JP6448472B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置などの表示装置に関するものである。

自動車用のヘッドアップディスプレイは、ダッシュボード側からフロントウィンドウのシールドガラスに向けて映像を投影し、運転者の視界の前方に虚像として各種の情報を表示させるものであり、近年、様々なタイプの製品が実用化されている。

一般的なヘッドアップディスプレイでは、デフューザなどのスクリーンに結像された中間像を投影光学系（拡大ミラーなど）によってフロントウィンドウのガラス（フロントガラス）に投影する。従って、投影光学系の位置が固定されている場合でも、中間像が結像されるスクリーンの位置を変えることによって、運転者に見える虚像の前後方向の位置を変えることができる。

下記の特許文献１に記載されるヘッドアップディスプレイ装置では、３つのスクリーン３１〜３３にそれぞれ映像が描画され、その映像がミラー４で反射されてフロントガラスに投影される（特許文献１の図３）。スクリーン３１〜３３は投影手段であるミラー４からの距離が異なるため、スクリーン３１〜３３の映像に対応する３つの虚像は、運転者から見て前後方向の位置が異なるように見える。

また、下記の特許文献２に記載されるヘッドアップディスプレイ装置では、２つのスクリーン１４，１６にそれぞれ映像が描画され、その映像が光学部１８の凹面鏡において反射されてフロントガラスに投影される（特許文献２の図１，図５）。このヘッドアップディスプレイ装置においても、スクリーン１４，１６の映像に対応する２つの虚像は、運転者からみて前後方向の位置が異なるように見える。

特開２００９−１５０９４７号公報 特開２０１５−３４９１９号公報

光線の走査によってスクリーンに中間像を結像させる場合、ビーム径が小さいほど解像度が向上するため、通常は、スクリーンに入射する光線を光学系によって集束させる。光学系により光線を集束させるため、ビーム径は光学系からの距離に応じて異なる。スクリーンが１つであれば、そのスクリーンで焦点が合うように（ビーム径が最小となるように）光学系を構成することで、良好な解像度が得られる。ところが、スクリーンが複数の場合、何れか１つのスクリーンに光線の焦点を合わせると、他のスクリーンにおいてビーム径が大きくなる。そのため、上述した特許文献１に記載されるヘッドアップディスプレイ装置では、１つのスクリーンに光線の焦点を合わせた場合、他の２つのスクリーンにおいて解像度が低下する。光線を平行光へ近づけるように光学系を構成すれば、スクリーンの位置によるビーム径の違いは小さくなるが、この方法ではビーム径を十分に絞ることができないため、各スクリーンの解像度が低下する。

他方、上述した特許文献２に記載されるヘッドアップディスプレイ装置では、光線の走査を行う焦点変更部８６として、凹面鏡８８の曲率を変更可能なＭＥＭＳミラーが用いられており、２つのスクリーン１４，１６にそれぞれ焦点を合わせることができる（特許文献２の図５）。しかしながら、ＭＥＭＳミラーによる凹面鏡の曲率の制御では、複雑な曲率の制御が必要になるため演算負荷が重くなるという問題や、スポット径の小さい光線の焦点を精度よくスクリーンに合わせることが困難であるという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成でありながら、中間像が結像される複数のスクリーンの各々に焦点を合わせて光線を入射させることができる表示装置を提供することにある。

本発明に係る表示装置は、複数のスクリーンにそれぞれ結像される中間像に応じた画像を表示する表示装置であって、複数色の光成分からなる光線を出射する光源と、前記光源からの光線を前記複数のスクリーンの何れか１つに向けて選択的に反射し、当該反射した光線で前記スクリーンを走査するスキャナと、前記スキャナの光線の走査によって前記スクリーンに結像される前記中間像に応じた画像を投影する投影光学系と、前記スキャナから前記複数のスクリーンの各々へ至る光路の全て、又は、前記スキャナから１つの前記スクリーンを除く他のスクリーンの各々へ至る光路の全てに配置され、当該配置された光路上の前記スクリーンにおいて前記スキャナからの光線の焦点を合わせる少なくとも１つのレンズとを備える。前記複数のスクリーンは、前記スキャナからの距離が異なっており、前記複数のスクリーンのそれぞれにおいて、前記スキャナからの光線の焦点が合っている。前記レンズは、前記スキャナからの光線が垂直に入射する入射面と、前記スクリーンへの光線が垂直に出射する出射面とを有する。

上記の構成によれば、前記スキャナから前記複数のスクリーンの各々へ至る光路の全て、又は、前記スキャナから１つの前記スクリーンを除く他のスクリーンの各々へ至る光路の全てに前記レンズが配置される。前記レンズが配置された光路上の前記スクリーンでは、前記レンズにより、前記スキャナからの光線の焦点が合わせられる。また、前記光路上に前記レンズが配置されない前記１つのスクリーンが存在する場合、その１つのスクリーンにおいては、前記レンズを用いずに前記スキャナからの光線の焦点が合わせられ、その他のスクリーンでは、前記レンズにより前記スキャナからの光線の焦点が合わせられる。従って、レンズを用いる簡易な構成でありながら、前記中間像が結像される前記複数のスクリーンの各々に焦点を合わせて光線を入射させることが可能となる。

また、上記の構成によれば、前記レンズの前記入射面において前記スキャナからの光線が垂直に入射し、前記レンズの前記出射面において、前記スクリーンへの光線が垂直に出射するため、異なる色の光成分における屈折率の違いに起因した色収差が生じ難くなる。

好適に、前記入射面及び前記出射面は、前記スキャナからの光線の出射位置を中心とする球面に沿った形状を持ってよい。
上記の構成によれば、前記レンズが単純な形状を持つため、前記レンズの加工が容易となる。

好適に、前記スキャナは、前記光源から入射した光線を反射する反射面であって、姿勢が変化しても位置が変化しない静止点を持つように搖動自在に支持された反射面を有してよい。前記光源は、前記反射面の前記静止点に向けて光線を入射してよい。
上記の構成によれば、前記スキャナからの光線の前記出射位置が前記反射面の前記静止点になるため、前記反射面の姿勢の変化に伴って前記スキャナから前記レンズへ向けて出射される光線の方向が様々に変化しても、前記スキャナからの光線が前記入射面へ精度よく垂直に入射し、前記スクリーンへの光線が前記出射面から精度よく垂直に出射する。

好適に、前記スキャナから前記１つのスクリーンへ至る光路に前記レンズが配置されいなくてもよい。この場合、前記光源は、前記１つのスクリーンにおいて前記スキャナからの光線の焦点が合うように、前記スキャナへ出射する光線を集束させる光源側光学系を有してよい。
上記の構成によれば、前記光源側光学系によって前記スキャナへ出射する光線が集束させられるため、前記複数のスクリーンの各々における光線のビーム径を小さくなり、前記中間像の解像度が高くなる。
また、前記１つのスクリーンでは、前記光源側光学系により前記スキャナからの光線の焦点が合わせられるため、他のスクリーンの光路上に配置される前記レンズの光学特性とは独立に、前記１つのスクリーンにおいて光線の焦点を合わせることが可能となる。

好適に、前記レンズは負の屈折力を持ってよい。この場合、前記レンズが配置された光路上に位置する前記スクリーンは、前記１つのスクリーンに比べて前記反射面から離れた場所に位置してよい。

本発明によれば、簡易な構成でありながら、中間像が結像される複数のスクリーンの各々に焦点を合わせて光線を入射させることができる。

本発明の実施形態に係る表示装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る表示装置の制御に関連する構成の一例を示す図である。 レンズの形状を説明するための図である。 光源から２つのスクリーンへ至る光路を直線的に表わした図である。図４Ａはレンズを含まない光路を示し、図４Ｂはレンズを含む光路を示す。 光源側光学系からの距離と光線のビーム径との関係を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る表示装置について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る表示装置は、複数のスクリーンに結像させた中間像を投影して画像を表示する装置であり、例えば、運転者から見て前方向の距離が異なる位置に虚像を表示する車両用のヘッドアップディスプレイ装置である。

図１は、本実施形態に係る表示装置の構成の一例を示す図である。図２は、本実施形態に係る表示装置の制御に関連する構成の一例を示す図である。図１及び図２の例に示す表示装置は、光源１０と、スキャナ２０と、２つのスクリーン３０ａ及び３０ｂと、投影光学系４０と、レンズ５０と、制御部６０と、記憶部７０を有する。以下の説明では、２つのスクリーン（３０ａ，３０ｂ）の各々を区別せずに「スクリーン３０」と記す場合がある。

光源１０は、例えばレーザ光源であり、複数色（例えば赤，青，緑）の光成分からなる光線ＬＢ１を出射する。図１の例において、光源１０は、それぞれ異なる色のレーザ光を発生する複数のレーザー発振器を含んだレーザー部１１と、レーザー部１１が発生した各色のレーザ光を合成して集束し、平行光に近い光線ＬＢ１をスキャナ２０へ出射する光源側光学系１２とを有する。

レーザー部１１は、後述する制御部６０の制御に従って、スクリーン３０に所望の中間像が得られるように各色のレーザー光の強度を調節する
光源側光学系１２は、スキャナ２０からスクリーン３０ａへ入射される光線の焦点がスクリーン３０ａにおいて合うように、スキャナ２０へ出射する光線ＬＢ１を集束させる。光源側光学系１２は、例えばコリメータレンズ等を含んで構成される。

スキャナ２０は、光源１０からの光線ＬＢ１をスクリーン３０ａ及びスクリーン３０ｂの何れか一方に向けて選択的に反射し、この反射した光線でスクリーン３０を走査する。スキャナ２０の光線が１つのスクリーン３０を走査しているとき、その光線は他のスクリーン３０には入射されない。

スキャナ２０は、光源１０から入射した光線ＬＢ１を反射する反射面２１を有する。この反射面２１は、姿勢が変化しても位置が変化しない静止点Ｏを持つように揺動自在に支持される。例えば反射面２１は、静止点Ｏで直交する２つの軸のまわりにおいて回動自在に支持される。スキャナ２０は、図示しないアクチュエータにより、各軸のまわりで反射面２１を回動させ、これにより反射面２１の姿勢を変化させる。

光源１０は、この反射面２１の静止点Ｏに向かって光線ＬＢ１を入射する。これにより、スキャナ２０からの光線の出射位置は、反射面２１の静止点Ｏとなる。そのため、反射面２１の姿勢の変化により光線の出射方向が変化しても、光線の出射位置は変化しない。

スキャナ２０は、例えばガルバノミラーやＭＥＭＳミラーなどを含んで構成されており、制御部６０の制御に従って反射面２１の姿勢を変化させる。

スクリーン３０ａ，３０ｂは、それぞれ中間像を結像させるための面であり、例えばスペックル雑音を低減するための拡散板（ディフューザ）を用いて構成される。スクリーン３０ｂは、スクリーン３０ａに比べて反射面２１から離れた場所に位置するとともに、スクリーン３０ａに比べて投影光学系４０の近くに位置する。

投影光学系４０は、スキャナ２０の光線の走査によってスクリーン３０に結像される中間像に応じた画像を投影する。図１の例において、投影光学系４０は凹型の反射ミラーであり、フロントガラス等の投影面７に中間像の光を入射し、運転者５から見て投影面７の反対側に虚像ＩＭ１，ＩＭ２を投影する。投影光学系４０から近い位置にあるスクリーン３０ｂの中間像は、運転者５から近い位置に見える虚像ＩＭ１となり、投影光学系４０から遠い位置にあるスクリーン３０ａの中間像は、運転者５から遠い位置に見える虚像ＩＭ２となる。

レンズ５０は、スキャナ２０からスクリーン３０ｂへ至る光路Ｐ２に配置されており、スクリーン３０ｂにおいてスキャナ２０からの光線の焦点を合わせる働きを持つ。スキャナ２０からの光線の焦点は、上述した光源側光学系１２により、スクリーン３０ｂに比べてスキャナ２０から近い位置にあるスクリーン３０ａに合わせられている。そのため、レンズ５０は、焦点の位置がスキャナ２０から遠ざかる方向へずれるように、光線を拡散させる働きを持つ。すなわちレンズ５０は、負の屈折力を持つ。

図３は、レンズ５０の形状を説明するための図である。
本実施形態において、レンズ５０は、スキャナ２０からの光線が垂直に入射する入射面５１と、スクリーン３０ｂへの光線が垂直に出射する出射面５２を有する。入射面５１と出射面５２は、図３において示すように、スキャナ２０からの光線の出射位置である反射面２１の静止点Ｏを中心とする球面に沿った形状を持つ。図３の例において、入射面５１は、静止点Ｏを中心とする半径ｒ１の球面に沿った形状を持つ。また、出射面５２は、静止点Ｏを中心とする半径ｒ２（ｒ２＞ｒ１）の球面に沿った形状を持つ。レンズ５０の厚みｔは、「ｔ＝ｒ２−ｒ１」となる。このような同心球面凹レンズであるレンズ５０は、光線を拡散させる負の屈折力を持っており、「ｒ１」，「ｒ２」を適宜設定することで焦点距離を所望の値にすることができる。

制御部６０は、表示装置の全体的な動作の制御を行う装置であり、例えば記憶部７０に格納されるプログラムに基づいて処理を実行するコンピュータを含んで構成される。制御部６０は、スクリーン３０において所望の中間像が得られるように、光源１０から出射される光線ＬＢ１の各色の光強度の制御と、スキャナ２０における光線の走査の制御を行う。

図４は、光源１０からスクリーン３０ａ，３０ｂへ至る光路を直線的に表した図である。図４Ａはスクリーン３０ａへの光路Ｐ１を示し、図４Ｂはスクリーン３０ｂへの光路Ｐ２を示す。
スクリーン３０ａへの光路Ｐ１には、途中にレンズ５０が含まれていないため、スクリーン３０へ入射される光線は、光源側光学系１２のみの作用によって集束する。そのため、光源側光学系１２の特性は、光源側光学系１２から距離ｚ１だけ離れたスクリーン３０ａにおいて光線の焦点が合う（光線のビーム径が最少となる）ように設定される。

図５は、光源側光学系１２からの距離と光線のビーム径との関係を説明するための図であり、スポット径が１ｍｍの光線が光源側光学系１２（コリメータレンズ）へ入力した場合の計算例を示す。図５における４つの曲線は、ビーム径が最少となる光源側光学系１２からの距離（焦点距離）がそれぞれ異なる。この図５から分かるように、ビーム径が最少となる位置から僅かにずれただけで、ビーム径は急激に大きくなる。特に、光源側光学系１２から近い位置でビーム径が最少となるように光源側光学系１２の特性を設定した場合、この傾向は顕著になる。

そこで、図４に示すように、スクリーン３０ｂへの光路Ｐ２では、焦点距離のずれによるビーム径の拡大を防ぐため、レンズ５０によって焦点距離が更に調整される。すなわち、光源側光学系１２によって距離ｚ１の位置に調整された光線の焦点が、スクリーン３０ｂの距離ｚ２（ｚ２＞ｚ１）まで遠方へシフトするように、レンズ５０の特性が設定される。図４Ｂにおいて示すように、光源側光学系１２の作用で集束する光線がレンズ５０において拡散されることで、光線のビーム径はスクリーン３０ｂにおいて最小となる。

以上説明したように、本実施形態に係る表示装置によれば、途中にレンズ５０が配置される光路Ｐ２上のスクリーン３０ｂでは、そのレンズ５０により、スキャナ２０からの光線の焦点が合わせられる。また、途中にレンズ５０が配置されない光路Ｐ１上のスクリーン３０ａでは、他の光学系、すなわち光源側光学系１２により、スキャナ２０からの光線の焦点が合わせられる。従って、レンズ５０を用いる簡易な構成でありながら、２つのスクリーン３０ａ，３０ｂの各々に焦点を合わせて光線を入射させることができる。これにより、２つのスクリーン３０ａ，３０ｂにおいて結像される中間像の解像度を共に高めることができるため、画質を向上できる。

また、本実施形態に係る表示装置によれば、レンズ５０の入射面５１においてスキャナ２０からの光線が垂直に入射し、レンズ５０の出射面においてスクリーン３０ｂへの光線が垂直に出射することにより、スクリーン３０ｂに結像される中間像に色収差を生じ難くすることができるため、画質を向上できる。

更に、本実施形態に係る表示装置によれば、レンズ５０の入射面５１と出射面５２が、スキャナ２０からの光線の出射位置を中心とする球面に沿った形状に形成されており、形状が単純であるため、レンズ５０を簡易な工程で精度よく加工することができる。

しかも、本実施形態に係る表示装置によれば、光源１０から反射面２１の静止点Ｏに向けて光線が入射されることから、スキャナ２０からの光線の出射位置は、反射面２１の静止点Ｏになる。これにより、反射面２１の姿勢の変化に伴ってスキャナ２０からレンズ５０に向けて出射される光線の方向が様々に変化しても、スキャナ２０からの光線が入射面５１へ精度よく垂直に入射し、スクリーン３０ｂへの光線が入射面５１から精度よく垂直に出射する。従って、スクリーン３０ｂの広い範囲で色収差の影響を生じ難くすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々のバリエーションを含んでいる。

例えば、上述した実施形態ではスクリーン３０が２つの場合を例に挙げているが、本発明はこれに限定されない。本発明の他の実施形態では、中間像を結像させるスクリーンが３以上であってもよい。例えばＮ個（Ｎは３以上の整数を示す。）のスクリーンにおいて中間像を結像させる場合、スキャナからの距離が最も短い１つのスクリーンを除く他のスクリーン（Ｎ−１個のスクリーン）へ至る光路の全てに、スキャナからの光線の焦点を合わせるためのレンズを設けてもよい。

また、上述した実施形態では、複数のスクリーンにおける１つのスクリーンについてはレンズ５０を設けていないが、本発明はこれに限定されない。本発明の他の実施形態では、スキャナから複数のスクリーンの各々へ至る光路の全て（図１の例では光路Ｐ１とＰ２の両方）に、各スクリーンで光線の焦点を合わせるためのレンズを配置してもよい。

５…運転者、７…投影面、１０…光源、１１…レーザー部、１２…光源側光学系、２０…スキャナ、２１…反射面、３０，３０ａ，３０ｂ…スクリーン、４０…投影光学系、５０…レンズ、５１…入射面、５２…出射面、６０…制御部、７０…記憶部、ＬＢ…光線、Ｏ…静止点、ＩＭ１，ＩＭ２…虚像。

Claims (5)

1. 複数のスクリーンにそれぞれ結像される中間像に応じた画像を表示する表示装置であって、
   複数色の光成分からなる光線を出射する光源と、
   前記光源からの光線を前記複数のスクリーンの何れか１つに向けて選択的に反射し、当該反射した光線で前記スクリーンを走査するスキャナと、
   前記スキャナの光線の走査によって前記スクリーンに結像される前記中間像に応じた画像を投影する投影光学系と、
   前記スキャナから前記複数のスクリーンの各々へ至る光路の全て、又は、前記スキャナから１つの前記スクリーンを除く他のスクリーンの各々へ至る光路の全てに配置され、当該配置された光路上の前記スクリーンにおいて前記スキャナからの光線の焦点を合わせる少なくとも１つのレンズとを備え、
   前記複数のスクリーンは、前記スキャナからの距離が異なっており、
   前記複数のスクリーンのそれぞれにおいて前記スキャナからの光線の焦点が合っており、
   前記レンズは、
   前記スキャナからの光線が垂直に入射する入射面と、
   前記スクリーンへの光線が垂直に出射する出射面とを有する
   ことを特徴とする表示装置。
2. 前記入射面及び前記出射面は、前記スキャナからの光線の出射位置を中心とする球面に沿った形状を持つ
   ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記スキャナは、前記光源から入射した光線を反射する反射面であって、姿勢が変化しても位置が変化しない静止点を持つように搖動自在に支持された反射面を有しており、
   前記光源は、前記反射面の前記静止点に向けて光線を入射する
   ことを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
4. 前記スキャナから前記１つのスクリーンへ至る光路に前記レンズが配置されておらず、
   前記光源は、前記１つのスクリーンにおいて前記スキャナからの光線の焦点が合うように、前記スキャナへ出射する光線を集束させる光源側光学系を有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
5. 前記レンズは負の屈折力を持ち、
   前記レンズが配置された光路上に位置する前記スクリーンは、前記１つのスクリーンに比べて前記反射面から離れた場所に位置する
   ことを特徴とする請求項４に記載の表示装置。