JP2019012271A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でコントラストにも優れ、外光の存在下でも視認性に優れたヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】操縦者の視界の一部に映像を含む情報を表示するヘッドアップディスプレイ装置は、操縦者の視界を外れた位置に配置され、前記情報を投影するための映像光を発生して投写する映像表示装置と、前記操縦者の視界の一部に配置され、視界からの光を透過すると共に、前記映像表示装置からの投写光を前記操縦者の方向に反射する透明スクリーンとを備え、前記映像表示装置を構成する光源４２１として、複数の発光セルからの発光を反射及び混合して所定の方向に出射する固体光源装置を使用する。【選択図】図５

Description

本発明は、例えば、自動車などのフロントガラス等に映像等の情報を投射して、当該フロントガラスを介した人間の視野に、直接、当該情報を映し出すヘッドアップディスプレイ装置に関する。

自動車等の車両に搭載可能で、映像を内側表面に金属薄膜や誘電体多層膜等を形成したフロントガラス（部分反射手段）に投射し、当該フロントガラスを介した視野に、当該映像を虚像として表示するヘッドアップディスプレイ装置は、既に、以下の特許文献１にも知られている。

また、以下の特許文献２には、運転者がフロントガラスを通して直接目視できない車輪を、疑似的に、運転者に知らせるための車両用表示装置として、ダッシュボード内に取り付けられた、例えば、液晶表示装置からなる表示体から投射される映像（立体的なタイヤの映像）を、上記フロントガラスの一部（下辺部）に取り付けられたホログラフィックコンバイナに投射するものが開示されている。

更には、進路を案内するナビゲーション装置として、必要な案内情報（例えば、矢印など）を自動車のフロントガラスに投射することにより、詳細な地図データなどを必要とせず、簡単でかつ的確に、案内情報を運転者に表示するものも、以下の特許文献３により、既に知られている。

特開２００６−２５８８８４号公報 特開平５−５８１９６号公報 特開２００６−２５８８８４号公報

しかしならが、上述した従来技術では、狭小なダッシュボード内に取り付けが可能で、かつ、特に、車載されるヘッドアップディスプレイ装置で問題となる、フロントガラスを介した見える実像の明るさ（外光）と、投射手段により表示される情報の明るさとの比率が十分に確保することが出来る（コントラストの高い）、視認性に優れたヘッドアップディスプレイ装置を実現することは難しかった。

また、一般的に、白色ランプを光源とする投射装置を適用する場合、上述した明るさと比率を十分に確保するためには、当該光源が大型のものとなってしまい、狭小なダッシュボード内に取り付けることは不可能となってしまう。

そこで、本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて達成されたものであり、特に、狭小なダッシュボード内に取り付けが可能で、かつ、上述した明るさやその比率（コントラスト）を十分に確保することが可能であり、外光の存在下でも視認性に優れたヘッドアップディスプレイ装置を提供することをその目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、操縦者の視界の一部に映像を含む情報を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、前記操縦者の視界を外れた位置に配置され、前記情報を投影するための映像光を発生して投写する映像表示装置と、前記操縦者の視界の一部に配置され、視界からの光を透過すると共に、前記映像表示装置からの投写光を前記操縦者の方向に反射する透明スクリーンとを備えたものであって、前記映像表示装置を構成する光源として、複数の光源セルからの発光を反射及び混合して所定の方向に出射する固体光源装置を使用するヘッドアップディスプレイ装置が提供される。

上述した本発明によれば、狭小なダッシュボード内にも取り付けが可能で、かつ、上述した明るさやその比率（コントラスト）を十分に確保することが可能であり、外光の存在下でも視認性に優れたヘッドアップディスプレイ装置を提供することを可能とするという優れた効果を発揮する。

本発明の一実施の形態になるヘッドアップディスプレイ装置の全体構成を示す側面図である。 上記ヘッドアップディスプレイ装置を構成する映像表示装置の内部構成を示す側面図である。 上記ヘッドアップディスプレイ装置を構成する映像表示装置の内部構成を示す上面図である。 上記映像表示装置を構成する光方向変換部の具体的な構造を示す拡大斜視図とその断面図である。 上記映像表示装置を構成する固体光源装置の具体的な構造を示す斜視図である。 上記固体光源装置の光反射合成部の構造を示す拡大斜視図である。 上記固体光源装置の光合成部の各部と全体を示す拡大斜視図である。 上記光合成部と光源セルの関係を示す一部拡大断面図である。 上記光合成部波長選択性の光学面（膜）の反射特性の一例を示す図である。 上記光反射合成部と光合成部の全体の内部における光の合成について説明する図である。 上記映像表示装置の他の実施例（実施例２）について説明する側面図である。 上記他の実施例（実施例２）における立体的（３次元）表示について説明する図である。 上記映像表示装置の更に他の実施例（実施例３）について説明する側面図である。 上記映像表示装置の更に他の実施例（実施例４）について説明する側面図である。 光色循環式の変調方式になる上記映像表示装置の構成の一例を示すブロック図である。 上記光色循環式の変調方式になる映像表示装置の動作の一例を示す信号波形図である。 上記光色循環式の変調方式になる映像表示装置による効果を説明するための説明図である。 上記映像表示装置のプロジェクションレンズの具体的な構成を示すレンズ構成図である。 上記プロジェクションレンズの特性を説明する光線図である。 上記ヘッドアップディスプレイ装置を構成する透明スクリーンの他の例について説明する一部拡大斜視図及び断面図である。 上記透明スクリーンの構成を説明するための上面図である。 上記透明スクリーンの特性を示す光線図である。 本発明の他の実施の形態になるヘッドアップディスプレイ装置の全体構成を示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら、詳細に説明する。

まず、添付の図１には、本発明の一実施の形態になるヘッドアップディスプレイ装置であり、特に、自動車に搭載されてそのフロントガラスに映像等の情報を投射して人間の視野に、直接、当該情報を映し出す車両用のヘッドアップディスプレイ装置の概略構成が示されている。図において、ヘッドアップディスプレイ装置を構成する、例えば、反射防止膜からなる透明スクリーン４１０が、参照符号４００で示されたフロントガラスの下辺部においてその内側表面に沿って取り付けられており、他方、ヘッドアップディスプレイ装置を構成する映像表示装置４２０は、当該フロントガラス４００の下辺部においてステアリング４０４に隣接する位置に配置されたダッシュボード４０３の内部に取り付けられている。

かかる構成になるヘッドアップディスプレイ装置では、映像表示装置４２０からの映像（情報）が指向性反射手段を施した透明スクリーン４１０上に投射して反射され、運転者用シート４０６及びヘッドレスト４０５上により支持された運転者（操縦者）４０７の目４０９に投影される。これにより、運転者４０７は、フロントガラス４００介して目４０９に入る外部の視野と共に、その一部に同時に重畳されて表示さる運転に必要な各種の情報等を認識することができ、常に、外部の状況を判断しながらステアリング４０４を操作することができ、より安全な運転操作が可能となる。

続いて、図２及び３には、上記透明スクリーン４１０を含んだ映像表示装置４２０のより詳細な構成の一例を示す図であり、図２はその側面図であり、図３は上面図である。

これらの図にも示すように、映像表示装置４２０は、以下にその詳細を説明するが、光の利用効率が高く、白色光を照射す、又は、所望の色（例えば、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青））の光を選択的に照射することができる、例えば、ＬＥＤ光源やレーザ光源を利用した光源部４２１と、当該光源部４２１からの光を、外部からの映像信号に基づいて所望の映像光に変換する素子である、例えば、ＴＦＴ型液晶パネルからなる光変調部（液晶パネル）４２２と、そして、当該光変調部４２２からの映像光を拡大して投写する、所謂、プロジェクションレンズ４２３と、そして、当該プロジェクションレンズ４２３からの光を、フロントガラス４００の内面下方に取り付けられた透明スクリーン４１０に向けて照射（投写）する、例えば、フレネルレンズシートからなる光方向変換部４２４などにより構成されている。また、図の参照番号４３０は、外部からの映像信号に基づいて光変調部４２２（例えば、液晶パネル、反射型液晶パネル、ＤＬＰ素子）を駆動する駆動回路を示している。なお、上記の図２においては、広角の投射光のうち、上記透明スクリーン４１０の上端部に投射される光を上限光、そして、スクリーン４１０の下端部に投射される光を下限光として、それぞれ、参照番号４１２、４１３で示す。

なお、添付の図４（Ａ）及び（Ｂ）には、上記光方向変換部４２４の具体的な構成が示されており、図４（Ａ）はフレネルレンズシートを光変調部（液晶パネル）４２２側から見た斜視図を、図４（Ｂ）はＧ−Ｇ線に沿った断面図である。これらの図からも明らかなように、光方向変換部４２４には、複数の屈折型フレネルレンズ４２５が同心円状に形成されており、上記光変調部（液晶パネル）４２２から傾斜して投写された光は、これらのフレネルレンズ４２５の働きにより、ほぼ垂直方向に出射される（図の矢印を参照）。

＜＜高効率固体光源装置＞＞
次に、上述した光の利用効率が高く、白色を含め、所望の色の光を選択的に照射することができる光源部４２１の詳細な構成について、添付の図５〜９を参照しながら、以下に説明する。

まず、図５には、当該光源部４２１の全体構成が示されており、図からも明らかなように、光反射合成部２０と、光合成部３０と、そして、複数（本例では、例えば、４枚）の光源セル４０とから構成されている。なお、この図では、その視点を理由として、２枚の光源セル４０だけが示されている。なお、図の参照番号３５は、光合成部３０の光の出射面を示している。

光反射合成部２０は、図６にも示すように、例えば、金属（アルミニウム等）製で熱伝導率が高く光に反射率を高めるために内面を研磨面とし、増反射コートした部材からなり、断面が四角形で、その先端部分を放物面状に形成した、その外形が略角錐形状の部材からなり、その底面部を除いた全表面に、例えば、ＡリットルやＡリットルの表面に金属多層膜の増反射膜を成膜した反射面を形成したものである。

光合成部３０は、図７（Ａ）にも示すように、例えば、断面が三角形で、その底面が上面よりも大きな三角柱状の外形を有するダイクロイックプリズム３１を４個、組み立て、もって、図７（Ｂ）にも示すように、断面が四角形の角柱としたものである。なお、上記ダイクロイックプリズム３１の各々は、組み立てた状態で外周面となる面３２には反射面が、その他の二つの面３３、３４には、例えば、金属多層膜からなるダイクロイック特性を示す波長選択性の光学面（膜）が形成されている。

ここで、再び図５に戻り、上記光合成部３０（又は、光反射合成部２０でもよい）の各外周面には、それぞれ、光源セル４０が取り付けられている。当該光合成部３０の、光源セル４０が取り付けられている部分の断面が、図８に示されている。なお、本例では、図８にも明らかなように、４個の光源セル４０が取り付けられており、そして、それぞれの光源セル４０は、光の３原色であるＲ（赤）光を発光する光源セル４０Ｒ、Ｇ（緑）光を発光する光源セル４０Ｇ、そして、Ｂ（青）光を発光する光源セル４０Ｂとなっており、特に、Ｇ光を発光する光源セル４０Ｇは、一般的に、Ｒ（赤）光を発光する光源セル４０ＲやＢ（青）光を発光する光源セル４０Ｂに比較して、大きな出力光が得難いことから、光合成部３０の隣接する２つの外周面に取り付けられている。なお、光源セル４０が取り付けられる部分は、表面に形成された反射面が取り除かれている。

続いて、図８には、４個のダイクロイックプリズム３１ａ〜３１ｄを組み立てて形成された光合成部３０と、その外周面に取り付けられた光源セル４０ａ〜４０ｄが、断面により示されている（但し、各光源セル４０が取り付けられる部分は、表面に形成された反射面が取り除かれている。）そして、各光合成部３０の境界面には、上述したダイクロイック特性を示す波長選択性の光学面（膜）３３ａ〜３３ｄが配置されており、これにより、光源セル４０ａ〜４０ｄから出射した光は、当該波長選択性の光学面（膜）３３ａ〜３３ｄで反射又は通過し、更には、混色し、このことにより、白色を含む所望の色の光を取り出すことが可能となる。

次に、図９（Ａ）〜（Ｃ）には、上述した波長選択性の光学面（膜）３３ａ〜３３ｄの反射特性の一例を示す。即ち、これらの図にも示すように、Ｇ光反射面は、Ｇ領域の波長の光を反射し、他の波長領域の光を透過する。同様に、Ｂ光反射面は、Ｂ領域の波長の光を反射し、Ｒ光反射面は、Ｒ領域の波長の光を反射する。

ここで、図８の光合成部３０を一例として説明する。まず、光源セル４０ａと４０ｂをＧ（緑）色光を発光する光源セル、光源セル４０ｃをＢ（青）色光を発光する光源セル、そして、光源セル４０ｄをＲ（赤）色光を発光する光源セルとし、また、波長選択性光学面（膜）３３ａをＧ光反射／Ｒ光透過性とし、波長選択性光学面（膜）３３ｂをＲ光、Ｂ光反射／Ｇ光透過性とし、波長選択性光学面（膜）３３ｃをＧ光反射／Ｂ光透過性とし、そして、波長選択性光学面（膜）３３ｄをＢ光、Ｒ光反射／Ｇ光透過性とする。これにより、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を分離して、出射面３５（図５を参照）から取り出すことが出来る。

あるいは、上記した波長選択性光学面（膜）の反射／透過特性を適宜選択することで、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光が混合された白色光を出射面３５（図５を参照）から取り出すことも出来る。

次に、上記光反射合成部２０の内部、及び、光反射合成部２０と光合成部３０の全体の内部における光の合成について、添付の図１０（Ａ）及び（Ｂ）により説明する。なお、これらの図は、光反射合成部２０、及び、光反射合成部２０と光合成部３０の全体を、その光軸方向（図５の一点鎖線を参照）に沿って切断した切断面である。なお、ここでは、光源セル４０を光反射合成部２０の上面に取り付けた場合について述べる。

光反射合成部２０は、光源セルの放熱性を考慮すると熱伝導率が高く光の反射特性に優れたＡリットル等の金属が良く、その内面は例えば楕円、放物面、球面などとして光源セル４０ａ〜４０ｄからの放射光束を効率よく光合成部３０に導く。図１０（Ａ）に本願発明の実施例としての光反射合成部２０を示すが、全体として略放物面状の外形を有しており、その光の出射方向である光軸方向（図５の一点鎖線を参照）に沿った断面は、略放物線状となっている。また、この光軸方向に垂直断面は、その中央部より先端の部分では略楕円形状に、当該中央部から光合成部３０との接合部にかけては正方形又は長方形状となっており、これら光反射合成部２０と光合成部３０とは、互いに連続的につながる形状となっている。また、既に述べたが、光反射合成部２０の外周表面には反射面が形成されており、光源セル４０から出射した光を光合成部３０に反射する形状となっている。

即ち、図１０（Ａ）には、光源セル４０の各発光点４０１〜４０５から出射した光の光反射合成部２０内での伝播方向を矢印で示している。光反射合成部２０の先端部を略放物面状とすることにより、各発光点４０１〜４０５から光は、当該光反射合成部２０の内部で反射を繰り返すことで混合され、その結果、光合成部３０には略均一化されて光束が出射される。

図１０（Ｂ）は、光反射合成部２０と光合成部３０の全体における光線の伝播を示した図であり、上記光反射合成部２０から光合成部３０へ入射した光束は、光合成部３０の外周面で反射しながら出射面へ向かい光束の光密度が均一化され外部へ出射する。その際、光合成部３０を構成するダイクロイックプリズム３１ａ〜３１ｄを通過することにより、特定の波長の光は上記波長選択性の光学面（膜）３３ａ〜３３ｄで反射される。即ち、波長選択性光学面（膜）３３ａ〜３３ｄを設けることによれば、当該光合成部３０の外周面に形成した反射面でのみ反射させる場合に比較し、光合成部の内部での反射の回数が増大し、光の利用効率が向上する。一例として、光合成部３０の外周面にアルミニウムの反射膜を形成し、当該反射膜でのみ内部の光を反射させた場合には、その反射ロスとして、約５％／反射１回）が発生するが、これに対し、波長選択性光学面（膜）３３ａ〜３３ｄを設けることによれば、反射せずに透過する光についても、その後、出射光束として利用できることから、全体としての光利用効率の低下は少ない。

また、波長選択性光学面（膜）３３ａ〜３３ｄを設けることによれば、光の光反射合成部２０の内部での反射回数が増加し、反射光束の強度分布をより均一にすることが出来る。換言すれば、出力光束の均一度を一定とした場合には、外周面での反射だけに比較し、当該光反射合成部２０の光軸方向の長さをより短縮することが出来る。更に、光合成部３０の入射面（光反射合成部２０の出射面）の面積を、その出射面３５の面積よりも大きくしていることから、出射光線の角度が光軸の方向に近づき、指向特性を狭域に絞ることができる。

即ち、上述した高効率固体光源装置によれば、光の利用効率が高く、光束の拡散角度を狭めた所望の色の光を選択的に取り出すことも可能な光源装置を実現することが出来る。

＜＜光変調部（液晶パネル）＞＞
続いて、上述した高効率固体光源装置を利用した場合の光変調部（液晶パネル）の詳細な構造について、以下に複数の実施例について説明する。

＜実施例１＞
上記の図２や図３にも示したように、上述した高効率固体光源装置を光源部４２１として利用し、当該光源からの白色光を、例えば、ＴＦＴ型液晶パネルからなる透過型の光変調部（液晶パネル）４２２に入射し、外部からの映像信号に基づいて所望の映像光に変換し、当該変換した映像光をプロジェクションレンズ４２３を介してフレネルレンズ４２５上に投写する。

かかる構成によれば、比較的簡単な構成により、フロントガラス４００の下辺部において所望の情報を映し出すヘッドアップディスプレイ装置を実現することが出来る。

＜実施例２＞
次に、光変調部（液晶パネル）の他の実施例（実施例２）について、図１１を参照しながら説明する。この図１１にも示すように、この実施例２では、上記実施例１に示した構成に加え、フレネルレンズ４２５の出射面側のほぼ全領域を覆うように、更に、第２の画像表示用液晶パネル４４０を取り付け、そして、当該第２の画像表示用液晶パネル４４０を駆動するための第２の液晶パネル駆動回路４３１を設けたものである。

なお、上記第２の画像表示用液晶パネル４４０は、第２の液晶パネル駆動回路４３１を介して外部からの映像信号（共通）に基づいて光変調を行う。かかる構成によれば、得られるコントラストは、第２の画像表示用液晶パネル４４０のコントラスト比と、上記第１の画像表示用液晶パネル４２２のコントラスト比との積となるため、特に、外光による視野に投写映像を表示するヘッドアップディスプレイ装置にとって非常に重要な、表示画像のコントラスト比を格段に向上することが可能になる。換言すれば、上記第１の画像表示用液晶パネル４２２や第２の画像表示用液晶パネル４４０として、比較的安価なパネルを採用しながらも、十分なコントラスト比を得ることが可能になる。

また、かかる構成において、上記第１の画像表示用液晶パネル４２２や第２の画像表示用液晶パネル４４０を、図に実線で示すように外部からの映像信号（共通）に基づいて光変調を行うのではなく、破線の矢印で示すように、ここでは図示しない３次元表示装置からの互いに異なる映像信号に基づいて光変調を行うことによれば、添付の図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、第１の画像表示用液晶パネル４２２による第１の画像１５５と第２の画像表示用液晶パネル４４０の第２の画像１７５により、情報を立体的（３次元表示）に映し出すことの可能なヘッドアップディスプレイ装置を実現することが出来る。

＜実施例３及び実施例４＞
図１３に示すように、上述した光反射合成部２０、光合成部３０、そして、光源セル４０とからなる固体光源部４２１の出射面側に、例えば、位相板などからなる位相差発生部５１と、フィールドレンズ５２を設け、当該固体光源部４２１からの出射光を、偏光プリズム等の偏光分離素子５３により第１の反射型の光変調部（例えば液晶パネル、反射型液晶パネル、ＤＬＰ等）４２２’上に導いた後、当該光変調部で変調された反射光を投写レンズ４２３によりフレネルレンズ４２５上に投写する。なお、この例では、フレネルレンズ４２５の光の出射側には、やはり、上記の第２の光変調部４４０が設けられている。

あるいは、図１４に示すように、上記固体光源部４２１から出射して位相差発生部５１とフィールドレンズ５２を透過した光を、例えば、アクリルやポリスチレン、ポリカーカーボネイト、ＰＥＴ等の樹脂からなり、その表面上に鋸歯状の突起部を多数形成してなる導光体５５により透過型の光変調部（液晶パネル）４２２上に導く構成とすることも可能である。

なお、以上に述べた実施例１〜４では、上記固体光源部４２１の光の出射面３５（図５を参照）からは、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光が混合された白色光が取り出されることとなり、そのため、当該光源部を構成する光源セル４０ａ〜４０ｄは、図示しない電源回路により、常時、駆動されることとなる。

上述した本願発明の高効率固体光源装置によれば、白色光のほかに、Ｒ（赤）光、Ｇ（緑）光、Ｂ（青）光を時間分割して、選択的に取り出すことが出来ることから、以下に詳細に述べる変調方式、即ち、光色循環式の変調方式を採用することも出来る。

＜＜光色循環式の変調方式＞＞
なお、この光色循環式の変調方式は、上記図２及び３に示した構成により実現することが可能であるが、但し、図１５にも示すように、外部からの映像信号に基づいて、上記固体光源部４２１からの光を、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光に、順次、選択的に切り替えると共に、光変調部４２２への映像信号を、Ｒ光用映像信号、Ｇ光用映像信号、Ｂ光用映像信号に、順次、切り替える。

例えば、図１５にも示すように、液晶パネル駆動回路４３０は、入力する映像信号からＲ光用映像信号、Ｇ光用映像信号、Ｂ光用映像信号を生成する変換回路４３１、４３２、４３３と、光源セル４０を駆動するための光源セル駆動電源回路４３４を備えている。

そして、上述した光変調部駆動回路４３０の構成によれば、図１６（Ａ）〜（Ｄ）にも示すように、互いに同期して働くスイッチ回路４３５、４３６を介して、以下のように動作する。即ち、スイッチ回路４３６を介して、Ｒ光の光源である光源セル４０Ｒに対して、光源セル駆動電源回路４３４からの駆動電流が供給される（図１６（Ａ）参照）時には、Ｒ光用映像信号が、スイッチ回路４３５を介して、光変調部４２２へ出力される（図１６（Ｄ）参照）。同様に、Ｇ光の光源である光源セル４０Ｇに対して、光源セル駆動電源回路４３４からの駆動電流が供給される（図１６（Ｂ）参照）時には、Ｇ光用映像信号が、スイッチ回路４３５を介して、光変調部４２２へ出力される（図１６（Ｄ）参照）。そして、Ｂ光の光源である光源セル４０Ｂに対して、光源セル駆動電源回路４３４からの駆動電流が供給される（図１６（Ｃ）参照）時には、Ｂ光用映像信号が、スイッチ回路４３５を介して、光変調部４２２へ出力される（図１６（Ｄ）参照）。なお、上述した光源セルの発光色と各色用の映像信号の切り替えは、例えば、１２０〜４８０Hzの周期で行う。このことによれば、液晶パネルの各ピクセルからの光は、人間の目にとって、各色光が混色して得られる自然な色として認識されることとなる。

なお、上述した構成によれば、従来の白色光を変調する変調方式に比較して、以下の様な効果が得られる。即ち、図１７（Ａ）にも示すように、従来の白色光を変調する変調方式では、光源からの白色光を、例えば、色フィルターＦを通して、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光に分離・変換した後、その各々を、Ｒ光用映像信号、Ｇ光用映像信号、Ｂ光用映像信号により駆動される液晶パネルの対応する各液晶セルＣ_Ｒ、Ｃ_Ｇ、Ｃ_Ｂに入射して変調を行い、その結果、変調したＲ光、Ｇ光、Ｂ光により、所望のカラー映像を投写している。

これに対し、上述した本発明になる光色循環式の変調方式によれば、図１７（Ｂ）に示すように、光源である固体光源部４２１からの光は、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光と、順次、選択的に切り替えることが可能であることから、これらの色光を液晶パネルを構成する各液晶セルＣに、順次、入射して変調を行えばよく、その結果、順次得られたＲ光用映像光、Ｇ光用映像光、Ｂ光用映像光を投写するにより、所望のカラー映像が得られることとなる。

このように、本発明になる光色循環式の変調方式によれば、従来の白色光を変調する変調方式に比較し、まず、白色光をＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分離・変換するための色フィルターＦが不要となり、当該色フィルターＦによる光の吸収を回避することが出来る。その結果、光源からの光の利用効率を大幅に向上することが可能となる。

加えて、従来の白色光を変調する変調方式では、液晶パネルの水平方向に隣接する３個の液晶セルＣ_Ｒ、Ｃ_Ｇ、Ｃ_Ｂを１の画像単位として取り扱うこととなるが、本発明になる光色循環式の変調方式では、ただ一つの液晶セルＣを１の画像単位として取り扱うことを可能とすることから、得られる画像の、特に、水平方向における解像度を３倍に向上することが可能となる。

即ち、上述した本発明になる光色循環式の変調方式を採用することによれば、光の利用効率が高く、かつ、解像度の高い投写画像が得られることから、特に、外光による視野に投写映像を表示するヘッドアップディスプレイ装置にとって非常に有利である。更には、例えば、上述した実施例２のように、第２の画像表示用液晶パネルを取り付け、もって、表示画像のコントラスト比を向上することや、立体（３次元）映像を表示することも可能である。

＜＜投写レンズの具体的な構成＞＞
続いて、光変調部からの映像光を、傾斜した方向に、台形歪を軽減して拡大して投写する、所謂、プロジェクションレンズ４２３の具体的な構成について、以下に詳細に説明する。

図１８（Ａ）及び（Ｂ）は、上記プロジェクションレンズ４２３である投写光学系１の構成図であり、図１９は、その光線図である。映像表示素子である液晶パネル４２２等から出射した映像光は、必要に応じてフィルター類を通過し、同軸レンズ系２と自由曲面レンズ系３で、屈折作用を自由曲面ミラー４で反射作用を受けた後に、フレネルレンズシートからなる光方向変換部４２４に投写される。

同軸レンズ系２は、正の屈折力を持つ第１レンズ群Ｇ_１と、負の屈折力を持つ第２レンズ群Ｇ_２とからなるレトロフォーカスタイプである。

第１レンズ群Ｇ_１は、ガラス製で正の屈折力を有し縮小側に小さい曲率半径を向けたレンズＬ_１と、プラスチック製の非球面レンズＬ_２と、ガラス製で正の屈折力を有し両凸形状のレンズＬ_３と、ガラス製で負の屈折力を有し両凹形状のレンズＬ_４と、ガラス製で正の屈折力を有し両凸形状のレンズＬ_５と、ガラス製で正の屈折力を有し拡大側に小さい曲率半径を向けた両凸形状のレンズＬ_６で構成され、レンズＬ_３からレンズＬ_５は貼合せのトリプレットレンズを構成している。

また、レンズＬ_１の屈折率は１．８より大きくし、レンズＬ_３とレンズＬ_５にはアッベ数が７０より大きい硝材を適用し、レンズＬ_４にはアッベ数が２５より小さい硝材を適用し、レンズＬ_６にはアッベ数が３５より小さい硝材を適用している。

第２レンズ群Ｇ_２は、プラスチック製で負の屈折力を有し縮小側に凸面を向けたメニスカス形状の非球面レンズＬ_７と、ガラス製で負の屈折力を持つ両凹形状のレンズＬ_８と、ガラス製で正の屈折力を有し拡大側に小さな曲率半径を向けた両凸形状のレンズＬ_９と、プラスチック製で負の屈折力を有し拡大側に凸面を向けたメニスカス形状の非球面レンズＬ_１０で構成している。

また、レンズＬ_８にはアッベ数が７０より大きい硝材を適用し、レンズＬ_９にはアッベ数が３５より小さい硝材を適用している。

自由曲面レンズ系３は、プラスチック製で拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズ形状の自由曲面レンズＬ_１１と、プラスチック製で拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズ形状の自由曲面レンズＬ_１２とで構成している。

以下の表１にレンズデータを示すが、曲率半径は曲率半径の中心位置が進行方向にある場合を正の符号で表わしている。面関距離は、各面の頂点位置から次の面の頂点位置までの光軸上の距離を表わしている。

偏心はＹ軸方向の値であり、倒れはＹＺ平面内でＸ軸回りの回転であり、偏心・倒れは、該当の面で偏心と倒れの順に作用し、「普通偏心」では、偏心・倒れが作用した新しい座標系上での面関距離の位置に次の面が配置される。一方、「ＤＡＲ」は、デセンタ・アンド・リターンの意味で、偏心と倒れはその面でのみ作用し、次に面に影響しない。

硝材名のＰＭＭＡは、プラスチックのアクリルである。

以下の表２には、以下の数１で定義した自由曲面係数を示す。

自由曲面係数は、それぞれの光軸９（Ｚ軸）に対して回転非対称な形状であり、円錐項の成分とＸＹの多項式の項の成分で定義される形状である。例えば、Ｘが２次（ｍ＝２）でＹが３次（ｎ＝３）の場合は、ｊ＝｛（２＋３）^２＋２＋３×３｝／２＋１＝１９であるＣ_１９の係数が対応する。また、自由曲面のそれぞれの光軸の位置は、上記表１のレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。

以下の表３に、以下の数２で定義した非球面係数を示す。

非球面係数は、それぞれの光軸（Ｚ軸）に対して回転対称な形状であり、円錐項の成分と光軸からの高さｈの４次から２０次の偶数次の成分を使用している。

以下の表４に示した奇数次多項式非球面係数は、上記表３の非球面に奇数次の成分を加えた形状である。なお、高さｈは正の値なので、回転対称な形状である。

上述した投写光学系では、合焦レンズである自由曲面レンズ３を動かすことでも、フランジバック調整ができるが、（１）本来の合焦レンズの移動範囲（調整範囲）にズレが生じてしまう。また、（２）同軸レンズ系２の部品エラーは同じ同軸レンズ系２で補正することが光学性能にとって望ましい。これらの理由により、同軸レンズ系２の正の屈折力の第１レンズ群Ｇ_１を２つの屈折力の成分に分離する。具体的には、上記図１８（Ａ）及び（Ｂ）において、レンズＬ_１からレンズＬ_５と、レンズＬ_６とで分離し、レンズＬ_１からレンズＬ_５を光軸上で移動させることで、フランジバック調整を行った。

ここで、レンズＬ_５とレンズＬ_６の間に、開口絞り７を配置しているので、レンズＬ_５とレンズＬ_６では、主光線の光線高さの符号が正負逆となる。

従って、倍率色収差に関しては、レンズＬ_５とレンズＬ_６で作用が異なるので、レンズＬ_５ではアッベ数を７０以上としたが、レンズＬ_６では逆にアッベ数を３５以下とした。

次に、レンズＬ_７からレンズＬ_１０のレンズ構成について説明する。

レンズＬ_７からレンズＬ_１０は、同軸レンズ系２の中の負の屈折力のレンズ群であり、第２レンズ群Ｇ_２を構成している。従って、基本は凹レンズと凸レンズの構成である。

レンズＬ_７をプラスチック製で負の屈折力を有し縮小側に凸面を向けた非球面レンズとし、レンズＬ_８を負の屈折力を有し縮小側に凹面を向けた両凹形状のガラスレンズとし、レンズＬ_９を正の屈折力で拡大側の曲率半径が小さい両凸形状のガラスレンズ、レンズＬ_１０をプラスチック製で負の屈折力を有し拡大側に凸面を向けたメニスカス形状の非球面レンズとした。

即ち、以上に詳述した投写光学系を上記のプロジェクションレンズ４２３に適用することによれば、光変調部からの映像光を、傾斜した方向に投写しても、台形歪を軽減しながら拡大して投写することが可能となる。

＜＜透明スクリーン＞＞
次に、フロントガラス４００の下辺部において、その内側表面に沿って取り付けられ、上記の映像表示装置４２０から投写される光により情報を映し出すための手段である透明スクリーン４１０について、以下に説明する。

なお、上記では、反射防止膜からなる透明スクリーン４１０について既に説明したが、以下には、その他の透明スクリーン４１０’について述べる。

図２０（Ａ）は、透明スクリーン４１０’の一部を取り出して拡大して示した斜視図であり、この図からも明らかなように、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のフィルムからなる基板シート５００の表面に、断面が三角形状で全体が矩形状の微細な突起部５１０を、多数、形成したものである。なお、これら突起部５１０は、各々、図２０（Ｂ）の拡大断面で示すように、例えば、以下のような寸法に設定される。
縦（Ｌ）＝５〜１０μm： 横（Ｗ）＝２〜４μm

また、各突起部５１０の断面形状（角度）としては、その反射光を導く方向によっても異なるが、例えば、本例では、以下のように設定されている。
角度（θ_A）=２５〜６５度： 角度（θ_B）=６５〜２５度

更に、上述した突起部５１０は、PETフィルムからなる基板シート５００の表面上に、スクリーンの正面図である図２１（Ａ）又は（Ｂ）に示すように配置されて形成される。例えば、図２１（Ａ）には、突起部５１０が、水平方向及び垂直方向に、一列に所定に間隔で隔離されて並べられた例が示されている。たま、図２１（Ｂ）には、上記図２１（Ａ）とは異なり、突起部５１０が、その水平方向において上下に移動しながら所定に間隔で隔離されて並べられた例が示されている。

このように、基板シート５００の表面上に多数の突起部５１０を分散して配置する構成とすることによれば、所定の角度から入射する映像光を、選択的に、所望の方向に反射すると共に、かかる構成においてしばしば問題となる、所謂、モアレ縞の発生を回避することが可能となる。

このように、上述した構成になる透明スクリーン４１０’によれば、図２２にも示すように、外部からの光を透過すると共に、下方から入射する光（図２を参照）を所望の角度に反射し、もって、フロントガラス４００介して入る外部の視野と共に、その下部に取り付けられた透明スクリーン４１０’上に、運転に必要な各種の情報等を、運転者４０７の目４０９にとっても認識し易い状態で、同時に重畳して表示することが可能になる。

最後に、図２３に、本発明の他の実施の形態になるヘッドアップディスプレイ装置を示す。即ち、上記図１では、フロントガラスには、予め、透明スクリーン４１０が取り付けられ、映像表示装置４２０がダッシュボード４０３の内部に搭載されたヘッドアップディスプレイ装置について説明したが、ここでは、それに換え、例えば、電車の操縦室や訓練室などにおいて、机や台の上に設置して利用することが可能なヘッドアップディスプレイ装置を示す。即ち、図からも明らかなように、表示部である透明スクリーン４１０は、例えば、その左右の両端部において、略「Ｌ」字状に形成された一対のスタンド４１１により、所定の角度で傾斜して保持されており、当該透明スクリーン４１０の下方には、光源部を内蔵して上方に向かって映像光を広角で投射する映像表示装置４２０が配置されており、これらの映像光は、透明スクリーン４１０により、その位置（高さ）により、それぞれ、所定の方向に（図１を参照。即ち、運転者４０７の目４０９に投射される方向に）、反射される。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するためにシステム全体を説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよく、又は、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

４００…フロントガラス、４１０…透明スクリーン、４２０…映像表示装置、４０７…運転者（操縦者）、４０９…目、４２１…光源部、４２２…光変調部（液晶パネル、反射型液晶パネル、ＤＬＰ等）、４２３…投写レンズ、４２４…光方向変換部、４３０…光変調部駆動回路、２０…光反射合成部、３０…光合成部、４０…光源セル、３１…ダイクロイックプリズム、３３…波長選択性光学面（膜）、３５…出射面。

Claims (1)

1. 操縦者の視界の一部に映像を含む情報を表示するヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記操縦者の視界を外れた位置に配置され、前記情報を投影するための映像光を発生して投写する映像表示装置を備え、
   前記映像表示装置を構成する光源として、複数の光源セルからの発光を反射及び混合して所定の方向に出射する固体光源装置を使用し、
   前記固体光源装置は、その外周面を反射膜で覆い、先端部に放物面を形成すると共に外形略四角推形状の導光体からなり、その外周面に、前記複数の光源セルを搭載していることを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。

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