JP2017146343A - 車載用表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両前方の遠方虚像と近方虚像を鮮明に表示することができる車載用表示装置を提供する。【解決手段】画像投影部１１の前方に第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６は配置されている。２つの中間像スクリーン１５，１６は異なる位置に配置され、第１の中間像スクリーン１５から近方虚像２５ｂが投影され、第２の中間像スクリーン１６から遠方虚像２５ａが投影される。第２の中間像スクリーン１６が合焦位置に配置され、画像投影部１１と第１の中間像スクリーン１５との間に光路長を補正する補正光学素子１７が配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、車両内の視認者がハーフミラー部を透してその前方に形成された虚像を目視できるように構成された車載用表示装置に関する。

特許文献１と特許文献２に、ヘッドアップディスプレイ装置として使用される車載用表示装置に関する発明が記載されている。

特許文献１に記載された車載用表示装置は、映像投射器の前方に透過スクリーンである第一スクリーンと第二スクリーンが設けられており、第一スクリーンと第二スクリーンは、映像投影器からの距離が相違している。第一スクリーンと第二スクリーンの前方に凹面鏡の光学部が設けられている。映像投射器から投影された像が第一スクリーンと第二スクリーンのそれぞれに結像され、その像が光学部で反射されて、車両のウインドシールドやコンバイナーに投影される。

第一スクリーンに結像された像と、第二スクリーンに結像された像はウインドシールドやコンバイナーの前方に虚像を形成し、車両の搭乗者がこの虚像を見ることになる。ただし、第一スクリーンと第二スクリーンの配置位置が相違しているため、この虚像は、車両の前方の異なる位置に存在しているように見える。

映像投射器には、赤色光源と緑色光源と青色光源、およびそれぞれの光源からの光が与えられる液晶ディスプレイが設けられている。さらに、映像投影器に可変焦点レンズが設けられている。映像投影器から第一スクリーンと第二スクリーンに対し映像が時分割されて投影されるが、第一スクリーンと第二スクリーンは映像投影器からの距離が相違しているため、前記可変焦点レンズが常に動作して、第一スクリーンと第二スクリーンの双方に合焦できるようにしている。

引用文献２に記載された車載用表示装置は、プロジェクタの前方に第１投射レンズと第２投射レンズとが設けられ、さらに前方に第１スクリーンと第２スクリーンが設けられている。第１投射レンズを経て第１スクリーンに投影される映像は、反射ミラーで反射されて車両前方の第１虚像となり、第２投射レンズを経て第２スクリーンに投影される映像は、反射ミラーで反射されて車両前方の第２虚像となる。

第１投射レンズと第１スクリーンの位置は固定されているため、第１虚像の表示位置は固定されている。一方、第２スクリーンはモータによって光軸方向へ移動させられ、これに追従して第２投射レンズも光軸方向へ移動させられて、車両の前方において、第２虚像の表示位置が、第２スクリーンの移動に連動して前後に移動する。

特許文献１に記載されている車載用表示装置は、車両走行時に、固定位置の第１虚像によって車両の現在車速などを表示し、第２虚像によって割り込み車両に対する警告表示が行われる。この警告表示では、割り込み車両を囲む枠が表示され、自分の車両と割り込み車両との距離に応じて第２スクリーンが前後し、警告表示である枠（第２虚像）の表示位置が、自車両と割り込み車両との距離に応じて前後に移動する。

特開２０１５−３４９１９号公報 特開２０１５−１１２１１号公報

特許文献１と特許文献２に記載された車載用表示装置は、いずれも車両の前方の異なる位置に形成された虚像を目視することができる。

しかし、特許文献１に記載された車載用表示装置では、映像投射器から第一スクリーンと第二スクリーンに時分割で映像を投影し、さらに可変焦点レンズを常に動作させていなくてはならない。そのため、映像投射器が複雑な構造であり、映像投射器の制御も複雑である。

特許文献２に記載された車載用表示装置は、円形のレンズを２つに分割したものを第１投影レンズと第２投影レンズとしているが、円形のレンズを２つに分割した形状の投影レンズを製造するのは容易ではなく、高価なレンズを使用しなくてはならない。また、第１投影レンズと第２投影レンズは密着しており、プロジェクタから２つの投影レンズに投影光が与えられるため、第１投影レンズと第２投影レンズの位置を光軸方向へ相違させたときに、いずれかのレンズによりゴーストが形成されるおそれがある。

本発明は上記従来の課題を解決するものであり、光学装置を複雑にすることなく、車両の前方の異なる位置に、虚像を安定して結像させることができる車載用表示装置を提供することを目的としている。

本発明は、透過型の中間像スクリーンと、前記中間像スクリーンに中間像を投影するとともに前記中間像をハーフミラー部に投影する画像投影部と、を有する車載用表示装置において、
前記中間像スクリーンが複数設けられて、それぞれの前記中間像スクリーンは前記画像投影部からの距離が相違しており、
少なくとも１つの前記中間像スクリーンと前記画像投影部との間に、光路長を補正する補正光学素子が配置されていることを特徴とするものである。

本発明の車載用表示装置は、１つの前記中間像スクリーンが、前記画像投影部の合焦位置に配置され、他の前記中間像スクリーンと前記画像投影部との間に前記補正光学素子が設けられているものとして構成できる。

例えば、他の前記中間像スクリーンは、合焦位置よりも前記画像投影部から離れた位置にあり、前記補正光学素子が、所定厚さの透光性部材である。

または、他の前記中間像スクリーンは、合焦位置よりも前記画像投影部から離れた位置にあり、前記補正光学素子が負のレンズである。

あるいは、他の前記中間像スクリーンは、合焦位置よりも前記画像投影部に接近した位置にあり、前記補正光学素子が正のレンズである。

本発明の車載用表示装置は、前記画像投影部で投影できる画像の１画面の範囲内に、前記第１の中間像スクリーンと前記第２の中間像スクリーンが配置されているものとなる。

本発明の車載用表示装置は、画像投影部から複数の中間像スクリーンに中間像を結像している。ここでは、画像投影部で形成できる中間像の表示可能領域（１画面の範囲：１フレーム領域）の中に複数の中間像スクリーンが存在し、それぞれの中間像スクリーンに、別々の画像が投影される。

また、それぞれの中間像スクリーンの位置が相違するため、中間像スクリーンを透過した像で、車両の前方の異なる位置に虚像を結像することができ、車両内の視認者は、それぞれの虚像を車両の前方の異なる位置に存在しているものとして認識できるようになる。

しかも、画像投影部と中間像スクリーンの間に、光路長を補正する補正光学素子を配置することで、複数の中間像スクリーンのそれぞれに中間像を鮮明に結像することが可能になる。

本発明の実施の形態の車載用表示装置が車両に搭載されている状態を示す説明図、 本発明の第１の実施の形態の車載用表示装置の部品構成を示す説明図、 本発明の第２の実施の形態の車載用表示装置の部品構成を示す説明図、 本発明の第３の実施の形態の車載用表示装置の部品構成を示す説明図、 本発明の第４の実施の形態の車載用表示装置の部品構成を示す説明図、 本発明の実施の形態の車載用表示装置による表示例を示す説明図、

図１には、本発明の実施の形態の車載用表示装置１０が、車両の一例である自動車１に搭載された状態で示されている。

自動車１は、ボンネット部２と天井部３との間にウインドシールドガラス４が装着されており、ウインドシールドガラス４で、車室空間５と、車両の前方の外部空間６とが仕切られている。ウインドシールドガラス４は湾曲しており、車室空間５にウインドシールドガラス４の内面４ａが向けられ、前方の外部空間６にウインドシールドガラス４の外面４ｂが向けられている。図２に示す第１の実施の形態と図３に示す第２の実施の形態では、ウインドシールドガラス４が凹曲面を有するハーフミラー部として機能する。

なお、図４に示す第３の実施の形態と図５に示す第４の実施の形態では、コンバイナーがハーフミラー部として機能している。コンバイナーは、ウインドシールドガラス４よりも車室内側に配置される。

車室空間５には運転席７が設けられ、その前方にステアリングホイール８が設けられている。車室空間５の前方にダッシボード９が設けられており、このダッシュボード９の内部に、本発明の実施の形態の車載用表示装置１０が埋め込まれて設けられている。車載用表示装置１０は、いわゆるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）装置である。
以下、車載用表示装置１０の光学部品の配置を実施の形態ごとに説明する。

図２に本発明の第１の実施の形態の車載用表示装置１０Ａの概略構造が示されている。
車載用表示装置１０Ａに、画像投影部（プロジェクタ）１１が設けられている。画像投影部１１は、画像生成部材１２と投影レンズ１３とを有している。画像生成部材１２は、ＤＬＰ（Digital Light Processing）素子（ＤＬＰは登録商標）である。ＤＬＰ素子は、光源と、光源からの光を画素毎に制御するデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を備えている。また、三原色の光源を備え、またはカラーフィルターを備えることで多色表示の画像を生成することができる。

投影レンズ１３は、非球面の凸レンズで構成され、または複数のレンズを組み合わせて構成されている。

画像投影部１１の前方に複数の中間像スクリーンが設けられている。以下の実施の形態では、第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６の２個の中間像スクリーンが設けられている。第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６は、透過スクリーンである。中間像スクリーン１５，１６は、マイクロレンズアレイやデフューザで構成される。

図２に示すように、画像投影部１１から第１の中間像スクリーン１５までの投影光軸Ｏに沿う距離は、画像投影部１１から第２の中間像スクリーン１６までの投影光軸Ｏに沿う距離よりも長くなっている。

第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６は、画像投影部１１からの距離が相違しているが、この２つの中間像スクリーン１５，１６は、画像生成部材１２で生成されて投影レンズ１３で投影される中間像の画像の表示可能領域内、すなわち中間像の１画面の領域内（中間像の１フレーム領域内）に入るように配置されている。

第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６は、図２の上下方向（Ｙ方向）に位置ずれして配置されてもよいし、図２の紙面の直交する方向（Ｘ方向）に位置ずれして配置されてもよい。画像投影部１１側から見たときに、第１の中間像スクリーン１５の下端部と第２の中間像スクリーン１６の上端部が接触していてもよい。あるいは、画像投影部１１側から見たときに、第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６が互いに離れていてもよい。また、第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６は、面積が同じであってもよいし面積が相違してもよい。

図６には、ウインドシールドガラス４の前方に形成される２つの虚像２５ａ，２５ｂの表示例が示されている。この表示例では、近方虚像２５ｂを形成するための第１の中間像スクリーン１５と、遠方虚像２５ａを生成するための第２の中間像スクリーン１６の面積が相違し、さらに、第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６がＸ方向とＹ方向の双方に離れて配置されている。

画像投影部１１では、この画像投影部１１に接近した位置にある第２の中間像スクリーン１６に合焦するように、投影レンズ１３などが設計されている。そのため、画像投影部１１と、これから離れた位置にある第１の中間像スクリーン１５との間に、光路差を補正する補正光学素子１７が配置されている。

図２に示す補正光学素子１７は、投影光軸Ｏに沿う方向に所定の厚さｔを有するガラスまたは透明な合成樹脂などの透光性部材である。画像投影部１１から第１の中間像スクリーン１５までの距離と、画像投影部１１から第２の中間像スクリーン１６までの距離の差をΔＬとし、補正光学素子１７の屈折率をｎとし、補正光学素子１７の投影光軸Ｏに沿う方向の厚さをｔとする。前記厚さｔをｔ＝ΔＬ・ｎ／（ｎ−１）とすることで、前記光路差ΔＬを補正することができ、画像投影部１１によって、第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６の双方に中間像を鮮明に結像させることができる。

補正光学素子１７として所定厚さｔの当構成部材を使用することで、高価なレンズを使用する必要がなくなり、例えば、ユニット化された画像投影部１１のカバー部材を補正光学素子１７として使用することも可能である。

ただし、図２の実施の形態において、離れた位置にある第１の中間像スクリーン１５の光路差を補正する補正光学素子１７として凹レンズまたは凹レンズを含む複合レンズで構成された負のレンズが使用されて、第１の中間像スクリーン１５と第２の中間層スクリーン１６の双方を合焦させることができるようにしてもよい。

図２に示すように、第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６の前方に、反射部材１８が設けられている。反射部材１８は、凹面鏡であり、反射機能と集光機能および画像の拡大機能を有する。

前記ダッシボード９内に設けられている車載用表示装置１０には、図２に示す画像投影部１１と補正光学素子１７と第１の中間像スクリーン１５および第２の中間像スクリーン１６、さらに反射部材１８が収納されている。そして反射部材１８が、車両のウインドシールドガラス４に下側から対面している。

自動車１に搭載された状態での車載用表示装置１０Ａの表示動作は以下の通りである。
画像投影部１１では、ＤＬＰ素子である画像生成部材１２で中間像が生成され、投影レンズ１３によって、第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６に中間像が投影される。中間像は、画像投影部１１で投影される画像の表示可能領域内において第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６の双方に投影される。すなわち、１画面の領域内（１フレームの範囲内）において、第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６に中間像が投影される。

第１の中間像スクリーン１５は、画像投影部１１の合焦位置にあり、第２の中間像スクリーン１６に対しては補正光学素子１７で光路長が調整されて画像が投影されるために、第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６の双方に中間像が鮮明に結像する。

第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６を透過した表示光は、反射部材１８で画像が拡大されながら全反射されて、ウインドシールドガラス４に向けられる。

ウインドシールドガラス４はやや湾曲したハーフミラー部として機能する。反射部材１８で全反射された光は、ウインドシールドガラスの内面４ａで照射されて、光の一部が運転席７に着席している視認者（運転者）２０の眼２１に向けて集光される。その結果、眼２１でウインドシールドガラス４の前方の外部空間６に虚像２５を目視することが可能になる。虚像２５の結像位置は投影レンズ１３の焦点距離と反射部材１８の曲率などで決められる。

第１の中間像スクリーン１５から反射部材１８を経てウインドシールドガラス４に至る投影経路Ｌ１は、第２の中間像スクリーン１６から反射部材１８を経てウインドシールドガラス４に至る投影経路Ｌ２よりも短くなっている。そのため、第１の中間像スクリーン１５を透過し投影経路Ｌ１を経てウインドシールドガラス４に向けられた表示光によって、ウインドシールドガラス４から外部空間６の前方に接近した位置に近方虚像２５ｂが結像する。また、第２の中間像スクリーン１６を透過し、投影経路Ｌ２を経てウインドシールドガラス４に向けられた表示光によって、ウインドシールドガラス４から前方の外部空間６の離れた位置に遠方虚像２５ａが結像する。

なお、車載用表示装置１０に用いられる画像生成部材１２としては、ＤＬＰ素子の代わりに、ＬＣＯＳなどの空間光学変調素子を使用したものであって、第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６にホログラム画像を生成するものであってもよい。また、画像生成部材１２として、ＭＥＭＳ素子で構成された微細なガルバノミラーを使用することができる。このガルバノミラーは、可視光レーザを縦横に走査することで１画面分（１フレーム分）の画像が生成される。

図６に遠方虚像２５ａと近方虚像２５ｂの画像の表示例が示されている。
図６において、Ｘ方向は視認者２０から見た左右方向であり、Ｙ方向は視認者２０から見た上下方向である。

図６には、表示可能領域３１が一転鎖線で囲まれた領域として示されている。この表示可能領域３１は、画像投影部１１によって投影される画像の１画面分（１フレーム分）に相当している。１画面分の表示可能領域３１に遠方虚像２５ａと近方虚像２５ｂを含ませることで、両虚像２５ａ，２５ｂを鮮明な画像とすることができる。

図６に示す表示例では、遠方虚像２５ａが、ステアリングホイール８の中心を通って車両の前後方向に延びる中心線Ｆの前方延長線上に表示されている。これは視認者２０が正面を見たときの視野範囲の中心に一致している。近方虚像２５ｂは、前記中心線Ｆから外れた位置、すなわち視認者２０が正面を見たときの視野範囲の中心から外れた位置にある。

また、視認者２０が視認する近方虚像２５ｂの表示領域の面積は、遠方虚像２５ａの表示領域の面積よりも小さくなっている。

遠方虚像２５ａとして表示される情報の一例は、車両走行速度の表示４１や、車両の進行指示を示す矢印表示４２である。近方虚像２５ｂとして表示される情報の一例は、カーナビゲーション表示４３などである。あるいは、近方虚像２５ｂに、ガソリン残量や電力残量を示すエネルギー表示、累計走行距離表示、エンジンの回転数表示（タコメータ表示）、時計表示、車内と車外の温度表示、シートベルト着用警告表示などを表示してもよい。

図３に本発明の第２の実施の形態の車載用表示装置１０Ｂの概略構造が示されている。
以下の各実施の形態において、第１の実施の形態の車載用表示装置１０Ａと同じ構成には同じ符号を付して詳しい説明を省略する。

図３に示す車載用表示装置１０Ｂでは、第１の中間像スクリーン１５が、画像投影部１１による投影光の結像位置、すなわち合焦位置に配置されている。そして、第２の中間像スクリーン１６と画像投影部１１との間に光路長を補正する補正光学素子２７として凸レンズや凸レンズを含む複合レンズで構成された正のレンズが使用されている。

この車載用表示装置１０Ｂにおいても、画像投影部１１からの距離が相違する第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６の双方に、合焦状態の鮮明な中間像を結像させることができる。

図４に本発明の第３の実施の形態の車載用表示装置１０Ｃの概略構造が示されている。
この車載用表示装置１０Ｃは、車両の車室空間５内において、ウインドシールドガラス４よりも内側にハーフミラー部としてコンバイナー２８が配置されている。コンバイナー２８は、フレネルレンズとハーフミラーを組み合わせるなどの構造を有している。コンバイナー２８は反射側に集光点を有しており、その結果、視認者２０の眼２１で、外部空間６の遠方虚像２５ａと近方虚像２５ｂを見ることができる。

画像投影部１１の投影光軸Ｏは斜め上向きで、コンバイナー２８に向けられている。第２の中間像スクリーン１６は、画像投影部１１の合焦位置に配置されており、第１の中間像スクリーン１５は、第２の中間像スクリーン１６よりも画像投影部１１から前方へ離れた位置にある。そして、画像投影部１１と第１の中間像スクリーン１５との間に、図２に示したのと同じ補正光学素子１７である透光性部材が配置されている。これにより、画像投影部１１から投影される中間像が第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６の双方に合焦して結像できるようになる。

なお、図４において、補正光学素子１７とした負のレンズを用いてもよい。
図４に示す車載用表示装置１０Ｃにおいても、第１の中間像スクリーン１５に結像した中間像で近方虚像２５ｂが形成され、第２の中間像スクリーン１６に結像した中間像で遠方虚像２５ａが形成される。

図５に本発明の第４の実施の形態の車載用表示装置１０Ｄの概略構造が示されている。
この車載用表示装置１０Ｄでは、第１の中間像スクリーン１５が、画像投影部１１の合焦位置にあり、画像投影部１１と第２の中間像スクリーン１６との間に補正光学素子２７として図３の実施の形態と同じ正のレンズが設けられている。

前記各実施の形態の車載用表示素子１０は、画像投影部１１で投影される画像の表示可能領域すなわち１画面領域（１フレーム領域）内に、第１の中間像スクリーン１５と第２の中間像スクリーン１６が対向しているため、両中間像スクリーン１５，１６にほぼ同時に中間像を投影することができる。そのため、複数の中間像スクリーンに対して交互に映像を投影するなどの複雑な制御が不要になる。また、遠方虚像２５ａと近方虚像２５ｂを形成するために画像投影部１１と中間像スクリーン１５，１６の距離を変えた状態でも、補正光学素子１７，２７を使用することで、全ての中間像スクリーンに鮮明な中間像を生成することができる。

なお、前記実施の形態では、２個の中間像スクリーンが使用されているが、中間像スクリーンが３個以上使用されていてもよい。

１ 自動車
４ ウインドシールドガラス
５ 車室空間
６ 外部空間
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ 車載用表示装置
１１ 画像投影部
１２ 画像生成部材
１３ 投影レンズ
１５ 第１の中間像スクリーン
１６ 第２の中間像スクリーン
１７，２７ 補正光学素子
１８ 反射部材
２０ 視認者
２５ 虚像
２５ａ 遠方画像
２５ｂ 近方画像
３１ 表示可能領域

Claims (6)

1. 透過型の中間像スクリーンと、前記中間像スクリーンに中間像を投影するとともに前記中間像をハーフミラー部に投影する画像投影部と、を有する車載用表示装置において、
   前記中間像スクリーンが複数設けられて、それぞれの前記中間像スクリーンは前記画像投影部からの距離が相違しており、
   少なくとも１つの前記中間像スクリーンと前記画像投影部との間に、光路長を補正する補正光学素子が配置されていることを特徴とする車載用表示装置。
2. １つの前記中間像スクリーンが、前記画像投影部の合焦位置に配置され、他の前記中間像スクリーンと前記画像投影部との間に前記補正光学素子が設けられている請求項１記載の車載用表示装置。
3. 他の前記中間像スクリーンは、合焦位置よりも前記画像投影部から離れた位置にあり、前記補正光学素子が、所定厚さの透光性部材である請求項２記載の車載用表示装置。
4. 他の前記中間像スクリーンは、合焦位置よりも前記画像投影部から離れた位置にあり、前記補正光学素子が負のレンズである請求項２記載の車載用表示装置。
5. 他の前記中間像スクリーンは、合焦位置よりも前記画像投影部に接近した位置にあり、前記補正光学素子が正のレンズである請求項２記載の車載用表示装置。
6. 前記画像投影部で投影できる画像の１画面の範囲内に、前記第１の中間像スクリーンと前記第２の中間像スクリーンが配置されている請求項１ないし５のいずれかに記載の車載用表示装置。

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