JP2015118223A

JP2015118223A - ヘッドアップディスプレイ装置

Info

Publication number: JP2015118223A
Application number: JP2013261146A
Authority: JP
Inventors: 直浩神谷; Naohiro Kamiya
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2015-06-25

Abstract

【課題】視野角を確保しつつ、計器等に対する突出部をなくし、大面積の表示器を搭載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】画像表示光を出射する出射機構２２と、操縦士の眼の前方に配置され、画像表示光を操縦士の眼に導くコンバイナ２１とを備えるヘッドアップディスプレイ装置２０であって、第一面６３ａと、第一面６３ａと対向する第二面６３ｂと、出射面６２と、入射面６１とを有し、入射面６１で出射機構３１からの画像表示光を反射させた後、第一面６３ａと第二面６３ｂとで画像表示光を設定方向へと反射させながら出射面６２に導き、出射面６２から画像表示光をコンバイナ２１に導くライトガイド６０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像を虚像として提供するヘッドアップディスプレイ装置に関し、例えば、小型固定翼航空機や、大型・小型を問わず民間航空機や、回転翼機の操縦士等に画像を提供するヘッドアップディスプレイ装置に関する。

回転翼機や航空機等の移動体では、操縦士に操縦情報やミッション情報等のシンボル画像を虚像として、外界に重畳して遠方表示することによって提供している。これにより、操縦士は正面に実角で表示内容（シンボル画像）を視認することができ、その結果、状況認識を向上させ、操縦行為の負担を軽減している。このように操縦士にシンボル画像を虚像として外界に重畳して遠方表示するために、数十年前からヘッドアップディスプレイ装置（以下、「ＨＵＤ装置」ともいう）が利用されている。

図６は、従来のＨＵＤ装置を備える航空機コックピット（操縦室）の概略構成を示す側面図である。なお、地面に水平な一方向をＸ方向（前後方向）とし、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向（左右方向）とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向（上下方向）とする。
航空機コックピット１０１は、操縦士Ｐが着席するための座席１２と、操縦士Ｐの頭部の周囲を囲む半球状のガラス製の風防１１と、操縦士Ｐの前方下方に配置された計器（図示せず）と、ＨＵＤ装置１２０とを備える。

計器は、複数の小型（例えば３０ｃｍ^２）の計器板からなり、例えば第一の計器板には緯度情報が表示され、第二の計器板には経度情報が表示され、第三の計器板には高度情報が表示されている。そして、これらの計器は、ＨＵＤ装置１２０の周囲等に配置される。

ＨＵＤ装置１２０は、操縦士Ｐの前方に配置されたコンバイナ２１と、操縦士Ｐの前方下方に配置された筐体１３０とを備え、筐体１３０内部には、シンボル画像を生成する超高輝度ＣＲＴ１３１とコリメーティングレンズ系（出射機構）１３２と折り返しミラー１３３とを備える。
コンバイナ２１は、ハーフミラー素材で構成された２枚の板状体２１ａ、２１ｂからなり、２枚の板状体２１ａ、２１ｂは、Ｚ方向に対して所定角度となるように配置されている。

このようなＨＵＤ装置１２０によれば、超高輝度ＣＲＴ１３１に表示されたシンボル画像は、コリメーティングレンズ系１３２と折り返しミラー１３３とを介して略平行光（遠方から到来する光束Ｌ_Ｏと等価）に変換され、コンバイナ２１の反射面で反射されてシンボル光Ｌ_Ｓとなり、操縦士Ｐに視認される。このとき、外界から到来する外景光Ｌ_Ｏも風防１１とコンバイナ２１とを透過して操縦士Ｐに視認されるが、遠方からの光であるため略平行光となり、操縦士Ｐからは双方とも眼Ｅの焦点調節を行うことなく同時に認識することができる。

ところで、上述したようなＨＵＤ装置１２０は、筐体１３０が大型であるため、小型化するべく研究がなされてきた。このような小型化を指向したＨＵＤ装置として、コンバイナ２１の反射面で画像表示光Ｌ_Ｓを反射させるのではなく、内部に画像表示光Ｌ_Ｓを通過させるライトガイド（導光器）を用いたものが開発されている。具体的には、ホログラムが形成されたライトガイドを用いたＨＵＤ装置（例えば特許文献１及び特許文献３参照）や、グレーティングが形成されたライトガイドを用いたＨＵＤ装置（例えば特許文献２参照）や、偏光選択性反射膜が形成されたライトガイドを用いたＨＵＤ装置（例えば特許文献４参照）等の技術が開示されている。

一方、身体に纏う形態の情報機器用の表示装置としては、眼鏡型ディスプレイが開発されている（例えば特許文献５参照）。図７は、観察者に装着される眼鏡型ディスプレイを示す外観図であり、図８はＸＹ平面における光路図である。
眼鏡型ディスプレイ１５０は、眼鏡に似た外観をしており、画像表示光Ｌ_Ｓを出射するユニット部Ｕと、ユニット部Ｕからの画像表示光Ｌ_Ｓを内部で反射させながら観察者の眼Ｅに導く基板であるライトガイド１６０と、ユニット部Ｕとライトガイド１６０とが取り付けられるフレーム部Ｆとを備える。
ユニット部Ｕは、液晶パネル１７１とコリメーティングレンズ系（出射機構）１７２とを備える。

ライトガイド１６０は、例えば、ガラス製の平板形状（例えば２０ｃｍ×３０ｃｍ×２ｃｍ）であって、一端部に形成されユニット部Ｕの前方に配置される全反射面１６１と、他端部に形成され観察者の眼Ｅの前方に配置される出射面１６２と、空気との界面によって全反射面１６１と出射面１６２との間に形成される側面群１６３とを有する。
側面群１６３は、Ｙ方向から見ると四角形状であり、第一面１６３ａと、第一面１６３ａとＸ方向で対向する第二面１６３ｂと、第三面（図示せず）と、第三面とＺ方向で対向する第四面（図示せず）とを有する。

出射面１６２は、平面形状の第一出射面１６２ａと、平面形状の第二出射面１６２ｂと、平面形状の第三出射面１６２ｃとを有する。そして、−Ｙ方向において順番に、第一出射面１６２ａ、第二出射面１６２ｂ、第三出射面１６２ｃとなるように配置されている。さらに、−Ｙ方向に対する第一出射面１６２ａの角度と、−Ｙ方向に対する第二出射面１６２ｂの角度と、−Ｙ方向に対する第三出射面１６２ｃの角度とは、Ｚ方向から見ると同じ角度α（例えば２４°）となるように配置されている。
そして、第一出射面１６２ａと第二出射面１６２ｂと第三出射面１６２ｃとは、反射率が１ではなく、入射した画像表示光Ｌ_Ｓの一部を反射するとともに、画像表示光Ｌ_Ｓの一部を透過することが可能なビームスプリッタ面となっている。

なお、このようなライトガイド１６０は、表面にハーフミラーコーティングを施した板材を重ねあわせ、斜め方向に削り出して板形状とする作製方法が一般的に用いられている。また、このようなライトガイド１６０の性能を決定するのは、出射面１６２ａ〜１６２ｃの互いの平行度や、削り出して製作した際の第一面１６３ａと第二面１６３ｂとの平行度であることが知られている。

このような眼鏡型ディスプレイ１５０によれば、液晶パネル１７１に表示されたシンボル画像は、コリメーティングレンズ系１７２を介して略平行光に変換され、ライトガイド１６０内に入射する。その後、全反射面１６１で反射された後に、第一面１６３ａと第二面１６３ｂとで全反射されながらジグザグに進む光束となる。光束は、各々の出射面１６２ａ〜１６２ｃに入射するたびに、その一部が反射され、第一面１６３ａに到達するときには、全反射条件を満たさないため平行光束として外部に取り出されて観察者に視認されるようになっている。

米国特許第４３０９０７０号米国特許第４７１１５１２号特表平７−５０２００１号公報米国特許出願公開第２０１２／０００２２５６号特表２００３−５３６１０２号公報

ところで、上述したような従来の航空機コックピット１０１に設けられる計器は、スペースの制約上、小型の計器板を複数配置するようにしていたが、近年は一つの表示面（大面積の表示パネル）とする、所謂「ビッグピクチャ」形態へ移行している。
そこで、「ビッグピクチャ」を備えた航空機コックピットにおいて、上述したようなライトガイド１６０を大型化して用いることにした。図３は、ライトガイドを用いたＨＵＤ装置を備える航空機コックピットの概略構成を示す側面図である。航空機コックピット２０１は、操縦士Ｐが着席するための座席１２と、操縦士Ｐの頭部の周囲を囲む半球状のガラス製の風防１１と、操縦士Ｐの前方下方に配置された表示パネル（計器）４０と、ＨＵＤ装置（図示せず）とを備える。

表示パネル４０は、大面積（例えば１０００ｃｍ^２）の表示面を有し、例えば緯度情報と経度情報と高度情報とが表示されている。そして、表示パネル４０は、筐体３０の後面壁に配置されている。なお、表示パネル４０は、水平面に対して略垂直となっている。

図３に示すように、風防１１と干渉しないようにライトガイド２６０を設置する必要があるため、ライトガイド２６０が表示パネル４０の位置よりも操縦士Ｐ側（−Ｘ方向）に所定距離、突き出していることがわかる。このように、ライトガイド２６０が表示パネル４０の位置よりも操縦士Ｐ側に突き出てしまうと、表示パネル４０からの画像表示光Ｌ_Ｍが操縦士Ｐの眼Ｅに導かれなくなるという問題点があった。

一方、ライトガイド３６０が表示パネル４０の位置よりも突き出ないようにすると、戦闘機のように、風防の水平面に対する角度が小さく、風防がパイロットの頭部に近接している機体においては、風防１１と干渉してしまうことになる。図４は、ライトガイド３６０を用いたＨＵＤ装置を備える航空機コックピットの概略構成を示す側面図である。
なお、ライトガイド３６０を風防１１に合わせて削った場合、操縦士Ｐからライトガイド３６０を見込む角θが、最大瞬時視野角（ＩＦＯＶ：Instantaneous Field Of View）を規定するため、ＩＦＯＶの減少につながる。

そこで、視野角θを確保しつつライトガイドの飛び出しを解消するために、ライトガイド４６０を傾斜させて配置することが考えられる。図５は、ライトガイド４６０を用いたＨＵＤ装置を備える航空機コックピットの概略構成を示す側面図である。
しかしながら、ライトガイド４６０を傾斜させて配置するためには、ライトガイド４６０内部の出射面の傾斜角αを浅くする必要があり、切り出し及び研磨の際の欠けを生じやすくなることから、ライトガイド４６０を製作することが著しく困難になるという問題点があった。

本件発明者は、上記課題を解決するために、「ビッグピクチャ」を備えた航空機コックピットにおいて用いるＨＵＤ装置について検討を行った結果、ライトガイドとコンバイナとの両方を利用することを見出した。

すなわち、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、画像表示光を出射する出射機構と、操縦士の眼の前方に配置され、前記画像表示光を操縦士の眼に導くコンバイナとを備えるヘッドアップディスプレイ装置であって、第一面と、当該第一面と対向する第二面と、出射面と、入射面とを有し、前記入射面で前記出射機構からの画像表示光を反射させた後、前記第一面と第二面とで画像表示光を設定方向へと反射させながら出射面に導き、前記出射面から画像表示光をコンバイナに導くライトガイドを備えるようにしている。

ここで、「設定方向」とは、設計者等によって予め決められた任意の一方向であり、例えば、前後方向等となる。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置によれば、出射機構から出射された画像表示光は、まずライトガイド内に入射する。その後、ライトガイド内の入射面で反射された後に、第一面と第二面とで全反射されながらジグザグに進む光束となる。光束は、出射面に入射すると、その一部が反射され、第一面に到達するときには、全反射条件を満たさないため平行光束として外部に取り出され、コンバイナに到達する。これにより、光束は、コンバイナの反射面で反射されてシンボル光となり、操縦士に視認されるようになっている。つまり、本発明のヘッドアップディスプレイ装置では、ライトガイドから画像表示光を直接操縦士の眼に導かないようにしている。

以上のように、本発明のヘッドアップディスプレイ装置によれば、従来型のヘッドアップディスプレイ装置と同等の視野角θを確保しつつ、計器等に対する突出部をなくすことができるため、大面積の表示器を搭載できるような省スペースを可能とする。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、前記ライトガイドは、前記コンバイナの下方に配置され、かつ、前記第一面及び第二面が、水平となるように配置されているようにしてもよい。
このような本発明のヘッドアップディスプレイ装置によれば、第一面と第二面が水平に配置されることで、ライトガイドの下部に空間が確保され、ライトガイドの下部に大面積の表示パネルを設置することができる。

また、本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、前記ライトガイドの出射面は、入射した画像表示光の光束の設定割合を反射するとともに、画像表示光の光束の設定割合を透過することが可能な複数の平面形状のビームスプリッタ面であり、前記ビームスプリッタ面は、互いに平行であり、かつ、前記第一面及び第二面に対して設定角度で傾斜しているようにしてもよい。

ここで、「設定割合」とは、設計者等によって予め決められた任意の割合であり、例えば、２０％等とし、表示画面の輝度を一様に保つために各々の反射率を互いに変化させるのが通例である。また、「設定角度」とは、設計者等によって予め決められた任意の角度であり、例えば、２４°等となる。

以上のように、本発明のヘッドアップディスプレイ装置によれば、ライトガイドを容易に操縦室に配置し、他の計器と干渉なく共存させて使用することができる。

本発明のＨＵＤ装置を備える航空機コックピットの概略構成を示す側面図。図１の要部拡大図。操縦士に近接したライトガイドを用いたＨＵＤ装置を備える航空機コックピットの概略構成を示す側面図。表示パネルに近接したライトガイドを用いたＨＵＤ装置を備える航空機コックピットの概略構成を示す側面図。傾斜したライトガイドを用いたＨＵＤ装置を備える航空機コックピットの概略構成を示す側面図。従来のＨＵＤ装置を備える航空機コックピットの概略構成を示す側面図。観察者に装着される眼鏡型ディスプレイを示す外観図。ＸＹ平面における光路図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような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で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

図１は、本発明に係るＨＵＤ装置を備える航空機コックピットの概略構成を示す側面図である。また、図２は、図１に符号Ａで示した部分の拡大図である。なお、先に述べた航空機コックピット１０１と同様のものについては、同じ符号を付している。
航空機コックピット１は、操縦士Ｐが着席するための座席１２と、操縦士Ｐの頭部の周囲を囲む半球状のガラス製の風防１１と、操縦士Ｐの前方下方に配置された表示パネル（計器）４０と、ＨＵＤ装置２０とを備える。

ＨＵＤ装置２０は、操縦士Ｐの前方に配置されたコンバイナ２１と、ライトガイド６０と、操縦士Ｐの前方下方に配置された筐体３０とを備え、筐体３０内部には、シンボル画像を生成する液晶パネル２２とコリメーティングレンズ系（出射機構）２３とを備える。

ライトガイド６０は、例えば、ガラス製の平板形状（例えば２０ｃｍ×３０ｃｍ×２ｃｍ）であって、一端部に形成された全反射面６１と、他端部に形成された出射面６２と、空気との界面によって全反射面６１と出射面６２との間に形成される側面群６３とを有する。
側面群６３は、Ｘ方向から見ると四角形状であり、第一面６３ａと、第一面６３ａとＺ方向で対向する第二面６３ｂと、第三面（図示せず）と、第三面とＹ方向で対向する第四面（図示せず）とを有する。

出射面６２は、平面形状の第一出射面６２ａと、平面形状の第二出射面６２ｂと、平面形状の第三出射面６２ｃとを有する。そして、−Ｘ方向において順番に、第一出射面６２ａと第二出射面６２ｂと第三出射面６２ｃとなるように配置されている。さらに、−Ｘ方向に対する第一出射面６２ａの角度と、−Ｘ方向に対する第二出射面６２ｂの角度と、−Ｘ方向に対する第三出射面６２ｃの角度とは、Ｙ方向から見ると同じ角度α（例えば２４°）となるように配置されている。
そして、第一出射面６２ａと第二出射面６２ｂと第三出射面６２ｃとは、反射率が１ではなく、入射した画像表示光Ｌ_Ｓの一部を反射するとともに、画像表示光Ｌ_Ｓの一部を透過することが可能なビームスプリッタ面となっている。

そして、このようなライトガイド６０は、第一面６３ａと第二面６３ｂとが水平面と平行となり、第一面６３ａが上面となるように配置されている。また、ライトガイド６０の一端部に形成された全反射面６１が液晶パネル２２の上方（−Ｚ方向）に配置されるとともに、他端部に形成された出射面６２がコンバイナ２１の下方（Ｚ方向）に配置されている。

このようなＨＵＤ装置２０によれば、液晶パネル２２に表示されたシンボル画像は、コリメーティングレンズ系２３を介して略平行光に変換され、ライトガイド６０内に入射する。その後、ライトガイド６０内の全反射面６１で反射された後に、第一面６３ａと第二面６３ｂとで全反射されながらジグザグに進む光束となる。光束は、各々の出射面６２ａ〜６２ｃに入射するたびに、その一部が反射され、第一面６３ａに到達するときには、全反射条件を満たさないため平行光束として外部に取り出され、コンバイナ２１に到達する。これにより、光束は、コンバイナ２１の反射面で反射されてシンボル光Ｌ_Ｓとなり、操縦士Ｐに視認されるようになっている。このとき、外界から到来する外景光Ｌ_Ｏも風防１１とコンバイナ２１とを透過して操縦士Ｐに視認されるが、遠方からの光であるため略平行光であり、操縦士Ｐからは双方とも眼Ｅの焦点調節を行うことなく同時に認識できる。
一方、表示パネル４０からの画像表示光Ｌ_Ｍは、ライトガイド６０に妨げられることなく操縦士Ｐの眼Ｅに導かれる。

以上のように、ＨＵＤ装置２０によれば、従来型のヘッドアップディスプレイ装置と同等の視野角θを確保しつつ、ライトガイド６０の下部に空間が確保されるので、ライトガイド６０の下部に大面積の表示パネル４０を設置することができ、所謂「ビッグピクチャ」形態とすることができる。また、ライトガイド６０を容易に航空機コックピット１に配置し、表示パネル４０と干渉なく共存させて使用することができる。

本発明は、画像を虚像として提供するヘッドアップディスプレイ装置に利用することができる。

２０：ヘッドアップディスプレイ装置
２１：コンバイナ
２２：液晶パネル（出射機構）
６０：ライトガイド
６１：全反射面（入射面）
６２：出射面
６３ａ：第一面
６３ｂ：第二面

Claims

画像表示光を出射する出射機構と、
操縦士の眼の前方に配置され、前記画像表示光を操縦士の眼に導くコンバイナとを備えるヘッドアップディスプレイ装置であって、
第一面と、当該第一面と対向する第二面と、出射面と、入射面とを有し、前記入射面で前記出射機構からの画像表示光を反射させた後、前記第一面と第二面とで画像表示光を設定方向へと反射させながら出射面に導き、前記出射面から画像表示光をコンバイナに導くライトガイドを備えることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
前記ライトガイドは、前記コンバイナの下方に配置され、かつ、
前記第一面及び第二面が、水平となるように配置されてい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。
前記ライトガイドの出射面は、入射した画像表示光の光束の設定割合を反射するとともに、画像表示光の光束の設定割合を透過することが可能な複数の平面形状のビームスプリッタ面であり、
前記ビームスプリッタ面は、互いに平行であり、かつ、前記第一面及び第二面に対して設定角度で傾斜していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。