JP2017044858A - ヘッドアップディスプレイ装置、及び反射光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽光による表示器のダメージを低減しつつ、色度の変化を抑制する技術の提供。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置１は、照明光学系２２と、結像光学系１０と、反射光学系３４とを備える。照明光学系２２は、情報を表す光源光を投射する。結像光学系１０は、照明光学系２２により投射された光源光が投影面に投影される。反射光学系３４は、赤外線領域の電磁波を透過し可視光領域の電磁波を反射する誘電体多層膜を有す。反射光学系３４は、照明光学系２２からの光源光における少なくとも一部の波長を含む対象波長の位相差が、−π／２［ｒａｄ］より大きくπ／２［ｒａｄ］より小さい範囲となるように構成される。反射光学系３４は、照明光学系２２から結像光学系１０までの光源光の経路上に、照明光学系２２からの光源光の偏光軸αが入射面に対して０度＜α＜９０度＜α＜１８０度となるように配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、移動体に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置、及びヘッドアップディスプレイ装置に用いられる反射光学系に関する。

従来、移動体に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置（以下、「ＨＵＤ」と称す）が知られている（特許文献１参照）。ＨＵＤは、情報を表す光源光を投射する表示器と、その表示器から投射された光源光を移動体に設けられた投影面に投影することにより、光源光を虚像として投影させる結像光学系とを備えている。

特開２０１４−１９１３２１号公報

ところで、ＨＵＤにおいては、外部からの太陽光に含まれる赤外線が表示器へと入射し、熱によって表示器がダメージを受ける可能性がある。
この太陽光による表示器のダメージを低減するために、ＨＵＤにおいて、表示器から結像光学系への光源光の経路上に反射光学系を配置することが考えられる。ここで言う反射光学系とは、赤外線領域の光を透過し可視光領域の光を反射する誘電体多層膜を有したコールドミラーである。

しかしながら、コールドミラーの誘電体多層膜は、屈折率が異なる薄膜が積層されているため、表示器からの光源光がコールドミラーで反射されると、ｓ波とｐ波との間に位相差が生じ楕円偏光となる。

この楕円偏光となった光源光が、波長によって反射率が異なる結像光学系の投影面に投影されると、表示器から照射された光源光に対して色度が変化するという課題が生じる。
つまり、従来の技術では、太陽光による表示器のダメージを低減しつつ、色度の変化を抑制することが困難であった。

そこで、本発明の一側面は、太陽光による表示器のダメージを低減しつつ、色度の変化を抑制する技術の提供を目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明の一態様は、移動体に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置（１）である。
このヘッドアップディスプレイ装置は、照明光学系（２２）と、結像光学系（１０）と、反射光学系（３４）とを備える。

照明光学系は、情報を表す光源光を投射する。結像光学系は、照明光学係により投射された光源光が投影面に投影される。
反射光学系は、赤外線領域の電磁波を透過し可視光領域の電磁波を反射する誘電体多層膜を有している。そして、反射光学系は、照明光学系から結像光学系までの光源光の経路上に、照明光学系の偏光軸が入射面に対して０度より大きく９０度よりも小さく、または、９０度より大きく１８０度よりも小さくなるように配置されている。

このようなヘッドアップディスプレイ装置においては、照明光学系から結像光学系への光源光の経路上に反射光学系を配置している。このため、ヘッドアップディスプレイ装置によれば、外部からの太陽光に含まれる赤外線が、照明光学系へと到達することを抑制でき、太陽光による表示器のダメージを低減できる。

さらに、反射光学系においては、照明光学系からの光源光における少なくとも一部の波長を含む対象波長の位相差が、−π／２［ｒａｄ］より大きくπ／２［ｒａｄ］未満の範囲となるように構成されている。

これは、対象波長の位相差を、−π／２［ｒａｄ］より大きくπ／２［ｒａｄ］未満の範囲とすることで、結像光学系で反射される光源光の波長分散を抑制できるという、発明者らが鋭意研究を行った結果得られた知見に基づくものである。

すなわち、ヘッドアップディスプレイ装置によれば、結像光学系に投影された光において色度が変化することを抑制できる。
換言すると、ヘッドアップディスプレイ装置によれば、太陽光による表示器のダメージを低減しつつ、結像光学系に投影された光源光における色度の変化を抑制できる。

本発明の１つの態様は、ヘッドアップディスプレイ装置に用いられる反射光学系であってもよい。
なお、「特許請求の範囲」及び「課題を解決するための手段」の欄に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成を示す説明図である。 反射光学系の特性を決定する方法を説明するグラフであり、評価スペクトルを示すグラフである。 反射光学系の特性を決定する方法を説明するグラフであり、バックライトからの光源光のスペクトルを示すグラフである。 反射光学系の特性を決定する方法を説明するグラフであり、ＣＩＥ ＸＹＺ等色関数を示すグラフである。 照明光学系と反射光学系との位置関係を説明する説明図である。 実施形態の効果を説明するグラフである。 対象波長の変形例を説明するグラフである。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
＜ヘッドアップディスプレイ装置＞
図１に示すヘッドアップディスプレイ装置１は、移動体としての自動車に搭載される装置である。以下、ヘッドアップディスプレイ装置１を、ＨＵＤ（ｈｅａｄｕｐ ｄｉｓｐｌｙ））と称す。

ＨＵＤ１は、結像光学系１０と、発光ユニット２０と、凹面鏡３２と、反射光学系３４と、ケーシング５０とを備えている。
結像光学系１０は、情報が投影される投影面１２を有した部材であり、発光ユニット２０により投射された光源光を虚像として投影させる。本実施形態における結像光学系１０は、自動車のウインドシールドである。このウインドシールドの車室内側の面が投影面１２として機能する。投影面１２は、波長によって反射率が異なる。

なお、結像光学系１０は、ウインドシールドに限るものではなく、ウインドシールドよりも運転席側に配置された透明のスクリーン（いわゆるコンバイナ）であってもよい。
ＨＵＤ１は、運転者が運転中に情報を視認する表示装置（ドライバ専用の表示装置）である。ＨＵＤ１は、自動車のウインドシールド（フロントガラス）における運転者の前方位置を通して視認される車両外部の景色（ドライバの前方視野）に重畳して画像を表示する。ＨＵＤ１により表示される画像は、ウインドシールドよりも更に前方の虚像面で視認される。

ケーシング５０は、発光ユニット２０と、凹面鏡３２と、反射光学系３４とを収納するケースである。この発光ユニット２０と凹面鏡３２と反射光学系３４とを収納したケーシング５０は、自動車のダッシュボード内に配置される。

なお、ケーシング５０には、発光ユニット２０からの光源光が結像光学系１０に到達するように、光源光の経路上に開口が形成されている。さらに、ケーシング５０には、開口を覆うカバーである防塵カバー５２が取り付けられる。

発光ユニット２０は、照明光学系２２と、波長板２４とを備えている。
照明光学系２２は、運転者が視認すべき各種情報を表す光源光を照射する装置である。本実施形態における照明光学系２２は、バックライトからの光を液晶パネル、カラーフィルタ及び偏光フィルタを通過させることで直線偏光された光源光を照射する周知の液晶ディスプレイである。

なお、ここで言う直線偏光とは、全液晶画素において同軸方向の偏光軸を有する状態へと偏光されたことである。また、ここで言う同軸方向とは、各液晶画素における偏光軸の角度差が「０」または「０」とみなせる許容範囲内であることである。

なお、ここで言う光源光とは、運転者が視認すべき情報を表す光である。また、光源光は、バックライトにて発光され、直線偏光された光である。
波長板２４は、照明光学系２２から反射光学系３４までの光源光の経路上に配置されている。波長板２４は、照明光学系２２から照射された光源光の直交する偏光成分に位相差を生じさせる周知の部材である。本実施形態において、直交する偏光成分とは、ｓ波とｐ波とである。

また、波長板２４は、照明光学系２２からの光源光の偏光軸が、反射光学系３４の入射面に対して０度よりも大きく９０度未満、または、９０度より大きく１８０度未満となるように決定されている。

凹面鏡３２は、平行に入射した光を焦点に集める周知の光学部材である。この凹面鏡３２は、反射した光源光を結像光学系１０へと導くように、反射光学系３４から結像光学系１０への光の経路上に配置されている。
＜反射光学系＞
反射光学系３４は、赤外線領域の電磁波を透過し可視光領域の電磁波を反射する誘電体多層膜を有した光学部材、いわゆるコールドミラーである。反射光学系３４の誘電体多層膜は、屈折率の異なる誘電体膜を交互に積み重ねることで形成されている。

なお、ここで言う赤外線領域とは、可視光線の赤色よりも波長が長く、電波よりも波長が短い波長の領域である。赤外線領域の一例として、７５０［ｎｍ］から１０００［μｍ］の波長領域が考えられる。また、ここで言う可視光領域とは、紫外線の波長よりも波長が長く、赤外線の波長よりも短い波長の領域である。可視光領域の一例として、３５０［ｎｍ］から７５０［ｎｍ］の波長領域が考えられる。

反射光学系３４の誘電体多層膜は、対象波長の位相差が、−π／２［ｒａｄ］よりも大きくπ／２［ｒａｄ］未満の範囲となるように構成されている。本開示における対象波長とは、照明光学系２２からの光源光における少なくとも一部の波長を含む単波長または波長領域である。また、対象波長の位相差とは、対象波長において直交する偏光成分（即ち、ｓ波とｐ波と）の間の位相差である。

なお、対象波長の位相差が−π／２［ｒａｄ］よりも大きくπ／２［ｒａｄ］未満の範囲となる反射光学系３４を実現する方法の一例として、誘電体多層膜を構成する少なくとも１つの膜の厚さや、誘電体多層膜全体の膜の厚さを調整することが考えられる。対象波長の位相差が−π／２［ｒａｄ］よりも大きくπ／２［ｒａｄ］未満の範囲となる反射光学系３４を実現する方法の一例として、屈折率の異なる誘電体膜それぞれの膜の厚さを調整することや、誘電体多層膜を構成する膜の材料などを調整することが考えられる。ここで言う調整には、実験やシミュレーションなどによって最適解を決定することを含む。

本実施形態における対象波長とは、照明光学系２２から入射した光源光のスペクトルにおいて、赤色、青色、及び緑色の波長領域を包含する波長領域である。具体的に、本実施形態における対象波長の波長領域λｃは、下記（１）式に従って求めればよい。

（１）式におけるλａｌｌは、図２に示すような評価スペクトルの全波長領域である。すなわち、（１）式における分母（以下、「強度総和」とも称す）は、評価スペクトルにおけるスペクトル強度の総和である。

この評価スペクトルとは、図３に示すようなバックライトからの光のスペクトルＬ（λ）に、図４に示すような等色関数Ｘ（λ），Ｙ（λ），Ｚ（λ）を掛け合わせたスペクトルである。なお、ここで言う等色関数とは、周知の、ＣＩＥ ＸＹＺ等色関数である。

また、（１）式における波長領域λｃは、下記（２）式を満たす波長λ_Ｔの集合である。

なお、（２）式における符号Ｉ_Ｔは、スペクトルの相対強度の閾値として予め規定された規定閾値である。

つまり、本実施形態においては、評価スペクトルにおいてスペクトルの相対強度が閾値Ｉ_Ｔ以上であり、かつ、評価スペクトルの強度総和に対するスペクトル強度の割合が、予め規定された規定値Ｉ_ｔｈよりも大きいスペクトルの集合からなる波長領域を対象波長の波長領域λｃとすればよい。なお、規定値Ｉ_ｔｈは、実験やシミュレーションなどの結果に従って予め決定された閾値である。

反射光学系３４の配置位置は、照明光学系２２から結像光学系１０までの光源光の経路上である。反射光学系３４は、図５に示すように、波長板２４を通過した光源光の偏光軸（図５中：α）が入射面に対して０度より大きく９０度よりも小さく、または、９０度より大きく１８０度よりも小さくなるように配置されている。すなわち、光源光の偏光軸αが、入射面に対して０度＜α＜９０度＜α＜１８０度を満たすように、反射光学系３４は配置されている。
［実施形態の効果］
以上説明したように、ヘッドアップディスプレイ装置１では、照明光学系２２から結像光学系１０への光源光の経路上に反射光学系３４が配置されている。

このため、外部からの太陽光に含まれる赤外線は、反射光学系３４で反射されることなく通過する。よって、ヘッドアップディスプレイ装置１によれば、太陽光に含まれる赤外線が照明光学系２２へと到達することを抑制でき、太陽光に含まれる赤外線による照明光学系２２のダメージを低減できる。

さらに、ヘッドアップディスプレイ装置１における反射光学系３４は、照明光学系２２からの光源光において、対象波長の位相差が、−π／２［ｒａｄ］よりも大きくπ／２［ｒａｄ］未満の範囲となるように構成されている。

これは、対象波長の位相差を、−π／２［ｒａｄ］より大きくπ／２［ｒａｄ］未満の範囲とすることで、結像光学系１０で反射される光源光の波長分散を抑制できるという、発明者らが鋭意研究を重ねた結果として得られた知見に基づくものである。

つまり、この知見は、図６に示すように、反射光学系３４において、対象波長の位相差を、−π／２［ｒａｄ］（即ち、−９０［ｄｅｇ］）より大きくπ／２［ｒａｄ］（即ち、９０［ｄｅｇ］）よりも小さい範囲とすれば、結像光学系１０で反射された光源光のＸ色度、及びＹ色度の双方を、色ズレが生じない範囲に抑制できるというものである。

なお、図６に示すグラフは、発明者らが鋭意研究を行うことで得られた結果であり、反射光学系３４における対象波長の位相差と、結像光学系１０に投影された光源光のＸ色度、及びＹ色度との関係を示すものある。また、図６において、色ズレが生じない範囲は、Ｘ色度については、０．２５〜０．３５の範囲内、Ｙ色度については、０．２９〜０．３８の範囲内とした。

以上説明したように、ヘッドアップディスプレイ装置１によれば、結像光学系１０に投影された光源光において色度が変化することを抑制できる。
換言すると、ヘッドアップディスプレイ装置１によれば、太陽光による照明光学系２２のダメージを低減しつつ、結像光学系１０に投影された光源光における色度の変化を抑制できる。
［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

（１） 上記実施形態においては、ＨＵＤ１が搭載される移動体を自動車としていたが、ＨＵＤ１が搭載される移動体は、自動車に限るものではない。ＨＵＤ１が搭載される移動体は、航空機であってもよいし、車両であってもよいし、船舶であってもよい。

（２）上記実施形態においては、評価スペクトルにおいてスペクトルの相対強度が閾値Ｉ_Ｔ以上であり、かつ、評価スペクトルの強度総和に対するスペクトル強度の割合が規定値Ｉ_ｔｈ以上となる波長領域を対象波長としていたが、対象波長は、これに限るものではない。

例えば、図７に示すように、照明光学系２２からの光源光のスペクトルにおいて光の強度が最も強い単波長を対象波長としてもよい。
なお、ここで言う単波長は、光源光のスペクトルにおいて光の強度が最も強い１つの波長である。ただし、本開示における単波長は、光源光のスペクトルにおいて光の強度が最も強い１つの波長に限るものではなく、光源光のスペクトルにおいて光の強度が最も強い１つの波長とみなせる範囲の波長領域を含む。

また、照明光学系２２からの光源光のスペクトルにおいて、赤色、青色、及び緑色それぞれの波長領域を対象波長としてもよい。ここで言う赤色の波長とは、人が赤色と視認する波長の領域であり、例えば、６２０［ｎｍ］から７５０［ｎｍ］の波長の領域である。ここで言う青色の波長とは、人が青色と視認する波長の領域であり、例えば、４５０［ｎｍ］から４９５［ｎｍ］の波長の領域である。緑色の波長とは、人が緑色と視認する波長の領域であり、例えば、４９５［ｎｍ］から５７０［ｎｍ］の波長の領域である。

なお、上記実施形態の構成の一部を省略した態様も本発明の実施形態である。また、上記実施形態と変形例とを適宜組み合わせて構成される態様も本発明の実施形態である。また、特許請求の範囲に記載した文言によって特定される発明の本質を逸脱しない限度において考え得るあらゆる態様も本発明の実施形態である。

１…ヘッドアップディスプレイ装置 １０…結像光学系 １２…投影面 ２０…発光ユニット ２２…照明光学系 ２４…波長板 ３２…凹面鏡 ３４…反射光学系 ５０…ケーシング ５２…防塵カバー

Claims (6)

1. 移動体に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置（１）であって、
   情報を表す光源光を投射する照明光学系（２２）と、
   前記照明光学系により投射された前記光源光が投影面に投影される結像光学系（１０）と、
   前記照明光学系から前記結像光学系までの前記光源光の経路上に、前記照明光学系からの光源光の偏光軸が入射面に対して０度より大きく９０度よりも小さく、または、９０度より大きく１８０度よりも小さくなるように配置され、かつ、赤外線領域の電磁波を透過し可視光領域の電磁波を反射する誘電体多層膜を有した反射光学系（３４）であって、前記照明光学系からの光源光における少なくとも一部の波長を含む対象波長の位相差が、−π／２［ｒａｄ］より大きくπ／２［ｒａｄ］より小さい範囲となるように構成された反射光学系と
   を備えた、ヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記反射光学系は、
   前記照明光学系から入射した光源光のスペクトルにおいて光の強度が最も強い単波長を前記対象波長として、その対象波長の位相差が、−π／２［ｒａｄ］より大きくπ／２［ｒａｄ］より小さい範囲となるように構成されている、請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記反射光学系は、
   前記照明光学系から入射した光源光のスペクトルにおいて、赤色、青色、及び緑色それぞれの波長領域を前記対象波長として、その対象波長の位相差が、−π／２［ｒａｄ］より大きくπ／２［ｒａｄ］より小さい範囲となるように構成されている、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装置。
4. 前記反射光学系は、
   前記照明光学系から入射した光源光のスペクトルに等色関数を掛け合わせた評価スペクトルにおいて、スペクトル強度の総和である強度総和に対するスペクトル強度の割合が、予め規定された規定値以上となる波長領域を前記対象波長として、その対象波長の位相差が、−π／２［ｒａｄ］より大きくπ／２［ｒａｄ］より小さい範囲となるように構成されている、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記照明光学系から前記結像光学系までの前記光源光の経路上に配置され、直交する偏光成分に位相差を与える少なくとも１つの波長板（２４）を備え、
   前記波長板は、
   前記照明光学系からの光源光の偏光軸が、前記反射光学系の入射面に対して、０度より大きく９０度よりも小さく、または、９０度より大きく１８０度よりも小さくなるように配置される、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 直線偏光された光源光を投射する照明光学系（３４）と、前記照明光学系により投射された前記光源光が投影面に投影される結像光学系（１０）とを備え、移動体に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置（１）に用いられる反射光学系（３４）であって、
   前記照明光学系から前記結像光学系までの前記光源光の経路上に、前記照明光学系からの光源光の偏光軸が入射面に対して０度より大きく９０度よりも小さく、または、９０度より大きく１８０度よりも小さくなるように配置され、かつ、赤外線領域の電磁波を透過し可視光領域の電磁波を反射する誘電体多層膜を有した反射光学系であって、前記照明光学系からの光源光における少なくとも一部の波長を含む対象波長の位相差が、−π／２［ｒａｄ］より大きくπ／２［ｒａｄ］より小さい範囲となるように構成された、反射光学系。