JP2006258884A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 輝度の高い映像情報を得ることが可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供すること。
【解決手段】 映像情報を構成する投影光を部分反射手段５０で反射させ、部分反射手段５０による虚像として表示するヘッドアップディスプレイ装置１０であって、投影光を射出する画像表示装置２０と、該画像表示装置２０から射出された投影光を部分反射手段５０に向けて射出させる投影手段６０とを備え、投影手段６０が、部分反射手段５０に向けて射出される投影光を部分反射手段５０の方向に導く射出側指向性を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車等の車両等に搭載可能なヘッドアップディスプレイ装置に関する。

従来、表示器から出射された表示光を、車両のフロントウインドシールド（部分反射手段）の所定表示領域に投影反射させることにより、フロントウインドシールド前方に画像を虚像表示させる車両用ヘッドアップディスプレイ装置がある。このヘッドアップディスプレイ装置は、前方視界の景色に虚像を表示するもので、運転者が前方視界から大きく視線をはずすことなく、また、運転者に大きな焦点調節の負荷を感じさせることなく、より多くの情報を認識させることができる情報伝達手段として極めて利用価値が高い。

また、ヘッドアップディスプレイ装置は、表示器から投射された画像を複数のレンズやミラーを用いてフロントウインドシールドに表示器の映像を映し出すものである。しかしながら、このようなヘッドアップディスプレイ装置では、光学系が大型化してしまうため、例えば、車両のダッシュボード上や内部に搭載するには、占有スペースを多く要することになる。
この問題を解決するために、スクリーンを用いたヘッドアップディスプレイ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に記載のヘッドアップディスプレイ装置は、表示器の表示をレンズ系によりスクリーンに結像し、スクリーンに投射された実像をフロントガラスで反射させて視認するものである。
特開２００３−１２７７０７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のヘッドアップディスプレイ装置では、スクリーンとして拡散板を使用しているため、スクリーンに投射された実像の光が散乱してしまう。これにより、散乱光が直接運転者に向かってしまうため、フロントウインドシールドに投射された映像情報を構成する投影光が見づらくなってしまう。さらに、スクリーンにおける散乱により、フロントウインドシールドに到達する光束量が少なくなり、十分な輝度を得ることができなくなってしまう。その結果、周囲が明るい状態では、運転者がフロントウインドシールドに表示された映像情報を良好に認識できないという問題も生じる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、輝度の高い映像情報を得ることが可能なヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、映像情報を構成する投影光を部分反射手段で反射させ、前記部分反射手段による虚像として表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、前記投影光を射出する画像表示装置と、該画像表示装置から射出された投影光を前記部分反射手段に向けて射出させる投影手段とを備え、前記投影手段が、前記部分反射手段に向けて射出される投影光を前記部分反射手段の方向に導く射出側指向性を有することを特徴とする。

本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置では、画像表示装置より投影光が、投影手段に向かって射出される。そして、投影手段に入射した投影光は、投影手段によって部分反射手段に射出され、虚像として表示される。このとき、画像表示装置から射出され、投影手段にあらゆる方向から入射した投影光は、投影手段が部分反射手段の方向に射出側指向性を有しているため、散乱等により光量を損失させることなく、部分反射手段に導かれる。したがって、表示される映像情報は輝度が高くなるため、使用者にとって視認し易い表示が可能となる。

また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、前記投影手段が、特定の方向から入射した光を前記部分反射手段に向けて射出する入射側指向性を有することが好ましい。
本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置では、投影手段が、入射する光に対して指向性を有しているため、画像表示装置から射出され、投影手段に入射する映像情報を構成する投影光のみ部分反射手段に投影させることができる。したがって、外光（太陽光等）の入射を防ぐことや、特定の方向から入射する光以外は、部分反射手段に向けて射出されないため、部分反射手段に向けて射出される投影光に影響を及ぼすことがないので、外光に強いヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。

また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、前記投影手段が、反射型スクリーンであることが好ましい。
本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置では、投影手段が反射型スクリーンであるため、投影手段の位置を調整することにより、画像表示装置から射出された映像情報を部分反射手段の適切な位置に反射させることができる。

また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、前記投影手段が、透過型スクリーンであることが好ましい。
本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置では、投影手段が透過型スクリーンであるため、投影手段を挟んで部分反射手段が配置された側と反対側に画像表示装置を配することができるので、画像表示装置と投影手段と部分反射手段とを一軸方向に揃えることが可能となる。すなわち、例えば、ヘッドアップディスプレイ装置を車両に搭載する場合、画像表示装置をダッシュボード内部に収納することもできるので、装置全体をコンパクト化することが可能となる。

また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、透過型スクリーンが、内部全反射型スクリーンであることが好ましい。
本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置では、透過型スクリーンが、内部全反射型スクリーンであるため、画像表示装置より射出され投影手段に入射した光は、全反射により出射面に導かれるので、光量が損失することがない。したがって、使用者は充分な輝度を有する映像情報を視認することが可能となる。

また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、内部全反射型スクリーンの入射端面の断面形状が、鋸歯状であることが好ましい。
本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置では、入射端面の傾斜角度を調整することにより、投影手段から射出される光の方向を変更することができるため、投影手段の設計の自由度が向上する。

また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、前記画像表示装置が、投影光として特定の振動方向の偏光光を射出し、前記投影手段が、前記特定の振動方向の偏光光のみを透過あるいは反射させることが好ましい。

本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置では、画像表示装置として、例えば、液晶プロジェクタから射出された映像情報を構成する特定の振動方向の偏光光を射出する。そして、投影手段において、この映像情報の偏光光のみを透過あるいは反射させて、部分反射手段に投射することができるため、外光に強い装置を提供することが可能となる。

次に、本発明の第１実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置として、自動車に搭載する場合を例に挙げて説明する。このヘッドアップディスプレイ装置１０は、図１に示すように、投影光を射出するプロジェクタ（画像表示装置）２０と、このプロジェクタ２０から射出された投影光をフロントガラス（部分反射手段）５０に向けて投影させるスクリーン（投影手段）６０とを備えている。

プロジェクタ２０は、映像情報を生成してスクリーン６０に向かって投影するものであり、図２に示すように、光源２１と、フライアレイレンズ等からなり、光源２１から入射した光の輝度分布を均一化する均一照明系２２と、均一照明系２２から入射した光の波長領域のうちのＲＧＢ３原色の輝度をそれぞれ変調する色変調部２５（第１変調素子として青色光用透過型液晶ライトバルブ２５Ｂ，緑色光用透過型液晶ライトバルブ２５Ｇ，赤色光用透過型液晶ライトバルブ２５Ｒの３つの透過型液晶ライトバルブを含む）と、色変調部２５から射出した光をスクリーン６０に投射する投射レンズ４５とを備えて構成されている。
また、光源２１は、超高圧水銀ランプやキセノンランプ等からなるランプ２１ａと、ランプ２１ａからの射出光を反射・集光するリフレクタ２１ｂとを備えている。

色変調部２５は、光分離手段としての２つのダイクロイックミラー２６，２７と、３つのミラー（反射ミラー２８，２９，３０）と、５つのフィールドレンズ（レンズ３１、リレーレンズ３２、平行化レンズ３５Ｂ，３５Ｇ，３５Ｒ）と、３つの液晶ライトバルブ２５Ｂ，２５Ｇ，２５Ｒと、クロスダイクロイックプリズム４０とを含んで構成されている。

ダイクロイックミラー２６，２７は、光源２１からの光（白色光）を、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のＲＧＢ３原色光に分離（分光）するものである。ダイクロイックミラー２６は、ガラス板等にＢ光及びＧ光を反射し、Ｒ光を透過する性質のダイクロイック膜を形成したもので、光源２１からの白色光に対して、当該白色光に含まれるＢ光及びＧ光を反射し、Ｒ光を透過する。ダイクロイックミラー２７は、ガラス板等にＧ光を反射し、Ｂ光を透過する性質のダイクロイック膜を形成したもので、ダイクロイックミラー２６を透過したＧ光及びＢ光のうち、Ｇ光を反射して平行化レンズ３５Ｇに伝達し、青色光を透過してレンズ３１に伝達する。

リレーレンズ３２はレンズ３１近傍の光（光強度分布）を平行化レンズ３５Ｂ近傍に伝達するもので、レンズ３１はリレーレンズ３２に光を効率よく入射させる機能を有する。また、レンズ３１に入射したＢ光は、その強度分布をほぼ保存された状態で、かつ光損失を殆ど伴うことなく空間的に離れた液晶ライトバルブ２５Ｂに伝達される。

平行化レンズ３５Ｂ，３５Ｇ，３５Ｒは対応する液晶ライトバルブ２５Ｂ，２５Ｇ，２５Ｒに入射する各色光を略平行化して、液晶ライトバルブ２５Ｂ，２５Ｇ，２５Ｒを透過した光を効率よく投射レンズ４５に入射させる機能を有している。そして、ダイクロイックミラー２６，２７で分光されたＲＧＢ３原色の光は、上述したミラー（反射ミラー２８，２９，３０）及びレンズ（レンズ３１、リレーレンズ３２、平行化レンズ３５Ｂ，３５Ｇ，３５Ｒ）を介して液晶ライトバルブ２５Ｂ，２５Ｇ，２５Ｒに入射する。

液晶ライトバルブ２５Ｂ，２５Ｇ，２５Ｒは、画素電極及びこれを駆動するための薄膜トランジスタ素子や薄膜ダイオード等のスイッチング素子がマトリクス状に形成されたガラス基板と、全面にわたって共通電極が形成されたガラス基板との間にＴＮ型液晶を挟み込むとともに、外面に偏光板を配置したアクティブマトリクス型の液晶表示素子である。

また、液晶ライトバルブ２５Ｂ，２５Ｇ，２５Ｒは、電圧非印加状態で白／明（透過）状態、電圧印加状態で黒／暗（非透過）状態となるノーマリーホワイトモードまたはその逆のノーマリーブラックモードで駆動され、与えられた制御値に応じて明暗間の階調がアナログ制御される。液晶ライトバルブ２５Ｂは、入射されたＢ光を表示画像データに基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。液晶ライトバルブ２５Ｇは、入射されたＧ光を表示画像データに基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。液晶ライトバルブ２５Ｒは、入射されたＲ光を表示画像データに基づいて光変調し、光学像を内包した変調光を射出する。

クロスダイクロイックプリズム４０は、４つの直角プリズムが貼り合わされた構造からなり、その内部には、Ｂ光を反射する誘電体多層膜（Ｂ光反射ダイクロイック膜４１）及びＲ光を反射する誘電体多層膜（Ｒ光反射ダイクロイック膜４２）が断面Ｘ字状に形成されている。そして、液晶ライトバルブ２５ＧからのＧ光を透過し、液晶ライトバルブ２５ＲからのＲ光と液晶ライトバルブ２５ＢからのＢ光とを折り曲げてこれらの３色の光を合成し、カラー画像を形成する。

スクリーン６０は、反射型スクリーンであり、図３に示すように、入射端面６０ａには一方向に傾いた凹面鏡６０ｂが複数形成されたものである。また、スクリーン６０は、車両内のダッシュボード上に配置されており、スクリーン６０から射出される投影光をフロントガラス５０の方向に導く指向性を有している。具体的には、スクリーン６０に形成された凹面鏡６０ｂの形状が、運転者Ａ側からフロントガラス５０側に向かって異なり、フロントガラス５０の所定領域に向かって射出側指向性を有する形状に設計されている。これにより、所定方向からスクリーン６０に入射した投影光は、フロントガラス５０の方向に向かって射出されるようになっている。
また、プロジェクタ２０は、スクリーン６０の入射端面６０ａに対して傾斜して配されており、プロジェクタ２０から射出された投影光が凹面鏡６０ｂに斜入射されるようになっている。

フロントガラス５０は、車両の外側からの光が透過可能であるとともに、スクリーン６０から投影された投影光を運転者（観察者）に向けて反射可能となっている。また、車両のフロントガラス５０の内側の表面には、反射率を上げるため、スクリーン６０から反射される位置に、金属薄膜，誘電体多層膜等を設けるようにしても良い。

次に、以上の構成からなる本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０の作用について、以下に説明する。
まず、プロジェクタ２０が駆動され、光源２１からの白色光はダイクロイックミラー２６，２７により赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）の３原色光に分光されるとともに、平行化レンズ３５Ｂ，３５Ｇ，３５Ｒを含むレンズ及びミラーを介して、液晶ライトバルブ２５Ｂ，２５Ｇ，２５Ｒに入射される。液晶ライトバルブ２５Ｂ，２５Ｇ，２５Ｒに入射した各々の色光はそれぞれの波長領域に応じた外部データに基づいて色変調され、光学像を内包した変調光として射出される。液晶ライトバルブ２５Ｂ，２５Ｇ，２５Ｒからの各変調光は、それぞれクロスダイクロイックプリズム４０に入射し、そこで一つの光に合成され、投射レンズ４５に入射される。

投射レンズ４５に入射した投影光は、スクリーン６０に向けて斜入射され、フロントガラス５０に向かって指向性を持って反射される。反射された投影光は、フロントガラス５０によって運転者Ａの視点方向に反射され、運転者Ａの視点からフロントガラス５０による虚像６１として視認される。

本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０によれば、プロジェクタ２０から射出され、あらゆる方向からスクリーン６０に入射した投影光は、スクリーン６０がフロントガラス５０の方向に指向性を有しているため、光量を損失させることなく、フロントガラス５０に導かれる。したがって、表示される映像情報は輝度が高くなるため、運転者Ａにとって視認し易い表示が可能となる。

（ヘッドアップディスプレイ装置の第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について、図４及び図５を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、上述した第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置７０において、第１実施形態と異なる点は、第２実施形態では、図４に示すように、スクリーン７５として、透過型スクリーンを用いる点である。

ヘッドアップディスプレイ装置７０は、スクリーン７５の下部、すなわち、スクリーン７５を挟んでフロントガラス５０と対向する位置に、プロジェクタ２０を備えている。また、プロジェクタ２０は、ダッシュボード７１の内部に収納され、スクリーン７５に対して傾斜して配されており、プロジェクタ２０から射出された投影光がスクリーン７５に斜入射されるようになっている。
スクリーン７５は、図５に示すように、内部全反射型であり、入射端面７５ａの断面形状が鋸歯状となっている。また、スクリーン７５は、プロジェクタ２０から射出された投影光を内面において全反射させ、フロントガラス５０に投影するようになっている。

まず、プロジェクタ２０が駆動されると、第１実施形態と同様にして、投射レンズ４５に投影光が入射し、この投影光は、スクリーン７５に向けて斜入射される。スクリーン７５に入射した投影光は内部で全反射し、フロントガラス５０に向かって指向性を持って射出される。スクリーン７５から射出された投影光は、フロントガラス５０によって運転者Ａの視点方向に反射され、運転者Ａの視点からフロントガラス５０による虚像６１として視認される。

本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置７０によれば、スクリーン７５が透過型であるため、プロジェクタ２０をスクリーン７５の下部に配することができる。すなわち、プロジェクタ２０を車両内のダッシュボード内部に収納することもできるので、装置全体をコンパクト化することが可能となる。
また、スクリーン７５が内部全反射型であるため、プロジェクタ２０より射出されスクリーン７５に入射した光は、全反射により出射面に導かれるので、光量が損失することなく、フロントガラス５０に導かれる。したがって、運転者Ａは充分な輝度を有する映像情報を視認することが可能となる。さらに、入射端面７５ａの断面形状が鋸歯状となっているため、スクリーン７５の入射端面７５ａの傾斜角度を調整することにより、スクリーン７５から射出される光の方向を変更することができるため、スクリーン７５の設計の自由度が向上する。

なお、本実施形態において、スクリーン７５の設計の自由度を向上させるために、スクリーン７５の入射端面７５ａを鋸歯状としたが、平板状の透過型スクリーンであっても良い。
また、ヘッドアップディスプレイ装置７０として、プロジェクタ２０をダッシュボード７１内部に収納された構成としたが、これに限らす、側面側から入射した光をフロントガラス５０に導く指向性を有するスクリーンを用い、プロジェクタ２０をスクリーンの側面方向に配置させても良い。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記第１実施形態において、色変調部として透過型液晶ライトバルブを用いたが、反射型ライトバルブ、デジタルマイクロミラーデバイス等を用いることができる。また、光源として超高圧水銀ランプやキセノンランプを用いたが、ＬＥＤ、有機ＥＬ、半導体レーザ等の固体発光光源を用いても良い。画像表示装置としてプロジェクタ２０を用いたが、反射型スクリーンの場合、これに限ることはなく、投影レンズ４５を用いず、画像表示装置により生成された映像情報を表示する表示装置を備え、この表示装置に表示された映像情報を反射型スクリーンにより、フロントガラス５０に反射させても良い。

また、プロジェクタ２０が、投影光として特定の振動方向の偏光光を射出し、スクリーンが、特定の振動方向の偏光光のみを透過あるいは反射させても良い。
この構成の場合では、プロジェクタから特定の振動方向の偏光光の投影光が射出される。そして、スクリーンにおいて、特定の振動方向の偏光光のみを透過あるいは反射させて、フロントガラス５０に投射することができるため、外光の入射を防止することができるため、外光に強い装置を提供することが可能となる。
また、フロントガラス５０にｓ偏光光が入射するように、プロジェクタ２０からの投影光として特定の振動方向の偏光光を射出させても良い。なお、ここでｓ偏光光とは、フロントガラス５０に入射する光と反射する光の両方で作る面に垂直で、かつ光線を含む面内で振動する直線偏光のことを指す。ｓ偏光光はｐ偏光光に比較して高い反射率を持つことが知られている。したがって、この構成の場合には、より輝度の高い映像情報を得ることが可能となる。

また、上記第１実施形態において、反射型のスクリーン６０として、凹面鏡６０ｂを複数有する構成としたが、これに代えて、図６に示すように、特定の方向から入射した光をフロントガラス５０に向けて射出する入射側指向性を有するスクリーン８０を用いても良い。
スクリーン８０は、ルーバ型のスクリーンであり、基板８１と、一端が基板８１に当接するとともに、基板８１からプロジェクタ２０に向けて傾斜した平板状の規制板８２とを備えている。規制板８２は、基板８１上に所定の間隔を開けて、基板８１に沿う方向に配設されている。これにより、スクリーン８０における外光の入射を防止し、プロジェクタ２０から射出された投影光のみをフロントガラス５０に向けて投影するようになっている。
この構成の場合、スクリーン８０が、入射する光に対しても指向性を有しているため、プロジェクタ２０から射出され、スクリーン８０に入射する映像情報を構成する投影光のみフロントガラス５０に投影させることができる。したがって、外光（太陽光等）の入射を防ぐことができるので、外光に強いヘッドアップディスプレイ装置を提供することが可能となる。また、上記第２実施形態においても、規制板８２を有する構成にし、スクリーン７５に入射する光に対しても指向性を有するようにしても、同様の効果が得られる。

入射側指向性を有するスクリーンとして、ルーバ型スクリーン８０では、スクリーンに入射する光を規制したが、これに限るものではなく、特定の方向から入射した光以外は、スクリーンにおいて吸収，透過あるいは拡散させフロントガラス５０に向かって射出しない構成であれば良い。

また、ヘッドアップディスプレイ装置１０，７０として、自動車に搭載する場合を例に挙げ、部分反射手段としてフロントガラス５０としたが、自動車に限らず、例えば、屋内に設けられた窓や任意の透明板等の部分反射手段にプロジェクタ２０から射出された投影光を投影し、観賞用として用いることも可能である。

本発明の第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を示す平面図である。 図１のプロジェクタの光学構成を示す図である。 図１のスクリーンを示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置を示す平面図である。 図１のスクリーンを示す断面図である。 本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置に用いられるスクリーンの変形例を示す斜視図である。

符号の説明

１０，７０…ヘッドアップディスプレイ装置、２０…プロジェクタ（画像表示装置）、５０…フロントガラス（部分反射手段）、６０…スクリーン（投影手段）

Claims (7)

1. 映像情報を構成する投影光を部分反射手段で反射させ、前記部分反射手段による虚像として表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記投影光を射出する画像表示装置と、
   該画像表示装置から射出された投影光を前記部分反射手段に向けて射出させる投影手段とを備え、
   前記投影手段が、前記部分反射手段に向けて射出される投影光を前記部分反射手段の方向に導く射出側指向性を有することを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記投影手段が、特定の方向から入射した光を前記部分反射手段に向けて射出する入射側指向性を有することを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記投影手段が、反射型スクリーンであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記投影手段が、透過型スクリーンであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記透過型スクリーンが、内部全反射型スクリーンであることを特徴とする請求項４に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記内部全反射型スクリーンの入射端面の断面形状が、鋸歯状であることを特徴とする請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
7. 前記画像表示装置が、投影光として特定の振動方向の偏光光を射出し、
   前記投影手段が、前記特定の振動方向の偏光光のみを透過あるいは反射させることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

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