JP2019207263A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヘッドアップディスプレイ装置において、外光による映像表示素子の温度上昇を抑制することを目的とする。【解決手段】 映像形成ユニット（１１０）において形成される映像光束を被投射体に投射し虚像を形成させる投射光学系（１２０）を有し、投射光学系（１２０）が映像光束の光路に第１光学素子（１２２）と第２光学素子（１１３）を備え、第１光学素子（１２２）は赤外線と透過し、赤外線以外の光を反射させる光学特性を備え、第２光学素子（１１３）は第１光学素子（１２２）において反射された光が映像表示素子（１１１）を透過するように偏光する光学特性を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイ装置に関する。

ヘッドアップディスプレイ装置に関する技術として、特許文献１には、「液晶表示素子１５は、液晶セル１６と、液晶セル１６の前面に配設される第一の前側偏光部材１７と、液晶セル１６の後面に配設される後側偏光部材１８とを有する。第一の前側偏光部材１７と略同じ方向の偏光方向を有し液晶表示素子１５の前方に配設される第二の前側偏光部材２１を設ける。（要約抜粋）」という構成が開示されている。

この特許文献１のヘッドアップディスプレイ装置は、ケースの内部に進入した太陽光の熱により、液晶表示素子の液晶セルの温度が上昇して液晶セルの粘性が変化することを抑制することで、コントラスト比の適正さを保つようにしている。

特開２０００−１３１６８２号公報

特許文献１に開示されたヘッドアップディスプレイ装置は、液晶表示素子の前側偏光板の前方に反射型偏光部材を配置する。この反射型偏光部材には、偏光方向が、液晶表示素子の前側偏光板の偏光方向と同じものを用いる。したがって、反射型偏光部材を通過した太陽光は前側偏光板を通過し、液晶セル内で９０度捩じられて後側偏光板も通過する。即ち、特許文献１に開示されたヘッドアップディスプレイ装置では、反射型偏光部材が液晶表示素子に向かう太陽光の一部を反射し、かつ、反射型偏光部材を透過する太陽光の一部は液晶表示素子を通過するように構成されている。これによって、太陽光が液晶表示素子に至ることを防ぎ、太陽光の熱による液晶表示素子の温度による液晶セルの温度上昇を抑制することを目的としている。

反射型偏光部材は太陽光による熱を帯びるので、ケース内の温度を上昇させる。また、反射型偏光部材により反射された太陽光がケース内で散乱することでもケース内の温度を上昇させることになる。結果として、液晶セルの温度を上昇させる要因になる。

近年、ヘッドアップディスプレイ装置を用いた虚像の表示位置をより遠方に表示する要求や、表示領域をより大型にする要求が高まっている。虚像を遠方に表示するには、液晶表示素子から出射された映像光束の光路上にレンズを配置する必要がある。ケース内に進入してくる太陽光は映像光束の光路を逆行するので、光路上のレンズによって太陽光が液晶表示素子側に集光されやすくなる。

また、虚像を大型にするには、液晶表示素子から出射された光をスクリーンに向けて反射するミラー（凹面ミラー）を大きくする必要がある。凹面ミラーを大きくすると、ケース内部に進入し、映像光束の光路を逆行する太陽光の量が多くなる。これによっても、液晶表示素子の温度を上昇させやすい環境になる。

特許文献１に開示されている反射型偏光部材を用いた構成において、遠方表示や大画面化のためにレンズと凹面ミラーを用いると、上記のように、ケース内部への太陽光の進入量が多くなるので、反射型偏光部材で反射される太陽光も多くなる。そうすると、さらに、液晶表示素子の温度を上昇させることになる。したがって、従来技術を用いても、ヘッドアップディスプレイ装置の内部の温度上昇を抑制するには、さらに課題がある。

本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、太陽光により生ずるケース内部の熱をケース外部へと排出する構造を備え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。

上記した課題を解決するために、本発明はヘッドアップディスプレイ装置に関するものであって、映像表示素子を備える映像形成ユニットと、前記映像形成ユニットにおいて形成される映像光束を被投射体に投射し虚像を形成させる投射光学系と、を備え、前記映像光束の光路に第１光学素子と第２光学素子が配置されていて、前記第１光学素子は、赤外線を透過し、赤外線以外の光を反射させる光学特性を有し、前記第２光学素子は、前記第１光学素子において反射された前記光が前記映像形成ユニットを透過するように偏光する光学特性を有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、太陽光により生ずるケース内部の熱をケース外部へと排出することができる。

本発明に係るヘッドアップディスプレイ装置の実施形態を示す構成図である。 本実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置の投射光学系の構造の例を示す構成図である。 本実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置の投射光学系の構造の別の例を示す構成図である。 本実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置の効果を説明する構成図である。

以下、図面等を用いて、本発明の一実施形態について説明する。本発明は、以下において説明される内容に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。なお、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

＜ヘッドアップディスプレイ装置１０の構成＞
まず、本発明の一実施形態であるヘッドアップディスプレイ装置１０について図１を用いて説明する。図１に示すように、本実施形態におけるヘッドアップディスプレイ装置１０は、ケース１３０の内部に映像形成ユニット１１０と、投射光学系１２０と、を備えている。ヘッドアップディスプレイ装置１０は、映像形成ユニット１１０において形成された映像光束を投射光学系１２０において被投射体に向けて拡大投射するように構成されている。

映像形成ユニット１１０は、表示素子１１１と、レンズ１１２と、偏光部材１１３と、を鏡筒１１４に収納して構成される。投射光学系１２０は、ケース１３０の内部に固定される平面ミラー１２２と凹面ミラー１２１により構成される。映像形成ユニット１１０から出射された映像光束Ｌは、投射光学系１２０によって、フロントガラス３に向けて拡大投射される。

ケース１３０は、例えば、全体が樹脂製であって、後述するように一部に金属部分を有する箱体である。なお、ケース１３０は、全体が金属製であってもよい。本実施形態におけるケース１３０は、後述するように赤外線ＩＲが当たる部分が金属であれば、その他の部分の材質は適宜選択可能な部材を用いればよい。ケース１３０は、後述するように、映像光束Ｌの光路を逆行する外部光（太陽光ＳＬ）の熱をケース１３０の外部に排熱できる構造を備える。

ケース１３０の壁面の一部である上側の壁面の所定の位置には、ケース１３０の内部空間とケース１３０の外部とを連通する開口部が設けられている。この開口部は、映像光束Ｌの出射口となる。この出射口は、ケース１３０の内部に埃が入ることや、運転者５が間違ってケース１３０の内部の光学素子を触ることが無いように、映像光束Ｌが透過できる素材からなる防塵カバー１３１によって塞がれている。

＜ヘッドアップディスプレイ装置１０の利用態様＞
まず、ヘッドアップディスプレイ装置１０の利用態様について図２および図３を用いて説明する。図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、車両２の運転席前方（ダッシュボード内部）に配置される。ヘッドアップディスプレイ装置１０から出射される映像光束Ｌは、ダッシュボードの面に設けられる開口部を通過して、被投射体であるフロントガラス３に拡大投射される。

フロントガラス３に拡大投射された映像光束Ｌは運転者５の方向に反射され、この映像光束Ｌは運転者５の網膜で結像する。これによって、運転者５には、フロントガラス３の実際の位置よりもさら前方の位置に虚像６が表示されているように視認される。すなわち、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、フロントガラス３に対し映像光束Ｌを用いて虚像６を投射する。虚像６は、車両２の動作状況に関わる情報や、運転者５が設定した行き先への道順を知らせるナビゲーション情報、その他、運転者５にとって車両２の運転に有益な情報を表示する。

図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、映像形成ユニット１１０から出射された映像光束Ｌが、投射光学系１２０が備える２枚の反射ミラーにおいて反射されてフロントガラス３に投射されている。

なお、ヘッドアップディスプレイ装置１０における光学系の構成として、例えば図３に示すように、投射光学系１２０を１枚の反射ミラーを用いて構成してもよい。図４の構成では、映像形成ユニット１１０から出射された映像光束Ｌが投射光学系１２０において１回反射されてフロントガラス３に拡大投射される。この場合、後述するように、２枚の反射ミラーが備える機能を１枚の反射ミラーに持たせればよい。

＜太陽光の影響＞
次に、ヘッドアップディスプレイ装置１０に太陽光が進入した場合、ケース１３０の内部環境や、表示素子１１１の温度を上昇させる仕組みについて図４を用いて説明する。図４は、ヘッドアップディスプレイ装置１０を車両２に搭載した場合であって、太陽Ｓからの太陽光ＳＬが映像光束Ｌの投射方向に逆行して、ヘッドアップディスプレイ装置１０の内部に進入する様子を例示している。なお、図４に示すヘッドアップディスプレイ装置１０は、映像形成ユニット１１０に偏光部材１１３を有さず、投射光学系１２０に用いる平面ミラー１２２は通常のものであってコールドミラーのような光学特性を有さないものとする。

図４に示すように、太陽光ＳＬがフロントガラス３を透過して、車両２のダッシュボード部分の開口部にある防塵カバー１３１を透過して、ケース１３０の内部に進入する。ケース１３０の内部に進入した太陽光ＳＬは、凹面ミラー１２１で反射されて平面ミラー１２２に向かう。この平面ミラー１２２は、太陽光ＳＬのうちフロントガラスにてカットできていない波長領域の光線を表示素子１１１に向けて反射する。即ち、太陽光ＳＬに含まれる赤外線ＩＲも可視光線も表示素子１１１に向けて反射される。なお、フロントガラスにおいて、可視光線よりも波長の短い紫外線はカットされる。したがって、前述の「フロントガラスにてカットできていない波長領域」とは、紫外線よりも波長が長い光線、即ち、可視光線や赤外線に相当する波長領域を意味する。

図４に示すヘッドアップディスプレイ装置１０は、偏光部材１１３が配置されていないので、太陽光ＳＬはそのまま表示素子１１１に当たる。これによって、表示素子１１１は太陽光ＳＬによる熱を帯びて、画質に悪影響を与える。

仮に、反射機能を備える偏光部材１１３をレンズ１１２の前方に配置した場合、太陽光ＳＬが表示素子１１１に直接的に当たることは防ぐことができる。しかしこの場合、偏光部材１１３が太陽光ＳＬによる熱を帯びる。偏光部材１１３の熱は鏡筒１１４を介して表示素子１１１に伝わるので、表示素子１１１へ熱による悪影響を与えることになる。また、反射機能を備える偏光部材１１３によって反射された太陽光ＳＬの熱は、ケース１３０の内部の温度を上昇させる。そのため、投射光学系１２０においてケース１３０の外部に太陽光ＳＬの熱を排熱する機能を有さなければ、表示素子１１１の温度が上昇しやすくなる。

また、平面ミラー１２２によって反射された太陽光ＳＬのうち、可視光線も表示素子１１１にそのまま当たるので、この可視光線の影響によって表示素子１１１の温度が上昇することもある。したがって、以下、図１を用いて説明するとおり、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０は、投射光学系１２０において赤外線ＩＲを透過し、可視光線を反射させる光学特性を備える第１光学素子を備える。また、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０は、映像形成ユニット１１０において、太陽光ＳＬに含まれる可視光線が表示素子１１１を透過するように偏光する光学特性を備える第２光学素子を備える。

＜映像形成ユニット１１０の構成＞
図１に戻る。すでに説明したとおり、映像形成ユニット１１０は、表示素子１１１と、レンズ１１２と、偏光部材１１３と、を鏡筒１１４に収納して構成される。鏡筒１１４は、金属または樹脂からなる筒状の部材であって、一方の開口部近傍に偏光部材１１３が配置されていて、他方の開口部近傍に表示素子１１１が配置されている。レンズ１１２は、表示素子１１１と偏光部材１１３の間に配置されている。映像形成ユニット１１０は、表示素子１１１が形成した映像光束Ｌをレンズ１１２において集光し、レンズ１１２の前方に配置されている偏光部材１１３を通過させて出射する。

＜表示素子１１１＞
表示素子１１１は、液晶パネルを備える映像表示素子であって、平面状の液晶層を前側偏光部材と後側偏光部材で挟んだ構造を有している。したがって、表示素子１１１の外形は平板形状であって、図１に示すように、表示素子１１１がなす平面と平行関係にある面を形成する２つの軸をＸ軸とＹ軸とする。このＸ軸とＹ軸に直交する軸であって、映像光束Ｌの出射方向と並行の軸をＺ軸とする。

＜レンズ１１２＞
レンズ１１２は、映像光束Ｌを集光する光学素子である。レンズ１１２の作用によって、すでに述べたように、虚像６はフロントガラス３の前方かつ遠方に表示される。即ち、レンズ１１２を用いることによって、レンズ１１２を用いない場合に比べると、虚像６は運転者５にとって、より遠方に表示される。

＜偏光部材１１３＞
偏光部材１１３は、映像光束Ｌの光路を逆行する太陽光ＳＬに含まれる可視光線を、Ｙ軸方向に偏光させる第２光学素子である。偏光部材１１３の偏光方向は、表示素子１１１が備える前側偏光部材の偏光方向と同一方向である。すなわち、映像光束Ｌの光路を逆行する太陽光は、平面ミラー１２２で反射されて、偏光部材１１３で偏光されて、表示素子１１１を通過するようになる。

＜投射光学系１２０の構成＞
すでに説明したとおり、投射光学系１２０は、ケース１３０の内部の壁面に、平面ミラー１２２と凹面ミラー１２１の複数の光学素子を組み合わせて構成した反射部材を固定して構成されている。この投射光学系１２０は、映像形成ユニット１１０から出射された映像光束Ｌをフロントガラス３に向けて拡大投射する。なお、図３を例示して説明したとおり、凹面ミラー１２１のみを用いて投射光学系１２０を構成することもできる。この場合、後述するような平面ミラー１２２の機能を凹面ミラー１２１が備えればよい。

＜平面ミラー１２２＞
平面ミラー１２２は、映像形成ユニット１１０から出射された映像光束Ｌを凹面ミラー１２１に向けて反射する第１光学素子としての平面反射板である。また、平面ミラー１２２は、凹面ミラー１２１において反射された太陽光ＳＬに含まれる赤外線ＩＲを透過させる機能を備える、いわゆるコールドミラーである。即ち、平面ミラー１２２の反射面には、赤外線ＩＲを透過し可視光線を反射する光学薄膜が設けられている。平面ミラー１２２に当たった太陽光ＳＬは、可視光線よりも波長の長い赤外線ＩＲが平面ミラー１２２を透過して、ケース１３０の内壁に向かう。なお、透過した赤外線ＩＲ以外の光線は、平面ミラー１２２において反射されて映像形成ユニット１１０に向かう。

平面ミラー１２２は、ケース１３０の壁面に板バネを介して押圧して固定されている（図示しない）。板バネが固定されているケース１３０の壁面は金属からなる。即ち、平面ミラー１２２を透過した赤外線ＩＲはケース１３０の壁面を構成する金属板に当たる。赤外線ＩＲが当たった金属部分は熱を帯びる。しかし、金属は熱伝導率が高いので、ケース１３０の外側の空気層に伝熱し、赤外線ＩＲによる熱はケース１３０の外部に排熱される。これによって、ケース１３０の内部へ進入した太陽光ＳＬによるケース１３０の内部の温度上昇を防ぐことができる。また、太陽光ＳＬに含まれる赤外線ＩＲは映像形成ユニット１１０に反射しないので、表示素子１１１の温度上昇を抑制することができる。なお、平面ミラー１２２のケース１３０への固定方式は、熱伝導シートを介してケース１３０の内壁面に固定する方式でもよい。この場合も、平面ミラー１２２を透過した赤外線が当たる位置のケース１３０の内壁には金属板を配置する。または、いずれの固定方式においても、上述したようにケース１３０全体が金属製でもよい。

＜凹面ミラー１２１＞
凹面ミラー１２１は、自由曲面ミラーであって、映像光束Ｌをフロントガラス３に向けて拡大投射する光学素子である。これによって、映像光束Ｌがフロントガラス３の所定の領域に広がって投射され、虚像６を大きく表示することができる。

また、凹面ミラー１２１に平面ミラー１２２の機能を持たせてもよい。具体的には、凹面ミラー１２１の反射面に赤外線ＩＲを透過し、可視光線を反射する光学薄膜を設ければよい。これによって、図３にて例示した構成をヘッドアップディスプレイ装置１０に用いたとしても、平面ミラー１２２を用いた場合と同様の作用および効果を備える投射光学系１２０を構成することもできる。この場合、凹面ミラー１２１が第１光学素子として機能する。

＜平面ミラー１２２の作用＞
次に、平面ミラー１２２の作用および効果についてさらに詳細に説明する。図１に示すように太陽光ＳＬが凹面ミラー１２１において反射されて、この反射光が平面ミラー１２２に当たる。平面ミラー１２２は、コールドミラーである。したがって、太陽光ＳＬに含まれる赤外線ＩＲは、平面ミラー１２２を透過する。平面ミラー１２２は、ケース１３０の内部における金属部分に取り付けられているので、平面ミラー１２２を透過した赤外線は、ケース１３０の金属部分に当たる。赤外線ＩＲが当たった金属部分は熱を帯びるが、この熱はケース１３０の外部空間に伝搬して排出される。これによって、太陽光ＳＬに含まれる赤外線ＩＲによるケース１３０の内部温度の上昇を抑制することができる。また、太陽光ＳＬに含まれる赤外線ＩＲが映像形成ユニット１１０側に反射されることを防ぐことができる。

ヘッドアップディスプレイ装置１０に進入した太陽光ＳＬは、平面ミラー１２２において可視光線のみが映像形成ユニット１１０に向けて反射される。

＜偏光部材１１３の作用＞
次に、偏光部材１１３の作用および効果について詳細に説明する。平面ミラー１２２で反射された太陽光ＳＬの可視光線は、Ｙ軸方向に偏光されて偏光部材１１３を通過する。偏光部材１１３を通過した可視光線はレンズ１１２を透過して表示素子１１１に至る。偏光部材１１３の偏光方向と、表示素子１１１の前側偏光部材の偏光方向は同一である。したがって、可視光線は前側偏光部材を透過して、液晶層で９０度捻れて、後側偏光部材を透過する。これによって、太陽光ＳＬの可視光線は表示素子１１１を透過し、表示素子１１１において熱を帯びることを阻止できる。

＜本実施形態の作用、効果＞
以上説明したとおり、本実施形態に係るヘッドアップディスプレイ装置１０によれば、太陽光ＳＬがケース１３０の内部に進入した場合、この太陽光ＳＬに含まれる赤外線部分は、ケース１３０を介して外部に排熱する。また、太陽光ＳＬに含まれる可視光線は、偏光部材１１３によって表示素子１１１と透過する。

以上のように、太陽光ＳＬがケース１３０の内部に進入し、映像光束Ｌに対する逆光になった場合であっても、この逆光によってヘッドアップディスプレイ装置１０の温度が上昇することを抑制できる構造を備えている。これによって、液晶表示素子である表示素子１１１の動作に悪影響を及ぼす熱を効率的に排除できる。

１０ ヘッドアップディスプレイ装置
１１０ 映像形成ユニット
１１１ 表示素子
１１３ 偏光部材
１２０ 投射光学系
１２１ 凹面ミラー
１２２ 平面ミラー
１３０ ケース

Claims (9)

1. 映像表示素子を備える映像形成ユニットと、
   前記映像形成ユニットにおいて形成される映像光束を被投射体に投射し虚像を形成させる投射光学系と、
   を備え、
   前記映像光束の光路に 第１光学素子と第２光学素子が配置されていて、
   前記第１光学素子は、赤外線を透過し、赤外線以外の光を反射させる光学特性を有し、
   前記第２光学素子は、前記第１光学素子において反射された前記光 が前記映像形成ユニットを透過するように偏光する光学特性を有する、
   ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記映像表示素子は液晶表示素子であり、
   前記映像光束の光路において前記液晶表示素子に近い方から順に、前記第２光学素子である偏光部材と、前記第１光学素子である反射部材と、が配置されていて、
   前記反射部材は、前記赤外線を透過し、前記光を反射する 光学薄膜を反射面に備え、
   前記偏光部材における前記光の偏光方向は、前記液晶表示素子の前側偏光部材と同じ偏光方向である、
   ことを特徴とする請求項１記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記反射部材は、平面反射板と、凹面ミラーと、を組み合わせて構成され、
   前記平面反射板は、前記光学薄膜を反射面に有し、
   前記凹面ミラーは、前記映像光束を前記被投射体に拡大投射する自由曲面からなる反射面を有する、
   ことを特徴とする請求項２記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記映像形成ユニットは、前記液晶表示素子と、前記液晶表示素子から出射された前記映像光束を集光するレンズと、を有する、
   ことを特徴とする請求項２記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記映像形成ユニットと前記投射光学系はケースの内部に配置されていて、
   前記ケースの前記第１光学素子を透過した前記赤外線が当たる部分には金属が配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記ケースは、壁面が樹脂製であって、前記赤外線が当たる部分のみ金属板が配置されている、
   ことを特徴とする請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
7. 前記ケースは、壁面が金属製である、
   ことを特徴とする請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
8. 前記第１光学素子は、前記金属に前記赤外線が当たるように前記ケースの壁面に板バネを介して固定される、
   ことを特徴とする請求項５に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
9. 前記第１光学素子は、前記金属に前記赤外線が当たるように前記ケースの壁面に熱伝導シートを介して固定される、
   ことを特徴とする請求項５記載のヘッドアップディスプレイ装置。