JP2015040865A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射鏡の角度を変更して画像の投影位置を移動したときに、画像の見え方が変化することを抑制可能なＨＵＤ装置を提供する。
【解決手段】液晶表示部に表示される画像を反射鏡に反射させて投影部材に投影する。そして、投影部材に投影された画像の位置を変更すべく反射鏡の角度を変更する場合は、反射鏡の角度に応じて、液晶表示部に表示される画像の階調を補正する。
【選択図】図４

Description

本発明は、車両に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置に関する。

車両のフロントウインドシールドやコンバイナーと呼ばれる透明な投影部材に画像を投影することによって、運転者に対して各種の情報を表示するヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置と表記する）が知られている。このＨＵＤ装置では、透過型の液晶表示画面に、運転を支援する各種の情報が含まれた画像を表示して、液晶表示画面の背面側に光を投射し、液晶表示画面を透過した光を反射鏡で反射させることによって、投影部材に画像を投影する。運転者は、投影された画像を、投影部材の向こう側の状況に重ねて目視することで、視線を大きく動かすことなく各種の情報を得ることができる。
また、このようなＨＵＤ装置では、運転者の視点の高さに応じて、あるいは運転者の好みに応じて、画像を投影する位置（投影位置）を上下方向に調節することができる。画像の投影位置を調節するには、上述した反射鏡の角度を変更する（特許文献１）。

特開２００３−３９９８３号公報

しかし、画像の投影位置を移動させると、画像の見え方が変わってしまうという問題があった。

この発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、反射鏡の角度を変更することで画像の投影位置を移動しても、画像の見え方が変わる現象を抑制することが可能なＨＵＤ装置を提供する。

上述した課題を解決するために、本発明のＨＵＤ装置では、液晶表示部に表示される画像を反射鏡に反射させて投影部材に投影する。そして、投影部材に投影された画像の位置を変更すべく反射鏡の角度を変更する場合は、反射鏡の角度に応じて、液晶表示部に表示される画像の階調を補正する。

液晶表示部からは一定の角度範囲内に光が放射されるが、それらの光の全てが運転者の目に届くわけではない。それらの光の中で、たまたま運転者の目に届く角度に放射された光が運転者の目に届いているに過ぎない。そして、詳細については後述するが、画像を投影する位置を変更するべく反射鏡の角度を変更すると、液晶表示部から運転者の目に到達するまでの光路が変化する。その結果、反射鏡の角度を変更する前に液晶表示部から出て運転者の目に到達していた光は、反射鏡の角度を変更した後は運転者の目に到達しなくなり、その代わりに、別の角度に放射されていた光が運転者の目に到達するようになる。そして、液晶表示部は、光を放射する方向に応じて、明るさや色合いが変化する特性を有している。このため、画像の投影位置を変更しようとして反射鏡の角度を変更すると、運転者には画像の明るさや色合いも変わったように見えてしまう。
これに対して本発明のＨＵＤ装置では、反射鏡の角度に応じて、液晶表示部に表示される画像の階調を補正することができるので、画像の投影位置を変更すると画像の見え方が変わってしまう現象を抑制することができる。

また、上述した本発明のＨＵＤ装置においては、反射鏡の角度に応じて、液晶表示部に表示される画像の低階調側の階調を、その階調よりも高い階調に補正することとしてもよい。

反射鏡の角度を変更することで、運転者が目視する画像の明るさが暗く変化した場合、画像中で低い階調に相当する部分（画像の「暗部」）では、いわゆる「黒潰れ」を生じる虞がある。これは、画像の低階調の部分が更に暗くなるため、その部分の階調の違いが運転者には分からなくなってしまうためである。
従って、反射鏡の角度に応じて、液晶表示部に表示される画像の低階調側の階調を高い階調に補正しておけば、黒潰れが発生することを抑制することが可能となる。

また、上述した本発明のＨＵＤ装置においては、反射鏡の角度に応じて、液晶表示部に表示される画像の高階調側の階調を、その階調よりも低い階調に補正することとしてもよい。

反射鏡の角度を変更することで、運転者が目視する画像の明るさが明るく変化した場合、画像中で高い階調に相当する部分（画像の「明部」）では、いわゆる「白浮き」を生じる虞がある。これは、画像の高階調の部分が更に明るくなるため、その部分の階調の違いが運転者には分からなくなってしまうためである。
従って、反射鏡の角度に応じて、液晶表示部に表示される画像の高階調側の階調を低い階調に補正しておけば、白浮きが発生することを抑制することができる。

本実施例のＨＵＤ装置の構成を示す説明図である。 本実施例のＨＵＤ装置の機能ブロック図を示す説明図である。 液晶表示器の正面方向に透過した光の光路が凹面鏡の角度を変更することによって変化する様子を示す説明図である。 液晶表示器を透過した光の光路の角度が変化する様子を示す説明図である。 一般的なＴＮ型液晶についての上下方向の視野角特性を例示した説明図である。 階調変換関数および該階調変換数の特性を例示した説明図である。 一般的なＴＮ型液晶の視野角特性の別例を示す説明図である。 階調変換関数の特性の別例を示す説明図である。

以下では、上述した本願発明の内容を明確にするために実施例について説明する。
Ａ．本実施例の装置構成 ：
図１（ａ）には、本実施例のヘッドアップディスプレイ装置１０（以下、ＨＵＤ装置１０と表記する）を搭載した車両１が示されており、図１（ｂ）には、ＨＵＤ装置１０の内部構成が示されている。図１（ａ）に示されるように、ＨＵＤ装置１０は、インストルメントパネル２の内側に配置されており、インストルメントパネル２の内側からフロントウインドシールド３（以下「ＷＳ３」という）に向けて、運転を支援する各種の情報が含まれた画像を投影する。すると、運転者には、その画像がＷＳ３の向こう側（図１（ａ）中の符号４）に表示されているように認識される。運転者は、前方の状況に重ねてその画像を目視することで、視線を大きく動かすことなく各種の情報を得ることができる。

図１（ｂ）に示されるように、ＨＵＤ装置１０は、液晶表示器１２と、光源１４と、凹面鏡１６と、アクチュエーター１８と、制御ユニット２０とを備えている。これらのうち、液晶表示器１２（液晶表示部）は、背面側から光源１４に光を投射されることによって、種々の情報（車速や、車地図など）を表示する。液晶表示器１２の背面側から投射された光は、液晶表示画面を透過し、凹面鏡１６（反射鏡）で反射した後、ＷＳ３に投射される。これにより、液晶表示器１２に表示された画像は、凹面鏡１６によって拡大されてＷＳ３に投影される。
アクチュエーター１８は、回動軸が凹面鏡１６に接続されており、凹面鏡１６を回動させて凹面鏡１６の角度を変更する。これにより、運転者の好みに応じて、画像が投影されるＷＳ上の位置（投影位置）が調節される。制御ユニット２０は、アクチュエーター１８の動作を制御する処理や、液晶表示器１２に表示する画像の階調を補正する処理を行う。尚、画像を表示するための画像データは、図示しない記憶部に予め記憶されている。

図２には、本実施例のＨＵＤ装置１０の機能ブロック図が示されている。図示されるように、制御ユニット２０は、角度変更部２１と階調補正部２２とを備えている。このうち、角度変更部２１（角度変更手段）は、運転者による投影位置の変更指示を検出すると、画像の投影位置を上下方向に調節するべく、アクチュエーター１８の動作を制御して、凹面鏡１６の角度を変更する処理を行う。尚、運転者による投影位置の変更指示は、例えば、インストルメントパネル２に設けられた所定の操作部が操作されることによって検出される。
また、階調補正部２２（階調補正手段）は、凹面鏡１６の角度に応じて液晶表示器１２に表示される画像の階調を補正する処理を行う。以下では、図３〜図５を用いて、凹面鏡１６の角度に応じて画像の階調を補正する必要性について説明する。

図３には、一例として「液晶表示器１２を表示画面に垂直に（正面方向に）透過した光（以下「正面透過光」という）」の光路が示されている。図中に実線で示されている光路は、凹面鏡１６の角度を変更する前（以下では「角度変更前」という）の正面透過光の光路であり、一点鎖線で示されている光路は、凹面鏡１６の角度を図中矢印方向に変更した後（以下「角度変更後」という）の正面透過光の光路である。図３に示す例では、角度変更前において、正面透過光は、反射の法則に従って凹面鏡１６およびＷＳ３に反射して、運転者の目に届いている。従って、凹面鏡１６の角度変更前の時点では、運転者は、液晶表示器１２の正面方向からみた画像（以下「正面画像」という）を目視することとなる。

ところが、角度変更後は、運転者は、ＷＳ３に投影された正面画像を目視することができなくなる。すなわち、図３に例示するように、角度変更後の凹面鏡１６に対する正面透過光の入射角度βは、角度変更前の凹面鏡１６に対する正面透過光の入射角度αとは異なる。したがって、角度変更後の正面透過光は凹面鏡１６に反射した後、角度変更前とは異なる光路（図中に一点鎖線で例示する光路）を通ることとなり、運転者の目に届かなくなる。このため、運転者は、ＷＳ３に投影された正面画像を目視することができなくなる。その代わり運転者は、液晶表示器１２を斜め方向からみた画像を目視することになる。

すなわち、液晶表示器１２を透過した光のうち、角度変更後において運転者の目に届く光の光路は、光の出発点を液晶表示器１２の位置に固定し光の到達点を運転者の目の位置に固定した場合に、反射の法則を満たす光路である。従って、図４（ａ）に破線で例示するように、運転者の目に届くのは液晶表示器１２を斜め下方に透過した光であり、運転者は液晶表示器１２を斜め方向（斜め下方）からみた画像を目視することとなる。

尚、図４（ｂ）に例示するように、図４（ａ）の場合と逆方向に凹面鏡１６の角度を変更した場合も、運転者の目に届くのは液晶表示器１２を斜め上方に透過した光であり、運転者は液晶表示器１２を斜め方向（斜め上方）からみた画像を目視することとなる。

以上のように、ＷＳ３に投影される画像の位置を移動させるべく凹面鏡１６の角度を変更すると、運転者が目視する画像は、液晶表示器１２を角度変更前とは異なる方向からみたものとなる。

ここで、本実施例の液晶表示器１２の視野角特性について説明する。本実施例では液晶表示器１２としてＴＮ型液晶が採用されており、図５には、該ＴＮ型液晶についての上下方向の視野角特性が例示されている。この視野角特性は、液晶に入力する画像の階調を８ビット（２５６段階）で表現したときに、各階調レベルの透過率を示したものである。図示されるように、液晶表示器１２を斜め下方からみた場合、図中に白抜きの矢印で示すように、液晶表示器１２を正面からみた場合よりも各階調レベルの透過率が上昇する（液晶表示画面を透過する光の光量が増加する）。このため、液晶表示器１２を斜め下方からみた画像は全体的に明るくなってしまったり、色合いが変わってしまうことがある。
加えて、液晶表示器１２を斜め下方からみた場合は、高階調側（大まかには、図中に粗い斜線を付した範囲）では、各階調レベルの透過率が近似する。このため、高階調側では、階調レベルの差に対して透過率の差が小さくなってしまい、階調の違いが表現されにくくなる。その結果、液晶表示器１２を斜め下方からみた画像中の高い階調に相当する部分（画像の「明部」）では、白一色で表示されているように見える現象（いわゆる「白浮き」）が生じる虞がある。

一方、液晶表示器１２を斜め上方からみた場合、図中に黒塗りの矢印で示すように、液晶表示器１２を正面からみた場合よりも各階調レベルの透過率が低下する（液晶表示画面を透過する光の光量が減少する）。このため、液晶表示器１２を斜め上方からみた画像は全体的に暗くなってしまう虞がある。
加えて、液晶表示器１２を斜め上方からみた場合は、低階調側（大まかには、図中に細かい斜線を付した範囲）では、各階調レベルの透過率が近似する。このため、低階調側では、階調レベルの差に対して透過率の差が小さくなってしまい、階調の違いが表現されにくくなる。その結果、液晶表示器１２を斜め上方からみた画像中の低い階調に相当する部分（画像の「暗部」）では、黒一色で表示されているように見えてしまう現象（いわゆる「黒潰れ」）が生じる虞がある。

このように、液晶表示器１２を斜め上方や斜め下方からみた画像は、正面から見た画像と見え方が変わってしまう。当然ながら、図４を用いて前述したように、角度変更後に運転者が目視する画像は液晶表示器１２を斜め上方や斜め下方からみた画像であるので、運転者にとって、元の画像とは見え方が変わってしまう。

そこで、本実施例の階調補正部２２は、凹面鏡１６の角度を検出し、その検出結果に応じて、液晶表示器１２に表示される画像の階調を補正する。画像の階調を補正（変換）するには、たとえば、階調変換関数を用いた周知の方法を利用する。図６（ａ）には、画像の階調を補正するための階調変換関数が例示されている。この階調変換関数では、変換する前の階調レベルの値をｘとして入力すると、変換した後の階調レベルの値がｙとして出力される。また、関数中のγ（ガンマー）値を種々の値に設定することで、階調の補正態様を調節することができる。

図６（ｂ）には、γ値を種々の値に設定したときにおける、変換前の階調と変換後の階調との関係を表す特性が示されている。図示されるように、γ＝１．０の場合は、変換前の階調と変換後の階調とは等しくなり、階調の変換は行われない。γ値が１．０より大きい場合は、変換前の階調と変換後の階調との関係を表す特性は上方に膨らんだ曲線状となり、高い階調に変換される。このとき、γ値が大きいほど上方に膨らんだ曲線状となるので、より高い階調に変換され、より明るい画像に変化する。これに対して、γ値が１．０より小さい場合は、下方に膨らんだ曲線状となり、低い階調に変換される。このとき、γ値が小さいほど下方に膨らんだ曲線状となるので、より低い階調に変換され、より暗い画像に変化する。

階調補正部２２は、上述したような階調変換関数を利用し、凹面鏡１６の角度の検出結果に応じて、液晶表示器１２に表示される画像の階調を補正する。たとえば、図４（ａ）に破線で示すように、運転者の目に届く光が液晶表示器１２を斜め下方に透過した光となる凹面鏡１６の角度を検出した場合、すなわち、運転者が目視する画像が液晶表示器１２を斜め下方からみた画像（正面画像より明るい画像、白浮きの生じた画像）となる凹面鏡１６の角度を検出した場合は、階調変換関数のγ値を１．０よりも小さな値に設定し、液晶表示器１２に表示される画像の階調を低く補正する。こうすると、運転者が目視する画像が全体的に暗くすることができる。また、これに伴って、白浮きが生じた高階調側の階調が引き下げられて階調レベルの差に対する透過率の差を大きくすることができ、白浮きの発生を抑制することができる。これらの結果、角度変更後に運転者が目視する画像と、見え方が違う画像（正面画像より明るい画像、白浮きの生じた画像）となることを抑制することが可能となる。

これに対して、図４（ｂ）に破線で示すように、運転者の目に届く光が液晶表示器１２を斜め上方に透過した光となる凹面鏡１６の角度を検出した場合、すなわち、運転者が目視する画像が液晶表示器１２を斜め上方からみた画像（正面画像より暗い画像、黒潰れの生じた画像）となる凹面鏡１６の角度を検出した場合は、階調変換関数のγ値を１．０よりも大きな値に設定し、液晶表示器１２に表示される画像の階調を高く補正する。こうすると、運転者が目視する画像が全体的に明るくすることができる。また、これに伴って、黒潰れが生じた低階調側の階調が引き上げられて階調レベルの差に対する透過率の差を大きくすることができ、黒潰れの発生を抑制することができる。これらの結果、角度変更後に運転者が目視する画像が元の正面画像と見え方の違う画像（正面画像より暗い画像、黒潰れの生じた画像）となることを抑制することが可能となる。

以上のように、凹面鏡１６の角度に応じて、液晶表示器１２に表示される画像の階調を補正することとすれば、液晶表示器１２の視野角特性を踏まえた上で、液晶表示器１２に表示される画像の表示態様を変更することができる。すなわち、凹面鏡１６の角度を変更することによって、液晶表示器１２を（角度を変更する前とは）異なる方向から見ることとなっても、異なる方向から液晶表示器１２を見たときの画像の表示態様を、角度変更前に見ていた画像の表示態様に近付けることができる。これにより、凹面鏡１６の角度を変更することで画像の投影位置を移動させても、運転者が目視する画像が、元の画像と見え方の違う画像となることを抑制することが可能となる。

ここで、上述した実施例では、図５に例示した視野角特性を有するＴＮ型液晶を液晶表示器１２として採用したが、液晶表示器１２としては様々な視野角特性を有する液晶を採用可能である。そこで、階調補正部２２は、液晶表示器１２に表示される画像の階調を、次のように補正することとしてもよい。たとえば、凹面鏡１６の角度に応じて、液晶表示器１２に表示される画像の階調のうち、第１の階調レベルについては高い階調に補正し、第２の階調レベルについては低い階調に補正する。あるいは、凹面鏡１６の角度に応じて、液晶表示器１２に表示される画像の階調のうち、第１の階調レベルについては高い（あるいは低い）階調に補正し、第２の階調レベルについては補正しないこととしてもよい。
こうすれば、液晶表示器１２として様々な視野角特性を有する液晶を採用しても、該視野角特性に応じた補正を行うことができ、ひいては、運転者が目視する画像が、元の画像と見え方の違う画像となることを抑制することが可能となる。

また、本実施例のＨＵＤ装置１０においては、上述したように、凹面鏡１６の角度を変更しても液晶表示器１２の視野角特性に応じて補正を行うことで、運転者が目視する画像の見え方が変わることを抑制する。このため、液晶表示器１２に対して優れた視野角特性が要求されることはないので、ＴＮ型液晶などの一般的な（安価な）液晶を使用することができ、コストの上昇を抑制することができる。

尚、上述した実施例では、凹面鏡１６の角度を変更したときに運転者が目視する画像は、液晶表示器１２を下斜め方向または上斜め方向からみた画像となることとして説明した。しかし、凹面鏡１６の角度を変更したときに運転者が目視する画像は、液晶表示器１２，凹面鏡１６，ＷＳ３の相対位置によっては、液晶表示器１２を種々の方向からみた画像となる。もちろん、運転者が目視する画像が液晶表示器１２を種々の方向からみた画像となる場合であっても、液晶表示器１２の視野角特性を踏まえた上で、凹面鏡１６の角度に応じて液晶表示器１２に表示される画像の階調を補正することとすれば、上述と同様の効果を得ることができる。

また、上述した実施例では、液晶表示器１２に表示される画像の階調を、階調補正部２２で予め補正しておき、補正された画像を液晶表示器１２が表示することとしたが、階調を補正する処理を液晶表示器１２内で行うこととしてもよい。一般的に、液晶表示器１２は、いわゆるガンマー特性を利用した階調補正機能を有しているので、該機能を利用して、上述の階調補正部２２と同様の処理を行うこととしても、上述と同様の効果を得ることができる。

また、上述した実施例においては、運転者が目視する画像が、太陽光が映り込んだ画像となってしまうことを抑制すべく、液晶表示器１２の液晶表示画面を下方に傾けて設置するようにしてもよい。

Ｂ．変形例 ：
上述した実施例のＨＵＤ装置１０には、幾つかの変形例が存在する。以下では、これらの変形例について実施例との相違点に焦点を当てて説明する。尚、以下に説明する変形例においては、上述した実施例と同様の構成については同じ符号を付すこととして、詳細な説明は省略する。

上述した実施例では、画像の投影位置を変えると、画像全体の明暗が変化し、場合によっては、画像中に黒潰れや白浮きが生じたりする場合について説明した。これに対して、次のような視野角特性を有する液晶表示器１２を採用した場合は、画像の投影位置を変えた時の見え方は次のように変化する。

図７には、液晶表示器１２（ＴＮ型液晶）の上下方向の視野角特性の別例が示されている。通常であれば、各階調レベルに対する透過率は、高階調側から低階調側にいくにしたがって低くなる。ところが、図中にＡと付した範囲に示すように、高階調側の透過率が、低階調側の透過率よりも小さくなることがある。このような場合、画像中の高階調側に相当する部分（明部）と、低階調側に相当する部分（暗部）との明るさが逆になって表示されてしまい、いわゆる「反転」が生じることになる。

そこで、変形例１の階調補正部２２は、凹面鏡１６の角度に応じて、液晶表示器１２に表示される画像の階調の少なくとも一部（反転が生じる階調）を、階調の高低関係が逆転するような態様で補正する。図８には、階調の高低関係を逆転させるような態様で補正するための階調変換関数の特性が例示されている。図示されるように、図面上で右肩下がりの形状になっており、このような階調変換関数を用いて変換することによって、変換前の階調と変換後の階調との高低関係を逆転させることができる。このため、凹面鏡１６の角度を変更することによって、高階調側の階調レベルの透過率が低階調側の階調レベルの透過率より小さくなっても、本来の明部および暗部の明るさの関係を維持することができる。この結果、画像中に反転を生じる事態を回避することができ、運転者が目視する画像の見え方が変化して、目視しづらい画像となることを抑制することが可能となる。

１…車両、 ２…インストルメントパネル、
３…フロントウインドシールド、 １０…ヘッドアップディスプレイ装置、
１２…液晶表示器、 １４…光源、 １６…凹面鏡、
１８…アクチュエーター、 ２０…制御ユニット、
２１…角度変更部、 ２２…階調補正部

Claims (3)

1. 透明な投影部材に画像を投影することによって該画像を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記画像を表示する液晶表示部と、
   前記液晶表示部に光を投射する光源と、
   前記液晶表示部からの光を前記表示部材に向けて反射する反射鏡と、
   前記反射鏡の角度を変更する角度変更手段と、
   前記反射鏡の角度を検出して、該反射鏡の角度に応じて、前記液晶表示部に表示される前記画像の階調を補正する階調補正手段と
   を備えるヘッドアップディスプレイ装置。
2. 請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記階調補正手段は、前記液晶表示部に表示される前記画像の低階調側の階調を、該階調よりも高い階調に補正する手段であるヘッドアップディスプレイ装置。
3. 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であって、
   前記階調補正手段は、前記液晶表示部に表示される前記画像の高階調側の階調を、該階調よりも低い階調に補正する手段であるヘッドアップディスプレイ装置。

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