JP2017026675A - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】運転者の視線や顔向きを検知する検出装置の精度を高く保持したまま、全体のシステムを小型化できるヘッドアップディスプレイを提供する。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ１００は、第１の画像として運転者１５０が視認する虚像１６０を生成するプロジェクタ１１０と、プロジェクタ１１０から出射した映像光を入射して中間像を形成し中間像を虚像光線として出射するスクリーン１２０と、スクリーン１２０より出射した虚像光線を拡大投写する虚像光学系１３０で構成される。虚像光学系１３０は、ダッシュボード１１の開口部１２より虚像光線１７０を出射し、ウィンドシールド１４０により反射することで、運転者１５０に結像する。これにより運転者１５０は、第２の画像である景色に重畳して、虚像１６０をウィンドシールド１４０越しに視認することが可能となる。【選択図】図２

Description

本開示は、自家用車などの車両に搭載されるヘッドアップディスプレイに関し、特に運転者の視線及び顔向きを精度よく検出するための構造に関する。

運転中の運転者の状態を検出するため、赤外光照明装置と赤外光撮像装置で構成される顔検出装置が知られている。一方、運転者の視界中に虚像表示にて情報を重畳することで、安全性と利便性を向上するヘッドアップディスプレイにおいて、重畳する情報をＡＲ（拡張現実）表示するために、運転者の視線や顔向きを検出し、その算出結果をコンテンツにフィードバックする提案がされている。

ここで、顔検出装置を備えるヘッドアップディスプレイとしては、例えば特許文献１に開示されるような、虚像を表示するミラーの背面に、赤外光照明装置と赤外光撮像装置を備える構成が提案されている。かかる構成では、可視域を反射して赤外光を透過するミラー部材を備え、検出用の赤外光をミラー背面より透過にて、画像を描画する画像光に合成、運転者へ照明を行う。撮像時には、運転者で反射する赤外光を照明時と反対の光路を経て、ミラー部材の背面に備える撮像用の赤外光カメラで検出する。

また、特許文献２では、撮像部のみをヘッドアップディスプレイの虚像光学系に一体化し、検出用の赤外光照明装置は別体として車室内に備える構成が開示されている。

特開２００８−１２６９８４号公報 特開２００９−１６３０８４号公報

本開示は、赤外光照射と撮像により、運転者の視線や顔向きを検知するヘッドアップディスプレイにおいて、検出装置の精度を高く保ったまま、全体のシステムの小型化を図ったヘッドアップディスプレイを提供する。

本開示は、コンバイナを有する移動体に搭載されるヘッドアップディスプレイであって、映像光を出射する投写映像光源装置と、投写映像光源装置から出射した映像光を入射して中間像を形成し、中間像を虚像光線として出射するスクリーンと、スクリーンより出射した虚像光線の光路を変更する光路変更部材と、光路変更部材で導かれる虚像光線を運転者に導くコンバイナと、赤外光を出射する赤外光照明装置と、赤外光によって照明される運転者の顔を撮像するイメージセンサとを備え、赤外光はスクリーンで拡散され、拡散した赤外光の光路が、投写映像光源装置から運転者までの光路と同じ光路上になるように赤外光照明装置が配置されている。

本開示によれば、赤外光照射と撮像により、運転者の視線や顔向きを検知するヘッドアップディスプレイにおいて、検出装置の精度を高く保ったまま、全体のシステムの小型化を図かることが可能となる。

本開示のヘッドアップディスプレイを搭載する車両の概略側面図 本開示の実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイの構成を示す図 本開示の投写映像光源装置の構成を示す図 本開示の運転者位置における光の照明状態を示す図 本開示の赤外光照明装置の構成を示す図 実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイの構成を示す図 実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイの構成を示す図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

また、以下、本開示の実施の形態に係るヘッドアップディスプレイの図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。

ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１のヘッドアップディスプレイ１００が搭載される移動体の一例である車両１０の断面図である。

ヘッドアップディスプレイ１００は、図１に示すようにダッシュボード１１の内部に配置される。

ヘッドアップディスプレイ１００は、出射される映像表示光である虚像光線１７０を、コンバイナとして機能するウィンドシールド１４０により反射させることで、虚像１６０として運転者１５０に視認させる映像表示装置である。

ウィンドシールド１４０は、背景の景色である第２の画像と、ヘッドアップディスプレイ１００から出射される映像光である第１の画像を重畳する役割を持つ半透過型の光学素子として機能する。この場合、第２の画像は運転者からウィンドシールド１４０を通して見える前方の景色であり、第１の画像はヘッドアップディスプレイ１００から出射して結像する虚像１６０であり、運転者１５０は、この前方の景色に虚像１６０が重畳して重なった映像を視認する。

本開示の実施の形態では、コンバイナは車両１０のウィンドシールド１４０であるが、ハーフミラーなどの、ウィンドシールド１４０とは独立して配置されるものでもよい。
（全体構成）
図２は、本開示の実施の形態１に係るヘッドアップディスプレイ１００の構成を示す図である。

ヘッドアップディスプレイ１００は、第１の画像として運転者１５０が視認する虚像１６０を生成する投写映像光源装置であるプロジェクタ１１０と、プロジェクタ１１０から出射した映像光を入射して中間像を形成し中間像を虚像光線として出射するスクリーン１２０と、スクリーン１２０より出射した虚像光線を拡大投写する１つ以上の光学部品で構成される虚像光学系１３０とで構成される。本実施の形態における虚像光学系１３０は平面ミラー１３０Ａと凹面ミラー１３０Ｂで構成する拡大光学系であり、これら平面ミラー１３０Ａと凹面ミラー１３０Ｂは、光路変更部材の一例である。また、プロジェクタ１１０から出射される映像光、及び虚像光の光路は、図１、及び図２において点線で示す。

虚像光学系１３０は、ヘッドアップディスプレイ１００の収容筐体であるダッシュボード１１（図１参照）の開口部１２より虚像光線１７０を出射し、コンバイナであるウィンドシールド１４０により反射することで、運転者１５０に結像する。これにより運転者１５０は、第２の画像である景色に重畳して、虚像１６０をウィンドシールド１４０越しに視認することが可能となる。なお、運転者１５０の着座位置差に起因する座高位置調整のため、虚像光学系１３０に備える凹面ミラー１３０Ｂは回転可能な機構を有する。凹面ミラー１３０Ｂを回転することでウィンドシールド１４０における反射位置を変更し、運転者１５０に結像する高さを調整することが可能となる。

また、運転者１５０の顔を検出する装置を備えており、検出光である赤外光を出射する赤外光照明装置２１０をスクリーン１２０の入射側に備える。赤外光照明装置２１０から出射する赤外光（赤外光の光路を破線で示す）は、映像光のスクリーン１２０に到達するまでの光路上に備える赤外光反射ミラー２２０によって、映像光と同一光路に合成される。ここで、赤外光が映像光と同じ光路（または、同一光路上）にあるとは、必ずしも赤外光と映像光の光軸が一致する必要はなく、赤外光の光束と映像光の光束とが一部重なった状態を含む。このことは他の実施の形態でも同様である。

赤外光で照明された運転者１５０は、別途備えるイメージセンサの一例である赤外光カメラ１８０によって顔が撮影されて、図示しない画像処理回路にて運転者１５０の顔の向きや視線を算出し、例えば虚像１６０の表示位置補正や画面位置調整に反映される。
（プロジェクタ）
図３は、本開示のプロジェクタ１１０の内部構成の一例を示す図である。

プロジェクタ１１０は、赤色光Ｒと緑色光Ｇと青色光Ｂの各色光を出射する、赤色ＬＥＤ光源１１２Ｒ、緑色ＬＥＤ光源１１２Ｇ、青色ＬＥＤ光源１１２Ｂを備える。各ＬＥＤ光源の出射側には、ＬＥＤ光源出射光を略平行光化するコリメータレンズ１１３Ｒ、１１３Ｇ、１１３Ｂが設けられる。各色光を同一光路上に合成するため、ミラー１１４Ｂ及びダイクロイックミラー１１４Ｇ、１１４Ｒで構成される合成装置１１４が設けられる。

合成装置１１４で得られた合成光を画像変調素子であるＤＭＤ１１６に均一に照明するため、レンズ１１５Ａ、ロッドインテグレータ１１５Ｂ、レンズ１１５Ｃ、ミラー１１５Ｄによって照明光学系１１５が構成される。ＤＭＤ１１６で入力画像情報に応じて変調された映像光は投写光として、投写レンズ１１８によって投写面上に拡大投写される。赤色ＬＥＤ光源１１２Ｒ、緑色ＬＥＤ光源１１２Ｇ、青色ＬＥＤ光源１１２Ｂ、及びＤＭＤ１１６は、それぞれヒートシンク１１１及びヒートシンク１１７により発熱が冷却される。

プロジェクタ１１０を出射した映像光は、ミラー１１９で反射して、透過型の拡散板で構成されるスクリーン１２０に中間像を形成する。スクリーン１２０に結像した光は、スクリーン１２０の有する拡散効果により拡散されてスクリーン１２０の出射側より出射し、虚像光学系１３０にて拡大投写されて、図４に示すアイボックス１５１内で結像する。

なお、映像光を生成する投写映像光源装置は、図２に開示のプロジェクタ方式に限らず、画像変調素子として液晶パネルを用いるものや、レーザー光源を用いる光源方式や、レーザー光源を走査により画像を描画する方式でもよい。一例として、各色カラーフィルタを備えた液晶パネルを使用する場合であれば、白色を出射する白色ＬＥＤと、白色ＬＥＤを均一に照明する拡散板と、入出射の偏光板を有する液晶パネルとを備え、出射偏光板の近接する位置にスクリーンとして透過型の拡散板を備える。
（運転者位置における照明状態）
図４を用いて、運転者位置における照明状態を説明する。

アイボックス１５１は、運転者１５０がスクリーン１２０上にある中間像の全画面を視認できる範囲を示す。スクリーン１２０上の中間像の各点で拡散した光は、虚像光学系１３０とウィンドシールド１４０により、運転者１５０の位置に拡散される。例えば、スクリーン１２０の中心点で拡散した映像光は、運転者位置では拡散結像範囲１５４の破線で示す範囲に結像し、一方、スクリーン１２０の１つの角で拡散した映像光は、運転者位置では、拡散結像範囲１５５の破線で示す範囲に結像する。アイボックス１５１は、これらスクリーン１２０上のすべての点より算出される拡散結像範囲が重なる領域であり、スクリーン１２０の拡散角度が大きくなるとアイボックス１５１の運転者１５０の位置におけるサイズは拡大し、拡散角度が小さくなると縮小する。

また、運転者１５０の着座位置（高さ）に起因する座高位置調整を行う場合では、例えば着座位置が高い場合には、すべての虚像光線が運転者１５０位置にて垂直上方に移動するように虚像光学系１３０の凹面ミラー１３０Ｂが回転し、拡散結像範囲もそれと共に移動するため、アイボックス１５１は座高上位置におけるアイボックス１５２位置となる。反対に、着座位置が低い場合には、座高下位置におけるアイボックス１５３位置となる。
（赤外光照明装置、赤外光カメラ）
図５に、本開示の赤外光照明装置２１０の内部構成の一例を示す。

赤外光照明装置２１０は、赤外光（ＩＲ）を発光するＩＲＬＥＤ光源２１２と、ＩＲＬＥＤ光源２１２を出射する赤外光を略平行光化するコリメートレンズ２１３とで構成され、ＩＲＬＥＤ光源２１２はヒートシンク２１１で冷却される。

なお、赤外光を生成する赤外光照明装置は、図５に開示するＩＲＬＥＤ光源２１２に限らず、赤外光を出射するレーザー光源を用いる方法でもよい。

赤外光照明装置２１０を出射する検出照明光である赤外光は、赤外光反射ミラー２２０によって、映像光と同一光路に合成されて、映像光とともにスクリーン１２０を照明する。また、透過型の拡散板であるスクリーン１２０を透過する赤外光は、映像光とともに虚像光学系１３０に入射し、ウィンドシールド１４０での反射を介して、運転者１５０を照明する。

スクリーン１２０を照明する赤外光は、スクリーンの中心を含む領域を照明し、中間像の画素より大きいことが好ましい。スクリーン１２０を出射する赤外光は、スクリーン１２０の中心を出射する映像光の主光線と略同一の光路に重畳されて、運転者１５０を照明する。

例えば図４において、スクリーン１２０の中心に表示される一画素相当のφＸの画像が虚像として観察される結像範囲を拡散結像範囲１５４であるとすると、スクリーン１２０における赤外光の照明サイズがφＸの１．１倍である場合には、運転者１５０位置における赤外光の照明範囲は、拡散結像範囲１５４の約１．１倍の面積を有する二点鎖線で示す拡散照明範囲１５６となる。
（赤外光カメラの設置位置）
イメージセンサの一例である赤外光カメラ１８０は、ヘッドアップディスプレイ１００の筐体外に備えられることが望ましい。また、撮像系の光軸は、虚像系の光軸と異なることが望ましい。具体的には、赤外光カメラ１８０の光軸Ａは、スクリーン１２０から出射する虚像光線の光路と一致しないようにする。さらに、赤外光カメラ１８０による顔座標の検出精度を高くするためには、赤外光カメラ１８０と運転者１５０が着座する位置との相対関係が固定されていることが好ましい。例えば、ダッシュボード１１やステアリングコラム１３のように、運転者１５０の顔が十分に観察できて、かつ、車室内で固定されている場所が好ましい。
（効果）
検出用赤外光を映像光とともに、中間像を拡散するスクリーン１２０を介して運転者１５０に照明することで、赤外光照明装置２１０の照明範囲を小さくすることが可能となり、構成を単純化、小型化することが可能となる。

また、検出用赤外光を、虚像光学系１３０を介して運転者１５０に照明することで、運転者１５０への赤外光照明が虚像表示の座高調整に追随可能となり、検出用赤外光で照明するべき範囲を狭くすることが可能となり、赤外光の利用効率が改善し、光源の低出力化による小型化が可能となる。
［実施の形態２］
図６は、本開示の実施の形態２に係るヘッドアップディスプレイ１０１の構成を示す図である。以下においては、実施の形態１に対する相違点について、主として説明する。

実施の形態１では、顔検出用の赤外光は、スクリーン１２０を透過して拡散されたのち、運転者１５０に導かれる。これに対し、本開示の実施の形態２では、赤外光を反射するスクリーン１２１を有し、顔検出用の赤外光は、スクリーン１２１を反射して拡散されたのち、運転者１５０に導かれる。
（全体構成）
ヘッドアップディスプレイ１０１は、プロジェクタ１１０から出射した映像光（図６中で映像光の光路を点線で示す）を入射して中間像を形成し中間像を虚像光線として出射するスクリーンとして、赤外光（図６中で赤外光の光路を破線で示す）を反射して拡散するスクリーン１２１を備える。例えばスクリーン１２１は、映像光を透過する一方、顔検出光である赤外光を反射するコーティングがなされた拡散板である。

運転者１５０の顔検出手段として、検出光を出射する赤外光照明装置２１０をスクリーン１２１に対してプロジェクタ１１０と反対側に備える。赤外光照明装置２１０を出射する赤外光は、スクリーン１２１を出射する虚像光の中心主光線に対して、スクリーン１２１の法線３００（一点鎖線で示す）を挟んで対称となるように、スクリーン１２１に対する赤外光の主光線の入射角度３０１と虚像光の中心主光線の出射角度である反射角度３０２が等しくなるように配置される。スクリーン１２１で虚像光と同一光路となるよう、反射し拡散された赤外光は、虚像光学系１３０により虚像光とともに運転者１５０に導かれる。
（効果）
検出用の赤外光をスクリーン１２１に対して反射して虚像光に重ねることで、スクリーン１２１以前の光学構成を小型化することが可能となる。例えばカラーフィルタを備える液晶パネルを投写映像光源装置とする場合において、ヘッドアップディスプレイの小型化、薄型化を実現する。
［実施の形態３］
図７は、本開示の実施の形態３に係るヘッドアップディスプレイの構成を示す図である。以下においては、実施の形態１に対する相違点について、主として説明する。

実施の形態１では、赤外光照明装置２１０はプロジェクタ１１０と別体として、プロジェクタ１１０の投写映像光の光路中に、赤外光反射ミラー２２０によって赤外光が同一光路に合成されるようにした。これに対し、本開示の実施の形態３では、赤外光照明装置である赤外光を発光する赤外ＬＥＤ光源を内部に備え、投写光に映像光に加え、赤外光を出射するプロジェクタ２３０を備える。
（全体構成）
ヘッドアップディスプレイ１０２は、プロジェクタ２３０から出射した映像光を入射して中間像を形成し、中間像を虚像光線として出射するスクリーン１２０を備えてなる（図７で映像光と虚像光の光路を点線で示す）。プロジェクタ２３０は、投写映像光を構成する各色ＬＥＤ光源に加えて、第４の光源として赤外光ＬＥＤを備え、投写映像光とともにＬＥＤからの赤外光（図７で赤外光の光路を破線で示す）によって、スクリーン１２０に中間像を形成する。第４の光源である赤外光ＬＥＤは、例えば、投写映像光を発光する各色ＬＥＤと時間順次に点灯する。
（効果）
赤外光照明装置である赤外光ＬＥＤをプロジェクタの内部に配備することによって、ヘッドアップディスプレイの更なる小型化が図れる。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、車両に使用されるヘッドアップディスプレイに適用可能である。

１０ 車両
１１ ダッシュボード
１３ ステアリングコラム
１００、１０１、１０２ ヘッドアップディスプレイ
１１０、２３０ プロジェクタ
１１１、１１７、２１１ ヒートシンク
１１２、２１２ ＬＥＤ光源
１１３、１１５Ａ、１１５Ｃ レンズ
１１４Ｂ、１１９ ミラー
１１４Ｇ、１１４Ｒ ダイクロイックミラー
１１５Ｂ ロッドインテグレータ
１１５Ｄ ミラー
１１６ ＤＭＤ
１１８ 投写レンズ
１２０、１２１ スクリーン
１３０ 虚像光学系
１４０ ウィンドシールド
１５０ 運転者
１５１、１５２、１５３ アイボックス
１５４、１５５ 拡散結像範囲
１５６ 拡散照明範囲
１６０ 虚像
１８０ 赤外光カメラ
２１０ 赤外光照明装置
２１３ コリメートレンズ

Claims (5)

1. 虚像光線をコンバイナによって運転者に導くヘッドアップディスプレイであって、
   映像光を出射する投写映像光源装置と、
   前記投写映像光源装置から出射した映像光を入射して中間像を形成し、前記中間像を虚像光線として出射するスクリーンと、
   前記スクリーンより出射した虚像光線の光路を変更し、この虚像光線を前記コンバイナに導く光路変更部材と、
   赤外光を出射する赤外光照明装置と、
   前記赤外光によって照明される前記運転者の顔を撮像するイメージセンサと、
   を備え、
   前記赤外光は前記スクリーンで拡散され、前記拡散した赤外光の光路が、前記投写映像光源装置から前記運転者までの光路と同じ光路上になるように前記赤外光照明装置が配置された、ヘッドアップディスプレイ。
2. 前記投写映像光源装置から出射される映像光の光路上に赤外光反射部材を有し、
   前記スクリーンは前記投写映像光源装置から出射した映像光が一方の面に入射して中間像を形成し、他方の面から虚像光線を出射する透過型スクリーンであり、
   前記赤外光反射部材は、前記赤外光照明装置を出射する赤外光を前記映像光と同一光路に重畳し、前記スクリーンを照明するよう配置された、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
3. 前記スクリーンは前記赤外光を反射する反射手段を有し、
   前記赤外光照明装置の出射光は前記中間像を出射する虚像光線の中心主光線角度と法線対象になるように配置され、前記スクリーンを照明する、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
4. 前記投写映像光源装置からの投写光に、前記映像光に加え、前記赤外光が含まれるように前記赤外光照明装置が、前記投写映像光源装置内に配備された、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 前記イメージセンサの光軸は、前記スクリーンから出射する前記虚像光線の光路と一致しない、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。