JP2014170112A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示画像の虚像全体を適正に表示する。
【解決手段】車両１の投影面９１に表示画像７１を投影することにより、当該表示画像７１の虚像７０を車両１の室内の視認領域６０にて視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置１００は、表示画像７１となる光束を投射する投射器１０と、投射器１０からの投射光束を反射するスクリーン部材２２を、有し、当該スクリーン部材２２から投影面９１を介して視認領域６０に導かれる光束を、拡大させる拡大光学系２０と、投射器１０からスクリーン部材２２に到る光路を形成するように、配置される光学素子３０とを、備える。光学素子３０は、スクリーン部材２２との間であって、拡大光学系２０を挟んで視認領域６０と共役の関係にある共役位置Ｐｃに、表示画像７１を結像させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両等の移動体の投影面に表示画像を投影することにより、当該表示画像の虚像を移動体の室内の視認領域にて視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置（以下、「ＨＵＤ装置」という）に、関する。

従来、表示画像となる光束を投射器から投射して、投影面を介して視認領域に導くＨＵＤ装置が、知られている。こうしたＨＵＤ装置の一種として特許文献１には、投射器からの投射光束を反射するスクリーン部材（拡大鏡状の折り曲げ用ミラー）から投影面を介して視認領域に導かれる光束を、拡大光学系により拡大させる装置が、開示されている。

特許文献１の開示装置では、投射器からスクリーン部材に到る光路を形成するように、光学素子としての凸レンズ（拡大ルーペ）が配置されている。ここで凸レンズの配置位置は、投射器からの投射光束を集束させることにより、表示画像をスクリーン部材に結像させる結像位置となっている。

特開２００６−３５０２６７号公報

さて、特許文献１の開示装置では、スクリーン部材に結像させた表示画像の虚像を視認領域にて視認可能とするため、拡大光学系を挟んで視認領域と共役の関係にある共役位置に、投射器の射出部が配置されていると考えられる。かかる配置形態の場合、投射器からスクリーン部材に到る光路を形成する凸レンズは、スクリーン部材に近接することになるため、スクリーン部材から投影面側へ向かう光路に干渉して、表示画像の虚像に欠落を招くおそれがあった。

本発明は、以上説明した問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、表示画像の虚像全体を適正に表示するＨＵＤ装置を、提供することにある。

本発明は、移動体（１）の投影面（９１）に表示画像（７１）を投影することにより、当該表示画像の虚像（７０）を移動体の室内の視認領域（６０）にて視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、表示画像となる光束を投射する投射器（１０）と、投射器からの投射光束を反射するスクリーン部材（２２）を、有し、当該スクリーン部材から投影面を介して視認領域に導かれる光束を、拡大させる拡大光学系（２０）と、投射器からスクリーン部材に到る光路を形成するように、配置される光学素子（３０，２３０）とを、備え、光学素子は、スクリーン部材との間であって、拡大光学系を挟んで視認領域と共役の関係にある共役位置（Ｐｃ）に、表示画像を結像させることを特徴とする。

かかる本発明によると、投射器から拡大光学系のスクリーン部材へと到る光路を形成する光学素子が表示画像を結像させる結像位置は、拡大光学系を挟んだ視認領域との共役位置に重なることとなる。これによれば、共役位置に結像された表示画像は、拡大光学系においてスクリーン部材により反射されて投影面へと拡大投影されることで、虚像としての視認領域での視認が可能となる。

しかも本発明によると、スクリーン部材を有する拡大光学系を挟んだ視認領域との共役位置に、スクリーン部材との間にて表示画像を結像させる光学素子は、スクリーン部材からは離間して、スクリーン部材から投影面側へ向かう光路には干渉し難くなる。即ち、表示画像の虚像に欠落を招く光学素子の光路干渉は、スクリーン部材から投影面側へ向かう光路に対しては生じ難くなるので、虚像全体を適正に表示可能となる。

第一実施形態によるＨＵＤ装置を示す構成図である。 図１のＨＵＤ装置による表示状態を示す模式図である。 第二実施形態によるＨＵＤ装置を示す構成図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。

（第一実施形態）
図１に示すように、本発明の第一実施形態によるＨＵＤ装置１００は、「移動体」としての車両１に搭載され、インストルメントパネル８０内に収容されている。ＨＵＤ装置１００は、車両１の表示部材であるウインドシールド９０へ向かって表示画像７１を投影する。ここで、車両１においてウインドシールド９０の室内側の面は、インストルメントパネル８０の上方にて表示画像７１が投影される投影面９１を構成している。また、車両１においてウインドシールド９０は、室内側の面と室外側の面とで、光路差を抑制するための角度差を有するものであってもよいし、当該光路差抑制のために蒸着膜乃至はフィルム等を室内側の面に設けたものであってもよい。

投影面９１に対して表示画像７１が投影されると、車両１の室内では、当該投影面９１により反射した光束が乗員のアイポイント６１に到達する。乗員は、アイポイント６１への到達光束を知覚することで、ウインドシールド９０の前方に結像された表示画像７１の虚像７０を、視認可能となる。このとき虚像７０の視認は、乗員の視認領域６０内に、アイポイント６１が位置するときに限られる。換言すれば、アイポイント６１が視認領域６０から外れている場合には、乗員による虚像７０の視認が困難となる。

以上、投影面９１への表示画像７１の投影によりＨＵＤ装置１００は、図２に示すように表示画像７１の虚像７０を、車両１の室内から視認可能に表示することとなる。尚、虚像７０としては、例えば車両１の走行速度の指示表示７０ａや、ナビゲーションシステムによる車両１の進行方向の指示表示７０ｂ、車両１に関するウォーニング表示７０ｃ等が、表示される。

次に、以上の如き虚像７０の表示機能を実現するＨＵＤ装置１００の具体的構成につき、以下に詳細に説明する。図１に示すようにＨＵＤ装置１００は、投射器１０、拡大光学系２０及び光学素子３０を備えている。

投射器１０は、表示画像７１となる光束を射出部１２から投射する。例えば投射器１０は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を用いてレーザ光を投射するレーザスキャナであってもよいし、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いて可視光乃至はレーザ光を投射する映像表示システムであってもよいし、それら以外であってもよい。

拡大光学系２０は、投射器１０から投影面９１に到るまでの光路上に、配置されている。拡大光学系２０は、スクリーン部材２２及び拡大鏡２４等から構成されている。

スクリーン部材２２は、樹脂基材乃至はガラス基材の表面にアルミニウムを蒸着させること等により、光束を表面反射可能に形成されている。例えばスクリーン部材２２は、表面に微細構造を有するマイクロミラーアレイであってもよいし、拡散ミラー乃至は反射ホログラフィクディフューザーであってもよいし、それら以外であってもよい。

スクリーン部材２２は、投射器１０よりも斜め上方に位置している。スクリーン部材２２の表面全体の形状としては、平坦面状、凸面状及び凹面状等のうち、縦横方向で共通又は相異なる形状が採用される。スクリーン部材２２の表面には、投射器１０からの投射光束が入射することで、表示画像７１が描画される。また、スクリーン部材２２の表面は、投射器１０からの投射光束を所定角度で反射させることにより、投影面９１に投影する表示画像７１の光束を拡大鏡２４側へと導く。

拡大鏡２４は、樹脂基材乃至はガラス基材の表面にアルミニウムを蒸着させること等により、光束を表面反射可能且つ拡大可能に形成されている。拡大鏡２４は、投影面９１の斜め下方において、スクリーン部材２２と向き合って位置している。拡大鏡２４の表面全体の形状としては、縦横方向のうち少なくとも一方向にてスクリーン部材２２からの離間側へ滑らかに凹む凹面状が、採用される。拡大鏡２４は、スクリーン部材２２による反射光束を斜め上方へと反射することで、投影面９１に投影する表示画像７１の光束を拡大する。

したがって、スクリーン部材２２から投影面９１を介して視認領域６０に導かれる光束は、拡大鏡２４により拡大されて表示画像７１の虚像７０を乗員に視認させるものとなる。ここで、拡大光学系２０を挟んで視認領域６０と共役の関係にある共役位置Ｐｃは、スクリーン部材２２から投影面９１側へ向かう光路（スクリーン部材２２から拡大鏡２４に至る光路）から外れて、設定されている。

第一実施形態の光学素子３０は、透光性の樹脂乃至はガラスにより形成される凸レンズであり、入射光束を出射側にて集束可能となっている。光学素子３０は、投射器１０からスクリーン部材２２に到る光路を形成するように、配置されている。光学素子３０は、投射器１０から入射されて表示画像７１となる光束を集束させることで、自身３０と出射側のスクリーン部材２２との間において当該画像７１の実像を結像させる。ここで、光学素子３０が表示画像７１を実像として結像可能な位置Ｐｉは、拡大光学系２０を挟んだ視認領域６０との共役位置Ｐｃと重なるように、当該素子３０である凸レンズの焦点距離等に応じて設定されている。

以上説明の第一実施形態によると、投射器１０から拡大光学系２０のスクリーン部材２２へと到る光路を形成する光学素子３０が表示画像７１を結像させる結像位置Ｐｉは、拡大光学系２０を挟んだ視認領域６０との共役位置Ｐｃに重なることとなる。これによれば、共役位置Ｐｃに結像された表示画像７１は、拡大光学系２０においてスクリーン部材２２により反射されて投影面９１へと拡大投影されることで、虚像７０としての視認領域６０での視認が可能となる。

しかも、スクリーン部材２２を有する拡大光学系２０を挟んだ視認領域６０との共役位置Ｐｃに、スクリーン部材２２との間にて表示画像７１を結像させる光学素子３０は、スクリーン部材２２からは離間して、スクリーン部材２２から投影面９１側へ向かう光路には干渉し難くなる。即ち、表示画像７１の虚像７０に欠落を招く光学素子３０の光路干渉（光路遮断）は、スクリーン部材２２から投影面９１側へ向かう光路に対しては生じ難くなるので、虚像７０全体を適正に表示可能となる。

さらに、拡大光学系２０を挟んだ視認領域６０との共役位置Ｐｃに表示画像７１を結像する光学素子３０としての凸レンズは、投射器１０からの投射光束を集束させることで、投射器１０から視認領域６０に到るまでの光路長を可及的に短縮し得る。これによれば、虚像７０全体を適正に表示可能な構成下において、さらにＨＵＤ装置１００の小型化を図ることまで可能となる。

（第二実施形態）
図３に示すように、本発明の第二実施形態は第一実施形態の変形例である。第二実施形態の光学素子２３０は、樹脂基材乃至はガラス基材の表面にアルミニウムを蒸着させること等により、光束を表面反射により折り曲げ可能な凹面鏡である。光学素子２３０は、投射器１０からスクリーン部材２２に到るまでの光路を形成するように、配置されている。また、光学素子２３０の表面全体の形状としては、縦横方向の両方向にてスクリーン部材２２からの離間側へ凹む凹面状が、採用される。光学素子２３０は、投射器１０から入射される表示画像７１の光束を折り曲げることにより、出射側のスクリーン部材２２との間において当該画像７１の実像を結像させる。ここで、光学素子２３０が表示画像７１を実像として結像可能な位置Ｐｉは、拡大光学系２０を挟んだ視認領域６０との共役位置Ｐｃと重なるように、当該素子２３０である凹面鏡の焦点距離等に応じて設定されている。

したがって、第二実施形態によっても表示画像７１は、光学素子２３０による表示画像７１の結像位置Ｐｉと重なった共役位置Ｐｃに結像されるので、虚像７０として視認領域６０での視認が可能となる。それと共に、第二実施形態によっても、共役位置Ｐｃに表示画像７１を結像させる光学素子２３０は、スクリーン部材２２及び共役位置Ｐｃから離間して、スクリーン部材２２から投影面９１側へ向かう光路には干渉し難くなるので、虚像７０全体を適正に表示可能となる。

さらに、拡大光学系２０を挟んだ視認領域６０との共役位置Ｐｃに表示画像７１を結像する光学素子２３０としての凹面鏡は、投射器１０からの投射光束を折り曲げるので、投射器１０の配置位置に自由度を与え得る。これによれば、虚像７０全体を適正に表示可能な構成下において、さらにＨＵＤ装置１００の搭載性を向上することまで可能となる。

（他の実施形態）
以上、本発明の複数の実施形態について説明したが、本発明は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。

変形例１では、光束を投影面９１での反射により拡大するスクリーン部材２２及びウインドシールド９０の少なくとも一方を、拡大光学系２０の構成要素として採用してもよい。また、かかる変形例１の場合にはさらに、拡大鏡２４を設けなくてもよい。

変形例２では、車両１の投影面９１を形成する表示部材として、ウインドシールド９０以外の要素、例えばウインドシールド９０の室内側の面に貼り付けたコンバイナ、又はウインドシールド９０とは別体に形成されたコンバイナ等を、採用してもよい。

変形例３では、車両１以外の船舶乃至は飛行機等の各種移動体（輸送機器）に、本発明を適用してもよい。

１ 車両、１０ 投射器、２０ 拡大光学系、２２ スクリーン部材、２４ 拡大鏡、３０，２３０ 光学素子、６０ 視認領域、６１ アイポイント、７０ 虚像、７１ 表示画像、９０ ウインドシールド、９１ 投影面、１００ ヘッドアップディスプレイ装置（ＨＵＤ装置）、Ｐｃ 共役位置、Ｐｉ 結像位置

Claims (3)

1. 移動体（１）の投影面（９１）に表示画像（７１）を投影することにより、当該表示画像の虚像（７０）を前記移動体の室内の視認領域（６０）にて視認可能に表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記表示画像となる光束を投射する投射器（１０）と、
   前記投射器からの投射光束を反射するスクリーン部材（２２）を、有し、当該スクリーン部材から前記投影面を介して前記視認領域に導かれる光束を、拡大させる拡大光学系（２０）と、
   前記投射器から前記スクリーン部材に到る光路を形成するように、配置される光学素子（３０，２３０）とを、
   備え、
   前記光学素子は、前記スクリーン部材との間であって、前記拡大光学系を挟んで前記視認領域と共役の関係にある共役位置（Ｐｃ）に、前記表示画像を結像させることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記光学素子（３０）は、前記投射器からの投射光束を集束させることにより、前記共役位置に前記表示画像を結像させる凸レンズであ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. 前記光学素子（２３０）は、前記投射器からの投射光束を折り曲げることにより、前記共役位置に前記表示画像を結像させる凹面鏡であ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。

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