(57)【要約】【課題】路面のように奥行き感のある実像に合わせて像を傾斜させて表示する表示装置を提供する。【解決手段】実施形態の表示装置は、画像処理装置と光学系装置とを備える。前記画像処理装置は、表示する画像を生成する画像生成部と、生成された画像を補正する画像補正部と、補正された画像を出力する画像出力部とを備え、前記光学系装置は、前記画像出力部から出力される画像を表示する表示パネルと、前記表示パネルに表示される画像を投射するバックライト光源と、前記表示パネルから投射される画像を一定の曲げ角で傾斜させるプリズムと、前記プリズムを介した表示パネルの投射画像を反射して投射面に導くミラー群とを備える。前記補正処理部は、前記プリズムによって生じる色収差と逆の色収差を生じるように前記画像を補正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像処理装置と光学系装置とを備え、
前記画像処理装置は、
表示する画像を生成する画像生成部と、
生成された画像を補正する画像補正部と、
補正された画像を出力する画像出力部とを備え、
前記光学系装置は、
前記画像出力部から出力される画像を表示する表示パネルと、
前記表示パネルに表示される画像を投射するバックライト光源と、
前記表示パネルから投射される画像を一定の曲げ角で傾斜させるプリズムと、
前記プリズムを介した表示パネルの投射画像を反射して投射面に導くミラー群とを備え、
前記補正処理部は、前記プリズムによって生じる色収差と逆の色収差を生じるように前記画像を補正する表示装置。
【請求項２】
前記バックライト光源は、前記表示パネルの背面から角度をつけて照射する請求項１記載の表示装置。
【請求項３】
前記プリズムは、前記表示パネルから投射される画像の一部を前記曲げ角で傾斜させ、
前記ミラー群は、前記プリズムを介した投射画像と介さない投射画像を合わせて前記投射面に導く請求項１記載の表示装置。
【請求項４】
前記画像生成部は、前記表示パネルに対する表示画像として、前記プリズムを介する領域に傾斜表示する画像を配置し、前記プリズムを介さない領域に直立表示する画像を配置する請求項３記載の表示装置。
【請求項５】
さらに前記プリズムとは別のプリズムを追加して曲げ角を大きくしてなる請求項１記載の表示装置。
【請求項６】
前記プリズムには、複数の微小プリズムを板状に配列させた板状プリズムが用いられる請求項１記載の表示装置。
【請求項７】
表示パネルに画像を表示し、前記表示パネルに表示される画像を投射し、投射される画像を一定の曲げ角で傾斜させ、プリズムを介した表示パネルの投射画像を反射して投射面に導く表示方法であって、
前記プリズムによって生じる色収差と逆の色収差を生じるように前記画像を補正する表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、主に車載用として好適なヘッドアップディスプレイによる表示装置及びその表示方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車載用のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）による表示装置は、フロントウィンドウに虚像を投影して車両前方の実像に重ねることで、ドライバーが視線と目の焦点調節を大きく動かすことなく経路案内、警告などを確認でき、安全に寄与する。
近年のＨＵＤによる表示装置では、単にフロントウィンドウ上に虚像を表示するのではなく、前方4mほど先の実像の路面に経路案内や車線逸脱警告等の虚像が重なるように表示する。しかしながら、その表示がドライバーに対して全て直立の像となっており、路面のように奥行き感のある実像に対して不自然な表現となる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−０５３３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上のように、従来のＨＵＤによる表示装置では、直立の像を表示するため、路面のように奥行き感のある実像に対して不自然な表現となる場合があった。  
そこで、本発明では、路面のように奥行き感のある実像に合わせて像を傾斜させて表示することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本実施形態の表示装置は、画像処理装置と光学系装置とを備える。前記画像処理装置は、表示する画像を生成する画像生成部と、生成された画像を補正する画像補正部と、補正された画像を出力する画像出力部とを備え、前記光学系装置は、前記画像出力部から出力される画像を表示する表示パネルと、前記表示パネルに表示される画像を投射するバックライト光源と、前記表示パネルから投射される画像を一定の曲げ角で傾斜させるプリズムと、前記プリズムを介した表示パネルの投射画像を反射して投射面に導くミラー群とを備える。前記補正処理部は、前記プリズムによって生じる色収差と逆の色収差を生じるように前記画像を補正する。
【０００６】
本実施形態の表示方法は、表示パネルに画像を表示し、前記表示パネルに表示される画像を投射し、投射される画像を一定の曲げ角で傾斜させ、プリズムを介した表示パネルの投射画像を反射して投射面に導く場合に、前記プリズムによって生じる色収差と逆の色収差を生じるように前記画像を補正する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本実施形態に係るＨＵＤによる表示装置の全体構成を示すブロック図。
【図２】図１に示す表示装置の光学系装置に用いられるプリズムによる曲げ角を説明するための図。
【図３】図２に示すプリズムによる映像の曲げ角の定義を説明するための図。
【図４】図３に示す曲げ角の定義に基づくプリズムの入射角依存性を説明するための図。
【図５】図２に示すプリズムによる色収差を説明するための図。
【図６】図５で説明したプリズムの色収差の補正を説明するための図。
【図７】図１に示す表示装置の表示パネルに対するバックライトの他の配置例を示す図。
【図８】図１に示す表示装置において、パネル表示画像の一部（左側）のみプリズムにより傾斜させる場合の構成を示す図。
【図９】図８に示す一部傾斜の場合のパネル表示画像と投射画像と実際の視野画像を示す図。
【図１０】図１に示す表示装置において、さらに曲げ角を大きくする場合にプリズムを複数個用いた構成を示す概念図。
【図１１】図１に示す表示装置において、プリズムに微小プリズムを板状に配列した構造体を用いた場合の構成を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態と称する）について詳細に説明する。  
図１は本発明の一実施の形態に係るヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）による表示装置の構成を示すブロック図である。図１に示すＨＵＤは、画像処理装置１１と光学系装置１２とを備える。画像処理装置１１は、例えばＧＰＳ（測位システム）による現在位置に合わせて表示画像を生成する画像生成部１１１と、生成された画像の全部または一部に必要に応じて色収差補正を施す補正処理部１１２と、必要に応じて色収差補正された画像を出力する画像出力部１１３を備える。
【０００９】
上記光学系装置１２は、画像出力部１１３の出力画像を表示するＬＣＤ（Liquid Crystal Display）パネル１２１と、ＬＣＤパネル１２１の表示画像を投射するバックライト光源１２２と、ＬＣＤパネル１２１の全部または一部の投射画像を一定の曲げ角で傾斜させる正三角柱状のプリズム（prism）１２３と、ＬＣＤパネル１２１の投射画像のプリズム１２３を介した画像と介さない画像を一定方向に反射するミラー（mirror）１２４と、ミラー１２４の反射画像を拡大して一定方向に反射する凹面ミラー（concave mirror）１２５と、車両のフロントガラス（combiner windshield）の内側にコーティングされ、凹面ミラー１２５からの投射画像をドライバーの視線方向に反射する反射膜（reflection coating）１２６とを備える。
【００１０】
上記ミラー１２４及び凹面ミラー１２５は、投射面までの距離を確保することで、ドライバーに奥行き感を与える。実施形態では２つのミラーで構成したが、設置場所の制約、要求される距離に応じてミラー数を増減してもよい。
上記構成において、上記プリズム１２３の曲げ角計算式を以下に示す。ここでは、図２に示すように、断面を正三角形とし、空気中の屈折率をn1、プリズム１２３の屈折率をn2、プリズム１２３への入射角をθ1 、プリズム１２３内への出射角をθ2 、プリズム１２３内の入射角をθ3 、プリズム１２３内から外部への出射角をθ4 とする。この場合、次式が成立する。
【００１１】
n1 sin(θ1 ) = n2 sin(θ2 )  
上式よりθ2 は、  
θ2 = arcsin(n1 sin(θ1 ) / n2 )                           … (1)  
と表される。ここで、  
n1 = 1, n2 = 1.5  
とすると、  
θ2 = arcsin(sin(θ1) / 1.5 )  
となるから、  
θ1 = 60°  
のとき、  
θ2 = 35.3°  
となり、約25°の曲げ角となる。
【００１２】
同様に、次式が成立する。  
n2 sin(θ3 ) = n1 sin(θ4 )  
上式よりθ4 は、  
θ4 = arcsin(n2 sin(θ3 ) / n1 )                            … (2)  
と表される。ここで、  
n1 = 1, n2 = 1.5  
とすると、  
θ4 = arcsin(1.5 sin(θ3 ))  
となる。ここで、  
θ2 = 35.3°  
のときのθ3 は、  
θ3 = 180 ‐ (120+θ2 ) = 60 ‐ θ2 = 24.7°                  … (3)  
となるから、θ4 は、  
θ4 = 38.8°  
となる。よって、θ1 からθ4 での曲げ角αは、  
α = θ1 + θ4 ‐ 60 = 38.8°  
となり、(1), (2), (3)式より  
α = θ1 + θ4 ‐ 60   
= θ1 + arcsin(n2 sin(60 ‐ arcsin(n1 sin(θ1) / n2) / n1) ‐ 60  
と表される。
【００１３】
すなわち、ＬＣＤパネル１２１に対して図３に示すようにプリズム１２３を配置し、プリズム１２３を介してＬＣＤパネル１２１の表示画面を見ると、曲げ角αで傾斜された見かけのパネル位置に虚像が表示されているように見える。このとき、曲げ角αの入射角依存性は、図４に示すように約40°である。
【００１４】
ところで、プリズムを利用する場合には、図５に示すプリズムの分光特性によって生じる色収差（波長が長いほど収差が大きい）を考慮しなければならない。そこで、本実施形態では、補正処理部１１２において、プリズム１２３を透過させる画像に色収差補正を施す。
【００１５】
図６に色収差補正の一例を示す。図６（ａ）に示す元画像を表示する場合には、通常、ＲＧＢについて同一画素に同一画像を表示させるが、この元画像をプリズム１２３に通して見ると、波長によって分光角度が異なるので、色収差を生じて傾斜方向に色が滲んでしまう。そこで、図６（ｂ１），（ｂ２），（ｂ３）に示すように、ＲＧＢそれぞれの画像を傾斜方向に波長に合わせて引き伸ばす。引き伸ばし比率は、実際に発生する色収差とは逆に、波長が短いほど収差が大きくなるように設定する（Ｒ＜Ｇ＜Ｂ）。補正後のＲＧＢ合成画像は、図６（ｃ）に示すようにＲＧＢが色ずれした状態で表示されるが、プリズム１２３を介して見たとき、色収差が補正されて元画像と同じ画像を見ることができる。
【００１６】
以上のように、本実施形態によるＨＵＤによる表示装置では、プリズム１２３を介してＬＣＤパネル１２１の表示画面を斜め方向から見ることになるため、ＬＣＤパネル１２１に表示された画像が奥行方向に傾斜された虚像となって表示出力される。このとき、プリズム１２３によって生じる色収差を、表示画像の段階でＲＧＢ出力について波長別に補正することで、プリズム１２３を介してＲＧＢ画像が合成された段階で元画像と同じ、色ずれのない画像を出力することが可能となる。
【００１７】
以下、上記表示装置に適用可能な実施例を説明する。  
（実施例１）  
上記構成の光学系装置１２では、ＬＣＤパネル１２１の表示画像を斜め方向から見るため、必ずしもＬＣＤパネル１２１の背面で垂直な方向からバックライトを当てる必要はなく、図７に示すように、バックライト光源１２２を予め角度をつけてＬＣＤパネル１２１の背面から照射するようにしてもよい。この場合、液晶の視野角特性を出射方向で最大とすることが可能となり、出射光を絞ることで、効率を上げることができる。
【００１８】
（実施例２）  
上記プリズム１２３の視野範囲をＬＣＤパネル１２１の全面にすると、全ての画像が傾斜してしまうため、標識や速度等の画像が見づらくなってしまう。そこで、図８に示すように、プリズム１２３の大きさをＬＣＤパネル１２１の一部（ここでは左半分とする）が視野範囲となるようにし、それ以外の範囲（ここでは右半分とする）を直接投射させることで、傾斜していない、すなわち直立の画像を表示することができる。
【００１９】
図９（ａ）は図８に示した画面に対して半分のプリズムを配置する場合のＬＣＤパネル１２１の表示例を示している。ここでは、表示画面左側の道路車線・通行方向矢印の画像をプリズム透過用として色収差補正を行い、表示画面右側の制限速度標識と現在速度値の表示については、プリズムを介さないため、色収差補正を行わないで表示する。このとき、実際の表示は、図９（ｂ）に示すように、左半分は傾斜表示、右半分は直立表示となり、ドライバーには図９（ｃ）に示すように、前方視野像に重ねて、左側の道路車線・通行方向矢印の画像が傾斜し、右側の制限速度標識と現在速度値の像が直立した状態で見ることができる。
【００２０】
（実施例３）  
上記実施形態では、プリズム１個を用いて実パネル位置と見かけのパネル位置との曲げ角を形成したが、ＬＣＤパネルの側方視野範囲に限界があり、１個のプリズムでは曲げ角が約３７〜５８°程度である。そこで、図１０に示すように、複数個のプリズム（図１０では２個）を組み合わせて配置すると、さらに曲げ角を大きくすることができる。
【００２１】
（実施例４）  
上記実施形態では、正三角柱状のプリズム１個を用いて構成したが、図１１に示すように、それぞれが正三角柱状の複数の微小プリズムを配列し連結させた板状プリズムを用いて傾斜画像を生成するようにしてもよい。この場合、パネル遠端の光路長が単体プリズムの場合よりも短くなるため、遠近感に違和感を生じる可能性がある。そこで、補正処理部１１２において、元の表示画像に遠近感を予めつけておく。これにより、遠近感の違和感を回避することが可能となる。
【００２２】
以上のように、本実施形態に係るＨＵＤによる表示装置は、従来の装置に比して光学系を小型化して傾斜画像を表示することが可能となる。また、光学的に傾斜虚像を生成するため、自然な見栄えを実現することができる。また、プリズムによって生じる色収差については、画像処理で色収差補正を行うため、高価な螢石を用いる必要がなく、光学素子のコストを抑えることが可能となる。さらに、プリズムの適用範囲を画像の一部にすることで、傾斜画像と直立画像を同時に表示させることができる。また、頂角６０°のプリズムで生成する曲げ角は約３７〜５８°であるが、さらに曲げ角を大きくしたい場合には、プリズムを複数個組み合わせて使用すればよい。
【００２３】
なお、上記実施形態では、表示パネルが液晶の場合について説明したが、有機ＥＬ表示パネルの場合でも同様に実施可能である。  
その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００２４】
１１…画像処理装置、１１１…画像生成部、１１２…補正処理部、１１３…画像出力部、１２…光学系装置、１２１…ＬＣＤパネル、１２２…バックライト光源、１２３…プリズム、１２４…ミラー、１２５…凹面ミラー、１２６…反射膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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