ねて、スクリーン100の表示部110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6に示すように、描画ユニット210は、表示素子30を備えた描画デバイス40と、変倍投影光学系50と、ハウジング60とを備える。なお、図6は、画像表示装置200の構成を例示したものであり、画像表示装置200の構成は、その仕様や設置箇所等によって適宜変更される。
描画デバイス40は、詳細な説明を省略するが、表示素子30のほかに、表示素子30に表示動作を行わせる表示駆動回路、表示素子30を照明するための光を射出するLEDその他の光源、かかる光源からの光を均一化する均一化光学系等を備える。表示素子30は、デジタルミラーデバイス(DMD)や反射型液晶素子(LCOS)等の反射型の素子でも、液晶等(例えば、液晶ディスプレイ(LCD)等)の透過型の素子でもよい。特に、表示素子30に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でき、表示に有利である。
変倍投影光学系50は、表示素子30に形成された画像に対応する中間像を形成する第1投影光学系51と、中間像に対応する像光をスクリーン100に入射させることによって虚像を表示する第2投影光学系52とを備える。
ハウジング60は、表示光HKを通過させる開口61を有し、この開口61には、フィルム状又は薄板状の光透過部材62を配置することができる。
図1Aに示すように、スクリーン100で反射された表示光HKは、ドライバーUNの瞳HTに導かれる。ここで、表示光HKをスクリーン100の背後に延長した虚像光線KKは、ドライバーの瞳HTに対して前方の所定位置に表示像(虚像)IMを形成する。なお、瞳HTからスクリーン100までの距離d1は、車体2の仕様によるが例えば0.5~1m程度としてあり、スクリーン100から表示像IMまでの距離d2は、例えば1m程度以上としている。また、視野角は、-10°~-15°程度としている。また、アイボックスは、標準的なドライバーUNの瞳HTの位置をカバーするように設定され、例えば横10~15cm、縦5~8cmと言ったサイズに設定される。
スクリーン100の瞳HT側に配置されている第1光学面111(実際には、接合面CR)は、変倍投影光学系50を介して表示素子30に形成された画像を瞳HTに対して表示像IMとして少ない歪みで表示又は投影する。この際、第1光学面111は、その光学面形状によって歪みのない表示像IMを形成することができる。なお、第2光学面121に反射防止膜を設けない場合、又は反射防止膜で若干の反射が残る場合、第2光学面121においても、第1光学面111を通過して分岐された表示光HKを部分的に反射する。この場合、分岐後に背後の第2光学面121での反射された表示光(以下便宜上、副表示光と呼ぶ)は、第1光学面111を通過して瞳HTに入射するので、表示像IMと重畳して2重像を形成する可能性がある。しかしながら、第2光学面121で反射された副表示光が、元の表示光HKとの関連で表示像IM上の同一点から射出されるよう進行するならば、表示光HKによる虚像と副表示光よる虚像とが重なって2重像の形成を回避できる。副表示光の進行方向を制御するため、第2光学面121の曲率又は傾斜角や基材の厚さを第1光学面111を基準として調整すればよい。
以上説明したスクリーン100では、第1及び第2光学素子10,20が連続的に繰り返し配列された第1及び第2プリズム構造11,21をそれぞれ有し、スクリーン面100aに沿って直交する2方向のうち第1方向(具体的には、Y方向)の位置に応じて、第1プリズム構造11の傾き及び/又は曲率が異なることにより、斜め方向から入射する表示光に対して第1プリズム構造11が存在する領域(表示部110)のパワーを少なくとも第1方向に関して略一様にすることができ、つまり当該領域の光線の反射角度が少なくとも第1方向に関して略一様となり、像倍率差や非点隔差が生じることを防ぐことができる。これにより、観察者(ドライバーUN)は外界の像を観察しつつ、斜入射で投影された画像を性能劣化を生じさせずに十分に観察することができる。また、プリズム構造11,21同士が貼り合わされるため、プリズム構造11,21が破損することを防ぐことができる。
特に、ヘッドアップディスプレイ(HUD)装置において、スクリーン100に所望のプリズム構造11,21を設けることで、観察者(ドライバーUN)は略鉛直方向に沿って設けられるスクリーン100に斜め入射で投影された画像を十分な精度で観察することができる。その際に、HUD装置で表示させる反射像の性能を確保しつつ、車外の透過像に歪みを生じさせない。つまり、略垂直に立っている状態のスクリーン100において、スクリーン100の持つプリズム構造11,21により、例えばスクリーン100の斜め下方や斜め上方から投影された画像をスクリーン100に対して略垂直な方向にその反射像を返すことができる。これにより、バスやトラック等のフロントウィンドウが略垂直に配置される移動体においても、フロントウィンドウをスクリーン100としたウィンドシールドタイプのHUD装置が達成され、コンバイナーを配置するスペースが必要なくなり、空間を有効に利用できる。
なお、プリズム構造の形状を第1方向において変化させない従来のウィンドシールドをバスやトラック等の垂直なフロントウィンドウに用いると、例えば斜め下方から照らした光束線が上方に反射してしまい、観察者(ドライバーUN)の方向に向けて反射されにくくなる。
(実施例)
以下、本実施形態のスクリーンの実施例を示す。
実施例のスクリーン100は、図2等に示すものと同様の構成となっている。スクリーン100は、鉛直方向(h軸方向)に沿って垂直(90度)に立っている。本実施例のスクリーンの全体諸元を以下に示す。
入射側(空気)の屈折率N1:1.00
第1光学素子の屈折率N2:1.49
第2光学素子の屈折率N3:1.49
第1光学素子の厚さ(最小高さt2):1.00mm
光源距離D:500.00mm
配光角度α:15°
入射面角度a:90°
基準フレネル面角度b0:73°
入射角θ1:60°
水平面と第1プリズム構造で反射する前の入射光線とのなす角度θ2:35.54°
出射角θ4:2.29°
水平面と段差壁部とのなす角度θw:0°
以下、本実施形態のスクリーンの実施例を示す。
実施例のスクリーン100は、図2等に示すものと同様の構成となっている。スクリーン100は、鉛直方向(h軸方向)に沿って垂直(90度)に立っている。本実施例のスクリーンの全体諸元を以下に示す。
入射側(空気)の屈折率N1:1.00
第1光学素子の屈折率N2:1.49
第2光学素子の屈折率N3:1.49
第1光学素子の厚さ(最小高さt2):1.00mm
光源距離D:500.00mm
配光角度α:15°
入射面角度a:90°
基準フレネル面角度b0:73°
入射角θ1:60°
水平面と第1プリズム構造で反射する前の入射光線とのなす角度θ2:35.54°
出射角θ4:2.29°
水平面と段差壁部とのなす角度θw:0°
上記のように、光源LTの位置は、スクリーン100からスクリーン100に垂直なz方向に沿って500.00mmの位置にあり、入射する光束中心の光線角度(入射角θ1)は60°である。光束中心での基準フレネル面角度b0は73度である。
本実施例において、スクリーン面100aの形状は、面の頂点を原点とし、スクリーン面100aに垂直な方向にz軸をとり、スクリーン面100aに平行、かつz軸に垂直な方向にh軸をとり、以下の「数1」で表す。「数1」で表される面形状は、73°の面角度を有するスクリーン面100aに対して付加される。本実施例において、「数1」は、図2において、スクリーン100に対してh軸に沿った方向のみの関数としており、第1プリズム構造11の段差の1次元方向の面形状を表している。この方向において、第1プリズム構造11のピッチpと、段差の角度(フレネル面角度bに相当)とが変化する。
〔数1〕
z(h)=h*tan(θt)+r0*{1-√(1-h2/r0 2)}+ΣkAk*hk
ただし、
θt:スクリーン100に対する段差の傾斜角度(各第1プリズム構造11の段差壁部15の最小高さt2の頂点Nを繋いだ線FL1とスクリーン100の入射面100b(つまり、平面12)に平行な面FL2とのなす角(図7参照))
Ak:k次の非球面係数
r0:曲率半径
〔数1〕
z(h)=h*tan(θt)+r0*{1-√(1-h2/r0 2)}+ΣkAk*hk
ただし、
θt:スクリーン100に対する段差の傾斜角度(各第1プリズム構造11の段差壁部15の最小高さt2の頂点Nを繋いだ線FL1とスクリーン100の入射面100b(つまり、平面12)に平行な面FL2とのなす角(図7参照))
Ak:k次の非球面係数
r0:曲率半径
実施例の面の係数を以下の表1に示す。なお、表1において、10のべき乗数(例えば2.5×10-02)をE(例えば2.5E-02)を用いて表すものとする。
〔表1〕
θt=-0.16879, r0=6676.3, A0=-0.0028, A1=2.89E-03,
A2=9.43E-06, A3=-6.88E-08, A4=3.90E-11, A5=-9.46E-14,
A6=1.60E-16, A7=-2.53E-20, A8=4.09E-22
なお、実施例では、1次元方向のみ面形状を変化させたが、面形状を2次元的な自由曲面の関数として表し、スクリーンの入射面100bを自由曲面フレネル形状としてもよい。この場合、非点収差補正が容易となる。
〔表1〕
θt=-0.16879, r0=6676.3, A0=-0.0028, A1=2.89E-03,
A2=9.43E-06, A3=-6.88E-08, A4=3.90E-11, A5=-9.46E-14,
A6=1.60E-16, A7=-2.53E-20, A8=4.09E-22
なお、実施例では、1次元方向のみ面形状を変化させたが、面形状を2次元的な自由曲面の関数として表し、スクリーンの入射面100bを自由曲面フレネル形状としてもよい。この場合、非点収差補正が容易となる。
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係るスクリーンについて説明する。なお、第2実施形態のスクリーンは第1実施形態のスクリーン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。
以下、第2実施形態に係るスクリーンについて説明する。なお、第2実施形態のスクリーンは第1実施形態のスクリーン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。
図8に示すように、本実施形態において、反射部14と段差壁部15とを繋ぐ頂点Nは、R面16を有している。これにより、表示光L1が頂点N付近で散乱することを防ぐことができる。なお、表示光L1が入射する側の頂点NにR面が設けられていればよい。
〔第3実施形態〕
以下、第3実施形態に係るスクリーンについて説明する。なお、第3実施形態のスクリーン等は第1実施形態のスクリーン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。
以下、第3実施形態に係るスクリーンについて説明する。なお、第3実施形態のスクリーン等は第1実施形態のスクリーン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。
図9に示すように、本実施形態において、スクリーン100の第1プリズム構造11は、直交する2方向のうち第2方向(具体的には、X方向)に略平行に延びる部分を有するとともに湾曲している。この第1プリズム構造11のスクリーン面100aの断面に平行な方向の曲率は、第1方向(具体的には、Y方向)の位置に応じて変化している。第1プリズム構造11において、スクリーン面100aの断面に平行な方向の曲率を、第1方向の位置に応じて変化させることにより、第2方向に関して非点隔差を補正することができる。
以上では実施形態に係るスクリーンについて説明したが、本発明に係るスクリーンは、上記のものには限られない。例えば、第1実施形態において、画像表示装置200の配置を上下反転させて、ウィンドシールド(フロントウィンドウ)8の上部に表示部110を配置することもでる。また、表示部110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。
上記実施形態において、表示部110の輪郭は、矩形に限らず、様々な形状とすることができる。
上記実施形態において、第1及び第2プリズム構造11,21を有するフィルムをウィンドシールド8に貼り付ける構造としたが、ウィンドシールド8とは独立した部材であるコンバイナーに貼り付ける構造としてもよい。また、ウィンドシールド8やコンバイナーの内部に第1及び第2プリズム構造11,21を組み込む構造としてもよい。
図10は、ウィンドシールド8中に第1及び第2プリズム構造11,21を含むスクリーン100を組み込んだ例を示す。この場合、ウィンドシールド8は、表側ガラス部材81と内側ガラス部材82とを有し、両ガラス部材81,82間に、図2等に示す断面構造を有するスクリーン100が挟み込まれている。スクリーン100のスクリーン面100aを形成するプリズム構造11,12は、図3Aに示すように直線的に延びるものとできるが、図9に示すように湾曲するものであってもよい。図示のウィンドシールド8は、鉛直方向又は鉛直面に対して傾斜しているが、鉛直方向に沿って延びるものであってもよい。
上記実施形態において、反射像の二重像を防ぐため、第1及び第2プリズム構造11,21を有するフィルム等を2枚のガラス基板で挟んだ構造としてもよい。
上記実施形態において、第1方向の位置に応じて第1プリズム構造11の傾き及び/又は曲率を変化させたが、さらに、第2方向の位置に応じて第1プリズム構造11の傾き及び/又は曲率を変化させてもよい。
上記実施形態において、第1及び第2プリズム構造11,21を第1及び第2光学素子10,20の一方の面に設けたが、第1及び第2光学素子10,20の他方の面に設けてもよい。この場合、露出するプリズム構造には破損防止のための保護層等を設けることが望ましい。なお、第1及び第2光学素子10,20の他方の面は、自由曲面や軸外しのフレネル形状であってもよい。
上記実施形態の実施例において、「数1」で示す面形状は例示であり、光束中心でのスクリーン面100aの面角度に応じて係数は適宜変更される。
上記実施形態において、図5に示す描画ユニット210等は、単なる例示であり、変倍投影光学系50の構成を適宜変更したり、表示素子30を他の種類の表示素子に置き換えたりすることができる。例えば、変倍投影光学系50を固定焦点の光学系に変更することができる。また、描画ユニット210において、例えば変倍投影光学系50を省略する構成や、第1投影光学系51を省略する構成とすることもできる。
上記実施形態において、第1プリズム構造11の反対側の面を平面12としたが、平面以外でも第1光学素子10の接合面CRと反対側の面と第2光学素子20の接合面CRの反対側の面とで構成する素子全体をノンパワーにすることもできる。また、HUD装置の光学系との関係で、第1光学素子10の接合面CRと反対側の面と第2光学素子20の接合面CRの反対側の面とに曲率等のパワーを持たせる構成とすることもできる。
上記実施形態において、第1方向を直交する2方向のうちの1つの方向としたが、第1方向を任意の方向としてもよい。例えば、第1実施形態では、第1方向を鉛直方向とスクリーン面100aとがなす方向としたが、鉛直方向に直交する方向(つまり、X方向)でもよいし、鉛直方向に対して任意に回転させた方向としてもよい。
上記実施形態において、第1及び第2光学素子10,20を別々に成形した後に接合してスクリーン100(又はシート90)を製造する例を挙げたが、例えば第1光学素子10を成形した後に、第2光学素子20用の金型に第1光学素子10を挿入した状態で第2光学素子20を成形してスクリーン100(又はシート90)を製造してもよい。
Claims (13)
- 一方の面に連続的に繰り返し配列された第1プリズム構造を有する第1光学素子と、
一方の面に連続的に繰り返し配列された第2プリズム構造を有する第2光学素子と、
を備え、
前記第2プリズム構造は、前記第1プリズム構造の形状を略反転させた形状を有し、
前記第1光学素子と前記第2光学素子とは、前記第1プリズム構造と前記第2プリズム構造とを対向させた状態で接合されており、
前記第1及び第2光学素子の接合面において、表示素子からの表示光を前記第1及び第2プリズム構造の少なくともいずれか一方により反射光として反射させるとともに、前記表示素子と反対側からの光を透過光として透過させることにより、前記反射光と前記透過光とを重ねて観察可能にし、
前記第1プリズム構造は、スクリーン面に沿った少なくとも第1方向に配列され、
前記第1方向の位置に応じて、前記第1プリズム構造の傾き、及び曲率の少なくともいずれか一方が異なる、スクリーン。 - 前記第1プリズム構造は、前記スクリーン面に沿って直交する2方向のうち少なくとも前記第1方向に配列される、請求項1に記載のスクリーン。
- 前記第1プリズム構造は、前記直交する2方向のうち第2方向に略平行に延びる部分を有するとともに湾曲しており、
前記第1プリズム構造の前記スクリーン面に平行な方向の曲率が前記第1方向の位置に応じて変化する、請求項2に記載のスクリーン。 - 前記第1プリズム構造は、周期的な構造及び非周期的な構造のいずれか一方である、請求項1から3までのいずれか一項に記載のスクリーン。
- 略鉛直方向に延びるように配置される、請求項1から4までのいずれか一項に記載のスクリーン。
- 前記第1及び第2光学素子において、前記接合面と反対側の面は平面であることを特徴とする請求項1から5までのいずれか一項に記載のスクリーン。
- 前記第1方向は、鉛直方向を前記スクリーン面に投影した方向である、請求項1から6までのいずれか一項に記載のスクリーン。
- 前記第1プリズム構造は、入射光束の中心の主光線と、前記主光線が前記スクリーン面で反射された出射光線とを含む面に水平な方向、かつ前記スクリーン面に垂直な方向に段差構造を有し、
前記スクリーン面に投影した前記主光線が入射する方向に向かって、各第1プリズム構造における前記段差構造の最小高さが減少する、請求項1から7までのいずれか一項に記載のスクリーン。 - 前記スクリーン面のうち前記表示素子からの画像を表示させる表示部の反射率は、前記表示部の周囲の領域の反射率よりも高い、請求項1から8までのいずれか一項に記載のスクリーン。
- 前記第1プリズム構造は、前記表示光を反射させる反射部と、前記表示光の反射に寄与しない段差壁部とを有し、
前記段差壁部は、以下の条件式を満たす、請求項1から9までのいずれか一項に記載のスクリーン。
θw≦θ2 … (1)
ここで、
θw:水平面と前記段差壁部とのなす角度
θ2:前記水平面と前記第1プリズム構造で反射する前の反射光線とのなす角度 - 前記接合面において、第1プリズム構造側の基材と、前記第2プリズム構造側の基材とは、略同じ屈折率を有する、請求項1から10までのいずれか一項に記載のスクリーン。
- 前記反射部と前記段差壁部とを繋ぐ頂点は、R面を有する、請求項1から11までのいずれか一項に記載のスクリーン。
- 請求項1から12までのいずれか一項に記載のスクリーンと、
前記スクリーン越しに表示する虚像に対応する画像を表示する描画ユニットと、
を備える、画像表示装置。
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2018
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