JP2016186509A - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

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Abstract

【課題】表示距離の異なる複数の虚像を表示することができるとともに、虚像を生成する表示器の設計の自由度を向上させるヘッドアップディスプレイを提供する。【解決手段】出射する第１の画像光Ｎ１の視認者までの光路長が長くなるように配置される第１の表示面１１と、出射する第２の画像光Ｎ２の光路長が第１の画像光Ｎ１よりも短くなるように配置される第２の表示面２１と、第１の画像光Ｎ１と第２の画像光Ｎ２を反射する第１の凹面反射部３０と、第１の凹面反射部３０が反射した画像光を反射する第２の凹面反射部４０と、を備え、第１の凹面反射部３０は、第１の凹面反射部３０と第２の凹面反射部４０との間で第１の画像光Ｎ１と第２の画像光Ｎ２とを鉛直方向で交差させる。【選択図】図１

Description

本発明は、画像を反射透過面に映して風景とともに画像を視認させるヘッドアップディスプレイに関するものである。
従来のヘッドアップディスプレイは、例えば、特許文献１に開示されるものがある。このようなヘッドアップディスプレイは、第１および第２の表示素子と反射型ホログラムとから構成されており、反射型ホログラムにより第１の表示素子の画像光を透過し、第２の表示素子の画像光を反射し、第１および第２の表示素子からの画像光を重複して透過反射面に向ける。第１，第２の表示素子は、視認者の眼までの距離（画像光が通る光路の長さ（光路長））が異なるように配置されるため、ユーザに表示距離の異なる複数の表示像（虚像）を視認させることができる。
なお、表示距離が異なる複数の虚像を視認させるヘッドアップディスプレイは、図２に示すような構成でも可能である。図２に示されるヘッドアップディスプレイは、第１の画像光１１１を出射する第１の表示器１１０と、第２の画像光１２１を出射する第２の表示器１２０と、第１の表示器１１０から出射された第１の画像光１１１と、第２の表示器１２０から出射された第２の画像光１２１とを反射する反射部１３０と、反射部１３０により反射された第１の画像光１１１と第２の画像光１２１とを拡大し、車両に搭載されるフロントウインドシールド２００に向ける凹面反射部１４０と、を有する。視認者は、フロントウインドシールド２００で視認者側に反射された第１の画像光１１１により第１の虚像３１０を視認でき、第１の画像光１１１が反射したフロントウインドシールド２００の位置よりも下側で反射された第２の画像光１２１により第１の虚像３１０よりも鉛直方向下側の位置に第２の虚像３２０を視認することができる。第２の表示器１２０は、光（第１の画像光１１１、第２の画像光１２１）の進行方向において、第１の表示器１１０よりも視認者に近い方に配置される。したがって、第２の表示器１２０から出射される第２の画像光１２１の光路長は、第１の表示器１１０から出射される第１の画像光１１０の光路長より短くなり、第２の画像光１２１により視認される第２の虚像３２０は、第１の画像光１１１により視認される第１の虚像３１０よりも視認者に近い位置に表示される。
特開２００３−２３７４１２号公報
しかしながら、図２に示されるヘッドアップディスプレイでは、表示距離の短い第２の虚像３２０を生成する第２の表示器（第２の表示器の表示面）１２０が、第１の表示器（第１の表示器の表示面）１１０よりも反射部１３０が反射する画像光（第１の画像光１１１）の光路に近い位置に配置されている。従って、第２の表示器（第２の表示器の表示面）１２０は、（１）光（第１の画像光１１１、第２の画像光１２１）の進行方向において、第１の表示器１１０よりも視認者に近い位置であり、かつ（２）第１の表示器１１０から反射部１３０に向かう第１の画像光１１１の光路と重ならない位置であり、かつ（３）反射部１３０が反射した第１の画像光１１１の光路と、重ならない位置である図２に示されるスペースＳ内に配置される必要があり、設計の自由度に制約が生じる。
そこで、本発明は、この問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、表示距離の異なる複数の虚像を表示することができるとともに、虚像を生成する表示器の設計の自由度を向上させたヘッドアップディスプレイを提供することである。
上記の課題を解決するため、本発明の第１の観点に係るヘッドアップディスプレイは、表示面に表示される表示画像の画像光を透過反射面に向けることで前記表示画像の虚像を視認者に視認させるヘッドアップディスプレイであって、前記表示面は、第１の画像光を出射し、前記視認者までの前記第１の画像光の光路長が長くなるように配置される第１の表示面と、第２の画像光を出射し、前記視認者までの前記第２の画像光の光路長が前記第１の画像光の光路長よりも短くなるように配置される第２の表示面と、を有し、凹状の反射面を有し、前記第１の画像光と前記第２の画像光とを反射する第１の凹面反射部と、前記第１の凹面反射部が反射した前記第１の画像光と前記第２の画像光とを前記透過反射面に向けて反射する第２の凹面反射部と、を備え、前記第１の凹面反射部は、前記第１の凹面反射部と前記第２の凹面反射部との間で前記第１の画像光と前記第２の画像光とを鉛直方向で交差させるものである。
また、第２の観点に係るヘッドアップディスプレイは、前記第２の表示面は、前記第１の凹面反射部が前記第２の凹面反射部に向けて反射する前記第１の画像光及び前記第２の画像光の光路から前記第１の表示面より離れて配置されるものである。
また、第３の観点に係るヘッドアップディスプレイは、前記第２の表示面により生成される虚像は、前記第１の表示面により生成される虚像より鉛直方向下側に視認されるものである。
また、第４の観点に係るヘッドアップディスプレイは、前記第１の表示面の少なくとも一部は、前記第１の凹面反射部における前記第２の表示面側の端部と前記第２の凹面反射部における前記第２の表示面側の端部とを結んだ線よりも前記第１の凹面反射部が前記第２の凹面反射部に向けて反射する前記第１の画像光及び前記第２の画像光の光路側に配置されるものである。
表示距離の異なる複数の虚像を表示することができるとともに、虚像を生成する表示器の設計の自由度を向上させることができる。
本発明の実施形態におけるヘッドアップディスプレイを示す概略図。 従来のヘッドアップディスプレイを示す概略図。
以下、図１を用いて、本発明のヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤと記載）の一実施形態を説明する。図１は、本実施形態のＨＵＤ１の構成の例を示す概略図である。以下の説明を容易にするために、図１に示されるように、実空間において、例えば、車両の前方を向いた左右方向をＸ軸（右方向がＸ軸正方向）に規定し、鉛直方向をＹ軸（鉛直方向上側がＹ軸正方向）に規定し、前後方向をＺ軸（前方向がＺ軸正方向）に規定する。また、図面を見やすくするため、後述する第１の表示面１１から出射される第１の画像光Ｎ１と、第２の表示面２１から出射される第２の画像光Ｎ２とは、図１に記載されている第１の表示面１１及び第２の表示面２１それぞれの端部から出射される画像光と、それぞれの中央から出射される画像光のみを記載してある。
ＨＵＤ１は、例えば自動車に搭載されるものであり、図１に示すように、第１の表示画像Ｍ１を表示する第１の表示面１１を有する第１の画像表示部１０と、第２の表示画像Ｍ２を表示する第２の表示面２１を有する第２の画像表示部２０と、第１の表示面１１から出射された第１の表示画像Ｍ１及び第２の表示面２１から出射された第２の表示画像Ｍ２とを反射する第１の凹面反射部３０と、第１の凹面反射部３０から入射した第１の画像光Ｎ１及び第２の画像光Ｎ２を車両のフロントウインドシールド（透過反射部の一例）２に向けて反射する第２の凹面反射部４０と、図示しない制御部と、を備える。
視認者は、フロントウインドシールド２で視認者側に反射された第１の画像光Ｎ１により第１の虚像Ｖ１を視認でき、第１の画像光Ｎ１が反射したフロントウインドシールド２の位置よりも下側で反射された第２の画像光Ｎ２により第１の虚像Ｖ１よりも鉛直方向下側の位置に第２の虚像Ｖ２を視認することができる。
第１の虚像Ｖ１は、例えば、第２の虚像Ｖ２よりも視認されるサイズが大きく、フロントウインドシールド２を介した実景前方における車線の一部を含む領域に重なる位置に配置される。第１の虚像Ｖ１として表示される画像は、例えば、車線に貼り付いたように表示され、車両の案内経路を示す矢印形状の案内画像や、先行車両に重畳するように表示され、先行車両の接近を報知する注意画像などである。
第２の虚像Ｖ２は、例えば、第１の虚像Ｖ１よりも縦方向及び横方向で視認されるサイズが小さく、第１の虚像Ｖ１が重なる車線よりも手前側に重なる位置に表示される。第２の虚像Ｖ２として表示される画像は、例えば、車速などの車両情報などである。
第１の画像表示部１０及び第２の画像表示部２０は、第１の表示面１１（第２の表示面２１）に第１の表示画像Ｍ１（第２の表示画像Ｍ２）を表示するものであり、例えば、液晶表示素子などの透過型表示パネルや、有機ＥＬ素子などの自発光表示パネルや、ＤＭＤやＬＣｏＳ（登録商標）などの反射型表示パネルや、レーザー光を走査する走査型表示装置などを適用することができる。第２の画像表示部２０第２の表示面２１は、第１の画像表示部１０の第１の表示面１１と比較し、後述する第１の凹面反射部３０が第２の凹面反射部４０に向けて反射する第１の画像光Ｎ１及び第２の画像光Ｎ２の光路から離れて配置される。なお、第１の画像表示部１０（第２の画像表示部２０）が、前記反射型表示パネルや前記走査型表示装置である場合、図１に示す第１の表示面１１（第２の表示面２１）の位置には、スクリーンが配置されることになる。なお、図１に示されている第１の表示面１１（第２の表示面２１）の位置では、スクリーンは透過型が現実的であるが、第１の表示面１１、第２の表示面２１、第１の凹面反射部３０、第２の凹面反射部４０の配置を変更することで反射型のスクリーンを適用することも可能である。第１の表示面１１（第２の表示面２１）に表示された第１の表示画像Ｍ１（第２の表示画像Ｍ２）は、第１の凹面反射部３０、第２の凹面反射部４０、フロントウインドシールド２を介して視認者の眼Ｅに到達する。したがって、第１の表示面１１（第２の表示面２１）に表示される第１の表示画像Ｍ１（第２の表示画像Ｍ２）は、第１の凹面反射部３０、第２の凹面反射部４０、フロントウインドシールド２の曲面により一部が変形して、第１の虚像Ｖ１（第２の虚像Ｖ２）として視認される。第１の虚像Ｖ１（第２の虚像Ｖ２）が歪みなく視認されるように、第１の画像表示部１０（第２の画像表示部２０）は、第１の表示面１１（第２の表示面２１）に予め歪ませた第１の表示画像Ｍ１（第２の表示画像Ｍ２）を表示しておく。また、表示距離が長い第１の虚像Ｖ１を生成する第１の表示面１１のサイズは、表示距離が短い第２の虚像Ｖ２を生成する第２の表示面２１のサイズよりも小さくてもよい。また、第１の表示面１１と第２の表示面２１とは、平行でなくてもよい。また、図１に示されている第１の表示面１１（第２の表示面２１）は、平面で示されているが、曲面を有していてもよい。
第１の凹面反射部３０は、反射面が凹状のミラーで構成され、具体的に例えば、実空間の鉛直方向（Ｙ軸方向）に対応する曲率が水平方向（Ｘ軸方向）に対応する曲率よりも小さくなるように形成される。第１の表示面１１から入射した第１の画像光Ｎ１の光路と、第２の表示面２１から入射した第２の画像光Ｎ２の光路と、を鉛直方向（Ｘ軸方向）で交差させてから第２の凹面反射部４０に入射させる。また、第１の凹面反射部３０は、第１の画像光Ｎ１及び第２の画像光Ｎ２を第１の凹面反射部３０と第２の凹面反射部４０との間で中間像として結像する機能を有する。第１の画像光Ｎ１及び第２の画像光Ｎ２の中間像の結像位置は、第２の凹面反射部４０とフロントウインドシールド（透過反射部）２との光学特性を合わせた仮想的な光学系の焦点距離より第２の凹面反射部４０側であり、かつ前記焦点距離付近とすることで、視認者に第１の表示面１１に表示された第１の表示画像Ｍ１と第２の表示面２１に表示された第２の表示画像Ｍ２とを高倍率で拡大した虚像を視認させることができる。なお、第１の凹面反射部３０は、第１の画像光Ｎ１及び第２の画像光Ｎ２を第１の凹面反射部３０と第２の凹面反射部４０との間で中間像として結像させなくてもよい。
第２の凹面反射部４０は、反射面が凹状の自由曲面ミラーで構成され、第１の凹面反射部３０から入射した第１の画像光Ｎ１の光路と、第２の画像光Ｎ２の光路と、を交差させずにフロントウインドシールド２に入射させる。なお、第２の凹面反射部４０は、第１の表示画像Ｍ１，第２の表示画像Ｍ２を拡大して第１の虚像Ｖ１，第２の虚像Ｖ２とする機能、第１の虚像Ｖ１，第２の虚像Ｖ２の歪を補正する機能、第１の虚像Ｖ１，第２の虚像Ｖ２の表示する機能のうち一つまたは複数の機能も備えていてもよい。なお、図１には、第２の凹面反射部４０が１つのみ図示してあるが、複数の凹面反射部で形成されていてもよい。また、第１の画像光Ｎ１を反射する領域と、第２の画像光Ｎ２を反射する領域とで分割されていてもよい。
すなわち、第１の表示面１１から出射された第１の画像光Ｎ１は、第１の凹面反射部３０により反射され、第２の凹面反射部４０における車両の前後方向後側に入射し、第２の凹面反射部４０で反射されてフロントウインドシールド２の鉛直方向上側に入射し、フロントウインドシールド２で反射されて視認者の眼Ｅに到達する。また、第２の表示面２１から出射された第２の画像光Ｎ２は、第１の凹面反射部３０により反射され、第２の凹面反射部４０における車両の前後方向前側に入射し、第２の凹面反射部４０で反射されてフロントウインドシールド２の鉛直方向下側に入射し、フロントウインドシールド２で反射されて視認者の眼Ｅに到達する。なお、第１の凹面反射部３０と第２の凹面反射部４０との間には、平面鏡、曲面鏡、自由曲面鏡などの反射型のリレー光学系や、曲面レンズ、自由曲面レンズなどの透過型，屈折型のリレー光学系や、ハーフミラーなどの半透過型のリレー光学系などを備えていてもよい。
また、第１の表示面１１の少なくとも一部は、第１の凹面反射部３０における第２の表示面２１側の端部と第２の凹面反射部４０における第２の表示面２１側の端部とを結んだ線Ｌよりも第１の凹面反射部３０が第２の凹面反射部４０に向けて反射する第１の画像光Ｎ１及び第２の画像光Ｎ２の光路側に配置されるものであり、光路をコンパクトにすることができ、ＨＵＤ１のサイズを小さく抑えることができる。
以上が、本実施形態におけるＨＵＤ１の説明であるが、本発明は上記実施形態及び図面によって限定されるものではない。これらに変更（構成要素の削除も含む）を加えることができるのはもちろんである。以下に変形例の一例を示す。
上記実施形態において、第１の画像表示部１０とこれとは別の第２の画像表示部２０とを設けた例を示したが、画像表示部として、前記反射型表示パネルや前記走査型表示装置を採用した場合、第１の表示面１１と第２の表示面２１とをそれぞれスクリーンとし、共通の前記反射型表示パネルや前記走査型表示装置からの投影光を第１の表示面１１、第２の表示面２１のそれぞれに投影するものであってもよい。
また、第１の表示面１１と第２の表示面２１は、別々ではなく連続して設けられてもよい。
１…ＨＵＤ（ヘッドアップディスプレイ）、２…フロントウインドシールド（透過反射部）、１０…第１の画像表示部、１１…第１の表示面、２０…第２の画像表示部、２１…第２の表示面、３０…第１の凹面反射部、４０…第２の凹面反射部、Ｍ１…第１の表示画像、Ｍ２…第２の表示画像、Ｎ１…第１の画像光、Ｎ２…第２の画像光、Ｖ１…第１の虚像、Ｖ２…第２の虚像

Claims (4)

  1. 表示面に表示される表示画像の画像光を透過反射面に向けることで前記表示画像の虚像を視認者に視認させるヘッドアップディスプレイであって、
    前記表示面は、第１の画像光を出射し、前記視認者までの前記第１の画像光の光路長が長くなるように配置される第１の表示面と、第２の画像光を出射し、前記視認者までの前記第２の画像光の光路長が前記第１の画像光の光路長よりも短くなるように配置される第２の表示面と、を有し、
    凹状の反射面を有し、前記第１の画像光と前記第２の画像光とを反射する第１の凹面反射部と、
    前記第１の凹面反射部が反射した前記第１の画像光と前記第２の画像光とを前記透過反射面に向けて反射する第２の凹面反射部と、を備え、
    前記第１の凹面反射部は、前記第１の凹面反射部と前記第２の凹面反射部との間で前記第１の画像光と前記第２の画像光とを鉛直方向で交差させる、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ。
  2. 前記第２の表示面は、前記第１の凹面反射部が前記第２の凹面反射部に向けて反射する前記第１の画像光及び前記第２の画像光の光路から前記第１の表示面より離れて配置される、
    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。
  3. 前記第２の表示面により生成される虚像は、前記第１の表示面により生成される虚像より鉛直方向下側に視認される、
    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。
  4. 前記第１の表示面の少なくとも一部は、前記第１の凹面反射部における前記第２の表示面側の端部と前記第２の凹面反射部における前記第２の表示面側の端部とを結んだ線よりも前記第１の凹面反射部が前記第２の凹面反射部に向けて反射する前記第１の画像光及び前記第２の画像光の光路側に配置される、
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ。
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