JP2018086915A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図り且つコストを抑制しながらも虚像を異なる位置に形成できるヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】ヘッドアップディスプレイ装置は、表示光を発生する単一の中間スクリーンと、前記中間スクリーンから出射された表示光を通過させ、スクリーンに入射させる光学系とを有し、前記光学系は、前記中間スクリーンから出射された表示光のうち第１の光を通過させ、前記表示光のうち前記第１の光以外の第２の光を通過させない光学素子と、前記第１の光と前記第２の光とを反射する少なくとも１つのミラーとを有し、前記第１の光と前記第２の光とが前記スクリーンに入射したとき、前記第１の光により形成される第１の虚像と、前記第２の光により形成される第２の虚像とは、観察者により異なる距離にあるように視認される。【選択図】図５

Description

本発明は、例えば自動車での使用を主たる用途とするヘッドアップディスプレイ装置、より詳細には、半透明の表示部材（コンバイナ）を介して、コンバイナを透過する光により視認される車両前方風景と、コンバイナを反射する光により提供される画像や情報をドライバー（観察者）の視野において重ねて視認させることが可能なヘッドアップディスプレイ装置に関する。

自動車の運転中、車両内で計器類の速度などの情報を直接、フロントガラス等に虚像として映し出すことができれば、視野を変化させることなく運転でき、事故防止につながる。そこで、人間の視野に直接情報を映し出す手段として、ヘッドアップディスプレイ装置が開発された。かかるヘッドアップディスプレイ装置においては、通常、LCDから出射された光が、ハーフミラー材を含んだ透明基材からなるコンバイナ(表示部材)や、フロントガラスにおいて透過および反射されるようになっている。従ってドライバー（観察者）は、コンバイナ等に表示された情報を取得するとともに、コンバイナ等を透過して視認される車両前方風景などの外部情報を同時に取得することができる。

ところで、ドライバーに認識させたい情報が複数ある場合、各情報を分離して、ドライバーが認識しやすいように、各虚像の位置を異なる位置に表示させたいという要望がある。

これに対し特許文献１には、第二スクリーンから被投影部材までの光の経路長が、第一スクリーンから被投影部材までの光の経路長よりも長くなるように配置することにより、それぞれ虚像の位置を異ならせるようにした技術が開示されている。しかしながら、このようにスクリーンを２つ設けると、ヘッドアップディスプレイ装置のコストが増大すると共に、構成の大型化を招くという問題がある。

特開２０１５−３４９１９号公報 特開２０１６−４５２５２号公報

又、特許文献２においても、投影光のうち結像距離が長い投影光を結像する第一スクリーンと、投影光のうち結像距離が短い投影光を結像する第二スクリーンとを設けることで、互いに距離が異なって視認される第一虚像と第二虚像とを形成している。この従来技術でも、このようにスクリーンを２つ設けることで、ヘッドアップディスプレイ装置のコストが増大すると共に、構成の大型化を招くという問題がある。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、小型化を図り且つコストを抑制しながらも虚像を異なる位置に形成できるヘッドアップディスプレイ装置を提供することを目的とする。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、
表示光を発生する単一の中間スクリーンと、
前記中間スクリーンから出射された表示光を通過させ、スクリーンに入射させる光学系とを有し、
前記光学系は、前記中間スクリーンから出射された表示光のうち第１の光を通過させ、前記表示光のうち前記第１の光以外の第２の光を通過させない光学素子と、前記第１の光と前記第２の光とを反射する少なくとも１つのミラーとを有し、
前記第１の光と前記第２の光とが前記スクリーンに入射したとき、前記第１の光により形成される第１の虚像と、前記第２の光により形成される第２の虚像とは、観察者により異なる距離にあるように視認されるものである。

本発明によれば、小型化を図り且つコストを抑制しながらも虚像を異なる位置に形成できるヘッドアップディスプレイ装置を提供することができる。

本実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を、車体ＶＨに搭載した状態を示す図である。 描画ユニット１００の構成を示す図である。 別の実施の形態にかかる描画ユニット１００の構成を示す図である。 本実施例の全体光路図である。 図４の矢印Ｖで示す部位を拡大した部分光路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を、車体ＶＨに搭載した状態を示す図である。車体ＶＨのダッシュボードＤＢ内には描画ユニット１００が配置されており、車体ＶＨのウインドシールド(スクリーン)ＷＳに表示光を投影するようになっている。かかる表示光はウインドシールドＷＳからの反射により観察者であるドライバーＤＲの瞳に導かれ、虚像（表示像）を表示するようになっている。一方、ドライバーＤＲは虚像に加えて、ウインドシールドＷＳを透過した風景等の実像を観察することができる。描画ユニット１００とウインドシールドＷＳとで、ヘッドアップディスプレイ装置を構成する。

図２は、描画ユニット１００の概略構成を示す図である。描画ユニット１００は、ＬＣＤ１１１を備えた描画デバイス１１０と、光学素子としてのレンズ１２０と、第１ミラーＭ１と、第２ミラーＭ２と、これらを収容したハウジング１３０とから主に構成されている。レンズ１２０と、第１ミラーＭ１と、第２ミラーＭ２とで光学系を構成する。描画デバイスの構成は、例えば特開２０１２−２０３１７６号公報に詳細が記載されている。

中間スクリーンとしてのＬＣＤ１１１は、例えば透明電極膜が形成された一対の透光性基板に液晶層を封入した液晶セルの前後両面に偏光板を貼着してなるものであり、描画デバイス１１０内の不図示の光源からＬＣＤ１１１へ導かれた光線は、ＬＣＤ１１１を透過して画像を表す表示光Ｌ１，Ｌ２となる。

レンズ１２０は、ＬＣＤ１１１の上部から出射される表示光(第２の光)Ｌ２は通過しないが、ＬＣＤ１１１の下部から出射される表示光(第１の光)Ｌ１は通過するように配置されている。レンズ１２０を通過する表示光Ｌ２は単色光であると、レンズ１２０の通過時に色収差を抑制できるため好ましい。

レンズ１２０は、ＬＣＤ１１１とミラーＭ１の間に配置されているが、ＬＣＤ１１１に近接させた方がより好ましい。レンズ１２０をＬＣＤ１１１から離れた位置に置くと、ドライバーＤＲが視点位置を変えたときに、本来通過しない表示光Ｌ２がレンズ１２０を通過して、不適切な虚像を形成する恐れがあるからである。レンズ１２０は，自由曲面レンズ、球面レンズ、非球面レンズ、平行平板、及び、くさび形平板の光学素子のいずれのものでも良い。

ＬＣＤ１１１の下部から出射された表示光Ｌ１は、レンズ１２０を通過し、第１ミラーＭ１，第２ミラーＭ２で反射され、ウインドシールドＷＳで反射されて、ドライバーの瞳ＥＹで見たときに第１の虚像Ｖ１を形成する。一方、ＬＣＤ１１１の上部から出射された表示光Ｌ２は、レンズ１２０を通過せず、第１ミラーＭ１，第２ミラーＭ２で反射され、ウインドシールドＷＳで反射されて、ドライバーＤＲの瞳で見たときに第２の虚像Ｖ２を形成する。ここで、表示光Ｌ１のみレンズ１２０を通過させることで、表示光Ｌ２とは異なる位置に結像させることができるため、これにより瞳ＥＹにより虚像Ｖ１，Ｖ２を互いに異なる位置に視認されるよう形成することができる。第１の虚像Ｖ１ではナビの行く先表示の矢印などの情報を表示し、第２の虚像Ｖ２では速度表示などの情報を行うことで、ドライバーは各情報を認識しやすくなる。

本実施の形態によれば、単一のＬＣＤ１１１を用いても、位置が異なる虚像Ｖ１，Ｖ２を形成できるので、ヘッドアップディスプレイ装置のコストを抑え、また構成を小型化できる。尚、表示光Ｌ１がＬＣＤ１１１の上部から出射される場合、光学素子は正レンズであると好ましい。又、表示光Ｌ１がＬＣＤ１１１の下部から出射される場合、光学素子は負レンズであると好ましく、平行平板やくさび形平板であっても良い。

図３は、別な実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の概略図である。本実施の形態では、表示光はウインドシールドではなくコンバイナにて反射される。又、本実施の形態で用いる光学素子１２０’は、断面がくさび形を有する。

ＬＣＤ１１１の下部から出射された表示光Ｌ１は、光学素子１２０’を通過し、第１ミラーＭ１で反射され、第２ミラー及びスクリーンを兼ねるコンバイナ２００で反射されて、ドライバーＤＲの瞳で見たときに第１の虚像を形成する。一方、ＬＣＤ１１１の上部から出射された表示光Ｌ２は、光学素子１２０’を通過せず、第１ミラーＭ１で反射され，コンバイナ２００で反射されて、ドライバーＤＲの瞳で見たときに第２の虚像を形成する。

本実施の形態によれば、ＬＣＤ１１１の下部から出射された表示光Ｌ１は、光学素子１２０’を通過する際に、ＬＣＤ１１１の中間位置ＣＮからの距離に応じて結像距離が徐々に変化するので、第２の虚像の縦軸の傾きに対し、第１の虚像の縦軸の傾きを変えることができる。これにより、第１の虚像と第２の虚像とを更に区別して認識することが可能となる。このようなくさび形平板の光学素子１２０’は、図２の実施の形態で用いても良い。

以下、図４の実施の形態に好適な実施例を説明する。図４は、本実施例の全体光路図である。図５は、図４の矢印Ｖで示す部位を拡大した部分光路図である。

以下に示す実施例のデータにおいて、Ｓｉ（ｉ＝０，１，２，３，…）は、虚像面側から数えてｉ番目の面（虚像面を第０番目の面とする）を示している。虚像面に対応するＳ０に続くＳ１、Ｓ２は、仮想的な面であり、Ｓ３は瞳に相当する。Ｓ４はコンバイナ、Ｓ５は第１ミラー、Ｓ６，Ｓ７はＬＣＤ下部に配置された平行平板の対向する面であり、Ｓ８はＬＣＤの発光面である。

各面Ｓｉの配置は、面頂点座標（ｘ，ｙ，ｚ）と回転角度（ＡＤＥ）とでそれぞれ特定される。各面Ｓｉの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点として、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）におけるローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）で表されている（単位はｍｍ）。また、各面Ｓｉの傾きは、その面頂点を中心とするＸ軸回りの回転角度ＡＤＥで表されている。なお、回転角度の単位は、°であり、Ｘ軸の正方向から見て反時計回りの方向がＸ回転の回転角度の正方向とする。また、グローバルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）は、瞳Ｓ３のローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と一致した絶対座標系になっている。すなわち、各面Ｓｉの配置データは、瞳中心を原点としたグローバル座標系で表現される。なお、瞳Ｓ３では、瞳からコンバイナに向かう方向が−Ｚ方向又は−ｚ方向であり、瞳に対して上方向が＋Ｙ方向又は＋ｙ方向であり、瞳に対して右方向が＋Ｘ方向又は＋ｘ方向である。

各実施例において、コンバイナＳ４と、第１ミラーＳ５は自由曲面であり、その自由曲面形状は、面頂点を原点とし、光軸方向にＺ軸をとり、光軸と垂直方向の高さをＺとして以下の「数１」で表し、表１と表２に面データを示す。ｃは面頂点での曲率（１／ｍｍ）、ｋはコーニック定数、単項式ｘ^mｙⁿの係数（自由曲面係数）を示す。なお、全てのデータに関して、表記の無い項の係数は全て０であり、Ｅ−ｎ＝×１０^-nとする。

本実施例の光学素子は平行平板である。厚さ10ｍｍで、材質がＢＫ７の平行平板をＬＣＤ下部のみに近接させることで、平行平板を通過した光線による虚像は平行平板を通過しない虚像よりも虚像距離が911ｍｍ程度、近くなることが分かる。

ｃ：頂点曲率、ｃ＝１／Ｒ
ｋ：コーニック係数
Cj：単項式ｘ^mｙⁿの係数
Ｒ：Ｙ曲率半径

本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。例えば、本発明の表示部材及びヘッドアップディスプレイ装置は、自動車に限らず、飛行機や重機にも用いることが出来る。

１００ 描画ユニット
１１０ 描画デバイス
１１１ ＬＣＤ
１２０ レンズ
１２０’ 光学素子
１３０ ハウジング
２００ コンバイナ
ＤＢ ダッシュボード
ＤＲ ドライバー
Ｍ１，Ｍ２ ミラー
ＶＨ 車体
ＷＳ ウインドシールド

Claims (8)

1. 表示光を発生する単一の中間スクリーンと、
   前記中間スクリーンから出射された表示光を通過させ、スクリーンに入射させる光学系とを有し、
   前記光学系は、前記中間スクリーンから出射された表示光のうち第１の光を通過させ、前記表示光のうち前記第１の光以外の第２の光を通過させない光学素子と、前記第１の光と前記第２の光とを反射する少なくとも１つのミラーとを有し、
   前記第１の光と前記第２の光とが前記スクリーンに入射したとき、前記第１の光により形成される第１の虚像と、前記第２の光により形成される第２の虚像とは、観察者により異なる距離にあるように視認されるヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記光学素子は前記中間スクリーンと前記ミラーの間に配置される請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記第１の光は前記中間スクリーンの上部から出射され、前記光学素子は正レンズである請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記第１の光は前記中間スクリーンの下部から出射され、前記光学素子は負レンズである請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記第１の光は前記中間スクリーンの下部から出射され、前記光学素子の形状は平行平板、または、くさび形平板である請求項１又は２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記第１の光は単色光である請求項１〜５のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
7. 前記中間スクリーンはＬＣＤである請求項１〜６のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。
8. 前記第１の光により形成される虚像の縦軸の傾きは、前記第２の光により形成される虚像の縦軸の傾きと異なることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のヘッドアップディスプレイ装置。