CN101464562A

CN101464562A - 车辆用平视显示装置

Info

Publication number: CN101464562A
Application number: CNA2008101861642A
Authority: CN
Inventors: 铺田和夫
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: CN101464562B; US20090160736A1; JP2009150947A

Abstract

本发明涉及车辆用平视显示装置，其包含光源、二维扫描来自光源的光的扫描单元、使扫描光成像的屏幕、和对屏幕上的影像进行投影的投影单元，备有可以改变屏幕位置的可动机构。

Description

车辆用平视显示装置

技术领域

本发明提供一种平视显示装置(HeadUpDisplay)，其利用前挡风玻璃以虚像对驾驶中所需的驾驶信息影像等进行远方显示。

背景技术

车辆用平视显示(Head Up Display：以下，省略为“HUD”)装置，将驾驶信息(例如速度显示及导航显示等)以虚像投影到从驾驶员观看向着前窗挡风玻璃(以下，省略为“挡风玻璃”)侧，即与前方视野的前景重叠而投影。此外，下面，将投影的像称为“虚像”。因此，需要适当设定驾驶信息投影的虚像的显示位置(即，从驾驶员的眼睛到虚像的显示位置的距离(以下称为“显示距离”))，以使在驾驶员的眼睛焦点对准于前方视野的前景的状态下能够看到驾驶信息。换句话说，需要根据车辆的行驶速度等，使驾驶信息的虚像的显示位置(显示距离)为可变(例如，请参照日本专利特开2004-168230号公报的图2)。另外，HUD装置具有同时显示多个驾驶信息，例如，速度显示和导航显示等的功能。

例如，日本专利特开2004-168230号公报中公开了如下HUD装置，其图2所示，具有光源；位于投影方向上隔开规定的距离重叠而配置的多个显示体(例如，液晶面板)；和对显示体上的显示影像(也称为图像)进行投影的投影单元(例如凸透镜)，避免使各显示体上的显示影像的位置在各自投影方向上重叠而显示。根据如上所述构成HUD装置，通过选择多个显示体中的一个，改变投影单元和显示体之间的距离，能够使对形成在显示体上的显示影像投影后的虚像的显示位置(显示距离)为可变。另外，通过同时驱动多个显示体，可以将多个显示影像，避免重叠地分别投影在投影到方向上不同的位置(显示距离)。

发明内容

如日本专利特开2004-168230号公报中记载的那样，通过改变投影单元和显示体之间的距离，可以改变显示距离。即，能够根据车辆的行驶速度改变投影单元和显示体之间的距离，如果在高速时从驾驶员观看使虚像显示在远处，在低速时从驾驶员观看使虚像显示在近处，能够减少驾驶员的视线移动。

但是，当改变投影单元和显示体之间的距离时，众所周知，也改变虚像的放大倍率。例如，当增大投影单元和显示体之间的距离时，从驾驶员观看虚像位置远离，虚像的倍率增大。相反地，当减小投影单元和显示体之间的距离时，从驾驶员观看虚像位置接近，虚像的倍率减小。即，在日本专利特开2004-168230号公报中，存在当同时驱动多个显示体显示多个驾驶信息时，由于每个显示体的位置关系不同，对每个显示体的放大倍率不同，影像(虚像)的大小不统一，难以辨识等问题。

另外，在日本专利特开2004-168230号公报中，也存在由于透过多个显示体而对影像进行投影，因而光损失增大，降低了影像亮度等问题。

本发明的就是鉴于上述课题提出的，本发明的目的是提供能够与投影的虚像的显示距离无关，以规定大小，高亮度地投影影像的车辆用平视显示装置。

为了解决上述课题，本发明的车辆用平视显示装置的特征是包含光源；二维扫描来自光源的光的扫描单元；使扫描光成像(形成图像)的屏幕；和对在屏幕上的影像进行投影的投影单元。

另外，特征在于，具有用于调整该屏幕位置的可动机构或可动单元。

而且，特征在于，具有至少对上述光源、上述扫描单元、上述可动机构、可动单元进行控制的控制电路或控制单元。

另外，特征在于，将作为与行驶有关的信息的行驶信息输入到上述控制单元，根据该行驶信息，对上述可动机构、可动单元进行控制，由此，改变由上述投影单元投影的虚像的投影位置，变更上述扫描单元进行扫描的偏向角，而改变上述虚像的大小。

另外，特征在于，该扫描单元配置在该投影单元的焦点位置附近。

另外，特征在于，作为该屏幕，具有多个屏幕，各屏幕分别独立地进行动作。

另外，特征在于，作为该扫描单元用MEMS镜。

另外，特征在于，作为该光源用激光光源。

另外，特征在于，作为该光源，具有多个激光光源，且该激光光源的色域包含R，G，B该3原色。

根据本发明的车辆用平视显示装置，能够与投影的虚像的显示距离无关，使虚像的尺寸具有规定大小。另外，能够使虚像的亮度为高亮度。

附图说明

图1是根据实施例1的车辆用平视显示装置的概略侧视图。

图2是说明根据实施例1的虚像移动的图。

图3是根据实施例2的车辆用平视显示装置的主要部分的概略上面图。

图4(a)、(b)是表示当使用根据实施例2的车辆用平视显示装置时驾驶员辨识的状况例的概略说明图。

图5是实施例3的车辆用平视显示装置的概略侧视图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。此外，在全部附图中，对具有共同功能的要素附加相同的标号进行表示，省略对已说明的要素的重复说明。

第1实施例

用图1、图2，对与投影的虚像的显示距离无关，而投影规定大小的虚像的基于本实施例的HUD装置进行说明。

图1是根据实施例1的HUD装置的概略侧视图。图2是说明根据本实施例的虚像移动的图。此外，在图1、图2中，对于位置变化的要素在标号后面添加大写的英文字母进行表示。具体地说，对于位置变化前的要素添加A，对于位置变化后的要素添加B。但是，当不生成疑义时，省略添加的英文字母A、B。另外，在图2中，为了使图示简单，省略后述的可动单元8和控制单元9的图示。

首先，说明本实施例中的HUD装置的构成。

在图1中，根据实施例1的HUD装置包含：光源1；对来自光源1的光以二维状进行扫描的扫描单元2；用来自扫描单元2的扫描光描绘影像(光学像)的屏幕3(这里是3A)；在投影方向上调整屏幕3的位置的可动单元8；作为对屏幕3上的影像进行反射投影的投影单元的反射镜4；和对光源1进行光强度调制(以下，简单地省略为“调制”)并且驱动扫描单元2的控制电路9。

在实施例1中，为了生成图像，使用由光源1、扫描单元2和屏幕3构成的扫描型的图像显示装置。

光源1是平行光束光源。这里，用半导体激光器或半导体激光器激发的固体激光器等的激光光源。光源1，用控制电路9调制其射出光的光强度，射出调制后的光(调制光)的光束。

扫描单元2，使来自光源1的光束光在二维上偏向而进行扫描。这里，使用基于微机械技术的MEMS(微电子机械系统：Micro ElectroMachanical Systems)镜、检流计反射镜(galvanometer mirror)、多角镜和基于多个上述扫描单元的扫描单元等。特别是，MEMS镜，面向小型化，能够适合地用于HUD装置。例如，在日本专利特开2006-189573号公报中详细地记述了MEMS镜，这里省略对它的详细说明。此外，在本发明中，将在后面述说详细情况，但是将扫描单元2配置在反射镜4的焦点位置附近。

屏幕3，利用扫描单元2的二维扫描描绘例如驾驶信息等的显示影像(光学像)，成为HUD装置的显示体。这里，作为屏幕3，用菲涅耳屏幕、扩散屏幕或将菲涅耳透镜与扩散板组合的屏幕等。

反射镜4是反射来自作为显示体的屏幕3的影像光，经过挡风玻璃5，将虚像6(在图1中是6A)投影在驾驶员的眼睛55的前方的投影单元。为了投影放大的虚像，将屏幕3配置在反射镜4的焦距f内。作为反射镜4，使用球面凹面镜、非球面凹面镜、或用于校正投影影像的畸变的自由曲面镜。

可动单元8，如由箭头85所示，使所安装的反射镜3沿与屏幕3的面垂直的方向前后移动，而调整屏幕3的位置。此外，为了说明简单起见，将沿着HUD装置的光轴100(由虚线表示)射出的光行进的方向称为“投影方向”。可动单元8由如下组件构成：利用未图示的控制电路根据例如从未图示的导航系统或障碍物检测装置等输出的驾驶信息等而被控制的马达81；利用马达81被旋转驱动的进给螺旋82、随着进给螺旋82的旋转进行移动而使屏幕3在投影方向(光轴方向)移动的机架(lack)83。在机架83上安装屏幕3，利用马达81的旋转，根据例如驾驶信息等调整屏幕3的位置。

控制电路9，根据输入的影像信号Pin进行光源1的调制，并进行扫描单元2的扫描驱动。控制电路9包含：将影像信号Pin分离成各原色信号，或进行规定的信号处理的影像信号处理单元91；根据由影像信号处理单元91进行处理后的影像信号进行光源1的调制的调制驱动单元92；和从影像信号Pin提取同步信号，根据同步信号对扫描单元2在二维上进行扫描驱动的扫描驱动单元93。此外，作为影像信号Pin，例如，是从未图示的导航系统和障碍物检测装置等输出的驾驶信息等。

下面，说明HUD装置的动作。

光源1，利用控制电路9的调制驱动单元92，根据例如驾驶信息等的影像信号而被调制，生成成为影像(也称为图像)的源的调制光。利用扫描单元2使从光源1射出的调制光以二维状进行扫描，在屏幕3上形成基于调制光的二维分布的影像(图像)。在反射镜4上反射形成于屏幕3的影像(图像)，由车辆的挡风玻璃5反射，而到达驾驶员的眼睛。这时由驾驶员的眼睛55，看到在挡风玻璃5的前面远方的虚像6。

下面，利用本实施例的HUD装置，对与被投影的虚像的显示距离无关而投影规定的固定大小的虚像的本发明的特征进行说明。

因为反射镜4具有透镜作用，所以如众所周知，当令从作为显示体的屏幕3到反射镜4的距离为a，从反射镜4到虚像6的距离为b，反射镜4的焦距为f时，在它们之间存在公式1所示的关系。

[公式1]

\frac{1}{a} - \frac{1}{b} = \frac{1}{f} (f > a)

这里a，b是绝对值，为了满足f>a的虚像显示条件，1/b的符号成为负号。

在公式1中，因为反射镜4的焦距f为固定值，所以当屏幕3和反射镜4之间的距离a变小时，从反射镜4到虚像6之间的距离b也变小。从而，在图2中，因为屏幕3B的位置是利用可动单元8使屏幕3A(用虚线表示)向反射镜4侧移动的位置，所以与反射镜3B对应的虚像6B的位置，成为与屏幕3A对应的虚像6A(用虚线表示)向挡风玻璃5侧移动的位置。

另外虚像6的放大倍率M能够由公式2表示。

[公式2]

M = \frac{b}{a} = \frac{f}{f - a}

另一方面，在屏幕3上的图像大小H与从扫描单元2到屏幕3的距离c之间，存在公式3所示的关系。

[公式3]

H＝A×c

其中，A是与扫描单元2的扫描角度有关的常数(以下，称为“角度常数”)。

从而，根据公式2和公式3，成为利用公式4表示虚像6的大小H′。

[公式4]

H' = M \times H = \frac{fAc}{f - a}

特别是当将扫描单元2配置在反射镜4的焦点位置上时，因为a+c＝f，所以当将变形后的c＝f-a代入到公式4时，虚像6的大小H′由公式5表示。

[公式5]

H' = \frac{Afc}{f - a} = \frac{Af (f - a)}{f - a} = Af

从公式5可知，因为虚像6的大小H′成为一定值Af，所以与屏幕3的位置无关。即，即便在通过将扫描单元2配置在反射镜4的焦点位置附近，改变屏幕3的位置，而使从驾驶员的眼睛55到虚像6的显示距离改变的情况下，也能够不用特别的控制算法，使虚像6的大小一定。

在以往技术(例如，日本专利特开2004-168230号公报)中，当通过改变投影单元和显示体之间的距离来改变显示距离时，同时也改变了虚像的大小。例如，当增大显示距离时也增大了虚像的大小，当减小显示距离时也减小了虚像的大小。因此，存在例如，在显示距离大的情况下，当驾驶信息等的显示大小与规定大小一致时，显示距离变小，显示大小变小，存在辨识困难等课题。

但是，如上所述，在本实施例中，即便显示距离变化，也能够使虚像6的大小一定。该大小根据公式5用Af表示。因此，考虑当显示距离最大时和最小时两者，利用反射镜4的焦距f和扫描单元的角度常数A使其设定为规定值，能够得到容易看见的大小。

例如，为了将超越车辆和行人突然出现等的在行驶车辆的附近发生的危险传达给驾驶员，需要将驾驶员的注意视域拉到车辆附近。对此，将表示危险的虚像以规定的大小成像在车辆附近，是非非常有效的。以往技术中，由于在车辆附近的显示距离小时虚像的大小也小，因此，难以将驾驶员的注意视线引导至车辆的附近。在本实施例中，即使显示距离变小，虚像的尺寸也为规定的一定大小，因此，能够良好地将驾驶员的注意视线引导至车辆的附近。

当然，也可以变更虚像的大小。例如，预先利用Af将基准大小确定在规定值上，想要变更大小时，能够通过改变角度常数A，即变更扫描单元2的偏向角对应地进行改变。

如以上所述的那样，根据实施例1，能够提供一种车辆用平视显示装置，其能够调整从驾驶员到像(虚像)的显示距离，并且能够使虚像的大小为规定的一定大小。

第2实施例

用图3，图4(a)，(b)对基于使用实施例1的技术而可高亮度投影多个例如行驶信息的实施例2的HUD装置进行说明。

图3是具有基于实施例2的多个屏幕的HUD装置的主要部分的概略上面图。图4(a)，(b)是对驾驶员辨识使用实施例2的HUD装置而投影的多个驾驶信息的虚像的状况进行说明的概略图。图4的(a)是以模型表示驾驶员辨识通过挡风玻璃重叠在前方视野的前景上的多个驾驶信息的状况的图；图4的(b)表示对分别形成在多个屏幕上的显示影像的虚像与各显示影像的对应关系进行说明的图。而且，在图3、图4(a)、(b)中，为了使图示简单，适当省略可动单元和控制电路的图示。

如图3所示可知，基于本实施例的HUD装置，特征在于具有多个屏幕。在此，取代基于实施例1的屏幕3，在与挡风玻璃5的左右方向对应的方向上隔开规定的间隔大致均等地分割为3个屏幕31、32、33，且从扫描单元2观看相互不重叠。即3个屏幕31、32、33上的各显示影像分别如图4(a)所示，从未图示的驾驶员观看，投影到对挡风玻璃5在左右方向上大致3分割的3个区域510、520、530的前方视野。而且，对各屏幕的扫描单元2的偏向角大致相等，因此，各屏幕的显示影像(图像)所对应的虚像的倍率分别大致相等。另外，屏幕31、32、33上的各显示影像(图像)利用反射镜4使左右方向反转。因此，例如在图3中，从扫描单元2观看，右侧的屏幕33的显示影像，从未图示的驾驶员观看，投影到挡风玻璃5上左侧的区域530的前方视野。

这里，为了使下面的说明简单起见，在图3中，导入以Z轴为基准的XYZ正交坐标系。即，令与投影方向平行的从扫描单元2朝向屏幕32的中心方向的轴为Z轴，在与Z轴垂直的面内，以平行于纸面的轴为X轴(即，与挡风玻璃5上的左右方向平行的轴对应)，同样在与Z轴垂直的面内，以垂直于纸面的轴为Y轴(即，与挡风玻璃5中的上下方向平行的轴对应)。

在图3中，各屏幕31，32，33分别相对X-Y平面平行而配置，且配置为X轴方向的坐标均不重叠。而且，在各屏幕31，32，33上，利用扫描单元2，以对X-Z平面上的偏向角进行例如大致3分割的偏向角，分别描画作为光学像的显示影像。另外，各屏幕31、32、33分别具有可动单元8₃₁，8₃₂，8₃₃。即，在与Z轴平行的方向上，能够分别独立地进行调整。因此，能够避免重叠地同时将各屏幕上的图像(显示影像)分别投影在挡风玻璃5前方的不同的位置(即，不同的显示距离)上。

本实施例的HUD装置，因为如上述那样地构成，所以来自作为显示体的各屏幕的光，不透过位于Z轴方向(投影方向)的前方的其它的屏幕。从而，能够提供如以往技术那样不导致光损失，而能够投影高亮度的影像的HUD装置。

下面用图4(a)、(b)，说明当用本实施例的HUD装置时，驾驶员辨识多个驾驶信息的状况的例子。

这里，作为驾驶信息，例如显示作为导航显示的促使左转弯的左转弯显示、警告在左转弯后的道路上存在行人的危险信号显示和显示速度。此外，导航显示能够通过例如未图示的众所周知的导航系统知道。另外，能够通过利用例如未图示的激光反射进行检测的障碍物检测装置(未图示)掌握危险信号。即，由扫描单元2在屏幕33上形成左转弯显示和危险信号显示，在屏幕32上形成速度显示。此外，这里，在屏幕31上不进行任何显示。换句话说，在图4(a)、(b)中，省略屏幕31、与其对应的虚像的图示和说明。当然，当右转弯时，在屏幕31上描绘出右转弯显示。

如上述那样，在屏幕33上描绘出左转弯显示和危险信号显示，在屏幕32上描绘出速度显示。从而，在挡风玻璃5的区域530的前方视野中，通过用可动单元8₃₃的屏幕33的位置调整，将左转弯显示631和危险信号显示虚像632(总称这些虚像的显示虚像的标号为63)投影在与左转弯位置对应的显示距离位置上。在挡风玻璃5的区域520的前方视野中，将速度显示虚像62投影在比显示虚像63远的显示距离位置上。

一般，在驾驶时，驾驶员的眼睛55的焦点与行进方向的远方的前景(例如道路)一致。因此，如图4(a)、(b)所示，将速度显示虚像62显示在区域520的图4(a)的纸面上侧附近，远方的显示距离位置上。在该状态中，例如，由未图示的导航系统，与左转弯位置的显示距离对应地，将左转弯显示虚像631显示在左转弯位置附近。因为用与速度显示虚像62大致相同的、与显示距离无关的大小显示左转弯显示虚像631，所以驾驶员的眼睛55注意到左转弯显示虚像631。与此相伴，驾驶员的眼睛55能够不调整焦点地同时辨识左转弯显示虚像631和实际上左转弯的道路。另外，因为在左转弯的过程中，也追加显示使驾驶员知道由未图示的障碍物检测装置检测出的危险信号信息的危险信号显示虚像632，所以也能够同时辨识危险信号显示虚像632，可以预防事故。这里通过与车的速度相符地控制屏幕32、33的位置，也可以进行随着车辆的行进，显示左转弯位置的左转弯显示虚像631接近驾驶员侧的显示，可以进行彩色的影像显示。

这里，由上述可动单元8调整上述屏幕位置，改变位置。通过将来自控制电路9的控制信号(图1中未图示)输入到上述可动单元8中，控制该屏幕位置的调整和改变。

另外，能够根据作为与行驶有关的信息的行驶信息生成从控制电路9输入到上述可动单元8的控制信号(图1中未图示)。

上述行驶信息是与行驶有关的信息，例如是当行驶时与速度计显示的速度有关的行驶速度，也可以包含为了促进行驶安全以降低行驶速度的方式发出警告的速度警告信息，或者促使踩刹车的刹车信息等。

或者，上述行驶信息也可以是在行驶中，当具有危险时，警告该危险的危险信息。按照其意义，也可以在行驶信息中也包含上述危险信号信息。

因为将上述行驶信息输入到上述控制电路9中，所以根据在行驶信息中包含的行驶速度的信息来控制上述可动单元8，由此，经过上述反射镜4，上述挡风玻璃5，能够使投影的虚像的投影位置，与低速时相比在高速时，显示在驾驶员的视野中行进方向的更前方的位置(驾驶员的行进方向的更远方的位置)上。

相反地，如果在车辆附近存在危险，则根据在行驶信息中包含的上述危险信号信息，控制上述可动单元8，将投影的虚像的投影位置，与具有上述危险的位置相对应相对应地进行投影。

如以上所述的那样，如果根据本实施例，则能够提供在同一时间内，能够高亮度地将多个影像投影在分别不同的距离上，根据行驶信息，改变虚像的投影位置，改变驾驶员的视野，注视位置等，可以支援安全驾驶的HUD装置。

第3实施例

下面，用图5说明根据实施例3的投影彩色显示影像的HUD装置。图5是根据实施例3的HUD装置中的光学系统的主要部分的概略侧视图。

如图5所示，根据实施例3的HUD装置包含与红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)的3原色光对应的光源1R，1G，1B；波长合成单元7a，7b；扫描单元2；屏幕3和反射镜4。当然虽然未图示，但是包含控制使屏幕3移动的可动单元，光源1R，1G，1B和扫描单元2的控制电路等，是不言而喻的。

作为波长合成单元7a，7b，例如，用二向色镜，分色镜(dichroicmirror)和衍射元件等。在本实施例中的波长合成单元7a具有透过红色光的波长区域，反射除此以外的色光的波长区域的特性。另外，波长合成单元7b具有透过从红色光到绿色光的波长区域，反射蓝色光的波长区域的特性。但是，波长组合的顺序等不限定于上述。

由波长合成单元7a，7b使从光源1R，1G，1B射出的各色光重合在一起，使彩色光合成。由扫描单元2二维状地扫描合成后的光，在屏幕3上描绘例如驾驶信息等的彩色影像显示(光学像)。而且，由反射镜4投影该彩色影像显示。这时，根据彩色影像显示对光源1R，1G，1B的光输出进行调制，可以投影全彩色的显示虚像。

根据以上所述的本实施例，能够提供通过全彩色显示具有更高辨识性的HUN装置。

Claims

1.一种车辆用平视显示装置，其特征在于：包含，

光源；

扫描来自该光源的光的扫描单元；

使来自该扫描单元的扫描光形成图像的屏幕；

对在该屏幕上形成的图像进行投影的投影单元；

改变该投影单元和该光源之间的该屏幕的位置的可动单元；和

对该光源、该扫描单元或可动单元进行控制的控制单元。

2.根据权利要求1所述的车辆用平视显示装置，其特征在于：

所述投影单元至少具有反射镜、前挡风玻璃。

3.根据权利要求1或2所述的车辆用平视显示装置，其特征在于：

将所述扫描单元配置在所述投影单元的焦点位置附近。

4.根据权利要求1～3中任何一项所述的车辆用平视显示装置，其特征在于：

所述屏幕具有多个屏幕；

各屏幕分别独立动作。

5.根据权利要求1～4中任何一项所述的车辆用平视显示装置，其特征在于：

使用MEMS镜作为所述扫描单元。

6.根据权利要求1～5中任何一项所述的车辆用平视显示装置，其特征在于：

使用激光光源作为所述光源。

7.根据权利要求1～6中任何一项所述的车辆用平视显示装置，其特征在于：

所述光源具有多个激光光源，且该激光光源的色域包含R、G、B三原色。

8.根据权利要求1所述的车辆用平视显示装置，其特征在于：

通过所述控制电路的控制变更所述扫描单元进行扫描的偏向角。

9.根据权利要求1所述的车辆用平视显示装置，其特征在于：

通过所述控制电路，控制所述可动单元，而改变所述屏幕的位置。

10.根据权利要求1所述的车辆用平视显示装置，其特征在于：

通过所述控制电路，控制所述可动单元，改变所述屏幕的位置，而改变由所述投影单元投影的虚像的投影位置。

11.根据权利要求10所述的车辆用平视显示装置，其特征在于：

根据行驶信息，使虚像的投影位置距驾驶员的距离，在行驶速度快时比行驶速度慢时更长，该行驶信息为输入到所述控制电路的与行驶有关的信息。

12.根据权利要求2所述的车辆用平视显示装置，其特征在于：

所述反射镜包含球面凹面镜、非球面凹面镜、或校正投影影像畸变的自由曲面镜。