JP2023069840A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二重像の発生、および輝度ムラの発生を抑制することができる虚像表示装置を提供する。【解決手段】ＨＵＤ装置１００は、ＰＧＵ１０が二重像の発生が軽減される位置に位置決めされる。これによって二重像の発生を抑制することができる。さらに光源部２１が輝度ムラの少ない位置に位置決めされる。これによって輝度ムラの発生を抑制することができる。ＰＧＵ１０の位置決めおよび光源部２１の位置決めによって、二重像の発生、および輝度ムラの発生を抑制することができる。【選択図】図２

Description

この明細書における開示は、虚像を表示する虚像表示装置に関する。

近年、車両用表示装置としてヘッドアップディスプレイ装置（以下、ＨＵＤ装置ということがある）が用いられることがある。ＨＵＤ装置は、画像表示光を車両のウインドシールドに投射し、画像表示光に基づく虚像を車外の風景に重畳して表示する。ウインドシールドには車内側と車外側の二つの界面があるため、それぞれの界面にて反射して視認される画像表示光がずれて重畳され、二重像に見えてしまうことがある。

このような二重像の発生を抑制するため、特許文献１に記載の虚像表示装置では、表示部と凹面鏡の間に凸レンズを挿入している。凸レンズを挿入することによって、メリディオナル（meridional）面内焦点に表示部を配置して、運転者に向かう２つの光路を一致させて、二重像の発生を抑制している。

特開２０１９－１５９３９号公報

前述の特許文献１に記載の虚像表示装置では、縦方向と横方向の光学倍率が大きく異なるので、表示部から凹面鏡が光を取り込む際の入射瞳が方向によって異なる。入射瞳が異なるので、輝度ムラが発生するおそれがある。

そこで、開示される目的は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、二重像の発生、および輝度ムラの発生を抑制することができる虚像表示装置を提供することを目的とする。

本開示は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。

ここに開示された虚像表示装置は、投影部材（２０２）へ画像を投影することにより、視認者によって視認可能に画像を虚像表示する虚像表示装置（１００）であって、入射した光を投影部材に導く凹面鏡（１２）と、凹面鏡に対して画像の表示光を出射する出射部（１０）と、出射部を凹面鏡に対して変位させて、出射部を位置決めする第１駆動部（１１）と、第１駆動部による位置決めを制御する第１位置制御部（１４）と、出射部は、光を出射する光源部（２１）と、光源部から出射された光を集光する集光部（２２）と、集光部が集光した光が入射し、入射した光を、画像を表示するための表示光に変換する表示部（２３）と、光源部を、集光部に対して変位させて、光源部を位置決めする第２駆動部（２４）と、第２駆動部による位置決めを制御する第２位置制御部（１４）と、を含む虚像表示装置である。

このような虚像表示装置に従えば、出射部を二重像の発生が軽減される位置に位置決めすることができる。これによって二重像の発生を抑制することができる。さらに光源部を輝度ムラの少ない位置に位置決めすることができる。これによって輝度ムラの発生を抑制することができる。出射部の位置決めおよび光源部の位置決めによって、二重像の発生、および輝度ムラの発生を抑制することができる。

なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

第１実施形態のＨＵＤ装置の車両への搭載状態を示す図。 ＨＵＤ装置の構成を示す図。 制御部の位置決め処理を示すフローチャート。 制御部の他の位置決め処理を示すフローチャート。

（第１実施形態）
本開示の第１実施形態に関して、図１～図４を用いて説明する。第１実施形態のＨＵＤ装置１００は、移動体の一種である車両２００に搭載され、インストルメントパネル２０１内に収容されている。ＨＵＤ装置１００は、車両２００の投影部材としてのウインドシールド２０２へ画像を投影する。これにより、ＨＵＤ装置１００は、視認者である乗員によって視認可能に画像を虚像表示する虚像表示装置として機能する。

ウインドシールド２０２に反射される画像の表示光が、車両２００の室内に設定された視認領域ＥＢに到達することにより、視認領域ＥＢ内にアイポイントＥＰが位置する乗員が表示光を虚像３００として知覚する。これによって乗員は、虚像３００として表示される各種情報を認識することができる。虚像３００として表示される各種情報としては、例えば車速、燃料残量等の車両状態値、また、道路情報、視界補助情報等の車両情報が挙げられる。

車両２００のウインドシールド２０２は、透光性のガラスないしは合成樹脂により板状に形成されている。ウインドシールド２０２は、表示光が投影される投影面２０３を滑らかな凹面状又は平面状に形成している。

視認領域ＥＢは、ＨＵＤ装置１００により表示される虚像３００が視認可能となる空間領域である。典型的には、視認領域ＥＢは、車両２００に設定されたアイリプスと重なるように設けられる。アイリプスは、乗員としての運転者のアイポイントＥＰの分布を統計的に表したアイレンジに基づいて、設定されている。

次に、ＨＵＤ装置１００の具体的構成に関して説明する。ＨＵＤ装置１００は、図１および図２に示すように、ＰＧＵ（Picture Generation Unit）１０、ＰＧＵ駆動部１１、凹面鏡１２、凹面鏡駆動部１３および制御部１４を備える。ＰＧＵ１０、ＰＧＵ駆動部１１、凹面鏡１２および凹面鏡駆動部１３および制御部１４は、ＨＵＤ装置１００のハウジング１５に収容されている。

ＰＧＵ１０は、出射部であって、凹面鏡１２に対して画像の表示光を出射する。ＰＧＵ駆動部１１は、第１駆動部であって、ＰＧＵ１０を凹面鏡１２に対して変位させて、ＰＧＵ１０を位置決めする。ＰＧＵ駆動部１１は、表示光の光軸、および光軸に互いに直交する２つの軸に沿ってＰＧＵ１０をスライド変位させる。したがってＰＧＵ１０は、互いに直交する３軸に沿ってスライド変位可能である。換言すると、光軸に沿った方向を前後方向とすると左右方向および上下方向に変位可能である。

ＰＧＵ駆動部１１は、たとえば複数のモータ、複数のラックおよびピニオンを含んで構成される。モータは、電力を用いて駆動力を発生する駆動源として機能する。ラックは、長手状の部材であり、ＰＧＵ１０などが固定される。モータの回転軸には、ラックと噛合するピニオンが設けられている。モータに電力が供給されて回転軸が回転駆動することで回転軸とともにピニオンが回転し、ピニオンに噛合しているラックがスライド変位する。ラックがスライド変位する方向は、モータの回転軸の回転方向を切り替えることで制御することができる。ラックの一端部はＰＧＵ１０などに固定されているので、モータの回転軸が回転することで、ＰＧＵ１０がラックに沿ってスライド変位することになる。３つのラックを３軸に沿わせて、各ラックを互いに組み合わせることで、ＰＧＵ１０の３軸への移動が可能となる。

まず、ＰＧＵ１０に関して説明する。ＰＧＵ１０は、図２に示すように、光源部２１、集光部２２、表示部２３および光源駆動部２４を有し、例えば箱状のケーシング２５にこれらを収容して形成されている。

光源部２１は、集光部２２に向けて光を出射する。光源部２１は、例えば複数の発光素子の配列により構成されている。本実施形態における発光素子は、光源用回路基板上に配置され、電源と接続されている発光ダイオード素子である。各発光素子は、通電により電流量に応じた発光量で光を発する。より詳細には、各発光素子では、例えば青色発光ダイオードを蛍光体で覆うことにより、疑似白色での発光が実現されている。本実施形態では、発光素子は３つ設けられている。

集光部２２は、光源部２１から出射された光を集光する。集光部２２は、集光した光を表示部２３に導く。集光部２２は、本実施形態ではコンデンサレンズ３１およびフィールドレンズ３２を含んで構成される。コンデンサレンズ３１およびフィールドレンズ３２は、光源部２１と表示部２３との間に配置されている。具体的には、コンデンサレンズ３１は、光源部２１側に配置され、フィールドレンズ３２は表示部２３側に配置される。

コンデンサレンズ３１は、例えば合成樹脂ないしはガラス等により透光性を有して形成されている。コンデンサレンズ３１は、複数の凸レンズ素子が発光素子の数および配置に合わせて配列されたレンズアレイとなっている。コンデンサレンズ３１は、光源部２１から入射した光を集光してフィールドレンズ３２へ射出する。

フィールドレンズ３２は、コンデンサレンズ３１と表示部２３との間に配置され、例えば合成樹脂ないしはガラス等により透光性を有して形成されている。フィールドレンズ３２は、平板状に形成されたフレネルレンズとなっている。フィールドレンズ３２は、コンデンサレンズ３１側から入射した光をさらに集光して表示部２３へ向けて射出する。

表示部２３は、集光部２２が集光した光が入射し、入射した光を、画像を表示するための表示光に変換する。表示部２３は、本実施形態では液晶パネルによって実現される。液晶パネルは、薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor、ＴＦＴ）を用いた液晶パネルであって、例えば２方向に配列された複数の液晶画素から形成されたアクティブマトリクス型の液晶パネルである。

液晶パネルでは、一対の直線偏光板および一対の直線偏光板に挟まれた液晶層等が積層されている。各直線偏光板は、偏光方向が導光軸に沿った光を導光すると共に、偏光方向が遮光軸に沿った光を遮光する性質を有する。一対の直線偏光板は、導光軸を互いに実質直交して配置されている。液晶層は、液晶画素毎の電圧印加により、印加電圧に応じて液晶層に入射する光の偏光方向を回転させることが可能となっている。

液晶パネルは、コンデンサレンズ３１側からの光の入射により、液晶画素毎の光の透過率を制御して、表示面から射出される表示光によって画像を形成する。隣り合う液晶画素には、互いに異なる色、例えば、赤、緑、および青のカラーフィルタが設けられており、これらの組み合わせに様々な色が実現されるようになっている。

こうした表示部２３により、ＰＧＵ１０は、画像の表示光を凹面鏡１２に向けて投射する。ＰＧＵ１０から投射された表示光は、凹面鏡１２が形成している光路を経て、ウインドシールド２０２へと導光される。

光源駆動部２４は、第２駆動部であって、光源部２１を、集光部２２に対して変位させて、光源部２１を位置決めする。光源駆動部２４は、コンデンサレンズ３１の入射面と、光源部２１の出射面との距離を光軸に沿ってスライド変位させる。光源駆動部２４は、たとえばモータ、ラックおよびピニオンを含んで構成される。モータは、電力を用いて駆動力を発生する駆動源として機能する。ラックは、長手状の部材であり、光源部２１が固定される。モータの回転軸には、ラックと噛合するピニオンが設けられている。モータに電力が供給されて回転軸が回転駆動することで回転軸とともにピニオンが回転し、ピニオンに噛合しているラックがスライド変位する。ラックがスライド変位する方向は、モータの回転軸の回転方向を切り替えることで制御することができる。ラックの一端部は光源部２１に固定されているので、モータの回転軸が回転することで、光源部２１がスライド変位することになる。

凹面鏡１２は、入射した表示光を反射してウインドシールド２０２に導光する。凹面鏡１２は、例えば合成樹脂ないしはガラス等からなる基材の表面に、反射導光面としてアルミニウム等の金属を蒸着させること等により形成されている。反射導光面は、中心が凹む凹状に湾曲することで、滑らかな凹面状に形成されている。凹面鏡１２に入射した表示光は、反射導光面により、ウインドシールド２０２へ向けて反射されるようになっている。

凹面鏡駆動部１３は、第３駆動部であって、凹面鏡１２を角変位させてウインドシールド２０２における画像の投影位置を位置決めする。凹面鏡駆動部１３は、モータと、モータに連結されて回転する連結軸１６を含む。凹面鏡１２は、連結軸１６に固定されている。凹面鏡駆動部１３は、モータを駆動することで、連結軸１６を回転させて、反射導光面の向き変更する。これによって虚像３００の位置を乗員の座高等に合わせて上下移動させることができるようになっている。

制御部１４は、ＰＧＵ１０、ＰＧＵ駆動部１１および凹面鏡駆動部１３を統合制御するＨＵＤ装置１００の制御回路である。制御部１４は、記憶媒体に記憶されているプログラムを実行し、各部を制御する。制御部１４は、少なくとも１つの演算処理装置（ＣＰＵ）と、プログラムとデータとを記憶する記憶媒体とを有する。制御部１４は、たとえばコンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を備えるマイクロコンピュータによって実現される。記憶媒体は、コンピュータによって読み取り可能なプログラムおよびデータを非一時的に格納する非遷移的実体的記憶媒体である。記憶媒体は、半導体メモリまたは磁気ディスクなどによって実現される。制御部１４は、表示部２３、光源部２１、ＰＧＵ駆動部１１、光源駆動部２４および凹面鏡駆動部１３を駆動するための駆動回路がさらに設けられている。

制御部１４は、第１位置制御部として機能し、ＰＧＵ駆動部１１による位置決めを制御する。また制御部１４は、第２位置制御部として機能し、光源駆動部２４による位置決めを制御する。さらに制御部１４は、第３位置制御部として機能し、凹面鏡駆動部１３による位置決めを制御する。

次に、制御部１４の位置決め処理に関して、図３および図４を用いて説明する。図３に示すフローチャートは、たとえば車両２００の製造工程において、ＨＵＤ装置１００を設置するときに実行される。

ステップＳ１では、ＰＧＵ１０の位置決めを実施し、ステップＳ２に移る。ステップＳ１では、ウインドシールド２０２において二重像の発生が軽減される軽減範囲内にＰＧＵ１０を配置するようにＰＧＵ駆動部１１を制御する。たとえば設置者が調整して、目視で二重像が消えるまたは二重像が軽減される軽減範囲内に配置する。また設置用のカメラを運転席に設置して、カメラが画像を撮像して、軽減範囲内に配置するようにＰＧＵ駆動部１１を制御する。

ステップＳ２では、光源部２１の位置決めを実施し、本フローを終了する。ステップＳ２では、ウインドシールド２０２に投影された画像の輝度ムラがない、または輝度ムラが少ない均等範囲内に光源部２１を配置するように光源駆動部２４を制御する。たとえば設置者が調整して、目視で均等範囲内に配置する。また設置用のカメラを運転席に設置して、カメラが画像を撮像して、輝度ムラが均等範囲内に配置するように光源駆動部２４を制御する。このように制御部１４は、ＰＧＵ１０の位置決め後に、光源部２１の位置決めを行う。

次に、制御部１４の他の位置決め処理に関して図４を用いて説明する。図４に示すフローチャートは、ＨＵＤ装置１００の電源投入状態において、繰り返し実行される。

ステップＳ１では、凹面鏡１２の位置が変更されたか否かを判断し、変更された場合には、ステップＳ２に移り、変更されてない場合には、本フローを終了する。凹面鏡１２の位置の変更は、たとえば乗員が凹面鏡１２の角度位置を変更して、画像の位置を変更したいときに行われる。

ステップＳ２では、ＰＧＵ１０の位置決めを実施し、ステップＳ２に移る。ステップＳ２では、凹面鏡１２の角度位置が変わるので、ウインドシールド２０２において軽減範囲内にＰＧＵ１０を配置するようにＰＧＵ駆動部１１を制御する。たとえば凹面鏡１２の角度位置に関連付けて記憶されるＰＧＵ１０の軽減範囲内に配置するようにＰＧＵ駆動部１１を制御する。製造時などに、凹面鏡１２の各角度位置に対応するＰＧＵ１０の軽減範囲を検出しておき、そのデータを制御部１４の記憶媒体が記憶しておくことで、凹面鏡１２の角度位置に対応するＰＧＵ１０の位置にいわば自動で位置決めすることができる。

ステップＳ３では、光源部２１の位置決めを実施し、本フローを終了する。ステップＳ３では、均等範囲内に光源部２１を配置するように光源駆動部２４を制御する。たとえば凹面鏡１２の角度位置に関連付けて記憶される光源部２１の均等範囲内に光源部２１を配置するように光源駆動部２４を制御する。製造時などに、凹面鏡１２の各角度位置に対応する光源部２１の均等範囲を検出しておき、そのデータを制御部１４の記憶媒体が記憶しておくことで、凹面鏡１２の角度位置に対応する光源部２１の位置にいわば自動で位置決めすることができる。

以上説明したように本実施形態のＨＵＤ装置１００は、ＰＧＵ１０が二重像の発生が軽減される位置に位置決めされる。これによって二重像の発生を抑制することができる。さらに光源部２１が輝度ムラの少ない位置に位置決めされる。これによって輝度ムラの発生を抑制することができる。ＰＧＵ１０の位置決めおよび光源部２１の位置決めによって、二重像の発生、および輝度ムラの発生を抑制することができる。

凹面鏡１２では縦方向と横方向倍率が大きく異なるため、凹面鏡１２が表示光を取り込む際の入射瞳が縦方向と横方向とによって異なる。具体的には液晶パネルから光源部２１側方向にメリディオナル断面の入射瞳が配置され、さらにそこから遠方にサジタル断面の入射瞳が配置される。これによって凹面鏡１２に対しては結像関係が良好に保てず、画像の輝度ムラおよび視線移動時の輝度ムラが発生する。

そこで本実施形態では、前述のように二重像が理想的に消滅される軽減範囲内の位置にＰＧＵ１０を位置調整するＰＧＵ駆動部１１を設ける。さらに、光源像の結像位置が液晶パネルに近く、わずかな光源結像位置の変化に対して液晶パネルを照明する光線角度が変化してしまうので、光源部２１から光を集光するコンデンサレンズ３１と光源部２１との間の距離を調節する光源駆動部２４を設ける。これによって本実施形態では、凹面鏡１２の縦倍率と横倍率の違いが原因で発生する輝度ムラを補正し、さらに二重像の発生を抑制することができる。

また本実施形態では、制御部１４は、凹面鏡駆動部１３による投影位置の位置決め後に、ＰＧＵ１０の位置決め制御を実施する。これによって凹面鏡１２の角度位置が変更された場合でも、ＰＧＵ１０の位置決めおよび光源部２１の位置決めによって、二重像の発生、および輝度ムラの発生を抑制することができる。

換言すると、凹面鏡１２が回転したときは、ＰＧＵ１０全体が駆動して二重像を消す、または二重像の発生が軽減される軽減範囲内にＰＧＵ１０を位置決めする。凹面鏡１２が回転するとウインドシールド２０２の反射点が変化するので、焦点位置が変化する。そこで、ＰＧＵ１０を変位させて二重像が消える条件を満足するように位置決めする。

（その他の実施形態）
以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は前述した実施形態に何ら制限されることなく、本開示の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

前述の実施形態の構造は、あくまで例示であって、本開示の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本開示の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。

前述の第１実施形態では、投影部材は、車両２００と一体となっているウインドシールド２０２であったが、車両２００と別体であってもよい。投影部材として、車両２００と別体となっているコンバイナを車両２００内に設置して、コンバイナに画像を投影するものであってもよい。また、ＨＵＤ装置１００自体が、投影部材としてのコンバイナを備えていてもよい。

前述の第１実施形態において、ＨＵＤ装置１００の制御部１４によって実現されていた機能は、前述のものとは異なるハードウェアおよびソフトウェア、またはこれらの組み合わせによって実現してもよい。制御部１４は、たとえば他の制御装置と通信し、他の制御装置が処理の一部または全部を実行してもよい。制御部１４が電子回路によって実現される場合、それは多数の論理回路を含むデジタル回路、またはアナログ回路によって実現することができる。

前述の第１実施形態では、ＨＵＤ装置１００は車両２００で用いられているが、車両２００に搭載された状態に限定されるものではなく、少なくとも一部が車両２００に搭載されていなくてもよい。また車両２００以外の船舶ないしは飛行機等の各種移動体および輸送機器に、ＨＵＤ装置１００を用いてもよい。

１０…ＰＧＵ（出射部） １１…ＰＧＵ駆動部（第１駆動部） １２…凹面鏡
１３…凹面鏡駆動部（第３駆動部） １４…制御部（第１位置制御部，第２位置制御部）
１５…ハウジング １６…連結軸 ２１…光源部 ２２…集光部 ２３…表示部
２４…光源駆動部（第２駆動部） ２５…ケーシング ３１…コンデンサレンズ
３２…フィールドレンズ １００…ＨＵＤ装置（虚像表示装置） ２００…車両
２０１…インストルメントパネル ２０２…ウインドシールド（投影部材）
２０３…投影面 ３００…虚像 ＥＢ…視認領域 ＥＰ…アイポイント

Claims (3)

1. 投影部材（２０２）へ画像を投影することにより、視認者によって視認可能に前記画像を虚像表示する虚像表示装置（１００）であって、
   入射した光を前記投影部材に導く凹面鏡（１２）と、
   前記凹面鏡に対して前記画像の表示光を出射する出射部（１０）と、
   前記出射部を前記凹面鏡に対して変位させて、前記出射部を位置決めする第１駆動部（１１）と、
   前記第１駆動部による位置決めを制御する第１位置制御部（１４）と、
   前記出射部は、
   光を出射する光源部（２１）と、
   前記光源部から出射された光を集光する集光部（２２）と、
   前記集光部が集光した光が入射し、入射した光を、前記画像を表示するための表示光に変換する表示部（２３）と、
   前記光源部を、前記集光部に対して変位させて、前記光源部を位置決めする第２駆動部（２４）と、
   前記第２駆動部による位置決めを制御する第２位置制御部（１４）と、を含む虚像表示装置。
2. 前記凹面鏡を角変位させて前記投影部材における前記画像の投影位置を位置決めする第３駆動部（１３）をさらに含み、
   前記第１位置制御部は、前記第３駆動部による前記投影位置の位置決め後に、前記第１駆動部の位置決め制御を実施する請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記集光部は、最も前記光源部側に設けられるコンデンサレンズ（３１）を含み、
   前記第２駆動部は、前記コンデンサレンズの入射面と前記光源部の出射面との距離を光軸に沿って変位させて、前記光源部を位置決めする請求項１または２に記載の虚像表示装置。

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