JP2021113834A - ヘッドアップディスプレイ装置 - Google Patents

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Shigeki Hoshino
茂樹 星野
達也 中澤
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達也 中澤
佳佑 澤田
Keisuke Sawada
佳佑 澤田
望 下田
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望 下田
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Abstract

【課題】HUDに入射する直進太陽光による光学部品への影響を低減する。【解決手段】外装筐体と、外装筐体に収容され、映像光を形成し出射する映像光形成ユニットと、外装筐体に形成され、映像光が出射する筐体開口部と、筐体開口部を覆う防眩板と、映像光を防眩板に向かって反射する自由曲面ミラーと、を備え、防眩板において映像光が出射する出射領域から外装筐体の内部に入射して直進する太陽光の直進光路から退避した位置であって、かつ映像光形成ユニットから防眩板の出射領域に至る映像光の光路からも退避した位置に映像光形成ユニットが配置される。【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し、特にヘッドアップディスプレイ装置に入射する太陽光の影響を抑制する技術に関する。
自動車等の車両において、通常は、車速やエンジン回転数等の情報は、ダッシュボード内の計器盤(インパネ)に表示される。また、ナビゲーション等の画面は、ダッシュボード内に組み込まれるか、もしくはダッシュボード上に設置されたディスプレイに表示される。運転手がこれらの情報を視認する場合に視線を大きく移動させることが必要となることから、視線の移動量を低減させる技術として、車速等の情報やナビゲーションに係る誘導指示等の情報をウィンドシールド(フロントガラス)等に投射して表示するヘッドアップディスプレイ(Head Up Display、以下では「HUD」と記載する)が知られている。
HUDに関連する技術として、例えば、特許文献1には、「表示装置は、像を表す表示光を出射する表示器と、表示器から出射された表示光が入射し、入射した表示光を透過させて出射する光学レンズと、光学レンズとフロントガラスとの間に配置される外光反射低減部と、を備える。外光反射低減部は、直線偏光板とλ/4位相差板とを積層してなり、直線偏光板がフロントガラス側となるように配置される円偏光板と、円偏光板のフロントガラス側に配置され、表示光を透過し表示光の波長域以外の光を反射するバンドパスフィルターと、を備えてなる(要約抜粋)」表示装置が開示されている。
特開2014−106614号公報
HUDを自動車のダッシュボードに配置すると、HUDの筐体内に太陽光が入射し、外光反射に起因する虚像の視認性低下が懸念される。また、HUDを構成する液晶表示パネルに太陽光が照射されると、液晶表示パネルの温度が上昇し、破損につながる恐れもある。従って、HUDの太陽光対策が必要となる。
特許文献1では、偏向フィルタやARフィルタを透過した太陽光がHUDの光学部品に入射することは避けられない。よって、太陽光が及ぼす光学部品への影響は、フィルタ性能に依存するという実情があり、HUDにおける太陽光の影響を低減させることについては更なる工夫の余地がある。
本発明は上記実情に鑑みたものであり、HUDに入射する太陽光が光学部品に及ぼす影響を低減させ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。
上記課題を解決するために、本発明は、特許請求の範囲に記載の構成を有する。その一例を挙げるならば、ヘッドアップディスプレイ装置において、外装筐体と、前記外装筐体に収容され、映像光を形成し出射する映像光形成ユニットと、前記外装筐体に形成され、前記映像光が出射する筐体開口部と、前記筐体開口部を覆う防眩板と、前記映像光を前記防眩板に向かって反射する自由曲面ミラーと、を備え、前記防眩板において前記映像光が出射する出射領域から前記外装筐体の内部に入射する太陽光の直進光路及び前記映像光形成ユニットから前記防眩板の前記出射領域に至る前記映像光の光路から退避した位置に前記映像光形成ユニットが配置される、ことを特徴とする。
本発明によれば、HUDに入射する太陽光が光学部品に及ぼす影響を低減させる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、上記した以外の目的、構成、効果については下記実施形態において明らかにされる。
HUDの概略構成図 従来のHUD内における太陽光の直進光路と光学部品の配置を示す模式図 夏及び冬の太陽光の直進光路、及び乱反射した太陽光の直進光路を示す図 第1実施形態に係るHUDの構成を示す模式図 第1実施形態の変形例を示す模式図 第1実施形態の変形例を示す模式図 第2実施形態に係るHUDの構成を示す模式図 第3実施形態に係るHUDの構成を示す模式図 第3実施形態の変形例を示す模式図 第3実施形態に係るHUDの構成を示す斜視図 第3実施形態に係るHUDの構成を示す上面斜視図
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下に示す各実施形態では、ヘッドアップディスプレイ装置(HUD)が自動車等の車両に設置される場合を例として説明するが、電車や航空機等の他の乗り物にも適用可能である。また、乗り物以外の用途に用いるHUDにも適用可能である。
図1を参照して本実施形態に係るHUD1の構成について説明する。図1はHUD1の概略構成図である。
図1に示すように、HUD1は、車両2に備えられたダッシュボード4内に備えられる。ダッシュボード4はHUD1から出射した映像光Lを通過させるためのダッシュボード開口部7を備える。映像光Lは車両2のウィンドシールド3で反射されて運転手5の目に入射する。運転手5は、その映像光Lによる虚像80をウィンドシールド3よりも更に前方に視認する。なお、被投射部材はウィンドシールド3に限られず、映像光Lが投射される部材であれば、コンバイナなど他の部材を用いてもよい。
HUD1は、外装筐体50と、外装筐体50に装着される表示装置30と、表示装置30から出射される映像光Lを拡大投影する虚像光学系40とを含んで構成される。外装筐体50は、虚像光学系40を構成する各要素を収容する。本実施形態では表示装置30として、バックライトと、映像を表示する表示面であって、バックライトから発光した光を透過して映像光を生成・出射する表示面30aとを含むLCD(Liquid Crystal Display)を用いる。
外装筐体50の上面には、映像光Lの出射口となる筐体開口部51が形成される。筐体開口部51は、外装筐体50に塵やほこりが侵入することを防ぐための防眩板52で覆われている。防眩板52は、可視光を透過する部材により構成される。
虚像光学系40は、表示装置30に近い位置から順に、映像光Lの出射方向に沿ってレンズユニット43と自由曲面ミラー41とが配置される。
レンズユニット43は、自由曲面ミラー41と表示装置30の光学的な距離を調整し、映像光を拡大するためのレンズの集合体である。
自由曲面ミラー41は、レンズユニット43を透過した映像光Lを筐体開口部51に向けて反射させる部材である。自由曲面ミラー41はミラー駆動部42により回動する。ミラー駆動部42は、自由曲面ミラー41が反射した映像光Lが防眩板52を通過してウィンドシールド3に到達するように、自由曲面ミラー41の角度を調整する。ミラー駆動部42は必須構成要素ではなく、自由曲面ミラー41は外装筐体50内に固定配置されてもよい。以下の説明では説明の便宜のため、ミラー駆動部42は図示を省略する。
HUD1内に太陽光、特にHUD1内において屈折又は反射することなく直進する太陽光が映像光Lの形成に寄与する光学部品、例えばレンズユニット43や表示装置30に入射すると、映像光Lのコントラストの低下が生じ、虚像80の視認性が低下する。
そこで、本実施形態に係るHUD1では、外装筐体50内において、防眩板52から入射する太陽光の直進光路から光学部品を退避させた位置に配置する。また、光学部品は、表示装置30から映像光Lが防眩板52の出射領域52aに至るまでの光路からも退避させた位置に配置する。これにより、ARフィルタや偏光板によらず、光学部品の配置位置を工夫することで太陽光による虚像80の視認性の低下を抑止する。
本明細書において「直進光路」とは、防眩板52から入射し、HUD1の外装筐体50内において屈折・反射をすることなく直進する太陽光の光路を意味する。よって、曇天時において雲にあたって乱反射した太陽光であっても、HUD1内において直進する太陽光の光路は直進光路に相当する。以下、本実施形態のHUD1の特徴を説明するにあたり、まず、従来のHUD1内における太陽光の直進光路と光学部品の配置について図2を参照して説明する。図2は従来のHUD1内における太陽光の直進光路と光学部品の配置を示す模式図である。
従来のHUD1は、鏡筒11の内部に映像光形成ユニット10を構成する光学部品である表示装置30及びレンズユニット43を収容する。外装筐体50内には、鏡筒11と自由曲面ミラー41とが収容される。鏡筒11は防眩板52から入射した太陽光SL1がレンズユニット43に入射する位置に配置されている。換言すると、防眩板52からのレンズユニット43までの直進光路に遮蔽物がないので、外装筐体50の外側から防眩板52を介してHUD1内を覗くと、レンズユニット43が視認できる。そのため、従来は、外装筐体50内にARフィルタや偏光板を配置して太陽光SL1の影響を低減している。
また太陽光SL1の入射量自体を低減するために、ダッシュボード4には、ダッシュボード開口部7に向けて突出するダッシュボード庇部4aを設けられている。これにより、太陽光SL2は、ダッシュボード庇部4aに遮られて防眩板52からHUD1の内部に進入しない。
筐体開口部51は太陽光の入射口ともなるので、小さい方が好ましいが、映像光Lの光束が出射するために必要最低限度の大きさは必要である。そこで、防眩板52における映像光Lの出射領域52aから入射する太陽光の直進光路から映像光形成ユニット10を退避させる。
太陽光が出射領域52aに入射する角度は、季節や乱反射光か否かによって異なり、さらに場所(経度、緯度)によっても異なる場合がある。図3は夏及び冬の太陽光の直進光路、及び乱反射した太陽光の直進光路を示す図である。
図3に示すように、HUD1内へ入射する太陽光が防眩板52を通過する太陽光の出射領域52aは、夏場の南中高度が高いときの太陽光SLsが防眩板52を入射する領域と、冬場の南中高度が低いときの太陽光SLwが防眩板52に入射する領域と、曇天時に生じる乱反射した太陽光SLdが防眩板52に入射する領域と含む領域である。この乱反射後の太陽光SLdは、冬場の太陽光SLwよりも日照角度(地表面を基準とする太陽光の照射角度)が小さいので、HUD1のより深部(図3参照)に到達する。
そこで、以下の説明では、夏場の南中高度が高いときの太陽光SLsの直進光路及び乱反射した太陽光SLdの直進光路から映像光形成ユニット10を遮光する。
<第1実施形態>
第1実施形態は、遮光壁70を用いて映像光形成ユニット10を太陽光SLs、SLdの直進光路及び映像光Lの光路から退避させて配置させる実施形態である。
図4は第1実施形態に係るHUD1aの構成を示す模式図である。図4のHUD1aは、鏡筒11における防眩板52側にレンズユニット43よりも映像光Lの出射方向に向けて突出した遮光壁70を備える。遮光壁70は防眩板52を透過した太陽光SLs、SLdの光路上にあって、かつ防眩板52と映像光形成ユニット10において映像光Lの出射方向の最外部に配置された最外光学部品の出射面(図4の例ではレンズ出射面43a)との間に配置される。
但し、映像光Lの光路が妨げられると虚像80の表示性に支障をきたすので、本実施形態ではレンズユニット43により偏向された映像光Lの光路から遮光壁70は退避させた位置に配置される。遮光壁70における自由曲面ミラー41側の端部のレンズユニット43に対する位置は、レンズユニット43の偏向角度を基に設計値から求めることができる。
図5は第1実施形態の変形例を示す模式図である。図5のHUD1bが図4のHUD1aと違う点は、遮光壁70が鏡筒11の外周面11aを用いて形成される点である。
図6は第1実施形態の変形例を示す模式図である。図6のHUD1cが図4のHUD1aと違う点は、映像光形成ユニット10が表示装置30により構成され、レンズユニット43は備えない点である。HUD1cでは、表示装置30の表示面30aが映像光形成ユニット10の最外光学部品の出射面である。よって、表示面30aと防眩板52における映像光Lの出射領域52aとを結ぶ直進光路上に遮光壁70が配置される。
本実施形態の作用効果について説明する。HUD内における太陽光の直進光路や太陽光のエネルギーは、季節を通じた南中高度の変化や晴天時の直射か又は曇天時の雲による散乱光かによって変化する。従来例のように偏向フィルムやARフィルタを用いて太陽光対策を行った場合、フィルタを透過した太陽光が光学部品に直接照射することは避けられないことから、太陽光が光学部品に与える影響をどれだけ抑制できるかはフィルタ性能に依存することとなる。しかし、本実施形態によればHUDの光学部品をHUDに入射する太陽光の直進光路及び映像光の光路から退避した位置に配置するので、映像光の出射を妨げることなくHUDに入射した太陽光が直接光学部品に照射されることも無い。よって、フィルタ性能に依存することなく、HUDの構造によって確度よく太陽光が光学部品に及ぼす影響を低減させることができる。
<第2実施形態>
第2実施形態は、映像光Lの光路を折り返すHUD1dにおいて、自由曲面ミラー41を用いて映像光形成ユニット10を太陽光SLの直進光路及び映像光Lの直進光路から退避させて配置させる実施形態である。図7は第2実施形態に係るHUDの構成を示す模式図である。
図7に示すように、HUD1dでは映像光形成ユニット10から出射した映像光Lは、折り返しミラー45により自由曲面ミラー41に向けて反射させる。折り返しミラー45で反射された映像光Lは、自由曲面ミラー41において、防眩板52に向けて反射される。HUD1d内で映像光Lを折り返えすことにより映像光Lの光路長が長くなり、虚像80をウィンドシールド3の更に前方に表示させることができる。
本実施形態では、防眩板52における出射領域52aを通り自由曲面ミラー41の底部側端部に接する直進光路VS1よりも、自由曲面ミラー41の背面側に映像光形成ユニット10を配置する。これにより、防眩板52から入射した太陽光SLdは直進光路VS1よりも自由曲面ミラー41の背面側に入りこまない。よって、映像光形成ユニット10に太陽光SLdが入射しない。太陽光SLs,太陽光SLwも同様に映像光形成ユニット10に入射しない。
<第3実施形態>
第3実施形態は、映像光Lの光路を折り返すHUD1eにおいて、防眩板52から入射し、映像光形成ユニット10に至る太陽光SLd,SLsの直進光路上に遮光壁71を配置させる実施形態である。図8は第3実施形態に係るHUDの構成を示す模式図である。図9は第3実施形態の変形例を示す模式図である。
図8のHUD1eは、HUD1dと同様、折り返しミラー45を備えて映像光Lの光路をHUD1e内で折り返す。HUD1eでは、自由曲面ミラー41よりも外装筐体50の底部(防眩板52と反対側の面)側であって、映像光Lの光路から退避した位置に映像光形成ユニット10が配置される。そして映像光形成ユニット10と自由曲面ミラー41との間、換言すると映像光形成ユニット10から折り返しミラー45に至る映像光Lの光路と、折り返しミラー45から自由曲面ミラー41に至る映像光Lの光路との隙間に遮光壁71を備える。これにより、防眩板52から入射した太陽光SLd,SLsは遮光壁71に到達するものの、映像光形成ユニット10には入射せず、かつ映像光Lの光路を妨げない。
図9のHUD1fは、図8のHUD1eの映像光形成ユニット10として、表示装置30のみを備える。この場合、最外光学部品は表示装置30の表示面30aである。
図8のHUD1e及び図9のHUD1fは、図7のHUD1dに比べて映像光形成ユニット10が折り返しミラー45に近い位置に配置される。これにより、HUD1d、HUD1fに比べてHUD1eは小型化が図れる。一方、HUD1d、HUD1fはHUD1eに比べて映像光Lの光路長を長く形成できるので、虚像80をより運転手5から遠い位置に表示でき、運転時における視線移動を少なくすることができる。
図10はHUD1eの斜視図である。図11はHUD1eの上面斜視図である。但し、図11では説明の便宜のため、折り返しミラー45、防眩板52、外装筐体50の上側は図示を省略している。
上記各実施形態によれば、HUD1a〜1dは、虚像80を表示するために防眩板52の映像光Lの出射領域52aで覆われる筐体開口部51が必要となる。しかし、この開口部から太陽光SLd,SLs,SLwがHUD1a〜1dに侵入する。しかし、HUD1a〜1dは、映像光形成ユニット10が太陽光SLd,SLs,SLwの直進光路及び映像光Lの光路から退避した位置に配置されるので、太陽光SLd,SLs,SLwが映像光形成ユニット10に入射することに起因する虚像80の画質の低下を抑制することができる。
更に、太陽光SLd,SLs,SLwが映像光形成ユニット10に当たることにより映像光形成ユニット10が高温となり破損することを抑制できる。
上記各実施形態は本発明を限定する趣旨ではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での変形例は本発明の技術的範囲に属する。例えば折り返しミラー45は複数あってもよく、また表示デバイスはLCDに限らず、MEMSでもよい。
また、自由曲面ミラー41をミラー駆動部42で駆動すると、防眩板52における出射領域52aの位置が自由曲面ミラー41の回転に伴って移動する。そこで、移動する出射領域52aを全て包含する領域を上記実施形態における出射領域52aとして映像光形成ユニット10の設置位置を決めてもよい。
1、1a〜1f:HUD
2 :車両
3 :ウィンドシールド
4 :ダッシュボード
4a :ダッシュボード庇部
5 :運転手
7 :ダッシュボード開口部
10 :映像光形成ユニット
11 :鏡筒
11a :外周面
30 :表示装置
30a :表示面
40 :虚像光学系
41 :自由曲面ミラー
42 :ミラー駆動部
43 :レンズユニット
43a :レンズ出射面
45 :折り返しミラー
50 :外装筐体
51 :筐体開口部
52 :防眩板
52a :出射領域
70 :遮光壁
71 :遮光壁
80 :虚像

Claims (8)

  1. ヘッドアップディスプレイ装置において、
    外装筐体と、
    前記外装筐体に収容され、映像光を形成し出射する映像光形成ユニットと、
    前記外装筐体に形成され、前記映像光が出射する筐体開口部と、
    前記筐体開口部を覆う防眩板と、
    前記映像光を前記防眩板に向かって反射する自由曲面ミラーと、を備え、
    前記防眩板において前記映像光が出射する出射領域から前記外装筐体の内部に入射する太陽光の直進光路及び前記映像光形成ユニットから前記防眩板の前記出射領域に至る前記映像光の光路から退避した位置に前記映像光形成ユニットが配置される、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  2. 請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記映像光形成ユニットは、少なくとも一つの光学部品を含み、
    前記直進光路は、前記防眩板における前記出射領域から、前記光学部品の内、前記映像光の出射方向に沿って最も外側に位置する最外光学部品における前記映像光の出射面に至る光路であって、
    前記ヘッドアップディスプレイ装置は、前記直進光路上に前記最外光学部品を前記太陽光から遮光する遮光壁を更に備え、
    前記映像光形成ユニットは、前記遮光壁を挟んで前記防眩板とは反対側に配置される、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  3. 請求項2に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記ヘッドアップディスプレイ装置は、全ての前記光学部品を収容する鏡筒を更に備え、
    前記遮光壁は、前記鏡筒を形成する外周面を、前記最外光学部品における前記映像光の出射面よりも前記映像光の出射方向に向かって突出させて形成される、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  4. 請求項3に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記映像光形成ユニットは、前記映像光を生成する表示装置と当該表示装置で形成された前記映像光を拡大するレンズユニットと、を含み、
    前記鏡筒内に前記表示装置と前記レンズユニットとが前記映像光の出射方向に沿って並べて配置され、
    前記最外光学部品における前記映像光の出射面は、前記レンズユニットのレンズ出射面である、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  5. 請求項3に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記映像光形成ユニットは、バックライト、及び映像を表示する表示面であって前記バックライトから発光した光を透過して前記映像光を出射する表示面を含む表示装置であり、
    前記最外光学部品における前記映像光の出射面は、前記表示面である、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  6. 請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記映像光の光路上において、前記映像光形成ユニットから出射される前記映像光を前記自由曲面ミラーに向けて反射する折り返しミラーを更に備え、
    前記映像光形成ユニットは、前記防眩板における前記出射領域と前記自由曲面ミラーにおける前記防眩板とは反対側の端部とを結ぶ前記直進光路よりも前記自由曲面ミラーの背面側に配置される、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  7. 請求項2に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記映像光の光路上において、前記映像光形成ユニットから出射される前記映像光を前記自由曲面ミラーに向けて反射する折り返しミラーを更に備え、
    前記遮光壁は、前記映像光形成ユニットから前記折り返しミラーに至る前記映像光の光路と、前記折り返しミラーから前記映像光形成ユニットに至る前記映像光の光路との間に配置され、
    前記映像光形成ユニットは、前記遮光壁を挟んで前記出射領域とは反対側に配置される、
    ことを特徴とするヘッドアップディスプレイ装置。
  8. 請求項1に記載のヘッドアップディスプレイ装置において、
    前記映像光形成ユニットは、前記外装筐体の外側から前記出射領域を介して視認できない位置に配置される、
    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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