JP2000241748A

JP2000241748A - 情報表示装置

Info

Publication number: JP2000241748A
Application number: JP11045499A
Authority: JP
Inventors: Norihito Nakazawa; 伯人中沢
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 1999-02-23
Publication date: 2000-09-08

Abstract

(57)【要約】【課題】ボケが少ない高品質な表示像を有する情報表示
装置を得る。【解決手段】情報表示装置の、凹面鏡よりなるコンバイ
ナ１２の点Ｏへ向けて出射する情報表示源１１からの光
を含む入射面（ｙ軸を含む面）内における凹面鏡の曲率
半径Ｒ_y と、入射面に垂直な面（ｘ軸を含む面）内にお
ける凹面鏡の曲率半径Ｒ_x との関係を０．６０≦Ｒ_x ／
Ｒ_y ≦０．９７とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表示品質の優れた
情報表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年自動車などの車両の運転者に情報を
表示する方法として、ヘッドアップディスプレイ（以下
ＨＵＤという）などの表示装置が用いられている。ＨＵ
Ｄは、液晶表示装置などの情報投射手段から投射された
光学的情報を、自動車の風防ガラスなどに組み込まれた
コンバイナに映し、情報を前景に重畳することにより、
運転者が運転状態からほとんど視点を動かすことなく情
報を読み取れるようにしたものである。また、情報表示
源を備えた小型の本体部にコンバイナが軸支され、車両
のダッシュボード上に載置された別置き型のＨＵＤも用
いられている。

【０００３】図７は、従来のＨＵＤの一例を示す側面図
である。光源６から発し、レンズ４を介して透過型液晶
表示素子５を通過した表示すべき情報を含む光３は、車
体の風防ガラス７に備えられたハーフミラーやホログラ
ムよりなるコンバイナ２に照射され、反射されて運転者
に観察位置１で視認される。また、カラーの情報表示源
を用いることによって、希望する多色の像が表示でき
る。例えば、速度表示８を緑色、警告表示９を赤色とす
ることによって、運転者に対してより的確に情報を伝達
できる。

【０００４】また、図８は車両のダッシュボード上など
に載置して使用する別置き型のＨＵＤの一例を示す側面
図である。コンバイナ１２が支持部１５を介してＨＵＤ
の本体部１４に回動自在に軸支されている。本体部１４
内には、液晶表示素子や蛍光表示管などよりなる情報表
示源１１が備えられている。情報表示源１１からの情報
を含む光３はコンバイナ１２で反射され、観察者（例え
ば運転者）の観察位置１で運転情報などの表示像１３と
して視認される。コンバイナ１２は凹面鏡であり倍率を
持つため、表示像１３は遠方に拡大されて見える。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のＨＵＤのコンバ
イナには一般に球面鏡が用いられる。球面鏡の法線方向
から光を入射する場合は、入射面内における結像距離と
入射面に垂直な面内における結像距離は一致する。ここ
で、入射面とは入射する光の光軸と球面鏡の法線とを含
む面を指す。また、入射面に垂直な面とは、球面鏡の法
線を含みかつ入射面に垂直な面を指す。

【０００６】一般にＨＵＤでは、球面鏡の法線に対し有
限な角度θで光を入射して使用する。球面鏡に対して斜
めから光を入射するといわゆる非点収差が発生し、入射
面内における結像距離と入射面に垂直な面内における結
像距離とが離れるため、表示像がボケる問題があった。

【０００７】例えば、図８のような別置き型のＨＵＤに
おける結像の様子を図１を用いて例えばｙ軸方向が垂直
の場合で説明する。コンバイナ１２の光学中心点をＯと
し、Ｏにおける法線方向をｚ軸とする。Ｏ点における接
平面をｘｙ面とし、情報表示源１１からの光の入射面が
ｙｚ面となるようにｙ軸を定める。入射面に垂直な面は
ｘｚ面となる。コンバイナ１２の入射面内における曲率
半径をＲ_y 、入射面に垂直な面内における曲率半径をＲ
_x とする。球面鏡ではＲ_x ＝Ｒ_y である。情報表示源１
１からＯ点までの距離をＳ、Ｏ点から表示像１３までの
距離をＳ’とする。

【０００８】球面鏡に斜めから光を入射する場合の結像
の様子を図２に示す。図２は入射面および入射面に垂直
な面での結像の様子を説明する模式図であり、（ａ）は
入射面に垂直な面の結像の場合、（ｂ）は入射面の結像
の場合を示す。符号１１Ａと１１Ｂは図１の１１に対応
し、１３Ａと１３Ｂは図１の１３にそれぞれ対応する。
入射面に垂直な面（ｘｚ面）における結像の様子は図２
の（ａ）のようになる。また、入射面（ｙｚ面）におけ
る結像の様子は図２の（ｂ）のようになる。この例では
ｘｚ面における結像位置に目の焦点が合う。ところが、
ｙｚ面における結像位置は図２の（ｂ）ようにずれてい
るため、観察される像は横方向はピントが合うが縦方向
にはボケる。

【０００９】例えば、入射角θ＝２０°、情報表示源１
１の距離Ｓ＝１００ｍｍのとき、表示像１３の距離を５
００ｍｍ（コンバイナ倍率を５倍）とするためには、球
面鏡コンバイナの曲率半径はＲ_x ＝Ｒ_y ＝２３５ｍｍで
あればよい。このときの表示像の距離Ｓ’は入射面に垂
直な面（ｘｚ面）では５００ｍｍであるが、入射面（ｙ
ｚ面）では１０６０ｍｍとなって大きくずれる。

【００１０】そのため表示像は、図６のスポットダイア
グラムのようにスポットが縦方向に伸びてボケる。も
し、スポットが伸びてなく点であれば像はボケない。こ
こで、図６は長方形の表示像を９点で表現し各点の結像
の様子を示しており、横軸、縦軸ともに、スポット位置
である。

【００１１】情報表示源１１からコンバイナ１２に立て
た法線への光の入射角θが小さい場合や、コンバイナの
倍率が小さい場合には比較的表示像ボケは小さいが、遠
方拡大表示して運転時における目の焦点合わせの負担を
軽減させると、大きなボケが発生し、細かな表示が判別
できない問題があった。本発明の目的は、従来技術が有
していた前述の課題を解決する情報表示装置を提供する
ことである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、表示すべき情
報を光として発生する情報表示源と、光を観察者に向け
て反射し虚像として表示する凹面鏡よりなるコンバイナ
とを備えた情報表示装置において、凹面鏡の入射面内に
おける曲率半径Ｒ_y と、入射面に垂直な面内における曲
率半径Ｒ_x とが、０．６０≦Ｒ_x ／Ｒ_y ≦０．９７の関係を満足することを特徴とする情報表示装置を提供
する。

【００１３】また、コンバイナに立てた法線への光の入
射角θと、情報表示源からコンバイナまでの距離Ｓと、
コンバイナから観察者の観察位置までの距離ｒとが、Ａ＝ＳＲ_x ／（Ｒ_x −２Ｓｃｏｓθ）、Ｂ＝ＳＲ_y ｃｏｓθ／（Ｒ_y ｃｏｓθ−２Ｓ）、とおいたとき、１０^-3≧５×｜Ａ−Ｂ｜／｜Ａ＋ｒ｜／｜Ｂ＋ｒ｜の関係を満足する上記の情報表示装置を提供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、再び図１を用いて本発明を
さらに詳細に説明する。従来のＨＵＤのようにコンバイ
ナ１２が球面鏡（Ｒ_x ＝Ｒ_y ）の場合は、入射面に垂直
な面（ｘｚ面）の表示像距離と、入射面（ｙｚ面）での
表示像距離が異なるため表示像が縦方向にボケた。本発
明では、０．６０≦Ｒ_x ／Ｒ_y ≦０．９７とすることに
より、２つの表示距離の差を小さくし表示像のボケを軽
減できる。Ｒ_y を変化させたときの表示像距離の様子を
図３に示す（図３では単に像距離と表現している）。

【００１５】ここで比Ｒ_x ／Ｒ_y の値の範囲は、後述す
るようにボケのない最適な条件であるＲ_x ＝Ｒ_y ×ｃｏ
ｓ² θを使用し、表示像を視認するのに適切な入射角範
囲１０〜４０°から求まった。θ＝１０°のときＲ_x ／
Ｒ_y ＝０．９７が最適であり、θが増加するに伴って最
適なＲ_x ／Ｒ_y の値は減少し、θ＝４０°のときＲ_x／
Ｒ_y ＝０．６０が最適値となる。

【００１６】θ＝２０°、Ｓ＝１００ｍｍ、Ｒ_x ＝２３
５ｍｍとした例に基づいて説明する。点線は入射面に垂
直な面（ｘｚ面）の表示像距離であり、Ｒ_x ＝２３５ｍ
ｍにより定まり、Ｒ_y によらず一定（５００ｍｍ）であ
る。実線は入射面（ｙｚ面）での表示像距離を示す。球
面鏡（Ｒ_x ＝Ｒ_y ＝２３５ｍｍ）ではＳ’＝１０６０ｍ
ｍとなり、入射面に垂直な面のＳ’＝５００ｍｍとは大
きくずれる。

【００１７】ここで、Ｒ_y ＞Ｒ_x とすることにより入射
面での表示距離は短くなり、両者の差は小さくなる。特
に、Ｒ_x ＝Ｒ_y ×ｃｏｓ² θのとき両者はほぼ一致する
ためボケの非常に少ない表示像が得られる。このときの
表示像の様子を図４に示し、横軸、縦軸ともに、図６と
同様スポット位置である。図６と比べボケが少ないこと
がわかる。

【００１８】情報表示源からコンバイナまでの距離を
Ｓ、コンバイナから観察者の観察位置までの距離をｒと
し、ＡとＢを次のように定義したとき、不等号を含む下
記式の関係を満足すれば、表示像のボケが少なくこれが
気にならない範囲である。Ａ＝ＳＲ_x ／（Ｒ_x −２Ｓｃｏｓθ）、Ｂ＝ＳＲ_y ｃｏｓθ／（Ｒ_y ｃｏｓθ−２Ｓ）、１０^-3≧５×｜Ａ−Ｂ｜／｜Ａ＋ｒ｜／｜Ｂ＋ｒ｜

【００１９】したがって、この不等号の関係式が成立し
ていることが好ましい。最もボケが少ない条件は、Ａ＝
Ｂのときであり、このときＲ_x ＝Ｒ_y ×ｃｏｓ² θの関
係式が成立する。ただし、θは情報表示装置の光学配置
により適宜定まるものであり上述のようにθ＝１０〜４
０°が最適である。

【００２０】コンバイナの断面形状が円弧ではなく、球
面を基本とし高次の項を加えた多項式で表される非球面
形状の場合にも、基本となる面の曲率半径を上記Ｒ_x 、
Ｒ_yのような関係にすればよい。

【００２１】凹面鏡の法線に対し有限な角度θで光を入
射して使用すると、表示像が台形状に歪む場合がある。
また、観察者の観察位置が左右に動いたとき、表示像が
動的に歪みやすくなる。このようなときは、情報表示源
からコンバイナへの光軸に対し情報表示源の表面を垂直
からずらすことが効果的である。

【００２２】上述のように情報表示源を備えた本体部に
コンバイナが軸支され、車両のダッシュボード上などに
載置され、運転者などに運転情報を視認させる別置き型
の情報表示装置においては、小型化のためコンバイナの
高倍率化が求められるので本発明はより効果的である。

【００２３】本発明におけるコンバイナは、情報表示源
から発する光を観察者の方向に反射し、表示像として視
認させる。コンバイナとしては半透明のハーフミラー型
の凹面鏡が好ましく利用できる。また、反射の機能は反
射率の高い金属や誘電体の多層膜の蒸着膜、ゾルゲル法
による高反射膜、屈折率の異なる複数の高分子多層膜や
ホログラムなどを基材に設けることにより発現できる。

【００２４】本発明におけるコンバイナの基材は、用途
や使用状態に応じて適宜選択される。ＨＵＤのように前
景と表示像を重畳させて見るタイプの情報表示装置では
透明な基材であることが望ましいが、これは光を部分的
に透過するものでもよい。例えば、透明ガラス板のほか
にブロンズやグリーンなどに色付けされたガラス板も基
材として使用できる。また、入射光や反射光が通過しな
い部分は不透明であってもよい。

【００２５】基材の材質としては、ガラスのほか、アク
リル、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリオレフ
ィンなどの樹脂基板でもよく、透明な結晶体などであっ
てもよい。また、これらの基材の表面には傷付き防止の
ため、ハードコーティングが施されていてもよい。また
２重像防止のため、反射面の反対側の面に反射防止コー
ティングが施されていてもよい。

【００２６】本発明の情報表示装置における情報表示源
は光を発して表示する機能を持つものであり、液晶表示
素子などのいわゆる受光型表示素子からなる表示体に熱
陰極管、冷陰極管、蛍光表示管、ハロゲンランプ、発光
ダイオード、半導体レーザなどからなる光源から発した
光を照射するものが例示できる。

【００２７】それとは別に、情報表示源として受光型表
示素子を用いず、上記の光源自体をパターン化して配列
し特定の情報を光として発生する自発光型表示素子であ
ってもよい。自発光型表示素子として蛍光表示管、フィ
ールドエミッションディスプレイ、プラズマディスプレ
イ、有機ＥＬ素子などの表示素子が例示でき、発光ダイ
オードや半導体レーザなどの発光素子を配列したものな
ども例示できる。

【００２８】本発明の情報表示装置をカラー表示とする
場合、液晶表示素子としては、カラーフィルタと透過型
液晶表示素子などからなるカラー液晶表示素子などが好
ましく使用できる。また、カラー表示とする場合、蛍光
材料、発光材料をカラー化した表示素子であっても、発
光波長の異なる半導体材料を配列した自発光型表示素子
であってもよい。

【００２９】受光型表示素子と光源を併用したものの場
合は、この受光型表示素子と光源との間にレンズ系や曲
面反射鏡などの適当な光線平行化手段、導光板などの適
当な導光手段、偏光制御手段などを配置してもよい。情
報表示源からコンバイナに光が投射されるまでの光径路
内に、反射、屈折、回折光学素子を適宜配置してもよ
い。また、必要に応じて、偏光制御手段、非線形光学素
子などを配置してもよい。

【００３０】本発明の情報表示装置を乗り物に用いる場
合、表示すべき情報としては、その表示用途により適宜
選択される。車両のスピード計、タコメータ、シフトレ
バー表示、さらには種々の警告ランプや、ナビゲーショ
ン情報、エアコン、オーディオ機器など付属機器の情報
などが例示できる。また、道路情報、駐車場空き情報な
どの車両外からの情報も例示できる。また、先行車との
車間距離センサの情報やＣＣＤカメラなどで撮影した死
角領域の映像や夜間など視界不良時の映像、さらには自
動料金収受の表示など、近年開発中の高度道路交通シス
テム（ＩＴＳ）に対応した情報も例示できる。

【００３１】航空機や船舶などでは緯度、経度、高度、
進行方向などの位置・方位情報や、気象情報、レーダの
障害物情報、魚群探知機の情報など、乗り物の運行や業
務に関わる様々な情報が考えられる。また、観察者とは
主には車両などの乗り物の運転者であるが、助手席その
他の同乗者や、これらすべての者を含めることができ
る。

【００３２】

【実施例】「例１」例１では、本発明を別置き型ＨＵＤ
に応用した場合を説明する。全体の構成は図８の従来の
ＨＵＤと類似しているので、図８を用いて説明する。コ
ンバイナ１２は、支持部１５を介してＨＵＤの本体部１
４に回動自在に軸支させた。本体部１４内には、蛍光表
示管よりなる情報表示源１１が備えられ、このＨＵＤを
車両のダッシュボードの設置位置に配置した。情報表示
源からの情報を含む光３はコンバイナ１２で反射され、
観察者（例えば運転者）の観察位置１に運転情報などの
表示像１３として視認された。

【００３３】図１のコンバイナ１２の中心に立てた法線
ｚに対する光の入射角θは２０°であった。入射面に垂
直な面（ｘｚ面）の曲率半径はＲ_x ＝２３５ｍｍであ
り、入射面（ｙｚ面）における曲率半径はＲ_y ＝２６６
ｍｍであった。両者の関係はＲ_y ＞Ｒ_x であり、かつＲ
_x ＝Ｒ_y ×ｃｏｓ² θの関係をほぼ満足した。

【００３４】その結果、入射面に垂直な面（ｘｚ面）に
おける表示像の距離は、入射面（ｙｚ面）における表示
像の距離と一致し、ともに５００ｍｍとなった。このよ
うにしてボケのない視認性の高い表示像を得ることがで
きた。また、情報表示源１１とコンバイナ１２の距離Ｓ
は１００ｍｍ、コンバイナから観察者までの距離ｒは約
８００ｍｍであり、表示像は観察者の前方１３００ｍｍ
の位置に観察された。なお、コンバイナ１２には高耐熱
の透明アクリル樹脂を使用した。凹面側に誘電体多層膜
によるハーフミラーコーティングを施して使用した。

【００３５】「例２」本例は、図５に示すように車両の
天井付近に液晶表示素子よりなる情報表示源１１を設
け、観察者の観察位置１の前方に透明アクリル樹脂より
なるコンバイナ１２を設けたタイプのＨＵＤである。

【００３６】情報表示源１１とコンバイナ１２の距離Ｓ
は約３３４ｍｍ、入射角θは１２°であり、またコンバ
イナ１２と観察位置１との距離ｒは４３０ｍｍであっ
た。入射面に垂直な面（ｘｚ面）の曲率半径はＲ_x ＝７
５０ｍｍとし、入射面（ｙｚ面）における曲率半径はＲ
_y ＝７８４ｍｍとした。

【００３７】両者の関係はＲ_y ＞Ｒ_x であり、かつＲ_x
＝Ｒ_y ×ｃｏｓ² θの関係をほぼ満足した。その結果、
入射面に垂直な面（ｘｚ面）における表示像の距離は、
入射面（ｙｚ面）における表示像の距離と一致し、とも
に約２５７０ｍｍとなった。観察者からの距離はともに
３０００ｍｍであった。このようにしてボケのない視認
性の高い表示像を得ることができた。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、入射面における表示像
距離と入射面に垂直な面における表示像距離の差を小さ
くすることができる。その結果表示像のボケが少ない高
品質な表示像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の情報表示装置の光学系の概念的斜視図
である。

【図２】入射面および入射面に垂直な面での結像の様子
を説明する模式図であり、（ａ）は入射面に垂直な面の
結像の場合で、（ｂ）は入射面の結像の場合である。

【図３】曲率半径と像距離との関係を示すグラフであ
る。

【図４】本発明の情報表示装置の表示像のスポットダイ
アグラムの一例を示す図である。

【図５】本発明の情報表示装置の別の例を示す概念的側
面図である。

【図６】従来の情報表示装置の表示像のスポットダイア
グラムの一例を示す図である。

【図７】従来のＨＵＤの一例を示す側面図である。

【図８】従来のＨＵＤの別の例を示す側面図である。

【符号の説明】

１：観察位置２、１２：コンバイナ３：情報を含む光４：レンズ５：透過型液晶表示装置６：光源７：風防ガラス８：速度表示像９：警告表示像１１：情報表示源１３：表示像１４：本体部１５：支持部

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年３月１日（１９９９．３．１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表示すべき情報を光として発生する情報表
示源と、光を観察者に向けて反射し虚像として表示する
凹面鏡よりなるコンバイナとを備えた情報表示装置にお
いて、凹面鏡の入射面内における曲率半径Ｒ_y と、入射
面に垂直な面内における曲率半径Ｒ_x とが、０．６０≦Ｒ_x ／Ｒ_y ≦０．９７の関係を満足することを特徴とする情報表示装置。
【請求項２】コンバイナに立てた法線への光の入射角θ
と、情報表示源からコンバイナまでの距離Ｓと、コンバ
イナから観察者の観察位置までの距離ｒとが、Ａ＝ＳＲ_x ／（Ｒ_x −２Ｓｃｏｓθ）、Ｂ＝ＳＲ_y ｃｏｓθ／（Ｒ_y ｃｏｓθ−２Ｓ）、とおいたとき、１０^-3≧５×｜Ａ−Ｂ｜／｜Ａ＋ｒ｜／｜Ｂ＋ｒ｜の関係を満足する請求項１に記載の情報表示装置。