JP2009008722A - ３次元ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元ヘッドアップディスプレイ装置を実現する。これは、ランドマークの３次元的位置にあわせた視覚的なナビゲーションを、オペレータの目の焦点をずらすことなく行うものである。
【解決手段】右目と左目とに視差を与えて立体画像を表示する装置で、立体画像情報を表示する表示面と、前記表示面からの光を入射して観察者の右目と左目とに視差を与える凸レンズアレイと、凸レンズアレイの光を入射する大口径集光系と、上記の大口径集光系からの光を観察者向かって反射する反射面と、を備え、上記の凸レンズアレイと大口径集光系と反射面とによる上記の表示面の虚像は、観察者にとって、上記の凸レンズアレイと大口径集光系が無い場合の上記の反射面による上記の表示面の虚像よりも遠方に設定し、上記の表示面の虚像の位置近傍の奥行き情報を、上記の視差で観察者に提供する。
【選択図】図１

Description

この発明は、立体的な表示が可能なヘッドアップディスプレイであって、輸送機械や建設機械の操縦者や工作機械のオペレータなどが使う場合に特にその効果を発揮する３次元ヘッドアップディスプレイ装置に関している。

ヘッドアップディスプレイ装置は、装置オペレータの視野の一部に情報を直接映し出すものである。この装置は航空分野で開発され、最近では、自動車などの他の民生分野に応用されつつある。

さらに具体的には、一般に、この装置は、透明な光学ガラス板に画像を投影してオペレータの通常の視界と重ねて表示するものである。従来、その画像は、ブラウン管や液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、あるいはプラズマパネル上の表示を、レンズ系を用いて透明なガラス板やプラスチック板に投影している。この際、画像は無限遠の点に結像するようにする。これは利用者が視点を切り替えるときに、目の焦点を変えるための時間を無くすためである。このように、オペレータは、視界を切り替えることなく、種々の情報を受けることが出来るので、ミスの発生を防げる、という利点がある。

自動車に用いられるヘッドアップディスプレイでは、フロントガラスに投影して、運転者向けに、自動車自体の情報や安全に係わる情報を、運転者の視界の遠方の点に結像するような画像として提供する。また、病院での手術の際に、超音波画像、Ｘ線画像、Ｘ線ＣＴスキャン画像あるいはＭＲＩ画像などを、患者の位置に相当する点に映して正確な手術を行なうための補助として用いられる場合もある。

本発明に比較的近いヘッドアップディスプレイの例として以下の開示をあげることができる。例えば、航空機などの移動体中の観察者に用いるヘッドアップディスプレイが、特許文献１（米国特許第３９３６１４８号）に開示されている。これは、景色のなかに見える虚像を観察者に提供するものである。

また、自動車のフロントガラスなどの非球面の反射面を用いてヘッドアップディスプレイを構成した例が特許文献２（米国特許第４９６１６２５号）に開示されている。これは、投影装置に非球面レンズを用い、フロントガラスなどの非球面形反射面と共に投影用の光学系を構成している。

また、自動車のフロントガラスに反射する光の波長選択性のある膜を形成して余分な光の反射を防いだものが特許文献３（米国特許第５１５７５４９号）に開示されている。

また、特許文献４（特開２００４−１０１８２９号公報）には、凹面鏡を用いるもので、その反射面の形状に工夫を凝らして、ウインドシールドガラスの前方に結像する虚像の歪みを抑制したヘッドアップディスプレイが開示されている。

また、特許文献５（特開２００４−１７０８７９号公報）には、映像情報を表示する表示器から、光学ユニットに設けられた開口部までの光路上にプリズムシートを設置したヘッドアップディスプレイが開示されている。

また、本発明は、凸レンズアレイを用いて3次元表示を行なうヘッドアップディスプレイに関するものであるが、これに関しては、例えば、以下のものが開示されている。

特許文献６（特開平８−１６０３５５号公報）には、凸レンズアレイを用いることにより、特殊な眼鏡無しで多人数同時観察が可能なステレオ像表示可能な立体映像表示装置が開示されている。

また、特許文献７（特開２００５−３２６６１０号公報）には、拡散型体積ホログラムスクリーンと凸レンズアレイを用いた三次元画像再生装置が開示されている。

米国特許第３９３６１４８号明細書 米国特許第４９６１６２５号明細書 米国特許第５１５７５４９号明細書 特開２００４−１０１８２９号公報 特開２００４−１７０８７９号公報 特開平８−１６０３５５号公報 特開２００５−３２６６１０号公報

本発明では、立体の虚像を３次元表示できるヘッドアップディスプレイを提案する。

この発明によって、より自然な表示機能をもったヘッドアップディスプレイ装置を実現できる。例えば、ランドマークの３次元的位置にあわせて文字情報を重畳するなどの視覚的なナビゲーションを、オペレータの目の焦点をずらすことなく行うことができる。

本発明は、右目と左目とに視差を与えて奥行きのある立体画像を表示する３次元ヘッドアップディスプレイ装置で、立体画像情報を表示する表示面と、
前記表示面からの光を入射して観察者の右目と左目とに視差を与える凸レンズアレイと、
凸レンズアレイの光を入射する大口径集光系と、
上記の大口径集光系からの光を観察者向かって反射する反射面と、を備え、
上記の凸レンズアレイと大口径集光系と反射面とによる上記の表示面の虚像は、観察者にとって、上記の凸レンズアレイと大口径集光系が無い場合の上記の反射面による上記の表示面の虚像よりも遠方に設定し、
上記の表示面の虚像の位置近傍の奥行き情報を、上記の視差で観察者に提供するものである。

上記の表示面は、発光する表示面であることで、オペレータに目立つ表示を行なうことができる。また、上記の大口径集光系に、フレネルレンズを用いると軽量で僅かに小型にすることができる。また、上記の反射面として、運転席のフロントガラスを利用することができる場合は、構成部品点数を少なくすることができる。また、上記の反射面が概ね凸レンズの特性を備えている場合は、上記の大口径集光系を補助する、あるいは兼ねることができる。この場合は、上記の反射面は非球面であるので、上記の大口径集光系としては、前記の非球面の効果を補償するものであることが望ましい。また、上記の表示面に行なう表示は、必要に応じて、光学系のもつ歪を補償するような歪を持った表示であることが望ましい。

以下に図面を参照して実施例を示す。

本発明の実施例を図１に示す。この例では、自動車のダッシュボードの上または中で運転手の前の部分に、画像コントローラ１０から送られた立体画像情報を表示する表示面１と、表示面１からの光を入射して運転手である観察者５の右目と左目とに視差を与える凸レンズアレイ２と、凸レンズアレイ２の光を入射する大口径集光系３と、上記の大口径集光系３からの光を観察者５に向かって反射する反射面４と、を備えている。

また、図２に示すように、上記の凸レンズアレイ２と大口径集光系３と反射面４とによる上記の表示面１の虚像６は、観察者５にとって、上記の凸レンズアレイ２と大口径集光系３が無い場合の上記の反射面４による上記の表示面１の虚像１′よりも遠方に設定する。ここで、虚像１′は、反射面４であるフロントガラスによる表示装置の虚像９における表示面と、言うこともできる。なお、虚像６が観察者５に虚像として認識されるには、レンズアレイ２を構成する個々の凸レンズで生成される虚像が複数の画素からなることが求められ、そのため個々の凸レンズの径は、それを経由して複数の画素が目に入射されるに十分な大きさを有する必要がある。

上記の表示面１に表示する立体情報は、虚像６位置の近くで、右目と左目の視差でその遠近を表現できる範囲である視差提示による３次元像描画可能範囲７内の情報に限定することが望ましい。しかし、前記の立体情報を、右目と左目の視差を設けない情報と同時に表示することも可能である。

また、上記の表示面に表示する画像としては、例えば、ＧＰＳ１１（グローバルポジショニングシステム）と連動したもので、ランドマークの３次元的位置にあわせて文字情報や標識マークをその背景に重畳する。また、道路や交差点あるいは道路沿いの建物などの地図情報を３次元表示することで運転手に視線や目の焦点をずらすことを要求することなく、実体に即した種々の情報を提供することができる。あるいは、夜間の運転中に赤外線カメラで捉えた人物を強調表示することで、運転者に注意を促すことも可能である。

上記の表示面１は、高輝度で発光するフラットディスプレイであることが望ましい。

また、上記の大口径集光系に、大口径フレネルレンズを用いると軽量であり、しかも僅かに小型にすることができる。特にこの大口径集光系を上下させる機構を付ける場合には、なるべく軽くすることが望ましく、これを軽量化することによって、その機構もまた軽量化することができる。大口径集光系の焦点距離は、大口径集光系から反射面を経由しての運転者までの距離に近いものを使うと、表示する画像を大きくした場合も、その歪みを小さくすることができる。また、大口径集光系のレンズ中心は、運転者の目の位置から運転者が運転時に最もよく注視する方向に延長した光線が、反射面で反射されて行き着く線上付近に位置することが望ましい。

また、上記の反射面として、運転席のフロントガラスを利用することができる場合は、構成部品点数を少なくすることができる。この場合は、フロントガラスの反射部位に反射率を調整する反射補助膜をつけることが望ましい。しかし、この反射補助膜は、運転に悪影響を及ぼすものであってはならないことは明らかである。

また、上記の反射面が概ね凸レンズの特性を備えている場合は、上記の大口径集光系を兼ねることができる。この場合は、上記の反射面は非球面である場合が多いので、上記の大口径集光系としては、前記の非球面の効果を補償するものであることが望ましい。

また、上記の表示面に行なう表示は、必要に応じて、光学系のもつ歪を補償する歪を持った表示であることが望ましい。

ここで、虚像６の位置は、自動車の走行条件や環境に応じて自動的に、あるいは手動で調整されることが望ましい。例えば、高速で走行する場合は、運転手は遠方を注視するので、自動車の測度情報を受けて、低速で走行する場合よりも遠方に虚像６の位置を設ける。また、暗い環境で走行する場合は、運転手は比較的近距離の前方を注視する傾向にあるので、車外の照度情報を受けて、明るい場合よりも手前に虚像６の位置を設ける。しかし、この様に虚像６の位置を調整するためには、例えば、凸レンズアレイ２と大口径集光系３の間隔を、上記のように自動車の測度情報や車外の照度情報を受けて調整する虚像位置制御装置を用いる。

図３（ａ）に上記の虚像位置制御装置の例を示す。センサ１２は、速度センサあるいは照度センサで、その出力信号を用いて、制御器１３が、昇降機１４を制御して凸レンズアレイ２と大口径集光系３の間隔を変えて、虚像位置制御を行うものである。また、図３（ｂ）に示すように、凸レンズアレイ２と大口径集光系３との双方を動かして、虚像６の位置を調整してもよい。

また、レンズを昇降機で上下させ、虚像位置を移動で制御する代わりに、図４のように、透過型の表示面を複数（１ａ、１ｂ、１ｃ）重ね、画像の奥行きに合わせて、切換器１５で単数あるいは複数の表示面を選択してもよい。このようにすることにより、虚像を単数あるいは複数の表示面上に生成し、表示したい物体の奥行きに近い虚像面に画像を提示することもできる。表示面の数をさらに増やすことによって、虚像の設定位置をさらに増やすことができ、より自然な表示にすることができることは明らかである。

本発明の３次元ヘッドアップディスプレイ装置を医療手術に用いる場合、患者の位置と観察者の位置とを把握することは既によく知られた方法を用いて可能である。この位置関係を用いると、３次元ヘッドアップディスプレイ装置の視野内の患者にその患部の３次元医療画像を不自然にならないように重ね合わせることができる。このためには、この位置関係に合うように３次元ヘッドアップディスプレイ装置に表示する画像を構成することが必要であるが、これは、既によく知られた方法で容易に行なうことができる。このようにすることで、手術作業者が患部の状態を理解することを容易にし、また、自然な位置関係を保ったままで手術作業者が作業姿勢を変えることができるようになる。

本発明の実施例を示す模式図である。 図１の構成における虚像の位置関係を示すための図である。 虚像位置制御装置の例を示す図である。 複数から表示面を選択することで虚像位置を制御する装置の例を示す図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、１ｃ 表示面
１′ 反射面による表示装置の虚像９における表示面
２ 凸レンズアレイ
２′ 反射面による表示装置の虚像９における凸レンズアレイ
３ 大口径集光系
３′ 反射面による表示装置の虚像９における大口径集光系
４ 反射面
５ 観察者
６、６ａ、６ｂ、６ｃ 虚像面
７ 視差提示による３次元像描画可能範囲
８ 視線
９ 反射面による表示装置の虚像
１０ 画像コントローラ
１１ ＧＰＳ（グローバルポジショニングシステム）
１２ センサ
１３ 制御器
１４ 昇降機
１５ 切換器

Claims (6)

1. 立体画像情報を表示する表示面と、
   前記表示面からの光を入射して観察者の右目と左目とに視差を与える凸レンズアレイと、
   凸レンズアレイの光を入射する大口径集光系と、
   上記の大口径集光系からの光を観察者向かって反射する反射面と、を備え、
   上記の凸レンズアレイと大口径集光系と反射面とによる上記の表示面の虚像は、観察者にとって、上記の凸レンズアレイと大口径集光系が無い場合の上記の反射面による上記の表示面の虚像よりも遠方にあり、
   上記の表示面の虚像の位置近傍の奥行き情報を、上記の視差で観察者に提供する構成である、ことを特徴とする３次元ヘッドアップディスプレイ装置。
2. 上記の表示面は、発光する表示面であることを特徴とする請求項１に記載の３次元ヘッドアップディスプレイ装置。
3. 上記の大口径集光系は、フレネルレンズであることを特徴とする請求項１に記載の３次元ヘッドアップディスプレイ装置。
4. 上記の反射面は、運転席のフロントガラスであることを特徴とする請求項１に記載の３次元ヘッドアップディスプレイ装置。
5. 上記の反射面は、上記の大口径集光系を兼ねていることを特徴とする請求項１に記載の３次元ヘッドアップディスプレイ装置。
6. 上記の反射面は非球面であって、上記の大口径集光系は前記の非球面の効果を補償するものであることを特徴とする請求項１に記載の３次元ヘッドアップディスプレイ装置。

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