JP2017181645A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】虚像の視認性が高いＨＵＤ装置を提供する。
【解決手段】ＨＵＤ装置は、一配列方向ＡＤに沿って互いに配列され、照明光を発する複数の発光素子１０と、各発光素子１０が発した照明光を拡散する第１拡散板３０と、第１拡散板３０が拡散した照明光に対して、配列方向ＡＤと垂直な垂直方向ＶＤにおいて集光作用を及ぼすシリンドリカルレンズ４０と、シリンドリカルレンズ４０に集光された照明光に照明される照明対象面６２を有し、照明対象面６２に入射した照明光のうち一部を通過させることにより画像を形成し、画像の表示光を光束状に射出する画像形成部６０と、シリンドリカルレンズ４０と画像形成部６０との間の光路上に配置され、シリンドリカルレンズ４０に集光された照明光を再び拡散して照明対象面６２に入射させる第２拡散板５０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、移動体に搭載され、画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置を略称とする）に関する。

従来、移動体に搭載され、画像を乗員により視認可能に虚像表示するＨＵＤ装置が知られている。特許文献１に記載のＨＵＤ装置は、複数の発光素子、拡散板、集光部、画像形成部を有している。一配列方向に沿って互いに配列された複数の発光素子から発せられた照明光は、拡散板により拡散され、その後集光部により集光される。集光部に集光された照明光は、画像形成部の照明対象面を照明し、当該照明光の一部が画像形成部を通過することにより、画像が形成されるのである。こうした画像は、画像形成部から表示光として光束状に射出される。

特開２０１０−３９３８７号公報

このような特許文献１の構成では、拡散板が各発光素子の発した照明光を拡散することで、各発光素子が面光源化される。さらに、集光部による集光作用により、面光源化された光源像が拡大されるため、照明対象面における周辺部分の照度が中心部分に対して低下することが抑制され得る。

しかしながら、幾何光学におけるヘルムホルツ・ラグランジェの原理によれば、上述の集光部による光源像拡大の相反作用で、画像形成部により射出される画像の表示光の光束の拡がりが小さくなってしまうことが示唆される。すなわち、乗員により明るい虚像を視認できる範囲が狭くなってしまうのである。したがって、虚像の視認性に改良の余地があった。

本発明は、以上説明した問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、虚像の視認性が高いＨＵＤ装置を提供することにある。

本発明は、移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像の表示光を投影することにより、画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
一配列方向（ＡＤ）に沿って互いに配列され、照明光を発する複数の発光素子（１０）と、
各発光素子が発した照明光を拡散する第１拡散板（３０）と、
第１拡散板が拡散した照明光に対して、配列方向と垂直な垂直方向（ＶＤ）において集光作用を及ぼす集光部（４０）と、
集光部に集光された照明光に照明される照明対象面（６２）を有し、照明対象面に入射した照明光のうち一部を通過させることにより画像を形成し、画像の表示光として光束状に射出する画像形成部（６０）と、
集光部と画像形成部との間の光路上に配置され、集光部に集光された照明光を再び拡散して照明対象面に入射させる第２拡散板（５０）と、を備える。

このような発明によると、第１拡散板が各発光素子の発した照明光を拡散することで、各発光素子が面光源化され、各発光素子の配列間隔に応じて発生し得る配列方向の照明ムラを抑制することができる。そして、集光部による垂直方向における集光作用により、面光源化された光源像が垂直方向に拡大されるため、当該垂直方向における周辺部分の照度が中心部分に対して低下することが抑制される。

ここで、第２拡散板が集光部と画像形成部との間の光路上に配置されている。したがって、集光部により、当該集光後の照明光の拡がりが一旦小さくなってしまったとしても、当該照明光は、第２拡散板で再び拡散された後、画像形成部を通過することとなる。こうして画像形成部から射出される画像の表示光の光束の拡がりは、第２拡散板により調整されている。したがって、一配列方向に沿って互いに配列された複数の発光素子によって照明対象面への効率的な照明を実現しつつも、乗員により明るい虚像を視認できる範囲が狭くなってしまう事態を回避することができる。以上により、虚像の視認性が高いＨＵＤ装置を提供することができる。

なお、括弧内の符号は、記載内容の理解を容易にすべく、後述する実施形態において対向する構成を例示するものに留まり、発明の内容を限定することを意図したものではない。

一実施形態におけるＨＵＤ装置への車両への搭載状態を示す模式図である。 一実施形態における発光素子から画像形成部に至る光路を模式的に示す光路図であって、当該光路を配列方向に沿って見た図である。 図２について、垂直方向に沿って見た図である。 画像形成部により射出される画像の表示光の光束の拡がりを説明するための模式図である。 変形例２における図２に対応する図である。 変形例３における図２に対応する図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態におけるＨＵＤ装置１００は、移動体の一種である車両１に搭載され、インストルメントパネル２内に設置されている。ＨＵＤ装置１００は、車両１の投影部材としてのウインドシールド３へ向けて画像の表示光を投影する。これにより、ＨＵＤ装置１００は、画像を車両１の乗員により視認可能に虚像表示する。すなわち、ウインドシールド３に反射される画像の表示光が車両１の室内において乗員のアイポイントＥＰに到達し、乗員が当該表示光を知覚する。そして、乗員は、虚像ＶＩとして表示される各種情報を認識することができる。虚像ＶＩとして表示される各種情報としては、例えば、車速、燃料残量等の車両状態値、又は道路情報、視界補助情報等の車両情報が挙げられる。

車両１のウインドシールド３は、透光性のガラスないしは合成樹脂等により板状に形成されている。ウインドシールド３において室内側の面は、画像の表示光を反射する投影反射面３ａを滑らかな凹面状又は平面状に形成している。なお、投影部材として、ウインドシールド３の代わりに、車両１と別体となっているコンバイナを車両１内に設置して、当該コンバイナへ画像の表示光を投影するものであってもよい。

このようなＨＵＤ装置１００の具体的構成を、以下に説明する。ＨＵＤ装置１００は、複数の発光素子１０、レンズアレイ２０、第１拡散板３０、集光部としてのシリンドリカルレンズ４０、第２拡散板５０、画像形成部６０、及び凹面鏡７０を備えており、これらはハウジング８０に収容され、保持されている。

図２，３に示す複数の発光素子１０は、一配列方向ＡＤに沿って互いに配列されている。配列方向ＡＤと垂直な垂直方向ＶＤには、発光素子１０は配列されていない。

各発光素子１０は、発熱の少ない発光ダイオード素子により形成されている。各発光素子１０は、光源用回路基板上に配置され、当該基板上の配線パターンを通じて、電源と電気的に接続されている。より詳細に、各発光素子１０は、チップ状の青色発光ダイオード素子を、透光性を有する合成樹脂に黄色蛍光剤を混合した黄色蛍光体により封止することにより形成されている。青色発光ダイオード素子から電流量に応じて発せられる青色光により、黄色蛍光体が励起されて黄色光を発光し、青色光と黄色光との合成により疑似白色の照明光が発せられる。

レンズアレイ２０は、発光素子１０と第１拡散板３０との間の光路上に配置されている。レンズアレイ２０は、透光性の合成樹脂ないしはガラス等からなる複数のレンズ素子２０ａが、配列方向ＡＤに沿って互いに配列されて、形成されている。特に本実施形態では、レンズ素子２０ａは、発光素子１０と同数設けられている。各レンズ素子２０ａにおいて発光素子１０側の光学面２２は、各レンズ素子２０ａ間で共通の滑らかな平面状を呈した単一平面となっている、各レンズ素子２０ａにおいて第１拡散板３０側の光学面２４は、凸状に湾曲する滑らかな凸面となっている。各発光素子１０から発せられた照明光は、各レンズ素子２０ａにより集光された後、第１拡散板３０に入射する。

第１拡散板３０は、レンズアレイ２０とシリンドリカルレンズ４０との間の光路上に配置されている。第１拡散板３０は、透光性の合成樹脂ないしはガラス等により、平板状に形成されている。第１拡散板３０は、表面に微小な凹凸が設けられていること又は内部に微小な拡散粒子を含んでいること等により、入射する光を例えば円形拡散するようになっている。

本実施形態において、第１拡散板３０の拡散角度は、第２拡散板５０の拡散角度よりも大きく、例えば２０度となっている。ここで本実施形態における拡散角度とは、光が拡散板に対して垂直に入射方向した場合に、そのまま入射方向に射出した拡散光による輝度の１／２の輝度が観測される角度であり、半値角とも呼ばれている。また、第１拡散板３０のヘイズ値は、８０％以上となっている。第１拡散板３０に入射した照明光は、拡散された後、シリンドリカルレンズ４０に入射する。

シリンドリカルレンズ４０は、第１拡散板３０と第２拡散板５０との間の光路上に配置されている。シリンドリカルレンズ４０は、透光性の合成樹脂ないしはガラス等により形成されている。シリンドリカルレンズ４０において第１拡散板３０側の光学面４２は、凸状に湾曲する滑らかな凸面である。詳細に、光学面４２は、母線が配列方向ＡＤに沿った円柱面状を呈している。シリンドリカルレンズ４０において第２拡散板５０側の光学面４４も、凸状に湾曲する滑らかな凸面である。詳細に光学面４４は、母線が配列方向ＡＤに沿った円柱面状を呈している。光学面４２，４４の面形状によって、シリンドリカルレンズ４０は両凸レンズ状を呈している。

拡散後入射した照明光が２つの円柱面である光学面４２，４４で屈折することにより、シリンドリカルレンズ４０は、当該照明光に対して、垂直方向ＶＤにおいて集光作用を及ぼすようになっている。一方で、配列方向ＡＤには集光作用が実質及ばない。ここで各光学面４２，４４の垂直方向ＶＤにおける曲率半径の設定により、シリンドリカルレンズ４０に集光された照明光は、垂直方向ＶＤを含む断面において略平行光束となった状態で、第２拡散板５０に入射する。

第２拡散板５０は、シリンドリカルレンズ４０と画像形成部６０との間の光路上に、第１拡散板３０と略平行に配置されている。第２拡散板５０は、透光性の合成樹脂ないしはガラス等により、平板状に形成されている。第２拡散板５０は、表面に微小な凹凸が設けられていること又は内部に微小な拡散粒子を含んでいること等により、入射する光を例えば円形拡散するようになっている。本実施形態において、第２拡散板５０の拡散角度θ２は、第１拡散板３０の拡散角度θ１よりも小さく、例えば１０度となっている。シリンドリカルレンズ４０に集光され、第２拡散板５０に入射した照明光は、当該第２拡散板５０により再び拡散された後、画像形成部６０の照明対象面６２全体を所定照度以上で照明する。

また第２拡散板５０は画像形成部６０の照明対象面６２に対して、隙間５６を空けて配置されている。第２拡散板５０と画像形成部６０との間の距離は、第２拡散板５０とシリンドリカルレンズ４０の主平面との距離よりも小さく設定されている。

画像形成部６０は、例えば、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、ＴＦＴ）を用いた液晶パネルであって、照明対象面６２に沿って２次元方向に配列された複数の液晶画素を有して形成されているアクティブマトリクス型の液晶パネルである。画像形成部６０では、一対の偏光板及び一対の偏光板に挟まれた液晶層等が積層されている。各偏光板は、所定方向に偏光した光を透過させ、所定方向と実質垂直な偏向の光を吸収する性質を有している。一対の偏光板は、当該所定方向を互いに実質直交して配置されている。液晶層は、液晶画素の電圧印加により、印加電圧に応じて液晶層に入射する光の偏光方向を回転させることが可能となっている。

本実施形態の画像形成部６０は、パネルの第２拡散板５０側表面である照明対象面６２を第１拡散板３０及び第２拡散板５０と略平行にして配置されている。画像形成部６０は、照明対象面６２への照明光の入射により、液晶画素毎の当該光の透過率を制御して、画像を形成することが可能となっている。隣り合う液晶画素には、互いに異なる色（例えば、赤、緑、及び青）のカラーフィルタが設けられており、これらの組み合わせにより、様々な色が実現されるようになっている。

こうして画像形成部６０は、図４に示すように、照明対象面６２に入射した照明光のうち一部を通過させることにより画像を形成し、画像の表示光として、光束状に射出するようになっている。

ここで、画像形成部６０が複数の液晶画素を矩形状の領域に配列していることにより、照明対象面６２は、矩形状となっている。本実施形態において、複数の発光素子１０の配列方向ＡＤは、照明対象面６２の長手方向に対応しており、垂直方向ＶＤは、照明対象面６２の短手方向に対応している。したがって、シリンドリカルレンズ４０は、照明対象面６２の短手方向において照明光に集光作用を及ぼしていることとなる。

凹面鏡７０は、図１，４に示すように、画像形成部６０とウインドシールド３との間の光路上に配置されている。凹面鏡７０は、合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に反射面７２としてアルミニウムを蒸着させること等により形成されている。反射面７２は、凹状に湾曲する滑らかな凹面となっている。画像形成部６０から光束状に射出された画像の表示光は、反射面７２により、ウインドシールド３へ向けて反射される。

ここで本実施形態のＨＵＤ装置１００には、虚像ＶＩの結像位置の調整のために、凹面鏡７０を回動する回動機構８４が設けられている。回動機構８４は、電気的に接続された制御部８６からの駆動信号に従って、凹面鏡７０を回転軸８４ａまわりに回動可能となっている。例えば回転軸８４ａが配列方向ＡＤ及び照明対象面６２の長手方向に沿っていることにより、凹面鏡７０が回転軸８４ａまわりに回動すると、虚像ＶＩの結像位置が照明対象面６２の短手方向に対応した方向に移動する。

凹面鏡７０とウインドシールド３との間においてハウジング８０に窓状の窓部が設けられている。窓部は、透光性の板状に形成された防塵カバー８２によって塞がれている。したがって、凹面鏡７０からの画像の表示光は、当該防塵カバー８２を透過して、ウインドシールド３に反射される。なお、図４では、凹面鏡７０及びウインドシールド３を纏めて図示している。こうしてウインドシールド３に反射された画像の表示光によって、乗員が明るい虚像表示を範囲ＥＢにて視認可能となるのである。

（作用効果）
以上説明した本実施形態の作用効果を以下に説明する。

本実施形態によると、第１拡散板３０が各発光素子１０の発した照明光を拡散することで、各発光素子１０が面光源化され、各発光素子１０の配列間隔に応じて発生し得る配列方向ＡＤの照明ムラを抑制することができる。そして、集光部としてのシリンドリカルレンズ４０による垂直方向ＶＤにおける集光作用により、面光源化された光源像が垂直方向ＶＤに拡大されるため、当該垂直方向ＶＤにおける周辺部分の照度が中心部分に対して低下することが抑制される。

ここで、第２拡散板５０がシリンドリカルレンズ４０と画像形成部６０との間の光路上に配置されている。したがって、シリンドリカルレンズ４０により、当該集光後の照明光の拡がりが一旦小さくなってしまったとしても、当該照明光は、第２拡散板５０で再び拡散された後、一部が画像形成部６０を通過することとなる。こうして画像形成部６０から射出される画像の表示光の光束の拡がりは、第２拡散板５０により調整されている。したがって、一配列方向ＡＤに沿って互いに配列された複数の発光素子１０によって照明対象面６２への効率的な照明を実現しつつも、乗員により明るい虚像ＶＩを視認できる範囲ＥＢが狭くなってしまう事態を回避することができる。以上により、虚像ＶＩの視認性が高いＨＵＤ装置１００を提供することができる。

また、本実施形態によると、第２拡散板５０の拡散角度θ２よりも大きな第１拡散板３０の拡散角度θ１によって、各発光素子１０を確実に面光源化することができる。同時に、第１拡散板３０の拡散角度θ２よりも小さな第２拡散板５０の拡散角度θ１によって、画像の表示光が拡がり過ぎて虚像ＶＩの輝度が低下してしまう事態を抑制することができる。

また、本実施形態によると、第２拡散板５０は、画像形成部６０に対して、隙間５６を空けて配置されている。このようにすると、例えば画像の表示光と逆行してＨＵＤ装置１００内に入射した太陽光等の外光が画像形成部６０まで到達することで、当該画像形成部６０にて熱が発生したとしても、隙間５６を通じて放熱を行なうことができ、第２拡散板５０に熱が伝わり難い。したがって、熱の影響による機能低下を抑制することができる。

また、本実施形態によると、集光部としてのシリンドリカルレンズ４０は、母線が配列方向ＡＤに沿った円柱面状の光学面４２，４４により、集光作用を及ぼす。こうした集光作用では、光源像が配列方向ＡＤに拡大されることを抑制できるので、各発光素子１０の配列間隔に応じて発生し得る配列方向ＡＤの照明ムラが目立ち難い。したがって、虚像の視認性が高いＨＵＤ装置１００を提供することができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、当該実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。

変形例１としては、第２拡散板５０は、画像形成部６０の照明対象面６２に貼り合わされた状態で配置されていてもよい。

変形例２としては、図５に示すように、画像形成部６０は、照明対象面６２を第１拡散板３０に対して傾斜した状態で配置され、第２拡散板５０は、照明対象面６２と略平行に配置されていてもよい。図５では、画像形成部６０及び第２拡散板５０が短手方向（換言すると垂直方向ＶＤ）に傾斜している。

変形例３としては、図６に示すように、画像形成部６０は、照明対象面６２を第１拡散板３０及び第２拡散板５０に対して傾斜した状態で配置されていてもよい。図６では、画像形成部６０が短手方向（換言すると垂直方向ＶＤ）に傾斜している。

変形例４としては、光学面４２，４４は、垂直方向ＶＤにおいて集光作用を及ぼすものであれば、母線が配列方向ＡＤと少しずれた円柱面状であってもよい。

変形例５としては、集光部としてのシリンドリカルレンズ４０は、平凸レンズ状を呈していてもよい。

変形例６としては、集光部は、シリンドリカルレンズ４０以外の光学素子により構成されていてもよく、複数の光学素子の組み合わせにより構成されていてもよい。

変形例７としては、画像形成部６０とウインドシールド３との間の光路上に、他の光学素子を追加してもよい。

変形例８としては、第２拡散板５０は、入射する光を楕円拡散する性質を有していてもよい。

変形例９としては、車両１以外の船舶ないしは飛行機等の各種移動体（輸送機器）に、本発明を適用してもよい。

１００ ＨＵＤ装置、１ 車両、３ ウインドシールド、１０ 発光素子、３０ 第１拡散板、４０ シリンドリカルレンズ、４２ 光学面、４４ 光学面、５０ 第２拡散板、５６ 隙間、６０ 画像形成部、６２ 照明対象面、ＡＤ 配列方向、ＶＤ 垂直方向、θ１ 拡散角度、θ２ 拡散角度

Claims (4)

1. 移動体（１）に搭載され、投影部材（３）へ画像の表示光を投影することにより、前記画像を乗員により視認可能に虚像表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   一配列方向（ＡＤ）に沿って互いに配列され、照明光を発する複数の発光素子（１０）と、
   各前記発光素子が発した前記照明光を拡散する第１拡散板（３０）と、
   前記第１拡散板が拡散した前記照明光に対して、前記配列方向と垂直な垂直方向（ＶＤ）において集光作用を及ぼす集光部（４０）と、
   前記集光部に集光された前記照明光に照明される照明対象面（６２）を有し、前記照明対象面に入射した前記照明光のうち一部を通過させることにより前記画像を形成し、前記画像の表示光として光束状に射出する画像形成部（６０）と、
   前記集光部と前記画像形成部との間の光路上に配置され、前記集光部に集光された前記照明光を再び拡散して前記照明対象面に入射させる第２拡散板（５０）と、を備えるヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記第２拡散板の拡散角度（θ２）は、前記第１拡散板の拡散角度（θ１）よりも小さい請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記第２拡散板は、前記画像形成部に対して、隙間（５６）を空けて配置されている請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記集光部は、母線が前記配列方向に沿った円柱面状の光学面（４２，４４）により、前記集光作用を及ぼす請求項１から３のいずれか１項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

Images