JP2021039298A - 車両用表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】表示像の視認性の確保と、投射装置の配置の自由度を向上させることとを両立できる車両用表示装置を提供する。
【解決手段】車両用表示装置１は、車両のウインドシールド１０１の内部に配置されており、車両のアイレンジＥＲ側に向いている第一面２１を有する反射型のホログラム２と、第一面に向けてＰ波の表示光１０を投射する投射装置３と、を備え、ホログラムは、投射装置から第一面に入射した表示光をアイレンジに向かう回折光３０として出力し、かつ回折光をアイレンジに集光させる回折特性を有しており、投射装置は、ウインドシールドに対する表示光の入射角が所定の角度範囲Ｒγである場合に表示光の一部がアイレンジに向けて反射されるように配置されており、投射装置は、所定の角度範囲に含まれる入射角と、ブリュスター角と、の角度差を所定値以下とするように配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両用表示装置に関する。
従来、ホログラムを用いた表示装置がある。特許文献１には、表示すべき情報を光として発生する情報表示源と、車両の風防ガラスの周縁部に設けられた暗色陰蔽部分に配されていて光を観察者に向けて回折し虚像として表示するホログラムを有するコンバイナとを備えた車両用ホログラフィック表示装置が開示されている。
特開平１１−９１４０１号公報
ホログラムがウインドシールドの内部に配置される場合、ウインドシールドの表面による表示光の反射を考慮する必要がある。表示像の視認性を向上させる観点からは、反射光をアイレンジとは別の方向へ向かわせるように投射装置を配置することが好ましい。しかしながら、車両には搭載位置の制約があり、投射装置を所望の位置に配置できるとは限らない。
本発明の目的は、表示像の視認性を向上させることと、投射装置の配置の自由度を向上させることとを両立できる車両用表示装置を提供することである。
本発明の車両用表示装置は、車両のウインドシールドの内部に配置されており、前記車両のアイレンジ側に向いている第一面を有する反射型のホログラムと、前記第一面に向けてＰ波の表示光を投射する投射装置と、を備え、前記ホログラムは、前記投射装置から前記第一面に入射した前記表示光を前記アイレンジに向かう回折光として出力し、かつ前記回折光を前記アイレンジに集光させる回折特性を有しており、前記投射装置は、前記ウインドシールドに対する前記表示光の入射角が所定の角度範囲である場合に前記表示光の一部が前記アイレンジに向けて反射されるように配置されており、前記投射装置は、前記所定の角度範囲に含まれる入射角と、ブリュスター角と、の角度差を所定値以下とするように配置されていることを特徴とする。
本発明に係る車両用表示装置において、投射装置は、所定の角度範囲に含まれる入射角と、ブリュスター角と、の角度差を所定値以下とするように配置されている。本発明に係る車両用表示装置によれば、反射光の輝度を抑制することで表示像の視認性を向上させ、かつ投射装置の配置の自由度を向上させることができるという効果を奏する。
図１は、実施形態に係る車両用表示装置の概略構成図である。 図２は、実施形態に係るホログラムによる光の回折を説明する図である。 図３は、ウインドシールドによる反射光を説明する図である。 図４は、実施形態の第一反射光および第二反射光を説明する図である。 図５は、実施形態のウインドシールドにおける反射特性を示す図である。 図６は、実施形態に係る投射装置の配置の決め方を説明する図である。
以下に、本発明の実施形態に係る車両用表示装置につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものあるいは実質的に同一のものが含まれる。
［実施形態］
図１から図６を参照して、実施形態について説明する。本実施形態は、車両用表示装置に関する。図１は、実施形態に係る車両用表示装置の概略構成図、図２は、実施形態に係るホログラムによる光の回折を説明する図、図３は、ウインドシールドによる反射光を説明する図、図４は、実施形態の第一反射光および第二反射光を説明する図、図５は、実施形態のウインドシールドにおける反射特性を示す図、図６は、実施形態に係る投射装置の配置の決め方を説明する図である。
図１に示すように、本実施形態の車両用表示装置１は、自動車等の車両１００に搭載されるヘッドアップディスプレイ装置である。車両用表示装置１は、ホログラム２と、投射装置３と、を有する。ホログラム２は、車両１００のウインドシールド１０１の内部に配置されている。ウインドシールド１０１は、合わせガラスであり、内側ガラス１１，外側ガラス１２、および中間膜１３を有する。中間膜１３およびホログラム２は、内側ガラス１１と外側ガラス１２との間に封止されている。中間膜１３は、ポリマー等の合成樹脂によって形成されている。ホログラム２は、例えば、中間膜１３と一体に形成されていてもよく、中間膜１３に挿入されていてもよい。
ホログラム２は、所望の回折特性を有するように加工された透明な膜である。本実施形態のホログラム２は、反射型のホログラムである。ホログラム２は、第一面２１および第二面２２を有する。ホログラム２は、第一面２１に入射する光を回折させ、回折光を第一面２１から出射する。
図２に示すように、ホログラム２は、第一面２１に第一の角度θ１で光が入射すると、第一面２１から回折光３０を出力する。ホログラム２は、回折光３０の出射角が第二の角度θ２となるように作られている。第二の角度θ２は、回折光３０がアイレンジＥＲへ向かうように定められている。アイレンジＥＲは、車両１００における運転者の目の位置として想定された領域である。本実施形態のホログラム２では、高さ方向Ｈに沿った位置に応じて第一の角度θ１および第二の角度θ２が異なっている。ホログラム２は、後述するように、アイレンジＥＲに向けて回折光３０を集光するように作られている。
ホログラム２は、第一面２１に対する光の入射角が第一の角度θ１と異なる場合、その光を透過させる。つまり、ホログラム２は、第一の角度θ１で入射する光を選択的にアイレンジＥＲに向けて反射する。また、ホログラム２は、第二面２２に入射する光をアイレンジＥＲ側に向けて透過させる。
投射装置３は、筐体７、画像表示装置４、偏光手段５、ミラー６、およびカバー８を有する。筐体７は、例えば、車両１００のダッシュボードの内部に配置される。筐体７は、開口部７ａを有しており、開口部７ａを上方に向けて車両１００に固定されている。ダッシュボードには、筐体７の開口部７ａに対応する開口が設けられている。画像表示装置４、偏光手段５、およびミラー６は、筐体７の内部に収容されている。カバー８は、筐体７の開口部７ａを閉塞している。カバー８は、透明な部材であり、表示光１０を透過させる。
画像表示装置４は、表示光を出力する装置であり、例えば、液晶表示装置やレーザスキャナである。偏光手段５は、画像表示装置４から出力される表示光をＰ波とする光学系である。偏光手段５は、例えば、Ｐ波を選択的に透過させる偏光フィルタである。画像表示装置４から出力される表示光は、偏光手段５を透過することでＰ波の表示光１０に偏光される。
ミラー６は、画像表示装置４から偏光手段５を介して出力される表示光１０をホログラム２に向けて反射する反射装置である。本実施形態のミラー６は、拡大ミラーである。ミラー６の反射面の形状は、自由曲面であり、Ｐ波の表示光１０を拡大してホログラム２に向けて反射する。つまり、投射装置３は、Ｐ波の表示光１０をホログラム２の第一面２１に向けて投射する。
ホログラム２は、図１に示すように、ミラー６から入射する表示光１０をアイレンジＥＲに向かう回折光３０として出力する。ユーザがアイレンジＥＲからホログラム２を見た場合、回折光３０によって表示像３１が視認される。表示像３１は、回折光３０によってユーザが視認する虚像である。表示像３１は、ユーザから見てホログラム２よりも車両前後方向Ｌの前方において結像する。
本実施形態のホログラム２は、回折光３０をアイレンジＥＲに集光させる回折特性を有している。例えば、アイレンジＥＲに向かう回折光３０の幅ＷＬは、ホログラム２からアイレンジＥＲへ向かうに従って狭くなる。幅ＷＬは、高さ方向Ｈにおける回折光３０の幅である。なお、ホログラム２は、車幅方向における回折光３０の幅もアイレンジＥＲへ向かうに従って狭くするように構成されてもよい。本実施形態のホログラム２は、表示像３１を拡大させてユーザに視認させることができる。
また、本実施形態の車両用表示装置１は、以下に説明するように、反射光によるゴーストの発生を抑制し、表示像３１の視認性を向上させることができる。図３には、ウインドシールド１０１によって反射される反射光４０が示されている。ここで、図３には、画像表示装置４に代えて仮想表示面４ｉが示されている。仮想表示面４ｉは、ミラー６が無い場合に画像表示装置４の表示面が配置されるべき位置である。仮想表示面４ｉに画像が表示された場合、その画像がホログラム２に対して直接的に投射される。言い換えると、仮想表示面４ｉは、上方からミラー６を直視した場合に虚像が結像する位置である。
本実施形態に係る投射装置３は、表示光１０の少なくとも一部がウインドシールド１０１によってアイレンジＥＲに向けて反射されるように配置されている。表示光１０の一部は、ウインドシールド１０１によって反射されてアイレンジＥＲに向かう反射光４０となる。ここで、回折光３０と、アイレンジＥＲに向けて反射された反射光４０とが重畳すると、表示像３１の視認性を低下させてしまう可能性がある。反射光４０は、表示像３１と重なるゴーストを発生させて表示像３１の視認性を低下させることがある。なお、以下の説明において、反射光４０は、表示像３１と重畳する反射光を示すものとする。
図４に示すように、反射光４０は、第一反射光４０Ａおよび第二反射光４０Ｂを含む。第一反射光４０Ａは、内側ガラス１１における車室側の面１１ａによって反射される反射光である。第二反射光４０Ｂは、外側ガラス１２における車外との境界面１２ａによって反射される反射光である。第二反射光４０Ｂは、表示光１０が車室側の面１１ａを透過して内側ガラス１１に入射し、ホログラム２を透過し、境界面１２ａによって反射された光である。
本実施形態の車両用表示装置１では、反射光４０をユーザによって視認されにくくするように構成されている。具体的には、投射装置３は、内側ガラス１１に入射する表示光の入射角αをウインドシールド１０１のブリュスター角βと一致させ、または入射角αをブリュスター角βに近い値とするように配置されている。ブリュスター角βは、内側ガラス１１の屈折率等によって決まる角度である。図５には、内側ガラス１１の反射特性の一例が示されている。図５において、横軸は、内側ガラス１１に対する入射角α［ｄｅｇ］を示し、縦軸は、内側ガラス１１の反射率［％］を示している。図５には、Ｓ波に対する反射率Ｒｓ、およびＰ波に対する反射率Ｒｐが示されている。
Ｐ波に対する反射率Ｒｐは、ブリュスター角βにおいて０となる。従って、Ｐ波の表示光１０が内側ガラス１１に対してブリュスター角βで入射した場合、反射率が０または実質的に０となる。本実施形態の車両用表示装置１では、以下に説明するように、最小入射角γ１および最大入射角γ２の値が定められている。図３に示すように、最小入射角γ１は、反射光４０を生成する表示光１０の入射角αの最小値である。仮想表示面４ｉの一端Ｐ１から投射される表示光１０は、入射角αが所定の角度範囲Ｒγである場合にアイレンジＥＲに向けて反射される。最小入射角γ１は、この角度範囲Ｒγの最小値である。入射角αが最小入射角γ１よりも小さい場合、一端Ｐ１の表示光１０がアイレンジＥＲよりも下方の領域に向けて反射される。
仮想表示面４ｉの他端Ｐ２から投射される表示光１０は、入射角αが所定の角度範囲Ｒγである場合にアイレンジＥＲに向けて反射される。最大入射角γ２は、この角度範囲Ｒγの最大値である。入射角αが最大入射角γ２よりも大きい場合、他端Ｐ２の表示光１０がアイレンジＥＲよりも上方の領域に向けて反射される。
投射装置３は、上記所定の角度範囲Ｒγに含まれる入射角αｘ（γ１≦αｘ≦γ２）と、ブリュスター角βと、の角度差δを所定値δ１以下とするように配置される。つまり、投射装置３は、下記式（１）を成立させるように配置される。投射装置３がこのように配置されることで、下記式（２）および式（３）がそれぞれ成立する。
｜αｘ−β｜≦δ１…（１）
｜γ１−β｜≦δ１…（２）
｜γ２−β｜≦δ１…（３）
投射装置３は、例えば、下記式（４）を成立させるように配置されてもよい。すなわち、投射装置３は、ブリュスター角βが最小入射角γ１以上でかつ最大入射角γ２以下となるように配置されてもよい。言い換えると、所定の角度範囲Ｒγがブリュスター角βを含んでもよい。
γ１≦β≦γ２…（４）
所定値δ１は、例えば、図６に示すＰ波の反射率Ｒｐの上限値Ｒｘに基づいて定められる。上限値Ｒｘは、ゴーストを抑制する観点から、内側ガラス１１におけるＰ波の反射率Ｒｐとして許容される上限値である。角度範囲α０は、Ｐ波の反射率Ｒｐが上限値Ｒｘ以下となる入射角αの範囲である。角度範囲α０は、最小値α１から最大値α２までの入射角αの範囲である。
図６に示す例では、ブリュスター角βと最大値α２との差がブリュスター角βと最小値α１との差よりも小さい。この場合、所定値δ１は下記式（５）によって定められてもよい。式（５）のように所定値δ１を定めることで、反射光４０の輝度を許容範囲の値とすることが可能である。
δ１＝α２−β…（５）
また、最小入射角γ１および最大入射角γ２は、上記の角度範囲α０に基づいて定められてもよい。この場合、投射装置３は、例えば、所定の角度範囲Ｒγが角度範囲α０に含まれるように配置される。言い換えると、投射装置３は、最小入射角γ１が角度範囲α０の最小値α１以上となり、最大入射角γ２が角度範囲α０の最大値α２以下となるように配置される。
また、本実施形態の投射装置３は、ウインドシールド１０１によって反射される反射光４０の輝度ＢＲと、回折光３０の輝度ＢＤとの輝度比ＢＩを所定値ＢＴ以下とするように配置されている。反射光４０の輝度ＢＲは、例えば、第一反射光４０Ａの輝度ＢＲ１および第二反射光４０Ｂの輝度ＢＲ２の合計値である。第一反射光４０Ａの輝度ＢＲ１は、下記式（６）で表され、第二反射光４０Ｂの輝度ＢＲ２は、下記式（７）で表される。なお、Ｗｔ：ウインドシールド１０１の透過率、Ｗｒ：ウインドシールド１０１での表面反射率、Ｈｄ：ホログラム２の回折効率、Ｌｔ：ウインドシールド１０１に入射する表示光１０の輝度である。
ＢＲ１＝Ｌｔ×Ｗｒ…（６）
ＢＲ２＝Ｌｔ×Ｗｔ２×Ｗｒ…（７）
また、回折光３０の輝度ＢＤは、下記式（８）で表される。輝度比ＢＩは、下記式（９）で表される。
ＢＤ＝Ｌｔ×Ｗｔ２×Ｈｄ…（８）
ＢＩ＝（ＢＲ１＋ＢＲ２）／ＢＤ…（９）
輝度比ＢＩの値は、ウインドシールド１０１における反射位置によって異なる場合がある。投射装置３は、例えば、輝度比ＢＩの最大値を所定値ＢＴ以下とするように配置される。所定値ＢＴは、例えば、表示像３１の視認性を向上させる観点から適宜定められる。輝度比ＢＩを小さな値とすることで、表示像３１の輝度と反射光４０の輝度とのコントラストが大きくなり、反射光４０が目立ちにくくなる。
ホログラム２の回折効率Ｈｄや、ウインドシールド１０１の表面反射率Ｗｒは、輝度比ＢＩを所定値ＢＴ以下とするように、あるいは輝度比ＢＩを可能な限り小さくするように定められる。なお、表面反射率Ｗｒは、ウインドシールド１０１に対する表示光１０の入射角αに応じて異なる。このため、輝度比ＢＩを最小化するように、投射装置３の最適な配置が採用される。
以上説明したように、本実施形態の車両用表示装置１は、反射型のホログラム２と、投射装置３と、を有する。ホログラム２は、車両１００のウインドシールド１０１の内部に配置されている。ホログラム２は、車両１００のアイレンジＥＲに向いている第一面２１を有する。投射装置３は、第一面２１に向けてＰ波の表示光１０を投射する。ホログラム２は、投射装置３から第一面２１に入射した表示光１０をアイレンジＥＲに向かう回折光３０として出力する。ホログラム２は、回折光３０をアイレンジＥＲに集光させる回折特性を有する。
投射装置３は、ウインドシールド１０１に対する表示光１０の入射角αが所定の角度範囲Ｒγである場合に表示光１０の一部がアイレンジＥＲに向けて反射されるように配置されている。投射装置３は、所定の角度範囲Ｒγに含まれる入射角αｘと、ブリュスター角βと、の角度差δを所定値δ１以下とするように配置されている。所定値δ１は、車室側の面１１ａにおけるＰ波の反射率Ｒｐを上限値Ｒｘ以下とするように定められてもよい。
本実施形態の車両用表示装置１によれば、反射光４０がアイレンジＥＲに向かうような位置関係で投射装置３が配置されているものの、反射光４０の輝度が低減される。角度差δが所定値δ１以下とされていることで、Ｐ波の表示光１０が車室側の面１１ａによって反射される反射率Ｒｐが抑えられる。その結果、表示像３１の視認性を向上させることと、投射装置３の配置の自由度を向上させることとが両立される。
本実施形態の投射装置３は、所定の角度範囲Ｒγがブリュスター角βを含むように配置されている。所定の角度範囲Ｒγがブリュスター角βを含むことで、反射率Ｒｐが低下し、表示像３１の視認性が向上する。
本実施形態の投射装置３は、ウインドシールド１０１によってアイレンジＥＲに向けて反射される反射光４０の輝度ＢＲと、回折光３０の輝度ＢＤとの輝度比ＢＩを所定値ＢＴ以下とするように配置されている。これにより、回折光３０に対して反射光４０が目立ちにくくなり、表示像３１の視認性が向上する。
本実施形態では、反射光４０の輝度ＢＲは、第一反射光４０Ａの輝度ＢＲ１と、第二反射光４０Ｂの輝度ＢＲ２と、を含む。第一反射光４０Ａは、車室側の面１１ａによって反射された光である。第二反射光４０Ｂは、車室側の面１１ａを透過してウインドシールド１０１における車外との境界面１２ａによって反射された光である。このようにすることで、反射光４０が視認されにくくなり、表示像３１の視認性が向上する。
［実施形態の変形例］
実施形態の変形例について説明する。ホログラム２の配置や特性は、上記実施形態において例示された配置や特性には限定されない。所定の角度範囲Ｒγは、ブリュスター角βを含んでいなくてもよい。所定の角度範囲Ｒγは、ウインドシールド１０１における反射率Ｒｐを低減できるように適宜定められる。
上記の実施形態および変形例に開示された内容は、適宜組み合わせて実行することができる。
１ 車両用表示装置
２ ホログラム
３ 投射装置
４ 画像表示装置
４ｉ 仮想表示面
５ 偏光手段
６ ミラー
７ 筐体
８ カバー
１０ 表示光
１１ 内側ガラス
１１ａ 車室側の面
１２ 外側ガラス
１２ａ 境界面
１３ 中間膜
２１ 第一面
２２ 第二面
３０ 回折光
３１ 表示像
４０ 反射光
４０Ａ：第一反射光、 ４０Ｂ：第二反射光
１００ 車両
１０１ ウインドシールド
ＢＤ 回折光の輝度
ＢＲ 反射光の輝度
ＢＲ１：第一反射光の輝度、 ＢＲ２：第二反射光の輝度
ＢＩ 輝度比
ＢＴ 所定値
ＥＲ アイレンジ
Ｒｓ：Ｓ波に対する反射率、 Ｒｐ：Ｐ波に対する反射率
Ｒｘ 上限値
Ｒγ 所定の角度範囲
α 入射角
α０：角度範囲、 α１：最小値、 α２：最大値、
αｘ：所定の角度範囲に含まれる入射角
β ブリュスター角
γ１：最小入射角、 γ２：最大入射角
θ１：第一の角度、 θ２：第二の角度
δ 角度差
δ１ 所定値
Ｈ 高さ方向
Ｌ 車両前後方向

Claims (4)

  1. 車両のウインドシールドの内部に配置されており、前記車両のアイレンジ側に向いている第一面を有する反射型のホログラムと、
    前記第一面に向けてＰ波の表示光を投射する投射装置と、
    を備え、
    前記ホログラムは、前記投射装置から前記第一面に入射した前記表示光を前記アイレンジに向かう回折光として出力し、かつ前記回折光を前記アイレンジに集光させる回折特性を有しており、
    前記投射装置は、前記ウインドシールドに対する前記表示光の入射角が所定の角度範囲である場合に前記表示光の一部が前記アイレンジに向けて反射されるように配置されており、
    前記投射装置は、前記所定の角度範囲に含まれる入射角と、ブリュスター角と、の角度差を所定値以下とするように配置されている
    ことを特徴とする車両用表示装置。
  2. 前記投射装置は、前記所定の角度範囲がブリュスター角を含むように配置されている
    請求項１に記載の車両用表示装置。
  3. 前記投射装置は、前記ウインドシールドによって前記アイレンジに向けて反射される反射光の輝度と、前記回折光の輝度との輝度比を所定値以下とするように配置されている
    請求項１または２に記載の車両用表示装置。
  4. 前記反射光の輝度は、前記ウインドシールドにおける車室側の面によって反射された光の輝度と、前記車室側の面を透過して前記ウインドシールドにおける車外との境界面によって反射された光の輝度と、を含む
    請求項３に記載の車両用表示装置。
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