JP2011247997A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 表示素子が傾斜配置されている場合であっても、コントラストの高い表示視認性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。
【解決手段】 表示光Ｌを発する液晶表示素子（表示素子）２３と、表示光Ｌを反射させる凹面鏡３１とを備え、液晶表示素子２３は、液晶表示素子２３の中心点Ｃ１と凹面鏡３１の中心点Ｃ２とを結ぶ光路である表示光Ｌの理想光軸Ｌ’が液晶表示素子２３の法線Ｎ方向と所定角度Θをなすように傾斜配置され、凹面鏡３１によって反射された表示光Ｌを投影部材１３に投影して観察者１４に対して表示を行うヘッドアップディスプレイ装置において、凹面鏡３１と傾斜配置された液晶表示素子２３との間には、液晶表示素子２３が発する表示光Ｌを屈折させるレンズ部材２５が配設されてなり、レンズ部材２５は、液晶表示素子２３側が平坦面２５ａであるとともに凹面鏡３１側が凹面２５ｂである平凹レンズからなる。
【選択図】図７

Description

本発明は、表示器（表示素子）が発した表示光を車両のフロントガラス等の投影部材に投影して観察者に対して表示を行うヘッドアップディスプレイ装置に関するものである。

従来より、この種のヘッドアップディスプレイ装置にあっては、例えば下記特許文献１に記載のごとく、車両のフロントガラス（投影部材）に表示器からの表示光を投射（照射）して虚像（表示像）の表示を行うものが知られている。

特開２００９−２８００７６号公報

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、車両のインストルメントパネル（以下、インパネと言う）内部に取り付けられており、図９に示すように表示光Ｌ１を発する表示器１と、この表示器１が発する表示光Ｌ１を反射させる凹面鏡（反射部材）２と、表示器１及び凹面鏡２を収容するハウジング３とを備え、凹面鏡２によって反射された表示光Ｌ１をハウジング３に形成された透光部３ａを通じて図示省略したフロントガラス（投影部材）に投影して運転者（観察者）に対して虚像の表示を行うものである。

そして、この場合、表示器１は、硬質の回路基板１ａ上に実装された発光ダイオードからなる光源１ｂと、この光源１ｂからの照明光を透過して表示光Ｌ１を形成する（発する）ように光源１ｂの前方側に位置する液晶表示素子（表示素子）１ｃと、回路基板１ａと光源１ｂと液晶表示素子１ｃとを収容する合成樹脂からなるケース体１ｄとを備え、液晶表示素子１ｃは、凹面鏡２と向かい合いよう直立した状態で（換言すれば回路基板１ａと平行状態をなすように）ケース体１ｄに搭載されている。

しかしながら、図９にて図示した特許文献１に記載のヘッドアップディスプレイ装置の場合、太陽光等の外部からの光（以下、外光Ｍと言う）の一部が、ハウジング３に形成された透光部３ａを通じてハウジング３内部に入射され、その後、凹面鏡２を介して凹面鏡２と向かい合う位置関係にある直立状態の液晶表示素子１ｃ側に照射されることがあった。つまり、このことは、外光Ｍの一部が、透光部３ａ→凹面鏡２→液晶表示素子１ｃという外光入射光路を経て液晶表示素子１ｃ側に照射される場合があることを意味している。

そして、外光Ｍの一部が液晶表示素子１ｃに照射されると、かかる照射光は、凹面鏡２側に反射されて前記外光入射光路とは逆の光路（つまり図９中、点線部分で示すごとく凹面鏡２、ハウジング３の透光部３ａ）を経て迷光Ｘとして前記フロントガラスに映し出されることで本来、表示されるべきでなない不要な像が発生し、運転者が視認する表示像の表示品質が低下してしまうという問題点が生じる。

そこで、図１０に示すごとく、液晶表示素子１ｃと回路基板１ａとが平行状態ではなく非平行状態となるように（具体的には図１１に示すように凹面鏡２側から液晶表示素子１ｃを見たときの液晶表示素子１ｃの中心点Ｒ１と液晶表示素子１ｃ側から凹面鏡２を見たときの凹面鏡２の中心点Ｒ２とを結ぶ表示光Ｌ１の理想光軸Ｌ１’が液晶表示素子１ｃの法線Ｑ方向と所定の角度Ｒをなすように）、液晶表示素子１ｃをケース体１ｄに傾斜配置すれば、前記外光入射光路を経て液晶表示素子１ｃ側に照射される外光Ｍの一部（つまり前記照射光）が、凹面鏡２側に反射されずに図１０中、点線で示す光路Ｙのようにハウジング３の底壁側に反射されるので、前述した迷光Ｘの発生が抑制され、表示像の表示品質が低下してしまうという問題点を解消することができる。

ところで、液晶表示素子１ｃは、液晶の光学異方性のため視野角が比較的狭く、その結果、液晶表示素子１ｃを正面方向ではなく斜め方向から見たとき、液晶表示素子１ｃの表示品位（コントラスト）が低下し易い傾向にあることが知られている。従って、図１０に示すごとく液晶表示素子（表示素子）１ｃが傾斜配置されている構成の場合、表示像を視認する運転者は、前記フロントガラス、凹面鏡２を介して液晶表示素子１ｃを斜めから視認していることになるため、表示像のコントラスト低下（視認性低下）を招く虞がある。
そこで本発明は、前述の課題に対して対処するため、表示素子が傾斜配置されている場合であっても、コントラストの高い表示視認性を得ることが可能なヘッドアップディスプレイ装置の提供を目的とするものである。

本発明は、表示光を発する表示素子と、前記表示光を反射させる反射部材とを備え、前記表示素子は、前記反射部材側から前記表示素子を見たときの前記表示素子の中心点と前記表示素子側から前記反射部材を見たときの前記反射部材の中心点とを結ぶ光路である前記表示光の理想光軸が前記表示素子の法線方向と所定角度をなすように傾斜配置され、前記反射部材によって反射された前記表示光を投影部材に投影して観察者に対して表示を行うヘッドアップディスプレイ装置において、前記反射部材と傾斜配置された前記表示素子との間には、前記表示素子が発する前記表示光を屈折させるレンズ部材が配設されてなり、前記レンズ部材は、前記表示素子側が平坦面であるとともに前記反射部材側が凹面である平凹レンズからなることを特徴とする。

本発明によれば、初期の目的を達成でき、表示素子が傾斜配置されている場合であっても、コントラストの高い表示視認性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できる。

本発明の実施形態によるヘッドアップディスプレイ装置の概略図。 同実施形態による表示装置の断面図。 同実施形態による表示器の断面図。 同実施形態によるレンズ部材を取り除いた状態での表示素子と反射部材とを示す図。 同実施形態によるレンズ部材の斜視図。 図５のＣ−Ｃ断面図。 同実施形態による表示素子とレンズ部材と反射部材とを示す図。 同実施形態によるレンズ部材を拡大して示す拡大図。 従来技術による表示装置の断面図。 従来技術による表示装置の他の断面図。 図１０中、表示素子と反射部材との位置関係を示す図。

以下、図１〜図８に基づいて、本発明を車両用のヘッドアップディスプレイ装置に適用した一実施形態を説明する。

ヘッドアップディスプレイ装置は、図１に示すように車両１０のインパネ１１内部に配設された表示ユニットである表示装置１２が投射する表示光Ｌを投影部材である車両１０のフロントガラス１３で車両１０の運転者（観察者）１４の方向に反射させ、虚像Ｖの表示を行うものである。換言すれば、ヘッドアップディスプレイ装置は、表示装置１２の後述する表示器から発せられる表示光Ｌをフロントガラス１３（前記投影部材）に照射（投射）し、この照射によって得られた虚像（表示像）Ｖを運転者１４に視認させるものである。これにより運転者１４は、運転席の正面前方に表示される虚像Ｖを風景と重畳させて観察することができる。

表示装置１２は、図２に示すように表示器２０と、反射器３０と、ハウジング４０とから主に構成されている。

表示器２０は、図３に詳しく示すように直立状態となっている回路基板２１と、回路基板２１に実装された光源２２と、この光源２２からの照明光を透過して表示光Ｌを形成する（発する）ように光源２２の前方側に位置する液晶表示素子（表示素子）２３と、この液晶表示素子２３を支持するケース体２４と、液晶表示素子２３上に載置されるレンズ部材２５とを備えている。

回路基板２１は、例えば所定の配線パターンが施された硬質配線基板からなり、前記配線パターン上に光源２２が実装されている。

光源２２は、例えばチップ型発光ダイオードからなり、液晶表示素子２３に照明光を供給する発光体である。

液晶表示素子２３は、例えば一対の透光性基板に液晶を封入した液晶セルの前後面に偏光膜を各々設けたＴＦＴ（薄膜トランジスタ）型の液晶表示パネルからなるものである。かかる液晶表示素子２３は、車両１０に設けられる車速センサやエンジン回転センサからの出力信号に基づいて車速，エンジン回転数を計測する演算回路（図示せず）並びにこの演算結果に基づいて前記液晶を駆動する素子駆動回路（図示せず）によって、車両１０の速度またはエンジン回転数の計測値を数値として表示することができる。

また、この場合、液晶表示素子２３は、図４に示すように反射器３０の後述する凹面鏡３１側から液晶表示素子２３を見たときの液晶表示素子２３の中心点Ｈ１と液晶表示素子２３側から凹面鏡３１を見たときの凹面鏡３１の中心点Ｈ２とを結ぶ光路である表示光Ｌの理想光軸Ｌ’が液晶表示素子２３の法線Ｎ方向と所定角度Θ（例えば３０度）をなすように、ケース体２４に傾斜配置されている構成となっている。ここで、本例における角度Θは、理想光軸Ｌ’と法線Ｎとのなす角度のうち狭角側の角度を指す。

なお、液晶表示素子２３によって表示される表示情報は、車速やエンジン回転数に限らず任意であり、例えば走行距離情報、ナビゲーション情報、外気温情報であってもよい。

ケース体２４は、合成樹脂からなり、略箱形状にて形成され、底壁部２４ａと、この底壁部２４ａに対応するように設けられる開口端部２４ｂと、光源２２を包囲するように底壁部２４ａに一体形成された周壁部２４ｃとを有しており、底壁部２４ａ上に光源２２の実装された回路基板２１が載置されているとともに、開口端部２４ｂを塞ぐように液晶表示素子２３が載置されている。

レンズ部材２５は、透光性合成樹脂からなり、図２、図３に示すように凹面鏡３１と傾斜配置された液晶表示素子２３との間に配設され、液晶表示素子２３から発せられる表示光Ｌを所望の方向に屈折させる光学部材からなる。本例におけるレンズ部材２５は、図５（図３）に示すように背面側（液晶表示素子２３側）が平滑な平坦面２５ａであるとともに前面側（凹面鏡３１側）が所定の曲率を有する凹球面形状の凹面２５ｂである平凹レンズからなり、平坦面２５ａが傾斜した状態となっている液晶表示素子２３前面に密着するように、液晶表示素子２３上にレンズ部材２５が載置されている。

なお、図５中、上方側からレンズ部材２５を正視したときのレンズ部材２５の外形形状は、略矩形状となっており、またレンズ部材２５の厚さは、レンズ部材２５の下方側（図３、図５中、レンズ部材２５の下端面Ｄ）からレンズ部材２５の上方側（図３、図５中、レンズ部材２５の上端面Ｅ）に向かうに従って次第に厚くなるように設定されている。

ここで、下端面Ｄとは図３中、矢印Ａ方向から見たときのレンズ部材２５の下側部分の面に相当するものであり、上端面Ｅとは図３中、矢印Ａ方向から見たときのレンズ部材２５の上側部分の面に相当する。

従って、レンズ部材２５において、図５のＢ−Ｂ断面図形状は、図３に示すようにレンズ部材２５の中心軸線Ｚを挟んで上下非対称形状となる。そして、図３中、液晶表示素子２３の下端部Ｆにレンズ部材２５の下端面Ｄが対応し、且つ、図３中、液晶表示素子２３の上端部Ｇにレンズ部材２５の上端面Ｅが対応するように、レンズ部材２５が液晶表示素子２３上に載置される構成となっている。なお、レンズ部材２５において、図５のＣ−Ｃ断面図形状は、図６に示すように中心軸線Ｚをはさんで上下対称形状となっている。

反射器３０は、表示器２０から発せられる表示光Ｌを反射させる凹面鏡（反射部材）３１と、この凹面鏡３１を保持する合成樹脂からなるミラーホルダ（保持部材）３２とを備えてなる（図２参照）。

凹面鏡３１は、凹面を有するポリカーボネートからなる樹脂基板に反射層３１ａを蒸着形成してなるものである。かかる凹面鏡３１は、その反射層３１ａが表示器２０のレンズ部材２５並びにハウジング４０の後述する透光性カバーに対向し、前記透光性カバーから臨める位置に傾斜状態にて配設される。

また凹面鏡３１は、表示器２０からの表示光Ｌを拡大しつつ、前記透光性カバー（車両１０のフロントガラス１３）側へ反射（投射）させるものである。このことは、凹面鏡３１が、表示器２０から発せられる表示光Ｌを拡大し、この拡大された表示光Ｌを前記透光性カバーを通じてフロントガラス１３に投射（照射）することを意味している。なお、凹面鏡３１は、ミラーホルダ３２に両面粘着テープにより接着されている。

ハウジング４０は、例えば黒色の遮光性合成樹脂材料からなり、略箱型形状に形成され、その内部空間である空間部４１に表示器２０及び反射器３０を保持して収容するものであり、反射器３０における凹面鏡３１の配設位置の上部（フロントガラス１３側）が開口する開口窓部４２を備えてなる。

またハウジング４０には、開口窓部４２を塞ぐように透光部である透光性カバー４３が配設されてなる。かかる透光性カバー４３は、透光性の合成樹脂材料（例えばアクリル樹脂）からなり、湾曲形状（曲面形状）に形成され、凹面鏡３１で反射された表示光Ｌが透過（通過）する光透過性部材としての機能を有している。つまり、凹面鏡３１によって反射された表示光Ｌは、ハウジング４０に形成された透光性カバー４３を通じてフロントガラス１３に投影され、これにより運転者１４に対して虚像Ｖの表示が行われることになる。

以上の各部により表示装置１２が構成されている。次に、図７を用いて、液晶表示素子２３の発する表示光Ｌが平凹レンズからなるレンズ部材２５を介して凹面鏡３１へと向かう光路について説明する。なお、説明を簡略化するために、凹面鏡３１からフロントガラス１３を経て運転者１４の視点へと向かう光路については、説明を省略する。

また、以下の説明では、図７中、液晶表示素子２３の中心点Ｈ１、右端部Ｇと中心点Ｈ１との中間に位置する液晶表示素子２３の第１中間点Ｈ３、並びに左端部Ｆと中心点Ｈ１との中間に位置する液晶表示素子２３の第２中間点Ｈ４からレンズ部材２５を介して凹面鏡３１へと向かう光路のみを例として挙げることにする。ここでの第１中間点Ｈ３や第２中間点Ｈ４は、液晶表示素子２３の図示しない表示エリアの両端付近に相当する箇所となっている。

さらに、以下の説明では、第１中間点Ｈ３に対応する凹面２５ｂ箇所を第１屈折点Ｓ１、中心点Ｈ１に対応する凹面２５ｂ箇所を第２屈折点Ｓ２、第２中間点Ｈ４に対応する凹面２５ｂ箇所を第３屈折点Ｓ３と定義する。また、回路基板２１の板面方向と平行であって第１屈折点Ｓ１を通るラインを第１仮想ラインＷ１、この第１仮想ラインＷ１と平行であって第２屈折点Ｓ２を通るラインを第２仮想ラインＷ２、これら両仮想ラインＷ１、Ｗ２と平行であって第３屈折点Ｓ３を通るラインを第３仮想ラインＷ３と定義する。

まず、本例におけるレンズ部材２５の厚さは、下端面Ｄから上端面Ｅに向かうに従って次第に厚くなる（上端面Ｅから下端面Ｄに向かうに従って次第に薄くなる）ように設定されていることで、図８中、第１仮想ラインＷ１と第１屈折点Ｓ１を通る接線に相当する第１接線Ｔ１とのなす角度Ｋ１、第２仮想ラインＷ２と第２屈折点Ｓ２を通る接線に相当する第２接線Ｔ２とのなす角度Ｋ２、並びに第３仮想ラインＷ３と第３屈折点Ｓ３を通る接線に相当する第３接線Ｔ３とのなす角度Ｋ３の三者の大小関係は、角度Ｋ１＞角度Ｋ２＞角度Ｋ３という大小関係となっている。

つまり、このことは、第１の屈折点Ｓ１での光の屈折角は第２屈折点Ｓ２での光の屈折角よりも大きく、第２屈折点Ｓ２での光の屈折角は第３屈折点Ｓ３での光の屈折角よりも大きいことを意味している。このように凹面２５ｂにおいては、下端面Ｄから上端面Ｅに向かうに従って、前述した光の屈折角が次第に大きくなるように設定されている。

従って、第１中間点Ｈ３、中心点Ｈ１、第２中間点Ｈ４のうち最も上端面Ｅ側から近い位置にある液晶表示素子２３の第１中間点Ｈ３から発せられる表示光Ｌは、レンズ部材２５を通過した後、第１屈折点Ｓ１から出射される際に大きく屈折し、その後、図７中、第１光路Ｊ１で示す光路にて凹面鏡３１に到達する。具体的には、前述した角度Ｋ１は、角度Ｋ２や角度Ｋ３よりも大きいので、第１中間点Ｈ３から発せられる表示光Ｌは、レンズ部材２５を通過後、第１屈折点Ｓ１にて上側に大きく屈折し、第１光路Ｊ１を経て凹面鏡３１の上端側へと到達する。

また、液晶表示素子２３の中心点Ｈ１から発せられる表示光Ｌは、レンズ部材２５を通過した後、第２屈折点Ｓ２から出射される際に屈折し、その後、図７中、第２光路Ｊ２で示す光路にて凹面鏡３１に到達する。具体的には、前述した角度Ｋ２は、角度Ｋ１よりも小さく、角度Ｋ３よりも大きいので、中心点Ｈ１から発せられる表示光Ｌは、レンズ部材２５を通過後、第２屈折点Ｓ２にてある程度、屈折し、第２光路Ｊ２を経て凹面鏡３１の中央側へと到達する。

また、第１中間点Ｈ３、中心点Ｈ１、第２中間点Ｈ４のうち最も上端面Ｅ側から遠い位置にある液晶表示素子２３の第２中間点Ｈ４から発せられる表示光Ｌは、レンズ部材２５を通過した後、第３屈折点Ｓ３から出射される際に僅かに屈折し、その後、図７中、第３光路Ｊ３で示す光路にて凹面鏡３１に到達する。具体的には、前述した角度Ｋ３は、角度Ｋ１や角度Ｋ２よりも小さいので、第２中間点Ｈ４から発せられる表示光Ｌは、レンズ部材２５を通過後、第３屈折点Ｓ３にて僅かに屈折し、第３光路Ｊ３を経て凹面鏡３１の下端側へと到達する。

ここで、レンズ部材２５を介して液晶表示素子２３から凹面鏡３１へと到達する各光路Ｊ１〜Ｊ３は、その後、フロントガラス１３を経て運転者１４の視点に到達し、運転者１４は虚像Ｖを視認することができる。これを逆に運転者１４側から見ると、運転者１４は、フロントガラス１３、凹面鏡３１、レンズ部材２５を経て液晶表示素子２３を視認するにあたり、各光路Ｊ１〜Ｊ３は、図７中、点線部分にて示すように液晶表示素子２３の前記表示エリアに至る。

このように本実施形態によれば、凹面鏡３１と傾斜配置された液晶表示素子２３との間にはレンズ部材２５が配設され、このレンズ部材２５は液晶表示素子２３側が平坦面２５ａであるとともに凹面鏡３１側が凹面２５ｂである平凹レンズからなることにより、虚像Ｖを視認する運転者１４は、従来のようにフロントガラス、凹面鏡を介して液晶表示素子を斜めから視認する構成ではなく、フロントガラス１３、凹面鏡３１並びにレンズ部材２５を介して液晶表示素子２３を視認するにあたり、前記光の屈折角が下端面Ｄ側から上端面Ｅ側に向かうに従って次第に大きくなるように設定された凹面２５ｂでの光の屈折作用を利用して、液晶表示素子２３の前記表示エリアを図７中、点線部分にて示すように正面方向から見ている構成となるため、虚像Ｖのコントラスト低下を招く虞がなくなり、コントラストの高い表示視認性を得ることができる。

また本実施形態では、レンズ部材２５と液晶表示素子２３とが密着するように液晶表示素子２３上にレンズ部材２５が載置されている例について説明したが、例えばレンズ部材２５と液晶表示素子２３との間に隙間が形成されるようにレンズ部材２５を液晶表示素子２３と凹面鏡３１との間に配設してもよい。

なお本実施形態では、液晶表示素子２３から発せられる表示光Ｌが、フロントガラス１３に投射される例について説明したが、例えばフロントガラス１３に表示光Ｌを良好に運転者１４方向に反射させるコンバイナフィルムを設けてもよいし、あるいはフロントガラス１３とは別の専用の反射体（投影部材）に表示光Ｌを投射する構成としてもよい。

１３ フロントガラス（投影部材）
１４ 運転者（観察者）
２０ 表示器
２２ 光源
２３ 液晶表示素子（表示素子）
２４ ケース体
２５ レンズ部材
２５ａ 平坦面
２５ｂ 凹面
３０ 反射器
３１ 凹面鏡（反射部材）
４０ ハウジング
４３ 透光性カバー
Ｈ１ 液晶表示素子の中心点
Ｈ２ 凹面鏡の中心点
Ｈ３ 第１中間点
Ｈ４ 第２中間点
Ｊ１ 第１光路
Ｊ２ 第２光路
Ｊ３ 第３光路
Ｌ 表示光
Ｌ’ 理想光軸
Ｎ 法線
Ｓ１ 第１屈折点
Ｓ２ 第２屈折点
Ｓ３ 第３屈折点
Ｖ 虚像（表示像）
Θ 所定角度

Claims (1)

1. 表示光を発する表示素子と、
   前記表示光を反射させる反射部材とを備え、
   前記表示素子は、前記反射部材側から前記表示素子を見たときの前記表示素子の中心点と前記表示素子側から前記反射部材を見たときの前記反射部材の中心点とを結ぶ光路である前記表示光の理想光軸が前記表示素子の法線方向と所定角度をなすように傾斜配置され、
   前記反射部材によって反射された前記表示光を投影部材に投影して観察者に対して表示を行うヘッドアップディスプレイ装置において、
   前記反射部材と傾斜配置された前記表示素子との間には、前記表示素子が発する前記表示光を屈折させるレンズ部材が配設されてなり、
   前記レンズ部材は、前記表示素子側が平坦面であるとともに前記反射部材側が凹面である平凹レンズからなることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。

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