JP2021189256A - ヘッドアップディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 結像位置が異なる複数の虚像を表示することが可能なヘッドアップディスプレイを提供する。【解決手段】 ヘッドアップディスプレイは、表示光を出射し、画像を表示する表示装置１０と、表示装置１０の光軸上に配置され、表示装置１０からの表示光を透過し、画像を表示する透明ディスプレイ２０とを含む。表示装置１０が表示した画像と、透明ディスプレイ２０が表示した画像とは、重畳されて表示部材４１に表示される。【選択図】 図１

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイに関する。

経路案内や障害物の警告等の運転情報を運転者に提供する情報提供手段として、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤと呼ぶ）を搭載する車両が増加している。ＨＵＤは、車両のフロントガラス又は半透明の投影部材に、表示装置から表示光を投射して虚像を映し出す。一般的に、ＨＵＤでは、結像される虚像は1つであり、虚像の結像位置も一定である。また、虚像の結像位置を変化させる技術が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００８−２６８４８５号公報

本発明は、結像位置が異なる複数の虚像を表示することが可能なヘッドアップディスプレイを提供する。

本発明の第１態様に係るヘッドアップディスプレイは、表示光を出射し、画像を表示する表示装置と、前記表示装置の光軸上に配置され、前記表示装置からの表示光を透過し、画像を表示する第１透明ディスプレイとを具備する。前記表示装置が表示した画像と、前記第１透明ディスプレイが表示した画像とは、重畳されて表示部材に表示される。

本発明の第２態様に係るヘッドアップディスプレイは、第１態様において、前記表示装置と前記第１透明ディスプレイとの間に配置され、前記表示装置の光軸上に配置され、前記表示装置からの表示光を透過し、画像を表示する第２透明ディスプレイをさらに具備し、
前記表示装置が表示した画像と、前記第２透明ディスプレイが表示した画像と、前記第１透明ディスプレイが表示した画像とは、重畳されて前記表示部材に表示される。

本発明の第３態様に係るヘッドアップディスプレイは、第１態様において、前記表示装置からの表示光と、前記第１透明ディスプレイからの表示光とを、前記表示部材に向けて反射する反射部材をさらに具備する。

本発明の第４態様に係るヘッドアップディスプレイは、第１乃至３態様の何れかにおいて、前記第１透明ディスプレイは、表示面に設けられた反射防止フィルムを含む。

本発明の第５態様に係るヘッドアップディスプレイは、第１乃至４態様の何れかにおいて、前記表示装置は、光を発光する照明装置と、前記照明装置からの光を透過する液晶表示素子とを含む。

本発明の第６態様に係るヘッドアップディスプレイは、第１乃至４態様の何れかにおいて、前記表示装置は、自発光型の表示装置である。

本発明の第７態様に係るヘッドアップディスプレイは、第１乃至６態様の何れかにおいて、前記第１透明ディスプレイは、透明有機ＥＬディスプレイ、透明無機ＥＬディスプレイ、又は透明液晶ディスプレイである。

本発明によれば、結像位置が異なる複数の虚像を表示することが可能なヘッドアップディスプレイを提供することができる。

図１は、第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイの模式図である。 図２は、ヘッドアップディスプレイのブロック図である。 図３は、表示部材に表示される虚像を説明する模式図である。 図４は、ヘッドアップディスプレイの動作を説明するフローチャートである。 図５は、ヘッドアップディスプレイが表示する画像の一例を説明する模式図である。 図６は、第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイの模式図である。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複する説明は省略する。

［１］ 第１実施形態
［１−１］ ヘッドアップディスプレイ１の構成
図１は、第１実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１の模式図である。ヘッドアップディスプレイ１は、表示装置１０、透明ディスプレイ２０、及び反射部材３０を備える。表示装置１０、透明ディスプレイ２０、及び反射部材３０は、車両のダッシュボード４０内に配置される。表示装置１０、透明ディスプレイ２０、及び反射部材３０は、図示せぬ支持部材を用いて、図１に示した位置に固定される。

表示装置１０は、画像を表示する。表示装置１０は、照明装置（光源部）を有する表示装置、又は自発光型の表示装置で構成される。本実施形態では、表示装置１０は、例えば液晶表示装置で構成される。すなわち、表示装置１０は、照明装置（バックライト）と、液晶表示素子とを含む。表示装置１０は、自発光型である、有機ＥＬ（electroluminescence）表示装置、又は無機ＥＬ表示装置などであってもよい。

透明ディスプレイ２０は、表示装置１０の光軸ＯＡ上に配置される。また、透明ディスプレイ２０は、その表示面が表示装置１０の光軸ＯＡに対して垂直になるように配置される。透明ディスプレイ２０は、透過型ディスプレイとも呼ばれる。透明ディスプレイ２０は、入射光を透過することが可能であるとともに、画像を表示することが可能な表示装置である。具体的には、透明ディスプレイ２０は、透明な表示領域を有し、この透明な表示領域に画像を表示することが可能である。また、透明ディスプレイ２０は、透明な表示領域において、背景の画像に自身の画像を重畳して表示することが可能である。透明ディスプレイとしては、透明有機ＥＬディスプレイ、透明無機ＥＬディスプレイ、及び透明液晶ディスプレイなどが挙げられる。

透明液晶ディスプレイは、バックライト、偏光板、及びカラーフィルターを備えていない。透明液晶ディスプレイは、照明装置と、アクティブマトリクス方式の液晶表示素子とを備える。照明装置は、液晶表示素子の側面（エッジ）に配置され、赤色、緑色、及び青色のＬＥＤ（Light Emitting Diode）からなる。透明液晶ディスプレイは、赤色、緑色、及び青色のＬＥＤを順番に高速で点滅させるフィールドシーケンシャル方式が用いられる。液晶表示素子は、光を散乱させることが可能なタイプであり、赤色光、緑色光、及び青色光を散乱させて画像を表示する。

反射部材（反射鏡）３０は、表示装置１０の光軸ＯＡ上に配置される。反射部材３０は、凹面鏡、又は平面鏡などから構成される。反射部材３０は、表示装置１０及び透明ディスプレイ２０からの表示光を表示部材４１に向けて反射する。反射部材３０として凹面鏡を用いた場合、凹面鏡は、表示装置１０及び透明ディスプレイ２０からの表示光を所定の拡大率で拡大することが可能である。ダッシュボード４０は、反射部材３０によって反射された表示光が通過する開口部を有する。

表示部材４１は、表示装置１０及び透明ディスプレイ２０からの表示光を投射するために使用される。表示部材４１によって反射された表示光を運転者（観察者）４２が視認することで、運転者４２は、表示部材４１越しに虚像５０、５１を視認することができる。虚像５０、５１として運転者４２に視認される情報としては、車速、エンジン回転数、走行距離、ナビゲーション情報、外気温、及び周囲の状況に関する注意情報（警告情報）などが挙げられる。

表示部材４１は、車両のウインドシールド（フロントガラス）である。また、表示部材４１は、ヘッドアップディスプレイ１専用に設けられた半透明（又は透明）なスクリーン（コンバイナー）であってもよい。コンバイナーは、例えば、車両のインストルメントパネル（フロントパネル、ダッシュボードともいう）上に配置されたり、運転者４２の前方に配置されたルームミラーに装着されたり、ウインドシールドの上部に設置されたサンバイザーに装着されて使用される。コンバイナーは、例えば、曲面を有する板状の合成樹脂製の基材からなり、その基材の表面にアルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）などの金属膜を薄く蒸着し、この蒸着膜によって半透過の機能を備える。

［１−２］ ヘッドアップディスプレイ１のブロック構成
次に、ヘッドアップディスプレイ１のブロック構成について説明する。図２は、ヘッドアップディスプレイ１のブロック図である。

ヘッドアップディスプレイ１は、表示装置１０、透明ディスプレイ２０、駆動回路３１、３２、電圧発生回路３３、操作部３４、及び制御回路３５を備える。

表示装置１０は、表示素子１１、及びバックライト（照明装置）１２を備える。表示素子１１は、液晶表示素子からなる。バックライト１２は、光を発光するとともに、表示素子１１に向けて照明光を出射する。表示素子１１は、照明光を透過して光変調を行うとともに、画像を表示する。表示装置１０から出射された表示光ＤＬ１は、透明ディスプレイ２０に入射する。

駆動回路３１は、表示装置１０を駆動する。具体的には、駆動回路３１は、表示装置１０に含まれる複数の電極に電圧を印加することで、表示装置１０に含まれる液晶層の配向を制御する。また、駆動回路３１は、バックライト１２のオン及びオフを制御する。

駆動回路３２は、透明ディスプレイ２０を駆動する。具体的には、駆動回路３２は、透明ディスプレイ２０に含まれる複数の電極に電圧を印加することで、透明ディスプレイ２０に画像を表示させる。透明ディスプレイ２０は、表示装置１０からの表示光を透過するとともに、表示光ＤＬ２を出射する。すなわち、透明ディスプレイ２０から出射される表示光ＤＬ２は、表示装置１０からの表示光を含む。

電圧発生回路３３は、外部電源を用いて、ヘッドアップディスプレイ１の動作に必要な複数の電圧を発生する。電圧発生回路３３により発生された電圧は、ヘッドアップディスプレイ１内の各モジュール、特に駆動回路３１、３２に供給される。

操作部３４は、運転者４２の操作を受け付ける。操作部３４は、運転者４２の操作に対応する制御信号を生成し、この制御信号を制御回路３５に送る。

制御回路３５は、ヘッドアップディスプレイ１の動作を統括的に制御する。制御回路３５は、操作部３４から送られた制御信号に基づいて、駆動回路３１、３２を制御することが可能である。制御回路３５は、表示装置１０が画像を表示するために必要な信号を駆動回路３１に供給する。同様に、制御回路３５は、透明ディスプレイ２０が画像を表示するために必要な信号を駆動回路３２に供給する。

［１−３］ 動作
上記のように構成されたヘッドアップディスプレイ１の動作について説明する。図３は、表示部材４１に表示される虚像を説明する模式図である。

図３の“ｆ”は、凹面鏡（反射部材）３０の焦点であり、図３の“ｏ”は、凹面鏡３０の曲率中心である。凹面鏡の曲率中心は、光軸と凹面鏡とが交差する極（又は極の近辺）に接する球面（曲率円）の中心である。凹面鏡３０から曲率中心ｏまでの距離を“ｒ”とすると、凹面鏡３０から焦点ｆまでの距離は、“ｒ／２”である。

図３では、表示装置１０が表示する画像５２、及び画像５２に対応しかつ運転者４２が視認する虚像５０をハッチング付きの矢印で示している。また、透明ディスプレイ２０が表示する画像５３、及び画像５３に対応しかつ運転者４２が視認する虚像５１をハッチングなしの矢印で示している。

表示装置１０は、画像５２を表示する。すなわち、図３の画像５２の位置が表示装置１０の位置に対応する。虚像５０が視認される位置は、曲率中心ｏと画像５２とを通る第１直線と、焦点ｆと画像５２とを通る直線が凹面鏡３０に達する点から水平方向に延長した第２直線とが交わる点によって算出される。

透明ディスプレイ２０は、画像５３を表示する。すなわち、図３の画像５３の位置が透明ディスプレイ２０の位置に対応する。虚像５１が視認される位置は、曲率中心ｏと画像５３とを通る第１直線と、焦点ｆと画像５３とを通る直線が凹面鏡３０に達する点から水平方向に延長した第２直線とが交わる点によって算出される。

反射部材３０として凹面鏡を用いた場合、表示装置１０及び透明ディスプレイ２０は、凹面鏡３０の焦点ｆより凹面鏡３０側に配置される。

表示装置１０からの表示光は、凹面鏡３０で反射された後、表示部材４１に届く。運転者４２は、表示装置１０が表示する画像５２を、表示部材４１越しに虚像５０として視認する。また、透明ディスプレイ２０からの表示光は、凹面鏡３０で反射された後、表示部材４１に届く。運転者４２は、透明ディスプレイ２０が表示する画像５３を、表示部材４１越しに虚像５１として視認する。

運転者４２は、虚像５０及び虚像５１を重ねて視認する。また、虚像５０及び虚像５１は、異なる結像位置で運転者４２に視認される。具体的には、虚像５０は、運転者４２から相対的に遠くで視認され、虚像５１は、運転者４２から相対的に近くで視認される。

図４は、ヘッドアップディスプレイ１の動作を説明するフローチャートである。

ヘッドアップディスプレイ１は、２つの動作モード、すなわち第１動作モードＭ１及び第２動作モードＭ２を有する。第１動作モードＭ１は、表示装置１０のみが画像を表示するモードである。第２動作モードＭ２は、表示装置１０及び透明ディスプレイ２０がそれぞれ画像を表示するモードである。

制御回路３５は、例えば運転者４２が操作部３４を操作して、動作モードが選択されたか否かを監視している（ステップＳ１００）。動作モードが選択された場合、ステップＳ１０１に進む。

第１動作モードＭ１が選択された場合（ステップＳ１０１＝Ｙｅｓ）、制御回路３５は、第１動作モードＭ１を実行する（ステップＳ１０２）。第１動作モードＭ１では、制御回路３５は、表示装置１０に画像を表示させるとともに、透明ディスプレイ２０をオフにする。これにより、運転者４２は、表示装置１０が表示した虚像５０のみを視認する。透明ディスプレイ２０がオフであるとは、透明ディスプレイ２０が全体として透明状態であり、画像を表示していない状態を意味する。

第２動作モードＭ２が選択された場合（ステップＳ１０１＝Ｎｏ）、制御回路３５は、第２動作モードＭ２を実行する（ステップＳ１０３）。第２動作モードＭ２では、制御回路３５は、表示装置１０に画像を表示させるとともに、透明ディスプレイ２０に画像を表示させる。これにより、運転者４２は、表示装置１０が表示した虚像５０に重畳して、透明ディスプレイ２０が表示した虚像５１を視認する。

例えば、表示装置１０は、運転中に常時表示される情報として、車速及び経路情報などの運転情報を表示する。透明ディスプレイ２０は、緊急時に表示される情報として、“踏切あり”や“歩行者あり”などの注意情報を表示する。

第１動作モードＭ１と第２動作モードＭ２との切り替え処理は、制御回路３５が判断してもよい。制御回路３５は、通常は第１動作モードＭ１を実行し、予め決められた情報を表示させることが必要と判断した場合に、第２動作モードＭ２を実行するようにしてもよい。また、制御回路３５は、車両に設けられたセンサから情報を受け、この情報を用いて、透明ディスプレイ２０に注意情報を表示するようにしてもよい。

図５は、ヘッドアップディスプレイ１が表示する画像の一例を説明する模式図である。図５（ａ）は、表示装置１０のみが表示する画像の一例を説明する図である。図５（ｂ）は、表示装置１０及び透明ディスプレイ２０が表示する画像を説明する図である。すなわち、図５（ａ）が第１動作モードＭ１の表示例であり、図５（ｂ）が第２動作モードＭ２の表示例である。

図５（ａ）に示すように、第１動作モードＭ１では、表示装置１０は、車速に関する画像を表示し、透明ディスプレイ２０は、オフしている。ウインドシールド４１には、車速に関する虚像５０が表示される。

図５（ｂ）に示すように、第２動作モードＭ２では、表示装置１０は、車速に関する画像を表示し、透明ディスプレイ２０は、踏切ありの標識に関する画像を表示する。ウインドシールド４１には、車速に関する虚像５０と、踏切ありの標識に関する虚像５１とが表示される。そして、車速と標識とが重畳して表示される。

［１−４］ 変形例
透明ディスプレイ２０の表示面に、反射防止フィルムを設けてもよい。透明ディスプレイ２０の表示面は、表示装置１０と向き合う面の反対側の面である。

また、反射防止構造としてモスアイ構造を有する反射防止フィルムを用いてもよい。モスアイ構造とは、円錐状の複数の突起が等間隔又は隙間なく並んだ構造である。

太陽光などの外光は、ヘッドアップディスプレイ１の光路と逆の光路を辿って透明ディスプレイ２０に届き、透明ディスプレイ２０の表示面で反射される。この反射光は、運転者に視認されるため、ヘッドアップディスプレイ１の表示特性が劣化する。

変形例によれば、外光が透明ディスプレイ２０の表示面で反射された反射光の光量を低減できる。これにより、ヘッドアップディスプレイ１の表示特性が劣化するのを抑制できる。

［１−５］ 第１実施形態の効果
第１実施形態によれば、結像位置が異なる複数の虚像を表示することが可能なヘッドアップディスプレイ１を実現できる。また、機械的な駆動機構を備えることなく、より簡単な構成で、複数の虚像を表示することができる。例えば、レンズや凹面鏡の焦点距離を変えることなく、結像位置が異なる複数の虚像を表示することが可能である。

また、結像位置が異なる複数の虚像を表示することで、１つの虚像には通常の運転に必要な車速などの運転情報を表示させ、別の虚像には一時的な情報（危険回避情報や道案内情報など）を表示させることが可能である。

［２］ 第２実施形態
第１実施形態では、ヘッドアップディスプレイ１が１個の透明ディスプレイを備える構成としたが、透明ディスプレイを２個以上設けるようにしてもよい。第２実施形態は、２個の透明ディスプレイを備えたヘッドアップディスプレイ１の実施例である。

図６は、第２実施形態に係るヘッドアップディスプレイ１の模式図である。ヘッドアップディスプレイ１は、２個の透明ディスプレイ２０−１、２０−２を備える。

透明ディスプレイ２０−１は、表示装置１０の光軸ＯＡ上に配置される。透明ディスプレイ２０−１は、その表示面が表示装置１０の光軸ＯＡに対して垂直になるように配置される。

透明ディスプレイ２０−２は、表示装置１０の光軸ＯＡ上、かつ透明ディスプレイ２０−１と表示装置１０との間に配置される。透明ディスプレイ２０−２は、その表示面が表示装置１０の光軸ＯＡに対して垂直になるように配置される。

透明ディスプレイ２０−１、２０−２はそれぞれ、画像を表示する。透明ディスプレイ２０−１の画像は、虚像５１−１として運転者４２に視認される。透明ディスプレイ２０−２の画像は、虚像５１−２として運転者４２に視認される。透明ディスプレイ２０−１、２０−２以外の構成は、第１実施形態と同じである。

３個の虚像５０、５１−１、５１−２は、互いに重畳して運転者４２に視認されるとともに、空間的に異なる位置で運転者４２に視認される。

第２実施形態によれば、結像位置が異なる３個又はそれ以上の虚像を表示させることが可能である。その他の効果は、第１実施形態と同じである。

また、第１実施形態の変形例と同様に、透明ディスプレイ２０−１が反射防止フィルムを備えていてもよい。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１…ヘッドアップディスプレイ、１０…表示装置、１１…表示素子、１２…照明装置、２０…透明ディスプレイ、３０…反射部材、３１，３２…駆動回路、３３…電圧発生回路、３４…操作部、３５…制御回路、４０…ダッシュボード、４１…表示部材、５０，５１…虚像、５２，５３…画像。

Claims (7)

1. 表示光を出射し、画像を表示する表示装置と、
   前記表示装置の光軸上に配置され、前記表示装置からの表示光を透過し、画像を表示する第１透明ディスプレイと、
   を具備し、
   前記表示装置が表示した画像と、前記第１透明ディスプレイが表示した画像とは、重畳されて表示部材に表示される
   ヘッドアップディスプレイ。
2. 前記表示装置と前記第１透明ディスプレイとの間に配置され、前記表示装置の光軸上に配置され、前記表示装置からの表示光を透過し、画像を表示する第２透明ディスプレイをさらに具備し、
   前記表示装置が表示した画像と、前記第２透明ディスプレイが表示した画像と、前記第１透明ディスプレイが表示した画像とは、重畳されて前記表示部材に表示される
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
3. 前記表示装置からの表示光と、前記第１透明ディスプレイからの表示光とを、前記表示部材に向けて反射する反射部材をさらに具備する
   請求項１に記載のヘッドアップディスプレイ。
4. 前記第１透明ディスプレイは、表示面に設けられた反射防止フィルムを含む
   請求項１乃至３の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
5. 前記表示装置は、光を発光する照明装置と、前記照明装置からの光を透過する液晶表示素子とを含む
   請求項１乃至４の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
6. 前記表示装置は、自発光型の表示装置である
   請求項１乃至４の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。
7. 前記第１透明ディスプレイは、透明有機ＥＬディスプレイ、透明無機ＥＬディスプレイ、又は透明液晶ディスプレイである
   請求項１乃至６の何れか１項に記載のヘッドアップディスプレイ。

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