JP2020052336A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上下方向の寸法を抑えた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１は、ユーザの前方正面に設置された虚像表示部に対してユーザから見て左辺の高さと右辺の高さとが一致している矩形虚像を投影可能なヘッドアップディスプレイ装置である。かかるヘッドアップディスプレイ装置１は、第１方向側が第２方向側よりもユーザに近付くように上下方向に平行な軸周りに第２傾斜角度を有しており、矩形虚像に対応した矩形画像を構成する表示光を出射する表示光出射部１０を有している。また、ヘッドアップディスプレイ装置１は、第１方向側が第２方向側よりもユーザに近付くように上下方向に平行な軸周りに第３傾斜角度を有しており、表示光を反射して、虚像表示部に対して反射光を出射する反射鏡２０を有している。【選択図】図４

Description

本発明はヘッドアップディスプレイ装置に関する。

自動車の運転者に情報を提供するためのヘッドアップディスプレイ装置が存在する。ヘッドアップディスプレイ装置は、光を透過する虚像表示部に対して画像を構成する表示光を入射することにより、ユーザに表示光の虚像を視認させる。自動車用のヘッドアップディスプレイ装置には、専用のコンバイナに虚像を表示するタイプのものと、自動車のウィンドシールドに虚像を表示するタイプとが知られている。このうち、自動車のウィンドシールドに虚像を表示するタイプの場合、ウィンドシールドが平面でなく、且つ、ユーザに対して傾斜していることから、表示させる虚像の歪を矯正する必要が生じる。そこで、かかる歪みを矯正する技術が提案されている。

特許文献１に記載の画像表示装置には、移動体に搭載される画像表示装置であって、移動体の左右方向をＸ方向、上下方向をＹ方向としたとき、中間像のＸＹ平面への投影像は、Ｘ方向に対して所定の角度θ１を成し、チルト軸のＸＹ平面への投影像は、Ｘ方向に対して角度θ２を成す。

特開２０１６−２０６６１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は移動体の前後方向軸周りに中間像を回転させるため、中間像を形成する中間像形成装置や、中間像をフロントガラスに投影する反射鏡を、移動体の前後方向軸周りに回転させて配置しなければならない。そのため、中間像形成装置や反射鏡の上下方向の大きさを小さくすることが難しい。

一実施形態によれば、ヘッドアップディスプレイ装置は、ユーザの前方正面に設置された虚像表示部に対してユーザから見て左辺の高さと右辺の高さとが一致している矩形虚像を投影可能なヘッドアップディスプレイ装置である。虚像表示部は、ユーザから見て左右方向の内の一方である第１方向側が当該第１方向側の反対側である第２方向側よりもユーザに近付くように上下方向に平行な軸周りに第１傾斜角度を有している。かかるヘッドアップディスプレイ装置は、第１方向側が第２方向側よりもユーザに近付くように上下方向に平行な軸周りに第２傾斜角度を有しており、矩形虚像に対応した矩形画像を構成する表示光を出射する表示光出射部を有している。また、ヘッドアップディスプレイ装置は、第１方向側が第２方向側よりもユーザに近付くように上下方向に平行な軸周りに第３傾斜角度を有しており、表示光を反射して、虚像表示部に対して反射光を出射する反射鏡を有している。
なお、上記「第１方向側」および「第２方向側」は、ユーザの左側および右側のいずれか一方を、第１方向側と称し、第１方向とは異なる他方を、第２方向と称している。

本発明によれば、上下方向の寸法を抑えた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。

実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の上面図である。 実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の側面図である。 実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の正面図である。 ヘッドアップディスプレイ装置の左端の光路と右端の光路を模式的に例示した側面図である。 ヘッドアップディスプレイ装置の左端の光路と右端の光路を模式的に例示した上面図である。

説明の明確化のため、以下の記載および図面は、適宜、省略、および簡略化がなされている。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。

＜実施の形態＞
以下、図を参照しながら本実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置１について説明する。ヘッドアップディスプレイ装置１は、自動車の運転者に対して任意の虚像を表示する装置である。ヘッドアップディスプレイ装置１が任意の虚像を表示することにより、ヘッドアップディスプレイ装置１が搭載された自動車は、適宜、運転者に対して所定の情報を呈示することができる。

図１を参照しながらヘッドアップディスプレイ装置１の構成について説明する。図１は、実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の上面図である。ヘッドアップディスプレイ装置１は主な構成として、表示光出射部１０および反射鏡２０を有している。ヘッドアップディスプレイ装置１は、自動車に搭載されており、搭載されている自動車のウィンドシールド３０に虚像を投影するように構成されている。

なお、本実施の形態を説明する図には、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものとして、右手系の直交座標系が付されている。図１〜５において、それぞれの直交座標系のＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸方向はそれぞれ一致している。図１において、Ｘ軸は自動車およびユーザＵの左右方向に一致しており、Ｘ軸プラス方向は自動車およびユーザＵの右側である。また、Ｙ軸は自動車およびユーザＵの前後方向に一致しており、Ｙ軸プラス方向は、自動車およびユーザＵの前方である。Ｚ軸は自動車およびユーザＵの上下方向に一致しており、Ｚ軸プラス方向は自動車およびユーザＵの上方である。

表示光出射部１０は、矩形の画像を構成する表示光Ｐ１を出射する機能を有する。表示光出射部１０は、例えば、光源部と、矩形の開口部を有し、光源部から受けた光に画像を合成する画像合成部とを主な構成とする。光源部は、例えば、ＬＥＤ、半導体レーザまたはランプなどにより構成される。画像合成部は、例えば、透過型液晶パネル、反射型液晶パネルまたはＭＥＭＳミラー等である。表示光出射部１０が出射した表示光Ｐ１は、反射鏡２０に照射される。

反射鏡２０は、表示光出射部１０から表示光Ｐ１を受け、受けた表示光Ｐ１を反射して、反射光Ｐ２を出射する。反射鏡２０は自由曲面を有する凹面鏡である。凹面鏡は拡大鏡として作用し、さらに反射鏡２０の自由曲面形状は、ユーザＵが視認する虚像の歪を抑えるように設計されている。すなわち、反射鏡２０は、虚像の歪を矯正する役割を担っている。反射光Ｐ２は、ウィンドシールド３０に照射される。

自動車が有するウィンドシールド３０は、自動車の前方に設けられている防風用のガラス板である。ウィンドシールド３０は虚像表示部３１を含んでいる。虚像表示部３１は、ユーザＵの前方正面に配置されている。虚像表示部３１は、可視光が所定の入射角で入射された場合に、反射鏡２０から受けた反射光Ｐ２を反射して、反射した光をユーザＵの網膜上で結像させる。これにより、ヘッドアップディスプレイ装置１は、表示光出射部１０が出射した表示光Ｐ１をユーザＵに虚像Ｐ３として認識させる。つまり、虚像表示部３１は、反射光Ｐ２が入射する入射面において虚像を表示する。

次に、ヘッドアップディスプレイ装置１の各構成およびウィンドシールド３０の位置関係について説明する。図において、運転者であるユーザＵは自動車の右側に設置された運転席に着座している。また、ヘッドアップディスプレイ装置１は、ユーザＵが運転席に着座している状態でユーザＵが虚像を視認できるように配置されている。

また、図に示すように、ウィンドシールド３０は、緩やかな弓状に形成され、中央部が前方に張り出している。そのため、自動車の右側に着座しているユーザＵの正面のウィンドシールド３０に設けられている虚像表示部３１は、左側（Ｘ軸マイナス側）よりも右側（Ｘ軸プラス側）の方が、ユーザＵに近付くように傾斜している。なお、左側（Ｘ軸マイナス側）および右側（Ｘ軸プラス側）のいずれか一方を、第１方向側と称し、第１方向とは異なる他方を、第２方向と称することもできる。

ここで、かかる傾斜について具体的に説明する。図において、線分３１Ｄは、虚像表示部３１のＸＹ平面における断面形状を模式的に示している。一方、ユーザＵが虚像Ｐ３を直視する状態におけるユーザＵの視線ＶＬは、Ｙ軸に平行である。図示のように、ユーザＵの視線ＶＬと線分３１Ｄと直交する直線とは角度Ａ１を成している。つまり、本実施の形態において、虚像表示部３１が有する傾斜は角度Ａ１である。なお、角度Ａ１は第１傾斜角度とも称される。

このように虚像表示部３１がユーザＵの上下方向に平行な軸（Ｚ軸）周りに傾斜しているところ、反射鏡２０は、虚像表示部３１が反射光Ｐ２を反射して生成する虚像の光線が視線ＶＬと一致するように配置される。そのため、反射鏡２０は、虚像表示部３１の傾斜に応じて、虚像表示部３１よりも左側に配置される。

また、反射鏡２０は、反射光Ｐ２を図の右側に配置されている虚像表示部３１に向けて出射する。そのため、表示光出射部１０が出射する表示光Ｐ１は、反射鏡２０よりも左側から反射鏡２０に入射するように設定される。よって、各構成の配置は、Ｘ軸方向マイナス側からプラス側に向けて、表示光出射部１０、反射鏡２０、そして虚像表示部３１という順に配置される。換言すると、ヘッドアップディスプレイ装置１において、表示光出射部１０および反射鏡２０は、虚像表示部３１の傾斜に応じてユーザＵから遠い側の端部に近い側に配置されている。

次に、図２および図３を参照しながらヘッドアップディスプレイ装置１の各構成およびウィンドシールド３０の位置関係についてさらに説明する。図２は、実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の側面図である。図に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１は、ウィンドシールド３０の下方に表示光出射部１０および反射鏡２０が配置されている。また、表示光出射部１０は、相対的に、反射鏡２０よりも後方（Ｙ軸マイナス方向）に配置され、表示光出射部１０よりも前方（Ｙ軸プラス方向）に反射鏡２０が配置されている。

図３は、実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の正面図である。図２および図３に示すように、表示光出射部１０と反射鏡２０とは、ＸＹ平面に平行に配置されている。表示光出射部１０が出射する表示光Ｐ１は、矩形画像の左右方向における画素の配列がＸＹ平面に平行である。換言すると、矩形画像における左辺の高さと右辺の高さは一致している。また、図に示す線Ｌ１は、表示光出射部１０が出射する表示光Ｐ１の上下方向（Ｚ軸方向）中央部における出射方向を示している。線Ｌ１は、ＸＹ平面と平行である。すなわち、表示光出射部１０は、左右方向の画素の配列がＸＹ平面に平行な矩形画像を構成する表示光Ｐ１をＸＹ平面に平行な方向に出射する。

反射鏡２０は、左右方向の画素の配列がＸＹ平面に平行な矩形画像を構成する表示光Ｐ１を受けると、左右方向の画素の配列がＸＹ平面に平行な状態を維持したまま、反射光Ｐ２を虚像表示部３１に出射する。すなわち、反射鏡２０が有する自由曲面の配置および形状は、反射光Ｐ２のＹ軸（ユーザの前後方向に平行な軸）周りの傾きが矩形虚像のＹ軸周りの傾きと平行になるように構成されている。

また、図３において、線Ｌ２は、虚像表示部３１に投影される矩形虚像における左右方向の画素の配列に平行な直線である。線Ｌ２は、ＸＹ平面と平行である。つまり、上述した表示光出射部１０および反射鏡２０の構成により、ヘッドアップディスプレイ装置１は、虚像表示部３１に対してユーザから見て左辺の高さと右辺の高さとが一致している矩形虚像を投影する。このように構成することにより、ヘッドアップディスプレイ装置１は、表示光出射部１０および反射鏡２０の上下方向の寸法を抑えることができる。

次に、図４および図５を参照しながら表示光出射部１０、反射鏡２０および虚像表示部３１がそれぞれ有する傾斜について説明する。図４は、ヘッドアップディスプレイ装置の左端の光路と右端の光路を模式的に例示した側面図である。図５は、ヘッドアップディスプレイ装置の左端の光路と右端の光路を模式的に例示した上面図である。図４および図５は、表示光出射部１０の左端部１０Ｌおよび右端部１０Ｒ、反射鏡２０の左端部２０Ｌおよび右端部２０Ｒ、虚像表示部３１の左端部３１Ｌおよび右端部３１Ｒおよびユーザの眼に相当するアイポイントＥＰが示されている。

また、図４および図５において、表示光出射部１０から出射される光のうち、ユーザから見て左端の光線が点線により示されている。すなわち、ヘッドアップディスプレイ装置１は、表示光出射部１０の左端部における任意の高さの位置から反射鏡２０に光線ＢＬ１を出射する。反射鏡２０の左端部２０Ｌは光線ＢＬ１を反射して光線ＢＬ２を虚像表示部３１に出射する。虚像表示部３１の左端部３１Ｌは、光線ＢＬ２を受けて光線ＢＬ３をユーザのアイポイントＥＰに出射する。

同様に、図４および図５において、表示光出射部１０から出射される光のうち、ユーザから見て右端の光線が一点鎖線により示されている。すなわち、ヘッドアップディスプレイ装置１は、表示光出射部１０の右端部における光線ＢＬ１を出射する位置と同じ高さの位置から光線ＢＲ１を出射する。反射鏡２０の右端部２０Ｒは光線ＢＲ１を反射して光線ＢＲ２を虚像表示部３１に出射する。虚像表示部３１の右端部３１Ｒは、光線ＢＲ２を受けて光線ＢＲ３をアイポイントＥＰに出射する。なお、図４において光線ＢＬ１および光線ＢＲ１はＺ軸方向にずれて示されているが、これは理解を容易にする為であり、実際には重なっているものとする。光線ＢＬ３および光線ＢＲ３も同様である。

ここで、光線ＢＬ１の長さ、光線ＢＬ２の長さ、そして光線ＢＬ３の長さを全て加えた線分の長さは、表示光出射部１０の左端部からアイポイントＥＰまでの光路長である。また、光線ＢＲ１の長さ、光線ＢＲ２の長さ、そして光線ＢＲ３の長さを全て加えた線分の長さは、表示光出射部１０の右端部からアイポイントＥＰまでの光路長である。本実施の形態においては、表示光出射部１０の左端部からアイポイントＥＰまでの光路長と表示光出射部１０の右端部からアイポイントＥＰまでの光路長とが実質的に等しくなるように設定されている。なお、実質的に等しいとは、例えば１０パーセント程度の差を許容することを意味している。このように、表示光出射部１０からアイポイントＥＰまでの光路長が等しくなるように構成されることにより、ヘッドアップディスプレイ装置１は、ユーザから見た虚像の各画素がボケることなく表示される。

次に、表示光出射部１０および反射鏡２０の傾斜について説明する。図５には、虚像表示部３１の傾斜の角度Ａ１が示されている。虚像表示部３１の角度Ａ１については、図１を参照しながら説明したとおりである。また、表示光出射部１０は、左端部１０Ｌ（Ｘ軸マイナス側）よりも右端部１０Ｒ（Ｘ軸プラス側）の方が、ユーザに近付くように傾斜している。すなわち表示光出射部１０は、Ｙ軸に対して角度Ａ２の傾斜を有している。あるいは、表示光出射部１０は、上下方向に平行な軸周り（Ｚ軸周り）に角度Ａ２の傾斜を有しているということもできる。なお角度Ａ２は、第２傾斜角度とも称される。また、反射鏡２０は、左端部２０Ｌ（Ｘ軸マイナス側）よりも右端部２０Ｒ（Ｘ軸プラス側）の方が、ユーザに近付くように傾斜している。すなわち反射鏡２０は、Ｙ軸に対して角度Ａ３の傾斜を有している。あるいは、反射鏡２０は、上下方向に平行な軸周り（Ｚ軸周り）に角度Ａ３の傾斜を有しているということもできる。なお角度Ａ３は、第３傾斜角度とも称される。

反射鏡２０は、反射光がユーザから見て左右方向に傾かない（左辺の高さと右辺の高さとが一致する）矩形虚像を形成するように配置されている。また反射鏡２０の角度Ａ３は、矩形画像の左端に対応する表示光出射部からユーザＵのアイポイントまでの光路長と、矩形画像の右端に対応する表示光出射部からユーザＵのアイポイントまでの光路長が均等になるように設定されている。すなわち、反射鏡２０は、虚像表示部３１が有する角度Ａ１が大きくなるに連れて、角度Ａ３も大きくなるように配置される。表示光出射部１０が有する角度Ａ２は、虚像表示部３１が有する角度Ａ１および反射鏡２０が有する角度Ａ３に応じて設定される。

以上、実施の形態について説明した。上述の実施の形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置１において、表示光出射部１０および反射鏡２０は、左右方向の内の一方が他方よりもユーザに近付くように傾斜角度を有している。そして、このときの傾斜方向は、虚像表示部３１が有する傾斜角度の方向と同じである。また、表示光出射部１０の第２傾斜角度（角度Ａ２）および反射鏡２０の第３傾斜角度（角度Ａ３）は、各画素の光路長が同じになるように設定されている。このような構成により、ヘッドアップディスプレイ装置１は、Ｙ軸周りに回転させるなど上下方向の寸法を増加させる配置をせずに、矩形虚像を表示させることができる。したがって、自動車のダッシュボードを設計する場合に上下方向の制約が低減し、設計の自由度が高くなるという利点がある。以上のように、本実施の形態によれば、虚像の歪を悪化させることなく上下方向の寸法を抑えた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。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、ヘッドアップディスプレイ装置１は、鉛直軸周りに表示光出射部１０または反射鏡２０を回転させるための調整機構を有していてもよい。調整機構を有することにより、ヘッドアップディスプレイ装置１は、設置された後も虚像歪を矯正することができる。また、ヘッドアップディスプレイ装置１は、移動体に限らず、ユーザから見て左右方向の一方が他方よりユーザ側に近付くように傾斜する虚像表示部に投影する場合に適用できる。具体的には、ヘッドアップディスプレイ装置１は、自動車の運転模擬装置、飛行機のフライトシミュレータ、ゲーム機器等に適用されてもよい。

１ ヘッドアップディスプレイ装置
１０ 表示光出射部
１０Ｌ 左端部
１０Ｒ 右端部
２０ 反射鏡
２０Ｌ 左端部
２０Ｒ 右端部
３０ ウィンドシールド
３１ 虚像表示部
３１Ｄ 線分
３１Ｌ 左端部
３１Ｒ 右端部
ＥＰ アイポイント
Ｐ１ 表示光
Ｐ２ 反射光
Ｐ３ 虚像
Ｕ ユーザ
ＶＬ 視線

Claims (5)

1. ユーザから見て左右方向の内の一方である第１方向側が当該第１方向側の反対側である第２方向側よりも前記ユーザに近付くように上下方向に平行な軸周りに第１傾斜角度を有しており、前記ユーザの前方正面に設置された虚像表示部に対して前記ユーザから見て左辺の高さと右辺の高さとが一致している矩形虚像を投影可能なヘッドアップディスプレイ装置であって、
   前記第１方向側が前記第２方向側よりも前記ユーザに近付くように前記上下方向に平行な軸周りに第２傾斜角度を有しており、前記矩形虚像に対応した矩形画像を構成する表示光を出射する表示光出射部と、
   前記第１方向側が前記第２方向側よりも前記ユーザに近付くように前記上下方向に平行な軸周りに第３傾斜角度を有しており、前記表示光を反射して、前記虚像表示部に対して反射光を出射する反射鏡と、
   を備えるヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記表示光出射部は、前記矩形画像の前後方向に平行な軸周りの傾きが前記矩形虚像の前後方向に平行な軸周りの傾きと平行になるように配置されている、
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記反射鏡は、前記反射光の前後方向に平行な軸周りの傾きが前記矩形虚像の前後方向に平行な軸周りの傾きと平行になるように配置されている、
   請求項１または２に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記反射鏡は、前記反射光が前記矩形虚像を形成するように、前記虚像表示部の前記第１傾斜角度に応じて前記第３傾斜角度が設定される
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記表示光出射部が有する前記第２傾斜角度と、前記反射鏡が有する前記第３傾斜角度は、前記矩形画像の左端に対応する前記表示光出射部から前記ユーザのアイポイントまでの光路長と、前記矩形画像の右端に対応する前記表示光出射部から前記ユーザのアイポイントまでの光路長とが等しくなるように設定される
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のヘッドアップディスプレイ装置。

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