JP2021015132A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で、十分な虚像表示輝度を有し、かつアイボックスの上下方向の範囲が広いヘッドアップディスプレイ装置を提供する。【解決手段】画像表示素子と画像反射面６との間の光路上に、表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有し、かつ表示光の光軸に対して交差する方向に移動可能な光路偏向部材２３を有する構成とする。【選択図】図２

Description

本発明は、観察者と対向する画像反射面において画像表示素子に表示された画像の表示光を観察者側に反射させ、観察者に対して画像反射面越しに画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に関するものである。

従来より、自動車等の運転者に対して方向指示や注意喚起、走行速度等の情報を表示する装置として、ヘッドアップディスプレイ装置が知られている。ヘッドアップディスプレイ装置は、表示する画像の虚像をフロントウィンドウやコンバイナ等の画像反射面に映し出して、運転者が視界から目をそらすことなく自動車等の運転に必要な情報を認識することができるようにするためのものである。このようなヘッドアップディスプレイ装置として、特許文献１が提案されている。

特開２０１６−３１４０１号公報

このようなヘッドアップディスプレイ装置は、自動車等の移動体の運転席周りの限られた空間に設置しなければならないため、小型であることが要求される。

また、近年のヘッドアップディスプレイ装置では、フロントウィンドウ越しに見える景色に合わせて、ナビゲーションの情報および／または施設の情報等を表示する拡張現実（ＡＲ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）と呼ばれる手法が提案されている。このＡＲ系コンテンツを表示する場合には、フロントウィンドウ越しに見える景色中の各施設および／または道路の位置に厳密に合わせて情報を表示させないと効果的でないため、運転者の眼の位置を考慮して、虚像表示位置および角度を厳密に設定する必要がある。

ところで、ヘッドアップディスプレイ装置では、運転者が適切に虚像を観察できる範囲、すなわちアイボックスが決まっている。このアイボックスは、運転者が適切な運転姿勢をとった際に、運転者の眼が位置することが想定される範囲に設定されている。運転席の左右方向の位置は一般的には固定されているため、アイボックスに対して運転者の眼が左右方向で外れることは考えにくい。しかしながら、運転席の前後方向および上下方向の位置は一般的には調整可能であり、また運転者の身長および運転姿勢も多様であるため、アイボックスに対して運転者の眼が上下方向では外れやすくなってしまう。

このような問題を解消するため、運転者の瞳位置に合わせて、ヘッドアップディスプレイ装置の表示ユニットを車両の前後方向に回転させて、アイボックスの上下方向の位置を調整可能とすることが考えられるが、この場合には虚像の表示俯角が変わってしまうため、ＡＲ系コンテンツの表示には適さない。

また、運転者の瞳位置に合わせて、ヘッドアップディスプレイ装置の表示ユニットを移動させて、アイボックスの上下方向の位置を調整可能とすることが考えられるが、この場合には虚像の表示俯角は変わらないものの、装置が大型化し、さらに、表示ユニットを移動させるための駆動部が必要となるため、コストおよび消費電力が増加するという問題がある。

また、特許文献１の装置では、表示ユニットと画像反射面との間に拡散素子を配し、表示ユニットから出射した画像の表示光を拡散させて画像反射面に投写することで、アイボックスを拡大させている。しかしながら、表示光の全光束を一定とすると、表示光を拡散させる程、虚像の輝度は低下するため、アイボックスを大きく拡大することは難しいという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、小型で、十分な虚像表示輝度を有し、かつアイボックスの上下方向の範囲が広い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ものである。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、観察者と対向する画像反射面において画像表示素子に表示された画像の表示光を観察者側に反射させ、観察者に対して画像反射面越しに画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であって、画像表示素子と画像反射面との間の光路上に、表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有し、かつ表示光の光軸に対して交差する方向に移動可能な光路偏向部材を有する。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置においては、画像表示素子とヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスとの間の光路上に、パワーを有する第１の光学系を有してもよい。

また、画像表示素子に表示された画像を画像反射面に投写する第２の光学系を有してもよい。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、第２の光学系を有した場合、表示光を拡散させる拡散板を有し、第２の光学系は、画像表示素子に表示された画像を拡散板において中間像として結像させることが好ましい。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置において、拡散板を有した場合、光路偏向部材が移動可能な方向に対応した拡散板の拡散特性は、半値幅に相当する角度から出射した光束が、ヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスに入射した際に、光路偏向部材によって光束が移動する方向に対応したアイボックスの幅の６７％以下の領域に入射する特性であることが好ましい。

また、虚像を形成する光束がヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスの中心に入射するときの光路偏向部材の位置を基準位置とし、基準位置からの光路偏向部材の最大片側移動量をｄ、光路偏向部材の光学要素の焦点距離をｆ、光路偏向部材が移動可能な方向に対応した拡散板の拡散特性において、アイボックスの全幅に入射する光束に対応する拡散板の拡散角をθｍａｘ、光路偏向部材が移動可能な方向に対応した拡散板の拡散特性において、半値幅に相当する拡散板の拡散角をθとした場合、条件式（１）を満足することが好ましい。
ｄ≧ｆ×ｔａｎ（（θｍａｘ−θ）／２） …（１）

本発明のヘッドアップディスプレイ装置においては、光路偏向部材は、フレネルレンズ、コンデンサレンズ、レンチキュラーレンズ、またはマイクロレンズアレイとすることができる。

また、観察者の瞳位置を検出する瞳位置検出手段と、瞳位置検出手段により検出された瞳位置に基づいて光路偏向部材を移動させる制御手段とを有するものとしてもよい。

本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、観察者と対向する画像反射面において画像表示素子に表示された画像の表示光を観察者側に反射させ、観察者に対して画像反射面越しに画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であって、画像表示素子と画像反射面との間の光路上に、表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有し、かつ表示光の光軸に対して交差する方向に移動可能な光路偏向部材を有するものとしたので、小型で、十分な虚像表示輝度を有し、かつアイボックスの上下方向の範囲が広いヘッドアップディスプレイ装置とすることができる。

本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の運転席の模式図 上記ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 上記ヘッドアップディスプレイ装置の画像表示部の概略構成図 上記ヘッドアップディスプレイ装置の画像表示部の概略構成図 上記ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 上記ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 拡散板の拡散角と輝度との関係を示すグラフ 拡散板の拡散角の説明図 拡散板の拡散角とアイボックス幅との関係を示す図 光路偏向部材としてのマイクロレンズアレイの上面図 図１０中のＡ位置の拡大図 図１０中のＢ位置の拡大図 図１０中のＣ位置の拡大図 図１０中のＤ位置の拡大図 図１０中のＡ位置におけるＹ−Ｙ線拡大図 図１０中のＢ位置におけるＹ−Ｙ線拡大図 その他の実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 その他の実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図 その他の実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の運転席の模式図、図２、５、６は上記ヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図、図３、４は上記ヘッドアップディスプレイ装置の画像表示部の概略構成図である。

図１に示すように、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０は、自動車のダッシュボード内に配置され、装置内から射出した走行速度等の情報を示す画像をフロントウィンドウ（画像反射面）６で反射させ、運転者（観察者）１１の瞳位置がアイボックス７内にある状態で、運転者１１のフロントウィンドウ６越し前方に虚像８として表示するものである。

また、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０は、画像表示素子２１とフロントウィンドウ６との間の光路上に、表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有し、かつ表示光の光軸に対して交差する方向に移動可能な光路偏向部材２３を有する。

より詳細には、図２に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置１０は、画像表示部１と、第１凹面ミラー２と、第２凹面ミラー３と、開口絞り４と、第３凹面ミラー５とを有し、画像表示部１から出射された表示光が、第１凹面ミラー２、第２凹面ミラー３、第３凹面ミラー５の順に反射してフロントウィンドウ６に到達するように構成されている。

なお、画像表示素子２１とアイボックス７との間の光路上に、パワーを有する第１の光学系を有してもよい。このような態様とすることで、虚像８の表示サイズに対して、画像表示素子２１を含む画像表示部１のサイズを小さくすることができるため、装置の小型化に有利となる。

パワーを有する第１の光学系については、フロントウィンドウ（画像反射面）６を曲面形状として、フロントウィンドウ（画像反射面）６自体を第１の光学系としてもよい。また、フロントウィンドウ（画像反射面）６とは別に、パワーを有するミラーまたはレンズ等の光学素子を１つまたは複数組み合わせて第１の光学系としてもよい。また、曲面形状のフロントウィンドウ（画像反射面）６とパワーを有する光学素子を１つまたは複数組み合わせて第１の光学系としてもよい。本実施形態においては、画像表示部１とフロントウィンドウ６との間の光路上に配された、第１凹面ミラー２、第２凹面ミラー３、開口絞り４、および第３凹面ミラー５により、第１の光学系が構成されている。

図３に示すように、画像表示部１は、画像表示素子２１と、画像表示素子２１に表示された画像をフロントウィンドウ６に投写する投写光学系（第２の光学系）２２と、画像表示素子２１から出射した表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有し、かつ表示光の光軸に対して交差する方向に移動可能な光路偏向部材２３と、表示光を拡散させる拡散板２４とから構成されている。

画像表示素子２１は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）またはＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）のような素子を用いることができる。自発光型でない素子を用いる場合には、別途光源を設ける必要があるが、図３では光源は省略して表示している。

投写光学系２２は、画像表示素子２１に表示された画像を拡散板２４において中間像として結像させるように構成されている。このように、画像表示素子２１に表示された画像を一旦拡散板２４に結像させて、画像の表示光を拡散させることによって、アイボックス７を拡大させることができる。

光路偏向部材２３は、フレネルレンズ、コンデンサレンズ、レンチキュラーレンズ、またはマイクロレンズアレイ等、表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有する光学素子であれば、どのような素子を用いてもよい。なお、光路偏向部材２３の透過面については、非球面形状であってもよいし、自由曲面形状であってもよい。また、シリンドリカルレンズやトーリックレンズのように、回転対称性を持たない光学素子であってもよい。また、拡散板２４の裏面に光路偏向部材２３を形成する等して、両者を一体のものとしてもよい。本実施形態においては、光路偏向部材２３としてフレネルレンズを用いた例を図示している。

光路偏向部材２３および拡散板２４は、不図示の駆動手段により一体的に移動される。図４に示すように、画像表示部１は、画像表示素子２１から出射した表示光の光軸に対して交差する方向に光路偏向部材２３および拡散板２４を移動させることで、光路偏向部材２３透過後の表示光の光軸を偏向することができる。なお、表示光の光軸偏向時の、光路偏向部材２３および拡散板２４の移動方向については、表示光の光軸に対して直交する方向とすることが好ましいが、表示光の光軸に対して直交する方向でなくても、表示光の光軸に対して直交する成分を持つ方向であれば、表示光の光軸を偏向させることができる。

図２は、虚像８を形成する光束がアイボックス７の中心に入射するときの状態を示している。図２の状態から、光路偏向部材２３および拡散板２４を図２中の左方向に移動させることにより、図５に示すように、アイボックス７に入射する光束を上方に移動させることができる。逆に、図２の状態から、光路偏向部材２３および拡散板２４を図２中の右方向に移動させることにより、図６に示すように、アイボックス７に入射する光束を下方に移動させることができる。

光路偏向部材２３および拡散板２４の移動については、図１、２等に示すように、運転者１１の瞳位置を検出するカメラ（瞳位置検出手段）４０と、瞳位置検出手段４０により検出された瞳位置に基づいて光路偏向部材２３および拡散板２４を移動させる駆動手段を制御する制御手段４１とを備え、運転者１１の瞳位置に基づいて自動的にアイボックス７に入射する光束の位置を調整するように構成することが好ましい。

制御手段４１のハードウェアの構成は特に限定されるものではなく、複数のＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、プロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、およびメモリなどを適宜組み合わせることによって実現することができる。

このように、運転者１１の瞳位置に基づいて自動的にアイボックス７に入射する光束の位置を調整するようにすることによって、運転者１１の運転中の余計な操作を無くすことができるため、安全性および利便性を向上させることができる。

なお、光路偏向部材２３および拡散板２４の移動については、上記の通り自動的に行う代わりに、運転者１１の入力操作に基づいて移動させるようにしてもよい。

このように、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０では、光路偏向部材２３および拡散板２４の位置を変化させることで、アイボックス７に入射する光束を上下方向に移動させることができるため、アイボックス７の上下方向の範囲を広げることができる。

このとき、ヘッドアップディスプレイ装置１０の主要構成要素全体を移動させるのではなく、小さい板状の光路偏向部材２３および拡散板２４のみを平行移動させるだけであるため、ヘッドアップディスプレイ装置１０の主要構成要素全体を移動させる場合と比較して装置を小型化することができる。

また、表示光の全光束を一定とすると、表示光を拡散させる程、虚像８の輝度は低下するが、本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０では、表示光の拡散の度合を大きくするのではなく、運転者１１の瞳位置に応じて表示光の光軸を偏向させているため、虚像８の輝度低下を招くことなく、十分な虚像表示輝度を持たすことができる。

図７は拡散板の拡散角と輝度との関係を示すグラフ、図８は拡散板の拡散角の説明図、図９は拡散板の拡散角とアイボックス幅との関係を示す図である。本実施形態のヘッドアップディスプレイ装置１０においては、光路偏向部材２３が移動可能な方向に対応した拡散板２４の拡散特性は、半値幅に相当する角度θから出射した光束が、アイボックス７に入射した際に、光路偏向部材２３によって光束が移動する方向に対応したアイボックス７の幅Ｗｍａｘの６７％以下の領域Ｗ１に入射する特性であることが好ましい。このような構成とすることによって、アイボックス７の幅の全域に表示光を拡散させる場合と比較して、虚像８の表示輝度を１．５倍以上とすることができる。

また、虚像８を形成する光束がアイボックス７の中心に入射するときの光路偏向部材２３の位置を基準位置とし、この基準位置からの光路偏向部材２３の最大片側移動量をｄ、光路偏向部材２３の光学要素の焦点距離をｆ、光路偏向部材２３が移動可能な方向に対応した拡散板２４の拡散特性において、アイボックス７の全幅に入射する光束に対応する拡散板の拡散角をθｍａｘ、光路偏向部材２３が移動可能な方向に対応した拡散板２４の拡散特性において、半値幅に相当する拡散板の拡散角をθとした場合、条件式（１）を満足することが好ましい。
ｄ≧ｆ×ｔａｎ（（θｍａｘ−θ）／２） …（１）

条件式（１）を満足する構成とすることによって、虚像８の表示位置を移動させる場合に、アイボックス７の全域において適切に虚像８を表示させることが可能となる。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明のヘッドアップディスプレイ装置は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

例えば、光路偏向部材２３は、上記で示したフレネルレンズに限らず、図１０〜１６に示すようなマイクロレンズアレイとしてもよい。図１０は光路偏向部材としてのマイクロレンズアレイの上面図、図１１は図１０中のＡ位置の拡大図、図１２は図１０中のＢ位置の拡大図、図１３は図１０中のＣ位置の拡大図、図１４は図１０中のＤ位置の拡大図、図１５は図１０中のＡ位置におけるＹ−Ｙ線拡大図、図１６は１０中のＢ位置におけるＹ−Ｙ線拡大図である。

マイクロレンズアレイ２３Ａは、表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性となるように構成されている。

具体的には、マイクロレンズアレイ２３Ａの中心Ａでは、図１１に示すように、各マイクロレンズの中心ＬＣが各マイクロレンズの構成領域ＬＡの中心と一致するように構成されており、図１５に示すように、マイクロレンズアレイ２３Ａ透過後の表示光の光軸が偏向されないように構成されている。

また、マイクロレンズアレイ２３Ａの上方付近Ｂでは、図１２に示すように、各マイクロレンズの中心ＬＣが各マイクロレンズの構成領域ＬＡの中心から下方にずれた位置に構成されており、図１６に示すように、マイクロレンズアレイ２３Ａ透過後の表示光の光軸が下方に偏向されるように構成されている。

また、マイクロレンズアレイ２３Ａの右上方付近Ｃでは、図１３に示すように、各マイクロレンズの中心ＬＣが各マイクロレンズの構成領域ＬＡの中心から左下方にずれた位置に構成されており、マイクロレンズアレイ２３Ａ透過後の表示光の光軸が左下方に偏向されるように構成されている。

また、マイクロレンズアレイ２３Ａの右方付近Ｄでは、図１４に示すように、各マイクロレンズの中心ＬＣが各マイクロレンズの構成領域ＬＡの中心から左方にずれた位置に構成されており、マイクロレンズアレイ２３Ａ透過後の表示光の光軸が左方に偏向されるように構成されている。

このように、マイクロレンズアレイ２３Ａの中心に向かってシフトする偏心成分を持つことで、全体として凸レンズと同様の収束作用を有する。このようなマイクロレンズアレイ２３Ａを用いても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、マイクロレンズアレイ２３Ａは、拡散板と同様に発散作用を持つため、光路偏向部材としての機能と拡散板としての機能の両方の機能を備える。そのため、別途拡散板を設ける必要がなく、構成を簡素化できる。

画像表示部１の構成についても、上記で示した投写光学系を備えた態様に限らず、図１７〜１９に示すように、画像表示素子に表示された画像を直接虚像として表示させる構成としてもよい。図１７〜１９はその他の実施形態にかかるヘッドアップディスプレイ装置の概略構成図である。

具体的には、画像表示部１は、画像表示素子３０と、画像表示素子３０から出射した表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有し、かつ表示光の光軸に対して交差する方向に移動可能な光路偏向部材３１とから構成されている。

図１７は、虚像８を形成する光束がアイボックス７の中心に入射するときの状態を示している。図１７の状態から、光路偏向部材３１のみを図１７中の左方向に移動させることにより、図１８に示すように、アイボックス７に入射する光束を上方に移動させることができる。逆に、図１７の状態から、光路偏向部材３１のみを図１７中の右方向に移動させることにより、図１９に示すように、アイボックス７に入射する光束を下方に移動させることができる。このような構成としても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、これら以外の構成についても、上記実施形態の構成に限定されず、種々の変形が可能である。

１ 画像表示部
２ 第１凹面ミラー
３ 第２凹面ミラー
４ 絞り
５ 第３凹面ミラー
６ フロントウィンドウ（画像反射面）
７ アイボックス
８ 虚像
１０ ヘッドアップディスプレイ装置
１１ 運転者（観察者）
２１ 画像表示素子
２２ 投写光学系（第２の光学系）
２３ 光路偏向部材
２３Ａ マイクロレンズアレイ
２４ 拡散板
３０ 画像表示素子
３１ 光路偏向部材
４０ カメラ（瞳位置検出手段）
４１ 制御手段

Claims (8)

1. 観察者と対向する画像反射面において画像表示素子に表示された画像の表示光を前記観察者側に反射させ、前記観察者に対して前記画像反射面越しに前記画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であって、
   前記画像表示素子と前記画像反射面との間の光路上に、前記表示光の透過面内における位置に応じて異なる偏向特性を有し、かつ前記表示光の光軸に対して交差する方向に移動可能な光路偏向部材を有するヘッドアップディスプレイ装置。
2. 前記画像表示素子と前記ヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスとの間の光路上に、パワーを有する第１の光学系を有する
   請求項１記載のヘッドアップディスプレイ装置。
3. 前記画像表示素子に表示された画像を前記画像反射面に投写する第２の光学系を有する
   請求項１または２記載のヘッドアップディスプレイ装置。
4. 前記表示光を拡散させる拡散板を有し、
   前記第２の光学系は、前記画像表示素子に表示された画像を前記拡散板において中間像として結像させる
   請求項３記載のヘッドアップディスプレイ装置。
5. 前記光路偏向部材が移動可能な方向に対応した前記拡散板の拡散特性は、半値幅に相当する角度から出射した光束が、前記ヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスに入射した際に、前記光路偏向部材によって光束が移動する方向に対応した前記アイボックスの幅の６７％以下の領域に入射する特性である
   請求項４記載のヘッドアップディスプレイ装置。
6. 前記虚像を形成する光束が前記ヘッドアップディスプレイ装置のアイボックスの中心に入射するときの前記光路偏向部材の位置を基準位置とし、該基準位置からの前記光路偏向部材の最大片側移動量をｄ、
   前記光路偏向部材の光学要素の焦点距離をｆ、
   前記光路偏向部材が移動可能な方向に対応した前記拡散板の拡散特性において、前記アイボックスの全幅に入射する光束に対応する前記拡散板の拡散角をθｍａｘ、
   前記光路偏向部材が移動可能な方向に対応した前記拡散板の拡散特性において、半値幅に相当する前記拡散板の拡散角をθとした場合、
   ｄ≧ｆ×ｔａｎ（（θｍａｘ−θ）／２） …（１）
   で表される条件式（１）を満足する
   請求項４または５記載のヘッドアップディスプレイ装置。
7. 前記光路偏向部材は、フレネルレンズ、コンデンサレンズ、レンチキュラーレンズ、またはマイクロレンズアレイである
   請求項１から６のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ装置。
8. 前記観察者の瞳位置を検出する瞳位置検出手段と、
   該瞳位置検出手段により検出された前記瞳位置に基づいて前記光路偏向部材を移動させる制御手段とを有する
   請求項１から７のいずれか１項記載のヘッドアップディスプレイ装置。